Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

HOM-damping of RF cavity for storage ring at SAGA-LS,A)

H.Suzuki 1, T.Yoshiyuki
Y.Iwasaki

A)

B)

A)

A)

, K.SatohC), H.Kamikubo, Y.TakabayashiA), Y.Hirata

C), T.Tomimasu

B)C), Y.Nobusada, H.Ohgaki

D)

B)
E)

, S.Koda

C), M.Izawa , T.Koseki, K.YoshidaC),F)

Toshiba Corporation, Industrial and Power Systems & Services Company, Kehin Product Operations
2-4 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama, 230-0045

Toshiba Corporation, Industrial and Power Systems & Services Company, Isogo Nuclear Engineering Center
8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama, 235-8523
C)

D)

E)

F)

Kyushu Synchrotron Light Research Center
8-7 Yayoigaoka, Tosu, Saga, 841-0005

Institute of Advanced Energy, Kyoto University
Gokasho, Uji, Kyoto, 611-0011

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

The Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN)
2-1 Hirosawa, Wako, Saitama, 351-0198

Abstract
The HOM (Higher-Order-Mode) damped cavity which had been developed at KEK-PF was installed at Saga LightSource. SiC ducts are connected on the both sides of this cavity. This cavity also has two movable tuners and one fixedtuner. We adjusted the impedance of HOM’s to avoid the coupled bunch instabilities. The results of the low power RF
measurement are shown in this paper.

ＳＡＧＡ－ＬＳ

蓄積リング
蓄積リングＲＦ
リングＲＦ空洞
ＲＦ空洞の空洞の高次モード
高次モード対策
モード対策

１．はじめに
佐賀県立九州シンクロトロン光研究センターは、シンクロトロン光を用いた産業利用・各種研究を目的とした施設で、平成 16 年度末の運用開始を予定している。
光源装置は、電子エネルギーが 1.4 GeV の中型装置で、電子リニアックと、電子リニアックで加速した電子を蓄え、加速し、シンクロトロン光を発生させる電子蓄積リングで構成されている。
電子リニアックにより 250 MeV まで加速された電子は、周長約 75.6 m の電子蓄積リングに一旦蓄えられた後、1.4 GeV まで加速される。蓄積電流は約 300 mA、蓄積寿命は 5 時間程度の予定である。
電子蓄積リングには、１台の高周波加速空洞が据え付けられており、蓄積電流 300mAを確保するために、空洞の高次モード（HOM）によるビーム不安定性を抑えるタイプの空洞が採用されている。

使用されている。図1にSAGA-LSの高周波加速空洞の構成図を、表1にその主な特性を示す。空洞の両側にはSiCダクトと、排気ポートを備えたテーパー形状の真空排気ダクトが接続されている。SiCダク
トは銅製ジャケットの内側にSiC（東芝セラミックス製）がはめ込まれており、加速空洞ビームポートからしみだした高次モード成分を吸収する為に用いられている。
ビーム方向
入力カプラー

真空排気ﾀﾞｸﾄSiC ﾀﾞｸﾄ

SiC ﾀﾞｸﾄ

加速空洞

２．ＲＦ空洞の特徴
本HOM damped タイプの空洞は、元来KEK－PF（フォトンファクトリー）と東大物性研が共同で、高次モード抑制のために開発した空洞で ［1］、KEK－PFのほかに兵庫県立大学のニュースバルリングにイオンポンプ

イオンポンプ

図1: 高周波加速空洞の構成

338

真空排気ﾀﾞｸﾄ

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表1:

SAGA-LS 高周波加速空洞の特性

Resonant frequency
Fr[MHz]Shunt impedance (calc.) Rsh[MΩ]
Unloaded Q (calc.)
QRF Voltage
Vc [kV]
Maximum wall loss
Pc [kW]
Coupling coefficent
βCavity gap length[mm]Beam duct diameter[mm](SiC part)

499.8
7.6844000
500902.0220140

決定するための可動式チューナーで、運転時には空洞の信号をフィードバックし、空洞が共振状態を保つように制御されている。水平方向の固定チューナー（Tu1）と垂直方向の可動チューナー（Tu2）は高次モードの共振周波数を制御するためのチューナーであり、Tu1は高次モードの共振周波数を測定した上で長さを決定し加工・取り付けを行った。高次モードの測定はTu1、Tu2を一定ピッチで動かし、各条件においてTu3の長さを調整して加速モードの共振周波数をあわせ、その時にSiCダクトで吸収しきれない高次モードをネットワークアナライザーを用いて測定した。

３．高次モード対策

同軸導波管変換器

ｶﾌﾟﾗｰ

周波数Fhom [MHz]本空洞は空洞の構造をできるだけシンプルにし、長期にわたる安定した運転を目指している。このた信号 ①or②or③
め、空洞本体部分には高次モードの減衰機構をいっﾈｯﾄﾜｰｸｱﾅﾗｲｻﾞｰさい設けておらず、空洞に接続するビームダクトの信号①口径を広げることにより、周波数の高い高次モードがビームダクト内を伝播して空洞中心から取り出さ信号②ﾓﾆﾀｰれるようにする。そしてビームダクトの一部に高抵空洞
feedback
抗の電磁波吸収体であるSiCを装着し、空洞外に出た高次モードを吸収体部分で減衰させている。これによりビームダクトの遮断周波数より高い周波数を
Tu3:基本周波数
Tu1:水平固定ﾁｭｰﾅｰ
持つ高次モードについては、そのインピーダンスを調整可動ﾁｭｰﾅｰ許容インピーダンス（ビーム不安定性がおこらないﾓﾆﾀｰ最大のインピーダンス）以下に低下させることがで
Tu2:垂直可動ﾁｭｰﾅｰ
信号③きる。しかし周波数がビームダクトの遮断周波数よりも低いモードは、空洞内に留まって吸収体部分まで到達できないため吸収体で減衰させることは不可
図2: 高次モード測定ブロック図能である。そこで、以下の方法でSiCで吸収しきれない高次モードを避ける。
表2に各高次モードの測定結果を、図3にTE111H
ビーム不安定性が発生するのは、加速器のパラの共振周波数－チューナー位置依存性を示す。図3
メーターで決まる周波数と高次モードの周波数が一より水平、垂直用のチューナーを動かすことで高次致もしくは非常に接近した場合である。Q値の高いモードの周波数が移動し、チューナーによる微調整
高次モードは周波数の広がりが狭くシャープなピーが可能であることがわかる。
クを持つので、わずかに共振周波数をずらすだけで、不安定性を劇的に減じることができる。この共振周
Horizontal mode TE111H
Tu2:Vertical Tuner704
波数は3ヶのチューナーの空洞内に突き出す長さをTu2:0mm
適当に選ぶことによって、微調整することができ、Tu2:5mm703.5
Tu2:10mm
この方式だと加速モードに影響を与えずに、高次モードによるビーム不安定性を避けることができる。
703
本空洞は加速モード調整用のチューナーのほかに702.5
垂直用の可動チューナーおよび水平の固定チューナーを取り付け、高次モードの周波数をずらすこと702でビーム不安定性を避けることのできる構成として701.5
いる。固定チューナーは、ローパワー試験時にSiCで吸収しきれない高次モードを測定した上で、高次701モードを避けることのできる長さを決定し、加工・
0510Tu1(Horizontal Tuner) Length [mm]取り付けを行う。
図3: 高次モードの共振周波数－ﾁｭｰﾅｰ位置依存性

４．高次モードの測定および結果
図2に高次モード測定ブロック図を示す。本空洞には無酸素銅製のチューナーが合計3台設けられている。このうち1台（Tu3）は基本モードの周波数を339

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表2: 各高次モードの特性

Hoｒizontal modes

1

TE111H Tu1:0mm
TE111H Tu1:2mm
TE111H Tu1:5mm
TE111H Tu1:10mm
TM110H Tu1:0mm
TM110H Tu1:2mm
TM110H Tu1:5mm
TM110H Tu1:10mm
TM111H Tu1:0mm
TM111H Tu1:2mm
TM111H Tu1:5mm
TM111H Tu1:10mm

0.9

Longitudinal
TM011
TM012
TM021

Fhom[MHz](meas.)
793.6
1311.11372.2Q(meas.)
29000
9500
15000

0.8

最終条件

0.7(Fhom/ Frev ) － N

Mode Type

0.6
0.5
0.4
0.3

N-Qx

0.2
0.1
0Transverse
TE111HTE111V
TM110V
TM110H
TM111H
TM111V

-0.1

701.9
706.4
788.5
792.8
987.9
990.8

32000
34000
5700
43000
20000
18000

最終条件

-0.2
05
Tu2 (Vertica Tuner) Length ［mm］

10

図4: Horizontal modes Fhom/Frevのﾁｭｰﾅｰ長依存性
Vertical modes
1

TE111V Tu1:0mm
TE111V Tu1:2mm
TE111V Tu1:5mm
TE111V Tu1:10mm
TM110V Tu1:0mm
TM110V Tu1:2mm
TM110V Tu1:5mm
TM110V Tu1:10mm
TM111V Tu1:0mm
TM111V Tu1:2mm
TM111V Tu1:5mm
TM111V Tu1:10mm

0.90.8(Fhom / Frev ) － N

0.7

５．チューナー長の決定

0.5

最終条件

0.4
0.30.2N-Qy

0.10-0.1-0.205
Tu2 (Vertical Tuner) Length ［mm］

10

図5: Vertical modes Fhom/Frevのﾁｭｰﾅｰ長依存性
Longitudinal modes
10.90.80.7(Fhom / F rev ) － N

各高次モードが以下 (2),(4)式の値に近づかない範囲となるTu1、Tu2のチューナー長の組み合せを決定した。
（a）Longitudinalモードの場合
Fhom ＝ nFrev ＋ Fsync ……………………（1）になるとき不安定性が極大となる。
Fhom: 高次モードの共振周波数
Frev: 電子の周回周波数
Fsync: シンクロトロン周波数n:整数
ここでFsyncはFhom、Frevに比べ非常に小さいので無視し、Fhom／Frev ＝ N（Nは整数） ……………（2）に近づかないようなチューナー長を選択した。

0.6

0.6
0.5
0.40.3

最終条件

N（1）TM011 Tu1:0mm
TM011 Tu1:2mm
TM011 Tu1:5mm
TM011 Tu1:10mm
TM012 Tu1:0mm
TM012 Tu1:2mm
TM012 Tu1:5mm
TM012 Tu1:10mm
TM021 Tu1:0mm
TM021 Tu1:2mm
TM021 Tu1:5mm
TM021 Tu1:10mm（b） Transverseモードの場合
0.2
Fhom ＝ nFrev － Fbeta ……………………（3）0.1
0になるとき不安定性が極大となる。ここで
N（0）
-0.1
Fbeta ＝ ν×Frevでνはベータトロンチューンであ0510る。νの小数部をQとすると、
Tu2 (Vertical Tuner) Length [mm]Fhom／Frev = N-Q （Nは整数）……………（4）
図6: Longitudinal modes Fhom/Frevのﾁｭｰﾅｰ長依存性に近づかないようにチューニングしなければならない。
図4～図6に各高次モードのチューナー位置と６．まとめFhom／Frevの関係を示す。図において(1),(3)式のnは各SiCダ ク ト の 取 付 け お よび高次モード対策用の高次モードでもっともFhomに近づく値を選んでいる。 チューナーの位置を調整することにより、高次モーまた図4のQxはSAGA-LSにおけるx方向のチューンドによるビーム不安定性を引き起こさない対策をの小数部、図5のQyはy方向の小数部である。図4～
とった。また大電力試験を実施し、リング定格の図6において、帯で示した範囲は高次モードのインWall Loss 40kWを無事入力することができた。今後ピーダンスが許容インピーダンス以上となる範囲でリングの安定な運転に貢献することを期待する。
あり、これを避けていれば高次モードによるビーム不安定性は引き起こされない。これらのデーターよ
参考文献
り各チューナー長さを決定した。図中の○印は最終[1] 小関、伊澤、佐藤, "高輝度光源加速器のための条件で測定した結果であるが、高次モードによる高周波加速空洞", 日本放射光学会誌 Vol.10, No.1,
ビーム不安定性が発生する条件を避けていることがFeb. 1997
確認できる。

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