イオン蓄積・冷却リングS-LSRでのMGイオンビームのレーザー冷却野田 章A),中尾 政夫A), 想田 光B), 頓宮 拓C),岡本 宏巳D)，大崎 一哉D), 百合 庸介E)、神保 光一F),
グリーザー マンフレッドG)、何 崢麒H)A)NIRS, B)Gunma Univ. C)ICR, Kyoto Univ.
D) AdSM, HiroshimaUniv., E)JAEA, TARRI., F)IAE, Kyoto Univ.
G)MPI-K,, Germany, H) Tsinghua Univ., China

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

Contents
1. 先進小型加速器のための要素技術開発
2．S-LSRの概要
3．SBRCによる間接的横方向レーザー冷却
4．スクレーパーを用いたビーム強度制御によるIBS抑制と冷却効率の改善
5．現在までの到達点

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

2

Development of Compact Cancer Therapy Machinewith Use of Laser Ion Source
Pulse Synchrotron(KEK)
Electron Beam Cooling(Kyoto Univ.)

HIMAC at NIRS in Chiba
Laser Ion Source(JAERI, Kyoto Univ.)

2013年8月4日

Phase Rotation(Kyoto Univ.)

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

3

Compact Cooler Ring S-LSR－Circumference 22.56m－Straight Section Length 1.86m
E-cooling modes• Protons 7MeV
(Ee=3.8keV)

Laser cooling• 24Mg+ 40 keV(l=282 nm)

S-LSR

In operation since October, 20052013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

4

Main Parameters of S-LSR
Circumference
Average radius
Length of straight section
Number of periods
Betatron Tune
Crystalline Mode
1.45 (H) , 1.44 (V)Bending Magnet
Maximum fieldCurvature radiusGap height
Pole end cut
Deflection Angle
WeightQuadrupole Magnet
Core LengthBore radius
Maximum field gradient2013年8月4日

22.557 m
3.59 m1.86 m6
Normal Operation Mode
1.872(H), 0.788 (V): EC
2.068(H), 1.105, 1.070 (V): LC(H-type)0.95 T
1.05 m70 mm
Rogowski cut+Field clamp
60˚
4.5 tons
0.20 m70 mm
5 T/m

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

5ESR at GSI, by M. Steck

CRYRING at Stockholm,by H. Danared

ESR at GSI, by M. Steck

NAP-M at BINP, Novosibirsk
by V.V. Parkhomchuk

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

6

Ring Layout

RF Resonator

Induction
Accelerator

from Linac

S-LSR

Laser
Cooling

6-fold Symmetry

Electron Cooler
2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

7

Electron Cooler installed in S-LSR

Dr. Hicham Fadil

Cooler Solenoid

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

8

Phase Transition to 1D Ordered State2K

2013年8月4日

T. Shirai et al., PRL, 98 (2007) 204801

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

9Simulation by H. Okamoto et al.

Expectation from Simulation2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

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Crystalline Beam in Circular RFQ, PALLAS
T. Schatz, U. Schramm, D. Habs:, Nature, 412, 717 (2001)2013年8月4日

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11

Excited States of Mg Ion

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

12

Principle of Laser Cooling (Longitudinal)v0h

v 0 +v r

Wave Length
280 nmA:lower state 3s2S1/2
2
B:upper state 3p P3/2

< v>=v 0 +v r

2013年8月4日

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13

Block Diagram of Laser Cooling at S-LSR
24Mg+ Ion Beam
CHORDISIon Source

40 keV

Injection &Accumulation

Beam Transport

Laser System
532 nmGreenLaser

560 nmRing Dye
Laser

280 nmSecondHarmonics
Generator

2013年8月4日

S-LSR
Induction
Accelerator

Beam Defining
Apertures
Brewstar
Window

Brewstar
Window

Optical Guide

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Observation of Transverse Beam Size by
CCD Camera
Beam

Injection

140mm

RF Cavity

f=140mm
ＣＣＤ

f=140mm
CCD

mirror140mm

Cooled CCD Camera(Hamamatsu Photonics C7190-11W)

2013年8月4日

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15Ion Observation with Emitted LightLaser Cottage

Fluorescent lightfrom the ion beam16
野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学
Laser Profile

2013年8月4日

L-H Coupling
Only the relation:

H-s=integer
is satisfied!

2013年8月4日

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M. Nakao et al. Phys. Rev. ST Accel. Beams 15, 110102 (2012)

Transverse Laser Cooling by
Synchro-Betatron Coupling(νH, νV )＝ (2.068,1.105)

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

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M. Nakao et al. Phys. Rev. ST Accel. Beams 15, 110102 (2012)

Time Variation of Transverse Beam Size
for Various Synchrotron Tune
(Beam Intensity 1 x 107)

2013年8月4日(νH, νV )＝ (2.068,1.105)

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

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Controlled Scraping to Suppress IBS Effects
He Zhengqi et al., to be published

Scraper

ControlledScraping

2013年8月4日

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20

Scraping System for Intensity Reduction andBeam Size Measurement

ElectronCooler
2013年8月4日

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Beam Distribution Measured by Scraping

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

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Efficiency Increase of Indirect Transverse Laser Cooling
H. Souda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013) 030202

Beam size measurement by scraping

Time dependence of the cooled beam size

Horizontal beam size

Vertical beam size

Ion Number Dependence of the Indirectly laser-cooled Laser cooled Beam Size23
2013年8月4日
野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

H-V Coupling is added
Relations:H-s=integer,
H-V=integer
are satisfied together with the use of a Solenoid

2013年8月4日

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24

Comparison of Beam Sizes
between 2D and 3D IndirectLaser Cooling

2013年8月4日

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3D Laser Cooling + INDAC→Detuning Optimization

Horizontal Beam Size measured by CCD
0.08mm with the intensity of 3x104

Horizontal Beam Temperature 7.0K with 3x104

Vertical Beam Size measured by a Scraper
0.13mm with the intensity of 1x104

Vertical Beam Temperature 2.1K with 1x104

2013年8月4日

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26

Comparison with Former Data
Year Ring

MethodIon

Kinetic
EnergyIntensity

T∥

TH

TV

1996 TSR

IBS

9Be+

7.3 MeV

2.0 x 107154000500

1998 TSR

Dispersive
cooling

9Be+

7.3 MeV

1.0 x 107

few tens~500#~150

1999 ASTRID

IBS

24Mg+

100 keV7 x 106

2-517

2001 PALLAS

RFQ

24Mg+

1 eV

1.8 x 104

<3 mT⊥<0.4

2008 S-LSR

IBS

24Mg+

40 keV

1.0 x 10711

2009 S-LSR

W SBRC (2D)

24Mg+

40 keV

1.0 x 10727

2009 S-LSRWO SBRC

24Mg+

40 keV

1.0 x 10716

2012 S-LSR

W SBRC (2D)

24Mg+

40 keV1 x 104(0.4)

2013.2.1 S-LSR

W SBRC (3D)

24Mg+

40 keV1 x 104

2013.3.7 S-LSR(Df=-190 MHz)W SBRC (3D)
(INDAC ON)

24Mg+

40 keV2013.3.22 S-LSR(Df=-26 MHz)W SBRC (3D)
(INDAC ON)

24Mg+

40 keV2013年8月4日#21-500220$

2029-40111 x 104

-8.1

4.1

1 x 104-7.0(3 x 104)

2.1

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

27

Controlled Scraping to Suppress IBS Effects
By M. Bussmann U. Schramm and D. Habs et al., SPARC07

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

2828

By Y. Yuri et al. Proc. of COOL’13

MD Simulation

N = 104, detuning is -41 MHz
Laser Power is 8 mW
Experimentally attained!!
TH= 7.0 K, TV = 2.1 K

2013年8月4日

N = 103, detuning is -41 MHz
Laser Power is 8 mW
1 D Crystalline string の 形 成

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

29S-LSR リング

ラティスの特長

Shear Heating and Dispersion Suppressor

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

30

Dispersion Suppressor
d 2x 3  n1 DW
 2 x
2ds

 WElectric Fieldd 2 x 1  n 1 Dp
 2 2ds pMagnetic Field

DWDP
2W
P

Non-relativistic Case

2E  (v  B)
2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

31

Vacuum Chamber in the
Magnet Section(includes the Electrodes)

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学

32

まとめと今後への提言(個人的願望）
1. SBRCによる3次元間接的レーザー冷却の実験的検証の実現
2．ビームスクレーピングによるIBS抑制を通じた冷却効率の改善
3. ビーム結晶化には更なる冷却力の強化が必要→レーザーの数、パワーの増強→スクレーピングによるビーム強度の更なる減少（あと一桁）に耐えるビーム検出効率の向上
4．Dispersion Suppressed Latticeを活用した3次元結晶化ビームの実現
2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学33

謝辞
御清聴に感謝いたします。
本研究は文部科学省の「先進小型加速器のための要素技術の開発事業」及び京都大学グローバルCOEプログラム「普遍性と創発性から紡ぐ次世代物理学」の支援を得て行われました。

2013年8月4日

野田 章 於第10回加速器学会 名古屋大学34