IHリ ニ ア ッ ク の 周 波 数 変 更 の た め の 改 造 と 低 ஢ 力 ࠟ 験
新垣良次1、新井重昭、仁木 和昭、岡田 雅之、冨澤‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1

概要
ＫＥＫ田無で建০された短寿命核加速用インターデジタルH型リニアック（IH）を 原研東海研タンデ
ム施০のଵ伝導リニアックの周波数と同期させるために、共振周波数を1.8%上げるための改造を行った。
周波数の変更はモデルテストの結果に基ずいてドリフトチューブのギャップの寸法を短くする方法で行った。ローパワーテストによって次の結果が得られた。1)共振周波数は目標値である51.92MHzに調整できた。2)Q値とシャントインピーダンスに関しては以前とほぼ同じ値が得られた。３）஢場分布に改造による影‫؜‬は見られなかった。

１．はじめに
KEK田無において、短寿命核加速用リニアックが建০され、物理研究においては天体核物理実験、加速器の研究においてはビーム診断装置の開発や加速性能向上の為の技術開発等が行われてきた[1] 。このリニアックの施০は東海原子力研究所のタンデム施
০に移 ০さ れる 。当 面は短 寿命 核ビ ーム を1.05MeV/uのエネルギーまで加速し、将来は既存のIHリニアックとଵ伝導リニアックの間にIH2リニアックを০け、エネルギーを6MeV/u以上まで加速し実験を行うことが予定されている。IHリニアックとଵ伝導リニアックの間で同期をとる為、IHの周波数を1.8%上げなければならない。その為に‫ڐ‬算コード
MAFIAを用いた３次元‫ڐ‬算や実機の1/2サイズでのモデルテストを行った。周波数の変更方法としては、以下の点に重点を置いた。１）IHリニアックはシャントインピーダンスが‫ݗ‬いという特色を持っているので、その特色を損なわないこと２）機械的強度も維持できるようにすること３）改造コストを抑えることである。今回、モデルを使った周波数の測定とそれをもとに実機の周波数変更のための改造を行い、ＩＨの共振周波数を51MHzから51.92MHzに変更することができた。加えて஢場分布の測定も行ったのでその結果について報告する。

２．モデルテスト
IHリニアックは全ସ5.6mで４台の空洞とその間に３台の４極஢磁石から構成される。共振周波数は51MHzでエネルギー可変の線形加速器である。IHリ
1E-mail: arakaki@post.kek.jp

正人

ニアックの主な緒元を表１に示す。今回の変更において、ＩＨリニアックはଵ伝導ブースターの共振周波数の2/5に当たる51.92MHzに上げることになった。
共振周波数を上げる方法としては、ドリフトチュ−ブを削り、ギャップを大きくすることでৌ஢容量を減らして周波数を上げる方法で行った。
表IHリニアックオリジナルデサイン値
Tank1
Tank2
Tank3
Tank4
周波数(MHz)

51

51

51

51

荷஢ࡐ量比

≧1/10

≧1/10

≧1/10

≧1/10

シンクロナ ス位相(deg)-25-25-25-25

タンクସ(m)0.680.90

1.161.53

ボーア径(mm)

1.491.49

1.49

1.34

タンク径(m)20242832

ギャップ ସ(mm)29374553

ド リ フ ト
チューブ径 (mm)38444652

セル数

9101112

デ ザ イ ン
ギャップ஢ 圧(V)

200

255

315370加速エネ ルギー(MeV/u)

0.170
0.294

0.294 ~
0.475

0.475
0.725~~

0.725 ~
1.050

Tank4に関して、MAFIAの‫ڐ‬算とモデルテストの測定で比Ԕして見た。図１にその結果を示す。周波数はギャップに対してほぼ直線的に変化しているのがわかる。周波数の絶対値はMAFIAの‫ڐ‬算ではモデルテストの測定よりも約2%低い値になっている。メッシュサイズは約200万である。この直線の傾きから目標値51.92MHzに対するギャップを求め、モデルの周波数と比Ԕするとモデルの方が0.5%下がった値となる。チューナ ーの調整範囲は Lチューナー、 Cチューナー合わせて0.45％なので、MAFIAのみで周波数を予測するのはかなり精度を上げて‫ڐ‬算しなければならない。３Ｄ‫ڐ‬算で構造物を忠実に入力するのは困難なので、実際ＭＡＦＩＡの‫ڐ‬算はドリフト
チュ−ブの寸法を推測することや、定性的な周波数変化を調べるのに用いられた。

f(MHz)_Modelf(MHz)_MAFIA)
z 51.50
H
M( 51.00f)
52.0
z
H51.8
M51.6
(f 51.4f(MHz)C_tuner
L_tunerf(MHz)
C_tuner
L_tuner

51.2
51.0

50.50

50.8
2850.00
49.50

Tank252.2) 51.8
zH51.6M( 51.4f 51.252.50
52.00

Tank152.0

周波数VSギャップ

51.0293031323334d(mm)52545658606250.836373839d(mm)40414260626464Gap(mm)Tank353.0

図１‫ڐ‬算（MAFIA）と測定（モデル）の違い
モデルを使って目標の周波数51.92MHzに相当するドリフトチューブの寸法を決めるのであるが、最初にモデルと実機でどの程度周波数の絶対値に違いがあるかを見る為に周波数51MHzの実機とモデルで比Ԕして見た。その測定結果を表3に示す。チューナーは入ってない。Δfが実機とモデルテストで測定された周波数の差で、最大で0.26%程度の違いである。
この差はアライメントエラー、細かい൉分での構造物の違いによると考えられる。ここで、51.92MHzに対応したギャップを推測するのにΔfはギャップのみ変えても変化しないものと仮定した。図２にモデ
表３コールドモデルと実機との比Ԕ
Tank1
Tank2
Tank3
Gap(mm)293745f(MHz)̲モデル 51.0810 51.0700 51.0890)
z 52.5H
M52.0(f 51.5)
z 52.0HM( 51.5ff(MHz)C_tuner
L_tuner

51.0

51.0
50.5
44

Tank4

52.5

464850d(mm)525450.552545658d(mm)

図２IH周波数特性

Tank45350.8700

f(MHz)̲実機

51.0840

51.1340

51.1800

51.0030

Δf(kHz)Ct(kHz/mm)
Lt(kHz/mm)+3+64+91+133

135/200

172/200

115/200

145/200

9/200

31/20051/20082/200

Ct：C チュウ ナー の可変 範囲（ 実機 ）、L ｔ： L
チューナーの可変範囲（実機）
ルテストによって求められたギャップと周波数の関係を示す。‫ݪ‬まるが測定点で、縦線はチューナーで調整できる周波数の範囲である。Tank１からTank3までの曲線は測定点からベストフィットして求めた。
特にTank3に関してはS字型の曲線が得られたがこれはMAFIAの‫ڐ‬算によっても確かめられた。[2] 図３にＩＨ空洞の内൉構造を示す。TANK4の場合、ࡃ対象性を仮定して‫ڐ‬算コードPOISSONによるStaticな‫ڐ‬算で周波数とギャップの関係を求めた。周波数とギャップの関係は(1)式を仮定した。CgをPOISSONでの‫ڐ‬算で求め、図２のTank4で両端の測定データを用いるとLとC0が決まるので曲線を求めることが出来る。両端以外の測定点と曲線を比Ԕすると10kHz以下の精度で一致した。図２において、目標周波数に対するGapの値を決めるのに、目標値51.92MHzがチューナーのレンジの真中にくるようにギャップ値を決めた。

図３IHリニアック空洞の内൉構造

f =12π L(c 0 + c g )（１）

f:共振周波数
C0:ギャップ以外でのৌ஢容量
Cg:ギャップでのৌ஢容量L：インダクタンス

次に、図４にPOISSONによって‫ڐ‬算された஢場分布を示す。Eはビームࡃ上でのࡃに沿った向きの஢場である。ギャップ間が広がると中心付‫ؼ‬の஢場は若干下がる。TTF(TransitTimeFactor)は2.7%下がったが、加速粒子を同期させる為には、その分஢圧をあげれば良いことになる。

周波数変更前Gap53.00mm

周波数変更後150.0150.0)
mc/ 100.0Vk(E 50.0)
mc/ 100.0Vk(E 50.0

TTF=0.8797

Gap60.12mm

Electric field10).
b 8ra 6(E4TTF=0.8558

Tank1

f=51.9203MHz

0.0-8-6-4-202468-8-6-4z(cm)-202468z(cm)01002003004005006000

図４஢場分布（ギャップ஢圧370kV）

0200400600800x(mm)Electric field10

図５にTank1の改造後の写真を示す。ドリフ ト
チューブが十分ସいものに関しては、その端൉を切削し特にステムの加工は行わなかった。特にタンク１からタンク３の前段のドリフトチューブに関しては、端൉のRをできるだけ残す為にステムの接合൉を加工した。

Tank220x(mm)3． I Hリ ニ ア ッ ク の 改 造 と 測 定 結 果

f=51.9197MHz

420.0

Electric field10).
b8ra6(E).
b8ra6(Ef=51.9200MHz

Tank34

f=51.9200MHz

Tank4420

Electric field10).
b8ra6(E20200

400600x(mm)800

100000200400600

800 1000 1200 1400x(mm)

図６周波数変更後の஢場分布

図５改造後のTANK１の写真

周波数 変更後 の஢ 場分布 はφ 6.3mm のビ ーズ を2.6mmステップごとにステッピングモーターで動かして測定した。図６にその結果を示す。平坦性は良い。

4． ま と め

Tank1の場合、実機の周波数はモデルテストから決めた値より0.23%‫ݗ‬くなった。チューナーの調整範囲もଵえてしまったので、8.3mmの௷板をリッジの両端に取り付けてৌ஢容量を増やし周波数を下げた。Tank3に関しても、0.24%‫ݗ‬く出ていると予想されたので、既存の13mmの௷版をそのまま使うことにした。Tank2,Tank4は0.02%以下の精度で測定した周波数とモデルテストから決めた周波数が一致した。
表４に改造後の実効シャントインピーダンスとＱ値を示す。測定はチューナーで調整後の値である。変更前(51MHz)の時の測定[3] とほとんど違いはない値である。
表４
周波数変更後の測定結果
f(MHz)
Zs(MΩ/m) Q値
Tank1
51.92027412510
Tank2
51.92026814646
Tank3
51.92024917304
Tank4
51.92022818558

Tank2とTank4に関してはかなり良い精度で周波数を合わせることができた。Tank1に関してはリッジに௷版を取り付けることにより周波数の調整を行い、最終的には IHリニアッ ク４空洞の 目標の周波 数51.92MHzがチューナーの可変範囲に入ったことが確認された。஢場分布やシャントインピーダンスやＱ値が測定され、良好な結果が得られた。今後、東海研に於いて、リニアックを০置した後、アライメン
ト、真空引き、‫ݗ‬஢力ࠟ験等が行われる予定である。

参考文献
Arai, et al.,“Performance oftheRNBLinacat KEK-TANASHI” Proceedings of the 6 th European[1] S.

Particle Accelerator Conference, EPAC’98 June 22-26,
1998, Stockholm, Sweden[2] Y. Arakaki, et al.,“A CHANGE OF FREQUENCY
OF IH-LINAC FOR RADIOACTIVE NUCLEAR BEAMS”
thProceedings of the 8European Particle Accelerator
Conference EPAC’02 June 3-7, 2002, Paris, France[3] M. Tomizawa, et al.,“PROGRESS REPORT ON
THE CONSTRUCTION HEAVY-ION LINACS FOR
thRADIOACTIVE NUCLIE” Proceedings of the 10
Symposium on accelerator science and technology October
25-27, 1995,Hitachinaka, Japan