超低速重イオン用分割同軸型RFQの研究 Study of a Split Coaxial RFQ Linac for HeavyIons with a Very Low Velocity

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著者

    • 澁谷, 真二 シブヤ, シンジ

書誌事項

タイトル

超低速重イオン用分割同軸型RFQの研究

タイトル別名

Study of a Split Coaxial RFQ Linac for HeavyIons with a Very Low Velocity

著者名

澁谷, 真二

著者別名

シブヤ, シンジ

学位授与大学

総合研究大学院大学

取得学位

学術博士

学位授与番号

甲第6号

学位授与年月日

1992-03-16

注記・抄録

博士論文

 近年不安定原子核のビームを使った研究が急速に発展しつつある。不安<br />定原子核のビームは、中性子過剰核、超重核など極限領域の核物理や、宇宙<br />に於ける元素合成過程の研究など、他の手段では実現できない核物理、天<br />体核物理を開拓できる他、物性物理、放射化学、原子物理など様々な分野<br />でも新しい研究領域を広げることが出来る。これに伴い、これらの短寿命<br />核を加速するための加速器への関心が急速に高まってきた。しかし高エネ<br />ルギー粒子による核破砕反応で生成され、イオン化された短寿命核は、多<br />くの場合荷電数対質量数比εが数十分の一であり、中には1/100以下という<br />非常に小さいものもある。このような場合イオン源から得られるビームエ<br />ネルギーは核子当り1keV程度となり、この時の速度は光速の0.1%程度と<br />いう非常に低い値となる。このような超低速重イオンを加速する場合には<br />加速器の初段に特別の前段加速器が必要になる。高周波四重極電場を用い<br />てビームの加速と集束を同時に行えるRFQ線形加速器(以下RFQと略す)<br />は、このような目的に最適であると考えられている。<br /> わが国においては大型ハドロン計画において不安定核ビームファシリティ<br />の建設が構想されており、これに伴い入射エネルギーが1keV/u、εが1/60<br />以上の超低速重イオンを加速できるRFQの開発研究が筆者らによって行わ<br />れている。筆者の研究目的は超低速重イオンの加速を行えるRFQの実用化<br />を図ることである。<br /> 筆者らはε=1/30の超低速重イオンを実際に加速できる実機モデルの研究<br />開発を行っている。この実機モデルは内直径90cm、長さ70cmのモジュー<br />ル空胴を三台つなぎ合わせた全長2.1mのマルチモジュール型共振空胴<br />であり、運転周波数は25.5MHz、εが1/30以上のィオンを1keV/uから45.4<br />keV/uまで加速出来るものである。<br /> 本研究の成果は、高周波テスト及び加速テストの結果から大幅な設計の<br />変更をせずにこのSCRFQの実用化が可能であるという結論を得た事であ<br />る。以下に本研究の成果について述べる。<br /><br />  1.分割同軸型構造を採用することにより、共振周波数のわりに空胴径を<br />   小さくする事が出来た。<br /><br />  2.四電極にはヴェインを採用している。ヴェインとは軸方向に周期的に<br />   波形をつけた板状電極であり、これを用いるとビームアパーチャー内<br />   の電場分布をKapchinskij-Teplyakovの電位関数の低次の項だけで正<br />   確に表すことが出来る。SCRFQにヴェインを採用するのは筆者らが<br />   初めてである。<br /><br />  3.この加速器は実機の実用化を実現するために作られたモデルである<br />   ので、電極及び加速空胴の設計手法、加速器の高周波試験及び加速試<br />   験の結果から実機の評価が行えるように設計製作を行なった。また、<br />   ステムフランジを考案することによって、内導体と外導体で独立に加<br />   工組立が行え、かつ精度よい電極の組み込みが行える構造(マルチモ<br />   ジュール構造)の開発に成功した。この構造の採用により内導体の設<br />   定精度を大幅に向上させることが出来た。<br /><br />  4.対向電極には結合リングが取り付けてある。結合リングの役割は対向<br />   電極を等電位に保ち電場の二重極成分の混入を防ぐと共に、ヴェイン<br />   の位置精度を上げる事である。<br />   結合リングを取り付けて、空胴への入力電力と共振周波数の変化量<br />   との関係を調べたところ、入力電力85kW(デューティー10%)で共<br />   振周波数の上昇は130kHzであった。一方、結合リングを分割して同<br />   様の測定を行ったところ、入力電力80kW(デューティー20%)で周波<br />   数の上昇は53kHzであった。更に、結合リングの有無による加速性<br />   能の変化を出射エミッタンスと透過効率の測定結果から調べたが、両<br />   者の間に変化は見られなかった。このことからSCRFQでは結合リン<br />   グは必要ない事が分かった。<br /><br />  5.冷却系の設計は+一本の冷却管を用いて行なった。管の半径や流量は<br />   電極の熱による歪みで電場分布が1%以上ずれない事を条件として決<br />   定した。高周波結合器はループカップラーを用いる。高電力に対応す<br />   るため、ループは銅パイプで作られており、水冷却を行う。<br />   結合リングが取り付けてある状態での冷却水の温度上昇は、入力電<br />   力85kW(デューティー10%)で平均0.5゜Cであった。一方、結合リ<br />   ングを分割して同様の測定を行ったところ、入力電力80kW(デュー<br />   ティー20%)で平均0.9゜Cであった。このことから結合リングを外せ<br />   ば、デューティー20%位までであれば空胴をフルパワーで運転しても、<br />   現在の冷却系でも空胴の冷却能力は十分であることが分かった。<br /><br />  6.共振周波数の調整はステムとフランジによって囲まれた空間(窓)に生<br />   じるインダクタンス(ステムインダクタンス)を調整する事によって<br />   行う。空胴の周波数が25.45MHzとなる様にインダクタンス(窓の面<br />   積)を調整し、最終的にブロックチューナーで周波数を25.5MHzに<br />   合わせた。この時の無負荷のQ値は計算値の約80%であった。<br /><br />  7.ヴェイン間及びビーム軸近傍の電場分布の測定は誘電体を用いた摂<br />   動法によって行なわれた。測定の結果、ヴェイン間の電場の四回対称<br />   性からのずれは目標値である±1%より良く、ヴェイン全域にわたって<br />   ±0.67%以内であった。またビーム軸近傍でのビーム軸に沿った電場<br />   強度分布はKapchinskii-Teplyakovの電位関数に、設計時のセルパラ<br />   メータを代入した計算によって定性的に説明できた。<br /><br />  8.高電力試験ではまずモニターループの較正を行い、共振抵抗の測定、<br />   Q値の測定を行いこれらの数値を使って求めたヴェイン間電圧と入力<br />   電力の関係がほぼ一致していることを確認した。また、高電力運転時<br />   のエージング時間と放電の頻度の関係について調べた。<br /><br />  9.ビーム輸送系を入射側と出射側についてそれぞれ設計した。またビー<br />   ムの輸送に必要な入射側のアインツェルレンズ、イオンセパレータ、<br />   静電ステアラー、出射側のQダブレットの設計製作をした。またビー<br />   ムの性質及び加速性能を評価するためのビームモニターとしてファラ<br />   デーカップ、エミッタンスモニター、ビームスリットの設計製作をした。<br /><br />  10.εが1/28のN+ 2を1keV/uから設計値(45.4keV/u)まで加速する事に<br />   成功した。1keV/u以下の超低速重イオンの加速に成功した例は、世<br />   界的に見てもほとんどない。<br /><br />  11.加速テストでは入射及び出射エミッタンス、ビームの透過効率、エネ<br />   ルギースペクトルの測定をN+ 2(ε=1/28)、N+(ε=1/14)、Ne+(ε=1/20)<br />   についてそれぞれ行なった。<br /><br />  12.ヴェインの加工を二次元で行った。二次元加工したヴェインの影響は<br />   透過効率に顕著に現れ、80%以上の透過効率を得るにはヴェイン間電<br />   圧を設計値より30%上げなければならなかった。二次元加工したヴェ<br />   インの影響を考慮した計算コード(Modified PARMTEQ)で行った透<br />   過効率の計算値は計算コードPARMTEQによる計算値よりも測定値<br />   に近い事が分かった。二次元で加工されたヴェインを使った加速器の<br />   加速性能を実験的に評価したのは筆者らが初めてである。

目次

  1. 0.1 目次 / p6 (0006.jp2)
  2. 1.序論 / p1 (0007.jp2)
  3. 2.分割同軸型RFQの概要 / p8 (0011.jp2)
  4. 2.1.分割同軸型RFQのビームダイナミクス / p8 (0011.jp2)
  5. 2.2.RFQ空胴の共振構造 / p14 (0014.jp2)
  6. 3.加速器の設計製作 / p33 (0023.jp2)
  7. 3.1.ヴェインの基本設計 / p33 (0023.jp2)
  8. 3.2.二次元加工によるヴェインの製作 / p42 (0028.jp2)
  9. 3.3.加速空胴の設計 / p47 (0030.jp2)
  10. 3.4.加速空胴の製作 / p53 (0033.jp2)
  11. 3.5.高周波電源と高周波結合器 / p55 (0034.jp2)
  12. 4.加速空胴の高周波試験 / p73 (0043.jp2)
  13. 4.1.低電力試験 / p73 (0043.jp2)
  14. 4.2.高電力試験 / p79 (0046.jp2)
  15. 5.ビーム加速テスト / p88 (0051.jp2)
  16. 5.1.加速テストスタンド / p88 (0051.jp2)
  17. 5.2.予備テスト / p97 (0055.jp2)
  18. 5.3.ビーム加速テスト及びその評価 / p99 (0056.jp2)
  19. 6.まとめ / p131 (0072.jp2)
  20. 謝辞 / p133 (0073.jp2)
  21. 参考文献 / p134 (0074.jp2)
  22. 付録 / p138 (0076.jp2)
  23. A.Kapchinskij-Teplyakovの電位関数 / p138 (0076.jp2)
  24. B.smooth approximation / p143 (0078.jp2)
  25. C.ベ一タ関数とTwiss Parameter / p150 (0082.jp2)
  26. D.空間電荷効果 / p156 (0085.jp2)
  27. E.電極先端の円近似 / p160 (0087.jp2)
  28. F.共振回路の整合とQ値 / p165 (0089.jp2)
  29. G.ビーム輸送系の周辺装置 / p171 (0092.jp2)
  30. G.1.イオン源 / p171 (0092.jp2)
  31. G.2.アインツエルレンズ / p175 (0094.jp2)
  32. G.3.イオン弁別用偏向電磁石 / p177 (0095.jp2)
  33. G.4.静電ステアラー / p187 (0100.jp2)
  34. G.5.四重極電磁石ダブレット / p189 (0101.jp2)
  35. G.6.偏向電磁石 / p193 (0103.jp2)
  36. H.使用した計算コードとプログラム / p194 (0104.jp2)
  37. H.1.SUPERFISH / p194 (0104.jp2)
  38. H.2.PARMTEQ / p195 (0104.jp2)
  39. H.3.MAGlC / p197 (0105.jp2)
  40. H.5.TRACEP / p198 (0106.jp2)
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各種コード

  • NII論文ID(NAID)
    500000090596
  • NII著者ID(NRID)
    • 8000000090817
  • DOI(NDL)
  • 本文言語コード
    • jpn
  • NDL書誌ID
    • 000000254910
  • データ提供元
    • 機関リポジトリ
    • NDL-OPAC
    • NDLデジタルコレクション
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