Beam loss caused by edge focusing of injection bump magnets and its mitigation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

J-PARC 3GeV陽子シンクロトロンおける入射バンプ電磁石のエッジ収束力に起因したビーム損失とその低減

發知 英明  ; 谷 教夫  ; 渡辺 泰広  ; 原田 寛之  ; 加藤 新一; 岡部 晃大  ; Saha, P. K.   ; 田村 文彦   ; 吉本 政弘  

Hotchi, Hideaki; Tani, Norio; Watanabe, Yasuhiro; Harada, Hiroyuki; Kato, Shinichi; Okabe, Kota; Saha, P. K.; Tamura, Fumihiko; Yoshimoto, Masahiro

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た。本研究では、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発生する共鳴現象に起因していることを明らかにすると共に、6台の補正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、その有効性を実験的に立証することに成功した。本論文では、そのビーム試験結果を紹介すると共に、実験結果と数値シミュレーション結果の詳細比較から明らかになったビーム損失の発生・低減メカニズムを解説する。

In the J-PARC 3-GeV RCS, transverse injection painting is utilized not only to suppress space-charge induced beam loss but also to mitigate foil scattering beam loss during charge-exchange injection. The space-charge induced beam loss is well minimized by the combination of modest transverse painting and full longitudinal painting. But, for sufficiently mitigating the foil scattering beam loss, the transverse painting area has to be further expanded. However, such a wide-ranging transverse painting had not been realized until recently due to beta function beating caused by edge focusing of pulsed injection bump magnets. This beta function beating additionally excites random betatron resonances, causing significant extra beam loss when expanding the transverse painting area. To solve this issue, we newly installed pulse-type quadrupole correctors to compensate the beta function beating. This paper presents recent experimental results on this correction scheme, while discussing the beam loss and its mitigation mechanisms.