KEKデジタル加速器におけるイオン源からの直接入射ビームの加速発表者: 由元 崇*東京工業大学 総合理工学研究科& 高エネルギー加速器研究機構

第10回日本加速器学会年会 加速器理論・ビームダイナミクス／ハドロン加速器１

KEKデジタル加速器とは？
高周波加速ではない….
誘導加速型のFast Cycling シンクロトロン
誘導加速セル2

周長
最大磁場
入射エネルギー
繰り返し周波数

C0BmaxEinjf37.7 m
0.84 T
200 keV
10Hz

誘導加速システムの背景
近年の高速な半導体スイッチング技術により，誘導加速システムが可能となった．

誘導加速方式

高周波加速方式
電圧

電圧

ビーム

ビーム

時間

時間

=閉じ込め& 加速機能が結合

加速電圧

閉じこめ電圧

ビーム+
ビーム

3

時間

時間

機能分離により最適なバケツが可能
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誘導加速を用いる３つの利点
加速電圧
時間

加速領域の長大化2)

全イオン加速技術1)(幅広い加速周波数領域で動作する)

1.イオン源からの直接入射が可能
2. あらゆるイオン種を加速可能

柔軟なビームハンドリング3)

1) *K. Takayama, Y. Arakida, T. Iwashita, Y. Shimosaki, T. Dixit, K. Torikai, “Allion accelerators: An injector-free synchrotron”, Journal of Applied Physics 101,063304 (2007) with Erratum2) *K.Takayama, J.Kishiro, M.Sakuda, Y.Shimosaki, and M.Wake, “SuperbunchHadron Colliders”, Phys. Rev. Lett. 88, 144801 (2002)
3) *Y. Shimosaki, K. Takayama and K. Torikai, “Quasiadiabatic, Nonfocusing
Transition-Energy Crossing”, Phys.Rev.Lett. 96, 134801 (2006)

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第10回日本加速器学会年会 加速器理論・ビームダイナミクス／ハドロン加速器１

KEKデジタル加速器の誘導加速システムについて
仮想磁場:

Bcontrol(t)

PC

FPGA

入力データ

DC

Switching power supply(理想周回周期,加速タイミング)
動作開始クロック

加速ギャップ
誘導加速セル

ビーム偏向磁石

Bq

磁性体コア

イオン源

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KEKデジタル加速器

完全予測制御を採用
現状ではビームシグナルのSN比が悪く、フィードバック制御が困難であった

方法:
1. 仮想磁場Bcontrol(t) を設定して,そこからすべての必要な理想的な周回周期と加速タイミングを計算し、必要データを予めFPGAに書き込む
2. ビームの挙動から、実磁場Bactual(t)に適応するように仮想磁場Bcontrol(t)を修正する .

 Bactual_ max  Bcontrol_ maxBactual(t )  Bcontrol(t )   Bactual_ min  Bcontrol_ min  0実磁場仮想磁場

両者が一致することがビーム加速に不可欠!!
6(最大磁場)(最小磁場)(位相差)

実磁場B(t)仮想磁場Bcontrol(t)

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仮想磁場の最小値Bminを調整する (無加速)
残留磁場の影響により、実磁場の計測値は使用できない!!

調整後

調整前
B

B

Bactual(t)入射タイミング

Bactual(t)入射タイミング

Bcontrol(t)Bcontrol(t)

時間

時間

5050

4040

ドリフトしている

30
20
1007

Bactual_min= Bcontrol_min

02468Time[μs]1012Turn number

Turn number

Bactual_min≠Bcontrol_min

まっすぐ!!

30
20
10002468Time[μs]1012Bactual_min= Bcontrol_min のとき，ビームはまっすぐ動く.
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仮想磁場と実磁場の位相差δ の極小化 (無加速)方法:
1.意図的に実磁場の入射タイミングよりも前にビームを入射する
2. 位置モニターで、水平方向のビーム位置と周期の時間変化を観察
500

X D40δ = -1141.7 μspBD (t   ) 2pBideal

磁場が弱いと外側に動く

200－20δ = -1122.2 μs－40100時間

X[mm]

TurnBcontrol(t)

60300
200

入射タイミング

T
3

(t)
T

400

Bactual(t)

B

－6000

2468
Time[μs]

周期の時間変化

1012

0

100

200
Turn300400

水平方向の時間変化

この方法で、一周回周期程度の精度で位相差δを極小化できる

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第10回日本加速器学会年会 加速器理論・ビームダイナミクス／ハドロン加速器１閉じ込め電圧の発生方法

仮想磁場B[T]0.84T(取り出し)0.039T (入射)ビームの理想周回周期毎に発生する参照信号 (12μs→1μs)

T (t ) 

50 t [ms]0参照信号 :12μs→1 μs

C0 1  Dc
D

磁場で一意に2 周期が定まる
 Q  e  2
 B
D    A  m0 c 
ただし
質量価数比：Q/A
素電荷：e
曲率半径: 陽子質量: m0
仮想磁場： B(t)V[kV]

周回周期 T(12μs~1μs)
T/6+1.6kV

150ns

時間
ビーム

閉じ込め電圧は毎ターン、発生させる

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1 turn-1.6kV
2 turn

第10回日本加速器学会年会 加速器理論・ビームダイナミクス／ハドロン加速器１加速電圧の発生方法
参照信号(理想周回周期信号) :12μs→1μs

仮想磁場

1ターンあたりに必要な加速電圧V(t):V (t )  C0

加速密度関数dB(t )dtρ : リングの曲率半径C0 : リング周長
B(t): 仮想磁場

周回周期T(12μs~1μs)
電圧V[kV]+1.8kV150ns
ビーム

時間-1.8kV1
 ( N  1)  0

N 1

Nn 1
N 1

n 1
Nn 1n 1

(V (n)  V0   (n)  V0 )
(V (n)  V0   (n)  V0 )V0: 一定の誘導加速電圧
δ(n) : 加速密度テーブル
n:
ターン数

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疑似的に必要な加速電圧を与えるように、誘導加速電圧を離散的に発生させる

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ビーム加速実験の結果
B

全体図
ビームシグナル

Bcontrol(t)=Bactual(t)

加速終了時

入射タイミング

入射時時間

実験条件:
偏向磁場

0.039→0.51[T]

質量価数比A/Q

4/1

エネルギー

0.05→8[MeV/u]

入射電流~100mA

拡大図
ビームシグナルn ターン

11n+1 ターンn+2 ターン …

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ビーム加速の解析結果 1

加速電圧の実験波形(±1.6kV)

50

ビームの実験波形

5040Time[ms]Time[ms]

40

加速終了

30

ビームシグナル

0100502468Time[μs]10周回周波数が10倍変化する加速に成功!
→全イオン加速技術を原理的に実証した

2468Time[μs]1012

閉じこめ電圧の実験波形(±2kV)

4012Time[ms]0

周回周期12μs→1μs

1220
102003030

閉じ込め領域2μs→200ns

2010002468Time[μs]1012第10回日本加速器学会年会 加速器理論・ビームダイナミクス／ハドロン加速器１

ビーム加速の解析結果 2
ビーム水平位置の時間変化

ビームロス30

1Position [mm]20

ビーム生き残り= ~10 %1000.1-10-20-300102030
Time[ms]

40500.01

ビーム軌道が外側へ移動している→仮想磁場と実磁場との微妙なずれが原因?

130102030
Time[ms]

4050

低エネルギー領域における残留ガスとの相互作用が大きい→高真空化へ

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結論
 完全予測制御における、仮想磁場の決定方法を見出した
 加速機器調整のための試験運転ではあるが、KEKデジタル加速器において超低エネルギー領域からの加速に成功した

Fast Cycling 誘導加速シンクロトロンを用いた全イオン加速技術を原理的に実証!!

今後の予定
 KEKデジタル加速器のビーム供給へ向けた
さらなる全イオン加速技術の追求
 誘導加速をもちいたビームハンドリング技術の実証

 加速領域の長大化の実証
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ご静聴ありがとうございました．

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