Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

CURRENT STATUS OF A 1.2 GeV STB RING AT TOHOKU UNIVERSITY
F. Hinode, H. Hama, M. Kawai, A. Kurihara, A. Miyamoto, M. Mutoh, M. Nanao, Y. Noguchi, Y. Shibasaki, K. Shinto,
S. Takahashi, T. Tanaka
Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku, Sendai, 982-0826
Abstract
A 1.2 GeV Stretcher-Booster Ring (STB ring) has been routinely operated at Laboratory of Nuclear Science (LNS),
Tohoku University. The STB ring has functions of a pulse-beam stretcher and a booster-storage ring. In the boostermode operation, high energy γ-ray beam generated via Bremsstrahlung from internal target wire is utilized forexperiments of nuclear physics. The quality of the γ-ray beam has been recently improved by modifying the latticefunctions of the ring, and we mainly report the improvement in this issue.

東北大学 核理研における1.2 GeV STBリングの現状
表１: Parameters and status of the STB ring
Lattice type
Chasman-Green
Superperiodicity
4Circumference
49.7 mMaximum energy
1.2 GeV
Injection energy
0.2 GeV (nominal)
Betatron tune
(3.22, 1.15) *Chromaticity(~ -5.5, ~ -4.7)*
RF frequency
500.14 MHz
RF voltage
140 kVHarmonics
83
Natural emittance
170 nmrad (@ 1.2 GeV)
0.0378
Momentum compaction αDispersion< 10 cm*x-y coupling coefficient
0.005*
Beam current< 20 mA* (@ 1.2 GeV)
Lifetime~ 10 min* (@ 1.2 GeV)
* Measured value

１．はじめに東北大学 原子核理学研究施設（核理研）に設置されている1.2GeVストレッチャーブースターリン
グ（STBリング）は、LINACで生成されたパルスビームを連続ビームに変換するパルスストレッチャーの機能と、最大1.2GeVまで加速可能なブース
タ ー の 機 能 を 備 え て い る [1,2] 。 現 在 、 高 エ ネ ル
ギーのガンマ線を用いた原子核実験のために、主としてブースターモードでのビーム運転が行われている。表１に、基本的なマシンパラメータを示す。平
成１４年秋には、ガンマ線実験用施設（GeV-γ 照射室）の建設に伴い、新たなガンマ線ビームラインの運用が可能になった。ここでは、この新ビームラインにおいて、ワイヤー標的からの制動放射で生成されるガンマ線ビームの特性を向上するために、ビームオプティックスの変更を行ったので、この内容を中心に現状の報告を行う。

２．ワイヤー標的を用いたガンマ線生成

e-beamBM
原子核実験で用いられる高エネルギーガンマ線は、偏向電磁石上流部で周回電子ビーム軌道上にradiator（ワイヤー標的）を挿入した際の制動放射により得られる。制動放射を起こした電子の運動量
QDtaggerは、偏向電磁石の磁場を用いて測定されている（図１参照）。標的ワイヤーには直径10µmのカーボン
γ -beam
ファイバーが用いられており、ワイヤーを固定するアルミ製フォークの内側の幅は22mmである。生成されたガンマ線は、ワイヤー標的から約17m離れたradiator
GeV-γ 照射室内の原子核ターゲットに照射される。
偏向電磁石内部に設置されたtagger（標的ワイヤーで散乱された電子の位置検出器）には、実際に
図１：γ–線生成用ワイヤー標的の配置
は、制動放射によって散乱された電子以外にも多数の信号がバックグランドとして存在することが観測しているような様子も確認された。その後の調査のされ、致命的な問題となっていた。更に、生成され結果、これらの原因が、クーロン散乱された電子やたガンマ線のプロファイルを見ると、電子ビームの僅かにエネルギーを損失した電子が、標的ワイヤー鉛直方向の軌道に依存して、複数個の発光点が存在の固定用フォークに衝突したことに起因しているこ206

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)とが判明した。標的ワイヤーや真空ダクト内部の残らすことができればバックグランドの問題を軽減で留ガス分子とクーロン散乱した電子は、大きなベーきる。更に、標的ワイヤー位置でのエネルギー分散
タトロン振幅を持ったまま、リング内部で1周以上関数を大きな値にすることができれば、エネルギーの周回をすることが可能である。しかし、このようのずれた電子が、標的ワイヤーやフォークと再び衝な電子は、標的ワイヤーが設置されている鉛直方向突することも回避できる。またこれらにより、ガンベータ関数の大きな箇所で、標的ワイヤーの固定用マ線ビームの品質も改善できると期待される。
フォーク内側の幅よりも大きなビーム広がりを持っこのような方針の基で、STBリングでのビームオており、これがtaggerのバックグランド源となってプティックスの変更を行った。トラッキングシミュいることが解った。また、制動放射で僅かなエネルレーションから見積もられる散乱された電子の持つギーしか失わなかった電子も同様に周回可能である分布は、真空ダクトの高さ40mmにまで広がっている。
が、標的ワイヤー部ではエネルギー分散がないため、 従って、ワイヤー固定用フォークをクリアするためこの電子は再び中心付近に戻って来てしまい、これには、ワイヤー位置での鉛直方向ベータ関数は、現が事態を更に悪くしていた。図２には、トラッキン状の半分の10m程度まで小さくする必要がある。まグシミュレーションにより得られた電子ビームのプた導入するエネルギー分散関数は、50cm以上を目指ロファイルを示してある。このシミュレーションです。このような要求を実現するには、リングの対称は、ワイヤー標的でのクーロン散乱と制動放射の影性を崩したビームオプティックスを構成せざるを得響が考慮されている。図から、散乱された電子の一ない。図４に、２回対称のラティス関数を示した。
部が、完全にフォークと重なっていることが解る。
チューンの動作点は(νx,νy)=(3.234,1.085)である。
図３は、散乱角に対するビーム損失の比率を示す。
図には、通常の運転時の４回対称のラティスも示し
約1mrad以上の角度で散乱されると、散乱後の電子た。ワイヤー位置でのベータ関数を小さくするためは急激に失われるようになり、約7mrad以上の散乱には、他方のベータ関数が大きくならざるを得ない
角ではビームは完全に周回しなくなることも解った。 が、これがあまり大きくなりすぎるとビーム寿命を著しく損なうため、適度な値に抑えておく必要がある。また、チューンの値も整数共鳴から適度に離し0.03ておくことも必要である。
0.02

真空 ダク ト内壁

0.01

30025

β (m)

-0.01
-0.02

x

ワイ ヤー固定 用フォ ーク
-0.03
-0.06

-0.04

-0.02

00.02

0.040.06

x (m)radiator

2015105

図２：標的ワイヤー位置での散乱前後の電子ビームのプロファイル。

030

β (m)

120

y0.8

100.600.41.0xη (m)0.20024680.5

scattering angle (mrad)

図３：散乱角に対するビーム損失の割合。

0.0

３．ビームオプティックスの変更とガンマ線ビームの特性向上

01020s (m)3040

図４：変更後のラティス関数。波線は通常の運転時の４回対称のラティス。プロットは測定点。

標的ワイヤーの位置での鉛直方向ベータ関数を小さくすることで、固定用フォークに当たる電子を減207

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)子の生成するガンマ線が見えている。しかし変更後目標とする２回対称オプティックスを作り出すたには、非常に明確なプロファイルが得られている。
めに、図４の矢印で示した４つのQD‑magnetに、電またこれと共に、taggerでのバックグランドのため子負荷装置を接続して主コイルの電流を吸い取るこに当初は非常に低いtagging効率（20%）しか得られととした。この電子負荷装置は高砂製作所のFK‑ていなかったが、使用に耐えられるレベルの効率200Lで、最大40Aまでの吸い取り動作が可能な物である。安定度は0.1%程度である。実際の運転時には、 （80%）が得られるようになった（図７）。
1.2GeVの加速完了時のトリガーで電流吸い取りを開始し、約20ミリ秒間で目標値までの吸い取りを完了させている。COD補正用のステアリング電源は、加速開始時のトリガーでパターンを開始し、1秒間で目標値になるように運転している。
このようにして構成された２回対称のオプティックスに対して、局所ベータ関数を測定した結果を図４に併せて示してある。ほぼ意図した通りのベータ関数が実現できていることが確認できた。またトラッキングシミュレーションで得られた、この時の標的ワイヤー位置での散乱後の電子のプロファイルを図５に示した。オプティックスの変更に際して、ワイヤー固定用フォークの幅も22mmから30mmに広げる対処も同時に行われた。これらにより、散乱された電子がフォークに当たることをほぼ完全に回避することができると期待される。
0.030.02

図７：tagging efficiency。

真空 ダク ト内壁

４．まとめ

0.01
0-0.01-0.02
ワイ ヤー固定 用フォ ーク
-0.03
-0.06

-0.04

-0.02

00.02

0.04

0.06

x (m)

図５：標的ワイヤー位置における散乱された電子のプロファイル（オプティックス変更後）。

高エネルギーのガンマ線を用いた原子核実験のために、新たにガンマ線ビームラインが建設された。
運転開始当初には、極めて低いtagging効率とガンマ線プロファイルの異常な広がりが確認され、問題となっていた。調査の結果、これらはクーロン散乱のため広がった電子及び制動放射でエネルギーを僅かに失った電子が、ビーム軸上下に張り出した標的ワイヤー固定用フォークに衝突することに起因していることが判明した。このための対処として、STBリングのオプティックスを変更して、ワイヤー標的部分での鉛直方向ベータ関数小さくすると同時にエネルギー分散関数を導入することを試みたところ、企図したとおりの結果を得ることができた。現在、順調にマシンタイムを消化している。

参考文献

図６：ガンマ線ビームのプロファイル。
（左：オプティックス変更前、右：変更後）[1] F. Hinode, et al., “Current Status of a Stretcher-Booster
Ring at Tohoku University”, Proc. of the second Asian
Particle Accelerator Conference (APAC'01), Beijing,
September 2001.
[2] H. Hama, et al., “Current Status of a 1.2 GeV Booster
Electron Synchrotron and Implementation for Nuclear
Study at Tohoku University”,. Proc. 18th International
Conf. On High Energy Accelerators (HEACC2001),
Tsukuba, March 2001.

図６には、実際に偏向電磁石下流のフランジ部で観測した、ガンマ線ビームのプロファイルを示す。
オプティックス変更前には、ガンマ線ビームの本体と思われる中心の上下に、フォークで散乱された電208