Estimation of beam chamber pressure required for RIKEN superconducting ring cyclotron

Abstract

In the RIKEN (Institute of Physical and Chemical Research) Superconducting Ring Cyclotron (SRC), beam transmissions are aimed to be above 99 percent for all ion beams available in SRC. In a heavy ion accelerator, beam losses are mainly caused by a change of charge state due to collisions of the beam against residual gas. Since electron stripping is especially serious in the SRC, beam chamber pressure is required to be as low as possible. In this report, the beam chamber pressure required for the SRC is described. Beam transmission is given as a function of charge exchange cross section, ion velocity, accelerating time, and the beam chamber pressure. In order to take the beam transmission as a function of the beam chamber pressure from this formula, the cross section and the accelerating time were estimated. Using typical parameters of radio frequency cavities for U-238 ions, the accelerating time of ion in a ring accelerator was obtained. The electron stripping cross section was estimated, utilizing some published data and the data of charge exchange cross sections calculated in the National Superconducting Cyclotron Laboratory. The beam transmission was calculated from these data, and the beam chamber pressure needed to achieve 99 percent beam transmission was obtained.

RIKEN(理化学研究所)の超伝導リングサイクロトロン(SRC)では、SRCで利用できる全イオンビームに対して99%以上のビーム透過を目標にしている。重イオン加速器では、主に、残留ガスとビームの衝突による電荷状態の変化によってビーム損失が生じる。SRCでは電子ストリッピングが特に深刻であるので、ビームチェンバの圧力ができるだけ低いことが必要である。この報告では、SRCに必要なビームチェンバ圧力について述べた。ビーム透過を荷電交換断面積、イオン速度、加速時間、およびビームチェンバ圧力の関数として与えた。この式からビーム透過をビームチェンバ圧力の関数として求めるために、断面積と加速時間を推定した。U-238イオンに関する高周波空洞の典型的なパラメータを使って、リング加速器のイオン加速時間を求めた。若干の公刊データと国立超伝導サイクロトロン研究所で計算した荷電交換断面積データを利用して、電子ストリッピング断面積を推定した。ビーム透過をこれらのデータから計算し、99%のビーム透過を達成するために必要なビームチェンバ圧力を得た。