Impedance reduction by a SiC-loaded flange and its application to the J-PARC main ring septum magnet

SiCつきフランジによるインピーダンス低減法のJ-PARCメインリングセプタムマグネットへの応用

小林 愛音*; 外山 毅*; 中村 剛*; 菖蒲田 義博   ; 石井 恒次*

Kobayashi, Aine*; Toyama, Takeshi*; Nakamura, Takeshi*; Shobuda, Yoshihiro; Ishi, Koji*

現在、大強度陽子加速器施設(J-PARC)のメインリングでは、ビームパワーの増強が進められている。大強度ビーム実現のためには、ビームパワーを制限するビーム不安定性の低減と、その発生源であるビーム結合インピーダンスの低減が不可欠である。3次元シミュレーションコード(CST studio suite)によれば、現在のセプタム電磁石は大きなインピーダンスになる。今回、このセプタム電磁石は、より高い繰り返し回数に対応するため新型の電磁石に置き換える予定なので、これにあわせてインピーダンスの低減法を考案した。一般的に、テーパー管を使うことでインピーダンスは低減されることが知られているが、実際に設置するには空間的に非常に強い制限をうける。そこで、セプタム電磁石のフランジに銅板とSiCを取り付けることで、簡単にしかも効果的にインピーダンスを低減できる手法を考案した。これにより、新型セプタム電磁石の縦方向インピーダンスは対策をしない場合と比べて1%に減少し、ビーム安定条件が大きく改善した。この方法は、フランジに省スペースで設置できるため、本来の電磁石の発生磁場に影響を与えることなく、インピーダンスを低減できる。また、ビームパイプの形状に関係なく幅広く適応できる。

The beam power of the main ring of the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) is currently being increased. For high-power beam realization, it is essential to suppress the beam instability that limits the beam power and to estimate and enact countermeasures against the beam coupling impedance of individual devices. The fast-extraction (FX) septum magnet will be replaced with another magnet that copes with higher numbers of repetition cycles. Despite their different structures, both septa demonstrated a large impedance in estimates performed by the CST studio suite wake-field solver. The widely used taper impedance-reduction method would be effective but receives spatial constraints. By attaching a copper plate and SiC to the flange of the septum magnet, we could effectively reduce the impedance. The copper plate on the flange reduces the impedance below the cut-off frequency. Moreover, when SiC was loaded, the remaining impedance was three times lower than when using the copper plate alone. After applying this method to the new septum magnet, the maximum longitudinal impedance was reduced to 1% of the value without countermeasures, largely improving the beam stability condition. We also estimated the required thickness of SiC and the calorific value. This method saves space and is installed by simple attachment to the flange, regardless of the shape of the beam pipe. Therefore, it is also applicable to other devices.