SuperKEKB ‫ ٽ‬画 の た め の Ｃ バ ン ド 加 速 管 開 発 に つ い て紙હ

琢哉1,A) 、杉村

݄志A) 、大э隆夫A) 、山口榎本A)

誠哉A) 、大沢收志A) 、݄富݄エネルギー加速器研究機構
B)哲A) 、柿原和久A) 、池田光男A) 、俊和B)

ஏ子ຕஏ子入射器研究系

݄エネルギー加速器研究機構 工作センター〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1

概要
最‫ة‬KEKBファクトリーのルミノシティーは目標値の1x1034/cm2 /sec を突破したが、さらに１桁から２桁݄いルミノシティーを目指した加速器の改造(SuperKEKB)についての実現可能性の検討が行われている。この改造の際、入射ライナックについてはຕஏ子ビームの加速エネルギーを3.5GeV から8.0GeVに݄くすることが必要となる。このため、現在使用されているＳバンドの加速ユニットの代わりにＣバンドのＲＦ源と加速構造を用いて加速ஏ界を現在の２倍に増やすためのＲ＆Ｄを行っている。
本発表では、Ｃバンド加速管の１号機の৓‫、ٽ‬製作の現状について報告する。

なっている光ஏ子不安定性の影؉を緩和させるための措置である。この改造に伴い、入射ライナックから 8.0 GeV のຕஏ子ビームを供給する必要が生じるが、現在のຕஏ子加速用の 30 ユニットによる最大加速エネルギーは 4.8GeV であり不十分である。
ຕஏ子を 8.0 GeV にするための方策として、現在の S バンド（rf 周波数 2856 MHz）加速ユニットの代わりに、C バンド（5712 MHz）の rf 源及び加速構造を用いることにより、加速ஏ界を現在の約２倍に上げることが検討されている[4]。
この論文では、 SuperKEKB ‫ٽ‬画で用いるべきC バンド加速構造の৓‫ٽ‬検討の概要と第１号ࠌ作機の製作の現状について報告する。

２ ． Cバ ン ド 加 速 ユ ニ ッ ト の ৓ ‫ٽ‬
１．はじめにKEKB ファクトリー の入射ライナック は、
8.0 GeV のஏ子、3.5 GeV のຕஏ子を衝突リングに一日当たり 15 ˜ 20 回入射している。また、PF放射光リング及び、AR 放射光リングにも 2.5 ˜
3.0 GeV のஏ子ビームをそれぞれ 1 回と 3 回入射している。ライナックの加速ユニットは、50 MW
Sバンドクライストロン（通常運転値 41 MW、RFパルス幅 4.0 ms）、SLED型 rf パルス圧縮空胴（平均ஏ界増倍率 1.85 ）、４本の加速構造（各2m-ଥ、平均加速ஏ界 21 MV/m）から構成されており、ユニット当たりの平均加速エネルギーは 160
MeV である。 8.0 GeV の加速エネルギーを達成するために、ライナックには 56 台の加速ユニットが৓置されている。ຕஏ子ビームは、ライナックのおよそ中間点にある変換標的に約 4 GeV のஏ子ビームを照射して生成し、それより下流の 30 ユニットにより 3.5GeV まで加速している。
2003年5月時点において、KEKBファクトリーのルミノシティーは目標値である1x1034/cm2 /secを突破し、これはすでに世界最݄値であるが、B 中間子の物理についてより深く、より݄い精度で調べるために、さらに１桁から２桁݄いルミノシティーを目指した加速器の改造(SuperKEKB) [3]についての実現可能性の検討が行われている。この改造の主眼の一つは、ஏ子ビームとຕஏ子ビームのエネルギー値を入れ替えて、ຕஏ子が 8.0 GeV になることである。これは現在、ຕஏ子蓄積リングにおいて問題と[1]

1

E-mail:takuya.kamitani@kek.jp[2]

まず目標とする加速ஏ界強度を達成するために、次節で述べる加速管の基本৓‫ٽ‬と平行して rf 源についての検討が行われ、以下のような C バンド加速ユニットの基本৓‫ٽ‬ができ上がった[5]。まずクライストロンについては、JLC‫ٽ‬画のC-bandライナッ
クのために開発された 50 MW クライストロン [6]が、現在商業化もされているので、これを利用することにした。そしてଥ期運転での安定性を考慮したマージンを取り、運転時のパワー値を 40MW と想定した。現在は、各加速ユニットにクライストロン１台であるが、C バンドユニットではこのクライストロンを２台使用する。そして各クライストロン毎に独立のモジュレーターを৓置する。現在のクライストロンギャラリーの１ユニット分のスペースに２台のモジュレーターを収めるために、インバーターஏ源を用いてコンパクト化する৓‫ٽ‬がなされた。rf
パルス圧縮空胴として は、C バンドでは現在 のSLED 型の TE015 -モードでは Q 値が低くて十分なパワー増倍率が確保できないため、CERN-LILライナックで使用されている TE038 -モードを用いた空胴を C バンド化したものを検討している。これにより、現在と同様の平均ஏ界増倍率 (=1.85)が達成されると考えられる。これを前提とすると必要な rf パルス幅は 2.0 ms となり、モジュレーターもこれを仕様値として৓‫ٽ‬されている。パルス
圧縮空胴は各クライストロン毎に৓置され、そこからの rf パワーは２分割されて、２本の 2m-ଥ加速構造に供給される。

セル）とする。これは製作治具、測定治具の制約よりଥさを控えめにしたためで、またこれまで多数製今回検討している C バンド加速管の基本構造は、 作されたS バンド加速管製造上のノウハウやデータ
これまでの S バンドのもの[7]（ディスク装荷型、進をスケールダウンで利用することができることも考行 波 型 、 定 ஏ 界 型 、 2p/3- モ ー ド 、 運 転 温 度慮された。この 1m-加速管では、2a は 12.47530 ℃）を踏ࢋし、空胴全体の成型方法もこれまで
˜10.450 mm と変化し、減少率は 37.5 mm/cell通りஏ鋳法によるものとしている。
であり、充填時間は 234 ns 、減衰定数は 0.434以下に加速空胴形状の基本パラメータとそれを決となる。各空胴の内径 (2b) は、正しい周波数に共定するにあたっての検討事項を示す。まず2p/3- 振するように 2a に合わせて変えなければならない。
モードで使用するために、セルのଥさは１自由空間
基本的には S バンドの時に決めた 2a-2b 関係を
波ଥの３分の１ (Zce ll =17.4949mm) となる。ディ半分にスケールしたものが成り立つはずであるが、スクの厚み (t) は S バンドの場合の半分の 2.5今回製作する 1m-加速管の最上流と中間点と最下mm とした。当初はこのようにディスクが薄い場合、 流の 2a 値に相当する 3 組の 6 セルࠌ験空胴を製加工する際の変形して最終形状の精度が確保できな作して共振周波数を測定した。その結果は、S バン
いことが心配されたが、ディスクをࠌ作してみて問ドをスケールしたものと測定誤差の範囲で一致した題ないことが確認された。また、ディスクアイリス（図２）。
ശの先端ശ R 形状についても、加工寸法、表面粗2a-2b Relation
さともに問題なかった。次にアイリス直径 (2a) は、定ஏ界型にするためにパワー減衰を考慮してサイズを下流になるほど小さくする必要がある。加速管の各空胴での加速ஏ界強度は次のような関係式で与えられる[7]。

３ ． Cバ ン ド 加 速 管 の 基 本 ৓ ‫ٽ‬2b-precise
2b-Sband/2-40.000

2b [mm]Signal Level [dB]41.8

-50.000-60.000

41.6

41.4

Measurementswith Test cavities

Relation scaled
from S-band data

-70.000

41.2-80.000

41-90.000-100.000

5640

5660

5680

5700

5720

5740

Frequency [MHz]E 0 = r0 ¥11000

2a .vs. Q

2a .vs. r0100

10500
8060

10000

Q-value

Shunt Impedance r0 [MW/m]

12040
20
08101214161820229500

9000
81012141618

2a [mm]20

22

2a [mm]0.10

2a .vs. vg /c
0.08

0.06

0.04

1111.51212.52a [mm]

このデータに基づいて 54 空胴分のディスク、スペーサが加工され、最終的にはノーダルシフト法で各空胴の位相進み量を実測して、それが 120 度になるように 2b 寸法値は修正加工した。両端ശを除く 50 空胴については、外周ശをஏ鋳（௤メッキ）することにより一体化成型した。なお、S バンド加速管での経験により、ஏ鋳時の応力のため共振周波数が݄くなることがわかっており、330 kHz 程度上がることが推定され、2b 寸法はそれを見эして加工されていたが、実際にはその倍の 660 kHz 上がってしまった。この原因については現在調査中である。またஏ鋳されたശ分の両端にある空胴では、他の空胴に比べてஏ鋳応力の影؉が顕著に小さく、ノーダルシフトでの位相進み量が他とずれるため、結果として反射特性の VSWR 値に悪影؉が出た。
これは、スペーサの厚みがそこだけ異なる事によるものと考えられ、２号機については対策を施す予定である。

４．カプラー空胴0.020.00810.5

図２：6 セルࠌ験空胴測定例と2a-2b曲線（式1）

ここで E0  は加速ஏ界強度 (MV/m) で、f は rf周波数(5712 MHz)、 r0  はシャントインピーダンス(MW /m)で、 vg はマイクロ波の群速度、 Q は Q値、P は rf パワーであり、r0  と vg と Q は 2aに依存する。図１は SuperFISH を用いて求めたものである。これを考慮して、2a の減少率を決める。

group velocity vg /c†dP
2pf ¥ P
= r0 ¥dzv gQ

40.8101214161820222a [mm]図１：加速管パラメータの 2a 依存性
SuperKEKB 用 C バンド加速管は 108 加速セルで全ଥ約 2 m とする。2a は 14.000˜10.544mm と変化し、減少率は 32 mm/cell である。この時、充填時間は 380 ns、減衰定数は 0.703 となる。しかし、今回製作している第１号機は、現在の S バンド 2m-ଥ加速管の A-タイプ形状のスケールダウンした C バンド 1m-加速管（54 加速

カプラー空胴についても、現在のS バンドのものを踏ࢋして、セルଥはレギュラーセルと同じく３分の１波ଥの円筒空胴が薄いଥ方形のカップリング用アイリス穴を通して矩形導波管とつながる構造になっている [7]。しかしS バンドでは、WRJ-3 タイプの導波管を用いるが、C バンド 加速管で用いる
WRJ-5 タイプの導波管は寸法が２分の１スケールになっていないためカプラーശの寸法は単純なスケーリングでは決められない。そこで、カプラー空胴 2b 寸法およびカップリング用アイリス穴幅 wについて、新たに৓‫ٽ‬値の最適化を行うことにした。

また、S バンドではカプラー空胴内のஏ磁場が࠰対称性を持つように、カップリング穴の反対側の空胴側面に三日月型の窪みを作ってあったが、これが放ஏの原因の一つとなっていることがわかった[8] ため、今回の第１号機ではஏ磁場の࠰対称性についてはあきらめて、このような窪みは省いた。
৓‫ٽ‬パラメータ値については、まずシミュレーションによりほぼ‫ة‬似的な最適値を求めた。入口カプラー＋レギュラーശ６セル＋出口カプラーのモデルについて MAFIA T3 code により時間領域のシミュレーションを行い、反射特性を求めてこれに基づいて最適化を行った。

せる変形が生じているようであるが、これについてはまた詳細を検討の上報告する予定である。また、７月よりテストベンチにおいてハイパワーࠌ験を開始し、８月末に KEKB ライナックビームラインに組み込んで、９月よりビーム加速ࠌ験を行う予定である。

C-band Input Coupler Parameter Optimization
0.600
b0=20.100 [mm]b0=20.140 [mm]b0=20.150 [mm]b0=20.160 [mm]b0=20.200 [mm]S_11 amplitude

0.500

0.400

0.300

0.200

0.100

0.00088.2

8.4

8.68.89

図５：ノーダルシフト測定結果（ஏ鋳後）

Iris hole half-width (whf) [mm]図３：MAFIA によるカプラー寸法最適化
さらにシミュレーションによる最適値を念頭において、ローパワーモデルを製作し、Kyhl 法に基づいた RF 測定と修正加工の繰り൶しにより最終的な寸法値を決めた。また、実機用カプラーはこの寸法を基に若干の修正加工を加えて完成させた。

６．全体性能と今後の予定
こうしてできあがった入口、出口カプラーとஏ鋳により成型された中央空胴ശと両端の各２セルの空胴は組み合わされて（図４）、一体としての rf 特性が測定された。

参考文献[1] “Overview of the KEKB accelerators”, By S. Kurokawa, et.
al., NIM A, Volume 499, Issue 1, 21 Feb. 2003, Pages 17[2] “ The KEKB i nje ct or li nac ”, By I .Ab e, et . al. , NIM A,Volume 499, Issue 1, 21 Feb. 2003, Pages 167-190[3] “Expression of Interest in A High Luminosi-ty Upgradeof the KEKB Collider and the Belle Detector”, By I.Abe,et. al., Jan. 2002
http://www-kekb.kek.jp/SuperKEKB/Document/EoI.pdf[4] 紙 ૌ 琢 哉 ほ か "KEKB஢ 子 ຨ ஢ 子 入 射 ラ イ ナ ッ クの 改 造 ‫ ڐ‬画 に つ い て ", 第 27回 リ ニ ア ッ ク 技 術 研
究 会 、 京 ற 、 2002、 Pages 42-44[5] 福 田 茂 樹 ほ か "SuperB‫ ڐ‬画 の 為 の KEK஢ 子 ຨ ஢ 子
ラ イ ナ ッ ク の Ｃ バ ン ド 化 ‫ ڐ‬画 ", 第 28回 リ ニ ア ック 技 術 研 究 会 、 東 海 、 2003

図４：C バンド 1m-ଥ加速管全体図
その結果得られたノーダルシフトの測定データを図５に示す。前述のஏ鋳ശ両端ശ周辺の空胴を除けたほぼきれいな 120 度位相進みが得られていることがわかる。また、この時の入口側からの VSWR値は、1.09 であった。なお、この後、カプラーശ
をஏ子ビーム溶接で結合しさらに、冷却水のジャケットを TIG 溶接する過程で、反射特性を悪化さ[6] “Development of C-band 50 MW pulse klystron for e+ elinear collider”, By T. Shintake, et. al., KEK Preprint
97-47, May, 1997
[7] 五 十 嵐 康 仁 ほ か "KEKB 入 射 器 増 強 用 加 速 ユ ニ ット の ‫ ݗ‬周 波 特 性 ", KEK Report 98-1 2, Jan, 1999
[8] “High-gradient tests on S-band 2m-long accelerating
structures for KEKB injector linac”, By Y.Igarashi, et.
al., Particle Accelerator Conference, Portland, U.S.A.,
May 12-16, 2003