Development of a flat-top RF acceleration cavity for negative muon microbeam production

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 19H05194
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 山崎 高幸 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (40632360)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2019: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 加速器 / ミュオン / 量子ビーム

Outline of Research at the Start

ミュオン特性X線を利用した試料の元素分析や、次世代加速器であるミュオンコライダーなどにおいて、負ミュオンマイクロビームの生成が重要な課題となっている。超低速負ミュオンが実現されれば、フラットトップRF加速サイクロトロンによってエネルギー分散が極めて小さい負ミュオンビームが得られ、色収差なくマイクロビーム集光が可能となる。本研究では、フラットトップRF加速のために従来にない形状の同軸RF共振器を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ミュオンマイクロビーム生成の鍵となるフラットトップRF加速空洞を開発する。フラットトップRF電場によって加速することでエネルギー分散の増加を抑制することが可能であり、最終収束時に色収差の影響を抑えることが可能となる。フラットトップRF空洞の形状としては、小型サイクロトロン内で324MHzという高い周波数のRFを印加する必要があることから、公開特許（2002-43097）に基づく両端ショート型の半波長同軸共振器を採用し、本研究で初めて実機を製作し、その性能評価を行った。
2019年度にCST Microwave Studioを用いて詳細な3次元RF計算を行い、RFカプラや周波数チューナーなどの細部を含めた詳細設計を行ったが、これに基づき2020年度に実機の製作および静特性評価を行った。実機の共振周波数および周波数チューニング範囲はシミュレーションと一致していたが、空洞のQ値がRF計算の約50%程度と低い値であった。ミュオンマイクロビーム生成に必要な性能の範囲内であるが、Q値の低下に伴い、外部から導入した励振用RFと共振器空洞との結合が悪化したため、実測を基にRFカプラの再設計・製作を行うことでクリティカルカップリングを得た。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Muon Cyclotron for Transmission Muon Microscope (2019)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Nagatani, Y. Miyake, T. Adachi, J. Ohnishi, A. Goto, Y. Kumata, S. Kusuoka, T. Onda, and H. Tsutsui
  • Journal Title: Proceedings of the 22nd International Conference on Cyclotrons and their Applications Volume: - Pages: 209-212
  • Open Access
• [Presentation] 負ミュオンマイクロビーム生成のためのフラットトップ高周波加速空洞の開発 (2020)
  • Author(s): 山崎 高幸
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」ワークショップ
• [Presentation] Muon Cyclotron for Transmission Muon Microscope (2019)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Nagatani, Y. Miyake, T. Adachi, J. Ohnishi, A. Goto, Y. Kumata, S. Kusuoka, T. Onda, and H. Tsutsui
  • Organizer: International Conference on Cyclotrons and their Applications (CYC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a flat-top RF acceleration cavity for negative muon microbeam production (2019)
  • Author(s): 山崎高幸
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」ワークショップ
• [Remarks] 高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 ミュオン科学研究系
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/msl/
• [Remarks] 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/