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)

ULTRA SLOW ELECTRON BEAM EXTRACTION AT KSR
T.Shirai1, H.Tongu, S.Fujimoto, A.Noda
Advanced Research Center for Beam Science, Institute for Chemical Research, Kyoto University
Gokasho, Uji, Kyoto 611-0011, Japan
Abstract
KSR is an electron storage/stretcher ring, which is operated in ICR, Kyoto University. As a stretcher, the normal
repetition of the slow extraction is 1 Hz. For the detector development of the high energy physics, we developed theultra slow extraction of the electron beam. The stored electrons are scattered with the residual gas atoms and some ofthem get high transverse momentum, witch is typically 1mrad. They are guided to the extraction channel. The typicalelectron beam rate is 10^4 e-/sec and the extraction time is 1000 sec in this mode. The beam rate is variable using theweak transverse RF kicker.

電子リングＫＳＲにおける非常にゆっくりとした電子ビームの取出し
１．はじめにKickerMagnet京都大学化学研究所では入射ビームエネルギー６０－１００MeV、最大加速エネルギー３００MeVの電子リングＫＳＲ(Kaken Storage Ring) が稼動してKSRいる。ＫＳＲは電子蓄積リングであるとともに、遅い取出しのためのデバイスとビームラインをもち、ストレッチャーリングとしての機能をもっている[1] 。表１には、ＫＳＲの主要なパラメータを、図１にはＫＳＲのレイアウトを示している。下側のストレート部分に、取り出しのための静電セプタムとセプタム電磁石が設置されている。電子ビームは、同じストレートセクションに設置された高周波キッカーによって、水平方向のベータトロン振動の振幅
図１：ＫＳＲのレイアウトが増大され、六極電磁石によって制御されたセパラ
トリックスに沿って取り出しラインに導かれる。
表１：ＫＳＲの主要パラメータ
通常の遅い取り出しは、入射・取出しの周期が１Hzであるが、高エネルギー実験の検出器開発などの目的では、検出器に直接取り出した電子ビームを照最大エネルギー300 MeV射するため、１Hzの取出しでは、電子数が多すぎ、入射エネルギー60-100 MeV格段に減らさないと実験をおこなえない。また、こ周長
25.689 m
うした実験では、十分なデータ量を同じ条件で収集
Lattice
TBAするために、１秒のような短時間ではなく、長時間
周期数2にわたって、一定のビームレートで照射することがBM 回転半径0.835 mもとめられる。
長直線部長さ5.619 m
ＫＳＲでは、このリングが蓄積リングとストレッRF
周波数116.724MHzチャーリングの両方の機能を持つことを利用して、
RF
電圧20kV
入射ビームをすぐに取り出すのではなく、いったん、リングに蓄積し、そこから残留ガスとの散乱によっ りが０.１％以下になっているため、入射ビームとて蹴りだされた、本来なら真空壁で失われるはずの 異なり、エネルギーのそろった、質のよいビームをビームを、効率的に取り出しラインに導くことに 供給することができる。
よって、非常にゆっくりとした電子ビームの取り出しを実現している。この方法では、ビーム寿命の長さだけ、入射することなく電子ビームを取り出し続 ２．ビーム取り出し原理けることができる。また、蓄積された電子ビームは この取り出し方法では、ＫＳＲのビーム寿命を決シンクロトロン放射減衰によって、エネルギー広が めている主要因である残留ガスとの散乱を利用する。
SXA

BM 4

QD QF2QF1

Insertion Device

QF2 QD

BM3

QF1

SXB

BM5

BM2

RF Cavity

QF1BM6

Electro-static
SeptumSeptumM agnet1000

Electron Linac

Accelerator No.3

1E-mail: shirai@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp429

ntioecInj n eLiniocttra
E x in eL

QD QF20Inflector
MagnetBM1

QF2 QD

SXB
QF1
SXA

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通常なら散乱されて、真空チェンバー壁面に衝突して失われる電子を、六極電磁石などによって形成したセパラトリックスに導き、取り出しをおこなう。
ビーム寿命をτとすると、この取り出されるビームのレートN は、

504030ext

N ext (t ) = −αdN (t )N (t )=αdtτ(1)

τ=2000sec20であらわされる。N(t)は周回電子数で、αは取り出し効率である。Nを１０ とすると、一般的な蓄積条
件では、αが０.４、τが２０００秒程度である。
このαは取り出しのターンセパレーションとセプタム厚みで決まっている。式(1)から、この条件での、取り出しビームレートは、２x１０ e /sec となることが予想される。
図２は、ＫＳＲに１００MeVでビームを蓄積したときの、蓄積ビーム電流と時間との関係である。このときの平均真空度は５x１０ Torrである。これからもわかるように、３０mA付近になると、イオンとラッピング現象がおき、ビーム寿命がビーム電流に依存するようになるが、それ以下ではビーム寿命は一定である。このときの寿命は、２０００秒で、計算から予想される寿命とほぼ一致する。図２は、リングの各場所での垂直方向のアクセプタンス角を示している。これから、場所にもよるが１－２mrad以上蹴られると、ビームが失われることがわかる。
通常は、水平方向のアパーチャーはこれよりはるかに大きいため、このように電子はすべて垂直方向の真空チェンバー壁面で失われている。
散乱の断面積は、散乱角の４乗に比例するため、水平方向セパラトリックスをこれよりも小さくすれば、効率よくビームの取り出しをおこなうことができるはずである。図４は、水平方向のベータトロンチューンを２.３３８にしたときの、水平方向セパラトリックスを示している。この場合、１mradのキックが与えられると、セパラトリックスの位置にビームが捕捉され、ビームが取出しチャンネルへ導かれることがわかる。取り出しの効率を向上させるためには、このセパラトリックスをより小さくして、垂直方向のアクセプタンス角の最小値である０.５mradより小さくすることが望ましいが、これ以上にセパラトリクスを小さくすることは、入射効率の悪化につながり、十分な電子が入射できなくなる。
95104006008001000120014001600

図２：ＫＳＲの蓄積電流の時間変化。
平均真空度は５x１０ Torrである。

-ビーム取り出し実験は、６０MeVの入射ビームを用いて、加速せずにそのままのエネルギーで取出しをおこなった。その際の主なパラメータは、表２に挙げられている。取り出されたビームは、厚さ５０µmの Be フォイルを通して、空気中に取り出し、プラスチックシンチレータとマルチチャンネルスケー
ラーをもちいて電子数を計測した。
図５は、その一例を示している。この場合、スケーラーは１秒毎に電子数を計測し表示をおこなっている。横軸は時間で、縦軸は１秒あたりの計数率である。これから、入射直後の計数率が非常に高い

200Time (sec)-103-10３．ビーム取り出し実験

0Acceptance angle(mrad)2.521.5

10.500510152025Distance (m)X’ (rad)

図３：ＫＳＲの垂直方向のアクセプタン
ス角。横軸はリング内の位置を示す。

Extracted beam

図４：ビーム取り出し時の水平方向セパラ
トリックス。チューンは２.３３８。
部分を除くと、２x１０ e /secから４x１０ e /secまで変化しながら、９００秒間ビームが取り出されていることがわかる。このときの入射直後の蓄積電子数は１x１０ である。取り出される電子ビーム数が時間とともに変化するのは、式(1)からも明らかなように蓄積電子ビームが時間とともに変化しているためである。これから、ビーム寿命は、５００秒に48430-3-

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表２：取出し実験時のパラメータ
入射エネルギー60 MeV
取出しエネルギー 60 MeV
水平チューン2.336
平均真空度8 x 10 Torr
ビーム寿命
500 sec
蓄積電子数
1 x 10 e-10-104 e-/sec/div

80Injection

Time (sec)900

図５：表２の条件下での取出しビームスピル。

2x105 e-/sec/divなる。この寿命はDC-CTの電流値の変化から測定した値と一致している。
蓄積状態にくらべてビーム寿命が約１/４になっているのは、ビームエネルギーを１００MeVから６０MeVへ下げたことや、静電セプタムなど取り出しデバイスの影響で、真空度が１.６倍悪化している
こと、水平方向のセパラトリックスを小さくしたために、入射アクセプタンスが制限されているなどの条件によっている。図５のケースでは、１０００秒ごとに再入射をおこなっている。
また、式(1)にあてはめると、実際の取り出し効率αは１０％程度である。通常の取り出しに比べてαが低いのは、水平方向と垂直方向のアクセプタンス角が接近しているため、依然かなりのビームが真空チェンバーの上下面で失われているためと考えられる。ただし、ビームが失われる場所は主にβ関数が大きい場所であり、取り出し点とは離れているので、実験のバックグラウンドにはなっていない。
図５には突然ビームレートがスパイク的に上昇する点が見られる（図中矢印参照）。これは縦方向のビーム不安定性が発生し、縦方向にビームがダイポール振動を始めたタイミングに一致する。こうした不安定性は、この蓄積電流ではすぐに収まるが、取り出しビームのスピルに明瞭に現れる。この抑制は、今後の課題である。
実験に合わせて取り出しビームレートを可変することも重要である。ビームレートを落とすことは、入射電流を低下させることで、容易に対応できる。
それに対し、ビームレートを高めるためには、水平方向の高周波キッカーを併用する。水平方向のベータトロン振動の振幅をあらかじめ大きくしておくことで、より残留ガスとの散乱によってセパラトリックスに飛び込む電子の数を増やすことができる。図６は、その１例を示している。この例では、ビームレートは、８x１０ e /secまで高められている。このときの入力高周波電力は１W以下であり、わずかなキックを与えているだけである。
４．まとめ

ＫＳＲでは、蓄積電子ビームと残留ガスとの散乱
40Time (sec)0を積極的に利用したビーム取出しをおこない、高エネルギー実験用の検出器の開発に利用している。実際の実験では、検出器やそのデータ収集システムの水平方向高周波キッカーを併用したとき特性に合わせて、取出したビームレートを調整する 図６：の取出しビームスピルことが不可欠であるので、入射ビーム量の制御と水平方向高周波キッカーの併用によって対応している。
このような低いビームレートでは、リップルなどは 参考文献
あまり問題にならないが、間欠的におきる不安定性
Sugimura, et al., “A Pulse Stretcher by Slow Extractionに起因する、ビームレートの変動が存在する。この [1] T.Utilizing
the Third-Order Resonance with the RF
対策が今後の課題である。
Knockout Method”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002)
Injection

pp.2276-2284431