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)

THE PAINTING INJECTION AT J-PARC 3GeV RCS
Hiroyuki Harada1,A), Yoshiro IrieB), Saha PranabC), Hideaki HotchiC),
Yoshihiro ShobudaC), Tomihiro TakayanagiC), Fumiaki NodaD), Kenta ShigakiA)
A)
Hiroshima University, 1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima, Japan, 739-8526
B)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 305-0801
C)
JAEA/J-PARC, 2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, Japan, 310-1195D)
Energy and Environmental Systems Laboratory, Hitachi, Ltd, 7-2-1 Ohmika, Hitashi, Ibaraki, Japan, 319-1221
Abstract
The J-PARC 3GeV RCS has been commissioned since Oct 2007. During such a short period, it achieved 50kW
beam power (4x1012 ppb) and presses on toward the increasing of the beam power. As the increasing of the beam
power, the particle interaction is expected even more and the effect should be considerable from the view point of thebeam loss. The painting injection is performed to suppress the effect. This paper is introduced the injection scheme atthe RCS, is described the commissioning scheme and the results for the painting injection.

J-PARC 3GeV RCSにおけるペインティング入射の研究
１．はじめにJ-PARC 3GeV RCS[1] では、2007年10月より初期ビーム調整を開始し、50kWのビーム出力を達成している [2] 。今後、所期の目標である181MeVビーム入射での300kW出力に向け、ビーム調整を行っていく。大強度出力時に懸念される空間電荷効果等の粒子間相互作用を緩和するために、時間的に入射および周回軌道を変化させつつビーム入射を行い、 実空間上にビームを広がらせるペインティング入射を用いる。精度の良いペインティング入射を議論するために、リングパラメータの把握・調整、入射点における位相空間座標の同定が必須となる。本研究では、J-PARC 3GeV RCSにおけるリングパラメータの把握および調整、時間的に変化する入射点における位相空間座標の同定を行い、大強度出力に向けて必須である横方向のペインティング入射の調整手法の確立を目指した。本報告では、入射部の概要と横方向ペインティング入射の調整手法を紹介し、ビーム調整での結果を示す。

２．RCSと横方向ペインティング入射
RCSは、3回対称のリングで、24台の偏向電磁石

1(BM)、60台・7ファミリーの四極電磁石(QM)、水平・垂直方向それぞれ26台の軌道補正電磁石(STM)、18台・3ファミリーのchromatic補正用六極電磁石によって構成されている。ビームモニタとしては、周回軌道測定用の54台のBPM、水平・垂直のプロファ
イル測定用に1台ずつのIPM、チューン測定用の1台のBPM、その他に電流モニタとしてFCT,・SCT・DCCT、運動量と軌道のマッチング用のBPMをリング内に設置している[3]。
次に入射部の概要を図1に示す。水平(x)方向には、入射ラインに2台のセプタム電磁石(ISEP1,2)、ダンプラインに2台のセプタム電磁石(DSEP1,2)、入射ビームを周回ビームに混ぜ合わせるための4台のシフトバンプ電磁石(SB1~4)、SBの上下流に2台ずつ配置されたペインティング入射のためのペイントバンプ電磁石(PB1~4)からなる。垂直(y)方向には、軌道補正用の補正電磁石(STMV1,2)とペインティング入射のためのペイントバンプ電磁石(PBV1,2)を入射ラインに配置している[4]。モニタとして、入射ラインに2台のBPM(K-BPM, I-BPM)、入射部全体に6台の破壊型のMulti-Wire Profile Monitor(MWPM2~7)を配置し、ビーム重心やプロファイルの測定を行っている。
LINACから入射されたH-ビームのほとんどは、

図1. J-PARC 3GeV RCSの入射部
E-mail: harada@hepl.hiroshima-u.ac.jp-349-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)

1st foilで電子を剥ぎ取られ、H+としてRCSへと入射される。また残ったビーム(H-, H0)は、2ndと3rdのfoilでH+へと変換され、入射ダンプラインへと送られる。RCSのRFからの要求に応じて切り取られたLINACビーム(中間バンチ)が、多周回入射され(入射時間500μsec→約235パルス)、RCSにビームが積み込まれる。同じピーク電流の入射ビームでも入射時間によって、RCS内のビーム電流や中間バンチ数を調整可能である。また、周回軌道に入射ビームの軸を合わせた入射(中心入射と呼ぶ)で、リングの通常のビーム調整を行う。
ペインティング入射とは、入射時に入射軌道および周回軌道を変化させながらビーム入射を行うことで、大きなエミッタンスのビームを形成する入射であ る 。 水平方向はSBによるバンプ軌道の上に、PB1~4を用いてペイントバンプ軌道を作り、その軌道に入射ビームの軸を合わせる。その後、ペイントバンプ軌道を500μsecの間に時間的に立ち下げることで、位相空間の長軸方向に軸中心から周辺部へビーム入射を行う。垂直方向はPBV1,2を用いて入射ビームの入射点での傾きy’を変化させながら入射する。垂直方向は、軸中心から周辺部へ(correlated)、また周辺部から軸中心へ(uncorrelated)のビーム入射が可能である。

３．ペインティング入射調整

ISTMVの2台で操作する。水平方向における位置を大きく変化させる場合は、SBでバンプ軌道を操作する。各ISEPに対する軌道の応答を測定し、その応答行列を用いて、入射軌道を操作する。入射軌道の測 定 は、MWPM3,4で行う。破壊型であるため、ビーム周回時の測定は避け、入射して1/3周回した時点でビーム取り出しを行う1/3周回モードでの使用に限定した。i番目のISEPの蹴り角Δθi とj番目のMWPMでのビーム重心Δxjは応答行列Aを用いて、

Dx j = å Aijq iと表され、実際の応答行列Aは¶x3
öæ ¶x3
ç¶q1¶q 2 ÷
A=ç÷
¶x4
÷
ç ¶x4
¶q1
¶q 2 øèである。そこで、測定された応答行列の逆行列とMWPM3,4 で 操 作 し た いΔx3,4 からISEP1,2の蹴り角Δθ1,2 を導出することができる。Δx3,4は、1stフォイルとMWPM3,4の距離より、入射点での(Δx, Δx’)に直接変換可能となる。実際のビーム調整において、ある軌道のまわりで応答行列を測定し、その応答行列を用いて入射点での位置と傾きを直接操作できることをMWPM3,4で確認した。精度のよい入射点の調整は、次節で説明する入射点での位相空間座標の同定に必須である。
3.3 ベータトロン振動の応答による位相空間座標の同定

3.1 リングパラメータ把握

リングに最適なビーム入射を行うには、リングのパラメータの把握および調整が必須となる。そこで、 ペインティング入射の過程を議論するためには、光学パラメータの測定および補正を行った。検出さ 入射点における時間ごとの位相空間座標を同定するれたビームの横方向振動の周波数分解からベータト 必要がある。そこで、本研究では独立した2つの手ロン振動数(チューン)、STMの蹴り角に対する周回 法を用いた。1つ目は、入射点での位置と傾きを独軌道(COD)の応答からベータ関数、中心運動量の変 立に変化させ、その時のリング内のベータトロン振[5]化に対するCODの応答から分散関数(dispersion)をリ 動の応答からその座標を見積もる 。これはモデル
ング１周に対してそれぞれ算出した。独立に測定さ 計算に依存しないが、位置と傾きを独立に精度よくれた3つのパラメータを再構築するQMのパラメータ 制御できなければ、成立しない。2つ目は、リングをモデル計算で算出し、その値とQMの初期設定値 内のドリフトに設置された2台のBPMでの周回ごととの差を補正量(fudge factor)としてQMに再設定して の位置とモデル計算に基づいたTransfer Matrixから補正した。補正後、再度パラメータ測定を行い、一 入射点での座標を見積もる。これはモニタの精度に加えて、モデルの精度に大きく依存する。ここでは、回の補正で十分に補正できたことを確認した。
各QMの設定値や光学パラメータをモデル計算と 前者の手法についてのみ述べる。
リング内のあるBPMでのnターン目のビーム重心合わせたことで、その加速器モデルを用いたPBの波形の作成が可能となった。まず、入射点での入射 値は、1ターン目の位置x0と傾きx0’、BPMでのαとラインとリングのTwissパラメータからあるエミッ β、ベータトロンチューンνを用いて、タンス領域にマッチする周辺部におけるビームの重x (n ) = x0 {cos(2pnn ) + a sin (2pnn )}心値を導出する。水平方向に関しては、そのビーム+ x0' {b sin (2pnn )}重心値を満たすペイントバンプ軌道を計算し、各PB4台の各々の設定値を計算した。垂直方向も同様 と表せる。この検出されたビーム振動をフーリエ変にPBVの2台で設定値を計算した。波形は、台形波 換すると、チューンのピークにおける実数部Reと虚数部Imは、ある応答行列を用いて、と減衰波の２パターンを作成する。

é x0 ù
éRe[ X (n )]ù
êIm[X (n )]ú = R(n )ê x ' úëûë 0û

3.2 入射軌道調整
入射点(1stフォイル)における入射ビームの位置と傾 き を 、 水 平 方 向 は ISEP の 2 台 で 、 垂 直 方 向 はと表せる。入射点での位置と傾きを変化させながら、-350-

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3.4 ペインティング入射過程での入射点作成したPB減衰波形を用いて、ペインティング入射過程500μsecにおいて100μsecごとに単中間バンチ入射を行い、時間変動する入射点での位相空間座標を測定した。水平・垂直の結果を図2に示す。図のように時間ごとに位相空間座標が推移していることがわかる。水平方向は想定される100πエミッタンスの楕円の長軸上に、垂直方向は傾きが生じる方向に推移し、十分入射過程が機能していることがわかった。しかしながら、水平方向のバンプ軌道が立ち下がる終盤では、低い電流のためバランスが崩れ、長軸からずれてしまう。低電流における電流制御が今後の課題である。
また500μsec(約235中間バンチ)入射を行い、ビームプロファイルを測定した。その際、ペインティング入射によるビームの広がりを検出するために、中間バンチごとの粒子数を制限し空間電荷効果の影響を無視できるビーム電流にした。そのプロファイルを図3に示す。水平・垂直ともに、入射時間で徐々にビームサイズが大きくなる様子を確認した。

図2. ペインティング過程 500μsec における100μsecごとの入射点での位相空間座標

図3. ペインティング過程500μsecにおける水４．まとめ平(左)・垂直方向(右)のビームプロファイル
J-PARC 3GeV RCSにおける大強度出力に向けて必BPMで検出したベータトロン振動をフーリエ変換し、 須となる横方向のペインティング入射の研究を行っチューンピークでのReとImを取得することで応答 た。2008年5月と6月に行われたビーム調整試験にお行列Rを算出することができる。算出後、チューン いて、RCSにおけるリングパラメータの把握と調整、ピークでのReとImと応答行列の逆行列から、入射 精度の良い入射軌道の調整、および時間的に変化す点での位置と傾きを導出することが可能となる。
る入射点における位相空間座標の同定を行い、大強本研究では、水平・垂直に関して入射点での位置 度出力に向けて必須である横方向のペインティングと傾きを各々独立に変化させながら、チューン測定 入射の調整手法を確立した。
用BPMでの応答行列を測定した。水平・垂直のそれぞれに対して、初期設定値での入射エラーを導出し、謝辞
入射軌道と周回軌道がマッチするように補正した。
昼夜を通して、共にビーム調整のために心力を費
リング内に設置されているIPM[6]でのマウンテンプロットより、一度の補正で入射エラーによるビーム やしたRCSグループの皆様に感謝いたします。
重心がベータトロン振動していないことを確認し、位相空間座標の同定が十分機能していることがわ 参考文献
かった。
3.4 ペイントバンプ軌道調整
周回軌道上にPB4台を用いてペイントバンプ軌道を立ち上げる。4台のバランスが崩れると、周回軌
道にCODを生じる。PBの台形波を用いてビーム調整を行い、PBのオン/オフのCODを検出した。その結果、新たに±5mm程度CODを生じた。そこで、そのCODを加速器モデルに与え、各PBの補正量を導出し、バランス調整を行った。その結果、±1mm程度のCODに押さえ込めた。次に、そのバンプ軌道に入射軌道を合わせ、入射軌道をMWPM3,4で測定した。100πエミッタンスビーム作成のための入射点に お け る バ ン プ 軌 道 の 設 定 値 が (Δx, Δx’) =(31.1mm, -4.4mrad)に対して、測定値が(Δx, Δx’) =(31.1mm, -4.6mrad)であり、精度よいバンプ軌道を立ち上げた。これらの台形波を元に減衰波を作成した。

[1] Y. Yamazaki, eds, Accelerator Technical Design Repor for
High-Intensity Proton Accelerator Facility Project, J-PARC,
KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech 2003-044.
[2] H. Hotchi and M. Kinsho, The Status of the J-PARC 3GeV
Synchrotron, Proceedings of the 5th Accelerator Meetingin Japan, Higashi-Hiroshima, Aug. 6-8, 2008.
[3] N. Hayashi et al., The Status of the J-PARC RCS BeamMonitor System, Proceedings of the 5th Accelerator
Meeting in Japan, Higashi-Hiroshima, Aug. 6-8, 2008.
[4] T. Takanayagi et al., Measurement of the injection bumpmagnets at J-PARC 3GeV RCS, Proceedings of the 4thAccelerator Meeting in Japan, Wako, Aug. 1-3, 2007
[5] N.S. Sereno, Feedback correction of injection errors using
digital signal-processing techniques, Physical Review
Special Topics – Accelerator and Beams, 10, 012803,
2007.
[6] K. Satou, et al., Beam Profile Monitor of the J-PARC 3GeV
Rapid Cychling Synchrotron, Proceeding of the EPAC08,Cenova, Jun. 23-28, 2008, TUPC036, 1275.

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