Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

DESIGN AND SIMULATION OF CAVITY FOR APF-IH TYPE LINAC○ LU Liang A ，Toshiyuki Hattori A ,Noriyosu Hayashizaki A
ATaku Ito ， Takuya Ishibashi AA)
Tokyo Institute of Technology
2-12-1-N1-25, Oo kayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550

Abstract
A new IH-type DT (d rift tube) Linac, wh ich will be used as an imp lanter of semiconductor industrial, is being
designed now. IH structure has an amazing merit wh ich is its power efficiency that is 5–20 times higher than that ofother RF linear accelerators in the lo w and middle energy range. Therefore, it is possible to generate higher voltages (25 t imes) than in other system with the same RF feed ing power. We choose APF system to focus beam. And in order toobtain higher transmission, a special unique structure adopting double bunch was designed in the initial t wo cells. We
are using PARMILA and PM LOC as simu lation soft to calculate orbit co mputation, and using MICROWAVE STADIO
to simulate electro magnetic field distribution.

APF-IH型線形加速器空胴のデザインとシミュレーション
１．はじめにり、電場を計算し粒子計算をする必要がある。

IH (Interdigital-H) 型線形加速器注入機の開発研究
２．軌道計算とシミュレーションを目的とした私たちは、低コスト、高電力効率、高本研究では、8個のドリフト・チューブで9セルの加速率で半導体製造に使えるIH加速器をデザインしIH 構 造 を 設 計 し て い る 。 軌 道 計 算 には 、 ソ フ トようとしている。この重イオン注入機は加速できる粒子が 11 B と 31 P になっている。スケジュールとし PARMILAとPM LOCを使用し、キャビティ電場分布シミュレーションには、Microwave studioを使っていては、線形加速器の設計、軌道計算、空胴電磁場シミュレーション、そして実機の加速器を作り、4 He+ た。と 31 P2+の加速テストをする順になっている。
2.1 PARMILAによる軌道計算
IH 型線形加速器の特徴は、IH 型共振構造(IH加速空胴にドリフト・チューブ型線形加速器)がTE111
PARMILA に より、セルごとのエネルギー分布とモードで励起される円筒状の空胴共振器で、低・中Transit time factorを求めた。Transit time factorの例がFig.2のTFになり、PARM ILAによる最終セルのデザエネルギー領域において、Alvarez型や RFQ型の 5～イン結果がFig.1になる。
20倍の電力効率を持つという特長があるため、従来型と同じ程度の RF パワーを投入することで（2～５倍の）高電圧を発生する事が出来、小型で、高加速率の入射器を実現できる。本研究では、ビームの収束にはAPF (Alternating Phase Focus) 構造を採用した。APF法より、同期位相がプラス、マイナス交互になるようにセル配列を決定する。このAPF法により、この加速器は収束するセル（軸方法発散）と発散セル（位相安定）をもつ事になる。このため、軸対象の加速構造にとって、空胴全体で粒子を安定に加速することが期待できる。
IH型線形加速器は、ドリフトチューブ間に加速電場を発生させるため、加速器空胴内に発生する電場分布、もしくは加速器の共振周波数を容易に調整する事ができない。また、IH空胴は三次元構造のため、各ドリフトチューブ間で発生する電場形状が非対称成分を生じ、一つのドリフトチューブ間での粒子運動から空胴全体での粒子運動を評価することができ
Fig.1: 最終セルのビーム様子
なく、三次元空胴高周波電磁場シミュレーションよ-174-

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2.2 PMLOCによる軌道計算
PMLOC 軌 道計算コードは thin lens 近似の原理により本研究室で開発され、実行してきたソフトである。この PMLOC軌 道計算ソフトを通して、繰り返し位相パターンごとのドリフトチューブテーブルを作成し、バンチ位相幅を求め、そのバンチ内粒子の横方向アクセプタンス量を求めた。本研究では、加速方向と横方向が共にアクセプタンスの大きい最適位相 ±300 を選択した上に、最初 2セルをダブルバンチャー(double buncher)構造を採用した。軌道計算の例をTable.1にとし、位相変化の様子をFig.2にとする。

をアセンブリした。このアセンブリした加速器の入射エネルギー、周波数などの入射条件を設定した上で、 Microwave Studioを使って加速器の軸方向に沿う 電 場分 布を シミ ュレ ーシ ョン を行 った 。 3次元メッシュの図の結果をFig.3に示し、加速軸方向の電場分布例をFig.4に示している。

Fig.3: 3Dによるメッシュ分割
りTable.1: ドリフト・チューブテーブル

Fig.4: 加速方向の電場分布

３．まとめ
今回の計算機実験は複数なソフトを用いて、加速器デザインと三次元電磁場シミュレーションを行った。また、デザインとギャップ間電場のシミュレーション結果について考察を行った。

Fig.2: 加速位相が±300 付近での変化様子

2.3 Microwave Studio に よ る 三 次 元 電 磁場 シ ミ ュレーション
IH型線形加速器の場合は特に加速ギャップに発生する電場形状に非対称成分が発生するため、三次元電磁場解析そるとを用いてこの非対称成分を評価する方法を考えた。
空胴電磁場シミュレーションソフトはParmila、とPMLOCの粒子軌道計算の元で、Microwave Studioを使用している。 Parmilaと PMLOCの ビームのシミュレーション計算により、加速器の空胴設計を行っていった。この設計の元で、SolidWorksを使って加速器の構造部品それぞれをデザインし、最後に各部品

3.1 デザイン評価
今回のデザインはコンパクトな IH 線形加速器注入器の設計を目的とした。本加速器は 9 セルの構造で、収束には APF 収束法を採用した。トランスミッションの図Fig.5 に よると、同期粒子トランス
ミッ ションが 16％ になり、 トータルトラ ンスミッションが43.1％に達した。このシミュレーション結果からみると、APF収束法による線形加速器の設計と加速が出来たと考えられる。
また、効率的に粒子を加速させるため、等電場分布を採用した。等電場分布は一部分の電場集中がなく、効率的に発生した電場を加速に使用する事ができる。設計に当たって、加速粒子、入射エネルギー、-175-

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出射エネルギー、運転周波数等の具体的な基礎パラメーターをTable.2に示す。これらのパラメーターを基にデザインしたリニアックはFig.6に示す。

Fig.5: 加速方向のエネルギー分布

しい設計値と比べると、Microwave Studioの計算では、大きな差を示した(Fig.7)。この原因はAPF収束法による各セルの加速位相が異なり、各セルの長さも そ れ ぞ れ に 異 な る 。 特 に 4番 目 の ド リ フ ト ・チューブが最短であるため、DTにしみ込んだ電圧の影響が最大になり、ギャップ電圧は最低になった。
各ギャップ間の電圧の差を出来るだけ小さくするた
めに、 Microwave Studioの電圧データを利用して、PMLOCを 用いて同じモデルで繰り返し計算を行った。繰り返し計算の方法は、Microwave Studioの結果を用いて、比例した値を再び PMLOCに 代入し計算を行った。4繰り返し計算の結果では、各ギャップ間の電圧差が明らかに小さくになり、収束出来た結果を得た。この結果は(Fig.8)に示す。
この結果からみると、モデル用いた三次元電磁場シミュレーションは繰り返し計算が必要のは分かった。また、加速器実機を製作するとき、事前測定することも必要のは分かる。

Charge to mass ratio (q/A)
3/31
Frequency (MHz)60
Input energy (keV/u)
20
Output energy (keV/u)49
Cell numbers
9Bore (mm)9Synchronous Phase-300  300
Table.2 Main parameters of APF-IH DTL

Fig.7: 加速方向の電場分布

Fig.6: シミュレーションに用いたモデル
3.2 ギャップ電場評価
本シミュレーションでは、Microwave Studio を用いて、三次元電磁場分布を求めた。しかし最初と最後のギャップ電圧を除いて、他のギャップ電圧が等-176-Fig.8:電場分布の繰り返し計算