KEK・原研 RNB 用リバンチャーの設計及びモデルテスト
岡田 雅之1、新井 重昭 、新垣 良次、仁木 和昭、武田 泰弘、冨澤 正人
高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

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306020

高エネルギー加速器研究機構(KEK)田無分室では大型ハドロン計画 E アレナのプロトタイプとしてSCRFQ や IH リニアックからなる短寿命核分離加速実験装置を建設し、加速器の R&D や天体核物理実験などを行ってきた。この装置は 1999 年に田無分室の廃止に伴い運転を停止したが、このたび日本原子力研究所東海研究所のタンデム研究施設に移設し、短寿命核ビーム KEK・原研共同研究施設としてスタートすることになった[1]。

今回モデルを製作したリバンチャー(RB2)は、建設計画の第二段階において、既存の IH リニアックと新しく作る IH2 リニアックの間に設置する予定のものである。
RB2 は周波数が約 26MHz と低い為、SCRFQ と IHリニアックの間にあるリバンチャー（RB1）と同じ二重同軸型共振構造を採用することにした。この構造は低い周波数でもλ/4 共振器をコンパクトにすることが出来るという特徴を持っている[5]。
設置スペースや製作上の要請からタンクの内径を55

１．はじめに２．リバンチャー２60

KEK 田無分室で建設した短寿命核分離加速実験装置を原研東海のタンデム施設に移設する計画が現在進んでいる。この計画では、既存の RFQ・IH リニアックを原研タンデム施設の超伝導ブースターに結合する予定であり、その為には IH とブースターの間に IH2 リニアックと 2 台のリバンチャー(RB2)を設置する必要がある。
この RB2 には RFQ-IH 間のリバンチャー(RB1)と同じ二重同軸型の共振構造を採用する。これまで
MAFIA によるシミュレーションで構造の詳細をつめてきが、今回最終的な寸法等を決める為 1/2 モデルを製作した。
本発表ではリバンチャーの設計及びモデルテストについて報告する。

この施設は二段階での建設が予定されていている。
第一段階としてタンデム施設に田無で製作した短寿
命核分離加速実験装置を復旧し 1.05MeV/u までのビームを加速、天体核物理実験などに供給する。そして、第二段階として IH 型リニアック(IH2)を増設しエネルギーを増強してタンデム施設の超伝導リニアッ
クに接続、5〜8MeV/u まで加速する（図 1）。第一段階の建設は昨年度から３年計画で開始されていて、現在建屋の建設や加速器の周波数変更[2][3][4]の準備などを行っているところである。

100

概要

240e erelsw

b elbo

B P
Mo w
s
F C.

st1035
1165
1185

250

RB3

RB2

810

IH2
TandemSC Linac
ISO L
RB1
CB

2080

IH1

Charge Breeder
SCRFQ

ECRIS

11350図 11510 (m)KEK・原研・原研 共同研究施設配置図

Masashi.okada@kek.jp4101095

図 2RB２寸法図
２寸法図1095mm、高さを 1145mm、ドリフトチューブのギャップ数を 4 とした[4]。この寸法を基準とし、細部の調整は MAFIA によるシミュレーションを行いながら決定した。
シミュレーションを行う場合、実機と全く同じ構造で行う事が望ましいのは言うまでも無いことではあるが、実際の問題として全体の大きさに対して余り細かい物や複雑な物があると非常に細かいメッシュが必要となるため計算に時間がかかる上、結果の精度が逆に悪くなる場合もある。そこで、MAFIA での計算においては、冷却水用配管や仕切り板の真空排気穴等を省略している。また、ドリフトチューブも実物では放電防止のため gap の面を丸めてあるのに対して MAFIA の計算では gap 間のキャパシタンスが等しくなるように間隔を調整した平たい断面で置き換えている。そこで、これら省略の影響を調べる
為、既に実機があり共振周波数が分かっている RB1について同様の計算を行ったところ、実機の25.52MHz に対し、25.73MHｚと約 0.84%高い値が出た。そこで、RB2 の計算では、実機の 25.96MHz に対し 0.84%高い 26.18MHz にあわせるように調整することにした。
その結果、各部の寸法は図 2 のようになった。

３．モデルテスト
3.1 1/2 コールドモデル
MAFIA のシミュレーションの結果を元に RB2 の1/2 コールドモデルを作成し、高周波特性の測定を行う事にした。モデルを製作する段階で工作精度が電場に与える影響やコスト等の面から内導体の支持台座のテーパー部分を平らにする等の設計変更を行った。その結果、MAFIA の計算では共振周波数が26.669MHz へと約 2.0%上昇したが、仕切り板の移動

ステッピングモーター

摂動子

モータ ー
ドライ バ

モニタループ

入力ループ

Fwd

Ref

方 向性 結合 器

ベクトル電圧計HP 8508A

モーター
コントローラーSGH P 86 44 A

GPIBPC

図 4

測定のセットアップ図

による周波数の可変量が±3.0%程度見込まれるためモデルから実機へ換算を行う際には問題とならないと考え、全面的な見直しは行わなかった。
製作したモデルは、コストと加工性から素材は全て真鍮とした。内部の調整がやり易い様、側板を取り外せる様にし、周波数がずれていた場合の調整の為に、仕切り板の部分を上下に移動させる事ができるようにした。これらの部分は RF のコンタクトを考えて多数のネジで止めることにした。実際のモデルの写真を図 3 に示す。
測定はこの空洞に入力用とモニター用のループを取り付け、SG からの入力とモニタループからの出力をベクトル電圧計で比較する事で行った。測定のセットアップを図４に示す。ところで、Q 値やシャントインピーダンス(Zs)は、入力ループの状態で測定値が変わってしまう。そこで、入力ループを換えてマッチングをとった状態とウィークカップリング状態の 2 種類のデータを測定した。ウィークカップリン
グ状態では測定値は無負荷の時の Q 値や Zs に近似できる。一方マッチングを取った場合はその半分の値を示す。それゆえ、二つの状態での測定値はほぼ一致するはずである。
ウィークカ マッチング
MAFIA によップリング を取った状
る計算*の状態態

共振周波数f0 (MHz)Q値
シャントイン
ピーダンスZs（MΩ/m）

54.08254.09353.3382900.33202.44225.515.58016.46517.690*ﾓﾃﾞル相当に変換した値

図 31/2 コールドモデル写真

表 1

1/2 モデルの高周波特性

測定の結果と MAFIA での計算の値との比較を表 1に示す。

3.2 共振周波数
最初に、共振周波数の測定を行ったところ、共に約 54.09MHz 前後の値となった。この値は、MAFIAによる計算の結果である 53.338MHz に対して約 1.4%高く、目標値からは約 3.8%高い。原因については、
MAFIA での計算の際、メッシュを切るのに Auto meshを利用した為必要な場所に適切なメッシュが切られていなかった可能性や、モデルの寸法誤差の影響が蓄積している可能性などが考えられる。
また、Q 値は MAFIA の計算による約 4200 に対し測定値は 3000 前後と 3/4 程度と低い値となった。
その原因としては、シミュレーションに比べ実際の空洞にはネジ止めの接合部や表面の荒れ等による損失がある為であると考えられる。

3.3 電場分布っており問題は無い。
また、この結果からシャントインピーダンスを計算したところ、 16MΩ/m 前後であった。この値はMAFIA の Zs=17.690MΩ/m に対し約 10％低いが、これも Q 値が低いのと同様の原因によると考えられる。

４．まとめ
RB2 の 1/2 コールドモデルを製作し、高周波特性を測定した。その結果、共振周波数は 54.092MHz、Q値は約 3000、シャントインピーダンスは 17.6MΩ/mで、電場分布は MAFIA によるシミュレーションと概ね一致しているという結果を得た。
共振周波数は目標の周波数より約 3.8%高い値となっている。今後、この原因について詳しく調べると共に、仕切り板やその他の部分の配置を動かした場合の共振周波数の変化を測定して実機の最終的な寸法を決定する予定である。

参考文献[1] 新井重昭 他, “短寿命核ビーム KEK・原研共同研究施
次に、摂動子を使って、電場分布を測定した。測設における重イオンリニアック”, Proceedings of the6mm
定では、摂動子として直径のベアリング球を使
26th Linear Accelerator Meeting in Japan, P40-42,2001
用、釣り糸を通して吊るしステッピングモーターでURL:http://conference.kek.jp/LAM26/LAM26PDF/1C-4w
eb.PDF
ビーム軸上を移動させながらモニター電圧の位相の[2] 新井重昭 他, “短寿命核ビーム KEK・原研共同研究施変化を測定することで行った。この時、入力周波数
設の SCRFQ の周波数変更”, Proceedings of the 26th
はそれぞれの入力カプラにおける共振周波数である。
Linear Accelerator Meeting in Japan, P177-179,2001
URL:http://conference.kek.jp/LAM26/LAM26PDF/1P-17
測定の結果を図 5 に示す。最大値を１として規格
web.PDF化してある。MAFIA による計算結果と概ね一致して[3] 新垣良次 他, “不安定ビーム加速用 IH リニアック周波いる。内側の 2 ギャッブの電場に比べ、両脇のギャ数変更試験”, Proceedings of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, P98-100,2001
ップの電場が若干低いのは中央のドリフトチューブ
URL:http://conference.kek.jp/LAM26/LAM26PDF/3A-2w
はステムに近い為ステムとの間でキャパシタンスがeb.PDF生じ、その分内側のギャップの電場が強くなってい[4] 仁木和昭 他, ”短寿命核ビーム KEK・原研共同研究施設 で の 重 イ オ ン リ ニ ア ッ ク ビ ー ム 輸 送 系 の 設 計 ”,る為と考えられる。しかし、電場の差は±2%に収まthマッチング状態
ウィークカップリング状態
MA FIA

電場分布

1.2

1

電場

0.8

0.6

0.4

0.2

0‑300‑1500位 置 (mm)

図 5

電場分布

150300

Proceedings of the 26 Linear Accelerator Meeting inJapan,P349-351,2001,
URL:http://conference.kek.jp/LAM26/LAM26PDF/2P-39
web.PDF[5] K.Yoshida et al, “A 25.5MHz double-coaxial λ/4-resonator
as a rebuncher in heavy ion linac system”, Nucl. Instr. andMeth. A 430 (1999) 189.