Beam optics study of superconducting solenoid focusing in RI beam production beamline

Abstract

A small beam spot is required on the RI (Radioactive Isotope) production target located at the entrance of RIPS (RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) Projectile-fragment Separator). The focused spot size that can be obtained at present is around 2 mm. Some nuclear experiments require smaller spot size than that. For that purpose, a superconducting solenoid was chosen to use partly because of its symmetric optical properties. A high field superconducting solenoid can produce a strongly focused beam even for heavy ions with relatively high energy. A superconducting solenoid employing a conduction cooling method was chosen since a cryogenic system utilizing liquid helium is difficult to maintain. The field strength on axis is decided to be 6.2 T and the distance between solenoid and target is chosen to be about 1 m. Beam optics calculation was carried out using the program TRNSPORT, in order to obtain the optimum location for the solenoid and find out the magnetic parameters. The beam envelopes were calculated. The calculated diameter of the focused beam spot was 0.4 mm. The spherical aberration is 0.3 mm when the half angle of convergence is 15 mrad. Neither the spherical aberration nor the chromatic aberration seems to be a serious limiting factor in the application. The error due to misalignment expected to be less sensitive for a half-millimeter size of beam.

小さなビームスポットがRIPS(RIKEN Projectile-fragment Separator)入口に取付けるRI(放射性同位元素)生成ターゲット上に必要とされている。現在得ることのできる集束ピームスポットのサイズは約2mmである。いくつかの原子核実験では更に小さいビームスポットサイズを要求している。小さなビームスポットを得るために、対称的な光学特性を持つという利点もあり、超伝導ソレノイドを用いることにした。強磁場超伝導ソレノイドは、比較的高エネルギーの重イオンに対しても強い集束ビームを発生することができる。液体ヘリウムを用いた低温システムは維持することが難しいので、伝導冷却法を用いた超伝導ソレノイドを選んだ。磁場の強さを6.2Tとし、ソレノイドとターゲットの間隔は1メートルとした。ソレノイドの最適位置を決め、磁気パラメータを求めるために、プログラムTRANSPORTを用いてビーム光学計算を行った。ビームエンベロープを計算した。集束ビームスポット径は0.4mmであった。球面収差や色収差は、利用において重大な制約因子とはならない。不正確なビームアラインメントによる誤差は、0.5mm程度のビームサイズに対し余り敏感に影響しない。