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山田 逸平; 小島 邦洸; 地村 幹
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1084, p.171261_1 - 171261_12, 2026/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Instruments & Instrumentation)大強度粒子加速器の安定運転には、非破壊型のビーム形状(プロファイル)モニタが不可欠であり、ガスを導入してビームとの相互作用で形状を測るモニタ開発を進めている。ガス導入型は、高い二次粒子収量により高速かつ高精度なプロファイル計測を可能にする一方、ビームと導入したガスの相互作用がビーム品質に影響を与える可能性があるため、その非破壊性の定量的な評価が必須である。本研究では、3MeV負水素イオンビームを用いて、導入ガス流量に対するビーム電流値及び位相空間分布の変化を評価した。ビーム電流値については、予想通り導入ガス流量に対して線形に減少し、その減少率は荷電変換断面積と一致した。位相空間分布については、ビームライン圧力が10
Pa未満の範囲では変化が見られず、10 Pa以上に増加させた場合には、逆に分布の広がりに約5%の減少が見られた。本測定結果を解析的および数値的に検証した結果、ビーム・ガス相互作用により生成された正イオンが水素負イオンビームの電気的斥力を中和し、負電荷同士の反発力を抑制したため、分布の広がりの相対的な減少を起こすことがわかった。以上により、開発したモニタは、使用に際してビームを広げることなく、逆にビーム品質を向上させる事が分かり、加速器の安定運転に貢献可能であると言える。
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; 永山 晶大*; Saha, P. K.
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.104 - 108, 2026/03
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。陽子シンクロトロンにおける主要なビーム損失原因の一つとして共鳴現象がある。ビームは進行方向に直行する平面で印可される収束力に応じた周期で振動している。ビームの振動と収束場の周期とが一定の条件(共鳴条件)を満たすとき、粒子の振幅は増大しビームパイプに衝突して損失する。ビームに印可する収束力を慎重に制御することで共鳴条件への抵触は回避できる。一方で、ビームの大強度化は粒子間クーロン斥力の影響を増大させ、共鳴条件に抵触しないビームの振動数の範囲を狭める。そこで本研究では、ビーム損失を引き起こす可能性がある線形和共鳴に着目し、その駆動力を打ち消す操作(補正)によるビームへの影響低減を試みた。線形和共鳴の補正に一般に用いられる歪み四極電磁石がRCSには備わっていないため、六極電磁石中にバンプ軌道を形成する特殊な手法による同共鳴の補正を行った。この補正手法の確立は、RCSのビーム損失を低減し運転の高度化に寄与する。
小島 邦洸; 原田 寛之; 岡部 晃大; 地村 幹; Saha, P. K.
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2244 - 2247, 2025/11
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。陽子シンクロトロンにおける主要なビーム損失原因の一つとして共鳴現象がある。加速器中のビームは進行方向に垂直な方向に振動しており、その振動数と収束場の周期が一定の条件(共鳴条件)を満たせば、粒子の振幅は増大しビームパイプに衝突して損失する。そのため、振動数が共鳴条件に抵触しないよう、ビームの収束力を慎重に制御する必要がある。一方で、ビームの大強度化に伴い共鳴条件に抵触しない振動数の範囲は狭まり、共鳴の回避が困難となる。この共鳴は電磁石の設置誤差などの原因で、ビームに意図せず歪四極場が印加されることで発生する。その歪四極場を補正用磁場の重ね合わせにより打ち消す(補正)ことで、線形和共鳴によるビーム損失を防ぐことができる。線形和共鳴の補正には一般に歪四極電磁石が用いられるが、これはRCSには備わっていない。そこで、アーク部にバンプ軌道を形成する特殊な手法により同共鳴の補正を行った。この手法により、RCSのビーム損失が低減し高度化が可能となる。
永山 晶大; 金正 倫計; 原田 寛之; 山田 逸平; 地村 幹; 小島 邦洸; 山本 風海; 下川 哲司*; 佐藤 篤*
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.1025 - 1028, 2025/11
シンクロトロンからのビームの遅い取り出し手法は、原子核・素粒子物理学実験や放射線治療等の様々な分野にて活用されている。遅い取り出しの過程において、周回側から取り出しビームを分離する役割を持つセプタム電極でのビーム損失は、装置の放射化と損傷を誘発する。この問題を解決するため我々が開発を進めている非破壊型静電セプタムに対し、この装置の二次元電場分布を評価するための"ビーム分離試験装置"と名付けた電場測定装置を考案した。この装置は、非破壊型静電セプタム試作機、水平・垂直ワイヤスキャナ、駆動装置に固定された可動ステージに設置された電子銃から構成される。本装置は、電場中に電子ビームを入射し、ビーム軌道の曲げ角度を測定することで電場分布の計測を可能とする。本装置の開発にあたって、電場分布の測定精度の向上のために、電子ビームをより細く形成するための追加の光学系を設計した。加えて、粒子が物質に衝突する際のエネルギー損失を利用し、二次電子放出を低減するビームダンプを設計した。二次電子放出量の計算では、このビームダンプにより、チャンバー内への二次電子放出量を最大98%減少させることを確認した。
小島 邦洸; 原田 寛之; 田村 文彦; 沖田 英史; 地村 幹; Saha, P. K.
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2025(1), p.013G01_1 - 013G01_19, 2025/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)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。
地村 幹
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1064 - 1069, 2024/10
荷電粒子ビームはビーム自身が誘導する電磁場(自己場)の影響を受けながら加速器内を輸送される。特に、大強度イオン線形加速器の初段部に代表されるように、ビームが高密度かつ低速の場合には、ビームが単位距離を進む間にこの自己場から大きな力積を受け取るため、急速なビーム分布の変化が引き起こされる。自己場が有意に働くことによってハミルトニアンが線形項のみで表すことができない場合、その摂動項によってベータトロン振動の振幅が変動し、エミッタンスの増大を引き起こす可能性がある。特に大強度イオン加速器におけるエミッタンスの増大は、ビーム透過率の悪化及び機器の高放射化を引き起こし、大強度かつ高安定な加速器運転を阻害する。本研究では、大強度イオン線形加速器J-PARCリニアックの上流に位置する3MeVビーム輸送路をモデルとしたビーム軌道計算を行うことで、自己場支配領域におけるエミッタンス増大の評価を実施した。本ビーム輸送路は数m程度と短く周期的な収束構造を持たないことに加え、時間方向と横方向のビーム幅に大きな差はない球体に近いバンチドビームであるため、周期解や2次元ビーム形状を仮定しない解析方法が要求される。よって、本研究では自己場支配領域におけるエミッタンス変動についての理論式を提案し、その計算から既存Particle-in-Cellコードとの比較を示した。さらに、時間反転計算を行うことによってモニタ出力から初期分布を再構成した場合及び、非線形外場を導入した際の位相空間分布の変化についても同様の計算から評価を実施した。
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; Saha, P. K.
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.118 - 122, 2024/10
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。
山本 風海; 守屋 克洋; 沖田 英史; 山田 逸平; 地村 幹; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 昌亘; 森下 卓俊; et al.
Journal of Neutron Research, 26(2-3), p.59 - 67, 2024/01
J-PARC Linacおよび3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを中性子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運転している。これまで進めてきたビーム調整および機器改良により、当初想定よりもはるかに低いビームロス量で1MWのビーム運転を行うことが出来ている。現在のビーム出力はビームロスではなくRCSの高周波加速空胴の電源容量によって制限されている。近年、RCSグループではより少ない消費電力でビームを加速することのできる新しい構造の加速空胴の開発に成功した。この空胴によって、利用運転中に加速空胴で消費される電力を大幅に削減することが出来、さらに1MW以上の大出力での運転も可能となる。これまでの試験結果から、RCSの加速空胴を全て新しい物へ更新すれば、1.5MW以上の大出力も可能となる事が判っている。今後、中性子利用および主リングシンクロトロンの更なる成果創出のため、2MWを目標にRCSで必要な改良について検討を行った。その結果、高周波空胴の更新以外にも、高周波増幅器の増強やビームモニタの増強が必要であることが判ったため、今後順次更新を進める。
山田 逸平; 地村 幹; 神谷 潤一郎; 金正 倫計
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072018_1 - 072018_6, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)大強度陽子加速器施設J-PARCではわずかな割合のビーム損失でも高線量の放射化を引き起こす。そのため、非破壊型モニタを用いたビームの常時監視による加速器制御の最適化が必須である。ビームとガスの相互作用を利用してビームプロファイルを測定するガスシートモニタは、従来の固体ワイヤとビームの相互作用を利用したモニタと比較してビームに与える影響が小さい。しかし、極少量ではあるもののガスを導入してビームラインの真空圧力に影響を与えるため、ビームにも影響を与える可能性がある。そこで本研究ではガス導入量に対するビーム電流値及びビーム位相空間分布の変化を実測した。本会議では、ビーム電流値はガス導入量に比例して減少し、ビームエミッタンスは一定または減少したという結果を報告し、今後のJ-PARC加速器の安定化や大強度化に向けたガスシートモニタ高度化に関する議論を行う。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 佐藤 篤*; 山田 逸平; 地村 幹; 小島 邦洸; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.526 - 530, 2023/11
本研究では、ビームの遅い取り出しのための非破壊型静電セプタムを開発している。従来型と異なり、この装置はビームと衝突しないようにビーム周辺に配置した多段電極で構成されており、発生させた電場によって非破壊でビームを分離する。本研究ではその電場分布を評価すべく、電子銃とビームモニタで構成された試験装置を開発した。その装置に試作電極を設置し、細い電子ビームで電場分布測定の実験を実施した。その測定結果は計算結果との良好な一致を示した。しかし、ビームの分離能力はまだ十分ではない。そこで、電場分布の改良に向けた電極形状や配置の最適化の検討を行った。本発表では、試験装置を用いた電場分布測定実験の結果や改良案を報告する。さらに、本開発の今後の展望についても述べる。
吉本 政弘; 高橋 博樹; 原田 寛之; 地村 幹; 不破 康裕; 林 直樹; 栗山 靖敏*; 澤邊 祐希*; 畠山 衆一郎*
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.839 - 843, 2023/11
J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では、加速器の安定性を監視する主要なビームモニタである、ビームロスモニタ、ビーム位置モニタ、ビーム電流モニタについて、既存システムの更新に向けた新しいビームモニタ用信号処理システムの開発を行っている。新システムは、TAGサーバーと3つの主要モニタに共通して使えるADCモジュールを組み合わせた構成になる。開発に際しての主な設計思想は、(1)J-PARCに特有の様々なビームタグ情報をTAGサーバーで集約し、タグ情報として各ADCモジュールに分配する、(2)ADCモジュールでビームモニタからの信号情報をADCでデジタル信号に変換し、FPGAにより各モニタに合わせた解析手法を切り替えながら高速解析処理を実施する、(3)ADCモジュールから約10秒程度の全ショット分の信号処理データをパッキングしてタグ情報をヘッダーに付加した解析データを定期的に出力する、また、任意の1ショット分のデータに対してタグ情報を付加したモニタデータをオンデマンドで出力する、ための2種類のフォーマットを準備する、(4)また生波形に加えて、FFT関連の解析途中のデータや、周回毎のバンチデータなどについて最新の4ショット分をADCモジュールの内部メモリに保存し、必要に応じてデータを読み出せるようにする、ことを目指した。本発表では、現在開発中の試作機によるタグ情報の読み込みとビームモニタ信号のデータ収集試験についての進捗を報告する。
山本 風海; 守屋 克洋; 沖田 英史; 山田 逸平; 地村 幹; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 昌亘; 森下 卓俊; et al.
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.270 - 273, 2023/10
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを中性子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運転している。これまで進めてきたビーム調整および機器改良により、当初想定よりもはるかに低いビームロス量で1MWのビーム運転を行うことが出来ている。そのため、現在のビーム出力はビームロスではなく高周波加速空胴の電源容量によって制限されている。近年、RCSグループではより少ない消費電力でビームを加速することのできる新しい構造の加速空胴の開発に成功した。この空胴によって、利用運転中に加速空胴で消費される電力を大幅に削減することが出来、さらに1MW以上の大出力での運転も可能となる。これまでの試験結果から、RCSの加速空胴を全て新しい物へ更新すれば、1.5MW以上の大出力も可能となる事が判っている。今後、中性子利用および主リングシンクロトロンの更なる成果創出のため、2MWを目標にRCSで必要な改良について検討を行った。その結果、高周波空胴の更新以外にも、高周波増幅器の増強やビームモニタの増強が必要であることが判ったため、今後順次更新を進める。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 山田 逸平; 地村 幹; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.503 - 507, 2023/01
リング型粒子加速器であるシンクロトロン加速器ではリング内にビームを溜め込み、周回させながら加速したビームを徐々に供給する「遅い取り出し」技術で最先端の物理実験や放射線がん治療を実現している。従来の手法では、周回ビームと取り出しビームの間に電場分布を切り分ける電極を挿入する必要がある。現在の手法では、取り出し時に発生するビーム衝突が原理的に解決できず、機器の故障や出力制限の原因となっている。そこで、ビーム軌道上に挿入される電極を廃した新たな手法に基づく非破壊型静電セプタムを考案し、現在開発を進めている。従来型の静電セプタムと同等に粒子を周回ビームから蹴り出す為には、境界面で不連続のギャップを持つ階段関数のような分布の力を発生させるのが理想である。本発表では階段関数に近い分布のローレンツ力を真空中に発生させるための電極・電流路配置の最適化の計算方法や、発生させるローレンツ力によるビーム軌道の計算結果について報告する。また、現在進行中である本手法の原理実証に向けて開発した小型原理実証機についても紹介し、今後の展望についても議論する。
地村 幹; 原田 寛之; 金正 倫計
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2022(6), p.063G01_1 - 063G01_26, 2022/06
被引用回数：6 パーセンタイル：51.58(Physics, Multidisciplinary)高強度イオンリニアックの低エネルギー領域では、強い空間電荷場により、わずか数メートルの距離でビームエミッタンスが急速に増大する。このビームエミッタンスの増大は、ビーム損失や装置の放射化につながり、加速器機器の定期保守やビーム強度増強の際に大きな問題となる。本研究では、3次元粒子追跡シミュレーションと理論的考察に基づいて、空間電荷場によるビームエミッタンス増大の要因を調べた。J-PARCのリニアックをモデル化した数値シミュレーションによって、空間電荷場の非線形項が直接ビームエミッタンス増大とビームハローの形成を引き起こすことを明確にした。また、空間電荷場の非線形項の一つとして生じる八極磁場を用いて、ビームエミッタンス増大を緩和する方法を世界で初めて提案した。この方法をシミュレーションに適用し検証した結果、ビームエミッタンス増大を有意に緩和することに成功した。
岡部 晃大; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 守屋 克洋; 柴田 崇統*; 地村 幹*; 平野 耕一郎; 小栗 英知; 金正 倫計
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011011_1 - 011011_6, 2021/03
J-PARC大強度陽子加速器では設計出力値である1MWビームパワーのビーム調整を行っている。線形加速器におけるMEBT(Medium Energy Beam Transport)1は低エネルギーでの大強度ビーム輸送系であり空間電荷力が支配的な状況でビームを輸送、及び、下流加速器であるDTLに整合したビームに成型する機能を持つため、J-PARC加速器の出力を安定化する上で最も重要な機器である。そこで、ビーム供給安定化向上のため、MEBT1より上流のイオン源やRFQ等の機器パラメータとMEBT1でのビームパラメータとの関連性を調査した。その結果、MEBT1に入射するビームの挙動は上流機器の設定パラメータと関連があり、その関係はイオン源の数値シミュレーション結果をもとにしたビーム力学理論から解釈できることが今回初めて判明した。さらに、本結果をもとにシミュレーションによる解析を行い、現状のMEBT1では下流側DTLとのビーム整合を行う上でビームモニターの数が不足しており、それらの設置個所を含めて再検討が必要なこと、バンチャー空洞の数を増やしてチョッパーシステム及びDTLとのビーム整合を両立可能な状態にすることによりさらなるビーム供給の安定化が見込めること、などの課題がはっきりと分かった。本発表にてそれらビーム実験結果を報告する。
地村 幹*; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計
Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.728 - 732, 2019/07
大強度ビームにおける空間電荷効果の増大は、ビーム損失の増大を引き起こす。そのビーム損失は、装置の放射の観点からビーム強度を制限してしまう。そのため、その空間電荷効果によるビーム広がりを抑制することが非常に重要である。本研究では、その効果が特に顕著になるリニアックの低エネルギー領域に着目した。その効果によるビーム広がりの起源を同定するために、空間電荷力を考慮したシミュレーションを実施した。そして、J-PARCリニアックの低エネルギー部(MEBT1)における空間電荷効果が顕著に影響を及ぼしていることが判明した。その要因が空間電荷力の非線形力であることを突き止め、八極電磁石による非線形磁場にてその効果を緩和する手法を新たに考案した。シミュレーション上でその手法を検証した結果、ビーム広がり抑制が可能であるという結果を得た。本発表では、考案した手法やその検証結果について報告する。
地村 幹; 原田 寛之; 高柳 智弘
尾形 敢一郎*; 熊谷 洋二*; 本波 和真*
【課題】荷電粒子ビームを収束及び成形可能な多極電磁石を小型化する技術を提供する。 【解決手段】多極電磁石は、荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨーク(11)と、ヨークの周方向に離間した位置において、各々がヨークの内周面から通過領域に向けて突出する4N+4(Nは正の奇数)個の磁極(12A~12H)と、磁極を励磁するコイル(13A~13H、14A~14H)とを備える。周方向に連続するN+1個の磁極を1個の磁極グループとして、同一の磁極グループに属する磁極の先端は、接触している。コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転すると共に、磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が基準値より小さい弱磁性磁極とが、周方向にN+1個ずつ交互に配置されるように、磁極を励磁する。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 佐藤 篤*; 山田 逸平; 地村 幹; 小島 邦洸; 山本 風海; 金正 倫計
no journal, ,
従来型の静電セプタムは、陰極とビーム軌道上に配置したセプタム電極により形成した電場でビームを分離する装置である。したがって、セプタム電極とビームとの直接衝突が原理的に発生する。我々は、ビームが通過する領域の外側に多段電極が配置された構造を持ち、この多段電極の印加電圧を最適化することでビームの分離が可能な電場を形成する非破壊型静電セプタムを開発中である。本装置はビーム軌道上に物質を含まないためビームロスが発生しないという点で、従来型の静電セプタムの課題を克服できる。本装置の機能を計算により検証するため、J-PARCでのビームの遅い取り出し手法における粒子軌道を再現できるモデルを、既存の粒子軌道シミュレーションソフトウェア(SAD)を用いて構築した。加えて、非破壊型静電セプタムの電場計算結果を多重極展開し、シミュレーションに新たに導入した。シミュレーションでは、本装置の導入によってJ-PARCにおける遅い取り出のビーム強度を約1.3倍に増強可能であるという結果が得られた。本発表では、上述のシミュレーションの詳細について報告する。
山田 逸平; 小島 邦洸; 地村 幹
no journal, ,
大強度加速器の安定化およびさらなる大強度化のために、ビームガス相互作用を用いた非破壊型ビームプロファイルを開発してきた。このモニタはシート状に形成したガスをビームラインに導入し、ビームとの相互作用で生じる光子を検出することでビームプロファイルを得るモニタである。このモニタの非破壊度の評価として、ガス流量に対する3MeV水素負イオンのバンチドビームのエミッタンス変化を測定したところ、ガス流量によってはエミッタンスが減少する結果を得た。これはビームガス相互作用により光子と同時にシートガスからプラズマが生成され、さらにそのプラズマとビームが相互作用することによる空間電荷中和現象によるものと推測された。空間電荷中和は低エネルギービームライン(LEBT)等のバンチされていないビームに対してはよく観測および議論されているものの、バンチドビームに対しては議論されている例がない。そこでParticle-in-Cellシミュレーションを用いた検証を実施したところ、実験結果とよく一致するエミッタンス減少が再現された。その結果からバンチドビームに対する中和現象のメカニズムを明らかにし、ビームエンベロープ方程式で一般に利用される空間電荷中和項の修正を考案した。
地村 幹; 山田 逸平; 小島 邦洸
no journal, ,
大強度イオン加速器の初段部のようにビームの密度が高く、ビームが遅い領域においては、ビーム自身の作る電場から短距離で大きな力積を受け取る。この電場によってエミッタンスと呼ばれるビームの位置および運動方向の分散が増大するため、加速器のビーム透過率の悪化や放射化を増大させる要因となる。そこで、大強度イオン加速器の初段部では、ビームがダクト内のガスと衝突し、ガスを電離することで発生した正イオンがビーム作る電場を自発的に中和する現象である空間電荷中和が積極的に利用されている。一方、大強度イオン線形加速器J-PARCリニアックにおいては、シート状のガスをビーム軌道上に導入し、ビームとガスの相互作用によってビーム分布を測定することを目的としたガスシートモニタが利用されている。J-PARCリニアックの3MeV中間エネルギービーム輸送路(MEBT1)では、通常、空間電荷中和を利用していないが、ガスシートを導入することで空間電荷中和とみられるエミッタンスの改善が報告されている。本報告では、MEBT1をモデルとした数値計算によって、その特性の評価を実施することで空間電荷中和の過程を明らかにし、その結果を元に計算モデルを提案する。
公開特許公報