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COMMISSIONING OF RF GUN FOR SuperKEKB½y çv#Ƃ¥ġ ÅƂ¨ ľÃƂÙ ¢ƂËÎ ŷxũTakuya Natsui#, Mitsuhiro Yoshida, Xiangyu Zhou, Rui Zhang, Yuujiro Ogawa
High Energy Accelerator Research Organization, KEK/SOKENDAI

Abstract
The injector linac of KEK is being upgraded for SuperKEKB. High-charge low-emittance electron and positron
beams are required for SuperKEKB. The required injection electron beam parameters are 7.0 GeV at 5 nC 20 mm-mrad.
A thermal cathode DC gun had been used for KEKB. However the DC gun could not make low-emittance beam. Thus
low-emittance new RF gun is being developed. We are developing an advanced RF gun which has two side coupled
standing wave field. We call it quasi-traveling wave side couple RF gun. This gun has a strong focusing field at thecathode and the acceleration field distribution also has a focusing effect. This RF gun has been installed KEK J-linac.
Beam commissioning with the RF gun is in progress.
Wo`Ÿþÿ* Ir5Ce <HoPŬÁĜ
1ĪŔ.[1,2]ƃ
DAW ¶ RF gun  Ƃ.ĬÖƁŻŃWo`ĝ´ƂKEK  SuperKEKB § Š­ģğœƀ£ŀ) 5 nC F\oF
4L[?ioPŅ0/.ƃSuperKEKB KcoE+.ģðÈ.ŸþŻ¹%Ø ƂżÑƁh_SDM51Þ.(9_LIl÷ÚŸþŻ¹1ģğ.+
RFgun àF+-J6Q_L>4VoKcoĒÌWoŊ.0ƃƂB6P<L[h`ÉªĒÌŗ.ƃ/ÈáƂŻÁŴŻÁÊ­ ƁŻŃn9_LIlFċ(,/.ƃ ĮĐ1ŚqƅūĽìŢŅĎ¶©!/.
[3]
KEKB ¦ĄŻÁŴŻÁ)ƅUlKŤřg ĮĐ1óŮģ ƃ!Ƃ±Ƅ(a)+Š=cL[1ě l?Ê.ƂņƄī+ SuperKEKB
B6P<L[hĮĐàėĤPgYOF\oF
 ÀÒWo`VfaoI4L[?ioPàŭ-ƂĜĤŠôčŏƃŊ.ƃ ŴŻÁWo`9_LIlF§Ƃ±Ƅ(b)+PgYOF\oFÛ.Ū óJlXl?gl?×őŢ(,/.ƃƂŻÁWo` JlXl?gl?Ė Ěį)pB6P<L[hĮĐ1ūĽ 20 mm-mrad 9_LIlF1UlK *.ƃ÷ƂƅÆ´ĎĮĐ!/2  - 5 nC ƁŻŃWo`Çĝ   ħÏ1  RF 1å/!Wo`,&.ŢŅĎu.+ŋ.ƃïăš1ìƃŢŅĎ¶B6P<L[hĮĐ©2.ƃ
Table 1: The required injection beam parametersăš żÑĜ+ ŠWo`Ÿþ1ŅKEKB
SuperKEKB.ƃ
(e+/e-)(e+/e-)

1.

Charge [nC]
Emittance[mm-mrad]

1/1
2100 / 300

4/5
20 / 20KEKB  Ę<HoP DC gun ŻÁĔĠ/ƂJlXl?gl?Ė 20 mmmrad 5 nC ƁŻŃ9_LIlF1ťä.
 żÑ°ź.ƃƂSuperKEKB 
Y:O<HoP S-band RF gun 1Ġ.
ƃ,şÑĠ/. 1.5 cell onaxis coupling  RF gun  1 nC ĬÖŻŃģğųÖ-Ƃ ó RF gun ŮģàŊƃƂDisk and Washer (DAW) ¶*B6P<L[h¶Ś¾Ķ¤ĮĐ1ĂŐƃDAW¶ RF gunŮģƂœƀ1Ĵ.ƃ RF gun œƀ1şěŠ=cL[+.
____________________________________________#takuya.natsui@kek.jp(a) Normal side coupled cavities(b) Quasi traveling wave side coupled cavities
Figure 1: Structure of the quasi traveling wave cavity

2.

!

KEK Ê­ J-linac ©!/. J ¶ūĽ/
linac Üä/.ƃRF gunÊ­øqđ. A1 sector ūĽ/ƂŜioCDFM`)ăı/.ƃ±ƅ A1 ūĽ±1īƃ
ioCDFM` ƂYb Y36Uo1ģè­ Yb Y36Uo+. DC 4l[ ƂYb:YAG thindisk +.VhF4l[ăä. [4]ƃioCtßĎŭ 1035 nm ƂżĹÜĶö1Ġ 4 Ď
1- Ir5Ce Y:O<HoPÊŻÁĔ.ƃ
Yb ĲioC ÕÐ·.õůô§VhFäÜ£ŀ-Ƃ9_LIlFøŧVhFÜę1Çĝ.£ŀâ.ƃVhFäÜg4hI6`9_LIlFēÆ1ĵ&¤0Ñ
9_LIlFWo`1ķ.øĴĤĥĤ.ƃ

ƇĎ"¼ë
RF gun Ħ BBO ĶöŅ.ƃ±Ɔ RF gun ĦŘĨ1ī
ƃ<HoP
60 ÖŎÖÊ-ƂŻMiFAo[_fo+-ŦŵF^LOB6GĽ1ŕò.+.ƃƇĎioC[jY36h) CCD <afbRIo.+.ƃ±ƇflJ`æ
10 DeLO1īƃioC[jY36h żÑČ
VhF!,)ÀƃioCsÄÆâ À«ſ.ƃ

Figure 4: laser profiles of consecutive 10 shots
2.2

Q-scan 9_LIlFēÆRF gun ğäWo`9_LIlF ±ƅī(/ A1 F>golbRI Q-scan č+ēÆ/ƃēÆ/Ōā9_LIlFWo`ŻŃ 0.6 nC ĊÓô§ 13.4 +/- 5.9 ƂµĦô§ 8.05 +/- 0.47 [mm-mrad] ƃƁŻŃ(5.0 nC)Wo`ēÆû%ƂioCsÄÆâĝ´ ēÆŁƃ
2.3
Figure 2:
2.1

A1 layout

RF gun "ÊioCēÆ

ioCTLO A1  RF gun Ŷêăı/
.ƃioCTLO
Yb ioC¸ýĎ
1035 nm 1VFhÒ 30 psec ñ mJ VkoºÒ.ƃ%ƂioCTLO BBO Ķö1ƅĎ"¼ë1ŅƂRF gun ĦŜ% ƅĎ
VFh1śŞ.ƃ

Figure 3: Optics for laser injection

D@6l+.UlKŭ³ĺ

RF gun t ĮůŻŃ+.9_LIlFã1Ũ .( 20 psec , 30 psec ŭUlKŭ W o `  Š 1 Ņ    . ƃ    Ƃ linac 78o>+.9_LIlFã1ű ( 10psec UlKŭû%ƃ( A1 sector 
D@6lUlKŭ³ĺ1ŅƃD@6lrđ FOgo><afūĽ/ OTR +.ģ1ōē.UlKŭēÆ£ŀ.ƃA1  linac  RF ħ1¼UlKŭ¼1ōēƃĶÿƂ±ƈ+ 20 psec
, 10 psec "UlK³ĺōē/ƃFigure 5: Results of streak camera measurements

2.4

ビーム電荷履歴

前年度の夏以降は 25 Hz 運転のレーザシステムの構築を行ってきた．しかしながら，5 Hz 運転にくらべ thin disk の Yb:YAG 結晶によるレーザ増幅は繰り返しの増加に伴う熱負荷により増幅率が大幅に低下した．増幅率の低下を補うために増幅段の段数を増やしたが，より複雑なシステムになったためにレーザの安定度は著しく低下した．また，レーザ発振器も運転を続けるにつれ位相の安定度が低下し，高周波加速に使う RF との同期が外れる頻度が次第に高くなりビームが全く発生しないようなパルスも増えていった．図６は RF gun から発生したビーム電荷の一ヶ月にわたる履歴であるが，長期的にも短期的にもビーム電荷が不安定であることが分かる．ビー
ム電荷としては最高で 5 nC 近くまでのビーム発生が確認でき RF gun としては目標の電荷量を達成する性能を有していることが示される．しかし，長期運転で使用するにはレーザの安定度を大幅に改善する必要がある．

ロッドの同軸部分をチョーク構造に改良し RF が染み出さないような構造となっている．また，カソードの固定も冷やしバメにし，カソード付近のでの僅かな公差をなくすようにした．この空洞で RF コンディショニングがどの程度進むかを今後評価する予定である．
また，問題点を洗い出すため加速空洞も複雑な擬似進行波空洞ではなく単純な構造にした RF gun も製作中である．これの空洞でカソードの固定方法やチョーク構造の優位性を確かめたいと考えている．
また，現在の空洞はビームホールが小さすぎるため0 度のレーザの入射には対応していない．新しい空洞では 0 度入射にも対応している．図７に空洞の形状を示す．ノーズ付きの加速空洞で APS 空洞になっており，空洞同士の結合はディスクに開けられた穴でとられる軸外結合である．必要な電力も 7 MW と小さく擬似進行波空洞よりも放電リスクは少ないと考えられる．ビームに及ぼす集束電場は擬似進行波空洞よりは小さいが 5 nC のビーム発生が可能であるというシミュレーションの結果を得ている．今後この空洞でのスタディーも行っていきたいと考えている．

Figure 6: Beam charge of RF gun
2.5

RF コンディショニングRF gun 空洞の RF パワーの最終目標値は 20 MW 1
µsec である．しかし，コンディショニングの進捗は遅く，現在は 14 MW 600 nsec を達成するにとどまっている．これは頻繁に空洞内で放電が起こってしまうためである．放電の原因の一つにレーザのミスオペレーションによるアブレーションがあげられる．
これは，カソード表面でレーザスポットを小さくしすぎたために起こり，取り外したカソードにはその放電痕が確認された．このアブレーションと放電により空洞内が汚染させた可能性もある．また，カソードを取り付けているカソードロッドの RF コンタクトをとっている部分にも多くの放電痕が残っていた．これはコンタクトが甘く同軸形状になってしまったために RF が染みこんだと考えられる．

3.

RF gun 空洞の改善

空洞にパワーが入らないという問題点を改善するため，新たに空洞を制作した．これは，カソード

Figure 7: Simple cavity RF gun参考文献[1] T. Natsui et al., “DEVELOPMENT OF HIGH-CHARGE,
LOW-EMITTANCE, RF GUN FOR SUPERKEKB”,
THPS02, 第９回加速器学会, 大阪, 2012 8 月[2] Daisuke Satoh et al., “Development of Better Quantum
Efficiency and Long Lifetime IrCe Photocathode for High
Charge electron RF Gun” MOPFI023, IPAC13, Shanghai,China (2013)[3] Takuya Natsui et al., “Quasi-traveling Wave Side Couple
RF Gun Commissioning for SuperKEKB” MORPI033,
IPAC14, Dresden, Germany, 2014
[4] X. Zhou et al., “25Hz Sub-mJ Ytterbium Laser Source ofRF Gun for SuperKEKB” WEPMA044, IPAC15