Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

ANALYSIS ON X-BAND STRUCTURE BREAKDOWN AT GLCTA
T.Suehara1,A), T.SanukiA), S.KomamiyaA), T.HigoB), H.HayanoB), N.TerunumaB) , T.SaekiB) ,K.WatanabeC), A.HayakawaD) , Y.TsukadaD)
A)
Dept. of Physics , Graduate School of Science, The University of Tokyo
7-3-1 Hongo, Bunkyo, Tokyo, 133-0033
B)
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801C)
Course of Applied Physics, Division of Engineering, Tohoku Gakuin University
1-13-1 Chuo, Tagajo, Miyagi, 985-8537
D)
Kanto Information Service
8-21 Bunkyo-cho, Tsuchiura, Ibaraki, 300-0045
Abstract
We have built a new monitoring system for accelerator structure breakdowns in the X-band high-gradient test facility
at KEK (GLCTA : Global Linear Collider Test Accelerator). An X-band test structure KX01 (made by KEK) has beenprocessed at GLCTA and we have been collecting data for about 3 months using this breakdown monitoring system.
We describe overview of the monitoring system and preliminary result of breakdown analysis of the structure.

ＧＬＣＴＡにおけるＸバンド加速管放電現象の解析
１．背景と目的
1.1 GLCとGLCTAれ、放電を抑えるためにはなお技術的な課題が多い。
1.3 放電検出の概要

放電の少ない加速管を製作するためには、加速管GLC(Global Linear Collider)2,[1] は、重心系エネルの放電現象を解明し、加速管での実際の放電頻度、ギー1TeVを目指して計画が進められている、次世放電位置、強度など、放電の特性をできるだけ詳細
代電子陽電子衝突型線形加速器である。GLCの主線に知り、解析することが必要である。
形加速器部においては、TeV領域への加速に必要な
GLCTAでは、現在、RF・X線・音響の３種類の高 い 電 場 勾 配 (>50MV/m) を 得 る た め 、 X-band
放電センサーを加速管周辺に設置している。また新(11.424GHz)を加速に用いることが計画されている。 規に開発した放電モニタシステムを用いて、ソフトGLCTA[2,3] は、X-band加速技術の確立・検証のたウェアによるオンライン放電検出を行うとともに、めKEKに設置された高電界試験装置である。現在ク測定データを統合、記録している。本稿では、このライストロン２基の出力を合成し、導波管(WR90)放電検出器・モニタシステムの概要と、放電データを通して加速管へ高周波電力(パルス幅最大600ns、解析の現状を報告する。
パワー最大60MW程度、くり返し最大50Hz)を供給
し て い る 。 2004 年 4 月 よ り KEK 製 KX01 加 速 管 のProcessing及び高電界試験を行っている。[4]1.2 加速管の放電現象
高電場による加速管の放電(RF Breakdown)をいかに防ぐかは、加速管開発の最重要のテーマである。
加速管内での放電はビームロスを引き起こし、また加速管自体にもダメージを与える。
GLCの電場勾配は現存の加速器の２倍近くに達するため、放電頻度を実用レベルに抑えるためには、設計・製作上極めて高い技術が必要となる。
X-band加速管は従来型(S-band:2.856GHz)より高い電場勾配に耐えると考えられている[5]が、空洞サイズが従来の1/4となるためより精密な加工も要求さ
1E-mail: suehara@icepp.s.u-tokyo.ac.jp

2

http://lcdev.kek.jp/

図１:放電モニタシステム概念図
RF、X線、音響の各検出器の信号をCAMAC、VME、オシロスコープに分けてデータ取り込み、放電検出・記録を行う。

335

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)ている。GLCTAの現在のセットアップでは100Hzまでの運転が想定されており、1パルスの処理時間は10ms以内に抑える必要がある。このため、CAMAC
2.1 入出力・反射RFのパワー・位相検出のクレートコントローラにはPC一体型のCC/NET3を加速管で放電が起きると、RFが正常に伝播しな用い、また特に取得に時間のかかるRF波形のFlashくなるため、加速管からの出力RFパワーが減少し、 ADC(500MHz, 8192pts/ch)からの入力に、入力点数反射RFパワーが増大する現象が見られる。この入を減らす(現在は1000pts)細工を施し、DAQの高速化
出力・反射のRFパワーをモニタすることで、放電を図っている。現在1パルスあたり8ms程度での処理を検知することができる。また、RFパワーの変化を達成している。
した(パルス内での)時間および反射RFの位相を調べVME、オシロスコープのデータは放電検出後にることで、放電位置等の特性評価にも役立つ。
PCのメモリ内に蓄えられたCAMACからのデータとこれらのRF測定には、加速管の上流、下流の導ともに収集・保存される。放電の予兆等を調べるた
波管に設置された方向性結合器(Directional Coupler)
め、CAMACのRF波形とオシロスコープは500パルを用いる。方向性結合器は、ある方向に進むRFのス分、VMEの音響データは3パルス分、放電前にさ出力を選択的に取り出す器具である。方向性結合器
かのぼって保存が可能となっている。X線はデータの出力を分岐してパワーと位相に分解し、CAMAC量が小さいため全パルス分保存している。の500MHzフラッシュADCおよび500MHz帯域,1GS/s
保存されたデータはroot4で解析可能な形式になっのオシロスコープに入力して波形を測定している。ており、また専用のイベントディスプレイおよび現在監視しているRFは、RF源から加速管への入ASCIIデータでの解析も可能である。
力、加速管から下流への出力、加速管から上流への3.2 放電検出
反射の対称成分、反対称成分の４種類である。

２．放電検出器

2.2 放電X線検出
加速管の放電時には、加速管から大量のX線が放出される。これは、放電時に加速管内で生成するプラズマ状の電子が加速管の壁に衝突するときに発生すると考えられている。
これを検出するため、鉛でコリメートした直径3cmのシンチレータに光電子増倍管が接着されたものを加速管の周囲に10基設置し、CAMACのADCおよびTDCでデータ収集を行っている。X線の強度および入射時間のチャンネルごとの違いから、放電位置や強度の特定が可能である。

現在の放電検出は、RF波形およびX線のデータを用いて行われているが、そのパラメータは入力RFのパワー、パルス幅などによって変える必要があるため、ネットワークとGUIを通じて動的に変更が可能になっている。
現在設定が可能なのは、RF波形の各チャンネルに対し、ピーク強度、指定範囲の積分強度および、それらの１つ前のパルスに対する比に対して、上限・下限を設定して範囲外なら放電とみなす検出方法である。X線に関しては、一つ前のパルスとの差が一定値以上なら放電とみなす設定になっている。

2.3 音響検出
圧電素子を用いた直径1cm程度の超音波音響センサーを加速管に直接貼り付けており、これにより放電に伴う加速管の振動を直接検出している。[6]現在、この音響センサーは原則として加速管のセルごとに一つ、入出力ポートも含め、計64チャンネ
ルが設置されており、放電位置をかなり正確に調べることができると考えられる。信号波形の記録は、VMEの20MHzデジタイザにより行っている。

図２：放電検出パラメータ設定画面（一部）Rangeで指定された時間範囲を積分し、１つ前のパルスとの比が、Lower/Upper Limit(%)で設定される範囲外ならば放電とみなす。

４．放電データ解析の現状
３．放電モニタシステム
4.1 放電イベントの分類
3.1 データ収集(DAQ)・制御
放電モニタシステムは、主にDAQ、放電検出、RF/トリガ制御、データ保存の４つの機能を持つ。
DAQは、パルス毎にデータを収集するものと放電検出後にハードウェア内に蓄えられたデータを取得するものの二種類ある。放電検出はパルス毎に収集されたデータを用いて行い、放電が検出されると、測定トリガ・RF出力を止め、データを保存する。
パルス毎のデータ収集・制御にはCAMACを用い放電モニタシステムにより検出された放電イベン
トの中には、加速管以外のRFコンポーネント(導波管、クライストロン等)で起きた放電等も含まれる。
これらのイベントを分離するには、１つは加速管での放電では入力RF波形に乱れが少ないことを利用できる。ただ導波管と加速管での同時放電等も考えられ、他の基準との複合的な判定が必要である。
34336

http://www-online.kek.jp/~inoue/Parallel-CAMAC/
http://root.cern.ch/Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)
Breakdown around input coupler : 2004/6/30 9:54:05

100InputTransmit
Reflection

5000200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Relative Timing [ns]

-1500

1000

4000

-1600

900

-1700

800

3500
3000
2500
2000
1500
1000
500

-1800
-1900
-2000
-2100
-2200
-2300

10203040

Detector Position [cm]50-2500
060

10203040

Detector Position [cm]505000200400

600

2500
2000
1500
1000
500

-1300
-1400
-1500
-1600
-1700
-1800

10203040

Detector Position [cm]5060-2000
05000200

400600800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Relative Timing [ns]RF power

Relative TDC Count (a.u.)

Input
Transmit
Reflection

Relative ADC Count (a.u.)

Flash ADC Count (a.u.)

100

3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0-500
010203040

Detector Position [cm]50203040

Detector Position [cm]5060506020304050602030405060600
500
400
300

10010000900
800-200-300-400-500-600-700

X-ray charge

40700-100-900
03010060

Detector Position (Cell #)

700
600
500
400
300
200-8001020

Detector Position (Cell #)

200

-1900

4000

150

10800

3000

4500

200

0900-1200

3500

Breakdown at waveguide : 2004/7/2 10:38:15
250

101000-500
0Relative Timing [ns]0-11000800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

300

-1000

Acoustic Power (a.u.)

Input
Transmit
Reflection

400

4000

Acoustic Power (a.u.)

100

500

4500

Relative TDC Count (a.u.)

150

Relative ADC Count (a.u.)

Flash ADC Count (a.u.)

200

600

10060

Breakdown around output coupler : 2004/7/1 18:41:53
250

700200-24000-5000

Acoustic Power (a.u.)

1504500

Relative TDC Count (a.u.)

200

Relative ADC Count (a.u.)

Flash ADC Count (a.u.)

25010203040

Detector Position [cm]X-ray timing

5060

100010Detector Position (Cell #)Acoustic power
図３：典型的な放電イベント
Input port周辺の放電(上段)ではOutput port周辺(中段)に比べRF反射の応答が早く、音響信号もInput port側に集中している。下段は導波管での放電で、入力RFに乱れが現れ、X線、音響検出器は反応していない。

ソフトウェアによるイベントの自動分類は開発中であり、現在はイベントディスプレイを用いて手動で分類を行っている。
4.2 加速管の放電頻度る。今後データを蓄積していく中で、各種パラメータの依存性などを解明し、精度の高い放電位置、時間、強度の検知を目指す。
また、加速管の放電特性の運転による変化を調べるとともに、放電の時間的な局在、放電の予兆等についても解析を行い、加速器の運転技術等に対する研究も進める予定である。

放電頻度は、加速管の性能を決める重要な指標だ
が、放電の定義や運転による特性変化(プロセシング・長期運転による劣化)等の影響が大きく、検出
６．謝辞
された放電回数のみから単純に評価はできない。
現在、今までの運転で得られたデータを元に、放音響検出器は、センサー、VMEモジュールとも電頻度の経時変化、入力パワー等に対する依存性等、 SLACにて開発されたものを提供していただきまし解析が進められている。
た。SLAC/NLCTAグループの協力に感謝します。
4.3 放電位置、時間の特定

参考文献

放電位置、時間は、RF波形、X線、音響の各検出器で独立に行うことができる。図３に示したように、 [1] ACFA,JHEPC,KEK “GLC Project Report”, URL:
http://lcdev.kek.jp/ProjReport/
大まかな放電位置については、各検出器で一貫した[2] 肥後寿泰 et al., “GLC XバンドRFシステム開発の現状”,
結果を得られるものの、詳細な放電位置については、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in
放電のメカニズムが完全に理解されていないこともJapan, URL: http://lam28.tokai.jaeri.go.jp/
あり、データを蓄積し、解析方法を確立していく必[3] 浦川順治, “ATF/GLC開発 , Proceedings of the 14th
要がある。
Symposium on Accelerator Science and Technology,

５．今後の予定
検出器については、X線センサー、音響センサーともに、正確な校正を行い、チャンネル毎の感度の違いを補正する必要がある。また、ビームラインの電流モニタ等の新たな検出器の設置も検討する。
放電特性の統計的な解析方法はまだ開発途上であTsukuba, Japan, URL: http://conference.kek.jp/sast03/[4] K.Watanabe et al., “X-band Accelerating Structure High
Gredient Test at GLCTA”, This proceedings[5] P.B.Wilson, “Linear Accelerators for TeV Colliders”,
SLAC-PUB3674,URL: http://www.slac.stanford.edu/pubs/[6] J.Nelson et al., “Use of Acoustic Emission to Diagnose
Breakdown in Accelerator RF Structures”, Proceedings ofthe 2003 Particle Accelerator Conference URL:
http://epaper.kek.jp/jacow/proceedings.htm

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