Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[14B-02]

DEVELOPMENT OF PULSED MeV POSITRON BEAM LINE (II)M. Maekawa, S. Okada and H. Itoh
Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment
1233 Watanuki, Takasaki, Gunma 370-1292, Japan
Abstract
A high energy (1MeV) pulsed positron beam line has been developed for positron annihilation lifetime spectroscopy
measurements of materials under extreme conditions. As a result of its performance tests using an electron gun,additional short pulses arising from insufficient chopper driving were observed in the time structure of accelerated
beams. A high quality beam with single fine pulses is expected to be formed by improving the chopper system.

高速短パルス陽電子ビーム形成装置の開発(II)1.

はじめにを用いて加速する。低速陽電子ビームの輸送エネルギ

陽電子消滅寿命測定法（PALS）は材料欠陥の種類

ーは 1000eV とし、周波数 2856MHz のクライストロンをや量を非破壊かつ高感度に測定でき、物性研究におけRF 源とする定在波型加速管を用いて最大エネルギーる有力なプローブの一つに挙げられる。特にパルス陽1MeV にまで加速する。加速管内で発生する放電電子電子ビームを用いた PALS では、試料を線源と密着させは試料に照射損傷を与える可能性があるため、磁場をて陽電子を直接試料に注入する従来方式と比べ、線源用いたフィルター部を設置して、陽電子-電子の分離とと試料が非接触であるため測定条件を幅広く設定するエネルギー弁別を行う。またビーム集束のため、磁気フことが可能になる。さらに高エネルギー陽電子ビームをィルター前後に Q マグネットを設置している。

用いると真空外へのビーム取り出しが容易となるため、これまでに電子銃を用いた動作試験を行い、最大ビ空気中などの任意の雰囲気中や高温・応力下にある試ームエネルギー1 MeVまで 5 %程度のエネルギー広がり料の測定にも適用でき、半導体中の欠陥集合過程や繰で加速でき、さらに 1 mm 以下のビーム径へと集束でき返し応力下での金属中のボイド形成過程を解明するのることを確認した。エネルギースペクトルとビーム径は高に極めて有効である。我々はそのような高時間分解能

エネルギー陽電子ビームとしては十分良質ではあるが、陽電子ビームの形成をめざし、高速短パルス陽電子ビ高精度 PALS 測定のためには陽電子のシングルファイーム形成装置の開発を行ってきた

1-2)ンパルス化が不可欠である。ビームパルスの時間構造。

陽電子ビームを用いた PALS は、ビームを時間的にを把握する目的で、高速オシロスコープ （Tektronix圧縮（バンチング）させ、パルスビームとすることで物質

TDS694C、3 GHz） を用いてビーム時間構造の直接観中に陽電子が入射した時刻を明確化し、消滅ガンマ線測を行った。

を検出するまでの時間差を検出することで測定が行われる。高精度な PALS のためには入射時刻の時間ジッタ2.

ビーム時間構造の測定

ーが小さく（パルス幅が狭く）、バックグラウンドが低い

パルス幅が狭く、高S/N 比のビーム形成には、低速ビ（S/N比が高い）ビームが必要となる。高エネルギービーームのバンチング挙動を把握することが重要であるため、ムを直接パルス化するのは容易ではないため、本装置はじめに低速ビームの時間構造を測定した。図 1-a はでは 22Na 線源からの低速陽電子ビームをバンチャー電子銃のみのビーム電流を示している。この状態から（SHB）にて速度変調を掛けバンチングした後、RF 空洞

SHB を動作させると図 1-b の形状へと変化した。SHB は−117−178.5MHz のサイン波を用いてビームに速度変調を掛得できた(図 2-b)。パルス幅は FWHM で 2 ns 弱と広く、けるため、この変調に対応して 5.6ns 周期でビームがバ複数の加速位相にまたがってサテライトパルスの形成がンチングされていることが確認された。しかしパルス幅は見られ、これは PALS における擬似寿命成分となりうる。

FWHM で 1ns 程度あり、S/N 比も7：1程度にとどまった。

擬似したサテライトパルスがバックグラウンド領域にも観これらを改善するため、SHB の不要位相へのビームの測され、測定精度を下げる要因となる。チョッパーを駆入射を制限するビームチョッパーを設置した。チョッパ動させても(図 2-c)、擬似寿命成分となるサテライトパル

ーは 3 枚並べた金属メッシュで構成され、中央のメッシスが残存しており、この除去が今後の課題である。また

ュの電位を変化させることでビームの断続を行う。高効

バックグラウンドとなる領域のサテライトパルスについて率なチョッピングを行うためには電位の変化幅を大きくは、加速管からの放電電子に原因すると考えられ、陽し、ビームの時間構造を崩さないためには電位を矩形

電子を加速した場合には磁気フィルターで除去できると波的に変化をさせることが望ましいが、今回は電位変動予想される。

幅 を 優 先 し た。このた め パ ワ ー ア ン プ を 用 い て

0178.5MHz のサイン波を増幅し、これにオフセット電位をかけることでビームのチョッピングを行った。チョッパーをいてはあまり変化はみられなかったが、S/N 比はおよそ30：1 まで向上した。

-0.0005

Voltage [V]

動作させて得られた波形が図1-c である。パルス幅につ(a: 加速管のみ動作)-0.001(c: 加速管+SHB+chopper動作)

0(b: 加速管+SHB動作)-0.001502

Voltage [V]-0.005(a: gun only)

図 2.

4
6Time [ns]810加速ビームの時間構造(c: gun+SHB+chopper)
-0.01

3.
(b: gun+SHB)

ビーム時間構造改善の検討
高精度 PALS のためにはサテライトパルスを除去し、5.6 ns 周期のシングルファインパルスを形成する必要が-0.0150246810Time [ns]図１.

低速ビームのバンチング挙動

このバンチングビームを加速管に投入し 500 keV に加速した時のビーム時間構造を測定すると、低速ビームの時間構造を良く反映する結果となった。加速管のみを動作させた状態（図2-a）では幅150〜200 psのファインパルス列（350 ps 周期）が観測された。これは 2856MHz（1周期 350 ps）のRFを用いた加速の効果であると考えられる。SHB を動作させると 5.6 ns 周期にパルス化された成分に、RF 加速による幅 150〜200 ps のファインパルス列が重畳したものがビームの時間構造として取ある。低速ビームの段階で S/N が高く、パルス幅が500ps 程度のパルスビームを形成できれば、加速管を通すことによりシングルファインパルスを形成できる。現有のチョッパーではサイン波を用いているため開時間を調節することが出来ず、バックグラウンド成分の低減には有効であるが擬似寿命成分は削除できない。SHB によるバンチングの効率を上げパルス幅を短くすることでも擬似寿命成分の低減が図れるが、そのためには入射する低速ビームのエネルギースペクトルの広がりが小さいことが要求される。低速ビームのエネルギースペクト
ルを実測したものが図 3-a である。設定された 1000eVの輸送エネルギーに対し 1060eV 程度までスペクトルが伸びている事が確認された。これはチョッパーに用いて(図 5-b)と比較すると良い一致を見た。さらに電位分布いる金属メッシュが粗いため、メッシュワイヤー間の空間の影響を無視し図 3-b のエネルギースペクトルを用いて電位がメッシュへの印加電圧よりも低くなり、チョッパー計算した結果が図 6 である。この結果は、チョッパーの内電位が空間的に分布を持つことに起因する。このよう電位分布の改善により 500ps のパルス幅と高 S/N 比をな電位分布の下では、単色ビームを透過させても通過得ることが出来、シングルファインパルスが形成できるこしたビームのエネルギースペクトルは電位分布を反映しとを示している。
0ビームのエネルギーに対する透過効率に深く関係することになる。示している。現有チョッパーのメッシュに1000V を印加した場合の空間電位分布を数値計算により求め、ビームの透過効率を計算した結果を図 4 に示す。

Intensity [arb.units]て広がってしまう。すなわちメッシュの空間電位分布は1(b:アンフォールディング後)0.8(a: 計算値、実線)60(b: 実測値、破線)801200246
Time [ns]810図 5. メッシュ電位分布の影響がある状態での低速ビームバ(a:実測値)

ンチング挙動の計算結果

0.600.40.20920940

図 3.

9609801000 1020
Energy [eV]10401060

低速ビームのエネルギースペクトル1.2Intensity [arb.units]

Normalized intensity

40100

1.2204060801001201

透過効率200246Time [ns]8100.80.6

図 6. メッシュ電位分布の影響がない状態での低速ビームバ

0.4

ンチング挙動の計算結果

0.20940950

図 4.

1000V 印加したメッシュのビーム透過効率

960970980
990
Beam energy [V]10001010

4． まとめ
高速短パルス陽電子ビーム形成装置で発生したビームの時間構造を高速オシロスコープを用いて測定した。

この透過効率をもとに、測定されたエネルギースペク

この結果、高精度 PALS を阻害するサテライトパルスがトルをアンフォールディングしチョッパーのメッシュ内で観測されたが、チョッパーのメッシュを細かいものに変更の電位分布を 1000V 一定とした場合のエネルギースペし、空間電位分布の影響を取り除くことでシングルファイクトルを計算したものが図 3-b である。メッシュの電位分ンパルスが達成できる見通しが得られた。

布は SHB に対する実効的なエネルギースペクトルを悪化させるため、チョッパーのメッシュをより細かくすること

参考文献

で実効的にエネルギースペクトルを改善することが可能[1] M. Maekawa et. al.: Proc. 24th Linear Accelerator Meetingとなり、SHB でのバンチング効率の向上が期待される。

in Japan (1999) 48.

図 3-a のエネルギースペクトルを用い低速ビームのバン[2] M. Maekawa et. al.: Proc. 12th Symp. Accelerator Science

チング挙動を数値計算したものが図 5-a である。実測値

and Technology (1999) 87-89.