J-PARC メインリング

入射補正キッカー電磁石の性能評価
杉本拓也 (KEK)石井恒次、Fan Kuanjun、松本浩、外山毅

J-PARC Main Ring (MR)
Circumference

1567.5 m

Superperiodicity

3

Number of bunches

8

Harmonic number

9

RF frequency

1.67 - 1.72 MHz

Transition γ

j 31.7 (typical)

dipole96

quadrupole

216 (11 families)

sextupole

72 (3 families)

steering

186

400MeV
Linac(Injection Section)
MR

QF

septum-2

septum-1
3-50BT2015年8月6日(→芝田ʼs talk)QD

kicker

QF

BL=0.097 [Tm]
θkick=7.6 [mrad]

エネルギー
[GeV]

粒子数
[ppp]

繰り返し
[sec]

ビーム出力
[kW]

デザイン

50

3.3x1014

3.52750kW

変更１30

3.3x1014

2.1750kW

現状30

1.73x1014

2.48335kW

変更２302.0x1014

1.28750kW①②③(ppp = proton per pulse)①RF 2倍高調波の重畳による空間電荷効果の軽減②高繰り返し電源③高加速勾配RF空洞の開発 etc...

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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入射キッカー 励磁電流パルス波形の問題
2.7kA(typical)

Normalized Excitation Current

立上り: 400ns(1% - 99%)0.06

パルス幅: 1.4us

反射波

テール

0.05

周回バンチを蹴ってしまう

0.04
0.03

10.02
0.8

コヒーレント振動

1%

0.01
00.6

-0.01

22.5

33.5

44.5

55.5

ビームロス！

6(~160W @335kW運転)

0.4angle x’ (mrad)

0.20(injection timing)
K1 (t=0ms)

入射直後

0.2

2K2 (t=40ms)

34K3 (t=80ms)

5K4 (t=120ms)

76 (empty bucket)
80

10RF2倍高調波: 150ns → >300ns

1

2015年8月6日

0.45.38μs = revolution period

597.7ns-1(phase space plot for #1 bunch)

450ns→ <300ns

23-0.2

456time (μs)

K3タイミング-0.4-4-2

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024position x (mm)3 /18

補正回路と波形調整 (2013年夏)Injection Kicker

2バンチ(#1 & #2) におけるビームロス←③で蹴られる①＆②で蹴られる→

w/o SUC (C=3.5nF)
w/ SUC (C=3.5nF)
w/ SUC (C=4.4nF)
w/ SUC (C=5.7nF)
w/ SUC (C=6.5nF)
w/ SUC (C=7.0nF)
w/ SUC (C=7.2nF)
w/ SUC (C=8.0nF)
w/ SUC (C=9.5nF)

1.04
1.02
199%

0.96

0.08
0.06

600
2015年8月6日

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45
0.5
time (μs)

after upgrade(TMC, C1=3.5nF)

after upgrade(TMC + SUC, C1=6.5nF)

この2山を補正する
補正キッカーを導入(original peak)

0.02①00-0.02
-0.02

②③④

3.5

41%

(beam bucket)(SUC=Speed-Up Circuit)

0.2(May 2013, C1=7.1nF)

0.04

0.04

194.8ns (1-99%)

0.15

before upgrade(new peak)

0.06

0.02

0.92sec)

0.08

±1%

0.98

0.9

0.1(tail part)

2.8

1.5
32
3.2

2.5
3.4

3.6

3

3.8
time (μs)

4.5time (μs)(※参考文献: IPAC14 MOPME069, 第11回加速器学会 SUOL04)

0.3
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peak

1.06

0.1
(tail part)

normalized excitation current

normalized current(head part)

normalized current(R=140Ω)(C=7nF)

0.94←①で蹴られる

テール補正回路

オーバーシュート回路

1.08(bunch by bunch FB: ON)

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【集中定数型キッカー】

補正キッカーの励磁電流 (kA)

補正キッカーの基本設計
Eddy Current Shield
フェライト仕切り板
セラミックダクト
Ceramic
Duct

150mm

270mm

(length:1400mm)(上下流のSUSダクトと同内径)130mm

Coil(out-vacuum)
コイル(アルミ板)(厚さ：6mm)

フェライト(CMD10)
Ferrite (CMD10)【励磁電流の見積もり】(※)入射キッカーのBL
BL=0.0969[Tm](thickness:50mm)(厚さ：50mm)

コイル接続板
パルス電流導入側m1000mシ略)
省
はドール(アルミ終端抵抗器側

2015年8月6日導電板

入射キッカーからの位相進行

286mm

TiN
Coating
TiN膜(2次電子抑制)(thickness:100nm)(膜厚：〜100nm)

設計の参考: MR 入射キッカー
絶縁距離: 40mm以上 (Vmax=20kV)【インストール場所】

入射キッカーの反射波の割合(四極電磁石)(Nx, Ny) = (22.40, 20.75)

約80m下流horizontal

verticalx

θ=325degx(コリメータセクション)

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ビーム軸方向の距離s [m]P.S. for Injection Kicker

パルス電源の回路構成と電流波形
cable (10m)

PFL (15m)

V1

Diode Tank

Thyratron

Compensation Kicker (Lumped-Type)Transmission Line (150m)

PFL (15m)

V2(Z0=20Ω x 2p)

cable (10m)~15nF②Thyratron~700nH
9.8Ω①50Ω~700nHMatching Circuit

1Ω

③50Ω

9.3Ω
CT

Circuit for Image Current<デザイン上のポイント>① 予備の入射キッカー電源+サイラトロンを利用→ 開発コスト削減 & 開発期間短縮② コイルを1つにつなげる + ダイオード整流→ タイミングを変えて2パルス作る③ イメージ電流を流すための回路を付ける→ ビームインピーダンスの低減

2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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全体図
高圧同軸ケーブル
CT

コンデンサ(1650pFx10p)(98Ωx10p)(140Ωx15p)(200Ωx4p)

抵抗器(200Ωx4p)(10Ωx10p)
コイル

陽子ビーム
アライメント用
ターゲット

ベース板(1440x840)
2015年8月6日

銅パイプ(冷却水用)(アルミシールドは省略)

フェライト(CMD10)

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

セラミックダクト
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マグネットの組み立て

コイル設置

ダクト設置

フェライト設置

導電板設置

天板設置

アルミフレーム設置

組立場所: KEKつくばキャンパス内2015年8月6日

組立協力: 日本アドバンストテクノロジー

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トンネル内の写真
コリメータ

この辺でθ=360degとなるが...

入射キッカー
2015年8月6日

補正キッカーJ-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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【single-wire法によるlongitudinal impedanceの測定】
コイル

セラミックダクト

アルミ製シールド

コイル接続板Tiスリーブインピーダンス [Ω]インピーダンス測定

補正キッカー補正キッカー (伝送ケーブル無し)

nterrucega
imRF

ワイヤー(1mm)略)(フェライトは省

インピーダンス [Ω]入射キッカー (磁極長600mm x 2)

Compensation Kicker (Lumped-Type)補正キッカー50Ω~700nH~15nF

コイル接続板~700nH
9.8Ω

Matching Circuit

1Ω
50Ω

インピーダンス [Ω]Transmission Line (150m)

9.3Ω

補正キッカー50Ω抵抗器 オープン50Ω抵抗器 ショートCT

Circuit for Image Current

2015年8月6日

補正キッカーTiスリーブ〜アルミシールド間 オープン
ダクト両端＋コイル ショート

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frequency [MHz]10 /18電源調整1: 励磁試験
350ns

メインパルス
反射波！

PFL充電電圧：20kV

100

反射波による大きなテール
サイラトロン出力 (PFL#２)

磁場 [gauss]

励磁電流 [kA]

サイラトロン出力 (PFL#1)80

励磁電流 (終端抵抗器直後のCT) 60
磁場波形 (サーチコイルで測定)
シミュレーション波形(V=20kV, L=1.4uH, C=20nFで計算)

40

20
0

電流波形と磁場波形は良く一致→ 電流波形のみで調整可能

2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)-20

11 /18電源調整2: 反射波の原因の特定

実線：測定値
点線：シミュレーション

①Rのみ

②R+C

③R+C+L④R+C+L+diode

ダイオードの順方向電圧降下(抵抗成分)による反射波が存在！
→ 回路③でビーム試験を行う

CKH製：3HV12M24A
time [μsec]
2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)(Fxキッカー電源のものを借用)

12 /18磁極中心でのピーク磁場 [gauss]

磁場測定1: B-I curve
ダクト

傾きあり

8.50x10-2

なし

8.54x10-2

計算値

8.38x10-2
TiN膜

TiフランジTiスリーブダクト内面のTiN膜(100nm)の影響は無し！
(各点：1000ショットの平均とRMS)

ピーク電流 [A]2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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磁場測定2: 中心軸上の磁場分布
search coil (S=412mm2)

2回に分けて測定

region1

passive probe

region2

FRP製の円筒 (Φ20)(PFL充電電圧40kV時)

BL=0.011 [Tm] @1.1kA(フェライト端)(中心)→ 蹴り角：0.85mrad @3GeV陽子(フェライト端)

Bcalc=92.2gauss

磁極内部の拡大

1.5%

2.4%

3.9%

Bcalc
①傾きがある→ サーチコイルの読み出しケーブルの影響？(ツイストしていない)②段差がある→ コイルの設置精度？(測量してない)

2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

14 /18【電流波形とバンチの関係】

ビーム試験1: 蹴り角の評価
蹴り角=0.837±0.04mrad

delay増加

K1 injection (t=0ms)

K2 injection (t=40ms)

time [usec]

600ns

5.38usK3 injection (t=120ms)

50ns

→

←

Maximum betatron amplitude at BPM#6 [mm](ダイオード無し、単独PFL、40kV充電)← 入射後93ターンのphase space plotより算出

BL積からの計算値とほぼ一致↑
delay=0でココが蹴られる
入射キッカー

補正キッカー

Delay for Excitation [usec]BPM#6(horizontal)

2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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【補正するバンチと電流波形】(tail part)

before upgrade

0.10.08(May 2013, C1=7.1nF)

after upgrade←2015年前期(TMC,C1=3.5nF)

after upgrade(TMC + SUC, C1=6.5nF)↑2015年後期(new peak)

0.06(original peak)

0.04

target!

0.02

②

①

0

③

④

emittance [π mm mrad]

normalized excitation current

ビーム試験2: 1パルス分の補正【 補正キッカーの位置でのemittance】(SAD simulation by Beam Commissioning Gr.)

(Nx, Ny) = (22.4, 20.75)
initial emittance: 68π [mm mrad]
0th turn, INSIDE kickreﬂection ratio: 9% of Flat Top(=0.72mrad)

1%←68πまでは戻せない(beam bucket)

1.52

2.533.54【大強度ビーム試験】

K2

K3

4.5time (μs)

Bunch: K1F, K1R
BxB, intraFB: OFF← 4.55x1013ppp

補正成功！

K4補正キッカー OFF

補正キッカー ONelapsed time after K1 injection [sec]2015年8月6日

maximum betatron amplitude at BPM#6 [mm]-0.02

kick angle [mrad]【充電電圧スキャン】

予想通り!
●

●
●

●
●
BL=4.1x10-3 [Tm]に相当

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

充電電圧: 14~18kV (1kV step)
データ数: 各10ショット

kick angle [mrad]

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アップグレード計画: マグネットの分割(入れ替えれば極性反転が可能)

伝送ケーブルを1本にする事で

1) 2つのPFLで4つのマグネットが励磁可能470mm470mm2) コイル接続板と付属回路が不要= 入射キッカーで実績のある回路系になる
R=5Ω (Ipeak = 1.6kA@40kV)(2015年9月予定)
ルートスン
イに

R=short (Ipeak = 2.2kA@40kV)

入射キッカー反射波 (補正回路あり)補正に必要なBL積は

BL5% = 4.1x10-3 [Tm] → BL9% = 7.2 x 10-3 [Tm]

マグネットを分割すると
B9% = 7.2 x 10-3 / 0.47 = 1.53 x 10-2 [T]

反射波の作るBL (short時)= 入射キッカーの2%程度→ ビームフィードバックで抑制

よって励磁電流は
I9% = 1.8kA, I5% = 1.0kA
2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

time [μsec]17 /18

まとめと今後★ 入射補正キッカーの性能評価
磁場：BL=0.011 [Tm] @ 40kV充電

インピーダンス：共鳴ピーク無く、ビームもちゃんと回った
蹴り角：0.83 [mrad] @ 40kV充電

ビーム補正試験：0.32 [mrad] @ 15kV充電でemittance最小
電源：ダイオード整流方式は反射波が大きいため断念★ マグネットの2分割
2つのパルス磁場を独立に生成して補正

励磁電流を増やすため、終端をショートさせる (Imax = 2.2kA)
9月にインストールして性能評価 (磁場、インピーダンス、蹴り角)2015年8月6日

J-PARC MR 入射補正キッカー電磁石の性能評価 (THOM01 KEK杉本)

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