Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan ( September 6 —8,1995, Osaka, Japan)

Measurement o f accelerating frequency and beam loading curve at Tohoku 300 MeV linac
K.Watanabe, B.Feng, A.Kurihara, T.Nakazato, M.Oyamada, Y.Shibasaki,
S.Takahashi, S.Urasawa, M.Yukishima and T.Yamakawa
Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku-ku, Sendai, 982 Japan
ABSTRACT•Tohoku 300 MeV linac was constructed in 1967. The linac operation has been stopped since October 1994 andthe construction of Stretcher-booster-ring (STB) has started from this year. Before that time, accelerating frequency
and beam loading curve were measured to optimize STB basic parameters. These results indicate that some
improvements are necessary to realize the desired performance of STB.
核理研ライナックの最適加速周波数とビーム負荷曲線の測定

1. はじめに

2. 核理研ライナック

核理研ライナックは 1967年に完成して以来、平成6 年 1 0 月 ま で 2 7 年間稼働していた。平成 7年度からストレッチヤー . ブ ー ス 夕 リ ン グ （S T B )[1] の建設が開始されるのに伴い、平 成 6 年 1 0 月からSTB完

核理研ライナッグは図 1 のように構成されている。
図 1 において、核 理研ライナックは lm 加速管と2m加 速管 がそれぞれ 8本、 12本から成り立っている。
ライナックで電子ビームを加速するためにこれらの加速管に高周波電力を供給する。 lm 加速管に高周波電力 を 供 給するのに 2 台のクライストロン PV-2014B (力ソード改良型、最大定格出力 25 MW、パルス幅4jusec、繰り返し 300 p p s ) と2m加速管に供給するのに 3 台のクライストロン PV-2014B (最大定格出力20 MW、パ ル ス 幅 4/xsec、繰 り 返 し 300 pps) が使用されている。 これらのクライストロンを運転するために、励振系クライストロンとして SAS 6 1 ( 出 力 7k W ) が使われている。

成まで核理研ライナックは長期停止となった。 しかし、核理研ライナックの性能に関する測定は完成以来あまりなされていない。 そこで停止直前のライナック性能を確かめるために次のような実験を行い、デ一ダを収鱼 1 チ，a ) ライナックの最適加速周波数の測定。
b ) ライナックのビーム負荷曲線の測定。
また、 これらの測定を行うことは STB建設のために下記 の 3 つの目的についても重要な意義がある。
1 ) STB建設のために必要なライナックのパラメータを測定する。

3.ライナックの最適加速周波数の測定
ライナックは、図 2 のような励振系で運転されている[2]。 この測定では、基準加周波数発生器をシンセサ

2) STB完成時、 ライナックの性能が元どおり復帰したかどうがを比較できるデ一タを残す。

3 ) 長期停止期間中にライナックを補修•改良するための参考データとする。
こ こでは 1 ) に関連して、a) はライナックを最適条件で運転することと、STBの周長を最適化させる、b)はSTB運転時の入射エネルギ一の最適値を決定するための資料にする、 という意味がある。

Exp. #2 (III)Exp. #2 (II)イザ一に交換し、基準周波数を変化させてライナックの エ ネ ル ギ ー と ビ ー ム 電流を同時に測定し、最適加速周波数を決定した。

Exp. # 1 (I)Energy Analyzing Magnet
1m-Accelerating Structures

Beam Catcher•ECS;
SlitSDII X,YSlit'sDII

図 1Q-Magnet

Slit SDI X,Yライナックの基本構成

I i•

Q-Magnet /Q-Magnet * Slit SDI
Steering Magnet: 日eptron Gun/ Prebuncher,
Buncher

50mW
I
Directional.
Coupler• ★

a rc論

14W 7kW, amp：
2cw m；. •\.

n,'•Cavity

図2

ライナックの励振系

4ooo

222CDooo

図3230o442206J C S JoEnStvcloo210

Energy [MeV]o86芒

6200，
CirCU，
at0r
Directional
Coupler

VVo8tvcls i no E s gVVo8}CSJoEn 0【vulVVCOCDSAS61\f-15V Directional
Circulator
Coupler

190

200

210

220

200

230

210

220

Energy [MeV]

Energy [MeV]

200

210

220

Energy [MeV]

基準加速周波数を変化させて測定したエネルギースぺクトル

ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー ス ぺ ク ト ル は 次のようにして測定した。 ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー は エ ネ ル ギ ー 分析電磁石の電流を測定して求めた。 ビ ー ム 電流の測定には二次電子 モ ニ タ ー （S E M ) を使用した。 こ こ で 、 ビームの ピ ー クエ ネ ル ギ ー とは二次電子 モ ニ タ ー で 観測される電流が最大になるときの エ ネ ル ギ ー の 値とした。 ここ で 、 二次電子 モ ニ タ ー の 変 換 効 率 は 13.8 %である。
(平 成 6 年 1 月 8 日）本稿で SEMの電流を示すときは、変換効率の補正を行った値とする。
通常の励振系で運転した時と加速周波数を変化させて測定した時の エ ネ ル ギ ー スぺクトルの結果の 例を図 3 に示す。図 3 において（a) は通常の励振系で運転した時のスぺクトルであり、（b )、 （c )、（d ) は基準周波数発生装置をシンセサイザーに交換して測定した時のスペクトルである。 この時、電子銃、バンチャ一等の設定は変えず、 シンセサイザーの周波数のみ変えた。 この結果から最適加速周波数を 2856.240MHzに決定した。決定の条件は電流値が最大になり、かつ、エ ネ ル ギ ー 幅が狭くなるものとした。
加速周波数と ピ ー ク エ ネ ル ギ ー の 関 係 を 図 4 示す。
図 4 におしゝて2856.240 MHzは エ ネ ル ギ ー が ピ ー ク になる加速周波数領域に存在するので加速周波数として適当な値であるごとがわかる。 また、今まで使われていた加速周波数は 2856.249 MHzであり、図 4 から実用上問題のない周波数領域にあることがわかる。

(Frequency 2856MHz ) [kHz]図4

加速周波数と加速エネルギー

4 . ライナックのビーム負荷曲線の測定
ライナックのビーム負荷曲線 [3]は 電 流 / 、エネルギ

一 を £ とすると次式で表すことが出来る。
E=al +b(1)
ただしムわは定数とする。
ライナックの加速管のパラメ一 ターは以下の値とされている。
シ ヤ ン ト • インピーダンス
電压減衰係数0.245 neper/m
この値からビーム負荷曲線を計算すると次式になる。
£[MeV] = 一 0.34 x /[mA] + 256 (2)-34 2-

ライナックのビーム負荷曲線を求めるために図 5 のような測定系で実験を行った。 ビーム電流の測定は主に次の様に同時に行なった。
(1)CT7でのピーク電流( ライナック出力電流）(2)SEMでの平均電流( エネルギー分析電磁石を通過した電流 ）•ここでCTとはフェライトコアを用いたパルス電流
モ ニ タ ー の ことで、電流波形及びピ 一 ク 電流をオシロスコープで測定した。⑵ S辱M を使った測定では電流計 ( EG&G ORTEC model439 )のアナログ信号をデジ夕ル電圧計により測定した。
CT7、SEMで測定した電流と ピ ー ク エ ネ ル ギ ー の関係をそれぞれ図 6 、図 7 に示す。囪 6 において横軸はライナック出力電流を示している。図 6 よりビーム負荷曲線を求めると次式となる。

£[MeV] = - 0.86 x /[mA] + 256

Bearn Current [mA]

図6

CT7の 測定電流とピ ー ク エ ネ ル ギ ー の 関係

(3)

図 7 において横軸は平均電流を表す。 ただしビームのエネルギー幅は 0.15 %となるようスリット SAIIを設定した。 この時、繰 り 返 し は 300 pps，100 pps, .60 pps,27pps,ど異なるがすべて 300 pps に相当するように規格化した。 この場合ビーム負荷曲線は次式となる。

£[MeV] = 一33 x I[fiA] + 248(4)
STB計画では、電子ビームが STBに入射する際、 ライ ナ ッ ク 出力電流 100 mA、 ピ ー ク エ ネ ル ギ ー 250 MeVを想定している。 しかし、 （2) 式 か ら ラ イ ナ ッ ク 出
力電流 100mAと し た 場 合 、 ピ ー ク エ ネ ル ギ ー は 170
M eV と推定される。
また、 （2 )式 と （3 ) 式を比較すると、 （3) 式の傾 き が ( 2 ) 式の約 2.5 倍になっている。長年使用してきた核理研ライナックの加速管のシヤント•インピーダンスが建設当初の 5 3 M n / m よりも大きいとは考えにくい。従ってこの違いの原因は、CT7 で観測した電流/が実際に加速管の負荷となった電流よりも少なかったためと考えることができる。実際、最後の加速管とCT7 の間にはスリット SD II とエ ネ ル ギ ー 幅圧縮装置（E C S ) がある。 この仮定が正しいとして透過率が 100%になったとしても、 ビ ー ム 電 流 100mAの畤の ピ ー ク エ ネ ル ギ ー は 220 MeV 程度であることが図6 から分かる。
SEM

DigitalVoltmeter

図5

測定系

Average Current [jiA]

図7

SEMの測定電流とピークモネルギ一の関係

5 . まとめ

この測定によって得られたライナックの最適加速周波 数 2856.240M Hz とビーム負荷曲線が得られた。 ビーム負荷曲線から予想されるピークエネルギーは、STBへ の 入射に想定しているピークエネルギーより低いと推測され、現状のライナックでは実現が困難と考えられる。
STBにビームを入射させる場合エネルギ一幅圧縮装置 （E C S ) を使用する予定である。 この実験ではエネ
ルギ一幅圧縮装置を用いて測定を行う予定であったが、
ビ ー ム を エ ネ ルギ一幅圧縮装置に通過させることができなかった。 この原因は不明であり、今後この原因を究明しなければならない。
この結果を参考に STB完成時に同様なテストを行いライナックの性能が元どうり復帰したか、 または、改良されたか比較すべきである。 また、 ライナックの性能を把握するためには、 このようの測定は定期的に行うべきである。
参考文献[1] 東北大学電子線科学研究センタ一計画ワーキンググループ、 「電子線科学研究センター•放射光リン グ . ス ト レ ツ チ ヤ ー • ブ ー ス タリ ング計画」(平 成 6 年 1 月 ） 18
[2] 今野收、浦澤茂一、小山田正幸、 リニアック技術研究会報告集（1976) 8[3] 竹田誠之、OHO,90高エネルギー加速器セミナー
1990年 8 月 40