Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP012

J-PARC リニアックチョッパシステムの開発（２）DEVELOPMENT OF RF CHOPPER SYSTEM AT J-PARC LINAC（２）平野耕一郎#, A), 近藤恭弘 A), 川根祐輔 A)、篠崎信一 A), 三浦昭彦 A), 森下卓俊 A),
澤邊祐希 , 杉村高志 B) , 内藤富士雄 B) , 方志高 B) , 福井佑治 B) , 二ツ川健太 B) , 丸田朋史 B) , 宮尾智章 B)
Koichiro Hirano #, A), Yasuhiro Kondo A), Yusuke Kawane A), Shinichi Shinozaki A), Akihiko Miura A),
Takatoshi Morishita A), Yuki Sawabe A), Takashi Sugimura B), Fujio Naito B),
Zhigao Fang B), Yuji Fukui B), Kenta Futatsukawa B), Tomofumi Maruta B), Tomoaki Miyao B),
A)
Japan Atomic Energy AgencyB)
High Energy Accelerator Research OrganizationA)

Abstract

Two RF-deflecting cavities as a chopper and a beam scraper have been used in the MEBT1 between a 324MHz RFQ
and a 50-MeV DTL of the J-PARC Linac. We replaced with a newly fabricated RF chopper to decrease beam loss forthe operation with 50mA. We installed two new scrapers to absorb the higher power of the deflected beam by the RFchopper. This paper describes the RF chopper system and beam irradiation test results of the scraper.

1.

はじめに

2014 年にイオン源、RFQ、及び、MEBT1 の改造を行い、ビーム電流を 50mA に増強した。現在の JPARC リニアックの運転パラメータは、ピーク電流33mA、マクロパルス幅 500μs、繰り返し 25Hz、ビームエネルギー400MeV である。マクロパルス
ビ ー ム は 、 RFQ 下 流 の MEBT1 領 域 に あ る RFチョッパ（RF Deflector 、以下、RFD という。) 空洞の電極電界によって、その一部が蹴りだされ、櫛形構造を持つビームに整形される。この整形されたビームは、パルス幅 456ns の中間パルスが 815ns の Figure 1: Layout of a new RF chopper cavity and a
周期で並んだ構造である。一方、蹴りだされたビー tandem scraper in the MEBT.
ムは、Figure 1 に示す RFD 空洞から約 70cm 離れた場所にあるスクレーパに負荷される。ビーム電流 2. RF チョッパ（RFD）
50mA のビームが RFD 空洞内部でロスしないように、 今回製作した新チョッパ空洞（三菱重工三原製作
電極の間隔やビームパイプの内径を拡げた RFD 空 所製）を Figure 2 に示す。RFD 空洞は、大きなカッ洞を製作した。スクレーパでは、ビーム負荷の増加 プリング係数を持つ入出力用の 2 本の高周波ループに伴う損傷が懸念されている。マクロパルス内で上 を持つ。この空洞は、電磁場解析コード HFSS を用昇するスクレーパ表面温度を低減させるため、RFD いて電気設計 [1]を行い、最終的に、高周波ループの空洞の電極電界の位相を 180 度反転させ、Figure 1 形状を変えて、周波数調整を行った。のように、対向した 2 台のスクレーパ（以下、タンビームハローを含めたビーム位相方向の全幅測定デムスクレーパという。）に、パルス幅 500μs 内 を 行 っ た 結 果 、 ビ ー ム 電 流 50mA で は 、 位 相 長のビームを振り分けて照射させる体系を構築した。 150deg の範囲にビームが存在すると推測された。十
今回は、2014 年に MEBT1 ビームラインに設置した 分な蹴り角を得るには、空洞電力 103kW の時に電新 RF チョッパ空洞、及び、タンデムスクレーパに 極電界が 2.6MV/m 以上必要である。このため、関するチョッパシステムの改造、及び、MEBT1 で ビームが当たらないように、RFD 空洞の電極間隔、使用したスクレーパのビーム照射試験について報告 及び、その両端部のビームパイプの内径を広げて、する。
電極間隔を 14mm、ビームパイプの内径を 24mm と___________________________________________#

hirano.koichiro@jaea.go.jpした。
上流側の RFD1 空洞は下流側の RFD2 空洞と同軸管で直列に連結している。２空洞を連結した体系の電磁場分布を Figure 3 に示す。これらの空洞の電極- 944 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP012

電界の位相が一致するように、連結管の長さを計算で求めた。ビーム軸上にある空洞の間隔は、3βλであるため、２空洞の位相が一致すると、ビームは各空洞の電極電界によって最大限蹴られる。
RFD 空洞を連結した時の S11 の真空状態の測定値
を Figure 4、S21 を Figure 5 に示す。324MHz でVSWR は 1.02、Q 値は 12 となった。
RF 窓は、フェローテック製 AM997Q を使用した。
T スタブの内軸部に２重冷却管を通し、RF ループが接続される同軸管の内軸部分と RF 窓のセラミックス部を水冷した。各 RFD 空洞に、45L/s のイオンポンプを２台設置した。ビーム運転時の空洞の圧力は、1.5E-5 Pa となった。
RF 源として、ピーク電力が 120kW の半導体アンプ[2] （R&D 製）を製作した。このアンプの RF パ Figure 4: Measured S11 spectrum of two RFD cavities
ルス出力波形の立ち上がり、及び、立ち下がりの時 connected with a coaxial waveguide.
間は 16ns である。半導体アンプを設置し、EIA フランジ付きの 77D 同軸管(日本高周波製)を RFD 空洞の入力側に接続した。また、RFD2 空洞の出力側に水冷式ダミーロード（日本高周波製、ピーク電力150kW、3％デューティ）を接続した。

Figure 5: Measured S21 spectrum of two RFD cavities
connected with a coaxial waveguide. It shows theresonant frequency f0=324MHz and the bandwidth
df=28MHz. The loaded Q=12.

Figure 2: Top view inside the RFD cavities.

3.

Figure 3: Electric field distribution in two RFD cavities
connected with a coaxial waveguide.

タンデムスクレーパ

スクレーパヘッドには、厚さ 5mm の炭素複合材である C/C コンポジット、東洋炭素製 CX2002-U（以下、C/C 材という）を使用した。C/C 材は水冷した銅ブロック上にロウ付けし、ビームに対して 45 度傾けて設置した。パルス幅 500μs の過渡状態の伝熱解析 [3]を行った結果、スクレーパヘッド表面のピーク温度は 2200℃となった。ビーム負荷の増加に伴う損傷が懸念される。そこで、スクレーパへのビーム負荷軽減のため、対向した 2 台のスクレーパに、パルス幅 500μs 内のビームを振り分けて照射させる体系を構築した。Figure 1 のように、2 台のスクレーパは、ビーム軸上流側から見て左側をスクレーパ A、右側をスクレーパ B とした。
スクレーパヘッドは、照射時のビーム電流を測定できるように絶縁されている。スクレーパヘッドのビーム電流を粒子数カウンタに入力し、スクレーパに照射された粒子数の総量[4]を得ている。

- 945 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 THP012

RF 電力が RFD 空洞内に無いタイミングで、中間パルスが作られる。スクレーパ下流に設置している
電流モニタ SCT05 で、ビーム電流 50mA の中間パルスのビーム電流波形（ch3）を測定した。その波形を Figure 6 に示す。ローレベル RF システム[5]のモジュールを使用して、RF 電力が RFD 空洞内に無いタイミングで、RF の位相を 180 度反転させた。この結果、Figure 6 に示すように、スクレーパ A の電流波形（ch1）、及び、スクレーパ B の電流波形（ch2）が交互に観測された。電極電界の位相が中間パルス毎に 180 度反転されることによって、ビー
ムは 2 台のスクレーパへ交互に照射された。
このシステムは、スクレーパへのビーム負荷を半減できるため、50mA のビーム利用運転において、本格的な運用を計画している。

度分布を測定した。

Figure 7: Measurement of the scraper surface temperature
distribution.
4.1

ビーム照射位置

RFD 空洞電力 114kW、繰り返し 5Hz、パルス幅500μs、ビーム電流 34mA、の運転条件で、スクレーパ B にビームを照射した。ビームがスクレーパヘッドに当たった場所は、Figure 8 に示すように高温になり、発光した。この付近のピーク温度分布を
Figure 9 に示す。ピーク温度分布の中の最大温度1310℃の場所は、Figure 10 に示す測定スポットが示す位置であり、ビーム軸から 27mm 離れていた。
ビームが当たるスクレーパ上の設計位置は 26mm であり、ほぼ設計通り、ビームを振ることができた。
Figure 6: Waveforms of scraper beam current andintermediate pulse with a peak beam current of 50mA.

4.

スクレーパビーム照射試験

スクレーパヘッド表面の温度を測定する体系を
Figure 7 に示す。スクレーパヘッド表面温度は、高速放射温度計（IMPAC 社製、IGA740-LO）を用いて測定した。この放射温度計は、300～2300℃の温度範囲で 6μs の応答速度を有するため、パルス幅 500μs 内で、温度の過渡変化を測定できる。また、放射温度計から 320 ㎜離れた位置での測定スポットサ
イズはΦ2 ㎜であり、その領域内の平均温度を測定できる。サファイヤ窓を通して、真空内の温度を測定するため、放射温度計の較正が必要である。そこで、C/C 材（20×20×1 ㎜）、サファイヤ窓、金平面ミラー、および、放射温度計を用いて、スクレー
パヘッド表面温度測定体系と同じ配置になるように設置して、放射温度計の較正を行った。ヒーター上に 20×20×1 ㎜の C/C 材を設置し、その表面に K 熱電対を取り付け、K 熱電対と放射温度計の測定値を比較した。放射温度計の測定値が K 熱電対の測定値424℃と同じになるように、放射温度計の放射率を0.3 に設定した。
Figure 7 に示すステッピングモータアクチュエー
タ付きミラーの回転軸、及び、あおり軸を 2 軸ステージコントローラ（シグマ光機製、SHOT-102）を用いて制御し、ヘッドの表面をスキャンできるようにした。これを用いて、ヘッドの表面のピーク温

Figure 8: Black body radiation of the scraper head.

Figure 9: the scraper surface temperature distribution.

- 946 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP012

参考文献

Figure 10: Photograph of thermometric point on thescraper head.
4.2[1] K. Hirano, et al., “Development of RF chopper system at JPRAC Linac”, 10th PASJ, 2013.
[2] K.Futatsukawa, et al., “Chopper Operation for the Tandem
Scrapers at the J-PARC Linac”, LINAC2014, TUPP067[3] T. Sugimura, K. Hirano, et al., “Development of a 3MeV
beam scraper for the J-PARC Linac”, 10th PASJ, 2013.
[4] Y. Kawane, et al., “Interlock system of beam line for beam
current upgrade” , 11th PASJ, 2014.
[5] Z.Fang, et al., “Low Level RF Systems for J-PARC Linac
50-mA Operation”, IPAC 2015, USA, May 2015.
[6] T. Sugimura, et al., “The heat transfer analysis for a newlarge entry angled scraper for J-PARC Linac”, 12th PASJ,2015.

スクレーパ表面観察

スクレーパ B に、ピーク電流 33mA、マクロパル
ス繰り返し 25Hz、粒子数 5.1E21 個のビームを約 3ケ月間照射した。この期間、最大ピーク温度が得られる場所の温度波形を連続的に測定した。Figure 11に示すように、時間経過とともに、温度波形のピー
ク温度は、増加した。また、温度は次のパルスまでに下がりきらなくなった。放射温度計は 2300℃以上測定できないため、測定終盤のピーク温度は測定できていないが、温度の減衰曲線から推測すると、2500℃に達したと思われる。ヘッドの損傷具合を確 Figure 11: Waveforms of the scraper surface temperature
認するため、2014 年 12 月にヘッドを取り出し、 measured by the high-speed pyrometer.
レーザマイクロスコープを用いて、表面観察を行った。Figure 12 に示すように、ビームが当たって損傷した部分は、幅 100μm の突起物が表面から 200μmの高さまで剣山のように突き出ていた。また、ピンセットで深さ 300μm まで簡単に取り除くことができた。剣山部分によって、表面の熱伝導率が悪化し、ピーク温度が増加したと思われる。剣山のような損傷部は昇華した炭素が再結晶化し、成長したように思われるが、正確なことは分かっていない。

4.

まとめ

電極電界 2.7MV/m を有するチョッパ空洞を製作し、この空洞の電極電界によって、ビームがスクレーパへ設計通り蹴られることを確認した。空洞のRF 位相を 180 度反転させ、タンデムスクレーパにビームを照射し、ビームが中間パルス毎に振り分けられることを確認した。スクレーパに粒子数 5.1E21個を照射することによって、300μm 程度損傷することが分かった。今後、50mA ビーム利用運転に向けて、位相を反転させるローレベル RF システムを準備する。さらに、ヘッドの表面温度を低減させるため、ビームの入射角が 67 度のスクレーパヘッド[6]を製作し、ビームラインへ設置する予定である。

Figure 12: The photograph of damaged part on a scraperhead.

謝辞
スクレーパ温度測定、ミラー制御に関して、三菱電機システムサービスの石山達也氏に多大なるご協力を頂きました。

Figure 13: Observation of the scraper surface using thelaser microscope.

- 947 -