J-PARCຨ 子 リ ニ ア ッ ク の RFチ ョ ッ パ ー に よ る ビ ー ム テ ス ト加藤隆夫1,A)、池上雅紀A)、王生2A)、傳成年2A)、穴見昌三A)、新井重昭A)、池上清A)、五十嵐前їA)、上野彰A)、岡田雅之A)、๖倉英一A)、上窪田紀彦A)、川村真人A)、小林仁A)、久保田親A)、‫ݗ‬崎栄一A)、
田中宏和A)、千葉順成A)、内藤富士雄A)、野口修一A)、福井佑治A)、山口誠哉A)、吉野一男A)、伊藤崇B)、
木代純逸B)、小林鉄也B)、‫ؼ‬藤恭弘B)、富澤哲夫B)、ସૌ川和男B)、廣木文雄B)、山崎良成B)、吉川博B)A)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1
B)
日本原子力研究所 大強度ຨ子加速器施০開発センター〒319-1195 茨城県జ珂郡東海村白方2-4

概要J-PARC リニアッ クのMEBTに০ 置される‫ ݗ‬速チョッパーのビームテストを行った。約10nsのビーム立ち上がり時間が得られた。MEBT出口では、チョッパーが働いている時間帯のビーム信号は、測定限界以下であった。チョップパルス列は自在にコントロール出来るので、J-PARC 加速器の運転に有益と思われる。

石、2台のバンチャー、2台の324 MHz チョッパー空洞（RFD-A、RFD-B）、5セットのステアリング磁石、及びビーム測定システムから構成する。チョップビームのパルス構造を図2に示す。RCS‫ݗ‬周波周波数に従うチョップ周波数はおよそ1 MHzである。。

１．はじめにRFDはTE11モードで励振する。大きなカップリン
グ係数を持つ入出力用の2本の‫ݗ‬周波ループを使って、空洞の負荷Ｑ値はおよそ11に০定する。チョップビームの過渡特性を速くするには、以下の方法が考えられる。１）使用஢力が決まっている時に、2台の RFDをシリーズに使う（カップルシステム）。
２）与えられた஢力のもとで、負荷Ｑを最適化する。
３）パルスの終わり付‫ؼ‬で入力‫ݗ‬周波の位相を反転する[7]。４）大きな‫ݗ‬周波஢力を使って、チョップに必要な空洞஢場レベルに到達する時間を速める。
５）஢力増 幅器の過渡 特性をよく する。我々 のチョッパーシステムでは、2台のRFDを同ࡃ管でシリーズにつなぐ。この結果、カップルド空洞システムとなり、必要஢力は半減する。HFSS‫ڐ‬算により、連結する同ࡃ管のସさを決めた[8]。
30個のモジュールからなる最大出力36 kWの個体増幅器を製作した[9]。この஢力増幅器の立ち上がりはおよそ15 nsである。増幅器の入力信号はダイオードスイッチ回路で振幅変調をする。
RFD஢圧1.6 MV/mに対応する஢力は22 kWである。

J-PARC加速器は、400 MeVຨ子リニアック、3GeVシンクロトロン（RCS）、50 GeV シンクロト
ロンから構成される[1]。リニアックは、ピーク஢流
50 mA、パルス幅500 ms、繰りඉし周波数25 Hzで運転する。RCSでのビーム損失を低減する為に、‫ݗ‬速のRFチョッパー[2,3]をリニアックの低エネルギー൉分（MEBT: 3 MeV RFQとDTL の間のビーム輸送系）[4]に০置して、ビームを整形する。チョッパーの性能を‫ݗ‬めるには、チョップパルスの過渡൉分を出来る限り短時間にする事が重要である。過渡൉分のビームは、定常状態と違うので、ビーム損失となる可能性があるからである。KEKの60 MeVビームテ
ストスタンドで行われたビームࠟ験[5,6]のチョッパーテストの結果について報告する。

２ ． MEBTの 構 成
図１にMEBTの構成を示す。MEBTは8台の収束磁

図１：MEBTの構成
1

E-mail: takao.kato@kek.jp

３ ． RFチ ョ ッ パ ー （ RFD） シ ス テ ム

図２：リニアックビームパルスの構造。チョップ比56%、リング周波数1.23 MHz。
2 現在、中国‫ݗ‬能物理学研究所

これらは、チョップビームが定常ビームから4mm 以上離れているという条件のもとで求めた値である。
入射஢力が36 kW の場合には、定格入力の時の半分の時間で、定格஢場に到達する。
表面がタングステンのビームスクレーパを、2番目のRFDから70 cm下流に০置する。スクレーパは、0.1 mm 刻みで50 mm 以上、横方向に移動出来る。
表面にあたるビーム஢流は測定出来る。

4． チ ョ ッ プ ビ ー ム 測 定 の 方 法
2種་（5 mAと25mA）のピーク஢流を使う。スク
レーパ表面の損傷を減らす為に、パルス幅は5 0ms、繰りඉし周波数は5 Hzとした。
ビームテストは、３段階で行った。１）RFチョッパーシステムの基礎的な特性テストを目的として、一つの空洞を使い（シングルシステム）、低஢流ビームを使って行う。２）カップルシステムの特性テストを目的として、カップルシステムを用い、低஢流ビームを使って行う。３）システムの特性評価の為に、大஢流ビームを使ってカップルシステムで行う 。 チ ョッ プ ビ ー ムは 、 ૺ い ஢流 モ ニ タ ー（SCT）、速い஢流モニター（FCT）、ビーム位置モニター（BPM）、ビームスクレーパ、そしてファラディカップで測定する。ビームテストは以下の手順で行った。１）MEBT内のビーム透過率が最大、横エミッタンス増加が最小となるように、収束磁場とステ アリ ング 磁場 を০定 する 。２ ）第 1バ ン
チャー஢圧を定格に০定する。３）平均エネルギーが変化しないように、第1バンチャーの位相を০定する。４）ビームスクレーパ位置は事前のビームサイズ測定結果に従って০置する。５）RFD入力஢力を徐々に増やす。６）RFD の位相を最適値に০定する。これらの手順を繰りඉして、最適化を行う。

5. 実 験 結 果

5.1ビームプロファイル
スクレーパ位置を変えながら第3SCT஢流を測定して、スクレーパ位置でのビームプロファイル測定を行った。5 mAの結果を図３に示す。測定おビームサイズはより小さく、これはTRCE3D‫ڐ‬算結果とほぼ一致する。この結果より、スクレーパは、ビームࡃから10mm 離した位置に০置した。この০定は、ビーム஢流25mAまでは、有効であった。

5.2ビーム変位
図４に1台のRFDシステムの場合のビームの偏向の様子を示す。スクレーパ位置のビーム変位(Dx)は次式で表される。

Ê qB' Lq L1 L2 ˆ˜
Dx = q1 (L1 + L2 ) Á1+
Ë2mv (L1 + L2 )¯
ここで、q1はRFD の偏向஢場に比例する偏向Ԓ、qは単位஢荷、B’は収束磁場勾配、mはຨ子ࡐ量、vは粒子速度、L1とL2 は‫״‬離を表す。図５に、RFD-A

図４：シングルRFD システムのビーム変位。

30

calculation in coupled RFD
calculation in RFD-A
measured in RFD-A

25
Deviation (mm)Beam fraction cut by scraper

10.80.60.4

20151050.20-1500-10-505x position (mm)10

図３：スクレーパ位置を変えて測定したビームの割合。ビーム஢流5 mA。

0.5
11.522.5
Deflecting field (MV/m)

図５：シングル（RFD-A） システムのスクレーパ位置で測定した偏向ビーム位置。横ࡃは、RFD空洞஢場。シングル及びカップルシステムの時の変位の‫ڐ‬算値も図示した。

図６：MEBT出口のBPMで測定したチョップbiビーム信号。ピーク஢流24 mA。入力஢力36kW。位相反転を効かしている。10 ns/div。
システムの場合の、ビーム変位の測定値と‫ڐ‬算値を示す。諸々の誤差を考慮すれば、測定値は‫ڐ‬算結果とほぼ一致する。

図7：MEBT出口のBPMで測定したチョップビーム信号。ピーク஢流24mA。入力஢力36kW。位相反転を効かしている。100ns/div。

6. ま と め

RF チョッパーシステムは、ビーム஢流25 mA までの測定で、チョップビームに必要な基本的な要件5.3カップルシステムの測定結果を満ੰする事が実験によりわかった。負荷Ｑ値が11で入射஢力が36kWの下で得られたビームの立ち上カップルシステムを使ったビームテストでは、良がりと立ち下がり時間10nsは、チョッパーシステム好な結果を得た。図6に、第8番（MEBTの最下流）の限界に‫ؼ‬い。MEBT出口では、チョッパーが働いのBPMで測定したチョップビームによる信号を示す。ている時間帯のビーム信号は、測定限界以下であっ
本図では、過渡൉分を鮮明にする為に、೪常に短いた。チョップパルス列は自在にコントロール出来るチョップパルスを作っている。ビームの立ち上がりので、J-PARC加速器の運転に有益と思われると立ち下がりは、３マイクロバンチ程度であり、およそ10 ns である。図７に、典型的なチョップパル
ࡤ辞ス列を示す。偏向されたビームの殆どは、スクレーチョッパー空洞を含むMEBT建০に際し、御尽力戴
パによりカットされる。この൉分に対応するMEBT
いた三菱重工株式会社三原機械・交通システム工場
出口での測定信号は、ノイズレベル以下であった。に感ࡤ致します。チョッパー用大஢力増幅器製作に従って、チョッパーのON/OFF 比は、相当‫ݗ‬いと思御尽力戴いた日本஢気株式会社に感ࡤ致します。
われる。入射஢力が18 kW あれば、ピークビーム஢流が23mAの時に、チョップビームと定常ビームと参考文献の間に、‫׳‬容できるビームセパレーションが達成出来る。しかし、この場合の立ち上がり時間は15ns[1] “Accelerator Technical Design Report for J-PARC,” KEK
Report 2002-13; JAERI-Tech 2003-044.
程度であり、あまり速くない。それ故、過渡特性を改善するためには、一層大きな入力஢力が望ましい。 [2] T. Kato, “New Design of an RF beam Chopper,” Proc. 7thSymp. on Accelerator Science and Technology,RFDの‫׳‬容位相エラーの範囲は、充分広い。カップ228(1989).
ルドシステムで஢流が5 mA の時、入力஢力36 kW [3] S. Fu and T. Kato, “RF-chopper for JHF linac,” Nucl. Instr.と18 kW に対応する‫׳‬容位相範囲は、±48 と±26
And Meth. A 440, 296(2000).
[4] S. Fu and T. Kato, “Design Study on a medium-energyであった。チョップパルス列の幅と繰りඉし周波数
beam-transport line for the JHF proton linac,” Nucl.
を自由に変化出来る事がわかった。又、RFD シス
Instr. And Meth. A 457, 423(2001).
テムが全体として極めて安定ある事が実証された。
[5] M. Ikegami et al., “Beam Commissioning of the J-PARC
1ヶ月以上にわたるテストでは、故障・放஢はな
Linac Medium Energy Beam Transport at KEK,”
かった。
submitted to PAC 2003.

5.4位相反転法
図６の測定では、RF パ ルスの立ち下がりか ら12ns程度前のタイミングで、入射஢力の位相を‫ݗ‬速で反転させている。この結果、ビームの立ち上がりは 3ns以上改善された。

[6] T. Kato et al., “Beam Study with RF Choppers in theMEBT of the J-PARC Proton Linac,” submitted to PAC
2003.
[7] JHF Project Office, “JHF Accelerator Design Study
Report,” KEK Report 97-16, Section 4.1 to 4.3, 1998.
[8] S. Wang et al., to be published.
[9] S. Yamaguchi et al., “324 MHz RFチ ョ ッ パ ー 用 30 kW‫ ݗ‬周 波 パ ル ス 増 幅 器 の ‫ ݗ‬周 波 特 性 ,” Proc. 26 th
Linear Accelerator Meeting in Japan, 216(2001).