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

PASJ2014-SAP084

KEK 入射器用電子銃のスライスエミッタンスモニタ用
C-band 電子ディフレクターの開発
DEVELOPMENT OF C-BAND DEFLECTOR FOR SLICE EMITTANCE MONITORING
OF NEW ELECTRON GUN
井上彬#, A), 吉田光宏 B), 夏井拓也 B)
Akira Inoue #, A), Mitsuhiro YoshidaB), Takuya NatsuiB)
A)
The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

The advanced RF electron gun was installed for an electronic source of a high charge and a low emittance in KEK
e+/e- Linac, and the sliced bunch monitor is needed to achieve the required emittance for the SuperKEKB injection. In
the KEK-Linac, we are monitoring using a fluorescent plate on the beam line. It is possible to measure the projection
emittance of the beam in this way, however it is not possible to measure the slice emittance. To develop an electron gun
which can be generating a beam of super-low emittance corresponding to SuperKEKB, monitoring of the slice
emittance is required. The slice of time direction on a beam can be acquired by measuring the beam sliced with the RFdeflector using a fluorescent plate. RF-deflector performance is square root of RF frequency, has developed a highpowered ones corresponding to 10 GeV beam using X-band frequency at near the end of KEK-Linac. However, because
the beam energy is about 10MeV at the RF gun exit, enough resolution is obtained even by low energy. So, we havedeveloped a new low energy RF-deflector using C-band frequency.
するためには、時間方向のモニタリングが必要であ
1. はじめにる。モニタリングは Figure 1 の★の場所で行う。
現在、高エネルギー加速器研究機構（KEK）では次世代電子陽電子衝突加速器 SuperKEKB の開発を進めている。SuperKEKB では従来の KEKB の 40 倍のルミノシティという高い性能の達成を計画しており、そのために多くの革新的な試みが為されている。
その一つとして、我々のグループでは電子陽電子入射器において、電子源となる電子銃のアップグレードを行っている。SuperKEKB において高いルミノシティを得るため、電子陽電子入射器では高電荷化と低エミッタンス化が要求される。
Table 1: The Required Injection Beam Parameters [1]
KEKB

SuperKEKB(e+/e-)(e+/e-)

Charge [nC]

1/1

4/5

Emittance[mm-mrad]2100 / 300

10 / 20

これに対応して現在、電子源として従来の熱カソー
ド DC 電子銃に代わるレーザーフォトカソード RF電子銃の開発を進めている。KEK 入射器では、ビームライン上に設置した蛍光板の発光を利用してビームをモニタリングしている。この方法ではビームの投影エミッタンスの情報を得ることができるが、時間情報が得られず進行方向のスライスエミッタンスを測定することができない。SuperKEKB に対応した超低エミッタンスビームを生成可能な電子銃を開発___________________________________________# ainoue@post.kek.jp- 721 -Figure 1: KEK injector map.[2]Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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モニタリングは RF ディフレクターによって行う。
本稿では KEK 入射器に導入予定の C-band RF ディフレクターの設計、作成物の性能測定結果および今後の予定について報告する。

2.

RF ディフレクター

Table 2: The Beam Parameters
Particle type

ElectronCharge [nC]5Energy [MeV]

10Bunch length [ps]30

Radius [mm]蛍光板を用いてビームの時間情報を取り出すには、2.5ビームを時間方向でスライスし、進行方向の情報をEmittance [mm-mrad]5.5垂直な平面に投影する。電子ビームをスライスするには、進行方向に対して垂直な高周波磁場を印加し 理想的なバンチ長は 10ps 程度である。エミッタンた空洞をビームが通過するようにすればよい。その スを測定するにはこれを 100 以上にスライスする必要があり、この時スライスされた部分 1 つの長さはような空洞共振器をディフレクターと言う。
100fs 以下である。一般に極短時間の現象を観測するにはストリークカメラを使用するが、一般的なストリークカメラの時間分解能は高いものでも 500fs～800fs 程度であるため今回は適さない。一方、連続的に変化する磁場を用いるディフレクターの分解能は周波数と投入電力によって上げることができ、今回の性能要求にも十分対応可能である。このようなディフレクターとして、KEK 入射器ではビームラインの終端に設置する X-band 帯(11.424GHz)の高周Figure 2: Deflector.
波を利用した複数のセルを持つ大規模のものを開発
ここで図中の x1, x1’ はディフレクターにおける している。これは全長 600m の Linac で 10GeV までビームの x 方向の位置、速度とし、x2, x2’ はスク 加速されたビームをスライスするため、高いエネルリーンにおけるビームの x 方向の位置、速度とする。 ギーを必要とする設計となっている。しかし、RFビームはディフレクターの TM110 モードの高周波磁 電子銃から取り出した直後のビームのエネルギーは場によって、先頭と末尾が逆方向にキックされる。 10MeV 程度であるため、このような大規模なものはこのとき、Transfer Matrix は以下のように表される。 不要である。そこで我々は X-band 帯より周波数の1低い C-band 帯(5.712GHz)の高周波を使用し、低いエ00
�β2x2
ネルギーで動作する小型のディフレクターを開発し⎛⎞ cos θ sin θ ⎛�β1
⎞ x1
� '� = ⎜ α⎟ �x1 ' � た。
1 ⎟ �-sin θ cos θ� ⎜ α1x22β
� 1ββ⎝ � 2 � 2⎠
⎝�β1⎠
ただし、α, β は Twiss Parameter、θ は位相差。 3.
シミュレーション
Transfer Matrix より、3.1 空洞設計
βx2 =�β1 β2 sin θ x1 ' +� 2 (cos θ +α1 sin θ)x1
ビームラインに垂直な磁界を発生させるためには、β1加速で使用される TM010 モードより高次の TM110が得られる。ここで重要なのは第 1 項のキック角 x1’ モードの電磁波を使用する。今回は最もシンプルなによる部分である。ディフレクターの性能はキック 円筒形のピルボックス空洞とした。ピルボックス空幅 x2 とビームサイズの比(S/N)で評価される。ビー 洞の共振周波数は凡そ下記の式で与えられる。[3]j ×c
ムサイズ σx はエミッタンスεを用いて
R= 11ω
σx =�𝜀𝜀β2
R は空洞半径、j11 は 1 次のベッセル関数の１番目のゼロ点、c は光速度、ωは角振動数である。
で表されるから、
j11 =3.832
β11x29'�
f=5.712×10(cos θ +α1 sin θ)x1
sin θ x1 +�𝑆𝑆⁄𝑁𝑁 ∶= =𝜎𝜎𝑥𝑥𝜺𝜺β1 𝜀𝜀より、R として約 32 ㎜が得られる。ただし、これとなって、これは β1 に依存し、β2 に無関係である。 は完全な円筒形の場合に成り立つ関係式であって、従って、ディフレクターは β の大きいビームに対し 実際にはビームが通る穴や導波管との結合部(カプて特に有効である。電子銃で生成された直後のビー ラー)の影響を受けるため、シミュレーション結果
ムは大きい β を持つため、ディフレクターを用いた を反映して調整が必要となる。
分析が有効である。
3.2 電磁場解析
今回、RF 電子銃で生成する電子ビームは以下のようなパラメータを持つ矩形のものを想定している。 電磁場解析には CST 社の MICROWAVE STUDIO- 722 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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を用い、共振周波数、電磁場の強度、Q 値を計算した。Eigenmode solver のコードで計算した結果を以下に示す。Figure 3 は円筒の中心をビームラインに対して垂直な面で切断した断面における電場、Figure 4 は同じ面の磁場である。図からわかるようにビームラインが通る中心付近では、電場はほぼ 0であり、磁場は最も強くなっている。

Figure 5: PIC solver result.
図のように RF ディフレクターによってビームがスライスされ、時間情報がスクリーンに投影されることが期待できる。また、このときビームの先頭および末尾は中心軸から 13.5 ㎜離れている。この結果
から、θ=π/2、x1=0 として S/N を計算すると 31.5 となり、RF ディフレクターとして十分な性能を期待できる。シミュレーション結果を Table 3 に示す。
Table 3: Simulation Result
Figure 3: Eigenmode solver result (E-Field).

Figure 4: Eigenmode solver result (H-Field).
3.3

粒子シミュレーション

Table 2 のパラメータを持つ電子ビームが高周波を印加した RF ディフレクターの中を通過したと仮定し、ビームの挙動をシミュレーションする。計算には CST 社の PARTICLE STUDIO を使用する。計算
コードには Particle in Cell (PIC) solver を用いる。入力は 100 kW とする。空洞から 1 m 先にスクリーンがあると仮定し、ビームバンチの中心が受ける磁場の総和が 0 となるようタイミングを合わせることで、ビームバンチの先頭と末尾が対称な力を受けるように設定してシミュレーションを行った。結果をFigure 5 に示す。

ModeTM110

Frequency [GHz]5.712

Cavity diameter [mm]63.58

Cell length [mm]22.15

Q0 factor

14776

Shunt impedance [MΩ]

1.345

Input RF power [MW]

2.429

S/N

31.5

Maximum electric field [MV/m]

115.4

Maximum magnetic field [kA/m]

250.3

4.

製作と測定

4.1

製作物

詳細な 3D モデルおよび 2D 図面を作成して、外部の精密加工業者に委託して銅製の共振空洞を製作した。Figure 6 は組み立て前の内側の状態である。
これを KEK 機械工学センターの真空炉にて蝋付けして組み立てたものが Figure 7 の写真のものである。

Figure 6: Product before assembling.

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各部は①ディフレクター空洞本体、②カプラー部、 S-Parameter の縦軸の単位は dB である。共振周波③C-band 用 MO フランジ、④ビームパイプ(φ10)、 数は 5.7115GHz に合わせてある。これは空気の誘電⑤チューナーである。
率により、空気中で測定した場合は真空中より共振周波数が低くなることを考慮している。S-Parameterの値より、QL は 5200 であった。また、Smith Chart
より空洞と導波管の結合度はおよそ 1.7 である。

①

Table 4: Product Parameter⑤④5.

②③Figure 7: A finished C-band RF deflector.
4.2

測定結果

製作物の S-Parameter を用いて測定した。チューナーによる調整後の S-Parameter を Figure 8 に、Smith Chart を Figure 9 に示す。

β1.7

Q014000

QL5200

Qext

8200

まとめと今後の展望

今後はクライストロン等の実験設備を整備し、反射波の測定によって真空中における共振周波数および Q 値の測定を行う。また、低電力試験によってシミュレーション結果とほぼ同じこ Q 値が得られた。
そのため、シミュレーション通りに近い成果が得られると期待できる。これについては空洞内の高周波磁場の測定が容易ではないため、ビームライン上に設置して実際にビームを通すことにより確認する。
同時に S-band の RF を用いたサイドカップルによるマルチセルのディフレクターの開発も行う。これはKEK 入射器で使用されている RF のほぼすべてが Sband であるため、C-band ディフレクターに比べて高周波源の設置および共振器への接続のための工事が少なくて済むため、複数の地点へ導入するためには必要である。

謝辞
今回のディフレクター製作にあたり、KEK 機械工学センターの工藤氏に大変なご尽力をいただきました。深く感謝いたします。

参考文献
Figure 8: S-Parameter.

[1] T.Natsui, et al., “SuperKEKB に向けた入射器アップグレード”, p18, SAOT01, 第１０回加速器学会年会, 名古屋, 2013 8 月.
[2] http://www-linac2.kek.jp/cont/linacelement20140511/main.html[3] M.Yoshida, “電子線形加速器における高周波デバイスの基礎 ～シミュレーション～製作・試験”, 高エネル
ギー加速器セミナーOHO テキスト, 2008 年.

Figure 9: Smith Chart.

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