“KEKに於ける加速器研究”を改めて

“KEKに於ける陽子ﾘﾆｱｯｸ(DTL)の製作と各要素の試み”としました。

• 製作された陽子ﾘﾆｱｯｸのﾘｽﾄ• ﾀﾝｸ周辺の各要素とは何かその後、各要素の試みと製作ﾘｽﾄの関係を説明します。

1.ﾀﾝｸ及びDTの表面処理2.DTの構成と四極磁石3.DTの据付方法とﾀﾝｸ整列4.入力ｶﾌﾟﾗｰ及びRFｺﾝﾀｸﾀｰ5.小さなｸﾞﾙｰﾌﾟが

J-PARC陽子ﾘﾆｱｯｸ以後、どのような陽子ﾘﾆｱｯｸを想定し、何を試みようとしているか？

今回は、RF源系、温度制御用冷却水系(0.1度以内）、ﾋﾞｰﾑﾓﾆﾀｰ系、運転方法(調整方法）等は準備不足で割愛させて頂きます。

KEKに於ける陽子リニアック(DTL)の製作と各要素の試み①

②

主な増設理由は、

　　ブースター､主リングビーム増強の為　　　等々である。入射エネルギー(MeV) 0.75加速エネルギー(MeV) 40.3

エミッタンス(πcm･mrad) 0.6ピーク電流(mA) 100

13 ～ 15ビーム巾(μsec) 約 6

10 ～ 44エネルギー広がり(%) ±1.2

±0.8

③

④

・３ MeV RFQの建設。

⑤

　　約３０mAのビーム強度で、ビーム透過率は１００%であった。

以上、KEKでは、4台のドリフトチューブ型陽子リニアックを製作していることになる。

前段ビームのリニアック系(プリバンチャー込み)のビーム捕獲効率は、通常で約７２%であり、最大で約８５%であ

　・ブースター入射時の空間電荷効果によるビーム強度への制限を緩和し、

　500MeVブースター入射器として運転中である。

　　　しかし、不幸にも、ビーム透過率は約８０%であった。何故か？(個人的な見解は後で)

負水素ビーム（最大幅；120 μsec）陽子ビーム　20MeV時

前段加速器；ｺｯｸｸﾛﾌﾄ･ﾜﾙﾄﾝ高電圧発生装置増設前、２０．３ MeV まで陽子を加速する。アクセプタンス(第一タンクでの）：約0.7π　である。陽子ビーム(最大加速電流；200 mA)　20MeV時

負水素ビーム(ブースター側要請による)

１９７１年、２０ MeV アルバレ型陽子リニアック(DTL)の建設が開始された。周波数は２０１．０８ MHz である。１９７４年８月　最初のビーム加速に成功し、500MeVブースター入射器として運転されている。

増設後、主に負水素ビームを加速し、更に偏極負水素ビーム、重水素ビーム、α-ビームも加速し、１９８５年、４０ MeV にエネルギーを上げる為、第二タンクが増設・設置された。

　・ブースター入射方式として荷電変換方式を採用したこと、

負水素ビーム(最大加速電流；30 mA)陽子ビーム(最大幅；約 30 μsec)　20MeV時

１９８７年大型ハドロンプロジェクト(JHP)チームが立ち上がる。周波数は、４３２ MHzに決定する。 ・３ MeV RFQの建設。　１９９４年には既にビーム加速に成功する。 ・３～５ MeV DTL(Drift-Tube-Linac) の建設。　１９９８年に、DTLでのビーム加速に成功する。

１９９７年にはJHF(現J-PARCの前身)用加速器が設計されている。周波数は、３２４ MHzに決定・変更された。

・３～５０ MeV DTL(Drift-Tube-Linac) の建設。・５０～１８１ MeV SDTL(Separated　Drift-Tube-Linac) の建設。　２００４年には、KEK陽子リニアック棟で、19.7 MeV まで加速に成功する。これはDTL-1の設計値である。

現在、CW 用陽子リニアック加速器は？

ドリフトチューブ型リニアック･タンクの周辺（J-PARC用DTL第一タンク)

その他の構成物として・タンク励振用RF系・タンク及びドリフトチューブ温度制御用冷却水系・電磁石電源系・ビームモニター系と運転制御系等がある。

３ MeV RFQ

四極電磁石励磁用ケーブル群

J-PARC用DTL第一タンクビーム加速試験の為、

KEK陽子リニアック棟に設置。

固定チューナ

RFモニター及び覗き窓

ポストカプラー

イオンポンプ

反対側には、２ケの入力カプラーと

２ケの稼働チューナがある。

バンチャー チョッパー

ポストカプラー

ドリフトチューブ四極磁石を中に含む。

PS-LINACの最初に製作された第一タンク

四極電磁石用ケーブル群

タンク及びDTは純水(タンク側防錆剤あり)で温度制御されている。±０．１度以下

トリプレット20MeVタンクの下流側から　タンク；鉄製＋銅鍍金(厚さ=1mm)　DT；SUS製＋銅鍍金(厚さ=1mm)　ポスト安定化機構がない。

KEKでの空洞内表面の銅電鋳

１．

①②

③

④

⑤

導電率測定例材料 IACS値

IACS基準軟銅 100.7無酸素銅(FOFC) 102PR銅電鋳 101.9

光沢硫酸銅電鋳 76.8ピロリン酸銅電鋳 80.1

タンク及びドリフトチューブの表面材としては、高い導電率、高い放電電圧、低いガス放出率等々が要求される。

端部及び各ポート部は別途銅電鋳される。　　各部の鍍金厚の均一性を確保する為、使用治具が異なる。

タンク内径部の電鋳（１回目）写真、　内径加工後、2回目の電鋳を実施する。　各部の電鋳にはそれぞれに適合した治具が用意され、　更に、良質な鍍金を得る為に、前処理が実施される。　左写真では、はっきりと把握できないが、端部には、　醜い(不必要な）花模様が咲き乱れている。

加速空洞及びドリフトチューフﾞの表面と材料

加速周波数が数百MHｚと低い為、加速空洞も大きく、構造上の強度も考慮し、多くは鉄材/SUS材が使用され、　表面を銅処理した空洞/ドリフトチューブが用いられる。KEKでは、①の段階から銅電鋳(厚い銅メッキ；約1mm）が採用され、その後多くの空洞は銅電鋳を採用している。しかし、銅電鋳の方式にも幾つかの方法があり、それぞれの陽子リニアックでも異なった方式が採用されている。

光沢硫酸銅電鋳であろう。？ピロリン酸銅浴中での直流電流による鍍金。この方法は、添加剤を使用し、平滑で緻密な銅表面を確保する。

　この方法をPR銅電鋳と言う。この方法により、高導電率で且つ高放電開始電圧を持つ銅表面を確保した。空洞は、従来の通り、鉄材の上にPR銅電鋳である。ドリフトチューブはアルミ合金の上にPR銅電鋳の可能性はある。

　添加剤（光沢剤）により、析出する金属結晶を微細化し、厚い鍍金においても鏡面を得ることが出来る。無酸素銅（FOFC)材を使用し、精密加工された。最後に、電界研磨（EP）処理される。　EP処理により加工の凸凹が除かれる。但し、EPの実施時間が長いと無酸素銅のドメインが析出する可能性がある。硫酸銅低濃度浴(添加剤無し)を使用し、印加する電圧の極性を周期的に反転し、鍍金を実施する。

マスク材

ドリフトチューブ内構造と四極磁石の変遷

銅鍍金層(約1mm)

SUS材

冷却水ｼﾞｬｹｯﾄ

電磁石鉄心

ﾋﾞｰﾑ管(SUS材 )

電 磁石ｺｲﾙ

隙 間は、ｴﾎﾟｷｼ樹脂を真空含浸する。

冷却水ｼﾞｬｹｯﾄ周辺の隙間toleranceが、

ﾀﾝｸの加速field分布の再現性を確保する点で

は、充分かどうか？

ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞの断面 銅/アルミ合金では如何か？

DTとジャケット間の隙間をzeroにする。

DTの変形;エポキシ樹脂の熱変形に起因する。故に、DTと電磁石間に隙間(真空層が良いが）を積極的に作る。そのような製作法を取る。

磁石位置決め

DTの製作方法；　　従来；まず、各部品を精度良く加工し、組み上げる。精密加工量を減らす為、熱変形の少ない　　　　　電子ビーム溶接(EBW)し、溶接部を補修し、鍍金をする。最後に、仕上げ精密加工をする。　　近年；磁石の基準面並びにDT加工の基準面を最後の仕上げ段階まで確保し、溶接の変形・部品設置誤差・　　　　　鍍金厚のバラツキ等による不要な変形を精密仕上げ加工する。　　　　　最後に、放電対策並びに錆防止の為、電界研磨で仕上げる。永久磁石ではこの工程は取れるか？

２．ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ内の構成と四極磁石(ドリフトチューブ形状は、四極磁石の収容可能性を考慮し、空洞計算ソフトで決める。）

ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ用四極電磁石ｺｲﾙの消費電力とｺｲﾙ温度上昇の関係

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300

ｺｲﾙ消費電力(W)

ｺｲﾙ

の平

均温

度上

昇(度

)

旧NO.3

NO.2

NO.3

NO.4

NO.5

NO.6

N0.7

NO.8

③ 四極磁石　16片永久磁石の組合せ

永久磁石のバラツキ及び機械加工による二極成分の発生は、SUSと永久磁石間の隙間で調整する。要求された四極成分の磁場強度は、永久磁石の加熱に対する減磁特性を利用し、適宜な温度で加熱し、調整する。熱特性に強くなる。

四極磁石の使用変遷-1

永久磁石アルニコは、放射線による減磁の

影響も受けていないと思われる。

20年間ビームに大きな変動を与えていない。

② 四極磁石　アルニコ-V製永久磁石使用

何故永久磁石か？　･電源購入費も場所も無い。　･使ってみたかった。

制限；・磁場勾配の確保？　・EBW時、減磁出来るか？　　　・機械中心と磁場中心のズレ補正可能か？　等々の問題結果、世界最初の永久磁石方式四極磁石の実用装置となった。

① 四極電磁石　　パルス励磁(約1msec半波)

四極磁石の使用変遷-2

・磁場勾配の設定が製造会社の着磁装置の能力に任せたこと。

即ち、個々のDTの磁場勾配を変えることが出来ない製法であった。

・ビームダイナミックス上、ビーム制御が非常に難しい磁場勾配を

設定していたこと。特に、端板のDTに関して。

③ 四極磁石　　16片Nd-系永久磁石

ドリフトチューブの中心部に精度良く着磁された16片永久磁石を直接組み込む。その後、DTの外側部に挿入し、EBWする。

実際の着磁装置では、要求された磁場勾配を得るよう精度良く着磁することは非常に難しい。

　　　将来、DTLの上流部の四極磁石のうち4ケ分は、　　　直流励磁の電磁石となる。それより下流は、永久磁石式四極磁石の採用となると想像される。採用される周波数(サイズの決定に大きい)並びに安定なRF源確保の問題も絡む。

⑤

④ 四極電磁石　　パルス励磁/直流励磁

DT冷却水路焼き締めで固定

PR銅電鋳法で製作された水冷式コイル

ホロ－コンダクターによるR-部が不要となり、小型化出来た。今回、従来の電鋳法(添加剤込み）では、熱により添加剤が局所化し、鍍金が脆くなると言う問題が生じると判断し、PR電鋳法を採用した。

DT据付方法とタンク整列

テーラホブソン

Z-軸測定

DT搬送用架台

DT据付方法；　　従来の方法と変わらない。　　±０．０５μm(設計上はもっと高精度を要求したいようです。

手順；１．タンク内のDT設置軸決定(内径中心を求めor基準治工具で)。２．テーラホブソンの光軸設定。３．DT据付（中心位置出し、傾き、DT間距離）。

ターゲット

Equipments for installing the drift tube

DT

Optical targetOptical telescope

Laser interferometer

Instrument for measuringdistance along the z-axis

DT据付とタンク整列-続き

同じ手順、同じ装置で測定した例(測定者違う）

DT中心は動いたのだろうか？

測定誤差内だろうか？

結局は、ビーム光学上の影響を計算する。

タンク間整列･結合の為の位置基準座の例；　レーザ光使用、レーザトラッカー使用、トランシット使用、連通管方式、　wire方式　等々の方式により、基準座上の載せる治具が異なる。

基準座面DT中心と一定の関係にある。

DTL2-1のDT中心のずれ軸のズレを見る為に

y = -4.30E-06x + 2.14E-02

y = -2.31E-06x + 3.14E-03

y = -7.54E-07x - 4.71E-03

y = 1.26E-05x - 2.97E-02

-0.10

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

下流側　　DT据付位置(mm)　　上流側

ΔX,X1,Y,Y1(mm)

ΔX(mm)

ΔX1(mm)

ΔY(mm)

ΔY１(mm)

線形 (ΔX1(mm))

線形 (ΔX(mm))

線形 (ΔY(mm))

線形 (ΔY１(mm))

DTL2-2のDT中心のずれ軸のズレを見る為に

y = 1.00E-05x - 2.85E-02

y = 8.09E-07x + 2.67E-03

y = 1.27E-06x - 4.16E-03

y = 2.25E-05x - 1.98E-02

-0.10

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

下流側　　DT据付位置(mm)　　上流側

ΔX,X1,Y,Y1(mm)

ΔX(mm)

ΔX1(mm)

ΔY(mm)

ΔY１(mm)

線形 (ΔX1(mm))

線形 (ΔX(mm))

線形 (ΔY(mm))

線形 (ΔY１(mm))

DT据付時の測定と年オーダ後の測定結果例；問題の有無は？　許容値=±0.05mm

入力カプラーとRFコンタクター(真空シール）の例

PS-LINACの運転1年後、セラミック窓の変色

大気側

真空側(タンク側）薄黒い(C-色)

真空側セラミック窓

稼働用RFコンタクター　取り付け場所

同軸の外周部

同軸の内胴帯へ

稼働範囲

稼働型入力カプラーの一部

①,②,③,④全てのDTLで

KEKB用カプラー；　1MW-CW運転可能。

セラミック窓

真空側

SDTL用,将来

RFコ ン タ ク タ ー 部

狭 い 隙 間 (約 1mm弱 ）

ﾀﾝｸ側

稼 働 チ ューナの構成② ,③ ,④ で使用

入力カプラーとRFコンタクター(真空シール）の例-続き

ステム

タンク タンク

RFコンタクト及び真空シール及びDT位置出し；

　かなりのインジューム厚を鍍金した。

DT位置出しの為、かなり変形を余儀なくされた。ステムも銅材使用。

超超精密加工が要求された。当時、要求精密加工不可か？

③

ステム

タンク間接合部；ヘリコフレックスを使用した。DT間距離確保と真空シールの同時共存の為。

②

＋

＋ SUS spring

E-シール(インジューム付き)

ステム部の真空シール；ウィルソン･シール法　DT位置出し時、ステム位置が移動する。

④楕円リング

O-リング

X-リング

①

高電力RFでタンクを励振した時起こる事象例(全てのタンクで発生している。)

タンクのRF-aging時のマルチパクタリング現象これを避ける為、発生励振RFレベルを早く通過ことが要求される。

正常に近いRF反射波形

真空中の同軸管内でも起こる。

DT表面の放電痕(深さ；約30μm)　四極電磁石の模様が見える。

タンク最上流部に取り付けられたDT表面の放電表面の汚れ(何か?)に起因すると想像中。

現在考えている陽子リニアック構成

大強度負水素ｲｵﾝﾋﾞｰﾑ(約60mA)

連続運転用陽子ﾋﾞｰﾑ(約15mA)

ﾊﾞﾝﾁｬー 系；・両ﾗｲﾝの加速ｴﾈﾙｷﾞｰを揃えること。

・ﾊﾞﾝﾁ長の整列のため。

加速ｴﾈﾙｷﾞ-を約 10 MeVとする。(JHPに習い)・ﾀﾝｸのstoredｴﾈﾙｷﾞｰを小さくしたい。

・放電,DTの故障がこのﾀﾝｸに集中する。

・世界の陽子LINACの多くは10MeVとなっている。

・後段加速器の運転のために、ﾋﾞｰﾑの特性を精度良く測定す

るために、適当なｴﾈﾙｷﾞｰである。

加速ｴﾈﾙｷﾞｰを数百MeVとする。ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝの入射効率(ﾋﾞｰﾑ損失)並びに超伝

導LINACの製作性がﾊﾟﾗﾒｰﾀとなる？

ﾊﾟﾙｽ用RFQ

連続用RFQ

ＤＴＬー１

ＤＴＬー２

ＤＴＬーｎ CCL

超伝導LINAC

ｱﾙﾊﾞﾚ型LINAC

加速ｴﾈﾙｷﾞｰ約 3 MeV

ﾊﾞﾝﾁｬー

振り分け偏向電磁石

振り分け偏向電磁石 四極電磁石achromaticﾋﾞｰﾑ系とするため。 ﾊﾟﾙｽ大強度負水素ｲｵﾝﾋﾞｰﾑ

ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ入射用ﾋﾞｰﾑとして使用する。

加速ｴﾈﾙｷﾞｰを約 1.5 GeV とする。核消滅用等を想定する。

連続陽子ﾋﾞｰﾑ

振り分け偏向電磁石

昔々、高崎･内藤等の私案(原研とのJOINT計画用)

超伝導LINAC(5GeV)ＤＴＬー１連続用RFQ(3MeV)

連続運転用陽子ﾋﾞｰﾑ(約15mA)

ＤＴＬー２

一応,20MeVであるが、低ｴﾈﾙｷﾞｰ部超伝導Cavityの進行状況により10MeVかも。

PET用 ADS用

ﾕｰｻﾞ用中性子、μ、ν等々

続き(各要素例）

１．アルミ合金表面の銅電鋳の可能性；試作試験済み。O.K.２．四極電磁石コイル；J-PARCで採用済み。　　　　もっと安価な方法思案中。

３．アルミ合金によるドリフトチューブ試作；　　　旧来のTig.溶接後、精密加工する。　　　この後、銅電鋳の予定(お金なし）

おまけ

E0=2.5MV/mJ-PARC用

E0=1.9MV/ｍCEA程度 E0=1.7MV/m E0=1.5MV/m

Korea程度周波数(MHz) 324.0 324.0 324.0 324.0ﾋﾞｰﾑ強度(mA) 12.0 12.0 12.0 12.0全ﾀﾝｸ長(m) 9.92 13.89 15.42 17.52ﾀﾝｸ数 1 2 2 3　unit tank数 3 5 6 6 unitﾀﾝｸ長；ｾﾙ数 76 106 118 134 2.5～3.5ｍに制限する。Transit time factor(仮定) 0.75 0.75 0.75 0.75Input energy (MeV) 3.0 3.0 3.0 3.0Output energy (MeV) 19.72 19.91 19.83 19.88Stable Phase (deg.) -30.0 -30.0 -30.0 -30.0全RF power (MW) 1.261 1.114 1.001 0.918

　beam用 power (MW) 0.201 0.203 0.202 0.203 RF driving power (MW) 1.060 0.911 0.799 0.715単位長当りのpower(kW/m) 127.1 80.2 64.9 52.45度上昇時の冷却水流量

(l/min.) 3602 3183 2860 2622

tank1の構成 2 units 3 units 2 units長さ (m) 6.57 7.3 6.65

energy（ MeV) 10.93 10.91 9.35CELL数 61 68 65

DT長 (mm) 53 to 92 53 to 92 53 to 86発熱量 (kW/DT) 2 to 3.4 1.5 to 2.7 1.2 to 2.0全発熱量(推定）

DT(kW) 159.7 141.0 100.0ﾀﾝｸ(kW) 175.7 155.1 110.0

ﾕﾆｯﾄﾀﾝｸ当り 114.2 67.2 71.5全体 (kW) 436.0 384.9 273.0 1.3倍 factor含む。

tank2の構成 3 units 3 units 2 units長さ (m) 7.32 8.12 5.34

energy（ MeV) 19.91 19.83 14.52CELL数 45 50 37

DT長 (mm) 92 to 116 92 to 116 86 to 103発熱量 (kW/DT) 3.4 to 4.4 2.7 to 3.5 2.0 to 2.3全発熱量(推定）

DT(kW) 174.0 152.0 80.9ﾀﾝｸ(kW) 191.4 167.2 89.0

ﾕﾆｯﾄﾀﾝｸ当り 82.9 72.5 57.8全体 (kW) 475.0 415.0 220.9 1.3倍 factor含む。

2 units5.5319.8832

103 to 115.92.3 to 2.7

81.189.258.0221.4

このあたりを狙う。