High-speed emittance measurements for beams extracted from J-PARC RF ion source

柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 和田 元*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*

AIP Conference Proceedings 2373, p.050002_1 - 050002_9, 2021/08

https://doi.org/10.1063/5.0057418

J-PARCの2MHz高周波イオン源から引き出された負水素イオンビームのエミッタンスやTwissパラメータの振動を、RFQ入口の位置に設置した二重スリット型のエミッタンスモニターを用いて測定した。このエミッタンスモニターには、新たに開発した毎秒60メガサンプルのデータ取得系を備えており、数MHzのビーム振動ならば十分な時間分解能で測定することができる。本測定から、ビームの位相空間は(1)ビームコア部分に存在するDC成分、(2)ビームコア部分とハロー部分の両方で存在する2MHz成分、(3)ビームハロー部分でわずかに存在する2倍高調波(4MHz)成分の3つの成分で構成されていることが分かった。主成分は2MHz成分であり、これはビームエミッタンスの振動周波数を決めている。今回の実験で得られたビームエミッタンスは0.34 mm-mradのDC成分に、約0.04 mm-mradの2MHz振動成分の振幅が重畳していることが分かった。この結果は、イオン源から引き出されたビームが、2mほどの磁場集束系を通過しても約10%の高周波振動成分を持っていることを示している。

Beam tuning for longitudinal profile at J-PARC linac

三浦 昭彦; Liu, Y.*; 丸田 朋史*; 宮尾 智章*

Proceedings of 5th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2016) (Internet), p.150 - 153, 2017/03

https://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2016-MOPG43

J-PARCリニアックでは、バンチシェイプモニタ(BSM)をSDTL加速空洞とACS加速空洞の加速周波数が324MHzから972MHzへ変わるビームラインに設置し、ACS加速空洞へ入射するビームの位相幅を測定し、ACS加速空洞の直前に設置したバンチャー空洞の振幅の調整を行ってきた。リニアックのビーム輸送については、位相方向(縦)のエミッタンス、ビーム進行方向に鉛直な方向(横)のエミッタンスに基づく運動量の大きさを等しくするような、Equi-partitioningという概念に基づいた設計を行っている。ビームの縦、横方向の運動量のバランスを崩した場合、ビームの空間電荷効果による縦・横方向のエミッタンス交換が発生する共鳴領域に入り、ビーム不安定性の要因になる場合がある。また、負水素イオンビームのビームロスの要因となるイントラビームストリッピングは、単位体積当たりの粒子数密度に比例するため、これを低減するためには、横方向のビームサイズを大きくするのが良いと考えられる。このため、Equi-partitioningの横方向の拡がりをパラメータとした縦・横方向のエミッタンス測定を行ったところ、横方向の拡がりを1.1倍にした場合に、エミッタンス交換が行われるような共鳴領域に入ったことを見つけることができた。本発表では、この共鳴領域を探すエミッタンス測定について説明し、今後の大強度ビームの輸送設計にこの手法が有益であるという議論を行った。

Head-on injection of a high quality electron beam by the interaction of two laser pulses

小瀧 秀行; 益田 伸一; 神門 正城; Koga, J. K.; 中島 一久

Physics of Plasmas, 11(6), p.3296 - 3302, 2004/06

https://doi.org/10.1063/1.1751171

レーザートリガーによる極端パルス電子発生は、オプティカルインジェクションとして知られている。高品質の電子ビームを発生させるため、2つのレーザーパルスの衝突型のオプティカルインジェクションについて研究した。これについての理論解析及び粒子シミュレーションを行い、数%という低エネルギー分散で10fsの超短パルス、1mm mrad以下の低エミッタンスの高品質電子ビーム発生を見いだした。この理論解析とシミュレーション結果は非常によく一致し、これにより、高エネルギー高品質電子ビーム発生の可能性を示唆することができた。

Development of emittance measurement device using illuminant with thin scintillator

千葉 敦也; 石井 保行; 田島 訓

JAERI-Review 2003-033, TIARA Annual Report 2002, p.327 - 329, 2003/11

本装置は何段にも孔の開いた多孔型スリットとシンチレータシート及びCCDカメラから構成されている。シンチレータシートにスリットを通過したイオンビームを照射し、縞状に発光した像をカメラで計算機に取り込み、その画像データを解析してエミッタンスを算出する。シンチレータシートと発光体は一体となり、ビーム軸方向にスライドする機構になっており、複数の位置で発光像を取り込むことで測定精度を増している。測定時間は20秒程度であるため、わずかな時間で変動するビームにも対応している。さらに、システムが単純で規模が小さいため手軽にエミッタンスの測定が望める。

大強度陽子加速器用負イオン源のビーム試験

下岡 隆; 小栗 英知; 滑川 裕矢*; 富澤 哲男; 奥村 義和; 長谷川 和男

JAERI-Tech 2002-038, 30 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-038.pdf:1.74MB

日本原子力研究所と高エネルギー加速器研究機構が共同で推進する大強度陽子加速器計画では、核破砕反応によって発生する二次粒子を用いて多様な分野の研究を展開するため、既存の加速器を大幅に上回るビーム出力1MWという性能を目指している。これに必要なビームを生成するイオン源には、ビーム電流60mA、デューティー2.5%以上が必要とされる。また、シンクロトロンへの入射効率を上げるため、ビームの種類は負水素イオンが必須となる。原研では、核融合炉で使用する大型負イオン源開発で培われた技術をベースに大強度陽子加速器用体積生成型負イオン源の設計・製作を行い、ビーム試験を進めてきた。その結果、セシウム添加状態において負イオンビーム電流72 mA、規格化RMSエミッタンス0.15mm.mrad の負イオンビーム引き出しに成功した。また、運転ガス流量がパルスビーム電流波形に大きく影響し、16SCCM程度で良好なパルス平坦度が得られることがわかった。これらの開発により要求性能を充分満たすイオン源を実現した。

大強度陽子加速器計画用超伝導リニアックのシステム設計

長谷川 和男; 大内 伸夫; 椋木 健*

KEK Proceedings 2000-23, p.31 - 33, 2001/02

原研とKEKの大強度陽子加速器計画に使用する超伝導リニアックのシステム設計を行った。超伝導空洞では、加速電場勾配を決めるのは空洞内の最大電場による放電ではなく、マルチパクタリングによる発熱であるとの仮説を採用し、従来からの設計基準の変更を行った。また、ビームダクト径の見直しにより、ローレンツストリッピングを避けるQ磁石長の再評価や、エミッタンス増加を抑えるEquipartitioning条件の見直しを行った。400~600MeVの範囲で、従来の長さ109m,モジュール数21台の超伝導リニアックが、今回の設計で、それぞれ69m,15台と長さ,代数ともに大幅に削減される結果を得た。また、200~400MeVの範囲では、長さ95m、モジュール数23台であり、結合空洞型リニアックと同等規模のシステムとなることが示された。

誘導型加速器による大電流電子ビームの発生と伝送

森本 巌; 木代 純逸*; 高山 健*; Zheng, X.; 前原 直; 志甫 諒

JAERI-Research 2000-008, p.59 - 0, 2000/02

JAERI-Research-2000-008.pdf:3.83MB

GW級のFEL発振を行うために、誘導型加速器を用いてkA級電子ビームの発生及び伝送実験を行った。本研究では、カーボン布を用いた冷陰極に1MeV,160nsのパルス高電圧を印加して発生したkA級電子ビームをさらに1MeV追加速し、ビーム損失を抑えて伝送することを目的とした。伝送中の電子ビームはソレノイド磁場を用いて制御した。kA級電子ビームのもつ強い空間電荷効果により、ビームの発散力は大きい。そこでビーム発生部では、EGUNプログラムを用いてビームの発散を抑えた電子銃を設計した。ビーム伝送部では、空間電荷効果を取り込んだプログラムを開発し、ソレノイド磁場によるビーム損失を抑えた伝送を検討した。その結果、電子銃より450Aの電子ビームを引出した。ビーム伝送効率は、1kGの磁場において90%に達し、2MeV,400A,平均ビーム径50mmの電子ビームを伝送することに成功した。

Beam transport experiment in JLA induction linac for a mm-meter wave FEL

前原 直; 森本 巌*; Zheng, X.*; 木代 純逸*; 高山 健*; 堀岡 一彦*; 川崎 温*; 石塚 浩*; 志甫 諒

Proceedings of 13th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS 2000) (CD-ROM), 4 Pages, 2000/00

核融合分野、加速器分野、環境分野への応用研究を目指して、インダクションライナック(線形誘導加速器)を用いたGW級大出力ミリ波FEL研究をKEKや大学との共同研究により進めている。インダクションライナックでは、~4.0MeVにおいて~3kAレベルの電子ビーム加速が可能であり、現在はビームエネルギー2.0MeVを用いた9.4GHz FELを目指したビーム伝送実験を進めている。3次元FEL解析結果により数100MW以上の発振を得るには、3cmの1kAの電子ビーム伝送、1mm Rad程度の低ビームエミッタンスが必要であることが明らかになった。この条件を満たすためには、カソード表面のみから電界放出により電子銃の設計が必要であり、カソード表面の電解分布を乱す金属面からの電子ビーム放出を抑えることが重要である。このためには金属面の垂直電界強度を140kV/cm以下にすることが有効であり、電子銃部の設計及びビーム伝送実験について発表する。

System design of a proton linac for the neutron science project at Japan Atomic Energy Research Institute

長谷川 和男; 水本 元治; 大内 伸夫; 本田 陽一郎*; 伊野 浩史*

Journal of Nuclear Science and Technology, 36(5), p.451 - 458, 1999/05

https://doi.org/10.3327/jnst.36.451

原研では中性子科学研究計画を提案している。この計画はエネルギー1.5GeV、平均ビームパワーで8MWまでのパルスと連続(CW)の陽子ビームを必要とする。本論文では、この計画に用いるリニアック設計の考え方とパラメータについて述べる。初段加速部は常伝導加速構造であるRFQ,DTL,SDTLから構成され、高エネルギー加速部には超伝導構造を採用した。リニアックはパルス用とCW用の2本の入射ラインを持ち、これらは7MeVで合流する。全長は約900mでほとんど(75%以上)は超伝導部分である。エミッタンス増加の低減をねらう新しい考え方であるEquipartitioningの手法を、DTL,SDTL並びに超伝導加速部の設計に適用した。従来の定位相進みに基づく設計と比較し、縦方向エミッタンス増加を抑えることに特に有効であることを示した。

Beam dynamics design of a proton linac for the neutron science project at JAERI

長谷川 和男; 水本 元治; 大内 伸夫; 本田 陽一郎*; 伊野 浩史*

Proceedings of 6th European Particle Accelerator Conference (EPAC98) (CD-ROM), 2 Pages, 1998/06

原研では、中性子科学研究のためにエネルギー1.5GeV平均ビームパワー8MWの大強度陽子加速器を提案しており、前段加速部となるRFQとDTLは常伝導空洞、高エネルギー加速部は超伝導空洞から構成される。ここでは、ビームダイナミックスの観点からの加速器設計パラメータとビームシミュレーション計算結果を報告する。設計では、パルス運転とCW運転の多様な運転モードに対しても良好なビーム特性が得られるように留意し、また、DTLと超伝導空洞部分には、equipartitioningの設計手法を取り入れ、エミッタンス増加の抑制をねらった。