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論文

J-PARC RCSにおけるビーム力学的研究とビーム損失の低減

發知 英明; 原田 寛之; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 吉本 政弘

加速器, 16(2), p.109 - 118, 2019/07

RCSのようなMW級の大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。RCSでは、ビーム損失の原因となる様々な効果(空間電荷効果,非線形磁場,フォイル散乱等)を取り込んだ高精度の計算モデルを構築し、数値シミュレーションと実験を組み合わせたアプローチでビーム損失の低減に取り組んできた。計算と実験の一致は良好で、計算機上で、実際に発生したビーム損失を十分な精度で再現できたことは画期的なことと言える。数値シミュレーションで再現したビーム損失を詳細に解析することで、実際の加速器で起こっている現象を十分な確度で理解することが可能になっただけでなく、それを低減するためのビーム補正手法を確立するのに数値シミュレーションが重要な役割を果たした。ハードウェアの改良と共に、こうした一連のビーム力学的研究により、1MW設計運転時のビーム損失を10$$^{-3}$$という極限レベルにまで低減することに成功している。本稿では、ビーム増強過程で問題になったビーム損失について、その発生機構や解決方法を報告すると共に、その際に数値シミュレーションが果たした役割について具体例を挙げて紹介する。

論文

J-PARC RCSにおけるビームコミッショニングの進捗報告; 大強度・低エミッタンスビームの実現へ向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.95 - 99, 2017/12

この一年、J-PARC RCSでは、大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。RCSの動作点は、2Qx-2Qy=0共鳴の近傍に設定されている。この共鳴はエミッタンス交換を引き起こすため、ビームの電荷密度分布を大きく変調してしまう。RCSでは、ペイント入射と呼ばれる手法でビーム粒子の分布をコントロールして入射中のエミッタンス増大の抑制を図っているが、エミッタンス交換の影響を考慮してその手法を最適化した結果、電荷密度分布の一様化に成功し、入射中のエミッタンス増大を最小化することができた。本発表では、ペイント入射中の特徴的なビーム粒子の挙動やエミッタンス増大の発生機構を議論すると共に、エミッタンス低減のために行った一連の取り組みを紹介する。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトロンの新しい入射システムの設計

山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 吉本 政弘; 發知 英明; 原田 寛之; 竹田 修*; 三木 信晴*

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.374 - 378, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度陽子ビームを物質生命科学実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために設計され、運転を行っている。現在のところ、RCSでは設計値の半分である500kWの出力での連続運転に成功しているが、今後さらにビーム出力を向上し、安定な運転を達成するためには、入射点付近の残留放射能による被ばくへの対策が重要となってくる。これまでのビーム試験やシミュレーション、残留線量の測定結果等から、入射点周辺の残留放射能は、入射で使用する荷電変換用カーボンフォイルに入射及び周回ビームが当たった際に発生する二次粒子(散乱陽子や中性子)が原因であることがわかった。現状では、RCSの入射にはフォイルが必須であり、これらの二次粒子を完全になくすことはできない。そこで、これら二次粒子によって放射化された機器の周辺に遮蔽体を置けるように、より大きなスペースが確保できる新しい入射システムの検討を開始した。予備検討の結果、機器配置は成立するが、入射用バンプ電磁石磁場が作る渦電流による発熱が問題となることがわかり、その対策の検討を進めることとなった。

論文

Beam-based compensation of extracted-beam displacement caused by field ringing of pulsed kicker magnets in the 3 GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

原田 寛之; Saha, P. K.; 田村 文彦; 明午 伸一郎; 發知 英明; 林 直樹; 金正 倫計; 長谷川 和男

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(9), p.093G01_1 - 093G01_16, 2017/09

AA2017-0286.pdf:4.64MB

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、設計出力1MWの大強度陽子加速器である。このRCSで3GeVまで加速された陽子ビームは、リング内の8台のパルスキッカー電磁石で取り出しラインへ導き、物質生命科学実験施設や後段の加速器へ供給されている。しかしながら、この電磁石の電磁回路的なリンギングにより時間的な磁場変調を生じており、取り出しビームが大きく変動していた。この変動は、中性子源標的の故障リスクの増大や後段加速器のビーム損失の増大を生じ、大きな課題である。特別な短パルスビームと各電磁石のタイミングスキャンを行い、取り出しビームの位置変動を測定することで、この磁場変調を実測し把握した。それを用いて各電磁石の磁場変調を抑制する最適なタイミングを求め、適用することで装置の改造を行うことなく要求以上の精度のビーム取り出しを実現した。さらにタイミングのずれを自動で測定し補正するシステムを導入し、安定化も実現した。この論文では、手法や成果を報告する。

論文

Achievement of a low-loss 1-MW beam operation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 20(6), p.060402_1 - 060402_25, 2017/06

RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場、空間電荷効果、像電荷効果等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、観測されたビーム損失の発生機構の解明、また、その解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たしている。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10$$^{-3}$$という極めて少ないビーム損失で1MW相当のビーム加速を達成したところである。本論文では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理に関する話題を中心に、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果を時系列的に紹介する。

論文

Realizing a high-intensity low-emittance beam in the J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2470 - 2473, 2017/06

この一年、J-PARC RCSでは、下流の施設から要求される大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。2016年6月のビーム試験では、Correlated painting入射を導入し、かつ、そのペイント範囲を最適化することで、入射中のエミッタンス増大を最小化することに成功した。また、その後に行ったビーム試験では、加速過程のチューンやクロマティシティを動的に制御することで、加速前半で発生していたエミッタンス増大を低減させると共に、加速後半で発生したビーム不安定性を抑制することに成功した。こうした一連の取り組みにより、830kW相当のビーム強度で、そのビームエミッタンスの大幅な低減(40%低減)を実現した。本発表では、エミッタンス増大の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおける最近の成果を報告する。

論文

Simulation studies of transverse beam instabilities and measures beyond 1 MW beam power in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.3750 - 3752, 2017/06

Transverse impedance of the extraction kicker magnets is a significant beam instability source in the 3-GeV RCS of J-PARC. Based on systematic simulations and experimental studies designed 1 MW beam power has been successfully accomplished in the RCS by using a proper choice on the betatron tunes and by reducing the degree of chromaticity correction. In order to ensure 1 MW beam power at the present MLF target even when RCS beam sharing to the MR is increased in the near future due to upgraded MR cycle as well as when a second target station is constructed at the MLF, a beam power of around 1.5 MW has to be realized in the RCS. However, the simulation shows that the present kicker impedance has to be reduced at least a half in order to stabilize the beam 1.5 MW beam power. A reduction of the kicker impedance is very essential in order to realize more than 1 MW beam power in the RCS.

論文

New injection scheme of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 吉本 政弘; 發知 英明; 原田 寛之; 竹田 修*; 三木 信晴*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.579 - 581, 2017/05

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを物質生命科学実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために設計され、調整が進められている。現在の所、RCSでは設計値の半分である500kWでの連続運転に成功しているが、今後さらにビーム出力を向上するためには、入射点付近の残留放射能による被ばく対策が重要となってくる。これまでのビーム試験やシミュレーション、残留線量の測定結果等から、入射点周辺の残留放射能は入射で使用する荷電変換用カーボンフォイルに入射及び周回ビームが当たった際に発生する二次粒子(散乱陽子や中性子)が原因であることがわかった。現状では、RCSの入射にはフォイルが必須であり、これらの二次粒子を完全に無くすことはできない。そこで、これら二次粒子によって放射化された機器の周辺に遮蔽体を置けるように、より大きなスペースが確保できる新しい入射システムの検討を開始した。予備検討の結果、機器配置は成立するが、入射用バンプ電磁石磁場が作る渦電流による発熱が問題となることがわかったため、今後その対策を検討することとなった。

論文

Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01

AA2016-0375.pdf:3.07MB

 被引用回数:5 パーセンタイル:26.6(Physics, Multidisciplinary)

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

論文

J-PARC RCSエネルギー増強のための主電磁石の検討

谷 教夫; 渡辺 泰広; 發知 英明; 原田 寛之; 山本 昌亘; 金正 倫計; 五十嵐 進*; 佐藤 洋一*; 白形 政司*; 小関 忠*

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.708 - 711, 2016/11

J-PARC加速器の大強度化を進めるために、3GeV RCSの加速エネルギーを現在の3GeVから3.4GeVに増強する案が検討されている。そのため、3.4GeVを目指したRCS電磁石の検討が行われた。空間電荷効果の影響でRCSからの3GeV 1MWビームでは、MRの入射部でのビームロスが5%と大きい。入射ビームを3.4GeVにすると、ビームロスが1%程度となり、MRで1MWビームの受け入れが可能となる。四極電磁石の検討では、磁場測定データを基に評価が行われた。四極電磁石は、3.4GeVでも電源の最大定格値を超えないことから、電磁石・電源共に対応可能であることがわかった。しかし、偏向電磁石は、3次元磁場解析データから、3.4GeVでは飽和特性が5%以上悪くなった。電源についても、直流及び交流電源の最大定格が現電源と比べて15%及び6.2%超えており、現システムでは難しいことがわかった。このため、偏向電磁石については、既存の建屋に収まることを前提として、電磁石の再設計を行った。その結果、電源は直流電源の改造と交流電源の交換で実現可能となることがわかった。本論文では、RCS電磁石の出射エネルギー増強における検討内容及びその結果見えてきた課題について報告する。

論文

Beam loss caused by edge focusing of injection bump magnets and its mitigation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

發知 英明; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 田村 文彦; 吉本 政弘

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(1), p.010401_1 - 010401_11, 2016/01

AA2015-0742.pdf:2.84MB

 被引用回数:6 パーセンタイル:31.2(Physics, Nuclear)

J-PARC 3-GeV RCSでは、入射ビームを位相空間上の広い範囲に一様に分布させてビームの空間電荷密度を緩和させるペイント入射と呼ばれる入射方式を採用している。このペイント入射は、空間電荷由来のビーム損失を低減させるだけでなく、入射中のフォイル散乱由来のビーム損失を低減させる役割を担う。ペイント入射による十分なビーム損失低減を実現するには、ペイント範囲をより大きくとることが必要になるが、ペイント範囲を拡幅した際に別種のビーム損失が付加的に発生してしまうという課題を残していた。本研究では、そのビーム損失が、入射バンプ電磁石のエッジ収束力によるベータ関数の周期性変調によって発生する共鳴現象に起因していることを明らかにすると共に、6台の補正四極電磁石を用いたベータ関数変調の補正手法を考案し、その有効性を実験的に立証することに成功した。本論文では、そのビーム試験結果を紹介すると共に、実験結果と数値シミュレーション結果の詳細比較から明らかになったビーム損失の発生・低減メカニズムを解説する。

論文

High intensity single bunch operation with heavy periodic transient beam loading in wide band RF cavities

田村 文彦; 發知 英明; Schnase, A.*; 吉井 正人*; 山本 昌亘; 大森 千広*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 長谷川 豪志*; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 18(9), p.091004_1 - 091004_8, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.56(Physics, Nuclear)

J-PARC RCSは2バンチ加速するように設計されているが、MLFの中性子実験やMRビームを用いたミューオン実験において、RCSでの大強度シングルバンチ運転が必要とされるようになった。シングルバンチ運転においては、広帯域RF空胴に生じる奇数次のウェーク電圧成分によりバケツの歪みが生じ、縦方向のビームロスを生じるために、ビーム強度は制限されていた。このため、奇数次のウェーク電圧成分を補償するために、追加のフィードフォワードシステムをインストールした。追加されたシステムは、偶数次のフィードフォワードシステムと同様の構成である。この論文では、追加のフィードフォワードシステムの機能、調整手法、調整結果の詳細について報告する。フィードフォワードによる奇数次成分の補償により、縦方向のビームロスが消失した。また、シングルバンチ加速でのビーム品質は、フィードフォワードによる補償によって、2バンチ運転のものと同様に保たれていることを、縦方向および横方向のビーム測定により確かめた。2.3$$times$$10$$^{13}$$ppbという大強度のシングルバンチ運転が可能となった。

論文

Beam-Based AlignmentのためのJ-PARC RCSでの光学モデルの決定

林 直樹; 發知 英明; 原田 寛之

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1206 - 1209, 2015/09

BPMのBeam-Based Alignmentは、近くの四極電磁石中心からのオフセットを決めることで、非常に重要な校正である。J-PARC RCSでは、四極電磁石は、個別電流制御ができないが、グループで収束力が変化しても、BBAが可能な方法を考案し実施している。この方法は、非常に精度よく光学モデルが、決定できているので、それをベースに計算し、四極電磁石内部でのビーム絶対位置を決め、測定位置と比較することにより行っている。今回は、光学モデルを別の方法、全ての補正電磁石によるキックのデータから疑似的にローカルバンプを1台の四極電磁石の場所に立てて、その収束力の変化したときの全周のBPMでの軌道変化(応答)を記録するようにした。まず、1つの四極電磁石ファミリーについて実施し、光学モデルと比較などその結果を報告する。

論文

J-PARC RCSにおけるビームコミッショニングの近況報告; 1-MW出力の実現へ向けて

發知 英明

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.103 - 107, 2015/09

RCSは、2014年秋より、1MW設計運転の実現を目指した最終段階のビーム調整を開始し、2015年1月に1MW相当のビーム加速を達成した。RCSのような大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が出力強度を制限する最大の要因となるため、ビーム損失の低減が1MW設計連続運転を実現するための重要な研究課題となる。2015年1月のビーム試験では、ペイント入射法の最適化により、空間電荷由来のビーム損失をほぼ最小化することに成功した。また、2015年6月に実施したビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石を用いて入射過程におけるベータ関数の変調を補正することにより、ペイント範囲の拡幅を実現し、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることに成功した。本発表では、ビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みを中心に、RCSビームコミッショニングの最近の進捗状況を報告する。

論文

J-PARC RCSにおける入射ビームのtwiss parameterマッチング

岡部 晃大; 丸田 朋史*; 發知 英明; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 三浦 昭彦; Liu, Y.*; 金正 倫計

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.933 - 937, 2015/09

J-PARC 3GeV-RCSシンクロトロンでは、ビームハローのような極少量のビームロスでさえ加速器機器を甚大に放射化する要因となり、メンテナンス作業を困難なものにする。そのため、大強度ビームの安定的な利用運転を実現するに向けて、RCSではビームハローの抑制が大きな課題となっている。RCSではビーム入射方法として荷電変換による多重入射法を採用しており、入射ビームのtwissパラメータがRCSのオプティクスに整合していない場合、入射過程においてハローが生成される可能性が高い。ビーム損失の要因であるハローの生成を抑制するため、RCSでは入射ビームのtwissマッチング調整を行っている。マッチング調整では大強度ビームの挙動を正確に把握するため、空間電荷効果を考慮した3次元エンベロープ方程式を用いて入射点におけるビームのtwissパラメータを算出している。また、Linac-RCSビーム輸送ライン(L3BT)に設置されたワイヤスキャナモニタを用いてビームプロファイル測定を行い、算出したtwissパラメータと比較しつつ、入射ビーム調整を行っている。本発表ではJ-PARC RCSで行われている入射ビームマッチング調整の手法を紹介する。

論文

Recent progress of J-PARC RCS beam commissioning; Toward realizing the 1-MW output beam power

發知 英明

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.1346 - 1348, 2015/06

RCSは、2014年10月より、1MW設計運転の実現を目指した最終段階のビーム調整を開始し、2015年1月に1MWのビーム加速を達成した。RCSのような大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が出力強度を制限する最大の要因となるため、ビーム損失の低減が1MW設計連続運転を実現するための重要な研究課題となる。2015年1月のビーム試験では、入射ビームの分布形状やペイント入射法の最適化により、空間電荷由来のビーム損失をほぼ最小化することに成功した。また、2015年4月のビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石を用いて入射過程におけるベータ関数の変調を補正することにより、ペイント範囲の拡幅を実現し、ビーム損失を許容範囲内にまで低減させることに成功した。本会議では、ビーム増強過程で我々が直面したビーム損失の発生メカニズムやその低減策について報告する。

論文

Measurement results of the impedance of the RF-cavity at the RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 原田 寛之; 發知 英明

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.255 - 257, 2015/06

J-PARCのRCSでは、2015年1月に空間電荷効果やクロマティシティの効果、およびチューンの適切な選択によって、1MW相当のビームを達成した。これらのパラメータが適切でないと、ビームが不安定になることが測定で分かっているが、その主原因をキッカーのインピーダンスと考えるとその振る舞いはおよそ理解できる。しかし、最近、ある特定のチューンを選ぶと、それだけでは理解できない強いビームの不安定性が起きることが確認された。そのビーム不安定性の特徴は、300kWという比較的弱いビームで、しかも、クロマテシティをわずか1/4補正しただけで、ビームの速度が非相対論的なエネルギー領域でおきるということである。その原因を特定するために、J-PARCのRCSのインピーダンス源の見直しを始めた。一般に、キッカー以外のインピーダンス源として、高いと考えられるものは、RF空洞のインピーダンスなので、今回は、RF空洞の横方向のインピーダンスを測定することにした。測定方法はワイヤー法で、測定精度のシステマテックエラーを減らすために、縦方向インピーダンスのワイヤーの位置依存性を使って、求めることにした。この測定結果を利用して、マイクロウェーブインスタビリティがおきる条件を調べたところ、300kWのビームを加速させるには、十分な安定領域があることが確認できた。今後、この新たなビーム不安定性の原因を特定するには、さらに詳細なJ-PARCのRCSのインピーダンス源の調査が必要である。

論文

Measurement of Momentum Spread of the Injection Beam with Longitudinal Tomography Method in the J-PARC RCS

吉本 政弘; 原田 寛之; 發知 英明; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 金正 倫計

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.944 - 946, 2015/06

J-PARCリニアックのビームエネルギー及びビーム電流のアップグレード完了を受けて、RCSにおける設計ビーム強度1MWのビーム調整を開始した。1MWビーム出力運転を実現するためには、リニアックからの入射ビーム調整が重要な項目の一つである。リニアックビームの縦方向エミッタンスを調整を目的とし、RCSに入射した直後に縦方向トモグラフィー法を用いて入射ビームの運動量広がりを計測した。我々が開発した縦方向トモグラフィー法のツールは、CBP法を用いたシンプルなアルゴリズムが特徴で、元々はRCSビーム蓄積モード用に開発したものである。今回、我々は加速モードでも使えるように改良を行った。リニアックのデバンチャー2のタンクレベルを調整することで、運動量広がりが0.06%から0.15%まで変化することが測定でき、分布形状の変化もシミュレーションとよく一致することが確認できた。

論文

Numerical study for beam loss occurring for wide-ranging transverse injection painting and its mitigation scenario in the J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 谷 教夫; 渡辺 泰広

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 778, p.102 - 114, 2015/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:34.97(Instruments & Instrumentation)

J-PARC 3-GeV RCSでは、入射ビームを位相空間上の広い範囲に一様に分布させてビームの空間電荷密度を緩和させるペイント入射と呼ばれる入射方式を採用している。このペイント入射は、空間電荷由来のビーム損失を低減させるだけでなく、入射中のフォイル散乱由来のビーム損失を低減させる役割を担う。ペイント入射による十分なビーム損失低減を実現するには、ペイント範囲をより大きくとることが必要になるが、ペイント範囲を拡幅した際に別種のビーム損失が付加的に発生してしまうという課題を残している。本研究では、詳細な数値シミュレーションを行って、そのビーム損失が、入射バンプ電磁石のエッジ収束力によるベータ関数の周期性変調によって生じる共鳴現象に起因していることを明らかにするとともに、6台の四極電磁石を用いたベータ関数変調の補正手法を考案して、実際の機器設計を行った。本論文では、ペイント範囲を拡幅するために必要となる補正機器の導入を目指して行った一連の数値シミュレーションを紹介・解説する。

論文

Pulse-to-pulse transverse beam emittance controlling for MLF and MR in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 原田 寛之; 發知 英明; 高柳 智弘

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.394 - 398, 2015/03

The design goal of the J-PARC RCS is not only to achieve a high power beam of 1 MW but also to ensure two different transverse sizes of the extracted beam for the MLF and MR. Namely, a wider beam profile for the MLF, while a narrower one for the MR. For that purpose we have carefully designed the RCS injection painting scheme so as to control the painting area pulse-to-pulse between MLF and MR. Because depending on the injection painting area, the extracted beam emittance can be achieved as desired. The validity of the present method has been clearly demonstrated in the experimental studies for both 181 MeV as well as for the upgraded 400 MeV injection. The extracted beam profile for the MR is measured to be sufficiently narrower as compared to that for MLF and was also quite consistent with simulation results. The system has already been in service for the user operation with good reliability. In this study, it is thus confirmed that in a multi-user high intensity machine beam parameters can be dynamically controlled and delivered as requested by the user even in simultaneous operation.

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