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)

Simulation of beam injection by direct plasma injection schemewith beam extraction in an RFQ linac cavity
Hirotsugu Kashiwagi1,A), Masahiro OkamuraB), Jun TamuraC) Takeshi KanesueD)
A)
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, Japan Atomic Energy Agency
1233 Watanuki, Takasaki, Gunma 370-1292
B)
Collider Accelerator Department, Brookhaven National Laboratory
Upton, NY 11973, USAC)Tokyo Institute of Technology
2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550
D)
Kyushu University
744 Motooka Nishi-ku Fukuoka 819-0395
Abstract
An ion beam is extracted at the edge of RFQ linac cavity from a laser plasma in direct plasma injection scheme (DPIS).
A simulation study has revealed that mismatch between injected beam emittance and RFQ linac acceptance takes placebecause an extracted beam diverges due to space charge effect from a beam extraction electrode to the RFQ accelerationelectrodes of the RFQ linac. In order to avoid this problem we have proposed an improved DPIS, in which a beam isextracted in the cavity.
Beam injection to an RFQ linac was simulated It was confirmed that the matching between injected beam emittanceellipse and acceptance ellipse was improved using DPIS with beam extraction in an RFQ linac.

RFQ線形加速器空洞内ビーム引き出し直接プラズマ入射法における加速器入射の計算
１．

はじめに

証実験としてアルミニウムイオンの加速実験を行い、従来型の直接プラズマ入射法に比べ、約20%のビーム電流増加が得られたことで本方法の有効性を確認した[4]。
本方法によるマッチングの向上を確認するため、本研究はレーザープラズマからのビーム引き出し・軌道計算を行い、イオン源から出射したビームと加速器のアクセプタンスのマッチングを従来型直接プラズマ入射法と加速器内引き出し法について比較を行った。

直接プラズマ入射法は、高強度の重イオンビーム生成を目的とし、レーザーイオン源で生成するレーザーアブレーションプラズマからイオンを引き出すことなくそのプラズマが持っている初速のまま飛行させ、RFQ線形加速器入射部直前でビームを引き出してビーム入射を行う方法である。
これまで、炭素4価ビームで最大電流38mA[1]、炭素6価ビームで17mA[2]の大強度ビーム加速が実証され、大電流重イオンビーム加速におけるDPISの有効性が実証されていたが、シミュレーションより、
２. RFQ線形加速器内ビーム引き出し法
ビームが引き出された後、加速電極に到達するまでの間にビームが発散することによって、RFQ線形加図1に本研究の加速器空洞内ビーム引き出しを用速器のアクセプタンスと入射ビームとのマッチング いたDPISの構成を示す。
低下し、ビーム損失を引き起こしていることがわ
基 本 的 な 構 成 は 従 来 型 の DPIS と 同様であり、かった[3]。
RFQ線形加速器に低エネルギービーム輸送ラインをこのビーム損失を低減するため、ビーム引き出し 介さず直接レーザーイオン源が接続されている。
を加速器空洞内の加速電極先端部で行うことにより、 レーザープラズマはレーザーイオン源のプラズマ電極先端までプラズマのまま輸送され、イオンビームビームをプラズマから引き出した直後にRFQ線形加速器の四重極電場領域に入射する方法について研究 が引き出される。
RFQ線形加速器は高周波四重極レンズに加速のたを行っている。
加速器中にイオン源の電極を入れても加速器の共 めのモジュレーションをつけたビーム加速電極をも振周波数・電場分布の変化が無視できるほど小さく、 ち、発生する四重極電場によって、この電極間を進加速器の性能を低下させないことを確認し、原理実 行するビームは強力なビーム集束力を受ける。
1E-mail: kashiwagi.hirotsugu@jaea.go.jp-509-

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)

従来型ではビームが引き出される場所は加速器端板内つまり、加速空洞の端であり、ビーム集束力が働かない場所である。つまり、引き出されたビームは集束力を受けずに加速電極領域まで進行する。
加速器内部引き出しでは加速内部でイオンビームを引き出す。加速器空洞内へのレーザープラズマの導入は、円筒チューブ型のプラズマ電極を高電圧のイオン源内部にその片端を固定し、もう片端を加速器内部まで挿入することによってイオン源と同電位の領域を加速器内部まで形成することで行う。つまりイオン源内部で発生したレーザープラズマは電場による力を受けることなく加速器内部の円筒電極先端まで進行する。従って、電極先端位置を加速電極開始部まで挿入した場合には、イオンビームは引き出された直後に加速器の集束力を受け、従来型における問題を回避できると考えられる。

ると次式で表わされる。

I ( L, t ) = 密度・電荷・ｚ方向速さ・面積
L2
f (0,0, )dυ x dυ y dυ zL ⎛D⎞
t=Zeπ⎜ ⎟t ⎝2⎠dυ x dυ y dυ z ⋅ t 3ある z 方向速さをυz とすると、t=L/υz 従って(0,0,υz)の速度のイオンが位置 L で検出される電流 I(L)はf (0,0,υ z )4 ⎛D⎞
I ( L) =Zeυ z π ⎜ ⎟ ∝ L−33L⎝2⎠
2

従って L=L0 の位置でのイオン電流密度を j0 とすると
3

⎛L ⎞ ⎛D⎞
I ( L) = j 0 ⎜ 0 ⎟ π ⎜ ⎟⎝ L ⎠ ⎝2⎠2

加速器内部ビーム引き出し法ではプラズマ発生部から 300～310mm（加速器空洞端部～加速電極開始位置）において、φ6mm の円筒電極よりビームが引き出される。上式を用いて各計算位置でのイオンの電流量の時間分布を求めた。図 2 に L=300mm におけるイオンの価数・電流量分布を示す。
図1

RFQ線形加速器内ビーム引き出し法の概念図
250

3. 炭素プラズマからのビーム引き出しシミュレーション

C2+C3+C4+C5+C6+③200④
current [mA]

3.1ビーム引き出し位置におけるイオン価数・電流量分布

②150

①⑤

ビーム引き出しシミュレーションに用いるプラズ
100マの条件には、レーザープラズマの価数分布・電流量測定の結果を用いた。この測定ではグラファイト板をプラズマ発生ターゲットに用い、波長1.064μm、50パ ル ス 幅 15ns 、 エ ネ ル ギ ー 400mJ の Nd:YAG レ ー
ザーをこのターゲット上に集光して照射しレーザー
0
プラズマを発生させ、電流量測定および価数分析す
0.60.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.22.4
ることで、プラズマ発生部より400mmの位置での各time[μs]荷数の電流量の時間分布を求めた。プラズマはターゲット上で発生した後、自身が持つ速度分布に従っ 図 2 プラズマ発生位置より 300mm の位置でのφて空間内に膨張する。従ってプラズマ中のイオン電 6mm の領域における炭素プラズマのイオン価数・流量はプラズマ発生部からの位置によって異なるた 電流量の時間変化
め、測定結果からビーム引き出し計算を行う位置に
図の点線はシミュレーションを行った箇所を示しおけるイオン電流量分布を求める必要がある。ている。これは時間的に変動するビーム引き出し条
プラズマ中のイオンの衝突・再結合が無いと仮定 件の代表的な時間として各価数の価数分布のグラフ
すると、イオンは初速度で等速直線運動を行う。プ の極大値および極小値とその中間の点を主に選択しラズマ発生ターゲットがz=0のxy平面内にあり、プたものである。横軸はレーザーが炭素ターゲットにラズマがこのターゲット上のx=y=0の位置で時間t=0照射した時を 0s とした時にビーム引き出し部にに発生したとする。プラズマ発生部からの距離L
レ ー ザ ー プ ラ ズ マ が到着した時間、縦軸は内径（z=L）でz軸上に中心を持つ直径Dの円を通過する
6mm のビーム引き出し電極におけるビーム電流量
イオン電流I(t)はイオンの速度分布をf(vx,vy,vz)とし、 を表している。番号は図 3 と対応している。
電流密度分布がこの直径Dの円内で一様だと仮定す-510-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)

x' [mrad]x' [mrad]300

RFQ Acceptance-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2

O

200

②0.2

100

0.40.6400③300

RFQ Acceptance⑤①x' [mrad]y400

④

200

100

x' [mrad]x' [mrad]

③

400

0.8

1.0 x [cm]x [cm]-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2

O④②⑤①0.20.4300RFQ Acceptance200

1000.60.81.0 x [cm]x [cm]-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2O-100-100-100-200-200-200-300-300-300-400-400-400③④② 0.40.20.60.8x [cm]x1.0⑤①

図3 RFQ加速電極z=310の位置における入射ビームエミッタンス楕円とRFQ線形加速器のアクセプタンス
レーザープラズマを導くためのイオン源と同電位の円筒電極の先端位置がa)加速器空洞端(z=300)mm b)加速器空洞内部に5mm挿入(z=305mm) c)加速電極開始位置(z=310mm)。番号は図2の番号と対応している。の距離が短くなったため、ビームの広がりが抑制され、アクセプタンスとのマッチングが向上している。
3.2ビーム引き出し計算によって求めた加速器への
電 極 先 端 位 置 を 加 速電極開始位置に一致させた
入射条件
z=310 の場合にはビームが引き出された直後に加速
図 2 に示した通りイオン電流量は時々刻々変化す
電極に到達するためビームが広がる前に入射し、加るので、前節で求めたイオン電流量価数分布を時間 速器のアクセプタンスとのマッチングがさらに向上的にスライスしてビーム引き出し計算を行い、RFQしている。
線形加速器へ入射するエミッタンス楕円を求めた。
ビームが引き出されるプラズマとイオンの境界面
プラズマからのビーム引き出しの計算はイオン源 の形状は凹面状であるが、その後イオンは空間電荷からのビーム引き出しに広く用いられている計算プ効果によって発散力を受け、発散ビームつまり、位ログラムである IGUN を用いた。IGUN は、電子銃に置と角度が同符号の位相平面上の第 1・第 3 象限における電子軌道計算プログラム EGUN をベースにし、 長軸を持つ楕円として広がる。しかし RFQ 線形加速プラズマからの陽イオンビームの引き出し及び引き器のアクセプタンスは第 2・第 4 象限に長軸を持つ出されたビーム軌道を計算するプログラムである。
楕円であり、引き出されてから加速電極入射するま
ビーム引き出し口でプラズマは RFQ 線形加速器とでの距離が長いほど、空間電荷効果の広がりが顕著
イオン源間の電位差に起因する電場から力を受け、 に表れ、アクセプタンスとのマッチングが低下する。
電子は RFQ 線形加速器側には流出できず、イオンだ一方引き出された直後に加速電極に入射する場合は、けがプラズマの外側に引き出される。
空間電荷効果によるビームの広がりが表れる前に入プラズマ境界面におけるプラズマ密度制限イオン射するため、プラズマ-イオンの境界面の形状を反電流密度と空間電荷制限電流密度が等しいことから映した分布になり、アクセプタンスとのマッチングプラズマ境界面の位置を決定され、Ray Tracing にが向上したと考えられる。
よって空間電荷効果を含んだ引き出されたビームの軌道が決定される。
参考文献
計算においては加速粒子を C6+とした。RFQ 線形加速器の設計入射エネルギー20keV/u に合わせるた[1] H. Kashiwagi et al. “Acceleration of high current fullystripped carbon ion beam by direct injection scheme “ Rev.
め、イオン源のターミナル電圧は 40kV である。プSci. Instrum. 77, 03B305, 2006
ラズマ発生部から 300mm(従来型直接プラズマ入射[2]M.
Okamura et al “High current carbon beam production
法の電極先端位置)～310m(電極先端位置が加速電極
with direct plasma injection scheme” Rev. Sci. Instrm 77,端部)の位置でφ6mm の円筒電極より引き出された
03B303, 2006
ビームのイオンが RFQ 加速電極に入射するビームエ [3] H. Kashiwagi et al., “Study of the Beam Pulse Shape by
ミ ッ タ ン ス 楕 円 を 求めた。円筒電極先端位置がDPIS for High Intensity Heavy Ion Beam Acceleration”
300mm、305mm、310mm での計算結果を図 3 に示す。
Proc. 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society
従来型の直接プラズマ入射法である円筒電極先端
of Japan and the 31st Linear Accelerator Meeting in Japan,570 (2006).
位置が z=300mm の場合は、イオンが引き出された後[4] H. Kashiwagi et al., “Direct plasma injection scheme with
加速電極に到達するまでに拡散し、特に電流量が大
beam extraction in a radio frequency quadrupole linac
きい場合は加速器のアクセプタンスから大きく外れcavity” Rev. Sci. Instrm, 79, 02C716(2008).
た入射ビームエミッタンス楕円となっている。加速電極内に 5mm 挿入した電極先端位置 z=305mm の場合においてはイオンが引き出されてから加速電極まで-511-