஢ 子 ビ ー ム 冷 却 技 術 サ イ ク ロ ト ロ ン メ ー ザ ー ク ー リ ン グ (CMC)
崇1,A)、佐藤 勇B)、早川 建B)、田中 俊成B)、早川 恭史B)、横山 和枝B)、
石渡 謙一གྷA)、中尾 圭佐A)、稲垣 学A)、城所 明生A)A)
日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台7-24-1 日本大学理工学൉船橋校舎
B)
日本大学量子科学研究所 ஢子線利用研究施০
〒274-8501 千葉県船橋市習志野台7-24-1 日本大学理工学൉船橋校舎

ସૌ川

概要
加速器においてビームのエミッタンス、運動量の広がりは重要なパラメーターであり、これらは一般に小さいことが望ましい。これは、‫ؼ‬年の஢子ࢳの開発にもみられ、特にFELなどの発振や、貯蔵リングにはもっとも重要なパラメーターであるとされている。ビームのエミッタンスや運動量広がりを小さくする操作(位相空間内の粒子密度を上げる操作)を
ビーム冷却(Beam Cooling)と呼んでいる。現在、確率冷却やイオンレーザー冷却等の方法がよく知られているが、数秒から数十秒にかけて繰りඉし冷却しなければならず、エネルギーなどにも制約がある。
一方、今回 の方式であ るサイクロ トロン・メ ー
ザー・冷却では、従来よりも100万倍以上はやい数十nsでの冷却が可能とされ、冷却操作の繰りඉしも必要ではない。つまり、冷却粒子線の種་、強度、パルス状であるか等の制約が一切ないという特徴がある。本研究はこの実証実験装置の現状と今後の‫ڐ‬画を報告する。

１．はじめに日本大学஢子線利用研究施০(LEBRA)では、東京஢子株式会社と「サイクロトロン・メーザー・冷却に関する開発研究」に関して共同研究を実施することとなった。CyclotronMaserCooling(CMC)とは誘導放射によってビームを一気に冷却する方法である[1]。1993年にCMCを示唆する現象が大޸大学核物理センターで確認され、低速஢子ビームについては、この原理でビームの冷却と加熱が制御できる可能性が判明している[2] 。熱஢子を加速してソレノイド磁石内に投射し、ソレノイドࡃに垂直な面内の運動成分を旋回運動に変えたうえで、‫ݗ‬周波空洞に導きTEモードの共鳴rf஢場をビームに垂直に印加することによって、熱運動エネルギーを誘導放射で一気に取り除く強制冷却の現象である[3]。CMCの実験装置は、住友重機械工業株式会社と池上栄胤（大޸大学名誉教授、ウプサラ大学客員教授）が共同研究にて製作したものであるが、このプロジェクトの終了と共に2003年度からLEBRAに移০され、実験が行われることとなった。

1

E-mail: t-hasegawa@lebra.nihon-u.ac

２．ＣＭＣの基本原理
CMCは荷஢粒子線の熱エネルギーを相対論的なランダウ順位エネルギー

hw c / gw c ：サイクロトロン周波数
g ：相対論的エネルギー因子に量子化した上で、周波数 w rf の‫ݗ‬周波による誘導放射で取り除くという基本原理の元に成立している。
旋回周波数である w c / g は、 g に依存し、೪線形の放射特性のため w c / g < w rf の粒子は旋回エネルギーを放出し、 w c / g > w rf の粒子は‫ݗ‬周波エネルギーを吸収する。この結果、粒子のエネルギーはhw rf に収束し、旋回位相はバンチする。‫ݗ‬周波の強度が臨界値より小さいと、位相バンチはするが、エネルギー幅は増加し過熱(heating)する。一方、‫ݗ‬周波の強度が臨界値より十分大きいと、位相バンチとエネルギー幅の減少すなわち冷却(Cooling)が֬こる。また、ウプサラ大学（スウェーデン）の実
験では、これと符号するラーモアパターンが実際に観測されている [4]。しかし、旋回஢子を取り出して特性を調査することはできなかった為、CMC実験装置を製作し、より詳細なデータを集めることになった。

図1

஢子ࢳ

３ ． C M Cの 装 置 概 要
3.1 ஢子ࢳおよび஢子ࢳ用஢源஢子ࢳは東芝ホクト஢子株式会社製のブラウン管用஢子ࢳFM440L-A3(図1)を使用している。カソードにはBaを使用しており、低஢圧でもエミッションが得られるようになっている。このタイプの஢子ࢳには5段のグリッドがついており、フォーカスの均一性がすぐれているので、扱いやすい。
また、この஢子ࢳ用஢源の仕様は表1のようになっている。この஢子ࢳを用いた実験装置では発生
஢子線エネルギーは最大100keVでビーム஢流100mAを実現している。
表1

஢子ࢳ用஢源の仕様

加速஢源

DC0 ~ 100kV

加速஢源安定度
ヒーター஢源5 10̲̲以下
DC9V

グリッド 1

஢源

DC-100V

グリッド 2

஢源

DC+400V

グリッド 3

஢源

DC+10kV

グリッド 4

஢源

DC+500V

3.2 ‫ݗ‬周波஢源
本実験装置では一般的なLinacのようにrf場による加速は行っていない。しかし、rf空洞内で஢子に‫ݗ‬周波による誘導放射を行わせるため、rf増幅器として数種་のアンプを使用している。装置の性ࡐ上、使用される‫ݗ‬周波源には、その周波数および出力が安定でなければならない。今回、旋回஢子を取り出して評価を行う為、以前実験が行われていたウプサ
ラ大学の結果から算出すると、2GHz~2.2GHzでの帯域でrfパワーは500W以上が望ましい。‫ݗ‬周波増幅装置の仕様は表2のようになっている。
表2‫ݗ‬周波増幅装置の仕様

中心周波数
周波数可変範囲
最大出力
出力可変範囲主増幅管
利得実現するうえで、ソレノイドコイルの磁場は重要なキーポイントになっており、そのためソレノイドコイルを励磁する஢源にも強力かつ安定なものを使う必要がある。本実験装置ではDANFYSIK社(デンマーク)製のModel853を使用している。この仕様は表3に示した。rfキャビティには、஢子にTEモードのrf場をあたえるため、ସさ20cmの矩形型導波管が6本入っており、その周りをソレノイドコイルが取り囲むという形になっている。(図2および図3)
表3

ソレノイドコイルと஢源の仕様

最大出力஢流110A

最大出力஢圧67V஢流安定度

3 10̲̲(30 分間)
1Å~10__(8時間)
0.12T

最大磁場

3.4 ステアリングコイル、Ｑマグネット஢子ࢳからでた஢子がソレノイドの磁場に絡みつきやすくするために஢子の軌道を少しずらしてキャビティ内に入射させる必要がある。そのため、rf空洞に入る直前にステアリングコイルを置き、ある程度の入射Ԓをもたせるようにしている。また、஢子ビームが本体を通過して、実験に支障なくモニター系まで到達できるように、Ｑマグネットやステアリングコイルを本体通過後にも০置している。

3.5 ஢子線モニター系
஢子線がCoolingまたはHeatingしているのかを容易に観測する為に、ソレノイド空洞内に可動式のスクリーンモニター(蛍光板)を০置している。これを下流側の窓から見ることで、ラーマー円を観測することができ、஢子ビームのCooling状態を知ることができる。
空洞から取り出した஢子ビームはマグネット等で曲げ、通過後の軌道変化を用いて、ビームのエネルギースペクトルを評価する。

2.1 GHz
0.1 GHz
1kW/CW
0.01 ~ 1.0kW
クライストロン（ Varian:4K3SL ）40dB 以上

3.3 RF空洞
ソレノイドコイルの定常な磁場中に入射した஢子はサイクロトロン周波数で旋回運動を行う。CMCを

図2

CMC実験装置

図3

rfキャビティおよびソレノイド空洞

４．実験装置の現状
実験装置が移転されてきたばかりなので組み立てを中心に行っている。現状は装置全体のアライメントおよび஢子ࢳのカソードの活性化を終了し、実際に஢子を加速し、モニターボックス内にあるスクリーンモニターの発光を確認した。さらに、rf系統や各種஢源系統の配線、冷却システムの整備などを行っている。現段階でのCMC装置は図2のように০置されている。

５．まとめと今後の‫ڐ‬画
ビーム冷却を誘導放射の観点から実験的に検証した研究は、国内外においても論文数が少ない。そのため、この物理現象を明確にする決定的な実験的検証が不十分であり、CMC装置の実用化を目指した研究開発はあまり行われていないのが現状である。
今後、実験を進めていくうえでまずは理論の構築と観測事実を正確に把握することが最重要となる。
特に冷却が完了するCMC条件の正確な値を見つけることがこのプロジェクトを成功させる最大の‫ۇ‬となるだろう。

参考文献[1] H.Ikegami, “Cyclotron maser cooling of electron and ionbeams”, phys.Rev.Lett.64, 1737(1990)[2] F.Kullander, “Cyclotron Maser Cooling”, PhD Thesis,
Osaka University, 1993

[3] 池上栄胤, “メーザー冷却とコヒーレントビーム− 量 子 力 学 的 確 定 性 の 世 界 − ”, パ リティ,13,65(1998)[4] H.Ikegami et al., “Cyclotron Maser Cooling Towards
Coherent Particle Beams”, Nuclear Instruments andMethods in Phys. Res., to be published.