Transcript 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

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
Vcav2
Rp

Vcav
Vtube
 NN12
Rp '
Vtube2
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