誘導加速空洞　 R&D3号機仕様 2003.6.27 鳥飼　幸太（ KEK)

・ 4連加速空洞寸法　　

・寸法

・コアロス→コア材の比較

・電力線による伝送波形の変化と運転への影響・立ち上がり特性試験

・電力反射、長距離送電試験

・過剰補正によるバンチエミッタンスの増加抑制　 ・位相空間での挙動

・エミッタンスの比較

・まとめと今後の予定

Induction Synchrotron Workshop 2003.6.27 in TITECH

500

660

225

15

コア

日立金属ファインメット事業推進部 FM工場(0857-53-6241)

材質 ファインメット FT-3M

内径 [mm] 225

外径 [mm] 500

厚み [mm] 15

枚数 6

巻き芯 SUS316

出力電圧 [V] 2500

フラットトップ [ns] 250

必要な磁束変化φ(=V×s) 6.25E-04

磁束密度換算 B(=φ/S)[T] 5.05E-02

発熱密度＠ 667kHz[W/kg] 70

発熱密度＠ 1MHz[W/kg] 189

コア重量密度 [g/cm3] 7.3

コア重量 [kg/枚 ] 17.1

コア総重量 [kg] 102.6

総発熱量＠ 667kHz[W](100%Duty) 7182W

総発熱量＠ 1MHz[W](100%Duty) 19kW230

4連加速空洞　寸法（１）

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陽子ビーム

1020

230

25 D [+づmﾄ

15 D `づmﾄ

150 D e}づmﾄ

15 D `づmﾄ

15 D `づmﾄ

180 5

15 D `づmﾄ

15 D `づmﾄ20 D � ｭづmﾄ5

203

150

548

5.5

500

203

50

660

ΦΦΦΦΦ Φ

192

Φ

230 230 230

4連加速空洞　寸法（２）1020

冷却油出口

高圧フィーダ

加速ギャップ660

Induction Synchrotron Workshop 2003.6.27 in TITECH

][9.576)12.0015.0(

1025025001

inner 225mm outer, 500mm:D#3&R

][1306)08.001.0(

1025025001

inner 225mm outer, 390mm:D#2&R

]/[1.0)08.001.0(1000

1025025001

)()(

9

9

9

mTVdtS

HB

mTVdtS

HB

turnmAVdtS

Hdi

dt

diS

dt

HdS

dt

BSd

dt

dV

swing

swing

誘導加速空洞駆動に必要な磁束密度の計算

→周波数と磁束振幅がコアロスとどのような相関を持つか調べた

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前回までの設計

4連加速空洞　設計

H

B

]J/s[ BdHfPloss

Bswing

@100kHzコアロス－磁束密度

y = 8E-05x2.8151

y = 0.0109x1.943

1

10

100

1000

10 100 1000

B[mT]

W[W

/m̂3]

PC44PC47PE22PC40PE33FT-3M

(PC47)累乗 (FT-3M)累乗

フェライトと Finemetのコアロス比較（１）

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Finemet

フェライト

~100mT

- @500kHzコアロス 磁束密度

y = 0.188x1.925

y = 0.1198x2.0646

100

1000

10000

10 100 1000B[mT]

[kW

/m̂3]

PE22PC40FT-3M

(FT-3M)累乗 (PC40)累乗

フェライトと Finemetのコアロス比較（２）

→周波数と磁束振幅によって運転に適したコアを使い分けることが重要

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Finemetフェライト

~60mT

発生電圧 V[V] 2500

繰り返しの基本周波数 [kHz] 667

コア枚数 6

マッチングインピーダンス Z0[Ω] 120

バラスト抵抗 R[Ω] 197

R@667kHz（コア 1枚） [Ω] 54.0

L@667kHz（コア 1枚） [H] 1.97E-05

キャパシタンス C[F] 8.00E-11

Zcavity[Ω] （空洞のみのインピーダンス） 284

Zall[Ω] （整合したインピーダンス） 120.0

消費電力総量 [W] 51010

Cavityでのロス [W] 19284

バラスト抵抗での発熱 [W] 31726

　 周波数 f[kHz]

インピーダンスZ[Ω]

反射係数ρ[%]

基本波 667 120 -0.0103

3倍波 2001 122 0.826

5倍波 3335 121 0.442

7倍波 4669 119 -0.499

9倍波 6003 116 -1.72

11倍波 7337 113 　 3.00

13倍波 8671 109 　 4.80

15倍波 10005 105 6.67　

インピーダンス整合（ R&D３号機）

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加速空洞 オシロ

パルサー

電力線による伝送波形測定：概観図

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電流モニタ

同軸 (25~200m)

パルサー　 1kHz, 100~ns, 250V

オシロ

整合用抵抗

電流モニタ

ギャップ電圧 加速空洞

+

=

反射駆動パルス

(Delayed)

25m ~200m coaxial

Primary LoopSecondary Loop

測定系セットアップ

Induction Synchrotron Workshop 2003.6.27 in TITECH

→ケーブル長さおよび

誘導電圧立ち上がりの電圧依存を調査

-200

-100

0

100

200

300

-2 10-7 -1.5 10-7 -1 10-7 -5 10-8 0 5 10-8 1 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

Pulser 1kHz, ~200ns, 250V

25m 50ohm coaxial

Induction Cavity

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

-4 10-7 -2 10-7 0 2 10-7 4 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

-200

-100

0

100

200

300

-4 10-7 -2 10-7 0 2 10-7 4 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

Gap Voltage

nsrise 10~

-200

-100

0

100

200

300

-4 10-7 -2 10-7 0 2 10-7 4 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

反射

整合なし

整合（並列75ΩR）

ネットワーク・アナライザによる

インピーダンス予測

（ R~160Ω、 L~50μH、 C~300pF)

に一致

nsrise 40~

測定：５ D同軸線での電力輸送

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-200

-100

0

100

200

300

-2 10-7 -1.5 10-7 -1 10-7 -5 10-8 0 5 10-8 1 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

ns100

nsfall 40~

150Ω Rでのテスト

反射～ 20%

-100

-50

0

50

100

150

200

-3 10-7 -2.5 10-7 -2 10-7 -1.5 10-7 -1 10-7 -5 10-8 0

volta

ge(V

)

time(sec)

-100

-50

0

50

100

150

200

-3 10-7 -2.5 10-7 -2 10-7 -1.5 10-7 -1 10-7 -5 10-8 0

volta

ge(V

)

time(sec)

-200

-100

0

100

200

300

-5 10-7 0 5 10-7 1 10-6 1.5 10-6 2 10-6 2.5 10-6 3 10-6

ampere(A)

time(sec)

Pulser 1MHz, ~200ns, 250V

200m 100ohm coaxial

Induction Cavity

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

-4 10-7 -2 10-7 0 2 10-7 4 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

nsrise 40~

-200

-100

0

100

200

300

-5 10-7 0 5 10-7 1 10-6 1.5 10-6 2 10-6 2.5 10-6 3 10-6

volta

ge(V

)

time(sec)

Gap Voltage

反射～ 40% nsrise 40~

反射～ 20%

準整合（並列440ΩR）

測定： 100Ω2芯線（実機使用）での電力輸送

反射の検討が必要

ns100

Induction Synchrotron Workshop 2003.6.27 in TITECH

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-6 10-7 -4 10-7 -2 10-7 0 2 10-7

volta

ge(V

)

time(sec)

測定：加速電圧の検討　 250V, 500ns 100Ω同軸 ,200m

・同軸線のため立ち上がりに鈍りが生じる

・加速電圧は比較的安定

Flatness~10%

nsrise 40~

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ns500

計算条件

・ KEK-PSの加速パターンを採用

・ Transition=559000turn

・ γT以前は補正によりドループ 0～4%、

γT後は補正オフでドループ -5%

・加速電圧 10kV

γT

10kV

Acc. V

turn

1

Droop Ratio [%]

234

-5

0

10kV

Acc. V

t [sec]

Δt=1326ns(8Bunch@667kHz)

ΔV

t

VDroop

SuperBunch

1

Droop Ratio [%]

2

3

4

-5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-200 103 0 100 200 103 400 103 600 103 800 103 1 106 1.2 106 1.4 106

EmittanceCompare

Flat+1%+2%+3%+4%

Blo

w-u

p F

acto

r

turn

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ(rad)

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp

/p[%

]

φ(rad)

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

-30 -20 -10 0 10 20 30

φ(rad)

Δp/p[%]

0.5M 0.6M 0.7M

0.8M 0.9M 1.0M

1.2M 1.3M 1.4M

Before Transition Droop 0%→-5%

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

-30 -20 -10 0 10 20 30

Δp/p[%]

φ[rad]

0.6M(ターン )

0.7M

0.8M 0.9M 1.0M

1.2M 1.3M 1.4M

Before Transition Droop +4%→-5%Δ

p/p[

%]

Φ[rad]

今後の予定

・ 4連加速空洞の実機製作

・ケーブル、制御線配線

・加速空洞の連続運転試験

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まとめ

・ 4連加速空洞の設計終了

・ケーブル、制御線配線についての測定を行い加速可能性を調べた

　　→ケーブル長は立ち上がりにそれほど影響を及ぼさない

　　→空洞の立ち上がり特性は 40nsあり加速実験の要請を満足する

・ドループの過剰補正はエミッタンス増加を抑制する作用を持つ

　　→トランジション前の過剰補正のみで安定に加速できる可能性を示す