Achievement of a low-loss 1-MW beam operation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

J-PARC 3-GeV陽子シンクロトロンにおける低ビーム損失での1MWビーム加速の達成

發知 英明  ; 原田 寛之  ; 林 直樹  ; 加藤 新一; 金正 倫計  ; 岡部 晃大  ; Saha, P. K.   ; 菖蒲田 義博   ; 田村 文彦   ; 谷 教夫  ; 渡辺 泰広  ; 山本 風海   ; 山本 昌亘   ; 吉本 政弘  

Hotchi, Hideaki; Harada, Hiroyuki; Hayashi, Naoki; Kato, Shinichi; Kinsho, Michikazu; Okabe, Kota; Saha, P. K.; Shobuda, Yoshihiro; Tamura, Fumihiko; Tani, Norio; Watanabe, Yasuhiro; Yamamoto, Kazami; Yamamoto, Masanobu; Yoshimoto, Masahiro

RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場、空間電荷効果、像電荷効果等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、観測されたビーム損失の発生機構の解明、また、その解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たしている。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10という極めて少ないビーム損失で1MW相当のビーム加速を達成したところである。本論文では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理に関する話題を中心に、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果を時系列的に紹介する。

The 3-GeV rapid cycling synchrotron (RCS) of the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) is the world's highest class of high-power pulsed proton driver, aiming for an output beam power of 1 MW. The most important issues in realizing such a high-power beam operation are to control and minimize beam loss for maintaining machine activations within permissible levels. In RCS, numerical simulation was successfully utilized along with experimental approaches to isolate the mechanism of beam loss and find its solution. By iteratively performing actual beam experiments and numerical simulations, and also by several hardware improvements, we have recently established a 1-MW beam operation with very low fractional beam loss of a couple of 10. In this paper, our recent efforts toward realizing such a low-loss high-intensity beam acceleration are presented.