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内容記述 |
国際リニアコライダー加速器（ILC：International Linear Collider）は10km＋10km<br />の電子陽電子主線形加速器が使用される。そのILCに用いられる超伝導加速空胴はTESLA<br />（Tera electron volt Energy Superconducting Linear Accelerator）デザインが長年の研<br />究開発と性能実証がなされているためベースラインデザインとなっている。ILCのメイン<br />ライナックでは合計17,000台の加速空胴を必要とし、この製作においては多くの技術的チ<br />ャレンジを含んでいる。その問題の一つとして、空胴アライメントの取り扱いがある。ビ<br />ームのエミッタンス増大を抑えるための空胴アライメント許容量（空胴設置誤差）は<br />RMS=0.3 mm以内であれば短距離、長距離の両ウェーク場に対して問題ないことが、<br />TESLA空胴の横方向のウェーク関数および高次モード（HOM: Higher Order Mode）のダ<br />ンピング能力などのパラメーターを元に計算されている。<br /> 超伝導空胴はその製作方法や各種カプラの配置の非対称性などから機械的中心と加速モ<br />ードおよび高次モードの電気的中心が一致しているとは限らない。また、モード間および<br />セル間にも電気的中心および偏極方向に差があることが予想されている。しかし、それに<br />関する詳細な精密測定はされていない。クライオモジュール内に設置された空胴の機械的<br />中心を±0.3 mm以内にあわせるのは難しく、また、観測することも難しい。クライオモジ<br />ュールに組み込まれた空胴アライメントを観測する手段として、空胴内を通過するビーム<br />により励起される高次モード（ダイポールモード：TE<small>111</small>,TM<small>110</small>モードなど）を用いた方法<br />がある。空胴に励起されるダイポールモードはビームの通過位置がモードの電気的中心か<br />らX-Y（ビーム軸をZとする）の変位に対して比例した電圧が空胴内に発生する。この発生<br />電圧はHOMカプラで空胴の外へ取り出され、空胴アライメントに使用できるダイポールモ<br />ードを選択的に観測すれば、空胴アライメントや空胴自身の変形に関する情報を得ること<br />ができる。これにより、空胴とビームの相対位置つまり空胴のビーム軸回りのずれが検出<br />できる。この方法を用いるに当たって、予め使用するモードの素性（電磁界分布、偏極方<br />向、電気的中心と機械的中心の差など）を知らなければいけない。<br /> 本研究では、ILCのベースデザインであるTESLA空胴およびKEK(高エネルギー加速器<br />研究機構) STF（Superconducting rf Test Facility）にてILCのために研究開発がなされて<br />いるSTF Baseline空胴の両空胴を用いて、超伝導9セル加速空胴の高次モードを用いた空<br />胴アライメントの研究を行った。主な実施内容は次の3つである。<br />[1] STF Baseline空胴のための新しいHOMカプラの開発<br />STF Baseline空胴にTESLA型HOMカプラを使用した場合、ビーム軸からのHOMカプラ<br />の高さがHeジャケット径を超えてしまうため、Heジャケット径の最小化（コストダウン）<br />のためには、TESLA型HOMカプラより6mm以上背の低いHOMカプラが必要となった。<br /> 開発方針として、ノッチフィルターの短縮およびHOMカプラ内導体と外導体の一体化を<br />行い、HOMカプラのコンパクト化を試みた。ノッチフィルターの開発では、STF I-type、<br />STF L-typeの設計を行った。STF L-typeではスタブ形状をクランク化することで、禁止帯<br />のない良い透過特性を持つフィルターが設計できた。ノッチフィルターとHOMカップリン<br />グアンテナと一体化したモデルでは、HFSSによる計算と銅製カプラの実測で良い一致を<br />得た。しかし、STF L-typeカプラでは4.5GHzに禁止帯が現れたが、スタブとカップリン<br />グアンテナの切り離しを行った結果（STF L-type-II）、禁止帯の緩和ができた。STF<br /> Baseline空胴に装着したHOMカプラはSTF L-type、STF I-typeの2機である。9セル空胴<br />における高電界試験を縦測定および横測定にて行った。結果、CW運転ではエンドセル<br />の加速電界で32MV/mまで、パルス運転では1.5ms、5Hz で19.3MV/m、0.6ms、5Hz で<br />23.4MV/mまで問題なく動作することを確認した。観測されたプロセシングレベルの多く<br />は10MV/m以下と16MV/m、20MV/m周辺にも観測された。<br />[2] 空胴アライメントのための9セル空胴HOM解析<br /> HOMを用いて空胴ミスアライメント検出を行うに当たって、STF Baseline空胴4台と<br />TESLA空胴（シリアル番号：Z84）のHOMの素性を調べた。測定モードはTE<small>111</small>,TM <small>110</small>,TM<small> 011</small><br />である。測定はパスバンド周波数の測定と電磁界分布の測定によるモードの同定、HOMの<br />ダンピング能力の測定、メインダイポールモードのモード間およびセル間における偏極方<br />向の分布（ビーズ測定）、ダイポールモードの電気的中心と機械的中心の差の測定（アンテ<br />ナ測定）を行った。<br /> HOMダンピング測定では、TE<small>111</small>,TM<small>110</small>のダイポールモードのQ<small>ext</small>はSTF Baseline空胴、<br />TESLA空胴ともに1×10<sup>5</sup>以下であった。TM<small>011</small>モードに関してはTESLA空胴では1×10<sup>5</sup><br />を下回ったが、STF Baseline空胴では2～4×105であった。これはSTF Baseline空胴のHOM<br />カプラの向きは加速モードとのカップリングを避けるため、TESLA空胴と異なる回転方向<br />に配置したためである。HOMカプラの回転方向を変えることで、これは改善できると考え<br />られる。次期モデルで実証する。<br /> 偏極方向のセル間およびモード間の分布を調べた。セル間の分布では、TE<small>111</small>,TM<small>110</small>のパ<br />スバンド全てで、測定エラーの範囲内で差は見られなかった。また、ダイポールモードの<br />ダブレット間では、ダブレット間の周波数差が100kHz以上のモードではX-Yダイポールの<br />角度差が90±10°に収まっていた。STF Baseline空胴4台の測定結果から、ダイポールモ<br />ードの偏極方向はHOMカプラでほぼ決定することが分かった。<br /> アンテナ測定にて電気的中心位置と機械的中心位置の偏差の測定を行った。本測定では<br />HOMカプラ近傍のセルにおける電気的中心の測定を意味する。測定できたダイポールモ<br />ードの電気的中心位置はHOMカプラ側に～2.6mmシフトしていた。<br />[3] HOMを用いた空胴アライメントのビーム実験（FLASHにおけるビーム実験）<br />DESY研究所にあるFLASH(Freie-elektronen LASer in Hambrug)にて、TESLA空胴<br />を用いたビーム応答試験を行った。測定に使用した空胴はACC6 moduleにインストールさ<br />れた8空胴である。TESLA空胴実機（Z84）の測定より、メインダイポールモードの電磁<br />界分布の測定を行い、TE111-1,2,3といった局所的な電磁界分布を持つモードに着目し、こ<br />れらのモードを使用することで、空胴の歪みを検出する可能性があると考え、その検証を<br />試みた。また、TE111-6、TM110-5といった高インピーダンスモードを用いた空胴ミスアラ<br />イメント測定も行った。空胴アライメントの目標値はビーム軸からの距離で±300μmであ<br />る。測定の結果、ACC6 module 8空胴のビーム軸からのずれは、<br />±300μm（エラーバーの範囲を加えると±500μm）以内に収まっている空胴は2台（#6,#7）、<br />±1mm（エラーバーの範囲を含む）以内に収まっている空胴は5台（#3,#5,#6,#7,#8）、<br />1mm以上の空胴は3台（#1,#2,#4）、であった。TE111-6、TM110-5の電気的中心位置は<br />測定エラーの範囲内で一致しており、両モードともに空胴ミスアライメント検出に使用<br />できることが分かった。ダイポールモード間における電気的中心位置のずれを調べた結<br />果、TE111-1,-3といった局所的電磁界分布を持つモードの電気的中心位置がその他のモ<br />ードと比較して大きくずれていた空胴があった。これは空胴の曲がりを示唆するのか、<br />空胴の端と真ん中のセルで電気的中心位置が異なることを示唆していることが考えら<br />れる。TESLA銅製9セル空胴を用いて、セル間の電気的中心位置の測定を試みたが精密<br />な結果は得られなかった。今後、9セル空胴のセル間における電気的中心位置の分布を<br />調べる必要がある。<br /> |
要旨・審査要旨 (355.2 kB)
