ビーム輸送系の役割とそのビーム力学ので、運動量ジッターの補正効率を悪化させることなく、運動量拡がりの調整を実行することができる。[1]大強度リングへの入射の際には、縦方向位相空間での空間電荷効果の抑制が必要となる

1. はじめに
J-PARC L3BT は、線形加速器と RCS を接続するビので、運動量拡がりの柔軟な調整を実現することは、非常に重要である。

2.2. 分析モデル

ーム輸送系である。J-PARC は、最終的には 1MW と大強度の陽子ビームを供給する加速器であり、既本項では、空間電荷効果を無視し、簡単な分析モ存の加速器と比べて、ビーム損失を極力低減するデルを用いて、デバンチャーシステムの最適化に必要がある。L3BT は線形加速器と RCS を接続するついて議論する。

だけではなく、RCS でのビーム損失を抑制するた

ここで、(z-Δp/p)位相空間のσz 行列を(2-1)式

めに、運動量拡がりやエミッタンスの大きさを抑で定義する。

制したり、整合を取った入射を行ったりするための重要なセクションである。RCS 入射点で要求さσz = ⎢れるビームパラメータは以下の通りである。

Twiss パラメータは、ビームラインに沿って変化⎡ βz⎣− α z−αz ⎤γ z ⎥⎦(2-1)

運動量拡がり<±0.2%以下するので、一般に、σz 行列はビームラインに沿っビームエミッタンス<6πmm*mrad 以下

た距離 s に関する関数となる。縦方向位相空間で

L3BT は直線部、アーク部、スクレーパ部、およのトランスファー行列が 2×2 行列で表されるのび入射部から構成される。L3BT には 2 台のデバンで、s1 でのσz 行列は、トランスファー行列を用いチャーが設置され、RCS 入射点での運動量拡がりて(2-2)式で表される。

を±0.2%以下にするという要求仕様を満足するために使用される。
本講義では、その中でもデバンチャーとスクレーパのビーム力学について説明する。

2.

デバンチャーシステム

2.1. 序論
一般に、デバンチャーシステムには、2 つの役割がある。 1 つは、リング入射点での運動量拡がりを最小にするために、縦方向位相空間でビームを回転させることである。もう一つは、線形加速器

σ z (s1 ) = M (s 0 : s1 )σ z (s 0 )M T (s 0 : s1 )(2-2)

ここで、M(s0: s1)は、s=s0 から s=s1 までのトランスファー行列である。
デバンチャー空洞は、平衡位相-90 度の thin ギ
ャップとしてモデル化される。そして、デバンチ
ャー空洞のトランスファー行列は、焦点距離 f を用いて(2-3)式で表される。

0⎤⎥
(2-3)
1⎥
⎦
ここで、焦点距離 f は、空洞のパラメータを用い⎡ 1
M f ( f ) = ⎢− 1
⎢ f⎣て、(2-4)式で求まる。

る。L3BT で採用している 2 空洞デバンチャーシス

1 2π q E 0TL= 3f
β γm0 c 2 λ

テムでは、上流の空洞は、リング入射点での運動ドリフトのトランスファー行列は、幾何学的なド出口での運動量のジッターを修正することであ~(2-4)~量のジッターを最小にするために使用され、後段リフト長 l または有効ドリフト長 l = lの空洞は、運動量拡がりを調整するために使用さいて、(2-5)式で表される。

れる。デバンチャーを構成する 2 つの空洞は、それぞれの機能が分離できるよう配置されている

γ 2 を用~⎡l ⎤ ⎡1 l ⎤~ ⎢12 ⎥ =M l (l ) =⎢ γ ⎥ ⎢⎣0 1⎥⎦⎢⎣0 1 ⎥⎦の位置をそれぞれ s=s1、s=s2、そして、リング入(2-5)

ここで、2 種類のデバンチャーシステムの概略のレイアウトを Fig. 1 に示す。

射点の位置を s=s3 とする。すると、2 空洞デバンチャーシステムの総トランスファー行列は(2-6)
式で表される。

~~~
M total = M l ( l3 ) ⋅ M f ( f 2 ) ⋅ M l ( l2 ) ⋅ M f ( f1 ) ⋅ M l ( l1 )
(2-6)

トランスファー行列の各成分は、(2-7)～(2-10)式で計算される。

f 1 f 2 + l 2 l 3 − f 1l 3 − f 2 l 2 − f 2 l 3
f1 f 2

M total (1,1) =(2-7)

f1 f 2 (l1 + l 2 + l3 ) − f1 (l1l 3 + l 2 l 3 )f1 f 2

M total (1,2) =−f 2 (l1l 2 + l1l3 ) − l1l 2 l 3
f1 f 2(2-8)

f1 + f 2 − l 2(2-9)
f1 f 2f f + l l − f1l1 − f1l 2 − f 2 l1
M total (2,2) = 1 2 1 2f1 f 2

M total (2,1) = −(2-10)
一般に、ビーム楕円は、線形加速器の出口の縦Fig. 1 デバンチャーシステムの概略レイアウト:(a) 1 空洞システム; (b)2 空洞のシステム

方向位相空間では、ほとんど直立していて、加速

Fig. 1 (a)に、従来の 1 空洞のデバンチャーシって、簡単のために線形加速器出口では、z=0 とステムのレイアウトを示す。そこでは、運動量拡する。すると、線形加速器出口のσz 行列は(2-11)

がりと運動量のジッターの両方が、1 台の空洞の式で表される。

電圧を調整することによって最適化される。
一方、Fig. 1 (b)に、2 空洞のデバンチャーシ

電場がなくなった後に急速に傾き始める。したが⎡β (s )σ z (s0 ) = ⎢ z 0⎣0⎤γ z ( s 0 )⎥⎦0(2-11)

ステムのレイアウトを示す。このシステムでは、

ここで、線形加速器出口を s=s0 とすると、リング運動量拡がりと運動量のジッターを最適化する

入射点での Twiss パラメータは、(2-12)～(2-14)

ために、2 台の空洞の電圧を 2 個の独立のノブと式で求まる。

して使用できることが重要である。

α z ( s3 ) = − β z ( s 0 ) M total (1,1) M total (2,1)− γ z ( s 0 ) M total (1,2) M total (2,2)

ここで、焦点距離が f 1 と f 2 である 2 台のデバンチャー空洞を考える。そして、線形加速器出口と第１デバンチャー間の有効ドリフト長を l1 、第1 デバンチャーと第 2 デバンチャー間の有効度リフト長を l 2 、 そして、第 2 デバンチャーとリング入射点間の有効ドリフト長を l 3 とする。また、線形加速器出口を s=s0、第 1、第 2 デバンチャー(2-12)β z ( s3 ) = β z ( s 0 ) M total (1,1) + γ z ( s 0 ) M total (1,2) 22(2-13)

γ z ( s3 ) = β z ( s 0 ) M total (2,1) + γ z ( s 0 ) M total (2,2) 22(2-14)

その結果、リング入射点での運動量拡がりは、以下の 2 条件で最小となる。

る。

f1 + f 2 − l 2 = 0
f1 f 2 + l1l 2 − f1l1 − f1l 2 − f 2 l1 = 0(2-15)(2-16)

しかしながら、両式を同時に満足する現実的な解はない。そこで、デバンチャー位置での非線形性について検討する。第 1 デバンチャー空洞の非線形性は、以下のパラメータによって評価できる。

ξ1 ={β (s ) + γ (s )l }ε + l δ
z0z0

21zを特徴付ける以下の 5 つのパラメータを定義す

1(2-17)

ここで、εz は、線形加速器出口での縦方向エミッタンスである。ξ1 は、 l1 の単調増加関数であり、第１デバンチャーの非線形効果を抑制するためには、より小さい l1 が望ましいと結論付けられる。
2 空洞のデバンチャーシステムでは、最終的な運動量拡がりを犠牲にしないで、より小さい l1 を採用できることが、2 空洞のデバンチャーシステムの重要な利点である。同様にして、第 2 デバンチ
ャー空洞の非線形性は、以下のパラメータによって評価できる。

llf1(2-22)l ⎞ ζ1f1 ⎠ f 2(2-23)

ζ 1 = l1 + l 2 − 1 2⎛

ζ 2 = ⎜⎜1 − 1 ⎟⎟ −⎝f + f 2 − l2
ζ3 = 1f1 f 2l
ζ 4 = 1− 2f1
ζ 5 = l1

(2-24)(2-25)(2-26)

パラメータζ2 とζ3 は、リング入射点での運動量拡がりに、 パラメータζ1 とζ4 は、第 2 デバンチ
ャーの非線形性に、ζ5 は、第 1 デバンチャーの非線形性に関連付けられる。上記の 5 つのパラメー
タを最小にすることによって、デバンチャーシステムの最適な設定を見つけることができる。しかしながら、パラメータのいくつかは、同時に最小化することが出来ない。そこで、最適化するパラメータの優先順位を明確にして、各パラメータに22⎧⎪⎛ l2 ⎞⎛l1l 2 ⎞ ⎫⎪ 適切な重み付けを設定することが重要とある。
⎟ ⎬ε zξ 2 = ⎨β z ( s 0 )⎜⎜1 − ⎟⎟ + γ z ( s 0 )⎜⎜ l1 + l 2 −f1 ⎟⎠ ⎪ J-PARC L3BT の場合には、ζ1 とζ2 に優先権を与f1 ⎠⎪⎩⎝⎝⎭えることとし、非線形性を考慮してパラメータの⎛ll ⎞+ ⎜⎜ l1 + l 2 − 1 2 ⎟⎟δ
f1 ⎠⎝慎重な選択を行い、ζ1 = 0 の条件を採用する。
すると、第 1 デバンチャーの強さは、(2-27)式で(2-18)

パラメータξ2 は、以下の 2 条件で、最小になる。

l1− 2 = 0f1
ll
l1 + l 2 − 1 2 = 0f1

求まる。

f1 =(2-19)

l1l 2
l1 + l 2(2-27)

そのとき、パラメータζ2 は(2-20)ll2

ζ2 = − 1(2-28)(2-19) を(2-20)に代入すると、 l 2 = 0 となり、1となる。(2-26)式より、リング入射点でのより小空洞のデバンチャーシステムになってしまうのさい運動量拡がりを達成するためには、より小さで、両式を同時に満足する現実的な解はない。

い l1 とより大きい l2 が望ましいことが分かる。

(2-20)式と比較して、(2-16)式を以下のように書(2-27)式を用いると残りのパラメータζ 3 とζ 4き直す。

は、⎛l ⎞ 1 ⎛ll ⎞⎜⎜1 − 1 ⎟⎟ − ⎜⎜ l1 + l 2 − 1 2 ⎟⎟ = 0f1 ⎠ f 2 ⎝f1 ⎠⎝(2-21)

ここで、(2-16)式と(2-20)式が同時に採用できないことが分かる。ここで、デバンチャーの最適化

l2l +l+ 1 2f 2 l1l1l 2lζ4 = − 2l1

ζ3 = −(2-29)(2-30)

となる。ここで、問題なくζ3 = 0 とすることがTable 1 MEBT 入口での初期パラメータ出来るので、第 2 デバンチャーの強さが以下のよ

粒子数
εx0(rms)
εy0(rms)
εz0(rms)
εx0(99.5%)εy0(99.5%)εz0(99.5%)

うに求まる。

f2 =l 22
l1 + l 2(2-31)

ここで、 f 1 と f 2 には、以下の関係式が成り立つ。

f 1 l1=f 2 l2(2-32)

経験的に、適切な l1 l 2 の値は、およそ 0.2～0.3

Table 2 デバンチャーシステムの設計仕様であるように思える。しかしながら、運動量ジッターの補正効率、達成可能な最小運動量拡がり、デバンチャー空洞とそれらの電源の費用、幾何学的な制限などの様々な要素を検討した上で、それぞれの加速器の特徴に応じて、最適なパラメータを決定する必要がある。
L3BT のデバンチャーシステムに関しては、幾何学的な配置の制限を考慮して、線形加速器出口と95322 粒子
0.212 π mm*mrad
0.212 π mm*mrad0.091 π MeV*deg
2.08 π mm*mrad2.05 π mm*mrad1.32 π MeV*deg

~
l1

V1σ1~
l2

V2
σ2~
l3単位

仕様

m

33.9MVdeg

1.431-90m

122.7MVdeg

0.458-90m

164.6

第 1 デバンチャー間の距離を 33.9m、第 1、第 2デバンチャー間の距離を 122.7m、第 2 デバンチャ

Table 3 シミュレーション結果
計算結果

ーと RCS 入射点間の距離を 164.6m と決定した。
その結果、第 1 デバンチャー空洞の焦点距離 f 1 は18.7m、第 2 デバンチャー空洞の焦点距離 f 2 は67.6m と求まる。

2.3. シミュレーション
デバンチャーシステムの機能を確認するために、PARMILA[2]を用いて MEBT から RCS 入射点までのシミュレーションを実施する。ピーク電流は 30mAを仮定する。MEBT 入口でのビームの初期分布としては、RFQ の実験とシミュレーション結果から求めたビーム分布を使用する。初期パラメータをTable 1 に、L3BT のデバンチャーシステムの設計
仕様を Table 2 に、シミュレーション結果を Table3 に示す。
Table 3 の最後の 2 列が、リング入射点での運動量ジッターを含む 99.9%運動量拡がりの最大値と最小値を示す。RCS 入射点での運動量拡がりを±0.2%以下にするという要求仕様を満足していることが確認できる。

W1
Φ1
∆W1
W2
Φ2
∆W2
W3
(∆p/p)max(∆p/p)min

MeVdeg
MeVMeVdegdeg
MeV%%

181.024-89.4390.014
181.037-90.080-0.001181.0370.019-0.017

次に、第 2 デバンチャーの電圧を変化させた場
合のリング入射点の運動量拡がりと運動量ジッターのシミュレーション結果を Fig. 2、Fig. 3に示す。Fig. 2、Fig. 3 より、第 2 デバンチャーの電圧を変化させることで、リング入射点の運動量ジッターを殆ど変化させずに、運動量拡がりを調整することができることが確認できる。

石を DBA ではなく、Fig. 4 に示すような分散関数がダンプラインで発生するよう調整する。Fig. 4
では、s はビームラインに沿った距離を表し、s=0mは L3BT 入口に対応している。この設定では、測定位置での電流 0 の分散関数ηnsc は-8m に達する。
そして、デバンチャー2 の振幅と位相を変化させて、30 度ダンプライン最下流のワイヤースキャナーでビームサイズを測定する。第 2 デバンチャーの振幅と位相をパラメータとして、分散関数の計算結果を Table 4、Table 5 にそれぞれ示す。空Fig. 2 第 2 デバンチャーの電圧と運動量拡がりのシミュレーション結果

Fig. 3 第 2 デバンチャーの電圧と運動量ジッターのシミュレーション結果

2.4. ビームコミッショニング
ビームコミッショニングにて、デバンチャーシス
テムの機能を確認するために、最初にデバンチャーを用いた運動量拡がりの制御を試みた。デバンチャー機能を確認するためには、第 2 デバンチャーの下流で運動量拡がりの変化を測定する必要があるが、直接運動量拡がりの測定ができるビームモニタが設置されていない。そこで、運動量拡がりを評価するために、有限な分散関数が存在する位置での水平方向のビームサイズを測定する

間電荷有りの分散関数ηsc は、第 2 デバンチャーの電圧に応じて-7～-10m と変化する。

Fig. 4 運動量拡がり測定ために変更されたビームエンベロープ
Table 4 空間電荷有りと無しの分散関数と第 2 デバンチャー電圧の関係
V2(MV)
φ 2(deg)ηsc (m)
ηnsc (m)

0.0-90-7.71-8.06

0.18-90-7.33-8.06

0.27-90-7.23-8.06

0.36-90-9.70-8.06

0.45-90-9.36-8.06

0.54-90-8.99-8.06

Table 5 空間電荷有りと無しの分散関数と第 2 デバンチャー位相の関係
V2(MV)
φ 2(deg)ηsc (m)
ηnsc (m)

0.45-90-9.36-8.06

0.45-100-9.40-8.00

0.45-110-9.52-8.02

0.45-130-9.26-8.03

こととした。具体的には、30 度ダンプモードのビームコミッショニングにて、第 2 デバンチャーの第 2 デバンチャーの振幅と位相を変化させて、パラメータを変化させて、ビームサイズを測定すワイヤスキャナー位置でのビーム中心位置を測る。更に、第 2 デバンチャーの影響をビームサイ定した。Fig. 5 に、第 2 デバンチャーの位相を変ズに大きく反映させる為、第 1 アークの 4 極電磁化させた場合のビーム中心位置のシフト量の測定結果とシミュレーション結果を、Fig. 6 に、第いた PARMILA によるビームシミュレーションは、2 デバンチャーの振幅を変化させた場合のビーム実際のビームコミッショニングの結果を予測す中心位置のシフト量の測定結果とシミュレーシる上で非常に有効である。

ョン結果を比較して示す。Fig. 5 より、ビーム中更に、第 2 デバンチャーの振幅を変化させて、心のシフト量の傾きから、実際にビームが感じるワイヤスキャナーを用いてビームプロファイル

第 2 デバンチャーの RF 振幅を推定することがでを測定した。Fig. 7 に、第 2 デバンチャーの振幅きる。第 2 デバンチャーの振幅の推定値は、位相を変化させた場合のビームプロファイルの測定スキャンによる調整で得られた値より、およそ 8%結果を示す。Fig. 7 のグラフは、ワイヤースキャ小さい。また、Fig. 6 より、第 2 デバンチャーのナーの測定結果を上段は縦軸を linear scale で、振幅を変化させた場合には、ビーム中心は変化し下段は log scale で表示したものである。Fig. 7

ないはずであるが、第 2 デバンチャーの位相がずより、第 2 デバンチャーの振幅を変化させるとビれていると仮定すると、ビーム中心位置の変化量ームサイズが変化することが分かる。これは、第の測定結果から、第 2 デバンチャーの位相のずれ2 デバンチャーの振幅により、ワイヤースキャナ量は、2 deg 程度と求まる。

ー位置での運動量拡がりが変化し、分散関数に依存してビームサイズが変化するためである。
Fig. 7 の log scale の分布を見るとテールの部

8

Beam position shift （mm）

ΔX_measurement
ΔX analysis

分が若干左右非対称になっていることが確認できる。これは、LINAC のビームがワイヤースキャ6ナーの位置でエネルギーの低い粒子が若干多い4分布になっていることを示している。但し、第 2デバンチャーの振幅が小さい場合は、ビーム分布2がガウス分布に近いことが確認できる。そして、第 2 デバンチャーの振幅が大きくなるにつれて、

0-130-120-110-100-90Phase （deg）

た現象は、Fig. 8 に示されるようにシミュレーシ

Fig .5 ビーム中心変化量（第 2 デバンチャーの位相を変化させた場合）1ョンで再現することができる。Fig. 9 に示される
ようにシミュレーションでは、わずかな縦方向のテールが SDTL 出口で引き起こされている。そしΔX_measurement
ΔX analysis
Beam position shift （mm）

ビームテールが明確になる傾向がある。測定されて、高エネルギー成分が、低エネルギー成分より0.5顕著である。Fig. 8 に示すように、第 2 デバンチ
ャーを励起しない場合は、ビーム分布は、ほとん0どガウス分布である。第 2 デバンチャーの振幅を増加させるにつれて、明確な縦方向のテールが現-0.5れる。このシミュレーションでは、SDTL 出口で縦方向のテールが、上流の DTL と SDTL の RF の調整

-1
00.2

0.4

0.6

Voltage （MV）

Fig. 6 ビーム中心変化量（第 2 デバンチャーの振幅を変化させた場合）
これらの結果は、2 空洞デバンチャーシステムの設計手法が正しいことを示しており、それに用誤差によって引き起こされていて、それが、ワイヤスキャナーの位置で、低エネルギー側のテールとして測定される。

(1) 0.0 MV(2) 0.18 MV(3) 0.27 MV(4) 0.36 MV(5) 0.45 MV(6) 0.54 MV
Fig. 7 ビームプロフィール測定結果

0 MV
0.18 MV
0.27 MV
0.36 MV
0.45 MV
0.54 MV

ようテール粒子をスクレーパにて荷電変換し、スクレーパ以降最初の偏向電磁石にて主ビームから分離して、所定のダンプに輸送するスクレーパシステムが採用されている。J-PARC では、わずかなビーム損失でさえ激しい残留放射線を引き起こす可能性があるので、荷電変換された粒子を損失させることなく輸送することが重要である。このシステムでは、陽子と負水素イオンを同時に輸送する必要があり、負水素イオンに対しては、横向きのミスマッチを避けることが出来ないので、シミュレーションによりビーム損失を厳密に評Fig. 8 ワイヤスキャナー位置での縦方向ビーム分布のシミュレーション結果価することが必要不可欠である。そのため、L3BTの横方向スクレーパに関する多粒子シミュレーションのために GEANT と IMPACT を組み合わせたシミュレーションツールを開発した。[3]J-PARC 線形加速器からの出力エネルギーは181MeV である。線形加速器のピーク電流は 30mAであり、線形加速器のピーク出力は 38kW である。
スクレーパシステムのためのビームダンプの容量が 2kW であるので、ビーム損失が許容できるレベルにある場合は、スクレーパで総ビーム電流の5%を削除することができる。ビーム輸送系のビーム損失の限界は、メンテナンスのための実証的な限界として広く受け入れられている 1W/m に設定する。

Fig. 9 SDTL 出口で縦方向位相空間のシミュレーション結果

3. 横方向スクレーパシステム
3.1. 序論
RCS 入射点での非規格化 99.9％エミッタンスが 6πmm・mrad 以下の要求仕様を満足するために、
L3BT には、横方向スクレーパシステムが設置されている。ここでは、スクレーパシステムのビーム力学について説明する。
大強度陽子線形加速器では、陽子の換わりに、負水素イオンが加速されている。そのため、RCS入射点でのエミッタンスが要求仕様を満足する

3.2. スクレーパの光学設計
L3BT のスクレーパセクションは、4 周期の単純なFODO セルで構成され、水平方向スクレーパと垂直方向スクレーパがそれぞれ 4 台ずつ設置される。
FODO セルの周期長は 8m で、1 セル当たりの位相進みはおよそ 45 度に設定されている。 スクレーパの荷電変換フォイルとしては、1 対の独立に位置調整可能な炭素フォイルが用いられ、スクレーパ本体は、ビームハローを取り除くために、各 4極電磁石の直後に設置される。8 台のスクレーパにより、水平、垂直方向とも位相空間では八角形のビームが形成される。テール粒子は、炭素フォイルにより陽子に荷電変換されて、スクレーパセクション入口から 67m 下流に位置するビームダンプに導かれる。

フォイルの厚さの選択は、スクレーパの設計で主要な問題であり、大角度散乱確率とフォイル寿命とのトレードオフを慎重に検討する必要がある。大角度散乱確率の増加は、非制御のビーム損失の増加につながり、その結果、スクレーパセクションのメンテナンス性を害するかもしれない。
一方、フォイル寿命の減少は、フォイルスクレーパに短周期でのメンテナンスが必要となる。また、取り扱いの簡便さは、フォイル寿命と関連して重要な問題である。薄いフォイルは、誤った取⎡ ⎛ θ ⎞ pθ ⎤⎡ ⎛ dE ⎞ 2 ⎤⎟⎟ ⎥ exp ⎢− ⎜⎜ s ⎟⎟ ⎥f (θ , dE s ) = Aθ exp ⎢− ⎜⎜σ⎢⎣ ⎝ θ ⎠ ⎥⎦⎢⎣ ⎝ σ E ⎠ ⎥⎦(3-1)
を用いると、Fig. 10 に示すように、1.8～4mradのまれな大角度散乱確率を過小評価するからである。それがかなり小さく見えたとしても、フォイルの厚さを最適化する際に非制御のビーム損失量を厳密に予測するためには、この過小評価を見落とすべきでない。

り扱いや突然の真空パージによって、容易に破れることに注意すべきである。フォイル厚さの選択に関する基本的な考え方は、許容できるビームの損失の限界の中で最も厚いフォイルを選択することである。この点で、フォイル厚さを最適化する際に、非制御のビーム損失量を予測するための厳密な多粒子シミュレーションが必要となる。

3.3. 解析モデル

Fig. 10 確率密度の典型的なフィティング関数

大強度ビームのシミュレーションを行うために

3.4. シミュレーション[4]IMPACT を採用する。IMPACT は LBNL で開発された 3 次元 PIC コードであり、空間電荷効果を考慮スクレーパシステムの機能を確認するために、開して、多種類のビームを扱うことができる。炭素発したシミュレーションツールを用いて MEBT 入フォイルと負水素イオンの衝突における散乱過口から RCS 入射点までのシミュレーションを実施

程は、GEANT を用いてモデル化される。IMPACT とする。ピーク電流は 30mA と仮定する。Table 1 にGEANT をシリーズで実行させることで、コリメー示したのと同じビーム分布を MEBT 入口でのビーションを含む多粒子シミュレーションを実施すムの初期分布として用いる。スクレーパの荷電変る。

換フォイルは、それぞれ上流の 4 極電磁石中心か炭素フォイルと負水素イオンの衝突におけるら 0.85m の位置に設置される。荷電変換フォイル

散乱過程では、GEANT で求めた計算結果から得らの垂直または水平方向の設置位置は非正規化れるフィッティング関数を使用しないで、常に、99％エミッタンスとβ関数を用いて決定する。

フォイルスクレーパのそれぞれの散乱事象を8 台のスクレーパで荷電変換された粒子の偏向GEANT を使用して計算する。それは、確率密度の電磁石前後での粒子分布の計算結果を Fig. 11、典型的なフィッティング関数として、Fig. 12 に示す。

(a) 水平方向(b) 垂直方向
Fig. 11 粒子分布（偏向電磁石直前）(a) 水平方向(b) 垂直方向
Fig. 12 粒子分布（偏向電磁石直後）

偏向電磁石直後では、負水素ビームと陽子ビームは、水平方向に 164 mm 程度分離されている。

での非規格化 99.9％エミッタンスが 6πmm・mrad以下に低減されることが確認できる。

また、初期分布 95322 粒子のうちスクレーパ部でTable 6 シミュレーション結果
単位
スクレーパ
スクレーパ無し
有り

1342 粒子が荷電変換されている。スクレーパで荷電変換されるビーム出力をスクレーパ部で荷電変換される粒子の MEBT 入口での初期粒子数に対する比で評価すると 0.535 kW となる。
RCS 入射点での非規格化エミッタンスの計算結果を Table 6 に、粒子分布の計算結果を Fig. 13に示す。Table 6 より、RCS 入射点でのエミッタ
ンスは、スクレーパ無しの場合、非規格化 99.9％エミッタンスが要求仕様 6πmm・mrad を大きく上回るが、スクレーパを用いることで、RCS 入射点

εx_99.9
εy_99.9
εx_100εy_100πmm*mradπmm*mradπmm*mradπmm*mrad

8.94
11.20
13.96
27.73

4.98
4.84
6.115.78

(a) 水平方向(b) 垂直方向
Fig. 13 粒子分布（RCS 入射点）

スクレーパ部で陽子に荷電変換されたテール粒子は、スクレーパ部以降ビームダンプまで輸送される際に、ビームダクトに衝突することにより38 粒子が消失する。スクレーパで荷電変換されるビーム出力を 0.535 kW とすると、ビームダンプまでのビーム輸送系でダクトに衝突することにより生じるビーム損失量は、67 m で約 15.2 W となり、許容値 1 W/m より小さく問題ない。

参 考 文 献[1]T. Ohkawa, M. Ikegami, “Separate-function
Configuration of a Two-cavity Debuncher System”,Nucl. Instr. and Meth. A 581, p. 606, 2007.

[2] H. Takeda, “PARMILA”, Los Alamos National
Laboratory Report, LA-UR-98-4487, 1998.
[3] T. Ohkawa, M. Ikegami, J. Qiang, P. Saha,“Macro-particle simulation study on transverse halo
collimator for J-PARC linac”, Nucl. Instr. andMeth. A 589, p. 1, 2008.
[4] J. Qiang, R. D. Ryne, S. Habib, V. Decyk, “Anobject-oriented parallel particle-in-cell code forbeam dynamics simulation in linear accelerators”, J.
Comput. Phys. 163, 2000.