Proceedings of the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

pp-27
A Conceptual Design of the CW- DTL for the JAERI High Intensity Proton Accelerator
H. In o ' E. Chishiro, N. Ouchi, M. Mizumoto and Z. Kabeya*
Japan Atomic Energy Research InstituteTokai-mura，Naka- gun, Ibaraki- ken, 3 1 9 -11，Japan*Mitsubishi Heavy Industries, LTD. Nagoya Aerospace Systems
10, Oye- cho, Minato- ku, Nagoya, 455, Japan
Abstract
The JAERI Neutron Science Project (NSP) requires a linac that accelerates a proton beam to 1.5 GeV. Thislinac starts with a radio- frequency quadrupole (RFQ) linac, which is followed by a drift- tube linac (DTL), and asuperconducting structure. In this paper, we focus on the DTL part of the accelerator. We discuss the present CW- DTL
design parameters, beam simulation, and measurements of the 1/3 size cold model of the CW- DTL. The CW- DTL
causes a few emittance growth in the simulation. The stabilized condition was obtained on the cold model by inserting
post couplers every three cells.

原 研 大 強 度 陽 子 加 速 器 用 C W -D T L の概念設計

表 1 . CW-DTLの基本仕様

1 。はじめに臟 で は 、大強度陽子 ビーム及びそれによって_される強力中性子源を用v ヽて基5^斗学研究や消滅処理研究を行うための中性子科学研究計画（NSP:Neutron Science Project) を提案している[1】。計画

入射/ 出射鴆ルキ''共振周波数
粒子
アューテイ

( radio-frequencyquadrupole)、 2(X)MIIzDTL (drift-tube linac) x
600MHz 超伝導加速空洞 [2]，[3】
、及 び ^ リ ン グ で 構

成 す る こ と が 検 討 さ れ て お り 、加 速 エ ネ ル ギ ー

1.5GeV、最大ビームパワー 8M W を想定している。
このうち、D T L ガ液われるのは加速エネ ル^ギ ー 2 〜lOOMeVの低エネルギー 部である。表 1.に現在の DTLに対^ る基本仕様を示す。本報告では、この基本仕様に沿って検討したパラメータ及びビ ー ム 9 シ ミュレ一ション結果について報告する。 また、カ瞇器入射部のフノレt ックアップ試験を想定して製作した 1/3 サイズの コ ー /レ ドモデノ レ （エネ ノ レ ギ ー 2〜 lOMeV、6 0 セル）の電磁場測定結果についても報告する。

1 "23
2/33
33/67
67/1001.5
1.5
1.5-55 一 -30-30-30
FODO
収束系ラテイスF0D0FODO
4極電磁石磁場勾配[T/m] 77. 3 -1 4 . 5 14.5 - 1L0 11.0 - 9 . 3
実効シャンfインピ- r ンス [MO/m] 28.3 - 31.4 52.4 - 37.0 40. 3 - 30.6
壁ロス（100%Q)
[MW]
1.3
1.1
1.2
最大表面電場(k ilp a tric k )0. 47 kilp.
0.91 kilp.
0. 99 kilp.
セル数1356959
Tank 長Cm]
32.2
32.2
34.9
Tank diam eter
[cm]
91.8
96.8
95.9
D rift-tu b e diam eter [cm]202020Bore ra a iu s
[cm]
11.1
1.2
Corner radius
[cm]
1.9
1.9
7
Outer nose rad iu s[cm]
0.50.5
Inner nose rad iu s[cm]
0.50.50.5—
F la t length
[cm]
0.5
1
Face angle a0■IdegJ.
5060[MeV][MV/m][deg.]

表 2 . に 現 在 の CW-DTLに関する主なパラメータol/を示す。以下に、 これらのパラメータを設定した纖を説明する。

タンクを細かく分割すると、タンク間のドリフトスぺ

StemdiameterFaceangleを承す。 また、図 1 . に DT (drift-tube)の各部名称

ビームの 質の観点から言えば、低 エ ネ ル ギ ー 部で2/100
200
H〜 CW30

表 2. CW DTLの設計パラメータ
Tank No.
入射/ 出射:4 財''平均電場強度EO
同期位相0 S

2. CW -DTしパ ラ メ ー タ

2 . 1 タンク分割数「mA]

ビ ー ム 電流の中心となる大強度陽子加速器は現在までのところ、
イ オ ン 源 、 200MHzRFQ

[MeV]
[MHz]

Flat length]
Beam lin eヽCorner radius-........... 』‘3•iH/U---- Outer nose radiusdinner nose radius
jBore radius

図 1 .D T (d rift-tiib e) 各 部 名 称

2①ICm
•F-l

ースにおVヽて縦方向のエミッタンスが悪{け る た め 、

その 結果 100%Q値での壁ロスは、face angle を付けタンクの分割数は少ないほど良い。 しかし一方で、運転モード（TMokj) と他のモードとの周波数差の観点

ヽ場合より約21°/淑 少 す る （4.6—3.6MW)。
2 .6 放電限界

から言えば、全 長 約 100m にも及ぶ DTL は幾つかに本検言寸では放電限界の指標としてkilpatrick limit分割する必要がある。 これらのことを考慮して、DTLを用いた。 SUPERFISH による計算では、最も電界は 全 体 を 3 タンクに分割した。各タンクにおける運が集中する と こ ろは、tank-1 で inner n ose の部分、

— ドとTMouモードとの周波数差は約 50k H z と

本 D T L において C W 5 ^ を考えた場合、発熱によtank-2、tank-3 で outer nose 部分となり、それぞれ最 高 0.47、0.91 > 0.99kilpatrick となる。
2 . 7 ボア径
Equi^artitioningに従ってビームを加速した場合、る変形を抑制するためには、効 率 の 良 リ _ を 行 う とビームサイズは加速されるにつれて大きくなる。 ここ

共にある程度平均電場強度 E0 を低めに設定する必要

では rm s ビームサイズの6 倍の余裕を持たせるため、
ta n k -1 ,2, 3 のボア半径をそれぞれ 1.0cm、 1.1cm,1.2cm としたoなる。
2 .2 平均電場強度 E0がある。 ビームの質に最も影響を及ぼす DT (drift-t u b e ) について幾つ力xDfl 計算を行い、E0=1.5MV/mとした。 こ の 場 合 D T の 最 高 温 度 は 54°C (comerradius 部） となり、熱膨張によるボア中心のずれは約 6 0 //n i となる。
2 . 3 同期位相 0 S
PARMTEQ コードによって計算された R F Q のビームをもとに、位 相 方 向 r m s 値 の 6 倍の広がりをアクセプトするように設定した。 その結果、入り口でゆ = —55 deg.とし、力D速過程で粒子がバンチされるに 従 い 徐 々 に 安 定 領 域 を 狭 く し 、加 速 エ ネ ル ギ ー

020MeV 以降は 0 = - 3 0 deg•—定としね
2 .4 収束系
4 極 電 磁 石 の 磁 場 勾 配 は バ ン チ ビ ー ム の spacechaise を考慮した Coupled envelope equations[4】とEquipartitioning[4]理論を組み合ねせることにより求めたo 図 2 . に粒子の加速エネルギーに対する磁場勾配を示す。 最も磁 場勾 配 が 高 い の は D T L 入り口の77.3T/m であるが、 4 極電磁石の開発については既に 80T/m[5】を達成しており問題はない。 ラテイスはビ ー ム サイズをより/J、さくできるFODO を設定したo図 3. 実 効シ ヤ ン ト イ ン ピ ー ダ ン ス

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
加 速 エ ネ ル ギ ー [MeV]^0.0235

运 0 .0230

B0.0225

占‘0.0+Jg
S9P〒A9J
J UJfJnIM
USO鬥

aJ

Energy [MeV]
0.868482800.

i20l—406080

Energy [MeV]

図4 . 横 方 向 及 び 縦 方 向 の 加 速 エ ネ ル ギ ーに対する rmsェミッタンス

g0.20® r-^1 0 . 15

g tii o.io . . . . . . . . ；'；t......

.... — x---------- y0.05
40

加 速 エ ネ ル ギ ー [MeV]

Energy [MeV]

図 2. Cff-DTL磁 場 勾 配 の 設 定

2 .5 実効シヤントインビーダンス ZTT
図 3 . に CW-DTL の各加速エネルギーに対するZTT を示す。tank-2、及び tank-3 の DT に face angle
a を そ れ ぞ れ 50deg.、60deg.付けることにより、全体を通して ZTT=28MD/m 以上を得ることができる。

召,I40

6080100

Energy [MeV]

図5 . 横 方 向 及 び 縦 方 向 の 加 速 エ ネ ル ギ ー丨こ对するrms tf、一 サイズ

3 . ビーム•シミュレーション
表 2 . のパラメータをもとに PARMILA コードを使い、粒 子 数 10,000 のビーム *シミュレーションを行った。粒 子 の 電 流 値 は 30mA、入射エミッタンス
は PARMTEQ による RFQ の出力値をもとに rm s 値で横 方 向 0.023 兀cm*mrad、縦 方 向 0.18 兀MeV*d蹲としたo またこの計算ではタンク間のマッチングは取a204030
D T -ボ ス ト カ プ ラ 間 距 離 [ _ ]れているものと仮定し、タンク間のトランスポート系

ボストカプラ挿入による電場の安定仆：

図丨は省略している。粒子の各加速エネルギーに対する
rm s エミッタンスを図 4 . に、r m s ビームサイズを図66( 34( .
2( 30(8( 36(6z里〔5 . にそれぞれ示す。横方向、縦方向とも加速過程におV、てビームサイズは増加するが、エミッタンスの増加はほとんど無い（3%以内)。

111
1V g/c = 0. 047
4《ストカブラ間 ！
^IIi〔/ 3 セル
D*r-ボストカプラ 間姖丨離= 2 8 _/6

ための手段としてポストカブラを使用している。 このコ ー ノ レ ドモデルの測定では、ポスト カプラ を 3 セル

5一ルドモデルでは群速度を上げ、電 場 分 布 を 謙 す る

5CX

6AosnlbaJ H

4 • CW^DTLコーノレドモテフレ
表 2 . のパ ラメ ータ をもとに加速エネルギー 2 〜lOMeV までのコールドモデル（
実 機 の 1/3 サイズ、6 0 セル） を製作し、電磁場特性を測定したo このコiメ)〕

Tノr~r

一 丨ノバrノノ»〕.10 -8 -6 -4 -202468Mode Number
図 7. モード分布

毎 に 1 本ずっ左右交互に取付けてV、る (合 計 19 本)。
図 6 .にボストカプラの挿入量に対するビーム軸上の電場分布の安定度 D x を 衬 。 D x は次式で定義され
へw
V

1.06

No Tub Tuning Dx=l.22
With Tub Tuning Dx=0. 4!

D x4 \ E r ( E ) \ / ( E )玛 は i 番目のセルの平均加速電場、<E>はタンク全体の平均加速電場、N は 全 セ ル 数 (6 0 セル） を示す。
図 6. より、D T とポストカプラとの距離が 28m m のfc
0.94

とき、電場が最も安定することが分かる。 また、 この時 の モ ー ド 分 布 を 図 7.に示す。 この図より群速度とC ell Number

図8 . タブによる電場の微調整

光速 の比は Vg/c=0.047 となる。各ポストカブラの先端には楕円形のタブがあり、 これを個々に回転させる

参考她

ことにより更に電場を微調整することが出来る。図 8.にタブの調整前と後の各セルの平均電場強度を示す。

[1]M. Mizumoto, et al. “Deve丨qsnent of High Intensity
Proton Accelerator for Neutron Science Research Plan”,
Proc. of The 21st Linear Accelerator Meeting in Japan,
1996,p86-88[2]N. Ouchi, et al., “Fabrication and Test of asuperconducting single cell cavity for the High Intensity
Proton Linac”，this meeting.
[3]Y. Honda, et al., “A Conceptual Design m
Superconducting Proton Linac for Neutron ScienceProject”, this meeting[4]Martin Reiser, “Theory and Design of Qiarged ParticleBeams”, JOHN WILEY & SONS, INC[5] K Hasegawa, et al.9 “R&D WORKS OF THE DTL
FOR THE BTA IN JAERT, The 18 th LinearAccelerator Meeting in Japan, KEK, July 1993.

この場合タブを調整することにより D x は 約 65%改善している。

5 . まとめ
原研1大強度， 加 速 器 用 CW-DTLの_のノヽ°ラメータを紹介し、また ビームシミュレーションによってこのパラメータが加速過程でエミッタンスの増加をほとんど起こさないことを廳 S したo 更に、2〜 lOMeV
ま で の 1/3 スケールのコールドモデルを製作し、3 セノV # に 1 本の割合でポストカプラを挿入することにより電場が安定化されることを確認したo 今後パラメ
一夕については更に最適化を行っていく。