REVIEW OF CW ELECTRON ACCELERATOR PROPOSALS.

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Institute for Nuclear Study,University of Tokyo
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ABSTRACT
Proposals to provide CW electron beam with an energy of multi -Gev are re ~viewed*Technical probrems in constructing multi~GeV CW electron accelerator

are discussed based upon the report of DOE/NSF study group in U.S.A*.

К はじめに原子核物理学の実験にとって、ハドロンビームと電子（光子)ビームの両方が必要であることは、よく知られている。 日本でも、いくつかの原子核物理学の将来計画があるが、その中には両種の加速器計画が含まれている。米国では原子核の研究計画を策定し、投資を決定するため、DOE(Department of Energy) 及びNSF(National Science Founda­tion) のもとにNSAC (Nuclear Science Advisory Committee)が設けられ、 この 5 年間、精力的な活動を続けてきた。そして、 この4 月、 4 G e V のCW電手加速器を擁するNational

Electron Accelerator Laboratory(NEAL) の新設をNSF ノ DOE に勧告した。加速器にИ2Мドル、実験装置に35М ドル、年間経費17М ドルを要する計画で、新藺報道によれば、1985会計年度からスダートするものとされているо
よく知られているように、高 エ ネ ル ギ ー の CW電子 ビーム を 得るための手段として二つの方法が提唱されている。一つは大強度ライナックとパルスストレッチヤーリングの組合せであり、他は、マイク口トロンである。 ライナック技術の観点からすると、前者ではライナックでのビ ー ム の リ サ ー キ ュ レーションが採用される傾向にあること、後者ではCW ライナックが用いられること、が特徵的であるо 日本でも、東北^:のライナック--ストレッチヤー計画と日大のマ イ ク о トロン計画は、 ここ数年のライナック研究会のテーマの一つになっているところである。
米国で “Endorse'

された計画は、SURA (Southeastern Universities Research Ass оciation) の提唱するリサーキュレーションライナックとパルスストレッチヤーを組合せた方法であり、Argonne のマイクロトロン計画を含む他の四つのプロボ一ザルを退けたのである。NSACがSURAのブロポ一ザルに軍配を上げるまでには、それぞれのプロボ一ザルの技術的問題点につき、Subcommitteeが綿密な検討を行った。そこでの議論は、 日本で計画を進めるうえで、非常に参考になると思われるので、主要な論点を概観してみたい。
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2 . 米国の動向
1977年にDOE / N S F のStudy Group(いわゆるLivingston パネル) が勧告したのは、次ぎのような極めて強力な性能を持つ電子加速器© 建設であった。 （1 ) エネルギー 1〜
一

169 —

2GeV、 ( 2 ) デューティサイクル〜 100%、 ( 3 ) 平 均 電 流 100パA 以上、 ( 4 ) エネル
ギ一を独立に選べる複数のビームが同時に得られること。 （4 ) は、 この加速器をNational Facility として機能させるための条件である。 この勧告に対応して、五組の大学、研究所がDesign Study を開始した。 ところが、1982年、NSACのSubco_ittee (Barnesパネル） は、核子一中間子的描像から、コーク一グルーオン的描像への遷移領域を研究するためには、エネルギーが4 G e V 以上の電子加速器を必要とする、 との強い勧告を提出した。
加速器設計グループは、 この勧告にまともに対応して、 4 G e V のデザインを行ったどごろもあったし、種々の事情で、十分対応出来ないグループあった。 とにかく、今 年 1 月、ブロポー ザルを審査するために設けられたNSACのSubcommittee (Schifferパネル)のもとへ提出された計画は、次のようなものであった。

A. Argonne National Laboratory
Hexatron шісгрtron fed by race track microtron
Race Track Microtron(27 Orbits s185MeV )Multi -Sided Micro tron C£Hexatron 55 (37 Orbits 5500-4000MeV)
Duty Cycle :100%

Current : 300 パA\加 速 管 ：On-axis coupled, L2cm aperture，
4* 5m (RTM ) ，
3x 25mRF(MSM ): 2.40GHzHs 78x 50kW CW klystron (Thompson/CSF TH-2075 )B. University of Illinois
3 -Stage cascade race track microiron
Race Track Microtron

I(17 Orbits ,22MeV)

同П(29 Orbits同Ш(80 Orbits ,750MeV )Duty Cycle :100%,s83 -183MeV )Current :100

加 速 管 ：0n-axis coupled ，1.4cm aperture

L O m (RTM I ) ,5* 9m
R F(RTM П) } 8*8m (RTM 1): 2.45GHz ，10x50kWCW klystron(Thompson/CSF TH-2075 )C. Massachusetts Institute of Technology
Linac recirculator and pulse stretcher ringPhase I

2 Recirculations, 50-1000MeV

Phase

П

5 Recirculations, 50‘
2000MeVPhaseШ

5 Recirculations, 50-4000MeV

Duty Cycle : 80%,

Current :140

加 速管 ：Traveling Wave (2n/3,approx •const* grad* ) , 2.0cm aperture

160m (Phases I ， П) ,270m
R F(Phase Ш)：2.856GHz,12-21x5*3MW pk.lOOkW av.klystrons(Varian VAV-938)

D* National Bureau of Standards
2 -Stage cascade race track microtron
Race Track Microtron
同I(16 Orbi tss15-200MeV )П(87 Orbits,200 -ЮООМеѴ)一170 -Duty Cycle :100H,

Current : 300

PA

加 速 管 ：Side-coupled (L賴L製 ) ，1,0cm aperture, 8ffl (R膽 I n 奶R F：2.856GHz, 2x500kW CWklystrons(Varian VKS-8270 )E, Southeastern Universities Research Association
L inac rec ircu1a tor arid pulse stretcher ringSingle-pass recirculator
Duty Cycle :>90%,500 -4150MeV

Current :120

Mk：240 ДA(Phase I )(Phase П)

加 速 管 ：Traveling Wave (2 ^ / 3 ，const*grad. ) ，2*0cm aperture

R F: 2*856GHzs 40x40MW -peakklystrons, 46kW av.

(Phase Гft )128kW av.

(Phase IB )92kW av.

(Phase П )以上の内、 4 G e V のエネルギーが得られるように、デザインが完結しているものとして、傾L とSURAの計画にしぼられ、 この内、実現性の高いデザインによ圣SURAのプロポーザ
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3.

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：：C W 電子加速器の技術的問題点

ライナック— ノマルスストレッチヤー
この方式は、典型的には、 1 k H z で運転され、1000/is 毎 に 20程度のビーム入射時間を持つサイクルを繰り返す。 ライホックビ， ムのリサーキュレーションを行うと、 ライナックの R F の/ずルス巾は、数 // s 必要でありぐ強大な平均出力を持つクライストロンが必要となるоまた、 K head-to - t a i l мリサーキュレーションを行ねせる際のBBU (Beam Breakup) も検討しなければならない。数 GeV領 域 で は Radiation Dumping Time が县いので、入射ビ一ムの性質はビーム取り出し時まで保存される。従ってライナックビームは、その特性が良くなければならない。取り出しビームは、マクロなTime Structureを持つと予想されるので、取り出し系になんらかのフィードバックが必要であろう。ストレッチャーリングでのビームインスタビリティは、ストレッジリングでの経験があるとはいえ、Multibunch Instabilityが問題とならないか等、未知の部分がある。 この方式の弱点は、 ビ ー ム の エネルギーを変えるのにライナックとストレッチャーの両方を調整せねばならず、同時には一種類のビームエネルギーでしか運転できないことである。县所としては何といっても既存の技術ないしはその延县で実現できると考えられることである。
マイ クロ トロ ン

基本的には一つないし複数個のCW ライナックをビームトランスポート系でつないだようなもので、技術的問題はこの両者に付随するものに等しい。 ライナックは加速勾配を大きくとれないので、できるだけシャントインピーダンスを高くしたい。そのためにはRFの周波数を高くとる必要があり、Beam B o r e も小さくなる。すると加速高周波に対するバンチの位相の安定性、加速構造のなかでの横方向Ы — ム位置の安定性を保障するためにビームトランスポート系に要請される精度が厳しくなる。 ビームが加速器の中に留まる時間はス
トレッジリングに比べて極端に短いので、ストレッジリングにおけるようなビームインス

タ ビ リ テ イとは 無縁である。そのかわり、 ライナックでのCmifwlativeおよびRegenerativeB B U が深刻な問題になる。Multi -GeVマ イ ク ロ トロンではシンクロトロン放射における量子的ゆらぎが問題であって、ビームのエミッタンスおよび加速管© 内径に制限を与える。

200MeV以下では、いわゆるレ ー ス ト ラ ッ ク 型マイク ロトロンの実績がMainz,Illinois,N B S 等で積まれているが、Multi -Gevの場合、必要な位置精度および磁場精度を満たすことができるかどうかが重要な検討課題である。マイクロトоンからのビームはマクtiなれme Structure が ス ム ー ス で あるし、エネルギーの異なる複数のビームを同時に取り出す事ができるので、実現すれば理想的なCW加速器といえる。

4 . 米国のプ ロ ポ ー ザ ル に みる問題点■A N L
使用予定のトムソンのクライストロンは効率6 2 % ，寿命20,000時間以上が実証されている。加速管の内径が1, 2 cm しかないことは、 ビームが当たった時の被害を考えると、防護用の コ リ メ ー タ ー を 置くか、別にSide-coupledの加速管を開発した方がよい。問題はなんといってもHexatronの六個のセクタ一マグネットであって、磁場精度10000 分の1，位置精度100 # m ，角度精度400 "radian という値を周囲温度の変化、地盤の安定化の過程で保てるかは実証を待たねばならない。 このような加速器はコ ン ト п— ル系を完備することが不可欠である。

I 1 І i n о i s
トムソンのクライストロンTH-2075 の 電 源 （25kV，3.2A ) の設計は性能の点でも価格の点でも重要である。使用予定のMainz 型加速管は実証済みであるが、新しい加速管が開発されれば加速勾配を1MVよりは上げられるだろう。

МIТ
バリアンのク ラ イ ス ト ンVA-938はMTBFが60, 0 0 0 時 間 以上で優秀な球である。ストレッチャーのRFの周波数がラ イ ナ ッ ク と 同じ2856MHz である点はインス タ ビリティを招きやすいо

NBS
バリアンの500kW ク ラ イ ス ト 口 ンVKS -8270 は信頼性が確立していないしハイパワーの移相器がいる。現在建設中のSTAGE -1でB B U のしきい値がわかるだろう。

SURA
ピーク出力40MW，パルス巾3.2 "s, 繰り返し1kHzのクライストпンの開発には予想以上の時間と金がかかる。従って当初はSLACの平均出力46kWの球で平均ビーム電流120程度をめざすのがよい。
参 考 文 献 1 ) The Role of Electron Accelerators in U* S. Medium Energy Nucl earScience,December 1977

DOE /NSF Study Group2) Report of the Panel on Electron Accelerator Facilities
April 1983

DOE /NSF Nuclear Science Advisory Committee