J-PARC 3GeVシンクロトロンにおけるペインティング入射中の分布測定

Beam profile measurement during injection painting in the J-PARC RCS

加藤 新一; 原田 寛之  ; 畠山 衆一郎; 金正 倫計  

Kato, Shinichi; Harada, Hiroyuki; Hatakeyama, Shuichiro; Kinsho, Michikazu

大強度陽子加速器であるJ-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、負水素イオンを用いた荷電変換多重入射を入射時間0.5msで行っている。この際、ビームロスの原因となる空間電荷力の緩和や、周回ビームの荷電変換膜による散乱の低減のために、横方向の位相空間上の任意の範囲に入射ビームを配置するペインティング入射が必須となる。RCSでは、入射中のビーム分布変化を周回毎に測定しペインティング過程を最適化することを目的として、非破壊型1次元横方向分布モニタである残留ガスプロファイルモニタ(IPM)の開発と改良を継続して行っている。RCSのIPMでは、ビーム通過によってイオン化された残留ガスを垂直または水平方向の付加電場でMCPまで平行に輸送し、電子として増幅する。そしてこれをアノードで検出することで、ビームの1次元横方向分布を得る。しかし、これまでは測定の際に大きなノイズが混入しており、分布測定が不可能だった。そこで、多重入射中の分布測定の実現にむけたノイズの低減を行った。まず、測定と電磁場シミュレーションを比較しノイズの原因を調査した。その結果、ノイズの原因がビーム起因の電磁場であることを特定した。そこで、この電磁場を遮蔽する改良部品を設計、導入した。その結果、ノイズを50%から70%削減した。そして、供用運転の1/20程度の低強度出力ではあるものの、多重入射中のビームの積み上がりを初めて観測することに成功した。

In the J-PARC RCS, the multi-turn charge-exchange injection scheme is adopted. In addition, the painting injection method which arranges the injection beam on the wide phase-space area during the multi-turn injection has been performed to expand the circulating beam. This method is essential to mitigate the beam loss caused by the particles scattered at the charge-exchange foil and the space charge force. In the RCS, the residual gas ionization profile monitor (IPM) which is nondestructive 1D transverse profile monitor is adopted for the observation and optimization of the painting scheme. The IPM mainly consists of the divided electrodes generating the external electric field and the detection unit. For the profile measurement, the residual gas ionized by the beam is transported to the detection unit by the external transverse electric field and amplified by the Multi-Channel Plate (MCP) as the electron. After that, these electrons are detected and the 1D distribution is reconstructed. However, the distribution cannot be measured during painting injection because the noise increases and hides the signal. To solve this problem, we investigated the source of this noise and examined measures. To compare the simulation and the noise measurement results, we identified the cause of the noise as the electric field from the beam. Therefore, we developed additional electrode component to shield that field based on the simulation result. As a result, the noise was reduced to be 30 to 50 %. In addition, the change of 1D beam profile was observed during painting for the first time though the beam intensity was low of 7 kW.