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Flat-top acceleration system for the variable-energy multiparticle AVF cyclotron

エネルギー可変及び加速粒子多種類型AVFサイクロトロンのフラットトップ加速システム

福田 光宏; 倉島 俊; 奥村 進; 宮脇 信正; 上松 敬; 中村 義輝; 奈良 孝幸; 石堀 郁夫; 吉田 健一; 横田 渉; 荒川 和夫; 熊田 幸生*; 福本 康志*; 斉藤 勝彦*

Fukuda, Mitsuhiro; Kurashima, Satoshi; Okumura, Susumu; Miyawaki, Nobumasa; Agematsu, Takashi; Nakamura, Yoshiteru; Nara, Takayuki; Ishibori, Ikuo; Yoshida, Kenichi; Yokota, Wataru; Arakawa, Kazuo; Kumata, Yukio*; Fukumoto, Yasushi*; Saito, Katsuhiko*

3種類の加速ハーモニクスモード(h=1,2,3)を有するエネルギー可変・加速粒子多種類型AVFサイクロトロンにおけるイオンビームのエネルギー幅最小化に最適なフラットトップ加速システムの検討を行い、基本波加速電圧にその5倍の周波数を持つ高調波電圧を重畳する方法が最適であることを理論的に明らかにした。第5高調波を用いたフラットトップ加速は、高調波電圧発生に必要な増幅器パワーと共振空洞内の消費パワーを最小化し、1ターン当たりのエネルギー利得を増大させるという特長を持っている。そこで、原研AVFサイクロトロンにおいては、ビーム径1$$mu$$mのマイクロビーム形成を実現するため、ビームエネルギー幅を0.02$$%$$以下に最小化するフラットトップ加速システムの仕様検討を行い、加速電圧安定度の許容値が基本波2$$times$$10$$^{-4}$$以下、第5高調波1$$times$$10$$^{-3}$$以下、加速電圧位相安定度許容値が0.2$$^{circ}$$以下、磁場安定度許容値が1.9$$times$$10$$^{-5}$$以下であることを定量的に示した。本仕様を踏まえ、コールドモデル試験及び電磁場解析コードMAFIAを用いた計算により、コンパクトで省パワー性に優れた第5高調波発生用共振空洞を設計した。

A combination of the fundamental- and the fifth-harmonic voltages is ideally suited for flat-top acceleration in a variable-energy multi-particle cyclotron for energy-spread minimization. The flat-topping of the energy gain distribution using the fifth-harmonics has the advantages of minimizing an amplifier power, reducing power dissipation in a resonator and increasing the energy gain per turn. The flat-top acceleration system of the JAERI AVF cyclotron was designed to reduce the energy spread to 0.02 $$%$$, required for microbeam production. Tolerable fluctuations of acceleration voltages and the magnetic excitation were 2.0$$times$$10$$^{-4}$$ for the fundamental voltage, 1.0$$times$$10$$^{-3}$$ for the fifth-harmonic voltage, and 1.9$$times$$10$$^{-5}$$ for the magnetic field. In order to enhance compactness of the flat-topping cavity and to make a substantial saving of the amplifier power, optimum geometric parameters of the flat-topping cavity were determined by a cold model test and a calculation using the MAFIA code.

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