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)

INJECTION AND COOLING OF THE LOW ENERGYHEAVY ION BEAM IN THE RING,A)

T.Shirai1

A)

A)

B)

B)

A)

A)

A)

, A.Noda , M.Ikegami , M.Tanabe , H.Tongu , H. Fadil , S.Fujimoto
B)

C)

S.Shibuya , T.Fujimoto , H.Fujiwara , H..Okamoto , Y.Yuri

C)A), T.TakeuchiB), K.NodaB),
D)

E), M.Grieser , E.Syresin

A)

Advanced Research Center for Beam Science, ICR, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto 611-0011, JapanB)

NIRS, Inage-ku, Chiba, 263-8555, JapanC)

ADSM, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima-City, 739-8530, Hiroshima, JapanD)

MPI für Kernphysik, Heidelberg 69029, GermanyE)

JINR, 141980, Dubna, Moscow Region, Russia

Abstract
S-LSR is a new ion cooler ring, which is under construction in Kyoto University. It has an electron beam cooler for 7
MeV proton beam from a linac and 2 MeV/u Carbon beam from a laser ion source. Not only such MeV beam, but alsolow energy heavy ion beams can be stored in S-LSR from an ion source. The main subject of the heavy ions is a laser
cooling to obtain the ultra low temperature beams and to study the phase transition to the crystalline beams. The
injection and the extraction system of S-LSR are designed not only for 7 MeV proton beam, but also for the low energy
heavy ion beams. The target vacuum pressure of S-LSR is less than 5x10-9 Pa to keep the enough life time for the heavyion beams.

低エネルギー重イオンのS-LSRリングへの入射・蓄積とビーム冷却
１．はじめに京都大学化学研究所では、小型イオンビーム蓄 た短バンチ生成などの実験を計画している。もうひ積・冷却リング S-LSR の建設をおこなっている とつは超短パルス高強度レーザーによって加速されたMeV級のイオンを蓄積・電子ビーム冷却する実験[1] 。 S-LSR は、周長が 22.557 ｍ、最大磁気剛性が１である。レーザーは隣接したレーザー棟から入射し、Tm で、６回対称形をしたリングである（図１参照）。このリングは、電子ビーム冷却装置とレー 発生した高エネルギーイオンを輸送・入射するためのトランスポートを準備している[2]。これらに対ザー冷却装置をもち、「ビーム冷却技術」を中心に、 し、より低温までの冷却を目指し、重イオンのレー高密度イオンビームに関係する物理、ビーム冷却の ザー冷却（ドップラー冷却）をおこなう実験も計画
技術開発、冷却ビームの応用を研究目的としている。 されている。
このリングはその研究目的に合わせ、３種類の入 このレーザー冷却のために、S-LSRではイオン源射器をもっている。１つは既存の７MeV陽子線形加 からでてくる５０keV 程度の低エネルギーイオン速器を入射器として使用し、電子ビーム冷却を用いレーザーイオン源

Injection Line

重イオン源

陽子リニアックより

7MeV

S-LSR
Laser Cooler
Extraction Line
Electron Cooler

1

図１ S-LSRのレイアウト

E-mail: shirai@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp616

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ビームを直接リングに入射する。これにより、磁気剛性の小さなリングでも、価数の低い重イオンを蓄積することができる。また、入射用の線形加速器を必要としないため、イオン源の交換により、実験に応じてさまざまな原子・分子イオンをリングへ入射できるというメリットがある。ただし、反面、このような低エネルギービームを蓄積するためには、特別な入射・出射の方法を用意する必要があり、また実用的なビーム寿命を得るために、詳細な真空システムの設計が必要となる。

表１ リングと重イオン入射ビームのパラメータ
リング
周長22.557 m
平均半径3.59 m
ドリフトスペース長
1.86 m
周期数6
入射イオンビーム
イオン種
Mg＋
全エネルギー30 – 50 keV
蓄積イオン数10 – 10
周回時間
46 – 36 µsec
4

２．重イオンビームの入出射

7

レーザー冷却の実験においては、原子・分子の光の吸収波長と、利用可能なレーザーの波長幅の関係から、冷却できるイオン種は非常に限られている。 入射セプタム電磁石
出射セプタム電磁石
具体的には、Li , Be , Mg などである。S-LSRではこの中でもMg の冷却を考えている。そのため、静電セプタム
CHORDIS 型スパッターイオン源で、 Mg を生成する。この入射ビームの仕様は、表１のとおりである。
７MeV 陽子ビーム
S-LSR では７MeVの陽子イオンビームの入射時は、２台１セットのバンプ電磁石をもちいて、静電セプ 取出しビームタム部分にバンプ軌道をつくり、マルチターン入射低エネルギー静電キッカーと１ターンの早い取り出しをおこなう。しかし、重重イオンビーム
イオン源からの低エネルギーイオンビームの場合には、レーザー冷却をおこなうために、そのレーザースポット径の制限から、入射ビームサイズは１cm 図２ 入射・取り出しのための静電セプタム。
以下、エミッタンスにして５π.mm.mrad以下でなけ
中央の１０kV静電キッカーで重イオンればならない。そのためには、エミッタンスの小さビームの入射をおこなう。
なビームのシングルターン入射が不可欠となる。
S-LSR の静電セプタムは、１つの真空チェンバー1000で、この両方の入射方式とシングルターンの取り出しに対応できる構造となっている。図２はその静電セプタムの図を示している。重イオンビームは中央の静電キッカーにより曲げられて、直接リングの中心軌道へと入射される。この電極への印加電圧は最大±１０kVであり、２００nsecのスイッチング時間をもつ高速高圧半導体スイッチによってON/OFFを10おこない、入射を制御している。
これに対し、レーザビーム冷却によって冷やされたビームの取り出しは、取り出し静電セプタムから、位相が９０度離れた位置に設置された、取出し静電
040Time (sec)キッカーと静電セプタムによっておこなう。この静電キッカーも電圧を高速にON/OFFして取り出しを
図３ ５０keV、Mgビームの残留ガスとの多重制御するが、入射用のキッカーに比べて、蹴り角が散乱によるエミッタンス増加小さいため、電圧は１kV程度で済む。
もっとも断面積が大きい。一般にこの電子捕獲断面積は、ビームのエネルギーが低くなると急激に大き３．重イオンビームの寿命くなって（∝E ）、寿命が短くなることが知られて低エネルギー重イオンビームをもちいた実験にお いるが、１価程度のイオンでは、核子あたりのエネいて重要なことは、ビーム寿命 である。これは残keVの領域で最大値をとり、それより留ガス密度 、反応断面積 、イオンの速度v をも ルギーが１０低エネルギー側では減少する。これに加えて、式
ちいて、(1) により、イオンの速度 v に反比例しても延びる1ことになる。
τ=(1)S-LSRの設計平均真空度は５x10 Paであるので、σρv
５０keV Mg の計算寿命は３６秒になる[2]。これかであたえられる。この反応の中では、電子捕獲が ら、１価のイオンであれば、５０keVでも実験に必++++Emittance (π.mm.mrad)

+8

τ

ρ

σion

ion-9ion+617

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要なビーム寿命が得られることがわかる。
図３は、このときの多重散乱によるエミッタンス増加を計算したシミュレーション結果である。
これから、多重散乱による寿命は、電子捕獲の寿命よりも長いことがわかるが、レーザーによる冷却力を切ると、数秒でエミッタンスが増加することもわかる。
４．ビーム冷却シミュレーション

レーザー冷却実験の最大の目的は、極低温ビームの実現と、それによって予想されるビーム結晶化の相転移のメカニズムを実験によって示すことである。極低温まで冷やすためには、冷却力が強いだけでなく、リングの共鳴現象に起因するエンベロープ不安定性を回避しなければならない[3]。そのため、S-LSRでは、表２に挙げているように動作点をとれるように設計している。チューンが(1.45,1.44)の場合は、１ピリオドあたりのベータトロン位相の進みが９０度以下になり、エンベロープ不安定性を回避できる動作点である。図３には、このときの１ピリオド内でのツイスパラメータの分布を示している。
チューンが(2.08, 1.07)の場合は、ベータトロン位相の進みが９０度を超えるが、メンテナンス条件と呼ばれる１２７度は下回っており、粒子数が少なければ、結晶化が起きる可能性がある[4]。この動作点
では、シンクロトロンチューンを0.07にすることにより、縦・横の３次元的結合がおき、３次元のレーザー冷却が可能となる[5]。
表４は、分子動力学計算コードSOLID[6]をもちいて、S-LSRで生成するビーム結晶の構造と蓄積粒子数の相関である。結晶の形は、磁場による収束力の影響を受けるので、チューンに依存するが、相転移点の粒子数は一定である。

表３ レーザー冷却時の動作点とパラメータ
Betatron tune

(1.45, 1.44)(2.08, 1.07)

Phase advance /period(86.9, 86.3 deg)

(125, 64.2 deg)

Field gradient of QM-1.58 m-2

1.42 m-2

Chromaticity(-0.10, 1.26)(-1.21 -0.18)

Max. β-function(4.33, 2.74 m)(4.20, 5.32 m)

Max. hori. dispersion

2.42 m1.32 mTransition γ

1.23

1.76

Moment. Compaction

0.658

0.321

図３ 表３の中でチューンが (1.45, 1.44)の時の、１ピリオドのツイスパラメータ表４ 蓄積粒子数の関係
表３の２つの動作点での、結晶構造とCrystal Structure(Qx=1.45)
StringCrystal Structure(Qx=2.08)
String

4.0 x 105

Horizontal Zigzag

Vertical Zigzag

5Horizontal 3-line

Vertical 3-line

7.8 x 105

Horizontal 4-line

Single Shell (3D)6Single Shell (3D)Single Shell (3D)

5.3 x 10５．まとめ

ではイオン源から重イオンビームを直接入射できるようにすることにより、レーザー冷却をはじめとするさまざまな実験を計画している。本発表でも述べたように、低エネルギーイオンビームをもちいた実験を可能にするために、ビーム冷却・入射・取り出し・寿命の観点から、検討・設計を進めている。リング自身は今秋からアライメントを開始
し、来春のコミッショニングを目指している。

Particlenumber
1.8 x 105

1.6 x 10

S-LSR

６．謝辞

本研究を進めるにあたっては、京都大学化学研究所の風間氏に、多大な協力をいただきました。ここに感謝いたします。また、本研究は先進小型加速器事業の一環としておこなわれました。

参考文献[1] A. Noda et al., Proc. of Symposium on Accel. Sci. and Tech.
(2001) 125.
[2] H. Tonguu et al., in this proceedings[3] L. Tecchio, Nucl. Instr, and Meth, in Phys. Res. A 391(1997) 147.
[4] J. Wei, X.-P. Li, A. M. Sessler, Phys. Rev. Lett. 73 (1994)
3089.
[5] T. Kihara et al., Phys. Rev. E, 59, 3594-3604 (1999)[6] J. Wei, X-P Li, A. M. Sessler, Reprt BNL-52381 (1993).

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