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Numerical and experimental study of H$$^{-}$$ beam dynamics in J-PARC LEBT

数値計算及び実験によるJ-PARC LEBTのH$$^{-}$$ビーム力学の研究

柴田 崇統*; 池上 清*; Liu, Y.*; 三浦 昭彦; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 大谷 将士*; 神藤 勝啓; 高木 昭*

Shibata, Takanori*; Ikegami, Kiyoshi*; Liu, Y.*; Miura, Akihiko; Naito, Fujio*; Nammo, Kesao*; Oguri, Hidetomo; Okoshi, Kiyonori; Otani, Masashi*; Shinto, Katsuhiro; Takagi, Akira*

実験結果と数値計算結果の比較によって低エネルギービーム輸送系(LEBT)での負水素イオン(H$$^{-}$$)ビームの輸送過程を調査している。これまで、(i)J-PARCのLEBTの2つのソレノイド電磁石による軸方向磁場と、(ii)空間電荷効果による径方向電場の2つを考慮するために、3次元のParticle-In-Cell(PIC)粒子輸送モデルを開発してきた。2つのソレノイド電磁石電流が変化したときの高周波四重極リニアック(RFQ)入口での全H$$^-$$ビーム粒子数に対するRFQのアクセプタンス内のH$$^{-}$$ビーム粒子数の比を計算した。この計算結果をJ-PARCリニアックのコミッショニングで得たRFQの透過率測定の実験結果と比較したところ、実験で見られたソレノイド電磁石への印加電流に対するRFQの透過率の2つのピークが現れることが、計算結果からも確認できた。計算結果では、LEBT内で作動排気のために設置しているオリフィスがRFQ入口のエミッタンスを削ってしまうコリメータのような役割をしていることが示された。

Transport process of negative hydrogen ion (H$$^{-}$$) in LEBT (Low Energy Beam Transport) is investigated by comparison of experimental and numerical results. A three dimensional Particle-In-Cell (PIC) particle transport model has been developed in order to take into account (i) axial magnetic field by two solenoids in J-PARC LEBT and (ii) radial electric field by space charge (SC) effect. Ratio of H$$^-$$ beam particles inside the RFQ (Radio Frequency Quadrupole) acceptance to the total particles at the RFQ entrance is calculated for different current conditions in LEBT solenoid 1 and 2. The results are compared with RFQ transmission rate measured in the J-PARC linac commissioning. The double peak of RFQ transmission rate to the solenoid applied current seen in the measurement is explained by the calculation results. The results indicate that presence of the LEBT orifice for differential pumping plays a role as a collimator to reduce emittance at RFQ entrance.

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