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)

J-PARC RING RF SYSTEMS
M.Yoshii1,A), S.AnamiA), E.EzuraA), C.OhmoriA), A.TakagiA), M.TodaA), Y.HashimotoA), K.HaraA), A.SchnaseB),
F.TamuraB), M.NomuraB), M.YamamotoB)
A)
High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801, JapanB)
Center for Proton Accelerator Facility, Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, 319-1195, Japan

Abstract
To achieve a MW-class proton accelerator facility prior to the world, a new type of accelerating system using a highpermeability magnetic alloy has been developed and constructed in the J-PARC synchrotron complex. In this paper, thebasic design of the ring rf-system is mentioned. And, the commissioning scheme in early stage is described.

J-PARC 陽 子 シ ン ク ロ ト ロ ン の 高 周 波 加 速 シ ス テ ム備）の加速空胴がそれぞれリングの直線部に配置される。空胴はビームの加速や縦方向の電荷分布を制大強度の陽子ビームを加速するシンクロトロン御する役割を担っている。後者は空間電荷効果によでは加速空胴の高電場勾配化が不可欠である。従来るベータトロン振動のチューン・シフトの抑制を目のフェライト磁性体を装填した空胴システムは、磁的とし、RCS では2次の高調波成分を基本波に重畳性体の高周波磁束に対する非線形効果及び不安定性、している。RCS空胴は表-1にも示すように２つのバ発熱密度制限、磁気余効効果と同調制御など、大強ンド幅をカバーしなければならず、空胴の最適なQ度加速器に応用する上でいくつかの課題を解決しな値としてQ=2が選ばれた。一方、MRの加速周波数可くてはならない。一方、金属磁性体は飽和磁束密度変範囲は3%程度であるため、空胴のQ値として~15が高く、Qが低いことから高周波磁束密度に対してとしている。このように狭帯域化することによって、一般に非線形性を示さない。また、キューリ温度がビーム電流が誘起する高調波ひずみを抑えることが高く比較的温度特性にも優れている。このように、できる。
金属磁性体はフェライト磁性体に代わり、空胴の高Table 1: RF parameters
電場勾配化、広帯域化を実現する上で不可欠な磁性RCSMRFrequency(MHz):材料であることが分かってきた[1]。
`fundamental
0.938*~1.67 (h=2)
1. 67~1.72 (h=9)
J-PARC陽子リングは、速い繰り返し(25Hz)のシ`second1.877~ 3.34 (h=4)
3.34~3.44 (h=18)
RF harmonics:ンクロトロン（Rapid Cycling Synchrotron; RCS）と`fundamental
2
9 or 18
Peak accelerating
450kV
280kV
50GeV メイン・シンクロトロン（Main Ring; MR ）voltage:で構成される。RCSのビームパワーは1MW、RCS か# of stations
11+(1)**
6+(1)**
ら取り出される3GeVビームは、物質生命科学実験施*: 181MeV injection. The original value is 1.23 MHz at 400MeVinjection
設(MLF)とMR に供給される。MR では、さらにビー**: 括弧内は予備機の台数
ムを50GeVまで加速し、ニュートリノ実験や原子核空胴のQ値を自由に調整する手法としてカット素粒子実験にビームを供給する。
コアの技術を応用できる[2] 。トロイダル状のコアを2世界に先駆けメガワットビームの加速実現に向つに切断し、切断面の距離を変化さるとコアの磁気けて、J-PARC では金属磁性体を利用した空胴を用抵抗を操作し、実効的なインダクタンスを変化させ、いることを前提にリングの設計されている。
Q値を調整する。

１．はじめに

1
1 l= + gapµeff µrlm

２．加速空胴RCSは12台（内1台予備）、MRは7台（内1台予1

E-mail: masahito.yoshii@kek.jp

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(1)

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)

図１ RF systemの等価回路：N = voltage step-up ratio = number of gaps, R1 = plate resistance of push-pullsystem, C1 = total inter-electrode capacitance of push-pull system, IB= beam current, Vgap = peak gap voltage,
Va = peak accelerating voltage per system, Zgap = Gap impedance, ZL= load resistance of N-gap rf system(=N*Zgap)
式(1)において、 µeff は実効的な透磁率、µr は磁性体本来の透磁率(µr ~2000 at 1MHz)、lgapは切断面の空 隙 距 離 、 lm は 平 均 磁 路 長 (~1600mm:(MR),
1900mm(RCS)).

ためビームの電荷密度分布の制御が重要になる。効果的な波形操作として、(a)運動量オフセット入射、(b)位相オフセット入射、(c)2次高調波の重畳などを検討している[3]。

空胴は3つ加速セルに分かれ、3つの加速ギャップを有する。高周波源とはバスバーで並列に結合される。したがって、高周波源から見た空胴の等価インピーダンスはギャップ・インピーダンス(Zgap)の1/3（図１b）に成る、その反面、3倍のビーム電流が高周波源に作用する。図１は、高周波システムをビームと高周波源のそれぞれから見た等価インピーダンスを示す。

RCSからのビームは、中性子、ミューオンやMR利用などそれぞれの要求に応じた、ビームパラメータで取り出される。たとえば、ミューオンユー
ザーは短バンチビーム(100ns 程度)を要求し、一方、MRではピーク電流を十分に押さえた縦方向に広い、長バンチビームを求められる。このように、ビーム供給先に応じてパルス毎に高周波を制御させ、安定に動作させることが求められる。低レベル高周波制御システムは、最新のデジタル技術を導入し制御波形の任意発生により、多様的な運転に対応出来るよう設計されている。

３．ビーム加速及びビーム負荷補償
平成19年度のコミッショニングはリニアックのエネルギー181MeVでスタートする。MRユーザへのビーム強度を維持するために、この期間MR 高周波のハーモニック数は9から18に変更して運用される。
また、RCSでは、h=2で1バンチ加速が行われ、MRへ15バッチの入射が行われる。物質生命科学実験施設とMR に対して、この期間、2バンチ及び1バンチ加速の運転が交互に行われることになる。
3.1 RCSでのビーム加速
RCS入射ではビーム損失を抑えることが、1MWのビームをRCS から引き出す上で重要な課題の１つである。そのため、横方向のペインディングのみならず縦方向の電流密度拡散の手法が粒子トラッキン
グにより研究されている[3]。
リニアックビームは、リング高周波の周波数に同期したチョッパー波形によりパルス整形され、RCSの待ち受けバケツに入射される。入射ビームの蓄積・バンチ形成過程では、空間電荷効果の抑制の3.2 MRでのビーム加速
MR高周波システムは、RCSから取り出されるバンチの数に応じて高周波のハーモニック数(h)を変えた運転が考えられている。MR の周長はRCS の4.50倍に設計されているので、基本設計ではRCS のh=2に対してMRはh=9、RCS から2バンチ×4バッチの合計8発（1バンチ分の空間は取り出しキッカーの立ち上がりスペースのため使われる）のバンチが入射される。一方、リニアックのエネルギーが181MeVで運転されるコミッショニングの初期には、RCS のビー ム パ ワ ー が バ ン チ あ た り 0.3MW （ 粒 子 数2.5×1013ppb）に制限される。MRビーム強度を維持するためこの期間MR高周波はh=18で運転される。
MR高周波(h=18)のバケツ幅は300nsに対して、RCSから120ns(全幅)のバンチが1バンチ×15バッチ入射される、そして、3つの空バケツがキッカーの立ち上がりスペースとして使われる。MR高周波システム

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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)のh=18への対応は、空胴の同調用コンデンサーの変更、低信号レベル高周波制御システムのパターン変更で行われる[7]。
MRにおいてビーム入射に要する時間は、h=9の時120ms 、h=18では560ms になりさらに長くなる。
空間電荷効果のよるベータトロン振動のチューン・シフトを抑えるために、縦方向の荷電密度の尖塔値と平均電流の比で与えられるバンチング係数の大きさを目安に、RCSから取り出されるビームの分布やMR入射後の縦方向分布の操作が行われる。
単バンチビームの不安定性に関しては、KeilSchnell-Boussardの計算式が示すインピーダンスの閾値を元に考察した。それによると50GeV付近のエネルギー域でマイクロウェーブ不安定性を抑えるために、ビームエミッタンスをブローアップさせる必要がある[4][5]。
3.3 フィードフォワード補償空胴の広帯域化は同調システムが省略でき制御系の安定性が増す反面、帯域内にあるビームの高調波成分が誘起する電圧により波形ひずみが生じる問題がある。この波形ひずみを補償する方法として、
ビーム・フィードフォワードが積極的に導入される[6]。フィードフォワードはリング上のビーム電流モニターの波形から対象になる高調波成分をそれぞれ分析・抽出し、高周波システムの伝達関数を考慮した上、ビームが各空胴を通過するタイミングに合わせて位相反転し空胴に流すことでビームが誘起する電圧をキャンセルする。
Table 2:フィードフォワード補償で必要なビームの高調波成分
RCSビーム (h=2)
Double bunches
Single bunch
MRビーム (h=9)
MRビーム (h=18)

400MeV入 射

181MeV入 射

n = 2, 4, 6
-n = 2, 4, 6n = 1, 2, 3, 4, 5, 6

n = 8, 9, 10

N/A

N/An = 15,16,17,18,
19,20,21

表−２は運転パターンの違いによりフィードフォワード補償で対象になるビームの高調波成分をまとめる。RCSでは1バンチ加速のとき奇数次の高調波補償が必要になり、さらに、MRではh=18運転のとき空胴のQ値の低下からn=15~21の高調波の補償が対象になる。これらはいずれも低信号レベル高周波制御モジュールを拡張することで対応される
3.4 シンクロナイゼーションション）は、整数倍の関係にある2つの周波数の位相差を制御することで実現される。現実には、MRの入射周波数は固定し、RCSの周波数にオフセット周波数を許される運動量誤差（0.1%）の範囲内で加える。
RCSのトランジション・ガンマは9.14、取り出し付近のスリッページ係数は小さく、殆ど変化しない。そのため、予測制御により最大180度の位相差をコントロールするにはシンクロナイゼーション・プロセスは加速の途中からスタートしなければならない[8]。

4．まとめ
J-PARCリング高周波は金属磁性体の特性を生かした新しいタイプの広帯域で高電場勾配な空胴を導入し、メガワットビームの加速実現を目指している。カットコアの技術を導入することでRCSとMRの両方で金属磁性体の応用が可能となった。大強度ビームを加速する上で、フィードフォワードによるビーム電流のローディング補償が不可欠である。
RCSの1バンチ加速やMRのh=18運転など、多様的な運転に対応した高周波システムが求められている。

参考文献[1] Y.Mori, et al., “A new type of RF cavity for highintensity proton synchrotron using high permeability
magnetic alloy”, Proceedings of EPAC98, p229-301[2] C.Ohmori, et al., "High filed gradient cavity for
JAERI-KEK joint project", Proceedings of EPAC2002,
p.257 - p.261[3] M. Yamamoto, et al., "Longitudinal beam dynamics
on 3GeV PS in JAERI-KEK joint project", Proceedingsof EPAC2002, p.1073-p.1075[4] T.Uesugi, et al., “Longitudinal emittance control in
the JKJ 50 GeV Synchrotron”, Proceedings of EPAC2002,p.1311 - p.1313[5] M.Yoshii, et al., "RF Acceleration Systems for theJAERI-KEK Joint Project", Proceedings of EPAC2002,
p.2181 - p.2183[6] F.Tamura et al., “Multi-Harmonic RF Control
System for J-PARC RCS”, Proceedings of PAC2003,
TPAB-015[7] T.Uesugi, et al., “Direct-Cooling MA Cavity for JPARC Synchrotrons”, Proceedings of PAC2003, TPAB021[8] “Accelerator Technical Design Report For HighIntensity Proton Accelerator Facility Project, J-PARC”,
KEK Report 2002-12 or JAERI-Tech 2003-044, p.561563

２つのリングの出入射同期（シンクロナイゼー195