MOMENTUM LOSS DURINGSLOW EXTRACTION IN THE
J-PARC MR AND ITSCOUNTERMEASURES
J-PARC MR 遅い取り出しにおける運動量ロスとその対策

Fumihiko Tamura, Masanobu Yamamoto, Chihiro Ohmori,
Masahito Yoshii, Alexander Schnase, Masahiro Nomura,
Masahito Tomizawa
J-PARC center, KEK & JAEA

2013/8/4
第 10 回日本加速器学会年会, 田村文彦

MOMENTUM LOSS DURING SLOW EXTRACTION IN THE J-PARC MR AND ITS COUNTERMEASURES

1

Overview
はじめにデバンチ過程の運動量ロス
運動量ロスの例
縦方向シミュレーション

運動量ロスの対策
ギャップショート
rf フィードフォワード

大強度ビームの遅い取り出しに向けてまとめ

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MOMENTUM LOSS DURING SLOW EXTRACTION IN THE J-PARC MR AND ITS COUNTERMEASURES

2

はじめにFig. 1: J-PARC topview.

MR では 三次共鳴を利用した遅い取り出しでハドロン実験施設に供給、ユーザーへの供給ビームパワー
24 kW (3.0 × 1013 ppp、6 秒サイクル)
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3

遅い取り出し (SX)
P3

2.93s

1.9s

0.17s

1.0s

6.0s
Fig. 2: SX cycle.

ハドロン施設へは、デバンチしたビームを供給
フラットトップ開始 (P3) で rf 電圧をオフにすることでデバンチさせる
P3+300 ms から遅い取り出し開始
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4

遅い取り出し (SX) の性能

スピル性能
スピル長: 約 2 秒
duty factor: 40%超

取り出し効率
取り出し過程のビームロスによる SX 機器の放射化、放射線損傷を避けるために重要
SX 大強度化の鍵
99.5% を達成

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5

遅い取り出し (SX) の性能

スピル性能
スピル長: 約 2 秒
duty factor: 40%超

取り出し効率
取り出し過程のビームロスによる SX 機器の放射化、放射線損傷を避けるために重要
SX 大強度化の鍵
99.5% を達成

第 10 回日本加速器学会年会, 田村文彦

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5デバンチ中の運動量ロス1.5

6kW no FF

1P3 debunch start

dp/p [%]

0.5

0-0.5

-1-1.500.5

11.5
2time from P0 [s]2.5

3Fig. 3: Momentum deviations of 6 kW beam.

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3.5

6 kW ビームから有意な運動量ロスを観測
ビーム強度依存十分なデバンチまでに
縦方向インピーダンス
による wake 電圧の効果
8 台の加速空胴 (ギャップあたり 1100 Ω)
resistive wall、キッカー
インピーダンス

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6

デバンチ中の運動量ロス1.5

6kW no FF

1P3 debunch start

dp/p [%]

0.5

0-0.5

-1-1.500.51

1.5
2time from P0 [s]2.53Fig. 3: Momentum deviations of 6 kW beam.

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3.5

6 kW ビームから有意な運動量ロスを観測
ビーム強度依存十分なデバンチまでに
縦方向インピーダンス
による wake 電圧の効果
8 台の加速空胴 (ギャップあたり 1100 Ω)
resistive wall、キッカー
インピーダンス

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6デバンチ中の運動量ロス
運動量ロスは、取り出し効率の悪化を招く
先程の例では 97%.
取り出し効率悪化の理由.
クロマティシティの高次の効果によりセパラトリクスが運動量に依存 → 取り出し角度の広がり
静電セプタムリボンへのヒット率増加.

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7

デバンチ中の運動量ロス
運動量ロスは、取り出し効率の悪化を招く
先程の例では 97%.
取り出し効率悪化の理由.
クロマティシティの高次の効果によりセパラトリクスが運動量に依存 → 取り出し角度の広がり
静電セプタムリボンへのヒット率増加.

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7デバンチ中の運動量ロス
RCS 入射から MR フ
ラットトップまでの縦方向のビームシミュ
レーション
P3 から空胴の wake の効果を入れた (その他のインピーダンスなし)

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8デバンチ中の運動量ロス1.56kW no FF measurement
6kW no FF simulation

1P3 debunch start

0.5
dp/p [%]RCS 入射から MR フ
ラットトップまでの縦方向のビームシミュ
レーション
P3 から空胴の wake の効果を入れた (その他のインピーダンスなし)

0-0.5-1-1.500.5

11.5
2time from P0 [s]

2.5

33.5

Fig. 4: A comparison of the momentum deviations of thesimulation and measurement.

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8

デバンチ中の運動量ロス1.5

6kW no FF measurement
6kW no FF simulation

1P3 debunch start

0.5dp/p [%]RCS 入射から MR フ
ラットトップまでの縦方向のビームシミュ
レーション
P3 から空胴の wake の効果を入れた (その他のインピーダンスなし)

0-0.5-1-1.5
00.5

11.5
2
time from P0 [s]

2.5

33.5

Fig. 4: A comparison of the momentum deviations of thesimulation and measurement.

.

.

運動量ロスをよく再現、運動量ロスの原因は空胴のみと考えてよい
では、位相空間ではどのような挙動を示すのか？
空胴の主要な wake がキャンセルされている場合と比較してみる

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8デバンチ中の位相空間分布、P3+0 ms

Fig. 5: (左) 補償あり、(右) 補償なし

P3 時点で、バンチ長は全幅で 40 ns、運動量の広がりは全幅で ±0.12%

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9

デバンチ中の位相空間分布、P3+100 ms

Fig. 6: (左) 補償あり、(右) 補償なし

補償ありの場合は運動量広がりによる周回周波数の違いのみによってデバンチ

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10

デバンチ中の位相空間分布、P3+100 ms

Fig. 6: (左) 補償あり、(右) 補償なし

補償ありの場合は運動量広がりによる周回周波数の違いのみによってデバンチ補償なしの場合、wake により一部の粒子が加速、減速される
100 ms で既に運動量ロス、広がりが発生
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10デバンチ中の位相空間分布、P3+200 ms

Fig. 7: (左) 補償あり、(右) 補償なし

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11

デバンチ中の位相空間分布、P3+300 ms

Fig. 8: (左) 補償あり、(右) 補償なし

時間が経つとさらに波うったような構造に第 10 回日本加速器学会年会, 田村文彦

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12デバンチ中の位相空間分布、P3+400 ms

Fig. 9: (左) 補償あり、(右) 補償なし

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13

デバンチ中の位相空間分布、P3+500 ms

Fig. 10: (左) 補償あり、(右) 補償なし

500 ms では、運動量広がりは非常に大きい
各バンチは、補償なしのほうが伸びている

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14

デバンチ後の運動量分布、P3+500 ms

Fig. 11: (左) 補償あり、(右) 補償なし

補償あり: 運動量広がりはデバンチ前と同じ、±0.12%

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15

デバンチ後の運動量分布、P3+500 ms

Fig. 11: (左) 補償あり、(右) 補償なし

補償あり: 運動量広がりはデバンチ前と同じ、±0.12%
補償なし: −1.5% から 0% にわたる大きな運動量広がり、分布の山
チューンの広がり、取り出し効率悪化
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15

デバンチ後の時間分布、P3+500 ms

Fig. 12: P3+500 ms での時間分布。(左) 補償あり、(右) 補償なし

補償あり: きれいにデバンチ

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16

デバンチ後の時間分布、P3+500 msFig. 12: P3+500 ms での時間分布。(左) 補償あり、(右) 補償なし

補償あり: きれいにデバンチ
補償なし: バンチ状の構造が残るユーザーへのビームの質も低下

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16

シミュレーションまとめ
空胴インピーダンスによるデバンチ過程の影響：
大きな運動量ロスが発生
大きな運動量広がりが発生
デバンチも遅い (構造が残る).
デバンチ中にビームの見る空胴インピーダンスを下げることが必要.

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17

運動量ロスの対策.
運動量ロスの対策とは、デバンチ中のビームの見るインピーダンスを下げることである。
.
ギャップショート
rf フィードフォワードによるビームローディング補償

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18

運動量ロスの対策.
運動量ロスの対策とは、デバンチ中のビームの見るインピーダンスを下げることである。
.
ギャップショート
rf フィードフォワードによるビームローディング補償

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18

ギャップショート
デバンチ中に、加速ギャップをショートすることでインピーダンスを下げる。

Fig. 13: ギャップショートリレー。Kilovac H-17 を使用している。

各空胴のひとつのギャップに、ギャップ電圧モニタとともにインストールされている
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19ギャップショート

耐圧 20 kV、最大許容電流は 16 A
加速電圧発生時にリレーを閉じると焼損真空管からの供給電流は数十 A

P3 で rf 電圧オフ直後に動作指令を送る
25 ms 程度の時間がかかる
この間はインピーダンスを下げる効果はない

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20

ギャップショート

耐圧 20 kV、最大許容電流は 16 A
加速電圧発生時にリレーを閉じると焼損真空管からの供給電流は数十 A

P3 で rf 電圧オフ直後に動作指令を送る
25 ms 程度の時間がかかる
この間はインピーダンスを下げる効果はない

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20rf フィードフォワード
Beam Pick Up(WCM)Cavity
ibeam

ビーム電流を WCM で検出
Amp
DrivingSignalFeedforward
Module

空胴電圧発生のためのドライブ
電流に加えて、−ibeam なる電流を空胴に供給

wake 電圧をキャンセル

Fig. 14: フィードフォワードシステムの概念およびブロック図。

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wake が隣接ハーモニクスの成分を含むので、フィードフォワードもマルチハーモニック

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21

rf フィードフォワード
Beam Pick Up(WCM)

Cavityibeam

ビーム電流を WCM で検出
Amp
DrivingSignalFeedforward
Module"

空胴電圧発生のためのドライブ
電流に加えて、−ibeam なる電流を空胴に供給

ϕwake 電圧をキャンセル%&ϕΣϕ!!

#ϕ# $$$

Fig. 14: フィードフォワードシステムの概念およびブロック図。

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wake が隣接ハーモニクスの成分を含むので、フィードフォワードもマルチハーモニック

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rf フィードフォワード
FX 大強度ビーム (200 kW 超) には安定な加速のために必須
SX の現在の強度では、FF なしでも加速は問題なしだが、デバンチ中の運動量ロス低減には役立つ
FF の最適なパターンはビーム条件により異なるが、これまで時間がとれず SX デバンチ用には簡易調整(h = 9): 検波電圧をみながら調整(h = 8, 10): FX で使ってるパターンのまま

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22

rf フィードフォワード
FX 大強度ビーム (200 kW 超) には安定な加速のために必須
SX の現在の強度では、FF なしでも加速は問題なしだが、デバンチ中の運動量ロス低減には役立つ
FF の最適なパターンはビーム条件により異なるが、これまで時間がとれず SX デバンチ用には簡易調整(h = 9): 検波電圧をみながら調整(h = 8, 10): FX で使ってるパターンのまま

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22

6 kW ビームでの結果
1.5

6kW gap short on
6kW gap short off
6kW FF ON

1P3 debunch start

dp/p [%]

0.5

0-0.5

-1-1.5
00.5

11.5

22.5

33.5

time from P0 [s]Fig. 15: 対策なし、ギャップショート、フィードフォワードの場合の運動量ずれの比較。

.
運動量ロスは同程度なので、焼損や寿命の心配のな.いフィードフォワードを通常運転に使用している。
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23

6 kW ビームでの結果
1.5

6kW gap short on
6kW gap short off
6kW FF ON

1P3 debunch start

dp/p [%]

0.5

0-0.5

-1-1.5
00.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

time from P0 [s]Fig. 15: 対策なし、ギャップショート、フィードフォワードの場合の運動量ずれの比較。

.
運動量ロスは同程度なので、焼損や寿命の心配のな.いフィードフォワードを通常運転に使用している。
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フィードフォワード本格調整の試験
簡易調整では将来の大強度ビームには不十分.

空胴電圧は wake、FF 成分の重ね合わせ.

Vcav (h, t) = Vcav,wake (h, t) + Vcav,FF (h, t)′= Zcav(h, t) · Ibeam (h, t) + ZFF (h, t) · Ibeam (h, t).
′FF OFF で求めた Zcav
(h, t) を使い、ZFF (h, t) (ビーム電流からフィードフォワード成分への伝達関数) が求まる′
ZFF (h, t) = −Zcav(h, t) となるようにパターンを調整

空胴 1 号機で、本格調整での wake 抑制効果を調べた。
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24

フィードフォワード本格調整の試験
簡易調整では将来の大強度ビームには不十分.

空胴電圧は wake、FF 成分の重ね合わせ.

Vcav (h, t) = Vcav,wake (h, t) + Vcav,FF (h, t)′= Zcav(h, t) · Ibeam (h, t) + ZFF (h, t) · Ibeam (h, t).
′
FF OFF で求めた Zcav
(h, t) を使い、ZFF (h, t) (ビーム電流からフィードフォワード成分への伝達関数) が求まる′
ZFF (h, t) = −Zcav(h, t) となるようにパターンを調整

空胴 1 号機で、本格調整での wake 抑制効果を調べた。
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24

本格調整の試験 (15 kW ビーム)

Fig. 16: A comparison of the harmonic components of cavity #1 gap voltage without and with feedforward.

(h = 9) 1.15 kV から 30 V 以下に抑制 (簡易調整では数分の一)
50 kW 以上の大強度に向けては、全号機の本格調整が有効であることを示唆
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24 kW ビーム
1.5

24kW FF ON

1P3 debunch start

dp/p [%]

0.5

0-0.5

-1-1.500.5

11.5
2time from P0 [s]

2.5

33.5

Fig. 17: Momentum deviation during the debunching process with feedforward at the beam power of 23.8 kW.

運動量ロスは 0.2% 程度
取り出し効率 99.5% を維持
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26

まとめ
デバンチ過程中には、空胴インピーダンスによる運動量ロスがある
シミュレーションにより運動量ロスを再現、大きな運動量広がりを生じることを確かめた
空胴インピーダンス低減方法として、ギャップショートおよび rf フィードフォワードを試験、低減効果を確認した。通常運転にはリスクの少ないフィードフォワードを採用
24 kW ビームでも、運動量ロス 0.2%、取り出し効率 99.5% を維持
大強度化に向けては、FF の全号機本格調整が必要と思われる
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27

まとめデバンチ過程中には、空胴インピーダンスによる運動量ロスがある
シミュレーションにより運動量ロスを再現、大きな運動量広がりを生じることを確かめた
空胴インピーダンス低減方法として、ギャップショートおよび rf フィードフォワードを試
験、低減効果を確認した。通常運転にはリスクの少ないフィードフォワードを採用
24 kW ビームでも、運動量ロス 0.2%、取り出し効率 99.5% を維持
大強度化に向けては、FF の全号機本格調整が必要と思われる
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