J-PARC 3GeVシンクロトロンの更なる大強度化に向けたビーム損失低減の研究

Study on the mitigation of the beam loss for further beam power ramp-up in J-PARC RCS

小島 邦洸 ; 原田 寛之  ; 地村 幹  ; Saha, P. K.   

Kojima, Kunihiro; Harada, Hiroyuki; Chimura, Motoki; Saha, P. K.

本研究は、3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。RCSでは、設計出力1MWを超える大強度化に向け高度化を進めている。このような大強度陽子加速器において、出力を制限する最大の要因は、ビーム損失に起因する装置の放射化である。一般的にシンクロトロンでは、粒子はある幅の中で振動(ベータトロン振動)しながら進んでおり、その振動数が磁場やビーム自身が作る電場と相互作用し共鳴条件に抵触すると振幅が大きくなり、ダクト内壁等に衝突して損失に至る。そのため、共鳴条件を避けるように、ビームに加える収束力を設定する。しかし、強度が増大するにつれてビームの粒子数密度が高くなり、それに伴って粒子間のクーロン斥力も増大する。各粒子は設定と異なるベータトロン振動数を持ち、共鳴条件に抵触する可能性がある。そこで、振動数が半整数の際に発生する共鳴(半整数共鳴)の影響を補正し、打ち消すことによる安定領域の拡充を試みた。半整数共鳴が励起する強さは、ビームが受ける外力のみで決まり、ビーム強度に依存しない。そのため、まずは空間電荷力の影響が無視できる低強度ビームを用いることで、半整数共鳴の補正を実施した。その結果、この共鳴によるビーム損失を1/10以下にする大幅な低減を実現した。さらに、この補正状況が利用運転時のビームロス低減に寄与することを、大強度ビームを用いた試験により実証した。本発表では、低強度時の共鳴補正手法と実験結果に加えて、大強度時のビーム損失低減などに関して報告する。

Further beam power ramp-up going beyond the design output beam power of 1 MW is proceeding in the J-PARC RCS. In MW-class rings, the residual radioactivity accompanying the beam loss strictly limits the available beam power. While the current beam loss is mitigated to 0.1% level at the designed beam power, further beam loss mitigation prepared for the beam power ramp-up is required. The resonance crossing of the tune spread can cause unallowable beam loss. Since the beam power ramp-up definitely extends the space-charge-induced tune spread, the sufficiently wide stability region in the betatron tune map must be secured for low beam loss. We conducted low-intensity beam studies on the half-integer random resonances that likely have significant effects on the width of the stability region. Thanks to the simplification coming from the mitigation of the space-charge force, the successful compensation of the resonance is realized by using the trim quadrupole magnets. In the high-intensity beam studies, the resonance compensation was found to be beneficial in extending the stability region.