J-PARC 30mA RFQのビーム実験結果とシミュレーションの比較
近藤恭弘1,A)、上野彰B)、池上清B)

J-PARCリニアックのMEBTまでのコミッショニン
グ が KEK に お い て 行 わ れ た [1,2,3,4] 。 J-PARC 用 30mA
RFQ に つ い て 、 新 旧 ２ つ の ヴ ァ ー ジ ョ ン のPARMTEQM[5]とTOUTATIS[6]を用いてシミュレーションを行った。TOUTATISによるシミュレーションのほうが、テール部分が若干大きくなる結果が得られた 。 ま た 、 得 ら れ た 粒 子 分 布 を 用 い て MEBTの シ
ミュレーションをPARMILA[7]を用いて行ない、実験データとの比較を行った。シミュレーションにより実験結果を合理的な範囲内で再現することが出来た。

１．はじめにJ-PARCリニアックでは、コミッショニング開始
当 初 、 JHF 用 に 開 発 さ れ た ピ ー ク 電 流 値 30mA のRFQを用いる。J-PARCリニアックのうち、MEBTまでのコミッショニングが、2003年2月までにKEKにおいて行われた。コミッショニングの詳細は、他の論文で述べられる[1,2,3]。30mA RFQの設計時には、
ビ ー ム シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は PARMTEQM を 用 い て 行
な っ た [8] が 、 そ の 後 、 PARMTEQM が ヴ ァ ー ジ ョ ンアップされたり、新しいコードであるTOUTATISが開発されたりした。そのため、これらのコード間の比較、また実験データとの比較において、設計の 妥 当 性 を 確 認 す る 必 要 がある。本論文でのシミュレーションは[1]における測定１のデータを再現することを目標にして行った。

２．RFQ入り口での粒子分布
RFQ入り口での分布は、x-x’、y-y’に関してはガウス分布(4σでカットオフ)、エネルギーは50keVで広がり無し、位相は一様分布と仮定した。ガウス
分布の幅は、LEBTのエミッタンスモニターでの測定を基に決定した(図１)。LEBTのエミッタンスモニターは、2つのソレノイドマグネットの間にあるため（測定器の位置に関しては[4]参照）、測定にはH-以外の粒子も含まれてしまう。ここでは、実験データに見られるテールの部分は、バックグランドとみなした。RFQのシミュレーションに用いた入射ビームのパラメータを表１にまとめる。ビーム
電流値は、LEBTでの実測値である。
E-mail: kondo@linac.tokai.jaeri.go.jp

x (mm)
c) horizontal
measured
Gauss dist.

90%

99%

εx,n (π-mm-mrad)y (mm)(counts/bin)概要

yp (mrad)高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1
xp (mrad)B)

1

雅紀B)、池上

日本原子力研究所 東海研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根2-4(counts/bin)A)d) verticalmeasured
Gauss dist.

90%

99%

εy,n (π-mm-mrad)

図１：LEBTのエミッタンス測定結果。スキャッ
タープロットa) x-x’ b) y-y’。楕円は内側から、90%、1.5π （ RFQ の 設 計 ア ク セ プ タ ン ス ） 、 99%。 エミッタンスを横軸にした粒子分布c)x-x’ d)y-y’。四角が実験結果、三角がシミュレーションで用いた分布である。
表1：RFQシミュレーションに用いた入射ビームパラメータ
Input parameters
value
Beam current
32 mA
Number of particles
100000αt2.23
βt0.112 mm/mrad
εt (rms, normalized)
0.217 π・mm・mrad.
Distribution x-x’, y-y’Gaussian (truncated at 4σ)
phase
Uniform
energy50keV, no spread

３．RFQ出口でのシミュレーション結果
RFQの シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に は 、PARMTEQM[5]とTOUTATIS[6]を用いた。PARMTEQMは、2001年10月30日のヴァージョン以降、粒子がヴェインにあたって失われる際、詳細なヴェイン形状を考慮に入れるようになったため、透過率などの結果が以前のヴァージョンと異なる。そのため、両ヴァージョ

99%
99.5%

εx,n (π-mm-mrad)

90%(counts/bin)d) verticalyp (mrad)b) vertical

x (mm)y (mm)(counts/bin)(counts/bin)90%a) horizontalc) horizontal

90%

99%
99.5%

99%
99.5%

d) vertical90%

εx,n (π-mm-mrad)

εy,n (π-mm-mrad)y (mm)(counts/bin)b) vertical

x (mm)
c) horizontal

xp (mrad)yp (mrad)xp (mrad)a) horizontal

99%
99.5%

εy,n (π-mm-mrad)

図３：TOUTATISによる、RFQ出口での粒子分布。

ン間の比較をした。
2章の入射ビームを用いた場合の、RFQ出口でのエミッタンス、twiss parameterを、表2に示す。

入射での透過率は（電圧依存はまだ測定していないが）89%であり、若干の改善がみられている。シミュレーションは、２章の入射粒子を用いたものである。この図では、TOUTATISの結果が実験結果に最も近いが、PARMTEQMとの間に決定的な差異があるとは言えない。

表２：RFQ出口でのシミュレーション結果。PQMはPARMTEQMを表す。
parameters
PQM
PQM
TOUT
oldnewATISTransmission(%)
89.8
95.3
94.5
αx-2.11-2.11-2.09βx(mm/mrad.)
0.181
0.180
0.179
εx (π･mm･mrad., rms, n) 0.192
0.213
0.219
2.082.33
εx (π･mm･mrad.,99.5%, 1.57n)
αy
1.64
1.63
1.60
βy(mm/mrad.)
0.140
0.138
0.136
εy (π･mm･mrad., rms, n) 0.192
0.212
0.217
εy (π･mm･mrad., 99.5%, 1.58
2.05
2.33n)
αz-0.128-0.1230.0755βz(deg./MeV)
745
751
668
εz (π･MeV･deg., rms)
0.0898 0.0914 0.0957

Transmission (%)

図２：新PARMTEQMによる、RFQ出口での粒子分布。

Normarized Vane Voltage

新しいPARMTEQMは、古いものに比べ透過率が良
く な っ て お り 、 そ の ぶ ん エミッタンスが大きくなっている。また、TOUTATISはPARMTEQMに比べ、透過率は低いが99.5%エミッタンスは大きくなっている。(rmsエミッタンスはあまり変わらない。)図２、３に新しいPARMTEQMとTOUTATISのRFQ出口での粒子分布を示す。
また、ヴェイン間電圧を変えたときの透過率を、実験結果とともに、図４に示す。実験結果の塗り丸は、[1]の測定２の時に相当し、塗り四角は、その後、LEBTにプリチョッパー空洞をインストールした後に測定したデータである。透過率が下がっているのは、このためと考えている。現状の32mA

図４：透過率の測定結果とシミュレーションとの比較。

４．MEBT出口での実験結果との比較
３章で得られたRFQ出口での粒子分布を用いてMEBT 出 口 で の 実 験 デ ー タ と 比 較 す る 。 MEBT の シミ ュ レ ー シ ョ ン に は PARMILA を 用 い 、 ス ペ ー ス
チャージは２次元で計算を行った。ただし、Q－マ
グネットの磁場は、[4]に示されるフリンジングフィールドを考慮に入れた。PARMTEQMとTOUTATIS
によるRFQ出口での粒子分布を用いた時の結果を実験結果とともに表３に示す。実験結果は[1]の測定１のものである。

PARMTEQMとTOUTATISで、99.5%エミッタンスにおいて差異が認められるが、エミッタンスモニターの微小電流測定に下限があるため、99.5%エミッタンスは実際より小さく測定されているはずであり、どちらが妥当かは現状では決定出来ない。図５、６、７にそれぞれの場合の粒子分布を示す。
表３：MEBT出口での結果
Exp.
PQM
datanewαx-3.13 -3.70
βx(mm/mrad.)
1.79
2.70
εx (π･mm･mrad., rms, n)0.252 0.244
εx (π･mm･mrad., 99.5%, n)
2.94
3.23
αy-1.72 1.40
βy(mm/mrad.)
1.00
1.20
εy (π･mm･mrad., rms, n)0.214 0.234
εy (π･mm･mrad.,99.5%, n )
3.44
3.15
yp (mrad)xp (mrad)parametersa) horizontal

TOUT
ATIS
-3.67
2.71
0.259
3.63-1.31
1.14
0.250
4.01

５．結論
LEBTでの実験データを基にした粒子分布から始めて、RFQ、MEBTのシミュレーションを行い、MEBT出口での実験データをほぼ再現することが出来た。
RFQのシミュレーションにはPARMTEQMとTOUTATISの２種類のコードを用いたが、rmsエミッタンスには差異がなかったが、テールはTOUTATISのほうが大きくなった。得られた粒子分布を用いたMEBTのシミュレーションと、実験データの比較において、PARMTEQMとTOUTATISのどちらが現実に近いかを断定することはできず、リニアックの全体のシミュレーションにおいては、両方を用いて比較検討する必要があるものと思われる。

参考文献“KEKにおけるJ-PARCリニアック
MEBTのビームコミッショニング(Ⅰ)”, 本予稿集.

[1] 池上雅紀他,[2] S. Wang et. al., “Beam Commissioning of the J-PARC
Linac Medium Energy Beam Transport at KEK Ⅱ”, inthese proceedings.
[3] 加 藤 隆 夫 他 ,“J-PARC 陽 子 リ ニ ア ッ ク の RFb) vertical

チョッパーによるビームテスト”, 本予稿集.

90%

y (mm)(counts/bin)(counts/bin)

x (mm)
c) horizontal

99%
99.5%

d) vertical90%

εx,n (π-mm-mrad)

99%

99.5%

εy,n (π-mm-mrad)[4] A. Ueno et. al., “Beam Test of a Front-end System for
the JAERI-KEK Joint (JKJ) Project”, Proceedings ofLINAC2002,
URL: http://epaper.kek.jp/l02/PAPERS/TU423.PDF.
[5] K. R. Crandall et. al., RFQ Design Codes, LA-UR-961836.
[6] R. Duperrier, “TOUTATIS, a radio frequency quadrupolecode”, Phys. Rev. Specials, Topics Accelerator and beams,
December 2000.
[7] H. Takeda, Parmila, LA-UR-98-4478.
[8] Y. Yamazaki(eds), “Accelerator Technical Design Reportfor J-PARC”, KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech 2003044.

90%

99% 99.5%

εx,n (π-mm-mrad)

90%

99% 99.5%

εy,n (π-mm-mrad)

図6：PARMTEQMで得られた粒子分布を用いた結果。

yp (mrad)c) horizontal

y (mm)b) vertical(counts/bin)

xp (mrad)d) vertical

x (mm)a) horizontal(counts/bin)yp (mrad)c) horizontalb) vertical(counts/bin)

xp (mrad)a) horizontal(counts/bin)

図5：MEBT出口での粒子分布（実験データ）。

d) vertical

x (mm)

90%

99% 99.5%

εx,n (π-mm-mrad)y (mm)

90%

99%

99.5%

εy,n (π-mm-mrad)

図7：TOUTATISで得られた粒子分布を用いた結果。