Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

ACCELERATION TEST WITH MIXED HIGHHER HARMONICS IN
HIMAC
M.Kanazawa1,A), A.SugiuraA) , T.MisuA) , T.UesugiA), K.NodaA), C.OhmoriB), A.TakagiB),Y.ShirakabeB),
M.YoshiiB),Y.Mori B), M.KawashimaC )A)
National Institute of Radiological Sciences
4-9-1 Anagawa, Inage-ku, Chiba, 263-8555
B)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, JapanC)
AEC, 2-13-1 Konakadai, Inage-ku, Chiba 263-0043, JapanAbstract
In HIMAC synchrotron, beam tests with a magnetic ally loaded cavity have been performed. This cavity has very
low Q-value of about 0.5, and can be added higher harmonics with fundamental acceleration frequency. In ourtested system for higher harmonics, wave form of a DDS (Direct Digital Synthesizer) can be rewrite, and arbitrary
wave form can be used for beam acceleration. In the beam test, second and third harmonic wave were added on thefundamental acceleration frequency, and increases of the accelerated beam intensity have been achieved. In thispaper, results of the beam test and the acceleration system are presented.

HIMACシンクロトロンでの高調波を混入した加速テスト
調波の振幅と位相を、最適に調整出来れば、それ以外の周波数領域で最適値からずれても、加速のビーシンクロトロンでのビーム強度を制限するものとム強度増加の目的が達成される可能性を持つ。そこして空間電荷効果がある。この効果は現在建設が進で今回、ビーム実験では高調波をデジタルシンセサめられている大強度陽子シンクロトロンで大きい事イザーの波形データそのものに加えることで行った。
は良く知られている。一方、現在設計研究が進めら
この場合、シンセサイザーから出力される高調波はれている、重粒子線を使ったガン治療専用のシンクその位相と振幅が一定で、これらの値をビームロスロトロンにおいても、大きな効果を持つと思われる。 に最も効く周波数領域で最適になるように調整する
これは、ガン治療専用ということから、可能な限りことになる。このような制約条件は有るが、高調波コンパクトなシンクロトロンの設計をすることからを基本波に混ぜる時に、特別のハード的な制御がいくる。又、入射器の線形加速器を小さくするために、 らず、混ぜる高調波の数の制約も小さくなる。又、リングへの入射エネルギーも出来るだけ低く設計す制御システムが単純であり、出来るだけコストを抑る事からさらに大きくなる。この空間電荷効果制限
えたいガン治療専用のシンクロトロンでは重要な要を緩和するために、最適なワーキングポイントを探素である。そこで、このように単純なシステムでどしたり、ビームサイズをわざと大きくしたりと、いの程度ビーム強度の増加が得られるかテストするた
くつかの対策が考えられる。一方加速システムでは、 めに HIMAC のシンクロトロンでビーム実験を行う事このような空間電荷効果による制限の緩和策として、 にした。
ビーム加速で高調波を混入する方法がある。この高調波の混入によりバンチングファクターを下げ、空間電荷密度の最大値を下げて、リング内のビーム強２．制御システム度を上げようというものである。これを実現するた
めに、無同調加速空洞は同一の加速空洞に加速のための基本波と共に、高調波も加える事が出来るので、 2.1 パターンメモリーハイパワーシステムが単純に出来るメリットがある。
又、今回の様にキャプチャー周波数が１ MHz で、空パターンメモリーは HIMAC でビームテストが行洞のインピーダンスの最大値が２ MHz で、高周波数えるように現有のシステムと同じ同期信号を受けて側でゆっくり小さくなっているような無同調加速空動作出来る様になっている。ただし、現行の 0.2 ガ洞では、２次及び３次の高調波が小さな高周波パウスクロックより細かい方がエミッタンスの増大をワーで作れるというメリットもある。しかも空間電起こさない事がわかっているので[1]、0.2 ガウスク
荷効果が強く効くのは、高調波が入れやすい加速初ロックより細かい磁場のクロックを受け取れるよう期である。つまり、この加速初期の周波数領域で高１．はじめに

1

E-mail: kanazawa@nirs.go.jp

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670mm で、厚さ 26mm のものを加速ギャップを挟んで左に１ MHz のクロックレートでの動作が出来るよう右２枚ずつ、合計４枚使っている。コアの冷却は直接水にしてある。又、周波数データを表すビット数もこにつける方式を取っており、コアが冷却水との反応で酸れまでの 20 ビットから 24 ビットにしてよりスムー化しないように BT レジン等でコアをカバーしてある。
ズな周波数掃引が出来るようにしてある。パターン
キャビティーの長さは４０ cm で、インピーダンスは図３の長さとしては、このクロックレートでも１秒程度に示すように２ MHz 付近でピークを持ち、最大値は４０の加速周波数のパターンが出来るように６ MB の長０Ωである。この空洞は 4CW30,000A を２つ使ったプッさを持っている。ただし、今回の実際の実験では現シュプルで駆動され、１から６ＭＨｚで３ｋＶを出せる
有のものと同じ 0.2 ガウスクロックを使って実験をようになっている[3][4]。このキャビティーで２次高調波行った。B クロック発生器としては、前回の会議で報告した、改良されたものを使って実験を行った[2]。 を 入 れ る 場 合 、 空 間 電 荷 効 果 が 重 要 な の は 、 キ ャ プ
チャーから加速初期である。HIMAC の場合キャプチャー
パターンデータの変更は HIMAC の制御とは独立に出来るように、同じ VME バスに PC ボードをおき、 の基本周波数は１ MHz であり、２次高調波を入れる場合、加速初期の２ MHz 付近で正しくいれられれば良く、このここの Windows システムからパターン生成、変更
空洞はインピーダンスのピークを２ MHz に持つので、小が出来るようにした。
さい高周波パワーで必要な２次高調波が入れられる。

2.2 デジタルシンセサイザー
パターンメモリーからの 24 ビットの周波数データを受けて高周波のアナログ信号を出力する。ブロックダイアグラムを図１に示すが、高調波の入った高周波信号を調整して出力出来るように、ROM の波形データは PC のシリアルポートから書き込み可能にした。
振幅
位相アドレス
LPF
演算アドレス

ROM
(波形)

DAC

LPF

周波数RFout

図２ 実験で使った無同調高周波加速空洞。空洞の後ろが push-pull の高周波増幅器で、ドライバーアンプ及び真空管の電源は別の部屋に設置してある。

ＲＦ波形

500.00400.00

図１

re̲data02

300.00

デジタルシンセサイザーのブロックダイアグラ

im̲data02

200.00ム

magnitude̲data02

100.00内部クロックには 40MHz を使い、出力部のローパスフィルターの周波数は 10MHz にしてある。最大出力は＋10dBm で、振幅は外部デジタル信号により制御出来るが、実験では一定値（最大出力）で使用し、別途外部に振幅制御用のアナログ波形発生器とダブルバランストミキサーにより高周波振幅の制御をおこなった。このデジタルシンセサイザーは任意の波形を出力して加速出来るが、実際のビーム試験では３次までの高調波を入れて行った。

現状のアンプ帯域

0.00-100.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

-200.00-300.00

図３ 無同調高周波加速空洞のシャントインピーダン
スの周波数依存性。絶対値を実線で示す以外、実数部と虚数部も示す。

４．ビーム試験
３．高周波加速空洞ビーム試験は炭素（C 6+）イオンを入射エネルギー（６ MeV/u）から 100MeV/u まで加速する運転で行った。この場合の加速周波数（基本波）は加速には、図２に示す、金属磁性体を使った無同調高1.04MHz から 3.98MHz まで掃引する。運転周期は周波空洞を使った。金属磁性体の内径は 305mm, 外径は439

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3.3 秒で、加速の時間はスムージング区間（フラットベースから、及びフラットトップへのスムージングにそれぞれ 60ms 使っている）を入れて 740ms とした。実験では前もって HIMAC シンクロトロンを調整して、出来るだけ加速されるビーム強度が大きくなるように調整した。その結果、基本波だけで2.1 × 1010 個 （ リ ン グ に 入 っ て い る 粒 子 数 ） を100MeV/u まで加速出来る状態で、高調波を加える実験を開始した。加速されるビーム強度が大きくなるようにシンセサイザー出力の振幅及び位相を調整して得られたバンチ波形データを図４−１，２，３に示す。波形データのタイミングは、波形の違いが見やすいフラットベースのところでのものを示す。
確かに高調波を使う事によりバンチ幅が広くなり、空間電荷効果を緩和していることがわかる。表１にバンチ幅のデータとともに加速されたビーム強度を示したが、３次までの高調波を加える事により、約

表１ビーム試験の結果

基本波のみ ＋２次

２次、３次

38%

38%
14%

152°104°

200°
114°

200°
119°

100%

137%

143%

２次割合
３次割合
バンチ巾（ＦＷＨＭ）
フラットベース
加速後８０ms
ビーム強度（基本波に対して）５．まとめ

４０％の強度向上が得られた。
図４−１ 基本波のみで高周波捕獲した場合のバンチ波形（上）。下は加速ギャップの電圧波形。0.4µs/div.

無同調高周波加速空洞の特徴を生かして、高調波を基本波に加えてビーム加速を行い、加速されるビーム強度を上げる試験を行った。特に今回のシステムの特徴は、デジタルシンセサイザーが持つ波形データそのものを、通常のsin波ではなく、高調波の位相と振幅を調整した高調波が混じったデータを使った点にある。これにより高周波制御システムが複雑になるのを避けた。実験ではこのように単純な方式で高調波を加えた加速システムで、ビーム強度の向上が得られることを確認できた。

６．謝辞
この実験はHIMAC共同利用実験としておこなはれた。又、加速器の運転に関してはAECのオペレーターグループに大いにお世話になったことを感謝する。
図４−２

基本波に２次高調波を加えた場合

参考文献[1] M.Kanazawa, et al.,“HIMAC RF system with a digitalsynthesizer”, NIM A 443(2000)205-214[2] C. Ohmori, et al., “Beam Diagnostics using A
Chopped Beam” , to be published NIM A[3] Y. Sato, et al., “WIDE-BAND PUSH-PULL

図４−３

AMPLIFIER FOR HIGH GRADIENT CAVITY”
Proceedings of the 1999 PAC, N.Y., (1999)1007.
[4] C. Ohmori, et al., “HIGH FIELD-GRADIENTCAVITIES
LOADEDWITHMAGNETIC
ALLOYS FOR SYNCHROTRONS” Proceedings ofthe 1999 PAC, N.Y., (1999)1007

基本波に２次と３次高調波を加えた場合。

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