電子貯蔵リングにおけるマイクロパーティクルのトラッピング現象の観測と解析 Observation and analysis of microparticle trapping phenomena in an electron strage ring

博士論文

本文は､電子貯蔵リングにおいて､ビームダクト内のマイクロパーティク<br />ルが電子ビームへ吸収され､ビーム寿命を急激に短縮させる現象について述べ<br />たものである｡<br />　高エネルギー物理学研究所のトリスタン電子･陽電子衝突リングの入射蓄積<br />リングARでは､電子貯蔵運転中にビーム寿命が突然短縮し､そのまま復帰し<br />ない現象ならびに短時間のビーム寿命の短縮がしばしば観測され､ビームダク<br />ト内に残留するマイクロパーティクルのトラップによると思われるビーム電流<br />値の微少現象がしばしば観測されている｡ こうした現象は､精密化した物理実<br />験やシンクロトロン放射光利用実験にとって大きな障害となり､世界各地の電<br />子貯蔵リングで大変な問題となっている｡ しかしながら､マイクロパーティク<br />ルのトラッピング現象の本格的な観測や実験､その理論的考察などについては<br />ほとんど行なわれていなかった｡ そこで､ ビーム寿命が短縮する現象は､トラッ<br />プされたマイクロパーティクルがビーム軌道周辺で運動するためと推測し､ A<br />Rにおいてその機構解明を試みた｡<br />　ビームダクト内に残留するマイクロパーティクルは､光子の散乱照射による<br />光電子放出で正電荷を与えられ､電子ビームがつくる電場の吸引力によりトラ<br />ップされると考えられる｡また｡トラップされたマイクロパーティクルと電子<br />ビームとの衝突では､残留ガスによる制動放射に比べてはるかに多量の制動放<br />射(ガンマー線)を観測することができると期待される｡さらに､数秒間程度の時間範囲<br />での制動放射を観測することで､ビーム軌道周辺でのマイクロパーティクルの<br />運動が推測できると考え､鉛ガラスカウンターを使用した制動放射の観測を行<br />なった｡ その結果､観測例は2例であるが､ビーム寿命が短縮し持続した状態で､<br />電子ビームのバンチ信号に対応した高エネルギーの制動放射の信号､マイクロ<br />パーティクルがビームを上下に通過したと考えられる時間幅0.1-0.2ms<br /> の信号と特徴的な2連の1-2秒周期性のある信号を観測した｡ また､観測<br />された信号の電圧は6.5GeV (ビームエネルギー)のガンマー線のそれよ<br />りはるかに高いものであった｡ さらに､観測結果からマイクロパーティクルが<br />0.05-0.2m/s の速度で電子ビームの進行方向に移動していることが<br />観測された｡<br />　一方､ARにおけるマイクロパーティクルのトラップする条件､トラップさ<br />れうる大きさとそのビーム軌道周辺での運動の解析をMarinの式を用いて<br />行なった｡ ビーム直下にマイクロパーティクルが存在し垂直上方に電気的に吸引<br />されると仮定して解析した｡ それらの電荷をQ(Coulomb)､質量をm<br />(Kg)､電子ビームにより作り出されるビームダクト底面における電場を<br />E(V/m)とした場合､ ARにおけるマイクロパーティクルのトラップする<br />条件として得られたQE/mの値は1.85×105(Newton/Kg)となっ<br />た｡パーティクルの表面に現れる電荷は光子エネルギーに依存する｡ ビーム<br />ダクト内で採取されたマイクロパーティクルの多くはアルミニウム系とチタン<br />系で､吸収されうるパーティクルの大きさを試算した｡ それらの形を球形とし<br />た時の計算では､材質がアルミニウムの場合､最大粒径は約100ミクロンで､<br />チタンの場合は約70ミクロンであった｡ マイクロパーティクルのビーム軌道<br />周辺での運動を単純な垂直振動とした計算で､その運動周期は約0.7秒とな<br />り､2例の観測結果とほぼ一致した。<br />　ARにおいて､実際のビームダクトとイオンポンプ内で採取したサンプルの<br />マイクロパーティクル(サイズ50-100ミクロン)を挿入してのトラッピ<br />ング実験を行なった｡ 9回の実験で4回､サンプルのいくつかが電子ビームにト<br />ラップされたと考えられる短時間のビーム寿命の短縮とビームのバンチ信号に<br />対応した高エネルギーの制動放射の信号､マイクロパーティクルがビームを通<br />過したと考えられる信号を観測した｡ビーム寿命の短時間の短縮は､トラップ<br />されたマイクロパーティクルが､ビーム損失による発熱で破壊されるためと推<br />測する｡ また､ ARにおいてビーム寿命が回復しない場合は､マイクロパーテ<br />ィクルが発熱により破壊されずビーム軌道周辺を運動し続ける為と考えられ<br />る｡<br />　ARにおいてビーム寿命が短縮した場合､2連の周期1-2秒の高エネルギ<br />ーの制動放射を観測した｡ マイクロパーティクルのビーム軌道周辺での運動周<br />期は観測値とほぼ一致した｡ また､トラップを考慮してビーム寿命を計算した<br />ところ観測値とほぼ一致した｡ 従って､ARで発生するビーム寿命が短縮し持<br />続する現象はマイクロパーティクルに起因していると結論できる｡

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総研大甲第30号