KEKB入 射 器 用 Sバ ン ド 2 m 加 速 管 の ‫ ݗ‬஢ 界 ࠟ 験五十嵐康仁1,A)、山口誠哉B) 、大Ѡ 隆夫B) 、柿原 和久B)、東 保男B)、大沢 哲B)、榎本
冨沢 宏光C) 、ૌ内 努C) 、花木 博文C)A)
総合研究大学院大学 加速器科学専攻（SOKENDAI）
B)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構（KEK）〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1
C)（財）‫ݗ‬輝度光科学研究センター 放射光研究所 加速器൉๖（SPring-8）〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光ற1-1-1

概要
KEKB入射器用S バンド 2 m 加速管の‫ݗ‬஢界ࠟ験を行った．‫ݗ‬஢界ࠟ験は3種་の加速管について，エージング時間と加速஢界強度，放஢頻度，஢界増倍係数および加速管の上流，下流側で観測される暗஢流の総஢荷量の関係を詳細に調べた．特にଵ純水‫ݗ‬圧洗浄を行った加速管は他の加速管に比べて半分以下のエージング時間で45 MV/mに到達することができた．また஢界放出஢子による暗஢流の運動量スペクトルのシミュレーションとࠟ験結果の比Ԕを行った結果も報告する．

１．加速管の‫ݗ‬஢界ࠟ験
1.1 ࠟ験加速管
KEKB入射器用Sバンド2m加速管は54空洞と入出力カプラーから成る準定஢界型である(2p /3モード，2856MHz)．本加速管は஢鋳法によって空洞を一体化している．入出力カプラー空洞には径方向の஢磁場分布೪対称性補正用の三日月型窪みがある[1]．‫ݗ‬஢
界ࠟ験は3種་の加速管について行った．Type(1)：KEKB入射器で使用されている標準タイプの加速管．
Type(2)：入出力カプラー空洞の三日月型窪みを無くしたタイプ．஢磁場分布は೪対称のまま．Type(3)：ଵ純水‫ݗ‬圧洗浄を行った加速管で構造はType(1)と同じ．ଵ純水‫ݗ‬圧洗浄(HPR ) 技術は空洞内面をଵ純水で洗浄し，஢界放出の原因の一つである塵などの汚染物を取り除く方法である．この技術を2m加速管に適用した(図1)[2]．予備ࠟ験の結果，HPRによってサンプルディスク上の不純物の数が1/10以下に減少することが確認されている[1]．

1.2 ࠟ験結果
RFパルスの繰りඉしは50 pps ，パルス幅は4 msecに固定した．はじめはSLEDを離調して徐々にRF ஢力を上げ，その後，SLEDを同調した．ࠟ験中は常にクライストロンへのRF反射量(VSWR )と加速管等の真空圧力を‫ڐ‬測しインターロックに用いた．஢界放出஢子による暗஢流の全஢荷量は加速管の上下流に০置したファラデーカップで，その運動量スペク
トルは45º 偏向磁石，スリットおよびファラデーカップを用いて測定した．
表1にࠟ験結果を，ショット数と平均加速஢界強度 E 及び஢界増倍係数 b との関係を図2，3に示す(b はType(3)のみ示す)．ࠟ験の結果，3種་の加速管
とも40 MV/m以上の平均加速஢界強度を得ることが出来た．特に，ଵ純水‫ݗ‬圧洗浄を行った加速管は他の加速管に比べて半分以下の時間で45 MV/mに到達し，放஢回数，暗஢流値とも1/3以下という結果であった．ࠟ験০備の制限によってこの値以上のࠟ験を行うことは出来なかったが，45 MV/m以上の加速஢界強度も十分に可能であると思われる．また， bはエージングが進むにつれて指数関数的に減少していることがわかる．もし，b = b0 exp (-t/t ) (t : 時定数) で あ る と 仮 定 する と 半 減 期 T1/2 (=(ln2)_t ) はType(1),(2),(3) ( 下流側のみ) でそれぞれ784，1677，341時間となりType(3)は他に比べて半分以下の時間となる．
表1：3種་の加速管のࠟ験結果．

加速管Typeノズル

図 1:12m加速管のଵ純水‫ݗ‬圧洗浄．

E-mail: yasuhito.igarashi@kek.jp

收志B)

Maximum
Peak darkTime
Shotaverage field current [mA]
7[hours] [¥10 ][MV/m]
updown
*bup

down

(1)

572

10.3

40

569

631

52

53

(2)

811

14.6

45

722 11305455(3)

356

6.4

45

295

6853

224

*：日程的な理由により制限された．

]A[]
m100/V
M
[10E

1SLED
detune
tune

02

46

8101214CO2

定常時

510152025 30m/z

35404550

図4：定常時と放஢時の残留ガスࡐ量スペクトル．
].
g 4.0e 3.0d[ 2.01.0量化 0.0(b)024681012141645 MV/m

変-1.0
相-2.0
位-3.0

2468101214Cell Number

16図5：‫ݗ‬஢界ࠟ験前後における各空洞の位相変化量(入出力カプラー空洞は除く)．
相を求め，‫ݗ‬஢界ࠟ験前後での比Ԕを行った結果を図5に示す．ほとんど位相の変化は見られなかった．

200(a)(b)

100100b 90

1.3 加速஢界強度と放஢頻度との関係

b 90
80706050_: SLED detune_: SLED tune

40

40
34Type (3)0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54(c)0Type (2)

-4.0

200

2H2 O0

図2：平均加速஢界強度 E vs. ショット数．
(a) Type(1), (b)Type(2), (c)Type(3)．

1Type(3)放஢時45 MV/mShots [ ¥ 107 ]

80706050CON2H2n-7o 8.0 10
I-74.0 10

16SLEDdetunetune]
SLEDm100 detunetune/V
M[10E

140 MV/m(a)]m100/VM[10E

1tne 2.0 10-6rr 1.6 10-6u
c-6
1.2 105Shots [ ¥ 107 ]67123456Shots [ ¥ 107 ]図3：஢界増倍係数 b vs. ショット数(a)上流側，(b)下流側 (Type(3)のみ示す)．

7各加速管のࠟ験の最後に，入力RF஢力の値を下げながら放஢が֬こる頻度を調べた．図6にType (2)の結果を示す．図の上側の ●点はエージングを行っている時の放஢頻度を表し．1時間当たりの放஢回数]が10回前後となっているのは，放஢回数がこの頻度に収まるようにエージングを進めているためである．
ru
1度エージングが済んだ஢界強度では放஢頻度が大oきく下がることがわかる．また，Type(2)とType(3)でhは，最大平均加速஢界強度45MV/mまでに到達する/時間が約810時間と約350時間で2倍以上異なっていsるにもかかわらず，45MV/m到達後に入力RF஢力のe値を下げながら測定した平均加速஢界強度と放஢頻mi度との関係が同じ傾向となった．このことは，加速t管の放஢頻度はエージングを行った時間数よりも加[速管に投入した最大RF஢力値が大きく影‫؜‬することを示していると考えられる．

Type(3)のࠟ験時に，4重極型ࡐ量分析器(QMS ) を組み込んで残留ガスの分圧を測定した．加速管内で放஢が֬きたときに発生した脱ガスのࡐ量スペクトルの一例 (E = 45 MV/m) を図4に示す．実線が定常状
態，点線が放஢時のスペクトルを表し，全圧はそれぞれ約2 10-6 Pa，約1 10-5 Paであった．放஢時には2 (H2) と28 (CO, N2 など) が最も上昇し，次いで44(CO2)とC kHl (炭化水素)が上昇している．これらは放஢による஢子衝撃で吸着水分子がӕ離し，汚染分子のCと結合してH2，CO，C kHl 等として脱離していeくためと考えられる．一方，18 (H2O)，17 (HO)は放t 14aType
஢時にほとんど変化していない．また，放஢発生時
エージング中r 12(2)の発光を観測してその分光特性のӕ析を行った結果，
10n
CuⅠ，CuⅡ，CⅠ，Ha，OⅠのラインが確認され，
w 8QMSの測定データと一致した[3]．
o 6d放஢頻度‫ڐ‬測‫ݗ‬஢界ࠟ験後に加速管の位相特性を測定した．ࠟ
k 4
験後の加速管には目視できた範囲では放஢痕のようa 2rなものは無く位相変化を伴うようなダメージは無い
B 0と思われるが確認のために行った．Type(1)について
32 34 36 38 40 42 44 46 48
E [MV/m]はすでに加速器運転で使用されているため他の2本の加速管について測定を行った．೪共振摂動理論に
図6：平均加速஢界強度と放஢が֬こる頻度の関係．
基づくビード摂動法によって各空洞での஢場の位஢界放出஢子による暗஢流の運動量スペクトルのシミュレーションを行い，‫ݗ‬஢界ࠟ験結果との比Ԕを行った．‫ڐ‬算には஢子軌道，エネルギースペクトル‫ڐ‬算用のコードを用いた[4]．加速管下流側で測定したType(3)のࠟ験結果と‫ڐ‬算の比Ԕを図7に示す．
約 20 MeV/c以下で‫ڐ‬算 (破線)は左上がりだがࠟ験結果(点線)は下がっている．この‫ڐ‬算では最下流に到達した全ての஢子によって運動量を求めているためにビームホール，スリット等でトラップされる影‫؜‬が含まれていない．その為，最下流に到達した஢子の位相空間分布を‫ڐ‬算し，運動量と位置(半径方向) x，傾き x’との関係を図8に示す．半径方向への広がりはほぼディスク孔径内(a = 11.875 mm)に収まっているが，約 20 MeV/c以下では傾きが大きいことわかる．
そこでスリットまでの‫״‬離，スリット幅を考慮して最下流に到達した஢子の中で，x < a [mm]，x’ < 17[mrad]の範囲にある஢子で求めた運動量を図7(実線 )に示す．その結果，低エネルギー側の分布が‫ڐ‬算と]tࠟ験結果でほぼ同じ傾向となる．又，下流側3空洞
in(図9)からも下流側で‫ڐ‬測される暗での暗஢流の軌道u
஢流は方向の揃った஢子であることがわかる．一方，.
b‫ݗ‬エネルギー側の分布は‫ڐ‬算と比べてࠟ験結果が下raがっている．‫ڐ‬算ではディスク孔径が一定である加[速管を‫ڐ‬算しているが，実際の加速管はディスク孔mu
径が段々と小さくなっている．その為，上流側で放tn出された஢子ほど途中のディスクでトラップされる
em
確率が‫ݗ‬くなり，最下流まで到達する‫ݗ‬エネルギー
om側の஢子の数が少なくなると考えら/10-8Type(3)シミュレーション（w/o collimator）

t 10-9ne 10-10r-11r 10
u-1210C

測定値

シミュレーション（withcollimator）-13102030
405060Momentum [MeV/c]

708090

図7：加速管下流側での運動量スペクトルのࠟ験結/(E = 42 MV/m)．
V
果とシミュレーションの比Ԕ
ex = a (11.875 mm)

x’ = 17 mrad

808070c]
m60ut 50n 40em 30o 20/M
V 10e 0M 0[20最下流60403020102030x [mm]405000200

400

600

800

1000x' [mrad]

20

最上流c]
m15utn 10emo 5
M0

最下流705010最上流15105010nu

4040.
br
a[302010003020RFmutne50m上流側
oz [mm]m

1001001785
z [mm]

1835

下流側

1885z [mm]図9：加速管上下流側3空洞での暗஢流の軌道例．
/10-7t 10-8
n-9
e 10-10r
10r
u 10-11
C-1210k 10-13r-14
a 100DType(3)測定値

24シミュレーション（withcollimator）

6810Momentum [MeV/c]1214

図10：加速管上流側での運動量スペクトルのࠟ験結
果とシミュレーションの比Ԕ (E = 42.5 MV/m)．

３．まとめk 10r-14a 10 0DM[れる．同様に，加速管の最上流に到達した஢子の位相空間分布を‫ڐ‬算した(図8)．運動量は約 6 MeV/c以下であり，下流側と比べて半径方向への広がり，傾きとも大きい．又，それは上流側3空洞での暗஢流の軌道 (図9) からもわかる．Type (3)のࠟ験結果と‫ڐ‬算の比Ԕを図10に示す．スペクトル分布は低エネル
ギー側のみであり傾向はࠟ験結果とほぼ一致している．従って，最上流に到達する多くの஢子は上流側の数空洞から放出さていることになり，上流側の஢界増倍係数 b は加速管上流側の数空洞の状態を表すと考えられる．それに対して下流側のb は約20~40]t
空洞付‫ؼ‬の状態を表していることになる．
iR [mm]２．暗஢流の運動量スペクトル2030x [mm]405000200400600800

1000x' [mrad]

図8：加速管の最下流，最上流に到達した஢子の運動量と位置x，傾きx’ との関係．

3種་の加速管について‫ݗ‬஢界ࠟ験を行った結果，3種་の加速管とも40MV/m 以上の平均加速஢界強度が得られた．特にଵ純水‫ݗ‬圧洗浄を行った加速管は他に比べて半分以下の時間で45MV/m に到達し，放஢回数，暗஢流値とも1/3以下という結果であった．
஢界増倍係数 b はエージングが進むにつれて指数関数的に減少し，また加速管の放஢頻度はエージングを行った時間数よりも投入した最大RF஢力値が大きく影‫؜‬することがわかった．஢界放出஢子による暗஢流の運動量スペクトルのシミュレーションを行った結果，測定結果のスペクトル形状を再現した．

参考文献[1] Y. Igarashi, et al., “High-gradient Tests on an S-bandAccelerating Structure”, Proc. of the LINAC’02, TH403.
[2] Y. Igarashi, et al., “High-Gradient Tests on S-band 2mlong Accelerating Structures for KEKB injector linac”,
Proc. of the PAC’03, RPAB050.
[3] H. Tomizawa, et al., “Atomically spectroscopic approachfor diagnostics of rf breakdown in accelerating rfstructures”, Proc. of the 8th European Vacuum Congress,
2003.

[4] S. Yamaguchi, “Simulation Studies on High-GradientExperiments”, LAL/RT 92-18, 1992.