第11回日本加速器学会年会（青森） (2014.08.11)	  SuperKEKB陽電子源の初期コミッショニング
発表者：紙谷 琢哉 (KEK)（共著者）	  明本 光生、荒川 大、荒木田 是夫、飯田 直子、池田 光、岩瀬 広、榎本 收志、大沢 哲、	  大西 幸喜、岡田 尚起、小川 雄二郎、柿原 和久、風間 慎吾、梶 裕志、片桐 広明、	  門倉 英一、菊池 光男、倉品 美帆、小磯 晴代、佐藤 政則、臧 磊、設楽 哲夫、周 翔宇、	  白川 明広、末武 聖明、杉本 寛、諏訪田 剛、高富 俊和、竹中 たてる、田中 窓香、	  多和田 正文、張 叡、中尾 克巳、中島 啓光、夏井 拓也、肥後 寿泰、福田 茂樹、	  船越 義裕、古川 和朗、本間 博幸、松下 英樹、松本 修二、松本 利広、三浦 孝子、	  三川 勝彦、道園 真一郎、三増 俊弘、宮原 房史、森 隆志、森田 昭夫、矢野 喜治、	  横山 和枝、吉田 光宏（ＫＥＫ）、佐藤 大輔（東工大）	

2

SuperKEKB 入射Linac	Photo-cathodeRF gun	

3.3 GeV
10nC x 2 (prim. e-)
5nC x 2 (inj. e-)	BunchCompressor	

S-bandlinac	

1.1 GeV
Damping Ringcirc. 136 m	
Energy-spread
Compression System	
3TRF gun	

50 Hz (e+ or e-)pulse-by-pulse
mode switching 	

PF	

2.5 GeV e0.1nC x 1	LER	

4.0 GeV e+
4nC x 2	HER	e+ target &LAS capture section	

ECS	

7.0 GeV e5nC x 2	AR

6.5 GeV e- 	SuperKEKBに向けた陽電子増強	  l 低エミッタンス化：γε	  =	  2000	  -­‐>	  92[H]/7[V]	  (µm) 	  v Damping	  ring	  の導入→Linac内陽電子生成部位置変更 	  l ビーム強度増強：Q(e+)	  =	  1	  -­‐>	  4	  (nC/bunch)	  [x	  2bunch]	  	   	  どうやって？	  
第11回日本加速器学会年会（青森）：SuperKEKB陽電子源の初期コミッショニング

紙谷 琢哉(2014.08.11)

どうすれば陽電子を増やせるか？	
n 方策その１：陽電子の生成量を増やす N(e+) ∝ N(e-)E(e-)
陽電子を作る方法：電子ビーム→ガンマ線→対生成反応u 一次電子のエネルギー⤴ 加速器長さを延長？電界高くする？費用高いu 一次電子の電荷量⤴ wakeの影響が強くなりビームをうまく運べない生成量を増やすことはあきらめる！
n 方策その２：陽電子の収集効率を上げる
陽電子を捕まえる方法：まず強いソレノイド磁場で陽電子を捕まえ
DCソレノイド磁場でビームサイズを保持しているうちに加速する（捕獲部）
3GeVの電子1個を標的に当てると平均7個の陽電子ができる
しかし捕まえられるのはたった0.1個（KEKBの場合）u エネルギーアクセプタンス

QWTからAMD（Flux Concentrator）に変更してwide-band化u 横方向位相空間アクセプタンス
捕獲部に（Large Aperture S-band加速管）を用いてaperture拡大
捕獲部の長さを２倍にして、後続へ受け渡すエネルギーを上げロス減少
後続のQマグネットの収束系もこれに見合うように磁場と台数を強化	
第11回日本加速器学会年会（青森）：SuperKEKB陽電子源の初期コミッショニング

紙谷 琢哉(2014.08.11)

3	SuperKEKB	  陽電子生成部	
生成標的から出た陽電子を強いソレノイド磁場で収束する	
primarye- beam	
positronproduction
Target	BridgeCoils	

FluxConcentrator	
e+ beam	

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紙谷 琢哉(2014.08.11)

4e+/e-­‐	  switchingのための標的&FCのoﬀset	
ブリッジコイル	 DC

横から見た図	

ビーム軸下流から	  見た図	

ソレノイド	

ビーム
スポイラー	
一次電子ビーム	

DC QM	

生成標的	標的部
直径 4.0 mm

加速管	

標的軸オフセット
3.5 mm	陽電子	

入射用
電子ビーム	
フラックス
コンセントレータ	

ビーム
透過孔	
パルス
ステアリング	

2.0 mmFC 軸オフセット
ビーム孔
直径2.0 mm
7.0 mm
FC 開口径パルスQM	

1) 入射用電子ビームはemittance増大を防ぐために中心軸上軌道を通す
標的の横に孔を空けて入射用電子ビームを通過させる
2) 陽電子は軸からoffsetした場所で生成する。一次電子ビームもoffsetして当てる。FCもoffsetする。offsetの影響で陽電子収量は20%減少する。
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Flux	  Concentrator	  (FC)	  n 外周の一次コイルにパルス電流を流して導体内に誘導電流を発生させると、磁束(flux)が開口部内に圧縮(concentrate)され強いソレノイド磁場ができる。	
SLAC-­‐type	  FC	parameters	  	length	
100	  mm	outer	  diameter	
100	  mm	
inner	  diameter	  (min.)	 7	  mm	inner	  diameter	  (max.)	 52	  mm	peak	  current	12	  kA	
pulse	  width	
6	  µs	  (half-­‐sine)	
peak	  ﬁeld	
3.5	  T	inductance	
1.0	  µH	
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紙谷 琢哉(2014.08.11)

67	陽電子生成標的	n 標的材料

タングステン 14 mm長 (= 4.0 X0)n タングステンと銅の胴体はHIP加工で接合している

標的	

ビーム通過孔	
ﬂux	  	  concentrator	
return	  yoke		  tungsten	
beam	  hole	
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標的内の熱分布	  紙谷 琢哉(2014.08.11)

陽電子捕獲部	  (e+	  capture	  sec^on)	
SLED	SLED	KLY	  1-­‐5	8	KLY	  1-­‐6	

標的+FC

LAS加速管	LAS	  14	  MV/m	  	  一旦減速	  &	  位相スリップ	  	  	  &	  加速位相に乗る	

Solenoids

LAS	  12	  MV/m	  加速	  S.	  Matsumoto,	  SAP045	  "KEK	  電子陽電子入射器の	  大口径S	  バンド加速管"	

LAS : Large Aperture
S-band 加速管
開口直径30mm：通常の	  1.5倍	DC	  solenoid	

LAS	  	  加速管	  第11回日本加速器学会年会（青森）： SuperKEKB陽電子源の初期コミッショニング

紙谷 琢哉(2014.08.11)

陽電子捕獲部@Linacトンネル	
この中にFC、標的	  ブリッジコイルが	  収められている。	

DCソレノイド	

2014年4月に陽電子捕獲部	  をビームラインの設置し、	  
5月より陽電子のコミッショニング	  を開始した。	  
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紙谷 琢哉(2014.08.11)9	電子陽電子セパレータ	
bending	  magnet	
陽電子ビーム	
二次電子ビーム	

入射電子ビーム	

二次電子ストッパーブロック	n FCの広いアクセプタンスのため捕獲部の出口まで、陽電子とほぼ等量の二次電子がやってくるn ビーム位置モニターの信号が電子と陽電子で混ざってしまい正しい情報が得られない
n 二次電子はシケイン中のストッパブロックで止め、陽電子のみ通す。
n 入射電子ビームは真ん中を通る。
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紙谷 琢哉(2014.08.11)

10	

11	

Qマグネット収束系	

64mの領域にわたって、	  加速管のレイアウトを変更し	  Qマグネットを増設して	  アクセプタンスを拡張した。	

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紙谷 琢哉(2014.08.11)

改造後初めての陽電子観測	
SuperKEKB初の	  陽電子ビーム!!	

標的直前のBPM
マイナス電荷粒子（電子）では(-)(+) の双極性信号となる。
第11回日本加速器学会年会（青森）：

捕獲部下流ビームストッパ直後BPM(+)(-) の双極性信号となっている
のでプラス電荷の粒子（陽電子）であると判断できる。

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紙谷 琢哉(2014.08.11)

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13

陽電子ビームの収量（2014年6月の最良値）	

orbit-­‐X	  [mm]	
orbit-­‐Y	  [mm]	
beam	  inten-­‐	  sity	  [nC]	

Primary	  Electron	  	  intensity	  at	  target	  Q(e-­‐)	  =	  0.60	  nC	Gun	J-­‐arc	

Q(e+)	  =	  0.18	  nC	  at	  capture-­‐sec^on	  	target	Q(e+)	  =	  0.12	  nC	  at	  DR	  entrance	

Sector-­‐2	  end	陽電子ビーム収量(Ye+)	  =	  陽電子ビーム強度(Qe+)/一次電子ビーム強度(Qe-­‐)	  	  Ye+	  =	  30%	  at	  capture部出口、Ye+	  =	  20%	  at	  damping	  ring	  への分岐点	
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紙谷 琢哉(2014.08.11)

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捕獲部RF位相に対する収量の変化	
FCの広いアクセプタンスのおかげで減速捕獲でもほぼ同じ収量が得られる。	  
減速捕獲の方が陽電子のバンチ長、エネルギー広がりが小さい。	
減速捕獲	

加速捕獲	

測定値	

simula^on	

シミュレーションに比べて絶対値には	  すこしズレがあるが位相依存性について	  はよく再現されている。	

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紙谷 琢哉(2014.08.11)

収量の各種パラメータ依存性	

Flux	  Concentrator	  	  電流値	Solenoid	  15	  電流値	Bridge	  Coil	  電流値	Unit	  15	  加速電界	

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16	まとめ	1) SuperKEKB陽電子源は2014年4月に設置された。	  	  （ビームラインの改造はすでに2013年夏より開始していた。）	  (陽電子生成標的、ビームスポイラ、Flux	  Concentrator,	  ブリッジコイル、LAS加速管[6本]、	  DCソレノイド流用[16台+新設13台]、電子陽電子セパレータ、Qマグネット[新設約90台])	  2) 陽電子ビームのコミッショニングを開始し、SuperKEKB向けの改造後としては初めての陽電子を観測した。まだ陽電子の電荷量、収量ともに低いが、さらなる性能向上が期待される。
一次電子	  [nC]	  @標的直前	

2014年6月	  達成値	設計仕様値	

0.6	

陽電子	  [nC]	  	  陽電子収量	  	  0.12	

20	  %	

@DRへの分岐点	 @DRへの分岐点	

x17	

10.0	x42	

5.0	
DR入射

x2.5	50	  %	4.0	 DR入射

主なコンポーネント	  の達成値と仕様値	
FC	  6.4kA,	  ソレノイド 370A	  Acc	  ﬁeld	  	  10,	  12	  MV/m	FC	  12kA,	  ソレノイド 650	  A	  Acc	  ﬁeld	  	  14,	  12	  MV/m	40%	3) 2014年10月〜12月：ビームコミッショニング
2015年1月〜3月 ：改造工事、 4月〜6月：ビームコミッショニング
2015年7月〜9月 ：改造工事、 10月〜 ：LER入射開始
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