Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF PRISM-FFAGY.Arimoto∗ A) , M.AokiA) , Y.KunoA) , Y.KuriyamaA) , T.MatsushimaA) , K.NakaharaA) , S.NakaokaA) ,A.SatoA) , M.YoshidaA) , S.NinomiyaB) , Y.IwashitaC) ,M.AibaD) , S.MachidaD) , Y.MoriD) , C.OhmoriD) , T.YokoiD) , M.YoshimotoD) , K.YoshimuraD) ,A) Graduate School of Science, Osaka University, 1-1 Machikaneyama, Toyonaka, Osaka 563-0043
B) Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
1-10 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047
C) Advanced Research Center for Beam Science, Institute for Chemical Research, Kyoto University,Gokanosho, Uji, Kyoto 611-011
D) High Energy Accelerator Research Organization, 1-1, Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
Abstract
PRISM (Phase Rotated Intense Slow Muon source) is a project to produce a pure and high brightness muon beam
at low energy by using a phase rotation technique. An FFAG synchrotron is used as the phase rotator for PRISM. Aprogram to construct the PRISM-FFAG ring has been started.

PRISM-FFAG の開発
1 . はじめにFig. 1 に PRISM の全体図を示す。PRISM は主に 1)
捕獲部：10 T のソレノイド 電磁石内にターゲット上PRISM（ Phase Rotated Intense Slow Muon beam ）と で生成されたパイオンを捕獲する、2) 崩壊部：10 mは位相空間回転を利用してエネルギー幅の狭い大強 の長さのある超電導ソレノイド 電磁石内でパイオン度のミューオンビームをつくり出す計画のことであ をミューオンに崩壊させる、3) 位相空間回転部：位る [1] 。PRISM では荷電レプトン数非保存過程である、 相空間回転によりミューオンビームのエネルギー幅µ-e 変換過程の探索を行ない標準理論を越える新しい を揃える、と言う 3 つの部分から構成されている。
物理を開拓することを目的としている。我々は現在
我々は位相空間回転器として FFAG シンクロトロ
得られている値より 4 桁以上大きい、1011 -1012 µ/sec ンを採用した。それは FFAG は非常に大きなエネルのミューオン強度を目指している。
ギー範囲に対して軌道が存在し 、しかも強集束の集束系を用いその横方向のアクセプタンスも非常に大PRODUCTION TARGETきいという特徴を持っており、このことはエネルギー
PRIMARY PROTON分布の大きな 2 次粒子であるミューオンビームの位相PROTON BEAM DUMP空間回転に必要であるためである。PRISM-FFAG では、中心エネルギー 20 MeV に対して運動量で ±20
CAPTURE% の幅を持ったミューオンビームを位相空間回転にM
SOLENOID
SS
よって ±6% 以下に狭めることを目指す。
昨年度からミューオンの位相空間回転の原理を検証するための PRISM-FFAG の開発が 始まった。現在、PRISM-FFAG に用いる高勾配 RF システム、大INJECTION SYSTEM
口径電磁石の設計、製作が行なわれている。ここでは PRISM-FFAG の開発状況について述べる。
ATCHINGECTIONOLENOID

5M

FFAG RING
RF CAVITYEJECTION SYSTEM

図 1: PRISM 全体図∗ E-mail: arimoto@kuno-g.phys.sci.osaka-u.ac.jp

2 . ラティス
PRISM-FFAG ではストレートセクションを長くとるために電磁石 θ 方向の開き角がギャップ間隔に比べて小さくなっており、このためビームダイナミックスをスタデ ィするためにはフリンジ磁場の影響を無視することが出来ない。フリンジ磁場は 3 次元磁場計
算ソフトで計算出来るが 1 つの磁場マップを作成するのに時間がかかる。このため、我々は 2 次元磁場計
算ソフト、POISSON を用いて r の異なる複数の z -θ
平面の磁場を計算し 、それらを r 方向について補間することで近似的な 3 次元磁場マップを作成した [2] 。
この磁場マップを使ってビームトラッキングを行な
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い最適なラティス求めた。
この方法によって決定された PRISM-FFAG のパラメーター及び PRIS-FFAG リングの平面図をそれぞれ
表 1 、図 2 に示す。セル数は 10 cell であり、10 のス
トレートセクションのうち２つのストレートセクションはビームの入射・取り出しに用いる。残りの 8 つのストレートセクションには RF 空胴が設置される。

4000
r=580 cmr=600 cm
r=620 cmr=640 cm
r=660 cm
r=680 cm
r=700 cm
r=720 cm

3500
3000

Bz (Gauss)

表 1: PRISM-FFAG のパラメーター
No. of sectors
10Magnet typeRadial sector
DFD triplet
C-shapedField index (k -value) 4.6
F/D ratio8.0
Opening angle
F/2 : 2.2deg.
D : 2.2deg.
Half gap
17cm
Maximum field
Focus. : 0.24 Tesla
Defocus. : 0.026 Tesla
Average radius
6.5m for 68MeV/c
Tune
horizontal : 2.69
vertical : 1.30

につれてギャップ間隔が狭くなるような形状となっている。θ 方向のフリンジ磁場分布を一様にするために中間磁極（ 右図 Inter-pole ）と呼ばれる異方性の平板をメインポールとの間に挿入し 、ギャップ間隔が r に依らず一定となるようにした [3] 。この中間磁極は θ方向と z 方向の透磁率は鉄と同じであるが 、メインのポールで生成した r 方向に対する磁場勾配が崩れないように r 方向の透磁率は空気の透磁率の約 2 倍と他の方向に比べて非常に小さくなっている。この中間磁極を挿入することによりフリンジ磁場が一様になることが期待される。電磁石の有効開口は水平方向で ±50 cm, 鉛直方向で ± 15 cm とした。また、据え付け誤差等から生じる COD を補正するために中間磁極の上にはトリムコイルを設置する。

2500
2000
1500

z = 0 cm

1000
5000-500-1000

024681012141618θ (Deg.)
10F Component
D Component

9k value + 1

8765432
10580

600620640660680

700680700720

r (cm)

FFAG-Magnet

1098

Kicker Magnet
for Extraction

F/D ratio

76543

RF Cavity

2

Kicker Magnet
for Injection

10580

600620640660720

r (cm)RF AMP

RF PS5m

図 2: PRISM-FFAG リング平面図

3.

電磁石

図 3 に電磁石の外観図を示す。電磁石は DFD Radial
Sector 型のトリプレット型である。また入射・取り出し時のビーム経路を確保するために電磁石のヨーク形状はリング外側に開いた C 型になっている。PRISMFFAG に必要な磁場勾配を生成するために、ポールのギャップ間隔はリング中心からの半径 r が大きくなる

図 4: 磁場分布の計算値 ; 上段 : θ を関数として鉛直方向の磁束密度、Bz をプロットしたもの。それぞれのマークは r が異なっている（ 図中凡例参照）。中段: r を関数として Bz L 積の k 値をプロットしたもの。
●は磁場の値が正の部分だけ積分したもの、○は負の成分だけを積分したもの。下段 : r を関数としてBz L 積の F/D 比をプロットしたもの。

電磁石の設計は 3 次元磁場解析コード、TOSCA (Vector Field 社 ) を用いて行なった。メデ ィアン平面上で Bz L 積の k 値と F/D 比が 600 < r < 700 の範囲で一定となる磁場分布が得られるようにポール形状を調整した。磁場分布の計算結果を図 4 に示す。この磁場分布を用いたトラッキングシュミレーションにより、水平方向のアクセプタンスとして約 30,000 πmm mrad 、鉛直方向のアクセプタンスとして 約 2,00052

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Field clamp

STINUmc :htgneLssuag : neD xulF ngaM
detsreo : dleif citengaM-detsreo :toP ralacS ngaM
c-ssuag :toP rotceV ngaM
2mc C : neD xulF celE
1mc V :
dleif cirtcelE
1mc S :
ytivitcudnoC
2mc A : ytisned tnerruC
W:rewoP
N:ecroF
J:ygrenE

Z-100.0

UNITS
Length: cmMagn Flux Den : gauss
Magnetic field : oersted
Magn Scalar Pot: oerstedMagn Vector Pot: gauss-c
Elec Flux Den : C cm-2
Electric field: V cm-1
Conductivity: S cm-1
Current density : A cm-2
Power:W
Force:N
Energy:J

D

Trim coil
0.05Y

Z-50.0ATAD MELBORP
3po.cape036040
gnidnep noitalumiS

F

X450.0

X500.0X550.0X600.0Y

Main coil

0.001YX650.0

X700.00.054X

PROBLEM DATA
040630epac.op3
Simulation pending

0.005X

0.055X

0.006XZ

0.056X

0.007XInter-pole

0.057 X

X750.00.05-Y

Z50.0.SDROOC LACOL
0.0 = lacolX
0.0 = lacolY
0.0 = lacolZ
0.0 = atehT
0.0 =ihP
0.0 =isPD

LOCAL COORDS.
Xlocal = 0.0
Ylocal = 0.0
Zlocal = 0.0
Theta = 0.0
Phi
= 0.0
Psi
= 0.0

0.001-Y

Z100.0Field clamp
aP 40:35:91 4002/nuJ/03

d3-AREPO
30.7 rossecorP-tsoP

30/Jun/2004 19:37:03 PaOPERA-3d
Post-Processor 7.03

図 3: PRISM-FFAG 電磁石外観図; 左 : 立体図、中央 : 平面図、右：側面図

π mm mrad が得られた。図 5 にトラッキングによって得られたミューオンの位相空間分布を示す。

る。共振周波数 5 MHz でのインピーダンスが 730 Ωの RF 空胴に対し peak to peak で 86 kV のギャップ間電圧が得られている。
MA コアは既に 4 枚が納品されており、今年度中にさらに 2 枚製作し 、1 ギャップ分の空胴を製作する予定である。
（ 詳しくは参考文献 [5] を参照）

5 . まとめ
PRISM-FFAG のラティス設計、電磁石設計はほぼ終っており、今年度中に 1 セル分の電磁石を製作する。現在、テスト用の RF 空胴を用いて RF アンプの試験を行なっている。今年度中に、PRISM-FFAG 用の RF 空胴を製作し 、性能試験を行なう予定である。
RF システムの開発、電磁石の製作、磁場測定は 2004年度から 2005 年度にかけて行ない、FFAG リングの建設を 2005 年度末に完了させる。2006 年度からコミッショニングを行ない、位相空間回転、ミューオン加速、ミューオンイオン化冷却を行なう予定となっている。

図 5: TOSCA による 3 次元磁場マップを用いたトラッキングによって得られたミューオンビームの位相空間分布。左図 : 水平方向の位相空間分布、右図 : 鉛直方向の位相空間分布

4.

RF システム

位相空間回転はミューオンが 2.2 µsec で崩壊するまでに終えられなければならない。そのためには共振周波数、5 MHz の帯域において 200 kV/m の RF 電場勾配が必要となる。これを実現するために高い RF磁場領域での磁気特性の優れた Magnetic Alloy (MA)コアを導入した [4] 。PRISM で使用する MA コアサ
イズは幅 1.4 m 高さ 1.0 m 厚さ 3.5 cm のレーストラック型となっており、カットコアの形状となっている。1 ギャップ は 6 枚の MA コアで構成されており、PRISM-FFAG の 1 ストレートセクションに 5 ギャップ挿入する。5 ギャップ分の RF 空胴の長さは 1.75 mであり 電場勾配は最大で 200 kV/m である。ギャップ電圧は 4 極真空管を用いた RF アンプシステムにより生成される。このアンプシステムは プレート電圧として 30-40 kV（ 最大 RF 電流 60 A ）を発生することが出来る。
昨年度に 2 ギャップ分の RF アンプシステムが完成
し 、大阪大学核物理研究センターにおいて、テスト用の MA 空胴を用いたアンプのテストを行なってい参考文献[1] “The PRISM Project - A Muon Source of the WorldHighest Brightness by Phase Rotation-”, LOI for Nuclear
and Particle Physics Experiments at the J-PARC (2003)[2] A.Sato et al. “FFAG as Phase Rotator for the PRISM
Project”, Proceedings of the European Accelerator Conference (2004)[3] Y.Iwashita et al. “Magnetic Field Distribution Controlled
by Anisotropic Inter-Pole and Reduction of FringingField”, Proceedings of the 1st Accelerator Meeting inJapan (2004)[4] C.Ohmori et al., “Ultra-High Field Gradient RF System
for PRISM-Muon Bunch Rotation”, Proceedings of Symposium on the 14th Accelerator Science and Technology,
Japan (2003)[5] Y.Kuriyama et al., “Development of RF for PRISMFFAG”, Proceedings of the 1st Accelerator Meeting inJapan (2004)

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