Proceedings of the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

CONCEPTUAL DESIGN STUDY ON SUPERCONDUCTING PROTON
LINAC FOR NEUTRON SCIENCE PROJECT
Y. Honda*, K. Hasegawa, N. Ouchi, J. Kusano, and M. Mizumoto

Japan Atomic Energy Research Institute. ^Mitsubishi Heavy Industries, LTD.
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-11, Japan

Abstract
The Neutron Science Project has been proposed with the superconducting proton linac for theenergy range from lOOMeY to 1.5GeV. The studies of the superconducting linac structure and the beam
dynamics simulation are performed.

中性子科学研究用超伝導陽子リこアックの概念設計検討
1. はじめにか ら 0 .9 2 に変化するので、加速セル長を陽子のエネルキ’

原研が進めている中性子科学研究計画では、- に合わせて変える必要がある。 J3セクションの分割は細lOOMeVか ら l.S G e V までのエネルギ-範囲に超伝導陽かくするほど加速ゲインを高くとれ加速器長が短くでき、子リニアックを適用することを検討しており1〉、加 速 器 規 模モゾュ- ル数を少なくできるとV、う利点があるのに対し、量を把握するための概念設計検討が行われている。ここ

産効果が減少する、トランシV ンョンが多くなる、必要なスへ

では、加速器構成検討のために行った同一種類のキヤア数が多くなるといった欠点がある。超 伝 導 部 の 加 速 器

ビティが受け持つエネルギー範囲( 以 下 0 セクションと呼ぶ)と長 は 敷 地 の 制 約 上 700m 程度にすることが要請されて加速セル長(j3 c-X /2 , X : 波 長 、0 cオルのシ*オメトリカルJ3)

おり、必要な加速ゲインを得るために現段階では 0 セクシの検 討、キヤビティ•ハ。
ラメ- タとラティス構成の検討及びヒ•一ム

ョン分割数を8 として検討した。

シミュレ- ション結果について報告する。現状で想定してい各 P セクションでは同一種類のキヤビティで粒子を加速する加速器基本ペラメ- タは表1 に示すように、加 速 周 波 数るため粒子速度と空胴長が同期しないところでは位相600MHz、 ヒしム•ピーク電流 30mA 、 表 面 最 高 電 界のずれが生じる。各 0 セクションのエネルキし範囲はこの位(Epeak)16MV/m、加 速 粒 子 は H+及び蓄積リングへ入射

相 の ず れ の 最 大 値 が 特 率 の 0 セクションで突出することされるH_ である。にないように、つまり互いにほぼ同じになるようにした。
また、各 0 セクションのセル長は次の条件で加速器長が短くなるように求めた。(l)Epeak^ 16MV/m, (2)空胴中

2. J3セクション分割と加速セル長陽 子 加 速 器 で は 、陽子のエネルキ^-がlOOMeVから1.5GeV まで増すに従って陽子の光速度比：P は 0.43

tipeak600MHzlOOMeV〜
L5GeV
16MV/m

セル数/キヤビティ
加速位相

5-30°

ヒ•ーム収束方式

Q マグネット.
夕’ブレット

ビーム電流
加速粒子

30mA
H+,H~

キヤビティ数/収束系とする c o s で表せ 、ヒ*ーム•ハV フ。
への漏れは無いとする，⑶ Epeak/Eo(Eo:加速電界)を系統的に极えるようにす

表 1 基本ハ•ラメータ等
周波数
エネルキ'-範囲

心軸上の電場分布は空胴中心を原点とし 2 セルを1 周期2るため、空胴のアイリス曲線部をセル長に比例させる，(4)平均キヤビティ間距離を1.5m 程度とする。以上の条件 から

表2 に示す±う丨こ求まり、0 セクションのエネルキ*ー

区 分 は 100-126-160-205-269_362-511-782-1500 MeV と求められた。

3 , キヤビティ"ぐラメータとラティス構成

4 極 磁 石 の 磁 場 勾 配 は 図 2 に示されるように 4.2 〜 7.1

R F 分岐の観点より同じ 0 セクションではキヤビティのエネルT /m であり、こ れ は Equipartitioning条 件 、すなわち次キし•ゲインを一定に割り当てた。同期位相 が - 3 0 ° で 一 式 が 成 立 す る よ う に 求 め た 。公定であり、同 じ 0 セクションではキヤビティ長が一定であるため、4 ル：
T 一ゲインを一定とするためには加速電界EoX

ユ 。
_^乙9= 1 a,zm:横 ，縦の有効ビ - ム半径，

“ nz/ V

トランシ'ルタイムファクタT=一定にすればよい。Epeak は最€大 16M V/m で与えられ、Epeak/Eo がキヤビティ形状で各 j3セクション間には横方向のマッチング•セクションを配置定まる値であるため Eomax が求まる。加速器長を短くし、4 つの 4 極磁 石の 磁 場 勾 配 を TRACE3Dで求めた。

するには T の 最 小 値 Tminに Eomax適用することにな

加 速 粒 子 H一イオンの外側にある電子はある程度の磁り、これによりキヤビティの4 ルキ、ゲインが求まる。各キヤビテ場を通過すると剥ぎ取られてしまいHG原子となる(ローレィの E o は粒子速度に対するトランゲットタイムゥァクタを求ンツ• ストリッピング)。4 極磁石の磁場は中心軸から離れるめて次式より得られる。

ほど大きくなるのでヒしム通過が想定される領域の境界

to® r=Eomar rmm=constant€ ‘ 横 , 縦の有効規格化ェミッタンス（式 2)でロ- レン>ストリッピングの影響を抑えるように収束系及び( 式 1)

前節ではビームハV グへの電場の漏れが無いものとしマッチング• セクションの磁場勾配を設定する必要がある。図たが、実際にはビーム•ハ。
イデへの電場の漏れは存在し3 は中心軸から 5cm 離れたところの H一 減 少 率 を 1 0 '加速効率を下げる要因となっている。従ってこれ以降

1 0 ' l(TVm とした場合のエネルキ！許容される磁場勾配の 検 討 で は SUPERFISHにより5 連セルの電場分布を求の関係を示しており3)、こ こ で は H _ 減 少 率 が l(T7/m

め 、電場分布より得たトランシV ト•タイム•ファクタを用いた。

以下になるように磁場勾配を設定した。

Eomax は SUPERFISH より求めた Epeak/Eo と Epeak

加速器長の見積もりは図 1 のような収束系の構成で、Sl6M V /m より得た。以上の条件から求めたキヤビティ"ぐマッチング•セクションを含めて7 3 3 m となった。加速器長をラメ- タを表2 に示す。エネルキし区分が前節と若干異なる

700m 以下にするためには Epeak やキヤビティ数/収束区のはキヤビティ数をR F 分割のため 4 の倍数にする必要が間の見直しをする必要がある。

あったためである。キヤビティの総数の見積もりは3 0 8 個となった。
次にラティス構成であるが、収 束 系 は 図 1 に示すようにタY レットを採用し、1 収束 区間に 2 キヤビティを配置した。
表 2 キヤビティ"ぐラメータ

0 セクション No.
キヤビティ数
ゆレキ,一 範 囲[MeV]

Eacc[MV/m]Power/キヤビティ[kW]*0 セクションNo.
0c

キヤビティ数

4 ルキ,一範囲[MeV]
Eacc[MV/m]Power/キヤビティ[kW]*10.453
20100〜
123.5
2.45
21

20.49924
123.5〜
159.9
2.86
2730.549
24
159.9〜
209.8
3.56
38

50.66524
276,2〜
36 L2
5.01
64

60.732
32
36L9〜
502.3
5.59
79

70.80552502.3 〜
782.2
6.23
97

40.60424
209.8〜
276.2
4.30
50
8
0.886
108
782.2〜
1504.77.03
121

ビーム電 流 は 30mA ( ピーク電流）X 0.6(f3 ッビング•ファクタ>=18滅

m1

宙衮の搛成I®-« r x mtm beam 9szsi&sqE(wIOinf^§sM L—J一 •n■' i «~ l 一 »_ L-ji一 J■■一丨,,■I_ iu■瞧 丄 ■一-L画j—,1 ^SjfeVIo 20 & 4M 800 am w m ncm i 4 _ isn®

AKor Y SIMS SEMM mZBlcm]

0>4 1iT ,ia i81 S I

02m 柳
図 3 #

600 800 1000120014001^30EpeV]
ルキしと磁場によるFT減少率

L - - J . A 一丄■..一L . — 1 一
一JS

B

S_ _ _ » _ _ _ 1

B!

i!

& ao® 4 m § m § m m m 12 ©® m mr Z 9MB 酺 細 mZElesvq*1.

ニM40 L

RF 壁ロスについては、実 験 値 4)をもとに4K 運転の場
H.1 ニ合 Rs=400nQ、2K 運 転 の 場 合 Rs=20nQと仮定して見積もった結果、そ れ ぞ れ 70kW(4K)、3.4kW(2K)となっ@zm

4®® @0® Bm 1®義 i2 _ i遘 酺 i趣義藍!齲®

§ .1@f» X-ICp mum@观

た。この見積もりについては今後継続される実験により&M精度を上げる必要がある。

132
J L f(^|j^® 2m 4®® %m4 . ヒしム•シミュレーション

Bbfi \ ^mnn 12 M m m r n o ^ Mmy^.
|j«j|s„ Y-Y|» HM@ i

ヒしム•シミュレーションはPARMILAを超伝導空胴用に改修しヒしムペイプへの電場の漏れを考慮して行った。図 4にシミュい- ションの1 例を 示す 。上 流 の D T L と超伝導加速器との間には 200MHzか ら 600MHzへの周波数シ’ヤii ims m 遂m mm n m m _£ か而翳 嶋 $|3Cli©¥-«i^lンフ。
があるため入射ヒしムの電流値を 30mAX3 = 90mA0.9としてシミュレーションを行った。周波数シ\ングによるエミッタン

氟想

ス増加は検討途中であり、入射ビ- ムの横と縦の rm s エミ

0.S

ッタンスはD T L からのエミッタンスに余裕をみて各々0.080@

聊inm,J"II 丨
間ti,iii, I_ IL™uu-™L-^~„L-™i«„■1—i 嘛Ln.„„X,...^冗cm*mrad、0.86 tc MeV*deg とおいた0 シミュレーションの

2m 40900 %m 1®_ 12@® M M 1600^""®^
4 シミュレーション例靄図結 果 、1.5G eV ビ ー ム の 横 と 縦 の rm s エミッタンスはそれぞ参考文献

れ 0.083 冗cm*mrad、0.89 冗MeV*deg となり、エミッタンス

1)Mizumoto M, et aL^DEVELOPMENT OF HIGH IN­

増加を抑制する Equipartitioningの効果を確認できた。

TENSITY PROTON ACCELERATOR FOR NEU­
TRON SCIENCE RESEARCH PLAN", Proceedings of

5 •おわりにthe 218kLinear Accelerator Meeting in Japan(1996)

中性子科学研究用超伝導リニァックの加速器構成とビ2)Reiser M .: “THEORY AND DESIGN OF CHARGED- ム•シミュレーションに関する概念検討の現状をまとめた。

PARTICLE BEAMS”, JOHN WILEY & SONS, IN C .,今後の課題として下記のことが挙げられる。

573(1994)

1)J3セクション分割、J3eを見直し加速効率の高める。

3)Jason J.A, et al. ^NEUTRALIZATION OF

2)収束区間のキヤビティ数をビーム•グ付ミクスに影響を与えBEAMS BY MAGNETIC STRIPPING”，IEEE TRANS.

ない程度に見直し、加速器長を短くする。

ON NucL SdL, NS-28, 2704(1981)

3)超伝導空胴実験デ - タを反映し、設計精度を上げる。

4)Ouchi.N.,

4)構成要素の故障率を加味したシステム構築とビーム•グイSuperconducting Single Cell Cavity for the Highナミクスの検討を行う。

Intensity Proton Linac”，these proceedings.
—316 —etal. “Fabrication

H_and Test of a