高周波空洞技術 - kek...
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高周波空洞技術
加速器学会 技術研修会
8月10日~11日
肥後寿泰 (KEK)
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高周波空洞技術 1 基礎概念と設計
SUOLT1 技術研修会1
8月10日 大ホール 15:00 - 16:00
肥後寿泰(KEK)
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高周波空洞技術 1 内容 1. DCとRF
2. 空洞の目的・分類
3. 高周波生成と閉込め
4. 加速器と空洞の形状・歴史的動物園
5. 空洞関連技術
6. 周波数
7. 単一空洞
8. 多連結空洞
9. ビーム空洞相互作用
10.空洞関連の計算
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高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、 • 材料・使用温度で大別すると常伝導、超伝導の区 別が考えられる。 • 空洞サイズは周波数により決まり、UHF帯など1m級のものからXバンド帯の1㎝級のものまでが良く使われている。
• これらはその応 用に関連して各種の電気的、機械的な特徴を持たせる必要がある。
• 今回は筆者のこれまで直接携わってきた対象である、高エネルギー電子加速器に関連した加速 空洞の技術を通して、できるだけ基本的考え方や基盤となる一般的技術を述べる。
• 第一部では、空洞の使用目的、そのための基本設計の考え方、それを実現するために備えるべき基本的特徴、等を述べる。その上で、それらの設計を進めるため に必要な基礎概念とその実用的な適用を示す。
• 主に電子蓄積リングで用いるCW空洞、及び電子直線加速器で用いる高電界加速管の二つに焦点をあてて述べ、そこから一般的な加速空洞技術を俯瞰できるように解説したい。
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高周波空胴 何故? DC ・ RF
DC
• 一回のみ加速
• 低エネルギー
• 大型
• 時間一定場
• Non
• Non
• Non
RF
• 繰り返し加速可能
• 高エネルギー
• 小型化
• 時間依存場
• 周波数
• 位相
• バンチング
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~10MeV 加速器 DC タンデムバンデグラーフ RF医療用線形加速器
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日本加速器学会誌 Vol 5, No 3, 2008年表紙より転載
名古屋大学
市販:Accuray社 HPより転写 Xバンドライナック+X線照射
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基礎 目的 • 加速
– 高エネルギーへ – エネルギー分散増減
• キャプチャー – 縦方向の安定性 リング
• 減速 – ビームスイッチング、ダンプ放射線緩和
• 横キック – バンチ内
• バンチスライス計測、 Crab crossing
– バンチ間 • スイッチング、 FEL
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高周波空洞 分類
• キック方向: 加速減速
• セル数: 単セル、多セル
• 高周波の流れ: SW TW
• 周波数: 可変 固定
• 材料: 常伝導 超伝導
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基礎概念 エネルギーの授受
• 実態
–空胴により空洞を形成
–電磁場の閉じ込め
• 空洞内電磁エネルギー
–外部生成:電磁場導入・蓄積
–内部発生:ビーム由来ウェーク場・残留
• 荷電粒子との授受
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dzEqK
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閉じ込めの方法
• 中空の金属空胴内
–常温
–超伝導
• 金属棒群 周期構造
– PBG(Photonic band gap)
• Choke構造
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電磁エネルギーの閉じ込め 空胴 ・ 空洞
• 電磁界と導体表面
–電界・表面に垂直
–磁界・表面電流
• 侵入深さ
–表皮効果
–表皮深さ
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空胴 ・・・ 実態
• 電気伝導体で囲い、内部の電流パターン形成
• 穴あり
– ビーム出入
– 電磁波の出入 • モニター、HOM減衰
• 結合
– ビームポート:カットオフ Fc>F0
– 同軸:カットオフ Fc=0
– ポート:伝搬モード:対称性
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H E
H E
H E
加速電場
磁場閉込め
導電体
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高周波エネルギーの生成
外部電源
• 外部電源
–真空管
–マグネトロン
– クライストロン
–半導体
ビーム励起
– 2ビーム方式 CLIC
– DLS Dielectric
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外部電源
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RF生成 ↓ 輸送
↓ 入力
↓ 蓄積
↓ 出力
↓ 廃棄
クライストロン ↓
導波管 ↓
カプラー ↓ 空洞
↓ カプラー
↓ ロード
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外部電源 高周波生成→輸送→加速管
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Klystron
Acc str (1)
Acc str (2)
Acc str (3)
Acc str (4)
SLED
Tunnel
Kly gallery
KEKB 入射器
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ビーム励起ウェーク場
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Lorentz contracted field
In free space
1/
Voss and Weiland Wake field acceleration
ドライブリングビーム
加速ビーム
バンチビーム ↓
ウェーク場
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ビーム励起 高周波生成→輸送→加速
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CLIC 2m module
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実加速器 高周波空洞例
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SLAC 2マイル SW DLS(ディスクロード型)線形加速器
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SLAC: Targeting highest energy with electron 1967完成
TW DLS for electron high energy machine for years
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
Disk Loaded Structure, 6MeV Stanford Univ. 1947
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Synchrotron 10m ~ 1km
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1961年 東大 1.3GeV 電子シンクロトロン 日本加速器学会誌 Vol 1, No 2, 2004年表紙より転載
Started with early electron synchrotron
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LASL 800m 陽子線形加速器 SW SCS(サイドカップル)型
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Knapp et al., RSI 39, (1968)
LANL SCS: Side coupled structure
SW Side-coupled cavity for proton high energy machine
LAMPF 1972
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Electron linac TW 10m in 1964 1995 8GeV/600m
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1964年 電気試験所 33MeV 電子線形加速器 日本加速器学会誌 Vol 1, No 2, 2004年表紙より転載
KEKB Injector 1981年 2.5GeV
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2-mile accelerator KEK-PF TW 進行波型加速管
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KEKB 電子入射器 2m 加速管
単一ポート入出力 定インピーダンス管
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理研XFEL TW加速管 Choke @ C-band
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理研 稲垣氏提供
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SWISS FEL Cバンド 単バンチ加速管 TW
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建設中 2013-2016
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蓄積リング空洞 単セル空洞 SW
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KEK PF 単一空洞 Spring-8 単セル空洞
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DR 減衰空洞 SW
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KEK 阿部氏提供
SuperKEKB用Damping Ring HOM 減衰空洞
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DAW 二重周期 強結合空洞 SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 28
タンク
電極 マルチセル特有の分散特性
π/2モード特有の2モード 加速+結合
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APS 二重周期構造 SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 29
ほぼ2D形状 計算確実&量産コスト↓
π/2モード特有の2モード 加速+結合
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超伝導空洞 SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 30
薄皮 → 内部をほぼ想像していい
KEKB 508MHz 1-cell Cavity
cERL ML 1.3GHz 9-cell Cavity
KEKB 508MHz Crab Cavity
KEK 加古氏提供
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X-band 1.8m TW for LC and 0.3m SW for X-ray NDT
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 31
RDDS1 1.8m管
9.4GHz assembly 1 MeV linac
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ARES 貯蔵空洞付き高電流対応・SW空洞
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 32
KEKB デザインレポートより
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低エネルギーProton用 SW空洞 タンク+内部の電極配置
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 33
J-PARC HP
DTL RFQ
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高エネルギーProton用 ACS SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 34
青氏 JAEA 提供
π/2モード
加速 結合
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KEK 夏井 2014年8月
DAW型 RFガン SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 35
低エネルギー電子の安定集群&加速(1)
SuperKEKB Injector RF Gun
![Page 36: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/36.jpg)
疑似進行波型SCS RFガン SW KEK 夏井 2014年8月
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 36
SuperKEKB Injector RF Gun
低エネルギー電子の安定集群&加速(2)
![Page 37: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/37.jpg)
パラレルフィード SW加速器
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 37
SLAC/KEK 試験空洞
究極の加速電界の実現と 加速効率・安定性の維持 の両立を目指す
![Page 38: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/38.jpg)
PBG (Photonic Band Gap Structure)
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 38
M. Shapiro et al., MIT, HGWS 2011 @SLAC
MIT製作+SLACK試験 試験空洞例
バンドギャップでの特定電磁波の閉じ込め
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Microwave Undulators with Large Aperture
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 39
Undulator Mechanical Structure
Electric Field Distribution
Extracted from S. Tantawi, CLIC2014
Undulator Wavelength=1.4 cm Power required (for linearly polarized, K=1)=50 MW Q0=94,000
大口径加速管技術→Undulator光への発展
SLACKにて実証
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更に高周波へ >100GHz、<1㎜
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 40
Extracted from S. Tantawi, CLIC2014
RF Breakdown Test of Metal Accelerating Structure at FACET
electron beam
RF out
4 mm output horn
• 1st iris – breakdown damage, peak surface fields <1.3 GV/m • 9th iris – no breakdown damage, peak surface fields > 0.64 GV/m • pulse length ~3ns
• 1st iris – breakdown damage, peak surface fields <1.3 GV/m
• 9th iris – no breakdown damage, peak surface fields > 0.64 GV/m
• pulse length ~3ns V. Dolgashev and S. Tantawi
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空洞の一生 • 加速器設計
• 空洞概念設計
• 詳細設計
• 材料調達
• 機械加工、表面処理、組立
• 低電力計測、チューニング
• プロセシング
• 高電力運転
• 長期運転でのトラブル対処
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 41
![Page 42: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/42.jpg)
高周波空洞の一生の相互関連技術
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 42
電気設計
モード
基本モード
HOM
RF 導入口
エネルギー流れ
空洞内部伝搬
エネルギー取出
ビームへの伝達
加速・減速
加速器 目的
エネルギー等授受
横キック
機械設計
空胴形状形成
空胴構造体支持
材料内熱伝達
冷媒への伝達
熱の処理
熱変形解析
真空
材料アウトガス
排気
熱処理
低電力
製造
材料
加工
表面洗浄
組立
定格運転
調整運転
長期運転
高電力運転
プロセシング
ビーム
ウェーク場対策
空洞性能確認
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空洞周波数 高・低
• 加速範囲(ギャップ)の長さ→ビームとの結合
– Transit time
• 電磁場の時間変化(スロープ)
– バンチング、位相安定性
• エネルギーのやりとり量と蓄積エネルギー
– R/Q~V2/U → ローディング
• 空胴の大きさ
– サイズ~1/周波数~波長 λ
– 必要な機械的強度
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 43
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波長/ 周波数/ バンド
44 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
From Microwave Tubes by A. S. Gilmour, Jr.
Wave length 60cm 20cm 10cm 2.6cm 1cm 3mm
11GHz 1.3GHz Frequency
Band UHF
人 指 手 鉛筆芯
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周波数と空胴実態
• UHF ~500MHz、1m
• Lバンド 1GHz、30㎝
• Sバンド 3GHz、10㎝
• Cバンド 6GHz、5㎝
• Xバンド 9~12GHz 1㎝
• Kuバンド 12~18HGz
• Kaバンド 26~40GHz、3㎜
• 100GHz、サブ㎜
• <100μm
• 銅、鉄構造+メッキ
• 銅、ニオブ薄板+外部構造
• 銅加工
• 銅加工
• 銅加工
• 銅加工
• 銅加工
• 銅、リソグラフィー
• プラズマ?
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 45
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RF 単一空洞の形成 SW
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 46
AC
E
H
周波数アップ
Size << λ Size ~ λ
UHF空洞 500MHz → λ~0.6m サイズ ~ 1m
オーディオ 10kHz → λ~30km サイズ ~ 1㎝
RF空洞
• 波長と空洞サイズが同程度
• 空洞(空胴の内表面)内の電磁場モードに関連、特に表面の電流分布
• ビームと相互作用する場所の電磁界
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空洞の関連する基本パラメータ群
• Q値 空洞の電気的鋭さ
• V 加速ゲイン (エネルギー変化)
• トランジットタイム ビームの通過時間
• Rs シャントインピーダンス パワー→ビームへのエネルギー変換 R/Q
• ロスファクター ビームが空洞内に落とすエネルギー
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 47
![Page 48: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/48.jpg)
Acceleration related parameters
48
sc
c
z
R
G
P
UQ
U
VQR
P
VR
dztzEV
2/
),(
2
2
dVEdVHU
dSHR
P sc
22
2
22
2
)/(
)/(
)/(/)/(
)/(/
/
2
2
LP
LUQ
LP
EQLR
LP
ELR
LVE
c
c
acc
c
acc
acc
2
2
2
sR
dSH
dVHG
Geometrical factor
due to geometry.
Surface
resistance due to
surface loss
mechanism.
Wall loss by surface integral
Stored energy by volume integral
Basic acceleration-related parameters. In a cavity or in a unit length.
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
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Efficient acceleration R/Q
49
U
VQR
2/
2
How to concentrate the Ez field on axis to make
an efficient acceleration? Increase R/Q.
For higher R/Q
Smaller beam aperture smaller cell-to-cell coupling.
Nose cone same as above need other coupling mechanism
Choke mode cavity needs field at choke area to establish imaginary short
sacrifice several % loss in R/Q
ILC super-conducting cavity
smooth, polish with liquid, high pressure rinse, etc.
with circle-ellipsoid smooth connection,
nose cone is difficult
less effort on higher R/Q, simply decreasing beam hole aperture
because storing large energy with longer period is possible
Shaped disk-loaded structure
only change R/Q by beam hole aperture
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 50: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/50.jpg)
Loss factor
50
Loss factor KL described later
Q
RkL
4
The energy left after a bunch, with change
q, passes a cavity is
2
, qkU mLm
Larger R/Q makes bigger energy left in the cavity.
It may cause various problems;
Phase rotation of accelerating mode
Transverse kick field
Heating beam pipe
In a ring application, such as storage ring and DR, sometimes
R/Q should be reduced.
In the linac application, it usually tuned to be maximized to get a
better acceleration efficiency.
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 51: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/51.jpg)
Acceleration: Transit time factor
51
Assume TM010 mode in a pillbox of length L
tj
z eEtzE 0),(
LEVP
VRun 00
2
0 ,
Maximum acceleration occurs if the electric field is
maximum when the beam passes the center of the cavity.
In case of thin cavity, where L<< c / f,
The acceleration felt by the beam decays as time,
tcztCosEtzEz ),(),( 0
)2
(2
)()()( 02/
2/0
c
LSin
EctcdtCosELV
L
L
c
Lxwhere
x
xSin
c
LSin
L
cVLVT
2,
)()
2(
2/)( 0
Transit time factor:
Voltage acquired by beam is then
In p mode cavity Lf
c 2
1
Then transit time factor becomes
64.02
2/
)2/(
pp
pSinT
unun RTRR 4.02
1 2 3 4 5 6 7
0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 x=p
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 52: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/52.jpg)
Surface loss and Q0
52
2sR
Normal conductor:
Equivalent surface current in thin skin
depth s with surface resistance Rs.
Rs depend on mostly choice of material.
Super conductor, Nb case: sR
GQ
Higher freq larger BCS loss.
Possible to increase geometrical
factor, G by shaping. It reduces
cryogenic power consumption.
Actually, Rs = RBCS + Rresidual
Need to keep smaller Rs by making
proper material surface.
Suppressing multipacting and field
emission loading.
Higher Rs makes larger pulse surface
heating during short pulse.
)(),(
)5.1
(1
102)(67.17
24
KTGHzf
ef
TR T
BCS
at 1.3GHz, T=2K << 9K rBCS=11n
Cu=5.8X107(1/) Rs~28m
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 53: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/53.jpg)
Shaping of accelerator cell profile examples
53
Damped cavity for storage ring
With nose cone.
DAW cavity
SCC
Typical cavity
SCC
Reentrant cavity
HDDS for GLC/NLC
Single cell
Damped cavity
TW DLS
TM010
5p/6-mode
(figure shows p field)
SW TM010
SCC p mode
Smooth
More Ez on axis
Less Hs at outer TM020-like p/2
Floating washer
Coupling mode in
addition to
accelerating mode.
High Q, high R 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 54: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/54.jpg)
エネルギー貯蔵の活用
• LEP
–実効的 Rs↑
• ARES
–ビーム安定性 R/Q ↓
• SLED
–パルス時間圧縮→ピークパワーの増大
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 54
![Page 55: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/55.jpg)
LEP 空洞:効率アップ→エネルギーアップ
55 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
LEP cavity with storage cavity
for efficiency improvement
![Page 56: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/56.jpg)
KEKBリング用 ARES空洞 低R/Q→ビーム安定性
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 56
KEK 阿部氏提供
![Page 57: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/57.jpg)
多セル空洞へ π モード空洞を並べる (SWの例)
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 57
0モード
πモード 加速
減速 加速
加速
半周期後
0エネルギーゲイン
N×エネルギーゲイン
Cos(ωt)パターン
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SW and TW
58
)(,)(: kzCosekzSineSW tjtj
)()( ,: kztjkztj eeTW
Superposition of Cos + j Sin
Example pillbox TM010 mode
Ez and Hf is 90 degrees out of phase
Forward or backward wave F+B or F-B
Er and Hf in phase to make Poynting vector
Ez
Hf t
DH
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
今までSWを見てきたが、これのSuperpositionもMaxwell方程式の解である。
Cos + j Sin → exp [j(ωt- kz)]
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伝送ラインの進行波+後進波から空洞を考える
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 59
重ね合わせ
ビームと位相が合わせれば常に加速可能
下図でビームと位相の会う方向のみ加速に寄与でき、反対成分は加減速を繰り返す。
SW
TW
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円筒導波管内の伝送モードパターン
0
)()(
)(1
)(
)()(
)(1
)(
)()(
'
2
2
'
z
zj
cm
c
zj
cm
c
r
zj
cmz
zj
cm
c
m
zj
cm
c
mr
H
erJmCosjH
erJr
mSinm
jH
erJmCosE
erJr
mSinm
jE
erJmCosjE
加速に関連するTMモード例
(r,)
r=a
Solving wave equation with satisfying boundary condition
60 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 61: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/61.jpg)
典型的なモードパターン
61 E-mode / TM-mode H-mode / TE-mode
E. Marcuvitz ed.,
Microwave Handbook
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
通常、加速モードに直結するモード
通常、横にキックするモード
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分散特性 2222
zc
)( ztj ze
進行波は
位相速度が
光速以上なので、高エネルギーのビームを長距離加速ができない。
freq
betaz 400 200 0 200 400
5
10
15
20
25
30
62
)(
10
)(
1
2
00
00
)(
)())/(1(
)()(
ztj
c
ztj
ccr
cz
erJEjH
erJZEjE
erJEEztj
22
zcc
TMモード、m=0
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 63: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/63.jpg)
位相速度を光速より落として 粒子加速を可能にする
Add periodical perturbation with its
period=d.
If d=half wavelength, then reflection
from each obstacle add coherently,
making large reflection, resulting in
a stop band.
Then wave component with
harmonics z=2p/d suffer from
significant reflections, making a
stop band.
63 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
障害物による反射波が同じ位相でかえってくる間隔で配置すると、波は事実上進めなくなる → ストップバンド
次の障害物まで行ってかえるまでに位相が2π進む場合!
d
![Page 64: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/64.jpg)
スペースハーモニックス展開
This is equivalent to the Floquet’s theorem.
Now it can be tuned to have a phase velocity of light.
This is required for high energy linac structure.
The accelerating field contains infinite number of
space harmonics, driven at frequency .
There are stop bands. No propagation mode exists.
64
222
0
0
/2
)()(
nrn
n
n
n
rnnz
kk
dn
where
erkJaEzntj
p
6 4 2 0 2 4 6
1
2
3
4
5
m=0 m=1 m=-1
p/d 2p/d p/d 0 2p/d
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
右図の赤点の重ね合わせ
無限にあるスペースハーモニックスの中で、ビームの位相速度と同じモードがあれば、波乗り条件んが常に成り立ち、長スパンの加速が実現する
![Page 65: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/65.jpg)
伝送ライン(導波路) → 孤立空洞
65
If the perturbation becomes large, reflection from the obstacle is so large that each cell becomes almost isolated cavity. Power propagation only through a very small aperture. In this extreme, the system can better be analyzed by a weakly coupled cavity chain model. Now let us start from isolated cavities.
d
d
d
d
d
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
伝送ラインの逆、孤立空洞に再度戻って考えてみる
![Page 66: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/66.jpg)
孤立空洞例 円筒空洞(ピルボックス)
66
In a cylindrical waveguide, two propagation modes exist;
ztizti eande )()(
For satisfying the boundary condition at both end plates, the solution with the superposition of these two counter-propagating modes in proper phase and amplitude becomes SW in a pillbox cavity.
d
a
dlaKwhere
H
zCosrKJmCosK
jH
zCosrKJr
mSinK
mjH
zCosrKJmCosE
zSinrKJr
mSinK
mE
zSinrKJmCosK
E
zmnc
z
zcm
c
zcm
c
r
zcmz
zcm
c
z
zcm
c
zr
/,/
0
)()()(
)()(1
)(
)()()(
)()(1
)(
)()()(
'
2
2
'
pr
Forward wave and Backward wave
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
![Page 67: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/67.jpg)
断面内での電磁場分布 円筒導波管の境界条件を満たすための
ベッセル関数形解
67
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 30.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
TM01
Ez and Hr TM11
Ez and Hr
Acceleration
Max at center and 0 at r=a
Transverse kick
Two polarizations
Zero at center and linearly
increase as r increases.
Big kick at center H field.
0 1 2 3 4 5
0.5
0.0
0.5
1.0
TM02
Ez and Hr
Acceleration
More energy storage for
a given acceleration
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
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空洞の等価回路
68
Ez
Hf Hf
Ez
Magnetic field
Inductive energy
storage
Electric field
Capacitive energy
storage
Current flow
Power loss into wall
Resistive loss
This system can intuitively be
expressed with series resonant
circuit in electric circuit
The differential equiation is mathematically
equivalent and the system can also be
presented by parallel resonant circuit.
PS PS
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
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周波数制御
69
Resonant frequency in electric circuit
CLFreq
p2
1
Cavity frequency can be tuned by changing L and/or C by
perturbing magnetic field and/or electric field.
Slater’s perturbation theory states;
1,1
)(
22
22
2
0
2
0
2
CavityCavity
V
dVEdVH
dVEH
Actual cavity tuning can be done by deforming cell shape, local
dimple tuning, inserting rod, etc.
SCC cavity tuning Blue nominal freq
Freq up green
Freq down red
Dimple tuning
2014年加速器学会 技術研修会 肥後 2014/8/10
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可動、半可動チューナー プランジャー挿入
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 70
LEP空洞例
APS チューナー
ディンプルチューニング ピンの押し引きで 空洞内面の塑性変形
![Page 71: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/71.jpg)
ここで再度多セル空洞の考察に
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 71
SW TW
単セル
k~0
殆ど単空洞 多セル
k~10%
多セル連結
エネルギー相互方向フローして安定化
k~2%
多セル連結 エネルギー
一方向へのフロー
k~2%
![Page 72: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/72.jpg)
セル間の結合 Poynting vector E X H
• エネルギーの流れ
–空洞内電磁場の安定性を支配
• 連結(カップリング)
–セル間結合定数 k
–電磁気でのメカニズム E X H
–空洞設計上の理由
• 安定→多数セル可能→長い空洞→安価
• 長さ調節可→ビームへのエネルギー付与効率最適化
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 72
![Page 73: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/73.jpg)
DLSでの結合定数
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 73
t
a
群速度 vg/c ~ 結合定数 k
Hf
Er
EXH
EZ
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
EZ Hf
![Page 74: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/74.jpg)
Cell 結合方式
• 内部連結
– DLS例 弱結合
– DAW例 強結合
• 外部連結
– SCS例 結合セル
–パラレルフィード
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 74
![Page 75: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/75.jpg)
結合している多セル空洞の分散関係
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 75
k
)(2
)1( 112
2
00 nnnn XX
k
QjXI
0 2 4 6 8 100.90
0.95
1.00
1.05
1.10
周波数
位相進み βd 0 p p/2
ω
βd 0 p 2p
ω
βd 0 p
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分散特性
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 76
周波数合わせ 加速モード&結合モード →群速度確保→安定化
![Page 77: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/77.jpg)
ビームローディング
• 空洞の場の表現
–空洞のモード展開
–各モードの複素係数 → Phaser(フェーザー)
• ビームローディングの基本定理
–エネルギー保存+因果律(Causarity)→
–空の空洞にバンチが通過するとエネルギーを落とす
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 77
![Page 78: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/78.jpg)
ビームローディングの基本定理(1/2)
0: Assume a cavity field in phasor diagram with one dominant mode
tjeVtV )(
1: Point particle passed an empty cavity, leaving a field, wake field,
Vc =t 2: When the second bunch comes in, superposition applies;
Vb
Ve Vreference
2
1
1
b
be
VU
VfqVqE
Beam energy loss
Cavity stored energy
Vb2+
Vb1+
Vb1++Vb
2+
=t
CosV
VeVU
eVV
b
b
j
b
j
bb
1(2
)(
2
2
212
1
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 78
![Page 79: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/79.jpg)
ビームローディングの基本定理 続き(2/2)
While loss of the second bunch;
)(2 CosVqVqE be
Since particle energy loss = cavity stored energy;
221 UEE
Therefore,
0)2()(2 CosSinqCosVCosqVfq bb
This should always true for any , then
2
1,
2,0 f
qVb
When a bunch passes a cavity, it excites the cavity with the field in a decelerating direction, or it remains a deceleration wake field in the cavity. The bunch feels half of this excited field.
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 79
![Page 80: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/80.jpg)
減速フィールド TW加速管 究極:フルローディング運転の場合
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 80
R. Corsini EPAC2004
R. Corsini EPAC2004
P. Urshutz CTF3 LINAC2006
外場として供給するエネルギーは、表皮ロス以外は全てビームに供給することが可能。
![Page 81: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/81.jpg)
航跡場: 相対論的粒子によるウェーク
81
Lorentz contracted field In free space
1/
r1
s=ct
r2q2 q1
ウェーク場の定式化
)(
),,(),,(1
),(
21
/)(
11
1
1
sWqqp
tzrBzctzrEdzq
srWczst
後続粒子の受ける キック量
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後
![Page 82: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/82.jpg)
ウェーク ←→ 構造物のもつインピーダンス
82
0 2 4 6 8 100.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Re(Z||()
Leaking to beam pipe
Trapped modes
)()}(Re{{
1)(
c
sCosZdsW LL
p
)(1
)(0
0
Qj
RZL
c
sj
LL esyxWc
sdyxZ
),,()(),,(
空洞の共振 →モード →共鳴の性質
新竹 in many papers 減衰、トラップ
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後
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励起モード 減衰 主モード
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 83
202 204 206 208 210
1.0
0.5
0.5
1.0
52 54 56 58 60
1.0
0.5
0.5
1.0
2 4 6 8 10
1.0
0.5
0.5
1.0
20 40 60 80 100
1.0
0.5
0.5
1.0
10 20 30 40 50
1.0
0.5
0.5
1.0Mode-1 Mode-2 Mode-3
![Page 84: 高周波空洞技術 - KEK e+/e-beam-physics.kek.jp/linac-paper/2014/pasj2014/pasj14...高周波空洞技術 1:基礎概念と設計 • 電気的に大別すると、定在波型、進行波型があり、](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041714/5e4a01f34aeda170c52a1ec5/html5/thumbnails/84.jpg)
Longitudinal wake function in DLS
84
Summation of resonant modes up to a certain frequency,
Higher than the frequency, and in high energy limit >>a/c, optical resonator model predicts
d
CosAW
A
d
dk
ma
2/302/3
0 )(2)(,
Total wake field calculated for the SLAC disk loaded structure became as shown in right figure (P. Wilson Lecture)
Fundamental mode dominates for long-range wake, with some high Q modes superposed. Much higher than 400th mode contributes in very short range wake field.
)(2)(0 c
sCosksW n
N
n
nL
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後
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Transverse wake function in DLS
85
We follow a paper* by Zotter and Bane on transverse wake field calculation on disk-loaded structure.
* B. Zotter and K. Bane, “Transverse Resonances of Periodically widened Cylindrical Tube with Circular Crosssection”, PEP-Note-308, SLAC, 1979.
Synchronous space harmonic component of the n-th TW mode, axial electric field is expressed as
)}/({)()(0 cztCosmCosa
rEE n
m
nzn f
Where E0n is the field at r=a, iris opening radius. Loss parameter is
222
0 )(,4
qa
rkuand
u
Ek mq
nn
n
nn
rq is drive bunch position
qka
rE n
mq
n )(20
Summation gives total from resonant-like modes,
)()()(2)(
n
n n
nq
T Sina
ck
a
rW
Over maximum frequency m, integration gives wake field using
2/3
1
A
d
kd
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後
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計算の今昔
紙と鉛筆と試験空洞の時代 ↓
2D計算と等価回路網で精度充分な時代 ↓
3D形状、ビームまで計算し一発実機の時代
ではあるが・・・・・要注意! 依然モデル化に仮定が必要 そのために物理的センスが必須
簡単な描像を描くこと 手計算でざっとあたること
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 86
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空洞計算 シミュレーション
• 2D 精度 <10-7 必要以上可能、PC – Mode matching – SUPERFISH LANL Free – SLANS – ・・・・・・・
• 3D 全システムまで計算、PC群 – HFSS 売り物 – CST 売り物 – ACE3P SLAC&SciDAC – 売り物も多数 – ・・・・・・
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 87
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入力カプラーのマッチング計算
• 昔:実験的
– Vgマッチ エネルギー
–等価回路
– Khyl法 (等価回路)
• 今:3D 計算
–シミュレーション
– →精密加工組立
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 88
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ウェーク場の時間ドメイン3Dシミュレーション例 HOM減衰構造を備えた空洞
KEK 阿部氏提供
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 89
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ウェーク場の3D計算 時間ドメイン
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 90
Hao Zha & Jiaru Shi CLIC-WS 2014
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されど 等価回路 HOM減衰用マニフォールド付き
弱減衰構造206セル周波数離散加速管
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離散周波数&弱減衰を取り込んだ等価回路
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後
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12000
14000
16000
18000
20000
0 30 60 90 120 150 180
RDDS1 DispersionFd1(97-102)Fd2(97-102)Mahifold(97-102)
Phase shift / cell
2nd dipole
Manifold
1st dipole
Example of middle cells of RDDS1
Avoided crossing due to the coupling of cavity dipole mode and manifold mode.
Example cell shape
Manifold Cell
物理的な理解 周波数ドメイン 分散特性
第1、2横モードとマニフォールドの結合
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 92
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等価回路計算の威力
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10-2
10-1
100
101
102
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Wak
e A
mp
litu
de
(V/p
C/m
/mm
)
SQRT[Time(ns)]
RDDS1 Wake Data (Wx = , Wy = ·) and Prediction (Line)
長時間ウェーク場計算 18GHz×16ns~300サイクルにわたって 弱減衰効果と周波数離散によるキャンセレーションを 1台のPCで高精度で計算可能
セル特性 電磁界計算コード 全システム 等価回路計算
実験値
計算値
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Animation by Arno Cancel for HG2014 at SLAC
CLIC 2mモジュール シミュレーション
ドライブビーム → RF → 輸送 → 加速管 →主ビーム
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参考文献
• OHO 講義ノート, http://accwww2.kek.jp/oho/index.html
• P. B. Wilson, “High Energy Electron Linacs: Application to Storage Ring RF System and Linear Colliders”, SLAC-PUB-2884, (1982)
• J. C. Slater, “Microwave Electronics”, March 1950
• E. A. Knapp et al., “Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures”, RSI 39, (1968)
• 他多数
2014/8/10 2014年加速器学会 技術研修会 肥後 95
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技術研修会1の終わりに
• 机上の議論、設計計算は終わりにして、次は現実の世界に飛び込んだ気になろう!
• 試験機、量産機、どちらをとっても、設計時に想定できなかったこと、もしかして日和って曖昧にしていたこと、が吹き出さないはずが無い。
• 現実化を体系化し、失敗を体系化するのが老人達の役目。その一端を担うための端緒になるよう、恥ずかしながら次の講義に続けます。
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