WEOA6

PF-AR 5 GeV運転時におけるPFとの同時トップアップ⼊射のコミッショニング及びユーザー運転への適⽤
東 直，満⽥ 史織，⻑橋 進也，原⽥ 健太郎，下崎 義⼈，野上 隆史，内⼭ 隆司，
中村 典雄，本⽥ 融，佐藤 政則，岡安 雄⼀，榎本 嘉範，飯⽥ 直⼦（KEK）

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1. これまでの経緯
・KEKつくばキャンパスの構成• KEKつくばキャンパスの光源加速器であるPF, PF-ARと衝突型加速器であるSuperKEKBは, 1つの⼊射器 (Linac)を共有.

SuperKEKB• 50 Hzで各bunchをPF, PF-AR, SuperKEKBに振り分けることにより, 全リング同時top-up⼊射が可能となっている.

LINAC
PF-ARPF

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1. これまでの経緯
・SuperKEKBへのupgrade
2016年からKEKBはSuperKEKBとして⽣まれ変わり, より⾼いルミノシティを⽬指している.
KEKB (HER) -BT とPF-AR BT (ARBT)は⼀部を共有

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1. これまでの経緯
・ARBTの独⽴
LinacからPF-ARまでの輸送路 (beam transport line: BT), ARBTを独⽴させ,これまでの3 GeVではなく, リングのエネルギーと同じ6.5 GeVに設計PFとPF-ARの同時top-up運転が可能となった[1][1] 東直 他, “PF-AR 直接⼊射路の建設とコミッショニング”, PASJ17, THOL10

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1. これまでの経緯

運営費交付⾦の減少
運転コストの削減
運転コスト ~ 消費電⼒ × 運転時間
これまではこれで調整してきた.

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1. これまでの経緯

PFの2.5 GeVに⽐べてPF-ARは6.5 GeVと⽐較的⾼いエネルギー<latexit sha1_base64="aGnr8oCsaNGgmW0MSZ0Skd9fOqc=">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</latexit>

P5 GeV⇠P6.5 GeV✓

5 GeV
6.5 GeV◆2⇠ 59%運転コスト ~ 消費電⼒ × 運転時間

2019年から周回エネルギーをコスト・コントロールのノブとしたユーザー運転が開始された(これまでの6.5 GeVと5 GeVで運転時間を分け合う)

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2. ARBT 5 GeV運転の課題
2017年から運転が開始された新しいARBTは6.5 GeVの設計で建設された.

5 GeVというエネルギーでPF/AR同時top-up⼊射するのは不可能.

問題の場所
第3スイッチヤード

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2. ARBT 5 GeV運転の課題
ARBTとPFBTの交差点に共通DC偏向電磁⽯ (BPFS)が存在
5 GeVの電⼦ビームはBPFSを通過すると蹴られ過ぎて設計軌道からズレていく

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3. 疑似トップアップ運転の採⽤PFとPF-ARそれぞれに150秒と90秒の⼊射時間を与えるPF, PF-ARのそれぞれの⼊射時に共通DC偏向電磁⽯の励磁電流を各エネルギーに合わせる
疑似トップアップ運転の成⽴[2][2] ⻑橋進也 他, “PF-ARにおける5 GeV運転の状況”, PASJ2020, THPP63

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4. 真トップアップ運転の需要
・運転スケジュールの制限からの開放
multi-bunchとsingle-bunchが共存するPFのHybrid運転下ではビーム寿命が短く, 連続⼊射 (真トップアップ)が要求される
PF Hybrid運転の裏で, PF-ARは6.5 GeV運転を選択せざるを得ないという制限からの開放

・PF-ARテストビームライン [3] 運⽤に伴う対策
素粒⼦・原⼦核実験⽤検出器開発のためのテストビームラインの運⽤が開始
ビーム不安定性・ビームロスの発⽣, ビーム寿命急落時にも柔軟な対応が可能

・low emittance optics採⽤に伴う対策
⾼輝度化が望めるPF-AR low emittance化が現在進⾏中
ビーム不安定性・ビームロスの発⽣, ビーム寿命急落時にも柔軟な対応が可能[3] 本⽥融 他, “PF-AR の測定器開発テストビームライン建設計画 ”, PASJ2021, MOP049

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5. 真トップアップ運転実現のための改造
⼀昨年度 (2021年度)に予算化され, 昨年度 (2022年度)の夏にphase1の改造⼯事が実施された.
ARBT 5 GeVを追加で成⽴させるのが⽬的だが,今回はPFBTのハードウェアが改造された.

⽅針• 共通DC偏向電磁⽯ (BPFS)の磁場強度を弱めARBT 5GeV設定に寄せ, PFBTで発⽣する軌道のズレを吸収.
• BPFS直下にある四極電磁⽯“QPFA1”を下流に移設し,空いたスペースに3台の⽔平ステアリング電磁⽯を新設.

改造前• ⽔平ステアリング設置場所の真空ダクトを扁平ダクトに置き換える.

利点• PFBTのみに磁場をかけるのでDCで良い.
• 真空ダクトの改造は主に新規設置電磁⽯部のみで済み,
⽐ 較 的 ⾼ 価 な Beam Position Monitor (BPM) や ScreenMonitorの新規製作の必要がない.
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改造後
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5. 真トップアップ運転実現のための改造
・新PFBTのOptics• 共 通 DC 偏 向 電 磁 ⽯ “ BPFS ” を PFBT 2.5
GeVの設定よりも弱めて5 GeV ARBTを成⽴させる.
• そのためBPFS下流で⼤きなDXが発⽣.
• 前もって⽔平ステアリング“HS1”で逆⽅向に蹴っておき, BPFS下流で発⽣するDXを実効的に抑制する.
• BPFS下流は新規インストールの⽔平ス
テアリング“HS2, 3, 4”の3台で位置 (DX)と⾓度を設計に戻す.
• 3台の⽔平ステアリングを新規インストールするため, 四極電磁⽯“QPFA1”を下流に移設. 歪んだopticsは下流の四極電磁⽯で補正済み.
• 当該部の既設ダクト径 25 mmを超えるので, これを受けられるように⽔平に⼤きい扁平ダクトを新規製作, インストール.

dx : ⽔平軌道差

βx : beta関数
ηx : 分散関数
σx : ⽔平ビームサイズ

ビームが占める空間

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5. 真トップアップ運転実現のための改造
・magnet and vacuum duct

170 mm

奥⾏き300 mm

25 mm

170 mm扁平ダクト断⾯図

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TUP15 (満⽥)TUP43 (⻑橋)13/20

5. 真トップアップ運転実現のための改造
・新ARBT (5 GeV)のOptics• 共通DC偏向電磁⽯“BPFS”は6.5 GeV設定からは弱めたものの, 5 GeV設定よりも強いため下流で⼤きなDXが発⽣.
• 前もってBT分岐点であるpulse bendとその 下 流 の 2 つ の bend を ⽤ い て 逆 ⽅ 向 に蹴っておき, BPFS下流で発⽣するDXを実効的に抑制する.

dx : ⽔平軌道差

βx : beta関数ηx : 分散関数

• BPFS下流は既設の偏向電磁⽯2台で位置(DX)と⾓度を設計に戻す.

σx : ⽔平ビームサイズ• APEX (ビームが占める空間: |DX| + 5𝜎𝑥)は全領域で既設ダクト径の25 mmを超えないように設計.

ビームが占める空間• pulse bendの振幅はpulse to pulseで変更できないため, PFBTとARBT間で蹴り⾓を切り替えられないが, 位相 (delay)を制御することにより, 実効的に蹴り⾓を変更している.
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緑: 4極電磁⽯14/20

6. コミッショニングとユーザー運転への適⽤・コミッショニング
2022年度10 - 12⽉期の運転で, PF (2.5 GeV)/PF-AR (5 GeV)の同時トップアップ⼊射のstudy (コミッショニング)を実施.
決まり事: ARBTとPFBTで共有する電磁⽯ (BPFS)はnobとして触らない.
触らなければ, ARBTとPFBTの調整は, “理想的には”独⽴しているはず.

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6. コミッショニングとユーザー運転への適⽤・調整の⼿順
共通DC偏向電磁⽯ (BPFS)の励磁電流 (蹴り⾓)を決める (設計値)

PF-AR (5 GeV)PF (2.5 GeV)

BA1, BA2で軌道を閉じる

HD3, HD4で軌道を閉じる

2つのfree parameterがあれば, 理想的には位置と⾓度を設定でき, 軌道を閉じることができる.

BA1
BA2

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6. コミッショニングとユーザー運転への適⽤・ARBTの調整 (例)• PFBTと共有する共通DC偏向電磁⽯(BPFS)はノブとして使⽤しない.
BA1• BPFS下流のBA1とBA2を使⽤すれば, ⽔平
軌道を基準軌道に近付けることができる.

BA2

⽔平軌道

⽔平軌道

⽔平軌道

垂直軌道垂直軌道

垂直軌道

輸送電荷量

輸送電荷量

スタート

BA1, BA2の粗調整後

輸送電荷量

BA1, BA2の精密調整後

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6. コミッショニングとユーザー運転への適⽤・ユーザー運転への適⽤
今年度 (2023年度) 4⽉から開始されたユーザー運転で初めての適⽤

PF

4/25

4/26

従来BTで⽴ち上げ新BTへ切り替え

5/10

従来BTへ切り替え30分

1時間40分

PF-AR

5/29

• 5 GeVで⽴ち上げ• 新BTで⼊射• 6.5 GeVへ切り替え• 従来BTへ切り替え• 切り替えはトラブルもなくスムーズに実施できている.
• コミッショニング時に確⽴したパラメータを呼べば, ⼤きな調整は今のところ必要ない.
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7. phase1.5の改造

phase1改造 (2022年夏)
phase1 commissioning (2022年秋~冬)
phase1の運転適⽤ (2023年度第1期~)
phase1.5 (今夏)最上流の⽔平ステアリングを新規製作のものと交換.
phase1.5の改造箇所
既存の電磁⽯・電源では, フル定格3 A, 0.7 mradで新PFBTの軌道を作っており, 余裕がなかった.
新規インストールステアリングは150 Aで11.7 mrad蹴ることができる.
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7. phase1.5の改造
・beam tuningの課題• opticsの設計との乖離• optics測定結果を反映させると, phase1.5改造部でσy ~ 2.5 mm• 8 mmの物理apertureでは, 3σ程度までしか確保できない

TUP47 (下崎)beta関数beta関数垂直ビームサイズ

垂直ビームサイズ

σy ~ 1.0 mm

σy ~ 2.6 mm

εy ~ 61 nm
設計

εy ~ 23 nm
Qscan測定反映の実optics (2022年10⽉)• 5σ確保する場合には, linac側の4極電磁⽯から調整し, PFBT⼊り⼝のoptics matchingを実施する必要がある.
• そのために11⽉開始の次期運転では, PF運転前からlinacと協調して調整する予定.

ご清聴ありがとうございました・関連する発表• 満⽥ 史織 (TUP15: ポスター: 8/29(⽕))• PF-ARにおける5GeVトップアップ運転実現のための輸送路の改造• ⻑橋 進也 (TUP43 : ポスター: 8/29(⽕))• PF-ARにおける5GeVトップアップ運転実現のための電磁⽯設置• 下崎 義⼈(TUP47: ポスター: 8/29(⽕))• KEK PF-BTに関するシミュレーションモデルの改修と加速器調整への適⽤

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backup

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・PFBT, 切り替え前後での⼊射率の変化(あくまで⼀例)• mode切り替え前の⼊射率: 160 mA/600 s ~ 0.27 mA/s with 5 Hz.
• 切替後: 18 mA/390 s ~ 0.046 mA/s with 1 Hz -> 0.23 mA/s with 5 Hz.

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23/??

・PFのビーム寿命

multi-bunch

hybrid mode

5/24: 定時⼊射時: 1292 min. (21 hour (fast))

6/7: 定時⼊射時: 406 min. (7 hour (fast))

6. コミッショニングとユーザー運転への適⽤
2022年度10 - 12⽉期の運転で, PF (2.5 GeV)/PF-AR (5 GeV)の同時トップアップ⼊射のstudy (コミッショニング)を実施.

昨年の5/14, 5/15, 10/15にPF-AR (5 GeV)単独で実施し, 輸送に問題ないことを確認. 10/27, 11/7に同時試験を実施, 従来と同等の電⼦ビーム⼊射率を達成.

夏季作業
ARBT単独で実施
・ARBTのみに使⽤するparameterの確⽴
・軌道調整, ⼊射率の確認

ARBT/PFBT, 同時study・確⽴したARBTを再現後, PFBTの軌道調整を実施
・11/7はPFBT -> ARBTの順で軌道調整を実施

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25/19