Injector Linac Upgrade for SuperKEKB

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1 Injector Linac Upgrade for SuperKEKB
SuperKEKB miniWorkshop Injector Linac Upgrade for SuperKEKB Upgrade Scheme C-band R & D status Schedule & Cost estimation Kamitani Takuya

2 入射ライナック：現在のレイアウト 現レイアウトは 8-GeV e-/3.5-GeV e+入射に最適化されている
Energy gain = 160 MeV/unit with 21 MV/m gradient 現レイアウトは 8-GeV e-/3.5-GeV e+入射に最適化されている e- to HER : 8 GeV ~ (Primary e- : 4 GeV) + (e+ to LER : 3.5 GeV) 同じ加速ユニットで e+ 或いは e- を加速するために e-/e+ 入射切り替えに時間がかかる（30 ~ 90 秒） ビームラインへの陽電子生成ターゲットの挿入、抜去, 電磁石、加速クライストロン位相などの設定変更

3 Requirements for SuperKEKB
(1) KEKB SuperKEKB Beam Energy (e-) 8.0 GeV > 3.5 GeV (8.0 GeV) (e+) 3.5 GeV > 8.0 GeV !! (3.5 GeV) NEED Energy upgrade for e+ ! > C-band accelerator units (2) KEKB design SuperKEKB Stored current (e-) 1.1 A > 9.4 A !! (4.1 A) (e+) 2.6 A > 4.1 A !! (9.4 A) NEED Intensity upgrade for e-/e+ ! -> flux concentrator, more bunch charge, 2-bunch operation (3) Mode-switching -> Continunous & Simultaneous e+/e- Injection -> optimization of layout, 2-bunch operation unswitched case

4 SuperKEKB のための改造案 C-バンド化により加速電界が現在の２倍の 42 MV/m になると
Energy gain: S-band: 1.28 GeV/sector -> C-band: 2.56 GeV/sector C-バンド化により加速電界が現在の２倍の 42 MV/m になると ライナック後半のみで 8 GeV 加速可能⇒ e+ beam 8 GeV に 陽電子生成部手前でe-用とe+用のビームラインが分岐して独立になるのでパルス毎の切り替え、或いは同時入射が可能 RFパルス圧縮のエネルギーゲイン 2-bunch では不足する？

5 Energy-switchしない場合の対処
Energy gain: S-band: 1.28 GeV/sector -> C-band: 2.56 GeV/sector e+ は 3.5 GeV で取り出し、e- は 残りのC-バンドユニットで 8.0 GeV まで加速する この場合でも、e-用とe+用のビームラインが分岐して独立になるのでパルス毎の切り替え、或いは同時入射が可能 e+ ビームの電荷量不十分？　L-band化？　DRのアクセプタンス？

6 C-band加速ユニット開発方針 加速ユニットは現在の S-band unit を （Modulator,KLY x 1→SLED x 1→2m長ACCL x 4） それぞれ２つの C-band sub-unit で置き換える（全48 sub-units） （Modulator,KLY x 1→SLED x 1→2m長ACCL x 2）x 2 クライストロンは、JLC-Cバンドグループの開発したものが利用できる（max 50 MW→通常運転は40 MW） モジュレータはインバーター電源を使ってコンパクト化する（クライストロンギャラリーで１台分のスペースに２台置く必要から） 励振系は従来と同じサブブースター方式（既製品を改造） 加速管は従来型のものと同じ設計思想で開発する RFパルス圧縮はSLED型TE015空胴ではQ値が足りないので、LIPS型TE038空胴を想定して開発する RF窓は Kazakovタイプの新型を開発する ダミーロード、3-dBハイブリッドも仕様に合わせて開発する

7 加速ユニットの改造 加速ユニットは現在の S-band unit をそれぞれ ２つの C-band sub-unit で置き換える

8 クライストロン Toshiba E3746 5712 MHz max 50 MW 2.5 msec pulse duration
50 pps repetition Developped by T. Shintake et al

9 モジュレーター インバーター電源を 用いることにより 大幅にコンパクト化 S-band modulator C-band modulator

10 励振系 メインライナックの 2856 MHz を(x2)逓倍して、サブブースタクライストロン（Mitsubishi PV kW）で増幅して、ハイパワークライストロンに入力する

11 RF窓とダミーロード Kazakov型RF窓 進行波成分を重ねることにより セラミック周辺部での電界を 低くできる
KEKライナック S-band 松本型 ダミーロードと同様の思想で 開発 460 mm 長

12 加速管 現在 KEKB ライナックで使用されているＳバンド加速管
進行波型、ディスクロード構造 54 個の標準セル＋2 カプラーセル （全長2m） セル当り 2p/3 位相進み 準定電界型（アイリス2a寸法が一定割合で減少） をスケールダウンした構造のＣバンド加速管を作る。また、電鋳による製造方法も踏襲する。

13 Test Stand 概要 モジュレーターとクライストロン、 及びその励振系（サブブースター） など、RF源の試験を行う。
導波管、ダミーロード、 3-dBハイブリッド、RF窓、 及び、加速管などの高電界試験と エージングを行う。 エージングと平行して、各種 特性データの測定を行う。 　・真空値の変化 　・RF波形観測 　・振動センサー（放電位置情報） 　・暗電流測定 　・放出ガスの質量分析 　・ビデオカメラによるカプラ部の放電観測

14 テストスタンドでのエージングの履歴 Total 300 hours RF ON の 時間のみ 積算 41.8 MV/m に到達
43.7 MW に到達

15 ライナック4-4ユニットＣバンド化 KEKB入射ライナックの 4-4ユニットに、Ｃバンド用 RF源と 1m長加速管を設置して
エージングとビーム加速試験を 行っている。 導波管はベーキングのためヒーター が巻いた状態のままになっている。 また、加速管に縛りつけてあるのは 放電位置を測定するための振動セン サーである。

16 エネルギーゲインの実測 AR用 3-GeV e- ビームを用いて アナライザー 部でビーム エネルギーを 測りつつ、 加速位相を 変化させ、
サインカーブ にフィットし 加速エネルギー を求め、 加速電界に換算 した。

17 放電頻度

18 C-bandコンポーネント開発現状 クライストロンは、最大 43 MW まで安定に動作している 　消費電力の観点からPPMタイプの開発も検討している モジュレータは長期運転するうちにインバーター電源の焼損故障が発生するので対策検討中 励振系はサブブースター方式で問題なく動作している 　2バンチ対応も考えて、半導体アンプも検討中 加速管は従来型で加速電界はほぼ達成したが、放電頻度が高いのでカプラー構造の改良が必要 RFパルス圧縮はTE038空胴のものを現在開発中、 　2バンチ対応については検討中 RF窓は Kazakovタイプの新型で問題なく動作している ダミーロード、3-dBハイブリッドも問題なく動作している

19 予算計画

20 建設計画

21 まとめ e+ 8 GeV のため、3 ~ 5-sector をC-band 化し、Damping Ring も設置する。たとえ、Energy-switch しない場合でも、e+/e- のビームラインが独立化して素早いモード切り替えができるというメリットがある。 C-band ユニットのＲ＆Ｄについて、コンポーネントの多くについては目処がついたが、 加速管はカプラー改良の必要あり インバーター電源は焼損対策の必要あり RFパルス圧縮については、プロトタイプ製作中 2バンチ対応については要検討 e+ 収束用 Flux concentrator 詳細未検討 e- 用独立 BT ライン詳細未検討（Kicker magnetも）