1

Eddy-current type septum magnet用
ビーム結合インピーダンス対策部品の評価の進捗
18 Oct 2022
小林愛音
高エネルギー加速器研究機構（KEK）
第19回日本加速器学会年会 講演番号TUOB01
共著者：外山毅1、中村剛1、菖蒲田義博2、石井恒次1、冨澤正人1、佐藤洋一1、竹内保直1
1: KEK, 2: JAEA

2

目次
研究背景
- ビームロスの原因になる加速器内の構造の影響- MRビーム増強に向けたビーム不安定性の課題
インピーダンスのビームへの影響- debunch時のビーム不安定性
新FXセプタムのビーム結合インピーダンスの対策- 対策方法- インピーダンス対策の実機の評価- ワイヤー法によるインピーダンス測定- ビームへの影響
まとめと今後第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

加速器内の構造のビームへの影響
構成要素（ダクトや加速空胴、磁石、各装置の構造）
磁石

ウェイク場

source磁石
磁石
鏡像電磁場による空間電荷効果

ダクトの壁の抵抗性

ウェイク場：
ビームが加速器の各構成要素の中を通るときにそれらと相互作用してできる電磁場
Fourier変換
ウェイク場（時間の関数） ビーム結合インピーダンス（周波数の関数）
チューンシフト[1]→ビームロスにつながる→ビームに影響を与える
ビーム不安定性<latexit sha1_base64="ORNheOk5xc+wg1dRwU8RY7kjHYQ=">AAAB6HicbVDLTgJBEOzFF+IL9ehlIjHhRHYNUY9ELx4hkUcCGzI79MLI7OxmZtaEEL7AiweN8eonefNvHGAPClbSSaWqO91dQSK4Nq777eQ2Nre2d/K7hb39g8Oj4vFJS8epYthksYhVJ6AaBZfYNNwI7CQKaRQIbAfju7nffkKleSwfzCRBP6JDyUPOqLFSo9wvltyKuwBZJ15GSpCh3i9+9QYxSyOUhgmqdddzE+NPqTKcCZwVeqnGhLIxHWLXUkkj1P50ceiMXFhlQMJY2ZKGLNTfE1MaaT2JAtsZUTPSq95c/M/rpia88adcJqlByZaLwlQQE5P512TAFTIjJpZQpri9lbARVZQZm03BhuCtvrxOWpcV76pSbVRLtdssjjycwTmUwYNrqME91KEJDBCe4RXenEfnxXl3PpatOSebOYU/cD5/AG/njLU=</latexit>(

インピーダンスはビームに影響を及ぼし、ビームロスを引き起こす→影響量は見積もることができ、対策すればロスを防げる[1] A Kobayashi et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1350 012114

第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

3J-PARC MRビーム増強への課題
今年度からFX >750 kW、SX >70 kW運転を目指した調整が始まった
ビーム不安定性抑制にとって厳しい条件になる

ビームロス削減要求増

FX 1.3 MW
SX > 100 kW①電磁石電源アップグレード
2.48→1.32 s 周期

粒子数3割増④1.32→1.16 s周期不安定性増大③RF空胴システムアップグレード②2nd RF空胴増設

インピーダンス源増加

図：J-PARC TDRより

インピーダンス対策によるビームロス削減は大強度化には不可欠
2027年度の運転までの対策が鍵

インピーダンスの問題の克服が必須
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

4

MRに点在するインピーダンス源の対策背景

5

SX運転のフラットな連続ビームを作る過程におけるビーム不安定性→ビーム強度を上げる妨げ

縦方向ビーム不安定性があるときのビーム波形の例
Amplitude [V]バンチ

Wall current monitorの信号@デバンチ開始
RF電圧オフから60 ms後
杉山氏による測定

デバンチ

5000

time in turn (ns)不安定性と電子雲発生が密接に関係している電子雲の概念

図：外山氏加速器学会2021より

真空悪化
ビームロス
横方向不安定性

今後FX運転でも問題になる可能性が高く、ビーム不安定性の原因解明と対策が必須
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

MRに点在するインピーダンス源の影響
n = 周波数f/周回周波数frev

Z(ω)＝Re{Z}+j Im{Z}Im[ZL/n](Ω)

Re[ZL/n](Ω)

106

測定

6測定

ビームのシミュレーション：wall current monitorによる波形測定結果を初期条件としてインピーダンス測定結果を用い縦方向のmicro bunch構造を再現[2]1200 turn (62.8 ms後)

7 1013/8 ppb = 65 kW

0 turnbunch分布

1バケツ分[2]シミュレーション：

装置のインピーダンスとビームの時間構造の関連が冨澤氏 ATAC2022よりシミュレーションからも示唆されている 第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

インピーダンスの目標値と新しい装置<latexit sha1_base64="uxjn/Sxl0uANInCy/grtGaLBoIc=">AAACE3icbVA9SwNBEN2L3/EramlzGAS1CHfiV2ERtLEQjGA0mAthbzOXLO7tHbtzQjjP32DjX7GxUMTWxs5/4yam0MQHA4/3ZpiZ58eCa3ScLys3Nj4xOTU9k5+dm19YLCwtX+ooUQyqLBKRqvlUg+ASqshRQC1WQENfwJV/c9zzr25BaR7JC+zG0AhpW/KAM4pGaha2PAEB3nmBoiy9bqan2UawmaUy8xRvd/Du0Cnt3ntnIbRps1B0Sk4f9ihxB6RIBqg0C59eK2JJCBKZoFrXXSfGRkoVciYgy3uJhpiyG9qGuqGShqAbaf+nzF43SssOImVKot1Xf0+kNNS6G/qmM6TY0cNeT/zPqycYHDRSLuMEQbKfRUEibIzsXkB2iytgKLqGUKa4udVmHWriQRNj3oTgDr88Si63S+5eaed8p1g+GsQxTVbJGtkgLtknZXJCKqRKGHkgT+SFvFqP1rP1Zr3/tOaswcwK+QPr4xtRvp5t</latexit>

ZL (f )
< 0.5 ⌦
不安定性抑制に向けた縦方向インピーダンスZLの目標@MR：n
Keil - Schnell criterion および測定済みの装置のインピーダンスが考慮された値
新しいFXセプタム（Eddy-current type magnet septum）のインピーダンス
Simulation

基準を満たさず他の装置を大きく上回るインピーダンスを持つことが判明 → 対策の必要がある
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

7

flfl8新しいセプタム（FX Eddy-Current Type magnet Septa）- 構造
高繰り返し（1 Hz）化へ対応できるものに新規入れ替えされた
漏れ磁場低減のためセプタム板の間に鉄製インナービームパイプ[3][3] T. Shibata et al., JPS Conf. Proc. 33, 011033 (2021)

2254 mm

写真：芝田氏加速器学会2021より

yzx

セプタム板

tank

タンク
beam pipe

磁石

septum magnet
inner beam pipe

113.4 mm

To Nu

周回To ABT

400 mm1200 mmy1560 mmange

ange 64mm

beam
z=0z

2台

ビームパイプとインナービームパイプがスムーズにつながっておらずミラー電流がタンクの中に流れ込むことが大きなインピーダンスの原因
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

9

銅板＋電波吸収体SiCによる削減効果
tank内に流れ込むのを防止
ミラー電流が滑らかに流れる

段差があると電磁場が溜まる対策前

銅板

電波吸収体SiCで吸収

銅板＋電波吸収体SiC<latexit sha1_base64="uxjn/Sxl0uANInCy/grtGaLBoIc=">AAACE3icbVA9SwNBEN2L3/EramlzGAS1CHfiV2ERtLEQjGA0mAthbzOXLO7tHbtzQjjP32DjX7GxUMTWxs5/4yam0MQHA4/3ZpiZ58eCa3ScLys3Nj4xOTU9k5+dm19YLCwtX+ooUQyqLBKRqvlUg+ASqshRQC1WQENfwJV/c9zzr25BaR7JC+zG0AhpW/KAM4pGaha2PAEB3nmBoiy9bqan2UawmaUy8xRvd/Du0Cnt3ntnIbRps1B0Sk4f9ihxB6RIBqg0C59eK2JJCBKZoFrXXSfGRkoVciYgy3uJhpiyG9qGuqGShqAbaf+nzF43SssOImVKot1Xf0+kNNS6G/qmM6TY0cNeT/zPqycYHDRSLuMEQbKfRUEibIzsXkB2iytgKLqGUKa4udVmHWriQRNj3oTgDr88Si63S+5eaed8p1g+GsQxTVbJGtkgLtknZXJCKqRKGHkgT+SFvFqP1rP1Zr3/tOaswcwK+QPr4xtRvp5t</latexit>

ZL (f )
< 0.5 ⌦n

目標達成

インピーダンスを大幅削減できる方法を考案・製作した[4] A. Kobayashi et al., NIM-A, 2022

第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

[4]

10

インピーダンス対策の実用的な評価
出来上がりイメージ

1. 実機用SiCの特性評価
i. 製作したSiCの比誘電率測定ii. 測定値を用いたシミュレーション
2. 実機のワイヤー法インピーダンス測定
i. ジグの設計、シミュレーション
ii. インピーダンス対策の有無の比較
3. ビームを用いた評価
i. debunched beamへの影響
ii. bunched beamへの影響

準備・検討を進めてきた
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

作図（株）トヤマ

設置後

実機用 電波吸収体SiC(SCP01)の特性評価
比誘電率測定装置（HP 85070B Dielectric Probe Kit）で実機用SiCの特性を測定した

left

特性を反映しCSTで計算

SCP01

centerright

各場所・それぞれ3回以上測定
SiC-B[5]とは特性は異なるがほぼ同等の効果を得た

Debyeの式：

温度特性は16~46度の測定範囲では10 %以内の変化
温度はほとんど変わらない見込みで性能に影響ない選定した製品でインピーダンス対策に用いることができることを評価[5] Takeuchi et al., PAC2005

第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

11

ワイヤー法によるインピーダンス測定

12

ビームの代わりにワイヤー(Φ0.16 mm)を通し、透過係数を測定、インピーダンスを導出した（Stretched wire method [6, 7])

zigdevice under test (DUT)
chamber+duct
zig

ワイヤーNetwork analyzer

セプタム＋測定ジグの半分をDUTとした（左右対称）[6] F. Caspers, IEEE 1985
[7] T. Toyama, PASJ 2021

第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

ワイヤー法によるインピーダンス測定
対策なし

対策：銅板のみ

9

銅板＋SiC片側のみ

33

Pleliminary

Pleliminary

113

Pleliminary1

インピーダンス削減効果が測定で確かめられたモデルとの違いの追求は今後行う
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

1

ビームによるインピーダンスの評価

14

1. debunched beamの時間構造の変化の調査simulation[8]によるとEddy-current type septum magnetのインピーダンス対策によりビームの時間構造が改善することがわかった
インピーダンス対策前

インピーダンス対策後（銅板）simulation

simulation[8] Tomizawa et al., ECloud workshop 2022

2022年6月に予定していたdebunched beamでの試験は行えなかったため、対策前のビームの変化を調べることは今後難しいが、冬以降の試験で想定通りビームに悪影響ないかを調べる
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

ビームによるインピーダンスの評価
2. bunched beam（~ 30 MHz）への影響
既にある他のインピーダンス（例：RF cavity）が大きいため、Eddy-current type septum magnet の影響は小さいと考えられる
RF cavityのインピーダンス＠低周波

測定結果

Eddy-current type magnet septum（対策なし）のインピーダンス＠低周波

simulation

bunched beamには影響を与えない程度の大きさである確認のための対策前後の測定の比較を予定している
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音

15

16まとめMRビームパワー増強のためにはビームロス削減が必須である
大きなビーム結合インピーダンスはビームロスをもたらすため低減させる必要がある
今年新しくインストールしたFXセプタムに対してインピーダンスの見積もり・低減方法を考案、設置に向け準備を行った
実機用の電波吸収体SiCの特性を測定しインピーダンス対策に使えることを評価した
ワイヤー法によるインピーダンス測定を行いインピーダンス対策の効果があることを評価した
対策後ビームへの影響はほとんどないと考えている
今後
ビームスタディー評価も行い、シミュレーションも合わせて理解を深める
他の装置（FXキッカー、RF空胴）の影響も含めインピーダンスとビームの関連の調査や対策を関係者と検討を進めていく
第19回日本加速器学会年会 TUOB01 小林愛音