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Phase space formation of high intensity 60 and 80 mA H$$^-$$ beam with orifice in J-PARC front-end

J-PARC前段でのオリフィスを通した60mA及び80mAの大電流負水素イオンビームの位相空間分布

柴田 崇統*; 池上 清*; 南茂 今朝雄*; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 内藤 富士雄*; 神藤 勝啓  ; 大越 清紀 ; 岡部 晃大 ; 近藤 恭弘 ; 小栗 英知 

Shibata, Takanori*; Ikegami, Kiyoshi*; Nammo, Kesao*; Liu, Y.*; Otani, Masashi*; Naito, Fujio*; Shinto, Katsuhiro; Okoshi, Kiyonori; Okabe, Kota; Kondo, Yasuhiro; Oguri, Hidetomo

J-PARC初段加速部では、イオン源から引き出されるビーム大強度化とともに、高周波四重極リニアック(RFQ)のビーム透過率向上が重要な課題である。RFQ透過率は、イオン源とRFQ間に位置する低エネルギービーム輸送部(LEBT)内のソレノイド電磁石設定に大きく依存する。本研究では、大強度化を行った際のRFQ透過率が高いビーム条件を明らかにするため、テストスタンドにおいてLEBT内で72mAと88mAの大強度ビーム下において、RFQ入口でのビーム粒子の位相空間分布を測定し、シミュレーションによる解析結果と比較した。その結果、LEBT内で水素ガスの差動排気に用いられる15mm$$phi$$オリフィスにビームが衝突してコリメートされることで、RFQ入口におけるエミッタンスおよびTwissパラメータに影響することが判った。特に、ビーム電流88mAの条件では、この機構を利用することで、低ソレノイド電流値でRFQ透過率が最適となる結果が見られた。ビーム大強度化に伴い、空間電荷効果を抑えるために必要なソレノイド電流が設計上限に至る懸念があったが、本研究からコリメートビームの利用で問題解決の可能性が示された。

Together with the intensity upgrade in J-PARC Linac Front-End, improvement of RFQ transmission ratio is an important task. This RFQ transmission ratio depends strongly upon the solenoid current settings in the low energy beam transport line (LEBT). In the present study, high beam current cases (72 mA and 88 mA H$$^-$$ beam current in LEBT) are investigated at a test-stand. Phase space distributions of the H$$^-$$ beam particles at the RFQ entrance are measured and compared with numerical results by Particle-In-Cell simulation. As a result, it has been clarified that a 15 mm $$phi$$ orifice for differential pumping of H$$_2$$ gas coming from the ion source plays a role as a collimator in these beam conditions. This leads to change the beam emittance and Twiss parameters at the RFQ entrance. Especially in the condition with the beam current up to 88 mA in LEBT, the beam collimation contributes to optimize the phase space distribution to the RFQ acceptance with relatively low solenoid current settings. As a higher solenoid current setting would be necessary to suppress the beam expansion due to high space charge effect, these results suggest that current-saving of the solenoids can be possible even in the higher beam intensity operations.

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