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論文

High intensity beam studies for the new MEBT1 design

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。

論文

大強度線形加速器における非線形空間電荷力によるビーム損失の抑制手法の評価

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。

口頭

GAMMA10/PDXにおけるエンド領域を活用した水素リサイクリング研究

坂本 瑞樹*; 大木 健輔*; 吉川 基輝*; 寺門 明紘*; 野原 涼*; 野尻 訓平*; 中嶋 洋輔*; 福本 正勝; 市村 和也*; 細田 甚成*; et al.

no journal, , 

GAMMA10/PDXでは、ミラー端部に設置したダイバータ模擬実験モジュールを用いて、境界プラズマの物理とプラズマ壁相互作用が調べられている。本研究では、モジュール内に設置したタングステン製のV字ターゲットに端損失プラズマを照射し、リサイクリングに対する水素ガス入射の影響とターゲット温度の影響を調べた。モジュールに入射する直前の電子密度と電子温度はそれぞれ3.0$$times$$10$$^{17}$$m$$^{-3}$$と10eVであったが、モジュール内に水素ガスを1.23Pa導入することで、V字ターゲットのコーナー部ではそれぞれ0.6$$times$$10$$^{17}$$m$$^{-3}$$と3eVに低下した。このことから、V字ターゲットのコーナー部では非接触プラズマが形成されていると考えられる。また、同部で測定したH$$_{alpha}$$とH$$_{beta}$$の強度比から評価すると、分子活性化再結合が発生している可能性が高い。さらに、V字ターゲットの温度上昇と共にコーナー部での電子密度とH$$_{alpha}$$信号強度の増加が観測された。これにより、ターゲットの温度上昇によってリサイクリングが増加する可能性が示唆された。

口頭

GAMMA10/PDXエンド部における非接触プラズマ形成とその特性評価

中嶋 洋輔*; 市村 和也*; 武田 寿人*; 岩元 美樹*; 細田 甚成*; 清水 啓太*; 大木 健輔*; 坂本 瑞樹*; 大野 哲靖*; 門 信一郎*; et al.

no journal, , 

GAMMA10/PDXでは、非接触プラズマの生成と特性評価を目的として、ダイバータ模擬実験モジュール内部に設置したV字ターゲットへのプラズマ照射実験を行っている。ダイバータ模擬実験モジュール内に水素または希ガス(アルゴンやキセノン)を入射することで、V字ターゲット前面での非接触プラズマの形成に成功した。このとき、V字ターゲットへの熱粒子負荷の減少を観測した。また、V字ターゲットのコーナー部で測定した電子温度が数十eVから3eVに低下した。この電子温度の低下は分子活性化再結合が原因である可能性が高い。また、非接触プラズマの形成には、モジュール内へ水素ガスとキセノンガスの両方を入射することが効果的であった。

口頭

J-PARCリニアックにおける空間電荷効果によるエミッタンス増大の抑制手法の評価

地村 幹; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器におけるビーム強度は、最先端実験の効率や稀な事象の探索の精度を決定する重要なパラメータである。大強度ビームでは、空間電荷効果によるエミッタンスの増大および、それに伴うビーム損失による機器の放射化の増加がビーム強度を制限してしまう。その効果によるエミッタンスの増大の起源を同定するため、J-PARCリニアックをモデルとしたビームシミュレーションを実行した。その結果、空間電荷力の非線形力がビーム分布の歪みとエミッタンスの増大を引き起こしていることを確認した。そこで、空間電荷力の非線形成分と同様にビームに非線形力を与える多極電磁石を用いることによってエミッタンスの増大を抑制する手法を新たに考案し、シミュレーション上でその手法を検証した。J-PARCリニアック上流部のビーム輸送ラインに八極電磁石を導入した場合、エミッタンスの増大を2割程度抑制可能であることを示した。本発表では、多極電磁石を用いた空間電荷効果によるエミッタンス増大の新たな抑制手法について報告する。

口頭

J-PARCリニアックにおける八極磁場を用いた空間電荷補償

地村 幹; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計

no journal, , 

加速器ビームの大強度化は、ビームの空間電荷効果に起源を持つビーム損失も増加させ、機器の放射化を引き起こすため、保守の観点から強度を制限せざるを得なくなる。多くの場合にはビーム損失機構は共鳴現象によって理解される一方、空間電荷場が非常に強い加速初期領域では、その非線形性に起因する短距離で急激なエミッタンス増大が引き起こされる。このエミッタンス増大はその地点の放射化への影響は小さいが、それ以降のビーム損失を増加させる原因となり、大強度化を阻害する根本的な要因となる。本研究は、このエミッタンス増大を抑制する新たな手法として、非線形な場である八極磁場を印加することで空間電荷場の非線形項を補償する手法を提案し、シミュレーションコードIMPACTを用いて、大強度陽子線形加速器J-PARCリニアックをモデルとしたビームシミュレーションを実行した。その結果、八極磁場を印加することでビーム分布の外核部における広がりが抑制されていることが確認でき、ビーム損失を計算上抑制できた。本発表では、八極磁場を用いた空間電荷補償の結果を報告し、実験計画についても言及する。

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