Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

EXPERIMENTAL DEMONSTRATION OF MOVABLE MASKWITH LOW BEAM IMPEDANCE
Yusuke Suetsugu1,A), Kyo ShibataA), Akira MorishigeB), Yasuaki SuzukiB), Masao TsuchiyaB)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, JapanB)
Kinzokugiken Co, Ltd., 713 Shake Aza Narihira, Ebina, Kanagawa 243-0424, JapanAbstract
A new-type movable mask (collimator) with low beam impedance for future high-intensity accelerators has been
proposed and investigated in KEK. A conductive mask head is supported by a dielectric material in order to reduce theinterference with beams. The present test model had a head and support made of graphite and artificial diamond,respectively. The test model was installed into the KEK B-factory (KEKB) positron ring, and tested with real beams up
to a beam current of 1300 mA to prove the principle. The temperatures of bellows and SiC HOM absorbers near to thenew-type masks were found to be lower than those in the case of old-type ones. This fact indicated that the HOM
excitation was mitigated by using the new-type mask.

低インピーダンス型可動マスクの実証実験
１．はじめに２．試作2号機

可動マスク(コリメータ)とは、加速器において正試作1号機は、マスクヘッドとサポートをアルミ規のビーム軌道から外れた荷電粒子の通過を制限し、 ナ(99% Al2O3)で製作し、ヘッド部分のみに銅(厚み約10 μm)をコーティングした[6]。形状的には提案し測定器のノイズを低減、またはビームの質を向上さ[1−3]。可動マスクは、そた構造と同じであったが、サポートがアルミナでせるための真空機器であるのヘッド(荷電粒子を遮断する物質)がビームの極近あったためサポートを通しての伝熱はほとんど期待傍にあるため、必然的にビームインピーダンスが高できず、ヘッドへの入熱は主に輻射によりチェン
く な る 。 そ の 結 果 、 発 生 し た 高 次 高 周 波 (Higherバー側に伝達されることになった。アルミナ自体のOrder Modes, HOM)によってビーム振動が励起され高周波での誘電損も大きかった。その結果、ビームたり、近傍の機器が加熱されたりしやすい。また、試験では、ビーム電流700 mA (1389バンチ、Ib2/Nb =350 mA2)の時、圧力のバーストと同時にヘッド温度
予期せぬビーム本体の衝突によるヘッドの損傷も問が1300 ℃以上に達した。マスクヘッドの銅のコー題となる。これらの課題に対応した可動マスクの開ティングはほとんど消失し、ヘッドとサポートの接発は、将来の大強度加速器を実現する上で重要な続部分のアルミナが溶融していた[6]。残念ながら原R&D項目の一つとなっている[4]。
我々は、従来よりも低いインピーダンスを持つ新理実証には至らなかった。
しい構造の可動マスクを提案した[5]。誘電体で導電今回の試作2号機は、1号機の経験を元に、形状は性のマスクヘッドを支える構造とすることにより、ほぼ同じであるが構成材料が見直された。試作したビームとの干渉が減り、インピーダンスが小さくでマスクヘッド部を図１に示す。ヘッドにはグラファきる。これまで、シミュレーションを通して本構造イト(コンポジット材)を採用した。グラファイトはの高周波特性や熱特性を評価し、その実現可能性を融点が約3000 ℃と熱的強度が高い導体であり(導電検討してきた。また、2007年には試作1号機をKEKBファクトリー (KEKB)の陽電子リングに設置し、実機ビームを使った試験を行った[6]。
今回、これまでの検討・試験結果を踏まえ、試作2号機を同リングに設置して、ビーム運転中のヘッドの温度、近傍のベローズチェンバーやSiC HOM吸収体冷却水の温度等を測定した。そして、それらの温度上昇が旧型マスクの場合に比べ少なくとも1/2程度まで減少することを確認し、この新型マスクによってHOMの発生が低減されることを実験的に実証することができた。ここでは、試作2号機のビーム試験の結果、問題点、および今後の方針等について報告する。
図１：可動マスク試作2号機マスクヘッド部分
1E-mail: yusuke.suetsugu@kek.jp-673-

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率1×105 Ω-1m-1)、輻射率も高い(ε > 0.7)。一方サポー
トには人工ダイアモンドを用いた。ダイアモンドは
誘 電 体 (εr = 6) で あ る が 、 熱 伝 導 率 が 室 温 に て 1
Wmm-1K-1 と銅よりも高い。つまり、ヘッドへの入熱は輻射ばかりではなくサポートを通した熱伝導でもチェンバー側に伝わり、試作1号機に比べて熱的強度を高めることができる。熱解析では、KEKBの典型的なフィルパターンである1389バンチ1700 mA(Ib2/Nb = 2000 mA2)でも、ヘッドでの最高温度は780 ℃と材質的には問題無い範囲であった(解析では熱伝導率を室温の約半分とした)。なお、ロスファクターは約2.1×1010 VC-1 であった(バンチ長6mm)。ちなみに、同条件での既存の可動マスクのロスファクターは約5×1011 VC-1である。
ヘッドは長さ90 mm、幅5 mm、厚み5 mmの直方体である。サポートは高さ38 mm、幅5 mm、厚みは1.2 mmである。ただし、今回サポートには導電性膜は付けなかった。また、現象を単純にするためにテストチェンバーにはHOM吸収体(SiC)は取り付けなかった。グラファイトとダイアモンドはロウ付けで接合した。さらに、ダイアモンドサポートの根元に銅ブロック(台座)をロウ付けし、この銅の台座をチェンバーに固定した。マスクヘッドとビームとの距離は正規の位置で10 mmであった。

３．ビームテスト
3.1設置
試作2号機2台(V1 、V2)は、2008年冬にKEKB陽電子リングの既存の垂直方向可動マスクと入れ替えられた。ヘッド中央部の温度はチェンバーのサファイア窓を通して赤外温度計(波長1.6 μm)で測定した。
近傍のベローズチェンバーのベローズひだ、および可動マスクチェンバー本体の温度も常時監視した。
ベローズひだの温度は発生するHOMの強度の指針となる。なぜなら、その温度上昇はベローズのフィンガー型RFシールドから漏れ出るTEモードのHOMが主な原因だからである。また、可動マスクの近傍に設置されているHOM吸収体付きチェンバーの冷却水温度も測定した。試作機(V1、V2)、旧型水平マスク(H1 、H2)、ベローズチェンバー(B)、HOM吸収体(A1, A2)等のリングでの位置関係を図２に示す。

図３：旧型(Before)と試作機(After)設置時の可動マスク(V1, V2)近傍のベローズひだの温度。
3.2 ベローズひだの温度
図３に、設置した2台の垂直方向マスク(V1 、V2)
近 く に あ る 4個のベローズひだの温度(平均値)のビーム電流に対する変化を示す。バンチ数は1585、バンチ間隔約6 ns、バンチ長約7 mmである。旧型マスクを設置していた時のベローズひだ温度(Before)と比べると。ビーム電流1300 mA (Ib2/Nb = 1100 mA2)までの範囲で、温度上昇率は約1/2になっている。
これは、試作機に交換することで発生するHOMのパワーが減少したことを示している。また、V1、V2
マスクの上流、下流にある旧型水平方向マスク(H1 、H2)の近傍のベローズひだ温度上昇率も約30 %低下した。これはHOMがビームパイプ内を伝搬しているためである。このことは、逆に図３の温度上昇にもH1、H2の影響が含まれていることを示唆する。
3.3 HOM吸収体チェンバーのSiC冷却水の温度
V2 マスクから約10 m上流側にあるHOM吸収体チェンバー(A1)のSiC冷却水出口温度の変化を図４に示す。チェンバーには2本のSiC (SiC_1、SIC_2)が挿入されていて、SiC_1とSiC_2の冷却水は連続して接続されている[7]。旧型マスク設置時と比較してみると、温度上昇が約40%低下しているのがわかる。
これはHOM発生量が減少したことを直接示すものである。冷却水の流量は4 l s-1であることから、例

図２：試作機(V1、V2)近くのコンポーネント配置図。Q：四極電磁石、B：ベローズチェンバー、H1、H2：旧型水平方向可動マスク、A1、A2：HOM吸収体チェンバー。
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導電性が認められた。これはサポートの温度が1500 ℃以上になったことを示す。
破損の原因は、破損の状況や運転中の温度の振る舞いから、サポート部で放電が発生したためと推定された。放電の原因としては、次のようなことが考えられる。(1)ダイアモンドの欠陥。同一条件で試験していたV2 マスクのサポートは健全だった。(2)銅-ダイアモンドのロウ付け部の不具合。(3)いわゆる三重点(ダイアモンド、銅(金属)と真空)からの電子放出に起因する沿面放電。ダイアモンドの高い二次電子放出率が誘引の一つとも考えられる。

４．まとめと今後の方針
試作2号機を用いて提案した可動マスクの実験を行い、ビーム電流1300 mA (Ib2/Nb = 1100 mA2)までの範囲で発生するHOMが低減されることを実験的に実証した。しかし、最終的には予想より低い電流でサポート部が破損した。さらに高い電流に対応するために、以下のような改良を考えている；(1)ロウ
えばビーム電流1300 mAでの4 ℃の低下は、吸収パ付け部の電界強度を下げる構造とする、(2) より均ワーが1.1 kW減少したことになる。ここで、HOM一な特性とするためダイアモンドの品質を上げる、吸収体チェンバーのSiCが垂直方向に設置されてい(3) 沿面放電の成長を抑えるためサポートを傾ける、ることに注意すべきである。この配置では、水平方向に偏極しているHOMに対して吸収効率が大きい。 (4)サポートの表面に薄い導電性膜を付ける、等。
リングに設置する前の地上試験も検討している。
つまり、水平方向マスクのHOMを効率良く吸収す今回の放電現象を確認するために、1.25GHzのマイる。このことから、試作2号機を使用することで実クロ波導波管内(真空中)にマスクヘッド部分を設置際に減少したHOMパワーは、図４の冷却水の温度し高電力のマイクロ波を通過させてサポート部を観変化から単純に計算される値より大きいと推定され察した。その結果、約70 kW入力時に放電を確認する。もう一つのHOM吸収体チェンバー(A2)でもSiCることができた。実際のバンチとは周波数スペクト冷却水温度の低下が確認された。
ルが異なるが、マスクヘッド部の放電特性を評価す3.4 破損る良い指針になると考えている。
図 ４ ： 旧 型 (Before) と 試 作 機 (After) の 場 合 のHOM 吸 収 体 チ ェ ン バ ー (A1) の SiC 冷 却 水 の 温度。SiC_1とSiC_2は連続して冷却されている。

ビーム電流900 mA (Ib2/Nb = 510 mA2)程度から、試謝辞
作機内部の温度が予想以上に上昇していることが観測された。そして、1300 mA (Ib2/Nb = 510 mA2)にて本研究にあたり、KEKB RFグループの影山達也氏、付近の圧力の突出と同時にビームロスが発生した。
阿部哲郎氏、竹内保直氏には計算および実験に対し内部を確認したところ、V1マスクのサポート部が破てご協力を頂きました。また、KEKBの生出勝宣氏、損していることがわかった(図５)。
金澤健一氏には多くの助言を頂きました。ここに深サポートは銅の台座に近いところで破断していた。 謝します。
台座のロウ付けは残っていたが、サポートのエッジ部分で放電跡が確認された。ダイアモンドは炭化し、 参考文献
[1] Y. Suetsugu, K. Shibata, T. Sanami, T. Kageyama and Y.
Takeuchi, RSI, 74 (2003) 3297.
[2] Y. Suetsugu, T. Kageyama, K. Shibata and T. Sanami,NIM-PR-A, 513 (2003) 465.
[3] Y. Suetsugu, “Vacuum System for High Power LeptonRings”, PAC2003, Portland (OR), 2003 May 12-16, p.612.
[4] Y. Suetsugu, K. Kanazawa, S. Kato, H. Hisamatsu, M.
Shimamoto and M. Shirai, J. Vac. Sci. Technol., A21 4(2003) 1436.
[5] Y. Suetsugu, K. Shibata, A. Morishige, Y. Suzuki and M.
Tsuchiya, PRST-AB, 9 (2006) 103501.
[6] Y. Suetsugu and K. Shibata, Proceedings of PAC2007(June 25-30, Albuquerque, 2007), p.2587.
[7] Y.Suetsugu, T.Kageyama, Y.Takeuchi and K.Shibata,
NIM-PR-A, 533 (2004) 295.

図５：破損したV1マスクのヘッド、サポート。
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