DESIGN OF THE 50MEV LINAC OF THE CENTRAL JAPANSYNCHROTRON RADIATION FACILITY
Masashi Yamamoto∗ A) , Masako ShimanoA) , Ed VillasenorA) , Kosuke NakanishiA) , Taku ItoA) , Takeshi SakaiA) ,Tetsuichi HiguchiA) , Masaru MurakamiA) , Naoki NakamuraA) , Joichi KusanoA) , Hiroji MizushimaA) , Eiji TanabeA) ,Takio TomimasuA) , Yusuke IshikawaB) , Yujiro TajimaC) , Teruyasu NagafuchiC) , Koichi NakayamaC) ,Yoshifumi TakashimaD) , Masahito HosakaD) , Naoto YamamotoD) , Kiyoshi TakamiD) , Atsushi ManoD) , Taku TakanoD) ,Hiroyuki MorimotoE) , Masahiro KatohF) , Yoichiro HoriG) , Shigeki SasakiH) , Shigeru Koda I)A)
AET, Inc.
2-7-6 Kurigi, Asao-ku, Kawasaki, Kanagawa, 215-0033
B)
YDK Co., Ltd.
2-7-5 Kurigi, Asao-ku, Kawasaki, Kanagawa, 215-0033
C)
TOSHIBA Corporation
2-4 Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama, Kanagawa, 230-0045
D)
Nagoya University Synchrotron radiation Research center
Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi, 464-8603
E)
Aichi Science & Technology Fundation
250-3 Minamiyamaguchi-cho, Seto, Aichi, 489-0965
F)
UVSOR Facility, Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences
38 Nishigo-naka, Myodaiji, Okazaki, Aichi, 444-8585
G)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
H)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/Spring-8)
1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198
I)
Saga Light Source
8-7 Yayoigaoka, Tosu, Saga, 841-0005

Abstract
We have developed a 50MeV electron linac for the injector to the booster synchrotoron of the Central Japan Synchrotoron Radiation Facility. This linac can supply a electron beam 1 [nsec] of pulse width and 1 [nC] of charge to thesynchrotron. In this paper, we describe the design of the linac.

中部シンクロトロン入射用 50MeV ライナックの設計
1.

はじめに

中部シンクロトロン [1] の放射光施設は，50MeV ライナックと 1.2GeV のブースターシンクロトロン，1.2GeVの光源リングから構成される．本稿では，このライナックの設計について報告する．ブースターシンクロトロン
から見るとライナックのエネルギーが高いほど，設計や運転が楽になる．一方，ライナックや全体のコストを考えると，ライナックのエネルギーが低いほど望ましい．
このような相反する要求の他に，磁石の精度などにより，シンクロトロンでの加速は概ね 30 倍という制約もある．これから，ブースターシンクロトロンへの入射エ
ネルギーは 40 [MeV] が最低条件になる．RF 源 (クライストロン) や敷地サイズも含めた検討から，ライナックのエネルギーは 50 [MeV] が適当と判断した．
これまでのシンクロトロン入射ライナックは，シングルバンチが入射できる短パルスモードとマルチバン∗ yamamoto@accuthera.com

チの入射が可能な長パルスモードの両方に対応できるものが多かった．しかし，中部シンクロトロンの入射用ライナックは，シングルバンチ入射のみとした．トップアップ運転が予定されており，シングルバンチ入射で十分であると考えたからである．詳細は後で述べるが，この選択により，ライナックの設計・製作は大幅に容易になり，運転時の安定性も向上した．コスト削減にも大きく寄与した．
施設のスペースの関係から，ライナックはブースターリング内の端のほうに設置することになった．その結果，ライナックを構成する全ての機器は，約 5 [m] ×11 [m] の範囲に設置する必要が生じた．できるだけコンパクトに機器をまとめることにより，この要請にこたえることができた．特に，制御系機器や全ての電源を 19 インチ
ラック 3 本に収め，従来のものよりかなりコンパクトに仕上げた．
我々はこのサイズのライナックの設計の経験が乏しいので，可能な限り計算機シミュレーションを多用した．

- 925 -クライストロン

クライストロン
電源絶縁トランス

M
BP T
C

IP
IP
ST

第二レギュ
ラー管

QF
QD
SM

CT

QD
QF

BM

BA

cam

cam

cam

ST
IP

SM

CT

ST

第一レギュ
ラー管

cam

BA

QD
QF

バンチャー加速管

SM

PB

電子銃

CT

直流電源

Beam
Dump

D
Q T
S

IP

IP

IP

SM

RF窓

IP
Pulsermca

Bias PS

SM M
C ＩＴ
Ｌ
Ｓ T
S

IP

Heater PS

図 1: ライナックのシステム構成図．図中の機器記号は本文中で説明．
近年のシミュレーションの精度の向上はめざましく，こ 進行波を得た．加速セルごとに進行波を作成し，それをの程度のライナックの設計であれば十分に対応できる． GPT に取り込んだ．電子銃とフォーカスコイルの静電磁場は，POISSON の計算結果を使った．プリバンチャー
2 . 仕様とシステムは定在波型なので，SUPERFISH の計算結果をそのまま
表 1 にライナックの基本仕様を，図 1 にシステム構 GPT に取り込んだ．
表 1 に示したライナックの仕様の中で，当初，エネ成を示す．ビーム仕様のエネルギー拡がりとエミッタンルギー拡がりが最も達成が困難と思われた．パルス幅
スは，ブースターリングのアクセプタンスから決まっている．パルス幅はブースターリングの RF 加速空洞の運 が 1 [nsec] なので，ライナックでは 3 バンチ程度が加速転周波数 500 [MHz] の半周期で，ひとつの RF バケット されることになる．ウェークフィールドによるバンチ間のエネルギー拡がりが問題になるからである．そこに入射するためである．
で，GPT の計算結果にウェークポテンシャルを追加してエネルギー拡がりを求めた．ウェークポテンシャル
表 1: ライナックの仕様
は，SLAC の加速管のデータ [3] を用いた．GPT の計算
運転周波数2856 [MHz]にウェークポテンシャルを加えて得られた加速管出口でビームエネルギー
50 [MeV] 以上のビームのエネルギー分布を図 2 に示す．この計算結エネルギー拡がり±0.5 [%] 以下
果により，エネルギー拡がりの仕様を満足する見通しを得た．その他の仕様については，もちろん十分満足してパルス幅
1 [nsec] 以下いる．
電荷量
1 [nC] 以上
2π [mm · mrad] 以下

0.012

1 [nsec] の電子ビームは，100 [kV] の電子銃で発生させている．この短パルスのビームをそのまま加速する．
電子銃からのビームはプリバンチャーである程度バンチングされてから，バンチャー加速管に入射される．その出口で約 12 [MeV] まで加速された電子は，二本のレギュラー加速管で 50 [MeV] 以上に加速され，BT 系へ送られる．BT 系でブースターリングとのマッチングをとり，入射セプタムにビームを導く．

3.

0.010Intensity [nC/keV]

90%非規格化エミッタンス

0.008
0.006
0.004
0.002
0.000
55.6
GPT

55.8

56.0
56.2
Energy [MeV]56.456.6

図 2: ライナック出口でのビームのエネルギー分布．

ライナックのビーム計算

ラ イ ナック の ビ ー ム 計 算 に は ，General ParticleTracer(GPT) [2] を用いた．計算に用いたエレメントは，電子銃とフォーカスコイル，プリバンチャー，加速管，Q磁石である．これらのうち，Q 磁石を除いたエレメントの電磁場は SUPERFISH と POISSON で計算されたマップファイルを用いた．Q 磁石も三次元計算結果の磁場を取り込むことも可能ではあるが，GPT に用意されている漏れ磁場のない Q 磁石エレメントを用いた．加速管は進行波型なので，その電磁場を求めるのがやや複雑である．ここでは境界条件を変えて計算された SUPERFISHの電磁場のマップファイルを重ね合わせることにより，ライナックで生成されたバンチは，BT 系へ送られる．
BT 系では，ブースターリングでの取り合い点である入射セプタム磁石でのツイストパラメータが決められている．また，運転を容易にするために，ライナックの最終スクリーンモニターでビームを X/Y 方向ともフォーカスさせることが望ましい．これらの条件に合致する BT系の磁石の配置と磁場強度は，TRACE-3D [4] を用いて計算した．Q 磁石が 3 個と少ないため，かなり制約が厳しかったが要求する磁石配置は得られた．BT 系でのビームサイズの計算結果を図 3 に示す．

- 926 -

10.00 mm (Horiz) 30.0 Deg (Long.)

QQ

Q

10.00 mm (Vert)

Length= 4124.71 mm

図 3: TRACE-3D で計算された BT 系でのビームサイズ．

4.

各機器の設計4.1

立体回路

ク ラ イ ス ト ロ ン は ，最 大 出 力 は 50 [MW] の 東 芝
E3730A を選定した．本ライナックの必要な RF 電力は 36 [MW] 程度，パルス幅は 0.6 [µsec] であるため，クライストロンには十分余裕がある．ピーク電力が36 [MW] と高いので導波管は真空タイプとしたいところではある．しかし，これまでの実績とパルス幅が短いことを考慮し，コストの低い SF6 加圧 (0.2 [MPa] ) タイプを選択した．ただし，15 [MW] 以上の大電力部分は SLAC フランジを用い，それ以下の電力では CPR284G(シーメンスタイプ) フランジとした．これまでの運転で導波管での放電は観測されていないので，正しい選択であったと考えている．
具体的な立体回路の構成は，図 1 に示す通りである．
プリバンチャーとバンチャー加速管に接続される系には移相器と減衰器が設置されている．第二レギュラー加速管に接続される系には移相器が取り付けられている．
これらの減衰器や移相器は PLC で制御される．
クライストロンの出口とプリバンチャーの入口，加速管の入口と出口に方向性結合器が設置されており，RF電力や位相の観測が可能である．

4.2

0.16 [Joule] となる．放電が起きた場合，最大この程度のエネルギーで電極の損傷を与えることになる．これがどれだけのインパクトがあるかは分からないが，実際にこの電子銃で発生した放電は小さく，耐電圧低下はおきていない．
カソードは，表面積が 0.5 [cm2 ] の CPI 社の Y-845 である．このカソードは，コンフラットフランジ (ICF-70)
付きで使いやすい反面，位置決めが難しい．本電子銃では，このフランジの外径を基準に位置決めを行う構造とした．アノードは，3 次元測定器による実測により位置決めを行った．
グリッドパルサーは，Kentech 社製のものを使っている．ユニットを交換することで，0.56, 0.7, 1.05 [nsec] のパルス幅が選択可能である．この中から，ブースターリングへの入射効率のよいものを選ぶことになる．このパルサー電圧とバイアス電圧は，新たに開発した短パルス伝送線路を通して，カソードに供給される．
電子銃の電極の設計には，GPT と POISSON により行った．POISSON により静電場を計算し，計算された静電場のマップファイルを GPT に取り込んで，ビームトラッキングを行った．
チェンバーは残留磁場の少ない SUS316L を用いた．
効果のほどは分からないが，放電防止を目指し，その内面は複合電解研磨を行い鏡面状態に仕上げた．
直流の電子銃は，その静電場によりホコリを吸着しやすい．これは放電に対して望ましくないので，電子銃の高電圧部と電源はヘパフィルターを備えた簡易的なクリーンルームで囲んだ．これは，人に対する感電防止も兼ねている．
表 2: 電子銃とその電源の仕様

電子銃とその電源

電 子 銃 と そ の 電 源 の 仕 様 を 表 2 に 示 す．直 流
100 [kV] 印加の電子銃である．パルス印加に比べて，安定度が高く，ノイズを出さないことが有利である．反面，放電の問題が付きまとう．それを防ぐために，電子銃の表面電場を 7 [MV/m] 以下，特にトリプルジャンクション部は 1.5 [MV/m] 以下 [5] に抑えるように設計を行った．POISSON による表面電場の計算結果を図 4 にしめす．最大表面電場はアノード電極部分で 6.49 [MV/m] ，トリプルジャンクション部で 0.43 [MV/m] である．しかしながら，それでも放電は発生した．ただし，以降に述べるような理由から致命的なことは生じなかった．
POISSON の 計 算 結 果 か ら 電 子 銃 の 静 電 容 量 は ，33 [pF] 程度であることが分かった．したがって，電子銃から 2 [nC] の電荷が放出されれも，電圧低下は 66 [V] 程度である．この電圧低下は十分低く，電子銃本体やその高圧電源には余分な静電容量が不要であることが分かる．
そもそも，パルス幅が 1 [nsec] 程度なので，30 [cm] 以上距離が離れている電源に静電容量を持たせても意味がない．したがって，放電が発した場合のダメージを少なくするためには高圧電源の静電容量を少なくすることが重要である．
余分なコンデンサーが不要になったことで，電子銃部の静電エネルギーを抑えることができた．先に示した 33 [pF] ，100 [kV] の場合，静電エネルギーは

電子銃電圧 (通常運転)

DC100 [kV]

ビームパルス幅

1 [nsec] 以下

アノード電流 (ピーク)

3 [A] 以上

カソード

CPI 社 Y-845

高電圧電源

DC 0–120 [kV] 連続可変グリッドパルサーパルス幅

0.56, 0.7, 1.05 [nsec] 選択

グリッドパルサー電圧

180–300 [V] (負荷 50 Ω )グリッドバイアス電圧

0–200 [V] 連続可変

図 4: 電子銃の表面電場．表面から法線方向に伸びた色つきの長さと，色で電場強度を表現．

4.3

プリバンチャー・加速管

表 3 にプリバンチャーおよび加速管の仕様を示す．
プリバンチャーは標準的なダブルリエントラント型空洞で，RF は N 型コネクターによりフィードされる．410 [W] の RF 電力を投入し，100 [keV] のビームに- 927 -

13.5 [keV] の速度変調を与える．機械加工に必要なプリバンチャーの寸法は，MW-Studio [6] を用いた三次元電磁場解析により決められた．結合度は，周波数と位相の関係を計算し，計算結果を理論式でフィッティングすることにより求めた外部 Q により評価した．
バンチャー加速管および二本のレギュラー加速管は，進行波型の加速管となっている．これらの加速空洞のコーナーは R8 [mm] としている (図 5 を参照)．これにより，従来のコーナーが直角になっているものに比べ，シャントインピーダンスが 8 [%] 向上した．また，レギュラー加速管は，従来の準定電界型とは異なり完全な定電界型としている．これらの二つの方式を比べると性能はほとんど変わらない．また，設計や製作の手間も変わらないので，定電界型を選択した．RF の条件や製作精度の検討を行い，加速管のディスク穴径の分布を決めた．
最終的に決まったディスク穴径の分布は，SLAC の 3m
加速管の後半部と良く似ている．
加速管の場合はカップラー部を除いて軸対称なので，二次元の電磁場解析コードが使える．ここでは，SUPERFISH よりも精度が良く，進行波も取り扱える NATSUI[7]
コードを用いた．全ての加速セルにおいて，メッシュサイズによる収束の様子の確認を行い，注意深く寸法計算を行った．その結果，寸法の計算精度は 1 [µm] 以内に収めることができた．
加速管のカップラー部の寸法計算には，MW-Studio を用いた．その計算モデルを図 5 に示す．カップラー部の設計で重要なことは，(1) 導波管系とのマッチングをとる，(2) ビーム軸付近の電磁場の対称性，(3)2π/3 モードの周波数である．マッチングの計算には，外部 Q を計算する方法と Kyhl の方法 [8] を用いた．カップリング
アイリス寸法が最適値から遠い場合には，外部 Q を用いる方が便利である．最適値に近づくと，Kyhl の方法が計算精度が高い．ビーム軸付近の電磁場の対称性は，ビーム軸付近の磁場を確認しながら，導波管と反対側のくぼみ (三日月カット) の寸法を調整した．周波数の調整は，空洞壁の寸法調整により行った．2π/3 モードの周波数の確認にも，Kyhl の方法が有効である．
実際の調整加工では，カップリングアイリスは計算値よりも，2 [mm] 小さい寸法から始めた．最終的には，MW-Studio で計算した寸法に近い値となった．

図 5: 加速管のカップラーの三次元 RF 計算の様子．

表 3: プリバンチャーと加速管の仕様．これらの高周波
空洞の Q 値は，計算値の 90 [%] 以上と仮定している．
運転周波数2856 [MHz]プリバンチャー
シャントインピーダンス

0.8 [MΩ] 以上

Q値

9500 以上

カップリング (β)

5±2 以内RF 電力

410 [W]

ギャップ電圧13.5 [kV]

バンチャー加速管
加速セル数26全長 (フランジ間隔)

976 [mm]

Q値

13700 以上

シャントインピーダンス

57 [MΩ] 以上

フィリングタイム

0.395 [µsec]

RF 電力

7 [MW]

加速エネルギー

11.5 [MeV]

レギュラー加速管
加速セル数

4.440

全長 (フランジ間隔)

1476 [mm]Q値13900 以上

シャントインピーダンス

87 [MΩ] 以上

ロスパラメーター

28.5 [kV/nC]

フィリングタイム

0.542 [µsec]

RF 電力

11 [MW]

加速エネルギー

22 [MeV]

電磁石と電源低エネルギー系の収束には，ブリリアンフローに近い磁場をつくる空芯の 5 組のコイルを用いている．この磁場がカソード表面まで達するのを防ぐために，電子銃にはバッキングコイルを，電子銃直後には磁気シールドを設けている．ライナックには，バンチャー加速管直後と第一レギュラー加速管直後に，それぞれダブレット (図 1 の QF, QD) を配置している．また，BT 系には，ブースターリングとのマッチングのために，3 台の Q 磁石がある．ライナック部のステアリング磁石は全て空芯として，加速管に抱かせる方式にした．これは，加速管の間が狭いので，スペースの節約を目的としている．30度偏向後の BT 系のステアリング磁石 2 台 (図 1 の ST)
はヨーク付きで，手のひらにのるサイズである．この 2台の磁石は垂直方向のみの補正に用いる．水平方向の補正は，偏向磁石のトリムコイルを用いることにした．
これらの電磁石設計では，二次元計算には POISSONを三次元計算には EM-Studio [6] を用いた．これらのシミュレーションコードは，この程度の電磁石設計に十分な計算精度がある．磁場計算よりも，電源容量や線材の選定のための熱計算の方が手間がかかる．コイルの熱計算は，自作のコードあるいは POISSON を使った．
電源はコストを考慮して，市販のスイッチング電源，(株) 高砂製作所の ZX シリーズを選択した．特に安定度の厳しい偏向磁石の電源については，その特性も測定- 928 -し，問題の無いことを確認している．この市販の電源を用いることにより，大幅なコスト低減が達成できたことは言うに及ばず，小型化および制御の容易性の意味でも大きなメリットがあった．大量に製造販売されているので，故障が生じたときに迅速な交換が可能である，

5.

まとめ

2012 年の 3 月の後半にライナックの組み立て作業が完了 (図 6) し，すぐに RF エージングを始め，月末には仕様のビームを確認した．全ての機器が設計通りに動作していると考えている．かなりの短期間でライナックの立ち上げができた．
4.5 ビームモニター
ビームを出すまでのライナックのコンディショニン
ライナックおよび BT 系のビームモニターは，ビームグ (主に RF エージング) は，非常に簡単であった．これ
電流/電荷測定用に 4 台の高速 CT(図 1 の CT) と 1 台のチャージモニター (図 1 の CM) を備えている．それぞ は，RF パルス幅が 0.6 [µsec] 程度と短かったからであれ，Bergoz 社製の標準品を用いた．また，ビームダンプ る．ビームのパルス幅が 1 [nsec] と短いため，RF パルはセラミックスにより絶縁されているため，そこでも電 ス幅は加速管のフィリングタイムよりも少しだけ長けれ荷量の測定が可能である．ビーム位置/形状観測用には， ば十分である．電子銃同様，ここでもビームパルス幅を5 台のスクリーンモニター (図 1 の SM) を用いる．また， 1 [nsec] としたことで，加速器の運転を容易にしている．
本ライナックを設計する上で，様々な計算機シミュBT 系出口にも，位置モニター (図 1 の BPM) を備えてレーションを行った．近年の精度の向上により，物理的いる．ビームエネルギー測定には，30 度偏向磁石 (図 1の BM) と幅 1mm のスリット (図 1 の SLT)，チャージ 内容を理解し注意深く使いこなせば，ほぼ設計寸法を得ることができるようになっている．我々のように過去のモニターあるいは高速 CT を用いる．また，スリットを用いないで BT 系の最終のスクリーンモニターでもエネ 加速器設計の資産がないような者でも，一通りの設計がルギーの測定が可能である．エミッタンスの測定は，偏 可能であるという実感が得られた．
向磁石前後の Q 磁石とスクリーンモニターで行う．
4.6

真空系

ラ イ ナック お よ び BT 系 は ，8 台 の 排 気 速 度
55 [ℓ/sec] のイオンポンプ (図 1 の IP) で排気する．そのうち 2 台が電子銃用，4 台が加速部用，2 台が BT 系用である．真空度の監視は，これらのイオンポンプ電流と 2 台の BA ゲージ (図 1 の BA) により行っている．
ライナックの設置場所が狭いため，ビームライン上の真空機器の接続にコンフラットフランジの使用をあきらめた．代わりに，EVAC 社のアルミエッジシールのクイックフランジ NW40 を採用した．このフランジはスペースの節約になる半面，コンフラットフランジに比べ取り扱いが難しい．接続するフランジのアライメン
トが悪いとリークが発生することがあった．ビームラインから外れた箇所はコンフラットフランジを用いた．接合するパイプは，SUS304 の BA 管の電界研磨仕上げとした．
独自に作成したコードで真空システムの真空度の評価を行った．それは，真空領域を適当に分割し，領域間のコンダクタンス，脱ガス量，排気速度から真空度を計算する．コンダクタンスの計算は，参考文献 [9] に示されている計算式を用いた．脱ガス量 [Pa · m3 /sec/m2 ] は，SUS 材:4.0 × 10−8 ，無酸素銅材:4.0 × 10−8 ，セラミック
ス：1.0 × 10−8 とした．計算の結果の真空度 [Pa] は，電子銃本体:6.9×10−7 ，バンチャー加速管中心:6.6×10−6 ，レギュラー加速管中心:1.1–1.2 × 10−5 となった．各イオンポンプは，2.6–8.3 × 10−7 である．この計算により，ライナックの運転に支障のない真空度の見通しを得た．
実機の真空度も計算で得られたものと同程度で，設計通りになっていると考えている．

図 6: 中部シンクロトロン入射用 50MeV ライナック

参考文献[1] N. Yamamoto, et al., ACCELERATORS OF THE CENTRAL JAPAN SYNCHROTRON RADIATION FACILITY
PROJECT , Proceedings of IPAC’10, Kyoto, May, 23-28,
2010.
[2] Pulsar Physics, http://www.pulsar.nl/index.htm.
[3] K. L. Bane, et al., WAKE FIELD AND WAKE FIELD ACCELERATION , SLAC-PUB-3528, Dec., 1984.
[4] K. R. Crandall, et al., TRACE 3-D Documentation .
[5] T. Shintake, et al., Design and Construction of ElectrostaicSeparators for TRISTAN Main Ring , KEK Report 88-17,Mar., 1989.
[6] Computer Simulation Technology, http://www.cst.com/.
[7] 夏井拓也, 高周波電磁場解析のための 2 次要素を使った有限要素法の研究 , 秋田工業高等専門学校専攻科特別研究論文, 2005.
4.7 制御[8] E. Westbrook, MICROWAVE IMPEDANCE MATCHING
OF FEED WAVEGUIDES TO THE DISK-LOADED ACライナックと BT 系を構成する電気機器やモニター類
CELERATOR STRUCTURE OPERATING IN THE 2π/3
(高速 CT を除く) は，PLC により制御される．これら
MODE , SLAC-TN-63-103”, 1963.
を制御するプログラムは，全て EPICS 上で作成された．
[9] 株式会社アルバック, ”新版 真空ハンドブック”, 株式会
ライナック用の 1 台の GUI を備えた PC で制御可能で社オーム社, 2008ある．加えて，上位の PC からの制御もできる．

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