Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 FRP007

ミュオンサイクロトロンの開発状況
PROGRESS IN DEVELOPMENT OF MUON CYCLOTRON
大西純一#, A)，永谷幸則 B)，後藤彰 B)，山崎高幸 B)，三宅康博 B)，湯浅貴裕 B)，安達利一 B)，
足立泰平 A)，筒井 裕士 C)，楠岡 新也 C)，熊田 幸生 C)，恩田 昂 C)
Jun-ichi Ohnishi #, A), Yukinori NagataniB), Akira GotoB), Takayuki YamazakiB), Yasuhiro MiyakeB), Takahiro YuasaB),
Toshikazu AdachiB), Taihei AdachiA), Hiroshi TsutsuiC), Shinya KusuokaC), Yukio KumataC), Takashi OndaC)
A)
RIKEN Nishina CenterB)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)C)
Sumitomo Heavy Industries, Ltd.

Abstract
We are developing an AVF cyclotron to re-accelerate ultra-slow muons (30 keV) obtained at J-PARC MLF to 5 MeV
in order to realize a transmission muon microscope. After magnetic field measurement and isochronous magnetic fieldadjustment in December 2020, RF resonators was installed, and intermittent RF tests were conducted at KEK Tsukuba
from June 2021 to March 2022. The RF resonators for acceleration (108 MHz) and flat top (324 MHz) were designed by
KEK and manufactured by SHI. In the low-level test, adjustment of the resonance frequency and input coupling, andshunt impedance measurement were performed. Since the Q-value (unloaded) was 2200-2500, which was smaller than
50% of the design, we tried to investigate the cause and improve it, but we have not been able to improve it at present.
The RF power supply for the accelerating resonator was made by ourselves by combining the output from 16
commercially available 1.5 kW amplifiers with a newly designed 16-way combiner. Although it was necessary to modify
the preamplifier to increase the output power due to the low Q-value, we were finally able to inject an RF power of 18.7
kW (CW) into the resonator int the cyclotron. The cyclotron has now been installed at J-PARC's MLF U-line, and wiringand piping work have been completed, and the beam will be accelerated at the next beam time from November 2022.

1.

ミュオンサイクロトロンの概要とこれまでの経緯

透過型ミュオン顕微鏡の実現をめざして、 J-PARC
MLF の超低速ミュオン(30 keV)を 5 MeV まで再加速するためのミュオンサイクロトロンの開発を進めている。超低速ミュオンビームは J-PARC の 3 GeV 陽子ビームから生成される、高エネルギーでエミッタンスの大きいミュオンビームをいったん標的で停止させて、そこから湧き出てくるミュオニウムの束縛電子をレーザーで乖離することによって得られる[1]。
ミュオンサイクロトロンの諸元を Table 1 に示す。サイクロトロンは４セクターAVF 型で引き出し半径 0.26 m、平均磁場 0.4 T、加速共振器の周波数 108 MHz、ディー電圧は最大 50 kV の設計である。加速ハーモニクスは 2 で周回数は 61 から 70 ターンである。サイクロトロンで加速したミュオンを顕微鏡として使用するため、ビームのエネルギー幅を 10-5 オーダーにしてビーム径を 10 μm 以下に収束させる。これを実現するため加速共振器に加えて 3倍の周波数のフラットトップ共振器を使用する[2]。ミュオンサイクロトロンの外形は住友重機械工業(SHI)製のHM10 型サイクロトロンと同であるが、外部入射に変更した上、ビームエネルギー、RF 周波数、取り出し方式も異なるため、磁極形状、共振器、入射取り出しなどほぼすべての機器を新規に設計した。SHI において製作を行い、電磁石をはじめ構造部品は 2020 年 3 月に完成した。一方、電源、制御、診断系などは費用面から KEK におい___________________________________________# ohnishi@riken.jp

Table 1: Parameters of Muon Cyclotronて自主製作することとした。電磁石は 2020 年 12 月に JPARC において磁場測定を実施し、磁極のシム調整を行って 2×10-4 程度の等時性磁場が得られた[3]。磁場測定後、SHI において RF 共振器、入射取り出し機器の組立を行った。2021 年 6 月から RF 電源と共振器のパワー試験を開始した。RF 電源の容量は CST Studio Suite[4]
計算値と軌道計算の結果から 13 kW（Q 値 5200）が必要であったので、30%程度の余裕をみて 18–20 kW 程度としていた。しかし、後述のように実測した Q 値が計算値の半分以下だったため、RF 電源の出力容量増加のための改造が必要であった。さらに RF 電源回路の筐体への組み込みや安全回路の追加などを行った後 2022 年 3 月には最終的に 18 kW 以上の RF パワーを共振器に入力することができた。サイクロトロンは現在 J-PARC の MLF- 906 -

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U-line に据え付け、配線、配管作業が終了して、安全審 2.1 共振周波数と入力カップリングの調整査を経て RF パワー試験、高圧印加試験などを行った後、
加 速 共 振 器 の 調 整 前 の 共 振 周 波 数 は 110.37–
次期のビームタイムにおいてビーム加速を行う予定であ 110.89 MHz で可動チューナーの調整範囲を超えていたる。
ため、調整用固定チューナーとさらにダミーディーを動かすことにより 108 MHz に調整した。FT 共振器はショー
2. RF 共振器とローレベルの測定
ト板による共振周波数の調整範囲が 301–341 MHz と広Table 2 に設計パラメーター、Fig. 1 にＲＦ共振器の配 いため容易に 324 MHz の共振周波数に調整できた。入置を示す。サイクロトロンは縦置きで電磁石ヨークはヒン 力カップリングはカップラーが固定式であるためスページが付いていて真空容器のふた部分とともに開閉できる サーなどにより寸法調整を行った。
構造になっている。Figure 1 は扉を開けた状態で扉側は 2.2 Ｑ値測定表示していない。加速共振器はλ/4 共振器 2 台が中心
加速共振器の Q 値(unloaded)の実測値は 2300–2500部で連結されており、RF パワーは上部のインダクタンス（真空状態）で、設計時にCST 計算で得られた Q 値 5200
結合型のカップラーから入力される。ピックアップも同じに対して50%以下であった。サイクロトロン共振器のQ値タイプである。共振周波数はアース側のブロックを容器はコンタクトフィンガーなどがあるため計算値の70–80%
外部から駆動してディー電極との間の静電容量を変えることによって調整する。調整範囲は 400 kHz である。一 となることが多いが、今回は大幅に小さく後述のように電方、フラットトップ（FT）共振器は共振周波数が 324 MHz 源容量の不足が問題となった。原因を調査するためで波長が 0.93 m と短いため中心部でアース板と短絡し Fig. 2 に示すように冷却水配管、デフレクター支持材、はていてλ/2 共振器を形成している。FT 共振器は根元部 んだ付け部分を考慮して CST 計算モデルを詳細化して分のショート板によってステム長を変えて共振周波数の 再計算を行った。この結果 Q 値は 4557 まで低下したが、粗い調整ができる。カップラー、ピックアップ、周波数 まだ実測値との差が大きかった。Q 値を改善するためコンタクトフィンガーやシールドスパイラルの点検や取付寸チューナーは加速共振器と同じ形式である。
法を確認し、共振器ステム取付部のシールドスパイラルを銀メッキのものに変更した。しかし、これまで Q 値が大Table 2: Parameters of RF Resonators
きく低下するような原因は見つかっていなかったが、最Main
FT
近になって共振器ステム取付部に接触不良が疑われる
Resonant frequency (MHz)108
324箇所が見つかったため改修を予定している。Q 値は真空排気を行うと 10%程度向上することがわかっているが、こCalculated Q-value
4600
5600の理由は真空容器フランジにあるシールドスパイラルのDee voltage (kV)4610
接触力が増加するためであると考えられる。
Power loss (kW)150.3
Feeder impedance (Ω)
Input coupler5050

L-typeL-typeFigure 2: Detailed CST Studio calculation model (partial).
2.3

シャントインピーダンス測定

サイクロトロン中心から半径 12 cm の位置の加速ギャップ（6.9 mm）に直径 5 mm のアルミナ球を糸で吊るして共振周波数を測定した（Fig. 3）。アルミナ球ありとなしの場
合の共振周波数の変化は次式で表される。
∆𝑓𝑓
Figure 1: Arrangement of RF resonators.

3 𝜀4 𝜀1 𝜀 𝜔|𝐸 | ∆𝑉
2 𝑃𝑄

P： 入射電力、Q0: 共振器の Q 値、E0: 球なしの電場、ΔV：アルミナ球の体積、εr： アルミナ比誘電率 9.8、測定- 907 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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値は f0 = ω0/(2π) =107.986 MHz, Δf = 18 kHz, P = 4.36mW, Q0 = 2507 であったので、アルミナ球を置いた場所のディー電圧は 19.9 V となり、シャントインピーダンスはRsh = 45.3 kΩと測定された。一方、CST 計算の結果（Q0= 4557）では同じ場所のディー電圧に対して Q0 = 2500
換算で Rsh = 39.8 kΩとなる。これらの結果から Q 値を2500 とした場合の加速に必要な RF 電力を Table 3 に示す。軌道計算の結果では、これまで 61 ターンの取り出しを想定していたが加速電圧を下げた場合にはつぎに 70
ターン前後で径方向のビーム幅が小さくなり、入射ビームのエミッタンスが小さい場合はシングルターン取り出しが可能で、エミッタンスもほとんど悪化しないことがわかっている。これらを考慮すると必要な最小の RF 電力は、測定結果と CST 計算で違いがあるものの、Q 値が 2500 の場合それぞれ 18.5 kW と 21.0 kW となる。

3.

Figure 3: Electric field measurement with a bead.
Table 3: RF Power Required for Beam Acceleration

RF 電源と加速共振器のパワー試験

Figure 4 に RF 加速共振器への電力供給および制御回路のブロック図を示す。加速共振器の RF 電源は 4 W
プリアンプを入力とする 16 台の 1.5 kW アンプ（NXP 社）からの出力を新規設計したコンバイナーで結合する方式で、1.5 kW アンプからの出力にはそれぞれ 1.5 kW のダミーロードをもつアイソレーター（TMT 社）を設置している。
1.5 kW アンプの電源は 60 V–500 A の直流電源を使用した。ローレベル制御は FPGA によるデジタル処理方式で現在製作中である。ミュオン顕微鏡を実現するためにはシングルターン取り出しが必須である上エネルギー分散を 10-4 以下にする必要がある。このため FT 共振器によってバンチ内のエネルギー幅を最小化するとともに RF電圧を 0.01%以下、RF 位相を 0.1°以下に安定化させなければならない。従って、これらの RF 電源の制御が極めて重要であるが今後の課題である。
Figure 5 に KEK つくばにおけるパワー試験時の写真を示す。サイクロトロン共振器への RF パワー入力試験は最初に低真空度で行ったため真空窓が焼損して 2 か月程度中断したが、2021 年 7 月に 2–3 時間のうちに 1.5 kWの RF を入力することができた。さらに 5 kW 程度まですぐに上げることができたが、デフレクターの支持材（SUS）が高温になっていることが分かり PEEK 材に交換すること

Figure 4: Block diagram of RF power and control system.

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Figure 7: Beam acceptances for the accelerated particles up
to 20 turns in the cyclotron as a function of relative phase.

Figure 5: RF power test at KEK Tsukuba campus.にした。プリアンプ回路の出力不足や 1.5 kW アンプの故障など改造と修理に時間を要したが最終的に 1.5 kW アンプ 14 台（2 台は故障）で 18.7 kW (CW)のパワー入力を行うことができた。14 台の入力の場合、コンバイナーの特性から 3 kW 程度の反射があるため、16 台のアンプを同 じ 条 件 で 使 用 し た 場 合 は 最 大 出 力 が 18.7 kW ×(16/14)2 = 24.4kW となる。入射されるミュオンビームは JPARC のシンクロトロンと同期して 25 Hz であるため、RF電源のパルス運転（パルス幅 100–1000 μs）が可能である。実際にも運転テストを行って問題はなかった。パルス運転では、電源、共振器ともに熱負荷が数 10 分の 1 になるため熱的にはビームの安定化に有利である一方、加速電圧の振幅位相制御が CW の場合より難しくなる可能性がある。

4.

サイクロトロンへのビーム入射

サイクロトロンは超低速ミュオンを生成する標的から約10 m 下流に設置されている。Figure 6 に入射部付近のビームラインの一部を示す。Figure 7 にサイクロトロン入射点の 1.27 m 上流の F5B 地点からトラッキング計算して求めた加速アクセプタンスの大きさを入射位相（相対値）の関数として示す。X 方向と Y 方向は Fig. 6 に示す。加速アクセプタンスは 20 ターンまで加速したものとし、ディー電圧は R = 12 cm の位置で 43 kV（Q 値 2500 で23.5 kW）とした。ディー電圧がこの電圧より小さくなると入射アパーチャーが制限されるためアクセプタンスは減少する。現状のミュオンビームの横方向のエミッタンスは数 10 πmmmrad (1σ)、位相方向は 5 ns (1σ)以上である。
しかし、位相アクセプタンスは±15 度（±0.39 ns）程度しかないため入射効率は 10%程度でかなり悪くなる。このため Fig. 8 に示すようなドリフトチューブ型のバンチャーを F5B に設置することを計画している。このバンチャーに
Fig. 9 に示すようなピーク電圧 1.2 kV のパルス電圧を印加した場合、ドリフトチューブの中心軸を通過する粒子が受ける加減速実効電圧は Fig. 10 の青線になる。この図の横軸はドリフトチューブの中央を通過する時間である。
また 2 本のオレンジ線の間はサイクロトロンの入射点（インフレクター出口）において中心粒子（t = 0 で通過した粒子）に対する位相が±15 度（±0.39 ns）以内となる領域を 表し て お り、 この 図か ら読 み 取 る と F5B に おい て±2.7 ns 以内の粒子がこの領域（加速アクセプタンス）に入っていることがわかる。従って、入射効率は 7 倍程度向上することになる。一方、バンチャーの使用はビーム

Figure 8: Drift tube for beam buncher.

Figure 6: Injection beam line near the cyclotron.

Figure 9: Voltage waveform applied to the drift tube.

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Figure 10: Acceleration/deceleration voltages acting on
particles moving along the axis of the drift tube (blue line).
The abscissa indicates the time when the particle crosses atthe center of the drift tube. The orange lines indicate theregion where the particles can be focused within ±15° at
the injection point of the cyclotron.のエネルギー幅を増加させることになるが、入射ビームの横方向のエミッタンスを X、Y それぞれ一桁程度小さくする計画であるため、その場合はバンチ効率を低下させずにバンチャーを 90 度偏向デフレクターより上流に移動して印加電圧を下げ、エネルギー幅の増加を小さくすることが可能となる。

5.

おわりにサイクロトロンは 2022 年 10 月現在、電源類とともに JPARC MLF の超低速ミュオンビームラインへ設置して配線、冷却水配管などがほぼ終了している。安全審査終了
後、RF パワーの再投入や高電圧の印加試験を行った後2022 年 11 月末からのビームタイムにおいて加速試験を開始したいと考えている。

謝辞
本研究は JSPS 科研費 17H06126 の助成受けたものです。

参考文献[1] Y. Miyake et al., “Ultra Slow Muon Project at J-PARCMUSE”, JPS Conf. Proc. 2, 010101 (2014).
[2] T. Yamazaki et al., “ミュオンマイクロビーム生成のためのフラットトップ RF 空洞の開発”, Proceedings of the 17th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto,
Japan, Sep. 2-4, 2020, pp. 885-887.
[3] J. Ohnishi et al., “ミュオンサイクロトロンの磁場測定結果の分析”, Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Online, Aug. 9-12, 2021, pp.
849-849.
[4] https://www.3ds.com/product-servic/simulia/products/cststudio-suite/- 910 -