[論文レビュー] Towards Reliable Acceleration of High-energy and High-intensity Electron Beams

K. Furukawa, Linac Commissioning Group|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、KEKにおける高エネルギー・高強度Sバンド電子線形加速器の成功裏の稼働開始と安定化を詳細に記述している。3.7 GeVで10-nC（6.24×10¹⁰電子）のビームを3.7 GeVで得ており、稼働率は99.0%に達した。高度なフィードバックシステム、正確なタイミング制御およびRF制御、ウェークフィールド低減技術を用いることで、KEKBおよびSORリングの運転に安定してビームを供給し、電子線形加速器における輝度と安定性の基準を確立した。

ABSTRACT

KEK electron linac was upgraded to 8 GeV for the KEK B-Factory (KEKB) project. During the commissioning of the upgraded linac, even continuing SOR ring injections, we had achieved a primary electron beam with 10-nC (6.24 x 10^10) per bunch up to 3.7-GeV for positron generation. This could be classified as one of the brightest S-band linac's. Since the KEKB rings were completed in December 1998, those 3.5-GeV position and 8-GeV electron beams have been injected with an excellent performance. Moreover, we have succeeded in switching among the high-intensity beams for KEKB and beams for two SOR rings with sufficient reproducibility. After the commissioning of the KEKB ring started, we have launched a project to stabilize the intensity and quality of the high-current beams furthermore, and have accomplished it investigating every conceivable aspect.

研究の動機と目的

• KEKB Bファクトリー計画のため、8 GeVで信頼性の高い高強度電子ビーム運転を達成すること。
• 4つの異なるビームモード（KEKB、PF、PF-AR）において、ビーム品質と強度を高い再現性で安定化させること。
• RFシステムのドリフト、横方向ウェークフィールド、装置パラメータの変動によって引き起こされるビーム不安定化を克服すること。
• リアルタイムでのビームおよび装置パラメータ制御のためのフィードバックシステムおよびソフトウェアの開発と実装。
• 最小限のオペレータ介入で長期間にわたり高稼働率を維持できる運用を可能にすること。

提案手法

• 4つの異なるビームモードにおいて、ビームエネルギー、軌道、装置パラメータの安定化のため、30以上のフィードバックループを実装。
• ソフトウェアベースの相関解析を用いて、ガン電圧、タイミング、RF位相といった主要パラメータの許容限界を特定。
• Q磁石スキャンおよびワイヤースキャナー技術を用いて、ビームエミッタンスおよびオプティクスの測定と補正。
• RF出力最適化および波導再構成を実施し、高磁場加速構造内の放電を抑制。
• 固定エネルギーでのビームオプティクスマッチングおよびRF再構成後の再マッチングのためのソフトウェア開発。
• 縦方向ウェークフィールド推定とRF測定データを応用し、線形加速器に沿ったエネルギー獲得モデルの精緻化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大ビーム電流の90%を維持するためのビームパラメータ（例：ガン電圧、タイミング、RF位相）の重要な許容限界は何か？
• RQ2 高強度運転における横方向ウェークフィールドおよび装置のドリフトによって引き起こされるビーム不安定化を最小限に抑える方法は何か？
• RQ3 4つの異なるビームモードにわたる安定的かつ再現性の高いビーム供給を達成するためのフィードバックおよび制御戦略は何か？
• RQ4 高強度ビームは、特に電気的放電の観点から加速構造の性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 十分なエネルギー補償がなされた状態で、2ビームバッチ加速を達成できるか？

主な発見

• 線形加速器は、180°のビーム折り返し系を通っても損失がなく、3.7 GeVで10-nC（6.24×10¹⁰電子）の電子ビームを達成し、Sバンド線形加速器としては最も明るいクラスに分類された。
• 1999年度のインジェクション用ビーム稼働率は99.0%に達し、フィードバックシステムとパラメータ安定化のおかげで顕著に向上した。
• 許容限界の研究により、ガン電圧は±0.38%、タイミングは±45 ps、RF位相は±1.7°の範囲内で制御する必要があることが判明した。
• 波導再構成とRF最適化により、加速構造内の放電率は頻繁な発生から1日1回未満にまで低下した。
• 2ビームバッチ加速スキームが実証され、8-nCビームにおいても2つのビーム間のエネルギー差がわずか2.5%にとどまった。
• 現在、線形加速器は最小限のオペレータ介入で運用されており、ビームモード切り替えおよびパラメータ安定化のための自動フィードバックおよびソフトウェア制御に依存している。