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)

RESEARCH OF X-BAND HIGH GRADIENT ACCELERATION
Toshiyasu Higo1, Shigeki Fukuda, Yasuo Higashi, Noboru Kudo, Shuji Matsumoto, Toshikazu Takatomi, Kenji Ueno,Yuichi Watanabe and Kazue Yokoyama
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801, Japan
Abstract
KEK has been developing the X-band high gradient acceleration technology mainly for linear collider (LC) sinceearly 1990. As of summer in 2004, the acceleration gradient of 65MV/m was established. Due to the ITRP
recommendation of other technology choice for LC, KEK has since then devoted the effort to establishing thefabrication technology and the high gradient performance confirmation in Japan. After CLIC made a choice of 12GHz,
X-band frequency, for its RF frequency in the end of 2006, KEK take the opportunity to collaborate with CLIC activity
to boost the X-band high-gradient technology. The high power study facility, Nextef, is almost ready for testing thefirst structure serving as a part of the collaboration. In the present paper, the strategy for the high gradient study, thefabrication of the first structure and the status of the high gradient test facility are described.

Xバンド高電界加速の研究
１．はじめに
これまでにリニアコライダーに向けた60㎝級のX
バンド加速管で、ビーム無しでは65MV/m級の加速電界発生が実証されていた。ここでは、多数のRFユニットで構成されるライナックのエネルギー安定性とそれに起因するルミノシティの維持に対する条件として、加速管起因の放電を100万パルスに一回程度に抑える条件を達成する加速管を多数製作試験することができていた。[1]しかし2004年夏のITRP勧告で、国際協力で進めるリニアコライダーは1.3GHzの超電導技術を選択する諮問がなされた。そこでKEKでは、それまで展開してきたXバンド加速技術開発を、将来の高エネルギー加速器技術の一環として継続することとし、Xバンド技術の応用にも目を向けてきた。ここでは、これまで国際共同開発で進めてきた加速管製造と試験を、自前で進めることになった。[2]ところが2006年末には、CERNのリニアコライダー
計 画 で あ る CLIC(Compact Linear Collider) で 、3TeV級の加速器に対する再最適化が行われ、加速周波数は30GHzから12GHzへ、加速電界は150MV/mから100MV/mに変更された。[3]これを機会に、基礎研究を進めていたKEKとSLACは共にXバンド技術開発を、CERNも含めた体制でめることに大きなメリットを見いだした。KEKでは、Xバンド試験設備の移動、再立ち上げ[4]を行いつつあり、またCLIC仕様の試験加速管の製作[5]にも踏み出すこととした。また、加速管のみならず、基礎過程を検証評価するために、単純な構造の試験高電界セットを用いた研究も進めてきている。[6,7]
今回の報告では、Nextefにおいて加速管の高電界試験に再度踏み込む第一号加速管の準備状況と、こ1の加速管が100MV/m級の加速への研究開発における位置づけを議論するとともに、試験セットアップ、特に放電現象が避けられないはずなので、その検知解析に関する方向性を議論する。

２．試験加速管2.1 高電界加速管開発戦略

現在CLICで 検討さ れて いる 加速管は強減衰構造で あ り 、 四分割型 [5]や磁場結合ダ ン ピ ン グ
ポート のも のであ り 、 GLC時代に開発し てき た軽減衰型と は、 設計、 製作上、 かなり 異なっ ている 。
我々は当面こ の CLICのパラ メ ータ に近い加速管を タ ーゲッ ト と し て開発する こ と によ り 研究を 進める こ と にし た 。

Fig. 1 Transition from disk-undamp to quad-type.
高電界発生に 関し て 立脚すべき 製作方法は、65MV/mを 達成し て いる GLC時代に築いた 加速管製作技術であ り 、 加速モード に関する パラ メ ータは2007年時点で のCLIC-C[8]仕様と する 加速管、
通称CLIC_VG1、 を ま ず評価する こ と にし た 。 こE-mail: toshiyasu.higo@kek.jp-895-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)

れはFig. 1で は左端の形状であ り 、 減衰構造無し
であ っ て、 高電界加速管への第一歩であ る 。

2.4 低電力RF評価試験結果製作し た セルと カ プラ ーは、 KEKにて組立ク ラン プし て RF特性を 計測し 確認し た。 (Fig. 3)

2.2 加速管の基本パラメータ

CLIC-Cパラ メ ータ [8]の上流に近い構造で形成する 18セ ル構造が 今回の設計パラ メ ータ で あ る[9]。 主な仕様を 下表＇ Table 1（ に掲げた。
Table 1
CLIC-C
加速管種類
24
加速セル数
減衰構造
有カ プラ ー構造ビ ー ム 孔 半 径 3.87～2.13a(mm)2.39~0.65
群速度/c (%)
60
充填時間Tf
ビ ーム 有無
有64.6
100MV/m時の(Loaded)
パワ ー (MW)パワ ー減衰率
減衰定数 τ298
最高表面電界＇ MV/m（56最高パルス 温度上昇＇ ℃（* Time from flange to flange.

CLIC_VG1
18
無モード 変換型
4.06～2.66

Fig. 3 Measurementtransmission property.

2.6~1.030 (36*)
無53.9(Unloaded)
0.71
0.172
280ofreflection andFig. 4 Field measured after tuning.

13

2.3 CLIC_VG1加速管の製作

詳細電気設計はCERNが受け 持ち 、 製作はGLC時代と 同じ く 、 機械設計と 製作はKEK、 洗浄、 接合と 真空ベーキ ン グ 処理はSLACが担当し た 。 完
成し た加速管を Fig. 2に示す。
詳細工程： セル加工は、 多結晶ダイ ヤモン ド バ
イ ト の旋盤加工、 洗浄は2～3μm級のエッ チン グ 、接合は1000℃以上の拡散接合と 金ロ ウ によ る ロ ウ
付け 、 真空処理は650℃のス テ ン レ ス チェ ン バー
内に1週間程度保持する ベーキ ン グ 処理を 行っ た 。

接合の後、 各セルの周波数を チュ ーニン グ し て
フ ィ ールド を 整え た計測結果を Fig. 4に示し た。
結果は設計と ほぼ合致する が、 全般にわたっ て Q値が 8％程小さ い こ と が 判明し た 。 こ れは、 パ
ワ ー 減 衰 が 、 計 算 値 ＇ 0.71 （ に 対 し て 計 測 値＇ 0.64（ に対応する [10]。 こ れは、 Fig. 5に典型例を 示し た よ う に、 セル端面が中に向かっ て 0.5～1μm弱落ち こ んでいる こ と に関係し た セル内部から 見た ギ ャ ッ プの可能性が関係し ている かも し れな いと 考え ている が、 ロ ーカ ルに大き なロ ス ではな いので、 高電界特性に本質的な評価ができ なくな る よ う な こ と にはつながら ないと 判断し ている 。

Fig. 5 Flatness of cell surface of CLIC_VG1.

３．高電界試験セットアップ
3.1 Nextef

Fig. 2 CLIC_VG1_Disk #2 for KEK test.

CLIC_VG1加速管を 100MV/mで評価する た めには、 Table 1にあ る よ う に54MWあ れば良い。 超過試験を 行う べき ではあ る ので、 なる べく 高い電力を 出せる よ う NextefではRF源と 輸送系のプロ セシ-896-

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)

ン グ を 行っ てき て、 加速管へ75MW、 250nsec級のRFを 供給する こ と ができ る に至っ ている 。 [4]3.2 高電界特性評価方法
我々はこれまでもXバンド加速管の高電界試験を行ってきたが、殆どの場合先行するパルスでは何の予兆も観測されずに突然あるパルスで加速管内の放電が発生し、上流へは大きな反射波を、下流の透過波では欠けが観測される[11,12]。Fig. 6 に典型例として放電パルスと直前パルスを示した。

し 放電場所の同定精度を 上げる 必要があ る と 考え ている 。 ま た 、 ミ ッ シン グ エネルギーを 精度良く 同定
し 、 こ れを 放電の検出に用いる こ と も 重要な検討課
題であ る と 認識し ている 。
試験加速管と し て は、 こ の後四分割管、 ディ ス ク型ではあ る が、 減衰構造を も ち、 そのためにパルス温度上昇の大き い加速管等の試験に進める べく 計画
し ている 。

５．謝辞
本研究に は 、 CERNの 所長を 始め 、 CLIC関連の方々や、 SLACの常伝導加速器研究と 関連パーツ 製作の方々の大き な協力のも と に遂行さ れていま す。
こ の紙上を 借り て 、 感謝致し ま す。 特にCERNには、加速管製作と 高電力試験設備の立ちあ げに関し ての資金サポート も いただいており 、 感謝致し ま す。

参考文献

Fig. 6

Typical structure breakdown event.

Nextefでは放電の同定には、以下の４種類のオブザーバブルより検出するつもりである。
１． 加速管上流への反射波の増大
２． ビーム軸方向への電流のフラッシュ
３． 加速管下流への透過波の欠け
４． ミッシングエネルギー
１．はRFパルスのクリスタル検波のビデオ信号を用いるが、パワーで1％程度の小さい反射だと方向性結合器の方向性が有限であることによる進行波からのパワーの漏れに埋まって、反射波位相により感受性が低い難点がある。２．は多くの放電事象で観測されるので良い指標になると考えられるが、それ自身が今回検討確認をようすることの一つである。また、３、４項は、毎パルスを観測、解析するシステムをとる[13]ので、これから判断ができると考えている。但し現状ではこれからシステムを瞬時にコントロールすることができず、インターロックとしては作動させることは当面考えていない。
こ の他に、 X線モニ タ ー、 音響セン サー、 等を 装着し て 総合的に放電を と ら え る こ と と する 。 ま た、RF源や輸送系に起因する 波形の乱れに関し て は、上流の RFパルス 波形を 計測記録する こ と によ り 、オフ ラ イ ン で加速管起因の放電と の判別を 可能にする つも り であ る 。
3.2 高電界基礎試験
Nextefでは、別の試験スタンドを使って、単純な構造での高電界試験も並行して進めている。この情報を合わせて高電界への研究を進めている。[6,14]

４．議論と今後の方針[1] S. Doebert et al., “High Gradient Performance of NLC/GLC
X-Band Accelerating Structures”, PAC05, Knoxville,Tennessee, USA, 2005.
[2] T. Higo et al., “常伝導リ ニア コ ラ イ ダー型加速管の高電界試験結果と 今後の 基礎試験展望”, 第3回加速器学会年会＆第31回リ ニ ア ッ ク 技術研究会、 仙台、
2006.
[3] H. H. Braun, “Toward a Multi-TeV Linear Collider Drive
Beam Generation with CTF3”, APAC07, Indore, India,
2007.
[4] S. Matsumoto et al.,「 100MW級Xバン ド 加速管試験施設
Nextef に ついて 」 第5回加速器学会年会＆第33回リニア ッ ク 技術研究会、 広島、 2008.
[5] T. Higo et al., “Fabrication of a Quadrant-type Accelerator
Structure for CLIC”, EPAC08, Genova , Italy, 2008.
[6] K. Yokoyama et al, “High-Gradient Experiments withNarrow Waveguides”, WEPP106 , ibid.
[7] V. Dolgashev, “Status of High Power Test of Normal
Conducting Single-Cell Structures”, MOPP083, ibid.
[8] A. Grudiev, CLIC-C parameters, in X-Band Accelerator
Structure Design and test Program Workshop, CERN,
June, 2007,
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=15112[9] R. Zennaro, CLIC_VG1_Parameters, CERN EDMS 889812.
[10] J. Wang and R. Zennaro, Private communication, 2008.
[11] T. Higo et al., “High Gradient Study on X-Band
Accelerator Structure for Linear Collider”, PAC05,
Proceedings of Part. Accel. Conf., Knoxville, Tennessee,USA, 2005.
[12] T. Higo et al., “Normal Conducting High-Gradient Studiesat KEK”, THP038, LINAC Conf. 2006, Knoxville,Tennessee, USA, 2006.
[13] S. Ushimoto et al., “Control System for KEK X-Band RF
Test Facility (Nextef)”, 第4回加速器学会年会＆第32回
リ ニア ッ ク 技術研究会、 和光市、 2007.
[14] K. Yokoyama et al.,「 狭導波管を 用いた高電界 放電特性」 第5回加速器学会年会＆第33回リ ニア ッ ク 技術研究会、 広島、 2008.

計測手段と し て 将来的には、 反射波の位相を 計測-897-