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Influence of injection beam emittance on beam transmission efficiency in a cyclotron

サイクロトロンの透過効率に与える入射ビームエミッタンスの影響

倉島 俊; 柏木 啓次; 宮脇 信正; 吉田 健一; 奥村 進

Kurashima, Satoshi; Kashiwagi, Hirotsugu; Miyawaki, Nobumasa; Yoshida, Kenichi; Okumura, Susumu

原子力機構サイクロトロンは、プロトンからオスミウムまで様々なイオンを加速してバイオ技術や材料科学の研究にイオンビームを提供する。ユーザが求めるビーム電流量は、同一イオン種、同日内の実験においても$$mu$$Aから$$mu$$Aまでと幅広い。各実験においては、必要なビーム電流を確保した上で長時間の安定性が求められ、素早いイオン源の再調整が必要である。しかし、イオン源出口において電流量を2倍にしてもビームの輸送効率が低下するためユーザの要求する電流が得られない場合があった。この原因を探るため、イオン源の再調整に伴う輸送効率の変化を調べた。また、ビーム入射ラインに設置したエミッタンス・アクセプタンスモニタを使用して、加速器側との位相空間上のマッチングを調べた。この結果、イオン源の再調整に伴いエミッタンスやビーム強度のピーク位置が変化し、サイクロトロンのアクセプタンスとのマッチングが悪化することが分かった。そこで、アクセプタンス測定値に基づき入射ラインのステアラー電磁石を再調整し、マッチングを向上させた結果、ユーザの要求するビーム電流量を得ることができた。

The JAEA AVF cyclotron accelerates various kinds of high energy ion beams for research in biotechnology and materials science. Beam intensity of an ion species of the order of 10$$^{-9}$$ to 10$$^{-6}$$ ampere is often required for various experiments sequentially performed within a day. To provide the ion beam sufficiently and stably, an operator has to retune an ion source in a short time. The beam intensity downstream of the cyclotron, however in most cases, doesn't increase proportionally to the intensity at the ion source. To understand the cause of this beam behavior, transmission efficiencies of a $$^{12}$$C$$^{5+}$$ beam from the ion source through the cyclotron were measured for various conditions of the ECR ion source. Moreover, a feasible region for acceleration in the emittance of the injection beam was clarified using a transverse-acceptance measuring system. We confirmed that the beam emittance and profile changed depending on the condition of the ion source and the matching between the emittance and the acceptance of the cyclotron got worse. After fine-tuning to improve the matching, the beam intensity downstream of the cyclotron increased.

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