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論文

J-PARC RCSにおけるさらなる大強度化に向けたビーム損失起源の同定と抑制

小島 邦洸; 原田 寛之; Saha, P. K.

Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.127 - 131, 2023/11

本研究はJ-PARCにある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。そのため、ビーム損失の低減は大強度化を目指す上で重要度の高い課題である。現在、RCSでは、設計出力1MWの大強度ビームにおいてビーム損失を0.1%程度にまで低減することに成功している。空間電荷力の影響を受けにくい位相空間内の振幅の大きな粒子はビーム損失の原因となりやすい。つまり、動作点近傍のビーム損失起源となる共鳴の同定と補正は安定領域の拡大とビーム損失の低減をもたらし、より一層の大強度化に貢献する。RCSにおけるビーム損失起源の同定に向け、ビーム重心が水平・進行方向の位相空間内を大振幅で振動するような特殊な入射ビームを用いた実験を実施した。その結果、クロマティシティとシンクロトロン振動で生じるチューンシフトによるビームの2次非構造共鳴($$2nu_{x}=13$$)への抵触がビーム損失に繋がることを明らかにした。さらに、補正四極電磁石6台をそれぞれ励磁し、当該共鳴が補正可能であることを実証した。今後は補正四極電磁石の励磁量の最適化を進めていく。本発表では、これらの実験結果を報告し、ビーム損失起源とその補正手法について議論する。

論文

非破壊型静電セプタム試験機によるビーム分離実験と装置改良の検討

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。

口頭

ハドロン加速器用縦方向ビームプロファイルモニタの精度向上に向けた電子挙動シミュレーション

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。

口頭

大強度線形加速器を想定したシミュレーションモデルの構築

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。

口頭

大強度イオン線形加速器の基本設計用多粒子シミュレーションモデルの構築

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。

口頭

J-PARC RCSのさらなるビーム損失低減と大強度化に向けた非構造共鳴の補正

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1MW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$$2nu_{x}=13$$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$$2nu_{x}=13$$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。

口頭

大強度陽子加速器における遅い取り出しのための非破壊型静電セプタムの開発

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。

口頭

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける非同期粒子に対する八極電磁石を用いた三次共鳴補正

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)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。RCSのような大強度の陽子シンクロトロンでは、割合としては僅かなビーム損失でも装置を放射化させ、ビーム出力を制限する。このビーム損失を引き起こす主な要因として、共鳴現象が挙げられる。加速器中の粒子は、加速器の設定パラメーターで決まる範囲内で、進行方向に対して垂直に振動している。その振動数と加速器の構造の周期が一定の関係を満たせば共鳴を引き起こし、粒子の振幅は増大し、ビームパイプに衝突して損失する。これを避けるために、別な磁場を重畳することで、共鳴を駆動する力を打ち消す操作(補正)が一般的に行われている。RCSでは、共鳴現象の一種である三次差共鳴が、6極電磁石を用いた磁場の重畳により補正されている。一方で、粒子の運動は磁場により制御されるため、運動エネルギーの異なる粒子は受ける力の大きさも異なる。そのため、共鳴補正のために重畳する最適な磁場の強度も、各粒子の運動エネルギーに依って異なる。現在の6極電磁石のみを用いた補正には、このエネルギーのずれが考慮されていない。したがって、三次差共鳴の補正が不完全であり、設計値からずれたエネルギーを持つ粒子が、三次差共鳴への抵触により損失している可能性が高い。そこで我々は6極電磁石に加えて8極電磁石を用いることで、各粒子の運動エネルギーのずれに依らず、十分な共鳴補正を実現できる新たな手法を考案した。本発表では、新手法の詳細に加えて、その効果を数値シミュレーションにより検証した結果について報告する。

口頭

数値計算を用いたバンチ状ビームに対する空間電荷中和現象の特性評価

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。

口頭

Study on the random resonance for further beam power ramp-up in J-PARC RCS

小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; Saha P. K.

no journal, , 

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のようなMW級の大強度陽子加速器はビーム損失により出力が制限される。そのため、RCSの設計出力を超える大強度化を目指す上で、より一層のビーム損失の低減は必要不可欠である。特に、ビームが進行方向に垂直な方向に行う振動と、加速器の構造の周期が一定の関係を満たすとき引き起こされる、共鳴現象は多大なビーム損失に繋がる恐れがある。これを避けるために、収束力を調整し、ビームの振動数を慎重に制御している。一方で、大強度化はビームの高密度化に繋がり、クーロン斥力の影響を顕著化する。その結果、ビームの振動数は密度に依存した幅を持つようになり、共鳴条件への抵触を避けることが困難になる。特に、RCSのビーム大強度化においては、半整数共鳴条件への抵触が避け難い状況となっている。そこで、本研究では、半整数共鳴を補正し、その影響を打ち消すことを試みた。一連のビーム試験の結果、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程度にまで低減する補正状況を達成した。本発表では、共鳴補正手法と実験結果に関して報告する。

口頭

Space charge neutralization on a pulsed beam in MEBT with gas sheet beam profile monitor

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。

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