ビームの受けるインピーダンスとビームの不安定性の理論

菖蒲田義博

JAEA, Japan Atomic Energy Agency,
2-4 Shirakata Shirane, Tokaimura, Nakagun, Ibaraki 319-1195, JAPAN平成 22 年 8 月 16 日

はじめに
この講義は、加速器の中をまわるビームの安定性についての理論について纏めたものである。表題のインピー
ダンスとは、ビームを加速器の中を回る電流だとイメージして、ビームが（電流が）加速器と相互作用して、加速器の各構成要素 (加速空洞、キッカー、チェンバーなど) を通過する度に抵抗（インピーダンス）を受けるといった意味である。
ビームが不安定になるというのは、ビームがリングの中を周回することで、インピーダンスの効果がビームに蓄積され、ビームが序序に揺らされ、振動が大きくなり最終的にチェンバーの壁にぶつかって（或は RF のバケ
ツからはみ出て）、ビームが加速器の中に安定して存在できなくなるといった意味である。
話の内容としては、インピーダンス（ビームが受ける加速器との電磁相互作用）の定式化 (第 I 部)、コースティ
ングビーム（塊になっていない加速器全周にわたって存在するビーム) の不安定性の理論の定式化 (第 II 部の第 4章)、マルチバンチビーム (RF によって塊にされたビームが複数リングにある状態) の不安定性の理論の定式化(第 II 部の第 5 章) と進み、Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)[1] でのインピーダンス及びビームの不安定性についての研究の紹介 (第 III 部) という具合に進めようと思う。
インピーダンスとはいわば、加速器の構成要素とビームとの相互作用なので、これが定式化ができないと、ビー
ムの振る舞いについても記述できないのはすぐ判ると思う。一般にインピーダンスは大きければ、それだけビー
ムは不安定になりやすく、各加速器要素のインピーダンスの総和はインピーダンスの上限を超えないように管理される（Keil-Schnell criterion）[2, 3]。
インピーダンスが判ると、ビームの振る舞いが解析できるようになるが、その際、基本となる方程式が、Vlasov
方程式 [4] とよばれるものである (第 II 部の第 3 章)。これをもとに、コースティングビームの場合、マルチバン
チビームの場合のビームの振動の増加率 (growth rate) の定式化が行われる。これにより、ビームが安定に存在できるオペレーションの条件 (チューンやクロマテシティ等の選び方) や Keil-Schnell criterion が導出できる。
この分野を勉強するに当たっての参考文献であるが、英語の教材としては、Chao の Physics of Collective

Beam Instabilities in High Energy Accelerators [5] が有名である。過去の OHO にも優れたテキストが数多い。
この講義録を書くに当たっては、鈴木敏郎氏のビームの不安定性

ビームの不安定性の理論[6] 及び、陳栄浩氏の 大強度陽子[7] をかなり参考にさせてもらった。

補足しておくと、虚数単位の convention として、理学系は i を工学系は j を使う (− i = j) 傾向があるが、この講義録では、j を使うことにした。又第 I 部で導入されるウェイク関数は引数が負の時零になるようにとった（因果率がある為、ビームが構成要素を通過して初めて電磁場が誘起される。その時間軸の取り方のこと。)。
そのため、他の講義録と比較する際は少し注意が必要である。

最後に、この講義録の第 III 部で述べる J-PARC でのインピーダンス及びビームの不安定性の研究成果のことであるが、まず、陳栄浩氏及び筒井裕士氏が大強度陽子加速器プロジェクトの研究を初期の段階 (JHF) から行ってきており、その礎を築いたことは記しておかなくてはならないと思う [8]。現在、J-PARC では陳栄浩氏をリー
ダーに Impedance Instability Group[9] ができており、私を含め、外山毅氏、高田耕治氏、大見和史氏、飛山真理氏、帯名崇氏、栗本佳典氏が研究活動している。今回紹介する内容もその共同研究によるところが多い。ここに敬意と感謝の意を表したいと思う。

第I部

ビームが加速器の構成要素から受けるイン
ピーダンスの理論

第 I 部では、ビームが加速器から受けるインピーダンスの話をする。それを定式化する準備として、まず、ビームのウェイク (航跡場) 関数というのを導出する (第 1 章のセクション 1.1)。この際、縦方向と横方向のウェイク
力を関連づける有名な Panofsky-Wenzel theorem[10] が導出される。その後、ビームの受けるインピーダンスの概念を導入し、ウェイク関数とインピーダンスがフーリエ変換で結びつくことを示す (第 1 章のセクション 1.2)。
第 2 章では、代表的なインピーダンス (空間電荷インピーダンスと抵抗性チェンバーのインピーダンス) を導出した後 (第 2 章のセクション 2.1 及び 2.2)、最後に、インピーダンスの導出法や最近の研究成果を紹介することにする (第 2 章のセクション 2.3 及び 2.4)。

第 1 章 インピーダンスとウェイク関数

この章では、ビームのインピーダンスを定式化する準備として、ビームのウェイク (航跡場) 関数というのを導出する。この際、縦方向と横方向のウェイク力を関連づける Panofsky-Wenzel theorem[10] が導出される。その後、ビームの受けるインピーダンスとウェイク関数がフーリエ変換で関連づけられる事を示す。

1.1

ビームの感じるウェイク関数

金属パイプで囲まれたチェンバーの内部を走っているビームを考えることにする。この時、荷電粒子の塊（ビーム）からは、電気力線が金属パイプに向かって走っており、金属パイプの表面には鏡像電荷が走っている。金属
パイプが完全導体でできたスムーズな物であれば、鏡像電荷はビームとともにスムーズにチェンバーの表面を流れるので、電磁場はビームの周りに 1/γ 程度の領域にとどまる [5]
今、完全導体の金属パイプの一部に段差があったとする。すると、鏡像電流はその段差に従って向きを変えることになる。この時に電磁波が放出されることになる。この電磁場は、粒子が通過した後も段差の付近にとどまって、やがて時間と共に減衰することになる。
以上は一つの例であるが、このようにビームが加速器の構成要素と相互作用することで放出される電磁場のことをウェイク場 (航跡場) と呼ぶ。（これは、ちょうど船が海を航行している時、船のあとに航跡が残る。この航跡のイメージを、残された電磁場と結びつけて名付けられた）。後でわかるように、このウェイク場とインピーダ
ンスはフーリエ変換で結びつく表裏一体の関係になっている。
このような状況を考えるのに、どのようにしたらよいか、鈴木敏郎氏の講義録 [11] に従って定式化を試みることにする。今、チェンバーの中心を原点にとって、円筒座標系 (r, θ, s) を考えたとする。電荷 q をもった速度 cβの (r0 , 0, s) にあるビームの電荷密度 ρ 及び電流密度 ⃗j はq
δ(r − r0 )δp (θ)δ(s − cβt)r0∞∑
Im cos mθ=δ(r − r0 )δ(s − βct),
m+1
πr0 (1 + δm0 )m=0

ρ=⃗j = cβρ⃗s,

(1.1)
(1.2)

のように書ける。ここで、⃗s は s 方向の単位ベクトル、δp (θ) は 2π の周期をもつ周期的な δ 関数で通常の δ 関
数とは区別される。また、Im は m 番目のモーメントでIm = qr0m ,(1.3)

で定義される。

⃗ :横方向のウェイク力は、横方向に働くローレンツ力 F⃗ + ⃗v × B),⃗
F⃗ = q(E(1.4)

を s で（縦方向に）積分した量で定義される。但し、時間については、ビームに同期して積分をする必要がある
ことから、

F̄⃗ (r, θ, z) =∫ L2

dsF̄⃗ (r, θ, s, t =

−L
2

s+z
),
v

(1.5)

となる。ただし、v = cβ 。L は積分区間で注目している構造物よりも十分長くなくてはいけない。積分した結⃗ は (r, θ, z) のみの関数となる。
果、 F̄
式 (1.5) をベクトルポテンシャルで書き換えることを考える。すると、式 (1.5) はF̄⃗ (r, θ, z) = q

∫ L2
ds(−
−L
2

⃗
∂A
⃗ × A))⃗ −q+ ⃗v × (∇
∂t

∫ L2

∫ L2
−L
2

⃗
ds∇Φ

∫ L2
⃗
⃗
∂A
∂A
⃗
⃗
ds∇Φ
+ ∇(vA
)
−
v
)
−
q
s
∂t
∂s
−L
−L
2
2
∫ L2
∫ L2
⃗
dA
⃗
⃗
=q
ds(∇(vA
)
−
v
)
−
q
ds∇Φ
s
ds
−L
−L
2
2
∫ L2
∫ L2
L
L
⃗
⃗
⃗
⃗
= qv(A(− ) − A( ) +ds∇As ) − q
ds∇Φ,
2
2
−L
−L
2
2
=q

ds(−

(1.6)

と書き換えられる。
今、z = L/2 と z = − L/2 で周期境界条件を課したとすると、第 1 項は消える。
（もし、構造体が周期構造を⃗ (r, θ, z) のうち横方向の成分のみに注目すると、持たない場合、L は ∞ にとればよい。）F̄
F̄⃗⊥ (r, θ, z) = qv∇⊥

∫ L2
−L
2

dsAs − q∇⊥

∫ L2
dsΦ.

(1.7)

−L
2

と纏まる。
一方、縦方向のウェイク力 F̄∥ はF̄∥ = −qと定義できる。

∫ L2
ds
−L
2

∂Φ
−q
∂s

∫ L2
ds
−L
2

∂As
= −q
∂t

∫ L2
ds
−L
2

dΦ q
+
ds
v

∫ L2
ds
−L
2

∂Φ
−q
∂t

∫ L2
ds
−L
2

∂As
,
∂t

(1.8)

同様にして、s = L/2 と s = −L/2 で周期境界条件を課すと、F̄∥ = −qv

∂
∂z

∫ L2
−L
2

dsAs + q

∂
∂z

∫ L2
dsΦ,

(1.9)

−L
2

と計算できる。
式 (1.7) と (1.9) を比較すると、縦方向のウェイク力と横方向のウェイク力は関連づけられて、∇⊥ F̄∥ = −

∂ ⃗¯
F⊥ ,
∂z

(1.10)という表式を得ることができる。この関係式は Panofsky-Wenzel theorem と呼ばれている [10]。
今、As , Φ は共に波動方程式を満たすので、As − Φ/v について波動方程式(∂ 2 /∂t2 − △)(As − Φ/v) = 0 を考える。As − Φ/v は

As −

Φ
∝
v

∫

ω

dωejωt−j cβ s cos mθ(Ãs (ω) −

Φ̃(ω)
),
v

(1.11)の形をもつので、波動方程式は、

[

1 ∂
∂
m2
k2
Φ̃(ω)
(r ) − 2 − 2 ](Ãs (ω) −)=0r ∂r ∂rr
γv(1.12)のように書かれ、r = 0 で well-deﬁned な解は Im (kr/γ) に比例すことが判る。但し、Im (x) は変形ベッセル関数、

k = ω/cβ, γ はローレンツ因子。
今、r の小さいところで展開すると、

Im (

kr
kr
) ∝ ( )mγ
γ(1.13)となり、Ās はΦ̄Ās − =
v

∫ L2

∞
∑
Φ
Im
(As − )ds =Wm (z)rm cos mθ,
L
v
v
−2
m=0

(1.14)のような関数 Wm (z) を導入できる。
式 (1.14) を式 (1.7) と (1.9) に代入すると、縦方向と横方向のウェイク力は、Wm (z) という一つの関数を使って、F̄∥ (r, θ, z) = −qF̄⃗⊥ (r, θ, z) = q

∞
∑

′
Im Wm
(z)rm cos mθ,

m=0
∞
∑

Im Wm (z)mrm−1 (r̂ cos mθ − θ̂ sin mθ),(1.15)(1.16)

m=0のように記述できる (但し、この Im は式 (1.3) のことで変形ベッセル関数ではない。)。ここで、′ は d/dz を示す。
′
Wm (z) は横方向のウェイク関数、Wm(z) は縦方向のウェイク関数と呼ばれる。

1.2

ビームの受けるインピーダンス

電磁波のエネルギー放出はビームのエネルギーの損失に寄因すると考えられるので、もしビームを I0 ejωt−jksので表せる電流だと考えると抵抗を感じることになる。このようなビームのうける抵抗がビームのインピーダン
スとよばれる。
今、バンチされたビームが I(τ ) で与えられたとすると、そのフーリエ変換は、∫I(ω) =dτI(τ )e−jωτ
2π(1.17)

で与えられる。一方、ビームの先頭から z だけ遅れて走る粒子の受ける電圧 V (z) は∫ ∞V (z) =−∞

dsEz (s, t =

s+z
)
v

(1.18)

で与えられる。これのフーリエ変換は∫zdz
V (z)e−jω v ,2πv

V (ω) =

(1.19)となる。これらを使って縦方向のインピーダンスはV (ω) = −ZL I(ω)(1.20)と定義される [7]。
今、ウェイクをたてるビームとして式 (1.1)-(1.2) で与えられるものを考えたとすると、式 (1.15) より、V (z) =−qW0′ (z) これをフーリエ変換して、I(ω) = q/2π で割ると、∫ZL (ω) =zdz ′W (z)e−jω v ,v 0(1.21)

つまり、ウェイクのフーリエ変換がインピーダンスになる。この逆変換から、ウエイク関数はインピーダンスを使って、W0′ (t) =∫ ∞dωZL (ω)ejωt ,−∞ 2π(1.22)と書ける。W0′ (t) は実でなくてはいけないので、ZL∗ (ω) = ZL (−ω) の関係が導ける。
これとは別に横方向のインピーダンスというものもある。これはビームがチェンバーの中心軸から外れていた
場合の効果について表すもので、今、中心軸からビームが r0 だけずれていたとすると、

VT (ω) = jZT (ω) · r0 I(ω)(1.23)

と定義される。同様にして、VT (z) = −I1 W1 (z),
∫
∞
∑
1
1
Im cos mθ
r0 I(ω) =drrdθ
δ(r − r0 ) =I1
r0 cos θ m+12π
2ππr0 (1 + δm0 )
m=0(1.24)(1.25)

を使うと、横方向インピーダンスの表式：∫
ZT (ω) = jzdz
W1 (z)e−jω v ,v(1.26)

が得られる。
これを時間領域にフーリエ変換したものは横方向ウェイク関数とよばれ、横方向インピーダンスを使って、

W1 (t) = −∫ ∞dωjZT (ω)ejωt ,2π−∞(1.27)

で与えられる。W1 (t) は実でなくてはいけないので、−ZT∗ (ω) = ZT (−ω) の関係が導ける。縦方向のインピーダ
ンスとは、関係式が異なるので注意が必要である。

第 2 章 インピーダンスの公式と導出法

この章では典型的なインピーダンスである空間電荷効果のインピーダンスや抵抗性チェンバーのインピーダン
スの公式を導出をする。その後、最近の研究成果の例として、抵抗性インサート (短い抵抗性パイプ) のインピー
ダンスの性質やインピーダンスの数値計算法の進展について紹介する。

2.1

空間電荷効果のインピーダンス

まず、空間電荷効果のインピーダンス

ZL (nω0 )Z0a= −j(1 + 2 log ),
2
n
2βγ
σ

(2.1)

Z0 R 11( 2 − 2 ),
2
2
β γ σ
a

(2.2)

ZT = − jを導出することにする [5, 12]。但し、R はリングの平均半径、Z0 は自由空間のインピーダンスで、√µ0 /ϵ0 =120π(Ω)、2π/ω0 がビームがリングを一周する時間、n は自然数、a はチェンバーの半径、σ はビームの半径である。
まず縦方向のインピーダンスを求める事にする。計算を進める上で、式 (1.1)-(1.2) で与えられるビームに対す
るマクスウェル方程式の一般解が必要になるので、付録 A で導出しておいた。式 (A.12) を使って、半径 σ で電流密度が jz = βc(1 −Θ(r −σ))e− jks /(πσ 2 ) のビームが完全導体のパイプで覆われたチェンバーを通った場合に励起される Ez を求める事にする。チェンバーの表面で Ez = 0 と言う条件を使うとビームの内部 (r ≤ σ) の Ez
は、

Ez =

jcZ0 1
jcZ0
I0 (k̄r) −jkse,
( − σI0 (k̄r)K1 (k̄σ))e−jks −I1 (k̄σ)K0 (k̄a)πγσ 2 k̄πσγI0 (k̄a)for r ≤ σ,

(2.3)

ビームの外部 (r ≥ σ) の Ez は、

Ez =

jcZ0
jcZ0
I0 (k̄r) −jks
I1 (k̄σ)K0 (k̄r))e−jks −I1 (k̄σ)K0 (k̄a)
e
,
πγσ
πσγ
I0 (k̄a)for r ≥ σ,と求めることができる。但し、In (z), Kn (z) は n 次の変形ベッセル関数、k = ω/cβ 、k̄ = k/γ 。

(2.4)

縦方向のインピーダンス ZL はビームの断面積での Ez の平均をビーム電流で割ったものなので、長さが L の完全導体のチェンバーのインピーダンスは

jZ0
ZL = −
βπσ 2 k()
2K0 (k̄a)I12 (k̄σ)
1−− 2I1 (k̄σ)K1 (k̄σ) L,
I0 (k̄a)(2.5)となる。これが、縦方向の空間電荷効果のインピーダンスの非相対論も含めた表式である [13, 14]。
今、周波数 ω = nω0 とし、(但し、L はリングの周長 2πR にとった。)。γ が非常に大きいとして変形ベッセ
ル関数を展開すると、式 (2.1) が再現される。このように虚数単位 j に比例する部分の符号が負であるインピー
ダンスを電気回路理論との類推からキャパシティブなインピーダンスと呼ぶ。
次に横方向のインピーダンスを求める。縦の場合と同様にして電流密度が jz = qβcδ(r − rb ) cos θ e− jks /πrbで与えられるものを考える。この時軸方向の 電場は)(
I1 (k̄r)
jkcZ0 I1 (k̄rb )cos(θ − θb )e−jks
Ez = i1K1 (k̄r) − K1 (k̄a)πrb γ 2I1 (k̄a)()
jkcZ0 I1 (k̄r)
I1 (k̄rb )Ez = i1
K
(
k̄r
)
−
K
(
k̄a)
cos(θ − θb )e−jks
1b1
πrb γ 2I1 (k̄a)for r > rb ,(2.6)

for r < rb ,(2.7)

で与えられる。但し、i1 = qrb 。 Panofsky-Wenzel theorem(式 (1.10)) [5, 10] を使うと、横方向の力を求めることができて、横方向インピーダンスについても

ZT =

RkZ0
jβrb γ 3()
I1 (k̄rb )K1 (k̄rb ) −K1 (k̄a) ,I1 (k̄)a(2.8)という表式がえられる。γ が非常に大きいとして変形ベッセル関数を展開し、rb を零に近づけると、よく知られた式 (2.2) が再現できる。

2.2

縦方向に長い抵抗性チェンバーのインピーダンス

次に、電気伝導率が σc で与えられる材質でできた長さが g のパイプで囲まれたチェンバーを考える。パイプの動径方向の厚み t がスキンデプスに比べて十分大きく、かつパイプの半径 a に比べて、スキンデプスが十分小
さい場合は、よく知られた。

√

2ω 1 + j,
ZL,W = gZ0
cZ0 σc 4πa√Z0 ωσc 1 + j
ZT,W = gc,2c πσc ωa3が得られることが判る。

(2.9)(2.10)

より、一般的な厚み t のパイプのインピーダンスの導出から始めることにする。このパイプの内部 (a < r < a+t)に励起される電磁場は

Ez = e− jks (C1 (k)I0 (ν2 r) + C2 (k)K0 (ν2 r)),Hθ =σ − jkse(C1 (k)I1 (ν2 r) − C2 (k)K1 (ν2 r)).
ν2

(2.11)(2.12)と書ける。パイプの外側 ( a + t < r) では、

Ez = D1 (k)e− jks K0 (k̄r),
Hθ = −
で与えられる。但し、ν2 =jβγ
D1 (k)e−jks K1 (k̄r),
Z0(2.13)(2.14)√
k 2 + jkβZ0 σc 。

式 (A.12)-(A.13) と式 (2.11)-(2.14) の連続条件から、各々の未知数 A(k), C1 (k), C2 (k), D1 (k) は求まる。この方法による電磁場の計算方法は ﬁeld matching 法と呼ばれている [15]。
前節と同様に、重ね合わせの原理を使って半径 σ で電流密度が jz = βc(1 −Θ(r −σ))e− jks /(πσ 2 ) のビーム
がチェンバーを通った場合を考えることにする。それに対する縦方向のインピーダンスを求めた後、空間電荷効
果のインピーダンス式 (2.5) を除くと、厚みが t のパイプの電気伝導率が σc のパイプのインピーダンスが求まる。それは、

ZL = −

jZ0 g k̄
2πβγ()
K0 (k̄a)+ C3 ,I0 (k̄a))(2.15)と表される [16]。但し、

C3 =[σc Z0 K0 (k̄a)I1 (ν2 a) + jβγν2 K1 (k̄a)I0 (ν2 a)]α−σc Z0 K0 (k̄a)K1 (ν2 a) + jβγν2 K1 (k̄a)K0 (ν2 a),[−σc Z0 I0 (k̄a)I1 (ν2 a) + jβγν2 I1 (k̄a)I0 (ν2 a)]α + σc Z0 I0 (k̄a)K1 (ν2 a) + jβγν2 I1 (k̄a)K0 (ν2 a)(2.16)α=σc Z0 K1 (ν2 (a + t))K0 (k̄(a + t)) − jβγν2 K0 (ν2 (a + t))K1 (k̄(a + t)).
σc Z0 I1 (ν2 (a + t))K0 (k̄(a + t)) + jβγν2 I0 (ν2 (a + t))K1 (k̄(a + t))(2.17)

ここで、パイプの厚み t を無限大にもっていったとすると、()
jZ0g k̄ K0 (k̄a) βγν2 K0 (ν2 a)K0′ (k̄a) + jK0 (k̄a)K0′ (ν2 a)Z0 σc
ZL =−,(2.18)2πβγ
I0 (k̄a)βγν2 K0 (ν2 a)I0′ (k̄a) + jI0 (k̄a)K0′ (ν2 a)Z0 σc√
特にスキンデプス δ = 2/µ0 ωσc に比べてチェンバーの半径 a が十分大きいとすると、ベッセル関数を漸近式で近似することで、よく知られた抵抗性チェンバーのインピーダンスの式 (2.9) を再現することができる [5, 12]。
ここインピーダンスの物理的意味は、ビームがチェンバーを走ることで生じた壁電流が受ける抵抗と解釈できる。今、パイプの厚み t が無限大の時、壁電流ははおよそ、スキンデプス δ の部分を流れていると考えてよい。
そうだとすると、壁電流が受ける抵抗は

Zwall =g,
πσc ((a + δ)2 − a2 )(2.19)

とかける。これは、式を変形していくと、式 (2.9) の実部そのものである。
また、式 (2.9) の虚部は、空間電荷のインピーダンスと違ってインダクティブである (虚数単位 j に比例する部分の符号が正)。これは、抵抗性チェンバーの内部に蓄えられる磁場の時間変化の影響だと解釈できる。ビームがチェンバーの軸上を通過すると、パイプの部分 (面積は g × δ で与えられる。 ）には、I0 /2πa の磁場が横切る。
この磁場の時間変化がインピーダンスに寄与するとかんがえると、

δgg
ZM g = jωµ0
= jZ0
2πa
2πa

√

2ω
,
cZ0 σc(2.20)となる。式 (2.21) と式 (2.19) の虚部を比較すると、ファクター２の違いで一致することが判る [7]。
さて、パイプの厚み t を小さくしていくと、スキンデプスの方が、チェンバーの厚みより大きくなり、インピー
ダンスは減衰するようになる。実際、この時のインピーダンスは、√√

e 2jt/δ − e− 2jt/δ√gZ0
ZL = √2jt/δ
+ e− 2jt/δe√2ω 1 + j,
cZ0 σc 4πa(2.21)

で与えられ、厳密式である式 (2.18) をよく近似する [17]。
縦方向のインピーダンスの導出と同様の方法で横方向のインピーダンスも求められる (付録 B 参照)。厚みが tの最も一般的な横方向のインピーダンスの式はZT =jgZ0 k̄ 2 K1 (k̄a)E2 (α2 − 1)4πβγ 2 I1 (k̄a)(2.22)

で与えることができる [18]。但し、E2 、α2 は４つの未知数 α2 , η2 , E2 、G2 に対して以下の連立方程式:()()(ν22 − k̄ 2 )
I1′ (k̄a)K1′ (ν2 a)
I1′ (ν2 a)
I1′ (k̄a)E2 (1 − α2 ) + ν2
− k̄
− k̄
G2 − ν2
G2 η2 = 0,
K1 (ν2 a)
I1 (ν2 a)k̄βaν2I1 (k̄a)
I1 (k̄a))()(
Z0 σc K1′ (ν2 a)
I ′ (k̄a)
Z0 σc I1′ (ν2 a)
I ′ (k̄a)+j
E2 − βν2 1
+j
E2 α2
βν2 1
γ K1 (ν2 a)
γ I1 (ν2 a)
I1 (k̄a)
I1 (k̄a)( ′)(ν22 − k̄ 2 )K1 (k̄a) I1′ (k̄a)+
G2 (1 − η2 ) = −βν2−,ν2 k̄aK1 (k̄a) I1 (k̄a)+(2.23)(2.24)(k̄ 2 − ν22 ) K1 (ν2 (a + t))(k̄ 2 − ν22 ) I1 (ν2 (a + t))
E2 −
E2 α2
k̄ν2 β(a + t) K1 (ν2 a)k̄ν2 β(a + t) I1 (ν2 a)()
K ′ (ν2 (a + t))
K1 (ν2 (a + t)) K1′ (k̄(a + t))+ k̄ 1− ν2
G2
K1 (ν2 a)K1 (ν2 a) K1 (k̄(a + t))( ′)I1 (ν2 (a + t))
I1 (ν2 (a + t)) K1′ (k̄(a + t))
− k̄
− ν2
G2 η2 = 0,I1 (ν2 a)
I1 (ν2 a) K1 (k̄(a + t))()
K ′ (k̄(a + t)) K1 (ν2 (a + t))
Z0 σc K1′ (ν2 (a + t))− ν2 β 1+jE2γK1 (ν2 a)K1 (k̄(a + t)) K1 (ν2 a)()
K1′ (k̄(a + t)) I1 (ν2 (a + t))
Z0 σc I1′ (ν2 (a + t))+ ν2 β+jE2 αγI1 (ν2 a)K1 (k̄(a + t)) I1 (ν2 a)(2.25)(k̄ 2 − ν22 ) K1 (ν2 (a + t))(k̄ 2 − ν22 ) I1 (ν2 (a + t))
G2 −G2 η2 = 0,
ν2 k̄(a + t) K1 (ν2 a)ν2 k̄(a + t) I1 (ν2 a)(2.26)

r

緑

s

緑

図 2.1: 抵抗性 (電気伝導率 σc ) のパイプ (インサート) の部分を緑 (長さ g = 2w) で示した。両端は完全導体 (茶色) で挟まれている。
を解いて求めなくてはいけない。この場合もスキンデプスがチェンバーの半径より十分小さい場合には、式は簡略化され、式 (2.10) を再現することが判る。
横方向の場合も縦方向の時と同じ壁電流による解釈ができて、横方向のインピーダンスはおよそ

ZT =

2βc
ZM g
(Zwall + j),
2
ω(a + δ)2

(2.27)

で近似できる。但し、厚み t が小さくなると状況はかわり、スキンデプスがパイプの厚みを超えたところから、(つまり、低周波側では、) インピーダンスの実部は 1/ω で増加するようになる。これは、縦方向と違って横方向に関しては、スキンデプスがチェンバーの厚み t を超えたところでも、壁電流がパイプの中を流れようとする為である (しかし、インピーダンスは無限大になるわけではなく、周波数 f が十分小さい、具体的には 3c/4πZ0 σc ta
以下になると radiation dominant になり、インピーダンスは零に向かって減衰するようになることが判っている。[13])

2.3

縦方向に短い抵抗性のパイプで囲まれたチェンバー (抵抗性インサート)のインピーダンス

今までは、完全導体のチェンバーのインピーダンス (空間電荷効果のインピーダンス) と抵抗性チェンバーのイ
ンピーダンスを分けて考えてきた。実際、チェンバーの半径 a に比べてチェンバーが十分長い場合には、このよ
うに独立に取り扱って問題ない。
一方で、抵抗性のパイプに相当する部分がチェンバーの半径 a に比べて、短い場合のインピーダンス (図 2.1 参照) の評価が問題になることもある。例えば、２次電子の放出を抑えるために TiN コーティングされたセラミックブレイクのインピーダンスの評価をしようと思ったりすると [19, 20]、短い抵抗性のパイプ (TiN コーテング部) を完全導体で挟んだ場合のインピーダンスを評価しなくてはいけなくなる [13]。この問題は数値的に解こうとしてもあまりうまくいかない。それは、メッシュサイズをスキンデプスに比べて十分細かく取らなくてはならないからである。実際の物質の電気伝導率は 107 /Ωm 程度あるので注目する周波数領域でスキンデプスは極めて小さく、数値計算でこの問題を解くのは実際上不可能である [21]。
実際のインピーダンスの計算は複雑なので、付録 C にまわして結果だけを示すと、この時、縦方向のインピー
ダンスは4Z0 I12 (k̄σ)e−jkz0

Zinsert,L ≅πjβγσ 2 ak̄ 3 I02 (k̄a) Ypole + Ycut −r“”′
jkβZ0 σc +j kβϵZ0k2 β 2 w

,
√
(
)
′
tanh jkβZ0 σc + j kβϵt
Z0(2.28)

横方向インピーダンスはZT,insert ≅ −jZ0 I1 (k̄rb )e−jkz0
),
√
0 σc
′
′
βγrb akI12 (k̄a) − π kjkβZtanh jkβZ0 σc t + Ypole+ Ycut2 β2 w((2.29)√と書かれことが判る。但し、インサートの長さは g で与えられ、z0 は −g/2 < z0 < g/2 を満たす。

Ypole = −

bs
bs
∞
∑
πa(2 − e−j a (z+w) − ej a (z−w) )

wb2s

s=1

Ycut = −1wπ(a + t)(2.30)qζ
j(z−w) k2 β 2 + (a+t)
2qζ
−j(z+w) k2 β 2 + (a+t)
2

∫ ∞
dζ
0

,

−e
2−e
(
)
π√
(2)
(1) j π √ζ22
ζ k β + (a+t)2 H0 (e 2 ζ)H0 (ej 2 ζ)

2(1 − j)≅ √,kβw

(2.31)


b′
b′1,s
b
b1,s
−j 1,s′−j 1,sa (z+w) − ej a (z−w) )a (z+w) − ej a (z−w) )
)(2
−
e
πaJ
(j
πa(2
−
e
1
1,s
′

−
Ypole
=
+
2
2 β 2 a2 wj ′2 J ′′ (j ′ )
wb
k
1,s
1
1,s
1,s
s=1
∞
∑



d′1,0

(2)

−

d′1,0

πH1 (h′1,0 )(2 − e−j a+t (z+w) − ej a+t (z−w) )′′(2)(h′1,0 )()(2)
H1 (h′1,0 )π(2 − e−jkβ(z+w) − ejkβ(z−w) )1+−,′′(2) ′
wk 2 β 2(a + t)h′2(h1,0 ) 2a
1,0 H1k 2 β 2 (a + t)wh′2
1,0 H11′Ycut=−
π(a + t)w0

q
−j(z+w) k2 β 2 +qj(z−w) k2 β 2 +ζdζ(e−j(z+w)kβ + ej(z−w)kβ − e0−1≅ 4 tanζ(a+t)2(a+t)2(2 − e
−e
)
)
(
dζ
√
√
π
π
(1)
(2)
ζ
j
j
ζ k 2 β 2 + (a+t)2 H1 (e 2 ζ)H1 (e 2 ζ)q
ζ−j(z+w) k2 β 2 + (a+t)
2

∫ ∞
+

∫ ∞

(2.32)qζ
j(z−w) k2 β 2 + (a+t)
2

−e

π√
π√
′(1)
′(2)
k 2 β 2 (a + t)πwζ 2 H1 (ej 2 ζ)H1 (ej 2 ζ)

)

√
−j π
4
−2 + 4 1 + 2jkβw sinh−1 √e2kβw+ e−j(z+w)kβ + ej(z−w)kβ
1
√
√
+
,
2jkw
k 2 β 2 (a + t)2 1 + 2jkβw(1)(2.33)

b2s = k 2 β 2 a2 − j0,s = −βs2 , j0,s は J0 (z) の s 番目の零点。 Hm (z) は第一種ハンケル関数。 bs は、j0,s > kβa√√√
2 , b′
2 β 2 a2 − j ′2 d′kk 2 β 2 a2 − h′2に対して、 −jβs で与えられる。b1,s = k 2 β 2 a2 − j1,s==1,s1,s 1,01,0 , jn,s は、

′(2)

′
Jn (z) の s 番目の零点、j1,sは、J1′ (z) の s 番目の零点、h′1,0 = 0.501184 + j0.643545 は H1 (z) の零番目の零点。
√′2′2 − k 2 β 2 a2 で与えられる。
b′1,s は j1,s
> k 2 β 2 a2 の時、−j j1,s

ここで、t = 0 のインピーダンスを特にギャップのインピーダンスと読んで [14]、縦方向に対しては

ZL,gap =4Z0 I12 (k̄σ)e−jks,jβγσ 2 ak̄ 3 I02 (k̄a) (Ypole + Ycut )(2.34)

jZ0 I1 (k̄rb )e−jkz0(),′′βγrb akI12 (k̄a) Ypole+ Ycut(2.35)

横方向に対しては

ZT,gap ≅ −と書く事にする (このインピーダンスの議論を古くは Sacherer がレファレンス [22] でしているが、「変位電流の効果が無視できる」等の誤った前提で議論がされているので注意が必要である。)。
インサートのインピーダンス ZL,insert , ZT,insert の特徴を表 2.1 に纏めた。ここでインピーダンスを特徴づけるパラメータが６つ現れる。一つが厚みに関するパラメータ tmin でtmin = (14g)4 ,π 2 Z03 σc3(2.36)

で与えられる。残りの５つのパラメータは周波数に関するもので、c,πZ0 σc t23c,fL =4πZ0 σc ta√
c2 Z0 σcfD =,2π 2 gfδ =fc =(2.37)(2.38)(2.39)

σc2 Z02 t2 c,
4πg

fr = (

gc3
4π 3 Z02 σc2 a4 t2(2.40)
1)3(2.41)

で与えられる。
一般に (無限の周期構造を持たない) 単体のキャビティのインピーダンスは、diﬀraction theorem を満たさなく√てはならないことが知られている [23]。これは、高周波側において、縦方向インピーダンスは 1/ ω, 横方向イン
3

ピーダンスに関しては 1/ω 2 で減衰しなくてはいけないとうものである。まず、指摘しておきたいのは、今回のインサート (両端を完全導体で挟まれており、これは広い意味の単体の”キャビティ”と見なせる) のインピーダン
スはこの定理を満たしているということである。厚みが tmin 以上の場合は f >> fD の周波数で tmin 以下の場
合には、f >> fc でこの定理に従って減衰するようになる。典型的な形状の場合は、この周波数はおよそ数 THz
程度で、一般的な周波数領域で、t > tmin のインサートを考える限り、インピーダンスは抵抗性インピーダンス

ZL,RW , ZT,RW で十分近似できることが判る。

赤
青
緑

緑
青
赤

図 2.2: 厚みが t << tmin を満たすインサートの場合の横方向インピーダンス。緑と緑の点線はインサートの厚みが 1 nm の時、青と青の点線の場合はインサートの厚みが 100 pm の時、赤と赤の点線の場合はインサートの厚みが 10 pm の時を表している。実線が真値で、点線は仮想的にインピーダンスが βcg/2π 2 f a3 σc t で与えられる (つまり、壁電流がすべてインサートを流れたと仮定した場合のインピーダンス) と考えたものである。但し、チェンバーの半径 a = 5cm, インサートの長さ g = 8 mm, 電気伝導率 σc = 6 × 106 /Ω m とした。
さて、このインサートのインピーダンスの振る舞いとして、特に面白いのは、厚みを薄くしていった時の振る舞いである。スキンデプスが厚みを超えるような周波数領域になっても、壁電流はインサートを流れ続け、典型
的には数 nm になって初めて放射場の影響が優勢になる。これは、インピーダンスの言葉で言えば、低周波がわ
で、スキンデプスを超えると縦方向インピーダンスは一定になり、横方向インピーダンスは 1/ω で増加するようになるということである。特に厚みに対して 1/t の依存性をもつことが重要で、TiN コーテンングはインピーダ
ンスをさげるという観点から数 nm は欲しいということが判る。
インサートのインピーダンスが、壁電流優勢の形になるか放射場優勢の形になるかは、ビームが放出するエネ
ルギーの形をどちらの形にしたら、ビームにとってよりエネルギーを失いにくくなるかという観点からきまる。
図 2.2 にインピーダンスの実部を示したが、インサートの厚みが薄くなっても、壁電流の形でエネルギーをロスした方がビームにとって特な限り (つまり、放射場の形でエネルギーを放出したと仮定した場合に比べて、エネル
ギー損失が小さい限り)、壁電流優勢のインピーダンスになる。インサートの厚みが極めて薄くなって、壁電流の形でエネルギーをロスする方が、放射場として放出するよりも損する様になると、インピーダンスは放射場優勢の形をとるようになる。

2.4

インピーダンスの数値計算法の最近の進展

Ca in=a a0
z1raout =aLrz2

図 2.3: チェンバーの両端が同じ場合の積分路。

加速器の構造物の（材質ではなく、) 形状からくるインピーダンスを評価する場合、形状が簡単な場合は、解析的に評価できるが、例えば、ベローズのようにそれが複雑な構造を持つ場合 ABCI や GdfdL など数値計算コー
ドを使って求める場合も多い [24, 25]。しかし、通常、単体の構造物のインピーダンスを求めるので、ビームは無限遠方から無限遠方に去り、インピーダンスの計算に現れる数値積分の積分路は無限大になる。
図 2.3 のように、もしも、両端のチェンバーの半径が同じで軸対称の構造体が (内側ではなく、) 外側に突き出ているような場合は、積分路として、両端のチェンバーの表面にそって −∞ から ∞ まで積分する積分路を選ぶことができる (ビーム軸上でなぜ積分しなくてよいのかという疑問が出るかもしれない。実は、ビームが相対論的な場合 Stokes の定理を使うことで、積分路をチェンバーの表面に変更できることが証明できる。)。この時は、チェンバーの表面上では、Es = 0 なので、実際上そのインピーダンスは構造体が存在する部分だけの有限積分で評価できる。
しかし、構造体がビーム軸に向かって内側に突き出ているような場合（アイリス、コリメータ等）Es の s 軸方向の積分は、単純には突起部をさけてチェンバーの内側にとらなくてはならない。すると、この積分は無限積分にならざるをえない。これは、実用上は計算時間とメモリーを消費するため現実的ではない。

Napoly は、これを積分路を図 2.3 の C̄ の様に変形することで、インピーダンスの源が両端が同じチェンバーで挟まれているかぎり、この無限積分を有限化にできることを示した [26]。長年、チェンバーの両端が異なる場
合について積分路をどのように有限化するかが課題になっていたが、最近この場合も図 2.4 のような積分路 C̄ を考えれば有限にできることが証明された [27]。この積分方法は、数値計算コード ABCI で実用化されている。

Z の種類

厚み、周波数の条件

ZL

任意
1
3
t
2
4
tmin > 2 π

相対論的ビーム

ZL,insertg
2πaσc t for ℜ[ZL ]f < fδ
fδ < f ≪ fD

ZL,RW

f ≫ fD1

3t
1 < tmin< 22 π4f ≫ fDf ≪ fcg2πaσc t for ℜ[ZL ]f > fc

ZL,gap

任意

ZT
1
3
t
2
4
tmin > 2 π

ZT,insertf ≪ fL

ZT,gapfL < f < fδβcg
2π 2 f a3 σc t for ℜ[ZT ]√jkβZ0 gI1 (k̄rb )√ZT,RW
2γπrb a σc I12 (k̄a)√(1−j)Z0 kg√
8 2βγ 2 aI12 (k̄a)

fδ < f ≪ fDf ≫ fD1

3t
1 < tmin< 22 π4f ≪ fL

ZT,gapfL < f < fD

βcg
2π 2 f a3 σc t for ℜ[ZT ]√(1−j)Z0 kg√
28 2βγ aI12 (k̄a)

f ≫ fDttmin < 1g
πσc ((a+δ)2 −a2 ) for ℜ[ZL ]√(1−j)2Z0 g√
2πaI02 (k̄a) βπkg2πaσc t for ℜ[ZL ]√(1−j)2Z0 g√2
2πaI0 (k̄a) βπkf < fDttmin ≪ 1

非相対論的ビームfr < f ≪ fc

βcg
2π 2 f a3 σc t for ℜ[ZT ](f ≪ fr ) ∪ (fc < f )ZT,gap

表 2.1: インサートの厚み t と周波数条件 f を変えた時の抵抗性インサートのインピーダンス: a はチェンバーの半径, g はインサートの長さ, c は光速, Z0 (= 120π) は自由空間のインピーダンス, σc はインサートの電気√伝導, δ(= c/πZ0 f σc ) はスキンデプス,fδ , fL , fD , fc , fr は周波数に関するパラメータで各々 fδ = c/πZ0 σc t2 ,√fL = 3c/4πZ0 σc ta, fD = c2 Z0 σc /2π 2 g, fc = σc2 Z02 t2 c/4πg, fr = (gc3 /4π 3 Z02 σc2 a4 t2 )1/3 で与えられる。 tmin
はインサートの厚みに関するパラメータで tmin = (4g/π 2 Z03 σc3 )1/4 。

ain
C

aout

a0
z1

z2

図 2.4: チェンバーの両端が異なる場合の積分路。

第 II 部

ビームの不安定性の理論

第 I 部では (加速空洞やチェンバーといった) 環境体がビームに与える影響がインピーダンスで記述できることをしめした。第 II 部では、ビームのインピーダンスを入力にビームの不安定性の議論を始めることにする。この講義では、陽子ビームに話を限定するので、電子ビームのような放射光の効果は考慮しない。従って、基礎になる方程式は Fokker-Planck 方程式ではなく [28]、Vlasov 方程式になる [4]。
そこで、まず、Vlasov 方程式を導出した後 (第 3 章)、この方程式を使って、コースティングビーム及びバンチされたビームのビーム振動の増加率を求めることにする (第 4 章及び第 5 章)。

第 3 章 Vlasov 方程式

この章ではビームの不安定性の理論を定式化する際の基本となる Vlasov 方程式 (式 (3.18)) の導出を行う。それは、厳密には、BBGKY 階層構造 (式 (3.16)-(3.17)) を近似したものであることが明らかにされる。

3.1

BBGKY 階層構造

Vlasov 方程式とは、６次元の位相空間 (µ-空間) で粒子の集団運動について記述した方程式である。これを導出する為、まず N 粒子系のハミルトニアン HN を書く事にする。但し、独立変数は加速器にそった位置 s にとることにする。

HN =

N
N
∑
∑
p⃗2
( i + U (qi )) +Φi,j ,
2
i=1
i<j=1

(3.1)

ここで、Φi,j はクーロン相互作用、U (qi ) はポテンシャルエネルギー。
今 6N 次元 (Γ-空間) での分布関数を DN と書くことにする。これは、∫
d⃗qi d⃗pi DN (⃗qi , p⃗i , s) = 1,

(3.2)

になるように規格化されているものとする。これは、独立変数 s に依らずなりたつから、連続方程式：

∂DN
∂ ⃗′
∂ ⃗′
+
( q DN ) +(p DN ) = 0,∂s∂⃗qi i
∂⃗
pi i

(3.3)

が成り立つ。ここで、′ は s による微分を表す。
これを書き換えると、

∂DN
∂ q⃗′
∂ p⃗′ i
∂DN ⃗′∂DN ⃗′+( i +)DN +qi+
p = 0,
∂s
∂⃗qi
∂⃗
pi
∂⃗qi
∂⃗
pi i

(3.4)

が得られる。ここで、ハミルトン方程式を使うと第２項は零になり、最終的に∂DN+ {DN , HN } = 0,
∂s

(3.5)

と纏まる。これが Liouville 方程式と呼ばれるものである。但し、{, } は Poisson 括弧で{DN , HN } =N∑∂DN ∂HN∂DN ∂HN[−],∂⃗qi ∂⃗pi∂⃗
pi ∂⃗qii=1(3.6)

で定義される。
ここで、縮約された k 体分布関数 fk を

fk =1
(N − k)!

∫
DN d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN ,

(3.7)

で定義する。以後、Lashmor-Davies に従って [29]、この縮約された k 体分布関数 fk に対して BBGKY(Bogoliubov,

Born, Green, Kirkwood, and Yvon[30]) hierarchy という連立方程式の階層構造を導出することにする。結論から言うと、これを１体分布関数だけで表せるように最低次で打ち切ったものが Vlasov 方程式である。
式 (3.5) はハミルトニアンを使うとN
N
N∑∂DN ∑ ∂DN
∂DN ∂U (qi ) ∑ ∂DN
+
p⃗i −
−
∂s
∂⃗qi
∂⃗
pi ∂⃗qi
∂⃗
pi
i=1
i=1
i=1

N
∑
j=1,j̸=i

∂Φi,j
= 0,
∂⃗qi

(3.8)

と書ける。これを ⃗qk+1 , p⃗k+1 , ...⃗qN , p⃗N について積分すると、∂∂s∫
DN d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN +

N ∫
N ∫
∑
∑
∂U (qi ) ∂DN−d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN −∂⃗qi ∂⃗
pi
i=1
i=1

N
∑
i=1

N
∑
j=1,i̸=jp⃗i∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗pN∂⃗qi∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN = 0.
∂⃗qi ∂⃗
pi(3.9)

これから式 (3.9) の各項について纏めていくことにする。まず、式 (3.9) の第２項は、式 (3.7) を使うと
N ∫
∑
i

k ∫
∑
∂DN
∂DN
p⃗i
d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗pN =p⃗id⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN
∂⃗qi
∂⃗qi
i=1
∫
k
N
∑
∑
∂
∂DN
d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗pN =p⃗i
fk (N − k)!.
+
p⃗i
∂⃗qi
∂⃗
qi
i=1

(3.10)i=k+1

ここで、DN は積分の境界面で零になることを使った。
次に式 (3.9) の第 3 項をみると、N ∫∑∂U (qi ) ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗
pi
i=1
∫
∫
k
N
∑
∑
∂U (qi )∂DN∂U (qi ) ∂DN=d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN +d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN
∂⃗
q
∂⃗
p
∂⃗qi ∂⃗
pi
i
i
i=1
i=k+1

=

k
∑
∂U (qi ) ∂fk
i=1

ここでも、DN は積分の境界面で零になることを使った。

∂⃗qi

∂⃗
pi

(N − k)!.

(3.11)

最後に式 (3.9) の第 4 項は、

=

k
∑

N ∫
∑

N
∑

i=1

j=1,i̸=j

k ∫
∑

k
∑

i=1 j=1,j̸=iN∑∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗pi∂Φi,j ∂fk
(N − k)! +∂⃗qi ∂⃗
pi
i=1
+

j=k+1

k
∑

N
∑

∫

j=1 i=k+1∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗pi∫N∑∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗piN∑+∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗
pi

j=k+1,j̸=i i=k+1

=

k
k
∑
∑
i=1 j=1,j̸=ik ∫∑∂Φi,j ∂fk
(N − k)! +∂⃗qi ∂⃗
pii=1

N∑∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN .
∂⃗qi ∂⃗
pi(3.12)

j=k+1となる。ここでも、DN は積分の境界面で零になることを使った。但し、式 (3.12) の第２項はさらに、
k ∫
∑
i=1

=

N
∑
∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗
pi

j=k+1

k ∫
∑

∂Φi,k+1 ∂DN d⃗qk+2 d⃗
pk+2 ...d⃗qN d⃗
pN ]d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...
∂⃗qi ∂⃗
pi
i=1
k ∫
∑
∂Φi,N ∂+[
DN d⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN −1 d⃗pN −1 ]d⃗qN d⃗
pN ,∂⃗qi ∂⃗
pii=1[(3.13)と書き換えられる。ここで、DN が変数の入れ替えに対して対称であることを使うと、式 (3.9) の第 4 項は、さ
らに

=

k
∑

k
∑

i=1 j=1,j̸=i

N ∫
∑

N
∑

i=1

j=1,i̸=jk ∫∑∂Φi,j ∂fk
(N − k)! +∂⃗qi ∂⃗pii=1∂Φi,j ∂DNd⃗qk+1 d⃗
pk+1 ...d⃗qN d⃗
pN∂⃗qi ∂⃗
pid⃗qk+1 d⃗pk+1∂Φi,k+1 ∂fk+1(N − k)!,
∂⃗qi
∂⃗
pi

(3.14)となる。
最終的に式 (3.9) は
k ∫
k
k
k
∑
∂
∂U (qi ) ∂fk ∑ ∑
∂fk ∑
+
p⃗i
fk −
−
∂s
∂⃗qi
∂⃗qi ∂⃗
pi
i=1
i=1
i=1

j=1,j̸=i

と纏まる。

k ∫
∑
∂Φi,j ∂fk
∂Φi,k+1 ∂fk+1=
d⃗qk+1 d⃗
pk+1,∂⃗qi ∂⃗
pi
∂⃗qi
∂⃗
pi
i=1

(3.15)

式 (3.15) を詳しくみると、∫∂f1∂U (q1 ) ∂f1∂∂Φ1,2 ∂f2
+ p⃗1
f1 −
= d⃗q2 d⃗
p2
,
∂s
∂⃗q1
∂⃗q1 ∂⃗
p1∂⃗q1 ∂⃗
p1
∫
∫
∂f2
∂
∂
∂U (q1 ) ∂f2∂U (q2 ) ∂f2+ p⃗1
f2 + p⃗2
f2 −
−
∂s
∂⃗q1
∂⃗q2
∂⃗q1 ∂⃗
p1∂⃗q2 ∂⃗p2∫∂Φ2,1 ∂f2
∂Φ1,3 ∂f3
∂Φ2,3 ∂f3
∂Φ1,2 ∂f2−−
= d⃗q3 d⃗p3 (+),∂⃗q1 ∂⃗
p1∂⃗q2 ∂⃗
p2∂⃗q1 ∂⃗
p1∂⃗q2 ∂⃗
p2(3.16)(3.17)...
のように 縮約された k 体分布関数 fk に対して BBGKY hierarchy と呼ばれる階層構造をもっており、厳密には、無限の方程式を解かなくてはならない。

N 粒子の集団を６次元 (⃗q, p⃗) の位相空間 (µ-空間) の１体分布関数 f (= f1 ) だけで表せるように、最低次で打
ち切ると、

∂f
df
=
+ {f, H} = 0,ds∂s(3.18)となり、これが Vlasov 方程式と呼ばれるものである。但し、ハミルトニアン：H は一体のハミルトニアン：H1
で与えられる。

第 4 章 コースティングビームの不安定性

この章では、Vlasov 方程式 (式 ( 3.18)) を元にコースティングビーム（バンチしていないビーム）の安定性の理論を展開する。それは、ビーム不安定性の波長がバンチ長に比べて短かったり、振動の増大時間がシンクロト
ロン振動数に比べて速い場合は、単バンチビームは、コースティングビームでよく近似できるためである。これによって単バンチビームが安定である十分条件が Keil-Schnell criterion(式 (4.28) 及び (4.82)) によって与えられることが判る [2, 3]。

4.1

縦方向のビーム不安定性

コースティングビームなので、 独立変数として時間 t を取る事にする。ビームの縦方向を記述する正準変数と
して、

θ=

s
, W = 2π
R

∫ E

dE
,
E0 ω

(4.1)

を選ぶ。但し、R はリングの平均半径、s はリングの位置を特定する変数、ω はビームを構成する粒子の回転周
波数、E − E0 = ϵ はビームのエネルギー幅。
ビームの分布関数を g とすると、 Vlasov 方程式は、

∂g ∂g
∂g
+
θ̇ +
Ẇ = 0,
∂t
∂θ
∂W

(4.2)

で与えられる。今、変数を W からエネルギー幅 ϵ に変える事を考える。この時エネルギー幅 ϵ は小さいとして、
周回周波数は一定の ω0 で近似できるとすると、式 (4.2) は

∂g ∂g
∂g
+
ω+
ϵ̇ = 0,
∂t
∂θ
∂ϵ

(4.3)

となる。
今、粒子の分布関数は、非摂動項と摂動項を使って

g = g0 (ϵ) +∑n̸=0g1,n ej(Ωn t−nθ) ,(4.4)

とかけるとする。ここで、g0 (ϵ) は非摂動項なので、エネルギー幅 ϵ のみに依存し、θ, t には依らない。
ここで運動方程式を使うと、縦方向のエネルギー変化は、(単純なエネルギーロスの部分は無視することにすると、) ウェイクを入力に

e2 ω0
ϵ̇ = −
2π

∫ t

′

−∞

dt cβW0′ (t − t′ )

∫ ∞
dϵ
−∞

∑

′

g1,n ej(Ωn t −nθ) ,

(4.5)

n̸=0

と書ける。ここで、W0′ (t) が t < 0 で零であることを使って、積分の上限を t から ∞ に変えると、縦方向イン
ピーダンス ZL を使って

e2 ω02 Rϵ̇ = −
2π

∫ ∞
dϵ
−∞

∑

ZL (Ωn )g1,n ej(Ωn t−nθ) ,

(4.6)

n̸=0

と書き換えられる。ここで、摂動項の位相速度 RΩn /n は粒子の速度 v で近似できるとすると、

ϵ̇ = −eω0 ∑
ZL (nω0 )In ej(Ωt−nθ) ,
2π

(4.7)

n̸=0

となる。但し、In は平均電流で∫ ∞In = eRω0−∞dϵg1,n ,(4.8)

で与えられる。
式 (4.3) に式 (4.4) と式 (4.7) を代入して線形近似すると、各モード n につき、

g1,n = −j0eω0 ZL (nω0 )In ∂g∂ϵ,2π(Ω − nω)(4.9)

が得られる。
ここで、ビームのエネルギーは E = E0 + ϵ と展開できたので、回転周波数についても、

ω(E) = ω0 + k0 ϵ,
¯
dω ¯¯
ω0 η
k0 =
=− 2 ,
dE ¯E=E0
β E0(4.10)(4.11)と展開できる。但し、

p = mcβγ, E0 = mc2 γ,

δCδp= αp ,
Cp(4.12)を使った。但し、αp は momentum compaction factor(付録 D 参照。)。
式 (4.11) を式 (4.9) に代入し、ϵ で積分し、式 (4.8) を使うと、

e2 ω02 ZL (nω0 )1 = −j
R
2π

∫ ∞
dϵ
−∞

∂g0
∂ϵ

(Ω − n(ω0 + k0 ϵ)),(4.13)

これが分散関係式と呼ばれるものである。
簡単の為、例えば非摂動部の分布関数：g0 (ϵ) として、

g0 (ϵ) = lim

Nb∆→0 2πR(2∆)(Θ(ϵ + ∆) −Θ(ϵ−∆)),(4.14)(4.14) のような、エネルギー幅を持たないビームを考えることにする。但し、Nb はビームの粒子数である。すると、ビームの縦方向の分布に関する growth rate τ − 1 は

τ

−1

√
√
neω0 Nb
k0 ZL (nω0 )√ ℑ[(1 + j)],
= −ℑ[Ω] = ∓n2π 2(4.15)と求められる。
インピーダンスに実部があると、k0 の符号によらず必ずビームは不安定になる。（これはチェンバーの抵抗が源なので resistive wall instability と呼ぶこともある。)
次に ZL として純虚数の場合を考えてみる。

ZL = jωZim .

(4.16)

この時、ビームが安定になるか不安定になるかは、k0 の符号（つまりスリッページ因子 η の符号）及び、イン
ピーダンスの形による。第 II 部で記した様に、Zim > 0 をインダクティブ、Zim < 0 の場合をキャパシティブな
インピーダンスと呼ぶ事にすると、η < 0 の時は、キャパシティブなインピーダンスが安定になり、η > 0 の時
はインダクティブなインピーダンスが安定になることが判る。それ以外の時、ビームは不安定になるが、このようなビーム不安定性のことを negative mass instability と読んでいる [31]。(便宜上インピーダンスの形は ωZimとしたが、インピーダンスの符号のみが問題になり、周波数依存性はここまでの議論では問題にならない。）
陳栄浩氏の講義録 [7] にこの不安定性に関する直観的な説明がなされているので、引用することにする。この不安定の特徴は、インピーダンスの虚部が引き起こしている点である。そこで、式 (1.22) を使ってウェイクの言
葉に直すと、

W = Zim δ ′(t),(4.17)となる。（ただし、Zim は一定とし、符号は正の場合のみ考えることにする。）
実際はこれの符号を変えたものがビームにかかる電圧になるので、δ ′ 関数を少しなまして考えることにすると、t が小さい（前方の粒子が) 減速の方向に、（後方の粒子が) 加速の方向に力を受けることになる。（つまり、ビー
ムをつぶす方向にいく。）今、slippage factor が負の状態を考えると、付録 D で説明したように、加速された粒子はより前方に、減速された粒子はより後方にいく。
（今の場合、ビームをつぶす方向にいく。 slippage factor が負の加速器）で、インダクティブなウェイクがビームを不安定にするのはこのためである。

一般的には、インピーダンスには、実部も虚部も存在する。その意味でエネルギー幅（運動量幅）のないビー
ムは、常に不安定性である（運動量幅が狭くなるんことで引き起こされる不安定性を microwave instability と呼ぶ。)。一方で、ビームにエネルギー幅がある時は、ビームは安定になることがある。これが Landau damping[32] と呼ばれるもので、式 (4.13) の積分路を定義することで説明される。次にこれを見ていくことにする。

4.2

縦方向インピーダンスに対する Keil -Schnell criterion

今、運動量の半値全幅 (FWHM) として ∆p を導入すると、回転周期の半値全幅 2S は

2S = −ηω0 (

∆p
),
p

(4.18)

で与えられる。そこで、エネルギー幅 ϵ を規格化して、

x=

k0 ϵ
,
S

(4.19)という x に変数変換することにすると、式 (4.13) は

1 = −sgn(η)(U + jV )

∫ ∞
dx
−∞

∂ g̃0
∂x

(x − x1 ),(4.20)となる。但し、U + jV = j

2Ic ZL (nω0 ),2 E0πn|η|( ∆pp ) e

Nb eω0,2πΩ − nω0x1 =,nS
Sg̃0 (x) = 2πR
g0 (ϵ),
Nb k0
Ic =(4.21)(4.22)(4.23)(4.24)

で、g̃0 (x) は∫ ∞−∞dxg̃0 (x) = 1,

(4.25)と規格化してある。
今、ビームの摂動項は時間とともに増大していくという描像をかんがえたとすると、最初零だった摂動項はeδt (但し、δ > 0) という形を持つはずである。従って、初期値問題を考えると Ω は Ω− j0 で置き換えられるべきである。これは、Ω が実軸上にある時は、積分路はその上側を通らなくてはならないと定義するもので (今、虚数単位として j を使っている。)、Ω が複素数の場合には、解析接続の考え方から、積分路は復素平面上で常に、極の上側を通ると一般化される (図 4.1 参照。)。

x

x

x

図 4.1: ランダウ積分路（j を虚数単位に使った Formalism で slippage factorη < 0 の時）。

図 4.2: 縦方向のビーム不安定性に関する stability diagram。
あとは、これを計算して、ℑ[x1 ] > 0 の場合がビームが安定になると考えてよいが、例えば、ビームのエネル
ギーが k0 > 0 (つまり、η < 0) を満たし、g̃0 (x) が

g̃0 =

3
8σ
(1 − σ 2 x2 ) 2 ,3π(4.26)

で与えられる場合を考えてみる。但し、|x| < 1/σ, σ 2 = 5/6.
特に、ℑ[x1 ] = 0 の場合に、ℜ[x1 ] を −1/σ から 1/σ まで振って、計算結果を U, V 平面で示した結果が、図4.2 である。具体的に計算してみると、ℑ[x1] > 0 の領域は、図 4.2 の線で囲まれる内側にくることが判る。従って、ビームが安定である条件は、|U + jV | = |2Ic ZL (nω0 )| ≤ 0.3,
2 E0πn|η|( ∆pp ) e(4.27)となる。これを単バンチビームの criterion に一般化すると、|

ZL (nω0 )|η|β 2 E0 /e ∆p 2
|≤F ·
(
)
,
n
Ip
p F W HM

(4.28)と書き換えられる。但し、Ip (= Ic /Bf ) はピーク電流、F W HM は Full width half maximum (半値全幅) の意
味である。ここで、F はフォーム因子と呼ばれるもので、ビームの定常分布をどのように仮定するかによる。このような、ビームの stability diagram は様々な分布で調べられており、F は一般的に１くらいと考えてよいこ

とが判っている [33]。インピーダンスに対する条件式 (4.28) が、縦方向のインピーダンスに対する Keil-Schnell

criterion と呼ばれるものである。

4.3

横方向ビーム不安定性

後で判るように、横方向のビームの不安定性を議論するには、シンクロトロン運動といった縦方向の運動の効果も重要である。従って、Vlasov 方程式を考える際にも縦方向を含めた最低４次元の位相空間の議論が不可欠である。今、ビームの縦方向横方向４次元の位相空間の分布関数を Ψ(t, θ, W, x, Px ) と書く事にする。すると、Vlasov
方程式は

∂ψ
∂ψ
∂ψ
∂ψ
∂ψ
+ θ̇
+ Ẇ
+ ẋ
+ Ṗx
= 0,
∂t
∂θ
∂W
∂x
∂Px

(4.29)となる。但し、ここでも独立変数は t にとることにした。
ここで、

x = rx cos ϕ,
Px = −mγνβ ωrx sin ϕ,
θ = Rs = ωt,(4.30)

ϕ = νβ ωt,で表せる極座標を導入する。ここで、νβ は摂動項まで含めたチューンである。
ウェイクの効果を考える為に、半径 σ の円筒ビームが x 方向に ∆ だけ変異した場合の摂動について考えると、その体積密度 ρ(t) はρ(t) =

Nb e∆
cos ϕδ(r − σ)ejΩt−jnθ .
πσ 2 2πR(4.31)

横方向のウェイクは、過去の時間の dipole を拾うので、横方向のウェイクとインピーダンスの関係式 (式 (1.26))
を使うと

Fx =

e
2πR

∫∞
−∞

∫∞
H
dτ ′ cβW1 (t − τ ′ ) 0 rdr dθρ(τ ′ )r cos ϕ,= −ecβjZT (Ω)Nbのように書ける。

e∆ jΩt−jnθe,
4π 2 R2(4.32)

縦方向には一様なビームを考えるので、縦横の運動方程式はjΩt−jnθṖx = Ṗx0 − ecβjZT (Ω) 4πe∆,2 R2 e(4.33)

Ẇ = 0と書ける。

4 次元の位相分布関数 Ψ は、
ψ = ψ0 (W, rx ) + ψ1 (W, rx , φ)ej(Ωt−nθ) ,(4.34)のように非摂動部と摂動部に分けられるとすると、式 (4.29) に代入して、極座標を使うことで、線形近似ができて、∂ψ1ecβjZT (Ω)Nb e∆ ∂ψ0+
sin ϕ = 0,∂ϕ
4π 2 R2 mγνβ ω ∂rxj(Ω − nω)ψ1 (W, rx , φ) + νβ ω

(4.35)と書ける。ψ1 の ϕ 依存性は ejϕ と e−jϕ の重ね合わせで書けるので、式 (4.35) は

ψ1 =ecβZT (Ω)Nb e∆∂ψ0(νβ ω cos ϕ − j(Ω − nω) sin ϕ),222β ω[(Ω − nω) − νβ ω ] ∂rx

j4π 2 R2 mγν

(4.36)と解ける。

ψ1 を使って双極子モーメントをもとめると、∫

ecβZT (Ω)Nb e∆
rx2 cos ϕψ1 drx dϕdW ejΩt−jnθ =2∫

j4πR mγ∂ψ0
rx2 drx dW
ejΩt−jnθ ,∂rx [(Ω − nω)2 − νβ2 ω 2 ](4.37)と書ける。一方、式 (4.31) を使うと、∫e∆ jΩt−jnθe,
2πR(4.38)

rx2 h′ (rx )f (W )drx dW,[(Ω − nω)2 − νβ2 ω 2 ](4.39)

ρ(t)r2 cos ϕdrdϕ = Nbと書けるので、式 (4.37) と式 (4.38) を等値すると、

e2 Nb cβZT (Ω)
1=
j8π 2 R2 mγ∫が得られる。これが、横方向の場合の分散関係式である。但し、ψ0 は

ψ0 =eNb h(rx )f (W ),4π 2 R(4.40)

で与えられ、f (W ), h(rx ) は各々∫ ∞dW f (W ) = 1,

(4.41)

drx rx h(rx ) = 1,

(4.42)−∞∫ ∞0のように規格化されている。
ここで、セクション 4.1 での縦方向のビーム安定性の議論にならって、まず、

h(rx ) =2(1 − Θ(rx − σ)),σ2f (W ) = δ(W ),(4.43)(4.44)のようにエネルギー幅がないビームを考えると、式 (4.39) はΩ = (n ± νβ )ω0 ± j

e2 Nb cβZT ((n ± νβ )ω0 ),8π 2 R2 mγνβ ω0(4.45)と解ける。式 (4.45) から、ℜ[ZT ] がビームの growth に寄与し、Ω = (n −νβ )ω0 が growth するモードであることが判る。
ここで、縦の時と異なるのは、横方向の不安定性を引き起こしているのが、（結合モード不安定性を無視する限り、）インピーダンスの実部のみであるということである。

4.4

横方向インピーダンスに対する Keil -Schnell criterion

縦方向のインピーダンスの時のように Landau damping についての議論を行うことにする。そこで、Hubner
ら [34] に従って、式 (4.39) を書き換えることにする。まず、変数を W から運動量 p に変更し、

f˜(∆p) =2πcf ( 2πc∆p
ωβ )
ωβ

,

(4.46)という関数を定義する。さらに、

111
12 ω 2 ] = 2ν ω [ Ω − (n + ν )ω − Ω − (n − ν )ω ][(Ω − nω)2 − νβ0
β
β
β
≅

1
1
1
[
−
],
2νβ ω0 Ω − (n + νβ )ω Ω − (n − νβ )ω

(4.47)という近似式を使うと、式 (4.39) は

1 = (U + jV )(J+ − J− ),(4.48)と書き換えられる。但し、∫J± =rx2 h′ (rx )f˜(p)drx dp,2(Ω − (n ± νβ )ω)(4.49)

e2 Nb cβZT (Ω).
jνβ ω0 8π 2 R2 mγ(4.50)

U + jV =ここから、積分について調査する都合上 J± を２段階に渡って変形する。まず、ベータトロンチューン νβ と回転周波数 ω からビーム振幅 rx2 依存性、及び、運動量依存性を取り出すために、∂νβ∂νβ+ (p − p0 )
,
2
∂rx
∂p

(4.51)∂ω∂ω+ (p − p0 ) ,∂rx2∂p(4.52)

rx2 h′ (rx )f˜(p)drx dp,±
2 ±(Ω − (n ± νβ0 )ω0 )/Ψ±p − rx Ψa /Ψp − (p − p0 )(4.53)∂νβ∂ω± ω0 2 ,2∂rx∂rx(4.54)

∂νβ
∂ω
± ω0
.
∂p
∂p

(4.55)

νβ = νβ0 + rx2
ω = ω0 + rx2と摂動展開することにする。すると、式 (4.49) は1
J± ≅ ±
Ψp∫と書き換えられる。但し、Ψ±a = (n ± νβ0 )Ψ±p = (n ± νβ0 )さらに、振幅幅と運動量幅に関して、

h(0)
,
2
f˜(p0 )f˜(±δp + p0 ) =,2h(δa ) =(4.56)(4.57)

を満たすような δa , δp を導入する。さらに、積分変数を rx , p から

y=

rx2
,
δa2

(4.58)x=(p − p0 ),δp(4.59)

を満たす y, x に変数変換すると、式 (4.53) は

J± =

1
Ψ±
p δp

∫ ∞

∫ ∞

dx

dy
0

−∞

H ′ (y)y F̃ (x)(Ω−(n±νβ0 )ω0 )Ψ± δ 2− Ψa± δa y − x
δp Ψ±
p
p p

,

(4.60)に変形できる。但し、H(y), F̃ (y) はh(rx (y))δa2,
2(4.61)F̃ (x) ≡ f˜(p(x))δp ,(4.62)

H(y) ≡

で定義され、 これは、

H(0)
,
2
F̃ (0)
F̃ (±1) =,2
H(1) =∫ ∞(4.63)(4.64)

H(y)dy = 1,

(4.65)F̃ (x)dx = 1,

(4.66)

0∫ ∞−∞を満たす。式 (4.60) を使って式 (4.48) を書き換えると、チューンスプレッドや周波数幅に与える効果が、ビー
ムの運動量幅が支配的かビーム内の粒子の振動の振幅の粒子間の違いからくる効果が支配的かによって、

1 = (U + jV )(I+I−− − ),
+
Ψp δp
Ψp δp

(4.67)

（但し、

∫ ∞
I± =

∫ ∞
dy

0

H ′ (y)y F̃ (x)dx ±,
x1 − η ± y − x−∞(4.68)x±1 =(Ω − (n ± νβ0 )ω0 )
,
δp Ψ±
p

(4.69)

η± =

2
Ψ±
a δa
± 2.
Ψp δp

(4.70)

)
もしくは、

I+
I−
− − 2 ),
2
Ψ+
δ
Ψ
a a
a δa

(4.71)H ′ (y)y F̃ (x)dx ′±,
x1 − y − x/η ±−∞(4.72)

1 = (U + jV )(
（但し、

∫ ∞

∫ ∞
I± =

dy
0

x′±
1 =

(Ω − (n ± νβ0 )ω0 ),δa2 Ψ±
a(4.73)) になる。
今、ビームの運動量幅の効果が支配的なビームを考えることにする。(n −νβ0 )ω0 が growth するモードと判っているので、I− の項が支配的と考えると、

1 = −(U ′ + jV ′ )sgn(Ψ−p )I− ,

(4.74)

図 4.3: 横方向のビーム不安定性に関する stability diagramのダイアグラムを考えれるだけで十分である。但し、

U

U′ =

,
|Ψ−
p |δp

(4.75)

V′ =

V
.
|Ψ−
p |δp

(4.76)

ベータトロン振幅による広がりが零の場合を考えると、∫ ∞F̃ (x).
x − x−
1(4.77)x2
3
F̃ (x) = √ (1 − ),2
4 2

(4.78)

I− =

dx
−∞

F̃ (x) として、で与えられるビームの場合を考えると、stability diagram は図 4.3 のようになり、|U ′ + jV ′ | = |eIc ZT (Ω)2π| < 0.6,
ω0 η(−(n − νβ0 ) β 2 p0 − ω0 νβ0 pξ0 )δp νβ0 ω03 2Rmγ

(4.79)

がビームが安定である条件だと判る。ここで、ξ は

ξ=

1 dνβ
,
νβ dδ

(4.80)

で定義されるクロマティシティと呼ばれる量で４極電磁石の収束力がエネルギーによって異なることから生ずる
ベータトロン振動数の幅の事である。(補足：クロマティシティの定義には、ξ = dνβ /dδ の様に νβ を押し込める
場合もあるので注意が必要である。)
式 (4.79) を書き換えると、|ZT ((n − νβ0 )ω0 )| < 1.2π

mc2 γ
νβ0 2δp|(n − νβ0 )η + νβ0 ξβ 2 |,e
Ic R p0(4.81)

がインピーダンスに対する条件式となる。
一般に横方向インピーダンスに対する Keil-Schnell criterion は、相対論的なビームに対して、フォーム因子 Fを使って|Zx,y ((n − νβ0x,y )ω0 )| < 4E0 νβ0x,y ∆p()F W HM · F Sx,y ,e Ip R p(4.82)

で与えられることが知られている [22]。但し、K. Y. Ng[35] にならって、Sx,y = |(n −νβ0x,y )η + νβ0x,y ξx,y | と置いた。この時 (dp/p) 依存性を見ると、横方向に対しては 1 乗で効いており、式 (4.28) とは異なることを指摘しておくことにする。

第 5 章 マルチバンチビームの不安定性

この章では、リングの中でマルチバンチしたビームの振動の増加率の定式化を行う。セクション 5.1 では鈴木敏郎氏、陳栄浩氏、佐藤康太郎氏の論文 [36] に従って、縦方向の公式 (式 (5.52)) を導き、セクション 5.2 では鈴
木敏郎氏、陳栄浩氏の講義録 [6, 7] に従って、横方向の Sacherer の公式 (式 (5.131))[22, 37] を導くことにする。

5.1

縦方向のビーム不安定性

Vlasov 方程式を用いてバンチ列の増加率を求める式を求めることにする。M 個のバケツの内の n 番目のバンチの位相空間での分布を Ψn (s, τ, δ) と書く事にする。Vlasov 方程式は

∂Ψn
∂Ψn
∂Ψn
+ τ′
+ δ′
= 0,
∂s
∂τ
∂δ

(5.1)

となる。但し、独立変数はリング上の位置 s にとり、′は、s での微分を表す。単粒子の運動方程式は

τ′ = −
δ′ =

η
δ,
βc

(5.2)

2
βcνs0
eV (s, τ )τ−,ηR22πRβ 2 E0(5.3)と書ける。ここで、V は縦方向のウェイクによる電圧。
ここで、縦と横の座標 (τ, δ, y, py ) をτ = rs cos φs ,
δ=

(5.4)

βcνs0
rs sin φs ,
ηR

(5.5)

を使って、極座標 (rs , φs ) に変換する。式 (5.1) で与えられる Vlasove 方程式は

∂Ψnνs0 ∂ΨneV (s, τ ) ∂Ψn
+
−
= 0,
∂s
R ∂φs
2πRβ 2 E0 ∂δ

(5.6)に変更される。ビームの平衡分布は、rs のみに依存する。
次に小さい摂動を考える。分布関数 Ψn は、
2πµn

Ψn = g0 (rs ) + g1 (rs , φs )ejν( R − M )−j M ,
s

2πn

(5.7)

と書ける。ここで µ は結合バンチモードで、0 から M − 1 まで動く。
式 (5.7) を式 (5.6) に代入して、摂動に対して線形化すると、(jνg1 + νs0∂g1 jν( s − 2πn ) −j 2πµndg0eηRV (s, τ )M)e R M e−sin φs= 0,3∂φs2πβ cE0 νs0
drs

(5.8)

が得られる。
一方、V を定式化しておく必要がある。 位置 s で観測される n 番目のバンチによって引き起こされるビーム
電流は、

∫∞

2πµn
s
jν( R
− 2πn
M ) −j M

e

ee

2πµn

dδg1 (rs , φs ) = eejν( R − M ) e−j M ρ(τ ),
s

2πn

(5.9)

−∞

と書ける。
縦方向の電圧 V は、現在よりも前に周回したビームが引きおこしたすべてのウェイクを足し上げたものなので、

∫∞
V =e

dτ ′ ρ(τ ′ )

M
−1
∑

∞
∑

2πn′

ejν( R − M −2πk)−js

νβ0 ξω0 τ ′
η

e−j

µ2πn′
M

n′ =0 k=−∞−∞×W0′ ((τ ′ − τ )βc + kC0 +(n′ − n)C0),
M

(5.10)と書く事ができる。
式 (1.22) を式 (5.10) に 代入して、 Poisson の和公式 [5]：∞∑ejkx = 2π∞∑

δ(x − 2πp),(5.11)

p=−∞

k=−∞

を使うと,

e
V =
2π

∫∞

′

dτ ρ(τ )

2πνn

M
−1
∑

∫∞
∞
∑

2πn′

′

dωZL (ω)ejν( R − M −2πk)+jω(τ −τ +kT0 +sn′ =0 k=−∞−∞−∞eejν R −j M
=
T0
s

′

M
−1
∑

∞
∑

−jω0 (ν+p)τ j

ZL (ω0 (ν + p))ee2πp(n′ −n)M−j 2πµn
M

′

∫∞

e

n′ =0 p=−∞(n′ −n)T0
)
M

e−j

µ2πn′
M

′

dτ ′ ρ(τ ′ )ej(νω0 +pω0 )τ ,(5.12)−∞

が得られる。

ρ(τ ) のフーリエ変換:ρ̃(ω) を∫ ∞ρ̃(ω) =dτρ(τ )ejωτ ,2π−∞(5.13)

で定義することにすると、式 (5.12) は

2πeejν R −j M
T0
s

V =

2πνn

M
−1
∑

∞
∑

n′ =0 p=−∞

ZL (ω0 (ν + p))e−jω0 (ν+p)τ ej

2πp(n′ −n)
M

e−j

2πµn′
M

ρ̃(νω0 + pω0 ),(5.14)

と書き換えられる。
式 (5.14) を式 (5.8) に代入すると、∂g1
dg0 j 2πµne2 η−sin φse M
2∂φs2πβ E0 νs0drs

jνg1 + νs0
×

M
−1
∑

∞
∑

ZL (ω0 (ν + p))e−jω0 (ν+p)rs cos φs ej

2πp(n′ −n)
M

e−j

2πµn′
M

ρ̃(νω0 + pω0 ) = 0,(5.15)

n′ =0 p=−∞が得られる。但し、式 (5.4) を使った。
ここで、

λ=

ν
,
νs0

(5.16)とおき、両辺に ejλφs を掛けて、φs についてループ積分を行う。g1 (rs , φs ) は φs に対して周期的なので、

g1 (rs , φs ) =M −1 ∞
2πp(n′ −n)2πµn′e2 η dg0 (rs ) j 2πµn ∑ ∑MMe
ZL (ω0 (ν + p))ej
e−j M ρ̃(νω0 + pω0 )22
β E0 νs0 drs
′
p=−∞
n =0

e−jλφs× j2πλ
e
−1

φ∫
s +2π

′
dφ′s jλφ′sesin φ′s e−jω0 (ν+p)rs cos φs ,2π(5.17)φsが得られる。

e−jx cos φ =∞∑j −m Jm (x)ejmφ ,(5.18)2m
Jm (z),
z(5.19)

m=−∞

Jm−1 (z) + Jm+1 (z) =を使うと、積分が実行できて、

g1 (rs , φs ) = −M −1 ∞
1 dg0 j 2πµn ∑ ∑ ZL (ω0 (ν + p)) j 2πp(n′ −n) −j 2πµn′
je2 η
M
M
M
e
e
e
ρ̃(νω0 + pω0 )2 r dr2πβ 2 E0 νs0
ω
(ν
+
p)
s
s
0
′
p=−∞
n =0

∞
∑

m
(−j)m Jm (ω0 (ν + p)rs )e−jmφs ,
m
−
λ
m=−∞

(5.20)Rm (rs )e−jmφs ,(5.21)×となる。

g1 (rs , φs ) は φs に関して周期的なので、
g1 (rs , φs ) =∞∑−∞と展開できる。ここで、m をシンクロトロンモードと呼ぶ。式（5.13）を使うと、ρ̃((p + ν)ω0 ) は∫ρ̃((p + ν)ω0 ) =dτ j(p+ν)ω0 τ
e
2π

∫ ∞
−∞

dδg1 (rs , φs ),(5.22)

と計算でき、式（5.4), (5.5) と（5.21）を使うと、

ρ̃((p + ν)ω0 ) =∫∞βcνs0 ∑
dφs drs rs −jmφs +j(p+ν)ω0 rs cos φseRm (rs )ηR m=−∞2π∫ ∞∞βcνs0 ∑
drs′ rs′ Jn ((p + ν)ω0 rs′ )Rn (rs′ ),=(−j)−nηR n=−∞
0(5.23)となる。式 (5.21) と (5.23) を式 (5.20) に代入すると、∞∑(m − λ)je2 cdg0ZL (ω0 (ν + µ + M p))
Rm (rs ) = −Mm
2πβE0 νs0 R rs drs p=−∞ ω0 (ν + µ + M p)
∫ ∞∞∑×Jm (ω0 (ν + µ + M p)rs )(−j)m(−j)−ndrs′ rs′ Jn (ω0 (ν + µ + M p)rs′ )Rn (rs′ ).

(5.24)

0n=−∞が得られる。これを (縦方向の)Sacherer の積分方程式と呼ぶ。
式 (5.24) は、

m+λm−λR−m (r) =Rm (r),
m
m(5.25)の関係を満たすので、Rm に関数形は m の正負に関して、ファクター分のぞいて同じと考えてよい。そこで、

Rm (r) を
Rm (rs ) = W (rs )∞∑(m) (|m|)ak fk(rs ),(5.26)

k=0|m|)のように展開する。但し、fk(r) は直交関数系で、重み関数 W (r) を使って、
∫ ∞
0

|m|)

W (r)fk

|m|)

(r)fl

(r)rdr = δk,l ,(5.27)

を満たす。ここで、さらに重み関数 W (r) がW (rs ) = C

1 dg0 (rs ),rs drs(5.28)

で与えられるものとする。但し、C は規格化定数である。
式 (5.24) に式 (5.26) を代入して直交関係を使うと、∞ ∑∞∑je2 cMm − λ (m)mh (n)
ah = −
Mnl
al ,m
2πβE0 νs0 RC n=−∞(5.29)

l=0

但し、
∞
∑
ZL (ω0 (ν + M p + µ))(−j)m−n Imh (ω0 (ν + M p + µ))Inl (ω0 (ν + M p + µ)),ω0 (ν + M p + µ)
p=−∞
∫ ∞
(|n|)
Inl (ω0 (ν + p)) =drs rs W (rs )fl (rs )Jn (ω0 (ν + p)rs ).
mh
Mnl
=

0

(5.30)(5.31)

ここで、g0 (r) として、
2

r
Nb ηR
− 2σs2τ ,e
2πβcνs0 στ2

g0 (rs ) =(5.32)の Gaussian beam を考える。すると、重み関数 W (r) は
r2− 2σs2W (rs ) = C ′ e,(5.33)Nb ηR.
2πβcνs0 στ4(5.34)

τ

但し、

C ′ = −C
この重み関数を使うと、式 (5.27) の直交関係は

C ′ στ2∫ ∞e−x fk

(|m|)

0

|(m)|

(x)fl

(x)dx = δk,l ,(5.35)と書き換えられる。但し、

x=

r2
.
2στ2

(5.36)(|m|)

式 (5.24) から、Rm (r) は r の小さいところで rm に比例することが判るので、fk
(|m|)

fk

|m|

(|m|)

(x) = x 2 gk(x),(x) として(5.37)

とおくことにする。すると、式 (5.34) はC ′ στ2∫ ∞0

e−x x|m| gk

(|m|)

(|m|)

(x)gl

(x)dx = δk,l ,(|m|)と書き換えられる。これは、一般化された Laguerre 多項式 {Lk∫ ∞0

e−x x|m| Lk

(|m|)

(|m|)

(x)Ll

(x)dx =

(5.38)} と同じ直交関係：(|m| + l)!
δk,l ,
l!

(5.39)

を満たすので、√(|m|)
gk (x) =

l!
(|m|)
L
(x),
(|m| + l)!C ′ στ2 k(5.40)

が得られる。ここで、C ′στ = 1 を満たすように C を決めると、

C=−

2πβcνs0 στ2,
Nb ηR(5.41)

となり、

√
r
(|m|)
fk
(r) = ( √

2στ

|m|

)

2
l!
(|m|) rLk ( 2 ),(|m| + l)!
2στ(5.42)

が得られる。
ここで、式（5.30）の行列の成分を計算することにする。まず、n が正の場合について考える。この時、Inl は∫ ∞
Inl (ω0 (ν + p)) =drs rsl!
(n + l)!

τ

στ2

0

√
=

√

r2

− 2σs2

e

∫ ∞
0

rs n
(√
)
2στ

2
l!
(n) r
Ll ( s2 )Jn (ω0 (ν + p)rs )(n + l)!
2στ

√
√
n
(n)
dxe−x x 2 Ll (x)Jn ( 2στ ω0 (ν + p) x),(5.43)と書ける。一般化された Laguerre 関数の Rodrigues の表示：(n)

Ll (x) =ex x−n dl −x n+l
e x ,l! dxl(5.44)と Bessel 関数の表示:∞√
ζ n x 2 ∑ (−1)h ζ 2h xh,
Jn (ζ x) =2n
4h h!(n + h)!
n(5.45)h=0

を式 (5.43) に代入すると、Inl (ω0 (ν + p)) =

∞
∑
h=0

但し、ζ =√(−1)h ζ 2h+n
2h+n
2l!h!(n + h)!

√l!
(n + l)!

∫ ∞

dxxh

0

dl −x n+l
e x ,
dxl

(5.46)

2στ ω0 (ν + p)。

∫ ∞
0

dxxh

dl −x n+l
e x ,
dxl

(5.47)が h < l の時零であることに注意して、部分積分すると、

1
στ ω0 (ν + p) n+2l − στ2 ω02 (ν+p)2
2√
Inl (ω0 (ν + p)) = √
(
)
e
,
2
(n + l)!l!

(5.48)

が得られる。
式 (5.43) から n < 0 に対しては、

I−nl (ω0 (ν + p)) = (−1)n Inl (ω0 (ν + p)),(5.49)の関係式から求まる。
これで行列の成分が求まったので、モードが結合していない場合について式 (5.29) を使って考える。n = m, l = hの場合を考えて、式 (5.16) と（5.41）を使うと

ν = mνs0 −∞jme2 M Nb η ∑ ZL (ω0 (ν + M p + µ)) 2
Imh (ω0 (ν + M p + µ)),4π 2 β 2 E0 νs0 στ2 p=−∞ ω0 (ν + M p + µ)(5.50)

図 5.1: 各々の m に対する hm (ω)
これに、式 (5.48) を代入すると

νm,h=0 = mνs0 −∞∑je2 M Nb η
ZL (ω0 (ν + M p + µ))1στ2 ω02 (ν + M p + µ)2 m −στ2 ω02 (ν+M p+µ)2() e,
4π 2 β 2 E0 νs0 στ2 p=−∞ ω0 (ν + M p + µ) (m − 1)!
2(5.51)−1
はとなり、モード結合を無視した場合の growth rate τm

−1
τm
=

∞
∑
eIc η
ℜ[ZL (ω ′ )]hm (ω ′ ),222πβ E0 νs0 στ p=−∞ω′(5.52)となる。但し、hm (ω ′ ) =σ 2 ω ′2 m −στ2 ω′2
1
( τ
) e
,
(m − 1)!
2

ω ′ = ω0 (mνs0 + M p + µ),(5.53)(5.54)

m は自然数。µ = 0...M − 1。
ここで、関数 hm (ω) の形を自然数 m に対して図のしたものが、図 5.1 である。高次のモードほど高い周波数

図 5.2: 関数 ZL /ω （実線）と ZL hm (ω)/ω （点線）。
でピークを持ち、高次のモードほど (m − 1)! で小さくなる。そこで、式 (5.52) を書き換えると、ℜ[ZL (ω0 (mνs0 + µ))]eIc η[
hm (ω0 (mνs0 + µ))222πβ E0 νs0 στω0 (mνs0 + µ)∞∑ℜ[ZL (ω0 (M p + mνs0 + µ))]hm (ω0 (M p + mνs0 + µ))ω0 (M p + mνs0 + µ)p=1∞∑ℜ[ZL (ω0 (M p − mνs0 − µ))]hm (ω0 (M p − mνs0 − µ)),−ω0 (M p − mνs0 − µ)
p=1

−1
τm
=

(5.55)となる。但し、インピーダンスの性質 ℜ[ZL (−ω)] = ℜ[ZL (ω)](第 I 部参照) を使った。
今、η < 0 の場合を考えたとすると、ℜ[ZL (ω)] は常に正なので、第１、２項はビームを減衰させる方向に働き、第３項はビームを励起させる方向に働く。最終的にビームが励起されるか、減衰されるかは、インピーダン
スの形によるが、例えば、抵抗性インピーダンスについて m = 1 の場合の例をしるすと、図 5.2 になる。実線がZL /ω, 点線が ZL hm=1 (ω)/ω を記したものである。ZL は√

ω に比例するので、ZL /ω は ω −1/2 に比例して減衰する。ZL hm (ω)/ω はピークをもつが、m が大きくなるほどピークは下がっていく。この ZL hm (ω)/ω でどの部分に周回周波数 f0 の M p（整数）倍が来るかが重要である。図 5.3 に一つの例を示した。この場合、ビームは励起させられることが判る。
電子ビームの場合は質量が軽いためにその速度はほぼ光速と考えてよいが、陽子の加速器の場合、加速中にその速度が刻々変わっていく。それは、周回周波数が変わっていくことを意味するので、各時間ごとに growth rateがどのようになるか注意しなくてはいけない。式 (5.55) をみると判るように、ビームが十分光速であれば、 (η の符号がかわる場合もあるが、) エネルギー分の１で下がっていく傾向がある。ただ、実際にビームが growth しにくくなるかということについては、もうすこし考察が必要で、それは、このマルチバンチの growth rate の評価

μ
μ

Damp
Excite

図 5.3: 関数 ZL hm (ω)/ω （点線）と f0 pM 及び f0 (pM ± mνs0 ± µ) との関係の一例。
式にはシンクロトロン周波数のスプレッド ∆ωs の効果が入っていないからである。付録 D.1 を見ると判るように
シンクロトロン振動は非線形振動を行う。そのためバンチ内の粒子ごとにシンクロトロン振動は異なるが、コー
スティングビームの考察から判るように、これはビームを減衰させる効果がある。シンクロトロン振動は

√

−η に

比例するので、加速による slippage factor η の変化にも注意が必要である。A.Hofmann[38](実は Sacherer[39])によると、

τ −1 ≤

∆ωs
π∆fs
=
,
4
2

(5.56)

がビームが安定である条件になる。これを A.Hofmann の stability condition と呼ぶ。

5.2

横方向のビーム不安定性

縦の場合と同様に Vlasov 方程式を用いてバンチ列の増加率を求める式を求めることにする。M 個のバケツの内の n 番目のバンチの位相空間での分布を Ψn (s, y, py , τ, δ) と書く事にする。Vlasov 方程式は

∂Ψn
∂Ψn
∂Ψn
∂Ψn
∂Ψn
+ y′
+ p′y
+ τ′
+ δ′
= 0,
∂s
∂y
∂py
∂τ
∂δ

(5.57)

となる。但し、独立変数はリング上の位置 s にとり、′は、s での微分を表す。単粒子の運動方程式は

y ′= py ,(5.58)Fy
νβ0 (1 + ξδ) 2
) y+
,
R
2πRE0
η
τ ′ = − δ,βcp′y = −(

δ′ =(5.59)(5.60)

2
βcνs0
τ,
ηR2

(5.61)と書ける。ここで、 ξ はクロマティシティ、 Fy は横方向のウェイクの力、 νβ0 と νs0 は各々非摂動のベータト
ロンとシンクロトロンチューンを表す。
ここで、縦と横の座標 (τ, δ, y, py ) を

y = ry cos φy ,py = −(5.62)

νβ0 (1 + ξδ)ry sin φy ,R

(5.63)

τ = rs cos φs ,
δ=

(5.64)

βcνs0
rs sin φs ,ηR

(5.65)を使って、極座標 (rs , φs , ry , φy ) に変換する。式 (5.57) で与えられる Vlasove 方程式は

∂Ψnνβ0 (1 + ξδ) ∂ΨnFy ∂Ψnνs0 ∂Ψn
+
+
+
= 0,
∂s
R
∂φy
2πRE0 ∂py
R ∂φs

(5.66)に変更される。
次に小さい摂動を考えるが、その準備として、ベータトロン振動数の積分 (ヘッドテイル位相因子 φβ (s)) を考えておく事にする。ベータトロン振動数の中には、クロマティシティからくる広がりがあるので、φβ (s) は∫
φβ (s) =ds
ω0 νβ0 (1 + ξδ),βc(5.67)と書ける。式 (5.60) を使うと、∫
φβ (s) =dsω0 νβ0 (

1
ξ dτ
s
ξ
−
) = ω0 νβ0 (− τ ),βc η dsβc η(5.68)

が得られる。これがヘッドテイル位相因子と呼ばれるものである。
これと、横方向のマルチバンチ因子 (付録 E 参照) を考慮すると、分布関数 Ψn は、

Ψn = f0 (ry )g0 (rs ) + f1 (ry , φy )g1 (rs , φs )ejν ( R − M )−js

2πnνβ0 ξω0 τ−j 2πµnηMと書ける。但し、ビームの平衡分布 f0 (ry )g0 (rs ) は、ry と rs のみに依存する。

,(5.69)

式 (5.69) を式 (5.66) に代入して、摂動に対して線形化すると、(
jνf1 g1 + νβ0∂f1∂g1
g1 + νs0 f1
∂φy
∂φs

)

νβ0 ξω0 τηejν ( R − M )−j
s

2πn

2πµn

e−j M −

Fy R
df0
sin φyg0 = 0,2πE0 νβ0dry(5.70)

が得られる。
一方、Fy を定式化しておく必要がある。 位置 s で観測される n 番目のバンチによって引き起こされる双極電流は、

eDejν ( R − M )−js

2πnνβ0 ξω0 τ
η

2πµn

e−j M

∫ ∞
−∞

dδg1 (rs , φs ) = eDejν ( R − M )−j2πnsνβ0 ξω0 τη

2πµne−j M ρ(τ ).

(5.71)

ここで、D は双極子モーメントで、

∫∫
D≡ ∫∫

yf1 dydpy,
f0 dydpy(5.72)

で定義される。
横方向の力 Fy は、現在よりも前に周回したビームが引きおこしたすべてのウェイクを足し上げたものなので、Fy = e2 D∫ ∞dτ ′ ρ(τ ′ )

−∞

M
−1
∑

∞
∑

jν

e

“

s
2πn′
R − M −2πk”νξω τ ′′−j β0 η 0
−j µ2πnMen′ =0 k=−∞()(n′ − n)C0′
×W1 (τ − τ )βc + kC0 +,M(5.73)と書く事ができる。式 (1.27) を式 (5.73) 代入して、 Poisson の和公式 (5.11) を使うと,

Fy =

×

∫ ∞

dτ ′ ρ(τ ′ )

M
−1
∑

∞
∑

−∞
n′ =0 k=−∞”“′′ −n)T ”
ν
ξω
τ
′
(n
′
0
β0
′
s
0
jν R
− 2πn
+jω τ −τ +kT0 +−j 2πµnM −2πk −j
η
M

∫ ∞
−∞

−je2 D
2π

dωZT (ω)e−je2 Dejν R −j M
=
T0
s

2πνn

“

M
−1
∑

e

∞
∑

ZT (ω0 (ν + p))e−jω0 (ν+p)τ ej

n′ =0 p=−∞×∫ ∞2πp(n′ −n)Mdτ ′ ρ(τ ′ )ej(νω0 +pω0 −

M

e−j

2πµn′
M

νβ0 ξω0)τ ′η

,(5.74)−∞

が得られる。ρ̃(ω) のフーリエ変換式 (5.13) を使うと、式 (5.74) は−j2πe2 Dejν R −j M
T0
s

Fy =
×

M
−1
∑

∞
∑

n′ =0 p=−∞と書き換えられる。

ZT (ω0 (ν + p))e−jω0 (ν+p)τ ej

2πp(n′ −n)
M

e−j

2πµn′
M

ρ̃(νω0 + pω0 −2πνnνβ0 ξω0),η

(5.75)

式 (5.75) を式 (5.70) に代入すると、

je2 Dcβ∂f1∂g1
df0
g1 + νs0 f1+
sin φyg0∂φy∂φs
2πE0 νβ0dry∞∑
νβ0 ξω0×
ZT (ω0 ν + ω0 p)e−j(ω0 ν+ω0 p− η )τjνf1 g1 + νβ0

p=−∞

×

M
−1
∑

e−j

2πµ(n′ −n)Mej

2πp(n′ −n)Mρ̃(νω0 + pω0 −n′ =0

νβ0 ξω0) = 0,
η(5.76)

が得られる。式 (5.76) の厳密解は、ejφy の成分と e−jφy の成分の重ね合わせで書ける。しかし、ここでは、ウェイクによる周波数のシフトはシンクロトロンチューンやベータトロンチューンに比べて小さいと考えて [5]、解の形として

f1 (ry , φy ) = −D

df0 (ry ) −jφye,dry

(5.77)

を仮定することにする。これを式 (5.76) に代入すると、,−jνg1 + jνβ0 g1 − νs0
×

∞
∑

∂g1
e2 cβ
−
g0
∂φs
4πE0 νβ0

ZT (ω0 ν + ω0 p)e−j(ω0 ν+ω0 p−

νβ0 ξω0
)τ
η

p=−∞

×

M
−1
∑

e−j

2πµ(n′ −n)Mej

2πp(n′ −n)Mρ̃(νω0 + pω0 −n′ =0

νβ0 ξω0) = 0,
η(5.78)

が得られる。
次に g1 を

g1 (rs , φs ) =∞∑gm (rs )e−jmφs ,(5.79)

m=−∞と展開することにする。ここで、m がヘッドテイルモードである。
式 (5.79) を式 (5.78) に代入して、ejmφs を掛け、φm について 0 から 2π まで積分すると、(ν − νβ0 − mνs0 )gm (rs ) = j
×∞∑ZT (ω0 ν + ω0 p)Jm ((ω0 ν + ω0 p −

p=−∞

×

M
−1
∑

e−j

n′ =0

e2 cβ(−j)mg0
4πE0 νβ0

2πµ(n′ −n)Mej

2πp(n′ −n)Mνβ0 ξω0)rs )η

ρ̃(νω0 + pω0 −νβ0 ξω0),η

(5.80)となる。ここで、∫ 2π0e−jqrs cos φs +jmφs dφs = 2π(−j)m Jm (qrs ),(5.81)

を使った。
ビームの摂動項から発生する縦方向線密度 ρ(τ ) は、∫ ∞ρ(τ ) =−∞

g1 (rs , φs )dδ,(5.82)

で定義される。式 (5.82) と (5.79) を (5.13) に代入して、 式 (5.81) を使うと

∫ ∞∞
νβ0 ξω0νβ0 ξω0νs0 ω0 ∑−n
drs gn (rs )Jn ((νω0 + pω0 −ρ̃(νω0 + pω0 −)=(−j))rs )rs ,ηη n=−∞
η
0(5.83)

が得られる。
さらに、式 (5.83) を式 (5.80) に代入すると、−j(ν − νβ0 − mνs0 )gm (rs )=∞∑e2 cβνs0 ω0 M
g0
4πE0 νβ0 η
p=−∞

∞
∑

∫ ∞

l=−∞

0

drs′ rs′ gl (rs′ )(−j)m−l Jm (ω0 (ν + µ + M p −

νβ0 ξ
)rs )
η

×ZT (ω0 (ν + µ + M p))Jl (ω0 (ν + µ + M p −νβ0 ξ ′)rs ),
η(5.84)

が得られる。これを (横方向の) Sacherer の積分方程式と呼ぶ。最終的に ν には、バンチの依存性がなくなっていることが判る。

5.2.1

Air bag モデル

実際に式 (5.84) の解を求めるためには、 g0 (rs ) の形を仮定する必要がある。無矛盾に求めることができる一つの例としてg0 (rs ) =Nb ηRδ(rs − τ̂ ),2πβcνs0 τ̂

(5.85)

が知られている。これを Air bag モデルと呼ぶ。この場合、 式 (5.84) の解は

gm (rs ) = am δ(rs −τ̂ ),(5.86)の形で与えられる。式 (5.86) を式 (5.84) に代入して、ν を νβ0 + mνs0 で置き換えると、(ν − νβ0 − mνs0 )am =

∞
∑
l=−∞

×

∞
∑

j

Ic R
(−j)m−l al4πνβ0 E0 /e

ZT ((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 )Jm (((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 −νβ0 ξω0)τ̂ )η

×Jl (((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 −νβ0 ξω0)τ̂ ),
ηp=−∞(5.87)

が得られる。固有モードはdet((ν −νβ0 )I − A) = 0,(5.88)を解く事で得られる。ここで、I は単位行列、 A は

Aml = mνs0 δml + j
∞
∑

×

Ic R
(−j)m−l4πνβ0 E0 /e

ZT ((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 )Jm (((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 −νβ0 ξω0)τ̂ )η

×Jl (((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 −νβ0 ξω0)τ̂ ),
ηp=−∞(5.89)

で与えられる。
もし、互いのモード間の相互作用が無視できたとすると、式 (5.87) はより簡単化されて、

ν − νβ0 − mνs0 ) ≅ j
×

∞
∑

Ic R
(−j)m−l4πνβ0 E0 /e2(((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 −ZT ((νβ0 + mνs0 + pM + µ)ω0 )Jmp=−∞νβ0 ξω0)τ̂ ),
η(5.90)となる。これの虚部にビームの周回周波数 ω0 を掛けたものがビームの増加率である。

5.2.2

Sacherer の方法

Air bag モデルは、よく使われる模型であるが、Sacherer 自身はこの模型は非物理的であるとして、別の公式(式 (5.131)) を導いた。この公式は今日でもよく用いられ [40, 41, 42, 43]、KEK-PS のビームの growth rate をよく再現することが報告されている [40]。このセクションでそれを導出する事にする。
まず、モード結合を無視して、式 (5.84) で l = m の項だけ取る事にする。すると、式 (5.84) は−j(ν − νβ0 − mνs0 )gm (rs )
=

∞ ∫ ∞
∑
νβ0 ξ
e2 cβνs0 ω0 M
drs′ rs′ gm (rs′ )Jm (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −g0 (rs ))rs )4πE0 νβ0 ηηp=−∞ 0×ZT (ω0 (ν + µ + M p))Jm (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −(m)のように簡単化される。gm (r) は、関数 fkνβ0 ξ ′)rs ),
η(5.91)(r) で

gm (r) = W (r)

∞
∑
k=0

(m) (m)

ak fk

(r),

(5.92)

のように直交展開できるとする (ここで k が radial mode と呼ばれるものである。)。但し、W (r) は重み関数で、
(m)

fk

(r) は
∫ ∞

(m)

W (r)fk

0

(m)

(r)fl

(r)rdr = δkl ,(5.93)

を満たす。さらに、分布関数 g0 (r) と重み関数 W (r) は比例してW (r) = Cg0 (r),(5.94)となると仮定する。
ここで、式 (5.92) の展開が無矛盾であることを示すために、式 (5.91) に戻って、ν 及び、gm に radial modeの添字をつけることにする。すると式（5.91）は−j(νm,l − νβ0 − mνs0 )gm,l (rs )
=

∞ ∫ ∞
∑

e2 cβνs0 ω0 M
W (rs )
4πE0 νβ0 Cη
p=−∞drs′ rs′ gm,l (rs′ )Jm (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −

νβ0 ξ
)rs )
η

×ZT (ω0 (ν + µ + M p))Jm (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −νβ0 ξ ′)rs ),
η

0(5.95)となる。式 (5.95) に drs rs gm,l′(rs )/W (rs ) を掛けて積分した場合と、式 (5.95) の添字を l から l′に換えて、drsrs gm,l (rs )/W (rs ) を掛けて積分した場合の差をとることにすると、∫ ∞gm,l (rs )gm,l′ (rs )rs drs(νm,l − νm,l′ )= 0.
W (rs )0(m)つまり、radial mode l, l′が異なれば、fk∫ ∞0(5.96)(r) は直交する。よって、

gm,l (rs )gm,l′ (rs )rs drs= Nm δl,l′ ,W (rs )

(5.97)と書く事にする。もし、gm,l (r) を(m)

gm,l (r) = W (r)fl(r),(5.98)

で定義すると、Nm = 1 で式 (5.93) を満たす。
さて、ヘッドテイルモード m, radial model を持ったビームの実空間での粒子密度関数 ρm,l (τ ) は∫ ∞ρm,l (τ ) =gm,l (r)e−jmφ dδ,(5.99)−∞と書けて、変形すると、∫ ∞ρm,l (τ ) =∫=−∞gm,l (r)e−jmφ δ(τ − r cos φ)dδdτ

gm,l (r)e−jmφ βcνs0 −jk(τ −r cos φ)erdrdφdk2π
ηRgm,l (r)ω0 νs0 m
j Jm (kr)e−jkτ rdrdk,
η∫=(5.100)となり、粒子密度関数 ρm,l (τ ) のフーリエ変換 ρ̃m,l (k) は∫ ∞ρ̃m,l (k) =gm,l (r)0ω0 νs0 m
j Jm (kr)rdr,
η(5.101)で与えられることが判る。もし、gm,l (r) が実数の時は、ρ̃∗m,l (k) = (−1)m ρ̃m,l (k) の関係が成り立つ。この仮定は後で確認できる (式 (5.130) 参照)。
式 (5.95) を ρ̃m,l (k) を使って書き換えると−j(ν − νβ0 − mνs0 )gm,l (rs )
=

∞
∑

νβ0 ξ
e2 cβMW (rs )Jm (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −)rs )4πE0 νβ0 j m C
ηp=−∞
×ZT (ω0 (ν + µ + M p))ρ̃m,l (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −

νβ0 ξ
)).
η

(5.102)

これに、gm,l′(rs )/W (rs )rs drs を書けて積分すると、−j(ν − νβ0 − mνs0 )δl,l′∞∑
e2 cβM ηνβ0 ξ))ρ̃∗m,l′ (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −4πE0 νβ0 Cω0 νs0 p=−∞
η=×ZT (ω0 (ν + µ + M p))ρ̃m,l (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −

νβ0 ξ
)).
η

(5.103)以上より、モード (m, l) の固有振動数は、

νm,l = νβ0 + mνs0+

je2 cβM η∑∞

p=−∞ ZT (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p))|ρ̃m,l (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p −

νβ0 ξ
2
η ))|

4πE0 νβ0 Cω0 νs0,(5.104)で与えられることが判る。
今、Cm,l という定数を∫ ∞Cm,l =−∞dτ |ρm,l (τ )| = 2π
2

∫ ∞
−∞

dω|ρ̃m,l (ω)|2 ,(5.105)で定義する。この ω 積分を和で近似して、式 (5.104) を書き換えると

νm,l = νβ0 + mνs0 +∑∞×

je2 cβηCm,l8π 2 E0 νβ0 Cω02 νs0

νβ0 ξ′p=−∞ ZT (ω0 (ν + µ + M p))hm,l (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p − η ))
,
∑∞
νβ0 ξ
′
p=−∞ hm,l (ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p − η ))(5.106)

但し、

h′m,l (ω) = |ρ̃m,l (ω)|2 .

(5.107)

p=1
m=0

p=2

0.937
0.410

p=5

0.26
0.038

0.000370.000140.000460.00098
0.132

0.0609p=80.000100.00380.0505m=5

p=70.00066

0.183

0.000029p=60.00060.0086

0.023

m=3
m=4

p=4

0.012

m=1
m=2

p=3

0.000220.000029

0.094

0.000222 2

表 5.1: l = 1 の時、8µml Jm (πρ)/(µ2ml − π 4p )2 を (m, p) の行列と思って書いたもの。p − 1 = m の成分が支配的。
以後、C, Cml を具体的に求めることにする。さて、平衡分布 g0 (r) と重み関数 W (r) として、

g0 (r) =

ηRNb
W (r)
=
,
πβcνs0 τ̂ 2
Cfor r < τ̂ ,(5.108)for r < τ̂ ,(5.109)を考える。すると、直交関数は√(m)fk (r) =µr
2 Jm ( mkτ̂ ),W τ̂ Jm+1 (µmk )である。但し、µmk は Jm (x) の k 番目の零点。
すると、位相空間での分布関数 gm,l (r) はr√
Jm ( µmlτ̂ )2W (r),
τ̂ Jm+1 (µml )√µ r
2CηRNb Jm ( mlτ̂ )=(1 − Θ(r − τ̂ )),πβcνs0 τ̂ 2 τ̂ Jm+1 (µml )gm,l (r) =(5.110)と選べる。式 (5.97) から

∫ τ̂
Nm =
0

µ

r

J 2 ( m,l )2 2 m2 τ̂
rdr = 1,τ̂ Jm+1 (µml )(5.111)となっていることが確認できる。
式 (5.110) を式 (5.100) に代入すると、

√

∫ τ̂
∫ ∞
µml r
ω0 j m
2CRNb νs0−jkτ
drJm (dke)Jm (kr)r2πβcη τ̂ Jm+1 (µml ) −∞
τ̂
0
√
∫ ∞
Jm (kτ̂ )2CRNb νs0mdk(((−1)m + 1) cos kτ + ((−1)m − 1)j sin kτ ) 2=
ω0 µml j
.
2 2
πβcη
µ
0
ml − k τ̂ρm,l (τ ) =(5.112)さて、τ = ±τ̂ で ρm,l (±τ̂ ) = 0 とならねばならぬことから、ρm,l (τ ) は、

ρm,l (τ ) =

∑

∑
πp
πp
τ+
Ep sinτ,2τ̂2τ̂
p=2,4,6,...

Dp cosp=1,3,5,...

(5.113)とも書けるはずである。式 (5.112) と式 (5.113) を等値すると、√m
2CRNb νs0
ω0 µml (−1) 2
πβcη

2
Dp =
τ̂

∫ ∞
0

Jm (kτ̂ )dk 2µml − k 2 τ̂ 2∫ τ̂dτ cos kτ cos
−τ̂

πpτ
,
2τ̂

for m = 0, 2, 4,
√
2
Ep =
τ̂

m−1
2CRNb νs0
ω0 µml (−1) 2
πβcη

∫ ∞
0

Jm (kτ̂ )dk 2µml − k 2 τ̂ 2∫ τ̂dτ sin kτ sin−τ̂(5.114)πpτ,
2τ̂for m = 1, 3, 5,(5.115)

となる。

∫ τ̂

p+1

cos kτ cos
−τ̂
∫ τ̂

πpτ
(−1) 2 pπdτ =cos kτ̂ , for odd p,22τ̂τ̂ (k 2 − ( πp2τ̂ ) )

(5.116)p(−1) 2 pππpτdτ =sin kτ̂ , for even p,
sin kτ sin
2 − ( πp )2 )
2τ̂
τ̂
(k
−τ̂
2τ̂

(5.117)を式 (5.114) と (5.115) に代入し、Jm (−x) = (−1)m Jm (x) を使うと [44]、√pπω0 µml
Dp = −
τ̂ 4

∫ ∞
p+1
m
Jm (kτ̂ )ejkτ̂
2CRNb νs0dk(−1) 2 (−1) 2 ℜ[
],
µ2
πp 2
πβcη
2
−∞
(k 2 − ml) )2 )(k − (τ̂2τ̂for m = 0, 2, 4...,√pπω0 µml
Ep = −
τ̂ 4(5.118)∫ ∞p
m−1
2CRNb νs0
Jm (kτ̂ )ejkτ̂22(−1) ℑ[
dk
],
(−1)
µ2
πp 2
πβcη
2
−∞
(k 2 − ml) )2 )(k − (τ̂2τ̂for m = 1, 3, 5...,(5.119)と纏まるが、これは k = ±πp/2τ̂ に極があるので、留数積分で求まる。最終的に√√2µml Jm ( πpm 2
ω0 πCRNb νs0
2 )Dp =(−1) 2, for even m,
2)
τ̂
βcη
(µ2ml − ( πp)2√√2µml Jm ( πpm−1 2ω0 πCRNb νs0
2 )Ep =(−1) 2πp 2 , for odd m,2τ̂βcη
(µml − ( 2 ) )(5.120)(5.121)となる (文献 [6] のように式 (5.112) で引数 k を単純に pπ/2τ̂ に置き換えても正確な値は導出できない。)。
従って、

ρm,l (τ ) =∑p

Amlp bp (τ ),(5.122) cos πpτbp (τ ) =2τ̂

p = 1, 3, 5...
, sin πpτ(5.123)

p = 2, 4, 6...
√
 (−1) m2
ω0 πCRNb νs0m
Alp =Pm,p,lτ̂βcη (−1) m−12√
2 2µml Jm ( πp2 )Pm,p,l =,π 2 p22(µml − 4 )2τ̂for m = 0, 2, 4...
,(5.124)for m = 1, 3, 5...
(5.125)

但し、m = 0, 2, 4, ... の時は、p は 1, 3, 5... を動き、m = 1, 3, 5, ... の時は、p は 2, 4, 6... を動くと約束する。
ここで、最低時の radial mode として l = 1 に注目する。この時の m と p について
2 π(m+1)
8µ2m1 Jm
( 2 )
2

2

(µ2m,1 − π (m+1))2
4,(5.126)を (m, p) の行列として表したものが、表 5.1 である。これをみると、l = 1 に関する限り、m + 1 = p の項が支配的だと判る。つまり、ρm,l (τ ) が sin π(m + 1)τ /2τ̂ か cos π(m + 1)τ /2τ̂ で近似できると判る。そこで、

Pm,p=m+1,l=1 =√2 2µm,1 Jm ( π(m+1))
222(µ2m,1 − π (m+1))
4≅

16(3 + 2m)
1
√
∼√
,
2
(5 + 4m)π m + 1
m+1(5.127)を使って、Am
l=1,p=m+1 = 1 となるように C を決めると、

C=ηβc(m + 1)τ̂ 2,
ω02 νs0 πRNb

(5.128)と決まる。
このようにして、ρm (τ ) が

ρm,l=1 (τ ) = (−1) m2 cos π(m+1)τ
2τ̂

m = 0, 2, 4...

 (−1) m−12
sin π(m+1)τ

m = 1, 3, 5...

2τ̂,

(5.129)となり、文献 [22] と三角関数の前の因子を除いて一致することが判る。これから、ヘッドテイルモード m は縦方向のノードの数と一致することが判る。図 5.4 に CERN PS Booster で観測されたバンチの横方向振動を示しておいた [22]。
式 (5.129) を式 (5.105) に代入すると Cm,l = τ̂ が得られる。式 (5.128) を式 (5.110) に代入すると、√
r2(m + 1)|η|Jm ( µmlτ̂ )gm,l (r) =(1 − Θ(r − τ̂ )),πω0 νs0 τ̂ Jm+1 (µml )(5.130)となり、gm,l (r) は実数であることも確認できる。
この Cm,l と 式 (5.128) で求まった C を式 (5.106) に代入すると、式 (5.106) は、
−1
τm
≅−

∞
∑
cβIc
′
ℜ[ZT (ωp′ )]Fm
(ωp′ − ωξ ),4πνβ0 (m + 1)E0 /e p=−∞(5.131)

図 5.4: CERN PS Booster で観測されたバンチの横方向振動 [22]。
と書き換えられる。但し、
′
Fm
(ω) =

Bf′

h′m (ω),′′p=−∞ hm (ωp − ωξ )(5.132)

νβ0 ξ
eM Nb
, Ic =,
ηT0(5.133)

M τL cβ,2πR(5.134)∑∞

ωp′ = ω0 (νβ0 + mνs0 + µ + M p), ωξ = ω0Bf′ =とおく事にした。式 (5.13) に式 (5.129) を代入すると、ρ̃(ω) が求まり、h′m (ω) はh′m (ω) =τL2[1 + (−1)m cos(ωτL )](m + 1)2 ωτL 2,
42π[( π ) − (m + 1)2 ]2(5.135)が得られる。式 (5.131) の事を Sacherer の公式と呼ぶ [22, 37]。

Bf′ はバンチ長と RF 波長の比なので、一般的なバンチング因子 Bf (平均電流とピーク電流の比) とは異なる。
例えば、ビームの縦方向の定常分布がλ(τ ) =τ ]3Nb [1 − ( )2 , for −τ̂ < τ < τ̂ ,4
τ̂(5.136)のような放物型で与えられる時、二つのバンチング因子 Bf , Bf′

Bf =

2 ′
B ,
3 f

で関連づけられる。本講義では、Bf′ ∼ Bf と近似することにする。

(5.137)′
図 5.5: m = 0 から m = 5 までの関数 Fm(χ)。
′
ここで、横軸を χ = ωτL として関数 Fm(χ) を書いたものが、図 5.5 である。縦の場合の hm (式 (5.53) 参照)と同様に、高次の m ほどピークが高周波側にくる。また、growth rate は 1/(m + 1) だけ抑えられるようになる。
縦の時と同様にインピーダンスとして抵抗性チェンバーを考えると、（抵抗性チェンバーの横方向インピーダンスは ω − 1/2 に比例するので、基本的に、ZL /ω と同じ形になる。)m = 0 のモードが一番励起されることが判る。
縦の場合と大きく異なるのは、F ′(ω) の引数にクロマテシティωξ の効果が入る点である。クロマテシティξ は′(ω) は補正しない場合負であることが一般的なので、もし slippage factor η が負の時は ωξ は正になり、関数 Fm

周波数軸に沿って正側にずれるようになる。従って、m = 0 のモードは励起されにくくなる。しかし、F1′ (ω ′−ωξ ) が右側にずれるので、代わりに m = 1 のモードは励起され易くなる。インピーダンスの周波数依存性を考慮して、どのモードがどれだけ励起されるかクロマテシティを関数に検討する必要がある。
最後に growth rate を抑える要素であるが、ベータトロン周波数に広がりがあればよい。それには、非線形な
ベータトロン振動や空間電荷効果が考えられる。仮に今、空間電荷効果が支配的なビームを考えたとすると、その広がり ∆ω は、∆ω ≅5rp Nb ω0,32πβ 2 γ 3 ϵBf(5.138)∆ω,
4(5.139)となり、ビームが安定化される条件はおよそ−1
τm≤と考えてよい (式 (5.139) に表れる因子 4 は、縦方向の条件 A.Hofmann の stablity condition 式 (5.56) にならった。もっと精緻な値が実験的に求める方が望ましい。)。但し、rp は陽子の古典半径、ϵ はエミッタンス、Nb はバンチ当たりの粒子数である。

第 III 部

J-PARC (Rapid Cycling Synchrotron(RCS) 及び (Main Ring) MR) の代表的なインピーダンス源とビームの不安定性

第 III 部では、今まで導出してきたインピーダンスの公式や Keil-Schnell criterion(式 (4.28) 及び (4.82))、マ
ルチバンチビームの growth rate の評価式 (式 (5.52) 及び (5.131)) が 具体的なマシーンにどのように適応されるか、J-PARC の場合を例に具体的にをみていくことにする。

第 6 章 J-PARC のインピーダンスの評価例

この章では J-PARC の場合、インピーダンスが各加速器要素でどのように評価できるかを陳栄浩氏の論文 [45]に従ってに具体的に評価してみることにする。
表 6.1 と表 6.4 に 計算に必要になる J-PARC の Rapid Cycling Synchrotron (RCS) と Main Ring(MR) の基
本パラメータを記した [1]。
ここで注意すべきは陽子加速器の場合エネルギーを運動エネルギー T で言うというところである。例えば、

J-PARC の RCS は 3GeV シンクロトロンであるが、この３ GeV とは運動エネルギー T で、例えばローレンツ
因子 γ を求める時には静止エネルギー m0 c2 = 0.938 GeV を使って、

γ=

T + m0 c2
,
m0 c2

(6.1)

としなくてはいけない。

6.1

空間電荷効果のインピーダンス

半径 a の完全導体のチェンバーに半径 σ のビームがある時の空間電荷効果のインピーダンスは、(

Z0
σ
ZL (nω0 ))SC = −j
(1 + 2 log ),
2
n
2βγ
a
(ZT )SC = −j

Z0 R 11( 2 − 2 ),
2
2
β γ σ
a

(6.2)
(6.3)

で与えられる (セクション 2.1 参照)。但し、ω0 (= 2πf0 ) は回転角周波数、n は自然数 (式 (4.28) で与えられた縦方向の Keil-Schnell criterion との比較との関係でこのような形で書かれることが多い。)

RCS の空間電荷効果のインピーダンス:
RCS では、２極磁石と４極磁石で口径が違うが、平均すると、おおむね a = 0.12 m。ビームサイズ σ を評価す
るのに、平均の β 関数 < β >≅ R/ν = 9.2 m と un-normalized emittance ϵ (補足; この emittance:ϵ を使った。

運動エネルギー T (GeV)

0.181

0.4

3

Lorentz γ

1.193

1.42634.1974

β0.54530.71306

0.97121

周長 2πR (m)348.333

回転周波数 f0 (MHz)

0.47

0.614

harmonic number h

0.837

2

slippage factor η-0.69

tune νx /νy-0.4791-0.0476.45(6.68)/6.45(6.27)

bunching factor Bf

0.315

0.315

0.179

particle per bunch Nb

2.49 × 1013

4.15 × 1013

4.15 × 1013

平均電流 Ic (A)

3.74

8.15

11.1

ピーク電流 Ip = Ic /Bf (A)

12

26

62

∆p/p (%)

±0.85

±0.85

±0.38

(∆p/p)F W HM (%)

1.2

1.2

0.53

バンチ長 τz (全長)(m)

74

75

40

√
στ (= τz /2 5cβ)(µs)

0.10

0.078

0.03

synchrotron tune νs

0.00880.006

0.0005

表 6.1: RCS の典型的なパラメータ
運動エネルギー T (GeV)

0.181

0.4

3

( ZnL )SC

−j717

−j384

−j48

( ZnL )T i

0.23(1+j)√n

0.27(1+j)√n

0.31(1+j)√n( ZnL )ceramic−T iN

0.0036n + j4.1

0.012n + j6.5

0.037n + j9.9

( ZnL )Cu−slitj0.0006

j0.0008j0.001( ZnL )coll

j0.12

j0.157

j0.214( ZnL )taper

j0.48

j0.62

j0.86

( ZnL )EM S−RW

0.064(1+j)√
n0.073(1+j)√
n0.085(1+j)√
n( ZnL )8−kickers( ZnL )th

図 7.1

2755

1805

表 6.2: RCS の典型的な縦方向インピーダンス (ZL (Ω))

79

運動エネルギー T (GeV)

0.181

0.4

3

(ZT )SC−j21k−j8.5k−j2.5k(ZT )T i

3.3(sgn(ω)+j)√n

2.9(sgn(ω)+j)√n

2.5(sgn(ω)+j)√n(ZT )ceramic−T iN

0.06n + j58

0.13n + j70

0.29n + j78(ZT )Cu−slitj0.007(ZT )coll

j1.7(ZT )taper

j5.6
0.791(sgn(ω)+j)√n

0.904(sgn(ω)+j)√n(ZT )EM S−RW

0.678(sgn(ω)+j)
√
n

図 7.3

(ZT )8−kickers(ZT )th (with νβ0 = 6.45, F Sx,y = 1)

521

287

157

表 6.3: RCS の典型的な横方向インピーダンス (ZT (kΩ/m))
運動エネルギー T (GeV)

350

Lorentz γ

4.197454.28943

β0.971210.9998周長 2πR (m)回転周波数 f0 (MHz)

1567.50.1857

harmonic number hslippage factor ηtune νx /νy0.19129-0.058-0.00222.37(22.33)/22.28

bunching factor Bf

0.298

0.058

particle per bunch Nb

4.15 × 1013

4.15 × 1013

平均電流 Ic (A)

9.87

10.2

ピーク電流 Ip = Ic /Bf (A)

33

176

∆p/p (%)

±0.63

±0.25

(∆p/p)F W HM (%)

0.89

0.35

バンチ長 τz (全長)(m)

73

16

√
στ (= τz /2 5cβ)(µs)

0.055

0.012

synchrotron tune νs

0.00250.0001

表 6.4: MR の典型的なパラメータ運動エネルギー T (GeV)

350( ZnL )SC

−j31

−j0.3

( ZnL )SU S

2.97(1+j)√n

3(1+j)√
n( ZnL )3−injectionkickers

図 7.8 の左図 [46]( ZnL )5−F Xkickers

測定予定 [47]( ZnL )5−cavities

図 7.6 の左図 [48]( ZnL )th

516

8.8

表 6.5: MR の主要な縦方向インピーダンス (ZL (Ω))

運動エネルギー T (GeV)

350(ZT )SC−j7.6k−j0.46k(ZT )SU S a

397(sgn(ω)+j)√n391(sgn(ω)+j)√n(ZT )3−injectionkickers

図 7.8 の右図 [49](ZT )5−F Xkickers

測定予定 [47](ZT )5−cavities

図 7.6 の右図 [48](ZT )th (with νβ0 = 22.37, F Sx,y = 1)

380

370

表 6.6: MR の主要な横方向インピーダンス (ZT (kΩ/m))a この表 6.6 から SUS-resistive wall impedance が直ちに横の Keil-Schnell criterion を破っていると早計しないで欲しい。第 7 章セクション 7.2 の議論を確認して下さい。

別の emittance に βγϵ があって、normalized emittance と呼ぶ。) が入射部で 216πmmrad、出射部で 54πmmrad
を使うことにすると、入射部で σ = 0.0452 m, 出射部で σ = 0.022 m。これを式 (6.2)-(6.3) に代入すると、

− j717Ω @0.181 GeVZL (nω0 ),()SC =− j384Ω @0.4 GeV

n




 − j48Ω @3 GeV− j21M Ω/m@0.181 GeV(ZT )SC =.
− j8.5M Ω/m @0.4 GeV





 − j2.5M Ω/m @3 GeV

(6.4)

(6.5)

MR の空間電荷効果のインピーダンス:
MR では a ≅ 0.062 m。平均の β 関数 < β >≅ R/ν = 11.34 m とビームのエミッタンスが入射部で 54πmmrad、出射部で 6.1π mmrad を使うことにすると、入射部で σ = 0.025 m, 出射部で σ = 0.0083 m。これを式 (6.2)-(6.3)に代入すると、 − j31Ω(

ZL (nω0 )
)SC =

n


− j0.3Ω
 − j7.6M Ω/m(ZT )SC =6.2@3 GeV
,

(6.6)

.

(6.7)

@50 GeV@3 GeV − j0.46M Ω/m @50 GeV

抵抗性チェンバーのインピーダンス（Resistive Wall impedance）

抵抗性チェンバーのインピーダンス（resistive wall impedance）は(ZL (nω0 )1+j δ)RW = Z0 β
∆f ,
n
2 a
Z0 (sgn(ω) + j) Rδ
√(ZT )RW =
∆f ,
a3
n

(6.8)
(6.9)

で与えられる (セクション 2.2 参照)。但し、∆f はリング一周に対するチェンバーの占める割合。δ はスキンデプ
スで

√
δ=

2
.
ωµ0 σc(6.10)RCS にある Ti-チェンバーのインピーダンス:
RCS では、 Ti-チェンバーの部分がリングの半分 ∆f = 0.5 を占めている。これは、電気伝導率 σT i =1.8 × 106 /Ωm を持っているので、抵抗性チェンバーのインピーダンス（resistive wall impedance）を持つ。
a ≅ 0.12 m として、式 (6.8)-(6.9) を使うと、

0.23(1+j)√Ω @0.181 GeV


n


ZL (nω0 )0.27(1+j),()T i =√Ω @0.4 GeV
n

n




 0.31(1+j)√Ω @3 GeVn
3.3(sgn(ω)+j)√kΩ/m @0.181 GeV


n


2.9(sgn(ω)+j)(ZT )T i =.
√kΩ/m @0.4 GeV
n





 2.5(sgn(ω)+j)√kΩ/m @3 GeVn(6.11)(6.12)

MR にある Stainless Steel (SUS-) チェンバーのインピーダンス:
MR は、Stainless Steel (SUS-) チェンバーでできている。電気伝導率は σSU S = 1.35 × 106 /Ω m で与えられる。a = 0.062 m を使うと、(


 2.97(1+j)√Ω@3 GeV√n@50GeVZL (nω0 )n)SU S =n
 3(1+j)(ZT )SU S =

,
Ω



 397(sgn(ω)+j)
√
kΩ/m
n

@3 GeV 391(sgn(ω)+j)√kΩ/m@50 GeVn(6.13).

(6.14)MR では、この SUS のレジスティブウォールインピーダンスの効果がリング一周のインピーダンスの中で最大であることが判っている。

6.3

RCS の TiN コーテンングしたセラミックダクトが作るインピーダンス

RCS では、磁場の変化によって引き起こされる渦電流の効果を減らすために [50]、磁石内部のチェンバーでは、セラミックダクトを用いている [51]。これは、図 6.1 の左図が示すようにセラミックで作ったダクトを銅のストライプで覆ったものである。また、セラミックダクトの内側は陽子がダクトに当たって発生する２次電子の放出を抑えるために TiN コーテンングがなされている [20]。このインピーダンスを求めるは、とても難しいが、外側の銅のストライプの部分は銅のチェンバーだと思って十分よく近似できるということが判っている [52]。そceramic pipea2ceramic pipeaaΔ
TiN coating

2aΔ
TiN coatingI

Cu stripes

conducting beam pipe

図 6.1: セラミックスダクトの模式図。
こで、ここでは、図 6.1 の右図が示すような模型を使って求めたインピーダンスで評価することにする。

(

ZL (nω0 )Z0)ceramic−T iN =
∆f ,
ϵ′
n
kβa(Z0 ∆σT iN − j (ϵ′ β 2 −1)ka
a )
log 2

(6.15)a2R
Z0(ZT )ceramic−T iN = 2∆f ,ϵ′a β kβa(Z0 ∆σT iN − j (ϵ′ β 2 −1)ka
a )
log 2

(6.16)a

但し、σT iN ≅ 5.88 × 106 /Ω m は TiN の電気伝導率、a ≅ 0.12 m はチェンバーの内径, ∆ ≅ 15nm は TiN コー
テンングの厚み、a2 ≅ 0.1275 m はセラミックダクトの外径、ϵ′ ≅ 10 はセラミックの比誘電率、セラミックダク
トのリングに対する占有率 ∆f ≅ 0.5。
これを使うと、


0.0036n + j4.1Ω @0.181 GeVZL (nω0 )()ceramic−T iN =,0.012n + j6.5Ω@0.4 GeV

n




 0.037n + j9.9Ω@3 GeV
0.06n + j58kΩ/m @0.181 GeV(ZT )ceramic−T iN =.
0.13n + j70kΩ/m @0.4 GeV





 0.29n + j78kΩ/m @3 GeV(6.17)(6.18)

銅ストライプの隙間をスリットと見た時のインピーダンス:
Ti-チェンバーからセラミックチェンバーに移る時、壁電流は、銅のストライプをみることになる。この時、壁電流の流れ方に変化があるのでインピーダンスが生ずる。この効果を図 6.2 のように銅ストライプの隙間をスリッ
トと見ることで評価することにする。インピーダンスは、

β αe + αm
ZL= j Z0,nR
4π 2 a2
αe + αmcos2 θ0 ,ZT = jZ0
π 2 a4(6.19)(6.20)

wl

図 6.2: 銅ストライプの隙間をスリットと見た時のインピーダンス。青は銅のストライプを示す。
で表される [7, 12, 53, 54]。ここで、θ0 はインピーダンスのソーズ源と注目している横方向インピーダンスの向きとの角度、αe , αm はおのおの隙間に励起される電気分極率、磁気分極率である。
今、真空に幅 w の隙間がある完全導体の板を考えた時、隙間に励起される電気分極率、磁気分極率は

αe + αm ≅ 0.1814w3 ,(6.21)

で与えられることがしられている [7, 55, 56]。下にセラミックがある場合も、隙間に励起される電気分極率、磁気分極率は大きくは異ならないと予想されるので、この値を使うことにする。(文献 [45] にセラミックがある場合
は磁気分極率の効果が支配的との考察があるが、セラミックの外側の電場について考えるために、中心に一様な電荷があり、その周りに３層に真空、セラミック、真空が覆っている単純な静電場問題を考えたとする。この時、セラミックの外側の動径方向の電場は、セラミックの存在とは無関係である。従って、本講義では、隙間に励起される動径方向電場は、セラミックの存在には大きく影響されない仮定することにした。)
今、全部で Nceramic 個のセラミックチェンバーがあり、一つのセラミックチェンバーに隙間が、Naper 個あるとすると、そのインピーダンスは(ZL (nω0 )β 0.1814 3)Cu−slit = jZ0
w Naper Nceramic ,n
R 4π 2 a2
0.1814 Naper(ZT )Cu−slit = jZ0 2 4 w3
Nceramic ,π a2(6.22)(6.23)

で与えられる (但し、cos2 θ0 を < cos2 θ0 >= 1/2 で置き換えた。)。今、２極磁場内部にあるチェンバーは半径は a = 0.1075m, ストライプの幅は 0.0055 m, Naper = 68 であり (従って、w = (2πa − 0.0055 × 68)/Naper =0.0044m)、リングには Nceramic = 24 個ある。４極磁場内部にあるチェンバーは半径は a = 0.1575m, ストライ
プの幅は 0.0055 m, Naper = 99 であり (従って、w = 0.0045m)、リングには Nceramic = 70 個ある。従って、リha

図 6.3: コリメータの作るインピーダンス。
ング一周のインピーダンスは
j0.0006Ω @0.181 GeVZL (nω0 ))Cu−slit =(.
j0.0008Ω @0.4 GeV

n




 j0.001Ω @3 GeV(6.24)(ZT )Cu − slit はエネルギーによらず、0.007j kΩ/m となる。

6.4

RCS のコリメータの作るインピーダンス:

コリメータとは、図 6.3 が示すようなビームのハローを削る装置で RCS には、primary collimator が縦方向と横方向に対して一つ secondary collimator が５つ合計 Ncoll = 7 個ある [57]。インピーダンスの表式は(Z0 β h2 Ncoll
2πa
ZL (nω0 ))coll = j
(2 log+ 1),2n
R 2π ahZ0 h2 Ncoll
2πa(ZT )coll = j(2 log+ 1),
π 2 a3h(6.25)(6.26)

で与えられる [53]。primary collimator で代表させることにすると、primary collimator はエミッタンス 324π

mmrad なので、β 関数を約 20 と仮定すると、アパーチャーサイズは、0.08 m になる。よって、段差の大きさ（
h ≅ 0.04m）、ダクトの半径を a ≅ 0.12 m を代入すると、縦方向のインピーダンスは
j0.12Ω@0.181 GeVZL (nω0 )()coll =,
j0.157Ω @0.4 GeV

n




 j0.214Ω @3 GeVとなり、横方向のインピーダンスはエネルギーに依らず、(ZT )coll = 1.7jkΩ/m となる。

(6.27)

6.5

RCS で段差が作るインピーダンス:

RCS で半径が、0.13m から 0.095m に変わるところが 48 個。0.13m から 0.15m に変わるところが 12 個。
0.13m から 0.19m に変わるところが 6 個。0.15m から 0.19m に変わるところが 6 個 [1]。これがスムーズに繋がっていると考えると、（直角に繋がっていると考えた場合のおよそ 1/2 で評価できるので、）各々は、(ZL (nω0 )Z0 β h22πa)taper = j(2 log+ 1),
2n
R 4π ahZ0 h22πa(ZT )taper = j 2 3 (2 log
+ 1),
2π a
h

(6.28)(6.29)[53]。リング一周では、縦方向インピーダンスは
j0.48Ω @0.181 GeVZL (nω0 ))taper =(.
j0.62Ω @0.4 GeV

n




 j0.86Ω @3 GeV(6.30)

横方向のインピーダンスはエネルギーに依らず、(ZT )taper = 5.6jkΩ/m となる。

6.6

RCS の電磁ステンレスパイプのインピーダンス:

RCS では、出射ラインからの漏れ磁場を抑える為に電磁ステンレスパイプ (100kHz での比透磁率が µ′= 55,
電気伝導率 σc = 1.3568 × 106 /Ωm) が一部使われている。このインピーダンスは(ZL (nω0 )1 + j √ ′ δ0µ √ ∆f ,)EM S−RW = βZ0
n
2
a n
√ ′
µ δ0
(ZT )EM S−RW = Z0 (sgn(ω) + j) 3 √ R∆f ,an(6.31)(6.32)

で与えられる。但し、

√
δ0 =

2
.
ω0 µ0 σc(6.33)

これに ∆f = 0.016, a = 0.12 m を代入すると、


0.064(1+j)
√Ω @0.181 GeV


n


ZL (nω0 )0.073(1+j),)EM S−RW =(√Ω @0.4 GeV
n

n


 0.085(1+j)
√Ω @3 GeVn904(sgn(ω)+j)√Ω/m @0.181 GeV


n


791(sgn(ω)+j)(ZT )EM S−RW =,√Ω/m @0.4 GeV
n





 678(sgn(ω)+j)√Ω/m @3 GeVnが得られる。

(6.34)(6.35)

図 6.4: RF 空洞 1 台分のインピーダンス。左図が縦方向インピーダンス ZL の実部と虚部、右図が横方向イン
ピーダンスの実部 ℜ[ZT ]。ℜ[ZT ] は測定結果自身は負のところもあったが、ℜ[ZT ] < 0 は物理的ではない。そこ
で、この図では、周波数 f が零になるに従って、ℜ[ZT ] が零に近づくように (横方向インピーダンスの実部の性質) 全体に 19kΩ/m ほどかさ上げしてある。

6.7

MR の RF 空洞インピーダンス:

MR には５台の RF 空洞が用意されている。RF 空洞は複雑な装置なので、このインピーダンスは測定で求めることが多い。図 6.4 の左図が RF 空洞 1 台分の縦方向インピーダンス ZL 、右図が横方向インピーダンス ZTの実部 である。これは、２本のワイヤーを空洞内にはって、その透過係数 S12 を測定することで [12, 58]、外山毅氏が RF グループと協力して測定したものである [48]。
この結果は、ZL に関しては、長谷川豪志氏らが RF 空洞の１ギャップの場合に測定した結果と無矛盾である
事が判っている [59]。図 6.4 の左図が示す 1.85MHz の鋭いピークは基本モードに対応するもので、RF 空洞の高次モードによるビームの不安定性の考慮をするときには除外する。
横方向インピーダンス ZT を透過係数 S12 を測定することで、低周波側で正確に求めることは一般に非常に難しく、この測定でも、元々の ℜ[ZT ] は全体に負側にふれていた。これはノイズによるベースラインが正確に引ききれていないためである。これでは、growth rate が評価できないので、ここでは、ℜ[ZT ] が、周波数 f が零になるに従って、零に近づくように全体に 19kΩ/m ほどかさ上げをすることにした。それを表示したものが図 6.4

図 6.5: キッカー電磁石の構成。右図は、RCS キッカー電磁石本体。
の右図である。

6.8

キッカーインピーダンス:

最後にキッカーインピーダンスについて指摘することにする。キッカーとはビームをリングから磁場の力で蹴りだす (あるいは蹴り入れる) 装置で [60]、J-PARC の RCS には 8 台置かれており、MR には 8 台 (改造された

3 台の入射キッカーと 5 台の速い取り出し用キッカー) が用意される予定である。図 6.5 の左図が示すようにキッカー磁石は、同軸ケーブルでサイラトロンと結合しており、ビームとうまく同期してサイラトロンがアクティブになって、ビームはリングから蹴りだされたり、蹴り入れられたりする。しかし、それ以外のビームが周回している時にも、ビームによって誘起された電流が誘導磁場を発生させ、ビームに影響を与える。
キッカー磁石の本体は、フェライトが金属板でサンドウィチされた構造が縦方向に周期的に並んでいるのが特徴で、上下にやはり金属のしきり板があるのが標準的である。
このしきり板が縦方向のインピーダンスを下げる上で重要で、Lambertson の ﬂux break と呼ばれている [61]。
これが必要なのは、キッカー自身がつくる横方向の磁場が、しきり板とは無関係に励起されるのに対して、しきり板がないと、ビームの作る磁場が、ビームを中心に同軸上に励起されてフェライトの効果で、強い B-feild が生じてしまうからである。このしきり板は、完全導体が高周波磁場を通さないという性質を使って、それが起こるのを防いでいる。
キッカーは図 6.5 が示すように複雑な装置なので、このインピーダンスも測定で求めることが多い [62]。図 6.6に縦方向のインピーダンスと横方向の RCS のキッカーのインピーダンスの実部を示す [63, 64, 65]。特徴的なのは、インピーダンスにスパイクが見えることである。これは RCS のキッカーの場合、キッカーがアクティブで

L

Z[ ]

虚部
実部

f[MHz]

図 6.6: RCS のキッカー１台の縦方向インピーダンスの実部と虚部（左図）及び横方向インピーダンスの実部(右図)。
ない状況 (ビームが周回している時) で、図 6.5 の左図が示すように、キッカーの片端がショート、もう一端が同軸ケーブルを介してオープンになっているからである。そのため、ビームによって誘起された電流が同軸ケーブ
ルの中を行ったり来たりするのが原因である。
これを軽減させる一つの方法がショートしている側にキッカーの特性インピーダンスとマッチした matchedresistor をつけるやり方で、MR の入射キッカーはその方法でインピーダンスを下げている。図 6.7 が MR の入射
キッカー３台のインピーダンスの実部の測定値で [46, 49]、図 6.6 のような激しいスパイク構造がないことが判る。
表 6.2 と 6.3 をみると判るように、RCS のインピーダンスの中では、このインピーダンスが圧倒的であることが判る。MR でも、現状 SUS のレジスティブウォールインピーダンスの効果 (セクション 6.2 参照) に次いでこの効果が大きいことが判っており、インピーダンス低減に向けて今年 (2010 年) の夏に改造が進められている。

図 6.7: MR の入射キッカー３台の縦方向インピーダンスの実部 (左図) 及び横方向インピーダンスの実部 (右図)。

第 7 章 J-PARC のビームの安定性の評価

この章では、前章で得られた縦横のインピーダンスと Keil-Schnell criterion(式 (4.28)-(4.82)) を比較すること
で単バンチビーム不安定性の評価を行い、式 (5.52)-(5.131) を使って、マルチバンチビーム不安定性の評価を行う。Keil-Schnell criterion を含めた単バンチビームの不安定性については表 6.2, 6.3, 6.5, 6.6 に纏められている。
以下、RCS, MR に関して詳細を見ていくことにする。

7.1

RCS のビーム不安定性

RCS に関しては、キッカーインピーダンスが支配的なので、インピーダンスの源はこれのみだと考えて問題ない [42]。まず、縦方向の不安定性について見てみることにする。8 台の RCS のキッカーインピーダンスについて、(ZL (nω0 )/n) を記したものが、図 7.1 である。表 6.2 の (ZL /n)th と比べると、入射部付近では全く問題ないことが判る。slippage factor の影響で出射部付近で、厳しくなっていくが、式 (4.15) を使って厳しめに評価してみても、大きくても 10−8 Hz 程度の growth rate と評価できる。これは RCS の ramping time 20 ms (50Hz)
よりも十分小さいので、縦方向の単バンチビームの mircrowave instability は無視できると考えてよい。
次に、マルチバンチビーム不安定性について、式 (5.52) で評価してみる。一番厳しい growth rate を示すのは、400MeV の入射時なので、その時の結果のみを図 7.2 に記すことにする。最大で約 13Hz を示していることが判る。この時の A.Hofmann の stability condition を参考文献 [1] にのっているデータを使って求めると、−1τm< 1.3kHz,(7.1)となる。よって、縦方向のマルチバンチ不安定性も RCS では問題にはならない。
次に RCS の横方向ビーム不安定性について考える。表 6.3 をみて直ちに判るのは、空間電荷効果の影響で直接的には、この条件はすでに破っているという事である。但し、セクション 4.3 でも述べたように、インピーダ
ンスの実部が調整できていれば、インピーダンスの虚部は直接的には問題にはならない。
そこで、再び、キッカー 8 台分でインピーダンスがどのようになるがを横軸を時間にとって考えてみる。ここで、式 (4.82) がバンチしたビームに適応できるためには、ビームが不安定になる波長がバンチ長に比べて短かい

図 7.1: 8 台の RCS のキッカーインピーダンスを入力にして、(ZL (nω0 )/n) を記したもの。左から、180MeV、

400MeV、3GeV 時のもの。

−1
図 7.2: 8 台のキッカーのインピーダンスを入力にして得た 400MeV 時の縦方向の growth rate τm
。

0

0

図 7.3: 8 台のキッカーの場合の ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] の最大値 (塗りつぶし点) と νβ0 = 6.45, F S = 1 の時の式

(4.82)（白抜き点）を横軸を RCS の加速時間 (20ms) にして記したもの。左図が 0.6MW ビーム (181MeV 入射),右図が 1MW ビーム (400MeV 入射）の場合。

Q
Q

x x
y y

Q

The dependence on time of chromaticityt[ms]図 7.4: 入射エネルギーでクロマティシティを DC 電源で補正した時のクロマティシティの (時間) 変化（左図）。
とその時に 0.6MW 運転したと仮定した場合のビームの growth rate(塗りつぶし点) と式 (5.139) を使って得られた空間電荷効果による ベータトロン振動幅 ∆ωSP /4(白抜き点)。
必要があるので、横方向のインピーダンスを評価する時、n は

n > νβ +

cβ
,
τz f0

(7.2)

を満たさなくていけないことに注意することにする (縦の場合には、n > cβ/τz f0 に変更すればよい。)。これを満たす n の中で ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] が最大のものを横軸を時間にしてプロットしてみることにする。結果が図7.3 に示したもので、左図が 0.6MW ビームの、右図が 1MW ビームでの ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] である。白抜き点が式 (4.82) で νβ0 = 6.45, F Sx,y =1 の条件での値で、塗りつぶし点が８台のキッカーのインピーダンスの実部を記してある。1MW ビームの場合でも、Keil-Schnell criterion 以下になることが判る。ただ、出射部付近で非常に余裕があるわけではないので、ビームの縦方向の分布については注意を払う必要がある。
縦方向の場合と同様に横方向についてもマルチバンチ不安定性の議論を式 (5.131) を使って行うことにする。その前に、現在の RCS のビーム状況について考えてみる。現在、RCS は 300kW 相当のビームをビームを不安定にさせることなく打つ事ができている。ただし、チューンは νβx = 6.45, νβy = 6.45 でクロマティシティは、DC
電源を使って入射部だけ補正されている（加速時間全般に渡ってクロマティシティを補正するには AC 電源にする必要がある。)。この DC 電源というのがポイントで、この影響で図 7.4 の左図が示すようにエネルギーが上が

−1
図 7.5: νβ0 = 6.45 の時、8 台のキッカーのインピーダンスを入力にして得た横方向の growth rateτmの時間変化。左図が 0.6MW(181MeV 入射) でクロマティシティが加速全般 (20ms) に渡って AC 的に補正されている場合。 右図が 1MW(400MeV 入射) でクロマティシティが加速全般 (20ms) に渡って AC 的に補正されている場合。
塗りつぶし点がキッカーによる growth rate、白抜き点が空間電荷効果によるベータトロン振動の幅。
るに従って、クロマティシティは補正されなくなっていく。これは、ビームを安定化させるという観点からは有利に働く。それを示したのが、図 7.4 の右図で、これは 0.6MW 運転をした場合の計算値を示している。塗りつぶ
し点が growth rate、白抜き点が式 (5.139) を使って計算した空間電荷効果による ベータトロン振動幅 ∆ωSP /4を記している。最初、数 kHz 程度あった growth rate は、クロマティシティが負側にふれることで、減衰していく。しかし、5ms までの間にビームが不安定になる現象はみられていないので、この観測事実は、空間電荷効果が引き起こすバンチ内でのインコヒーレントなベータトロン振動の幅がビームの安定化に寄与していることを示唆している [43, 66]。
さて、クロマティシティを AC 電源で補正しないとアーク部でビームがロスするという事情があり、今年 (2010年) の夏に６極磁石に AC 電源が取り付けられる。そこで、クロマティシティをフル補正した場合にどのようになるか予想してみることにする。式 (5.131) を使って、横軸時間、縦軸 growth rate の図を 0.6MW(181MeV 入射) と 1MW ビーム（400MeV 入射) の場合各々について書いてみることにする。 この時、クロマティシティは加速全般に渡って AC 的にフル補正してあると仮定してある。図 7.5 の左図が 0.6MW（181 MeV 入射) の場

合、 右図が 1MW(400MeV 入射) の場合である。塗りつぶし点がキッカーによる growth rate、白抜き点が式(5.138) を使って得た空間電荷効果によるベータトロン振動の幅 ∆ωSP /4 である。まず、判るのは、このチューン（νβ0 = 6.45）では、0.6MW の時には、加速初期と中盤で、１ MW の時には、加速中盤で、数 kHz をこえる

growth rate を超えるところが出ると言うことである。空間電荷効果によるビームの安定化が機能すれば、この場合でもビームは不安定にならないはずであるが、この効果によるビームの安定化は十分検証されたとは言えない。空間電荷効果によるビームの安定化は、シミュレーション上では、それらしい振る舞いがみえるが [43]、今度の６極電源の改造で、クロマティシティがフル補正した時、どのような結果がでるか注視する必要がある。結果次第では、クロマティシティの最適化やキッカーの改造などの対策が必要になるかもしれない。

7.2

MR のビームの不安定性

MR では、SUS チェンバーの示す resistive wall impedance, ３台の入射キッカー及び５台の速い取り出し用キッカーが作るインピーダンス、5 台の RF 空洞のインピーダンスが主なインピーダンス源である。小さい方から順に各々について見にいくことにする。

5 台の RF 空洞の効果:
まず、単バンチのビームの不安定性について考えることにする。式 (7.2) の条件を満たす n について考えることにし、縦方向については、基本モードの効果は無視することにする。図 7.6 に結果を示す。横軸は、運動エネ
ルギー（加速中の時間に対応）を示している。縦方向については左図で |ZL (nω0 )/n| を示し、横方向については、
右図で ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] を記している (n を振って同時刻で（同エネルギーで) 最大のものをプロットしている。)。縦横ともに、５台の RF 空洞による microwave instability は無視できることが判る。
次に、マルチバンチ不安定性について考える。式 (5.52) を使って評価すると、縦方向の growth rate を評価す
ると 3GeV 付近で 7Hz、50GeV 付近で 5Hz 程度であるが、A.Hofmann の stability condition (式 (5.56)) を評価すると、各々につき、746Hz 以下、60Hz 以下となるので、縦方向に関してマルチバンチ不安定性は問題にならない。
横方向のマルチバンチ不安定性の growth rate については、クロマティシティをフル補正した場合に式 (5.131)
を使って評価した結果を図 7.7 に示す。MR では、周回周波数が、加速中に RCS ほどは変わらないので、この 5台の RF 空洞のインピーダンスを入力にした場合、エネルギーが上がるほど、growth rate がさがるという素直な動きをする。横方向のマルチバンチ不安定性については、後で総合的な議論をするが、一つの目安として、こ図 7.6: 5 台の RF 空洞の場合の縦方向と横方向のインピーダンスと Keil-Schnell criterion の関係。横軸が運動エネルギー。左図で実線が空洞の |ZL /n| を記していて、点線が式 (4.28) から得られた Keil-Schnell の条件。右図は、ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] (実線) と νβ0 = 22.37, F S = 1 の時の Keil-Schnell の条件式 (4.82)（点線）を記したもの。

図 7.7: 5 台の RF 空洞の場合の横方向のマルチバンチ不安定性。但し、クロマティシティは零。
の図から約数 100Hz の growth rate が見込まれることが判る。

3 台の入射キッカーに起因する効果:
図 7.8 に単バンチのビームの不安定性についての結果を示す。横軸は、運動エネルギーを示している。縦方向については左図に ℜ[ZL (nω0 )]/n(n を振って同時刻で（同エネルギーで) 最大のもの) を示しa 、横方向については[49]、右図に ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] (n を振って同時刻で（同エネルギーで) 最大のもの) をプロットしている。ZLの虚部が実部と同じオーダーだと仮定すると、縦横ともに、Keil-Schnell criterion (点線) 以下であることが判る。
次に、マルチバンチ不安定性について考える。式 (5.55) を使って評価すると、縦方向の growth rate を評価す
ると 0.1Hz 程度であるが、A.Hofmann の stability condition(3GeV 付近で 746Hz 、50GeV 付近で 60Hz ) 以下
で、縦方向に関してマルチバンチ不安定性は問題にならない。
横方向のマルチバンチ不安定性は、クロマティシティをフル補正した場合について、式 (5.131) を使って評価した結果を図 7.7 に示す。この図から、3 台の入射キッカーも約数 100Hz の growth rate を引き起こすと見込まれる。

a この測定は、ZL の実部からキッカーの発熱量を見積もるのが目的だった為、ZL の虚部については信頼できるデータをとっていない [46]。

図 7.8: ３台の 入射キッカーの縦方向と横方向のインピーダンスと Keil-Schnell criterion の関係。横軸が運動エネ
ルギー。左図で実線がキッカーの ℜ[ZL /n] を記していて (虚部についてはデータがないため)、点線が式 (4.28) から得られた Keil-Schnell の条件。右図は、ℜ[ZT ((n −νβ0 )ω0 )] (実線) と νβ0 = 22.37, F S = 1 の時の Keil-Schnellの条件式 (4.82)（点線）を記したもの。

図 7.9: 3 台の入射キッカーに起因する横方向のマルチバンチ不安定性。但し、クロマティシティは零。

5 台の速い取り出し用キッカーに起因する効果:
改造計画進行中のため、残念ながらこの講義までには測定結果を纏めることができなかった [47]。後の全体のまとめでは、3 台の入射キッカーの測定結果を 5/3 倍にして、大雑把に評価している。

SUS 抵抗性チェンバー (resistive wall impedance) の効果:
まず、表 6.5 を見ると判るように縦方向については、microwave instability は問題にならない。また、縦方向のマルチバンチ不安定性の growth rate は約 10−3 Hz と評価できるので、A.Hofmann の stability condition(3GeV付近で 746Hz 、50GeV 付近で 60Hz ) 以下で問題にはならない。
横に関しては 表 6.6 を見ると一見 Keil-Schnell criterion を破っているように見える。しかし、式 (7.2) を満たすものだけ考えると図 7.10 のようになり、microwave instability は問題にならない。問題になるのは、マルチバ
ンチ不安定性で、図 7.11 が示すように、クロマティシティ零、νβ,x = 22.37 の条件で 1kHz を超える。

図 7.10: SUS の resistive wall impedance が引き起こす横方向の単バンチ不安定性。実線が SUS-resistive wall

impedance、点線が横方向の Kel-Schnell criterion。

図 7.11: SUS の resistive wall impedance が引き起こす横方向のマルチバンチ不安定性。但し、クロマティシティ
零、νβ,x = 22.37。

図 7.12: RF 空洞、キッカー、SUS resistive wall impedance が引き起こす横方向のマルチバンチ不安定性。但し、クロマティシティ零、νβ,x = 22.37。

MR のビーム不安定性の総合的な評価:
現状 MR のビーム不安定性に関して、最も深刻だと考えられてているのは、横方向のマルチビーム不安定性である。図 7.12 をみると判るように、RF 空洞、キッカー、SUS resistive wall impedance をまとめて考えると、空間電荷効果によるビームの安定化の効果を無視する限り、最大 2kHz 程度の growth rate を引き起こす可能性がある。しかし、実際には空間電荷効果によるビームの安定化の効果が入射部付近では期待できるので、加速中盤あたりからその効果が表れると予想される。
ビームが不安定になった場合に備え、横方向ダンパーが必要不可欠だというのは、計画の当初から考えられてきた [8]。これについては、飛山真理氏、帯名崇氏、栗本佳典氏を中心にダンパーの開発が進められている [67]。
現在、MR の加速のしない６バンチビームのストレージモード運転下で、不安定なビームを意識的に作り、ビームが不安定になったところで、ビームを蹴り返して、ビームロスを低減させる試験に成功している [68]。
もう一つ問題になる可能性があるのは、縦方向の microwave instability である。図 7.13 をみると判るように

40GeV を超えた付近で、Keil-Schnell criterion を破ることが判る。実際大強度ビームを MR で 50GeV まで加速することによって生成するときには、更なるキッカーインピーダンスの低減を図るか、バンチング因子を調整してビームの縦方向分布を変えてみる。等の試行錯誤が必要になるかもしれない。

図 7.13: RF 空洞、キッカー、SUS resistive wall impedance(実線) が引き起こす縦方向の単バンチ不安定性。点線が縦方向の Kel-Schnell criterion。

あとがき
私は過去に研究発表の経験はありますが、学生を相手に物事を教えるということに関して、経験もなければ、その事に関するノウハウの教育を受けたこともありません。その意味で、まず、このような素人の話を聞いてくださったことに、学生さんを含めた聴衆の皆様に感謝をしたいと思います。
さて、このように、講義録を作るために過去の文献を読んでみると、第 I 部、第 II 部で紹介したこの分野の基本的な部分の大部分が先人たちの偉大な知性によって築かれたことを改めて思い知らされます。それは、楽しい
作業ではありますが、同時に研究とはなんたるか。ということに関しても自省を迫られる場面であります。このような貴重な機会を与えてくださった校長の古屋貴章氏及び山崎良成氏、金正倫計氏を初めとする J-PARC セン
ターの皆様に感謝します。
最後に、この講義を聞いてくださった学生さんの中に将来、独創的な研究を行えて、魅力的な講義を行える人
材が生まれれば、それは本当にすばらしいことだと思います。

付 録A

チェンバー内部の一般解

マクスウェル方程式はソース項を持った波動方程式として与えられる。今、最終的ににインピーダンスを求めたいので解の形として ejωt に比例するものをとくに考えると, それは、具体的には以下のようなヘルムホルツ方
程式になる。

⃗ = jkβZ0⃗j + ∇(cZ⃗(∆ + k 2 β 2 )E
0 ρ̄),(A.1)⃗ = −∇⃗ × ⃗j.
(∆ + k 2 β 2 )H

(A.2)

今後は、軸対称な構造を考える事にして円筒座標系をもちいることにする。今、r = rb , θ = θb の位置にある電荷 q をもった速度 βc の荷電粒子が 軸方向に走っている状況を考えると、電荷密度 ρ は

ρ̄ =
ρm =

im

1+m δ(r − rb )δp (θ − θb )δ(s − βct) =

rb

∞ ∫
∑
dk
im ρ m ,2π
m=01
δ(r − rb ) cos m(θ − θb )e−jk(s−βct) , im = qrbm ,πrb1+m (1 + δm0 )

(A.3)
(A.4)

で与えられる。但し、δ(x) は δ-関数, δp (θ) は周期 δ-関数、δm,n は Kronecker の δ である。
式 (A.1)-(A.2) の一般解は im ρm に対する解の重ね合わせで与えられるので、ソース項として特に im ρm を持つ場合を考えることにする。
これに対するソース場は m = 0 に対しては

HrS = EθS = HzS = 0,
 jkcZ0 I02(k̄rb ) K0 (k̄r)e−jks for r > rb ,
2πγ
S
Ez =

 jkcZ0 K0 (k̄rb ) I (k̄r)e−jks for r > r,
0
b
2πγ 2


 βkcI0 (k̄rb ) K1 (k̄r)e−jks for r > rb ,β S
2πγEr = HθS =

Z0
βkcK
 −
0 (k̄rb )I1 (k̄r)e−jks for rb > r,
2πγ

(A.5)

(A.6)

(A.7)

m > 0 に対しては
HzS = 0,
 jkcZ0 Imm (2k̄rb ) Km (k̄r) cos m(θ − θb )e−jks for r > rb ,
πrb γ
EzS =

jkcZ

0 Km (k̄rb )Im (k̄r) cos m(θ − θb )e−jks for rb > r,πrbm γ 2 mcZ0 Imm(k̄rb ) Km (k̄r) sin m(θ − θb )e−jks for r > rb ,
Z0 S
rπrb
S
− Hr = E θ =β mcZ0 Km (k̄rb ) I (k̄r) sin m(θ − θ )e−jks for r > r,
m
b
b
rπrbm


 βkcImm(k̄rb ) (Km−1 (k̄r) + Km+1 (k̄r)) cos m(θ − θb )e−jks
β S
2πrb γS
E = Hθ =
Z0 r
 − βkcKm (k̄rb ) (I−jks
m−1 (k̄r) + Im+1 (k̄r)) cos m(θ − θb )e
2πr m γ
b

(A.8)

(A.9)

(A.10)

for r > rb ,for rb > r,
(A.11)

で与えられる。但し、 k = 2πf /βc, k̄ = k/γ, Km (z), Im (z) は各々変形ベッセル関数である。
従って、m = 0 の時の式 (A.1)-(A.2) の一般解は、

Ez = EzS +

∫ ∞
−∞

jkβ
Hθ = HθS +Z0dhA(h)e−jhs∫ ∞J0 (Λr),J0 (Λa)dhA(h)e−jhs−∞

J1 (Λr),ΛJ0 (Λa)(A.12)(A.13)

m > 0 の時の一般解は
[
]
∫ ∞
S
−jhs Jm (Λr)
Ez = im Ez +dhA(h)ecos m(θ − θb ) ,Jm (Λa)
−∞
(
)
]
[
∫ ∞
∂Jm (Λr)mB(h)Jm (Λr)
kβS−jhs jh∂r+
A(h)cos m(θ − θb ) ,Hθ = i m Hθ −dhe
Λ2rJm (Λa)
Z0 h
Jm (Λa)−∞∫ ∞Jm (Λr)Hz =dhim B(h)e−jhs
sin m(θ − θb ),Jm (Λa)
−∞
[
(
)
]
∫ ∞
∂Jm (Λr)
jkβZ
mh
J
(Λr)
0
m
dhe−jhs
Eθ = im EθS +B(h) ∂r
sin m(θ − θb ) ,
+
A(h)
Λ2
Jm (Λa) Z0 kβr
Jm (Λa)−∞となる。但し、Λ =√k 2 β 2 − h2 、Jm (z) はベッセル関数である。

(A.14)(A.15)(A.16)(A.17)

付 録B

抵抗性チェンバーの横方向インピーダンス

縦方向の長さが g で半径が a、材質の電気伝導率が σc の抵抗性チェンバーの横方向インピーダンスを求める。

m = 1 の時の一般解はチェンバーの内側 (r < a) で、( )Ez = i1 (EzS + A(k)I1 k̄r cos(θ − θb )e−jks ),(())
jγ B(k)I1 (k̄r) β k̄A(k) ′Hθ = i1 HθS ++I1 (k̄r) cos(θ − θb )e−jks ,
r
Z0
k̄
( )
Hz = i1 B(k)I1 k̄r sin(θ − θb )e−jks ,
(
(
)
)
A(k)
jβγZ0
k̄B(k)I1′ (k̄r) +Eθ = i1 EθS −I1 (k̄r) sin(θ − θb )e−jks ,
Z0 βr
k̄

(B.1)
(B.2)
(B.3)
(B.4)

パイプの金属部 (a < r < a + t) では、

Ez = (C3 (k)I1 (ν2 r) + C4 (k)K1 (ν2 r)) cos(θ − θb )e−jks ,()
jk C1 (k)I1 (ν2 r) + C2 (k)K1 (ν2 r) σν2 (C3 (k)I1′ (ν2 r) + C4 (k)K1′ (ν2 r))
Hθ = 2+ν2
rjk
× cos(θ − θb )e−jks ,Hz = (C1 (k)I1 (ν2 r) + C2 (k)K1 (ν2 r)) sin(θ − θb )e−jks ,()
jk C3 (k)I1 (ν2 r) + C4 (k)K1 (ν2 r)
Eθ = − 2+ βZ0 ν2 (C1 (k)I1′ (ν2 r) + C2 (k)K1′ (ν2 r))
ν2r
× cos(θ − θb )e−jks ,

(B.5)

(B.6)
(B.7)

(B.8)

チェンバーの外側 (a + t < r) では、( )Ez = i1 D4 (k)K1 k̄r cos(θ − θb )e−jks ,()
jγ i1 D2 (k)K1 (k̄r) β k̄i1 D4 (k) ′Hθ =+K1 (k̄r) cos(θ − θb )e−jks ,
r
Z0
k̄
( )
Hz = i1 D2 (k)K1 k̄r sin(θ − θb )e−jks ,
(
)
jβγZ0
i1 D4 (k)Eθ = −k̄i1 D2 (k)K1′ (k̄r) +K1 (k̄r) sin(θ − θb )e−jks ,
Z0 βr
k̄

(B.9)
(B.10)(B.11)(B.12)

で与えられる。但し、(rb cos θb , rb sin θb ) はビーム中心の位置、i1 = qrb , ω/cβ, k̄ = k/γ, In (z) と Kn (z) に現れる ′は z による微分を示す。

A(k), B(k), C1 (k), C2 (k), C3 (k), C4 (k), D2 (k), D4 (k) は、未定係数で境界条件によって決定される。PanofskyWenzel theorem を使って横方向インピーダンスを求め、式 (2.8) で与えられる空間電荷部分を除くと、抵抗性
チェンバーの横方向インピーダンス ZT は

Z⊥ = −

gA(k) gkZ0 I1 (k̄rb )K1 (k̄a)+,
2γcβj2πβrb γ 3 I1 (k̄a)(B.13)となる。 rb → 0 の極限をとると、文献 [18] の式 (13)：ZT =jgZ0 k̄ 2 K1 (k̄a)E2 (α2 − 1),4πβγ 2 I1 (k̄a)(B.14)を再現する。ここで、E2 と α2 は以下の連立方程式：()()
K ′ (ν2 a)
I ′ (ν2 a)(ν22 − k̄ 2 )
I ′ (k̄a)I ′ (k̄a)E2 (1 − α2 ) + ν2 1
− k̄ 1G2 − ν2 1− k̄ 1G2 η2 = 0,
K1 (ν2 a)
I1 (ν2 a)k̄βaν2I1 (k̄a)
I1 (k̄a)()()
I1′ (k̄a)
Z0 σc K1′ (ν2 a)
Z0 σc I1′ (ν2 a)
I1′ (k̄a)βν2+j+j
E2 − βν2E2 α2
γ K1 (ν2 a)
γ I1 (ν2 a)
I1 (k̄a)
I1 (k̄a)( ′)K1 (k̄a) I1′ (k̄a)(ν 2 − k̄ 2 )
G2 (1 − η2 ) = −βν2−,+ 2
ν2 k̄aK1 (k̄a) I1 (k̄a)+
を解く事で求まる。但し、ν2 =(B.15)(B.16)(k̄ 2 − ν22 ) K1 (ν2 (a + t))(k̄ 2 − ν22 ) I1 (ν2 (a + t))
E2 −
E2 α2
k̄ν2 β(a + t) K1 (ν2 a)k̄ν2 β(a + t) I1 (ν2 a))(
K1′ (ν2 (a + t))
K1 (ν2 (a + t)) K1′ (k̄(a + t))
G2
+ k̄
− ν2
K1 (ν2 a)K1 (ν2 a) K1 (k̄(a + t))( ′)I (ν2 (a + t))
I1 (ν2 (a + t)) K1′ (k̄(a + t))− k̄ 1− ν2
G2 η2 = 0,I1 (ν2 a)
I1 (ν2 a) K1 (k̄(a + t))()
K1′ (k̄(a + t)) K1 (ν2 (a + t))
Z0 σc K1′ (ν2 (a + t))− ν2 β+jE2γK1 (ν2 a)K1 (k̄(a + t)) K1 (ν2 a))(
Z0 σc I1′ (ν2 (a + t))
K ′ (k̄(a + t)) I1 (ν2 (a + t))+jE2 α+ ν2 β 1γ
I1 (ν2 a)K1 (k̄(a + t)) I1 (ν2 a)(B.17)(k̄ 2 − ν22 ) K1 (ν2 (a + t))(k̄ 2 − ν22 ) I1 (ν2 (a + t))
G2 −G2 η2 = 0,
ν2 k̄(a + t) K1 (ν2 a)ν2 k̄(a + t) I1 (ν2 a)(B.18)√
k 2 + jkβZ0 σc 。

付 録C

抵抗性インサートのインピーダンス

ビームは、

jz = βc(1 − Θ(r − σ))e−jks+jωt /(πσ 2 ),(C.1)

で与えられるものとする。ビームの内部 (r < σ) の電磁場は、)∫ ∞σI0 (k̄r)K1 (k̄σ) −jks1
J0 (Λr)−e,+dhA(h)e−jhs
J
k̄ 2
k̄
0 (Λa)
−∞
∫
βc
jkβ ∞
J1 (Λr)Hθ =K1 (k̄σ)I1 (k̄r)e−jks +dhA(h)e−jhs
,
πσ
Z0 −∞
ΛJ0 (Λa)jk cZ0Ez = 2γ πσ 2

(

(C.2)
(C.3)

で、外側は（r > σ ）

∫ ∞

Ez =

jcZ0
I1 (k̄σ)K0 (k̄r)e−jks +
πσγ

Hθ =

βc
jkβ
I1 (k̄σ)K1 (k̄r)e−jks +πσZ0dhA(h)e−jhs

−∞

∫ ∞

J0 (Λr),J0 (Λa)dhA(h)e−jhs

−∞

(C.4)

J1 (Λr),ΛJ0 (Λa)で与えられる。但し、k̄ = k/γ, A(h) は展開係数、 Jm (z) はベッセル関数、 Λ =

√

(C.5)

k 2 β 2 − h2 。場の時間依存性は ejωt であてられるものと仮定し、以後省く事にする。

Ez はパイプの内側でインサートの部分を除いて零なので、 展開係数 A(h) は
jcZ0
I1 (k̄σ)K0 (k̄a)e−jks +
πσγ

∫ ∞
−∞

dhA(h)e−jhs =



 Ṽ1

2w


 0

for −w < z < w

,

(C.6)

otherwiseを満たす。但し、Ṽ1 は r = a での電圧。ここで、抵抗性インサートの長さ g はチェンバーの半径より十分小さ
く、Ez はこのパイプのあるところで一定であると仮定することにした。展開係数 A(h) は電圧 Ṽ1 を使って

jcZ0
Ṽ1 sin hw
I1 (k̄σ)K0 (k̄a)δ(h − k) + A(h) =
,
πσγ
2π hw
と書き換えることができる。

(C.7)

図 C.1: 電気伝導率:σc , 非誘電率:ϵ′, 厚み:t の壁。 ビームは領域 I を通るとする。
式 (C.7) を式 Eqs.(C.2)-(C.5) に代入すると、ビーム内部 (r < σ) の電磁場は()( )σI0 k̄r I1 (k̄σ)K0 (k̄a)
jcZ0 1( )− σI0 (k̄r)K1 (k̄σ) −
Ez =
e−jks
πσ 2 γ k̄
I0 k̄a∫Ṽ1 ∞J0 (Λr) sin hw+
dhe−jhs,
2π −∞J0 (Λa) hw
(
)
∫
( )
βc
I1 (k̄σ)K0 (k̄a)
J1 (Λr) sin hw
Ṽ1 jkβ ∞( )Hθ =K1 (k̄σ) +dhe−jhs,
I1 k̄r e−jks +πσ2π Z0 −∞
ΛJ0 (Λa) hw
I0 k̄a

(C.8)
(C.9)

ビームの外部 (r > σ) の電磁場は

(
)
( )
∫
I0 k̄r K0 (k̄a)
J0 (Λr) sin hw
jcZ0
Ṽ1 ∞
−jks
(
)
I1 (k̄σ) K0 (k̄r) −dhe−jhs
,
Ez =
e
+
πσγ
2π −∞
J0 (Λa) hw
I0 k̄a()∫βc
K0 (k̄a)I1 (k̄r) −jks Ṽ1 jkβ ∞J1 (Λr) sin hw
Hθ =I1 (k̄σ) K1 (k̄r) +dhe−jhs,e+πσ2π Z0 −∞
ΛJ0 (Λa) hw
I0 (k̄a)(C.10)(C.11)と書く事ができる。
チェンバーの外側 (r > a + t) については Silver と Saunders の理論があって [69]、

Ṽ2
Ez =
2π

∫ ∞

(2)

H0 (Λr)sin hw −jhs
e
dh,
(2)
−∞ H0 (Λ(a + t)) hw∫(2)
βk Ṽ2 ∞H1 (Λr)sin hw −jhs
Hθ = jedh,(2)Z0 2π −∞ ΛH (Λ(a + t)) hw
0(C.12)(C.13)(2)と書く事ができる。但し、Hm (z) は第２種のハンケル関数、Ṽ2 は r = a + t（t はチェンバーの厚み）での電圧である。ここで、式 (C.12) は抵抗性インサートのある部分を除いてチェンバーの外側で零になっていることを指摘しておくことにする。これらの電圧 Ṽ1 、Ṽ2 は境界条件から決められる。

r < a の解と r > a + t の解をつなげるには、 r = a の場と r = a + t の場の関係を知る必要がある。ここで、図 C.1 が示すような１次元問題を考えることにする。つまり、厚みが t の壁が 自由空間にあるものとする。

(x < 0) の領域を 領域 I, (0 < x < t) の領域を領域 II (t < x < ∞) の領域を領域 III と呼ぶ事にする。ビームは領域 I を走っていて、 壁の内側 (x = 0) に場を誘起させる。その場を Ez (0) 、Hθ (0) と書く事にする。ここで抵⃗ が成り立っていると仮定すると、 領域 II でのマクスウェル方程式は抗性のパイプではオームの法則: ⃗j = σc E−

∂Ez(x) = −jkβZ0 Hθ (x),∂x()∂Hθ (x)kβϵ′= σc + j
Ez (x),∂xZ0(C.14)(C.15)と書かれる。ここで ϵ′は抵抗性パイプの非誘電率であるで、通常 式 (C.15) の第一項と比べて無視してよい。
解は、

√

(
)
kβϵ′
(
)
jkβZ
σ
+
j
x
jZ
kβ
sinh
0
c
0
Z0
kβϵ′
√
,
jkβZ0 σc + j
x + Hθ (0)
)
(
Z0
kβϵ′
jkβZ0 σc + j Z0
√
(
)
kβϵ′
Hθ (x) = Hθ (0) cosh jkβZ0 σc + j
x
Z0
√
√
(
)
(
)
′
′
jkβZ0 σc + j kβϵsinh
jkβZ0 σc + j kβϵ
x
Z0
Z0
,
+Ez (0)jZ0 kβ√Ez (x) = Ez (0) cosh(C.16)(C.17)のように書く事ができる。
式 (C.4) と (C.5) で与えられるチェンバーの外側の場と式 (C.12) と (C.13)) で与えられるチェンバーの外側の場は、式 (C.16) と (C.17) を通して連続でなくてはならない。 電圧 Ṽ1 は

r
“
” 
2γcZ0 I1 (k̄σ)e−jks 1+
jk2 σaI0 (k̄a)

 rṼ1 = −J +Y −π“”′
jkβZ0 σc +j kβϵZ0k2 β 2 w

k2 β 2 w tanh jkβZ0 σc +j kβϵ
Z0
r
“
”
kβϵ′
π jkβZ0 σc +j Z



k2 β 2 wJY

+
π

r
“
jkβZ0 σc +j kβϵ
Z

′

t



0

,
√
(
)
′
jkβZ0 σc + j kβϵt”  tanh
Z0′(C.18)0と解かれ、J 、 Y は

J=

1
2w

∫ ∞

∫ w
dh

−∞

dξ
−w

e−jh(z−ξ) J1 (Λa)
1
,Y = −ΛJ0 (Λa)
2w

∫ ∞

∫ w
dh

−∞

−w

e−jh(z−ξ) H1 (Λ(a + t)),(2)Λ
H (Λ(a + t))(2)dξ(C.19)

0と定義することにする。但し、z はマッチング点で − w < z < w を満たしていなくてはいけない。
式 (C.2) で与えられる Ez を r で平均すると、縦方向インピーダンスがもとまる。以下で与えられる条件√)(
k2 β 2 w2kβϵ′√t ≪ 1,(C.20)() tanh jkβZ0 σc + j Z′0
jkβZ0 σc + j kβϵwZ0はほとんどの場合満たされるので、インピーダンスはZL = −
Zinsert,L ≅jZ0kβπσ 2(1−)
2K0 (k̄a)I12 (k̄σ)− 2I1 (k̄σ)K1 (k̄σ) L + Zinsert,L ,I0 (k̄a)
4Z0 I12 (k̄σ)e−jksjβγσ 2 ak̄ 3 I02 (k̄a) J + Y −

π

r

”
“
′
jkβZ0 σc +j kβϵZ0k2 β 2 w

,
√
)
(
′
t
tanh jkβZ0 σc + j kβϵZ0(C.21)(C.22)

とかける。ここで L はインサートも含めたビームパイプの長さである。式 (C.21) の第一項が非相対論的な空間
電荷効果 [13]. 第２項 Zinsert,L が求めるべき結合インピーダンスである。
ベッセル関数の積分は留数積分を実行することで求められる。一方、ハンケル関数の積分は h = ±kβ に分岐点があるので、注意が必要である。最終的に、縦方向のインピーダンスは

4Z0 I12 (k̄σ)e−jksZL,insert =jβγσ 2 ak̄ 3 I02 (k̄a) Ypole + Ycut −

π

r
“
”
′
jkβZ0 σc +j kβϵZ0k2 β 2 w

,
√
(
)
′
tanh jkβZ0 σc + j kβϵt
Z0(C.23)と書かれる。但し、Ypole = −

bs
bs
∞
∑
πa(2 − e−j a (z+w) − ej a (z−w) )

wb2s

s=1

1
Ycut = −wπ(a + t)

∫ ∞
0

,

q
−j(z+w) k2 β 2 +(C.24)qj(z−w) k2 β 2 +ζζ(a+t)2(a+t)22−e−e2(1 − j)
(
)
dζ
≅ √
,
√
√
(1) j π(2) j πζkβw
22
ζ k β + (a+t)2 H0 (e 2 ζ)H0 (e 2 ζ)

(C.25)(1)2= −βs2 , j0,s は J0 (z) の s 番目の零点。 Hm (z) は第一種ハンケル関数。bs は、j0,s > kβab2s = k 2 β 2 a2 − j0,sに対して、 −jβs で与えられる。
横方向についても同様に求められて、

ZT,insert ≅ −但し、

jZ0 I1 (k̄rb )e−jks
),
√
0 σc
′
′
βγrb akI12 (k̄a) − π kjkβZtanh jkβZ0 σc t + Ypole+ Ycut2 β2 w((C.26)

√


b′
b′1,s
b
b1,s
−j 1,s′−j 1,sa (z+w) − ej a (z−w) )a (z+w) − ej a (z−w) )
)(2
−
e
πaJ
(j
πa(2
−
e
1
1,s
′
−

Ypole
=
+
′2 J ′′ (j ′ )wb21,sk 2 β 2 a2 wj1,s
1 1,s
s=1
∞
∑



d′1,0

(2)

−

d′1,0

πH1 (h′1,0 )(2 − e−j a+t (z+w) − ej a+t (z−w) )′′(2)

k 2 β 2 (a + t)wh′2
1,0 H1(h′1,0 )()(2)
H1 (h′1,0 )π(2 − e−jkβ(z+w) − ejkβ(z−w) )1+−,′′(2) ′
wk 2 β 2(a + t)h′2(h1,0 ) 2a
1,0 H1′Ycut=−

1π(a + t)w

dζ
0

dζ
0

q
ζ
j(z−w) k2 β 2 + (a+t)
2(2 − e−e)()(1) j π √(2) j π √ζ22
ζ k β + (a+t)2 H1 (e 2 ζ)H1 (e 2 ζ)q
ζ−j(z+w) k2 β 2 + (a+t)
2

∫ ∞
+

q
ζ
−j(z+w) k2 β 2 + (a+t)
2∫ ∞(C.27)(e−j(z+w)kβ + ej(z−w)kβ − eπ′(1)k 2 β 2 (a + t)πwζ 2 H1 (ej 2√qζ
j(z−w) k2 β 2 + (a+t)
2

−e

π√
′(2)
ζ)H1 (ej 2 ζ)

)

√
−j π
4
+ e−j(z+w)kβ + ej(z−w)kβ−2 + 4 1 + 2jkβw sinh−1 √e2kβw
1−1√≅ 4 tan √+,(C.28)2jkw
k 2 β 2 (a + t)2 1 + 2jkβw√√√′
2 , b′
2 β 2 a2 − j ′2 , d′kk 2 β 2 a2 − h′2b1,s = k 2 β 2 a2 − j1,s
=
=
1,s
1,0
1,s
1,0 , jn,s は Jn (z) の s 番目の零点、 j1,s は′(2)′2J1′ (z) の s 番目の零点, h′1,0 = 0.501184 + j0.643545 は H1 (z) の 0 番目の零点。b′1,s は j1,s
> k 2 β 2 a2 の時、√′2 − k 2 β 2 a2 になる。
−j j1,s

付 録D

縦方向の運動方程式

バンチしたビーム及びバンチ内の粒子の縦方向の運動はシンクロトロン運動と呼ばれる（前者をコヒーレント
な振動、後者をインコヒーレントな振動といって区別する場合もあるので注意が必要である。）。これに関する運動方程式を導くとき注意しなくてはいけないのは、円形加速器において、エネルギーの高い粒子ほど早くもとの位置にかえってくる訳ではないという事実である。それは、偏向磁場が一定のとき、運動量の大きい粒子は、より曲がりにくくなりそれだけながい距離を走るようになるからである。そこで、リングの周長 C と運動量 p の関係を示す式として、

δC
δp= αp ,
Cp(D.1)

を導入する。この αp を momentum compaction factor と呼ぶ。
では、粒子がリングを一周する時の粒子ごとの周期の違い δT は運動量によってどのように変わるのかをみることにすると、ビームがリングを一周する時間 T は

C
,
cβ

(D.2)

δC
C δβ
−
,
cβ
c β2

(D.3)

T =
と書けるから、δT =となる。また、p = mcβγ という関係式を使うと、

δβδp= γ2 .
p
β

(D.4)

δT
1 δp
δp
= (αp − 2 )
=η
= ηδ,
T
γ p
p

(D.5)

式 (D.1) と (D.4) を式 (D.3) に代入すると、が得られる。但し、δ ≡δp/p。この η を slippage factor と呼ぶ。η が負の時は、運動量が大きければ大きいほど速く帰ってきて、η が正の時は、運動量が大きければ大きいほど遅く帰って来ることが判る。
さて、加速と同期している同期粒子というのを考え、その粒子からのずれを τ で表すことにする。今、陳栄浩氏

[7] にならって τ が正の時に早くリングを一周する粒子だと定義することにすると、式 (D.2) と (D.5) を使って、
dτ
dT
δp
δ
=−
= −η
= −η ,
ds
C
pcβ
cβ

(D.6)

が得られる。
一方、粒子は加速されているので、同期している粒子からのずれによって得られるエネルギーも同期粒子とは異なる。今、同期している粒子は eV sin φs のエネルギーをもらうとすると、それから τ ずれている粒子は、

dδEeVeV cos(φs )hω0=[sin(φs − hω0 τ ) − sin φs ] ≅ −
τ,
ds
C
C

(D.7)

のエネルギーを一周ごとに獲得する。dp/p = dE/β 2 E の関係があるから、式 (D.7) はdδeV cos(φs )hω0=−τ,ds
β 2 EC(D.8)

d2 τ
1 eV cos(φs )hω0
νs0 2
=ητ ≡ −() τ,ds2cβ
β 2 ECR(D.9)と書き換えられる。
式 (D.6) と (D.8) を使うと、となり、シンクロトロンチューン:νs0 とシンクロトロン周波数: fs0 は

1
νs0 =
β

√

ηheV cos φs
−
,
2πE
√
c
ηheV cos φs
fs0 =
−
,
2πR
2πE

(D.10)(D.11)と書ける。η の符号によって、安定位相 φs が変わることがわかる。
又、式 (D.6) を使うと線形近似の範囲でバンチ長 (全長)τz = 2τ̂ は、

τz =

|η|cβ
δ̂,
f0 πνs0(D.12)と与えられる。但し、δ̂ はビームの運動量振幅。

D.1

シンクロトロン振動幅

ところで、シンクロトロン振動にはその非線形性からくる幅がある [70]。それを見るために、式 (D.7) と (D.8)に戻ることにする。すると、d2 τηω0 eV=−(sin(φs − hω0 τ ) − sin φs ),2dt
2πβ 2 E

(D.13)

となる。これを t で積分すると、

1 dτ 2 ηω0 eV( ) +τ (sin(φs − hω0 τ ) − sin φs ) = C0 ,2 dt
2πβ 2 E

(D.14)

が得られる。従って、√dτηω0 eV= ± 2C0 −τ (sin(φs − hω0 τ ) − sin φs ),dt
πβ 2 E(D.15)となる。
これの逆数がシンクロトロン周期 Ts であるので、∫ τmax
Ts =
τmin

dτ
√
,
ηω0 eV
2C0 − πβ 2 E τ (sin(φs − hω0 τ ) − sin φs )(D.16)となる。シンクロトロン周波数 fs はその逆数 1/Ts から求まる。ここで、τmin と τmax は

2C0 −ηω0 eVτ (sin(φs − hω0 τ ) − sin φs ) = 0,πβ 2 E(D.17)の解として求まる。一方、C0 に関しては、τmax −τmin = τz となるように決める。但し、τz はバンチの全長。

付 録E

ビームを点電荷と思った時の横方向のマル
チバンチモード

M 個のバンチが M 個のバケツに詰まっている状況を考える。この場合、バンチのインデックス n は 0 から
M − 1 まで走ることになる。n 番目のバンチに対する運動方程式は、
∞ M
−1
∑
∑
cIc
n′ − nn′ − n
d2 yn
2
+
ω
y
=
W1 (kC +C)yn′ (t − kT0 −
T0 ),
β0 n
2
dt
M βE0 /e
M
M
′

(E.1)

k=−∞ n =0と書かれる。ここで、C = βcT0 はリングの周長, Ic = eN M/T0 はビームの平均電流, W1 は横方向のウェイク
関数, E0 は粒子のエネルギー、 ωβ0 は非摂動のベータトロン振動数である。yn として

yn = ỹn ejΩt ,(E.2)

を仮定すると、式は

(−Ω

2

2
)ỹn ≅
+ ωβ0

∞ M
−1
∑
∑
(n′ −n)cIbn′ − nW1 (kC +C)e−jωβ kT0 ỹn′ e−j M ωβ T0 ,M βE0 /e
M
′

(E.3)

k=−∞ n =0と書ける。この式 (E.1) は、行列形式では







Mf · 






ỹ0
ỹ1
..
.






 = 0,





(E.4)

ỹM −1と書き換えられる。但し、Mf は


cIb

P∞

W1 (kC)e−jωβ kT0

k=−∞
2
−
−Ω2 + ωβ0
M βE0 /e

(M
−1)ω
T
β 0 P

(M −1)C∞M
W)e−jωβ kT0
 cIb e−j
1 (kC+k=−∞M −M βE0 /e


..

.


ωβ T0 P−jωβ kT0
−j
∞
C
M
cIb e
k=−∞ W1 (kC+ M )e−
M βE0 /e

···
..

.

−
−

(M −1)ωβ T0
M
cIb e−jP∞(M −2)ωβ T0
MP∞

k=−∞ W1 (kC+(M −1)C)e−jωβ kT0
M

M βE0 /ecIb e−j

(M −2)C)e−jωβ kT0
k=−∞ W1 (kC+M

M βE0 /e

..
.

···
···

Mf =


2
−Ω2 + ωβ0
−

cIb

P∞

k=−∞ W1 (kC)e−jωβ kT0






,






M βE0 /e(E.5)

で与えられる。式 (E.4) がノントリビアルな解をもつには、 行列式 det(Mf ) が零にならなくてはならない。行
列 Mf は巡環型なので、 固有モードはM−1∞∑
ωβ0 T0 n ∑2πµn
cIbnC −jωβ kT0)ee−j M −j M
W1 (kC +2ωβ0 M βE0 /e n=0
M
k=0
(M −1
)
∞
∞
∑
∑
ωβ0 T0 n ∑
2πµn
cIb
nC
= ωβ +
e−j M −j M
W1 (kC +)e−jωβ kT0 +W1 (kC)e−jωβ kT0 ,2ωβ0 M βE0 /e n=1
MΩ(µ) = ωβ +

k=0

2πµn

と解かれ、固有関数は e−j M

k=1と解かれる。ここで、s ≤ 0 に対して、W1 (s) = 0 を使った。

(E.6)

関連図書

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Report 2002-13, JAERI-Tech 20003-044, (2003);http://j-parc.jp/[2] E. Keil and W. Schnell, CERN Report TH-RF/69-48, (1969)[3] V. K. Neil and A. M. Sessler, Rev. Sci. Instr. 36, 429, (1965).
[4] A. A. Vlasov, J. Phys.(Moscow) 9, 25, (1945)[5] A. W. Chao, Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators, (Wiley, New York,
1993).
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