次世代加速器のための高強度重イオン入射器の開発

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前年度に取得した新方式のイオン源の原理実証の知見をもとに、より高効率でイオンバンチを生成可能な高周波共振器を設計製作した。原理実証実験において製作した共振器では、レーザー入射方向とビーム引き出し方向のなす角が67.5 度でありビーム分析器を置くスペースが確保できないという問題があった。また、ビーム生成点を通り過ぎたレーザーが共振器の内壁に当たることで生成される電子が放電を誘発し、ビームを安定に生成が妨げられるという問題もあった。そこで共振器を再設計しビーム引き出し部の電極形状を変更し、レーザー入射方向とビーム引き出し方向のなす角を 90 度にして、さらにプラズマ生成後のレーザーを共振器外部に通過させる穴を設けた。これらの改良によりビーム分析器を設置するスペースの確保が可能になるとともに、放電が抑制されることで生成可能なイオンビーム電流が向上し、ピークにおいて8 mAを超えるイオンの生成が可能になった。また将来的にさらに電流量を向上させるための手法として、偏平に集束したレーザーによるイオンバンチ生成を試みた。その結果レーザーのパワー密度を一定にして偏平に集束させたレーザーの照射面積を増やすことで、面積に比例してビームの電流量が向上することを実験により示した。また新方式のレーザーイオン源の利点を有効に用いる入射器を実現するために、マイクロバンチを直接入射可能な加速セクションのみからなるRFQ加速器の構造を新たに検討した。通常RFQのセル設計では、高周波電場のポテンシャルの最低次の２項のみを用いているが、本研究ではさらに加速効率を向上させるためにポテンシャル展開式で７項までの高次項を含めたセルを検討した。この高次項の導入により加速に利用可能な縦方向の電場を大きくすることが可能になり、加速効率が10 % 程度向上可能であることが明らかになった。