Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

J-PARC 3GeVシンクロトロンで起こるビーム不安定性の理論的解明

菖蒲田 義博   ; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.   ; 發知 英明  ; 原田 寛之  ; 入江 吉郎*; 田村 文彦   ; 谷 教夫  ; 外山 毅*; 渡辺 泰広  ; 山本 昌亘   

Shobuda, Yoshihiro; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; Hotchi, Hideaki; Harada, Hiroyuki; Irie, Yoshiro*; Tamura, Fumihiko; Tani, Norio; Toyama, Takeshi*; Watanabe, Yasuhiro; Yamamoto, Masanobu

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

The Rapid Cycling Synchrotron (RCS), whose beam energy ranges from 400 MeV to 3 GeV and which is located in the Japan Proton Accelerator Research Complex, is a kicker-impedance dominant machine, which violates the impedance budget from a classical viewpoint. Contrary to conventional understanding, we have succeeded to accelerate a 1-MW equivalent beam. The machine has some interesting features: for instance, the beam tends to be unstable for the smaller transverse beam size, the beam is stabilized by increasing the peak current . Space charge effects play an important role in the beam instability at the RCS. In this study, a new theory has been developed to calculate the beam growth rate with the head-tail and coupled-bunch modes () while taking space charge effects into account. The theory sufficiently explains the distinctive features of the beam instabilities at the RCS.