Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 FROB03

バンチシェイプモニタによるフロントエンドでの大強度ビームの縦方向測定

LONGITUDINAL MEASUREMENT OF HIGH-INTENSITY BEAM WITH
BUNCH-SHAPE MONITOR IN FRONT-END
北村遼 ∗,A) 、林直樹 A) 、平野耕一郎 A) 、宮尾智章 B) 、三浦 昭彦 A) 、森下卓俊 A)

Ryo Kitamura∗ ,A) , Naoki HayashiA) , Koichiro HiranoA) , Tomoaki Miyao, B) , Akihiko MiuraA) , and Takatoshi MorishitaA)
A)
Japan Atomic Energy AgencyB)
High Energy Accelerator Research Organization

AbstractIn the J-PARC linac, the bunch-shape monitor (BSM) is developed to precisely and rapidly measure the longitudinalbeam proﬁle at the front-end, towards the improvement of the beam matching. The graphite target having the goodstrength to the high-power beam, has been introduced in order to mitigate the heat loading of the high-intensity beam.
The effect due to the size of the graphite target was studied to evaluate the longitudinal bunch width. The longitudinal
Twiss parameters and emittance were measured using the BSM and the IMPACT, which was the 3D particle-in-cellsimulation code. In this presentation, we will report a series of the measurement result and the comparison between themeasurement and the beam simulation.

1.

イントロダクション

大強度陽子加速器施設 J-PARC リニアックではエミッタンス低減 · ビームロス削減などの品質向上を目指して、フロントエンドでの縦方向分布を精度良くかつ迅速に測定できるバンチシェイプモニタ (BSM) の導入を進めている [1–4]。フロントエンドにある中エネルギービーム輸送系 (MEBT1) はリニアック最上流の加速空洞である高周波四重極線形加速器 (RFQ) によりバンチングされたビームを最初に測定できる場所であり、MEBT1 のビーム品質はリニアック出射ビームに大きな影響を与える。
図 1 に示した MEBT1 が持つ重要な機能として、• RFQ で加速 · バンチングされたビームを次の加速空洞であるドリフトチューブ型リニアック (DTL) へマッチングさせる。
• チョッパーによりシンクロトロン (RCS) 入射のための時間構造を形成する。などが挙げられる。これらの要請に応じてビーム縦方向を調整するためのモニタとして BSM は重要な役割を果たすと期待される。フロントエンド用 BSM では熱耐久性の高いグラファイト製標的を導入により、これまで測定困難であったピーク電流約 50 mA·3 MeV の H− ビー
ムを安定に測定できる。本講演ではこのフロントエンド用 BSM に関するテストスタンドでの試験と MEBT1 における縦方向測定結果について報告する。

2.

Figure 1: Conﬁguration of MEBT1.

で頻繁に生じた断線による測定困難を克服している。グラファイト標的は熱耐久性が高いという利点の一方で、従来のタングステンワイヤ標的 (直径 0.1 mm) に比べて大きいため、標的大きさに起因する測定への影響が懸念された。そのため J-PARC リニアック棟のテストスタン
ドにて大きさの異なるグラファイト標的を BSM に設置して、縦方向分布測定における標的大きさの影響を評価した。

BSM とテストスタンドでの試験結果

2.1 BSM の構成
図 2 に BSM の動作原理を示す。BSM では H− ビー
ムと標的の相互作用で生じた二次電子をデフレクタ空洞へと導き、H− ビームと同期した高周波電場で縦方向分布を横方向へと変調することで元の縦方向の情報を得る。フロントエンド用 BSM ではこの標的にグラファ
イトを導入することで、従来のタングステンワイヤ標的

Figure 2: Principle of BSM.
∗ rkita@post.j-parc.jp- 212 -

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2.2 テストスタンドでの試験結果
図 3 にテストスタンドの試験セットアップを示す。
テストスタンドではイオン源と RFQ により H− ビー
ムを 3 MeV まで加速できる。ビーム条件はピーク電流約 50 mA、マクロパルス長 50 µs 、繰り返し 1 Hz である。グラファイト標的は 0.2mm(幅)×1.0mm(厚さ) と1.0mm×1.0mm の 2 種類を用いた。グラファイト標的の大きさの違いは二次電子の時間広がりを生むため、大きな標的の場合縦方向分布は定性的に広がると予想される。グラファイト標的で発生する二次電子の時間広がりの影響を Geant4 シミュレーション [5] で評価して、測定結果と比較した。図 4 に 0.2mm×1.0mm(small) と1.0mm×1.0mm(large) のそれぞれの標的で測定した縦方向分布を示す。0.2mm×1.0mm で測定した分布に対して、Geant4 で計算した 2 種類の標的間での時間広がり差を考慮して、1.0mm×1.0mm の場合と同等になるよう補正した分布 (図 4 の “corrected”) は 1.0mm×1.0mm で実際に測定した分布を良く再現しており、標的大きさの影響が正しく評価できていることを確認した。

3.

MEBT1 での BSM による縦方向測定

グラファイト標的による測定への影響が理解できた
ので、MEBT1 にて BSM を用いた縦方向測定を実施した。MEBT1 のビームエネルギーはテストスタンドと同
じ 3 MeV で、ビーム条件はピーク電流約 50 mA、マクロパルス長 100 µs 、繰り返し 1 Hz とした。BSM には1.0mm×1.0mm のグラファイト標的を使用した。図 5 にBSM で測定した波形を示す。

Figure 5: Measured waveform of the BSM.

Figure 3: Experimental setup of the test stand in the JPARC linac building [3].

縦方向 Twiss パラメータ · エミッタンス測定には、MEBT1 のバンチャー空洞を用いた縦方向 Q スキャン法 [6] を利用した。図 6 にバンチャー電圧を変えながらBSM で縦バンチ幅を測定した結果を示す。BSM の測定結果から縦方向 Twiss パラメータ · エミッタンスを測定するため、空間電荷効果の影響を考慮できる 3D PIC
コードである IMPACT [7] を用いてフィットを行った。
図 6 に示す IMPACT でのフィット結果は測定結果とよく一致している。図 7 では、IMPACT によるフィット結果から求めた RFQ 出口での縦方向位相空間分布の楕円パラメータと RFQ のデザインパラメータの比較を示す。両者はよく一致しており MEBT1 の縦方向ビームパラメータは予想通りであることが確認できた。

4.

Figure 4: Measured and corrected longitudinal bunchshape using the BSM at the test stand.

まとめと展望本研究では熱耐久性の高いグラファイト標的を導入したフロントエンド用 BSM により縦方向分布測定及びTwiss· エミッタンス測定を行った。測定結果はデザインパラメータとよく一致しており、MEBT1 のビームが予想通りであることを確認できた。現在までの実績として、ピーク電流を 60 mA まで上げた条件での測定でも、安定した運用が可能であることを確認している。今後の展望として BSM で縦方向分布をモニタしながらのビーム調整に取り組みビーム品質の向上を目指す。将来的に機器構成を改良した新しい MEBT1 を導入する場合、本研究の BSM を用いれば任意の場所で縦方向分布を測定できるため、自由度の高い光学設計ができると期待される。

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Figure 6: Longitudinal bunch width measured with theBSM in terms of the buncher volage.

Figure 7: Longitudinal ellipses measured with the BSM
and the design ellipse at the RFQ exit.

参考文献[1] R. Kitamura et al., “Bunch shape monitor for the highintensity H− beam with 3 MeV using the carbon material”,
WEOI04, Proc. of PASJ2019, Kyoto, Japan, pp.517–523(2019).
[2] R. Kitamura et al., “Evaluation of the bunch-shape monitor for the high-intensity proton beam”, WEPP15, Proc. ofPASJ2020, Online, pp.51–54 (2020).
[3] R. Kitamura et al., “Bunch-Size Measurement of the HighIntensity H- Beam with 3 MeV by the Bunch Shape Monitor”, JPS Conf. Proc. 33, 011012 (2021).
[4] R. Kitamura, “First Measurement of Longitudinal Proﬁle ofHigh-Power and Low-Energy H− Beam by Using Bunch
Shape Monitor with Graphite target”, TH1I1, in Proc. ofIBIC2022, Krakow, Poland (2022).
[5] Geant4; http://geant4.cern.ch/[6] H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics 4th Edition,Springer), pp.222–227 (2015).
[7] J. Qiang, R. D. Ryne, S. Habib, V. Decyk, J. Comput. Phys.
163, pp.434–451 (2000).

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