低速イオンビームのバンチ化と ビーム診断技術の開発 21/ Dec/ 2004 第３回小型加速器研究会＠KEK 東京大学大学院理学系研究科 附属原子核科学研究センター 渡辺伸一 [email protected] はじめに •CNS和光実験準備棟加速器開発室に10GHzECRイ オン源（HiECR)を設置した。 •分析用磁石、Q磁石、プロファイルモニターを備え たビームラインを建設した。 •低速イオンビームを用いた実験として、HTSDCCTの実証試験、イオンビーム照射実験などを行 なった。 •メタルコア型高周波空洞によりイオン源ビームの バンチ試験を行なったのでその結果を報告する。 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 研究の背景 新しい知の創造の基盤＝宇宙核物理、不安定核の研究を進めるため のAVFサイクロトロンの高度化と重イオン源の開発を行なってい る。 AVFサイクロトロン、イオン源 • フラットトップ加速によるビームエネルギー幅の縮小化、加速範囲の拡 大（h=1,2,3）と高エネルギー化 （K70→K80） • 入射用イオン源（HypereECR）の性能改善（10 pmA, Mg8+ , Li3＋）とイオ ン源からＡＶＦへのビーム入射効率の改善 重イオン源の基礎実験と低速イオンビームの応用 • HiECRを用いたCBECRの基礎実験と、HiECRのビームを応用した実験＝ HTS-DCCT,RF buncher,Ion Etching • 大強度ナノクラスターイオン源の開発 B,Ti,Cu 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK AVF加速器施設とCNS ＨｙｐｅｒＥＣＲ Injection line To RRC AVF AVF@RIKEN CRIB 60% beam time is shared by HyperECR@CNS 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK ビーム入射効率の改善 • Injection line Small emittance , Optimization of alignment error, Low beam loss at inflector • AVF RF acceleration system Beam bunching to increase the beam intensity captured by the Dee voltage separatrix. 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK ビーム入射効率の改善結果－Injection line エミッタンス Beam; 14N6+ Measured; 115 and 89 pmmmrad in horizontal and vertical, respectively. Calculated; 138 and 91 pmmmrad in both planes. These values are roughly in agreement with the measured values. Transmission; 29% was obtained at cyclotron exit. ビームサイズ Cyclotron inflector calculated in horizontal and vertical planes, respectively. This calculated result is a solution with which about 95% beam from the ion source reaches the inflector of the cyclotron. However, the measurement shows about 70% beam loss near the center of the cyclotron. We are now studying the central region to get better transmission. 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 入射効率の改善－バンチャー * RIKEN-AVF, 1988 Wide band amp+All pass network (50W→200W) + single gap mesh electrodes, fbunch=12~24 MHz, Vout= 600V, BF~5. 電力 合成器による電圧発生 V （sin(wt)+1/3*sin(2wt)+1/9*sin(3wt)) *CNS SF cyclotron, Tanashi, 1990 Wide band amp+All pass network (50W→200W) + 2gap electrodes, frf=7~18 MHz, Vout=140V. BF~3, 電圧波形＝ Vsin(wt) * AGOR cyclotron KVI, Netherlands, 2002 Sub-harmonic generator +single gap, 10 metal cylinder, frf=24~62MHz, Vout=1500V. BF~15(25,+/-10degree RF) 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK Buncher for cyclotron（principle) Acceptance: wDt Dt=(t+L/v(t))-L/vo wDt=wt-(aL/ro)sin wt =+/-18°, where aL/ro=1.5 ro=15.53mm=radius of 1st turn, L=flight path, a=V/Vo, V=buncher voltage, Vo=Vinj, a=7.05x10-3, if Vo=8.04 kV then V=56.7V, When L=3.3m, l=48.8mm 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK Buncher & center region RIKEN-AVF Buncher gap=5mm, mesh= 2mm pitch Transmission=87% RIKEN-AVF Center region 低速イオンビームの応用 －HiECRﾋﾞｰﾑを用いたビーム診断技術の開発－ イオンビーム照射 HTS-DCCT 高周波 空洞 ファラ デーカッ プ プロファイ ルモニ ター Hi-ECR イオン源 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK HiECRイオン源 －ビーム診断技術研究など多目的重イオン源－ ECRイオン源 加速器開発室のHi-ECRイオン源 使用目的 １）ＨｉＥＣＲイオン源によるＥＣＲの基礎実験 １）イオン源 ・マイクロ波 ：１０ GHｚ ・最大のミラー磁場強度 ：8.5 kG ・六極磁石表面磁場強度：7.6 kG ２）分析磁石 ・曲率半径 ：35 cm ・偏向角 ：90 度 ・最大磁束密度 ：10 ｋG ・チャージブリダーによる多価イオンの生成テスト ・レーザーによるイオン化効率のテスト ２）金属イオンのテスト ・金属試料導入によるプラズマ室内の汚れ対策 ３）ＨｉＥＣＲイオン源の応用 ・ビームモニターの開発・校正 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK HiECRイオンビーム Atom Qn A vb (m/s) Transit time(sec) Ifc2(emA) H 1+ １ 1.384x106 3.61x10-9 18 Ar 2+ 40 0.308x106 16.2x10-9 36 Ar 4+ 40 0.437x106 11.4x10-9 18 Ar 6+ 40 0.532x106 9.39x10-9 11 Ar 8+ 40 0.615x106 8,13x10-9 7 O 4+ 16 0.688x106 7.27x10-9 NC O 5+ 16 0.769x106 6.50x10-9 16 O 6+ 16 0.842x106 5.94x10-9 8 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 低速イオンビームのバンチ化― －広帯域で小型の高周波空洞－ 名称：メタルコア型高周波空洞 製作：理化学研究所（渡辺真朗氏（現原研東海）） メタルコア：ファインメット（日立金属） 運転周波数：１８～４５ MHz 入力インピーダンス：５０Ω 特徴：広帯域で小型の高周波空洞、世界中で最初（ ３０MHｚ以上） 運転例 Vgap=640V@24MHz at Pin=2300W, Cooling=Forced air １２０ｍｍ 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK メタルコア型高周波空洞 －空洞の構造と特性－ インピーダンスの 絶対値 アドミッタンス G B resonance frequency ≒30Hz 200 0 160 -0.05 120 |Z| Y(S) 0.05 -0.1 80 -0.15 40 -0.2 6 10 7 10 Frequency(Hz) 0 6 10 7 10 Frequency(Hz) Y=G+jB Characteristics of the rf cavity were measured from the acceleration gap. Original acceleration gap is thin mesh plate. M. Watanabe、Y. Chiba、K. Ohtomo、H. Tsutsui、T. Koseki、T. Katayama、S. Watanabe、and Y. Ohshiro: “A broad-band rf cavity using Finemet cut-cores as a buncher of heavy ion beams” The third Asian Particle Accelerator Conference, March 22-26, 2004, hosted by Pohang Accelerator Laboratory and Pohang University of Science and Technology,.Gyeongju, Korea. to be published. 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 測定例 3.5 10 -5 Beam current(A) 3 10 -5 2.5 10 -5 2 10 -5 1.5 10 -5 1 10 -5 0 1 10 -7 2 10 -7 Time(s ) 3 10 -7 4 10 -7 10 keV 水素ビーム (DC 20mA) のバンチ化 高周波空洞の運転条件: 周波数:30MHz、最大加速電圧:150V. ファラデーカップ：20Dx70L 銅製, 50Ω終端 バンチング電圧を調整し BF=Ibtop/Ibbottomが最大になる値を探す 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 高周波バンチャー試験のまとめ • イオン種: H+,Ar2+,Ar4+,Ar6+,Ar8+,O4+,O5+,O6+ • ビームエネルギー：10 keV（H+) • ビーム電流：10～30mA(DC) • バンチング周波数 18～45MHz • 電圧波形:正弦波 • バンチング電圧: 30～240 V • バンチングファクター ～2 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK ビーム診断技術の開発 －バンチビーム用ファラデーカップの検討－ •イオン種、価数、エネルギーによる二次電子生成 率の評価 •二次電子抑制用静電電極の検討 •二次電子抑制用静磁場の検討 •インピーダンス整合のための同軸構造 •照射による発熱対策 •電磁雑音遮蔽対策 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK イオン種、価数、エネルギーによる 二次電子生成率の評価 D.Hasselkamp “Particle Induced Electron Emission II”, Vol.123 Springer-Verlag. 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK ファラデーカップ DC~100 MHz 二次電子抑制グリッド：＃５０Wメッシュ、 Vsup=10~500V ZL=50W,VSWR ~1.2 Pb=10W, fb=20mm f Qt Qc g =z(-Qc/(Qt+Qc)) Reference Y.Hashimoto(KEK) measure e2nd from target irradiated by NIRS 100MHz Linac beam. Identify trise=150ps and compared with MCP g : total electron yield 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK まとめ 新しい知の創造の基盤＝既存重イオン加速器の高度 化と重イオン源の研究を進めている。 •低速イオンビームのバンチ化とビーム診断技術の 研究状況を報告した •上記の研究を進めるために共同研究者との連携を積極的に行 なっている。 http://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp/proj/accel/index.html 21/ Dec/ 2004 小型加速器研究会＠KEK 高エネルギー重イオン加速器の研究 －高温超伝導SQUIDを応用した微弱ビーム電流計測器（HTS-DCCT)の開発ー 超伝導コイル化 HTS-DCCTの課題 イオンビームエッチ ングでHTS膜の細 線化を研究した （H16年度） 目標感度 測定実績 Ar 4+ 1.8mA 上：HTS-DCCT 下：Faraday Cup 241 226 196 211 181 166 151 136 106 121 91 76 61 46 0311102 Bi2223 16 31 実験結果 HTS;Bi2223 幅１００μｍ 深さ：５μｍ 1 SQUIDと結合してい るブリッジを超伝導コ イル化し、磁束増加 でS/N比を改善する イメージ図 10000 0 Etching Depth (A) １ナノアンペア -10000 -20000 -30000 -40000 -50000 Etching width (micron) Ar2+ 20emA/cm2 １０ｈ 電流セン サー SQUID結合部を超伝導コイル化する 関連研究→ 異 元素化合物のス パッタリング収量 の研究につなが る Dec/06/2004 CNS助言委員会
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