Proceedings of the 18th Linear Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, 21-23 July 1993

ST A T U S OF THE K Y O T O U N I V E R S I T Y P R O T O N L I N A C AND
D E V E L O P M E N T OF THE 4 R O D R F Q ION I M P L A N T E R
一

M a k o t o INOUE,
H i d e k i DEWA,
H i r o k a z u FUJITA,
H i r o s h i FUJISAWA,
Masanori
IKEGAMI,Y o s h i h i s a IWASHITA,S h i g e r u KAKIGI,
A k i r a NODA,Hiromi OKAMOTO
and T o s h i y u k i SHIR A IInstituteforC h e m i c a l Re search,Kyoto
Uj i , K y o t o 6 11, J a p a n

UniversityABSTRACT
The ICR 433MHz proton linac has been improved since the successful first beam acceleration. Apulsed power supply system has been constructed for the ion source. Properties of the ion source andthe 2MeV-RFQ linac beam have been measured, The intensity of the 7MeV proton beai has been obtained
to be 240/iA without an RF buncher at the matching section between the RFQ and Alvarez cavities,
A cw 34MEz 4-rod RFQ linac for ion iinplanter has been also developed at the ICR accelerator
laboratory in collaboration with a company, This linac has successfully accelarated the light-heavy
ion of which chrage to mass ratio is larger than 1/16, Measurements of the properties of the beam
are now in progress,

4京大ィ匕研陽r子カロ速器の現状とロッド、
重 イ オ ン R F Q の開発状況
7 M e V のビームの性質を測定する準備も進行中であ

1 . はじめに地区にイオン線开ミ加速器実! ^ を新築して1 9 8 g 年る。現在バンチャー無しでアルバレからのビーム強度は 2 4 O w A 程度であるが、これらの調整により強度に激上地区より移って以来、サイクロトロンに代わっ増をはかりたい。

京都纖匕■究 所 附 顯 子 核 #^は 宇 治の建設 • 開発を彳ラってきた。鐵上0寺代に一方、このような線形加速器開発の研究的雰囲気の既に中間子発生用のコンパクト化した陽子線形加速器もとで民間との共同研究もいくつかスタートした。陽の計画のために準備研究を行っていたが、移転にともない 4 3 3 M H z の高周波四重極 ( R F Q ) 型および子加速器については、 4 t t 一2 ttD T L キヤビティなアルバレ型よりなる7M e V の陽子加速器を設計製作て線开幼_

どの小型高効率化に対するアルミモデルによる研究をすることになった。限られた予算の中で手作り部分を行っている。
またより実用段5皆になっているものとしてイオン注含む工夫をしつつ、なんとか1 99 2 年 1月 2 2 日に入用の4 ロッドR F Q の開発がある。このイオン注入

7 M e V までの陽子ビームの加速に成功した。このと用 R F Q は 19 9 2 年の暮れから1 9 9 3 年の初めにきのビーム強度は、イオン源の電源^パルス化されてかけて、ヘリウム1 価、窒素 2 価、炭 素 1 価のビームない手作りのものであり、 a A の程度であった。その(核子当たり8 3 k e V ) の加速に次々と成功した。
5 O kW fij 度のc w 運転が可能である。現在ビームの後パルスイ源を製作してイオン源から出るビーム強度を上げたほか、R F Q からの2 M e V のビームの性質を詳しく測定している。またR F Q とアルバレの間特性を測定中である。
以下 7 M e V 陽子加速器とイオン注入用の4 ロヅドにバンチャーを製作中である。またアルバレから出た

R F Q の現状を中心に報告する。

2 • P t f H 形力_

小さい所があるため、空間電荷効果が大きくエミッタンスが大きくなつてしまうのでR F Q への入!揮流を

2 - 1 . イオン源と入!すビームライン
7 M e V 陽子線形加速器のレイアウトは図1 のよう上げられない。ネックとなる磁石の間隙を大きくするになっている。将来的に正負のイオンを同時に加速すことや、 ：R F Q の直前に特製の永久磁石による集束要ることも考慮したため入!寸ビームラインか丨長いにもか素を取り付けることを検討している。
2 - 2 . R F Q のビーム特性かわらず予算不足で大強度ビームに適したものになっていない。当初D C 運転であったイオン源電源をパルビームのエネルギー とその幅を測定するためR F Q

ス化電源と置き換えて図2 のようなものを製作した。とアルバレの間に小型の分析電磁石を取り付けた（ただし、アルバレまで加速するときははずす）。場所が狭いのでヨークだけ真空中に入れる構造にした。測定の 結果は、 2. 0 土0. 0 2 M e V で、その 幅は 8 0 ke V F W H M で設計値と一致している。なお高周波電力を規定値より下げていくと、低いエネルギーの f 立子が出てくることカ觸測された。図 3 に運動量スペクト
ルの R F 電力に対する変化を示す。

図 3 . R F Q ビームの運動量スペクトルf見在、ビームプロフイルモニター、エミヅ夕ンスモ
ニ夕一を製作してビームの特性を測定している。この測定ではビームの検出に笛光体(Desmarquest, AF995R)を用い、 C C D カメラで発光量を測定してハ°ソコンで処理するシステムを製作した。なお力随器はパルス運転であるので、この測定も各パルス毎にできるように
この結果分析後の陽子ビームの強度^ 3 m A 程度にななっている。この測定の場合は上述のエネルギー測定

つた。低エネルギーのビーム輸送系（L E B T ) も空用の磁石を取り出し代わりにエミッタンスモニターを間電荷効果を考慮しないものをまず製作したが、実際には 1 O m A 級になると現在のシステムはビーム径が設置して行なう。アルバレまで加速するときにば散去することは同様である。測定の結果は、図 4 に示すように、X 方向およびY 方向についてそれぞれ、 4 2 7 1 このQ 電磁石の設置の準備を行なつている（
本研究会mm • m r a d および3 0 7 r mm * m r a d であり、2 1 —P 1 8 ) 。
X 方向は計算植よりやや大きい。

3.

R F Q とアルバレの| 且合せのM 化

陽子線形加速器の小型化を進めるためその構成の最適イ匕について民間との共同研究を行なっている。一つのキャビティに4 7Tと2 7Tのドリフ卜チューフ•を入れた構造についてアルミのモデルを製作し電場測定を行なった（■ 究会 2 1 - P 3 3 ) 。

図 4* R F Q ビ ー ム の エ ミツ 夕 ン ス

4 . イオン注人用4 ロヅドR F Q4 - 1• 細勺な構造
陽子加速器とは別に、民間との共同研究でイオン注

2 - 3 . バンチヤ一とマッチングセクション

入用の重イオン加速器を開発してきたが、実機を製作

R F Q とアルバレの間でビームのマヅチングをとるしビーム加速に成功した。4 ”ロッド” R F Q である

ためにQ 磁石およびR F バンチャーを必要とする( Mが、ロッドの部分は断面がよくあるような円形ではな

E B T ) 。まずQ 磁石だけ取り付けてアルバレまでのく、長方形てづ^ は 3 次元力DX してQ 電場を発生する’を支える支力n速を行なった。その状態で、現在アルバレの出口で、 ようになっている。この4 本の’’ ロヅド’
7 M e V のビームの強度は2 4 0 /i A である。 1 / 4
持板はモデルを使って検討した結果、 2 枚ずつ対にし波長型2 ギャップR F バンチャーを製作した。数 k Wて配置するというよりも、むしろ全て等間隔に配置すのR F 電力を也要とするがそのパワーテス卜には成功る方かぐよいことが判明した。当初ドイツで提案されたしており、予備的なビームテストを行なっている（
本研究会2 1 - P 2 9 ) 。

4 ロッドの共振構造の概念に対する変更をせまるものと考えられる。周波数 3 4 M H z のタンクが直径6 0

2 - 4 . アルバレとその後のビーム輸送系
アルバレは電源電力に余裕がある。当初サーキュレ

c m という小型にできたことは、特筆すべきである。

4 一2. R F パワーテスト

一夕無しで運転していたが、安定した運転のためアル最も心配したのは、構造的には簡単であるが、全てバレ側にもサーキュレーターとダミーロードを設置した（
なおR F 系については本研究会2 1 —P 2 3 ) 。の電®
ばらばらにできるようにしてあるので、発熱が多くてc w 運転ができないのではないかというこ

ダミ 一口一 ドに使う吸収体の性質が同じにならなかっとであった。実際にはパワーテス卜の結果、 5 0 k Wたので、この部分の性食妙やや劣る。

程度まで問題なく c w 運転^ できた。パワーの増加とR F Q が真空ポンプ、R F カッブラーの取り付けのともに冷却水の温度の上昇が見られ、共 振 周 ^ ^ 下関係でベーンが水平• 垂直に対して4 5 度傾いているがる。しかし麵上問題はなく、 c w での加速テス卜ためアルバレのドリフトチューブ内の永久Q 磁石も同が可能であった。

様に面が傾いている。しかしアルバレを出たビームは4 - 3 . ビーム力！
]速テス卜

水平の磁石で曲げられるのでそのままでは適当でない力！
]速テスト時の全体の配置図は図5 に示す0 イオン場合がある。そこで適当なs k e w Q 電磁石を設置し源はフリーマン型でヘリウム+ アルゴン、窒素、 2 酸てX 、Y 方向ともほぼ同じ大きさで平行ビームに近い化炭素のガスを用いてテス卜した。ヘリウム 1 価、窒ビームにしてより後ろのビーム輸送系に渡すことにし素 2 価、炭 素 1 価のイオンの加速に成功しており、ビた。このためQ 電磁石のダブレットを2 組製作した。

ームはそれぞれ32#A

現在、アルバレのビームのエミヅ夕ンス測定の準備と

1 3 # A 、2 2 0 A(いずれもP//A) であった0 またR F Q の入口から、

バ

出口までの透過率はヘリウムでは 9 0 % 、窒 素 と 炭 素 り 詳 し く 得 ら れ て い る の で 、詳しい解析に耐えられるで 8 0 % に達している。と思、われる。計 算 例 を 図 8 に示す。

ocn qie》 UC31UI9 £2?

<030

図 5. 4 ロッド R F Q 配置図
02004006008001000120014001600

E n e rg y (keV )エ ネ ル ギ ー は 1 5 度の偏向角の電磁石で測定し、へリウムは 0 . 3 5 M e V 、■
は 1.1 7 M e V

は 1 . 0 7 M e V 、_

図 7.

C + イ オ ン の エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル （実 験 )(いずれも誤差は 2 % ) であった。さらにイオンビームをシリコンのウェファに注入してその 様 子 を 調 べ た （S I M S ) 。図 6 は 窒 素 2 価のイオン注入した時の S I M S によるスペクトルである。窒素イオンのレンジのビークは、 1 . 6 # m であり、 よそでのデータとよく合っている。

E n e rg y (KeV)

図 8 . スペクトルの計算機シミュレーション

エミヅ夕ンス測定については、モニターの検出部かぐ陽子力nil器のものと異なりマルチワイヤでできている。
そのワイヤの間隔が大きすぎたため精度が悪くて計算との比較が定量的にできないが、定性的には合っている。
この R F Q だけでは エネルギーの 可変性がないので後にス パイ ラル 型2 ギ ャ ッ プ の キ ャ ビ テ ィ を 纖 す る
図 6 . シ リ コ ン 中 の 窒 素 イ オ ン の 纖 （S I M S )ことを考え現 ® & 立 中 で ある 。秋には一応の完成をめざしており、その後は共同で開発した会社に移設し、この® ^ もP易子加速^ の —と同様、 R F 電力か*定格以下でもビームが加速されている。図 7 にその例をホウ素などイオン源での取扱に注意を要するガスを用いるイオンの加速を行なう予定である。

示 す 。計算で調べたところ、電力の値は異なるが、定性的にはそのような ス ぺ ク トルが再現されることが判

なお今回製作したものとは別に可変周波数型の 4 ロッ

明 し た 。ロスアラモスでのデータおよび解析もあるがドR F Q の 開 発 研 究 も 進 め て い る （本 研 究 会 2 1 — P

我々の陽子加速器および重イ才ンカ n速器のデ一夕はよ24) o