Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

BEAM COMMISSIONING OF J-PARC SLOW EXTRACTIONA)A)

B)Masahito Tomizawa#,A), Yoshitsugu Arakaki , Yoshinori Hashimoto , Daisuke Horikawa , Takuro Kimura
D)
E)
A)
A)
A)
Akio Kiyomichi , Koichi Mochiki , Ryotaro Muto , Shigeru Murasugi , Hidetoshi Nakagawa ,A)
E)
A)F)
Katsuya Okamura , Shinya Onuma , Tadashi Koseki , Hikaru Sato ,G)
A)
A)
A)
A)
Alexander Schnase , Yoshihisa Shirakabe , Junpei Takano , Takeshi Toyama , Eiichi Yanaoka
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
University of Fukui , 3-9-1 Bunkyo, Fukui, Fukui, 910-8507
C)
University of Miyazaki, 1-1 Gakuen Kibanadai Nishi, Miyazaki 889-2192
D)Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), 1-1-1 Koto, Mikazuki, Sayo, Hyogo 679-5198
E)Tokyo City University , 1-28-1 Tamazutsumi, Setagaya, Tokyo, 158-8557
F)
Tsukuba University of Technology , 4-3-15 Amakubo, Tsukuba, Ibaraki, 305-8520
G)
JAEA/J-PARC Center , 2-4 Schrane Shirakata, Tokai, Ibaraki, 319-1195

C)

Abstract
In the last beam commissioning for the slow extraction, we have achieved very high extraction efficiency by tuningof the bump orbit and the septum position of the electrostatic and magnetic septa. A spill feedback system implemented
in last summer shutdown worked well and improved the spill structure. We report one year’s progress of the beamcommissioning and plans for the coming run.

J-PARC 遅い取り出しのビームコミッショニング
1.

はじめに

2.

遅い取り出し運転進捗の概要

J-PARC メインリング(MR)において 30 GeV に加
表１は RUN21-22 と RUN26-30 の遅い取り出し運速された陽子ビームは、3 次共鳴を利用した遅い取 転のパラメーターの比較である。RCS から MR へのり出しによって、素粒子・原子核実験施設へ供給さ ビーム入射回数は 1 回から 3 回になり、その結果れる。遅い取り出し装置は、静電セプタム(ESS1,2)、 MR のバンチ数は 2 から 6 になった。さらに 4 回入セプタム磁石(SMS1-3)、バンプ磁石(SBMP1-4)、共 射・8 バンチの取り出しの試験にも成功した。バン鳴を励起するための 6 極磁石(RSX1-8)、そしてそれ チ数を増やすことは RF をオフしてコースティングらの電源・制御系から構成される。取り出しビーム ビームをつくるまでの時間を短縮するため、ビームを診断するためのスクリーンモニターが ESS、SMS 強度の一様性の観点から望ましいことである。
付近に設けられている。H21 年夏の長期シャットダ
加速周期は 6 秒のままで、加速時間を減らしフウン期間に、スピルフィードバック用の高速応答 Q ラットトップ時間を 0.7 秒から 2.63 秒とした。
電磁石 EQ(2 台)、RQ(1 台)と電源がインストール チューンのランピングスピードをそれにともない遅された。H20 年 1 月に遅い取り出しビームを素粒 くすることにより、スピル時間を 0.2 秒から 1.5∼2子・原子核実験施設へ導くことに成功後、７ヶ月にわたる長期シャットダウン期間を経て、H21 年 10	  表 1	  遅い取り出し運転のパラメーターの比較
月~H22 年 2 月の期間中に遅い取り出しのビームコミッショニングが再開された。ビーム軌道調整とRUN21-22	  RUN26-30
ESS とその下流にある SMS1 のセプタムの位置調整(09/1∼2 月)(09/10 月∼10/月)をおこなった結果、取り出し効率は大幅に向上した。
MR入射回数
13 (4)
ビームスピルに関しては、EQ によるフィードバッ
クにより約 1.5 秒間一定な平均強度を持つスピル波
バンチ数
26 (8)
形を得ることができた。現状の大きな電源リップル
加速周期 (s)66によるスピルのスパイク構造は、RQ のみならず EQフラットップ (s)0.72.63も用いることにより改善することができた。以上の取り出し効率向上・スピル性能改善を中心とした内スピル長 (s)
0.2
1.5∼2
容で報告を行う。	 
ビームパワー (kW)____________________________________________#粒子数 (ppp)masahito.tomizawa@kek.jp
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0.3
4×10

1∼2.6
111.3∼3.2×1012

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)	  	  	 図 1 遅い取り出し直線部のバンプ軌道。	  	  	  	  	  緑は理想値、赤は実測値。	  	  	  図 3

BLM によるビームロス分布

しないことや、ロスのレートの違いによる誤差が生じ得ることに注意が必要である。ただしこの方法では求まる効率が誤差を含めて 100%を超えることは秒まで延長することができた。この改良によって同 ない。
じビーム粒子数にたいして取り出しビームの平均強取り出し効率をあげるためにバンプ軌道の調整が度をスピル長の分下げることができたことになり、 非常に重要である。求めたいバンプ軌道をつくるた実験側からすると、その分ビームの質が向上したこ めには、もともとの COD をできるだけ小さくしてとになる。
おくことが望ましい。Q 磁石等のアライメントエ
30 GeV に加速された遅い取り出しビームのパ ラーに起因する COD 以外に、セプタム磁石の漏れワーは 0.3 kW (1×1011 ppp) から 1∼2 kW (1.3∼2.6×1011 磁場による COD が発生する[1]。遅い取り出し運転ppp)まで増やすことができた。また短時間であるが では、遅い取り出し用セプタム磁石は DC 運転され、2.6 kW の取り出しにも成功した。
入射時では 3 mm 程度の COD を作るがフラットトップでは一桁小さくなる。一方速い取り出し用の3. 取り出し効率向上
セプタム磁石は、遅い取り出し運転においても加速取り出し効率の絶対値を精度よく求めることは容 と同様なパターンで励磁され、同等の COD を発生易ではない。取り出し効率を求める方法として、遅 する。入射・加速を含むフラットトップまでの CODい取り出しを行わないで、バンプ磁石とステアリン はステアリングによって水平・垂直方向ともに 1
グにより ESS と SMS1 の場所にバンプ軌道をつくり、 mm 程度まで補正された[2]。
その振幅を調整して各々のセプタムでビームロスが さらにフラットトップではバンプを軌道する領域の発生するようにする。その時の DCCT の信号の減り BPM のビームベースドキャリブレーションを行った具合から、ビームロスモニター(BLM)のカウント数 上で、3 台のステアリング磁石の組み合わせによるをロス粒子数に換算することができる。その結果、 補正によって COD を 0.5 mm 程度まで抑えた。以遅い取り出し時において、BLM のカウント数から 上の補正後にバンプ軌道を作った。バンプ磁石のパロスの粒子数が求まり、取り出し効率を得ることが ラメーターは計算値から出発し MICADO アルゴリ
で き る 。 こ の 方 法 で は 、 バ ン プ を 作 っ た と き の ズムによって目標とするバンプ軌道になるように 4BLM の分布と遅い取り出し時の分布が完全に一致 台の磁石のパラメーターを決定した。さらに 3 台の隣り合う水平方向ステアリングの組み合わせによるローカルバンプの作成によりバンプ軌道を、BLMのカウント数を見ながら調整を行った。図 1 に調整後のバンプ軌道と設計値のプロットを示す。次のス
テップとして ESS と SMS1 のセプタム位置の調整を
BLM の カ ウ ン ト 数 を 見 な が ら 行 っ た 。 ESS2 とSMS1 の平行位置調整で劇的なロス改善が得られた。
これら一連の効率向上の経過を図 2 に示す。後述する EQ, RQ を ON にした運転において、取り出し効率は 98.6%に達した。RQ を OFF にした場合、効率はさらにアップしたが、今後その原因を追求する必要がある。この取り出し効率は、約 9 時間連続運転の平均でありばらつきも少なかった。ただし別の時間帯に取り出し開始時だけにロスが増えその結果取り出し効率が 0.2%程度悪くなることがあった。この原因は周回ビームのエミッタンスが大きくなり低磁場セプタムでのロスを引き起こしたと推定する。このロスは最後に述べるダイナミックバンプの導入で回避できると考えている。図 3 は BLM で測定されたロス分布である。	  RUN30 の終了後ダクト表面 (on contact) での残留	  	  	  	  図 2 取り出し効率の進展。
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Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

factor は 11%程度まで改善した。100 Hz 程度までの周波数成分が大きく減少した[4]。	  EQ, RQ によるフィードバックに加えて、周回ビームに横方向もしくは縦方向に RF ノイズを加えることにより、常に共鳴に近づける成分を加えることによりスピルを改善をねらう試験を行った[6,7]。
横方向の RF ノイズは水平方向ベータトロン周波数のハーモニックスを中心周波数としバンド幅 1 KHzまでの一様幅を持つノイズ RF をチューンメーターに与えることにより行った。まだ安定な運転を得るための調整は必要なものの、duty factor を 1.5 倍程度向上させる見込みが得られた。

5.

まとめと今後の予定

RUN26-30 の進展をまとめると以下の通りである。
• スピル長は 0.2 秒から 1.5∼2 秒になった。
• 連続運転で 1∼2 kW のビームをハドロン実験施設に供給した。2.6 kW ビームの試験にも成功した。
• 世界最高レベルの取り出し効率 98.6%を達成し放射能のサーベイが行われた。ビーム停止までの 8た。しかも達成した効率は長時間安定であるこ
日間で 1∼2 kW のビームパワーで合計 9×1016 個の陽とが確認された。
子ビームが供給された。ビーム停止後 4 時間で最大• EQ、RQ のスピルフィードバックによりスピル線量は SMS1 下流で 300 µSv/h であった。その次がの duty factor に大幅な改善が得られた。RF のESS2 から下流２台目の Q 磁石(QFR)の場所で 200ノイズをビームに加える方法がスピル改善に有µSv/h であった。7 日後の測定ではおよそ線量は 1/3望である感触を得た。に減少している。メンテナンス時の基準となる表面 また今秋に予定されている RUN に向けての計画はから 30 cm のところでの線量は 1/3∼1/10 程度に減る。 以下の通りである。
• 取り出しの途中でバンプ軌道を動かすダイナミックバンプを導入する。これによってさらな4. スピル制御る取り出し効率の向上をねらう。	  偏向電磁石、四重極電磁石電源のリップル改善の• スピルの改善のために、600 Hz 成分をターゲッ
努力はなされてきたが、依然として遅い取り出しでトにした制御アルゴリズムを導入する。スピル許容できる大きさには到達していない。対応する信号のノイズを極力除去する。RF ノイズを併チューンリップルはおよそ 0.003 程度である。電用した方法のスタディーを進める。
源リップルによる磁場への影響を少なくする目的で、 • 5 kW のビームパワーに挑戦する。
全 Q 磁石のうちの水平方向のチューンに効くものについてトリムコイルの両端をショートしリップル成分をバイパスさせる対策がとられた[3]。スピルには 参考文献
電源リップルに起因する強いスパイク構造が存在する[4]。スピルの FFT を見ると 100 Hz までの成分と [1] Y. Shirakabe, et al., “Leak Field Analysis of the J-PARC
MR Slow extraction Septum Magnets”, These Proceedings.
600 Hz の成分が大きい。スピル性能を定量的に表す
duty factor[4]は、フィードバックなしでは約 3%で [2] J. Takano, et al.,	 “Design of Slow Extraction from 50 GeVSynchrotron”, Proc. of IPAC2010, p1058-1060.
あった。
[3] S. Igarashi, et al., “Magnetic Field Reduction of the Main	  フィードバックの EQ 系統は主にスピルの平均強Ring Using Trim Coils”, Proc. of IPAC2010, p.301-303.
度をできるだけ一定にするのが目的である。一方 [4] T. Kimura, et al., “Spill Feedback Control for the J-PARC
RQ はスピルのリップル分の補正を行う[4]。図 4 はSlow Extraction”, These Proceedings.
EQ と RQ のフィードバックをかけた状態でのスピ [5] S. Onuma, et al., “Spill Feedback Control Unit for the JPARC Slow Extraction”, These Proceedings.
ルの測定結果である。DCCT 信号の減少度、スピル[6] M. Tomizawa, et al., “Status and Upgrade Plan of Slowの形からわかるように、EQ によって、平坦なスピ
Extraction from J-PARC Main Ring”, Proc. of IPAC2010,
ル平均強度が得ることができた。リップル分に関し
p.3912-3914.ては 100 Hz 以下の成分への応答性に重点を置いた [7] A. Schnase, et al., “Application of Digital Narrow Band
フィルターで RQ を制御した[5]。さらに EQ の比例
Noise to J-PARC Main Ring”, Proc. of IPAC2010, p.14461448.
制御項を大きくすることにより 50 Hz 程度までの成分に応答できるような設定とした。その結果 duty
図 4 EQ, RQ によるフィードバックを行った状態
でのスピルとその FFT。上図は DCCT 信号。

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