Beam emittance growth due to the strong space-charge field at low energy of a high-intensity ion linac and its mitigation using an octupole magnetic field

大強度イオンリニアックにおける空間電荷場によるビームエミッタンス増大と八極電磁場を用いた補償

地村 幹; 原田 寛之  ; 金正 倫計  

Chimura, Motoki; Harada, Hiroyuki; Kinsho, Michikazu

高強度イオンリニアックの低エネルギー領域では、強い空間電荷場により、わずか数メートルの距離でビームエミッタンスが急速に増大する。このビームエミッタンスの増大は、ビーム損失や装置の放射化につながり、加速器機器の定期保守やビーム強度増強の際に大きな問題となる。本研究では、3次元粒子追跡シミュレーションと理論的考察に基づいて、空間電荷場によるビームエミッタンス増大の要因を調べた。J-PARCのリニアックをモデル化した数値シミュレーションによって、空間電荷場の非線形項が直接ビームエミッタンス増大とビームハローの形成を引き起こすことを明確にした。また、空間電荷場の非線形項の一つとして生じる八極磁場を用いて、ビームエミッタンス増大を緩和する方法を世界で初めて提案した。この方法をシミュレーションに適用し検証した結果、ビームエミッタンス増大を有意に緩和することに成功した。

In the low-energy region of a high-intensity ion linac, a strong space-charge field causes a rapid beam emittance growth over a short distance of only few meters. The beam emittance growth leads to a beam loss and the machine activation raising a serious issue for regular maintenance of the accelerator component and beam power ramp up. In this work, we studied the mechanism of beam emittance growth due to the space-charge field based on three-dimensional particle-tracking simulation and theoretical considerations. Numerical simulations done for the high-intensity linac at J-PARC shows that the nonlinear terms in the space-charge field directly cause a beam emittance growth and beam halo formation. Then, we also propose a method to mitigate the beam emittance growth by using an octupole magnetic field, which arises as one of the nonlinear terms in the space-charge field. By applying this method in the simulation, we have succeeded mitigating the beam emittance growth.