SuperKEKB 入射器コミッショニングの現状 (IV)PRESENT STATUS OF SuperKEKB INJECTOR LINAC COMMISSIONING (IV)
佐藤政則#, A, B), 明本光生 A, B), 荒川大 A), 荒木田是夫 A, B), 飯田直子 A, B), 池田光男 A), 岩瀬広 B, C), 惠郷博文 A,，榎本收志 A), 榎本嘉範 A, B), 大沢哲 A, B), 大西幸喜 A, B), 小川雄二郎 A, B), 柿原和久 A), 梶裕志 A, B), 片桐広明
A), 紙谷琢哉 A, B), 菊池光男 A, B), 小磯晴代 A, B), Feng QiuA, B), 佐武いつか A), 佐藤大輔 A), 設楽哲夫 D), 周翔宇
A, B), 白川明広 A), 末武聖明 A), 杉村仁志 A)，杉本寛 A, B), 諏訪田剛 A, B), 清宮裕史 A), 田中窓香 A), 多和田正文
A, B), 張叡 A), 峠暢一 A, B), 中尾克巳 A), 中島啓光 A), 夏井拓也 A, B), 西田麻耶 A)，肥後寿泰 A, B), 福田茂樹 A), 船
越義裕 A, B), 古川和朗 A, B), 本間博幸 A), 松下英樹 A), 松本修二 A, B), 松本利広 A, B), 三浦孝子 A, B), 三川勝彦 A),
道園真一郎 A, B), 三増俊弘 A, B), 宮原房史 A, B), 森隆志 A, B), 森田昭夫 A, B), 矢野喜治 A, B), 横山和枝 A, B), 吉田光
宏 A, B)
Masanori Satoh #, A, B), Mitsuo AkemotoA, B), Dai ArakawaA), Yoshio ArakidaA, B), Naoko IidaA, B), Mitsuo IkedaA),
Hiroshi IwaseB, C), Hiroyasu Ego A, B), Atsushi EnomotoA), Yoshinori EnomotoA, B), Satoshi OhsawaA, B), Yukiyoshi
OhnishiA, B), Yujiro OgawaA, B), Kazuhisa KakiharaA), Hiroshi KajiA, B), Hiroaki KatagiriA), Takuya KamitaniA, B), Mitsuo
KikuchiA, B), Haruyo KoisoA, B), Feng QiuA, B), Itsuka SatakeA), Daisuke SatohA), Tetsuo ShidaraD), Xiangyu ZhouA, B),
Akihiro ShirakawaA), Masaaki SuetakeA), Hitoshi SugimuraA), Hiroshi SugimotoA, B), Tsuyoshi SuwadaA, B), Yuji
SeimiyaA), Madoka TanakaA), Masafumi TawadaA, B), Rui ZhangA), Nobukazu TogeA, B), Katsumi NakaoA), Hiromitsu
NakajimaA), Takuya NatsuiA, B), Maya NishidaA, B), Toshiyasu HigoA, B), Shigeki FukudaA), Yoshihiro FunakoshiA, B),
Kazuro FurukawaA, B), Hiroyuki HonmaA), Hideki MatsushitaA), Shuji MatsumotoA, B), Toshihiro MatsumotoA, B), Takako
MiuraA, B), Katsuhiko MikawaA), Shinichiro MichizonoA, B), Toshihiro MimashiA, B), Fusashi MiyaharaA, B), Takashi
MoriA, B), Akio MoritaA, B), Yoshiharu YanoA, B), Kazue YokoyamaA, B), and Mitsuhiro YoshidaA, B)
A)High Energy Accelerator Organization (KEK), Accelerator Laboratory
B)
The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Department of Accelerator ScienceC)
KEK, Radiation Science Center
D)
KEK, Research Administration Department
B)

Abstract
SuperKEKB Phase I beam commissioning was completed in last June. The injector linac has successfully delivered theelectron and positron beams to the SuperKEKB main ring without any significant troubles. For the Phase I commissioning,
we archived an enough beam quality from an ordinary thermionic electron gun. Moreover, the beam injection to
SuperKEKB electron ring has been successfully carried out by using a low emittance photocathode rf electron gun. Afterthe Phase I commissioning, the linac beam and subsystem developments are going on together with the daily beam
injection to both light sources of PF and PF-AR. In this February, the full energy injection to PF-AR has been firstly
succeeded via the newly constructed beam transport line. In addition, the readout systems for 100 strip line type beam
position monitors are replaced by the newly developed ones with the precision of about 10 m. During this summer
maintenance period, we will install the pulsed quadrupole and steering magnets toward the future simultaneous top up
injection to five independent storage rings. The merger beam line between the positron damping ring and the injector
linac will also be constructed. In this report, we report the operational results of Phase I beam commissioning. In addition,
the commissioning plans of Phase II and Phase III are also described in detail.

1.

はじめに

KEKB 加速器のピークルミノシティは当初設計値の 2倍を上回り、2010 年 6 月、成功裏に終了した。その間、入射器は、異なるエネルギーおよび電荷量のビームを、
3 つの蓄積リング（KEKB 電子（HER）・陽電子（LER）および PF）へ同時トップアップ入射することに成功した。これにより、KEKB および PF リングの蓄積電流値安定性
は、それぞれ、0.05%および 0.01%を達成し、物理実験___________________________________________# masanori.satoh@kek.jpの成果へ大きく貢献した[1]。
2016 年 6 月には 5 ヵ月間続いた SuperKEKB 加速器
Phase I コミッショニングが無事終了した。Phase I コミッショ
ニングでは、リング側機器の基本的な動作確認および真空焼きだし運転に重点がおかれ、さらに Belle II 検出器のためのビームバックグラウンドスタディがおこなわれた。
入射器においては、低エミッタンス RF 電子銃からのHER 入射に初めて成功し、10 日間あまり継続した入射をおこなうことができた[2][3]。その後、PF および PF-ARへの日常的なビーム入射と並行して、SuperKEKB Phase
II、Phase III コミッショニング運転に要求される機器開発

並びにビーム開発をおこなっている。次節以降、SuperKEKB 入射器に求められているビーム性能およびそのコミッショニング状況について詳しく述べる。

2.

入射器コミッショニング

2.1

概要

J-ARC

Figure 1: Schematic layout of the SuperKEKB injector
linac. Two straight beam lines with the length of 100 m
and 500 m, respectively, are connected by the 180 degree
bending beam line (J-ARC).

Figure 1 に入射器の概略図を示す。入射器は、約 80
m のセクタと呼ばれる区画から構成され、約 100 m の A
および B セクタと、約 500 m の C から 5 セクタと呼ばれる二つの直線部から構成されている。それらは、J-ARCと呼ばれる 180 度偏向部で接続されており、SuperKEKB
入射用の熱電子銃は A1 熱電子銃と呼ばれ、A セクタ最上流に設置されている。また、放射光リング入射用の熱電子銃は 3 セクタ最上流部に設置され、3T 熱電子銃と呼ばれている。J-ARC 部でのビームエネルギーは、
KEKB 運転時の 1.7 GeV から 1.5 GeV に変更された。これにより、100 m 直線部である A セクタおよび B セクタにおけるクライストロン予備機を確保し、ビーム運転の可用性を高めている。KEKB および SuperKEKB ビーム運転
における主要諸元を Table 1 に示した。

SuperKEKB では、ナノビーム方式と呼ばれる運転を実現するため、入射ビームには 20 mm∙mrad 以下の低エ
ミッタンスかつ低エネルギー広がりを持つビームが要求される。さらに、リングの蓄積ビーム寿命が 10 分以下と極端に短いため、大バンチ電荷量のビームが要求され、低エミッタンスビームの実現をさらに困難にしている。陽電子ビームについては、建設中である陽電子ダンピングリ
ング(DR)を用いた運転をおこない、電子ビームについて
は、低エミッタンス RF 電子銃およびビーム軌道の精密制
御による低エミッタンス電子ビーム入射を実現する計画

Table 1: Main Parameters of KEKB and SuperKEKB Injector Linac
KEKB***

Project

SuperKEKB***

SuperKEKB****

SuperKEKB****(Phase I)(Phase II)(Phase III)

Beam

e-

e+

e-

e+

e-

e+

e-

e+

Beam energy (GeV)

8

3.5

7

4

7

4

7

4

Stored current (A)

1.1

1.6

1

1

-

-

2.6

3.6

Beam lifetime(min.)

200

150

100

100

-

-

6

6

Bunch charge (nC)1

1 (10*)

1

0.4 (8*)

1

0.5
(10*)

4

4 (10*)

1200

150

40

20

15

1000

150

200

40

100

Normalized verticalemittance(mmmrad)Normalized
horizontal emittance(mmmrad)

300
130**
310

1400
160
200**

Energy spread (%)

0.125

0.125

0.5

0.5

0.1

0.16

0.07

0.16

Bunch length (mm)

1.3

2.6

1.3

2.6

1.3

0.7

1.3

0.7

# of bunch

2

2

2

Maximum beam
repetition (Hz)50

25

25 / 50

Top up injection

3 rings (HER,
LER, PF)n/a

5 rings (HER, LER, DR, PF, PF-AR)*: Primary electron beam for positron production.
**: Results with the photocathode rf electron gun.
***: Achieved values.
****: Design values.

である。いずれのビームに関しても、加速管および四極電磁石の精密アライメントが要求されている。レーザート
ラッカー装置などを駆使して、0.3 mm (1)以下の機器アライメントを目標としている。それらに加えて、PF および
PF-AR という 2 つの放射光リングへのトップアップ運転も早期に実現すべき課題であり、最終的には HER、LER、および DR を含めた 5 リング同時トップアップ入射運転が不可欠となる。。そのために必要である高度なタイミング
制御システムや安全系システムの構築も並行しておこなっている。
2.2

Phase I コミッショニング

Phase I コミッショニングは、2016 年 1 月 25 日から 6 月
28 日朝までおこなわれた。主な目的は、主リングの真空焼きだし、新規導入機器の動作試験、および低エミッタ
ンスビーム実現のための主リング光学調整スタディなどである。Phase I での蓄積電流値は、LER および HER について、 それぞれ、1010 mA および 870 mA にまで到達した。
Phase I においては、LER および HER 入射ともに、A1
熱電子銃を用いて開始した。ビーム輸送路(BT)終端では、電子ビーム 0.7 nC、陽電子ビーム 0.4 nC 程度を導くことができた。また、ストリークカメラによるバンチ長測定をおこない、HER 入射用 1 nC ビームについては 8 ps
(FWHM)であることを確認した。また、LER 入射用の陽電子ビームを生成するための 10 nC 電子ビームについては、15 ps (FWHM)であることを確認した。これらの測定結果より、入射器ビームの品質は KEKB 運転時の水準を再現できていることがわかった。RF 電子銃を用いたHER 入射にも初めて成功し、バンチ電荷量安定度は約4%であり、熱電子銃の約 2%に匹敵するものであった。
2.3

入射器単独コミッショニング

2016 年 6 月 28 日の Phase I コミッショニング終了後、数日間の入射器単独ビームスタディ、夏期保守期間を経て、10 月から入射器の運転を再開した。PF リングへのビーム入射と並行して、入射器単独でのビームコミッショ
ニングを継続しておこなった。主に、低エミッタンス RF 電子銃[4-8]関連のスタディおよびその他の開発を進めてきた [9-11]。また、入射器に約 100 台設置されている非破壊型ビーム位置モニタのデータ収集系は、新規開発のものに置き換えが完了した。これにより、位置測定精度が50 m から 10 m 以下に改善され [12]、ビーム軌道応
答測定に必要な走査範囲の縮小によるスタディ時間の効率化を図ることができた。
2017 年 2 月には、放射光リングである PF-AR の新規
BT を用いた 6.5 GeV フルエネルギー入射のコミッショニングに成功した[13]。従来は、3T 熱電子銃を用いた 3GeV 電子ビームを入射していたが、トップアップ運転を想定した 6.5 GeV 電子ビームを入射するため、A1 熱電子銃を用いた運転に移行した。その後、3 月 1 日の放射線施設検査にも無事合格し、本運転形態によるユー
ザー実験へ向けた本格的な準備が始まった。同時期に、
PF リングへの入射運転に関しても、従来の 3T 熱電子銃を用いた運転から A1 熱電子からの入射に移行すべく
ビームスタディを開始し、2017 年 4 月期の運転から本格的な運用を開始した。Figure 2 に、A1 熱電子銃から PF-

Figure 2: Typical beam orbit for PF-AR injection by using
A1 thermionic electron gun. Top and middle lines indicate
the horizontal and vertical beam orbits in mm units.
Bottom line is the bunched beam charge in nC units.

Figure 3: Typical beam orbit for PF ring injection by using
A1 thermionic electron gun. Top and middle lines indicate
the horizontal and vertical beam orbits in mm units.
Bottom line is the bunched beam charge in nC units.

AR 入射時の入射器および BT におけるビーム軌道、電荷量の例を示す。また、Figure 3 に、PF 入射時の同様な例を示した。PF-AR 入射ビームについては、入射器全体に亘ってビーム加速をおこなっているが、PF 入射ビームについては、入射器終端でのビームエネルギーが 2.5
GeV になるよう、下流の 3 セクタ以降においてはビームを減速している。このようなビーム入射方式を用いて、従来の 3T 熱電子銃使用時と同程度のビーム入射率および入射効率が実現できている。本運転形態の確立は、今後計画している SuperKEKB HER、LER、DR、PF、および PF-AR の 5 リング同時トップアップ入射運転に向けた大きなマイルストーンとなった。
2.4

Phase II および Phase III コミッショニングに向けて入射器では、2017 年 5 月 15 日の運転休止後、約 5 ヶ月間の保守およびビームライン増強工事が進行中である。今回のビームライン工事では、DR との合流部ラインの構築および主に 3 セクタ下流部以降におけるパルス二極・四極電磁石設置作業が大きな比重を占めている。既設の DC 電磁石を撤去し、新規開発された 64 台のパル
ス電磁石およびセラミックダクトを設置する作業は、6 月中旬までに完了した。今後、ケーブル配線、インタロック
動作試験、および制御用ソフトウェア試験をおこなう予定である。10 月 10 日の入射器立上げに先立ち、9 月中にはパルス電磁石の総合動作試験ならびに安定度の測定をおこなう予定である。現在のところ、制御用ソフトウェアの開発は順調に進められている。

Figure 4: Photograph of the existing DC quadrupole
triplet.

Figure 5: Photograph of the newly installed pulsed
steering and quadrupole magnets.

Figure 4 に、従来設置されていた四極電磁石の写真を示した。これらは、Figure 5 の写真にあるとおり、パルス電磁石に置き換えられた。垂直および水平方向パルスステ
アリング電磁石の両端に、収束および発散型のパルス四極電磁石が設置される構成となっている。これらのパルス電磁石が設置されている架台についても新規製作をおこなった。将来、電動モータを追加設置することにより、遠隔操作可能なムーバー架台として動作させることが可能である。入射器のビームラインは、温度変化に起因する床変動により、長期的には mm オーダーの変位が観測されており、低エミッタンスビームを実現するためには、
動的ムーバー架台は強力なツールになると考えられる。
Figure 6 に、入射器クライストロンギャラリー部に設置されたパルス電磁石電源および制御システムの写真を示す。パルス電磁石制御システムは、ハードウェアとしては
PXI および CompactRIO を採用し、ソフトウェアとしてはWindows 8.1 を基盤とした NI LabView および EPICS を組み合わせたシステム構成を採用した。従来の入射器制御システムは、VxWorks を基盤とした VME 計算機やPLC などを中心として構築してきたため、新たなバスやソフトウェアフレームワークを利用したシステム構築を経験することにより、新たな専門技術を蓄積することができ、大きな収穫となった。
2017 年 12 月には、Phase II コミッショニングに先立ち、DR 単独のコミッショニングが計画されている。DR 自体が新規に建設された施設であるため、多数の開発、確認事項がある。コミッショニング初期から重要になる、ビーム入出射のためのタイミングシステム[14]や DR を含めた LER
入射のバケット選択システムなどの開発に力を注いでおり、10 月中には機器単体の総合試験をおこなう予定である。また、DR 安全系システムの新設やそれに関連した入射器安全系システムの改修作業も急ピッチで進んでいる。
Phase III コミッショニング以降では、大バンチ電荷量、低エミッタンス、かつ低エネルギー広がりを持つ高品質ビームを安定供給することが最重要課題である。そのため、Phase II コミッショニング終了までの間に、低エミッタ
ンス保存に関連するビームスタディに注力したい。さらに、5 リング同時トップアップ入射に向けて、DC 電磁石部の共通運転パラメタの確立も重要課題である。入射器スタ
ディの時間を比較的十分に確保できる DR 単独コミッショ
ニング前に、運転パラメタの確立を目指したい。

3.

Figure 6: Photograph of the pulsed steering andquadrupole magnet power supply and control system. The
control system is based on the PXI and CompactRIO
buses. The control software comprises NI LabVIEW and
EPICS frameworks.

まとめ

2016 年 6 月には 5 ヵ月間続いた SuperKEKB Phase I
コミッショニングが無事終了し、入射器の成果としては、
低エミッタンス RF 電子銃からの HER 入射に初めて成功したことが挙げられる。その後、各種のビームスタディお
よび PF リングへの入射運転を継続してきた。それに加えて、2017 年 2 月には PF-AR 直接入射路コミッショニングをおこない、A1 熱電子銃からの 6.5 GeV フルエネルギー
ビーム入射およびトップアップ入射スタディに成功した。
2017 年 4 月以降は、SuperKEKB Phase II および Phase
III コミッショニングに向けた低エミッタンス RF 電子銃のス
タディを進めるとともに、パルス二極・四極電磁石電源の試験を進めてきた。これらのパルス電磁石電源は、電磁石本体およびセラミックダクトとともに本夏期保守期間中

にインストールをおこなう。2017 年 10 月 10 日より入射器の運転が再開されるが、PF および PF-AR への入射運転と並行して、パルス電磁石を用いた安定なビーム運転の確立、低エミッタンスビーム生成およびエミッタンス増大の抑制、DR への入出射タイミングシステム、などの項目を中心にコミッショニングを進める予定である。最終目標
である、HER および LER への大バンチ電荷量かつ低エ
ミッタンスビームの入射や、放射光リングを含めた 5 リング
同時トップアップ入射へ向けて、一つずつ問題点を解消していきたい。それと同時に、老朽化している機器の更新や保守方法などについても、具体的かつ詳細な戦略を練っていきたい。

参考文献[1] Mitsuo Akemoto et al., Prog. Theor. Exp. Phys. (2013)
03A002.
[2] T. Kamitani et al., “SuperKEKB Phase1 (Injector+Ring)
Status Report”, in Proceedings of the 13th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, August 8-10 2016,
Aomori, Japan, pp.4-8 (2016).
[3] Y. Funakoshi et al., “Phase 1 beam commissioning ofSuperKEKB”, in Proceedings of the 13th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, August 8-10 2016,
Aomori, Japan, pp.24-28 (2016).
[4] N. Liu et al., “The consideration of RF phase reference
distribution system for the injector linac of SuperKEKB”,
these proceedings, WEP065.
[5] T. Natsui et al., “RF gun development for SuperKEKB”,
these proceedings, TUP004.
[6] D. Satoh et al., “Improvement of photoemission propertiesof iridium cerium compound for SuperKEKB injector linac”,
these proceedings, WEP106.
[7] Xi. Zhou et al., “Yb fiber and Nd:YAG hybrid laser system
of RF gun for SuperKEKB's phase-II commissioning”, theseproceedings, WEP116.
[8] R. Zhang et al., “Study on stable and high output energy laser
system for RF-gun at SuperKEKB injector”, theseproceedings, WEP117.
[9] T. Natsui et al., “Present Status of the KEK Electron/Positron
Injector Linac”, in these proceedings, FSP004.
[10] M. Baba et al., “Operation statistics and maintenance activityof RF system in KEK electron-positron linac”, theseproceedings, WEP056.
[11] M. Kawamura et al., “Present status of inverter power
supplies for modulators in KEK electron-positron linac (2)”,these proceedings, TUP060.
[12] R. Ichimiya et al., “High Position Resolution and HighDynamic Range Stripline Beam Position Monitor (BPM)
Readout System for the KEKB Injector Linac towards theSuperKEKB”, in Proceedings of IBIC2014, Monterey, USA,
September 14–18, pp.637-641 (2014).
[13] N. Higashi et al., “Construction and commissioning of direct
beam transport line dedicated for PF-AR”, in theseproceedings, THOL10.
[14] H. Sugimura et al., “Status of event timing system at
damping ring SuperKEKB”, in these proceedings, TUP094.