Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP011

J-PARC リニアックにおける 400 MeV 増強後のビーム加速試験の進捗
PROGRESS OF BEAM COMMISSIONING AT J-PARC LINAC AFTER 400 MEVUPGRADE
丸田朋史 ∗A) 、劉勇 A) 、三浦昭彦 B) 、佐甲博之 B) 、二ツ川健太 A) 、宮尾智章 A) 、池上雅紀 C)
Tomofumi Maruta∗ A) , Liu YongA) , Akihiko MiuraB) Hiroyuki SakoB) Kenta FutatsukawaA) ,Tomoaki MiyaoA) and Masanori IkegamiC)
A)
J-PARC Center, High Energy Accelerator Research Organization
B)
J-PARC Center, Japan Atomic Energy AgencyC)
Facility of Rare Isotope Beams, Michigan State University

Abstract
In J-PARC linac, the annular-ring coupled structure (ACS) accelerator was installed at SDTL downstream to extend thebeam energy to 400 MeV. The ﬁrst beam commissioning after the upgrade was started at December 16, 2013. And thenwe successfully achieved 400 MeV at January 17, 2014. From February 16 to the end of June, we stably operate J-PARC
linac with the peak current of 15 mA, which is equivalent to the beam power of 300 kW at the extraction of 3 GeV RapidCycling Synchrotron. In this paper, we discuss the progress of beam commissioning.

1.

はじめに

2013 年に J-PARC リニアックは、ビームエネルギーを 181 MeV から本来の設計エネルギーである 400 MeVに回復させるため、大規模な改造を実施した。その年の 12 月 16 日からリニアック単独のビーム加速試験を始め、2014 年 1 月 17 日に 400 MeV の加速に成功した。
その後 1 月 30 日から 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron（RCS）のビーム加速試験を実施し、2 月 16 日から 6 月末までピーク電流 15 mA で利用運転を行った。
J-PARC リニアックは図 1 に示すとおり、負電荷水素（H− ）イオン源、3 MeV Radio Frequency Quadruple（RFQ）、50 MeV ドリフトチューブリニアック（DTL）、
191 MeV 機能分離型 DTL（SDTL）、400 MeV 環状結合型（Annular-ring Coupled Structure, ACS）リニアックによって 400 MeV までビームを加速し、次段加速である 3 GeV RCS にビームを供給している。また RFQ からDTL、SDTL から ACS の間にはビームの縦・横方向を調整するために、中間エネルギービーム輸送系（MEBT1、MEBT2）が設置されている。ACS セクションの下流から 3 GeV RCS 入射点までは、Linac to 3 GeV RCS ビーム輸送系（L3BT）である。各空洞の RF 周波数は RFQから SDTL までが 324 MHz、MEBT2 以降が 3 倍の 972MHz である。J-PARC リニアックにはビーム加速試験のため、3 カ所にビームダンプが設置されている。リニ
アック直線部の延長線上には 0 度ダンプ（0BD）、第一アークセクションの 30 度偏向した延長線上に 30 度ダンプ（30BD）、第二アークセクションに 100 度ダンプ（100BD）がある。
J-PARC リニアックの建設は二期計画に分かれている。
このうち第一期ではイオン源から SDTL を構築し、ビーム運転を行った。SDTL は 32 空洞あるが、このうち最下流の 2 空洞を L3BT セクションに設置し、RCS 入射ビームの縦方向調整用のデバンチャー空洞として使用したため、3 GeV RCS への供給エネルギーは 181 MeV で∗ tmaruta@post.j-parc.jp

Figure 1: J-PARC リニアック全体図。第一期では、イオン源から SDTL までをビームラインに設置し、181 MeVでビーム運転を行っていた。第二期では ACS を増設し、ビームエネルギー 400 MeV で運転している。

あった。J-PARC リニアックのビーム運転は 2008 年に開始した。精力的にビーム加速試験を実施した結果、2013
年のビーム運転終了時にはピーク電流 15 mA（RCS 出口で 300 kW 相当）で安定的にビームを供給した [2] 。その一方、第二期計画で設置する ACS リニアックの開発は J-PARC 建設当初から進めており、2013 年のビーム停止期間中にビームラインへ設置した。
本論文では、ACS 増設後に行ったビーム加速試験について報告する。

2.

ACS 増設後初のビーム加速試験

ACS 増設後、リニアック単独のビーム加速試験を 2013年 12 月 16 日に開始し、年末年始の休暇をはさみ 2014
年 1 月 30 日まで行った。この調整試験の目的は、400MeV のビーム加速、ピーク電流 15 mA および大強度試
験用 25 mA 運転パラメータの作成である。

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2.1

400 MeV の達成

フロントエンドの調整後、各加速空洞の位相とタンクレベルを位相スキャン法によって上流側から 1 台ずつの調整した。調整する空洞から出力されたビームのエネルギーを、空洞下流に設置した 2 台の位相検出器間の位相の進み（時間）と位相検出器間の距離から計算する。計算されたエネルギーと空洞の設定（位相・タンクレベル）の相関をシミュレーションと比較することにより最適な設定値を求める。位相スキャンは 5 mA のピーク電流で行った。位相スキャン中にビームエネルギーが変化するため、Q 磁石による横方向の収束力とビームエネルギーのミスマッチにより、ビームがダンプまで届かず、途中でロスする可能性がある。また増設した ACSセクションで予期せぬビームロスが発生する可能性もある。そのような場合にビームロスを最小限に留めるため、ピーク電流 5 mA で位相スキャンを行った。このピーク電流は J-PARC リニアックで安定的に運転した経験のある一番低い電流である。SDTL までの位相スキャンは順調にすすみ、12 月 20 日には ACS 増設以前の運転エネルギーである 181 MeV を達成した。
SDTL より下流の位相検出器は、空洞増設に伴って設置したものである。したがって位相検出器からエネルギーを計算したことが無く、測定精度が我々の要求を満たしているか確認していなかった。そこで 181 MeV のビームを下流まで通し、各空洞用の位相検出器の測定結果から計算したエネルギーが、181 MeV からどの程度誤差があるか調べた。エネルギーの計算精度には、位相検出器間の距離の精度なども影響するが、位相検出器自体の時間分解能はおよそ 60 psec である。これは運動量で 0.05%、エネルギーで 0.1%に相当する。それに対し、エネルギーの測定結果は、いくつかの位相検出器で最大 5%のずれていた。このような大きなずれは根本的に何か誤りがないと起こりえないため、加速試験を一時中断して原因を調査したところ、位相検出器の出力信号から位相への変換係数に間違いが見つかった。再校正を実施し、再度 181 MeV のビームでエネルギーの計算精度を確認したところ、全位相検出器で求めたエネルギーの二乗平均平方根（RMS）は約 0.2%であり、SDTL セクションと同等の精度となった。また、新しく設置したビーム位置検出器 （BPM）についてビームベースアライメント（BBA）を実施した。12 月は 30 日朝まで加速試験を行い、ACS14 までの位相スキャンを完了した。
ビームエネルギーにして 325 MeV である。
1 月の加速試験は 7 日から開始した。本来ならば 12 月に引き続き ACS15 以降の位相スキャンを実施して 400
MeV を目指すところだが、一部 ACS 用サーキュレータで放電が多発し、改修が必要だった [3] 。そこで 7 日から9 日は上流部分の 15mA 運転用の調整を行い、その裏でサーキュレータの改修と空洞のコンディショニングを実施した。さらに 10 日から 15 日はビーム加速試験を中断し、ACS 空洞のコンディショニングを実施した。16日に ACS15 以降の位相スキャンを再開し、400 MeV は翌日 17 日に達成した。400 MeV の確認を 2 種類の方法で実施した。ひとつは Time-of-Flight（TOF）法によるエネルギーの測定である。ビームライン上の 2 つの位相モニタで測定した位相から算出した TOF と位相モニタ間の飛行距離からエネルギーを計算した。すでに述べた

Figure 2: 3D PIC コードで求めた ACS の縦方向アクセプタンスと入射ビーム分布（赤）。

Figure 3: アクセプタンススキャンで測定した、ACS 空洞の運転位相からのずれと 100BD へのビーム透過率の関係。
ように、位相検出器を用いたビームエネルギーの測定精度は約 0.1%である。ただしこの方法では位相モニタ間の位相の回転数に不定性があり、その不定性は運動量で約 5%、エネルギーで約 10%である。この不定性を補償する必要があり、そのためもうひとつの方法である 30度ダンプ（30BD）へのビーム透過率を測定した。30 度ダンプは図 1 に示したとおり、第一アークセクション途中で分岐して設置されている。30 度ダンプまでのベンド磁石を 400 MeV ビーム用に設定したので、ビームエネルギーが 400 MeV から大きく異なる場合、軌道を外れ透過率が著しく低下する。また、アークセクションの運動量分散が約 0.55m の位置に設置された BPM でビーム軌道を測定した結果、ビームエネルギーは 400 MeVから 0.08%以内であることが分かった。

2.2ACS 縦方向測定

位相スキャンによる ACS 空洞の調整がどの程度か確認するため、ACS 加速器の縦方向が設計とどの程度一致しているか確認するため、位相方向のアクセプタンスを測定した。図 2 の青い範囲が 3D Particle-in-Cell コード（IMPACT）で求めた ACS のアクセプタンスである。
比較のため、入射ビーム分布を赤点で示した。位相方向のアクセプタンスは、位相方向に −30 から 60 度の全- 956 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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幅 90 度、エネルギー方向に 188.2 から 193.4 MeV の全幅 5.2 MeV の範囲であり、ビームに対してかなり余裕のあることが分かる。実験では、ACS 全空洞の運転位相を一律にずらした場合に 100BD へのビーム透過率がどのように変わるか測定した。ACS 全空洞の位相をずらすのは、ACS のアクセプタンスを位相方向にシフトさせることに等しい。アクセプタンスの外側のビームはACS で加速されず、191 MeV 前後のエネルギーで出てくる。アークセクションのベンド磁石は、400 MeV のビームが中心軌道を通過するように設定しているため、ACS で加速されなかったビームは、アークセクションでビームラインから外れてロスする。したがって 100BDへの透過率は、全ビーム粒子のうち、アクセプタンスの内側にいる粒子の割合に等しい。測定結果を図 2.1 に示す。ビーム透過率が 0.5 のときにビームがアクセプタンスのエッジにいると仮定すると、アクセプタンスの幅は92 度になり、シミュレーションとほぼ一致した。

2.3

ビームプロファイル

既に述べたように、ACS の RF 周波数は SDTL の 3倍であるため、ACS 入射ビームの縦方向調整は重要である。調整のためバンチャー空洞 2 台を MEBT2 に設置している。また調整には縦方向の測定が不可欠であるため、MEBT2 から ACS 入射部に位相方向を測定するバンチシェープモニター [4] （BSM）3 台を設置する計画であった。ACS 増設前に BSM の性能を確認するた
め 2012 年にビームラインに設置し、その年のビーム加速試験で性能確認を行った [6] 。その結果、BSM が縦方向調整に必要な性能を有していることを確認した。しかしながら、BSM の測定中に真空が悪化し [5] 、たびたび Machine Protection System（MPS）が発報した。このままでは ACS 増設後に近くの空洞に悪影響を及ぼす可能性があったため、ACS 増設のタイミングで BSM をビームラインから取り外し、オフラインで真空系の増設等の改善を実施することにした。そのためバンチャーの振幅はシミュレーションの結果をもとに決めているため、大きなミスマッチが発生している可能性がある。
図 4 に ACS セクション入出射部にあるワイヤースキャナー（WSM）で測定したビームプロファイルと、ガウス関数によるフィッティング（赤い破線）、および RMSをガウス関数の σ に代入した場合の分布である。WSMのダイナミックレンジは約 10−4 であるため、このレンジの信号はノイズである。ACS 入射部の分布（図 4(a)）
では緑と赤の破線がほぼ重なっているのに対し、出射部の分布（図 4(b)）は緑が赤の破線よりかなり太くなっている。ガウス関数によるフィッティングがビームのコアの影響を強く受けるのに対し、RMS はビームハローの影響も受けるため、ハローが増加するにしたがって、σより RMS が相対的に大きくなる。したがって ACS 入射部と比較して、出射部のビームハローが増加していることが分かる。ACS 入射部の横方向マッチングの精度は他のセクションと同程度を達成しており、このような大きなハローが横方向起因で発生したとは考えにくい。
最も可能性が高いのは、縦方向のミスマッチが空間電荷効果による縦・横方向結合によって横方向にハローを発生させる場合である。今後 BSM をビームラインに設置すれば縦方向のマッチングが可能になるため、ハローを低減できるのではないかと考えている。

3.

まとめ

J-PARC リニアックの ACS 加速器増設後にビーム加速試験を行い、2014 年 1 月 17 日に 400 MeV のビーム加速に成功した。また縦方向アクセプタンスの測定より、ACS の縦方向性能がほぼ設計通りであることを確認した。一方、横方向ビームプロファイルには、ACS 部で縦方向のミスマッチに起因していると考えられるハローが発生しており、今後ビーム調整精度の向上が必要である。J-PARC リニアックでは現在ビーム電流向上のため、フロントエンド部の改造工事を行っており、これによりピーク電流 50 mA の運転が可能となる。ビーム
パワーとビーム品質向上のため、今後もビーム加速試験を継続的に行う計画である。

(a) ACS 入射ビームのプロファイル

参考文献(b) ACS 出口のビームプロファイル

Figure 4: ACS の入射部 (a) と出射部 (b) のビームプロファイルの比較。ノイズレベルは 10−4 である。ビーム
電流は 25 mA、ビームエネルギーは (a) が 191 MeV、(b)が 400 MeV である。図中の赤い破線はプロファイルをガウス関数でフィットした結果、緑の破線は求めた RMSを σ に代入したガウス関数である。

[1] Y. Yamazaki ed., Accelerator Technical Design Report forHigh-Intensity Proton Accelerator Project, J-PARC , KEK
Report 2002-13 and JAERI-Tech 2003-44.
[2] M. Ikegami, ”Beam commissioning and operation of the JPARC linac”, Prog. Theor. Exp. Phys. 2012, 02B002.
[3] K. Futatsukawa, et al., ”Discharge of the 972 MHz Circularat J-PARC Linac”, in these proceedings.

- 957 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of JapanAugust 9-11, 2014, Aomori, JapanPASJ2014-SUP011[4] A. V. Feschenko, Methods and instrumentation for bunchshape measurements , Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference (PAC2001), Chicago, U.S.A., June 1822, 2001, pp. 517-521.
[5] A. Miura, et al., ”Bunch Length Measurement of 181 MeV
Beam in J-PARC Linac”, Proceedings of The 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC2013), Shanghai, China, May 12-17, 2013. pp. 532-534.
[6] M. Ikegami, et al., ”Recent Progress in Beam Commissioningof J-PARC Linac”, Proceedings of The 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC2013), Shanghai, China,
May 12-17, 2013. pp. 3827-3829.

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