KEK 電子入射器の運転統計の考察
ANALYSIS OF OPERATIONAL STATISTICS AT KEK INJECTOR LINAC
古川 和朗 ∗,A) , 佐藤 政則 A) , 松本 修二 A) , 鈴木 和彦 B)
Kazuro Furukawa ∗,A) , Masanori Satoh A) , Shuji Matsumoto A) , Kazuhiko Suzuki B)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK/SOKENDAI)
B)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd. (MSC)

Abstract
The 7-GeV electron-positron injector linac at High Energy Accelerator Research Organization (KEK) has operated for approximately 5000 hours per year, continuously injecting electrons and positrons into two light sources (PF Ring, PF-AR) and anelementary particle collider (SuperKEKB). Since the injector began beam injection operation in 1982, it has undergone variousmodifications while continuing its operation. The operational mode has significantly changed according to the past experimental projects, and various characteristics have appeared in the operation statistics. In elementary particle physics experiments,electrons and positrons have been injected into the TRISTAN, KEKB, and SuperKEKB rings. The injection beam requirement
varied greatly for each project, leading to larger failure rate during the early stages of each project. However, gradually, appropriate measures were taken, allowing for smooth operation. With reference to this operation statistical information, it is expectedthat optimization of injection operation will be achieved by balancing the demands of both particle physics experiments andphoton science experiments, which have significantly different user requirements.
実験の特性によって入射器の運転形態も大きく変化を重ね、運転記録にもさまざまな特徴が現れている。
高エネルギー加速器研究機構 (KEK) の 7-GeV 電子陽 高い性能を求める素粒子物理実験向けの入射ビームの電子入射器においては、年間約 5000 時間のビーム運転 開発が、放射光実験の入射にも活かされる場合も多い。
が行なわれており、2 つの放射光実験施設 (PF、PF-AR) 運転の記録から得られる知見はたいへん大きいが、そと衝突型素粒子物理実験施設 (SuperKEKB) への電子と れらを体系的に一般化することは容易では無い。実験
陽電子の入射を継続している (Fig. 1) [1]。入射器がビー ユーザーからの要求が大きく異なる素粒子物理実験とム入射運転を開始した 1982 年から現在までさまざま 放射光科学実験の双方に、バランスを考慮した入射運な改造を行いながら運転を継続しており、2020 年には 転最適化が期待されており、ここでは過去の運転統計運転時間が 20 万時間を超えた [2]。TRISTAN、KEKB、 情報を示し、そこから得られる理解の一部について記SuperKEKB と呼ばれるこれまでの素粒子物理実験計画 述してみたい。
への電子と陽電子の入射については、実験ごとに要求されるビームの特性も大きく変遷し、蓄積リングの設 2 . 運転記録計が変わるとともに、入射器の装置構成も大きく進展
入射器の運転開始当初は運転の記録を紙のログブッしてきた (Fig. 2)。
クに残していたが、1995 年には独自開発の電子ログブックに運転記録の蓄積を始め [3]、日々の運転の経験が活かせるように現在もその改善を続けている [4]。この電子ログブックの利用により、運転の改善に繋げらダンピング
低エミッタンスれるよう工夫をしてきた [5]。特に故障障害情報を容易
リング
2倍の大電流 RF 電子銃
PF
ビーム電流
2.5 GeVに検索できるようにしており、運転に障害があった場
700 m 入射器
合には、過去の経験を容易に見つけ出せるようになり、障害回復時間の短縮に効果を発している。
高効率
陽電子
陽電子発生装置
輸送路
PF-AR
障害情報や運転統計情報については、時系列の運転
電子輸送路
6.5 GeV
HER
記録に記載するとともに、8時間の運転シフト毎にまと7 GeVめのページが用意されており、また月間記録もまとめ
電子陽電子線形加速器の入射ビームと蓄積電流SuperKEKBSuperKEKB:
7 GeV 電子 2000 mAられている。そしてそれらを集計して年間の記録もま周長 3 km
Belle II
4 GeV 陽電子 2800 mA
PF:
2.5 GeV 電子 450 mA
検出器
LER
とめられる。障害は、マイクロ波や真空など 11 のカテ
PF-AR:
6.5 GeV 電子 60 mA
4 GeV
ゴリーに分けて集計されており、カテゴリー毎に改善30 倍のの確認や問題点の発見に役立っている。
衝突性能

1.

はじめに

電子

陽電子

電子

Figure 1: Accelerator and beamline layout of the electron andpositron accelerator complex.

∗ kazuro.furukawa@kek.jp

3.

2023 年度までの運転統計記録

Figure 3 に年度毎の運転統計情報のうち、入射器運転時間 (Operation hour)、機器故障時間比率 (Partial failure)、入射中断時間比率 (Injection stop) を示す。少しわかりに
くいが、いずれかの主要加速器装置が故障している状

1980
1990
2000
2010
2020
年度 1970
入射エネルギー 実験エネルギー 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4施設
Photon Factory

2.5 GeV

2.5 GeV

TRISTAN

2.5 GeV

32 GeV

低速陽電子

2.5 GeV - 55 MeV

0.1 - 35 keV

KEKB

8 / 3.5 GeV

8 / 3.5 GeV

PF-AR

2.5 GeV - 6.5 GeV

5 - 6.5 GeVSuperKEKB

7 / 4 GeV

7 / 4 GeV

入射運転

建設

入射運転

建設

運転

運転
建設

入射運転
入射運転
建設

入射運転

Figure 2: History of electron/positron accelerator projects operated by the injector LINAC.

Statistics of the Injector Linac Operation
8,000

Table 1: Required Injector Beam Parameters

8TRISTAN

KEKB

7,000

SuperKEKB
Operation hourPartial failure

6,000

765,000

54,00043,00032,0002

1,000

10Rates (%)

Operation (hour)

Injection stop

Beam
Beam energy
Normalized emittance γεx/yEnergy spread
Bunch charge
No. of bunches/pulse
Repetition rate

Positron
4.0
100/150.16
42Electron
7.007
40/20
0.07
4250

GeV
µm%nCHz01982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022Fiscal year

Figure 3: Yearly operational statistics of the injector LINAC.
Operation hours (green), failure rate (blue), injection stop rate(red) are shown. Certain failures do not directly cause the injection stop.

態が機器故障時間であり、故障があっても冗長構成のために、自動または運転員の介入によって、ビームの加速入射が可能になる場合も多い。冗長性の無い機器の故障や誤動作によって、蓄積リングへの入射が不可能となる状態が入射中断時間であり、1% 以下の入射中断時間比率を目指している。
運転時間は、年間 5,000 時間を超える年が多く、特に
KEKB と SLAC の PEP-II の競争が激しかった 2000 年
代前半には、年間 7,000 時間を超えることも珍しく無かった。KEKB 計画や SuperKEKB 計画に向けては入射器の改造建設も幅広く行われたが、いずれの時期も PFの放射光実験は継続していたため、入射器の途中に仮の電子銃を設置した上で、PF リング向けの入射エネル
ギー 2.5 GeV の電子を生成して、できるだけ入射運転を長く確保した。建設のための最も長い連続停止期間は、KEKB 建設時には 9 ヶ月、SuperKEKB 建設時には5 ヶ月しか確保できず、作業計画に工夫を凝らした。最近は SuperKEKB 向けの蓄積リングや入射器の改造時間も多く、また電気料金高騰のために、運転時間が制限されている。
故障時間比率については、過去にいくつかのピークが見える。各素粒子物理実験計画において、入射ビーム特性に対する要求がより厳しくなり、また新しい装置が設置されるため、TRISTAN、KEKB、SuperKEKB のそれぞれの運転開始時に故障比率が上昇する。機器の初期故障もあり、また新しい装置の故障修理の経験が浅いために、故障回復までの時間が長くなってしまうことが影響している。さらに、ビームに対する冗長機能があっても、より多くの時間をビーム調整に要してしまう場合もある。しかし、新しい装置の理解や入射運転の限られた資源内での特性の見極めが進むことによって、適切な対応による改善が見られるようになり、より円滑な運転が実現されて故障時間比率が下がってくる。
KEKB 計画の初期においては、多数のクライストロンやマイクロ波電源などの大電力装置が導入されたことや、電流が大幅に増大して電子銃直後や陽電子標的直後の加速管の交換を運転中に行わざるを得なかったことで、故障修理に大きな時間が割かれ、7% を超える故障時間となったが、徐々に落ち着いている。
SuperKEKB 計画においては 2 つのピークが見られるが、5 蓄積リング同時トップアップ入射 [6] に関連しており、想定されていたことである。2017 年にはパルス電磁石を含め [7]、多数の同時トップアップ入射向けのパルス動作機器が設置されて、その動作調整を放射光向け入射運転の合間に行っていたために故障時間が増加した。また、2019 年に本格的な同時トップアップ入射を伴った SuperKEKB 運転が始まって以降は、入射ビームの電荷量やエミッタンスの要求も Table 1 のような設計性能を目指して次第に厳しくなり、加速装置やビームを適切な状態に保つことがより困難になったことも故障時間に作用している。
入射中断時間比率については、最近まで目標とする1% 以下を達成していた。ユーザに対する実験可能時間(Availability) は、蓄積リングなどの障害にも左右されるので、入射器起因の入射中断時間は、できるだけ少ないことが望ましい。KEKB 計画や SuperKEKB 計画の初期には故障時間同様に入射中断時間も増加しており、特に SuperKEKB 向けには先に述べたようにビーム性能の要求が厳しく、装置故障だけでなく適切なビーム特性に保つための調整操作にも時間が振り向けられて、入射中断時間比率が 1% を超える時期もあった。
同時トップアップ入射は、Fig. 4 に示すように同時に4 つの仮想加速器に対して運転操作を行わなければならないため、運転員に対する負荷も高く、障害対応に144:00

Event-based
Control System

2021年度

120:00F.B
e− GunF.B

PF Injection

ARCe– (2.5GeV, 0.2nC)

故障時間 (時間)

Every
20 ms

F.B
e− Gun
ARC

96:00

72:00

48:00

24:00

Damping ring

F.B

SuperKEKB-LER Injection

0:00
電磁石 加速管 冷却水

真空制御

タイミン
入射部
グ

設備

地震
その他
落雷等

故障（時間）

120:01

20:33

13:49

9:56

5:53

22:56

12:47

41:41

14:29

1:05

7:40

入射停止（時間）

24:26

12:13

4:00

6:46

0:29

5:22

10:04

48:02

4:30

0:00

2:14

RF

e– (3.5GeV, 10nC)+e (4GeV, 4nC)

e− GunARC

SuperKEKB-HER Injection

F.B

2022年度

120:00F.B

e– (7GeV, 4nC)
e− GunARC

144:00PF-AR Injection

F.B
e– (6.5GeV, 0.2nC)

Figure 4: Single injector LINAC behaves as four virtual accelerators (VAs) to inject their beams into four separate storagerings. Each VA would be associated with several independent
beam feedback loops.

故障時間 (時間)F.B

e+ Target

96:00

72:00

48:00

24:00

0:00
電磁石 加速管 冷却水

真空制御

タイミン
入射部
グ

設備

地震
その他
落雷等

故障（時間）

129:27

31:05

0:24

0:17

1:08

14:06

2:10

12:53

3:21

0:14

6:05

入射停止（時間）

4:31

18:03

0:16

0:02

0:48

5:31

0:35

11:13

2:24

0:13

2:24

RF

2023年度

120:00

故障時間 (時間)も幅広い知識と経験が必要となっている。同時トップアップ入射の初期には自動化されなかった手続きについて運転操作の誤りなども発生したが、徐々に対策が施され、最近は改善が見られる。
同時トップアップ入射が行われていなかった 2008 年以前や、2010 年から 2018 年の間には、入射の合間にも一部の故障修理を実施することができたが、同時トップアップ入射が 2019 年に導入されてからは、冗長性のない装置の修理は直接入射中断時間に加算されてしまい、入射中断時間を押し上げている。
最近は故障対応も円滑に行われるようになり、大きな改善がある。その改善が見られる 2022 年秋から 2023
年秋までは SuperKEKB は停止していたことに注意が必要であるが、一方その間には入射器内で SuperKEKB に向けた実験的なビーム調整の試みが行われていたこともあり、相反する効果があったと思われる。

144:00

96:00

72:00

48:00

24:00

0:00
RF電磁石 加速管 冷却水

真空制御

タイミン
入射部
グ

設備

地震
落雷等

その他

故障（時間）

28:48

23:52

6:09

0:08

3:01

13:41

1:02

20:31

7:03

0:00

5:53

入射停止（時間）

1:54

12:16

0:49

0:08

0:02

6:31

0:34

9:16

2:55

0:35

2:17

Figure 5: Breakdown statistics of the injector linac operational
failures with failures in blue bars and injection stops in redbars.

射中断時間が長いのは、放電状態が解消されて故障状態から回復してもビーム品質が再現せず、運転者によ運転障害統計は 11 のカテゴリーに分けて蓄積してお る時間を掛けたビーム調整によって入射が可能になるり、詳しい分析も可能となっている。Figure 5 は 2021 場合があるためである。電磁石の障害は当初は目立た
年度から 2023 年度の年度ごとのカテゴリー別の故障時 なかったが、最近はパルス電磁石の停止が相対的に目間 (青) と入射中断時間 (赤) である。
立つようになったため、昨年から制御機構の置き換え2021 年度と 2022 年度は 2 本ずつの大電力クライス を進めている [9]。
トロンの交換が運転中に行われたため故障時間が目装置故障時間の全てを入射中断に繋げないビーム運立っている。入射器内には 60 の加速ユニットがあり、 転技術の向上が図られており、効果が表れている。まそれぞれ 1 本の大電力クライストロンが設置されてお た、さまざまな監視機構の設置により障害処理の事前り、クライストロンの寿命は約 7 万時間強となってい 準備も図られている。
るので、真空の破れがなく、比較的短い時間内に当該入射器では未だに装置の増設が続き変化が大きいが、加速ユニットを予備の加速ユニットに入れ替えること 運転状態が安定してきた場合にはカテゴリー別の故障ができれば、入射中断時間は限定的となる [8]。
率に基づいて次の年の予算配分に重みをつけることも入射中断時間への影響が大きいのは入射部であるが、 考えられる。実際、オークリッジ国立研究所の SNS 施
主な原因は RF 電子銃の空胴放電である。初期には RF 設などでは、そのような方針が停止時間の圧縮に効果電子銃のレーザーの障害もあった。故障時間よりも入 を及ぼしている [10]。

4.

2021 年度から 2023 年度の障害分類

5.

マイクロ波トリップ

加速ユニットの大電力加速装置は故障修理や保守に時間を要するために、日頃から詳細な情報収集が行われている。例えば、Fig. 6 は、マイクロ波装置から見た加速ユニットの短期停止事象 (RF trip) と故障時間比率を示したものである。主に加速管の放電によるマイクロ波の反射を、VSWR の監視インターロックによって捉えてトリップしたものである。

素粒子物理衝突実験と放射光化学実験の双方を実施する電子陽電子複合加速器群の中で、入射器の入射中断比率が突出しないよう監視し、資源の分配を調整することが肝要と考えられる。また、長期の積分データを重視する素粒子物理実験と、短期ユーザのために数時間でも運転を中断させないことを重視する放射光科学実験の双方へ、バランスを考慮した運転計画や保守計画の最適化も重要となる [11]。
運転統計情報の解析により、大電流低エミッタンスの 5 蓄積リング同時トップアップ入射など、高度化する入射運転の最適化を進展させることが期待されるところである。

謝辞
入射器運転統計情報の理解を深める際に意見をいた
だいた、電子陽電子入射器のスタッフと三菱電機システムサービスの運転員の方々に感謝します。

参考文献
Figure 6: RF trips (red) and failures (blue) at the injector linac.
マイクロ波トリップのプロットのうち、2000 年以前は非常に頻度が高い。これは KEKB 蓄積リングへの直接入射のために加速勾配を 2.5 倍に向上させたことと、当初無理をしてビーム電流を向上させようとしたことのために、頻度が高かったものである。その調整に徐々に慣れて、KEKB 運転の後半では頻度は落ち着いていた。しかし、2011 年には東日本大震災のために全ての加速管が長期間にわたって大気暴露され、そのマイクロ波コンディショニングに時間を要し、トリップが増加した。さらに 2012 年から 2015 年については、SuperKEKB向けの建設が本格的に行われ、入射器内の多数箇所が大気暴露されたことが影響したと考えられる。
SuperKEKB のビーム品質の制限が厳しいために、このトリップから加速電圧が回復する際に、ビーム条件の微妙なずれが蓄積リングの運転に影響する場合がある。そのためトリップ頻度を下げるために、毎週 60 台の加速ユニットの運転状況を詳細に吟味し、トリップ頻度の高いユニットの加速電圧を下げて、他のユニットに加速を分担させる努力を続けている。その結果こ
こ 3 年は大幅にトリップ頻度を下げることに成功している。
このようにさまざまな角度から運転統計情報を検討することで、入射運転の改善を図ることが可能となると期待される。

6.

まとめ

KEK 電子陽電子入射器においては、1982 年の運転開始以来、運転統計情報や詳細な障害情報を蓄積している。入射が不可能となる入射中断時間比率は 1% 程度を推移しており、他の研究所に比べても良好な状態を維持している。このような統計情報を分析することにより、運転効率を改善するための知見も得ることができる。

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https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2020/proceedings/PDF/FRPP/FRPP68.pdf[3] S. Kusano et al., “The Operation Logbook System at KEKB
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https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2023/
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2023, pp.635–638. doi:10.18429/JACoW-ICALEPCS2023-

TUPDP048[10] G. W. Dodson, private communication at WAO2010, Daejeon, Korea, Apr. 2010.
[11] K. Furukawa et al., “Beam Operation for Particle Physics

and Photon Science with Pulse-to-Pulse Modulation
at KEK Injector Linac”, in Proc. ICALEPCS2023,
Cape Town, South Africa, Oct. 2023, pp.627–630.
doi:10.18429/JACoW-ICALEPCS2023-TUPDP046