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)

BEAM COMMISSIONING OF J-PARC MR
Tadashi Koseki1, MR Accelerator Group
J-PARC Center, KEK and JAEA
Tokai, Naka, Ibaraki 319-1195
Abstract
Beam commissioning of J-PARC Main Ring (MR) has been started in May, 2008. The 3-GeV proton beams
extracted from the rapid cycling synchrotron (RCS) are injected into the MR and captured by rf, and then extracted to a3-GeV beam dump. Results of the first-stage commissioning run from May to June 2008 are presented in this paper.
After five months shutdown for installation of fast- and slow-extraction devices, the second-stage commissioning run
will be started in December 2008.

J-PARC MRの ビ ー ム コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ

ライナックは2006年11月より、RCSは2007年10月より、それぞれビームコミッショニングを開始し、現在、順調に稼動している[2,3]。MRは2007年12月
からトンネル内での四極電磁石の通電試験を開始し、順次、各機器の現場での調整を行った後、2008年5月からビームコミッショニングを開始している。
MRの主なパラメータを表１に示す。MRは約1.6kmの周長を持つ３回対称のリングである。ディスパージョンフリーの長直線部を３カ所持ち、それぞれ「入射・コリメータ」、「遅い取り出し」「rf・速い取り出し」に用いられる。

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大強度陽子加速器施設J-PARCの加速器群[1]は、ライナック、速い繰り返しの3 GeVシンクロトロン（RCS）、遅い繰り返しの主リング（MR）、及び関連するビーム輸送系から構成される。RCSからのビ ー ム は、 物質 生 命科 学 実験 施 設（ Materials andLife Science Experimental Facility, MLF）に送られて中性子及びμ粒子の生成に用いられる。MRからのビームは、遅い取り出し法でハドロン実験施設（Hadron Experimental Facility, HD）へ、速い取り出し法でニュートリノ実験施設（Neutrino ExperimentalFacility, NU）へ送られる。
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J-PARCの建設計画は二期に分けて進められており、第 一期 計画で の MRの ビー ムエ ネルギ ーは 定格 30
MRのビームコミッショニングは、以下の３つのGeV (最大40 GeV)となる。ライナックのエネルギー段階に区切って計画されている[4]。第１ステージはは 、 当 初 は 181 MeV だ が 、 第 一 期 の う ち に ACS
2008年5-6月に実施され、RCSからMRへのビーム（Annular Coupled Structure）を新たに加えることに輸送系（3-50BT）の調整、入射調整、3 GeVでの閉より400 MeVまで増強される予定である。
軌道の確立、rf 捕獲、入射直線部に置かれた入射ビームダンプラインへのビーム取り出しが行われた。
表１： MRの主なパラメータ
第２ステージは2008年12月-2009年2月に予定されており、30 GeVへの加速、速い取り出し直線部に置
Circumference [m]1567.5
かれたアボートビームラインおよびHDビームラインへのビーム取り出しが行われる。さらに、第３ス
Superperiodicity
3テージが2009年4-6月に予定されており、NUビーム
Repetition rate [Hz]~ 0.3
ラインへのビーム取りだしが行われる。
Injection Energy [GeV]
3.0
Ext. Energy [GeV]
30 (Phase I)
以 下 で は 、今 年 の 5月 と 6月 に 行 わ れた 第 １ ス
50 (Phase II)
テージの結果について述べる。同じ時期にMLFもHarmonic number
9
ビームコミッショニングを開始し、６月はMLFと時Transition 
j31.7 (typical)
間をシェアしながらの運転であった。第１ステージ
Number of dipoles
96
でのMRの運転時間の合計は、おおよそ12時間×12
quadrupoles
216 (11 families)日間である。
sextupoles
72 (3 families)
その後、7月から11月までの5ヶ月間は運転停止
steerings
93 (H), 93 (V)期間であり、この間に、速い取り出し機器、遅い取
Rf frequency [MHz]1.67 – 1.72
り出し機器の据え付け調整、ニュートリノビームラ
Number of cavities
4 on day-one
インの超伝導磁石の据付調整等を行う。11月には
1E-mail: tadashi.koseki@kek.jp-16-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)の蓄積時間は1 secである。図は六極電磁石をONしてクロマティシティ補正を行ったときの結果であるが、このチューンでは六極のON/OFFで大きな差はなかった。一方、和共鳴（x+y=43）近傍での大きなビームロスや、３次共鳴（x+2y=64, 3y=67 ）近傍での比較的顕著なロスも確認している。なお、後にも述べるが、現状ではチューンに±0.03 程度のバラツキがある。

HDビームラインを加速器のPPS（Personal ProtectionSystem）に組み込み12月からの第２ステージ開始に備える。

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ビームコミッショニングはビームロスによる機器の放射化を避けるために、ビームモニタ系[5]で測定可能なできる限り低いビーム強度で行った。ライ
ナックとRCSの運転条件は以下の通り。ライナック
はピーク電流 5 mA、マクロパルス幅 0.1 msec、RCSのrf周波数と同期したパルス構造を持つ中間パルス幅は280 nsecとした。これはRCSのバンチ当たりのビーム強度にすると4×1011ppbとなり、定格ビーム強度のおよそ1 %に相当する。繰り返しはシングルショット、またはMRの遅い取り出し運転における標準的なサイクルである3.64秒周期で運転した。
一方、RCSは取り出しエネルギー3 GeVの単バンチモードで運転した。RCSからの取り出しビームの運動量拡がりと横方向エミッタンスは、各々、dp/p=±0.2 %、=15πmm.mrad 程度と見積もられている。
MRへのビーム入射では大強度でビームサイズが大きくなったときに周回ビームが入射セプタム電磁
図１：垂直方向のビームプロファイル。(a)入射から石の隔壁に当たらないように、入射部に３台のバン16-23 ターン、 (b) 72-79 ターン。
プ電磁石を設置して周回ビーム軌道をリングの内側に寄せるローカルバンプを立てることにしているが、定格の1 % のビーム強度ではビームサイズも小さいので、第１ステージはバンプ電磁石を励磁しないで入射を行った[6]。
第１ステージで予定していたビーム入射、周回、rf 捕獲、ビームダンプへの取り出しは、5月の運転の最初の４日間で一通り達成し、その後の運転は、モニタ系の調整、COD補正[7]、rf 系のより詳細な調整[8]、チューンサーベイ、軌道パラメータ測定などにあてた。
入射軌道の調整は、ビーム位置モニタ（BPM）を
図２： DCCTで測定されたビーム強度の時間変化。
turn-by-turn モードで用い、入射直後の数ターンのチューンは（22.20, 20.68）。
軌道を見ながら行った。入射セプタムおよびキッカーの磁場調整とともに、入射ビームの運動量と偏ビームパラメータの測定例として、ディスパー
向電磁石磁場のマッチング調整を行った。図１に、残留ガスビームプロファイルモニタ（IPM）で測定
ジョン（水平方向）およびβ関数の測定結果を、そされた、入射エラー調整後の周回ビームの垂直方向
れぞれ図３、４に示す。ディスパージョンは、rf 周プロファイルを示す。図の(a)は入射後16-23ターン、波数を変えてdp/pを 0, ±0.3, ±0.5 %と変化させ、そ(b)は72-79ターンの測定結果である。ビームの中心のときの軌道の変位量から求めている。図にはリン位置とビームサイズの変化はともに少なく、入射エグ1/3周分のデータを示しているが、全体に測定結ラーは小さい。ビームコア部の全幅を40mm程度と果は設計値と良く合っている。320 m 付近の測定してエミッタンスを見積もると約14  mm.mradとなる[9]。一方、水平方向のビームプロファイルはフラデータが設計から大きく外れているのはBPMの不具イングワイヤプロファイルモニタを用いて測定した。 合による。図４のβはＱ電磁石のファミリーごとにワイヤ位置の校正などの時間が取れなかったため、励磁量を振ったときのチューンの変化量から求めた
今の段階ではまだ暫定的な値だが、水平方向エミッファミリーでの平均値である。測定結果と設計値とタンスとしては20-28  mm.mrad（Gaussianの2）とは測定誤差の範囲内で一致している。QFPだけが設見積もられている[10]。
非常にラフではあるがチューンサーベイを行って、 計値から大きくはずれているが、その原因はまだわ
チューンとビームロスの関係を調べた。図２にかっていない。
チューン（22.20, 20.68）のときにDCCTで測定されたビーム強度（粒子数）の時間変化を示す。ビーム-17-

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高く120 µSv/h であった。コリメータ部以外で高かったのは入射セプタムの下流に置かれたバンプ電磁石のダクト上流側で、25 µSv/hであった。

図３：リング1/3周分の水平方向ディスパージョン。
実線が設計値、青丸が測定値。

図５：直線部のBPMで測定された水平方向ビーム軌道の時間変化（1 sec 蓄積時）。

図４：Ｑ電磁石ファミリー毎のβ関数の測定結果。
図６：垂直方向チューンの時間変化。

一方、第１ステージの運転から、いくつかの問題点も明らかになっている。
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図５に入射直線部のBPMで測定された1 sec 蓄積
J-PARC MRは予定通り2008年5月-6月でビーム運転での水平方向ビーム位置の時間変化を示す。最コミッショニングの第１ステージを実施し、入射、大 2 mm (peak-to-peak) 程度の細かい軌道変動が認
3 GeVでの閉軌道の確立、rf 捕獲、入射ビームダンめられる。これは主電磁石電源の電流リプルに起因プへのビーム取り出しに成功するとともに、COD補していることが明らかになっている [11]。また、同正、チューンサーベイ、各種のビームパラメータ測
じく図５から、蓄積時間の終盤 0.83 sec から、大き定等を行った。現在は５ヶ月の停止期間中で、取りく軌道がシフトしていることがわかる。これはビー出し機器の据え付け調整や、第１ステージで明らかムを入射ダンプラインに蹴り出すために励磁されるになった電源リプル等の問題点を克服するための検ダンプセプタムの漏れ磁場の影響によるものである。
討や作業を進めている。HDビームラインへのビーさらに、ダンプセプタムほど顕著ではないが、入射ム取り出しを含む第２ステージは、今年12月より開セプタムの漏れ磁場による周回ビームの軌道変動も始する予定である。
確認されている[7]。
エキサイタをONにして120 msecの間、垂直方向
 
チューンの時間変化を測定した結果を図６に示す。
チューンが±0.03 程度で変動していることがわかる。 [1] “Accelerator Technical Design Report for J-PARC”, KEKReport 2002-13 and JAERI-Tech 2003-044.
これは四極電磁石電源の電流リプルに起因するもの[2] T. Morishita et al., TO01, in these proceedings.
で、水平方向チューンにも同様の変動が見られる。
[3] H. Hotchi et al., WO02, in these proceedings.
[4] T. Koseki et al., HB 2006, p. 329.
現在、MRは５ヶ月間の運転停止期間であるが、[5] T. Toyama et al., WP017, in these proceedings.
この間、セプタムの漏れ磁場については周回側の[6] G. Wei et al., WP026, in these proceedings.
ビームダクトへのシールドの強化を実施する予定で[7] J. Takano et al., WP025, in these proceedings.
ある。また、主電磁石電源のリプルについては原因[8] F. Tamura et al., WP031, in these proceedings.の調査と対策の検討が精力的に進められている[12]。 [9] K. Satou et al., WP020, in these proceedings.
なお、６月の運転停止からおよそ1.5日後、リング[10] S. Igarashi et al., WP018, in these proceedings.
[11] S. Igarashi, “MR BPMに よ る ビ ー ム 軌 道 リ プ ル のの残留放射能分布を測定した。レベルが高かったの
観 測”, J-PARC Acc. Memo, No. 6, July 30, 2008.
はコリメータ部で、第１コリメータの上流側が最も[12]-18-

S. Nakamura et al., WP082, in these proceedings.