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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。
守屋 克洋; 小島 邦洸*
no journal, ,
大強度ハドロン加速器の安定運転を実現するために、J-PARCリニアックではバンチシェイプモニタ(BSM)を用いてビーム進行方向のビームプロファイルを測定している。ビームラインに挿入したワイヤへビームを当てることで、ビームと同じ進行方向(縦方向)の分布を持った電子を生成する。この電子を用いてビームの縦方向に沿った分布を測定する。J-PARCリニアックでは、複数台のBSMを設置しているが、測定結果からビームパラメータを算出する際の測定精度が課題となっている。その理由は、前述の通りビームを直接測定するのではなく、ビームと同じ縦方向分布を持つ電子を高周波でけり出し、並べて置かれた検出器で位置情報に変換する等、複雑な過程を経るためである。そのため、縦方向ビームプロファイルの測定精度を向上するためには、途中の過程を詳細に考える必要がある。これまでに電子生成以降から検出までの電子挙動を数値シミュレーションで再現した例はなく、途中までのシミュレーションでも測定と矛盾する報告が多数されている。本発表では、BSM測定精度の向上に向けて、電子生成以降から検出までの電子挙動を、ビームシミュレーションコードとして定評のあるセル内粒子法を用いたコード"Warp"を用いて計算した結果を報告する。計算の結果、高周波でけり出す領域の手前に設置されたスリット幅と、電子を水平方向に収束するレンズ電極の電圧が測定精度を決めていることが分かった。スリット幅が狭いほど測定精度が向上するメリットはあるが、スリットにより電子ビームは削られ、電子収集量は減る。また、レンズ電極は水平方向に電子を集めるが、鉛直方向に発散力が働くため、検出器まで輸送できる電子数が減ることも判明した。なお、電子収集量増減の傾向は、実験結果と一致する。
小島 邦洸*; 岡本 宏己*; 守屋 克洋
no journal, ,
周期的な外力を受けながら伝搬する荷電粒子ビームは、一定の条件下でその外力と共鳴し不安定化することが知られている。円形加速器のように周期性を有する場合は解析的にビームの振る舞いが求まるため、不安定化が生じる条件を求めることができた。一方で、線形加速器の構造はビームエネルギーの増大に伴い加速器の構造長が徐々に増加するため、厳密な周期性を有していない。この周期性の破れにより、共鳴不安定化の進行が或る程度抑制される可能性がある一方で、解析的に解けない問題があった。そのため、J-PARC等の大強度線形加速器では、粒子軌道シミュレーションにより大強度ビームの振る舞いを把握し、加速器運転パラメータを検討している。J-PARCリニアックでは、J. Qiangが開発したセル内粒子法(PIC)コード"IMPACT"を用いている。IMPACTはインプットパラメータの設定が容易という利点がある反面、詳細なビーム条件や加速器の設定ができない。そこで、周期性の破れた線形加速器について系統的に調査するため、D. P. Groteらが開発したPICコード"Warp"を用いた粒子軌道シミュレーション環境の構築を行った。Warpは大強度ビームの振る舞いを把握することに特化しているだけでなく、加速器の設定を自由に構築することができる。本発表では、従来使用してきたIMPACTの計算結果とWarpの計算結果について報告する。結果を比較すると、ビームの振る舞いに大きな違いはないため、WarpはIMPACTの代わりになると言える。
小島 邦洸*; 岡本 宏己*; 守屋 克洋
no journal, ,
周期的な外力を受けながら伝搬する荷電粒子ビームは、一定の条件下で外力と共振し共鳴的に不安定化することが知られている。一方で線形加速器の単位構造長は、一般にはビーム重心エネルギーの増加に伴って徐々に長くなるため、外場は厳密な周期性を持たない。ビームの水平垂直方向の振動(ベータトロン振動)および進行方向の振動(シンクロトロン振動)の振動数(チューン)の変化も単位構造長の変化に伴って推移する場合が多い。したがって、入射時点でのチューンの選択等に依っては、ビームを加速する過程でベータトロンおよびシンクロトロン振動が共鳴する可能性がある。その影響の大小はビームの重心エネルギー、空間電荷力の強弱、共鳴状態の持続時間等に依存した複雑な問題となることが予想される。こういった現象の系統的な調査を念頭に、アルバレ型ドリフトチューブ(DTL)を想定したシミュレーションモデルを構築しParticle-In-CellコードIMPACTに実装した。本講演ではモデルの詳細に加えて、現在稼働中であるJ-PARC DTLの設計パラメーターを参考にして試験的に行ったシミュレーションの結果について報告する。
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。
小島 邦洸; 原田 寛之; Saha, P. K.
no journal, ,
本研究は3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)の大強度・高品質化に貢献するものである。RCSのような大強度加速器においてビーム損失は装置を放射化させ出力を制限するため、その低減は大強度化を目指す上で重要度が高い。現在、RCSは出力1 MW相当でのビーム損失を、0.1%程度にまで低減することに成功している。一方で、更なる大強度出力1.5MWに向け、より一層のビーム損失低減と運転パラメータ設定可能域の拡充が求められる。こういった目的の下、低電流ビームを用いたベータトロンチューンの掃引実験により、ビーム損失起源の同定を試みた。その結果、2次非構造共鳴
への抵触がビーム損失に繋がることを明らかとした。さらに、補正四極電磁石を用いてを補正し、当該共鳴への抵触によるビーム損失の大幅な低減が可能であることを実証した。加えて、同様な補正が大強度ビームを加速する場合にもビーム損失低減に繋がることを確認した。本発表では、これら実験結果を報告し、ビーム損失起源の同定及び補正手法について議論する。
