ILCに向けたSTF-2クライオモジュールによる電子ビーム加速運転
倉田 正和
KEKON BE HA L F OF T HE ST F - 2 COL L A BOR AT ION
日 本 加 速 器 学会 , OC TOBE R 1 8 - 21, 2 0 2 2
WEOA04

STF-2 Collaboration
Masakazu Kurata, Yasuchika Yamamoto, Eiji Kako , Kensei Umemori , Hiroshi Sakai,
Takayuki Saeki, Takeshi Dohmae , Mathieu Omet , Ryo Katayama, Hayato Ito,
Hayato Araki, Toshihiro Matsumoto, Shinichiro Michizono, Masato Egi , Mitsuo
Akemoto , Dai Arakawa, Hiroaki Katagiri , Masato Kawamura, Hiromitsu Nakajima,Hitoshi Hayano , Masafumi Fukuda, Yosuke Honda, Miho Shimada, Alexander
Aryshev , Masao Kuriki , Shinya Aramoto , Zachary Liptak, Kazuyuki Sakaue ,Hirotaka Nakai , Yuuji Kojima, Kazufumi Hara, Teruya Honma , Kota Nakanishi,
Hirotaka Shimizu, Yoshinari Kondou , Akira Yamamoto, Nobuhiro Kimura, SakaeAraki, Yu Morikawa, Takahiro Oyama , Shinichi Takahara , Mika Masuzawa , Ryuichi
Ueki, Yoshihisa Iwashita

Univ. of Tokyo, KEK, Hiroshima Univ., Kyoto Univ.

2Introduction
STF-2は国際リニアコライダー(ILC)における基幹技術のひとつである、超伝導加速の実証を行うための施設である
STFの目的: ILC実現のためにILCのスペックによるビーム運転を行う
 高加速電界による加速(ILCスペック or それ以上を実現)
 ビームロスのない、長いパルス(～700μsec) & 高い電流ビーム(5.8mA)の運転
 ビーム品質の維持: 低エミッタンスビームをダンプまで輸送
上述を実現するため、精力的にR&Dが行われてきたSTF-2におけるこれらの研究の進捗状況を報告する

3

STF-2加速器
~70 m 超伝導直線型加速器（726μsec/5Hz）• 2020年以降のSTF-2スペック

超伝導空洞：14（1.3 GHz、9-cell）
クライオモジュール：CCM（2） CM1/CM2a（12）Max. Energy [MeV]500

Max. Beam Intensity [µA]3.0

（規制庁への申請書の数値）

RF電子銃 （Cs2Te、Q.E.~1%）
Max. beam power [kW]レーザーシステム：162.5 MHz, 266 nm, 1μJ/bunch
クライストロン：3（5 MW、800 kW、10 MW)
ビームダンプ: 2（Dump2: 37.8 kW）
4Kヘリウム冷凍機: 1 + 2K Cold box: 21.35

各種ビームモニタ:
位置モニタ, 電流モニタ, プロファイルモニタ
偏向電磁石(ダンプへ)： 2

4

Last operation & This operation
2021年4月
 STF-2初の全14空洞による運転が実現
 9空洞の平均加速勾配が33.0 MV/m を達成
 ILCスペックの5%マージン

2021年12月
 パルス長100μsecビーム運転の達成: ビームロスの抑制
 FY2021とビーム運転におけるビームパラメータ
 ターゲットと同じパルス長で実施
parameter

Beam Energy[MeV]

Pulse length[µsec]

Bunch charge[pC/bunch]

Rep. rate[Hz]

F.Y.2021

50010036.95ビーム運転実績

31298.426

5

 4月の運転を受けて、エミッタンス増大の原因究明
5

Achievable Accelerating Gradient in CM1/2a in 2021
CCM

CM1CM2aILC spec.

• 11/14 空洞の性能はILCスペックの ±20%内• CAV#3は11月の放射線測定中、性能の急激な劣化が発生 (TUP029)••

異常な熱負荷が発生した
ビーム運転ではdetuneして対応した

ビームロスを抑えた～100μsecパルス 運転•2021年4月のビーム運転でBend2下流におけるビームロスが観測された• >150nC/pulseでチェレンコフカウンターに信号ビームローディングによりエネルギー広がりが増大 加速空洞での電圧降下を引き起こす

偏向電磁石下流のディスパ―ジョンによりビームラインに当たる
 エネルギーの異なる電子は偏向電磁石により異なる軌道を運動する

STF-2でビームロスなくパルス長>100μsecのビーム運転を行いたい ビームローディングの補正が必須である

Signal of Cherenkov counter

7ビームローディング補償安定なフラットトップの加速電界を得るために: 不規則な擾乱: フィードバックループにより補正
 規則的擾乱: フィードフォーワード – あらかじめ補正入力を入れる⇒ 電圧降下を補償する

8

ビームロス検知のためのロスモニタ
ビームライン上でのビームロスをとらえるために各種ロスモニタを設置
 フォトダイオードを用いたロスモニタ

Ⅰ①Ⅱ

高エネルギー側③⑤②⑦④
Current monitor
Bending magnet
Vacuum Gauge
Beam position monitor
Profile monitor
Beam dump

Ⅲ⑨⑥⑧

低エネルギー側Ⅳ⑩9

ロスモニタの信号 ロスが発生した瞬間の信号を見る

Amplitude[arb. units] パルスごとのロス強度の積分値をみる(パルスの傾向を知る)
Without Beam FF

偏向磁石
高エネルギー側

低エネルギー側

ダンプ

With Beam FF

偏向磁石

ダンプ

高エネルギー側

低エネルギー側10

～100μsecパルスビーム運転•平均加速勾配• フィードフォーワードがないと、勾配降下が起こっている• フィードフォーワードにより、加速勾配の降下を抑制•チェックした全121パルスがアクセプタンス内•• ビームロスを抑制できている⇒ Long pulse運転に向けた良い知見を得ることができた

電子銃からの暗電流による放射化の問題が残っている
11

異常なエミッタンス増大•2019年以来、エミッタンスの空洞前後の変化が確認されている•OTRモニタでのQスキャンにより、空洞前後のエミッタンスを測定している•エミッタンスが異常に増大: デザインの何倍も大きくなっている• O(1)[mm mrad] ⇒ ?? ⇒ O(10)[mm mrad]⇒この増大の原因を突き止めたい
QF03 PRM04

QF03 x

QF03 yQF07 PRM06??
Beam quality good

QF07 x

QF07 yEmittance going bad

この間は• 線型オプティクス• 空洞加速12

空洞の内部を視る
2021年11月、実際に加速空洞の中をのぞくことで、エミッタンス増大の原因となる障害物等がないことを確認した
 ベローズを除去/view portを設置/真空をベント/望遠鏡&光学系をセット/ゲートバルブ開放

何もないことを確認

13

モニタ増設•2021年11月, 加速空洞の上流/下流に新たにプロファイルモニタを設置• 空洞入射直前/直後のビームの状態を調査• 空洞入射直前のエミッタンスを測定可能: QF04-PRM04A•エミッタンス増大の候補を一つづつ調査• 加速空洞周りを中心に調査
QF03

QF04

PRM04A

PRM04B

PRM04B
PRM04A
Beam profile@ PRM04A

14

エミッタンス再評価•エミッタンス計算を再チェック• 計算にビームラインの最新のgeometryが正しく反映されていなかった•エミッタンス再評価• QF03に到達するまでにすでに悪くなっている: デザインの数倍• 加速空洞の効果は小さそう• 上流のコンポーネント(電子銃-CCM間)について調査する予定
QF03

QF04 QD05

QF07

15

Plan of STF-2 beam operation※ILCスペックと同等のパルス長、beam intensityでの運転が最終目標
Next target

F.Y.2019

F.Y.2020

Item

F.Y.2021

F.Y.2022

ILC spec.

～100μsec pulse

x 7 beam power

Max. beam energy [MeV]

500500500

500

500 GeVMax. beam intensity [μA]

0.30

3.00

3.00

21.5

21.0

Max. beam power [kW]

0.135

1.350

1.350

9.675

14 MW

Max # of bunch / train

1000

1000

16260

1180481312

Bunch spacing [nsec]

6.15

6.15

6.15

6.15554 nsec

Max train length [μsec]

6.15

6.15

100726.00

726.848 μsec

Max. RF repetition rate [Hz]55555 Hz

Bunch charge [pC]

60

600

36.90

35.66

3.21 nC

Bunch current [mA]

9.756

97.561

6.00

5.799

5.8 mA 次回の運転ターゲット：ILCと同じスペックのパルス長（726µsec）で、かつビームロスの無い大電流運転
 次の運転へ向けて ロスモニターをさらに設置(CCM下流から1mおき)
 電磁石の交換・設置• BPMをさらに設置• Turbo ICTの導入
16

SummarySTF-2では、ILCのための超伝導加速を実証してきた。
2021年12月の運転:
 ～100μsecパルス運転におけるビームロスの抑制
 異常なエミッタンス増大の原因究明

2022年はILCスペックと同等の長さのパルス運転(726 μsec)を計画している。 2021年の運転では100μsecまではビームロスなく運転することができた。
異常エミッタンス増大の原因究明のため、モニタを新設した。またビー
ム運転では空洞周りを中心に一つ一つ調査した。
 これまでの測定から元々、下流部に原因があるかと疑っていた
 しかし、実際には空洞周辺で増大しておらず、原因は電子銃を含めた上流部に絞られてきている17