The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

ビームチョッパーを用いたシンクロトロン診断と加速効率の改善
金澤光隆 A)、大森千広 B)、高木杉浦彰則 A)、森A)B)昭 B)、野田耕司 A)、上杉智教 B)、白壁義久 B)、義治 B)、武藤正文 B)、川島祐洋 C)

放射線医学総合研究所 〒263-8555 千葉市稲毛区穴川 4-9-1

高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

C) 加速器エンジニアリング（株）〒263-8555 千葉市稲毛区穴川 4-9-1

概要
シンクロトロンの運転を診断するため、入射ビームをリングの高周波に同期してチョップすることは有用と考えられる。そこで HIMAC イオン源と RFQ 型線形加速器の間にビームトランスフォーマー型チョッパーを設置し、チョップされたビームを作った。その結果、通常の運転では気づかなかったビームバンチのシンクロトロン振動が観測された。これは加速周波数を決めるために利用している、Ｂクロック発生器の問題であることがわかった。そこで振動の原因を作っているＢクロック発生器を改良し、振動を小さく押さえる事が出来た。その結果加速効率の改善も得ることが出来たので、その結果について報告する。

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始めにシンクロトロン内のビームの位置やビームバンチの振る舞いを測定することは、リングの高周波電場をかけてビームバンチを作って初めて出来る。このためには約数 msの時間を必要とし、ビームがリングに入った直後には測定できない。しかし、入射するビームをリングのＲＦに同期してチョップして入射させれば、ビーム入射直後からビームバンチを測定できる。又、この測定によりリングの運転調整に利用することが出来る。たとえば高周波電場をかけ無くても、ビームバンチが出来ていることから、ビームがリングを一周する以前でも、ビームがリングのどこまで来ているかを見ることが出来る。これは通常リングに用意されている COD モニターを使う事が出来、そのために特別なモニターを用意しなくてもすむ。又、周回し始めた直後のビームの振る舞いについても観測する事を可能にしてくれる。さらに今回行ったように十分短い巾にビームをチョップする事により、ビームバンチの振る舞いをよりよく観測する事が出来る。このように、様々な用途に利用出来るビームチョッパーとして、ファインメットコアを利用したビームトランスフォーマー[1]を開発した。これはビームエネルギーをこのトランスフォーマーで変化させて、下流に配置されている RFQ 型線形加速器の運動量アクセプタンスの外に出す事によってビームを切る。このタイプのチョッパーは高圧電場を利用して横方向にビームを切るタイプのものに比べて、トランスフォーマー本体がコンパクトに出来るメリットがある。又、ファインメットコアのトランスフォーマーは Q 値が約 0.5 と小さいため、任意波形の加速電場を作る事が出て、十分短くチョップしたビームを作る事が出来る。そこで、ファインメットコアを利用したトランスフォーマーを開発し、HIMAC イオン源と RFQ型線形加速器の間に設置してビームテストを行った。

2ビームチョップ

2.1

チョッパー

トランスフォーマー型のチョッパー本体は内径１０cm
外径５０ｃｍ厚さ２．５ｃｍのファインメットコアを３枚用いている。コアの冷却については、パワーを入れている時間の割合は小さく、コアの発熱は小さいので、特別の冷却構造は持たせていない。図１にチョッパーの断面図を示
すが、コアを納めたケースのビームライン方向の長さは１１．６ｃｍと非常にコンパクトに出来ている。このチョッパーは５ｋＶ（±２．５ｋＶ）の高圧パルスを発生できるFET スイッチで駆動した。このスイッチは FET 自体では１０ns の立ち上がり及び立ち下がり時間が得られ、チョッパーに一ターンのループでパワーが入るようにした場合、５０ns の値が得られている。従って、シンクロトロンの入射時の RF の周期に比べて十分に短時間にビームをチョップすることが出来ている。
11.6cmMA coresCopper shield

Beam line(h=125cm)

Ceramic gap

Insulator
Vacuum ductBase050 [cm]

図 1：チョッパー本体の断面図

2.2

チョップされたビーム特性

ビームチョップは RFQ のエネルギーアクセプタンスの外にビームエネルギーを変化させることによって行う。図２にビームエネルギーを変化させて測定したＲＦＱのトランスミッションをシミュレーションの値とともに示す。

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この結果から、中心値に対して１０％だけエネルギーを変化させる事でビームが切られることがわかる。チョッパーの所でのビームエネルギーは核子当たりのエネルギーが８keV であるので、実験に使った He2+では 1.6keV の電圧が必要であり、今回の FET を使ったパワーで十分ビームを切ることが出来る[2]。図３にはチョッパー電圧に対して得られるビーム信号を示す。

RFQ Transmission Efficiency (%)

100

隔が 962ns にたいして、ビームバンチの巾は 300ns 程度に小さく出来ている。又、この観測の結果、ビームバンチは途中からダイポール振動を起こしている事がわかった。図4-1 にはチョップしない場合のバンチ信号を示すが、同じように振動が起こっているはずであるが、ハッキリとはわからない。このことは、このビームチョッパーが確かにビームの振る舞いを見るためのモニターとして有効である事を示している。

8060Simulation
40

Measurement on He2 +(normalized at 0%)20

図 4-1：チョップされないビームバンチ信号のマウンテンレンジプロット。バンチ間隔は 962ns.
0-10-50510

Modulation of Injection Energy, 8 keV/u (%)

図 2：RFQ の加速効率の測定値とシミュレーションの値。
横軸はビームエネルギーの中心値からのズレ量を％で表している。測定値は RFQ 及びアルバレ型線形加速器で加速されたあと、実験室に輸送して、ファラデーカップを利用して測定した。絶対値については定数をかけて中心で規格化している。

図 4-2：チョップされたビームバンチ信号のマウンテンレンジプロット。バンチ間隔は 962ns で、縦軸の中央部分でＢクロックでの制御に移り、加速が開始されている。

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図 3：チョップされたビーム信号を真ん中に示す。上の信号はチョッパーのギャップ電圧で、下はトリガー信号(200ns/div)。

3

チョップされたビームによるシンクロ
トロン振動の観測

リング内のビームバンチをチョッパーによってバンチ
巾を短くシャープな信号にするには、シンクロトロンの RF信号に同期してチョップする必要がある。そのために加速に利用しているＲＦ信号の分岐出力を利用してチョッパーの FET を ON/OFF 制御した。従って、チョッパーへの信号の遅延時間を調整して、チョップされたビームをシンクロトロンのＲＦの任意の位相へ入射させる事が出来る。実際にはリングのバンチ信号を見ながら、信号が大きく、かつ入射直後にはビーム振動が起こらない様な位相にチョップしたビームが入る様に遅延時間を調節した。このように調節して得られたバンチ信号を図 4-2 に示が、バンチ間Ｂクロック信号の改善とその結果

HIMAC シンクロトロンでは DDS を RF の信号源として使っており、主電磁石の磁場に応じて周波数を制御するためにＢクロック信号を使っている。Ｂクロック信号はパターンメモリーで受け取られて、DDS に新しい周波数のデジタルデータを送り、DDS の出力を更新する。この周波数のステップ的な変化は、ビームエミッタンスの増大の原因になる。そこでＢクロックステップを 0.2 ガウスに小さくしてあり、それに応じて出力を双極性にして周波数を低くするマイナスのクロックも出力出来るようにしてある。又、入射器からのビームを RF キャプチャーする時とフラットトップでビーム取り出しする時は、ＢクロックによるＲＦの制御を止め、１０ｋＨｚのクロックによりパターン制御を行なっている。周波数に関してはフラットベース及びフラットトップとも一定値のパターンで運転を行っている。
今回のチョップしたビームがダイポール振動の振幅が大きくなっているタイミングを調べたところ、Ｂクロックによって周波数制御し、加速を始める所であった。そこでＢクロックの出力パルスを調べた。そこ結果を図 5-1 に示すが、加速途中でも周波数を小さくするＢ―クロックが 30Hz程度のレートで出力されており、これが振動を起こす原因のひとつと考えられた。そこでＢ―クロックをほとんど出The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

さないように調整可能なモジュールを作った。その結果を
図 5-2 に示すが、加速時間の１秒程度ではＢ―クロックを出さないように調整できた。そこで改良されたモジュールで制御し、チョップされたバンチ信号を見たのが図 5-3 である。確かにＢクロックによって周波数制御をしている所でのシンクロトロン振動の振幅の増大を小さく押さえる事が出来た。ただし、いぜん加速に移ってから振動が起こっており、まだ他の原因が残っていると考えられる。又、この改良されたＢクロックモジュールを使って運転した
フラットトップでのビーム強度は図 6-2 に示すように、改善する前に比べて約１０％程度の強度上昇を得ることが出来た。これはＢクロックモジュール以外変更が無い場合である。シンクロトロン振動を小さく押さえることが出来て、ビームエミッタンスの増大が小さくなっている事が予想される。これに応じて加速電圧を小さく調節して、さらにビーム強度向上の可能性を持っている。

図 5-1：旧Ｂクロックモジュールの出力

図 6-1：古いＢクロックモジュールでのビーム加速

図 6-2：新しいＢクロックモジュールでのビーム加速。ともにフラップトップでの信号で、上がビーム取り出し用６極電磁石の電流パターン、真ん中が DCCT で測定したビー
ム電流信号、下が取り出されたビームスピル（200ms/div）。

5

図 5-2：改良型Ｂクロックモジュールの出力まとめ

トランスフォーマー型ビームチョッパーを RFQ 型線形加速器の上流に設置して、シンクロトロンのビームバンチを十分短くでき、ビームバンチのシンクロトロン振動を感度よく観測できる事がわかった。観測されたシンクロトロン振動は、Ｂクロック発生器の改良により、小さくすることができた。この結果、加速されるビーム強度を約 10%改善することができた。ただし依然小さな振幅の振動が残っており、改善されるべき課題が依然残っている。

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。

参考文献
図 5-3：改良型Ｂクロックモジュールを使った場合のチョップされたビームバンチ信号。最初のバンチ間隔は 962nsで、縦軸の中央部分でＢクロックを有効にして、加速を開始している。図 5-1,2 はともに上がＢ＋パルス出力で下がＢ―
パルス出力（50ms/div）。

[1] Y.Shirakabe, et al., “Fast Beam Chopper with MA Cores”
Proceedings of the 7th EPAC, Viena, (2000)2468.
[2] C. Ohmori, et al., to be published