DEVELOPMENT OF HIGH-CHARGE, LOW-EMITTANCE, RF GUN FOR
SUPERKEKB
Takuya Natsui #, Mitsuhiro Yoshida, Xiangyu Zhou, Yujiro Ogawa
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801 Japan

Abstract
We are developing a new RF gun for SuperKEKB. We are upgrading KEKB to SuperKEKB now. High charge low
emittance electron and positron beams are required for SuperKEKB. We will generate 7.0 GeV electron beam at 5 nC 20mm-mrad by J-linac. In this linac, a photo cathode S-band RF gun will be used as the electron beam source. For thisreason, we are developing an advanced RF gun. Now, we are testing a Disk and Washer (DAW) type RF gun. Its photocathode material is LaB6 or Ir5Ce. Normally, LaB6 or Ir5Ce are used as a thermionic cathode, but they are suitable forlong-life photo cathode operation. This gun has a strong focusing field at the cathode and the acceleration field
distribution also has a focusing effect. We obtained 4.8 nC beam charge with the DAW type RF gun and Ir5Ce cathode.

SuperKEKB 用高電荷低エミッタンス RF gun 開発
1.

はじめに2.

現在，KEK では SuperKEKB に向けた加速器全体のアップグレードが行われている．SuperKEKB では非常に高いルミノシティを得るため低エミッタンス化によりダイナミックアパーチャーの減少とビーム寿命の減少が起こる．これに対応して，電子陽電子入射器は表１に示すような高電荷・低エミッタンス化が求められる．
表１：電子陽電子に求められるパラメータ
電荷[nC]
エミッタンス[mm-mrad]
電子
1 to 5300 to 20
陽電子
1 to 42100 to 6
そこで，5 nC で 10 mm-mrad を切る高電荷低エミッタンスのフォトカソード RF gun の開発が進められている．この RF gun は多く用いられている 1.6
cell の軸結合空洞ではなく，Disk and Washer (DAW)型の空洞を採用している．現在，KEK 入射器棟の3-2 セクターではこの DAW 型のフォトカソード RFgun の試験運転を行なっている．カソードの材質は非常に安定かつ 1e-4 近い高い量子効率をもつ Ir5Ceを使用している．レーザは Nd:YAG の４倍高調波
266 nm を 30 psec のパルス幅で使用している．
これまでのビームスタディーにおいて，RF gun から 4.8 nC の電荷発生を達成し，入射器棟の最終端までは 4.4 nC のビーム輸送に成功している．また，エミッタンスの測定は Q スキャン法を実施しているが，レーザ発振器の安定性やビームサイズ測定精度の問題から正確に測定するには至っていない．
また，2012 年秋より A-1 セクターで新しい設計の RF gun も試験する予定である．この RF gun は２つの独立した定在波空洞をもち，ビームからは進行波に見える加速電界を発生する新しい加速方式のRF gun である．

DAW 型加速空洞の構造は古くから知られてきたが，その構造の機械加工の難しさから軸結合加速管と比べると実用例は非常に少ない．しかし近年の電磁場解析コードの高精度化と３次元機械加工技術の向上で DAW 型加速空洞の実用化も可能になっている．
通常の RF gun では軸上での電磁気的結合のため，電極が R 方向にも Z 方向にも遠く，ビームの収束が難しく，また走行中に RF 位相が変化してしまう．
このような従来の RF gun の問題を克服できる構造
として DAW 型電子銃を開発した．DAW 型やサイドカップルでは高周波は空洞の外側から結合するため軸上を任意の細さのビームパイプにでき，ビームの収束電場を作り易く，また Transit Time Factor を小さくできるためビームから見た RF の位相の変化を抑えられる．熱カソードの DAW 型 RF gun は，東京理科大 FEL 施設用に開発し既に数年前に設置して運用実績があり，これを元に高電荷フォトカソードへの改良設計を行った． ビームシミュレー
シ ョ ン に よ り ， こ の 加 速 空 洞 は Alternative Phase
Focus (APF)によるビーム収束によりビームサイズを小さく保つことで 5 nC を 6 mm φの細いビームパイプを外部磁場収束無しで 100 % 透過できるという結果を得ている．
理科大 RF gun からの改良点は，カソード付近で集束電場を発生させスペースチャージによる発散を抑える構造に変更した点である．構造変更は第一セルのみとなり後半のセルは既存のものを流用することができた．図２にこの RF gun の SUPERFISH での２次元電磁場計算結果を，また，図３にこの計算から得られた軸上電界強度を示す．
ビーム加速シミュレーションには General Particle___________________________________________#DAW 型 RF gun の設計

takuya.natsui@kek.jp- 922 -

Tracer (GPT)及び CST PS を用いた．設計には主にGPT を用い，最後にウェークフィールドも含めたシミュレーションを行うため CST を用いた．カソー
ドへ入射されるレーザパルスは 30 psec の矩形パルスを想定した．ビーム径は 6 mm φ のビームパイプを通る非常に細いビームである．また，エミッタンスは目標値の 10 mm-mrad 以下の値になった．空洞への投入 RF 電力は 4.0 MW で 3.4 MeV のビームになる．これらビームパラメータの計算結果を表２にまとめた．

ネットを通し既存ビームラインに乗せる．追加速用の加速管は S-band の進行波管で，10 MeV まで加速する．追加速を行う理由は，Gun でのエネルギースプレッドが大きいためにこのままベンドマグネットを通してしまうとエミッタンスが非常に悪くなってしまうためである．また，シケインでバンチ圧縮を行うとスペースチャージの影響が大きく，エミッタンスが増大してしまうこともわかったので，現在は，シケインでのバンチ圧縮はおこなっていない．
図５が完成した DAW 型 RF gun の写真である．
また，3-2 に設置された斜め入射ビームラインを図６に示す．

図２ DAW type RF gun ２次元電磁場計算結果
1 m加速管シケイン

図４斜め入射ビームライン

図３ 軸上電界強度計算結果
表２ ビームパラメータ計算結果
エミッタンスビームサイズ(σ)
バンチ長(σ)
6 mm-mrad
1.2 mm8 psec

図５DAW 型 RF gun

またフォトカソードとしては長期間の営業運転に対応するため，高融点・低仕事関数という特殊な性質を合わせ持つ LaB6 カソードを第一候補として選択した．フォトカソードの量子効率と寿命は逆数関係にあり，一般的な Cs2Te は量子効率が良いが寿命が短く，また一般的な金属カソードでは寿命は長いが量子効率が非常に低い．LaB6 はこれらの中庸にあり，十分な寿命と量子効率を合わせ持つ．さらにIr5Ce という LaB6 と比較して仕事関数が低く，寿命も長い物質についても評価した．この結果，現在はIr5Ce を採用するに至っている．

3.

RF gun インストール

図６ 3-2 セクター斜め入射ビームライン
この RF gun は KEK 入射器棟 3-2 セクターで既存のビームラインの横に配置し，斜めからビームを入 4.
ビームスタディー
射しベンドマグネットによって，既存ビームライン
DAW 型 RF gun においては 2011 年秋からビームに合流させる．ビームラインの基本構成は図４に示
スタディーを開始している．はじめはカソード材質すとおりである．このビームラインの角度は既存に LaB6 を使用したが，最高で 1.2 nC の電荷しか得
ビームラインに対して 26.56°(arctan1/2)になっておられなかった．また，LaB6 はレーザクリーニングをり，シケインと 1m 加速管を持っている．まず，行わないと量子効率が低下し，また，放電しやすいGun から発生したビームを Solenoid 磁場によってあと い う 問 題 も あ っ た ．そこで， 2012 年からはカる程度平行ビームにし，1 m 加速管で追加速を行う．
ソード材質を Ir5Ce に取り替えた．Ir5Ce はレーザク
その後ダブレットでビームを整形してベンドマグ- 923 -リーニングを行わなくとも量子効率が低下することもなく，放電頻度も LaB6 に比べて低かった．
また，当初カソードへのレーザ照射は垂直に入社していたが，量子効率を稼ぐため 60 度方向からの入射に切り替えた．これにより量子効率は数倍上昇した．
レーザは Nd:YAG の固体レーザを使用しており，
30 psec の SESAM を使った 52 MHz のモードロック発振器を RF に同期させている．この発振器からのパルスを切り出し，LD とフラッシュランプを組み合わせて増幅し BBO 結晶を使って 4 倍高調波を作り出している．30 psec の 266 nm 波長で 4 mJ のレーザエネルギーを達成している．
入射器棟のビームラインの輸送では，BPM により電荷量を測定したが，最高で 4.4 nC のビーム輸送に成功している（図７）．また，RF gun 付近のBPM では最高 4.8 nC の電荷が観測されており，カソードからはほぼ 5 nC の電荷発生を達成したと考えている．

図７4.

新 RF gun

DAW 型の RF gun は低エミッタンスビームを発生させることはできるがビームエネルギーが 3.4 MeVと低く，その後のビーム輸送に適さない．また，
DAW の加速ギャップ間が遠くスペースチャージによるビームの発散が大きく，gun から出射するビームは発散角を持ってしまう．
このような欠点を改善した RF gun として擬似進行波型サイドカップル RF gun を開発している．これは，２つの高周波的に独立なサイドカップル空洞の加速空洞を一つの軸上に配置し，π/2の位相差のRF をフィードする．このようにすると，ビームからは２つの定在波が，位相差を持っているので，あたかも一つの進行波に見える．この空洞の３次元形状を図９に示す．この RF gun を秋から KEK 入射器
棟 A-1 セクターで試験予定である．

入射器のビーム輸送時の BPM 信号測定結果

また，Q スキャン法によるエミッタンス測定を行い，その結果，66 mm-mrad という値が得られた．
ただし，スクリーンモニタに厚さ 1 mm のアルミナ蛍光板を用いており，ビームサイズが大きく見えてしまことや，レーザ発振器の RF との同期精度の問題でビームが Pulse to pulse で変動する問題がある．
これらの原因でエミッタンスの正確な測定には至っていないと考えている．

図８Q スキャンのビーム測定結果

図９5.

新たに設計した RF gun の空洞形状

まとめSuperKEKB に向けて高電荷低エミッタンスの RFgun の開発を行なっている．Ir5Ce をカソード材質として Nd:YAG レーザ４倍高調波を使い電子をエミッションさせている．現在，DAW 型 RF gun の試験をほぼ終えて，5 nC 近い電荷発生を達成している．
また，更に高性能な RF gun を目指して擬似進行波型のサイドカップル RF gun も開発中である．これは 5 nC で 5.5 mm-mrad, 11 MeV の電子ビーム発生する設計であり，現在試験中の DAW gun のエネル
ギーが低く発散角を持ったビームであるという点を改善した設計になっている．秋から A-1 セクターで新 RF gun によるビームスタディーをはじめる予定である．
[1] T.Natsui, et al., “High Charge Low Emittance RF Gun for
SuperKEKB”, Proceedings of IPAC2012, New Orleans,Louisiana, USA, May20-25, 2012[2] M.Yoshida, et al, “SuperKEKB Injector Upgrade for High
Charge and Low Emittance Electron Beam”, Proceedings ofIPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, May20-25,
2012- 924 -