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

STUDY OF BEAM INSTABILITIES WITH HIMAC SYNCHROTRON
T. Uesugi A), K. Noda A), T. Fujisawa A), H. Uchiyama A),
Y. Mori B), S. Machida B), Y. Hashoto B),E. Syresin C), S. Shibuya D)A)National Institute of Radiological Sciences Anagawa, Chiba, 263-8555
B)High Energy Accelerator Research Organization Oho, TsukubaC)
Joint Institute for Nuclear Research, Debna, Moscow region, 141980, Russia
D)
Accelerator Engineering Cooperation, Anagawa, Chiba, 263-8555

Abstract
With non-destructive two-dimensional beam profile
monitors in HIMAC synchrotron, we have observed beaminstabilities. First, we observed the resonant growth of abeam near a half-integer tune. Second, In a high-density
beam with electron-cooling, it is observed that a beamprofile is rotates in transverse real space and the beam islost by vertical oscillation. We will present these
phenomena and their dependence on several conditions.

1

はじめにHIMAC シンクロトロンの非破壊型ビームプロファイ
ルモニターを用いてビーム不安定性が起きている時のプロファイルを観測した。
第一に、半整数共鳴の近辺におけるビームサイズの増大を観測した。HIMAC シンクロトロン[1]においては、過去に半整数共鳴の観測実験が行われ、空間電荷効果によって共鳴条件の変化することが確認されている[2]が、当時を周回ビームのプロファイルを観測する手段がなかったため、唯一ビームロスを手がかりとする以外に方法がなかった。
しかしながら、半整数共鳴によるビームロスはビームサイズの増大とアパーチャーの兼ね合いによって起こるので、共鳴付近でのビーム強度の限界等について詳しく知るた
めには、ビームサイズの増大についても調べる必要がある。
今回は、チューンとビームサイズの関係を実測した。
第二に、電子冷却によるスタッキングを用いて高密度化されたビームの振舞いを観測した。このビームは、数回入射するごとに激しいビームロスが起こった。このときのビームプロファイルを SBPM で測定すると、ビームが鉛直方向に激しく振動していることがわかった。この現象について報告する。

2

HIMAC

2.1

シンクロトロン

ここで発表する実験は、すべて HIMAC シンクロトロン[3]において、入射エネルギー(6MeV/n)の C6+ビーム（半整数共鳴）または Ar18+ビーム（電子冷却）を用いて行われた。

2.2

非破壊型ビームプロファイルモニター

HIMAC シンクロトロンには、二種類の非破壊型ビームプロファイルモニターが設置されている。一つはRGBM(=residual gal beam profile monitor)[3]で、もう一はSBPM(=sheet beam profile monitor)[4]である。RGBM はチェンバー内の残留ガスとの衝突による二次粒子を集めてMCP によって写像するタイプであるのに対し、SBPM はシート状にした酸素分子ビームを故意にチェンバー内に送り込み、これをターゲットとして二次粒子の分布を見る。
シートビームは射出軸のまわりに４５度傾けられているため、二次粒子の分布から周回ビームの二次元的な分布を知ることができる。本実験では主にこちらの SBPM を用いた。SBPM の MCP 面は直径１０cm の円形で、ここに映る像は CCD カメラによって画像信号に変換され記録される。
表２：チューンの変更パターン。
Downward
Upwardtime
Vertical bare tune Horizontal bare tune
0-100
3.572
3.476
100-3200
Linearly decreased
Linearly increased
3200
3.494
3.499

3

半整数共鳴

3.1

実験方法

表２のように、半整数に近い鉛直チューンにおいてビームを入射し、その後集束磁場強度を時間的にチューンを変化させることによって半整数共鳴を起こさせた。水平方向のチューンは約 3.20 に固定されている。ビームがはじめから持つコヒーレント振動（10~20msec）を静まらせるために、はじめの 100msec はチューンを固定し、安定化領域とした。

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

0.4

horizontal(mm)0.8dcct
SBPM count

0.6

0.2

0.4

0.1

0.2

intensity
intensity

40506070
vertical position(mm)(D) upward, vartical

3.53.51(B) beam fwhm
60

15horizontal
1040
vertical

5203.5255075 100
horizontal position(mm)40506070
vertical position(mm)図２：半整数共鳴におけるビームプロファイルの変化。

03.52

8003.49(C) upward, horizontal(B) downward, vertical

7(A) beam intensity

0.303.49(A) downward, horizontal

2550
75 100horizontal position(mm)

SBPM count(10 )0.5vertical(mm)10intensity(10 ppp)

半整数共鳴を起こした時のビーム強度の時間的変化を
図 1(A)に示す。ただし、横軸には各時刻でのベアチューンを採ってある。実線はカレントモニター（DCCT）による測定、四角は SBPM の出力を全断面積で積分したもので、両者はよく比例している。
チューンを上から半整数に近付けた時と下から近付けた時とでビームロスの速さが異なるのは、空間電荷効果によるチューンシフトがビーム強度に依存することから説明できる[2]。すなわち、ビームロスによってチューンシフトが回復されると、半整数に近付く速度が遅く（上側の場合）あるいは速く（下側の場合）なることが原因である。

intensity

実験結果

3.2

数の増大に伴ってビームサイズが増大し、空間電荷密度を減少させる。そのため、空間電荷によるチューンシフトは軽減され、より半整数共鳴から遠ざかる。他方、チューンが半整数の下側にあるときには、ビームサイズの増大によってチューンはより半整数に近付き、ポジティブフィードバックをおこしてすぐさまビームが失われる。

intensity

RF は使用せず、すべてコースティングビームを用いた。
また、SBPM のゲートをビームの周回時間と同じ 4usec とした。これはビームのコヒーレント振動によってビームサイズが実際より広がって見えることを防ぐためである。

03.51
3.52
vertical bare tune

図１：半整数共鳴によるビームロスとビームサイズ（FWHM）の増大。
SBPM によって得られたビームプロファイルを、水平軸および鉛直軸にそれぞれ射影した（図 2）。それぞれ、下向き ／ 上 向 き の チ ュ ー ン 動 作 で 、 そ れ ぞ れ
2550,2750,2780,2800msec と 2700,2780,2790,2800,2850msecのタイミングのものを示している。また、これらのプロファイルから求めた半値全幅（FWHM）を図 2(B)にプロットした。図 2(B)を見ると、チューンを上から半整数に近付けたときには、ビーム強度が減少する少し前に鉛直方向のビームサイズがゆるやかに増大し、最大で二割にまで達した
ところでビームロスがはじまっていることが見て取れる。
一方、チューンを下から半整数に近付けた場合には、このような目立ったビームサイズの増大は見られない。このことは、空間電荷効果によるチューンシフトがビーム強度に依存したのと同様、ビームサイズにも依存することから説明できる。チューンが半整数の上側にあるときには、β関4電子冷却されたビームの不安定性HIMAC 入射エネルギーのビームに電子冷却をほどこすことによって、水平、鉛直ともに数 mm にまで圧縮されたビームが得られた。こうして出来た高密度のビームを取り出さずにスタックさせてビーム強度をあげると、２～１０回入射後にビームが不安定になり、ビームロスすることが観測された。ビームロス波形の一礼を図３(A)に示す。これは Ar18+のコースティングビームを用いたもので、チューンは（3.69,2.88）、また、冷却電子のビーム電流は 50mA である。図のように、二回入射ごとに１回のビームロスが規則正しく繰り返された。不安定性の起きるビーム強度はおよそ 6×108ppp である。
このとき、ビームポジションモニターからの信号のスペクトルを見ると、二回入射後に激しく鉛直方向のベータトロンサイドバンドが励起されていた。ゲート時間 2msec として SBPM でビームプロファイルを測定したものが、図４である。電子冷却に伴って水平方向のビームサイズが減少する一方、鉛直方向には、コヒーレントなベータトロン振動によって大きく増大している様子がみられる。プロファ
イルから求められたビームの FWHM を、図 3(B)にプロットした。
不安定性の原因としては今のところ、イオンビームと冷却電子ビームの軸の微少なずれによってこれらが相互にコヒーレントな振動を励起し合う electron heating [5,6]が有力であると考えられている。現在この検証実験と、不安定性の抑制の研究が続けられている。

dcct(V)The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

765

本研究にあたり、AEC の皆様には HIMAC 加速器の運転をはじめ大変お世話になりました。深く感謝します。また、本研究は HIMAC 共同利用研究として行われました。

5432FWHM(mm)

10-1

参考文献
0123456time(sec)25

verticalhorizontal

20
151050-1

謝辞

0123456time(sec)

図３：電子冷却された高密度ビームの不安定性によるビー
ムロスと SBPM で見たプロファイルのサイズ変化。

図４：電子冷却された高密度ビームの不安定性；SBPM で見たプロファイル。

[1] Y.Hirao et al., Nucl.Phys. A538(1992).
[2] T.Uesugi et al., Phys.Rev ST Accel. And Beams 5,044201(2002).
[3] T. Honma, et al., Nucl.Instr. and Meth. A490(2002),[4] H. Uchiyama, et al., in this proceedings, Y. Hashimoto et al.,in proceeding of EPAC 2002, Paris(2002), T.Fujisawa et al.,Nucl.Instr. and Meth. A506(2003).
[5] V.V.Parkhomchuk et al., Journal of Experimental andTheoretical Physics, v 91, N5(2000).
[6] P.R.Zenkevich et al., Nucl.Instr and Meth. A441(2000).