Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

DEVELOPMENT OF THE SECOND PROTOTYPE C-BAND
ACCELERATOR STRUCTURE FOR SUPERKEKB,A)

Kazue Yokoyama1A)

A)A), Takuya Kamitani , Takashi Sugimura , Satoshi Ohsawa ,A)A)

Kazuhisa Kakihara , Mitsuo Ikeda , Toshikazu Takatomi
A)
B)

B)

Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),

Mechanical Engineering Center, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan

Abstract
Research and development of the C-band accelerating section has been in progress at KEK since 2002. This paper
reports on the development of the second prototype accelerating section. Both input/output couplers have a single port
and their cell lengths are the same as the waveguide width. The coupler irises are thicker than the first prototype for
reducing the rf breakdown at the iris edge. The coupler cavity diameters and the coupling irises were optimized by using
the iteration of the rf measurements and the manufacturing which is based on the nodal shift method. The high-power
test of the accelerating section at the test stand has been performed for a month. Rf breakdown frequency has been
reduced.

SuperKEKB用C-band加速管2号機の開発
１．はじめにKEKB 入 射 器 で は 、 現 在 検 討 中 の 将 来 計 画(SuperKEKB)に向けてＣバンド加速ユニットのＲ＆Ｄを行っている[1]。計画では、現在のKEKB入射器の一部をＳバンド加速ユニットからＣバンド加速ユニットに置き替える。その際、Ｃバンド加速管では42MV/mの加速勾配が必要とされる。１号機加速管はすでにビームラインにインストールして加速試験を行い、42MV/m以上を達成している。インストール当
初は、カップラー付近でのrf放電の問題があったた
め、別のタイプのカップラーの開発が始められた[2]。本稿では、加速管の試作第２号機の製作およびハイパワーテストの結果について報告する。

前に金ロウ付けする。カップラーとレギュラーセルは銅電鋳で一体化し、ウオータージャケットやフランジなどのアクセサリーは、TIG溶接する。最後に、ビームホールの角 R を適切な寸法に修正加工し、ビームホールプランジャーを溶接する。
表１:Ｃバンド加速管の仕様
運転周波数
運転温度
ｾﾙ数
加速管長
加速管のﾓｰﾄﾞ
ｾﾙ長
ﾃﾞｨｽｸ厚み (t)ｱｲﾘｽ直径 (2a)ｷｬﾋﾞﾃｨ直径 (2b)ｼｬﾝﾄｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ (r0)Ｑ値
群速度 (vg/c)
ﾌｨﾘﾝｸﾞﾀｲﾑ
ｱﾃﾆｴｰｼｮﾝﾊﾟﾗﾒｰﾀ (τ)

２．デザインと製作
Ｃバンド加速管の仕様を表1に示す。Ｃバンド加速管はディスクローデットタイプの2π/3-mode進行波型の1m管で、加速勾配は準定電界型をとる。図１に加速管１号機(CKM001)と加速管2号機(CKK001)のカップラーデザインを示す。１号機加速管は現在の2m長Ｓバンド加速管の1/2スケールに基づいてデザインされたため、カップラーのアイリス厚みが1mm程度と薄く、この付近におけるrf放電が問題となった[3]。この問題を解決するためにCKK001では4mmの厚いアイリスデザインにした。CKM001とは異なって、カップラーセル長は導波管幅(WRJ-5)と同じ長さにして、アイリス部での電界方向の段差をもたない構造にした。CKK001の概略を図2に示す。rf測定用のカップラー付属品は、カップラー寸法を最適化する
1E-mail: kazue.yokoyama@kek.jp5712.000 MHz
30.0 ℃
ﾚｷﾞｭﾗｰｾﾙ54個+入力/出力ｶｯﾌﾟﾗｰ
962.255（55cells） mm
2π/3-mode
17.495 mm
2.500 mm
12.475 ∼ 10.450 mm
41.494 ∼ 41.010 mm
74.6 ∼ 85.1 MΩ/m9703 ∼ 9676
1.9 ∼ 1.0 %∼ 240 ns
∼ 0.44

図１: カップラーデザイン。(a) 1号機タイプ(CKM001) (b) 2号機タイプ (CKK001)。
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ホールの角Rを広げると共振周波数は上がる。これらの道具によって、2bc サイズを変えたのと同等の共振周波数変化を得ることができる。カップラー隣の第一セル2b1 の直径も適切なカップリングを入手するパラメータとして追加し、これら3個のパラメータの変化に対する120度フェイズアドバンスからの位相差の変化を見積もると、次式のように第一近似で表すことができる。
⎛ ∂θ1⎜⎛ ∆θ1 ⎞ ⎜ ∂(2bc )⎜⎟ ⎜ ∂θ 2⎜ ∆θ 2 ⎟ = ⎜⎜ ∆θ ⎟ ⎜ ∂ (2bc )⎝ 3 ⎠ ⎜ ∂θ 3⎜ ∂ (2b )c⎝

図２: 2号機加速管（CKK001）の概略図。

３．カップラーチューニング
カップラーの初期寸法は、MAFIA-T3TM とHFSSTMを用いて反射特性のシミュレーションから決定した。
シミュレーション誤差を考慮して、空洞直径2bc とアイリス幅 W はアンダーサイズで製造した。カップ
ラー寸法の最適値を決めるために、入力と出力カップラーは測定用供試体を含めてそれぞれ3つずつ準備した。図3にカップラーとビームホール、rf測定のためのセットアップを示す。6セル基準空洞とカップラーとビームホールプランジャーを治具によって組み立てる。フェイズアドバンスが図4(a)のようにある程度測定されるまでは、カップラー空洞の共振周波数 fres を測定し、これを頼りに2bc と W の加工を進めた。この際の目安となる共振周波数はπ/2モードと2π/3モードの平均値で、これはkyhl法の基本的なアプローチである[4]。しかし、この手順の下では1セルあたりの120度フェイズアドバンスは得られない（図４(b)参照）。カップラー空洞とレギュラーセルがビーム軸に沿って異なった長さを持つため、カップラー空洞のフェイズアドバンスがレギュラーセルと同じでないためである。そこで、カップラー調整で一般的に行われるkyhl法とは異なったチューニング方法が必要となる。カップラー寸法を最適化する追い込み方法として、以下のような定量化を行った[5]。

図３: カップラーとビームホールプランジャー、ｒｆ測定のためのセットアップ。
3.1 カップラー寸法最適化の最終追い込み
適切なカップリングを得るためには、2bcとWの組み合わせの最適化が必要になる。2bcがWに対して最適であるかどうかを知る簡単な方法がある。テフロンを空洞に挿入すると共振周波数は下がり、ビーム∂θ1∂(2b1 )∂θ 2∂ (2b1 )∂θ 3∂ (2b1 )∂θ1 ⎞⎟∂ (W ) ⎟⎛ ∆ 2b ⎞c⎟∂θ 2 ⎟⎜⎟⎜ ∆ 2b1 ⎟∂ (W ) ⎟⎜⎟∂θ 3 ⎟⎝ ∆W ⎠∂ (W ) ⎟⎠(1)、

ここで、 θ1 、 θ2 、 θ3 はそれぞれのセル間の位相進みを、∆θ1、∆θ2、∆θ3はそれぞれ120度からの位相のずれを、∆2bc、∆2b1、∆Wがそれぞれ削り量を表す。加工可能な範囲になるという条件のもとで、 θ1、 θ3のみを考慮した式(1)を解くことによって各寸法の修正加工量を見積もった。図4にノーダルシフトの結果を、図5は入力/出力カップラー寸法の履歴を示す。
図4(c)は、この手順でカップラー寸法の最適化を進め、120度フェイズアドバンスがとれたノーダルシフトの結果である。６セル基準空洞でのカップラー調整終了後、加速空洞（５４セル）の内部直径の寸法を決め、目標周波数でノーダルシフトが１２０度フェイズアドバンスになるようにした。一般に、電鋳応力によって周波数は変化するので、６セルで電鋳試験を行い、変化量分を考慮して目標周波数を決める。レギュラーセルの最適化完了後の結果を図4(d)に示す。目標周波数における１セルあたりの120度フェイズアドバンスが得られている。
3.2 加速管製造過程におけるVSWRの変化
電鋳の前後の周波数に対する加速管の電圧定在波比(VSWR)の測定結果を図6に示す。この結果、VSWRが最小である周波数がシフトしていることがわかる。
電鋳時にはカップラーと５４セルをスタックして推力をかけるが、この際にカップラーの変形を起こしたのではないかと思われる。この周波数シフトを補正するためにビームホール角 R 寸法の最適化を行い溶接を行った結果、周波数シフトは改善した（図７参照）。
VSWRは1.4以下が望ましい。加速管製造の仕上げ過程では、アクセサリー等の溶接の際に熱応力のためにVSWRが変化する。そこで、TIG溶接を行う際に、VSWRとカップラーの表面温度をモニターして、温度が上がり過ぎないように時間を空けるなどの配慮をした。しかし、VSWRは悪化したので、ビームホール角 R を修正した後、ビームホールプランジャーを溶接した。VSWRの最終的な結果を図7に示す。図６で見られたような周波数シフトは、ビームホール角 Rの修正加工によって改善されている。目標周波数（大気中5710.6GHz）におけるVSWRは1.4以下であるが、帯域幅は電鋳前に比べて狭くなっている。

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４．HIGH-POWER 試験の結果
加速管2号機をテストスタンドにインストールし、エージングを約1カ月間行った。この際、帯域幅を広げるために5スタブチューナーを使用した。図8に5スタブチューナーを使用する前後のVSWRを示す。
帯域幅は改善され、目標周波数において1.13のVSWRが得られた。エージングの結果(∼ 1.1×108 ショット)、rfパワー約43MWでパルス幅500ns、繰り返し50Hzの条件で、rfダウン頻度は1日数回程度にエージングされた。これは、Cバンド加速管の実用機として、十分な性能である。加速管2号機は、今夏に他の加速管３本とともにビームラインに設置され、ビーム加速テストを行う予定である。

図６: 電鋳前後のVSWRの変化。

謝辞
三菱重工業（株）の飯野陽弼氏には加速管製作にあたり多大なるご協力をいただきました。著者一同深く感謝致します。

図７: ビームホール溶接前後のVSWRの変化。（溶接前のデータはビームホール角R修正加工済み。）

図４: ノーダルシフトの結果。(a)、(b)はカップラー空洞の共振周波数を目安にした加工過程、(c)最終追い込み過程、(d) 54セルでの最終測定。

図８: ５スタブチューナーによるVSWRの改善。

参考文献

図５: カップラー寸法加工歴。U3（上流カップラー）、D3（下流カップラー）を実機に用いた。

[1] T. Kamitani, et al., “R&D status of the C-band Accelerating
Section for SuperKEKB”, in these proceedings.
[2] T. Sugimura, et al., “C-band accelerator structure withsmooth shape couplers”, in these proceedings.
[3] T. Kamitani et al., “Development of C-band AcceleratingSection for SuperKEKB”, Proceedings of LINAC 2004,Lübeck, Germany, Aug, 2004, pp663-665.
[4] E. Westbrook, “Waveguides to the Disk-Loaded Accelerator
Structure Operating in the 2π /3 Mode”, SLAC-TN-63103.1963. Slac-TN-63-103, 1963.
[5] K. Yokoyama et al., “Coupler Matching Techniques for CBand Accelerating Section”, Proceedings of PAC05 (May16-20, 2005, Knoxville, Tennessee, USA), to be published.

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