Half-integer random resonance compensation for further beam power ramp-up in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

小島 邦洸 ; 原田 寛之  ; 田村 文彦   ; 沖田 英史  ; 地村 幹  ; Saha, P. K.   

Kojima, Kunihiro; Harada, Hiroyuki; Tamura, Fumihiko; Okita, Hidefumi; 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。大強度の陽子シンクロトロンにおいて、ビーム損失は深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力の制限に繋がる。そのため、RCSの大強度ビーム安定化には、ビーム損失の更なる低減が不可欠である。特に、加速器のビームを制御する電磁石の配置とビームが進行方向に垂直な方向に行う振動の周期が一定の関係(共鳴条件)を満たすとき、共鳴現象により多大なビーム損失が起きる。この共鳴の発生を避けるため、ビームの振動の周期は共鳴条件を避けるよう慎重に制御されている。一方で、ビーム大強度化に伴って粒子間のクーロン斥力の影響によって個々の粒子の振動数は個別の影響を受け変化するため、共鳴条件はビーム密度に依存した幅を持つようになる。これにより、ビームの振動の周期を制御することによる共鳴条件の回避が難しくなる。RCSではビーム強度が一定以上に達した場合に、半整数共鳴を避けることが困難となるため、これがRCSの最大出力を制限している。そこで、本研究では補正磁場の重畳による半整数共鳴の影響の低減(補正)を試みた。ビーム試験と数値計算の活用により、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にまで低減する補正状況を達成した。本論文では、一連のビーム試験結果に加えて、共鳴補正手法の詳細について報告する。

A comprehensive study on the random resonances was conducted to mitigate beam losses and ensure sufficient tunability of the operating point for further beam power ramp-up in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex. Low-intensity beam studies revealed considerable excitation of the half-integer random resonance. This half-integer random resonance was successfully compensated using trim quadrupole magnets without exciting other higher-order resonances. By implementing a conventional theoretical procedure based on resonance driving terms, we identified the leakage field from extraction magnets as the primary source of the error field driving the random resonance. High-intensity beam studies confirmed that our resonance compensation approach substantially mitigated beam loss in higher-tune regions, making it highly effective in improving operating point tunability.