Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 THOM04

SuperKEKB 陽電子ダンピングリングの入出射路コミッショニング
COMMISSIONING OF THE INJECTION AND EXTRACTION BEAM LINES OFPOSITRON DAMPING RING FOR SUPERKEKB
飯田直子 ∗ 、池田仁美、石橋拓弥、植木竜一、大西幸喜、梶裕志、紙谷琢哉、菊池光男、小磯晴代、小林鉄也、杉村仁志、杉本寛、清宮裕史、船越義裕、宮原房史、森隆志、矢野喜治、周徳民
Naoko Iida∗ , Hitomi Ikeda, Takuya Ishibashi, Ryuichi Ueki, Yukiyoshi Ohnishi, Hiroshi Kaji, Takuya Kamitani,Mitsuo Kikuchi, Haruyo Koiso, Tetsuya Kobayashi, Hitoshi Sugimura, Hiroshi Sugimoto, Yuji Seimiya,
Yoshihiro Funakoshi, Fusashi Miyahara, Takashi Mori, Yoshiharu Yano, Demin Zhou
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
Positron damping ring (DR) for SuperKEKB successfully started its operation in February 2018, and continued
until the end of Phase 2 of SuperKEKB in July without serious troubles. This paper describes current status of the beamcommissioning of the injection (LTR) and the extraction (RTL) lines between LINAC and DR. In the LTR commissioning,
the positron having high emittance, and wide energy spread should be transported and injected into the DR. In the RTL
commissioning, cares have to be taken on preservation of the low emittance beam. The observed emittance growth ofRTL was not a problem for Phase 2, but it should be resolved in the coming Phase 3.

1.

はじめにSuperKEKB 加速器（以下、SuperKEKB）は Υ(4S) を大量に作り出すことを目的とした、7 GeV の電子用リング（HER）と 4 GeV の陽電子用リング（LER）の衝突型円形加速器で、物理検出器は Belle II である。1999年から 2010 年まで稼動していた KEKB 加速器 [1] は当時の世界最高ルミノシティ、2.1×1034 m−2 s−1 を記録した。SuperKEKB はそのアップグレード版で、ピークルミノシティをさらに 40 倍に増やすために、ナノビーム方式という低エミッタンスビームの衝突方式を採用したため、入射ビームも低エミッタンスであることが要求される。また蓄積ビームが低エミッタンス、大電流であることから寿命が短いため、供給される入射ビームの電荷量も高い必要がある。

入射ビームを低エミッタンス、および高電荷量にするため、電子ビームは RF 電子銃 [2] を、陽電子ビー
ムはダンピングリング (DR) [3] とフラックスコンセ
ントレーター (FC) [4] を採用することとした。FC は陽電子ターゲット直下流に設置されたパルスソレノイドで、ターゲットから出てきた陽電子を高効率で収集するため陽電子ビームの進行方向の位相分布は広範囲にわたり、DR まで効率よくビームを輸送する工夫が必要となる [5]。SuperKEKB は目的ごとに大きく分けてフェーズ１、２、３で運転する。2016
年 2 月、Belle II の最内部検出器なし、衝突なしで約５ヶ月間の試運転（フェーズ１）[6, 7] を成功させた。その後約 1 年半さらなる改造を行い、2018 年 1
月から DR のコミッショニング、３月から 7 月まで
は Belle II の最内部検出器を一部組み込んだ衝突実験（フェーズ２）[8] を行った。SuperKEKB-LER の陽電子入射ビームへの要求パラメーターを Table 1 に示す。SuperKEKB からの要求値は、衝突性能に応じてFigure 1: LINAC consists of eight sectors from Sector A to Sector 5 starting from the electron sources. The electron andpositron beams are accelerated up to 7 GeV and 4 GeV, respectively, and are injected into HER and LER of SuperKEKB
via each beam transport line (BT). Both of the injection line for DR (LTR) and the extraction line from DR (RTL) have
two arc sections and a straight section between the arc sections.
∗ naoko.iida@kek.jp- 129 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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徐々に最終値に近づけていく。
DR は Fig. 1 に示すように、電子陽電子線形加速器（LINAC）の陽電子ターゲット下流約 120 m に設置された周長約 135.5 m のリングである。LINAC の２セクター終端から 1.1 GeV の陽電子を取り出し DR に入射、低エミッタンスとなった陽電子ビームを DRから取り出して再び LINAC の３セクター先頭に戻す。LINAC から DR への入射路を LTR、出射路を RTLと呼ぶ。FC からの巨大なエネルギー広がりのビーム
は DR のエネルギーアクセプタンスの範囲を超えているため、LTR の第１アークと下流に設置した加速管でエネルギー圧縮装置（ECS）としている。また、DR の加速周波数は SuperKEKB と同じ約 508 MHz であるが、出射されたビームを LINAC の加速周波数2856 MHz に戻すにはバンチ長が長すぎるため、RTL第２アークとその上流に設置した加速管でバンチ長圧縮装置（BCS）としている。DR 前後のビームパラメーターを Table 2 に、これらのパラメーターでシミュレーションした進行方向位相空間の粒子分布を、Fig. 2 に示す。DR の出射パラメーターは当初の設計 [3] とはエミッタンスが異なるが、RF 電圧が設計値の 1.4 MV から 1 MV に変更されたため、設計エミッタンスが 89 µm から 64.3 µm となった。Figure 2
Table 1: Required Parameters of Injection Beam forSuperKEKB-LERExtraction

Phase2Phase3–64.3< 200< 100γy [µm]3.2< 40< 15σδ [%]0.055

0.160.10

Charge [nC]

1.5

1.54.0γx [µm]

Table 2: Design Parameters of the Injection and Extraction
Beam for DR (∗ shows a full width.)ParametersECSin

γεx [µm]γεy [µm]
σz [mm]ECSout

BCSin

=DRin

=DRout

2800

64.3

2600

3.2±8∗±30∗

6.6∗∗±1.5BCSout

がバンチは圧縮されるが、21.5 MV としてさらに傾きをつけた方が（Fig. 2(b) の After BCS）
、LER への入射点でのエネルギー広がりが狭いことがシミュレーションにより明らかとなったため、21.5 MV を採用した。BCS、ECS 共に S-band の周波数よりもビームのバンチ長が長いため、Fig. 2 の “After ECS/BCS” のように S-band のサイン波が見えているが、パラメー
ター (R56 , Vc ) を Table 2 のように選ぶことによってほぼロスなくビームを輸送することができる。

2 . LTR のコミッショニング2018 年 1 月 23 日、LTR コミッショニングを開始した。最初は DR に調整していないビームが行かないように LTR 最後部にビームシャッターを挿入して調整を行い、2 日目の 24 日にはビームシャッターまでビームを導くことに成功した。当初は FC をスタンバイにして電荷量は 0.75 nC で運転した。DR はKEK の敷地境界から約 30 m と近く、FC からの巨大なビームをロスすることなしに輸送する必要がある。Figure 3 に、LTR のオプティクスを示す。LTR の第１アークの R56 とその下流の加速管の V c が ECSを構成している。コリメーターを第１アークの中、1.3σδ [%]±5R56 [m]–0.61–1.05

Vc [MV]

4121.50.055

Figure 2: Simulated distributions of longitudinal phasespace before and after ECS, and those of BCS.

0.8に示すように、LTR では FC からの陽電子はエネル
ギーテールが長いため、そのまま ECS を通すと LTRや DR 内でビームロスを起こす。ECS のアーク部には４台のコリメーターを設置し、予めエネルギーテールをカット（(a) の Before ECS で赤い部分）することでエネルギー広がりを ±5% とし、ECS 下流ではこれが ±1.5% に圧縮され DR のバケットハイト内に入る。DR から出射されたビームのバンチ長は BCS で6.6 mm から 1.3 mm に圧縮する。Vc は 18.4 MV の方

Figure 3: Optics plot of LTR. The upper graph shows thehorizontal and vertical beta functions as a blue and redlines, respectively. The lower graph shows the horizontal
dispersion. The horizontal axis shows the distance in meterfrom the end of Sector2 in LINAC.

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水平分散の大きい４箇所に設置している。
2.1

LTR の調整

Figure 4: Distributions in the longitudinal phase space ateach point as shown in the upper region. The upper figures
show the distributions of “core beam” for only LTR tuning. The small circles show the center of vacuum chambers. The lower figures show those of the operation beam.
実際に FC からのビームを調整するには、特にアーク部でビームが Fig. 2 (a) のように非対称分布のためビーム位置モニター (BPM) からの情報だけでは見誤ってしまうことになる。まず４台のコリメーターを使って調整用コアビームを作る。Figure 4 の上段のようにビームのエネルギーピークを真空チェンバーの真ん中に来るように２セクターエネルギーノブで調整し、ピーク部だけを残すようにコリメーターでカットし “コアビーム” とする。このビームを使ってECS のゼロクロスを求める。具体的には ECS 加速ス
タンバイとオンとでビームエネルギーが変わらない位相を探す。ビームエネルギーが変わらないかどうかは下流の LTR 第２アークの水平分散の大きな場所での変位がゼロであることを確認する。また、コアている。DR への入射調整もコアビームを用いて行い、一度調整したら運転用のビームで ECS 調整、DR入射調整をしてはならない。次に運転用ビームを作る。コアビームを作っていたコリメーターを一旦全開にし、LINAC でビームエネルギーをコアビームよりも 5% 上げ、再度コリメーターで −5% 以下をカットするように調整する。こうすることで、コアビームが通った軌道の周り、つまり真空チェンバーおよび進行方向位相空間の中心を運転ビームが回転しながら進むことになり、ビームロスを最小限に抑えることになる。
そ の 他 にも 基 本 的な 測 定 を行 っ た。 すな わ ち、
3-BPM、ローカル・バンプスタディ、Beam Based Alignment(BBA)、Single kick response 測定等である。
2.2

FC の効果Table 3: Measured Emittances by Wire Scanners at theStraight Section of LTR When FC is Stand-by and On
FC: Stand-by

FC: 5kVγx [µm]23502760γy [µm]23102450

Charge [nC]

0.751.5

2 月 22 日に、FC をオンにして運転した。FC の電圧を 5 kV でオンにすることで、LTR を通るビームの電荷量は 0.75 nC の約 2 倍の 1.5 nC になった。LTRの直線部に設置された４台のワイヤースキャナー [9]によって、エミッタンスを測定した結果を、Table 3に示す。FC のオン・オフで測定されたエミッタンスに有意な違いはなかった。また、FC の状態によってDR 内のロスモニター信号 [10]、および RF システムのアークセンサーには有意な違いは生じなかった。

3 . RTL のコミッショニング

Figure 5: The upper graph shows the “zero-crossing”
search by changing the energy of “core beam”. The lower
graph shows the energy acceptance of the LTR. The horizontal axis represents the energy of the core beam in arbitrary units.
ビームを使って LTR 第１アークのアクセプタンスを測定した結果を Fig. 5 に示す。第１アークのエネル
ギーの低いビームが通る場所は下図の左側に斜線で示したように、運転時にはコリメーターでカットしFigure 6: Optics plot of RTL. The notations are same asFig. 3.
2 月 8 日、DR にビームが周回すると同時に RTLに出射され、2 月 10 日には BCS 調整後のビームがLINAC 終端のビームダンプまで導かれた。DR で低- 131 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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エミッタンスになったビームは LTR の時とは異なりビームロスの心配はあまりないが、エミッタンスを低く保ったままビームを輸送しなければならない困難がある。Figure 6 に、RTL のオプティクスを示す。
RTL の直線部に設置された S-band 加速管の Vc と第２アークの R56 で BCS を構成している。

出射キッカー、出射セプタム、および DC 偏向電磁石の３種類あり、それぞれ励磁曲線が異なる。しかも出射キッカー、出射セプタムは電圧と共にファイヤーするタイミングも変わるため、水平分散測定の前に軌道のレスポンスを測定してから本測定を行った。RTL 第１アークの水平分散補正前後の測定を、Fig. 7 に示す。青の破線で囲まれた領域は設計では3.1 RTL から BT の ECS 調整
水平分散がない場所であるが、(a) では大きな分散がLTR の ECS と同様に、まず BCS 加速管をスタンバ 測定されているのに対して、(b) では設計値に近づイにして軌道補正し、加速管をオンにしても軌道が けることができた。しかし、Table 4 の補正後の水平動かない位相をゼロクロスとして設定した。その後、 分散を Table 1 の BCS 前後のエネルギー広がりを仮位相がゼロか π かを、LINAC 終端の水平分散のある 定して水平エミッタンスに換算すると、BCS 前では場所でのスクリーンモニターを見て区別した。しか ∆γεx =0.33 µm、BCS 後では ∆γεx =69.7 µm となるが、しその判定を待たずとも、逆位相の場合は LINAC ３ より詳細な検討が必要であり、今後さらに水平分散セクターから５セクターの間でビームがうまく通ら を小さくする必要がある。
ずにロスしてしまうことでも確認できる。BCS の位相を正しく設定後、３〜５セクターの加速管の位相調整を行い、最後に LINAC 終端の ECS のゼロクロス調整を行う。調整後の LINAC 終端でのエネルギー広がりはスクリーンモニターでの確認では全幅で約±0.3% となり、Table 1 の SuperKEKB-LER からの要求値を満たしている。
3.2

水平分散の補正

DR から RTL を経て、３セクターのワイヤースキャナーでエミッタンス測定を行ったが、最初に測定された水平規格化エミッタンス（γεx ）は約 300 µmと大きく、DR の設計値である 64 µm の４倍以上もあった。しかし、垂直規格化エミッタンス（γεy ）は小さく、約 2 µm であった事から、この増大は RTLの２つのアーク部で発生した水平分散の漏れが一因と考えられる。Table 4 に示すように、LTR、RTL の各アーク部で水平分散補正を行った。
Table 4: hηx i show the mean squares of horizontal dispersion at the BPM in the straight line downstream of the arc.
Those values show the measured dispersions before and after the quads are multiplied by the fudge factor.
hηx i[m]Fudge FactorArcBefore

After[%]LTR 1st0.037

0018–3.3, –2.4

RTL 2nd0.079

0.019

–4.5

RTL 1st

1.05

0.09

–8.2

Figure 7: Measured horizontal dispersions of the 1st arcin RTL. (a) and (b) show the results before and after thecorrection, respectively. In order from the top, the horizontal (blue line) and vertical (red line) beta functions, dispersions, and deviation from the design of the measured
dispersion. The blue points in the middle graph show themeasured dispersion, the blue lines show the design dispersion, and the green lines are estimated dispersion by fittingthe strength of quads in the arc to reproduce the measureddispersions.
全てのアークで水平分散を補正後、３セクターおよび５セクターのワイヤースキャナーでエミッタンス測定を行った結果を Table 5 に示す。
Table 5: Measured Emittances by the Wire Scanners at Sector 3 and 5, and the Required Parameters of Injection Beamfor Phase 2 and 3 of SuperKEKB-LER

LTR 第１アークでは２セクターのエネルギーノブを、RTL 第２アークでは BCS 加速位相をそれぞれ変える事で、アークを通るビームエネルギーを変え、アーク部およびそこを出た直線部の BPM で水平位置の変化を測定し水平分散を求めた。また、RTL 第１アークの測定でビームエネルギーを変えるにはDR の RF 周波数を変えたまま出射せねばならず、それは実際には困難であったため、その代わりに第１アークを構成する全ての電磁石の磁場の強さを一様に変化させることでビームエネルギーを変える事と同等とした。ただし第１アーク内の偏向電磁石は、Sector 3

Sector 5

Phase 2Phase 3γεx [µm]

126±8.2

189±64< 200< 100γεy [µm]

1.5±0.1

1.9±0.3

< 40

< 15

３セクターで測定された γεy と Table 1 に示す DRの設計水平エミッタンスから、DR の XY カップリ
ング (κ) を推定すると、κ ≤ 2.3±0.2% となり、十分小さな値と言える。しかし、３セクターから５セクター間で水平エミッタンスの増大が起こっている。
これについては LINAC 加速菅のトランスバース・ウェイクが原因の一つと考えられ、軌道のオフセッ- 132 -

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トによるウェイク場のキャンセル等を行う予定であ CSR については、以下の式を用いた。
る。LINAC 終端の５セクターでのエミッタンスは、
Zk
フェーズ２の要求は満たしているがフェーズ３ではZm
1 ∞dzWk (z)e−ikz=さらに小さく抑える必要があり要検討である。
Lc 0  1/3
Z0 eiπ/6
2 k
3.3 ３セクターの水平エミッタンス増大=
Γ2π 31/3
3 R2/3Figure 8: The upper graphs show the measured horizontal
emittances of the 0.7 nC beam by the wire scanners at Sector3. The horizontal axes represent the Vc of BCS, bunch
lengths, and energy spreads corresponding to the Vc , in order from the left. The lower graphs show the distribution
in the longitudinal phase space by simulations.
３セクターでのエミッタンス増大の原因を探るた
めに、FC をスタンバイにして電荷量を 0.7 nC と低くした状態で、RTL の BCS 加速位相を変えてエミッタンスを測定した。結果を Fig. 8 に示す。BCS の Vc に相当するバンチ長、およびエネルギー広がりはトラッキング・シミュレーション（図の下段）により求めた。ここで、DR の出射ビームのバンチ長は設計値の6.6 mm とした。この値は DR のストリーク・カメラによる測定値とエラーの範囲内で一致している [10]。
Vc を低くするほど水平エミッタンスが小さくなる事から、バンチ長が長くなる、またはエネルギー広がりが小さくなるとエミッタンスが小さくなるという相関がある。さらに、Vc を Off にした状態で電荷量1.5 nC でのエミッタンスを測定した結果を Table 6 にまとめる。３セクターに設置された４台のワイヤースキャナーでエミッタンスを測定した結果、電荷量が高い場合にエミッタンスが大きくなった。
Table 6: The Measured Emittances by Wire Scanners atSector 3 at a Charge Amount of 0.7 nC and 1.5 nC
Charge [nC]

Vc [MV]γεx [µm]γεy [µm]

0.7

088±7.6

1.4±0.4

1.5

0104±7.4

3.7±0.5

これらを説明する一因として、レジスティブ・ウォールおよびコヒーレント・シンクロトロン放射（CSR）について概算 [11] を行った。レジスティブ・ウォールについては以下の式を、
kZm
Z0 c/(πb2m )q=22L[1 + sgn(ω)i](1 + δ )bc σc Z0 c − ib ω + imc
m02|ω|m+1ωここで、真空の特性インピーダンス (Z0 )=377 Ω、偏向電磁石の曲率半径 (R)=3.35 m、ビームパイプの高さ(b)=21 mm、バンチ長 (σz )=1–7 mm、偏向電磁石内の軌道長 (L)=0.7938 m、電荷量は 1 nC、材質は SUS316Lとした。その結果、レジスティブ・ウォール、および CSR による水平エミッタンス増大は、それぞれ0.0012 µm、および 0.81 µm となり、Fig. 8 に表れた
Vc の変化によるエミッタンス増大の 40 µm よりもかなり小さい値となった。しかし実際の粒子分布はきれいなガウシアンの形ではなく、詳細にはトラッキング・シミュレーションが必要となる。また、3.2「水平分散の補正」で残った水平分散があるためにエネルギー広がりが大きくなるとエミッタンスが増大することに追加して、３セクターのトランスバース・ウェイクによって電荷量依存性が出てきた可能性も考えられる。さらに今後の課題として、DR でのビームサイズ測定 [10] を行い、DR での測定エミッタンスを考慮してエミッタンス増大を検討したい。

4.

まとめ

2018 年１月から開始した DR コミッショニング
は、入出射調整を含めて順調に行われ、2018 年 7 月のフェーズ２運転終了まで大きな問題なく稼働した。RTL のエミッタンス増大に関してはフェーズ２では問題にならなかったが、来たるフェーズ３の入射では早急に解決すべき事象である。

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Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka,
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ンセントレーターの開発”, Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018.
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[7] T. Kamitani et al., MOOLP02 “SuperKEKB のフェーズ
１ に お け る 入 射 器 と リ ン グ の 現 状”, Proceedings of- 133 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

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[8] Y. Ohnishi et al., WEOPL01 “SuperKEKB フ ェ ー ズ ２に お け る コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ の 成 果”, Proceedings ofthe 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018.
[9] N. Iida et al., “Recent Progress of Wire Scanner Systems
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[10] H. Ikeda et al., WEP084 “SuperKEKB Phase-II でのダンピングリングビームモニターシステムの運転”, Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator
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[11] A. Chao and M. Tigner, Handbook of Accelerator Physics
and Engineering.

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