J-PARC RCSにおけるビームコミッショニングの近況報告－ 1-MW設計出力の実現へ向けて －日本加速器学会年会
2015年8月6日@福井県敦賀市

發知 英明&RCSビームコミッショニンググループ（日本原子力研究開発機構・J-PARCセンター）
内容：
I. 設計パラメータ
II. ビーム出力の履歴
III. ペイント入射によるビーム損失低減
IV. 1-MW大強度加速試験
V. 更なるビーム損失低減に向けた取り組み
VI. まとめ

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Ｉ．設計パラメータ
Circumference

348.333 m

Superperiodicity

3

Harmonic number2

Number of bunches

2

Injection

Multi-turn,Charge-exchange

Injection energy

181 MeV ⇒ 400 MeV in 2013

Injection period

0.5 ms (307 turns)

Injection peakcurrent

30 mA ⇒ 50 mA in 2014

Extraction energy

3 GeV

Repetition rate

25 Hz

Particles per pulse5 x 1013 ⇒ 8.3 x 1013

Output beam power

600 kW ⇒ 1 MW

Transition gamma

9.14 GeV

Number of dipoles

243GeVproton

400 MeV H-

MLF : Material and Life Science
Experimental Facility
MR : 50-GeV Main Ring Synchrotron

quadrupoles

60 (7 families) RCSは、物質生命科学実験施設へのビーム供給とメインリングシンクロトロンへの入射器という２つの役割を持つ

sextupoles

18 (3 families)

 世界最高レベルの1MWという大出力でのビーム供給を目指す

steerings

52

RF cavities

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Output power to MLF (kW)ＩＩ．ビーム出力の履歴
入射ビーム電流増強
30 mA⇒50 mA（2013年夏）
入射エネルギー増強
181 MeV⇒400 MeV（2014年夏）~550-kWbeam tests

2008年12月～利用運転開始

1-MW-eqbeam tests

 現在の利用運転における出力は500 kW
 利用運転と並行して、設計出力1MWの実現へ向けた大強度試験も定期的に実施
・入射エネルギーの増強前後に~550 kW相当の大強度加速試験を実施
500 kWfor users ・入射ビーム電流増強後の昨年10月より1MW加速試験を開始
RCSのような大強度加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が、出力強度を制限する最大の要因となるため、ビーム損失の低減がビームの大強度化を実現するうえで最重要の研究課題となる

4 kW

本トークの主議題：
ビーム損失の低減に向けた取り組み ビーム調整の進展、また、入射エネルギーや入射ビーム電流の増強などのハードウェア系のアップグレードに従って、着実にビーム出力を増強させている

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ＩＩＩ．ペイント入射によるビーム損失低減
ビーム損失の原因：- 空間電荷効果- 共鳴現象- 入射中のフォイル散乱・・・・等々
空間電荷効果を軽減するために、入射ビームを横方向及び縦方向の位相空間上にできる限り広く一様に分布させてビームの空間電荷密度を低減させるペイント入射法を採用：- 横方向ペイント入射- 縦方向ペイント入射

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横方向ペイント入射
入射ビームと周回ビームの位置や傾きの相対関係を時間的に変化させることでベータトロン振動の振幅を徐々に大きくし電荷密度の低減を図る
 水平方向のペイント入射：
周回ビームの位置と傾きを時間的に変化
 垂直方向のペイント入射：
入射ビームの傾きを時間的に変化

Painting area：tp= 100  mm mrad
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縦方向ペイント入射
F. Tamura et al, PRST-AB 12, 041001 (2009).
M. Yamamoto et al, NIM., Sect. A 621, 15 (2010).
オフセットなし

オフセットあり 運動量オフセット入射
ビーム入射中、RFバケツに対して、運動量オフセットを付けることで大きなシンクロトロン振動を励起させて縦方向のビーム分布の平坦化を図る

p/p=0, 0.1 and 0.2%
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 2倍高調波電圧の重畳
RF基本波の80%の振幅を持つ2倍高調波電圧を重畳してRFポテンテャルの形状を平坦化

縦方向ペイント入射RF voltage (kV)RF voltage pattern
V1 2倍高調波電圧の位相スイープ

Fundamental rf

V2
Second harmonic rf

Time (ms)2倍高調波電圧の位相をスイープさせて、RFポテンテャルの形状を入射中に変化

2=100⇒0 deg
RF potential well (Arb.)

Vrf=V1sin-V2sin{2(-s)+2}

V2/V1=80%

V2/V1=0
V2/V1=80%(A) 2=100 deg(B) 2=50 deg(C) 2=0 (Degrees)

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Charge density (arb.)

Charge density (arb.)

ペイント入射による空間電荷密度の低減
ペイントなし横方向分布
ペイントありTransverse position x (mm)ペイントありペイントなし 縦方向分布

 ペイント入射の導入により、空間電荷密度（ピーク値）が低減される
from H. Hotchi et. al., PRST-AB 15, 040402 (2011).
Longitudinal position s (mm)8/22

ペイント入射によるビーム損失低減：実験結果● Einj=181 MeV, 539 kW-eq. intensity (Run#44, Nov., 2012)● Einj=400 MeV, 553 kW-eq. intensity (Run#54, Apr., 2014)

Beam survival rate

By adding 100 transverse painting
By longitudinalpainting

Further space-charge mitigationby the injection energy upgrade
No painting

23400MeV/23181MeV=2.9Painting parameter IDIDtp( mm mrad)

V2/V1(%)

2(deg)p/p(%)

1----

2100

---

3-80-100-0.0

4-80-100-0.1

5-80-100-0.2

6100

80-100-0.07100

80-100-0.1

8100

80-100-0.2

 入射エネルギー増強前後に実施した一連のビーム試験結果は、ペイント入射や入射エネルギーの増強が期待通り強力に機能したことを明確に示している
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入射終了直後のインコヒーレントチューンシフト
Einj=181 MeV
ID8- 100 transverse painting- Full longitudinal painting
ペイント入射あり

x

xID1- No transverse painting- No longitudinal painting
ペイント入射なし

y・大きなチューンシフトが発生
・強い低次の構造共鳴の影響でビーム粒子のベータトロン振幅が増大
・30%という大きなビーム損失の主原因

y・チューンシフトが低減
・共鳴の影響が緩和
・大幅なビーム損失低減につながった

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ペイント入射によるビーム損失低減：実験結果

Beam survival rate

● Einj=400 MeV, 553 kW-eq. intensity

拡大図(Run#54, Apr., 2014)
By adding 100 transverse painting

By longitudinalpainting

No painting

Painting parameter ID
 入射エネルギー増強前後に実施した一連のビーム試験結果は、ペイント入射や入射エネルギーの増強が期待通り強力に機能したことを明確に示している
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ペイント入射によるビーム損失低減：成果の位置づけ
 入射エネルギー増強前に実施した540 kW試験でのビーム損失を1%領域にまで低減できた
ラスレットの式（空間電荷効果の強さの指標）:  

rp n t空間電荷効果は、ローレンツ因子の小さい低エネルギー領域ほど顕著となる

2  B f23

実験条件

1MW設計出力運転 1.6MW出力運転

入射エネルギー 181 MeV

400 MeV

400 MeV

粒子数/パルス 4.5x1013

8.3x1013

13.3x1013

ビーム出力

540 kW

1 MW

1.6 MW

ラスレット量1.6

1.01.6

運動学的に等価
ビーム強度は定格の半分程度であるが、入射エネルギーが低いため設計値の1.6倍という強い空間電荷効果が発生・・・成果の位置づけ：＊入射エネルギー増強後の1MW設計出力の実現に目途をつけた＊設計出力を上回る1.6 MW以上という更なる大強度化への道を開いた

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Circulating beam intensity over the 20 msfrom injection to extraction measured by CT

ＩＶ．1 MW大強度加速試験

 2014年10月～
ビーム強度を更に積み上げた大強度ビーム試験を展開
 2015年1月10日
1MW相当のビーム加速達成

Particles /pulse (x 1013)

 2014年 夏・リニアックのフロントエンド部（IS&RFQ）の増強
・入射ビームのピーク電流値が設計値へ：30 mA ⇒ 50 mA

8.41 x 1013 ppp : 1010 kW-eq.

7.86 x 1013 ppp : 944 kW-eq.
6.87 x 1013 ppp : 825 kW-eq.
5.80 x 1013 ppp : 696 kW-eq.
4.73 x 1013 ppp : 568 kW-eq.

Injection

Extraction

Time (ms) 入射から出射までの粒子数はほぼフラット
重大なビーム損失を生じさせることなく1MW加速を達成できた
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縦方向のビーム損失
BLM signal (arb.)

ビームロスモニタ信号@アーク部（分散の高い場所）
Injection

Extraction
Longitudinal beam loss coming from particles
leaked from the RF bucket

8.41 x 1013 ppp : 1010 kW-eq.
7.86 x 1013 ppp : 944 kW-eq.
6.87 x 1013 ppp : 825 kW-eq.
5.80 x 1013 ppp : 696 kW-eq.
4.73 x 1013 ppp : 568 kW-eq.

Time (ms) 900 kW（青&赤）を超えたあたりからビーム損失（<<0.1%）が発生
 RFバケツからこぼれたビーム粒子に由来する縦方向のビーム損失で、ビームの大強度化に伴って顕在化するビームローディング効果によって生じるRFバケツの歪みが主原因
 ビームローディング補償については、FF法を開発して上手く機能させることができているが、この試験当時、RF電源がほぼ上限値に達してしまい、900 kWを超える大強度ビームに関しては十分なRF調整ができなかったということがこのロスの根本原因
 RF電源の増強作業が現在進行中
作業終了後に予定している10月のビーム試験で、RF電圧の再調整を十分に行えば、このロスは抑え込めると期待

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横方向のビーム損失
BLM signal (arb.)

ビームロスモニタ信号@コリメータ部（分散のない直線部）
Injection

ExtractionFoil scattering beam loss
during the charge-exchange injection

8.41 x 1013 ppp : 1010 kW-eq.
7.86 x 1013 ppp : 944 kW-eq.
6.87 x 1013 ppp : 825 kW-eq.
5.80 x 1013 ppp : 696 kW-eq.
4.73 x 1013 ppp : 568 kW-eq.

Time (ms) その他の横方向のビーム損失については、その殆どを、分散のない直線部に設置されたコリメータセクションで上手く回収できている コリメータ領域のビーム損失は、入射中の最初の1ms領域のみ
 このビーム損失は、ビーム入射に使用している荷電変換フォイル上での散乱現象により生じたもの
 空間電荷などに起因したビーム損失については、ペイント入射の導入により、ほぼ最小化できた 1MWビーム加速の際のビーム損失：0.17% << コリメータ許容値：3%
極めて小さなビーム損失で1MWという大強度ビーム加速を達成したことになる RF電源増強後の本年10月に再度1MWビームの調整・試験を行う予定であるが、この1月のビーム試験で設計性能実現への目途をきっちり付けることができた

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Ｖ．更なるビーム損失低減へ向けた取り組み
H. Hotchi et al, NIM, Sect. A 778, 102 (2015).
 現状、残ったビーム損失の大部分は、入射中のフォイル散乱起源のもの
その他のビーム損失についてはほぼ最小化できる見込みはついた フォイル散乱起源のロスの殆どは、シールドされたコリメータ領域でうまく回収されているが、大角度で散乱された一部の粒子がフォイル直下でロスし機器の放射化の原因になっている
現状のまま、1MWの連続運転を行った場合に予想されるフォイル近傍の残留線量 : ~38 mSv/h@チャンバー表面
 メンテ作業中の被爆を最小化させるという観点から、更なるビーム損失の低減が必要
Present : tp=100  mm mrad

tp=150  mm mrad
横方向ペイント範囲の更なる拡幅
入射中のフォイルヒット回数の低減残留線量の低減

減少
平均フォイルヒット回数: ~42~27

課題：
現状のままでは、ペイント範囲を拡幅すると、別のビーム損失が付加的に発生・・・ペイント範囲の拡幅を実現するには、この課題の解決が必要

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入射バンプ電磁石のエッジ収束
RCS入射部の概略図
入射ライン

入射バンプ電磁石のエッジ収束

ベータ関数が変調
周回部
 RCSでは、入射中、水平方向にバンプ軌道を形成し、それを時間変化させることでペイント入射を行っている この際、このバンプ軌道を形成するために用いている入射バンプ電磁石の出入り口にエッジ収束力が発生

加速器対称性が歪む

ランダム共鳴が励起付加的なビーム損失発生

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エッジ収束の効果：非構造共鳴
チューンダイアグラム（4次まで）

y (m)

動作点

Vertical tune yx (m)x+2y=19x+2y和共鳴の効果（インコヒーレント振動の様子）

構造共鳴Time (ms)y’(rad)Horizontal tune xx’(rad)Time (ms)2Ix-Iy=const.

エッジ収束によってy (m)x (m)加速器の対称性が崩された場合に付加的に励起される非構造共鳴  ビーム粒子がこの共鳴に近づくと、x方向・y方向共に
 現状の運転条件では、3次共鳴x+2y=19が特に強くビームに作用しているエミッタンス増大が引き起こされる x方向のエミッタンス増大に対し、2倍の比率でより大きなエミッタンス増大がy方向に発生
 y方向の大きなエミッタンス増大が、ペイント範囲を拡幅した際に発生する付加的なビーム損失の主原因

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ベータ関数変調の補正：補正四極電磁石（6台）の追加設置
QDT

ベータ関数変調の補正
加速器対称性の回復
ランダム共鳴の低減

ベータ関数補正の試験結果
補正前

付加的なビーム損失の抑制

補正後

Beta functions (m)1st super-period

Horizontal (入射バンプ off)
Horizontal (入射バンプ on)
Vertical (入射バンプ off)
Vertical (入射バンプ on)

2nd super-period

 新規導入した6台の補正四極電磁石を用い、ベータ関数変調を上手く補正できた

3rd super-period

s (m)

s (m)

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補正四極電磁石によるビーム損失低減：本年6月のビーム試験結果
ビームロスモニタ信号@コリメータ部（分散のない直線部）

BLM signals @ collimator (arb.)

入射バンプ
on

入射バンプ
off
ペイント範囲: 100 mm mrad

ビーム損失発生

ビーム損失低減

Run#63 (June, 2015)
入射エネルギー：400 MeV
ビーム強度：850 kW-eq.

ペイント範囲: 150 mm mrad

ペイント範囲: 150 mm mrad

 補正四極電磁石の導入により、ペイント範囲を拡幅した際の付加的なビーム損失をほぼ最小化できた＋ 補正四極導入

Time (ms)20/22フォイル散乱回数の低減

Number of foil-hits

一粒子あたりの平均フォイルヒット回数
フォイル：x=13 mm, W=30 mm
ペイント範囲：100 mm mrad

42フォイル：x=13 mm, W=30 mm
ペイント範囲：150 mm mrad

26

12Parameter ID

フォイル：x=9 mm, W=20 mm
ペイント範囲：150 mm mrad
荷電変換フォイル (330-g/cm2-thick HBC)
x=13mm
 4mm引き抜き
Injection beam
 幅を30mmから
x=9mm 20mmへ
W=20 mm

W=30 mm

ペイント範囲の拡幅＋フォイルのサイズ・位置調整により・・・・・
 フォイルヒット回数は以前の~1/4に低減

 1-MW運転時のフォイル位置での残留線量を、38 mSv/h ⇒ <10 mSv/hにまで大幅低減できる見通しを付けることができた ;21/22

ＶＩ．まとめ 本年1月に1MW相当の大強度ビーム加速を達成した
 RF電源の不足により、縦方向のビーム損失が僅かながら残っているが、ビーム損失の主成分である空間電荷効果に起因する部分については、ペイント入射の導入によりほぼ最小化できた 縦方向のビーム損失以外で、現状残っているビーム損失は、入射中のフォイル散乱に起因したものであるが、そのロスに関しても、新規導入した補正四極電磁石を用いてペイント範囲の拡幅を実現させた結果、大幅低減させることに成功した
 これまでの一連のビーム調整・試験により、許容範囲内のビーム損失で、1MWの連続運転を実現できる見通しは概ね付いた
 RF電源増強後の本年10月に、再度、1MWのfine tuningを実施する予定

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