Demonstration of a kicker impedance reduction scheme with diode stack and resistors by operating the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

大強度陽子加速器施設の3GeVシンクロトロンの運転によるダイオードスタックと抵抗によるキッカーインピーダンス低減スキームの実証

菖蒲田 義博   ; 原田 寛之  ; Saha, P. K.   ; 高柳 智弘   ; 田村 文彦   ; 富樫 智人; 渡辺 泰広  ; 山本 風海   ; 山本 昌亘   

Shobuda, Yoshihiro; Harada, Hiroyuki; Saha, P. K.; Takayanagi, Tomohiro; Tamura, Fumihiko; Togashi, Tomohito; Watanabe, Yasuhiro; Yamamoto, Kazami; Yamamoto, Masanobu

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを出射させるキッカー電磁石のインピーダンスがビームの不安定性を励起することが理論的に予測されてきた。しかしながら、物質・生命科学実験施設に供給されるビームは大きいエミッタンスを持つので、1MWの大強度ビームであっても適切なマシーンパラメタを選べば、ビームの不安定化を抑制することができる。一方で、メインリングに供給されるビームは、小さいエミッタンスを持つので、キッカーのインピーダンスの低減が必須である。そこで、ダイオードと抵抗器を用いたデバイスを使うキッカーインピーダンスを抑制する方式を提案し、その抑制効果を実証した。しかし、J-PARC RCSは25Hzの繰り返し周波数で連続動作させる必要があり、実用化のためには、耐熱性の高い特殊なダイオードを開発する必要があった。この課題を解決するため、本研究において連続運転に耐えうる抵抗付きダイオードを開発した。これにより小さいエミッタンスを持つ大強度のビームの不安定性も抑制できることを実証することができた。またシミュレーションにより、この方式で少なくとも5MWのビーム運転にも利用できることを明らかにした。

At the Rapid Cycling Synchrotron (RCS) in Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), theoretical predictions have indicated that the kicker-impedance would excite the beam-instability. A 1 MW beam with large emittance can be delivered to the Material and Life Science Experimental Facility (MLF) through suppression of the beam instabilities by choosing the appropriate machine parameters. However, we require other high-intensity and high-quality smaller emittance beams (than the 1 MW beam) for the Main Ring (MR). Hence, we proposed a scheme for suppressing the kicker-impedance by using prototype diodes and resistors, thereby demonstrating the effect on the kicker impedance reduction. However, the J-PARC RCS must be operated with a repetition rate of 25 Hz, which urged us to consider special diodes that are tolerant to heating. After developments, we have demonstrated that the special diodes with resistors can suppress the beam instability by reducing the kicker impedance. Enhanced durability of the prototype diodes and resistors for the 25 Hz operation was also realized. Moreover, the new diodes and the resistors have negligible effect on the extracted beam from the RCS. From a simulation point of view, the scheme can be employed for at least 5 MW beam operation within the stipulated specifications.