The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

SuperKEKB 計画のためのＣバンド加速管開発の現状
紙谷琢哉 A)、杉村池田高志 A)、大越光男 A)、穂積隆夫 A)、山口康文 A)、榎本收志 A)、高富鈴木 喜一 D)、藤江A)

高エネルギー加速器研究機構B)和久 A)、俊和 B) 、Nicolas Delerue C) 、壮 D)、柿崎 真二 D)

電子陽電子入射器研究系 〒305-0801

茨城県つくば市大穂 1-1

高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 日本学術振興会研究員

三菱重工業

名古屋航空宇宙システム製作所 〒455-8515 愛知県名古屋市港区大江町 10 番地

概要
現在 KEKB ファクトリーのルミノシティーアップグレードの技術的検討が進められているが、改造の際には入射ライナックの陽電子ビームの加速エネルギーを 3.5 GeVから 8 GeV に上げる必要がある。このため、現在使用している S-バンドの加速ユニットの変わりに C-バンドのものに置き換えて、加速電界を現在の２倍の 42 MV/m とするための技術開発を行っている。昨年より C-バンド加速管の第１号機の設計、開発を進め、今年７月よりテストスタ
ンドでの RF エージングを進め、ほぼ所定の加速電界まで到達することができた。Ｃバンド加速ユニット全体の開発の現状については、別論文[1]にて報告されているが、本論文では特に、加速管の製作及び RF エージングの状況について報告する。

1哲 A)、柿原高エネルギー加速器研究機構 工作センター 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1C)D)

誠哉 A)、大沢

はじめにKEKB ライナックは衝突リングに 8.0 GeV の電子と3.5 GeV の陽電子を入射している。陽電子生成部はライナックのおよそ中間点に置かれ、約 4 GeV に加速した電子を生成標的に照射して陽電子を生成し、その下流の加速ユニットにより 3.5 GeV まで加速している。現在検討中のル
ミノシティー増強計画 (SuperKEKB)[2]では、陽電子蓄積リング内での光電子によるビーム不安定性が問題になり、その対策として、電子と陽電子のビームエネルギーを入れ替えて陽電子を 8.0 GeV に電子を 3.5 GeV にすることが考えられている。しかし入射ライナックにおいて、陽電子の加速に寄与する後半部分は現在のままでは 4 GeV 強の加速能力しかない。そこでもっともシンプルなライナック改造案として、加速電界を現在の２倍にする可能性を検討した。
一つの案は、RF 源からのパワーを４倍にすることであるが、RF 源の設置スペースの制約とコストの観点から、これは難しい。これに代わる案は、より高い周波数の加速構造を用いることである。一般論として、周波数を２倍にすると、RF 空胴のサイズが半分になり、同じ RF パワーにより誘起される電界強度は２倍になる。そこで、リニアコライダーに向けて検討されているように[3]、現在使用されているＳバンド (2856 MHz) の２倍のＣバンド (5712 MHz)を用いた加速ユニットについての設計検討、各種コンポーネントの試作、試験を行い、SuperKEKB 計画で必要とされる平均加速電界 42 MV/m を達成することが可能であるかどうかについて検証することを進めることになった。

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Ｃバンド加速管の基本設計と製作

SuperKEKB 用Ｃバンド加速管の試作第１号機の製作については別論文[4]でもすでに述べられているが、基本方針
としては、これまで KEKB 入射ライナックで用いられているＳバンド 2m 長加速管（A-type）を基本的にはスケールダウンした構造の 1m 長加速管（図１）とすることにした。その理由は、これまで多数製作されたＳバンド加速管製作上のノウハウやデータをスケールして利用できることと、アイリス径がＳバンドの半分になるため、ここを貫通させる製作治具や測定治具の制約が生じ、製造上 1m 程度の長さが適当であったことである。
表 1：Ｃバンド加速管試作１号機の仕様
空胴形状

ディスク装荷型

電磁波の速度

進行波型

電界分布

準定電界型

加速モード

2π/3-モード

空胴セル数

54 標準空胴＋2 カプラー

運転周波数5712.000 (MHz)セル長17.495 (mm)ディスク厚み（t）

2.500 (mm)アイリス直径（2a）12.475 ~ 10.450 (mm)

空胴直径（2b）41.494 ~ 41.010 (mm)シャントインピーダンス（r0）74.6 ~ 85.1 (MΩ/m)

Ｑ値

9703 ~ 9676

群速度（vg/c）

0.019 ~ 0.010

充填時間

234 (ns)

減衰定数0.434

運転温度

30 (°C)

ディスクスペーサの一体成型

電鋳法（銅メッキ）

図 1：Ｃバンド 1m 長加速管全体図

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標準空胴は、ディスクとスペーサをそれぞれ加工して電鋳により一体成型した。カプラーは１ポート型であるが、Ｓバンド加速管でカプラー部の電磁界分布の軸対象性のずれを補正するために設けた三日月状窪みは放電の誘因となることがわかったため無しとした。今回の１号機では高電界耐性の確認に重点を置き、軸対象性の改善については今後の課題とする。なお、カプラーの形状寸法について
は、規格品の導波管寸法がＳバンドのちょうど半分にはならないため、ローパワーモデルを製作して、RF 測定と調整加工を繰り返して詳細寸法を決定した。標準空胴部とカプラー部は電子ビーム溶接で接合し、さらに外周部の冷却水ジャケットは TIG 溶接により取り付けた。このような加速管の製造は、三菱重工名古屋航空宇宙システム製作所において行われ、一部の加工については KEK の工作センターの協力を仰いだ。

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テストスタンドでのＲＦエージング

こうして製作された加速管を RF エージングするために
図 2 のようなテストスタンドが構築された。RF 源としては、低電力 RF の励振系とその増幅用のサブブースターク
ライストロン、そしてハイパワークライストロンとそのモジュレーターが設置された。クライストロンからの RF パワーは RF 窓を経て、導波管を通り、コンクリートシールド内に置かれた加速管に供給される。

図 3：エージング中の真空値等の変化
図 4 に、その履歴を示すが、ほぼ一様に順調にエージングが進んだことがわかる。
これに要した時間は 298 時間（但し RF ON の時間のみ積算）で RF パルス数にして 5 千 4百万ショットであった。

図 4：エージングの履歴

図 2：Ｃバンドテストスタンド
ここでは、まずモジュレーターとクライストロンのそれぞれの単体試験が行われ、さらにレゾナントリングを用いた RF 窓の試験も行われた。これに引き続いて、事前に加速管以外の部分からのガス放出を行って、加速管本体の RFエージングを効率良く進めるための準備として、まず導波管系とダミーロードのみのエージングが行われ、さらに導波管のベーキングも行われた（100℃で 27 時間）。そして、加速管のエージングが始まった。パワーを上げていくと放電が起き、クライストロン保護のために真空値や VSWR値でかけられているインターロックのため、クライストロンがダウンする。図 3 はエージング中の様子を示し、真空値（針のようにとがった線）とパワーを変えるための PFN電圧値（黒太線）及び暗電流値（最上部の２本の線）などの時間変化を表している。パワーを上げていくとダウン頻度が増えるので、一旦下げてからまた上げていくという一進一退の様子がわかる。このようにエージングを進めてゆき、最終的に RF パワーで 43.7 MW、平均加速電界で 41.8MV/m に到達した。

なお、放電特性を良く表すものとして、暗電流の値とその時間変化及びその運動量スペクトルの測定を行った。暗電流の表面電界強度に対する依存性のデータより、Fowler-Nordheim 公式における電界増倍係数を求め、その時間依存性をみたものが図５である。この係数の変化がエージングの進み具合を表していると考えられる。

図 5：電界増倍係数の算出と時間変化

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加速管内での放電の位置、時間情報を与えるものとして、 り放電は主に入口カプラー付近で起きていることを示し
RF 波形をクライストロン側から見ての入射波と反射波、ている。
加速管出口からの透過波について観測し、放電毎にその情報を記録した。
（図６）

図 6：RF 波形（正極性の大、小が入射波と反射波、負極性の波形が透過波）
図 8：振動センサー波形と位置− 到達時間の相関の例

この波形のデータから、まず透過波の長さ（立上りと立下りの時間間隔）より RF パルス全長（500 ns）のうちどの時点で放電が起きたかがわかる（図７上）。データより RF
パルスの立上がりと立下がりのところがやや多いが、それ以外の途中でもまんべんなく放電が起きているようである。次に透過波の終わりと反射波の始めの時間差をみることにより（加速管内での有限の RF パルス進行時間のため）
加速管全長のどの場所で放電が起きたかの情報を与える（図７下）。データによれば、入口カプラー付近でほとんどの放電が起きているようである。

図 9：振動波形強度− 時間の相関と推定放電位置

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今後の予定

９月５日をもってテストスタンドでのエージングは終了し、Ｃバンド加速管は RF 源とともに KEKB ライナックのビームラインに移設された。10 月 1 日より再度 RF パワーを投入し、エージングを行っている。近日中にビーム加速試験を行い、ビームエネルギーより加速電界を実測する予定である。
図 7：RF 波形より求めた放電発生時刻（上）と放電位置（下）また別の方策として、振動センサーを複数個用いて、放電音の大きさ或いは到達時間の違いにより放電位置を得ることができるかどうかについての試験を行った。今回は加速管上面に、入口カプラー部から出口カプラー部まで等間隔に４箇所取り付けた。図８に振動波形と位置− 到達時間の相関の例を示す。最上流のセンサーに最初に振動が伝わり、その後下流のセンサーに順番に伝搬しているのがわかる。この放電では、入口側カプラーで放電が起き、その振動が加速管構造を伝わったのだと考えられる。図 9 に振動波形強度− 時間の相関とそれらから推定される放電最近接センサーの位置の分布を示す。これについても、やは

参考文献[1] S. Fukuda, et al., “R & D status of the linac upgrade planusing a C-band system for SuperKEKB”, Proceedings of the14th Symposium of Accelerator Science and Technology,
Tsukuba, Nov. 11-13, 2003.
[2] “Expression of Interest in A High Luminosi-ty Upgrade ofthe KEKB Collider and the Belle Detector”, By I.Abe, et. al.,Jan. 2002
http://www-kekb.kek.jp/SuperKEKB/Document/EoI.pdf[3] http://c-band.kek.jp/[4] 紙谷琢哉ほか、"SuperKEKB 計画のためのＣバンド加速管開発について", 第 28 回リニアック技術研究会、東海、2003