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Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet

八極磁石を用いた標的上のビーム分布を最適化するための2パラメータモデル

明午 伸一郎; 大井 元貴; 藤森 寛*

Meigo, Shinichiro; Oi, Motoki; Fujimori, Hiroshi*

加速器駆動の核変換システム(ADS)や核破砕中性子源に用いられる陽子加速器のビーム出力増強につれ、ビーム窓や標的の損傷は深刻な問題となり、損傷緩和のためにビーム電流密度の均一化が重要となる。密度均一化のため比較的よく用いられるラスター磁石には、故障時のビーム集束の重大な問題がある。一方、非線形光学を用いたビーム平坦化にははビーム拡大の問題があることが指摘され、これまで非線形効果導入の八極磁石におけるビームの角度の広がりを無視したフィラメント近似模型による検討が行われた。フィラメント近似模型では、非線形収斂作用を適切に評価できないため、本研究では一般化した非線形モデルの適用により非線形ビーム光学における収斂および発散作用を詳細に検討した。正規化した八極強度$$ K^{*}_8 $$と位相進行$$phi$$における$$cotphi$$の2つのパラメータ導入により、非線形効果を特定な条件によらず一般化できることを明確にした。ビームのピーク密度低減と損失最小化という拮抗する問題の解決には、$$K^{*}_8 sim $$ 1および$$ cotphisim$$ 3とすることにより解決できることが判明した。J-PARCの陽子ビーム輸送系(3NBT)に本検討結果を適用し、核破砕中性子源の水銀標的入口のビーム形状の比較検討した結果、モデル計算によるビーム分布は実験データとよい一致を示し、線形光学においてピーク電流密度を約50%にできることを示した。

As hadron accelerators for such as the ADS and spallation neutron source achieve increasing beam power, damage to targets is becoming increasingly severe. To mitigate this damage, nonlinear beam optics based on octupole magnets is attractive. Nonlinear optics can decrease the beam-focusing hazard due to failure of the rastering magnet. As a side effect of nonlinear optics, the beam size is known to expand drastically compared with linear optics. Nonlinear effects have been studied via a simplified filament model that ignores beam-divergence spread at the octupole magnet. In this study, a new generalized model is proposed for application to an octupole magnet, regardless of the filament-model approximation. It is found that the transverse distribution obtained by beam tracking can be specified by the introduction of only two parameters, namely the normalized octupole strength of $$K^{*}_8$$ and the $$cot phi$$ of the phase advance. To achieve the two antagonistic requirements of reduction of the beam-peak density and minimization of the beam loss, the transverse distribution is surveyed for a large range of beam position. It is found that a bell-shaped distribution with $$K^{*}_8 sim$$ 1 and $$cot phi sim$$ 3 can satisfy requirements. This result is applied to beam transport in the spallation neutron source at J-PARC. The calculation result given by the present model shows good agreement with the experimental data, and the peak current density is reduced by 50% compared with the linear-optics case.

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分野:Physics, Nuclear

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