第19回日本加速器学会年会(2022)

加速器技術（加速構造）FROA11

ミューオン線形加速器
APF方式IH-DTLプロトタイプの大電力試験
AIbaraki Univ.

Y. NakazawaA (D3)B NIRS, CKEK, DJAEA, E Nagoya Univ., F Kyushu Univ., GTokyo Tech, HUniv. of Tokyo

H. IinumaA, Y. IwataB, E. CicekC, H. EgoC, M. OtaniC, N. KawamuraC, R. KitamuraD,Y. KondoD, N. SaitoC, Y. SueE, K. SumiE, Y. TakeuchiF,N. HayashizakiG, T. MibeC, T. MorishitaD, T. YamazakiC, M. YoshidaC , M. YotsuzukaE, H. EgoC, K. FutatsukawaC, H. YasudaH, S. MizobataC

FROA112/18

ミューオン異常磁気能率 “g-2”
実測値(BNL/FNAL)

標準理論予測(2020)
磁気双極子𝜇⃗ = 𝑔!

µ+𝑞𝑠⃗2𝑚

ミューオンビーム𝑔2 = 2(1 + 𝒂𝝁)µ<latexit sha1_base64="iWPwgetexMj3A8Ut3UJtDzYL2Lg=">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</latexit>µ𝒂𝝁 𝐭𝐡 = 𝒂𝝁 𝐐𝐄𝐃 + 𝒂𝝁 (𝐄𝐖)+ 𝒂𝝁 (𝐐𝐂𝐃)

磁場中に蓄積

スピン歳差運動と磁場を測定

𝒒𝑩
𝝎𝒂 = −𝒂𝝁𝒎 (特定の条件下)

4.2σ の不一致が報告
BNLと同じ実験装置を利用

4.2σ

B.Abi etal., Phy. Rev. Lett., vol. 126, no. 14, p. 141801 (2021)
T.Aoyama etal, Physics Reports, vol. 887, pp. 1–166 (2020)標準模型を超えた新物理が期待される

一方で、別手法による検証が必要

FROA11

実験手法の違い : 𝝎𝒂の余分な項をどう消すか？
J-PARC

BNL/FNAL

𝒒𝟏𝜷×𝑬
𝝎𝒂 = −𝒂𝝁𝑩 − 𝒂𝝁 − 𝟐𝒎
𝜸 −𝟏𝒄
https://muon-g-2.fnal.gov/ より引用

10 m

特定のエネルギー(𝜸 )のビームを使う
𝒂𝝁 − 𝜸𝟐𝟏6𝟏 = 𝟎1m

電場を使わない

𝑬 =𝟎3/18

FROA11BNL/FNAL

J-PARC

特定のγで崩壊したミューオンをそのまま利用

電場収束を行わない ＋ コンパクトな磁場領域

4/18

New method
3次元らせん入射

強収束電場

π

FROB05 松下
TUP036 飯沼
WEP035 阿部

212 MeVπ

B =1.45 T

3 GeV

New method

冷却＋加速によるビーム制御
蓄積領域 (14 m)→ ビーム拡がり(エミッタンス)が大きい (→ 系統誤差の原因)

電場不使用

B=3T
蓄積領域 (0.66 m)→ 電場による強収束が必要不可欠

大きな磁場領域→ 均一磁場の制御が難しい→従来の1/1000の低エミッタンスビームが必要

ビーム由来系統誤差(𝝎𝒂)削減 + 高精度磁場

FROA115/18

J - PA R C m u o n g - 2 / E D M 実 験 M. Abe et al., Prog. Theor. Exp. Phys., vol. 2019, no. 5, May. 2019.
@ J - PA R C M L F H line

共振周波数324, 1296, 2592 MHz

ビーム強度

1 106 /s

繰り返し

25 Hz

パルス幅10 ns

Norm. total emittance< 1.5 π mm mrad (要求)

Momentum spread< 0.1 %

ミューオンLINACによる低エミッタンスミューオンビームの実現が鍵(要求)

FROA11

ミューオンLINAC

6/18

電子/陽子加速器の技術を用いて、ミューオン専用の加速器を新たに開発する崩壊損失(2.2 µs)の抑制, 高加速効率, 安定性, 速度変化に対応(DLS) ..etc.

velocity β (=v/c)

1.2eµp10.8(0.511 MeV)

e.g., KEK linac

DLS(106 MeV)(938 MeV)

e.g., J-PARC linac

e-gun

DLS

212 MeV
ACS

DAW

0.6

SDTL

0.4

IH-DTL

DTL

0.2

RFQ
010-3
1.E+0310-2
1.E+0410-1
1.E+05RFQ
11.E+06101
1.E+07102
1.E+081.E+09Energy [MeV]

前例のないミューオン線形加速器の新規開発 / ミューオン加速実証が必要

FROA11

7/18

これまでの年会での報告
ミューオンLINACの基本設計を完了した

基礎設計

加速器
基本設計

ダイナミクス
設計(KEK 大谷)(JAEA 近藤)

RFQ

RFQによるミューオン加速実証に成功
低速Mu-源の開発

世界初のミューオン
加速実証

ミューオンのバンチ幅測定(東大 北村)(KEK 大谷)(名大 須江,四塚)

IH-DTL

加速器開発が進行中

プロトタイプ開発(設計、低電力試験結果、カップラー開発)

プロトタイプ
大電力試験(茨大 中沢)(茨大 中沢)DAW

プロトタイプ開発

詳細設計(九大 竹内)(九大 竹内)

基礎設計

詳細設計

(名大 鷲見)(名大 鷲見)DLSFROA12

加速器学会

第12回

第13回

第14回

第15回

第16回

第17回

第18回

第19回

年

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

現在は、世界初のミューオン専用の加速器 (IH-DTL, DAW, DLS) の開発を推進している

FROA11I H - D T L (Inter-digital H-mode DTL)
ミューオンLINACの特徴

ミューオンビームは低電流(106 /s) → 電場による収束 “Alternating phase focusing (APF)法” を採用
さらに、アルバレ型DTLより高加速効率をもつIH型を採用
324-MHz アルバレ型DTL

324-MHz APF IH型DTL

Alvarez DTL
φ~ 40 mm

磁場収束(四極磁石)
2πモード加速φ140 mm

電場収束
πモード加速DTの小型化
高加速効率・低コスト

森下 卓俊 “陽子リニアック”, OHOʼ18 より引用

ミューオン加速に適しており、かつ高加速効率を持つAPF IH-DTLを採用した

8/18

FROA119/18

一体構造のドリフトチューブ
ドリフトチューブ0m
145m→ 無酸素銅の切削加工による一体構造のドリフトチューブを採用(重粒子線治療用のIH-DTL (100MHz)での開発例あり)

J メリット・ドリフトチューブの高い製作精度

サイドシェル
16セル

センタープレート
サイドシェル

設計値

ビームエネルギー0.34 → 4.26 MeV

空洞パワー

310 kW

表面電界強度 Emax

35.4 MV/m (2.0 Ek)

duty factor

0.1% (40 µs, 25 Hz)・高いアライメント精度
・少ない作業工程による低コスト化
L 課題・懸念点• 本構造を採用した324-MHz IH-DTLの大電力運転実績が無い• 製作誤差による電場誤差 (要求ΔE < 2%)• 高い表面電界強度による耐電圧性[解決策] IH-DTLプロトタイプを開発する

FROA11synchronous
phase [deg]同期位相プロトタイプの空洞設計
ダイナミクス設計

100

実機：16セル

•

APF法による収束のために、セル毎の同期位相を最適化•

実機IH-DTLの上流 6セル分を再現

50

空洞設計
0有限要素法(FEM)モデル計算•

電場分布・周波数調整のために空洞径とエンドリッジを調整
リッジ−50
プロトタイプ：6セル

−1000

•

51015No.
of cell
セル数

ビームエネルギー

0.34 → 1.30 MeV

空洞パワー65 kW

表面電界強度 Emax

34.7 MV/m (1.9 Ek)

平均加速勾配

3.0 MV/m
エンドリッジ

実機のセル構造を再現しつつ、プロトタイプの設計を最適化した

10/18

FROA11製作

実機同様の加工手法で空洞を製作
センタープレート
空洞・•

無酸素銅の削り出し•

ロウ付け無し(ボルト締め)•

表面処理無し・
ドリフトチューブ

・
φ23

RFカップラー [PASJ2019で報告済]

チューナー

•

同軸ループアンテナ (77D)•

周波数調整範囲：0 ~ +3.2 MHz•

RF窓：アルミナセラミックス•

RFコンタクター無し

φ103

製作が完了した (ドリフトチューブ径, 長さの製作精度は要求(< 100 μm)を満たす)

11/18

FROA1112/18

低電力測定 / tuning

data.-sim.
(field error)[%]
電場誤差(%)

2 (a.u.)Frequency
shift(Δf/f)
電場強度×10−3

空洞単体での低電力測定結果 (tuning前)0− 0.02・測定− 0.04

04measurement

共振周波数: 321.36 MHz(sim. 321.88 MHz)

無負荷Q値

: 7800(sim. 8600)

電場誤差: < 2%ー シミュレーション
simulation
100200300400

ドリフトチューブの製作精度は要求(ΔE< 2%)を満たす

z [mm]

2

低電力tuning

0RFカップラー：結合定数 = 1.01 (臨界結合)

−2

チューナー

：324.00 MHzに調整−4

要求RFパワー：75 kW (測定Q0を考慮)

0100

200300400

z [mm]

空洞が設計通りの性能を有することが確認でき、⼤電⼒運転のためのtuningが完了した

FROA1113/18

大電力試験 セットアップ@J-PARC LINAC

324-MHz
クライストロン

サーキュレータ
導波管 – 同軸管

IH-DTL
プロトタイプ方向性結合器Pfpowermeter
EPICS IOC

RFカップラー

Pr

VSWR
meter
PLC

方向性結合器

PcPickuploop

RF
カップラー

熱電対真空計(BAG)

チューナー
熱電対真空計[インターロック：VSWR, 真空値, 空洞外壁温度]

空洞のRFパワーに加え、真空・空洞外壁温度を常時モニターするシステムを構築した

空洞

FROA11

14/18

コンディショニング / 安定性試験
5 Hz
20 µs

コンディショニング

25 Hz
40 µs (定格duty)

1.9Ek (定格)到達

2.1Ek (+10%)
安定性試験

・32 hのコンディショニング：定格(1.9Ek)に到達・定格+10％電圧 (2.1Ek )で7 h安定性試験：ダウン無し

100
定格運転時のRFシグナル (25Hz, 40 µs, 1.9 Ek)

50↑ RF down (25Hz, 40µs)

0
空洞内圧力Pressure [Pa]
[Pa]

25 Hz
20 µs

Voltage [a.u.]

空洞入力パワー(PCavity
Power (Pc) [kW]c) [kW]繰り返し = 1 Hz
パルス幅 = 20 µs

0102010−3304050
Integrated RF on time [hour]

Vf進行波

Vr
反射波

Vc

3×10−42×10−4

空洞入力波01020304050
Integrated RFon time [hour]
積算稼働時間[h]

3枚構造の324 MHz IH-DTLの大電力運転の実証 / 安定運転に成功した

Time [µs]FROA1115/18

ドリフトチューブの発熱による影響の検証•

ドリフトチューブに水冷システムを導入するのは、工学的に困難•

実機設計にあたり、FEMモデルによる熱特性の検証は重要 → FEMモデル計算の妥当性をプロトタイプで検証する
FEMモデル計算手順① 電磁場解析② 空洞表面の消費電力の導出③ t 秒後の温度上昇分布の導出④構造/電磁場解析

Outer wallステム

周波数シフトの導出

RFパワー : Pc

duty factor (0.1%)

熱伝達係数 h = 8 W/m2K (自然対流)
環境温度 : 24 deg.

z [mm]

ステム(φ10mm)での消費電力が高い

熱容量の小さいDTには熱がこもる

ドリフトチューブの熱膨張による局所的な構造変位が予想される

FROA1116/18

熱膨張による周波数シフト

measurement0

保持試験中(定格電圧+10%)の周波数シフトの測定結果

Δ f [MHz]simulation−0.1

a2 (MHz)τ1 (h)

a3 (MHz)τ2 (h)

measurement

-0.12

0.038

0.086

0.084

3.31

simulation

-0.14

0.051

0.074

0.086

3.37

チューナーの調整範囲であるため、運用上問題ないレベルで一致している

−0.2
02

4time [hour]

外壁温度
ドリフトチューブ温度

20Δ T [deg]a1 (MHz)τ1 : DTの局所的な構造変位 + 空洞全体の膨張
τ2 : 空洞全体の膨張

10meas. @outer wall
sim. @outer wall
sim. @DT#10

sim. @DT#302

温度及び周波数シフトの測定結果はシミュレーションの結果をよく再現した
IHの熱特性の検証において簡易FEMモデルが有効であることが示せた

4time [hour]FROA1117/18(今後の開発) IH-DTL実機の製作が完了
プロトタイプでの知見を元に設計をアップデート
・詳細な工学設計
・真空ポート、RFカップラーの設計
・電場補正のためのチューナー調整手法の考案

空洞単体での低電力測定結果 (tuning前)
共振周波数: 322.36 MHz (sim. 322.38 MHz)

無負荷Q値

: 10002

軸上電場誤差:< 2%

2 (Δf/f)
Frequency shift
電場強度[a.u.]

・熱膨張抑制のための水冷システム設計
×10(sim. 10910)−60−2−4

measurement
simulationdata.
- sim. (field error)
電場誤差[%] [%]・測定
01000z [mm]ー シミュレーション

50−5(測定) – (シミュレーション)0

センタープレート

5005001000[mm]zz [mm]

組み立て後設計と一致する結果が得られた

世界初のミューオン用IH-DTLの製作が完了した。現在、低電力tuningを進行中

FROA11まとめ• ミューオンg-2/EDM実験用のAPF IH-DTLプロトタイプを開発。
• 32時間のconditioningにより要求性能（25Hz, 40μs, >75 kW）を達成した。
• 電磁場, 熱特性等の解析により、CSTによるFEMモデル設計の有用性を証明できた。

• プロトタイプ開発の知見に基づき、実機IH-DTLの開発も進行中• 世界初のミューオン多段線形加速実証に向け、準備を進めている。

本研究は⽇本学術振興会科学研究費JP25800164、JP15H03666、JP15H05742、JP16H03987、
JP16J07784、JP18H03707、JP18J22129、JP18H05226、JP19J21763、JP20J21440、JP20H05625、JP21K18630, JP21H05088, JP22H00141 の助成を受けております。
本研究はJST創発的研究⽀援事業 (Grant Number JPMJFR212O)、三菱財団⾃然科学研究助成、国⽴研究開発
法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託業務の助成を受けております。

18/18