T2K実験ニュートリノビームの増強のための
J-PARC MR INTRA-BUNCH FEEDBACK SYSTEMの開発
高エネルギー物理学研究室
仲村佳悟

1動機: ニュートリノ振動• ニュートリノが飛行中に別のフレーバーのニュートリノに変わる現象。
• フレーバー固有状態と質量固有状態が違う時に起きる。
• 混合はPontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata(PMNS)行列で記述
01
UP M N S = @ 000c23s23100s23 A @c23i CPc130s13 ei CP0 s13 e
100c1310c12
A @ s120s12c12010
cij = cos ✓ij
A01sij = sin ✓ij• ミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動確率はPMNS行列
222とΔmij =mi - mj 、距離L、エネルギーEを用いてP (⌫µ ! ⌫e )=sin2 ✓23 sin2 ✓13 sin2
sin 2✓12 sin 2✓23sin2 sin ✓132m231 L
4E
m221 Lsin2 2✓13 sin2
4E

m231 Lsin CP
4E

T2K実験
• 基線長295kmの長基線ニュートリノ振動実験• 2014年には電子ニュートリノ出現を発見• 現在反ニュートリノビームでの実験を行っている。
• ニュートリノと反ニュートリノの振動確率の違い

からδCPがわかるP (⌫µ ! ⌫e ) P (¯⌫µ ! ⌫¯e )ACP =⇠P (⌫µ ! ⌫e ) + P (¯⌫µ ! ⌫¯e )3m212 L sin 2✓12sin CP
4E
sin ✓13

J-PARC• 茨城県東海村にある(バンチ：粒子の集まり)

大強度陽子加速器施設

400MeV!H>!Linac

• LINAC(400MeV)、RCS(3GeV)、MR(30GeV)で構成

3GeV!Rapid!Cycling!
Synchrotron!!(RCS)

• RCSからMRへは2バンチずつ、Main!Ring!Synchrotron

4回(計8バンチ)入射される• ニュートリノビームラインへは2.48秒毎に１発!Y.Sato• MRの設計強度は750kWだが、現在~360kWで運転
42年前の状況• 2014年電子ニュートリノ出現を発見。 • 当時のJ-PARCの強度は240kW• 28個の電子ニュートリノ候補• 当時ためたデータは目標の8%• 現在、約25%の統計誤差。

(系統誤差は約8%)電子ニュートリノ出現のエネルギースペクトラム

δCPの感度
目標現在のデータ量(POT:標的に当たった陽子の数)

ビーム強度増強がダイレクトにT2Kの物理に繋がる！
5

• 2013年• 4月:入学• 5月23日:13:45~:スタッフに加速器をテーマにしたいことを伝える。
• 5月23日:15:15~:ハドロン実験ホールにて放射性物質漏洩事故• 9月11日: J-PARCでの打ち合わせ(研究スタート)• 2014年• 2月28日: モニターインストール• 4月 頃: 加速器性能確認開始• 5月 8日:feedback試験• 5月15日:水平方向Intra-bunch feedback system 導入• 5月26日:ニュートリノ利用運転再開• 6月11日:水平方向Intra-bunch feedback system 導入
6

ビームを増強するには・・・• MRのビームは

EM R [GeV ]PRCS [kW ]PM R [kW ] = 0.16[s]ERCS [GeV ]TCycle [s]• RCSのパワー(PRCS)を上げる：現在1MWに向けて鋭意調整中• MRのエネルギー(EMR)を上げる：偏向電磁石がサチる• 繰り返し周波数(Tcycle)をさげる :現在電源を改良して2.4s->1.0sに• それ以外にもビームがロスするとダクト等が放射化されるため安全性やメンテナンス性に問題。
• ビームロスによってビームパワーが制限されている。

7ビームロスの原因：ビーム不安定性• ビームの発生させた電磁場(ウェイク場)がビームを蹴り飛ばす。

->ビームが振動して粒子が失われる。
• 不安定性が起きると数十kWのロス->不安定性がビーム強度を制限している。
運転中に観測された不安定性
betatron'oscilla8on'amplitude

Number'of'Protons(x1013)

1バンチの振動の様子

振動がない場合は赤線
8	105加速開始

0.1''''''''''''''''''''''''0.2''''''''''''''''''''''''''''secビームロスの原因：入射キッカー• ３、４回目の入射で入射キッカー立ち下がりや反射によって既に入射されているバンチ(1バンチ目、３バンチ目)が蹴られて振動を引き起こす。
->ビームロスの原因に
7バンチ目、8バンチ目の入射キッカーに流れる電流

9フィードバックシステム• 振動が大きくなる前に補正を加えてビーム不安定性やビームロスが起きないようにする。
• 2009年バンチ毎に位置を検出してキックを加える

バンチ毎(Bunch-by-Bunch:BxB)フィードバックシステ
ムを開発。
• 不安定性を抑えるのに成功し

Number%of%par4cles(×1013)
9.2
9.0
8.8
8.6
sec
0%%%%%%%%%%%%%%%%%%%0.2%%%%%%%%%%%%%%%%%%0.4%%%%%%%%%%
Sec

現在利用運転に使用中	

フィードバックなし

フィードバックあり"

Number%of%par4cles(×1013)
9.2
9.0
	

E8.8

108.6
sec
0%%%%%%%%%%%%%%%%%%%0.2%%%%%%%%%%%%%%%%%%0.4%%%%%%%%%%SecINTRA-BUNCH FEEDBACK SYSTEM• バンチ毎フィードバックはバンチにつき１つのキック(~1.7 MHz)のため、バンチ内の振動(~50 MHz)は抑えられない。
• バンチ内の振動がビーム不安定性やビームロスの原因に。
• バンチについて複数のキックを加えられたらバンチ内の振動が抑制できるはず• バンチ内(Intra-bunch:IB)フィードバックシステムを開発

キッカー

位置モニタ

バンチ毎フィードバック

位置モニタ信号11

バンチ内
フィードバックCHALLENGE• より高いClock周波数• バンチ毎フィードバック:1.7MHz -> バンチ内フィードバック:108MHz• より精密な調整• 許されるエラーは

バンチ毎フィードバック ~500ns -> バンチ内フィードバック ~10ns• 要素(モニタ、キッカー、信号処理回路)の高周波化• ビーム位置モニタ

バンチ毎フィードバック ~50MHz -> バンチ内フィードバック ~1.0GHz• キッカー

バンチ毎フィードバック ~50MHz -> バンチ内フィードバック ~100MHz• 信号処理回路

バンチ毎フィードバック ~128Ms/s -> バンチ内フィードバック ~512Ms/s

BEAM POSITION MONITOR

13

BPMの原理• ある点(x,y)に線電荷密度λがある時半径aのダクトに励起される電荷分布は• 電極が0°、180°にあったとすると、二次の項を無視すれば
y(0)(180)x=2(0) + (180)a−−−σ(a, θ)−−+λ• となり、非対称性から位置を求められる。

x(r, φ)
−−−−

14−−−

STRIPLINE BPMの特性
ストリップラインBPMの伝達関数F(ω)はZ 2lc
F (!) = i!
s(t)e i!t dt

ストリップラインBPMの図0s(t)はステップ応答=>z方向のビーム結合
通常のstripline BPMの場合感度がない部分があるVs(t) = K
t=2l/ctl!
|F (!)| = |K sin |c⇡
ArgF (!) =2l!
c15

ビーム結合をexponentialにする→電極をexponential変化させるV

K/2*exp(+a)

t

t=2l/c|F (!)| = q

K!lc
2 2a2 + 4!c2l

Arg(F (!)) = arctan✓

Kctas(t) =exp()
22l

1 + e 2a

2e a cos2!l2!lasin+a(ecc2!l acos 2!lc (ec )2!lc◆ 12cos 2!lc )a sin 2!lc

実際にaが大きい時はK!l|F (!)| = q
2 2
a2 + 4!c2l

HPFと同じ特性→高周波まで感度を持つ
16!

FABRICATION AND INSTALL
30mm

134mm
7mm

300mm

Abort

MR	

17147mmSTRETCHED WIRE METHOD &TIME DOMAIN GATE
ワイヤーを張りNetwork Analyzer(NA)で測定。

800#
PORT1BPM

ワイヤーとダクトの作る特性インピー
ダンスが~300ΩΩのため信号が反射する
time domain gate(TDG)で反射の影響をなくす。

3ns
3+6ns	

500#

wire
PORT2

6ns
6+12nsport2のNAの出力

この部分をFFT

18500#POSITION SENSITIVITY & TRANSFER IMPEDANCE

入力(電流)と出力(電圧)のスペクトル比からtransfer impedance を導出。

Vup Vdown=⌃
Vup + Vdown-30mm~30mmでワイヤーを動かし、Δ/Σを3次関数でFit。
1次の係数(の逆数)を位置感度係数として算出
青線:通常のモニタ

緑線:指数関数型計算値
赤線：指数関数型実測値

 = 37.17 ± 0.08

19

FEEDBACK SYSTEM

20フィードバック試験
水平方向• 入射キッカーの立ち下がりによるキックで励起される

垂直方向• 不安定性によるビームロスが発生• 不安定性を抑えられるかの試験

詳細は修士論文->不安定性を抑えられることを確認。

21

Number'of'par,cles(×1013)

内部振動の抑制試験

IBフィードバックオフ	

0.4
0.2'''00''''''''''''0.5''''''''''1.0''''''''''1.5Secビーム試験結果:水平方向
BxBフィードバック

フィードバックなし

IBフィードバック

モニタ信号の振幅周波数成分の遷移

周

周

周

周

周

周

バンチ内フィードバックによってより速く振動を抑制することに成功。
22

バンチ内振動の様子
フィードバックオフ

バンチ毎フィードバック

バンチ内フィードバック
バンチ内振動も素早く抑制できていることを確認した。

23

マクロ粒子を用いたシミュレーション• フィードバックシステムの効果を評価するためにシミュレーションを自作(水平方向のみ)。
• 沢山の粒子を一つにまとめて(マクロ粒子)粒子ごとにビームの進行方向と横方向の運動方程式を解き、信号とフィードバック量を計算。
• ウェイク場や、加速は考慮に入れていない。パラメータはビーム試験と同じ。

64slices

xz
ビームの進行方向24	

シミュレーションと試験の比較
ベータトロン振動(75kHz)の減衰を比較
BxBフィードバック

フィードバックなし

IBフィードバック

シミュレーション

ビーム試験

周周

周

周

周

周

ビーム試験とオーダーは一致。
定性的ではあるがフィードバックシステムを再現できた。
25

利用運転
• 入射時ビームロスが350W->170Wまで減少• 2014年12月には現在までの最高強度である260kW(~265kW)を達成。
• 現在~360kWまで増強

13

大強度試験では~3.5x10 ppb(8bunchで528kW相当)の加速に成功!
• １年間で反ニュートリノビームを1.8x10^20POT供給

粒子数モニタ26

まとめ• T2K実験ではビーム増強が最重要• J-PARC MRにおいてビームロスを抑えるためのバンチ内フィードバックシステムを開発。
• バンチ内フィードバックシステムによってビームロスを減らすことが出来た。(単純にon、offで数十kWの違い)• 利用運転に組み込みニュートリノビームを供給->目標

データの約2 %• 今後も調整を続け、2017年までに現行電源で400kWを目指す。
27

謝辞
多くの人のご指導とご支援のお陰でこの賞を取ることが出来ました。
ここに感謝申し上げます(敬称略)。
小関忠、外山毅、陳栄浩、飛山真理、岡田雅之、帯名崇、菖蒲田義博、久保木浩功
佐藤洋一、原田寛之、五十嵐進、栗本佳典、下川哲司
及びJ-PARC MRグループの皆様
小林隆、藤井芳昭、Megan Friend、石田卓、石井孝信、中平武、仲吉和男、坂下健、関口哲郎、多田將、塚本敏文、山田善一
及びKEKニュートリノグループの皆様
中家剛、市川温子、南野彰宏、家城佳、木河達也、鈴木研人、黄坤賢、高橋将太
廣田誠子、平木貴宏、林野竜也、吉田健人、山本実加、近藤圭祐、江 淼、
京都大学ニュートリノグループの皆様
上路市訓、中桐洸太、救仁郷拓人、石山優貴
及び京都大学高エネルギー物理学研究室の先輩、後輩、OBの皆様

ありがとうございました！
28

BACKUP29

バンチ内振動の様子
キック直後

100周後

200周後

300周後

フィードバックオフ

BxBフィードバック

バンチ内振動も素早く抑えることに成功！

IBフィードバック

30

フィードバックシステム概要図
ビームモニタ

キッカー

信号処
理回路

タイミング調整信号31

粒子数を増やす
9.0x1013(ppp)IBフィードバックオン

大強度試験
フィードバックオフ: 256 kW
フィードバックオン: 311 kW
32

電極のインピーダンス• 電極のインピーダンスを50Ωに保つ必要がある。
• インピーダンス

は電極の幅、厚さ、電極と中心からの距離で決まる。
33

フィードバック試験
垂直方向の不安定性
Number'of'par,cles(×1013)• 垂直方向• 不安定性によるビームロス• 不安定性を抑えられるか試験• 水平方向• ３、４回目の入射で入射キッカーのエラーによってビームが蹴られて振動を引き起こす。	

0.4

不安定性によるビームロス0.2'''00''''''''''''0.5''''''''''1.0''''''''''1.5

4回目の入射キッカーに流れる電流->ビームロスの原因に• この振動を抑えられるか試験
34

Sec

ビーム試験結果:垂直方向
IBフィードバックオフ

Number'of'par,cles(×1013)

Number'of'par,cles(×1013)• 垂直方向の不安定性を抑えることに成功(ベータトロン振動数45kHz)	

0.4
0.2'''00''''''''''''0.5''''''''''1.0''''''''''1.5

Sec

IBフィードバックオン	

0.4
0.2'''00''''''''''''0.5''''''''''1.0''''''''''1.5Sec

この部分をフーリエ変換

周35

周

36

2014/03/28 28aTR-8	

モニタからの信号
V2l/c

port2l(2l/c V2l/c)

BPM

t	37

ビーム位置モニタ• ４つの電極の非対称性から位置を検出

ビーム方向• 電極を指数関数型にすることで通常(長方形型)のものよりも高周波まで感度を持つ様に設計。
• 1GHzまで位置精度は7%周波数特性の精度は15%
内部の写真• バンチ内フィードバックシステムに導入

青線:通常のモニタ
緑線:指数関数型計算値

感度がない！ 赤線：指数関数型実測値

ビーム方向
38

キック直後フィードバックオフ

BxBフィードバック

IBフィードバック

100周後

200周後

300周後