KEKにおけるJ‑PARCリニアックMEBTのビームコミッショニング(I)
,A)

A)

A)

池上雅紀1岡田雅之A)、久保田 親A)、吉野 一男A)、濁川小林、加藤 隆夫 、五十嵐 前衛 、山口B)A)

鉄也 、上窪田 紀彦 、内藤A)A)

福田 茂樹 、千葉 順成 、穴見長谷川 和男B) 、吉川
Sheng Wang
A)

B)

C)
D)

C)

A)

彰 、近藤

A)

A)

清A)

A)

和幸 、門倉英一 、川村真人 、福井祐治

A)

A)

A)

A)

昌三 、新井宏和 、野口修一 、高崎A)A)

重昭 、小林

B)

、木代

C)

、Robert Ryne、Shinian Fu

B)恭弘 、池上A)

富士雄 、田中博A)

誠哉 、上野純逸

B)

、山崎

D)

仁 、伊藤良成、Ji Qiang

崇榮一A)B)B)

D)

高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0032 茨城県つくば市大穂1-1

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方2-4

Institute of High Energy Physics,19 Yu Quan Lu, Beijing 100039, China

Lawrence Berkeley National Laboratory, 1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, USA

概要
KEKにおいて、J‑PARCリニアックの上流部分の建設およびビームテストがすでに始まっている。これは最終的なJ‑PARC加速器施設の建設地である原研東海研究所への移設に先立って、リニアック上流部のビームテストを行い、リニアックのシステムとしての完成度を早期に高めておく目的で行われているものである。J‑PARCリニアックのうち、3MeVRFQとMEBTはすでに設置作業が完了し、ビームテストが行われた。本論文では、このビームテストの結果と、シミュレーションとの比較について発表する。

１．はじめにイ オ ン 源 と RFQ を つ な ぐ LEBT （ Low Energy BeamTransport）に施されている。これらのビームテストは、MEBTでとくに重要な役割を担うコンポーネントの性能確認を主な目的として行われた。MEBTは、主に次の２つの役割をもつ：１）DTLに対して横方向および縦方向のマッチングをとる。２）RCSへの入射時のロスを軽減するため、RCSへの入射サイクルと同じ周期でビームをチョッピングする。図１(a)に、MEBTのレイアウトを模式的に示した。MEBTは、横方向のマッチングをとるための８台の四重極電磁石と、縦方向のマッチングをとるための２台の324MHzバンチャー空洞をもつ。また、チョッピングを行うための２台の324MHz高周波チョッパー空洞と、チョッパー空洞で横方向に蹴り出されたビームを取り除くための１台のスクレーパーをもつ。今回の実験では様々な開発がなされたが、本論文では、特にエミッタンス測定の結果とそのシミュレーションとの比較について発表する。チョッパー空洞のビーム試験および偏向電磁石を用いた測定結果については、別の論文で詳しく発表する[3,4]。

J‑PARC （ Japan Proton Accelerator ResearchComplex ） の 加 速 器 施 設 は 、 400MeV リ ニ ア ッ ク 、
3GeVRCS（Rapid Cycling Synchrotron）、50GeVシンクロトロンからなる[1,2]。そのうちリニアックは、50keV負水素イオン源、3MeV高周波四重極リニアック（RFQ）、50MeVドリフトチューブリニアック（DTL）、190MeV分離型ドリフトチューブリニアック（SDTL）
２．実験条件および400MeV環結合型結合空洞リニアック（ACS）か
ビーム実験においては、MEBTの出口に仮設のビーらなる。RFQ、DTL、SDTLの周波数は324MHz、ACSの周ム診断系を設置し、これを用いてビームの横方向エ波数は972MHzである。J‑PARCリニアックの上流部分
ミッタンスの測定を行った。このビーム診断系は、の建設およびビームテストは、最終的なJ‑PARC加速
DTLの設置時には撤去するものである。このビーム診器施設の建設地である原研東海研究所への移設に先断系は、ダブルスリット型の横方向エミッタンスモ立って、リニアックのシステムとしての完成度を早ニターを備えており、そのスリットは幅0.1mm、ス期に高めておくことを目的に、KEKですでに開始されリット間隔は205mmである。上流側スリットは、MEBTて い る 。 3MeVRFQ お よ び そ れ に 続 く MEBT （ Medium
下流端からおよそ50cmの位置に設置されている。
Energy Beam Transport）はすでにKEKの加速器トン
実際の運転時には、DTLに対するマッチングをとるネル内に設置され、2002年4月から7月、および2003
ため、MEBT出口でビームを強く収束する必要がある。
年1月から2月の２つの期間に渡ってビームテストが行われた。この２つの期間のビームテストの間には、 しかし、今回の実験においては、下流でのエミッタンス測定を可能にするため、MEBTの最後の２つのプリチョッパー空洞を設置するための若干の変更が
1E-mail: masanori.ikegami@kek.jp

2(a)Emittance measurement point
RFQ exit

MEBT exit
Scraper
Buncher RFD gap RFD gap
BuncherQ1 Q2Q3Q6 Q7 Q8 Temporal
Q4Q5
beam
diagnostics
system

10
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Beam path length (m)

2.5

3.0

3.530(b)Horizontal
VerticalLongitudinal

42520
315
210

1500
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Beam path length (m)

2.5

3.0

3.5

530(c)

Horizontal
VerticalLongitudinal

42520
315
210150RMS longitudinal beam width (deg)RMS transverse beam width (mm)

RMS longitudinal beam width (deg)RMS transverse beam width (mm)500.00.5

1.01.52.0

Beam path length (m)2.53.03.5

図１：MEBTのレイアウトとMEBTに沿ったビームエンベロープの例。(a)MEBTのレイアウト。(b)DTLにマッチングをとった場合のビームエンベロープの例。(c)実験で用いた設定でのビームエンベロープの例。
四重極電磁石の強さを弱めて測定を行った。図１(b)は、DTLに対するマッチングをとった場合のビームのエンベロープの例であり、図１(c)は、実験において用いられた四重極電磁石の設定でのビームのエンベロープの例である。図１(c)では、図１(b)に比べて、最後の２つの四重極電磁石の強さだけを弱めている。
図１(c)の下流端は、仮設ビーム診断系のエミッタンスモニターの上流側スリットの位置に対応する。図１(c)は、次節で述べる測定１の場合の四重極電磁石およびバンチャー空洞の設定を想定している。
MEBTの透過効率は、MEBTに備えられた３台のCT（Current Transformer）によって測定された。最上流のCT（CT1）は最上流の四重極電磁石（Q1）出口に、２番目のCT（CT2）はチョッパー空洞の出口に、最下流のCT（CT3）は７番目の四重極電磁石（Q7）の出口に設置されている。MEBTは、その他に、３台のFCT （ Fast Current Transformer ） 、 ８ 台 の BPM（ Beam Position Monitor ） 、 ４ 台 の WS （ WireScanner）を備えている。WSは、直径7µmのカーボンワイヤーを、水平方向、鉛直方向、斜め45度方向の３本もったものである。詳しいビームモニターの仕様、配置については参考文献[2]を参照すること。
本実験では、イオン源においてLaB6フィラメントを用い、セシウムを使わずに、イオン源出口でピー
ク電流33mA、RFQ出口で29mAを達成した。実験の目的に応じて、0.025％から0.25％までデューティーを変化させて実験を行った。エミッタンス測定においては、測定時間を短縮するため、高い繰り返し（12.5Hzまたは25Hz）を用いた。その場合、１平面の測定時間は約15分であった。

３．実験結果測定された正規化rmsエミッタンスを表１に示す。
測定１および２は、MEBT出口に設置された仮設ビー
ム診断系で測定されたものである。測定１は、2003年の１月から２月にかけての実験で、測定２は、2002年の４月から７月にかけての実験で得られたものである。測定３は、MEBT設置前に、同じ仮設ビー
ム診断系をRFQ直後に設置し、測定した結果である。
イオン源の開発がビームテストと並行して進められているため、測定３を行った時期にはまだイオン源の最大ピーク電流が10mAであった。表１に示すビー
ム電流は、CT1で測定したものである。ビーム電流が増加するにしたがって、ある程度のエミッタンス
増大が生じていると思われるが、測定１で得られた正規化rmsエミッタンスは、当初予想されていたものと大きな隔たりはない。
表２は、測定１，２において、CT1〜CT3で測定したビーム電流をまとめたものである。透過効率をCT1とCT3の読み値の比と定義すると、測定１では99.3％の透過効率に到達していることになる。
図２は、測定１で得られた位相平面上での粒子分布を示したものである。図２で、x、yはそれぞれ水
表１：測定された正規化rmsエミッタンス
測定
１２３
測定場所
MEBT
MEBT
RFQ
ピーク電流(mA)
28.7
24.6
10.0
水平（πmm･mrad）
0.252
0.227
0.173
鉛直（πmm･mrad）
0.214
0.220
0.194

測定
１２

表２：MEBTの透過効率
CT1
CT228.7 mA
28.5 mA
24.6 mA
23.9 mA

CT328.5 mA
23.7 mA

404040(a)-20010010y (mm)0.30

Measured
Simulated

0.25

Beam density (arb.)

0.25(a)0.200.15
0.100.05(b)

0.20
0.15
0.10
0.05

0.00

0.00-10010

Horizontal position (mm)-100-40-100x (mm)

図２：測定１で得られた位相平面上での粒子分布。
(a)水平方向。(b)鉛直方向。

10Vertical position (mm)図３：WS3で測定したビームプロファイル。(a)水平方向。(b)鉛直方向。IMPACTを用いて得られたシミュレーション結果もあわせて表示されている。

0-20-40x (mm)Measured
Simulated

0-20-100.30

20dy/ds (mrad)

dx/ds (mrad)0-40-10(b)20-20-40

Beam density (arb.)(a)20dy/ds (mrad)

dx/ds (mrad)

20040(b)10-10010y (mm)

図４：シミュレーションで得られた位相平面上での粒子分布。(a)水平方向。(b)鉛直方向。
図４は、シミュレーションで得られたエミッタンス
測定位置における位相平面上での粒子分布である。
このシミュレーションにおいては、測定１と同じ四重極磁石およびバンチャー空洞の設定値を用い、シ
ミュレーション粒子数を100万個、メッシュ数は64×64×64、積分ステップ数はβλあたり10とした。ここで、βは粒子速度の光速に対する比、λは高周波の波長である。仮定したRFQ出口での正規化rmsエミッタンスは、水平方向が0.234πmm･mrad、鉛直方向が0.193πmm･mrad、縦方向が0.0822πMeV･degである。
図４では、100万個のシミュレーション粒子のうち、10万個を表示している。図４と図２を比較すると、テール部分の形状が若干異なるものの、定性的には実験を比較的よく再現できていると思われる。同様のシミュレーションによって得られたWS3の位置でのビームプロファイルを図３に示した。シミュレーションで得られた水平方向のビーム幅がわずかに実験よりも大きいが、テール部分まで含めた形状は実験を非常によく再現しているのがわかる。これらのシミュレーション結果は、RFQの出口ですでにある程度のテールが生じていることを示唆している。現在、より現実的なRFQ出口での分布を得る努力を続けており、それにより、実験とシミュレーションの一致の度合いはさらに向上すると期待される。

平方向、鉛直方向の粒子の座標を表し、sはデザイン軌道に沿った距離を表す。測定された粒子密度は、シミュレーションとの比較を容易にするため、10万個の点（粒子）で表されている。
仮設ビーム診断系は、DTL設置時に撤去する必要があるため、実際の運転時においては、WSが重要な役割を担うことになる。図３は、（４番目の四重極電磁石の81mm上流に位置する）３番目のWS（WS3）におけるビームプロファイル測定の結果を示したものである。この測定においては、四重極電磁石の設定は測参考文献
定１と同じにし、バンチャー空洞だけをオフにした。
[1] Y. Yamazaki, “The JAERI-KEK Joint Project (the J-PARC
ワイヤーの熱負荷を軽減するため、パルス幅はProject) for the High Intensity Proton Accelerator”, Procs.
50µsecとし、繰り返し5Hzで測定を行った。
of PAC 2003, in print.
[2] Y. Yamazaki (eds), “Accelerator Technical Design Report
４．シミュレーションとの比較
for J-PARC”, KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech
2003-044.
実験結果と粒子シミュレーションの結果がどの程[3] 加 藤 隆 夫 他 , “J-PARC 陽 子リニアックのRFチョッ
度一致するかの予備的なテストとして、３次元のパーによるビームテスト”, 本予稿集.
Particle‑in‑cell法を用いた粒子シミュレーション[4] S. Wang et.al., “Beam Commissioning of the J-PARC
コードであるIMPACT[5]を用いたシミュレーションを
Linac Medium Energy Beam Transport at KEK II”, in行った。このシミュレーションでは、RFQ出口の分布
these proceedings.
を６次元のGauss分布と仮定した。RFQ出口の横方向[5] Ji Qiang, et.al., “An Object Oriented Parallel Particle-Inエミッタンスは今回のMEBT実験の結果を再現するよ
Cell Code for Beam Dynamics Simulation in Linear
うに定め、RFQ出口の縦方向エミッタンスはPARMTEQAccelerators”, J. Compt. Phys., 163, p434, 2000.
によるシミュレーションで得られた値を用いた。