J-PARC 3GeVシンクロトロンにおけるビーム運転時の動的圧力の分析

Dynamic pressure in the high-power beam operation at J-PARC RCS

神谷 潤一郎   ; 山本 風海   ; 高野 一弘; 古徳 博文; 和田 薫*; 柳橋 亨*; 黒澤 俊太*

Kamiya, Junichiro; Yamamoto, Kazami; Takano, Kazuhiro; Kotoku, Hirofumi; Wada, Kaoru*; Yanagibashi, Toru*; Kurosawa, Shunta*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)は2007年に最初のビーム加速・取り出しに成功して以来、継続してユーザーへのビーム供給を行ってきている。その間、ビームコミッショニングチームによるビーム調整と機器の運転維持・高度化を実施することでビーム強度を徐々に上げてきた。これまでユーザー運転としては、物質生命科学実験施設へは出力ビーム強度600kWでのユーザー運転の実績がある。また1MWでの試験も何度が行った。そのような大強度ビーム運転において、ビームライン圧力が数桁も上昇する場合があることがわかってきた。本報告では、ビームロスに直接つながるビームライン圧力増加を低減することを目的とし、これまでの大強度ビーム運転時の動的圧力の挙動を整理し、解析的計算を用いて、圧力上昇に決定的なパラメーターを解明し、実際の真空システムの改善へつなげること目的とする。

The vacuum system in the rapid cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex was constructed based on the design concept considering the effect of a dynamic pressure caused by a high-power proton beam operation. However, the high-power beam operation clearly has more effects than expected at the time of the design. The dynamic pressure with the beamline pressure runaway characterized by an extreme pressure rise of more than orders of magnitude occurred during beam operation. A systematic data observation showed that the pressure rise mechanism is a result of the gas desorption from the wall triggered by the hitting of the residual gas molecules ionized by the proton beam. The numerical calculation based on that model well reproduced the measured dynamic pressure behaviors in the beam operation. The calculation also showed that a large pumping speed and a small surface density of the adsorbed molecules are required to suppress the pressure runaway.