CONTROLLED BEAM SCRAPING ORIENTED FOR EFFICIENT
INDIRECT TRANSVERSE LASER COOLING
Akira Noda #,A), Masao NakaoA), Hikaru Souda A), Hiromu Tongu A), Kouichi JimboB), Hiromi Okamoto C),
Kazuya Osaki C) , Yousuke Yuri D), Manfred Grieser E), Zhengqi He F)A)ICR, Kyoto University, B) IAE, Kyoto University, Gokano-sho, Uji-city,Kyoto, 611-0011
C)
AdSM, Hiroshima University, Kagamiyama 1-3-2, Higashi Hiroshima-city, 739-8511
D)
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, JAEA, Watanuki-machi 1233, Takasaki-city, 370-1292E)
MPI-K, 69029 Heidelberg, 103980, Germany, F) Tsinghua University, 1 Qinqhuayuan, Beijing, China.

Abstract
For the purpose of attaining low temperature beam circulating in a storage ring, laser cooling has been largely paid
attention because of its strong cooling force, which, however, has such a severe limitation as can mainly cool down only
the longitudinal temperature. We have experimentally demonstrated the capability of reducing the horizontal
temperature by combination of longitudinal laser cooling and “Synchro-Betatron Resonance Coupling (SBRC)” , thecooling time of which, however, was found too long to realize low enough beam temperature due to heating because of
intra-beam scattering (IBS). We have developed such a scheme as to reduce the beam intensity in order to suppress theIBS effect with the use of a scraper which eliminates the beam particle locating at the outskirt of the 24Mg+ ion beam
distribution.

横方向間接レーザー冷却の効率化に向けた制御ビームスクレーピング
1.

京大・化研のイオン蓄積・冷却リング S-LSR では「がん治療用加速器の小型化」という先進小型加速器のための要素技術の開発の本来の研究テーマに加えて、イオンビームの品質向上の極限追求の観点
から 7MeV 陽子ビームの電子ビーム冷却、40keV の24Mg+ イオンビームのレーザー冷却を遂行してきた[1]。電子ビーム冷却による 7MeV 陽子ビームの１次元ビームオーダリング[2]に引き続き、より冷却力の強烈なレーザー冷却による 24Mg+イオンビームのString 形成を目指してきた。既に縦方向と水平方向の シ ン ク ロ - ベ ー タ ト ロ ン 共 鳴 結 合 （ SynchroBetatron Resonance Coupling: SBRC）により、水平方向の間接的レーザー冷却が実現していることを実験的に実証している[3]が、106~107 のビーム強度でのこれらの実験では、ビーム間相互作用(Intra-BeamScattering:IBS)の効果によるヒーティングの効果に打ち克って相転移を起こして String State に到達するのは困難であることが判明したため、横方向位相空間の周辺部のビームをスクレーピングすることによりビーム強度を低減して、IBS の抑制を図り、横方向レーザー冷却の効率化を図ってきた。その結果に関して報告したい。

2.

S-LSR に於けるレーザー冷却

S-LSR ではイオン源から 40kV の静電高圧でMg+イオンを加速して取り出した後、ビーム輸送系の 25 度偏向電磁石とスリットにより運動量のセレクションを行った後、図１に示したように S-LSRに 入 射 を 行 い 、 ビ ー ム と 同 方 向 に 併 進する波 長___________________________________________#Broadband
RF Cavity

はじめに

Drifttube
40keV 24Mg+
Beam

PMT
V. Scraper

Laser
for cooling

PAT

H. Scraper 2

CCD
Beam

H. Scraper 1

F

Electrostatic
Pickup1m

図１：S-LSR のレーザー冷却システム及びビームスクレーパーの配置図
280nm の レ ー ザ ー 光 を 用 い てビーム進行方向のレーザー冷却を行い、高周波加速によるシンクロトロン振動数を水平方向のベータトロン振動数と共鳴させる[4] (式（１)参照）

ν s − ν H = m (integer)(1)

ことにより水平方向の間接的レーザー冷却も実現
し て い る 。 図 ２ (a) か ら 上 記 （ １ ） 式 を 満 た す
SBRC の状況で水平方向の CCD イメージサイズが最小となり、この条件で縦方向のビーム運動量の到達冷却幅が水平方向からの熱の流入により極大値を取っていることが見て取れる。 （この実験の場合、レーザーサイズの方がイオンビームサイズ

noda@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp- 72 -(a)図３．ヒーティングレートの Coulomb Coupling
Constant 依存性（Ref. [5]より借用）。

(b)
図２．冷却後の縦方向運動量拡がりと水平方向CCD イメージサイズのシンクロトロンチューン依存性(a) 及び種々のシンクロトロンチューンの場合の CCD イメージサイズの時間変化(b)よりも小さいので、CCD のイメージサイズはビームサイズと同一ではないが、レーザーの中心とイオ ン ビ ー ム の 中 心 は 注 意 し て 合 せ て あるので、CCD イメージサイズが最小となる条件が Mg イオ
ンビームサイズの最小条件と一致する。）シンク
ロ-ベータトロン共鳴の中心では、間接的水平方向レーザー冷却の効果が IBS によるヒーティングの効果に打ち克ち水平方向ビームサイズがゆっくりと減少しているが、SBRC の共鳴条件から外れた条
件では IBS によるビームサイズの徐々の増大が観測されている。またシンクロトロンチューンが共鳴中心から若干ずれた条件(νs=0.060)では間接的水平方向レーザー冷却がヒーティング効果とつりあ
い ビ ー ム サ イ ズ が 変 化 し な い 状 況 が 生じている（図２(b))。この測定は 106 ~ 107 のビーム強度に対して行われた。こうした IBS によるヒーティング効果を抑制し、冷却効率を高める試みを我々は進めてきた。

３. 間接的横方向レーザー冷却の効率化のための制御ビームスクレーピング
上述の実験結果から 106 から 107 程度のビーム強度に対しては IBS のヒーティング効果が大きく、図 3 に示したようなヒーティング効果の山をすばやく乗り越えて、ビームに相転移を起こしてストリング状態を実現するという我々の最終目的にはかなわないことが判明した。この状況を克服するため、水平方向に移動する図 1 に示したスクレーパー１を用いて S-LSR に入射後のビームを Closed Orbit の中心からの距離の大きなものに限って削り落とし、全体のビーム強度の低減を図り、冷却されるビームのIBS の抑制を図り、レーザー冷却の効率化の実現を目指した。
このアプローチに於いてはビーム強度の低減に伴い、ビーム観測の際の S/N 比の劣化が克服すべき最大の課題となる。実際スクレーピングによりビーム
表１：S-LSR のレーザー冷却系の主要パラメータ
周長22.557 m

平均半径3.59 m

直線部長さ

1.86 m曲率半径1.05 m

超周期性6イオン種(エネルギー)

24Mg+ (40 keV)

回転周波数25.1668 kHz

加速高周波電圧周波数

2.51558 MHz

初期粒子数

1 x 107

初期運動量幅7 x 10-4

Natural Width of 24Mg+
初期エミッタンス (H, V)

2π x 42.7 MHz(6.8π, 2.4π) mm..mrad

ベータトロンチューン(2.068, 1.105)

シンクロトロンチューン

0.0376~0.1299

レーザー波長279.3 nm±10-8

レーザーDetuning

200 MHz (fixed)- 73 -

チューンのベータトロンチューンとの共鳴、非共鳴によるビームサイズの差は、SBRC による間接的横方向レーザー冷却の効果と考えられるが、このビーム強度の範囲では、この効果は IBS による横方向レーザー冷却効果（レーザーOff とレーザーOn でνsが 0.038 の場合との差）に比してまだずいぶん小さ
く、効率的間接的横方向レーザー冷却を実現してビームストリングを実現するためには、よりいっそうのビーム強度の低減を要することが明らかになった。
上に述べた実験結果から現在までのところ我々がS-LSR の 24Mg+イオンビームに対して達成した最も低いビーム温度は、104 台のビーム強度の条件で、
図 4．ビーム生存率のスクレーパー位置の Closed
ビームの進行方向、水平、垂直の各方向に対してOrbit Center からの距離依存性(ビーム強度 夫々~20 K、 ~40 K、~50 K であると評価している。
5x104 、レーザーパワー3mW での測定([6]参今後より一層のビーム強度の観測感度の向上を図照)。
り、S/N 比を改善して更なる低ビーム強度領域での間接的横方向レーザー冷却を遂行し、リング中を周強度を 2 桁程度縮減した今回の取り組みにおいては、 回するビームストリングの達成に挑戦したい。
従来用いられてきた冷却 CCD カメラによる Mg イオンの自発蛍光放射を用いた測定[3]では十分な S/N比が達成できなかったため、冷却開始後の各時刻における水平、垂直方向のビームサイズの測定は図１のＨ Scraper 2 及び V Scraper を夫々用いて行った。
表１にこれらの実験に使用した S-LSR レーザー冷却系の主要パラメータを列記した。
具体的なビームサイズの測定は、まずビームサイズの測定を行う水平又は垂直方向のスクレーパーを序々にビーム軌道に近づけ、ビームが完全に失われる位置を観測し、これを Closed Orbit Center と考える。ついでこの位置からの距離を変化させ、各位置でのビームの生存率を測定し、これを図 4 に示した
ように Gaussian Fit を行い、ビームサイズ（1σ）を図 6 水平方向ビームサイズのスクレーピング求めた[6]。こうした垂直及び水平方向の測定結果をによる強度変化依存性
図 5 及び図 6 に夫々示した。（ビームサイズの測定誤差に関する考察に関しては想田他、本学会ポス
ターセッション WEPS016 [6]を参照されたい。）
こ れ ら の デ ー タ か ら 水 平 、 垂 直 両 方 向 と も に 謝辞
1x105 以上のビーム強度に関しては IBS によるヒーティング効果がビーム強度の増大に伴い増加する様 本研究は文部科学省の先進小型加速器のための要素子がはっきりと見て取れる。また、シンクロトロン 技術開発事業、京都大学グローバル COE プログラム「普遍性と創発性から紡ぐ次世代物理学」の支援を得て行われた。
Laser On(nus=0.072 6/26)
Laser On(nus=0.072 7/4)

2.5

Laser On(nus=0.072 average)
Laser On(nus=0.038 6/26)
Laser On(nus=0.038 7/4)

参考文献

Vertical Beam Size (1sigma) [mm]Laser On(nus=0.038 average)2

Laser Off (nus=0.072 6/26)
Laser Off (nus=0.072 6/28)
Laser Off (nus=0.072 average)[1] A. Noda, Nucl. Instrum. Meth. A532, 150 (2004).

1.5[2] T. Shirai et al., Phys. Rev. Lett. 98, 204801 (2007).
[3] M. Nakao, et al., Proc. of IPAC’10, Kyoto, Japan, 855(2010) and M. Nakao et al., submitted to Phys. Rev. ST-AB.

10.5

0
1.00E+04

1.00E+05

1.00E+06

Particle Number

図 5. 垂直方向ビームサイズのスクレーピングによる強度変化依存性[4] H. Okamoto, A. M. Sessler and D. Möhl, Phys. Rev.
Lett. 72, 3977 (1994).
[5] Y. Yuri, H. Okamoto and H. Sugimoto, JPSJ, 78,124501 (2009)[6] H. Souda et al., WEPS016 本学会プロシーディン
グス。

- 74 -