PRESENT STATUS OF THE BEAM COLLIMATIONIN J-PARC 3-50BT LINE
Masashi Shirakata#, A), Yoichi SatoA), Susumu IgarashiA), Koji IshiiA), Masahiko UotaA), Norihiko KamikubotaA),
Tadashi KosekiA), Hitoshi KobayashiA), Kenichiro SatoA), Takuya SugimotoA), Junpei TakanoA), Takeshi ToyamaA),
Shu NakamuraA), Yoshinori HashimotoA), Shuichiro HatakeyamaB), Yoichiro HoriA), Shuei YamadaA),
Noboru YamamotoA), Masahito YoshiiA)A)
KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
JAEA (MELCO SC)
2-4 Shirakatashirane Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1195

Abstract
The beam transport line which connects the Rapid Cycling Synchrotron to the Main Ring is called as the 3-50BT line in
J-PARC. The beam collimation system in this line adjusts the beam aperture from 54 to 216 . The beam line wasredesigned after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake. Though the quadrupole magnets were realigned
on newly determined beam line, the collimators remained. The positional offsets of 2.5 mm and 2 mm for horizontal andvertical planes were expected on beam collimators. Large displacements of beam orbit were observed by the collimator
aperture survey using beam loss monitors. The status of the 3-50BT collimator operation is described in this report.

J-PARC 3-50BT ビームコリメーションの現状
1.

はじめにJ-PARC 主リングでは、入射ビームに対し二つのコリメータシステムを有している。ひとつは速い繰り返しの 3 GeV シンクロトロン（以下、RCS と略す）から送られてくるビームの品質を担保するために、ビーム入射ライン（以下、3-50BT）に設置されており、3-50BT コリメータ [1]と呼ばれる。
もうひとつは、主リングの入射直線部後半に設置された MR 入射コリメータである。
図 1 に、3-50BT コリメータシステムの概要を示
す 。 3-50BT コ リ メ ー タ は 、 horizontal お よ びvertical にそれぞれひとつずつ jaw を持つ Col-01～
Col-12 の全 12 ユニットで構成されているが、奇数ユニットと偶数ユニットで jaw の向きを逆にしており、2 ユニットでひとつの組を構成している。それらは BTC-1～BTC-6 と呼ばれ、BTC-1, 3, 5 および BTC-2, 4, 6 でビームをそれぞれ位相平面内で六角形に整形する。BTC-1, 3, 5 の組と BTC-2, 4, 6 の

図 1：3-50BT コリメータの配置。QDS1～QDB1 は四極電磁石を表す。

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図 2：BTC-4 における Jaw スキャンの結果。ユニット名と jaw 取り付け位置(RLDU)を示す。
組の位相差は、ほぼ 22°である。
主 リ ン グ の ビ ー ム ア ク セ プ タ ン ス は 81 mm
mrad であるが、RCS の出力が 300 kW 相当以上になると、主リングのアパーチャを越えるビームハローが無視できなくなる。3-50BT コリメータはその様な大きなハローを予め除去することで、入射機器でのビームロスを防止すると同時に MR 入射コリメータの負担を軽減する。
2011 年の東北地方太平洋沖地震の際、RCS と主リングの位置関係が変化したため、3-50BT ではビームラインを再設定した[2]。その際、電磁石は新しいラインに沿って再アラインメントを行ったが、コリメータについては先送りとした。コリメータ
前後の四極電磁石の測量結果から、当該部分は一体で動いたと推測してコリメータのビームライン
か ら の オ フ セ ッ ト を 算 出した。想定されるオフセット量は horizontal 方向が 2.5 mm、vertical 方向が 2 mm である。本稿では、2011 年の震災からの復旧以降に行われたコリメータアパーチャの測定結果を紹介し、3-50BT コリメータで設定可能な運転条件の現状を報告する。

2.

コリメータアパーチャサーベイ

2.1

Jaw スキャン

四極電磁石の変位から想定したコリメータのオフセット量が正しいかどうか、ビームを用いてコリメータセットの中心を測定した。バンチ当たりの粒子数を 2.5×1012 個とし、jaw 位置のスキャンを行うことにより、ビームロスの変化からビーム中心を算出した。一例として、図 2 に BTC-4 における結果を示す。
コリメータの jaw は機器の構造上ビームライン中心までは寄せられないので、ここで観測されるのはビーム外周部のエッジ部分のみである。Jaw 取り付け位置はビームから見て右左下上(RLDU)であり、コリメータユニット一台につき R か L およびD か U のどちらかを一方ずつを有している。ビー
ムロスモニターは各四極電磁石の架台下流側に設置されており、QDS1～QDB1 に対して、BLM09～BLM15 が取り付けられている。BTC-4 でビームロスを発生させると、BLM13 がロスのピークとなる。
ピークの頂上は検出できないため、ベースラインを 表 す 直 線 と 二 次 関 数 でデータをフィットし、ビームエッジを求めた。
BTC-1, 4 の測定では問題無かったが、BTC-2, 3の horizontal と vertical、BTC-5, 6 の horizontal で、片側のビームエッジを検出できなかった。未検出となったのは、いづれもビームの右側および下側で、震災によりコリメータがオフセットを持った方向である。この結果は、震災によるコリメータのずれが四極電磁石のそれよりも大きかった可能- 646 -性を示している。
2.2

軌道スキャンJaw スキャンでは、ビームを中心軌道に固定して jaw を移動することによりビームエッジを検出したが、ここでは当該 jaw を最も中心軌道に寄せた状態で固定し、ビーム軌道を変えてコリメータのアパーチャ測定を試みた。
3-50BT にはコリメータ上流に軌道補正用ステア
リング電磁石が 3 台あり（3 台目は HV 兼用タイプである）、各 jaw 位置で 120 相当に膨らんだ軌道を作成できる。ステアリング電磁石はビーム位置モニターを用いてキャリブレーションしており、蹴り角の誤差は 2.9～4.8%である。ヒステリシスは無視できるほど小さく、軌道を逆極性に振った場合の差違を考慮する必要は無い。
軌道スキャンではビームの粒子数を 4×1011 以下に減らして、ビームが全ロスするまで jaw に軌道を寄せる。ビーム強度を下げることでビームのエミッタンスは減少するが、RCS での入射ペイント条件を変えていないので、測定時のビームエミッタンスを最大 10 程度と見積もる。
図 3 に、Jaw を 35 相当の位置で固定した場合のBTC-2 および BTC-6 での結果を示す。Jaw スキャンでは検出できなかった、 R 側のビームアパーチャを捉えている。BTC-6 での結果は R, L ともに35 でビームが切れており、期待通りの結果となっている。BTC-2 では、R 側が予想よりも開いている様に見える。また、R-jaw と L-jaw によるビームの切れ方が異なっているが、この理由については現在も調査中である。

図 3b：BTC-6 での軌道スキャン結果。
表 1：予想オフセットと中心軌道からの変位[mm]
コリメータ
セット

予想オフセット

変位HVHV

BTC-1

2.72-1.77

0.67-2.32

BTC-22.73-1.86-0.27

3.69

BTC-3

2.55-1.96-2.95

2.74

BTC-4

2.38-2.02-2.87

1.23

BTC-5

2.29-2.02

0.29-4.52

BTC-6

2.33-1.96

0.83-2.96

結果は、vertical に関してランダムに変位が大きいというものであった。Horizontal については、BTC-3, 4 以外は問題無い数値である。変位の原因としては、軌道そのものがコリメータ部でまっすぐでないという解釈も成り立つが、四極電磁石は再アラインメントを行ったばかりであり、ここまで大きな軌道変位を生じさせると考えるのは難しい。コリメータのオフセット量が、予想と違っていたと解釈する方が自然である。なお、予想オフセットに対し変位が逆符号であると言うことが、コリメータのオフセットが予想よりも大きかった事を意味する。

図 3a：BTC-2 での軌道スキャン結果。

3.

結果

表１に 2011 年秋の四極電磁石の測量結果から算定したコリメータのオフセット量と、アパーチャサーベイの結果から算出した中心軌道とのずれを示す。中心軌道はオフセットを考慮してあるので、この変位は本来ゼロとなるべきものである事に注意されたい。

4.

まとめ

4.1

コリメータ可動範囲

3-50BT コリメータで制限できる最小アパーチャの公称値は 54 であるが、アパーチャサーベイを行った結果、要件を満たせないユニットがあることが判明した。Horizontal では Col-08R が、vertical
では Col-04D が 65 程度までしか閉められない状態である。Vertical については、Col-08D も 58 がせいぜいとなっている。なお、これら以外の 9 つのユニットについては、仕様通りの運用が可能である。

- 647 -4.2

今後の予定

ニュートリノ実験に供する 200kW ビームを主リングで達成するために、3-50BT コリメータではhorizontal, vertical ともに仕様を若干越える 50 mm
mrad までビームを絞った運転を行っているが、一部所定のアパーチャまで閉じることが出来ないユニットが存在することが判明した。この状況を脱するため、2012 年夏期シャットダウン期間中にコリメータの再アラインメントを実施する。また、
jaw 可動範囲を±12 mm から±15 mm 程度に拡大し、今後の運転に対する対応能力を強化する予定である。

参考文献[1] M. J. Shirakata, et al., Proceedings of EPAC2006,
Edinburgh, Scotland, Jun. 26-30, 2006 (1148-1150)[2] M. J. Shirakata, et al., Proceedings of IPAC2011, San
Sebastian, Spain, Sep. 4-9, 2011 (1662-1664)- 648 -