[論文レビュー] Multiple Charge State Beam Acceleration at Atlas

P. N. Ostroumov, R. C. Pardo+3 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ATLAS重イオン加速器において238Uイオンの複数のイオン化状態を同時に加速することを実証した。26+ビームをストリッピングしてより高いイオン化状態にし、それをブースター線形加速器に注入した。94%の透過率とシミュレーションと整合するビーム品質を達成し、多重イオン化状態加速がビーム強度を顕著に向上させられることを確認した。二重ストリッピング後の238U+51ではエネルギー分散が1.3%に達し、RIAのような将来のレアアイランドビーム施設に不可欠な手法の有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

A test of the acceleration of multiple charge-state uranium beams was performed at the ATLAS accelerator. A 238U+26 beam was accelerated in the ATLAS PII linac to 286 MeV (~1.2 MeV/u) and stripped in a carbon foil located 0.5 m from the entrance of the ATLAS Booster section. A 58Ni9+ 'guide' beam from the tandem injector was used to tune the Booster for 238U+38. All charge states from the stripping were injected into the booster and accelerated. Up to 94% of the beam was accelerated through the Booster linac, with losses mostly in the lower charge states. The measured beam properties of each charge state and a comparison to numerical simulations are reported in this paper.

研究の動機と目的

• 既存の加速器を用いて重イオンの複数イオン化状態を同時に加速することでビーム強度を向上させることの実現可能性を示すこと。
• ストリッピングおよび加速後の各イオン化状態におけるビームパラメータ（発散角、エネルギー、エネルギー分散）を測定すること。
• 実験結果と数値シミュレーションを比較し、多重イオン化状態運転におけるビームダイナミクスモデルの妥当性を検証すること。
• ミスアライメントおよび調整誤差が多重イオン化状態加速におけるビーム品質に与える影響を評価すること。
• 本手法が、RIAのような将来の高強度レアアイランドビーム施設への応用可能性を評価すること。

提案手法

• 238U+26ビームをATLAS PII線形加速器で286 MeV（約1.2 MeV/u）まで加速し、ブースター部の0.5 m手前にある75 Pg/cm²の炭素フォイルでストリッピングした。
• ブースター線形加速器の調整には、58Ni+9ビームを「ガイドビーム」として用い、238U+38の速度および同期位相に一致させた。同期位相は-30°に設定した。
• ビームエネルギー測定にはシリコン検出器を、発散角測定には四重極子トライアドの勾配変更を用いた自動走査手順によりブースター線形加速器を調整した。
• 横方向発散角はワイヤースキャナーおよび四重極子走査により測定し、縦方向ビームパラメータは飛行時間（TOF）およびシリコン検出器システムにより測定した。
• ストリッピング標的の上流に10 mmのアパーチャを設置することで、低イオン化状態の損失を低減し、透過率を94%まで向上させた。
• ブースター出口での二重ストリッピングにより238U+51が生成され、そのビームパラメータを測定することで、多段階ストリッピングに起因するエネルギー分散の増大を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 26+ビームからストリッピングした後、ATLASブースター線形加速器で238Uの複数イオン化状態を効率的に同時に加速できるか？
• RQ2 多重イオン化状態ビームにおいて、発散角、エネルギー、エネルギー分散といったビームパラメータは、異なるイオン化状態でどのように変化するか？
• RQ3 ミスアライメントおよび調整誤差は、多重イオン化状態加速におけるビーム品質にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 多重イオン化状態ビームにおいて、第二段階のストリッピング後にエネルギー分散はどのように増大するか？
• RQ5 実験結果は、ブースター部におけるビームダイナミクスの数値シミュレーションとどの程度一致するか？

主な発見

• 最適化後、ATLASブースターでは多重イオン化状態ウランビームの透過率が94%に達した。損失は主に低イオン化状態に起因した。
• イオン化状態37〜39の平均エネルギー分散は0.7%であり、シミュレーションと整合的で、RIAドライバーライン加速器の要件を満たすのに適していた。
• 238U+38ではFWHMエネルギー分散が0.4%であったが、二重ストリッピング後の238U+51では1.3%に増加し、第二段階ストリッピングに起因する3倍の増加が示された。
• 垂直方向の正規化発散角は0.89〜2.69 S·mm·mradの範囲にあり、特に二重ストリッピングされた238U+51ビームで最大の2.69を示した。これはソレノイドのアライメントエラーに起因する。
• 横方向ビームプロファイルは、ガイドビームと比較して多重イオン化状態ビームの方が大きく、主にミスアライメントに起因する有効発散角の増大によるものであった。
• エネルギーおよび発散角といった実験的測定パラメータは、修正版LANAコードを用いた数値シミュレーションと良好に一致した。