KEK 電子陽電子入射器の大口径 S バンド加速管
LARGE APERTURE S-BAND STRUCTURES IN KEK INJECTOR LINAC
松本修二#，荒木田是夫，池田光男，柿原和久，紙谷琢哉，田中窓香，肥後寿泰，横山和枝，Zang Lei
Shuji Matsumoto#, Yoshio Arakida, Mitsuo Ikeda, Kazuhisa Kakihara, Takuya Kamitani, Madoka Tanaka,Toshiyasu Higo, Kazue Yokoyama, Zang Lei
Accelerator Lab., KEK

Abstract
Upgrade of KEKB Injector Linac is ongoing for super KEKB project. The positron beam intensity is required to be4nC per bunch. Use of the flux concentrator and the large aperture S-band structures (LAS) in the positron capturesystem can give us four times larger population of positrons than that of our previous system. Ten LAS are set in thedownstream of the positron target. The new system starts its first operation with positron generation in this spring(2014). In the present paper the system design is briefly reviewed and the operation of LAS is reported.

1.

はじめに

2.

陽電子 RF 捕獲システム

KEK 電子陽電子入射器は、さらなる高ルミノシ
2.1 概要
ティーが目標の superKEKB 計画のために、供給すシステムの概要は図 1 を参照．システムは入射器る電子、陽電子のいずれも、そのビーム強度の増強#15ユニット先頭部に置かれた陽電子ターゲットのと低エミッタンス化のために改造を行っている．陽直下にFC が設置され、引き続いて一連の、LAS か電子に関して言えば、低エミッタンス化のため、ダら構成される3 つの加速ユニットが続く．加速器トンピングリングが新規に導入される．さらに、陽電ンネル内#15ユニット付近からビームライン下流方
子標的で発生した陽電子を効率よく捕獲し、ビーム強度を保ったままダンピングリングまで送り込める 向を見た写真を図 2 に掲げる．
一番先頭の#15 ユニットおよび次の#16 ユニット
ように陽電子システムを改良する．標的で生成されは、それぞれ2 台および 4 台の LAS より構成され、た陽電子ビームは横方向に広く分布をしているので、6台の加速管はすべて5kG のソレノイド磁石の中にまず、標的直下の Flux Concentrator（FC）で発生設置されている．続く#17ユニットは 4 台の LAS かさせるピークソレノイド磁場 5～10T で陽電子をから構成され、Q磁石による収束系をもつ（各加速管
き集め、次に（入射器で通常使われているものよりも）口径が大きな S バンド加速管（LAS 管：Large は 4 台の Q 磁石に抱かれた状態で設置）．#15 は他
Aperture S-Band 管．全長約 2m．）を使用して、陽 のユニットよりも加速勾配が大きくできるように、電子ビームを捕獲・初期加速する（10 台の LAS を クライストロンからのパワーを 2 台の LAS に等分使用．このうち、先頭からの 6 台は、5kG の一様な 配している．これ以外のユニットではパワーは各ソレノイド磁場中に置かれている）[1]．FC および LAS に 4 等分して供給される．
LAS よりなる陽電子システム全体は、今春（2014年）試運転運転を開始した．本稿では、LAS についてまずその概要を解説したのち、LAS のプロセシング運転の結果をまとめる．
LAS in Solenoid
Waveguide

FC/TGT

HV lineFigure 1: Capture system schematic.
_________________________________________ _________#shuji.matsumoto@kek.jp

Figure 2: Positron production system.

2.2

RF パラメーター

LAS を搭載した 3 ユニットの RF パラメーターを
表 1 に掲げた．この表では、加速勾配はすべてビームロード（約 1%）を無視している．さて、先頭の#15 ユニットでビーム運転時に必要な加速勾配（定格値）は 14MV/m で、他の二つのユニットのそれ（10MV/m）より大きい．陽電子の初期加速をできるだけ素早く行なうためである．それらの加速勾配は、いずれにしても、SLED を動作させ、パルス圧縮を行なうことで確保できる設計である．SLED を使えば、それらの定格勾配には、クラストロン約15MW 出力で到達するので、運転には余裕がある（ ク ラ イ ス ト ロ ン の 最 大 出 力 は 40MW ） ． 仮 にSLED を使わなかった場合でも、クライストロンの最大出力時の勾配は、いずれも定格値の 70%が確保される．
後で触れるように、今春のビーム運転時には、SLED は動作させなかった．この理由は、SLED 動作時、加速管からのアウトガスにより加速管部分の圧力が上昇するためであった．ビーム運転開始までの LAS プロセシングでは、SLED 動作時のアウトガ
スを十分枯らすところまで到達しなかったためである．
Table 1: Capture RF system with LAS
Unit #

15 / 16

17Focusing magnet

Solenoid

Q-mag

Focusing field [kG or T/m]

54 ~ 12

Number of LAS

2/44

KLY power non-SLED [MW]4040

Non-SLED Gradient [MV/m]

9.8 / 6.9

6.9

SLED Gradient [MV/m]

14 / 10

10KLY power needed for
SLEDed gradient [MW]14.5 / 14.8

14.8

SLEDed Gradient at KLY
maximum power [MV/m]

23.2 / 16.4

16.42.3

真空システムLAS を含むユニットの排気系は、入射器の他のユニットと基本的に同じ構成である．140mm 内径のSUS 製 マ ニ フ ォ ー ル ド を ビ ー ム ラ イ ン と 平 行 に500mm 離して設置し、加速管の入力・出力の両導波管とこのマニフォールドを連結して加速管の排気を行なう．マニフォールドは、イオンポンプおよびＮＥＧにより排気される．加速管部のいわゆるベース圧力は、1e-6Pa ないしそれ以下に保たれる．
空きスペースの都合で、FC～LAS 間にはゲートバルブは設置されていないので、ガスが行き来する．
両者間の真空コンダクタンスは小さい（6.5L/s）が、FC もその動作時にガス源となるので、今春の運転時には、互いの影響を避けるため、ビーム運転時以外は、原則、FC と LAS 同時のプロセシングは行なわなかった．真空に関する数値を表 2 にまとめた．
Table 2: System evacuation parameters.
ItemGeometry

Value

FC evacuation

IP75 L/s x 2

FC-LAS conduct.

40mm x L150mm

6.5 L/s

LAS volume

85mm x 2m

0.012 m3

LAS inner surface

85mm x 59 cells

1.0 m2

LAS couplermanifold

Two iris + J-coupler+ Waveguide-holes

20 L/sManifold
evacuation

Ion pump + NEG
pump500 L/s +1000 L/s

3.

LAS について [2]LAS 管は通常のＳバンド加速管よりも大きな口径をもつことを特徴とする．これは、発生直後の空間的に広がった陽電子ビームを効率よく捕獲するためである．大きな口径ほど収量が増大する一方、シャントインピーダンスの低下と群速度の増加により、加速勾配は下がってゆく．発生直後の陽電子はなる
たけ素早く加速したいので、必要な加速勾配に見合う最適な口径を選ぶ必要がある．検討の結果、最小口径を 30mm とした[3]．
陽電子ターゲット直下流に置かれる LAS 管は、大量の放射線にさらされるので、管内での RF 放電は、他の一般的な加速管より起こりやすい．特にカップラー部結合孔付近は電界が集中のため、放電にはもともと脆弱な箇所である．放電をなるたけ回避するため、LAS 管のカップラーは 2 つの結合孔を対称に配置したいわゆる Double Feed 型を採用した．
さらに、加速管入力側は、放射化する加速管の取り外し作業の簡便化を考慮して、導波管ポートが一箇所のＪ型カップラーとし、他方、出力側は導波管ポートが 2 個対称位置に配置されている．導波管フランジは、ソレノイド内径に合うよう、加速管に埋め込まれている．

Figure 3: LAS output end (left), input end (center) andinsertion of LAS into solenoid (right).

Table 3: Structure parameters.

4.2

ItemLAS

Type-CFrequency MHz

2856

2856

# of regular cells

57

54

Active acc. Length [mm]2064.40

1959.43

Flange-flange length [mm]2191.01

2072.45

Beam hole dia. (2a) [mm]31.9-30.0

24.28-20.3

Group velocity vg/c [%]4.2 – 3.5

1.24 (av.)

Shunt impedance [M/m]

46 – 4857.8 (av.)

0.1210.333

Filling time [ns]185507

Maximum Ep / Eacc

2.42

2.14

Input coupler iris

J-typeDoubleSingleOutput coupler iris

DoubleSingleCell machining toolDiamondDiamond

Coupler fabrication

BrazingBrazing

Assembly technology

Vacuumbrazing

Electroforming

Cooling passage

FourchannelsOuterjacketAttenuation parameter

4.

RF 運転

4.1

フラットパルスでのプロセシング

ビーム運転を想定したプロセシング

年末年始の停止期間中に#15 ユニットの組み立てが完了したので、2014 年の 2 月初頭より、先行する#16、#17 に#15 を加えた 3 ユニットすべてのプロセシングを開始した．
プロセシングの目標値は、当面のビーム運転に必要な（フラット）パルス幅 500ns でのクライストロン出力 40MW での運転に設定した．SLED は離調しておいたが、ソレノイドは原則、励磁した状態である（ソレノイド磁場はビーム運転時に必要だから）．
この時点での AC 電力供給量の制限から、約 60%の磁場強度でプロセシングを行なった（ソレノイド定格電流 600A のところ 370A）．
3 月初頭までの約一カ月の運転期間（時間＝700時 間 強 ） で 、 #15 は ビ ー ム 運 転 に 要 求 さ れ た
500nsRF 幅での加速勾配 10MV/m までのプロセシングが完了した．図 4 に加速勾配、パルス幅および加速管内部の真空圧力の履歴を示す．

Figure 4: Initial conditioning of unit #15.
先に組み立てが完了した#16 および#17 ユニットを 2013 年 10 月頭から同年 11 月 11 日までの一カ月余りの期間、フラットな RF パルス（SLED 離調）でのプロセシングを行なった．試験的にソレノイド 5.
まとめ磁石に通電してみたところ、磁場印加に伴う加速管LAS は磁場がかかった状態で運転される．（#15内の圧力増加が予想通り確認された．また SLED を と 16 ユニットの計 6 台はソレノイド磁場が、#17 の同調した場合も同様に圧力が増加した．このため、 4 台は Q 磁場が印加された状態で動作させる）．
ソレノイドの励磁、SLED を同調してのプロセシン LAS 管のプロセシング時の特徴としては、突発的なグは見送り、まずはフラット RF パルスでその幅を 圧力の上昇（とそれによるダウン多発）が見られた．
伸ばしていくことに専念した．
このため、最初から磁場をかけた状態でのプロセシ
RF パルス幅を一定にしたまま LAS への入力パ ングは行なわず、いくつかの段階を経て「磁場ありワーを徐々に上げてゆくと、加速管内の圧力が上昇 SLED 動作あり」の状態にもっていった．プロセシ
してくる．圧力をあらかじめ設定しておいた閾値以 ングの指針は、加速管部分の真空（圧力）が設定し下で収まるよう、加速管入力を運転プログラムで自 た閾値を超えないようすることで、結果的に下記の動制御しつつ、だんだんと入力を上げてゆく．パ ような手法に至った．
ワーが目標まで到達したら、RF 幅を少し広げ、再①フラット短パルスより開始：SLED は離調し、度クライストロンパワーを低いところから徐々に上 また、RF パルス幅も、当初は短めから開始する
げてゆく．これを繰り返し、運転期間が終わるころ （100ns～数 100ns 程度）．②まず磁場なしで運転開には、おおむね 1 マイクロ秒幅までのプロセシング 始し、徐々にパワーを上げてゆく．RF 幅も徐々にが終わった．プロセシングは比較的順調に推移した． 広げてゆく．③ある程度までパワーが入れば、今度は、磁場を徐々にかけながら、ただし再び低いパワーと短いパルス幅から始め、③磁場中でもある程度パワーが入るようになった時点で、SLED を動作させる．一般に、LAS 管のプロセシングに要する時間は、入射器の他の通常の加速管よりも長い．
J カップラー部に外部より永久磁石を取り付けてみたところ、磁場印加による加速管内圧力への効果（磁場印加で圧力減少）が見られた．カップラー付
近でのマルチパクターの発生可能性があるがこれについては、今後も継続して詳しく調査する必要がありそうである．
SLED なしでも、加速勾配は要求値の約 70%まで上げることができる．現時点でそこまでの LAS プロセシングは終了し、ビーム運転に供した．春のビーム運転では、LAS 加速勾配を上げると陽電子の収量が増えたので、今秋からの運転で、さらにSLED 付きの LAS プロセシングを進め、十分安定に定格加速勾配での運転ができるようになることが期待されている．ソレノイド磁場は電力供給能力の都合で、春の運転では、設計値の約半分になっていた．
今後電力供給は増強されるので、ソレノイド磁場が上がればさらに陽電子の収量増加が期待される．な
お、春の運転では、むしろソレノイド磁場を弱くした時、LAS 管内の圧力上昇がみられ、磁場が一定以上強くなれば、圧力への影響が小さくなったことから、今後磁場を増強しても、LAS の RF 運転への影響は小さいものと考えている．
謝辞
三菱重工業三浦禎夫氏には LAS 管の設計・製造でご尽力いただきました．また、KEK 入射器三菱電機サービスの RF および加速管担当の方々には、機器の設置及びプロセシングに多大な貢献をいただきました．ここに感謝します．

参考文献[1] T. Kamitani et al., “Positron Injector Linac Upgradefor SuperKEKB”, MOPLB02, LINAC’12, Tel-Aviv,Israel, 2012.
[2] S. Matsumoto, T. Higo, K. Kakihara, T. Kamitani, M.
Tanaka, “LARGE-APERTURE TRAVELLINGWAVE ACCELERATOR STRUCTURE FORPOSITRONCAPTUREOF
SUPERKEKBINJECTOR LINAC” THPRI047, IPAC2014.
[3] T. Kamitani, “Positron Source Upgrade”, 19th KEKB
Accelerator Review Committee, Tsukuba, Japan,March 3-4, 2014.
http://www-kekb.kek.jp/MAC/2014/