X-band熱 カ ソ ー ド R Fガ ン に お け る ビ ー ム ロ ー デ ィ ン グ
土橋深澤 篤1,A)、今井 貴之A)、坂本 文人A)、̲ 名 ൌ太གྷA)、上坂 充A)克広B)、飯島 北斗B)、浦川 順治C)、肥後 寿泰C)、明本 光生C)、早野 仁司C)
松尾 健一D)、栄 久晴D)
A)
東京大学大学院工学系研究科ൂ属原子力工学研究施০
〒319-1188茨城県జ珂郡東海村白方2-22
B)
放射線医学総合研究所〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川4-9-1C)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0801茨城県つくば市大穂1-1
D)
石川島播磨重工業株式会社〒235-8501神奈川県横浜市磯子区新中原町1番地

概要
逆コンプトン散乱硬X線源のためのX-band熱 カソードRFガンについて、ビームのパルス内挙動をӕ析するために、PARMELAによるビーム運動のӕ析とビームローディングによる影‫؜‬について‫ڐ‬算を行った。ビームローディングは一バンチ当たり30pCで88ps間隔のマルチバンチビームで0.38MVであり、ビームの最大エネルギーは3.8MeVであった。また、最大エネルギーの90%以上の粒子だけでは、֩格化rmsエミッタンスは6.2pmm.mradである。

おり、pモードで加速するように০‫ڐ‬されている(図１)[2]。キャビティへのRFの入力はガンの出口側から同ࡃで投入される。熱カソードは直径3mmで、20A/cm2の஢流の放出能力を持っているとする。キャビティの特性はSUPERFISHを用いて‫ڐ‬算し、ビームローディングの効果は理論式[1]を用いて行った。

１．はじめに
文൉科学省「先進小型加速器プロジェクト」において、小型硬X線源の開発を行っている。これはXband஢子線形加速器とQスイッチYAGレーザーを組み合わせ、逆コンプトン散乱によって33keVの硬X線を発生させ、‫ڥ‬管造影への応用を狙っている。ここでは஢子ࢳとしてX-band熱カソードRFガンを採用しているため、RFパルスを入力している1μsの間、Xbandの間隔(88ps)でミクロバンチが並ぶマルチバンチの஢子ビームとなる。従ってビームローディングの影‫؜‬を考慮する必要があり、シミュレーションによりその評価を行う。最終的にはガンと加速管をあわせて評価し、RF波形を整形することで出力されるビームの安定領域を増やすことを目標にする。ここでは、ガンについて評価を行い、ガンキャビティのフィールドはSUPERFISH、ビームの運動はPARMELA、ビームローディングは理論式[1]を用いておこなった。

図１．RFガンキャビティ

2.2 SUPERFISHによるキャビティの‫ڐ‬算RFガンキャビティについてのSUPERFISHによる‫ڐ‬算の結果をいくつかのパラメータについて表1に示す 。 シ ャ ン ト イ ン ピ ー ダ ン ス は Transit Time
Factorを考慮した実効的なシャントインピーダンスである。
表１．RFガンキャビティの特性
周波数11.424GHzTransitTimeFactor
0.703
シャントインピーダンス
2.46MW
Q値
9350
WakeLossParameter
4.72V/pC

２．ビームローディング

2.4 キャビティを通過する஢荷量2.1 ‫ڐ‬算体系

ビームは熱カソードより、20A/cm2の஢流が放出されている。カソードの面積をかけると1.41Aである。
熱カソードRFガンではカソード表面の஢場の符号がX-band熱RFガンのキャビティは3.5セルでできて
1E-mail: fukasawa@utnl.jp

半周期毎に変わるので、ビームが放出されるのは加速フェーズにある半周期の間である。ビーム஢流は半分の0.705Aとなり、半周期の間に放出される஢荷量は62pCである。このうち、キャビティを通過する஢荷量を‫ڐ‬算するため、PARMELAを用いてビームの運動を‫ڐ‬算した。これによると、カソード表面の஢界強度が120-130MV/mをଵえると、30pCに落ち着いてくる。これ以上の஢荷量を望むためにはカソードから放出される஢子の量をふやす必要がある。

b = K + K 2 +1(4)ここでは,I0=0.34[A]、 Pg=6MWとすると、K=0.11となるので、最適なbは1.2で加速効率が0.20である。
i番目のバンチに対するビームローディングViは理論式より、

1ˆ
Ê i -1
Vi = V0 Á Â e -lt - ˜2¯
Ë l =0V0 = 2kq , t = Tb T f(5)(6)

であり、V0は一バンチによるビームローディング、kはWake Loss Parameter、qは一バンチ当たりの஢荷量、
T bはバンチ間隔、T f はFilling Timeである。この式を用いて空洞内での加速஢圧を‫ڐ‬算すると入力パワーが6MW、 b=1.2のとき、図２のようになる。ここでの஢圧は、ビームがキャビティ内を光速で通過したときに得ら れるゲイン である。定 常状態では 、0.38MVのビームローディングがある。PARMELAを用いた‫ڐ‬算による(表２)と、やはり最大エネルギーで0.4MeVの差がでる。

図２．カソード表面の஢界と通過஢荷量

2.3 ビームローディングの‫ڐ‬算
30pCのバンチがキャビティを通過してくるので、これによりビームローディングが֬きるとし、これが十分短いバンチであり、キャビティ内を光速で運動しているとする。定常状態におけるビームローディング[1]は、Vbr =I 0 Ra1+ b(1)となる。ここで、I0 はビーム஢流、 Ra は実効的なシャントインピーダンス、b は外൉とのカップリングである。加速の効率hはh=

2 b È ÊK ˆ˜˘
Í 2 K Á1 ˙
1 + b ÍÎ ÁËb ˜¯˙˚(2)I02(3)

K=

RaPgで表される。ここで、Pg はRF源からの供給஢力である。この加速効率を最適化することで最適なカップリングを求めると、(2)式のb での偏微分が0になるとき、ビーム஢流とRF஢力が決まったときの最適なカップリングが求まり、

図３．キャビティ内の加速஢圧
表２．ビームローディングの影‫؜‬Beam Loadingなし
あり
165 MV/m
148 MV/m
カソード஢界3.8 MeV
3.4 MeV
最大エネルギー
3.1 MeV
2.7 MeV
平均エネルギー

３．ガン出口のビームパラメータ
ビームローディングの影‫؜‬を考慮した上での、つまりカソード表面上の஢界が148MV/mの時のビームパラメータについてここにまとめる。

3.1 ビームの分布

3.3 エミッタンス等

ガン出口におけるビームエネルギーの時間分布およびビーム波形を図4,5にそれぞれ示す。ビームのほとんどが先頭の30ps以内にあり、エネルギーもその辺りまでが1MeVをଵえている。また、ちょうど1周期ૺれたところにもエネルギーの‫ݗ‬いものが存在するが、これはキャビティ内で１度減速され、再度加速されたものである。

この逆コンプトン散乱装置では、さらにビームを加速する必要があり、この後X-band進行波型加速管で加速する。最終的なビームのエネルギー広がりを1%程度に抑えたいために、஢子ࢳを出たビームはα磁石でエネルギー分別され、バンチସ圧縮を受ける。
それを考慮して最大エネルギーの90%以上のものだ
けを考える。‫ڐ‬算したパラメータについて表３にまとめる。஢荷量は20pC以上が望ましいので、今後の‫ڐ‬算により、エネルギー条件の緩和の可能性を検討する必要がある。エミッタンスは十分であり、バンチସはα磁石によりさらに圧縮を受ける。
表３．エネルギーが最大の90%以上で構成されるビームのパラメータ
஢荷量
17pC
エミッタンス(rms)6.2pmm.mrad
バンチସ(全幅)6.3ps６．まとめ

図４．ビームの時間分布

X-band熱カソードRFガンについて、ビームローディングを考慮した‫ڐ‬算を行った。ガンを通過する
஢荷量が30pCの場合、加速効率が最大になるbは6MWの入力パワーで1.2であり、ビームローディングは0.38MVになる。そのときの最大エネルギーは3.8MeVであり、αマグネットでのエネルギー分別を考慮し、エネルギーが最大の90%以上あるものだけを考えると֩格化rmsエミッタンスは6.2pmm.mradで、バンチ
ସは全幅で6.3psである。今後はα磁石で曲げた後の加速管内のビームローディングについて‫ڐ‬算を行い、ビームの安定領域を増やすことができるようなRFの波形を求める。

参考文献[1] P. B. Wilson, ”High Energy Electron Linacs:
Application to Storage Ring RF Systems andLinear Colliders”, SLAC-PUB-2884 (1982)[2] Y. Ymamoto et al., “Design Study on X-band ThermionicCathode RF Gun”, In the proceedings of the 27 th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, (2002)

図５．ビーム波形