Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 TUP031

TIARA AVF サイクロトロンの取出しビームに対する中心領域の位相バンチングの効果
EFFECT OF PHASE BUNCHING OF THE CENTRAL REGION ON EXTRACTED BEAM
FROM THE TIARA AVF CYCLOTRON
宮脇信正#, A), 福田光宏 B), 倉島俊 A), 柏木啓次 A)
Nobumasa Miyawaki #, A), Mitsuhiro FukudaB), Satoshi Kurashima A), Hirotsugu Kashiwagi A)
A)
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science andTechnologyB)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University

Abstract
The effect of phase bunching on extracted beam was investigated by the calculation of the correlation between theradial position and relative phase and measurement of beam transmission in the TIARA AVF cyclotron. The measured
transmission in the phase bunching condition was twice larger than that in no phase bunching condition. The calculated
beam spread in the radial phase space with phase bunching was smaller than that without phase bunching. The phasebunching effect enhanced the quality and intensity of the extracted beam.

1.

はじめに量子科学技術研究開発機構（QST）高崎量子応用研
究所のイオン照射施設（TIARA）の AVF サイクロトロン(K110) [1]では、シングルパルスビームや数百 MeV 級重イオンマイクロビームのようなビーム応用に応えるため、シングルパルスビームではサイクロトロンからのビーム取出しを数ターン以内に減らす必要があり、取出し時のビームの半径方向の広がりとなるエネルギー幅の縮減が要求される[2]。また、マイクロビーム形成では、4 連四重極電磁石を用いた集束システム中の色収差の影響を減らすため、10-4 台のビームエネルギー幅が必要とされる[3]。このような高品位ビームの加速、取出しを行うため、加速位相幅の縮小に伴ったビームの質の改善が期待される位相バンチングを適用している。
これまでの研究で位相バンチングは、サイクロトンの中心領域で加速ディー電圧に比べてイオン源からの引き出し等の加速電圧が低く、かつ第 1 加速ギャップでの加速電圧波形の増加勾配で発生することを幾何軌道解
析モデルによって確認した[4]。TIARA AVF サイクロトロ
ンでは、10MeV の H+イオンから 27.5MeV/u までの重イオンを加速するため、イオンの回転周期と RF の加速周期の比である加速ハーモニックス数（h）は 1,2,3 を選択することができ、h=1 と 2 の中心領域の電極配置は同じである。しかし、h によって第 1 加速ギャップでの加速位相が異なり、位相バンチングは h=2 では発生し、h=1 では発生しない。実際に、入射ビームラインに設置されたバンチャーの加速 RF に対する相対位相とプラスチックシンチレーターを取り付けたメインプローブによって確認した[5]。
この結果、h=2 の 260 MeV 20Ne7+ ビームでは、サイクロトロンに入射可能なバンチャーの相対位相範囲が 59RF度に対して、取出し前に測定したビーム位相分布のピー___________________________________________# miyawaki.nobumasa@qst.go.jp

クに対して 1/4 の強度の位相範囲は 28RF 度と位相幅の縮小が確認された。一方、h=1 の 107 MeV 4He2+ ビー
ムでは、バンチャー位相範囲が 48RF 度に対して、ビーム位相分布の範囲は 71RF 度と広がり、サイクロトロン内部でのビーム位相分布の効果は証明された。
今回、位相バンチングの取出しビームに対する効果を明らかにするため、取出し前後のビームの透過効率やエミッタンスの測定結果について報告する。

2.

ビーム取出し効率への効果

位相バンチングの取出しビームに対する効果を調べるため、位相バンチングが発生する h=2 の 260 MeV
20
Ne7+ ビームと発生しない h=1 の 107 MeV 4He2+ ビー
ムに対して、サイクロトロン入射前のファラデーカップ（IS5）、取出し前のプローブ(Mag0)、取り出し後のファラデーカップ(TS1)によって、ビーム電流をそれぞれ測定した。その結果を Table 1 に示す。
Table 1: Measured Beam Current
hBuncher

1Off

IS5 (nA)

2On

Off2160On
5000

Mag0 (nA)

300960470

1820

TS1 (nA)

704002801740

サ イ ク ロ ト ロ ン へ の 入 射 効 率 （ Mag0/IS5 ） は 、 バ ン
チャーの有無に関係なく h=2 に比べて h=1 の方が高かった。しかし、取出し効率（TS1/Mag0）は、h=2 の方が非常に良く、バンチャーによって取出し効率は 95％に達し、サイクロトロンの通過効率（Mag0/IS5）は h=2 が h=1の約 2 倍であり、位相バンチングの取出しビームへの効- 384 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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果を確認できた。一方、バンチャー無しの入射効率から得られる位相アクセプタンスは、h=1 は 60RF 度に対してh=2 は 34RF 度と狭く、上記の[5]の結果と異なった。位相バンチングは正弦波の勾配を用いるため、正弦波のトップ付近を中心にビームが入射される h=1 は、h=2 より位相アクセプタンスは大きいと考えられる。[5]での結果は、バンチャーの相対位相を変化させてシンチレーターによる計数の最大値から 25%以上得られた範囲であり、バンチャーによるバンチングの位相範囲は有限であるため、一致しない。また、バンチャーの電極間ギャップの距離は h=2 の最適値に近いため、入射効率の増加は h=1 の3.2 倍に比べて h=2 が 3.9 倍と高く、バンチャーによる位相アクセプタンスへの影響がある。このように、バンチャーと位相バンチングの組み合わせによって、取出し効率の向上が可能である。

3.

Figure 1 と Figure 2 の計算結果の 2 本の破線は、(r,r’)=(−1mm, −20mrad)と(1mm, 20mrad)を示しており、ほぼ測定結果が破線内にほぼ収まった。サイクロトロンへの横方向の位相空間中の入射アクセプタンスは、スリットやアパーチャー、インフレクター電極間のギャップ、中心領域の電極等は同じであるため、入射直後の半径方向位相空間中の分布の大きさを、±1mm, ±20mrad と仮定した。この分布による−5, 0, 5RF 度の 3 つの相対初期位相で加速した時の取出し前の半径方向の粒子分布についてモデルを用いた計算を行い、Figure 3 に結果を示す。

エミッタンスへの効果

サイクロトロン内でのエミッタンスの測定は、空間的な制約や強い電磁場中のため困難であるため、幾何軌道解析モデルを用いて、入射直後及び取出し前の半径方向位相空間中の粒子分布を求めた。入射直後の分布は、すでに[6]で測定された位相スリット位置毎に通過したビームの位相分布で得られた相関関係と一致する条件を改訂したモデルの計算によって調べて得られた。[6]での測定結果に計算結果を重ねた図を、h=1 に対して
Figure 3:
Figure 1 に、h=2 に対して Figure 2 にそれぞれ示す。
extraction.

Calculatedparticle

distributions

before半径方向の位置と角度の広がりは、h=1 より h=2 の方が明らかに小さいことがわかる。取出しは半周近く狭い間隙を通過するため、ビームの広がりは機器との干渉によって損失を生じ、その結果として、前章の取出し効率の結果と一致する。
最後に、取出し後のビームライン上にあるエミッタンスモニターを用いた測定では、サイクロトロンの半径方向と一致する水平方向の 80％エミッタンスの大きさは、h=2は h=1 の 1/3 となり、取出し後までエミッタンスが小さいことを確認した。

4.
Figure 1: Calculated and measured correlations between
radial position and relative phase for h=1.

まとめ

サイクロトロンの中心領域で発生する位相バンチングの取出しビームに対する効果について、TIARA AVF サイクロトロンの h=1 と h=2 の加速条件でビームの種々の測定と幾何軌道解析モデルを用いた計算によって調べた結果、位相バンチングはサイクロトロン内部の半径方向位相空間中のビームの広がりを小さくするとともに取出し効率を向上させ、取出し後のビームの輝度を高めることがわかった。

参考文献

Figure 2: Calculated and measured correlations between
radial position and relative phase for h=2.

[1] S. Kurashima et al., Quantum Beam Sci. 1, 2 (2017).
[2] S. Kurashima et al., Rev. Sci. Instrum. 86 (2015) 073311.
[3] M. Oikawa et al., Nucl. Instrum. Methods B 260 (2007) 85.
[4] N. Miyawaki et al., Nucl. Instr. and Meth. A715 (2013) 126.
[5] N. Miyawaki et al., Nucl. Instr. and Meth. A767 (2014) 372.
[6] N. Miyawaki et al., Proc. 12th Annu. Meet. Part. Accel. Soc.
Jpn, (2015) 706.

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