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 C-BAND ACCELERATING SECTION FOR
SUPERKEKB
T. Kamitani∗ A) , T. SugimuraA) , K. YokoyamaA) , K. KakiharaA) , S. OhsawaA) , T. TakatomiA) ,N. Delerue† A) , Y. HozumiB) , M. IkedaA) , T. OogoeA) , S. YamaguchiA)A) KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B) Graduate University for Advanced Studies Department of Accelerator Science
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
For future upgrade of the KEKB injector linac, we have been developing C-band accelerator modules to double
the ﬁeld gradient to 42 MV/m by replacing the present S-band modules. Development of accelerating sections
tolerable in such high gradient is a key issue in the linac upgrade. Since the fabrication of the ﬁrst prototype in
2003, improvements in the coupler structure and in the fabrication technique have been made in subsequent threeprototypes. This paper reports on the R&D status of these prototype accelerating sections.

SuperKEKB 計画のための C バンド加速管開発の現状
1 . はじめにKEK B-ファクトリーにおいて現在検討が進められているルミノシティー増強の改造計画 (SuperKEKB)
では、陽電子の入射エネルギーを現在の 3.5 GeV から 8.0 GeV に上げることが必要となる。このため現在のＳバンド加速ユニットをＣバンドのものに置き換えて、加速電界を現在の２倍の 42 MV/m とするための R&D を 2002 年より行っている。Ｃバンド加速ユニットを構成するコンポーネントである、50 MWクライストロン（既製品）、小型化されたモジュレー
ター、サブブースタークライストロン、ミックスモード型高周波窓、ダミーロード、3-dB ハイブリッド、高周波パルス圧縮器及び加速管の R&D が進められ、テストスタンド及び KEKB 入射ライナックにおける長期運転試験を行っている [1] 。加速管の試作１号機は既存のＳバンド加速管の製造手法に準拠し、寸法的には２分の１スケールした設計に基づいて製作された。これまでの運転でこの１号機はほぼ仕様値に近い加速電界を達成したが、放電頻度が高く、特に入力カプラー周辺での放電が多く発生した。後に１号機の入力カプラーには微小金属片が混入しており放電を誘発していたことがわかった。しかしこの特殊事情を考慮したとしても、カプラーの構造および製造手法上、改良すべき点があったため、これに続く後継機の開発を進め、これまで計４本の試作を行ってきた。この論文では、これらのＣバンド加速管の開発において問題となった点、改良された事柄及び現在の状況について報告する。

2 . Ｃバンド加速ユニットの構成
SuperKEKB 用のＣバンド加速ユニットの構成は図1 のようになる。クライストロンからの大電力マイ∗ E-mail: takuya.kamitani@kek.jp† Present address: Oxford University, OX1 2JD, Oxford, United King-dom

図 1: Ｃバンド加速ユニット
クロ波 (フラットトップ 40 MW、パルス長さ 2.0 µs)は、高周波パルス圧縮器 (SKIP) [2] においてピークで約 200 MW、パルス長さ 0.5 µs に圧縮されてから２分割されて、２つの 2m 長の加速管に供給される。それぞれの 2m 長加速管は実際には２本の 1m 長加速管をそれぞれ上流管、下流管として導波管を介して直列接続したものとなっている。1 本の加速管の長さが2m では製造及び RF 測定における取り扱いが困難であるため、このように 1m 管２本に分割している。
なお、2m の全長にわたって準定電界型となるために、ディスクの開口径は上流管入口で 14.5mm、上流管出口及び下流管入口では 12.5mm、下流管出口では10.5mm となっており、これに伴って加速管内のマイクロ波の群速度も光速度で規格化した値で 3.0 → 1.9→ 1.0 % へ、またシャントインピーダンスも 65 →75 → 85 MΩ/m へと変化する。上流管より下流管の方が入力パワーが低いのでカプラーでの放電などの仕様達成上の困難がより少ないと考え、まず先に下-129-

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た尖った形状になっているとその角では局所的に電流密度が上がることが指摘された [5] ので、カプラー仕上げ時にヤスリがけにより角を R100 micron 程度丸めることにした。
１号機ではカプラー空胴 (長さ 15mm) と導波管 (幅3 . ４本の試作加速管22mm) を直接結合する構造のため段がついて電場のこれまでに合わせて４本の加速管の試作を行って エッジができるため、この部分での放電の可能性が考きているが、うち２本は三菱重工名古屋航空宇宙シス えられたため、２号機ではカプラー空胴の長さを導テム製作所において、残りの２本は KEK において、 波管幅と同じにして段を無くすことにした。しかしそれぞれ製造手法を若干変えながら、ある程度平行 この結果、カプラー空胴での位相進みが他の加速空して製作を進めている。区別のため、三菱重工の型 胴とは異なることとなり Kyhl 法が適用できなくなっ番は CKM001 、KEK 製は CKK001 などとし３文字 たため、ノーダルシフト法により追い込みを行った目の違いで識別している。表１にこれら４本の特徴 が、最終寸法に至るまでに多数回のステップを経なについてまとめるが、詳しくは後ろの章で述べる。ま ければならず苦労することとなった。
加速空胴部を銅電鋳により一体化する際に、電流密た２号機と３号機の設計、製造の詳細については、今研究会での横山氏 [3] 、杉村氏 [4] 、の報告を参照され 度のより低い低速電鋳を用いることにより周波数変たい。なお、現在１号機はすでに KEKB ライナック 化は 100 kHz 以下となった（１号機では +600 kHz）。のビームラインに組み込まれて長期運転中であるが、 しかしカプラー部については、１号機の様に電子ビー残りの３本も今年 (2005 年) 夏季の運転停止期間中に ム溶接 (EBW) する代わりにでは電鋳によりカプラー組み込んで、図 1 にあるようなＣバンド加速ユニッ 部も含めて一体化したが機械的強度が十分ではなかっトの最終レイアウトに組み上げての運転試験を始め たため、締付け力と電鋳応力により変形して反射特性が悪化することになった。
る予定である。
また冷却水ジャケットなどを TIG 溶接する際にもカプラーに変形が起きた。特にビームホール部はカ4 . 加速管１号機: CKM001
プラーに直結しており影響が大きかったため溶接部
加速管試作１号機は 2003 年に製作され [1] 、テスト 分を削って一度取り外し、共振周波数の変化量をあスタンドでの RF エージングを経て、同年 9 月より らかじめ見込んで補正してから溶接し直した。
KEKB ライナックのビームライン (4-4 ユニット部) に
２号機は 2005 年 3 月に完成し RF エージングをテ設置され、同時にライナッククライストロンギャラ ストスタンドで行った。放電頻度は１号機に比べてリーに設置された大電力クライストロン及びそのモ 10 分の 1 以下に改善された。
ジュレーターを含む RF 源より供給されるマイクロ波(最大 43MW) を入力として、長期運転試験、ビーム 6 . 加速管３号機: CKK002
加速試験が開始された。１年後の 2004 年夏に RF パ３号機の製作にあたっては、１号機、２号機での経ルス圧縮器 [2] が増設され、より高いピーク電力での験、反省点をふまえて、以下のような変更を加えた。
試験を行えるようになり、平均加速電界は最高で 42
アイリス周辺での尖った形状を無くすために、導MV/m を超えた（ビーム加速試験により評価した）。
波管からアイリス、そしてカプラー空胴内径部にわ
しかし運転開始当初、放電頻度が高く放電によるクライストロントリップが１時間当たり５回程度起き たって一度にフライス加工することとし、アイリスていた。2004 年夏に CCD 内視鏡によりカプラー部 部は曲率半径 2mm 程度の曲面形状とした。また、表及びそれに近い加速空胴の内部を観察したところ、 面粗度を小さくして耐放電性を高くするためにカプ多数の放電痕が見られたが、それのみならず入力カ ラー内部の電界研摩 (EP) 処理を行った。カプラー空プラーの内部に切り子と思われる微小金属片（太さ 胴の長さは他の加速空胴と同じ 15mm として、Kyhl<100micron、長さ 8mm）を発見して、除去した。こ 法が適用できるようにした。なおかつ２号機同様にれが放電を誘発する原因となっていたと思われる。こ 電場エッジを無くすため、カプラーに接合される導波の後さらに１年間の長期運転でエージングが進んだ 管幅も同じく 15mm に変更し、その代わりその外側こと及び真空度の下がってきたことも影響している でテーパー導波管を介して通常の 22mm 幅の導波管と思われるが、現在では１日に数回の放電頻度まで につなぐようにした。カプラー空胴での電磁場分布が軸対称からずれていることを補正するために、中下がっている。
心軸を加速空胴に対して 1.9mm だけオフセットさせて、カップリングアイリスから離れる方向にずらし
5 . 加速管２号機: CKK001
た。電鋳やビームホール溶接の際、カプラー空胴の２号機の製作にあたっては、製造方法及びカプラー 変形が起こりにくいように胴体部分の厚みを増やし構造に関して以下のような変更を行った。なお比較 て剛性を高めた。また溶接量が少なく溶接ひずみがのため、図 2、図 3、図 4 に１号機、２号機、３号機 小さくて済むように、ビームホール部とカプラー空胴部の接合部の形状を工夫した。のカプラー周辺の構造を示すので参照されたい。
３号機は現在、電鋳が完了し溶接加工を進めてお１号機ではカプリングアイリスの厚みが薄い (1mm)ため、磁場のエッジで電流密度が上がり放電しやすく り、６月下旬より４号機と共に RF エージングを行うなる可能性があったので厚みを増やした (4mm)。ま 予定である。
流管に相当する 1m 管の試作を先に進めることとした。これまで４本製作したもののうち３本まではこの下流管の寸法となっている。

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名称(1) CKM001(2) CKK001(3) CKK002(4) CKM002

disk 2a 寸法
12.5-10.5
12.5-10.5
14.5 (一定)12.5-10.5

coupler 長
15 mm
22 mm
15 mm
15 mm

表 1: ４本の試作機の特徴
E-edge H-edge 角 iris 厚みあり
<0.1 mm
1 mm
無し
0.1mm
4 mm
無し
2 mm
4 mm
あり
1 mm(外)
3 mm

電鋳高速
低速
低速
高速

coupler 結合EBW
電鋳電鋳EBW

7 . 加速管４号機: CKM002
４号機は構造的には１号機とほぼ同じである。若干の違いはアイリス部のみ厚みを増し (1mm→3mm)
また、導波管側のアイリス角には R 1mm の丸みを機械加工により付けた点である。この反対側の空胴側の角については機械加工の刃物を届かせるのが困難であったので、特に丸みを付けなかった。
４号機は３号機より一足先に 2005 年 6 月に完成し、現在 RF エージングを行っている。

8 . まとめSuperKEKB に向けたＣバンド加速管の開発を行っており、これまでに試作機４本を製作して、カプラー構造の改良及び設計手法、製造手法の改善を進めてきた。2005 年夏にはこれら４本を KEKB ライナックのビームラインに設置して、RF 源も含めてＣバンド加速ユニット全体としての運転試験を行っていく予定である。

図 2: １号機カプラー

9 . 謝辞三菱重工業の飯野陽弼氏には加速管製作の全般に渡り御助言、御協力をいただきました。京都大学の岩下芳久氏には２号機カプラーアイリスの角の鋭さと電流密度に関してシミュレーションをしていただ
き、御助言をいただきました。ここに感謝の意を表します。

参考文献[1] T. Kamitani, et al., ”SuperKEKB 計画のための KEKB 入射ライナックのＣバンド化 R&D の現状”, Proceedingsof the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, Nihon
University, Funabashi, Aug. 4-6, 2004

図 3: ２号機カプラー[2] T. Sugimura, et al., ”SKIP - A Pulse Compressor
for SuperKEKB”, Linear Accelerator Conference 2004,Lubeck, Germany, Aug. 16-20, 2004
[3] K. Yokoyama, et al., ”SuperKEKB 用 C-band 加速管 2号機の開発”, Proceedings of the 30th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Saga, Jul. 20-22, 2005
[4] T. Sugimura, et al., ” 角無しカプラーを採用した C バンド加速管”, Proceedings of the 30th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Saga, Jul. 20-22, 2005
[5] T. Iwashita, et al., ”Evaluation of Magnetic Field Enhancement Along a Boundary”, Linear Accelerator Conference 2004, Lubeck, Germany, Aug. 16-20, 2004-131-

図 4: ３号機カプラー

beamhole
一体型
溶接溶接一体型