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こうじてっちがわら
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DESIGN AND MODIFICATION OF ACCELERATION CAVITIES FOR THE NEW INJECTOR SYSTEM RILAC2 AT RIBF Kazunari Yamada 1,A), Kenji Suda A), Naruhiko Sakamoto A), Shigeaki Arai A), Hiroshi Fujisawa A), Hiroki

1 DESIGN AND MODIFICATION OF ACCELERATION CAVITIES FOR THE NEW INJECTOR SYSTEM RILAC2 AT RIBF Kazunari Yamada 1,A), Kenji Suda A), Naruhiko Sakamoto A), Shigeaki Arai A), Hiroshi Fujisawa A), Hiroki Okuno A), Eiji Ikezawa A), Masayuki Kase A), Osamu Kamigaito A), A) RIKEN Nishina Center 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama, , Japan Abstract RIKEN Heavy-Ion linac (RILAC) provides the very heavy-ion beams such as m/q=7 as the main injector for RIKEN RI-Beam Factory (RIBF). However, RIBF research conflicts with the research of the synthesis of super-heavy elements, because both of them use the RILAC. In order to reconcile them, a new additional injector linac to the RIBF (RILAC2) has been proposed, and now under construction. The RILAC2 will be ready in the fiscal This article presents the details of design study and progress for acceleration cavities on the RILAC2. 1. はじめに理研 RIBF 新入射器 RILAC2 の加速空洞の設計および改造最新の RI ビーム生成施設である RIKEN RI-Beam Factory (RIBF) [1] は 2006 年度よりビームコミッショニングが開始されビームトンラスミッションを改善してビーム強度を増加させ 2008 年度には 48 Ca ビームを 170pnA 238 U を 0.4pnA 供給することができるようになり世界最強の RI ビームを利用することが可能となった [2] 加速器基盤研究部では最終目標である 1pμA の重イオンビームを供給するためにさらなる加速器の高度化を行っている中でも最も RI ビーム生成に有利なウランビームで目標の 1pμA を実現するためにはイオン源そのものからのビーム量を大幅に増やしビームの質を落とさずにトランスポートし取りこぼさないように加速しなければならないまた現在 RIBF の主入射器である重イオンライナック (RILAC) [3] には長期に及ぶ超重元素探索実験 [4] へのビーム供給という重要な役割もあり RIBF 実験と超重元素探索実験を両立させる必要性があったそのため理研仁科センターでは 28GHz の超伝導 ECR イオン源を製作し RIBF の主となる新入射器を導入してビーム強度の大幅増加とマシンタイムの両立を実現することにした 2.RILAC2 RIBF の新入射器 RILAC2[5] は 28GHz 超伝導 ECR イオン源 [6,7] プリバンチャー RFQ ライナック 3 台のドリフトチューブライナック (DTL1~3) RFQ と DTL 間のリバンチャー集束 1 nari-yamada@riken.jp 1030 ECRIS Pre-BUN RFQ REB1 DTL1 DTL2 DTL3 REB2 図 1:RILAC2 全体図 AVF 要素として強力な四重極電磁石及びソレノイド電磁石で構成される図 1 に RILAC2 の全体図を示す RILAC2 の加速空洞は既存の AVF 室に設置し加速されたビームは AVF からのコースと合流してそのまま RRC に入射される RILAC2 は 136 Xe 20+ や

238 U 35+ といった m/q レシオが 7 のイオンを 680keV/u まで加速する設計になっている RF 空洞の共振周波数は 36.5MHz 固定でプリバンチャーのみ 18.25MHz となるこのビームを RRC (18.25MHz, h=9) [8] frc (54.75MHz, h=12) [9] IRC (36.5MHz, h=7) [10] SRC (36.

RFQ ライナックの改造 RILAC2 に使用する RFQ ライナックは元々 1993 年にイオン注入装置用に日新電機株式会社で開発されたものである [12] その後京都大学化学研究所先端ビームナノ科学センターにて維持管理が行われてきたが 2007 年 11 月に譲り受けることができた図 2 にオリジナルの RFQ 内部の写真を示すこの RFQ は 4 ロッド型であり m/q=16

2 238 U 35+ といった m/q レシオが 7 のイオンを 680keV/u まで加速する設計になっている RF 空洞の共振周波数は 36.5MHz 固定でプリバンチャーのみ 18.25MHz となるこのビームを RRC (18.25MHz, h=9) [8] frc (54.75MHz, h=12) [9] IRC (36.5MHz, h=7) [10] SRC (36.5MHz, h=6) [11] と加速することにより最終的に 345MeV/u の 136 Xe 52+ や 238 U 86+ ビームが得られる RILAC2 の建設は 2008 年度末より開始され 2009 年度中に加速空洞が設置されハイパワー試験を行った後に 2010 年度夏にイオン源を移設して秋にビーム加速を開始する予定である以下 RILAC2 の加速空洞について報告する 3.RFQ ライナックの改造 RILAC2 に使用する RFQ ライナックは元々 1993 年にイオン注入装置用に日新電機株式会社で開発されたものである [12] その後京都大学化学研究所先端ビームナノ科学センターにて維持管理が行われてきたが 2007 年 11 月に譲り受けることができた図 2 にオリジナルの RFQ 内部の写真を示すこの RFQ は 4 ロッド型であり m/q=16 以下のイオンを 84keV/u まで CW モードで加速することができる空洞の共振周波数は 33.3MHz で最大入力電力は 50kW(CW) となっている RILAC2 ではこの RFQ を改造して共振周波数を 36.5MHz に上昇させることによりベーン電極を交換することなく m/q=7 のイオンを 100keV/u まで加速することが可能となる RILAC2 で必要なベーン間電圧は 42kV でありオリジナル設計のベーン間電圧 55kV より低い RFQ の主な仕様を改造後の値にスケーリングしたものを表 1 に示す Frequency (MHz) 36.5 Duty (%) 100 m/q ratio 7 Input energy (kev/u) 3.28 Output energy (kev/u) Input emittance (mm mrad) 200π Vane length (cm) 225 Inter-vane voltage (kv) 42.0 Mean aperture (mm) 8.0 Cavity diameter (cm) 60 Focusing strength Max. modulation 2.35 Final synchronous phase (deg.) 表 1: 改造後のRFQの仕様理研搬入後ハイパワー試験で 14kW 入力し問題の無いことを確認したオリジナルのシャントインピーダンスは 77.9kΩ [13] であるので ( 以下 P=V 2 /2R とする ) この状態では 11kW 程度で所定の電圧が得られるまたローパワー試験で現状の共振周波数は 33.8MHz Q 0 は 5300 であることが分かった CST Micro Wave Studio (MWS) を用いた計算 ( ベーン電極のモジュレーションなしモデル ) では Q 0 は 5430 シャントインピーダンスは 73kΩ MWS 計算と実測の共振周波数の差はモジュレーションの有無の影響分を含めて -1.8% であったこの RFQ はベーン電極を 6 本のポストで交互に支える構造となっており共振周波数を 36.5MHz まで上昇させるために各ポスト間にブロックチューナーを設置することにしたブロックのサイズを MWS 計算で決定しさらにアルミ製のテストブロックを製作して取り付けローパワー試験を行い高さ方向の微調整を行ったその様子を図 3 に示す最終的に MWS 計算と実測の共振周波数の差はモジュレーションの有無の影響分を含めて -1.5% であった図 2: オリジナル RFQ 図 3: アルミ製テストブロックでの測定 1031

ブロックチューナー追加後の MWS 計算では Q 0 が 4400 シャントインピーダンスが 55kΩ となるので所定の電圧を得るには 16kW 程度の RF 電力の入力が必要である全体で 5kW 程度ロスが増えることになるパワーアンプには 40kW 出力のものを使用するので充分である図 4 に MWS で計算した RFQ 内部構造物の電流密度分布を示すこの図は 50kW

年中に改造を終えてハイパワー試験を行い 2009 年度中に AVF 室へ移設する予定である重極電磁石を設置する表 2 に各 DTL の主な仕様を示すパワーアンプには 4CW50000E を使用し設置場所の空きスペースが狭いので容量によるダイレクトカップリング方式としたアンプを組み込んだ状態で真空管から見た負荷が 700Ω になるように調整して使用する DTL1 DTL2 DTL3

3 ブロックチューナー追加後の MWS 計算では Q 0 が 4400 シャントインピーダンスが 55kΩ となるので所定の電圧を得るには 16kW 程度の RF 電力の入力が必要である全体で 5kW 程度ロスが増えることになるパワーアンプには 40kW 出力のものを使用するので充分である図 4 に MWS で計算した RFQ 内部構造物の電流密度分布を示すこの図は 50kW パワーロスの時の値である所定電圧時にスケールするとブロックチューナーの最大電流密度は 26A/cm と問題ない値であるまたそのときのブロックチューナーでのパワーロスは 2kW 程度となる冷却水を φ10mm の穴に通すことにより 20L/min 程度流れると見積もられるので水温上昇を 2 程度に押さえることができるブロックチューナーを製作し 2009 年中に改造を終えてハイパワー試験を行い 2009 年度中に AVF 室へ移設する予定である重極電磁石を設置する表 2 に各 DTL の主な仕様を示すパワーアンプには 4CW50000E を使用し設置場所の空きスペースが狭いので容量によるダイレクトカップリング方式としたアンプを組み込んだ状態で真空管から見た負荷が 700Ω になるように調整して使用する DTL1 DTL2 DTL3 Frequency (MHz) Duty (%) m/q ratio Input energy (kev/u) Output energy (kev/u) Cavity diameter = length (m) Cavity height (m) Gap number Gap length (mm) Gap voltage (kv) Drift tube aperture (mm) Peak surface field (MV/m) Synchronous phase (deg.) Input power (100%Q:kW) Power amp. (Max.:kW) 表 2: 各 DTLの主な仕様 4.1 DTL3 の改造図 4:RFQ の電流密度分布計算結果 MWS の計算結果よりブロックチューナーを設置した状態で RFQ ベーン電極間の電圧分布の非対称性が 15% あることが分かっているビードを用いた測定でも計算と同じ結果が得られているがオリジナルの状態でも非対称性は 12% あったのでまずは現状の設計で改造を行い 2010 年度には現状の設計のものでビーム加速試験を行う MWS で計算を行ったところベーン電極間をジャンパーすることにより非対称性が 8.5% 程度までは低減できる結果となっているのでビーム加速に問題があればポストを作り替えることで対応する 4. ドリフトチューブライナック RILAC2 では 3 台のドリフトチューブライナックを使用する (DTL1~3) このうち DTL1,2 は新規製作し DTL3 は Charge State Multiplier(CSM) [14] の減速用空洞を改造する DTL の RF 空洞は 1/4 波長の縦型同軸で径方向が加速方向となるトランスバースの集束用に DTL 間に強力な薄型三連四 1032 DTL3 として改造する既存の RF 空洞はショート板による周波数可変範囲 36~76.4MHz の同軸空洞で電力導入は 50Ω 系のキャパシティブフィーダー 200mm 500mm の角形プレートチューナーをストローク 200mm 変化させることによって共振周波数を 1.2% 程度微調整することが可能であるこの空洞のドリフトチューブ及びステムを交換しショート板駆動機構を取り外し外筒内筒を所定位置で切断して固定周波数に改造する先行して 2009 年 5 月に工場へ移送しドリフトチューブ及びステムを RILAC2 用に交換した後現地にてローパワー試験を行って最終的な空洞長を決定した図 5 にドリフトチューブ交換後の DTL3 内部の写真を示すまずチューナーをストロークの中央位置 (100mm) にし電力フィーダーを外した状態でショート板の位置を変化させて共振周波数を測定した ( 図 6) 次にショート板を MHz になる位置にした後チューナーを変化させて周波数変化範囲を測定し周波数変化範囲の中心となるチューナー位置にして再びショート板位置とチューナーを微調整した最終的にショート板位置は 1169mm チューナー位置は 61.6mm となった

周波数固定式にしたときに内筒を支えるフランジの分の周波数変化を MWS で計算した結果 +125kHz から見積もったであったので所定電圧時に必要な RF 電力は 19kW 程度となる DTL3 は現在改造が進んでおり 2009 年 11 月に工場にてローパワー試験を行う予定である図 6:DTL3 のショート板位置と周波数図 5: ドリフトチューブ交換後の DTL3 内部さらに

4 このとき目標周波数を MHz にしたのはアンプをダイレクトカップリングさせて真空管から見て負荷が 700Ω になるように調整したときにカプラーと真空管の容量で全体の共振周波数が低下して見えるのでその分をあらかじめ RF 空洞の共振周波数に上乗せしておく必要があるからである当初必要な上乗せ分は図 7 の様な集中定数回路による計算結果から -600kHz 周波数固定式にしたときに内筒を支えるフランジの分の周波数変化を MWS で計算した結果 +125kHz から見積もったであったので所定電圧時に必要な RF 電力は 19kW 程度となる DTL3 は現在改造が進んでおり 2009 年 11 月に工場にてローパワー試験を行う予定である図 6:DTL3 のショート板位置と周波数図 5: ドリフトチューブ交換後の DTL3 内部さらに DTL3 に関しては既存の 50Ω 系フィーダーがあるのでフィーダーを取り付けてローパワー試験を行った 50Ω にマッチングさせたときに集中定数回路計算での共振周波数低下の予想値 -160kHz に対して実測では -30kHz となりフィーダーを付けることによって RF 空洞そのものの容量が下がって見えることになり集中定数回路計算では直接見積もれないことが分かったまた周波数低下の MWS 計算結果は実測に近い値となったそこでフィーダー先端の円盤とフィーダー位置を変えて測定したデータと 700Ω から真空管の容量 55pF 分を引いたインピーダンスを図 8 の様に比較し新たに製作するカプラーとの寸法の違いを補正してスケーリングし最終的に空洞中心から 250mm の位置に φ160mm 程度の円盤を入れれば 700Ω でマッチングすると予想した実際には現物で円盤の径を変えてローパワー試験を行い微調整するまたこのときの周波数の低下をスケーリングすると -225kHz 程度でったので最終的にカプラーなしで共振周波数が 36.6MHz になるように DTL3 の全長を 1.89m と決定した MWS 計算では Q 0 がシャントインピーダンスが 2.2MΩ となるビードによる摂動測定で求めたシャントインピーダンスが 1.8MΩ 図 7: 集中定数回路による周波数変化の見積り図 8: アンプのダイレクトカップリングの見積り 1033

4.2 DTL1, DTL2 の設計新規製作する DTL1,DTL2 についても MWS 計算で最適化を図った初期設計ではドリフトチューブステムの長さが 200mm であったがギャップ間電圧の偏差が DTL1 で 8.6% と大きかったので 150mm とすることにより 6.6% になった MWS 計算では DTL1 については Q 0 が 17500 シャントインピーダンスが 1.

5 4.2 DTL1, DTL2 の設計新規製作する DTL1,DTL2 についても MWS 計算で最適化を図った初期設計ではドリフトチューブステムの長さが 200mm であったがギャップ間電圧の偏差が DTL1 で 8.6% と大きかったので 150mm とすることにより 6.6% になった MWS 計算では DTL1 については Q 0 がシャントインピーダンスが 1.1MΩ DTL2 の Q 0 がシャントインピーダンスが 1.7MΩ となった DTL3 の測定でシャントインピーダンスが計算の 8 割程度になったのでスケーリングすると所定電圧時に必要な RF 電力は DTL1 が 7kW 弱 DTL2 が 16kW 程度と予想される図 9 に DTL1 に 25kW 入力したときの発熱分布の計算結果を示すこれらも現在製作が順調に進行しており 2009 年 11 月下旬に工場にてローパワー試験を行う予定であるその後 DTL3 と合わせて 2009 年度中に AVF 本体室に設置されハイパワー試験を行う予定である図 10: 外部 Q と共振周波数の計算結果参考文献図 9:DTL1 内部構造の発熱分布計算結果 DTL1,2 についてもアンプ取り付け時の共振周波数低下分の上乗せ量を見積もりカプラーの位置と大きさを決定するために DTL3 の既存のフィーダーを MWS 計算モデルに入れて外部 Q を計算し 50Ω にマッチングする位置を予想した外部 Q の計算には文献 [15] の方法を使用しフィーダーの同軸端を open にして計算した場合の電場の積分と short にして計算した場合の磁場の積分から求めた DTL1 についてフィーダー位置を変えてプロットした外部 Q の計算結果を図 10 に示す実際の Q 0 が計算の 6 割とすると空洞中心から 285mm で Q 0 =Q ext となる DTL3 と同様にスケーリングすると DTL1 では空洞中心から 185mm の位置に DTL2 では中心から 275mm の位置にカプラーの円盤を入れれば 700Ω にマッチングすると予想される共振周波数の低下も MWS 計算結果から DTL3 と同程度と分かり補正を加えて目標周波数を MHz と決めた対応する空洞長は DTL1 が 1.32m DTL2 が 1.43m となった [1] Y. Yano, Nucl. Instrum. Meth. B 261 (2007) [2] N. Fukunishi et al., PAC'09, Vancouver, May 2009, MO3GRI01. [3] M. Odera et al., Nucl. Instrum. Meth. 227 (1984) 187. [4] K. Morita et al., J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 2593; J. Phys. Soc. Jpn. 76 (2007) ; J. Phys. Soc. Jpn. 78 (2009) [5] O. Kamigaito et al., PASJ3-LAM31, Sendai, Aug. 2006, WP78, p502 (2006). [6] T. Nakagawa et al., Rev. Sci. Instrum. 79 (2008) 02A327, ECRIS'08, Chicago, Sep. 2008, MOCO-B01, p.8 (2008). [7] J. Ohnishi et al., EPAC'08, Genoa, Jun. 2008, MOPC153, p.433 (2008). [8] H. Kamitsubo, Proc. 10th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, East Lansing, MI, USA, 1984, p.257 (1984). [9] N. Inabe et al., Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Tokyo, 2004, p.200 (2004). [10] J. Ohnishi et al., Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Tokyo, 2004, p.197 (2004). [11] H. Okuno et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 (2007) [12] H. Fujisawa, Nucl. Instrum. Meth. A 345 (1994) 23. [13] H. Fujisawa et al., Proc. 7th Int. Symp. on Advanced Energy Research, Takasaki, Mar. 1996, p.436 (1996). [14] O. Kamigaito et al., Rev. of Sci. Instrum. 76, (2005). [15] P. Balleyguier, Proc. of 19th Int. Linac Conf., Chikago, IL, USA, 1998, p.133 (1998). 1034

RIBF

RIBF MEASUREMENT OF ISOCHRONISM OF RIBF CYCLOTRONS Ryo Koyama 1, A), B), Masaki Fujimaki A), Nobuhisa Fukunishi A), Akira Goto A), Masatake Hemmi A), Masayuki Kase A), Naruhiko Sakamoto A), Tamaki Watanabe