FROA01

J-PARC MRにおける高繰り返しビーム試験結果
Results of high repetition beam commissioningin J-PARC MR
Takaaki Yasui et al.
(J-PARC)
第19回日本加速器学会年会, オンライン, 2022/10/21

本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ2本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ3宇宙・物質・生命の起源に迫る

J-PARC

大強度陽子加速器施設
J-PARCRCS

Ê­ÐÁÒÃпͶَ

ニュートリノ実験施設

MR

MR(3 GeV → 30 GeV)

（30GeV 主リング、周回型加速器）

1000m(400 MeV → 3 GeV)

Hadron
リニアック

MLF( 直線型加速器 )H- Linac

物質・生命科学実験施設
（MLF)

RCS

(→ 400 MeV)

500m

（3GeVシンクロトロン、周回型加速器）

ハドロン実験施設

NeutrinoᇹȲȴɁ‫ޯޥ‬ɂȼɁɛșȾȪȹ᝖ႆȪǾᇹȲȴ̷᭒ɗ٥္ɂȼșɗȶȹႆɑɟȹȠȲɁȺȪɚșǿ‫ޯޥ‬ɂǾȝɛȰ ±³¸ ИࢳҰȾ᝖ႆȪȲȻᐎțɜɟȹȗɑȬǿŽʝʍɺʚʽžȻ᜘ɢɟɞᅨᩖȞɜྭᄉᄑȽᒗएȻцȾǾᠯᯚຣȳȶȲ‫ޯޥ‬ɂȳɦȳɦȻຣ࣊ȟ˩ȟɝǾɲʗʵɸ˂Ɂ‫گ‬ȞɜǾး٣ጨዬ‫ފ‬ȻȨɟȹȗɞɹɳ˂ɹɗʶʡʒʽȽȼɁȨɑȩɑȽዬ‫ފ‬ȟႆɑɟɑȪȲǿȦɟɜɁዬ‫ފ‬ɂʃ˂ʡɁɛșȾຉชȻຉȫɝնȗǾሳᩖɥᒲႏȾ᭣Ɇ‫و‬ȶȹȗɑȪȲȟǾʝʍɺʚʽȞɜጙ ± ˥ґɁ ± ᇽऻȾǾ᪚‫ފ‬ɗ˹ॴ‫ފ‬Ȼȗșዬ‫ފ‬Ɂ˹ȾᩐȫᣅɔɜɟɑȪȲǿȰɁऻǾ᪚‫ފ‬ɗ˹ॴ‫ފ‬ȟᪿɑȶȹՁ‫ފ‬ಎɥͽɝǾȰɁ֚ɝɥ᫖‫ފ‬ȟ՘ɝٍɦȺՁ‫ފ‬ȟढ਽ȨɟǾՁ‫ފ‬ȟᣵȽȶȹґ‫ފ‬ȟȺȠǾ஬ȟǾȰȪȹ٥္ȟͽɜɟɑȪȲǿȰɁ٥္Ɂ˨ȺǾ೤࿎ɗӦ࿎ǾᇹȲȴ̷᭒Ɂႆ֤ȟɂȣȢɑɟȹȠȲɁȺȬǿ‫۾‬ऐ࣊᪚‫ފ‬ӏᣱ‫ب‬ஃᜫ Ê­ÐÁÒÃᴥÊáðáî Ðòïôïî
Áããåìåòáôïò Òåóåáòãè ÃïíðìåøᴦɂǾՁ ‫ފ‬ˁґ‫ފ‬ɁഫᣲᜊߔȞɜ࿎᠎ˁႆ֤Ɂᠭໃɥ૘ɞᆅሱɗǾጨዬ‫ފ‬ɗՁ‫ފ‬ಎɁᆅሱȞɜ‫ޯޥ‬ɁܿɑɝɁណɥᜓȢᆅሱɥ᣹ɔɞǾఊаብɁᆅሱஃᜫȺȬǿɎɏбᣱɑȺӏᣱȪȲ˰ႜࠌ઩Ɂ‫۾‬ऐ࣊Ɂ᪚‫ފ‬ʝ˂ʪȞɜǾ˹ॴ‫ފ‬ǾʩʯɴʽǾʕʯ˂ʒʴʘǾË ˹ᩖ‫ފ‬ȽȼɁ۹थȽ̝ඒዬ‫ފ‬ʝ˂ʪɥͽɝҋȪǾ۹ሗ۹റȽ޴᮷ɥ૜᣹ȪȹȗɑȬǿÊ­ÐÁÒÃ ɂǾఊаብ੫ᚓɥ఍Ȭɞᆅሱൡᩜɗ͙ഈȟᪿɑɞᔣ‫ڌ‬ᅇɁԈ᥂Ǿూ๜రȾǾ¶µ ˥ࢲ஁ʫ˂ʒʵɕɁࢿ‫۾‬Ƚ୧٥ɥഫțȹȗɑȬǿʴʕɬʍɹˁÒÃÓˁÍÒ ɁᴰȷɁӏᣱ‫ب‬Ȟɜ਽ɞӏᣱ‫ب‬ஃᜫȻǾ࿎᠎ˁႆ֤ᇼ‫޴ޙ‬᮷ஃᜫǾʕʯ˂ʒʴʘ޴᮷ஃᜫǾʙʓʷʽ޴᮷ஃᜫɁᴰȷɁ޴᮷ஃᜫǾՒɆஃᜫ࣮ᜫ
ɥ᜛႕˹Ɂಎ۰૰੫ᚓȾᩜȬɞᩒᄉᆅሱȾǾّюȳȤȺȽȢ๜۶Ȟɜɕ۹ȢɁᆅሱᐐɥᣊțȹȗɑȬǿÊ­ÐÁÒÃ ȺɂǾцպᆅሱᐐȻȻɕȾǾ‫ژ‬ᇀᇼ‫ޙ‬Ȟɜႇഈख़ႊɑȺ۹റȽᆅሱˁᩒᄉɥ૜᣹ȪȹȗɑȬǿ

J-PARCは幅広い分野の多目的の研究を行う陽子加速器施設である

MRはニュートリノ/ハドロン実験のため大強度陽子ビームを供給している᪚‫ފ‬ʝ˂ʪȞɜͽɝҋȨɟɞ۹थȽ̝ඒዬ‫ފ‬ʝ˂ʪ

4

MR (Main Ring)
ニュートリノ/ハドロン実験は二次(三次)粒子ビームを用いた大統計物理実験であるため
MRではビームの大強度化・安定化が研究されている
600

MRビームパワー [kW]500

MRにおけるビームパワーの推移
FX運転
SX運転

ニュートリノ ~515 kW
2.66 1014 protons per pulse (ppp)

400
300
200

ハドロン ~65 kW

100

取り出し効率 : 99.5%

02010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
年

年

目標：ニュートリノ利用運転で1.3 MW
5これまでのニュートリノ利用運転
magnet current [a.u.]
intensity [×1013 protons]

ビーム強度 (DCCTによる測定)
電磁石のランピングパターン
2.66 1014 ppp → 515 kW

2530 GeV

入射：2バンチ

20

4回

15

ビーム取り出しは1周：

10

fast extraction (FX)
53 GeV00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 time [s]
ビーム入射0.01 s + 0.13 s

加速
1.4 s

3 GeVへ
0.94 s

周期 2.48 s
6

MR大強度化計画
ビームパワー = エネルギー
30 GeV

粒子数 / 繰り返し周期

2021年度

515 kW

2.66 1014 ppp

2.48 s2023年度

750 kW

2.1 1014 ppp

1.36 s

目標

1300 kW

3.3 1014 ppp

1.16 s

入射

出射2.48 s → 1.36 s

電磁石電流

時間
7

本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ8

機器アップグレード
機器アップグレード内容
1. 主電磁石電源
2. RFシステム(進行中)

Beam abort line

ビーム入射

4. コリメータシステム(今夏, 来年度夏)

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

3. FX用セプタム電磁石

Fast extraction

BTcollimators

3-50 BT
Injection
Ring collimators

To Super-Kamiokande

スーパーカミオカンデへ
9Hadron beamline
Slow extraction

機器アップグレード
機器アップグレード内容
1. 主電磁石電源
2. RFシステム(進行中)

Beam abort line

ビーム入射

4. コリメータシステム(今夏, 来年度夏)

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

3. FX用セプタム電磁石

Fast extraction

BTcollimators

3-50 BT
Injection
Ring collimators

To Super-Kamiokande

スーパーカミオカンデへ
10

Hadron beamline
Slow extraction

主電磁石電源アップグレード
T. Miura et al., 本学会, TUP039
速い繰り返し周期への対応のため、主電磁石電源アップグレードが行われた偏向磁石
四極磁石
(曲線部)

四極磁石
(直線部)

六極磁石

ファミリー名
BM
QFN
QDN
QFX
QDX
QFS
QDS
QFT
QFP
QFR
QDT
QDR

ファミリー数
6
1
1
1→21→2
1→2
1→2
1→2
1
1
1
1

電磁石の数
16 each48
48
48 → 24 each
27 → 13+14
6 → 3 each
6 → 3 each
6 → 3 each
6
9
6
6

SFA
SDA, SDB

12→1

24
24+24 → 48
11

アップグレード内容

コンデンサバンクと共に電源を新規製作

現行電源を再利用(ファミリー分割あり)

現行電源を再利用
電源を新規製作(コンデンサバンクなし)

機器アップグレード
機器アップグレード内容
1. 主電磁石電源
2. RFシステム(進行中)

Beam abort line

ビーム入射

4. コリメータシステム(今夏, 来年度夏)

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

3. FX用セプタム電磁石

Fast extraction

BTcollimators

3-50 BT
Injection
Ring collimators

To Super-Kamiokande

スーパーカミオカンデへ
12Hadron beamline
Slow extraction

RFシステムのアップグレード
より広いハーモニクスを制御できる次世代LLRF制御システムを導入
Y. Sugiyama et al., 本学会, WEOB07
速い繰り返し周期にはより高いRF電圧が必要である
新しいRF空洞
RFシステムのアップグレード計画
周期

空洞の数
基本波
二倍高調波

電圧
基本波

二倍高調波

2021

2.48 s72300 kV

110 kV2023

1.36 s92510 kV

110 kV2026

1.16 s112600 kV

110 kV13

機器アップグレード
機器アップグレード内容
1. 主電磁石電源
2. RFシステム(進行中)

Beam abort line

ビーム入射

4. コリメータシステム(今夏, 来年度夏)

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

3. FX用セプタム電磁石

Fast extraction

BTcollimators

3-50 BTInjection
Ring collimators

To Super-Kamiokande

スーパーカミオカンデへ
14

Hadron beamline
Slow extractionExtraction Septum Magne

FXセプタム電磁石のアップグレード• Kicker is ready for 1 Hz operation.
• All the extraction septum magnets are being re• Low field septum magnets are being replaced b

高繰り返しへの対応のため、全FXセプタム電磁石が入れ替えられた
新しい低磁場セプタム電磁石には渦電流誘導型が採用された
S. Iwata et al., 本学会, FRP006
全ての新セプタム電磁石に内部シールドを導入することでExtraction Septum Magnets for Faster Cycling
これまでリングの3回対称性を悪化させていた• Kicker is ready for 1 Hz operation.
漏れ四極磁場を従来の1/10以下に• All the extraction septum magnets are being replaced for faster cycling.
• Low field septum magnets are being replaced by the new eddy current magnets.
抑えることに成功した
T. Shibata et al., 本学会, FROB12
キッカー

低磁場セプタム15

高磁場セプタム

Kick• B
Eddy
• O
• V
• T
• B

ニュートリノ
ビームライン

アボート
ビームライン

機器アップグレード
機器アップグレード内容
1. 主電磁石電源
2. RFシステム(進行中)

Beam abort line

ビーム入射

4. コリメータシステム(今夏, 来年度夏)

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

3. FX用セプタム電磁石

Fast extraction

BTcollimators

3-50 BT
Injection
Ring collimators

To Super-Kamiokande

スーパーカミオカンデへ
16

Hadron beamline
Slow extraction

ビームロスへの制約
1.6
1.4

250

1.2

200

1150

0.8

100

0.6
0.4

50

0.2

000

ビームロスへの制約

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
address

時間方向に積分count

非コリメータエリアにおいて手作業でメンテナンスできる線量

3000

Low gain

コリメータエリア

High gain(※典型的には10 µSv/h以下になっている)
2000
1000

17

非コリメータエリア(ゲイン8倍)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
address

counttime [s]コリメータを設置することでビームロスを局所化し、非コリメータエリアの線量を低く抑えている

ビームロスカウント(by 比例計数管)(X: リング内の位置, Y: 時間)

コリメータ アップグレード

コリメータアップグレード• Collimators 4 → 7• Col. D and G were installed in JFY2021.
• Col. F will be installed in JFY2022.
繰り返し周期が短くなると、単位時間あたりのロスも増えてしまう

アップグレード• Capability 2.0 kW → 3.5 kW• Beam loss
localizationコリメータ容量
should be improved.
周期
コリメータ数ビームロス

alled in JFY2021.
in JFY2022.

AWersJFY2022 : 3.5
2.48
4 kW

2.0 kW

0.8 kW

2022年度1.36 s63.0 kW？ kW

2023年度~1.36 s73.5 kW？ kW

5 kW~2021年度
hould be improved.

M. Shirakata et al.,
, THP017
Col.本学会
C
Newlyinstalled Col. D

Newly installed Col. G Col. H

Newly installed Col. G Col. H

散乱粒子の向き
2021年度以前

2023年度以降 18

新コリメータ(赤)本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ19

ビーム試験スケジュール・内容
2021

2022

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
利用運転
長期シャットダウン
Shutdown
主電磁石電源通電試験

ビーム試験 (DC)

ビーム試験 (加速)

本日のトーク

ビーム試験は6月に1週間、DC 1.36 s周期で行われた
S. Iwata et al., 本学会, FRP006
T. Shibata et al., 本学会, FROB12ビーム試験内容：・ ビーム光学系の調整・ ハードウェア性能評価 (主電磁石電源, LLRF, FXセプタム電磁石)・ 大強度試験
Y. Sugiyama et al., 本学会, WEOB0720

40 ms 間隔で 1 度に 2 バンチのビームを計 4 回入射する

ビ ー ム ロ ス 調 整 に 先 立 ち 、ま ず は 1.2 × 10 proモデル
tons per bunch(ppb) の 弱 強 度 で ビ測定ーム光学系をモデ
ル に 合 わ せ 込 ん だ 。モ デ ル の チ ュ ー ン は (νx , νy ) =x方向
21.35
21.3523 0.0033(21.35, 21.43) であるが、チューンメータで測定した結y方向
21.43
21.4313 0.0039
果は12(1)(2)

νx,meas.
= 21.3526 ± 0.0033,
10νy,meas. = 21.4313± 0.0039
ディスパージョン(モデル・測定)15000

ηx [m]

0

ベータトロン関数 (水平・鉛直)

β [m]

チューン

21

model

3.1 ビーム光学系調整
2040
20−10200

400

600

800

1000

1200

140

Figure2: 100Measured(red circles)
andmodel(the bla00
200 10000
300400500 s [m]dispersion
functions.
1.1

1.05
10.95
0.9
0−1

211.0510.95
0.9

countsmodel

従来と同等の精度にまで合わせ込んだ

β meas./ βm K1 [sec]β [m]β meas./ β

modelsurvival ratio [%]

β [m]

100
200300400
500 s [m]であり、アップグレード前と変わらない精度に5000100い込むことに成功した。
BPM による毎周のビー40磁場が従来の1/10以下にまで抑えられていることを確
3置の測定精度は300 µm 程度であり、ベータトロであり、良い精度でモデルに合わせこめていることを20認した [6]。
2測定における3% エラーは98
BPM の測定精度から確認した。ここでのチューンのエラーは主電磁石電源の0600
700
800
900
1000 s [m]ディスパージョン関数測定もCODモードを用いて行1考えられる。これとは別に、リップルに由来するものである。
96 MR では閉軌道を測1.1い (Fig. 2)、測定値がモデルに良く合っていることを確認
0 ビームの毎周の横方向二極振動を際には 1 ms 間 (あるいは 10 ms 間) の信号を平512 周分フーリエ解 1.050194
理することでBPMの測定精度を20–30 µm にました。J-PARC MR の曲線部は achromat なビーム光学系−析することにより、加速器全周のベータトロン関数も測10.9500.9させている
モード900)。より高精度に、定した(Fig.
1)。モデルに対する測定ベータトロン関数
0600 800 1000 1200 14000.5 s [m]10 s [m]0200
400600 (通称700 COD8001000を採用しており、測定した直線部のディスパージョン関92
from K1 [sec]の割合 βu,meas. /βu,model (u = x, y) の全位置での標準偏time速後のベータトロン関数を取り出し運動エネル数は |ηx,straight | < 65 mm と十分小さいことを確認した。
40 GeV まで効率的に測定するために、ステアリ
30
差は9020石と組み合わせて、COD モードを用いた別のベ
2022 Jul 01 09:03:20 - Run 89 Shot1648Accu
3.2
偏向電磁石電源由来のリップル評価
βx,meas.
βy,meas.
0
1100
1200
1300
14001500。またベー0 [9, 10]50 s [m](RMS[], RMS[]) = (3.5%, 2.5%) (3) ロン関数測定手法が検証された
βx,model 1
βy,model1000
1.1
ン関数測定を通じて新しい速い取り出し用では漏pl. [mm]

ηx [m]

3

ビーム光学系調整

β meas./ β× 1013 protons

が、本試験においてはビーム光学系のビーム電流依存性(bunch train tune shift) の影響を切り分けて議論するために 2 バンチのビームを 220 ms 周回させることでビーム評価を行った。

counts

20000

1100

1200

Figure 4: Beam surv

1300

1400

1500

s [m]

リップル測定19, Melbourne, Australia

JACoW Publishingdoi:10.18429/JACoW-IPAC2019-TUPMP016

新しい偏向電磁石電源では、電流の200 Hz以下の周波数帯域のquency components are not problem for our applications
becauseリップルが従来の1/10に抑えられている(左下)the beam ducts of J-PARC MR shield the magnetic
fields with frequencies higher than 1 kHz by a factor of approximately
10. The current deviation is reduced by a factor
高ディスパージョン位置でのビームのx方向振動をフーリエ解析することでof approximately 10 in the low frequency region in the newBMPS.ビームベースでもリップル低減を確認できた(右下)

旧電源

新電源

ビームで測定したリップル
Fourier ampl. [mm]

偏向電磁石電源の電流リップル

旧電源
10

シンクロトロン運動のスペクトル−110−2

新電源
0T. Shimogawa et al.,Figure 7: Spectrums of the fractional current deviation in
Proc.
1266-1268.
22
the newin
BMPS
andIPAC’19,
the present pp.
BMPS(red).

100

200300400500 f [Hz]

大強度ビームロス調整
DC 1.36 s周期通電、2バンチ・強度2.7 1013 ppbビームで行ったビーム入射期間のロスは悪化しているが、ビームロスは非常に良くコリメータエリアに局所化されている→ 740 kW運転に必要な光学検証が確立された

100

リング全周のロスカウント (by 比例計数管)
countsurvival ratio [%]ビーム生存率測定 (by DCCT)
2%

98

92
900High gain

2000

9694

コリメータエリアLow gain

非常に良く局所化

前回の利用運転でのビームロス：
ビーム入射期間に約1%1000

ビーム入射期間
50100

150200time [ms]23

非コリメータエリア(ゲイン8倍)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
address3回対称性の悪化の原因
ビームロスが増えてしまった原因はいくつかの四極磁石ファミリーを分割したことによるリングの3回対称性の悪化にあると考えられる
アップグレード前
Beam abort line

Fast extraction

アップグレード後

HadronExperimental Hall

Rf cavities

四極ファミリー
QDXの例

Neutrino beamline

RCS

Beam abort line

Fast extraction

HadronExperimental Hall

Rf cavities

Neutrino beamline

RCS

分割！

BTcollimators

BTcollimators

同じファミリーの全ての四極電磁石は同じ電源で通電

3-50 BT

Hadron beamline

Injection

3-50 BT

Hadron beamline

Injection

Slow extraction

Slow extraction

Ring collimators

Ring collimators

別電源で通電To Super-Kamiokande

To Super-Kamiokande

66緑線：

赤線：

強い共鳴

強化される共鳴243回対称性の悪化の影響

曲線部の位相進み

6.01
65.99

Δψ y,arc [2π rad]Arc−AY

ビーム生存率 (by DCCT)

Arc−B

Arc−C

Arc−A

Arc−B

Arc−C

survival ratio [%]XΔψ x ,arc [2π rad]3回対称性の悪化の影響は、曲線部のファミリー調整前後の測定を比較することで検証された
100
98
96

5.75

92

5.74

90

5.73

Arc−A

Arc−B

Arc−C

ファミリー調整前
ばらつき大

Arc−A

Arc−B

0Arc−C

ファミリー調整後

94

ファミリー調整前

50

100

150

200

ファミリー調整後
ばらつき小

位相進みよりファミリー間の磁場ずれは0.5%→0.1%と試算された
位相調整を追い込むことでビームロスは減らせるだろう
このために補正四極磁場を複数箇所に追加できるよう検討中25time [ms]

本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ26

UpgradeplanofMR
パワーアップグレード計画① Magnet PS upgrade
2.48 à1.32 s cycle④ 1.32 à1.16 s cycle③ RF system upgrade② 2nd harmonic RF cavities1427

新光学系によるビームロス低減
複数の構造共鳴を補正・抑制できる新しいビーム光学系の利用運転への採用も計画している・ νx – 2νy = –21 (六極磁場由来) T. Yasui et al., PTEP 2022, 013G01 (2022)・ 2νx – 2νy = 0 (空間電荷効果由来)
・ 8νy = 171(空間電荷効果由来)

survival ratio [%]ビーム生存率 (by DCCT)
100

新光学系

99.8

ロス減少！
99.6現在の光学系

99.402820406080100120time [msec]

本発表の流れ
1. イントロダクション
2. 機器アップグレード
3. アップグレード後のビーム試験結果
4. MRの中期計画
5. まとめ29

まとめ
FX利用運転1.3 MW実現のため、MRでは• 主電磁石電源• RFシステム (進行中)• FXセプタム電磁石• コリメータシステム (今夏・来年度夏)をアップグレードし、ビーム試験で性能評価を行った
740 kW運転に必要な光学検証が確立された四極磁石のファミリー分割は3回対象性を悪化させ、ビームロスが増えた
位相調整を追い込むことでロス削減を目指す
2028年度に1.3 MWに到達する計画は概ね予定通り進んでいる

30