超低エミッタンスイオンビームのエミッタンス増加率

Lattice-dependence of the heating rate of ultra-low-emittance ion beams in a storage ring

百合 庸介

Yuri, Yosuke

極限まで冷却された荷電粒子ビームはクーロン結晶化することが知られ、クリスタルビームと呼ばれている。これは、個々の粒子間のクーロン斥力と人為的な外部集束力がバランスした状態であり、冷却を取り除いても安定である。本研究では、クリスタルビームの安定性の蓄積リングやビームの条件に対する依存性を分子動力学シミュレーションを用いて解析した。京都大学の蓄積リング"S-LSR"で行われているレーザー冷却実験と同一の条件(運動エネルギー35keVのMgイオンビーム)を想定し、エミッタンスの増加率(加熱率)のビーム電流値やベータトロンチューンに対する依存性を評価した。プラズマ結合係数を用いてビームの加熱率を表すと、付近において、すなわち、気体-液体相転移点近傍においてイントラビーム散乱による加熱率が極大になることがわかった。の領域では、ラティスに誤差がない場合、加熱率は減少するが、誤差が有限の場合には、誤差の大きさとビーム線密度に依存して加熱率は増加に転じ、クリスタルビームの安定性は低下することが明らかになった。

We have numerically studied the emittance increase rate (heating rate) of ultra-low-emittance beams in a storage ring. A systematic molecular dynamics simulation has been done, considering the same experimental conditions as those in the storage ring "S-LSR", i.e., Mg ion beam with the kinetic energy of 35 keV. The heating rate has a maximum value around , where is the generalized plasma coupling constant. That is, the heating rate due to the intra-beam scattering is maximized around the threshold of the gas-to-liquid phase transition. At an ultra-low-emittance state, the heating rate becomes smaller in a perfect lattice. When the lattice magnetic error is finite, the heating rate is increased, dependent on the beam line density.