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)

STATUS OF OPERATION AND DEVELOPMENT OF ACCELERATORS IN
LNS, TOHOKU UNIVERSITY
Masayuki Kawai, Kittipong Kasamsook, Akira Kurihara, Yoshinobu Shibasaki, Shigenobu Takahashi, Kenichi Nanbu, ,Fujio Hinode, Mafuyu Yasuda, Hiroyuki Hama
Laboratory of Nuclear Science (LNS), Tohoku University
1-2-1Mikamine, Taihaku, Sendai, 982-0826, Japan
Abstract
Laboratory of Nuclear Science (LNS), Tohoku University has been started since 1967. At present, everybody canpresume it should be very difficult task to maintain the old linac. However, the operation condition in FY2007 wasrelatively stable due to various improvements. The total operation time of the linac and Stretcher Booster ring (STBring) was 3,900 hours. New developments and new project have been started. A test of a low emittance DC electron gun
has been done. An experimental production of sub-ps pulse thermionic RF gun has been started as power feed test. Andalso a novel coherent light source project at THz wavelength region has been started. Operation status of the accelerator
complex and the recent developments in FY2007 at LNS will be reported.

東北大核理研における 加速器運転と 開発研究の現状

東北大学原子核理学研究施設は300MeV ライナッ
ク及び、1.2GeV シンクロトロンを保有し、原子核物理や放射化学、その他の多くの科学分野に電子ビームあるいは、光子ビームを供給している。核理研ライナックは建設から41年を経て現在に至っている。また1.2GeVのストレッチャーブースター(STB)リングについても既に建設から11年を越え、さまざまなトラブルを抱えながらビームの供給を続けている。ここ数年、これまでスタッフが行なってきた地道な保守作業の努力が実り始め、加速器は極めて順調に稼動している。[1,2]しかしながら2007年度は5台あるクライストロン・モジュレーターのうちの１台が充電部に致命的な故障が発生し、現在復旧に向けて努力中であるが、それでも一部に支障がでている
もののビーム供給が継続されてきた。
また現在行なわれている開発研究の一つ低エミッタンスDC電子銃については低エミッタンス化の基本性能が達成され、応用研究を目指している。現在エミッタンスの測定準備に入った。短パルスRF電子銃については試作試験段階に入った。また高調波空洞を用いたSTBリングはバンチ長制御の実験準備を開始した。ミクロバンチの形状因子を保存したままSASEモードでのFEL発振を目指すアイソクロナスリングの概念設計も行なわれている。本報告では、2007年度の核理研加速器のビーム供給の状況と加速器関連の開発研究の現状について報告する。

２．加速器の運転状況
東北大核理研の300MeVリ ナッ ク は1967年の完成以来大き な 改造や性能向上なし に41年間稼動し て来て いる 。 2007年度のリ ニア ッ ク 、 STBリ ン グ の運転時間を 合わせる と 、 年間ビ ーム 供給実績は前年度と ほぼ同様の運転時間を 維持し 、 3846時間に及んだ。 図1． に2007年度の各運転モード における 月別統計が示さ れている 。 こ の様な長時間運転を 可能にし た のは、 ス タ ッ フ の努力が実り 深刻な故障に見舞われる こ と も なく 多く のシフ ト で連続24時間運転が可能と なっ たためであ る 。 し かし ながら 年度末に5台のク ラ イ ス ト ロ ン ・ モジ ュ レ ー
タ ーの内の1台の充電器部分に障害が発生し 一部運転の停止を 余儀な く さ れている 。 古い高電圧トTime (H)0000

１．はじめに

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0Sincrotoron Boostermode
Linac High energy mode
Linac Low energy mode

4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3Month (FY2007)

図1. 2007年度加速器運転時間統計

ラ ン ス のた め修理の可能性は殆ど 無いと 判断、 充電部にイ ン バータ 電源の導入を 検討中であ る 。 しかし こ の 300MeVラ イ ナッ ク は300ppsと いう 非常の高い繰り 返し で運転を 行う ため、 現在入手可能な イ ン バータ 電源1台では充電パワ ーが足り な い
た め、 複数台の並列運転の可能性を 議論し ている 。
その他の要素機器については、古くからの規格のた-622-

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め交換部品の入手が困難になりつつある。このため電子銃、サイラトロン等は新規格のものに交換できるように改善を進めている。

３．研究開発の現状
3.1 低エミッタンスＤＣ電子銃のエミッタンス測定
核理研開設以来リニアックの重要要素機器の一つとして、活躍してきた電子銃は、その形式の古さから、予備品の供給が難しくなってきている。現状では、完全な予備品がなく、カソード単体の予備や、古い電子銃本体などを組み合わせて動かし続けるしか方法がない状態である。
しかし、この状況下で核理研独自の低エミッタンス電子銃の開発をおこなっている。 [3,4] この電子銃は低電圧ながら3MV / m以上の強電界による加速、及び大電流密度（>50A/cm2）を得るために単結晶LaB6カソードを用いている。このためカソードの大きさを1.75φまで小さくすることができ低エミッタンス化が図られた。またカソードとビーム形成電中の低エミッタンスＤＣ電子銃とエミッタンスモニターを示す。図2.にダブルスリット法による電子ビームの位相空間分布の測定結果を示す。解析の結果、1-2πmmmradの低エミッタンスであることが示された。このほか、エミッタンスの電流依存性や、バイアス電圧依存性などの基礎的性質を測定し、数値計算結果との比較を行った結果良い一致が得られた。
本開発は実用機の開発を目指すものであり、安定化、長寿命などの解決されなければならない多くの課題も残されている。しかしLaB6カソードは現在まで8,000時間以上の連続運転に耐え、現在も安定に点灯している。

3.2 RF-GUN 試験用７MW高週波電源
一 昨 年 Spring-8 よ り 譲渡を 受け た 7MWブ ース
タ ーモ ジ ュ レ ータ を 格納する 、 電源建屋が 2008年2月に完成、 モジ ュ レ ータ を 設置し た 。 古い機械である こ と も あ っ て 細部ま で理解でき る 資料に乏し かった が、 何と か稼動に漕ぎ 着け る こ と が出来、 定格の7MWの 出力を 確認し た 。 こ のモ ジ ュ レ ータ は開発
中の 短バン チ生成用の熱陰極 ITC-RF gun[5] や、 そのほかの高周波機器のハイ パワ ー試験に利用し て 行く。

図4.にモジ ュ レ ータ の設置状況やモジ ュ レ ータの動作出力波形を 示す。
ab

LaB6 Cathodec

図2.低エミ ッ タ ン ス DC電子銃及びエミ ッ タ ン ス
モニ タ ー、 右下に1.75φのLaB6カ ソ ード 。

136kV
V
7.5μs

図4.組み上がっ た 7MWモジ ュ レ ータ (a)、新設の高週波電源棟(b)、 パルス ト ラ ン ス
高電圧パルス 出力波形(c)。

3.2 アイソクロナスリングによるTHz光源の開発

図3. X-Y方向の位相空間分布測定結果
エミ ッ タ ン ス ： ＜１ πmm mr ad
極との間に、1 kV 程度の負バイアス電圧を印加することで、エミッタンスの増大を抑制することも試みられ、その効果についても検証された。
現在50kV、300mA 以上の目標性能を達成している。更にスリットをもちいたビームサイズ測定、およびエミッタンス測定をおこなった。図2．に開発現在、 非常に高強度な コ ヒ ーレ ン ト THz高の生成を 目指し た 光源開発の研究を 進めて いる 。 一般的なリ ン グ は一度偏向部で強い放射を おこ な う と 、 こ のCSR（ Coherent Synchrotron Radiation） によ り 自ら 電子バン チの分布を 乱す。 こ の問題を 解決し よ う と す
る も のがア イ ソ ク ロ ナス リ ン グ であ る 。 こ の考え 方は、 リ ン グ 一周で積分し た 運動量収縮因子(momentum compaction factor)がゼロ であ る 、 従来の考え 方のア イ ソ ク ロ ナス （ 等時性） ではな く 、 機能

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図5.現在東北大学核理研で検討が進めら れて いる ア イ ソ ク ロ ナス リ ング によ る コ ヒ ーレ ン ト Ｔ Ｈ z光源開の設置予想図。
複合電磁石を 用いた 、 エネ ルギ ー分散がア ーク のどの場所において も 殆ど ゼロ であ る よ う な 無分散リ ング であ る 。 [6]こ の光源加速器は、 100 fs 程度の非常に短い電子バン チを 生成し 50MeVま で加速し 、 そのバン チ長を リ ン グ 全体において 短く 保存し た ま ま コ
ヒ ーレ ン ト 放射光を 発生さ せる 。 入射器には独立２空洞型の 熱陰極RF電子銃と ア ルフ ァ 電磁石を 用いた バン チ圧縮機を 用い短バン チビ ーム を 生成する 。
こ の入射器は50MW S-band ク ラ イ ス ト ロ ン から のRF電力を 、 RF電子銃と ３ m加速管に分配し て 供給する 予定であ る 。 現在、 THz領域での放射を 目指し て形状因子を 保存する こ と を 目標に概念検討を 行っ ている 。 東北大学核理研において 計画中のア イ ソ ク ロ
ナス リ ン グ の設置予想図を 図5.に示す。
当初は高次の運動量ま での補正する こ と を 考慮して 、 6極電磁石を ふく めた Triple Bend Acromat 光学系のバン チ圧縮器を 検討し て き た 。 し かし 、 最近にな っ て 、 General Particle Tracer や我々の 開発し た
FDTD code を 用いた シ ミ ュ レ ーシ ョ ン によ る 検討を 進 め た 結果、 2 MeV 以下の 低い ビ ーム エ ネ ルギ ーにおいて は、 空間電荷効果によ る バン チ伸長やエミ ッ タ ン ス 増大が無視でき な いこ と が分かっ て きた 。 こ のた め、 電子銃から 出た ビ ーム は可能な 限り短い距離で加速管に導く 必要があ る 。 現在、 空間電荷効果を 考慮し た 上で、 バン チ圧縮器ア ルフ ァ 電磁石を 用いて コ ン パク ト な 入射器を 構築すべく 、 設計を 進めて いる 。

参考文献
[1]H. Hama, M. Kawai, F. Hinode, A. Kurihara, S. Takahashi,
Y. Shibasaki, T. Tanaka , Proceedings of the 2nd Ann.
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (July 2022, 2005 Tosu Japan), p19-21.
[2] M. Kawai, F. Hinode, A. Kurihara, S. Takahashi, Y.
Shibasaki, K, Nanbu, T. Mutou, T. Tanaka, K. Kasamsoonk,K. Akiyama, M. Yasuda, H. Hama Proceedings of the 3rd
Ann. Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan(August 2-4, 2006 Sendai Japan), p284-286.
[3] K. Kasamsoonk, M. Kawai, F. Hinode, K, Nanbu, T. Mutou,T. Tanaka, K. Akiyama, M. Yasuda, H. Hama Proc of 28 th
FEL 2006, Berlin Germany(2006).
[4] K. Kasamsoonk, M. Kawai, F. Hinode, K, Nanbu, T. Mutou,T. Tanaka, K. Akiyama, M. Yasuda, H. Hama Proc of
28th FEL 2007, Novosibirsk,RUssia Germany(2007).
[5]T. Tanaka, F. Hinode, M Kawai, A. Miyamoto, K. Shinto, H.
Hama, ”Simulation Study of a Thermionic RF Gun for High
Brightness and Short Pulse Beam”, Proc. PAC2005,Knoxville, TN, USA (2005) pp3499 – 3501
[6]H. Hama, H Tanaka, N. Kumagai, M. Kawai, F. Hionde, T.
Muto, K.Nanbu, T. Tanaka, K. kasamsook, K. Akiyama andM. Yasuda
New Journal of Physics 8(2006)292

４．まとめ
2007年度、 加速器は極めて 順調にビ ーム を 供給し た 。 こ れと 平行し て行われている 低エミ ッ タ
ン ス 電子銃、 短バン チRF電子銃の開発研究の現状について 述べた 。 さ ら に東北大学核理研が進めている コ ヒ ーレ ン ト THｚ 光源について述べた。
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