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論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012102_1 - 012102_5, 2019/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

Energy measurement and correction for stable operation in J-PARC

守屋 克洋; 原田 寛之; Liu, Y.*; 大谷 将士*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012140_1 - 012140_5, 2019/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

In Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), the beam accelerated up to 400 MeV in the Linac is injected to 3 GeV rapid cycling synchrotron (RCS), and we realize the high intensity beam by using multi-turn injection. During user operation, we rarely detected the beam loss at the high dispersion area in the RCS or the beam collimator section in the extraction beam transport line. These incidents indicate that the beam loss is caused by the momentum shift of RCS injection beam according to the experimental and simulation results. In the beam commissioning, we check the Linac beam momentum just before the user operation of the RCS. However, we could not previously measure the Linac beam momentum during the user operation because we adopt the multi-turn injection and the injected beam momentum was changed by the synchrotron oscillation in longitudinal plane. Therefore, we measured the beam momentum at the beam injection line of the RCS. Because the Linac-to-3-GeV-RCS Beam Transport line (L3BT) has the high dispersion areas, we estimated the injection beam momentum from the beam orbit data by the Beam Position Monitors (BPMs). We measured the beam position data and estimated the momentum shift by using the data and beam simulation. As a result, we found the momentum fluctuation during the user operation and the fluctuation width was up to 0.1%. To suppress the beam loss induced by the momentum fluctuation, we developed the momentum correction system. The fluctuation was suppressed less than $$pm$$0.02% with this system. Finally, the beam loss incidents induced by the beam momentum shift no longer occur, and we successfully achieved the more stable user operation in J-PARC.

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ビームコミッショニングの進捗報告; 1MW以上のビーム出力の実現に向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.574 - 578, 2019/07

J-PARC RCSは、2018年の7月に、設計出力1MWの試験運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、さらに高いビーム強度でのビームの振る舞いを調査することが必要となるため、RCSでは、2018年10月と12月に、1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初、1$$%$$程度の有意なビーム損失が出現したが、ベアチューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功した。本発表では、上述の大強度試験結果、特に、その際に出現したビーム損失の発生メカニズムやその低減のために行った一連の取り組みに焦点を当てて報告する。

論文

Development of two-mirror multi-pass laser system to reduce laser power for laser stripping injection at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 佐藤 篤*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.841 - 845, 2019/07

In the 3-GeV RCS of J-PARC, a laser stripping of 400 MeV H$$^{-}$$ (negative hydrogen) to proton for charge-exchange injection (CEI) is under studied. The aim is to overcome the issues and limitations associated with a stripper foil used for that purpose. To reduce the laser power, which is one of the main issues with laser stripping, we consider a two mirror multi-pass laser system for multiple interactions of the H$$^{-}$$ beam with reflected laser light. The seed laser energy can be significantly reduced, which is almost inversely proportional number of interactions. At present we are developing such a cavity with Nd:YAG laser for H$$^{-}$$ neutralization to H$$^{0}$$, which will be first tested for 3 MeV H$$^{-}$$ beam at J-PARC RFQ test facility. Once the system is developed for the 3-MeV H$$^{-}$$, it can be easily applied for the 400 MeV H$$^{-}$$ stripping. The development status of the laser system and details of experimental strategies are presented.

論文

J-PARCにおける重イオン加速の検討

原田 寛之; Saha, P. K.; 金正 倫計

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.179 - 182, 2019/07

宇宙最高密度の巨大な原子核である「中性子星」に関して、中性子星同士の合体で発生した重力波の観測に、2017年人類で初めて成功した。その重力波観測によって、人類が未解明である中性子星内部の構造情報の取得が可能になった。そして、ミニ中性子星合体と相似のGeV級の高エネルギー重イオン衝突実験による宇宙最高密度物質やハイパー核の研究が世界中で加熱しており、米国RHIC加速器BES-IIプログラム,ドイツFAIR計画,ロシアNICA計画などの大型研究計画が進められている。大強度陽子加速器施設J-PARCは、MW級の大強度陽子ビームを多くの最先端実験施設に供給している。このJ-PARCを最大限活用するために、重イオンビームの加速に関して検討・設計し、世界最高強度の重イオンを供給可能な加速器施設を提案している。本講演では、J-PARCにおける陽子ビームの現状を報告し、提案している重イオン加速に関して紹介する。

論文

非破壊型遅いビーム取り出し装置の提案

下川 哲司*; 原田 寛之

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1156 - 1158, 2019/07

粒子加速器で加速されたビームは、原子核・素粒子実験等の学術研究や放射線がん治療等の医療応用に利用されており、世界中で科学技術の基盤の一つとなっている。多周回にわたりシンクロトロンからビームを取り出す、遅い取り出しではビームは広げながら静電セプタムで削りつつ取り出されている。その静電セプタムは、周回ビームと取り出しビームを振り分けるために、電極とセプタム面で構成される。一般的に、ワイヤや電極板がそのセプタム面として用いられている。しかし、この場合では、ビームが衝突し放射化の要因ともなり、結果的に取り出し効率やビーム出力を制限してしまう。そこで、我々は非破壊型のセプタム電磁石を新たに提案する。多段電極によって電場を発生させ、非破壊にビームを分離する手法であり、ビーム軌道付近に物質がないため、有効な手法となりうる。本発表では、その非破壊型静電セプタムの概要などを報告する。

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。

論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.2009 - 2012, 2019/06

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

Dynamic variation of chromaticity for beam instability mitigation in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 發知 英明; 菖蒲田 義博; 原田 寛之; 田村 文彦; 渡辺 泰広; 高柳 智弘

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.171 - 173, 2019/06

In order to mitigate beam instability in the RCS caused by the impedances of the extraction kicker magnets, an application of dynamic variation of the chromaticity has been studied. The beam instability, especially for a high intensity beam delivered to the MR is one of the main issues in the RCS because of maintaining a smaller beam emittance as compared to that for the MLF beam. In this research, such a beam instability has been successfully mitigated by introducing dynamic variation of the chromaticity by using bipolar Sextupole magnetic fields. The method includes a partial chromaticity correction at lower beam energy to reduce the chromatic tune spread required to minimize the beam loss and the beam emittance, while introducing an excess of chromaticity at higher beam energy to utilize larger chromatic tune spread to enhance the Landau damping for beam instability mitigation. The method has been established based on detail numerical simulations by using ORBIT code and the corresponding experimental studies. The method has already been successfully implemented for the RCS beam operation to the MR.

論文

ビーム物理研究会・若手の会

原田 寛之; 坂上 和之*

加速器, 15(3), p.143 - 150, 2018/10

日本における多くの学協会や団体では、次世代を担う若手科学者の自立性を高める事を目的として、若手の会を設立する動きが加速している。2018年3月、粒子加速器やレーザーにおけるビーム物理と呼ばれる基礎研究を行う若手科学者らによって「ビーム物理研究会・若手の会」が発足した。本稿では、本会の設立のきっかけや設立までの経緯、目的や活動内容、組織や会員の状況を説明する。最後に我々の将来的な展望に関しても言及する。

論文

Cavitation damage in double-walled mercury target vessel

直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 506, p.35 - 42, 2018/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:70.85(Materials Science, Multidisciplinary)

J-APRCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、ビーム窓と呼ばれる厚さ3mmの先端部分が、陽子線励起圧力波よるキャビテーションにより壊食損傷する。この損傷は容器の構造健全性を低下させ、容器の寿命の決定因子となっている。我々は、2014年からキャビテーション損傷及びそれを誘発する圧力波を低減するために、気泡注入に加えて狭隘流路を設置することで、ビーム窓の水銀流速を速める2重壁構造を採用し、300$$sim$$500kWの強度で運転を行った。使用済みの容器を切断し、内壁を観察した結果、狭隘流路の内側で最大深さ約25$$mu$$mの帯状の損傷が観測された。この原因を調べるために、負圧の持続時間に着目した圧力波伝ぱ解析を実施した結果、ビーム入射直後から1msまでに生じる負圧の持続する時間をマッピングした結果と、形成された損傷の分布がよく対応しており、比較的短時間の負圧によって生じるキャビテーションが損傷形成に寄与していることを示唆した。

論文

J-PARC RCS; 入射バンプ電磁石に内在する非線形磁場成分が周回ビームに与える影響

發知 英明; 原田 寛之

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.371 - 375, 2018/08

J-PARC 3GeV陽子シンクロトロン(RCS)では、4台のバンプ電磁石(2極電磁石)を用いてビーム入射を行っているが、それらは大口径であるがゆえに有意な非線形磁場成分を含む。この局所的に存在する非線形磁場成分は高次の非構造共鳴を通してビームに有意な影響をもたらす。本発表では、磁場測定で評価した非線形磁場成分を導入して行った数値シミュレーション結果やビーム試験結果を用いて、その非線形磁場成分が引き起こすエミッタンス増大やビーム損失の発生メカニズムを議論すると共に今後の補正シナリオを紹介する。

論文

Progress status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ laser stripping at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 岡部 晃大; 菅沼 和明; 山根 功*; 入江 吉郎*; Liu, Y.*; et al.

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.806 - 810, 2018/08

To ensure stable operation of J-PARC RCS at 1 MW beam power and beyond, an alternative H$$^{-}$$ stripping injection method other than using stripper foil has to be implemented. A short life time of the foil due to foil degradation caused by high intensity beam irradiation as well as an extremely high residual radiation at the injection area caused by the foil beam scattering beam loss are two serious issues not only to maintain a long-term stable operation, but also for the facility maintenance. The laser stripping of H$$^{-}$$ holds the promise of overcoming and eliminating the above issues, as it has no lifetime issue as well as completely nondestructive. To establish and develop the new method for the RCS operation, a POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ stripping by using only laser has to be carried out first. The progress status of the POP experiment, which includes recent beam study and simulation results for the H$$^{-}$$ beam manipulations to reduce the laser power is presented.

論文

レーザー荷電変換入射の原理実証実験に向けたレーザーシステムの開発

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 井上 峻介*; 佐藤 篤*; 菅沼 和明; 山根 功*; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.811 - 815, 2018/08

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を繰り返すことで、ビーム自身が散乱され制御不能なビーム損失が原理的に発生する。加えて、大強度出力ではビームの衝突時の熱や衝撃による膜の破壊が生じる。大強度陽子ビームの出力や運転効率は、このビーム損失による残留線量や膜の寿命による制限が懸念される。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜を用いた荷電変換入射に代わる新たな入射手法が必要となる。J-PARC 3GeVシンクロトロンでの設計出力を超える大強度化に向けて、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに考案した。その原理実証実験に向けて、レーザーシステムの開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、レーザーシステムの開発状況を報告する。

論文

Status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H- stripping to proton by using only lasers at J-PARC

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 入江 吉郎*; 山根 功*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.422 - 427, 2018/07

The laser stripping of H$$^{-}$$ is the most advanced application of the laser manipulations of H$$^{-}$$ beams, especially at high intensity accelerators like J-PARC. The first stage of the present research includes non-destructive beam measuring as well as online morning by using lasers, which is highly essential at J-PARC as the beam power is approaching to 1 MW and beyond. In addition, it is also highly required to replace the stripper foil by lasers used for multi-turn H$$^{-}$$ charge exchange injection in RCS. Extremely high residual radiation due to beam losses caused by the foil-beam interaction and short lifetime of the foil are serious issues for facility maintenance and stable operation. To overcome the issues and limitations associated with foil, in the present research we will perform a proof-of-principle demonstration of H$$^{-}$$ stripping to protons by using lasers, which is essential not only at J-PARC, but also for similar existing and proposing high intensity proton accelerators worldwide.

論文

ORBIT simulation, measurement and mitigation of transverse beam instability in the presence of strong space charge in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 田村 文彦

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.620 - 623, 2018/06

The transverse impedance of eight extraction pulse kicker magnets (KM) is extremely strong source of transverse beam instability in the 3-GeV RCS (Rapid Cycling Synchrotron) at J-PARC. To realize the designed 1 MW beam power, collective beam dynamics with including the space charge effect for the coupled bunch instabilities excited by the KM impedance and associated measures were studied by incorporating all realistic time-dependent machine parameters in the ORBIT 3-D particle tracking code. The simulation results were all reproduced by measurements and, as a consequence, an acceleration of 1 MW beam power has been successfully demonstrated. In order to maintain variation of the RCS parameters required for multi-user and stable operation, realistic measures for beam instability mitigation were proposed in this study and also been successfully implemented in reality.

論文

Pulse-by-pulse switching of operational parameters in J-PARC 3-GeV RCS

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

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1041 - 1044, 2018/06

The J-PARC 3-GeV RCS (rapid cycling synchrotron) provides a high-power beam to both the MLF (materials and life science experimental facility) and the MR (main ring synchrotron) by switching the beam destination pulse by pulse. The beam properties required from the MLF and the MR are different; the MLF needs a wide-emittance beam with less charge density, while the MR requires a low-emittance beam with less beam halo. To meet such conflicting requirements while keeping beam loss within acceptable levels, the RCS has recently introduced a pulse-by-pulse switching of the operational parameters (injection painting emittance, chromaticity and betatron tune.) This paper reports such recent efforts toward the performance upgrade of the RCS including the successful beam tuning results for the parameter switching.

論文

Measurement of each 324 MHz micro pulse stripping efficiency for H$$^{-}$$ laser stripping experiment in J-PARC RCS

Saha, P. K.; 岡部 晃大; 三浦 昭彦; 林 直樹; 原田 寛之; 吉本 政弘

Proceedings of 6th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2017) (Internet), p.233 - 236, 2018/03

The study of H$$^{-}$$ stripping by using lasers in J-PARC RCS requires measuring stripping efficiency of every 324 MHz micro pulse of the H$$^{-}$$ beam. It is not so straight forward and at present there has no sophisticated monitor system for that purpose. We considered a new measurement technique by using BPM (Beam Position Monitor) electrode signal taken by a fast oscilloscope. To test, we used charge-exchange type beam halo scrapper for the H$$^{-}$$ stripping. The unstripped H$$^{-}$$ and the stripped protons separated by bending magnets in the downstream of the scrapper were simultaneously measured by two BPMs. The H$$^{-}$$ micro pulses separated by 3.08 ns were clearly measured and the stripping efficiency of each micro pulse was also precisely obtained. Further detail studies are ongoing for better time resolution and also for multi-dimensional applications of the present measurement technique to obtain micro level information of the H$$^{-}$$ beam for beam dynamics studies and optimization of the Linac beam.

論文

Simulation, measurement, and mitigation of beam instability caused by the kicker impedance in the 3-GeV rapid cycling synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 田村 文彦; 谷 教夫; 山本 昌亘; 渡辺 泰広; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(2), p.024203_1 - 024203_20, 2018/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:26.29(Physics, Nuclear)

The transverse impedance of the extraction kicker magnets in the 3-GeV RCS of J-PARC is a strong beam instability source and it is one of the significant issue to realize 1 MW beam power as practical measures are yet to be implemented to reduce the impedance. In the present research realistic simulation by updating the simulation code to cope with all time dependent machine parameters were performed in order to study the detail of beam instability nature and to determine realistic parameters for beam instability mitigation. The simulation results were well reproduced by the measurements, and as a consequence an acceleration to 1 MW beam power has also been successfully demonstrated. To further increase of the RCS beam power up to 1.5 MW, beam instability issues and corresponding measures have also been studied.

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