Numerical study for beam loss occurring for wide-ranging transverse injection painting and its mitigation scenario in the J-PARC 3-GeV RCS

J-PARC 3GeV陽子シンクロトロンにおいて横方向ペイント入射範囲を拡幅した際に生じるビーム損失の発生メカニズムとその補正シナリオに関する数値シミュレーションベースの検討

發知 英明  ; 谷 教夫  ; 渡辺 泰広  

Hotchi, Hideaki; Tani, Norio; Watanabe, Yasuhiro

J-PARC 3-GeV RCSでは、入射ビームを位相空間上の広い範囲に一様に分布させてビームの空間電荷密度を緩和させるペイント入射と呼ばれる入射方式を採用している。このペイント入射は、空間電荷由来のビーム損失を低減させるだけでなく、入射中のフォイル散乱由来のビーム損失を低減させる役割を担う。ペイント入射による十分なビーム損失低減を実現するには、ペイント範囲をより大きくとることが必要になるが、ペイント範囲を拡幅した際に別種のビーム損失が付加的に発生してしまうという課題を残している。本研究では、詳細な数値シミュレーションを行って、そのビーム損失が、入射バンプ電磁石のエッジ収束力によるベータ関数の周期性変調によって生じる共鳴現象に起因していることを明らかにするとともに、6台の四極電磁石を用いたベータ関数変調の補正手法を考案して、実際の機器設計を行った。本論文では、ペイント範囲を拡幅するために必要となる補正機器の導入を目指して行った一連の数値シミュレーションを紹介・解説する。

In the J-PARC 3-GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS), transverse injection painting is utilized to mitigate the space charge induced beam loss. But now the available range of transverse painting is limited to small area due to beta function beating caused by the edge focus of injection bump magnets. This beta function beating additionally excites random betatron resonances through a distortion of the lattice super-periodicity, leading to a deterioration of the betatron motion stability and its resultant decline of the flexibility of transverse painting. For the beta function beating, the correction scheme with pulse-type quadrupole correctors was proposed. The numerical simulation confirmed that this correction scheme effectively mitigates the random betatron resonances by recovering the lattice super-periodicity.