Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

PERFORMANCE OF THE PAINTING INJECTION
OF THE 3-GEV RCS in J-PARC
Tomohiro Takayanagi 1,A), Hiroyuki Harada B), Tomoaki Ueno A), Yoshiro Irie C ), Michikazu Kinsho A),
Masahiro Yoshimoto A), Junichiro Kamiya A), Masao Watanabe A), Kenichirou Satou C)A) Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)/Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
2-4 Shirakata, Shirane, Toukai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195
B) Hiroshima University
1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima, 739-8526
C)Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The examination of the painting injection of the 3-GeV RCS in J-PARC (Japan Particle Accelerator ResearchComplex) has been performed. The gap of the shift bump magnet was adjusted by the insulator thin sheets thatthickness was decided by the experimental results and the analysis results. The integrated magnetic field will be zeroand the displacement of the beam orbit was less than 1mm, which was confirmed by the beam examination of theresponse characteristic. Furthermore, the balance adjustment of the exciting current level, which was each power supplyof the four horizontal paint bump magnets, was performed. So the good performance of the beam control for the beam
painting injection has been obtained.

J-PARC 3-GeV RCS ペインティング入射試験
１．はじめに果、バンプ軌道の影響で生じた周回ビームと中心軌道の偏差量（COD: Closed Orbit Distortion）が1mm以下になることを確認した。また、4台の水平ペイン
トバンプ電磁石によるビームの応答性を測定し、励磁量のバランス調整を各電源で行った。これより、ペインティング入射に求められている精度の良いビーム制御が可能であることを確認した。

J-PARC2 （ 大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設 ） 3-GeV RCS（Rapid Cycling Synchrotron）[1][2]の入射バンプシス
テム [3]において、大強度陽子ビームを生成するペインティング入射試験を行った。その初期試験の結果について報告する。
RCSでは、4台の水平シフトバンプ電磁石を用いて入射用バンプ軌道を生成し、LinacからのH- ビー
２．水平シフトバンプ電磁石
ムを荷電変換フォイルでH+へと変換して周回軌道へと入射する。また、水平シフトバンプ電磁石の上・2.1 ギャップ調整とビームCOD
下流に、それぞれ2台設けた水平ペイントバンプ電磁石（全4台）と、L3BTライン（Linacからの入射ラ4台の水平シフトバンプ電磁石は直列に接続されイン）に設けた2台の垂直ペイント電磁石を用いて、 ているため、4台分を合計した全体の積分磁場を調水平と垂直の両方向のペインティングを行う。
整するためには、調整が必要である電磁石個々のペインティング入射とは、Linacからのエミッタ上・下鉄心合わせ面に絶縁スペーサーを挿入し、電ンスの小さいビームをRCSの大口径ビームに一様に磁石のギャップを変化させて各々の励磁量を変更し分布させ、空間電荷効果によるチューンシフトを抑なければならない。
えることで、ビーム損失を低減しながら大強度ビー磁場測定の結果より、2台目と3台目に厚さ0.3mmムを生成する方式である。そのため、電磁石の磁場の絶縁スペーサーを挿入することにした。この分布を正確に測定し、バンプ電磁石によるビームのギャップの調整により、電磁石1台分の積分磁場を基本動作を確認することが必要である。
約0.6%下げる事ことができる[5][6]。そのため、1台目[3][4]
電磁石の磁場測定結果から、直列に接続されと4台目が、それぞれの上下流に設置されたQ電磁た4台の水平シフトバンプ電磁石のうち、2台目と3石との磁場干渉の影響で減少した分を補正すること
台目の上・下鉄心コアの合わせ面に0.3mmの絶縁スができる。4台全体の積分磁場が2358.0Gauss･cmかペーサーを入れて全体の積分調整を行った。その結ら ‑71.6Gauss ･ cmと な り 、 解 析 の 結 果 で は 、 周 回-352-

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Analysis Result

600.3mm gap spacer

default(Analysis)

4dx(mm)0Measurement Result (BPM)

default
0.3mm gap spacer

Setting Current(kA)

Displacement distance(mm)定した。その結果、ベータトロン振動が小さくなり、ビームのCODは±0.5mm以下となる[3][5]。
[2]
2つの中心軌道が一致したのがわかる（右図）。
181MeV 周 回 モ ー ド で 、 BPM(Beam Positioning
1515Monitor)を用いて周回ビームのCODを測定した結果
Measurementを図1に示す。図中のdxは、バンプ軌道が立ってい12 Analysis(by experiment)る場合と立っていない場合の差である。測定の結果、
109
CODは±0.5mm以下となり、バンプ軌道の影響で生じる周回ビームのCODが小さいことが確認できた。
65
また、解析結果と非常に良く一致した。これより、
Analysis(by experiment)
磁場測定の結果より算出した水平シフトバンプ電磁
Measurement
3y = 0.93051x
石のギャップ調整量が正しかったことを確認した。

0.3mm(Analysis)2±0.5mm36912Setting dispalcement(mm)150020 40 60 80 100 120
Beam Shift Distance(mm)

図２：変位量の測定結果（左）とビームシフト量の算出結果（右）0-2-4-6

Measurement Result

050100150200S(m)250300350

図１：水平シフトバンプ電磁石によるビームのCOD
測定結果
2.2 ビーム変位量
4台並んだ水平シフトバンプ電磁の中心位置に設置してあるMWPM4（Multi-Wire Profile Monitor）を用いて、水平シフトバンプ電源の設定値に対する入射ビームの変位量を測定した。ビーム条件は、セン
タ ー 入 射 の 1/3周 モ ー ド [2] で 、 Peak電 流 が 25mA、Choppingが112ns、入射時間が50µsで行った。
設定値に対する変位量を相対的に求めた結果、1mmの設定に対して約0.93mmの変位量となり、解析値より約7%小さくなった。また、この式を用いて、電源の設定値に対するビームシフト量の絶対値を算出した。各々の結果を図2に示す。実験の結果と解析より求めた電源の設定値と変位量の関係が、測定結果と一致しなかった。

図３：IPMによるビームプロファイル測定結果（左）設定値93mm、（右）設定値102mm

３．水平ペイントバンプ電源
3.1 ４台のバランス調整

水平ペイントバンプ電磁石の励磁量のバランス調整を、CODの測定結果を確認しながら行った。水平
ペイントバンプ電磁石の4台は、電磁石と電源（PBH1〜4）が1対1で接続されているため、励磁量2.3 センター入射の調整を個々に電源で行うことができる。
[7]
フラットトップが400µsの台形の波形パターンをIPM（Residual Gas Ionization Profile Monitor） を作成し、Peak電流が25mA、Choppingが112nsのビー用いて、センター入射時のビームプロファイルを測
ムを50µs入射してビームのCODを測定した。電流値定し、入射ビームと周回ビームの軌道中心が一致すを±2%程度の範囲で調整し、CODが±1mm以下になる場合の電源の設定値を確認した。入射後から30µsることを確認した。下記（1）に調整前後の各々のまでのターン毎のビームプロファイルの測定結果を電流値を、図4に調整後の水平ペイントバンプ電源
図 3 に 示 す 。 ビ ー ム 条 件 は 、 Peak 電 流 が 25mA 、と、その試験時の水平シフトバンプ電源（SB）のChoppingが560nsの1shot入射で行った。
電源の設定が93mmの場合、MWPM4の測定では、 励磁電流波形を示す。また、水平ペイントバンプ電源のバランス調整前後のCOD測定結果を図5に示す。
入射と周回のビーム軌道の中心は約17mm離れていた。そのため、ベータトロン振動が大きくなっている（左図）。入射と周回のビームは同じ量だけ変位するので、図2の測定結果を用いて、半分の8.5mmの変位量（解析では9mmに相当）である102mmに設
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(1)

調整前

PBH 1 : 8.08 kA
PBH 2 : 5.98 kA PBH 3 : 1.99 kA
 PBH 4 : 2.68 kA

調整後

 PBH 1 : 7.99 kA
 PBH 2 : 6.09 kA PBH 3 : 2.02kA
 PBH 4 : 2.66 kA

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12Current(kA)beam injection(50µs)
SB(13.4kA)

SB
PBH1
PBH2
PBH3
PBH4

14

PBH1(7.99kA)

10

PBH2(6.09kA)

8
6

PBH4(2.66kA)
PBH3(2.02kA)

4
200300

600

900

1200

1500

1800

Time(µs)

図４：水平ペイントバンプ電源のバランス調整後の励磁電流波形
BeforeAfter6dx(mm)4After

Before±1mm20-2-4-6050

100150S(m)200250300±0.5mm以下になることを確認した。また、水平ペイントバンプ電磁石によるビームの応答測定から、各電源の励磁量のバランス調整を行い、ペインティング入射に必要な精度でビーム制御が可能であることを確認した。今後は、入射時間を500µsに延長し、垂直ペイント電磁石を含めた水平と垂直の両方向の同時ペインティング入射試験を行う。
図7に、100 π･mm･mrad のcorrelate paintingとanticorrelate paintingの入射に設定した、バンプシステム全7台の励磁電流波形の測定結果を示す。水平・垂直のペイント電磁石用の電源はIGBTチョッパの多段多重の並列回路で構成されており、任意の波形パターンを±1%以下の精度で制御して出力することができる[3] [4]。
実験の結果と解析で求めた電源の設定値とビームの変位量の関係が、測定した結果と比較して約10%異なっていた。この原因については、磁場測定と解析の方法、サーチコイルの校正方法、及び、ビーム変位量の測定方法などを見直し、原因を究明することとする。

35098

図５：水平ペイントバンプ電源4台のバランス調整
前後のビームCOD測定結果

7

台形波形のフラットトップの部分を用いてペインティング入射軌道を生成し、MWPM3と4で測定した入射軌道から入射点の位相空間座標を求めた（図6）。その結果、実験と解析より算出した、エミッタンスが100 π･mm･mrad と150 π･mm･mradのビームに対応する電源設定値で測定したところ、目標値（図中：target） [8] よりも小さくなった。そこで、各々の110%値で再設定して測定したところ、目標値とほぼ一致した。
84420-2-4-620-2-4

Ringtargetbeforeafter-6-8-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
X-AXIS(mm)target :(39.9,-5.65)
原点
target̲150pi
run16̲150pi
before:(34.8,-5.08)
run17̲150pi
after :(39.3, -5.90)

6X'(mrad)X'(mrad)8target :(31.1, -4.4)
原点target̲1‑100pai
before:(27.6,-4.0)
trun16̲1‑100pai
run17̲100pi
after :(31.2, -4.6)6150π.mm.mrad

Ringtargetbeforeafter-8-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
X-AXIS(mm)図６：位相空間座標の目標値と調整前後の測定結果（左：100π、右：150π）

４．最後に水平シフトバンプ電磁石のギャップ調整を行い、
バ ン プ 軌 道 の 影 響 に よ る 周 回 ビ ー ム の COD がCT-Voltage(V)63.2 位相空間座標の確認

100π.mm.mrad

beam injection(500µs)

59SBPBH1
PBH2
PBH3
PBH4
PBV1
PBV2843265SBPBH1
PBH2
PBH3
PBH4
PBV1
PBV24321

100-1-1-2

beam injection(500µs)

7CT-Voltage(V)16

SB,PBH1-4:(2kA/V), PBV1,2:(500A/V)

0300

600

900

1200 1500 1800

Time(µs)-2

SB,PBH1-4:(2kA/V), PBV1,2:(500A/V)

0300

600

900

1200 1500 1800

Time(µs)

図７：Correlate Painting の励磁電流波形（左）とAnti-correlate Painting励磁電流波形（右）参考文献[1] Y. Yamazaki and M. Kinsho, Proceedings of EPAC08,
Genoa, Italy, p.3557-3559[2] H. Hotchi, et al.,“Proceedings of the 5th. Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan and the 33rd
Linear Accelerator Meeting in Japan[3] T. Takayanagi, et al., IEEE Trans. Applied Supercond.,
vol.16, no.2, pp.1358-1361, June. 2006.
[4] T. Takayanagi, et al., IEEE Trans. Applied Supercond.,
vol.18, no.2, pp.306-309, June. 2008.
[5] T. Takayanagi, et al.,“Proceedings of the 4th. Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3,2007, Wako Japan)[6] H. Harada, et al.,“Proceedings of the 4th. Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan and the 32nd
Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007,Wako Japan)[7] K. Sotou, et al.,“Proceedings of the 5th. Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 33rd LinearAccelerator Meeting in Japan[8] P.K.Saha has helped calculation.

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