新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会
Dec. 7, 2013

大強度加速器J-PARCの現状と将来計画

Yoichi Sato
Accelerator Laboratory, KEK
J-PARC Center, KEK & JAEA

1

Contents

Status of accelerator operation

The 5-year medium-term plan (2013 ~ 2017)

The Long-term plan (2018~)

Summary2

Status of accelerator operation3400 MeV H- Linac[181 MeV at present]

3 GeV Rapid Cycling
Synchrotron (RCS)

Neutrino Beam Line forT2K Experiment

K4
Trigger

Materials & Life
Science Facility(MLF)

JFY 2006 / 2007
JFY 2008
JFY 2009

Main Ring Synchrotron(MR)HadronExperimental
Hall (HD)4History of beam delivery from RCS to MLF
May 2008- March 2013

Beam delivery of ~ 300 kW was started in Jan. 2013.
High power beam study of the RCS was performed in Apr. 2013.
Beam delivery of 556 kW was successfully demonstrated.

5

Beam power [kW]MR operation history from January 2010 to March 2013

250

SXS
FXX

FX
3.52 scycle

Shutdown

SX

FX
3.2 s
3.04 s

Shutdown after
the earthquakeF S
FXX X 2.56 s
2.56 s3.52 s cycle

SX

Shutdown

FX
2.48s

SX

F SF
X XX

240 kW for T2K

200

150
100

500Mar/2010Jan/2011

Oct/2011

May/2012

Jan/2013
6History of delivered beam to the T2K experiment77

T2K collaboration

665

5[1020 POT]

[1018 POT/day]

as of May 7th ,2013

240 kW
4433145kW
2Earthquake
recovery

21

10

0

Accumulated number of proton ~6.7 x1020 POT.

7

MR FX commissioning

MR ~240 kW [空間電荷効果の影響が許容範囲]
入射エラー（入射キッカーテール部由来）対策：


バンチ毎フィードバックシステムの導入、増強
入射キッカーテール部の一部改善

緑字は2014春に適用
青字は試験/開発中

入射時、加速初段でのビーム不安定性対策：

バンチ毎フィードバックシステムの導入、増強
バンチ内フィードバックシステムの試験
色収差の補正パターン（6極磁石） --- Δp由来チューン広がり（抑えすぎると不安定）
4極磁石補正パターンによるチューンずれ抑制

ビームハロー成分対策（ロス局在化、放射化抑制）：

コリメータの増強（3-50BT: 2 kW, MR: 3.5 kW）だが、放射化を測定しながらロス量を操作
Linac 400 MeV化に伴うハロー成分の低エミッタンス化（3-50BT通過時）
3-50BTのアップグレードに基づくハローカット効率化、3-50BT/MRロスバランス

その他の対策：8極磁石 / SkewQ磁石 / 新オペレーションポイント / RF feed-forward / 繰り返し時間短縮（2.48s->2.4s）

MR 300 kW or more [空間電荷効果の影響が厳しくなってくる]上のツールによる調整に加え、バンチ長を伸ばしてしのぐ。
高調波ＲＦの導入 （整備済）
入射キッカー立ち上がり時間の短縮 （補正キッカーの導入: 2014 Fall）

8

ビーム強度増強にむけてTune spread for (nx,ny)=(22.43, 20.76)
21.0• ビーム強度の増強は空間電荷効果対策が鍵となる。

Bunching Factor : BF ntotal rp

Np=3.33E13ppb
BF ~ 0.25

I average
I peak1
 Space Charge  2   2 3 BF
一様分布モデルの場合

ny20.5

22.0

nx

22.33

22.5

• バンチ長を伸ばし、ピークカレントを下げれば（BFが上がり）、空間電荷効果の緩和が可能。
• しかし、バンチ長を伸ばしすぎると、RCS取出しキッカー、MR入射キッカーの立ち上がり時間中にビームが掛かってしまい、横方向エミッタンスの広がったビームになってしまう。
9

Improvement of beam survival with 9th rf system in MR
Without 2nd harmonics rf voltages

V2nd: 0% at RCS ext,
0 / 90 kV at MR injection

Wave form

Beam survival of 1 batch

Bunching factor

F. Tamura1.35 e13 ppb
With 2nd harmonics rf voltages
24 / 60 kV at RCS ext., 36 /120 kV at MR injection

V2nd 30% at RCS ext,
36 / 120 kV at MR injection

Wave form

Bunching factor

Beam survival of 1 batch
Beam loss is reduced by the 2nd harmonic RF.

10MR入射キッカー
Fraction of meas. current

T. Sugimoto
入射バンチがロスする

trigger
K4

現状の立ち上り時間： 380ns (1 – 99%)
2013年夏:整合用コンデンサの最適化でTime (10E-4 s)

立ち上り時間-60 nsを目指す。

テール部のロスも一部改善

周回バンチがロス2014年夏:テール部のロスは補償用小型キッカーを導入する。

Kicker off at K2,3,4 timing

Kicker at K2,3,4 timing

Beam survival of 1 batch

1.35 e13 ppb

K2K3K4

入射キッカーupgrade
はMR300kW以上を目指す際には必須
11

The 5-year medium term planfor FX operation2013~201712

Upgrade plan of linac
The design specification of the J-PARC facility (e.g. 1MW@RCS, 0.75MW@MR) cannot berealized with the present 181 MeV/30 mA linac.
For beam energy (Small emittance beam for the RCS injection) :New accelerating structure, ACS( Annular Coupled Structure linac ) will be installed to increase theextracted beam energy of the linac from 181 MeV to 400 MeV. Power supplies of RCS injection
magnets will also be replaced for adopting 400 MeV injection beam.
For peak beam current ：Front-end part (IS+RFQ) will be replaced for increasing peak current from 30 mA to 50 mA.
New ion source using rf antenna(Collaboration with SNS)
181 MeV LINAC
3.1 m 27.1 m

91.2 mIS RFQ DTL SDTL
MEBT13 MeV(Two SDTL tanks are used as a debuncher temporally.)

DB1

DB2

To 3-GeV RCS

L3BT(Linac 3-GeV Beam Transport)(324MHz)50.1 MeV 181 MeV

ACS modules were installed

400 MeV LINACIS RFQ DTL
MEBT1

SDTL

(324MHz)15.9 m108.3 m

B1,2ACS

MEBT2(972MHz)

190.8 MeV
MEBT2
Two bunchers

To 3-GeV RCS

DB1,2L3BT

400 MeVACS
21 Acc. Modules

L3BT
Two debunchers

13Limitation of the RCS beam power

H. Hotchi

Summery of 400 MeV inj.
RCS
intensity

Particle
Loss

Loss power
at 25 Hz(for MR)

1.0 MW

~0.3%

400 W
(64 W)

1.1 MW~0.3%

440W(70 W)

1.2 MW

~0.3%

480 W
(77 W)

1.3 MW

~0.3%

520 W
(83 W)

1.4 MW

~0.3%

560 W
(90 W)

1.6 MW~0.5%1067 W(170 W)

1.8 MW~0.7%

1680 W(269 W)

2.0 MW~1.5%

4000 W(640 W)

Index of space charge tune shift

RCS collimator limit ~4 kW
RCS has a feasibility to operate 2 MW
（2MW is twice of design beam power）

556 kW operation was successfully
demonstrated in Apr. 2013.

しかし、RCS 2 MWの実現には、イオン源100 mAのR&Dが課題

14

Power upgrade for Linac & RCS
Power [MW]We revise the power-up curve after the earthquake: shifted 6 months.
1.00.80.6

Linac

Revised plan

0.40.20.0

400MeVIon source,RFQ400MeV Inj.

RCS

Original power upgrade
plan of RCS to MLF

2008

2009

2010

2011

2012

Fabrication, Offline test

2013

2014

2015

JFY

Installation, Beam test

R&D, Fabrication, Offline test

R&D, Fabrication, Offline test

User operation,Power increase

Realignment15

Mid-term plan of MR
FX：We adopt the high repetition rate scheme to achieve the design beam intensity, 750 kW.
Rep. rate will be increased from ~ 0.4 Hz to ~1 Hz by replacing magnet PS’s and RF cavities.

JFY

2011

2012

2013

2014

201
52016

2017

Li. upgrade

FX power [kW]

150

200

240~ 400

Cycle time of main magnet PS
New magnet PS for high rep.

3.04 s

2.56 s2.48 s2.40 sPresent RF system
New high gradient rf system

Install. #7,8

R&D

Install. #9
R&D

Ring collimators

Additionalshields

Injection system
FX system

New injection
kicker

Add.collimatorsand shields(2kW)

Add.collimators(3.5kW)

Kicker PS improvement、Septum 2 manufacture /test
LF septum, PS for HF septa manufacture /test

750

Manufacture
installation/test
Manufacture
installation/test

1.3 s現行電源での可能性
各種技術的課題をクリアすることが前提
1.0
Survival ratio for K1 injection

Injection
0.985
0Smoothaccel

Time (s)Linearaccel

2.6E14ppp, 2.4s cycle,
1.4s accel, 0.88s decel
BT 1.2 kW loss (42pi cut),
MR 525 kW (65pi cut)
MR 0.49 kW loss
Fundamental RF: 100 kV ->240 kV
2nd harmonic RF: 70 kV

0.3

RCS conditions: 800kW, full errors, 400 MeV 100pi painted injection
MR conditions:
Bunching factor ~0.2 at injection
MR total loss is acceptable
65pi cut, Alignment errors, measured multipole,
for maintenance.
Sum resonance corrected (we have Skew Qs)
Chromaticity fully corrected, No instabilities17新電源（1.3 s cycle）でのシナリオ
加速時間短縮に応じた各種upgrade + commissioningが前提
1.0Survival ratio for K1 injection

Injection

0.975
0Smoothaccel

Linearaccel

Time (s)0.25

2.0E14ppp
1.3s cycle, 0.5s accel
BT 1.3 kW loss (60 pi cut),
MR 727kW (65pi cut)
MR 1.11 kW loss
Fundamental RF: 140 -> 440 kV
2nd harmonic RF: 91 -> 0 kV
During accel. Φ_2s >0

RCS conditions: 600kW, full errors, 400 MeV centered
MR conditions:
Bunching factor ~0.3 at injection
65pi cut, Alignment errors, measured multipole,Sum resonance corrected (we have Skew Qs)
Chromaticity fully corrected, No instabilities

MR total loss is acceptablefor collimator capacity.
しかし、放射化測定を通じロス量の慎重な操作が必要
18

Long-term plan for FX operation2018 ~
Multi-MW proton driver :K. Hara, H. Harada, H. Hotchi, S. Igarashi, M. Ikegami,
F. Naito, Y. Sato, M. Yamamoto, T. Koseki

19Scenarios for Multi-MW output beam power for neutrino experiment are being
discussed .
1. Large aperture MR
Enlarging the physical aperture from 81 to > 120 mm.mrad
A new synchrotron in the MR tunnel
2. Second booster ring for the MR (emittance damping ring)
The BR with an extraction energy ~ 8 GeV, between the RCS and the MR

3. New proton linac for neutrino beam production- Linac with an beam energy > 9 GeV- The MR is operated only for the SX users….

20

Injection energy and beam loss in the MR
Simulation of beam survival in the injection period of the MR
for the RCS 1MW eq. beam (4e13 ppb)

6.0 GeV
1.0
3.6 GeV
Survival ratio

3.4 GeV
0.98

0.96
3.0 GeV Inj: Ave Inj loss 3.2%(Total loss x1.5)(3 kW loss for MR 640 kW @2.4 s cycle)

3.2 GeV Inj: Ave Inj loss 1.5%
(Total loss x1.5)(1.5 kW loss for MR 640 kW@2.4 scycle )

0.94
00.04

0.08

0.12

Time [s]21Design of the 8-GeV BR : Lattice & parameters

8-GeV BR

Parameters of the RCS and 8 GeV BR

RF CAVs

INJ+COLLRF CAVs

EXT
H&Vhx,y (m)x,y (m)Beta & Dispersion for 1-superperiods (m)3-GeV RCS

8-GeV BR

Circumference

348.333 m

696.666 m

Super-periodicity

34Injection energy

400 MeV3 GeV

Extraction energy

3 GeV

8 GeV

Repetition

25 Hz

25 Hz

Ramping pattern

Sinusoidal

Sinusoidal

Transition energy

9 GeV

15 GeV

Harmonic number2

4

Number of bunches 22

Momentum
acceptance

±1%

±1%

Ring acceptance486
 mm mrad

189
 mm mrad

Collimator aperture 324
 mm mrad

126
 mm mrad
22

Design of the 8-GeV BR：Simulation results (2)RCSintensity(MW)x99.8%/y99.8%
at 14.2 ms( mm mrad)

x99.8%/y99.8%
at 20 ms( mm mrad)

MR beam power(MW)assuming 1-s cycle

1.035.0/36.531.1/32.5

1.6

1.2

39.9/42.4

35.4/37.7

1.9

1.4

44.1/47.2

39.2/42.0

2.2

1.6

49.4/54.0

44.0/48.0

2.6

1.8

55.0/60.1

48.9/53.4

2.9

2.0

57.9/62.4

51.5/55.5

3.28-50BT & MR collimators : 54-60 mm.mrad

h=9, bunch=8 → h=18, bunch=16
入射時間120ms → 280ms （1s cycle → 1.16s cycle) ⇒ Power×1.72
Beam loss @ 8-50 BT collimator
0.2% particle loss ⇒ 1.71 kW if assuming 3.2 MW from MR
Loss capacity of the 8-50BT collimator: 2kW （as same as the 3-50BT collimator）
23

24

3. New proton linac for neutrino beam production- Linac with an beam energy > 9 GeV- The MR is operated only for the SX users

太田良介氏
ニュートリノフラックスの陽子ビーム依存性
ＭＲ大強度化検討会（2012.7.31）

この場合、サイトがJ-PARCである必要はない。
つくばの可能性は？

25

Proton driver in the KEKB tunnel
KEKB tunnel:
Circumference ~3 km
LS section 200 m x 4
Proton linac:
E = 9 GeV

1.3 GHzg=1, 9 cell

6.4 GeV
1.3 GHzg=1, 9 cell

- 509 MHz, 5 cell (TRINSTAN)
E0=10 MV/m
Real estate grad. ~3.2 MeV/m
900台以上の空洞アークに空洞？、2周以上？

9 GeV

9 GeV

- 1.3 GHz, 9 cell (ILC)
3.8 GeV
E0=37.5 MV/m
Real estate grad. 13.3MeV/m
1.3 GHzg=0.93, 9 cell

最初の直線部で1~1.2 GeV.
その後、3つの直線部で 9 GeV.
第1アークに650 MHz rebuncher x 3
第2、3アークに1.3 GHz rebuncherx 3

1.2 GeV26

第1アーク後の再加速g=0.93 section （1.2 → 3.8GeV）

3台のrebuncher を置け
ば、ビームは最初のアークを越え、g=0.93部を問題なく通る。

KEKBトンネルを用いた9 GeV proton driver は可能と思われる。
ビーム強度はduty との兼ね合い（特にlow β部）で決まる。
CWでよければ、9 GeV×1mA= 9 MW .

27

まとめ利用運転の状況
MLF : 300 kW (ハイパワー試験では556 kW）
NU : 240 kW
5年の計画: (2013 - 2017)- 2013年運転停止期間中にリニアックを400 MeVに増強する。
- 2014年運転停止期間中にリニアックを50 mAに増強する。
- 2015年度中にRCS 1MWを目指す（one shot）- MR-FX ：高繰り返し化によって2017年度中に750 kWを目指す。
高繰り返し電源、高勾配空洞、入出射の増強、コリメータの増強が必要。ダクトのチタン化を実施。

長期計画 (2018 - )マルチＭＷビームの検討- 8 GeV ブースター案 ： Linac 100 mA, RCS 2 MW eq. → MR 3.2 ＭＷ(h=8) - 5.5 MW(h=18)
100 mAイオン源、入射Kicker のＲ＆Ｄが重要。
- 9 GeV リニアック案 ： KEKBのトンネルを使って ~ 9 MW（cw）。2022年以降？

28

次世代の加速器ニュートリノ実験
ワークショップの御案内第一回 平成26年2月5日(金) 10:00-16:00 @KEK東海キャンパス
第二回 (仮) 平成26年3中旬、第三回以降も開催予定

新アイデア紹介、講演希望は世話人まで
世話人：小林隆, 小関忠, 佐藤洋一, 中平武(KEK), 中家剛(京都大), 横山将志(東京大)29

次世代の加速器ニュートリノ実験ワークショップ
近年、J-PARC T2K実験、原子炉ニュートリノ実験の最新結果が相次いで報告されました。これらの結果は、三世代の混合角の最後のひとつを決定し、さらにレプトンのCP対称性の破れを測定する可能性を開いた、ニュートリノ物理の大きなブレークスルーといえます。これにより、高エネルギー物理学将来計画検討小委員会の答申(*1)に挙げられたニュートリノのCPの破れの測定を目指す条件がととのい、KEK
ロードマップ(*2)にあるとおり、次世代の加速器ニュートリノ研究の戦略の検討を進めていく時期に至っています。
そこで、より大強度(>1MW)のビームの実現にむけた加速器増強やニュートリノビーム生成・ニュートリノ測定器の高性能化の可能性と、そのビームを使った次世代ニュートリノ研究のさまざまな可能性、アイデアを出し合い議論する研究会のシリーズを始めたいと思います。こ
こでの議論の中から、日本における加速器ニュートリノ実験の新たな将来像を生み出すことを目指したいと考えています。
ニュートリノ物理に興味をお持ちの方はもちろん、大強度陽子加速器・大強度二次ビーム生成にたずさわっておられる加速器やビーム物理の研究者の方々など、多くの方の参加をお待ちしております。新しいアイデアをお持ちの方の参加は大歓迎ですので、講演の希望などあれば世話人までご連絡ください。
場所：KEK東海キャンパス
日時:
第一回 平成26年2月5日(金) 10:00-16:00
第二回 平成26年3中旬（予定）
第三回以降も開催予定
第一回、第二回でカバーする予定のアジェンダ
ニュートリノ物理の現状と、大強度ビームによる将来展望
J-PARC加速器の750kWに向けた取り組みとNUビームラインの基本性能
日本のニュートリノ実験の将来計画と、欧米の将来計画のレビュー
マルチMWを実現する陽子加速器とニュートリノビームラインの構想
マルチMWでのニュートリノ実験のシナリオ
ニュートリノ検出器の性能向上によるニュートリノ実験の高精度化その他新しい実験のアイデア
世話人: 小林隆, 小関忠, 佐藤洋一, 中平武(KEK) 中家剛(京都大),横山将志(東京大)(備考) 科研費 (新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合と進化」における計画研究A01「加速器ニュートリノビームによるニュートリノフロンティアの展開」) より旅費の補助が可能です。 ただし予算はかぎられていますので、旅費の補助を希望される方は1月10日（金）までに世話人に連絡して下さい。
(*1) http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/hecsubc/30(*2) http://www.kek.jp/ja/About/OrganizationOverview/Assessment/Roadmap/