ニュートリノファクトリーのための超高勾配セラミック空洞の試験研究

ニュートリノファクトリーでは10-20GeVのミュオンビームを長い直線部を持つ蓄積リングに蓄え、崩壊時にこの直線部の向きに出る高品質のニュートリノビームを用いてθ13などの測定をすることを目的にしている。このミュオンビームの強度は、ミュオン生成のための陽子ビーム強度、生成ターゲットの能力、ミュオンの捕獲効率、加速効率などによって決まる。加速器での加速効率を上げるためには、発生したミュオンの運動量広がりを線形加速器で捕獲できるように減らすことが必要となる。このための手法として、運動量アクセプタンスの極めて大きな円形加速器であるFFAGを用いる手法がある。本研究はこれに必要となる極めて高い高周波電圧を数MHz帯で実現するために開発研究である。このFFAGにミュオンを入射し、数MHzの高い高周波電圧により、位相空間内でのバンチ回転を起こすことによりミュオンの運動量広がりを減らすことができる。この数MHz帯では空洞のみでは空洞の大きさが巨大になり現実的ではないため、通常磁性材料を用いて空洞の小型化をしているが、この磁性材料は安価ではない。このため、これに代わる方法として誘電率の高いセラミックを用いて加速ギャップ周辺に大きな静電容量をつくり、数MHzでの共振空洞の小型化を実現し、更に高い加速電圧の実現をめざすことが本研究の目的である。本研究では酸化チタンを用いた貫通型コンデンサを用いて、実際の加速空洞に装填するドーナツ型セラミックの形状を模擬し、実機の約5分の1程度の大きさにあたる30cmの空洞を用いて、加速空洞としての高周波特性およびQ値を測定した。これにより、次の点が明らかになった。1)セラミックを高周波空洞の加速ギャップ付近に配置することにより低周波で高Q値の共振空洞を形成することができた。2)Q値は約1000程度あるため、磁性体方式よりも必要となる電力を減らすことができる3)しかし、空洞に高周波電圧を出すために必要な時間はQ値に比例するため、空洞への電力供給時間が長いことがわかった。また、繰り返しをあげた場合セラミックの温度上昇とその温度特性が問題となる兆候が見られた。しかしながら、この欠点はJ-PARCのRCS空洞に使われているハイブリッド方式のように金属磁性体空洞と組み合わせ、Q値を下げることにより解決することができる。

ニュートリノファクトリーでは10-20GeVのミュオンビームを長い直線部を持つ蓄積リングに蓄え、崩壊時にこの直線部の向きに出る高品質のニュートリノビームを用いてθ13などの測定をすることを目的にしている。このミュオンビームの強度は、ミュオン生成のための陽子ビーム強度、生成ターゲットの能力、ミュオンの捕獲効率、加速効率などによって決まる。加速器での加速効率を上げるためには、発生したミュオンの運動量広がりを線形加速器で捕獲できるように減らすことが必要となる。このための手法として、運動量アクセプタンスの極めて大きな円形加速器であるFFAGを用いる手法がある。本研究はこれに必要となる極めて高い高周波電圧を数MHz帯で実現するために開発研究である。このFFAGにミュオンを入射し、数MHzの高い高周波電圧により、位相空間内でのバンチ回転を起こすことによりミュオンの運動量広がりを減らすことができる。この数MHz帯では空洞のみでは空洞の大きさが巨大になり現実的ではないため、通常磁性材料を用いて空洞の小型化をしているが、この磁性材料は安価ではない。このため、これに代わる方法として誘電率の高いセラミックを用いて加速ギャップ周辺に大きな静電容量をつくり、数MHzでの共振空洞の小型化を実現し、更に高い加速電圧の実現をめざすことが本研究の目的である。本研究では酸化チタンを用いた貫通型コンデンサを用いて、実際の加速空洞に装填するドーナツ型セラミックの形状を模擬し、実機の約5分の1程度の大きさにあたる30cmの空洞を用いて、加速空洞としての高周波特性およびQ値を測定した。これにより、次の点が明らかになった。1)セラミックを高周波空洞の加速ギャップ付近に配置することにより低周波で高Q値の共振空洞を形成することができた。2)Q値は約1000程度あるため、磁性体方式よりも必要となる電力を減らすことができる3)しかし、空洞に高周波電圧を出すために必要な時間はQ値に比例するため、空洞への電力供給時間が長いことがわかった。また、繰り返しをあげた場合セラミックの温度上昇とその温度特性が問題となる兆候が見られた。しかしながら、この欠点はJ-PARCのRCS空洞に使われているハイブリッド方式のように金属磁性体空洞と組み合わせ、Q値を下げることにより解決することができる。