Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP007

SuperKEKB 入射器コミッショニングの現状 (II)PRESENT STATUS OF SUPERKEKB INJECTOR LINAC COMMISSIONING (II)
佐藤政則#, A, B), 明本光生 A, B), 荒川大 A), 荒木田是夫 A, B), 飯田直子 A, B), 池田光男 A), 岩瀬広 B, C), 榎本收志 A),
榎本嘉範 A, B), 大沢哲 A, B), 大西幸喜 A, B), 小川雄二郎 A, B), 柿原和久 A), 風間慎吾 A), 梶裕志 A, B), 片桐広明 A),
紙谷琢哉 A, B), 菊池光男 A, B), 小磯晴代 A, B), 佐藤大輔 D), 設楽哲夫 E), 周翔宇 A, B), 白川明広 A), 末武聖明 A),
杉本寛 A, B), 諏訪田剛 A, B), 清宮裕史 A), 田中窓香 A), 多和田正文 A, B), 張叡 A), 峠暢一 A, B), 中尾克巳 A), 中島啓光 A), 夏井拓也 A, B), 肥後寿泰 A, B), 福田茂樹 A), 船越義裕 A, B), 古川和朗 A, B), 本間博幸 A), 松下英樹 A), 松本修二 A, B), 松本利広 A, B), 三浦孝子 A, B), 三川勝彦 A), 道園真一郎 A, B), 三増俊弘 A, B), 宮原房史 A, B), 森隆志A, B), 森田昭夫 A, B), 矢野喜治 A, B), 横山和枝 A, B), 吉田光宏 A, B)
Masanori Satoh #, A, B), Mitsuo AkemotoA, B), Dai ArakawaA), Yoshio ArakidaA, B), Naoko IidaA, B), Mitsuo IkedaA),Hiroshi IwaseB, C), Atsushi EnomotoA), Yoshinori EnomotoA, B), Satoshi OhsawaA), Yukiyoshi OhnishiA, B), Yujiro
OgawaA, B), Kazuhisa KakiharaA), Shingo KazamaA), Hiroshi KajiA, B), Hiroaki KatagiriA), Takuya KamitaniA, B), Mitsuo
KikuchiA, B), Haruyo KoisoA, B), Daisuke SatohD), Tetsuo ShidaraE), Xiangyu ZhouA, B), Akihiro ShirakawaA), Masaaki
SuetakeA), Hiroshi SugimotoA, B), Tsuyoshi SuwadaA, B), Yuji SeimiyaA), Madoka TanakaA), Masafumi TawadaA, B), RuiZhangA), Nobu TogeA, B), Katsumi NakaoA), Hiromitsu NakajimaA), Takuya NatsuiA, B), Toshiyasu HigoA, B), ShigekiFukudaA), Yoshihiro FunakoshiA, B), Kazuro FurukawaA, B), Hiroyuki HonmaA), Hideki MatsushitaA), Shuji MatsumotoA,B), Toshihiro MatsumotoA, B), Takako MiuraA, B), Katsuhiko MikawaA), Shinichiro MichizonoA, B), Fusashi MiyaharaA, B),
Takashi MoriA, B), Akio MoritaA, B), Yoshiharu YanoA, B), Kazue YokoyamaA, B), and Mitsuhiro YoshidaA)
A)
Accelerator Laboratory, KEKB)
Department of Accelerator Science, SOKENDAI,C)
Radiation Science Center, KEKD)TITECHE)
Research Administration Department, KEK

Abstract
The SuperKEKB main ring is currently being constructed for aiming at the peak luminosity of 8 x 1035 cm-2s-1. The
electron/positron injector linac upgrade is also going on for increasing the intensity of bunch charge with keeping thesmall emittance. The key upgrade issues are the construction of positron damping ring, a new positron capture system,
and a low emittance photo-cathode rf electron source. The injector linac beam commissioning started in the October of2013. In this paper, we report the present status and future plan of SuperKEKB injector commissioning.に向けた建設を進めてきた。
Figure 1 に、SuperKEKB 入射器のレイアウトを示す。また、Table1 に主要パラメタを列挙した。
KEKB リングは、設計値を大幅に上回るピークル[2]SuperKEKB
計画に向けた入射器アップグレードの34-2 -1
ミノシティーである、2.1x10 cm s を達成した。ま要は、低エミッタンスかつ大強度バンチビームの実-1た、到達積分ルミノシティーは 1 ab を超え、2010
年 6 月、成功裏に終了した[1]。KEKB 運転時、入射 現である。陽電子ビーム強度増強のためには、フ10 本の大口径 S バ器は、異なるエネルギーおよびバンチ電荷量の電子、 ラックスコンセントレータおよび[3, 4, 5]
ンド加速管を開発し、設置した。低エミッタン陽電子ビームを 4 つのリング（KEKB 電子・陽電子、ス電子源として、光陰極RF電子銃を開発し，2013
PF、PF-AR）に供給し続けてきた。2008 年 10 月、[6]
VME を基盤としたイベントタイミングシステムを導 年に設置した 。本電子銃は、擬似進行波型と呼ば入し、PF-AR を除く 3 リングへの同時トップアップ れる新奇な設計に基づく斬新なものであり、光陰極1.

はじめに入射を実現した。それにより、当初 50%程度であった蓄積電流値安定度は、KEKB および PF リングにおいて、それぞれ、0.05%および 0.01%にまで向上した。
両リングにおける物理実験の効率を、飛躍的に向上させることに成功した。KEKB 運転終了後、約 40 倍のピークルミノシティーを目指した SuperKEKB 計画

J-ARC

Figure 1: Layout of SuperKEKB injector linac.

___________________________________________# masanori.satoh@kek.jp- 920 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2015 THP007として Ir5Ce を採用している。また、要求される電子ビームのエネルギー広がりは 0.1%以下であり、時間方向レーザー波形成形によるエネルギー広がり補正を計画している[7, 8, 9, 10]。
Table 1: Main Parameters of SuperKEKB Injector
Linac
KEKB

SuperKEKB

e-e+e-e+Beam energy (GeV)

83.5

74Bunch charge (nC)

11 (10*)54 (10*)Normalized verticalemittance(mm⋅mrad)

31014002020Normalized
horizontal emittance(mm⋅mrad)

310

1400

50100

Energy spread (%)

0.05

0.125

0.10.3

Bunch length (mm)

1.3

2.6

1.3

0.7

# of bunch withinterval of 96 ns2Maximum beam
repetition (Hz)50

子銃用のレーザーや、新規設置機器の調整運転を集中的におこなった。
Figure 2 に、コミッショニング期間中におけるバンチ電荷量の履歴を示す。バンチ電荷量は、四電極ストリップライン型ビーム位置モニタ（BPM）を用いて測定した。SP_A1_C5 は、一番目の BPM により得られたバンチ電荷量を示している。SP_B7_4 およびSP_R0_63 は、それぞれ、B セクタ終端および J-ARC出口におけるバンチ電荷量を示している。SP_58_0は、入射器終端でのバンチ電荷量を表している。これまでのビームコミッショニングでは、電子銃直後および入射器終端位置において、それぞれ、5.6 nCおよび 0.75 nC のピークバンチ電荷量を達成した。
KEKB 運転時のバンチ電荷量安定性は約 2.5%であったが、本 RF 電子銃においては、典型的な場合、10%程度の変動が見られた。これは、主にレーザーの安定性に起因するものと考えられるが、今後の改善が必要である。SuperKEKB Phase III 運転において要求されるバンチ電荷量は約 5 nC であるが、主に真空焼き出しや機器チェックのためにおこなわれる Phase I運転においては、1 nC 程度のバンチ電荷量で満足できる。そのため、今秋開始予定の次期コミッショニングでは、1 nC 程度の安定なビーム開発に集中する予定である。
2.2

バンチ圧縮

RF 電子銃を用いた場合のビームバンチ長は、30ps程度に調整されている。その後、入射部に新規建: Primary electron beam for positron production.
設したシケインを用いて、10 ps 程度のバンチ長に圧縮する。Figure 3 (a)および(b)に、入射部シケインに2. ビームコミッショニング
おけるバンチ圧縮前後でのバンチ長測定結果を示す。
バンチ長の測定には、ストリークカメラを用いた。
2.1 概要圧縮前のバンチ長である 30 ps は、別途測定した RF2013 年 10 月、SuperKEKB 主リング入射に向けて、 電 子 銃 用 レ ー ザ ー の パ ル ス 長 と ほ ぼ 一 致 す る 。
新規開発の RF 電子銃を用いたビームコミッショニングを開始した。コミッショニング開始当初、RF 電*(a) Before bunch compression.

Figure 2: Bunch charge history at the several
locations of SuperKEKB injector linac.
SP_A1_C5, SP_B7_4, SP_R0_63, and SP_58_0
are the bunch charges measured at the rf electron
gun exit, end of Sector B, exit of J-ARC, and theend of linac, respectively.

(b) After bunch compression.
Figure 3: Bunch length measured by a streak camera
before (a) and after (b) bunch compression at thechicane of injector section.

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2.3

低エミッタンス保存

SuperKEKB において、最終的に要求されるバンチ
電荷量は電子および陽電子ビームについて、それぞれ、5 nC および 4 nC である。とりわけ電子ビームは、ダンピングリングを用いない運転をおこなうため、入射ビームの低エミッタンス保存が最重要課題である。これに向けた計算機シミュレーションは、SAD および Elegant コードを用いて精力的におこなっている [11, 12]。Table 1 にあるとおり、垂直方向の要求エミッタンスは 20 mm⋅mrad である。低エミッタンスビームの輸送には、四極電磁石および加速管のアライメントが重要である。機器アライメントの目標精度は、加速管架台長に対応する約 10 m の短距離区間においては 0.1 mm 以下であり、入射器全体では 0.3 mm 以下である。これらの値は、これまでの機器アライメントにおいて、概ね達成されている[13]。
エミッタンス増大の計算機シミュレーション結果によると、機器アライメントの目標精度を達成した場
合、入射器終端における目標エミッタンスの実現は可能である。しかしながら、高精度なビーム軌道制御が必要であるため、BPM データ収集系の改善が必要となる。その目的のため、VME モジュールを用いた信号処理回路を新規開発し、今秋より順次設置予定である[14]。本システムを用いたビーム試験をおこない、ビーム位置の読み出し精度を評価した。その結果、オシロスコープを基盤とした現システムの 25μm から 6 μm にまで改善されることが確認できた。
Figure 4 は、異なるビーム軌道に対するエミッタン
Horizontal steering scan nominal: 0.9 (A)βγεx200120401008030602040

1237060504030100012345

Bunch charge (nC)

Figure 5: Emittance measurement results at the injector
section by using the quadrupole scan method.

4Wire scanner (Sector B)βγεxβγεy250

10200βγεy20βγε (mm.mrad)

βγεx (mm⋅mrad)50-1βγεx80300
βγεy (mm⋅mrad)

140-2

Quad scan (Gun)90601600-310070βγεy180スの変化を測定したものである。エミッタンスは、B セクタに設置されているワイヤスキャナで測定した。本図で、黒点および赤点は、それぞれ、水平方向および垂直方向のエミッタンスを示している。横軸は、変化させた水平方向ステアリング電磁石への励磁電流値を示している。垂直方向ステアリングを変化させた測定もおこない、同様な結果を得ている。
これらの結果より、ビーム軌道を変化させることによるエミッタンス増大の抑制の実現可能性が、実験的に示されたことになる。
Figures 5 および 6 は、それぞれ、電子銃直後および B セクタ終端でのエミッタンス測定結果を示している。電子銃直後でのエミッタンスは、スクリーンモニタによる Q スキャン法を用いて測定した。一方、B セクタ終端でのエミッタンスは、ワイヤスキャナを用いて測定した。B セクタでのエミッタンスは、概ね電子銃直後のそれと比較して大きな値を示している。ワイヤスキャナによる測定は、ビームパルスごとの位置変動を含んだものになるため、シングルショットにおける固有エミッタンスよりも大きな値を示している。今後は、入射器終端でのエミッタンス保存に先立ち、B セクタ終端でのエミッタンス保存技術の確立を目指す。また、Q スキャン法における測定時間の短縮化に関しても改善を図る予定である。

βγε (mm.mrad)

Figure 3 (b)のバンチ長圧縮度は、シケインの偏向電磁石磁場およびエネルギー広がりを最適化して得られたものである。これらの調整より、入射部シケインでのバンチ圧縮は、計算機シミュレーション通りの満足する結果が得られた。さらに、J-ARC 部でのバンチ圧縮も計画しており、これにより C セクタから 5 セクタ間で生じるエミッタンス増大を抑制する計画である。今後は、ビームによる実証実験をおこなう予定である。

20015010050

000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

SX_A4_1 (A)Figure 4: Results of emittance preservation study at theend of Sector B. The black and red filled circles mean
the horizontal and vertical emittances, respectively.

Bunch charge (nC)

Figure 6: Emittance measurement results at the end ofSector B by using the multiple wire scanners.

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2.4

陽電子ビームコミッショニング

2014 年 6 月に、フラックスコンセントレータ、大口径 S バンドの加速管を用いた新陽電子生成ラインを用いて、初めての陽電子ビームを観測した。本観測では、0.6 nC の一次電子ビームバンチ電荷量に対し、0.18 nC の陽電子バンチ電荷量が得られた。また、フラックスコンセントレータは運転値の約半分である 6.4 kA で運転していた。また、収束用ソレノイドコイルなども、電源容量および冷却水量不足のため最大値では運転していなかった。
陽電子収量のフラックスコンセントレータ磁場依存性を始めとして、陽電子ビームのコミッショニングを進めていた。しかしながら、その後、二度のケーブル焼損トラブルに見舞われたため、対策に追われることとなり、十分なコミッショニング時間が確保できなかった。陽電子ビームラインの電源容量および冷却水増強工事は既に完了したため、今秋からの次期運転では、フラックスコンセントレータおよび収束用ソレノイドを最大磁場値にて運転し、陽電子ビームコミッショニングを進める予定である。

3.

Figure 9: Optics design of SectorA for the thermionicelectron gun. Square root of beta function, dispersionfunction, beam size, and energy profile are shown from
top to bottom. Horizontal and vertical values areindicated by the blue and red colored solid lines,respectively.

熱電子銃ビームライン2016 年 2 月に開始予定の SuperKEKB Phase I 運転
では、1 nC の陽電子ビームが要求されている。そのためには、陽電子生成用に大バンチ電荷量の電子ビームを安定供給することが重要である。しかしながら、RF 電子銃からのバンチ電荷量は、最大 5 nC程度であった。Phase I での陽電子ビーム入射に万全を期すため、KEKB 入射に使用していた熱電子銃を再び使用することとした。熱電子銃の再利用は本年初頭に急遽決定し、短期間でのビームライン設計を余儀なくされた。また、電磁石を始めとした機器類にはなるべく予備品を活用し、工期短縮およびコスFigure 7: Layout of the new thermionic electron gunbeamline. The existing beam line is kept for the rf
electron gun. The bunching section of thermionicelectron gun is constructed at the beam line height of1950 mm from the floor though the height of original
beam line is 1200 mm from the floor.

Figure 8: Photograph of the new thermionic electron
gun beam line.

Figure 10: Bunch charge history by using thethermionic electron source. SP_AT_0, SP_B7_4,SP_R0_63, SP_58_4, and SP_61_D2 are the bunchcharges measured at the thermionic electron gun exit,
end of Sector B, exit of J-ARC, end of linac, and thebeam dump at linac end, respectively.
ト削減に努めた。
Figure 7 に、熱電子銃ビームラインのレイアウトを示す。また、Figure 8 にビーラインの写真を示す。
バンチング部および 2 本の加速管は、既存 RF 電子銃ビームラインの 750 mm 上部に構築した。その後、垂直偏向電磁石 2 台により、RF 電子銃ビームラインと合流させる設計となっている。RF 電子銃からの低エミッタンスビームを利用するため、そのような設計方針を採用した。ビームライン建設工事は、既設ラインの解体に始まり、本年 2 月から 5 月末までの4 ヶ月間にわたった。6 月上旬に RF コンディショニングを開始し、7 月 3 日までの約 1 ヶ月間は、熱電子銃を用いたビームコミッショニングを集中的にお- 923 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2015 THP007[1] Mitsuo Akemoto, et al., “The KEKB injector linac”,
こなった。
Prog. Theor. Exp. Phys. (2013) 03A002.
Figure 9 に、熱電子銃ビームラインのオプティクス設計値を示す。本図は、電子銃から A セクタ終端 [2] T. Miura, et al., “Progress of SuperKEKB”, TUYB1,までのベータ関数、分散関数、ビームサイズ、およin Proceedings of IPAC’15, Richmond, VA, USAびエネルギーをプロットしたものである。水平およ(2015).
び垂直方向の値は、それぞれ、青線および赤線で示している。合流部では垂直方向に分散が生じるが、 [3] S. Matsumoto, et al., "LARGE-APERTURE
TRAVELLING-WAVE
ACCELERATOR
既設ビームラインとの合流後には分散が閉じるよう
STRUCTURE FOR POSITRON CAPTURE OFに設計している。合流部でのビームサイズは 4 mm
SuperKEKB INJECTOR LINAC", in Proceedings of以下であり、真空ダクトの内径がΦ40 mm であるこIPAC2014, Dresden, Germany, May 15–20, pp.3872とを考慮しても、深刻なビームロスはないものと考3874 (2014).
えられる。
Figure 10 は、熱電子銃コミッショニング期間中に [4] T. Kamitani, et al., "SuperKEKB POSITRONSOURCECONSTRUCTIONSTATUS",inおけるバンチ電荷量の履歴を示している。SP_AT_0、Proceedings of IPAC2014, Dresden, Germany, May
SP_B7_4、 SP_R0_63、SP_58_4、および SP_61_D2
15–20, pp.579-581 (2014).
は、それぞれ、熱電子銃直後、B セクタ終端、JARC 出口、入射器終端、および入射器終端ビームダ [5] T. Kamitani, "Present status of SuperKEKB positron
ンプでのバンチ電荷量を示している。プレバンチャ、source", in these proceedings.
バンチャ、および 2 台のサブハーモニックバンチャ
を精密に調整し、バンチング部下流での電荷量は 7 [6] T. Natsui, et al., "Quasi-Traveling Wave RF Gun andBeam Commissioning for SuperKEKB", TUPJE003,
nC を達成した。
in Proceedings of IPAC’15, Richmond, VA, USA
合流部での垂直方向ビームエミッタンスは、当初、(2015).
200 mm⋅mrad を超える値であったが、その後、垂直方向の分散を閉じるよう、適切な調整をおこなった。 [7] R. Zhang, et al., "Improvements of the Laser System
その結果、水平および垂直エミッタンスともに、
for RF-Gun at SuperKEKB Injector", TUPWA071,
100 mm⋅mrad 程度の値を達成することができた。約ibidem.
1 ヶ月間という比較的短い期間の間に、機器の立ち [8] R. Zhang, et al., "25 Hz, Sub-mJ Ytterbium Laser
Source of RF Gun for SuperKEKB Linac",上げおよび基礎的なビーム調整を終えることができ
WEPMA044, ibidem.
た。ビーム運転終盤には、陽電子生成標的部の放射線施設検査を受け、無事に合格した。これにより、 [9] T. Natsui, et al., “COMMISSIONING OF RF GUNFOR SUPERKEKB”, in these proceedings.
標的部でのビーム電流値は、200 nA まで出力可能となった。今後、さらに標的部の放射線シールドを強 [10] R. Zhang, et al., “IMPROVEMENTS OF THE
LASER SYSTEM FOR RF-GUN AT SUPERKEKB化し、1250 nA まで段階的なビーム電流値の増強を
INJECTOR”, in these proceedings.
計画している。
[11] S. Kazama, et al., “Emittance Preservation inSuperKEKB Injector”, MOPWA053, in Proceedings
4. まとめと今後の課題of IPAC’15.
現在、SuperKEKB 主リング運転に向けて、入射器 [12] S. Kazama, et al., “EMITTANCE PRESERVATION
ビームコミッショニングを精力的に進めている。すIN SUPERKEKB INJECTOR”, in these proceedings.
でに、新規開発の低エミッタンス RF 電子銃から 5 [13] S. Ushimoto, et al., "STATUS OF ALIGNMENT OFnC のバンチ電荷量を達成した。また、入射部シケイ
KEK LINAC FOR SuperKEKB (2)", in theseンにおいて、30 ps から 10 ps までのバンチ圧縮に成proceedings.
功した。現在、短期間ならびに長期間におけるビー [14] R. Ichimiya, et al., “DEVELOPMENT OF HIGHPRECISION BEAM POSITION MONITOR
ム安定性の実現が重要課題であり、精力的に取り組
READOUTSYSTEM
WITH
NARROWんでいる。とりわけ、ビーム軌道の精密制御およびBANDPASS FILTERS FOR THE KEKB INJECTOR
維持は、入射器終端でのエミッタンス保存のために
LINAC TOWARDS THE SUPERKEKB”, in不可欠である。今秋からの次期コミッショニングでProceedings of IBIC2013, Shanghai, China,
は、新 BPM データ収集系[14]、新イベントタイミン
September 16-19, pp.698-701 (2013).
グシステム[15]、高速 RF モニタ[16]など、新たなハードウェアの導入も計画している。今後は、2016 年 2 [15] H. Kaji, et al., “INSTALLATION AND
COMMISSIONING OF NEW EVENT TIMING
月に開始予定の主リング運転開始に向けて、効率的SYSTEM FOR SUPERKEKB”, in these proceedings.
なビームコミッショニングを進めていきたい。また、[16] H. Katagiri, et al., “PRESENT STATUS OF RF
入射器施設全般の現状については、施設報告を参照
MONITORSYSTEM
FOR
SUPERKEKB
されたい[17]。
INJECTOR LINAC”, in these proceedings.
[17] X. Zhou, et al., “PRESENT STATUS OF THE KEK
参考文献
ELECTRON/POSITRON INJECTOR LINAC”, inthese proceedings.

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