Study on the random resonance for further beam power ramp-up in J-PARC RCS

J-PARC RCSにおけるビームロス低減に向けた非構造に関する研究

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のようなMW級の大強度陽子加速器はビーム損失により出力が制限される。そのため、RCSの設計出力を超える大強度化を目指す上で、より一層のビーム損失の低減は必要不可欠である。特に、ビームが進行方向に垂直な方向に行う振動と、加速器の構造の周期が一定の関係を満たすとき引き起こされる、共鳴現象は多大なビーム損失に繋がる恐れがある。これを避けるために、収束力を調整し、ビームの振動数を慎重に制御している。一方で、大強度化はビームの高密度化に繋がり、クーロン斥力の影響を顕著化する。その結果、ビームの振動数は密度に依存した幅を持つようになり、共鳴条件への抵触を避けることが困難になる。特に、RCSのビーム大強度化においては、半整数共鳴条件への抵触が避け難い状況となっている。そこで、本研究では、半整数共鳴を補正し、その影響を打ち消すことを試みた。一連のビーム試験の結果、RCS設計出力と同等な強度を持つビーム条件において、半整数共鳴に起因するビーム損失を1/3程度にまで低減する補正状況を達成した。本発表では、共鳴補正手法と実験結果に関して報告する。

We have realized a design output beam power of 1 MW of the 3-GeV rapid cycling synchrotron (RCS) in the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), and now we are proceeding further beam power ramp-up aiming at an output beam power beyond the design. In MW-class high-power proton machines such as the RCS, the beam loss will produce high levels of radioactivity and limit the available beam power. While the current beam loss is successfully reduced to the order of 0.1% at the designed beam power, further beam loss mitigation prepared for the beam power ramp-up is required. For this purpose, we conducted a series of low-intensity beam tests to investigate the lattice imperfection of the RCS. It was confirmed that the half-integer random resonance was significantly excited and was able to be compensated by the proper addition of the quadrupole field using the trim quadrupole magnets. In addition, the effect of the resonance compensation was verified in the high-intensity beam tests.