Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP07

J-PARC リニアック RF チョッパーの過渡応答に関する検討
STUDIES OF TRANSIENT RESPONSE FOR RF CHOPPER IN THE J-PARC LINAC
北村遼 ⇤,A) , 不破康裕 A) , 伊藤大登 B)
Ryo Kitamura ⇤,A) , Yasuhiro Fuwa A) , Hiroto Ito B)
A)
JAEA/J-PARCB)
Nagaoka University of Technology

Abstract
An RF chopper is used in the J-PARC linac to generate a time structure of the beam bunch that allows the proper beam
injection into the subsequent synchrotron. Imperfectly chopped beam is produced by the transient response of the chopper field.
New kind of massless septum is proposed for the effective suppression of leakage beam by the chopper. Result calculated byParticle-In-Cell simulation shows the good separation between the main beam and one deflected by the chopper using the ideal
septum field.

はじめに大強度陽子加速器施設 J-PARC のリニアックでは負水素イオンビームをピーク電流 50 mA、400 MeV まで加速して幅広い実験に対する利用運転を行っている。
リニアックのフロントエンドにある中エネルギービー
ム輸送系 (MEBT1) は高周波四重極線形加速器 (RFQ) とそれに続くドリフトチューブ型リニアック (DTL) に挟まれる区間に位置しており、Fig. 1 に示す構成となっている。MEBT1 には偏向電場を発生させる 2 空洞 1 セットの高周波ビームチョッパーが設けられており、後段のシンクロトロンへの入射に適したマクロパルス内時間構造を形成するために用いられる。て少ないが、より安定した利用運転にはこのような漏れビームを積極的に除去する工夫を凝らすことが望ましい。

Relative RF power [arb. units]

1.

Chopper1

Chopper2

10−1100200300400500

600
time [µ s]03

Figure 2: Measured field in chopper cavities.

通常チョッパーで水平方向に偏向されたビームはMEBT1 下流のビームスクレーパーで捕集される。しかしチョッパーへの高周波電力投入に伴う過渡応答により不完全な偏向電場が必然的に発生するため、不十分な偏向ビームの一部は漏れビームとしてスクレーパーを通過して下流へと輸送されてビームロスの一因となりうる。Figure 2 に 2 台のチョッパー空洞のピックアップ波形をそれぞれ示す。第 1 空洞のテールには高周波伝送系のマッチング不整合に起因すると考えられるリンギング波形が見られる。Figure 3 に Particle-In-Cell シミュレーション (IMPACT) [2] で計算した弱い偏向電場による漏れビーム量の評価結果を示す。第 1 空洞の低振幅電場に起因する漏れビーム量は第 2 空洞に比べ

CHOP2 amplitude [%]Figure 1: Configuration of MEBT1 [1].

40/ 60*2/ . 0*2
031*2

4.

20230*24/ 6.

5. 65/ 407.

⇤ rkita@post.j-parc.jp- 280 -002040
CHOP1 amplitude [%]Figure 3: Leakage beam distribution.

Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP07

機能結合型 MASSLESS セプタムとシミュレーションによる検討

Y [mm]

2.

Deflecting = 0%, survival=97%
Deflecting = 10%, survival=33%
Deflecting = 20%, survival= 7%
Deflecting = 30%, survival= 2%
Deflecting = 40%, survival= 0%
Deflecting = 50%, survival= 0%

20

Y [mm]

近年 MEBT1 の性能向上を目的として、ビーム収束用の四重極磁場に加えて複合的な機能を持たせた機能結合型電磁石の開発が進んでいる [3]。特に永久磁石を用0いた多極磁石 [4] は電力や冷却系を必要としないため省エネルギーの観点からも魅力的である。元々 MEBT1は設計上チョッパーで偏向したビームを第 4 四重極電−20磁石の磁場にてさらに偏向させるよう構築されている。
Xcut=+6.8mm
この四重極磁場に対して永久磁石を用いた massless セ−100102030
プタム磁石 [5] の概念を取り入れることにより、漏れX [mm]ビームに対してより冗長な光学系を構築できると期待
Figure 5: Simulated beam profiles at scraper using normal
される。永久磁石によるセプタム-四重極機能結合型磁
quadrupole.
石を活用すれば、より大強度なビームに対しても低い漏れビーム量即ち低ビームロスかつ省エネルギーの理想的な加速器運転が実現しうる。
この新奇磁石を検討する上で、Fig. 4 に示すような理想的なセプタム偏向磁場を仮定した PIC シミュレー
20ションを実施した。Figure 5 及び 6 に通常の四重極磁場によるビームスクレーパー上でのプロファイル分布と理想セプタム磁場による分布をそれぞれ示す。ビーム0スクレーパーの位置は水平方向に +6.8 mm の位置と仮定して、チョッパー偏向電場が通常より低い場合の漏れビーム量を凡例に示している。シミュレーション結果より理想セプタム磁場の条件にて、漏れビームと偏−20
Xcut=+6.8mm
向無しビームを良く分離できていることがわかる。
Deflecting = 0%, survival=88%
Deflecting = 10%, survival=22%
Deflecting = 20%, survival= 6%
Deflecting = 30%, survival= 1%
Deflecting = 40%, survival= 0%
Deflecting = 50%, survival= 0%

Field [arb. units]−100102030
X [mm]

Figure 6: Simulated beam profiles at scraper using ideal septum field distribution.

10.80.6

謝辞
0.4

チョッパー波形データの取得にあたり、KEK 溝端仁志氏のご協力に感謝致します。

0.2

0−50−40−30−20−10010

参考文献20304050
Horizontal position [mm]Figure 4: Assumed septum field distribution.

3.

まとめと今後の展望

チョッパー漏れビームの低減案の 1 つとして、永久磁石を用いたセプタム-四重極機能結合型磁石が考えられる。PIC シミュレーションの結果、理想的なセプタム磁場により漏れビームを効率よく低減できる可能性が示された。次のステップとして具体的な磁石設計及びプロトタイプによる磁場計測を実施する。この磁石では急峻な磁場分布が望ましい一方、高い透過率を維持するためには広い口径をとる必要があり相反する条件となる。こうした磁石設計上の課題検討に加えて、より現実的な磁場分布によるビーム分離条件のシミュレーションを進めることで、本提案の実現可能性と想定されるボトルネックについて検証する予定である。

[1] R. Kitamura,“First Measurement of Longitudinal Profile ofHigh-Power and Low-Energy H Beam by Using Bunch
Shape Monitor with Graphite target”, in Proc. of IBIC2022,Krakow, Poland, Sept. 2022, pp. 532–535. doi:10.18429/
JACoW-IBIC2022-TH1I1[2] J. Qiang, R. D. Ryne, S. Habib, and V. Decyk, J. Comput.
Phys. 163, pp.434–451, 2000. doi.org/10.1006/jcph.
2000.6570[3] M. Chimura, “Emittance Growth Due to the Strong SpaceCharge Field and Its Mitigation Using a Combined MultipoleMagnet”, Doctoral dissertation, 2022.
[4] Y. Fuwa, T. Takayanaghi, and Y. Iwashita, IEEE transaction on applied superconductivity, 32, 6, 4006705, 2022.
doi.org/10.1109/TASC.2022.3176251[5] Y. Iwashita and A. Noda, “Massless Septum with Hybrid
Magnet”, 6th EPAC, pp.e-proc. 2109, 1998.

- 281 -