Observation of simultaneous oscillations of bunch shape and position caused by odd-harmonic beam loading in the Japan Proton Accelerator Research Complex Rapid Cycling Synchrotron

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける奇数次のビーム負荷によるバンチ形状と位置の同時振動の観測

山本 昌亘   ; 野村 昌弘  ; 島田 太平 ; 田村 文彦   ; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Yamamoto, Masanobu; Nomura, Masahiro; Shimada, Taihei; Tamura, Fumihiko; Hara, Keigo*; Hasegawa, Katsushi*; Omori, Chihiro*; Sugiyama, Yasuyuki*; Yoshii, Masahito*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、陽子のバンチが二つ加速器リングを周回している。そして陽子にエネルギーを与える加速電圧も、周回周波数の2倍の周波数で発生させている。このため、大強度ビームの場合バンチが加速空胴を通過する度にウエイク電圧を誘起するが、ウエイク電圧のフーリエ成分も偶数次が主成分となり、奇数次成分はほとんど観測されないはずと考えられていた。実際に加速初期には奇数次成分はほとんど観測されないが、時間とともに増大しビーム損失を起こす現象が観測された。ビーム測定の結果から、奇数次のウエイク電圧がバンチの位置だけでなく形状も同時に振動させていることが示唆された。この振動は奇数次成分をさらに増大させるため、振動が収まらなくなる。ビームシミュレーションはビーム測定の結果をうまく再現し、奇数次のウエイク電圧が極端な高周波バケツ変形を引き起こしてビーム損失に至る様子が確認された。以上のことから、予めマイナーハーモニック成分にもビーム負荷補償システムを導入すればビーム損失が防げることが示されたので、加速器の放射化を減らし安定なビーム運転に貢献することが期待される。

Two proton bunches circulates the accelerator ring in the J-PARC 3GeV synchrotoron (RCS). The accelerating voltage is also generated in twice of the revolution frequency. The major Fourier component of the wake voltage should become even harmonics. However, the odd harmonics grow and cause a large number of beam loss. The beam measurement suggests that the odd harmonic wake voltages promote oscillations of not only the bunch position but also the bunch shape. The oscillations continue because they amplify the odd harmonic beam components. A particle tracking simulation can reproduce these simultaneous oscillations. It is found that the odd harmonic wake voltages lead to severe rf bucket distortion that results in beam loss. As a result, introducing a beam loading compensation system for the minor harmonics can prevent the beam loss and it would contribute the stable accelerator operation with the reduction of the activation.