DOUBLE-SIDED MICROTRON AT NIHON UNIVERSITY

K. Hayakawa
Atomic Energy Research Institute, Nihon University
Narashinodai 7—24— 1 Funabashi 274
ABSTRACT
Construction of the 35 MeV cw double-sided licrotron (DSM) at Nihon University5
was started at1984

andcompletedin the spring of 1989. This

structed as a prototype of a 1 GeV Machine for a medicallicrotron

was con­pion facility2 andthe test

accelerator for the FEL and other applications.
The

MeV electron beai froi an injector linac is injected to the DSM. Theenergy gain is 6 MeV per turn. After recirculated 5 times ， the electron beai with
34.5 MeV is extracted at the final short straight section. The DAff3 structrure is used
for all the accelerating tubes including the injector linac.

Total rf power of 200 kW

is provided by four 50 kff klystrons of 2450 MHz.
日大ダブルサイデッドマイクロトロン

1 • はじめに
自 由 電 子 レ ー ザ ー 発 振 用 及 び 大 型 （1 G e V ) 電子加速器 のプ ロトタ イプ として 1 9 8 4 年 ~1 9 8 9 年 に 3 5 M e V ダブ ル サイ デッ ド マイ クロ トロ ン（D S M ) を建設した。
自由電子レーザーの発振ためには、低エミッタンス、大電流かつ長いパルス幅あるいは c w の電 子 ビームが必要とされる。 また、 1 G e V の大電力加速器のプロトタイプとしては、 あまり問題なくスケールアップできるようなものでなければならない。 これらの要求に対して我々はその優 れ た ビ ー ム 特性と、高工ネルギー加速器への可能性からダブルサイデドマイク

表1D S M の基礎的パラメーター

ロ ト ロ ン （D S M ) を選択した。全体の構 成 は 図 1 に示すように、入射器となる入射エネルギー

4.

5 M e V のリニアック及び入射ビームラインと、 D S M 本体とからなる。運

最 大 加 速 エネルギー

転は、放射線遮蔽の問題から新しい建屋主偏向電磁石磁場ができるまでの間暫定的に、 r f を加速勾配5 0 %デュウテイーのパルスモードにエネルギー利得/周し、電 子 ビ ー ム も パ ル ス 幅 1 0 0 # s

周回数繰 り 返 し 5 0 p P s のパルスモードで

加 速 r f 周波数行っている。実験を通していくつかの問加速管題点が明らかになったのでこれらの改良

r f 電力を進めている。

ビーム電流

4» 5 53 40 53000。1867
0. 7 7 3652 4 4 9. 7 74 。2 8 3 m
100

MeVMeVuA
TMe V / m
MeV
回MHzX2kW

KL1KL2P-ACC

図1

QT1

B-ACC

fid - n-a ! ，t=s

CP

GON

入射 器 及 び マ イ ク ロ ト ロ ン 本体の構成図。 ここで、 K L ：クライストロン、 M L ：マグネ
ティクレンズ、 C P: チョッパー 、P B : プレバ ン チ ャ 一 、B — A C C : バンチヤ 一 加速管 、P — A C C : ブレアクセレレー夕， D A ， Q A : 分析電磁石、 D M : 位相補正電磁石
D I, Q I ：入射電磁石、 E M : 主偏向電磁石 、A C C ：4 m 加速管、 D B ，D Q : 位相調整電磁石、 D E : 取出し電磁石、 Q T : Q トリブレット。
2 . 入射器
入射器は、 1 O O k V 高圧ターミナル 、 r f チョッパー、 ブレバチャー、 バンチャー、 ブレア
クセレレー夕からなる。高圧ターミナルは D C — 1 0 O k V に昇圧したターミナルに、電子銃、および同電源類を搭載したものである。 ターミナル上で必要となる電力は絶縁トランスを介して供給され、制御信号は光ファイバ一ケーブルにより伝達される。 r f チョッパーは、 N I S T レ
イストラックマイクロトロン 4 の入射器で採用されたものと同じで、 2 台の矩形マイクロ波空洞及びその中間に置かれた扇型のスリットとマグネティクレンズからなり、第 1 の空洞でビームを円錐形に振り、 スリットでその一部分だけが通過するようにする。 スリットの前後に置かれたマグネティクレンズによりビームを収束させ、第 2 の空洞により、再びビームラインに戻す。 ブレバンチャーは T M o m モードの単一矩形空洞である。 バンチャーは後述するように泠 = ()•70. 9 7 4 の空洞を組み合わせた 2 m 長の定在波型加速管である。 ブレアクセレレー夕は 、 3 =0. 9 9 4 の 空 洞 3 2 個 か ら な る 2 m 長の定在波型加速管である。電子ビームは、上 記 の 2 本の加速管 で 各 々 お よ そ 2 M e V 加速され、 D S M 入 射 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー に 達 す る （全エネルギー
で、 4 。 5 5 M e V ) o-353 —3 . マイクロ波系
マイクロ波は 、2 4. 5 M H z のシンセサイザによってフ x イズロックされた 2 4 5 O M H zの発振器からの信号を増幅後 4 分割して各加速管に供給している。 クライストロンは入射器及びD S M 本 体 部 で 各 々 2 本 合 わ せ て 4 本使用し、増 幅 率 5 0 d B 最 大 出 力 c w 5 5 k W の性能をもつ。位 相 器 と 減 衰 器 を 一 体 と し た を 各 ク ラ イ ス ト ロ ン の 入 力 側 に 入 れ 、加速管相互の位相の調整ができるようにし、 同時に入力電力の最適化ができるようにした。 クライストロンの出力は導波管によって加速管まで運ばれるが、 この間に加速管あるいは導波管中に生じた放電等によるマイクロ波の反射によってクライストロンが破損されないようにアイソレー夕を伝送路注に挿入した。 バンチャーにマイクロ波を供給する系統では、 プレバンチャー及びチョッパーにマイクロ波を供給するためマイクロ波を分岐している。 このほかの系統ではすべて 1 本のクライストロン
か ら 1 本の加速管にマイクロ波を供給している。 クライストロンの保護のため、導波管にアークセ ン サ 一 を取付け、放電を検知したら直ちに、 マイクロ波の入力を遮断するようにしている。 また、 クライストロンのボディー電流と反射波を常時監視しており、異常時には同様に、直ちに入力を遮断するようにしている。

4 . 加速管
加 速 管 に は デ ィ ス ク ア ン ド ワ ッ シ ャ ー （D A W ) 型 加速 構造を 採用し た。入 射 器 で は 、 バン
チャ一加速管及びブレアクセレレータ加速管の 2 本 の 2 m 管 、D S M 本 体 部 で は 2 本 の 4 m 加速管を使用する。 バンチャー加速管には、電子ビームのエネルギーが低いた め 、 加速中に速度が変化する。 これに合わせて空洞の位相速度を変化させなければならない、位相速度の異なる加速空洞を組み合わせた場合の電場分
布は、 S U P E R F I S H による計算とこれに基づいて製作したテスト空洞による実験から推 測し て設 計 • 製作した。 ところが、実際に製作した加速管では図 2 に示すように、期待とは異なる電波分布を示している。 これは、 D A W 型加速構造では、空洞相互間の結合 が 強 い （他の定在波型構造と比較して一桁大き い） ため、加速管の一部での変化が全体

図2

バ ン チ ャ ー の 各 空 胴 に 生 ず る電 場 の ピ ー クに影響を及ぼしていると考えられる。即ち、

値の分布、黒丸は測定値、 白丸は設計値で、図にのような階段状の電場分布を期待た電場の積分値を等しくしてある。

しが、実際には、各空洞での電場の強さが加速管全体に渡る平均の電場からのずれを小さくするような分布を示している。 このためパンチャ
一加速管中でバンチングが不完全なものとなっている。他の加速管はすべて同じ位相速度の空洞からなるためこのような問題は生じなかった。

5 • 電磁石系
マ イ ク ロ ト ロ ン は 多 数 の 電 磁 石 （偏向電磁石、 四極電磁石等）を必要とする。特 に 4 台の主偏向電磁石には厳しい磁場の一様性が要求される。主偏向電磁石の形状は、二次元の磁場計算プロ
グ ラ ム （T R I M ) を用いた計算と、 モデル電磁石を製作した経験に基づいて設計製作した。 この電磁石の特徴は、 （1 ) 磁場の一様性を向上させるために、 ポールピースとヨークの間に間隙(パーセルギャップ） を設けた。 （2 ) 磁場の平坦部を広げるために、 ポールギャプにシムを取付け、更に、 これを補うために、 パーセルギャップにもシムを取付けた。 （3 ) 磁場端を急峻にするために、 アクティブフィールドクランプを取付けたことである。完成した主偏向電磁石の磁場測定を行ったところ、平坦部での均一度 A B / B o は ± 0 。 0 7 % であった。 これは設計の目標 値 の 3 ~ 4 倍である。主偏向電磁石の磁場分布の一例を図 3 に示す。磁場の均一度を更に向上させる方法として、 ポールピースの表面に補正コイルを巻く方法をテストした。 コイルの形状として、 ギ ャ ッ プ の 中 心 面 上 で 測 定 し た 磁 場 分 布 の 平 坦 部 分 の 0 1 % ごとの当磁場曲線を用いた。 この表面コイルに電流を流すと磁場分布の一様性は著しく改善され、 ±0.

0 1 % まで向上した。 この値は測定器の精度と同程度であり、 目標値を上回っている。 この結果から、 ポールピ— スの表面に補正コイルを巻く方法によって十分均一な磁場が得られることが確認された。但し現状では、 まだこの補正コイルは取付けられていない。

ボ一ルビ一ス

図3主偏向電磁石のボールピースの形状と平坦部の磁場分布。

(等 高 線 は ()• 0 1 % 間隔）
6 »ビ ーム 軌道 計算
ビーム軌道の計算は一次及び二次のビーム変換行列を使って行った。図 4 に D S M の最初の加速管の入口から、 5 周 後 の 第 2 の加速管の出口までの、一次の計算におけるビーム包絡線の一例を示す。 図 で X — a x i s は水平方向、 Y — a x i s は垂直方向をあらわす。二次の計算では、最後の加速管の出口で、一 次 の 計 算に比べて 3 0 % ビーム径が大きくなる。
図 5 に縦方向の位相空間に置けるビーム楕円の様子を示す。図 で 1 、 2 、 3 とあるのは周回数を示し、 i n ， c e n t e r ，o u t はそれぞれ加速管の入口、 中央、 出口を示す。入射直後には細長い楕円であったものが次第に、一定の形の楕円に落ち着いて行く様子がわかる。 この例では、最終的なビームは、位 相 幅 ±1 。、 エネルギー幅 ± 2 0 k

e V となっている。

図4

一次の計算によるビームの包絡線。

図5

縦方向の位相区間におけるビームの形状の変化。

7 . ビーム加速実験
ビーム加速実験は、 r f を パ ル ス 幅 1 O m s e c 、 ビームをパルス幅 1 0 0 jus

繰り返し

5 0 p p s のパルスモードで行っている。
入 射 器 で は 4. 5 5 M e V 以上の加速エネルギーが得られ、 D S M への入射エネルギーの設計値を満足している。 しかし、加速管の項で述べたように、 バンチャー加速管の電場分布が設計と異なっていたため、集群特性が悪く、電 子 銃 を 出 た ビ ー ム の 1 割程度しか加速されていない。

D S M 本 体 部 で の 加 速 実 験 は 、 1 周 当 た り 4 台置かれた 蛍光 板ビ ーム ブロフ ァイ ルモニ タでビームの形状を観測しながらステアリングコイル、 四極電磁石を調整して行っている。最大加速エネルギーは設計値の 3 4 .

5 M e V に達しているが、入射器の性能が設計どうりにならず、入射ビ _ ム の エ ミ ッ タ ン ス が 悪 く （主として電子銃の性能に由来するものと思われる）、縦方向の位相空間でのビームの形状が D S M のア ク セ プ タ ン ス と 整 合 し て い な い （主としてバンチヤーの性能に由来する） ため、加速中に多くのビームが失われている。

8 . まとめ
日大 D S マイクロトロンは、 ビーム加速に成功したものの主として入射器の性能不足のため十分な性能を発揮していない。現在は入射器の改良を進めているところである。 また本文では触れな か っ た r f の不安定性等の問題があったが、 これはほぼ解決している。
参考文献1 T.Tanaka,K.Hayakawa,K.Tsukada,K.Sato,0.Takeda and M.Nishinaka,
Proc. of the 1984 Linear Accelerator Conf., Seehei®, FRG, 449.
2 K.Hayakawa,K.Tsukada,K.Sato and T.Tanaka,
IEEE Trans. Nuch Sci. NS-30, No.4 3224(1983)
3 S.O.Schriber, Proc. of Conference on Future Possibilities for Electron Accelerators,
Virginia,USA, V~l.
4 M.A.Wilsin,R.I.Cutler,D.L.Mohr and S.Penner,IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32, No.5,3089(1985)—356 —