RCNP における （基礎物理のための 基礎物理のための） のための） 加速器開発 畑中 吉治 大阪大学核物理研究センター 大阪大学核物理研究センター 東北大学・ 東北大学・CYRIC 研究会 「Fundamental Physics using Atoms」 Atoms」 平成２０ 平成２０年 ２０年８月１９日 １９日（火） 仙台・ 仙台・作並温泉・ 作並温泉・鷹泉閣元湯 岩松旅館・ 岩松旅館・会議室「 会議室「鳳鳴」 鳳鳴」 Contents （１）サイクロトロン施設 サイクロトロン施設の 施設の利用状況 （２）18GHz超伝導 超伝導ECRイオン イオン源 超伝導 イオン源 （３） AVFサイクロトロン サイクロトロン・ サイクロトロン・フラットトップ加速 フラットトップ加速の 加速の開発 （４）高輝度陽子イオン 高輝度陽子イオン源 イオン源の開発 Research Center for Nuclear Physics (RCNP) Ring Cyclotron Lab. RI Lab. Main Bld. AVF Cyclotron Lab. Ring Cyclotron Neutron polarimeter K=400 MeV since 1992 ∆E/E ~ 0.01% R RI beam I 10ucn/cc at 90neV (with 400W proton) AVF Cyclotron Double Arm Spectrometer White Neutron Source K=140 MeV since 1973 ∆E/E < 0.1% 210Fr EDM Energy Resolution ∆E/E ~ 0.005% RI production Upgraded recently RCNP K=400 Ring Cyclotron Magnet •Sector magnets •Pole gap •Maximum magnetic field •Trim coils •Injection radius •Extraction radius •Weight : 6 sets : 6 cm : 1.75 T : 36 sets :2m :4m : 2200 tons Acceleration system •Single gap type •Frequency •Max. acceleration voltage •RF power : 3 sets : 30 ~ 52 MHz : 500 kV : 250 kW/cavity Flat-topping cavity •Single gap type •Frequency : 1 set : 90 ~ 156 MHz Key element for high quality beam World first FT system operating at variable frequencies RCNP K140 AVF Cyclotron Magnet •Pole diameter •Pole gap •Averaged field •Trim coils •Valley coils •Weight : 3.3 m : 20.6 cm ~ 34.7 cm : 1.6 T : 16 sets : 3 ~ 5 sets : 400 tons Acceleration system •Dee : Single 180 degrees type •Resonator : Moving short •Frequency : 6 ~ 18 MHz •Max. acceleration voltage : 80 kV •Extraction system: Electrostatic deflector •FT system (k=5,7,9) Ion Sources •External ion source : Atomic beam type polarized ion source, ECR ion source 18 GHz SCECR ion source High Quality Beam at RCNP Cyclotron Facility Energy Resolution ∆E/E ~ 0.005% Ring Cyclotron K=400 MeV ∆E/E ~ 0.01% Since 1992 Stability of Magnetic Field ∆B/B < 0.001% Grand Raiden Upgraded recently AVF Cyclotron K=140 MeV ∆E/E < 0.1% Since 1973 1+; 10.22 MeV Dispersion Matching法によるエネルギー分解能 17 keV FWHM！！ ！！ （世界一） 世界一） 17 keV 加速粒子と 加速粒子とエネルギー after the upgrade of AVF in 2004 （１）サイクロトロン施設の利用状況・・・2007年度 Pol-D 42h 57min 運転時間（加速粒子別） 11-B 113h 43min 40-Ar 108h 20min Total ： 6100 hours （実験、 実験、ビーム調整 ビーム調整、 調整、ビーム開発 ビーム開発） 開発） Pol-P 606h 03min 15-N 357h 07min Proton 2630h 15min 86-Kr 383h 06min 16-O 237h 17min 18-O 54h 30min 6-Li 193h 42min 4-He 518h 47min 3-He 517h 54min Deuteron 337h 10min ・軽イオン(P～ イオン ～He) ： 4653 h ・重イオン(Li以上 イオン 以上) 以上 ： 1447 h 年度別の運転・保守時間 8000h RING Overhaul AVF Overhaul Cavity test 6000h Scheduled Shutdown 時間 Unscheduled Shutdown Set-up maintenance H.I 4000h Alpha 3-He H2 Pol-D 2000h Deuteron Pol-P Proton 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 0h 年度 AVFサイクロトロンのアップグレード 項目 RF系 系 主 な 内 容 ・フラットトップ加速 フラットトップ加速システム 加速システムの システムの開発 ・ディー電極 ディー電極の 電極の更新 ・終段真空管アンプ 終段真空管アンプと アンプと電源の 電源の更新 ・18GHz超伝導 超伝導ECRイオン イオン源 超伝導 イオン源の開発 イオン源系 イオン源系 ・偏極Li 偏極Li3+イオン源 イオン源の開発 制御系 ・AVFサイクロトロン サイクロトロンの サイク サイクロトロンの分析ビームライン 分析ビームライン（ ビームライン（AVFサイク ロトロンから ロトロンからリングサイクロトロン からリングサイクロトロン実験室 リングサイクロトロン実験室への 実験室へのバイパ へのバイパ スビームラインも スビームラインも兼用） 兼用）を新設 ・核化学コース 核化学コース新設 コース新設（ 新設（超重元素化学） 超重元素化学） ・PCベース ベースの ベースの制御システム 制御システムに システムに更新 電源系 ・トリムコイル電源等 トリムコイル電源等の 電源等の更新 ビーム 輸送系 （２）18GHz超伝導 超伝導ECRイオン イオン源 超伝導 イオン源の開発 ●目標 ・多価重イオン 多価重イオンの イオンの生成 ・重イオンビームの イオンビームの増強 超電導ミラーコイル 超電導ミラーコイル RF ガス バイアス プローブ イオン ビーム · 六極磁石： 六極磁石：内径 90mm · プラズマ真空槽 プラズマ真空槽： 真空槽：内径 80mm 六極磁場強度： 六極磁場強度： 1.0 T 3 組の超電導コイル 超電導コイルで コイルで 得られる中心軸上 られる中心軸上での 中心軸上での 軸方向磁場分布 D C U2 U1 ビーム電流と電荷分布 18GHz超伝導ECRイオン源 2+ 11 B 3+ 1.3 4+ 4.1 12 C 15N 167 5+ 6+ 9.3 * 8.2 410 * 115 477 * 725 7+ 136Xeイオンの電荷分布 （28+に最適化調整） 117 45 16O 10 178 * 779 18 O 436 517 * 675 136/24+ 136/27+ 27 40 35 35 30 (4He support gas) 136/30+ [uA] 25 11+ 40Ar 12+ * 188 13+ 87 14+ 28 20 15 7 10 20+ 21+ 22+ 23+ 24+ 25+ 26+ 32 * 26 * 21 * 13 8.1 4.5 2.1 5 0 86Kr 136Xe 22+ 23+ 24+ 22 32 40 Vext=15kV 25+ 26+ 1 1.2 27+ 28+ 29+ 30+ 29 * 14 7 2.8 (16O support gas) 1.4 1.6 1.8 2 2.2 6 MeV/u by AVF 2.4 2.6 2.8 3 Charge State Distributions 86Kr Charge State Distribution · Production of 11B ion - MIVOC (Metal Ion from VOlatile Compounds) - o-carborane (C2B10H12) - vapor pressure of 1-2 Torr. 11B （３）AVFサイクロトロンにおけるフラットトップ加速システムの開発 ●目標 ・より質 より質の高いビームの ビームの提供 ・ビーム輸送効率 ビーム輸送効率の 輸送効率の向上と 向上とビーム電流増強 ビーム電流増強 AVFサイクロトロンのRF機器構成図 FT空洞 外径：φ170mm 長さ： 700mm Dee電圧 ピックアップ スリット ・幅 10mm ・長さ 1000mm フラットトップ加速 フラットトップ加速の 加速の原理 ●高調波を 高調波を用いて加速粒子 いて加速粒子の 加速粒子のエネルギー利得分布 エネルギー利得分布を 利得分布を平坦化 加速エネルギー 加速エネルギーを エネルギーを均一化 加速効率改善（ 加速効率改善（ビームロス減少 ビームロス減少） 減少）に大きく貢献 きく貢献 シングルターン取 シングルターン取り出しに不可欠 しに不可欠 【リングサイクロトロン】 リングサイクロトロン】 ・独立した 独立した第 した第３高調波加速空洞により 高調波加速空洞によりエネルギー によりエネルギー利得 エネルギー利得を 利得を補正 PSI、 、NAC、 、RCNP 【AVFサイクロトロン サイクロトロン】 サイクロトロン】 世界初の 世界初の可変周波数フ 可変周波数フ ラットトップ加速 ラットトップ加速 ・基本波に 基本波に高調波を 高調波を重畳した 重畳した電圧波形 した電圧波形を 電圧波形を用いて加速 いて加速 NAC、 、RIKEN、 、JAEA、 、RCNP フラットトップ加速電圧波形 フラットトップ加速電圧波形と 加速電圧波形とエネルギー幅 エネルギー幅 基本波加速 フラットトップ加速 フラットトップ加速 ・加速電圧波形 ・フラットトップ電圧波形 フラットトップ電圧波形 加速領域 ・ビームエネルギー幅 ビームエネルギー幅 高調波を 高調波を重畳 電圧 電圧 時間 ⊿E/E0 均一化 加速電圧波形の 加速電圧波形の整形 高調波電圧波形 ・ビームエネルギー幅 ビームエネルギー幅 = 10 -3 ⊿E/E0 E0 △E ビームエネルギー ビーム ビーム強度 強度 ビーム ビーム強度 強度 E0 = 1０ ０ -4 △E ビームエネルギー RF 系のアップグレード ターンセパレーション : ∆R 1 R ext ∆E ∆ R = R ext ⋅ = 2 E ext 2 N 積分型プ 積分型プ ローブ 微分型プローブ 微分型プローブ 取り出し Large radius 半径 N = ∆E E ext ビームサイズを小さくする 1mm フラットトップ加速 フラットトップ加速 ∆R 加速平衡軌道 サイクロトロン中 サイクロトロン中 心 ターン毎 ターン毎のエネルギー利得 エネルギー利得を 利得を大きくする 高い加速電圧 フラットトップ加速電圧波形 フラットトップ加速電圧波形 53 MeV Proton加速 Proton加速のときの 加速のときの ディー電極 ディー電極pickup 電極pickup波形 pickup波形の 波形の例 フラットトップ加速電圧 フラットトップ加速電圧 1 V (t ) = V1 cos (ωt + φ1 ) − 2 cos ( nωt + φ5 ) n 高調波次数（5, 7, 9） 9） n ： 高調波次数（ 基本波電圧（ピーク値 ピーク値） V1 ： 基本波電圧（ ω ： 基本波角振動数（ 基本波角振動数（2πf1） 40 Voltage (mV) 20 φ1, φ5： 基本波及び 基本波及び5倍波の 倍波の位相 0 ・Pickup電極 Pickup電極を 電極を改造し 改造し、周波数特性を 周波数特性を向上 -20 -40 100 200 300 400 500 Phase (RF degrees) ・基本波 f1 = 15.417 MHz に５倍波 f5 = 77.084 MHz を重畳 ・180° 180°ディー電極 ディー電極の 電極の加速ギャップ 加速ギャップに ギャップに 近い先端部分で 先端部分でpickup → 加速電圧波形を 加速電圧波形を観測 用途に 信号 用途に合わせた4系統 わせた 系統の 系統のPickup信号 ビーム開発 【基本波加速】 4He2+ 87 MeV 【FT加速】 ●引 引き出し前のターン構造 ターン構造 ●分析 分析コース 分析コースで コースでエネルギー幅 エネルギー幅を測定 ΔE ~ 48 keV ΔE ~ 48 keV 2008年4月 フラットトップ加速ビームの開発 ★開発中のフラット トップ加速ビーム 86Kr 第5高調波 第5、7高調波 第9高調波 4He 3He Proton D 第5高調波 高調波 第7高調波 高調波 第9高調波 高調波 ★パワー試験のみ 第5高調波 ※今後、 今後、順次フラットトッ 順次フラットトッ プ加速を 加速を増やしていく Profile monitor Emittance Slit Achromatic Transport Horizontal 物点 Focal Plane Vertical エミッタンス測定 エミッタンス測定ビーム 測定ビーム プロファイルモニター エミッタンス測定 エミッタンス測定ス 測定ス リット エネルギー分散 エネルギー分散 焦点面 （４）高輝度陽子イオン 高輝度陽子イオン源 イオン源の開発 RCNP 白色中性子源 Beam stopper Proton beam 30˚ Charge particle sweeping magnet （gap： ：100× ×100 mm2) Beam dump 子 性 中 Top View SEC Beam viewer W target Collimator (φ φ100 mm) W50 mm × H50 mm × D65mm Side View Beam RCNP White neutron source Neutron West experimental hall 中性子束 W 標的から m 標的から8.6 から 陽子ビーム 陽子ビーム1 ビーム µA N.Y. 海面の 海面の 2x108 倍 By Y. Iwamoto (JIEA) 2.45 GHz ECR イオン源 1600 磁石幅34mm 磁性体あり 磁石幅34mm 磁性体なし 1400 1200 1000 87.5 mT 800 2.45 GHz RF Ｂｇ（Ｇ） 600 400 200 0 -25 0 25 50 75 100 125 -200 -400 -600 -800 Ｚ（ｍｍ） プラズマチェンバー リング型 ） リング型ソレノイド（ ソレノイド（NEOMAX-48BH） 150 175 200 225 250 275 from Ring Cyclotron SEC (beam current monitor) 6-deg. Bending magnet ES (UCN) beam line in EAST experimental hall the Cryostat 400 M am e b n o t eV pro 300 K D2O moderator Pb target (100× ×100×200L) 250 mm eV M 0 40 am e b n proto 200 mm m m 0 60 Shielding room (1000t Fe + 500t concrete) MCNPX modeling 1 K He-II Graphite 20 K D2O 300 K D2O Graphite Pb target Pb bricks MCNPX results 0.40 Neutron flux (relative) 0.35 0.30 0.25 ×2.1 ×1.7 no graphite existing graphite full graphite 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 1.00E- 1.00E- 1.00E- 1.00E- 1.00E- 1.00E- 1.00E+ 1.00E+ -0.05 11 09 07 05 03 01 01 03 Neutron energy (MeV) Collaborators 福田 光宏、依田 哲彦、田村 仁志、木林 満 斎藤 高嶺、森信 俊平、河股秀典、岡村 弘之 民井 淳、永山 啓一、浦城 道男、稲田 洋司 後藤 英樹、魚梁 博之、大江 洋一、齋藤 典亨 佐田野 圭吾、羽田 知史、宮本雅史、中原貴明
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