高周波加速空洞 1. 装置の概要と設計パラメータ 2. 高周波加速空洞がビームに与える影響 RFコアが作るCODとその対策 3. FFAG電磁石の漏れ磁場が加速空洞に与える影響磁気シールド 4. まとめ FFAG加速器に必要とされる高周波加速空洞繰り返しが速い加速非常に高い電場勾配が必要 8kVpp 加速と共に軌道が移動する。加速と共に周回周波数が変化する。従来の加速空洞では実現困難であった磁性体合金 (MA=Magnetic Alloy) 比較的自由な形状を選択できる非常に高い電場勾配が発生可能広帯域なインピーダンス半径方向に大きな口径の加速空洞が必要。広い周波数帯域を持ったコアが必要 1.5MHz～ 4.6MHz 約1m 高周波加速空洞 RF Cavity RF amplifier Acceleration cycle 100Hz RF output power 55kW Harmonic Number 1 Class B class, Push-Pull RF frequency 1.5MHz～4.6MHz Power Tube 4CW25000A x 2 Acceleration voltage 8kVpp/1 Cavity 高周波加速空洞 (RFコア) Core material FINEMET (FT-3M) Outer size 1700×950mm Inner size 980×230mm Core Length 25mm Number of core 4 高周波加速空洞がビームに与える影響 RFコアがFFAG電磁石の漏れ磁場を吸収し、 CODが発生する COD補正用電磁石 1. COD補正用マグネット 2. RFキャビティーの構造を変えるコアを4枚から2枚に減らしたコアの枚数と空洞のインピーダンス使用範囲(1.5～4.2MHz) 高い周波数(取り出しエネルギー付近)で比較した場合、インピーダンスの差は小さい。高周波増幅器と空洞の不整合の問題コアの枚数を減らすことで、空洞のインピーダンスが減少し (400Ω→200Ω)、増幅器の出力インピーダンス(1kΩ)との間に不整合が発生 beam beam 2ターン巻き 1ターン巻きインピーダンス：Z インピーダンス：4Z N1 N2 Rp’ P Rp 巻き数の比を2倍にすると増幅器から見たインピーダンスは4倍になる Vcav 2 Rp  Vtube 2 Rp ' Vcav Vtube  N1 N2 Rp '  P  R N2 2 N1 p 高周波増幅器と空洞の整合巻き数を増やす前後のインピーダンスの比較増幅器から見たインピーダンスが4倍になっていることがわかる FFAG電磁石漏れ磁場の加速空洞への影響ー共振周波数ー FFAG電磁石を励磁時の共振周波数の変化 400 励磁有 350 インピーダンス(Ω) 300 250 励磁無 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 周波数. (MHz) FFAG電磁石を励磁すると共振周波数が大きく動く。 30 FFAG電磁石漏れ磁場の加速空洞への影響ー空洞表面の磁場と共振周波数の関係ー FFAG電磁石を励磁したときの空洞表面における磁場と共振周波数および空洞のインピーダンスの関係空洞表面の磁場が250gauss以下ならば共振周波数はほとんど変化しない。空洞磁気シールドー空洞表面磁場ー磁気シールド FFAG電磁磁石の漏れ磁場をシールドするために鉄製の磁気シールドを装着する 500 cavity 6枚 9枚 9枚 6枚ビーム 4.2mmの鉄板ギャップの上下両側6枚リターン部両側9枚 Cavity表面の磁場(Gauss) 磁気シールドあり磁気シールドなし 400 300 200 100 0 0 磁気シールドを装着することで、漏れ磁場を250gauss以下に抑制した 200 400 600 800 FFAG電磁石の電流値(A) 1000 運転モード空洞磁気シールドー共振周波数ー磁気シールドによる共振周波数の変化 30 シールありシールドなし共振周波数(MHz) 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 FFAG電磁石の電流値(A) 磁気シールドを装着することによって共振周波数が大きくすれることがなくなった空洞磁気シールドーインピーダンスー磁気シールドによるインピーダンスの変化 800 FFAG磁場なし FFAG磁場あり空洞のインピーダンス (Ω) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 周波数 (MHz) 磁気シールドを装着することによって、FFAG電磁石を励磁しない場合と同程度までインピーダンスが回復した加速ギャップの出力電圧電圧モニターの出力波形出力電圧 V V 加速ギャップ電圧： 6kVp-p まとめ高周波加速システムを開発を行い、ビームの加速に成功した。高周波空洞に関して以下のような問題点を解決した。 ① CODと帯域の問題空洞のコアの枚数を４枚から２枚へ減らすことで、ビームに対する影響(COD)を減らした。2枚でも十分なインピーダンスは得られている。 ② インピーダンスの不整合の問題 RF 空洞を改造し、増幅器からみた空洞のインピーダンス整合をとった。 ③ 漏れ磁場の問題磁場計算および空洞表面での磁場測定の結果を踏まえ、磁気シールドを作成した結果、FFAG電磁石の漏れ磁場よる空洞特性の変化を抑制できた。コアを追加し、空洞のインピーダンスを増加させる予定 beam beam FFAG電磁石からの漏れ磁場の問題 Half Cell RF core FFAG加速器はリングがコンパクトである FFAG電磁石の磁極ギャップが広い