D e p a r t m e n t  0 1  P h y s i c s  and D ゆ a r t m e n t0 1  C h e m i s t η 戸 ， F a c u l t y  0 1  S c i e n c e ，  Kanaza ω a U n i v e r s i ち1， Kanaza ωα920. 

S c i .  R e p .  Kanazawa U n i v .   Vo l .   2 8  N o .  1  p p . 7 ‑ 1 0   J u n e  1 9 8 3  

A N  ote on Collective Acceleration of Barium  Ions in a Preformed Anode Plasma 

Masaru MASUZAKI ，  Y  oh‑ichi TAMAGAWA    ， + Keiichi KAMADA ， 

S e i i c h i  WATANABE++ ，  Sunao KAWASAKI and Takashi NAKANISHI* 

D e p a r t m e n t  0 1  P h y s i c s  and D ゆ a r t m e n t0 1  C h e m i s t η 戸 ， F a c u l t y  0 1  S c i e n c e ，  Kanaza ω a U n i v e r s i ち

， Kanaza ωα920. 

( R e c e i v e d  A p r i l  3 0 ，  1 9 8 3 )  

A b s t r a c t   B a r i u m  i o n s  i n   a  p r e f o r m e d  a n o d e  p l a s m a  w e r e  c o l l e c t i v e l y  a c c e l e r a t e d   u p  t o  a  p e a k  e n e r g y  o f  a b o u t   1 . 1   GeV ( 7 ， 8  M e V ( a m u )  u s i n g  a n  i n t e n s e  r e l a t i v i s t i c  e l e c t r o n   beam g e n e r a t e d  b y  a  5 0 0  k V ‑ 1 6 註 A ‑ 1 0n s  beam s o u r c e  

I n  a  p r e v i o u s  p a p e r

( h e r e a f t e r  t o  be r e f e r r e d  a s   1 )   were r e p o r t e d  t h e  f i r s t  e x p e r i m e n t a l   r e s u l t s  on c o l l e c t i v e  a c c e l e r a t i o n  o f  barium i o n s  i n  a  preformed barium anode plasma by  an i n t e n s e  r e l a t i v i s t i c   e l e c t r o n   beam ( I R E B ) .   I t   was shown t h a t   some barium  i o n s   had been a c c e l e r a t e d  up t o  a  peak e n e r g y  o f  2 7 0  MeV  u s i n g  a  5 0 0  kV‑16 kA‑10 n s   IREB  s o u r c e .  This N  o t e  r e p o r t s  t h a t  barium i o n s  were a c c e l e r a t e d  up t o  a  peak e n e r g y  o f  a b o u t   1 . 1  GeV u s i n g  t h e  same IREB s o u r c e .  

Experimental a p p a r a t u s ，  a  s c h e m a t i c  diagram o f  which i s  shown i n  F i g . l ，   was t h e  same  a s  d e s c r i b e d  i n  1 ，  e x c e p t  t h a t  t h e  l e n g t h  o f  t h e  d r i f t  t u b e  was s h o r t e n e d  by 3 0  cm  and t h a t   t h e  c a p a c i t a n c e  o f  t h e  power s u p p l y  f o r  t h e  plasma gun was changed from 62.5μF t o  1 6   μF. 

PLASMAGUN 

" ぜ 〆

MAGNETIC PROBE  CATHODE 

3 0 c m  

F i g .   1 .   A s c h e m a t i c  d i a g r a m  o f   t h e   e x p e r i m e n t a l   a p p a r a t u s .  

+  P r e s e n t  a d d r e s s :  T o s h i b a  E l e c t r i c  C o . ，  M i t a ，  M i n a t o ‑ k u ，  Tokyo 1 0 8 .  

+ +  P r e s e n t  a d d r e s s :  M e c h a n i c a l  E n g i n e e r i n g  R e s e a r c h  L a b o r a t o r y ，  H i t a c h i   L t d . ，  C h i y o d a ，  N i i h a r i ，  I b a r a g i   3 1 5 .  

‑ 7 

I o n  e n e r g i e s  wεre d e t e r m i n e d  from t i m e  o f  f l i g h t  method and from d e p t h  o f  i o n  t r a c k s   r e c o r a e d  on CR‑39 p l a t ε s  a s  d e s c r i b e d  i n   L  A c o m b i n a t i o n  o f   s t a c k e d  p o l y e t h y l ， e n e ‑ f o i l s  an c 1   CR‑39 d e t e c t o r  was a l s o  u s e d .   The s t o p p i n g  power t a b l e s   o f  N  o r t h c l i f f e  and  were u s e c 1   f o r   t h e  d a t a .  

F i g u r e  2  shows an example o f  t h e  i o n 日 t l sd e t ε c t e d   t

O  t i m e ‑ o f ‑ f 1 i g h t  p r o b e s   1 5  cm  I n  t h i s  c a s e  fom p

aksa p p e a r  i n   t h e   The i o n  

d e t e n n i n e d  f r o r n  t i m e  between t b e  f i r 8   : 1 r i s e s  o f  t v v o   from t i m e  between f i r s t   from t i U 1 ε b e t w e e n  s e c o n d  peaks ，  from t i m e  between t h i r d  peaks and from t i m e  between  f o u r t h   a r e  7 . 8

3 . 4 MeV/amu ，  0 . 8 5   0 . 4 8  M 日刀amuan c 1   0 . 2 2  Me  V  /  amu ，  r e s p e c t i v e l y .   The v a l u e  7 . 8   t o  1 . 1  GeV f o r  barium i o n s .  

l ¥ J l a s

m N ! A S U Z A K ! ， 、 { o h ‑ i c h iTAMAGKWA ，  K e i i c h i   KAMADA ，  S e i i c h i   W A . T A N A B E ， 

S u n a o  K A W A S A K I  a n d  T a k a s h i  l . ¥ I A K A N I S Hl  8 

An 日正旦 mp ョ . J o ft h e  i o n  s i g n a l s  

l n  F i g . 3  i o n  e n e r g y  p e r  amu d e t e r m i n e d  from t i m e  between t h e  f i r s t  r i s e s  o I  t h e  two  s i g n a l s  I s   a s  a  f u n c t i o n  o f  t h e   t i m e  between t h e  f i

s tr i s e  o f  t h e   c u r r e ロ to f   Ul

gun and t h e  IREBε. The i o n  e n e r g y  was maximum a t  t h e  

timeτ~25μs ， and t h e  rnaximum e n e r g y  was  ahm i . t  1 . 1   GeV. 

Without t h e   F i g o  2 

ロ 1 a g n ε t

ε was o b s e r v e d  t o  m て i v ea t  t h e  i o n   Th : a e  o f  i t s   c o i n c i d e d  w i t h  t i m e  o f  f i r s t  

r i s e  o f  t h e  i O I 1   T h i s  i n d i c a t e s   t h a t  a  s t r o n g   e x i s t s  between t h e   e l e c t r o n   beam and t h e  a c c e i e r a t e d  i o n s

At  τ~25μs thεelectron 

t h e   barium  r e a c h e d   maximum which ' 0 1 a s   a b o u t  1 0

cm‑

，  and  t h e   d i o d e   impedance matched  n e a r l y   w i t h   impedance o f   t h e   B l u m l e i n  l i n e   o f   t h e   The beam 

L : r r e n t   a t   1 0   o f   I t s  

t h e  

IREB g e n e r a t o r .  

。 。

。

2 0   3 0   4 0   5 ' 0   DELAY  Tl MEτ ( / ， c )  

I o n  e n e r g y  p e r  amu v s .   t h 巴 d 巴 l a y

l i r n

τ

。 。

F i g . 3  

o c， 

0 0  

0 0 

1 0  

( E g

司¥﹀

U E ) L

M H

Z

Z O

H

A N o t e  on C o l l e c t i v e  A c c e l e r a t i o n  0 1  Barium I o n s  i n  a  P r e l o r m e d  Anode P l a s m a   9  cm downstream from t h e  p a r t i t i o n  w a l l  a t  t h e  downstr 白 m s i d e  o f  t h e  anode s p a c e ，  which  was i n f e r r e d  from a  magnetic p r o b e  s i g n a l ，  became a l s o  maximum a b o u t  t h i s  d e l a y  t i m e ， 

t h e  maximum beam c u r r e n t  b e i n g  a b o u t  1 2  kA ，  a s  shown i n   F i g . 4 .   F i g u r e  5  shows t h e   i o n  e n e r g y  a s  a  f u n c t i o n  o f  t h e  beam c u r r e n t .  

。

。。 。 _{(  ロ}

〈 ， 足 1 0   g  。 。

^S 1

⁰  

2 〉 U  2 

. . !   8  e  。 。 8 j   。 。

十

。 。

。 。 〉 ペ 6 

。 。

'

?

。 。 。

。 。 。 。 8  z  ⁴ 

~

。 。

= 語 凶 言 2  _Z  2 

。 。

。 。 ー 」 ∞ ^{c 官}

。 _{1 0   2 0   3 0   4 0   5 0   6 0}   2  4  6  8  1 0   1 2   DELA  Y TIME  T  ( μ s )  

F i g .   4 .   Beam c u r r e n t  a t   1 0   cm d o w n s t .   F i g .  5 .   I o n  e n e r g y  p e r  amu v s .   t h e  beam  r e a m  f r o m  t h e  d o w n s t r e a m  s i d e  o f   c u r r e n t .  

t h e  a n o d e  s p a c e .  

R a d c o l o r  f i l m s  ( r a d i a t i o n  s e n s i t i v e  f i l m s )  were a t t a c h e d  a t  t h e  end o f  t h e  d r i f t  t u b e  t o   know t h e  IREB p r o f i l e  a t  t h a t  p l a c e .   I t   was f o u n d  thatτ<17μs t h e  beam d i d  n o t  r e a c h   t h e  end o f  t h e  d r i f t  t u b e ，  w h i l e  τ>30μs t h e  beam d e v i a t e d  toward t h e  downstream s i d e  o f   t h e  f l o w  o f  t h e  gun p l a s m a .  

These r e s u l t s   i n d i c a t e  t h a t  f o r   e f f e c t i v e   i o n   a c c e l e r a t i o n  t o   be o b s e r v e d  t h e  h i g h   c u r r e n t  IREB s h o u l d  p r o p a g a t e  s t r a i g h t  t o  t h e  e n t r a n c e  t o  t h e  d i a g n o s t i c  s e c t i o n .   I n  t h i s   e x p e r i m e n t  most e f f i c i e n t  IREB p r o p a g a t i o n  was r e a l i z e d  a t  t h e  d e l a y  t i m e  a b o u t  25μs. 

The i o n  e n e r g y  i n f e r r e d  from t h e  t r a c k  d e p t h s  was  苫 2 1 0MeV  f o r  barium i o n s .   I n  t h e   s t a c k e d  f o i l s  and CR‑39 c o m b i n a t i o n  s i x  L u m i l a r  f i l m s  w i t h  4μm  t h i c k  were u s e d  and  t h e r e  were i o n s  which p e n e t r a t e d  t h e s e  s i x   f i l m s .   The i o n  e n e r g y  i n f e r r e d  from t h i s   measurement was > 2 7 0  Me  V f o r  barium i o n s .  

I o n  e n e r g i e s   o b t a i n e d  i n   t h i s   e x p e r i m e n t  were h i g h e r  t h a n  t h o s e  o b t a i n e d   i n   t h e   e x p e r i m e n t  d e s c r i b e d  i n  1 .   A l s o  r e p r o d u c i b i l i t y  was b e t t e r  i r i  t h e  former t h a n  i n  t h e  l a t t e r .   T h i s  may be due t o  t h e  t e n d e n c y  o f  t h e  beam t o  d e v i a t e  t o  t h e  downstream s i d e  o f  t h e  f l o w   o f  t h e  gun p l a s m a .   I t   i s   p l a u s i b l e  t h a t ，  even  i f   t h e  beam r e a c h e d  t h e  end o f  t h e  d r i f t  t u b e   i n  t h e  l a t t e r  e x p e r i m e n t ，  t h e  beam d e v i a t i o n  was much l a r g e r  t h a n  i n  t h e  f o r m e r  b e c a u s e   t h e  t u b e  l e n g t h  was l o n g e r  i n  t h e  l a t t e r  t h a n  i n  t h e  former ，  and o n l y  i t s   e d g e  c o n t a i n i n g   r a t h e r  low e n e r g y  i o n s  went i n t o  t h e  i o n  d i a g n o s t i c  s e c t i o n .   N  ow an e x p e r i m e n t  i s   b e i n g   c a r r i e d  o u t  t o  c o n f i r m  t h i s  c o n j e c t u r e  and t o  improve t h e  plasma symmetry f o r  e f f e c t i v e   i o n  a c c e l e r a t i o n .  

This work was s u p p o r t e d  i n   p a r t   by a G r a n t ‑ i n ‑ A i d  f o r   S c i e n t i f i c   R e s e a r c h  from 

t h e  M i n i s t r y  o f  E d u c a t i o n ，  S c i e n c e  and C u l t u r e  o f   J  a p a n .  

1 0   Masaru MASUZAKI ，  Yoh‑ichi TAMAGAWA ，  K e i i c h i   KAMADA ，  S 巴 i i c h iW A 

AN  ABE ，  Sunao KAWASAKI and Takashi  NAKANISHI 

Refer母n~es

L  M. Masuzaki ，  Y. Tamagawa ，  K .   Kamad   ， l 3 S .  Watanabe ，  S .   Kawasaki ，  Y. Kubota and T. Nakanishi ，  Japan 巴 s e J .   App l .   P h y s i c s  2 1  ( 1 9 8 2 )  L326 

2 .   L . C .  N  o r t h c l i f f ε a n d   R . F .   S c h i l l i n g .   NucL  D 且 t aTables 7A ( 1 9 7 0 )  2 3 3