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)

Laser Cooling of bunched beam at S-LSR
Masao NakaoA), Mikio TanabeA), Hikaru SoudaA), Akihisa WakitaA),
Takehiro IshikawaA), Masahiro IkegamiB), Hiromu TonguA), Toshiyuki ShiraiC), Akira NodaA)
A)
Institute for Chemical Research, Kyoto University
Gokasho, Uji-shi, Kyoto 611-0011
B)
Kansai Photon Science Institute, Japan Atomic Energy Agency
8-1 Umemidai Kizugawa-shi, Kyoto 619-0215
C)
National Institute of Radiological Sciences
4-9-1, Anagawa, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba 263-8555
Abstract
We report the experiment of laser cooling of bunched 40keV 24Mg+ beam with 280nm ultraviolet laser. We measured
the bunch length with pick-up electrode and observed a reduction of longitudinal momentum spread. As the laser
frequency becomes closer to the center of phase space, the bunch length and the momentum spread becomes smaller.

S-LSRにおけるバンチビームのレーザー冷却
設計段階からクリスタルビーム生成に必要な条件を考慮に入れ理論的に予言されている条件を満たす動加速器中のビームは、個々の粒子の運動量にばら作点でビームを安定に蓄積、冷却できるように考慮つきがあり、有限の速度広がりを持っている。また、されている[8]。
空間的にもビームは進行方向、垂直方向に広がりを本研究では、３次元冷却の最初の段階として、シ持っている。通常、ビームの温度は数千Kにもなりンクロトロンチューンの小さい状態でバンチビーム極めて高温の状態である。ビームの品質を向上させの冷却ができることを実験的に証明する。また、バるために、様々なビーム冷却法が開発されてきた。
ンチビームを冷却したときに、ビームを観測する方その種類は確率冷却、電子ビーム冷却、レーザー冷法を確立する。この論文では、RF電圧によってバン却がある。レーザー冷却は、これらの冷却法の中でチ さ れ た 、 運 動 エ ネ ル ギ ー 40keV の 24Mg+ の バ ン チ
最も冷却限界温度が低い。
ビームの、レーザー冷却実験とその結果について述
近年イオントラップ中のイオン集団をレーザー冷べる。
却することで実際にクーロン結晶状態を作り出せることが確認されている[1]。一方で理論的には、蓄積
２．実験装置
リングを周回するイオンビームを冷却していくと、クーロン結晶がリング中を周回しているのと同等な京都大学化学研究所で2005年より稼働しているSクリスタルビームが生成可能であると予言されていLSRは、6回対称性を持つ周長22.57mの小型イオン蓄る [2,3] 。また円形イオントラップにおいて、運動エ積・冷却リングであり、7MeVの陽子を電子ビーム冷ネルギーが1eVという非常に低エネルギーのMg+イオ却、40keVの24Mg+のビームをレーザー冷却する実験
ンビームのレーザー冷却によって、3次元のクリスが 行 わ れ て い る。 S-LSRでは、電子ビーム冷却にタルビームが生成できたと報告されている [4,5]。しよって極めて低い線密度において陽子を1次元でかし、高速イオンビームの結晶化はまだ実現していオーダリングさせることができた [9,10] 。またレーない。
ザー冷却によってビームの進行方向に連続的に分布高速で運動しているビーム中の粒子をレーザー冷したコースティングビームの冷却に成功している[11]却するとき、レーザーは前方または後方からのみ当。
てることができるので、直接冷却できるのは進行方
レーザーシステムは図２の通りのものを用いた。
向のみである。ビーム粒子の密度が高ければ、クー
ま ず ポ ン ピ ン グ レ ー ザ ー と し て COHERENT 社 のロン力によって垂直方向にも冷却されるが、より強Verdi-V10 (Nd:YVO4, 532nm,最大出力10W)を使用し力な共鳴結合法という方法が提案されている[6]。シた。この出力を色素レーザーに入射する。色素レーミュレーションによる研究により、共鳴結合法でクザ ー に は 、 COHERENT 社 の CR-699 に 、 色 素
リスタルビームを作るには、適切なラティス構造をRhodamine 560 Chloride を使用し、波長は560nm程もつ蓄積リングにおいてシンクロトロン振動とベー度の範囲で調節可能で、最大出力は0.96Wである。
タトロン振動を共鳴させることが必要になる。[3,7]
こ れ を LBO 結 晶 を 用 い た MBD( 倍 波 発 生
京都大学化学研究所のイオン蓄積リングS-LSRは器)(COHERENT社のMBD-200)に入射し、色素レー１．はじめに-120-

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ザーからの光の倍の振動数の紫外線レーザーを発生する。最大出力は60mWである。

相空間で表すと、回転していることになる。すると、やがて粒子はレーザー冷却力が及ぶ範囲に入り、そこで加速されて楕円の領域の中を回るようになる。
ただし、レーザーの強度が充分でなければ、粒子がこの範囲に入ってもレーザーと相互作用しない可能性がある。
ビーム粒子がこの小さな楕円の中に閉じ込められたということは、位置の広がりも運動量の広がりも小さくなった、つまり冷却されたということになる。
レーザー冷却力が及ぶ範囲の位置はレーザーの周波数をわずかに変化させることによって変化し、図の中心との周波数差をdetuningといいます。Detuningを小さくするほど粒子は狭い領域に集まると予想できる。

４．バンチ24Mg+のレーザー冷却実験
図１：S-LSR

ビームの進行方向への分布を調べるためには、リング内に電極を置いて、ビームによって誘起される電荷を読み出して、その時間変化を調べればよい。
実 験 で は、 RFKO電極から来る信号をオシロスコープで読み取り、ビームがリングに入射してから決められた時間後の波形を記録した。変化させたパ
ラ メ ー タ ー は 、 バンチするRF周波数、RF強度とレーザーの周波数と、ビームが入射してからオシロスコープの波形を記録するまでの時間である。
実験のパラメーターの主なものを表1にまとめた。
特に断らないかぎり、実験はこの条件で行った。
パラメーター
値40keV
ビーム運動エネルギー-3
ビーム初期運動量広がり 1.7*10
ビーム粒子数6*106個
2mm
横方向ビームサイズ
460K
横方向ビーム温度(1.64,1.20)
ベータトロンチューン
25.192kHz
周回周波数125.96kHzRF周波数5ハーモニクス
3.05V
RF電圧
冷却レーザーの周波数
1074112.0～1074116.6 GHz
1074116.55GHz
中心周波数5mW
レーザー強度
冷却時間5秒
ビーム寿命25秒

図２：レーザーシステム

３．バンチしたビームのレーザー冷却

図３：RF電場内の位相空間内で動く粒子

表 １：実験のパラメーター

RF電場の中を動くビームの粒子は、位相空間内であらわすと、図３のセパラトリクスと呼ばれる境界の中にバンチされている。ここで、レーザー冷却力は、ある決まった運動量を持った粒子に働くので、位相空間で表すと紫色で示した帯状の領域になる。
粒子はシンクロトロン振動しているが、これを位-121-

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mvx2   p Tx k B  p 2の関係があるので温度を求めると、数千Kから18Kまで冷却されたといえる。

５．まとめと今後の展望

図４：実験結果
RFKO電極からの出力をグラフにしたものが図４である。信号は黒い線をベースラインとして下に出て、信号強度が粒子数に比例する。図４左のレーザーなしの状態ではRFによってバンチされた３つのバンチが見えている。図4右のレーザーありの場
合は、バンチの中央にレーザーで冷却されたものが細いピークとして見えている。しかし、冷却されていない部分も残っていて、それはレーザーなしの場
合のRFによってバンチされた部分と同じ幅を持っている。
ここで、細いピークの幅が、冷却されたビームのバンチ長さに相当すると考えられる。

40keVの 24Mg+ ビームを粒子数6×106 個の条件で、バンチしてレーザー冷却する実験を行ったところ、レーザー冷却された部分とレーザー冷却されていない部分に分かれることが分かった。また、バンチ長から運動量広がりを計算して、温度に直すと、進行方向の温度は、数千Kだったものが18Kになった。
Detuningを小さくすると、あるところでバンチ長の減尐が止まるが、それはspace chargeの効果により、運動量分散は小さくなってもバンチ長は短くなっていないという可能性がある。
今後3次元の冷却を行うために、シンクロトロン振動とベータトロン振動を共鳴させ、進行方向と横方向の冷却力を結合させる必要がある。
水平・鉛直方向の運動を結合させるために、ソレノイド磁場を使用し、また、RF電圧とRF周波数をさらに上げる必要があるので、そのためにドリフトチューブタイプＲＦ加速装置を導入して実験を行っている[12]。

[1] J.J. Bollinger and D.J. Wineland, "Strongly Coupled
Nonneutral Ion Plasma" Phys. Rev. Lett. 53 348 (1984).
[2] A. Rahman and J. P. Schiffer, "Structure of a OneComponent Plasma in an External Field: A MolecularDynamics Study of Particle Arrangement in a Heavy-IonStorage Ring", Phys. Rev. Lett. 57 1133 (1986).
[3] J. Wei, H. Okamoto and A. M. Sessler, "NecessaryConditions for Attaining a Crystalline Beam", Phys. Rev.
Lett. 80 2606 (1998).
[4] T. Schätz, U. Schramm, D. Habs, "Crystalline ion beams",
Nature (London) 412 717 (2001).
[5] U. Schramm, T. Schätz, and D. Habs, "Three-dimensional
crystalline ion beams", Phys. Rev. E 66, 036501 (2002).
図５：バンチ長とmomentum spreadのdetuning依[6] H. Okamoto, A. M. Sessler and D. Möhl, "ThreeDimensional Laser Cooling of Stored and Circulating Ion存性Beams by Means of a Coupling Cavity", Phys. Rev. Lett.
Detuningを変更したときの、バンチの長さの変化
72, 3977 (1994).
を図５に、示した。また、バンチの長さと[7] J. Wei, X.-P. Li and A. M. Sessler, "Low-Energy States ofCirculating Stored Ion Beams: Crystalline Beams", Phys.
momentum spread には、
Rev. Lett. 73, 3089 (1994).
2c 2 m0 c   p [8] A. Noda, M. Ikegami and T. Shirai, "Approach to orderedL 
structure of the beam at S-LSR", New J. Phys. 8, 288
2f S
E S  p (2006).
[9]
野田章・白井 敏之, “イオン蓄積・冷却リングS-LSRの関係があるので、ここからmomentum spreadを求の開発と現状”, 「加速器」, Vol. 4, No.2, 74-84 (2007).
め た 。 Detuning を 0 に 近 づ け て い く と momentum[10] T. Shirai et.al., "One-Dimensional Beam Ordering ofspreadも小さくなるが、-1GHz程度で一定になり、Protons in a Storage Ring", Phys. Rev. Lett., 98, 204801(2007)
0GHzを超えると再びmomentum spreadが大きくなり、[11] M. Tanabe et.al., " Longitudinal and Transverse Coupling
冷却されなくなったということが分かる。
of the Beam Temperature Caused
ま た 、 ビ ー ム の 進 行 方 向 の 温 度 と momentum
by the Laser Cooling of 24Mg+", Appl. Phys. Express, 1028001(2008)
spreadには、[12] 想田光 他 S-LSRにおける3次元レーザー冷却の試み
WP066 第5 回 加速器学会年会 第33回 リニアック
技術研究会 (2008)-122-