Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP051

RCNP リングサイクロトロンのフラットトップ空洞電場解析と密同調システム
改良
ANALYSIS OF THE ELECTRIC FIELD AND IMPROVEMENT OF THE FINE TUNERFOR FT CAVITY IN THE RING CYCLOTRON IN RCNP
安田裕介#, 畑中吉治, 福田光宏, 依田哲彦, 植田浩史, 斎藤高峯, 森信俊平, 田村仁志
Yusuke Yasuda #, Kichiji Hatanaka, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroshi Ueda,
Shunpei Morinobu, Hitoshi Tamura
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University

Abstract

Flat-Top(FT) cavity in the ring cyclotron at RCNP was improved in March, 2014. The fine tuning system waschanged from the system with a cylindrical block (compensator) to the one with the shorting panels. Its purpose was tomake it easy to modify the frequency and to decrease the influence on the electric field and the impedance of the cavity
when the fine tuning works. The shorting panels not only change the resonant frequency but also modulate thefrequency and keep an impedance phase. The cylindrical block was also improved to be used in modifying theaccelerating electric field. The electric field in FT cavity was studied to design the improvement plan by the simulation
before this work. The new fine tuning system worked for a time but it is necessary to be optimized. The examination of
the electric field by the modified cylindrical block is in the planning stage.

1.

を行ってきた。導入管から加速空洞への結合は L結合(Inductive coupling)である。

はじめに

大 阪 大学 核物 理研 究セ ンタ ー （ RCNP ）で は、AVF サイクロトロンとリングサイクロトロンが稼働しており、陽子ではＡＶＦサイクロトロンの単独運転で 65MeV、さらにリングサイクロトロンの運転で400MeV までビームを加速し、実験、照射を行っている。
リングサイクロトロンには３台の加速空洞の他にフラットトップ（FT）空洞が設置され(Fig. 1)、加速空洞の３倍波を用いた加速エネルギー補正を行っており、ΔE/E～0.01 %のエネルギー幅を実現している。
RCNP では 2014 年 1 月から 3 月にかけて老朽化箇所の改修とビームの高強度化、高品質化に向けた加速器と入出射系の改良およびビームラインの新設工事などを行った [1,2]。この際、FT 空洞をより安定か
Figure 1: A whole view of the ring cyclotron at RCNP.
つ効率的な運転ができるように改良を行った。以下
FT cavity, its power feeder, and the amplifier cabinets are
では、FT 空洞の概要、これまで FT 空洞が抱えていseen from the center to the lower right in the picture.
た問題とＦＴ空洞の電場解析の結果、今回の工事での改良点、改良後の性能を示す。
Table 1: Specification of FT Cavity
TypeSingle gap resonator

2.

FT 空洞概要

FT 空洞の主な仕様を Table 1 に、概略図を Fig. 2に示す。FT 空洞は単純には箱型の構造をしており、
H101=TE110 モード で周波数 90-155MHz、約 50kVの高周波電場を印加し、粒子のエネルギー補正を行っている。共振周波数の変更（粗同調）は主に共振器上下のショート板パネルを上下して行い、それとは別に円筒型ブロック（コンペンセータ）を空洞内に出し入れすることで補助調整（密同調）Operating frequency

90 – 156 MHzFrequency
tuningsystemMax. output power

Shorting panels

Max. gap voltage

70kV___________________________________________# yuusuke@rcnp.osaka-u.ac.jp- 614 -45kW

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0.04
Δf [MHz]0.02
0-0.02-0.04

105MHz-0.06

137MHz-0.08-0.1

Figure 2: Schematic view of FT cavity in the ring
cyclotron at RCNP.

3.

問題点

151MHz
050

100

150

Compensator tip position fromthe wall of FT cavity[mm]Figure 3: Frequency variations by the fine tuning block(compensator) at three resonant frequencies by thesimulation. It is noticeable that frequencies don’t vary inthe one direction when the fine tuning block goes into thecavity.

共振周波数の密同調装置である円筒型ブロック（以下コンペンセータ）は直径 310mm で、加速器中心から見て Dee 電極の外側でリングサイクロトロ 4.
改良内容
ンの Median plane 上に位置している。さらにその外側の壁面にはパワーフィーダーからの入力結合があ 4.1 密同調装置の変更る(Fig.2 参照)。自動同調時には、周波数を一定にし、 密同調装置をこれまでのコンペンセータから別の入力インピーダンスを５０Ωに保つように、空洞内 方式に変更することが今回の改良で最も大きな課題
ピックアップからの信号、パワーフィーダーへの反 であった。これまでの装置の問題点から、①周波数射信号を基にパルスモーターによってコンペンセー の変調の向きが動作の向きと一定の関係であること、タが出し入れされていた。
②これまでより周波数の変調範囲を広くとること
以前から、変調周波数幅が狭いこと、コンペン （200-300kHz）、③密同調装置を動かしても電場分セータの位置によってインピーダンス変化の特性 布への影響が小さいこと、を念頭に検討を行った。
（Ｌ性およびＣ性）が変わってしまうことが指摘さ検討中の電場計算の結果からは、空洞内で小さなれており、周波数によって自動同調時の応答方向 ものを動かすと周波数の変化が小さい反面電場分布（Ｌ性、Ｃ性）を切り替えて運転していた。これに への影響が大きいことが分かった。そこで、上下のつ い て 3 次 元 電 磁 場 解 析 ソ フ ト ショート板パネルを微動させることにより自動同調SOPRANO/EV(Opera-3d)を用いてコンペンセータの 時に密同調装置として使用することが提案された。
位置と周波数の変化を計算した（Fig. 3）。コンペン 以前のコンペンセータと新たに採用したショート板
セータの駆動範囲は先端位置が空洞壁面から 65mm パネルによる周波数補正の性能について電磁場計算～165mm (0mm が壁面に一致し空洞内に全く入って を行い比較した結果を Fig. 4 と Table 2 に示す。
いない状態)の 100mm であったが、その間で、周波 Figure 4 では、基準となる状態 (空洞高さ 600mm、数の変わり方の向きが変わっていることが Fig. 3 か コンペンセータ先端位置 135mm)に対して、①コンら分かる。このため、改良前はコンペンセータを先 ペンセータを 50mm 引き出した場合(青線)、②上下
端 90mm 付近で駆動範囲を約 10mm 程度(変調幅約 ショート板を 1mm ずつ内側に動かした場合（赤線）6kHz)にして運転していた。また、さらなる補正の に、基準の状態から電場分布が何%変わったかを加ために、側板に流す冷却水の温度を調整して周波数 速ギャップの中央を通る空洞の中心（Fig. 2 緑線）補正を行っていた。にそって示した。空洞内半径側が 0mm である。こ
実機の測定では、コンペンセータの位置と入力イ のとき、①は 0.03MHz、②は 0.4MHz 変調し、電場ンピーダンスには相関があり、同調をとるためにコ 分布はそれぞれ加速領域内の最大で①0.7%、②0.5%ンペンセータが動くと整合が取れなくなることが確 変動している。位相を±1°で制御する場合それぞかめられている。また、Median Plane 上にあるコン れ①±5×10-3 %、②±3×10-4 % の変動となり、新ペンセータを動かすことにより、電場分布が変わり、 方式では電場への影響を約１桁小さくすることがでビームに影響することが考えられた。
きることが分かった（Q=1×104 を仮定）。機械的にはモーターを交換し、さらに減速機を取り付けることで、上下ショート板パネルの移動分解能を 1μm以下にすることが可能との意見を受け、この方式を採用することとなった。

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Figure 4: Differences of the electric field from a standard
one obtained by simulations when the old or new finetuning system works. The horizontal axis shows thedistance from the inner wall on the center line of thecavity (the green line in Fig. 2). When the old system(tuning block, blue line) moves 50mm, it varies 0.03MHzin the frequency and modifies the electric field at 0.7% at
the maximum in the accelerating region. When the newfine tuning system (shorting plates, red line) moves 2mm,
it varies 0.4MHz and modifies the electric field at 0.5% at
the maximum.
Table 2: Comparison between the Old and New Fine
Tuning Systems at around 150MHz by the Simulation
OldNewCompensatorfine tuningsystemsystem
Tuner action

135mm→85mm(tip position)ΔfΔE(max)Δf/mm

0.03 MHz0.7 %0.5 kHzU/D panels
move 1mm
toward thecenter
0.4 MHz0.5 %0.3 MHz

Requiredmechanicalresolutionfor0.2kHz ( 1deg. inthe impedance)

300μm

0.5μm

Figure 5: Simulated electric fields when the compensator
block enters the cavity at about 150MHz. The tip
positions of the block are 90mm(black), 160mm(red),190mm(green), 196mm(blue), and 200mm(purple). The
electric field begins to vary extremely when the tip of theblock gets over 190mm.
4.2

コンペンセータブロックの改良

自動同調による周波数補正を上下ショート板パネ
ルに行わせることとし、コンペンセータの円柱ブ
ロックはブロックを延長して電場分布の補正に使用することとした。これは、FT 空洞の電場分布をメインの加速空洞の分布に近づけることで、ビーム加速の調整をしやすくすることが目的である。メイン加速空洞は加速ギャップの範囲で半径が大きくなるにつれて単調に高周波電場の強度が増加するのに対し、FT 空洞では途中で極大になり半径が大きい部分で電場強度が下がっていた。コンペンセータブ
ロックの先端位置を変えて計算して得られた電場分
布 Fig. 5 に示す。
Figure 5 から、コンペンセータブロックを FT 空洞内部に入れていくと半径が大きい側の電場強度が上がり、加速ギャップ範囲内で単調増加の形を作ることができることが分かる。検討の結果、コンペンセータブロックの先端を 135mm～235mm の範囲で動かせるように改良した。円柱ブロックの位置は加速周波数ごとに固定して使用する。
4.3制御系の PLC 化

制御系については、これまでコンペンセータの手動制御は手作り回路でパルスモーターを駆動しており、全体の制御系に含まれておらず、操作がしづらかった。また、今回、上下ショート板パネルの駆動モータを変更し、さらに自動同調に対応する必要があったため、FT の全駆動と自動同調のシーケンス部分をＰＬＣに行わせることにし、全体の制御系下- 616 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2014-SAP051に置いた。
4.4

コンタクトフィンガーの向きの変更

上下ショート板パネルのコンタクトフィンガーの向きを変更した(Fig. 6)。これは、コンタクトフィンガーと空洞壁面の隙間で起こると考えられるマルチパクタリングを防ぐためである。

Figure 6: Photographs of contact fingers on the shorting
panel before and after the work.

5.

改良後の性能とまとめ上下ショート板による周波数補正については、自動同調の運転条件の最適化を目差して R&D を続けながら約２か月半運転を行った。これまでの結果、入力インピーダンス位相への応答は約 2μm/deg.である。Table 2 にある予想値の 0.6μm/deg. と比べて数倍の違いがある。新しい自動同調によって安定して運転できたこともあったが、PLC の自動同調システムのトラブルもあり、安定した運転にはパラメータの最適化等さらなる R&D が必要である。
改良したコンペンセータによる電場分布の補正はこの２か月半の運転期間には試験することができず、コンペンセータは内部から最も引き出した状態で運転を行った。運転期間終了後、陽子 392MeV の運転条件(152MHz)で試験した際には、コンペンセータは目標の位置まで入れることができなかった。これは、コンペンセータを大幅にいれた位置では入力カプラーを振っても入力インピーダンス 50Ωの条件を探し出せなかったからである。 FT 空洞の改良工事の直後、ネットワークアナライザーにより FT 空洞の50Ω整合する条件を調べ、コンペンセータをある程度空洞内にいれた場合でも 50Ω整合をとることができることを確認していたが、この運転条件では測定を行っていなかった。今後は運転周波数ごとのローレベル測定を行い、それをもとに運転状態での空洞で電場分布を改善する条件を探すことが必要である。

参考文献[1] K. Hatanaka, et al., Proceedings of this conference.
[2] T. Yorita, et al., Proceedings of this conference.

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