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Single-turn extraction from a K110 AVF cyclotron by flat-top acceleration

K110 AVFサイクロトロンにおけるフラットトップ加速によるシングルターン取り出し

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

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

原子力機構AVFサイクロトロン(K=110)では、数百MeV級重イオンマイクロビーム形成に必要なビームのエネルギー幅縮小化や、引き出し効率の向上のためにフラットトップ(FT)加速によるシングルターン引き出し技術の開発を行った。フラットトップ電圧波形を発生させるため、電磁場解析コード"MAFIA"を用いて基本波電圧波形に第5高調波を重畳させるコンパクトでエネルギーロスが少ない新たなFT共振器を設計し、基本波共振器に静電的に連結した。このFT共振器の周波数範囲は55-110MHzで、AVFサイクロトロンの全周波数範囲をカバーする。220MeV $$^{12}$$C$$^{5+}$$, 260MeV $$^{20}$$Ne$$^{7+}$$及び45MeV H$$^{+}$$ビームでフラットトップ加速試験を行い、総ターン数が200を越える大型のAVFサイクロトロンでは困難な引き出し領域におけるターンセパレーションを確認することに成功した。この結果、95%以上のビームの引き出し効率を実現した。ビームチョッパーにより1バンチ分の時間幅のビームをサイクロトロンに入射し、引き出されたビームパルスが入射と同じく1バンチのみであり、シングルターン引き出しされていることを確認した。エネルギー分析電磁石を用いたエネルギー幅計測システムにより、エネルギー幅が$$Delta$$E/E=0.1%から$$Delta$$E/E=0.05%に縮小したことを確認した。

Single-turn extraction from the JAEA AVF cyclotron with a K number of 110 using a flat-top (FT) acceleration system has been achieved to reduce the energy spread of an ion beam for microbeam formation with energy up to hundreds of MeV and to increase extraction efficiency from the cyclotron. In order to generate an FT waveform voltage using the fifth-harmonic frequency on a dee electrode, an FT resonator was designed using MAFIA code to achieve downsizing and low power consumption. The FT resonator, coupled to the main resonator through a coupling capacitor, covered the full range of the fifth harmonic frequency from 55 to 110 MHz. Various ion beams, accelerated using different acceleration harmonic mode of h = 1 and 2, such as 220 MeV $$^{12}$$C$$^{5+}$$ (h = 2), 260 MeV $$^{20}$$Ne$$^{7+}$$ (h = 2), and 45 MeV H$$^{+}$$ (h = 1) were developed by FT acceleration. A clear turn separation of the beam bunches was successfully observed at the extraction region of the large-scale AVF cyclotron with number of revolutions greater than 200. As a result, high extraction efficiency (over 95%) from the cyclotron was achieved. Single-turn extraction was confirmed by counting the number of beam bunches out of the cyclotron for an injected beam pulsed by a beam chopping system in the injection line. The energy spread of the 260 MeV $$^{20}$$Ne$$^{7+}$$ beam was measured using an analyzing magnet and we verified a reduction of the energy spread from $$Delta$$E/E = 0.1% to 0.05% by single-turn extraction.

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