Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

WELH05 OPTICAL MEASUREMENT OF THE LASER COOLING
EXPERIMENT AT THE S-LSR,A)

B)

Masao. Nakao1
Hikaru. Souda, Hiromu. Tongu, Akira. Noda Koichi. JimboD)
E)
F)
H. Okamoto, K. Ohsaki, M. Grieser, Jie Wei, Yu Pei-Cheng, He Zhengqi , Andrew M. Sessler
A)
Institute for Chemical Research, B)Institute of Advanced Energy, Kyoto University
Gokano-sho, Uji-city, Kyoto, Japan, 611-0011
C)
Graduate School of Advanced Sciences of Matter,1-3-1, Kagamiyama, Higashihiroshima-city, Hiroshima, Japan, 739-8530
D)
Max-Planck-Institut fur Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, GermanyE)
Tsinghua University, Beijing, 100084, ChinaF)
Lawrence Berkeley National Laboratory, 1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, USAC)

Abstract
Experiments of transverse laser cooling for 24Mg+ beam have been performed at a small ion storage and cooler
ring, S-LSR. The horizontal beam size and momentum spread are optically measured with CCD camera and PAT(post acceleration tube), respectively. The measured beam size with CCD camera is decreased from about 1mm to0.53mm. At the same time, longitudinal momentum spread measured with PAT increased near the resonant condition.
This suggests transverse temperature was transferred to longitudinal direction with synchro-betatron coupling. And
time variations of the beam size time decreased at the coupling condition. This is also suggests synchro-betatron
coupling.

S-LSR におけるレーザー冷却実験でのビームの光学的観測ベータトロン振動を共鳴させることが必要になる。
京都大学化学研究所のイオン蓄積リング S-LSR
は設計段階からクリスタルビーム生成に必要な条件
ビームの品質向上のために、確率冷却、電子ビーム冷却、レーザー冷却のようなビーム冷却技術が開 を考慮に入れ理論的に予言されている条件を満たす
発されてきたが、理論的に最も低温のビームを実現 動作点でビームを安定に蓄積、冷却できるように考慮されている[8]。
できるのはレーザー冷却である。
共鳴が起こっている事を確かめるためには、シ
近年イオントラップ中のイオン集団をレーザーンクロトロンチューンを変化させた時に、共鳴が起冷却することで実際にクーロン結晶状態を作り出せることが確認されている[1]。一方で理論的には、蓄 こる時に横方向の運動量広がりが小さくなると同時積リングを周回するイオンビームを冷却していくと、 に進行方向の運動量広がりが大きくなる事を確認す
クーロン結晶がリング中を周回しているのと同等な る必要がある。
本論文では、CCD カメラによる横方向のビームクリスタルビームが生成可能であると予言されてい[2,3]幅の測定と、PATと PMT を用いた進行方向の運動る 。また円形イオントラップにおいて、運動エ+量広がりの振る舞いについて報告する。
ネルギーが 1eV という非常に低エネルギーの Mg イ

1.

はじめに

[3,7]

オンビームのレーザー冷却によって、3 次元のクリスタルビームが生成できたと報告されている[4,5]。 2. 実験装置について
しかし、高速イオンビームの結晶化はまだ実現して京都大学化学研究所で 2005 年より稼働しているいない。
S-LSR(図 1)は、6 回対称性を持つ周長 22.57m の小高速で運動しているビーム中の粒子をレーザー 型イオン蓄積・冷却リングであり、7MeV の陽子を冷却するとき、レーザーは前方または後方からのみ 電子ビーム冷却、40keV の 24Mg+のビームをレーザ当てることができるので、直接冷却できるのは進行 ー冷却する実験が行われている。S-LSR では、電子方向のみである。ビーム粒子の密度が高ければ、ビーム冷却によって極めて低い線密度において陽子クーロン力によって垂直方向にも冷却されるが、よを 1 次元でオーダリングさせることができた[9]。ま[6]
り強力な共鳴結合法という方法が提案されている 。
シミュレーションによる研究により、共鳴結合法で たレーザー冷却によってビームの進行方向に連続的クリスタルビームを作るには、適切なラティス構造 に分布したコースティングビームの冷却に成功して[10]をもつ蓄積リングにおいてシンクロトロン振動と いる 。
1

E-mail: nakao@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp-151-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図 1: S-LSR の概観

RF cavity

PMT

Beam injection

PAT

CCD

F

レーザー発生装置としては、ポンピングレーザーと し て COHERENT 社 の Verdi-V10 (Nd:YVO4,532nm, 最 大 出 力 10W) を 使 用 し 、 こ の 出 力 をRhodamine 560 Chloride を使用した色素レーザー
COHERENT 社の CR-699 に入射した。
こ れ を LBO 結 晶 を 用 い た MBD( 倍 波 発 生器)(COHERENT 社の MBD-200)に入射し、紫外線レーザーを発生する。最大出力は 60mW である(図2)。

Laser
Electrostatic pickup

図 2: Laser and Transport System
2010 年 3 月以降、色素レーザーが、周波数を固定するために使われるリファレンスキャビティからの信号にノイズが入る事が原因と思われる不安定な状態になっている。このノイズを除去するために調整、部品交換を行ったが、ノイズの発生源が不明のためレーザーの周波数が不安定で実験が非常に困難な状況である。
水平方向のビーム分布の蛍光観測には浜松ホトニ
クスの冷却 EB-CCD カメラ(浜松ホトニクス C719011W)を用いた(図 3)。この実験では、2 通りの観測方法を使用した。一つの方法は、ビーム入射から20 秒程度後のほぼ平衡状態と思われる状況で、1 秒間露光の測定を行い、ビームの幅を評価した。もう一つの方法では、100ms の露光を繰り返し、ビームの幅の時間変化を測定し、冷却の速さを測定した。
なお、内部処理の都合上、測定と測定の間に 170ms程度のデッドタイムがあり、また、100ms 露光で外部トリガと安定して同期するのは 2.2Hz 程度以下で
図 3 CCD の位置と光学系あるため、非同期で測定した。一定時間ごとにはなっていないものの、計測開始からの時間は ms 単
PAT は最大 400V の電圧がかけられるステンレス位で保存されるため、他の測定と結果を照合できる。
管であり、その中を粒子が通る時、局所的に粒子は進 行 方 向 の 運 動 量 分 布 の 測 定 に は PAT(Post
減速される。また、PAT 内で粒子がレーザーによっAcceleration Tube)[11][12]を使用した。PAT は図 4 のよて励起された後の自然放出の蛍光を、窓からうな概観である。
PMT(Photo-multiplier Tube)で観測すれば、PAT の中で粒子とレーザーがどの程度相互作用しているかが分かる。ここで、ドップラー効果により、PAT 内で-152-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

レーザーと相互作用できる粒子の運動量は一定の範囲にあるので、PAT に掛ける電圧を掃引したとき、PAT 内でレーザーと相互作用できる進行方向速度のMg イオンのみが蛍光を出す。
ここで PAT にかける電圧を掃引すると、それに応じて発光する粒子の運動量が掃引されるため、蛍光量の時間変化が運動量の分布になる(図 5)。
現在、運動量の分解能を高めるために PAT の掃引電圧は 100V で実験している。
実験の主なパラメータは表 1 の通りである。

ン
シンクロトロンチューン

0.0376 ~ 0.1299

レーザー周波数

1074110.3GHz±0.05GHz

レーザーの離調(レーザー周波数と共鳴周波数の差)-0.2GHz ± 0.05GHz

出口窓でのレーザー強度

11 ~ 20mW

3.

実験の結果

ベータトロンチューンが(2.068,1.105)のとき、シンクロトロンチューンを変えながら冷却後の運動量広がりとビームサイズを測定したところ、図 6 のようになった。
横方向にカップリングするチューンである 0.068付近で、横方向ビーム幅が 0.8mm〜1mm から最小で 0.53mm に減少し、運動量広がりが 1.2*10-4 から最大で 1.7*10-4 に増加した。これは、共鳴結合によって進行方向のみを冷却していた冷却力が横方向に移ったためと考えられる。

図 4: (a) PAT の取り付け方法 (b) PAT の概観図
Voltage of PAT

momentum
Number ofparticles

Intensity offluorescence

timetime

図 6: ν＝(2.068,1.105)での運動量広がりとビームサ
イズ

図 5: PAT の原理
0.04

周長22.557m

平均半径3.59m

直線部の長さ1.86m

曲線部半径1.05m

ラティス対称性6

イオン種24

初期運動量広がり

1*10-3

初期粒子数3*107

主なベータトロンチュー(2.068, 1.105)

ビームサイズ変化率(mm/s)

表 1: S-LSR の主な実験パラメータ

Mg+ : 40keV

0.02
0-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.12
00.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

synchrotron tune
図 7: チ ュ ー ン と 冷 却 速 度 の 関 係 ( ν x,, ν y) ＝-153-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)(2.058,1.101)

ビームサイズ変化率(mm/s)

0.04
0.02
0-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.12
00.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.120.14

synchrotron tune
図 8: チ ュ ー ン と 冷 却 速 度 の 関 係 ( ν x, ν y) ＝(2.067,1.104)
また、図 7〜8 は、入射(冷却開始)直後から約 1.5秒後までの 5 回の測定のビームサイズを直線で fitして求めた傾きをビームサイズ変化率としてシンクロトロンチューンを変えて測定したものである。
x 方向のベータトロンチューンの小数部とシンクロトロンチューンが一致する付近でビームサイズの変化率が小さく(ビームサイズが小さく)なっている。
これもカップリングによるものと考えられる。

参考文献[1] J.J. Bollinger and D.J. Wineland, "Strongly Coupled
Nonneutral Ion Plasma" Phys. Rev. Lett. 53 348 (1984)[2] A. Rahman and J. P. Schiffer, "Structure of a OneComponent Plasma in an External Field: A MolecularDynamics Study of Particle Arrangement in a Heavy-Ion
Storage Ring", Phys. Rev. Lett. 57 1133 (1986).
[3] J. Wei, H. Okamoto and A. M. Sessler, "Necessary
Conditions for Attaining a Crystalline Beam", Phys. Rev.
Lett. 80 2606 (1998).
[4] T. Schätz, U. Schramm, D. Habs, "Crystalline ion beams",
Nature (London) 412 717 (2001).
[5] U. Schramm, T. Schätz, and D. Habs, "Three-dimensional
crystalline ion beams", Phys. Rev. E 66, 036501 (2002).
[6] H. Okamoto, A. M. Sessler and D. Möhl, "ThreeDimensional Laser Cooling of Stored and Circulating Ion
Beams by Means of a Coupling Cavity", Phys. Rev. Lett.
72, 3977 (1994).
[7] J. Wei, X.-P. Li and A. M. Sessler, "Low-Energy States ofCirculating Stored Ion Beams: Crystalline Beams", Phys.
Rev. Lett. 73, 3089 (1994).
[8] A. Noda, M. Ikegami and T. Shirai, "Approach to orderedstructure of the beam at S-LSR", New J. Phys. 8, 288(2006)[9] T. Shirai et.al., "One-Dimensional Beam Ordering ofProtons in a Storage Ring", Phys. Rev. Lett., 98, 204801(2007)[10] M. Tanabe et.al., " Longitudinal and Transverse Couplingof the Beam Temperature Caused by the Laser Cooling of24Mg+", Appl. Phys. Express, 1 028001(2008)[11] W. Petrich et al., Phys. Rev. A 48 2127 (1993).
[12] 石川丈寛 修士論文 京都大学 (2008)-154-