Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP004

自動サイクロトロン共鳴加速法を用いた陽子加速器のテストベンチ開発状況
STATUS OF THE DEVELOPMENT OF A TESTBENCH FOR THE CYCLOTRONAUTORESONANT ACCELERATOR原隆文 ∗,A) , 福田光宏 A) , 神田浩樹 A) , 依田哲彦 A) , 武田佳次朗 A) , 荘俊謙 A) , 篠塚勉 B) , 伊藤正俊 B) ,倉島俊 C) , 宮脇信正 C) , 涌井崇 D) , 中尾政夫 E) , 松田洋平 F)
Takafumi Hara ∗ , A) , Mitsuhiro Fukuda A) , Hiroki Kanda A) , Tetsuhiko Yorita A) , Keijiro Takeda A) ,Tsun Him Chong A) , Tsutomu Shinozuka B) , Masatoshi Ito B) , Satoshi Kurashima C) ,Nobumasa Miyawakki C) , Takahi Wakui D) , Masao Nakao E) , Yohei Matsuda F)A)
Research center for Nuclear Physics,Osaka Universty
B)
Cyclotron and Radioisotope Center, Tohoku UniversityC)
Takasaki Advanced Radiation Reserch Institute, National Institutes for Quantum Science and TechnologyD)
Institutefoor Quantum Life Science, National Institutes for Quantum Science and TechnologyE)
Gunma University Heavy Ion Medical CeanterF)
Konan Univercsty

Abstract
We have been developing the proton Cyclotron AutoResonance Accelerator (CARA). A test bench is developed todemonstrate the acceleration of electron beams with a single RF cavity and a solenoid magnetic field, which is similar
to the protonCARA. The test bench consist permanent magnet used 2.45 GHz ECR ion source of RCNP and cavity andelectron gun.We simulated electric field of permanent magnet and electric field in RF cavity by Finte Element Method(FEM) simulation codes. Then we simulated electron orbit in the electric field and magnetic field by simulated FEM codeby OPAL. The simulation showed electron accelerate from 3 kev to 18 keV by the test bench.
ることができる。つまり、磁場が大きくなれば、導波管（共振空洞）を小さくすることができ、加速器自自動サイクロトン共鳴加速法は、ソレノイド磁場 体の小型化につながる。そのため、磁束密度を (できと回転型高周波電場を用いた加速器である。自動サ る限り) 大きくし、かつ実現可能な範囲に設定するとイクロトロン共鳴加速法は粒子を回転型電場に対し 十 T 級の磁束密度が必要になる。また、[1, 2] では電て垂直で入射することで、荷電粒子は高周波電場の 子の加速に進行波の TE11 モードを使って加速をし位相に関係なく、ヘリカル状の軌道を描きながら、高 ているが、陽子の加速では、定在波の TE111 モード
周波電場と共鳴状態を維持したまま常に加速され続 を用いて加速することで共振空洞内の電場を大きくける。そのため、時間的に連続したビームを、高周波 し加速効率を上げることで、短い距離でより加速す電場の入力パワーに対して高い効率で加速すること ることができるようになる。この時、陽子の加速にができる [1, 2]。自動サイクロトロン共鳴加速法を陽 必要な高周波電場の周波数は数百 MHz オーダーと子に応用することで、よりコンパクトで高いエネル なり、共振空洞の大きさも 1~2 m の範囲に抑えるこ
ギー効率の陽子加速器を実現することができると考 とができる。しかし、自動サイクロトロン共鳴加速えられる。大阪大学核物理研究センターでは、自動 法の加速器の実例が少なく、特殊な回転する電場がサイクロトロン共鳴加速法を用いた陽子加速器の実 必要であることと、10 T 級の強い磁場が必要となる現を目標に、陽子加速のためのパラメーターの設定 ことから、スケールダウンした電子のテストベンチやシミュレーションソフトを用いた電磁場計算、軌 の作成を行い、回転する高周波電場を発生させる機
道計算等を行い陽子加速の可能性を模索してきた。 構の開発や、ビームの引き出し、高周波パワーのエ荷電粒子がサイクロトロン共鳴する条件は、磁場の ネルギー伝達効率などのデータの収集を行い、開発強さを b, 粒子の質量を m、電荷を q 、電場の周波数 予定の陽子加速の性能の評価を行う。本稿では、テストベンチの全体像について説明したのち、磁場のを f とすると形成、加速電場の形成、軌道計算についての報告をqB
f=(1) 行う。
m1.

はじめにで表すことができる。
2 . テストベンチの概要
粒子を加速する導波管及び共振空洞の大きさは,テストベンチによる電子の加速試験で明らかにす
高周波電場の波長に依存しており、周波数が大きくることは次の二つである。
なれば導波管（共振空洞）は小さくなる。式 1 より、磁場を大きくすれば高周波電場の周波数を大きくす• 進行波の TE11 モードではなく定在波の TE111
モードで加速したときのエネルギー効率はどの∗ takafumi@rcnp.osaka-u.ac.jp
ようであるのか- 511 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of JapanOctober 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP004• 加速された電子のエネルギーを実測する
テストベンチは、電子を発生させるための電子銃と、RCNP の 2.45 GHz ECR イオン源用永久磁石と TE111モードを励振させるための共振空洞から構成されている (Fig. 1)。電子銃は、最大 5 kV まで印加することができ、ビーム径 1 mm のビームを入射することができる。入射された電子は、導波管を通過したあと共振空洞で加速さる。加速された電子のエネルギーは、①下流にある蛍光窓に照射し、蛍光部分の半径と磁束密度から測定する方法と、②蛍光窓を金属窓に取り換えて、電子を照射させることで発生する X線のエネルギーを測定することで調べる方法の 2 種類の方法を検討している。

Figure 3: The alignment of permanent magnets and steel
disks and magnet field.

4.
Figure 1: The schematic of CARA testbench.

3.

磁場の形成

磁場の形成は、核物理研究センターで ECR イオン源用に使用している永久磁石を使用する。永久磁石
は高さ 34 mm, 軸方向の長さ 50 ㎜の磁石を同一円周上にならべたものを２つと、高さ 34 mm, 軸方向の長さ 60 ㎜の磁石を同一円周上にならべたものを 1 つ使用する (Fig. 2)。磁場の設計には OPERA3D-TOSCAを使用した [3]。形成する磁場は、共振空洞を全体を覆うよう軸方向に 100 mm 以上の範囲で、電子が2.45 GHz での共鳴点を持つ 875 G の平坦な磁場を設計する。永久磁石だけでは目的とする磁場を形成できなかったため鉄材を使って調整することで目的とする磁場を形成することができた。その時の永久磁石と鉄材の配置と磁場分布を Fig. 3 に示す。

加速電場の形成

電場を励振させるために使用する、マイクロ波増幅器は varian 社の VZS-693G1 を使用する。VZS-6953G1
は周波数を 2~ 4 GHz の範囲で変化させることができ、最大で 200 W のパワーを入力することができる。
共振空洞の上流部は導波管と共振空洞をインピーダンス整合させるために ridged transformer の構造をとっている。共振空洞の設計は ASYS HFSS [4] を使用した。空洞の内径が 85 mm、長さが 117.1 mm のとき、2.447 GHz の周波数のときインピーダンスマッチングする (Fig. 4)。2.447 GHz で 200 W のパワーを入力したときに励振する電場の様子を Fig. 5 に示す。

Figure 4: smithchart of RF cavity

Figure 2: The schematic of permanent magnet

5.

軌道計算

この章では、テストベンチの軌道系算を行った。軌
道計算はシミュレーションコードの OPAL [5] を用い- 512 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 5: Electric field of 2.447 GHz,200 W input powwer.
Figure 7: Plot of Electron Energy.て行った。加速するビームは直径 1 mm の電子ビームとして、加速電場と磁場はそれぞれ section 3, 4 で扱った計算結果を用いた。Figure 1 の示すように、電子銃から射出された電子は、導波管と ridged transformerの部分を通過しなければならない。導波管と ridgedtransformer 部分には定在波が励振している。また、電子が共振空にし入する際に永久磁石の漏れ磁場の影響を受ける。そのため、共振空洞から 150 mm離れたところから電子を入射し、導波管と ridgedtransformer 部分での電場と永久磁石の漏れ磁場の影響を考慮した計算を行った。電子を 3 keV、として共振空洞内の最大電場が 0.2 MV/m としたとき、18keVまで加速することができることが分かった。またこの電子の軌道半径は 4 mm である。電子の軌道の様子を Fig. 6, エネルギーの変化を Fig. 7 に示す。の開発と加速試験を計画している。テストベンチは磁場を発生させる磁石と、加速電場と電子銃からなり磁場は 2.45 GHz ECR イオン源に使われている永久磁石を用いて加速に必要な磁場を形成する。共振空洞を新たに作成し、2.447 GHz のとき 200 W 出力で最大電場 0.4 MV/m の TE111 モードの高周波電場が励振することがシミュレーションによりわかった。シミュレーションにより得られた、電場と磁場を使って、より現実に即した軌道計算を行い、3 keV の電子を 18 keV まで加速することが分かった。今後、テストベンチによる電子の加速試験を行い陽子加速実現への足掛かりとする。

謝辞
本研究は JSPS 特別研究員奨励費 22J13951 及びJPS 科研費 21K12537 の助成を受けたものです。

参考文献[1] B. Hafizi et al., “Electron beam quality in a cyclotron autoresonat accelerator”, Phys. Rev. E 50,3077,(1994).
[2] M.A. LaPoint et al.,”Experimental Demonstration of High
Efficiency Electron Cyclotron Autoresonance Acceleration”,Phys. Rev. Lette76, 2718(1996).
[3] L. Koppers et al.,”tosca:TOOLS for Statistical Content Analysis”(2021)[4] http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/[5] Adelmanet al.,”OPAL a Versatile Toll for Charged particle
Accelerator Simulation”(2019)

Figure 6: Plot of Electron orbit.

6.

まとめ

大阪大学核物理研究センターでは、自動サイクロ
トロン共鳴加速法を用いた陽子加速器の開発を進めており、その前段階として電子によるテストベンチ- 513 -