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)

UPGRADE SCENARIO OF J-PARC RING,A)

B)

A)

A)

A)

A)

Chihiro Ohmori1 , Shozo Anami , Eizi Ezura , Keigo Hara , Katsushi Hasegawa , Masahiro Nomura ,A)
A)
A)
A)
A)
A)
Taihei Shimada , Alexander Schnase , Hiromitsu Suzuki , Akira Takagi , Fumihiko Tamura , Makoto Toda ,A)A)
Masanobu Yamamoto , Masahito Yoshii
A)
KEK-JAEA J-PARC Center
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1195
B)
Nihon Advanced Technology
319-45 Hirahara, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1112
Abstract
The Magnetic Alloy (MA) cavity was adopted for J-PARC synchrotrons for reducing the size of rings and for future
upgrade. So far, 10 and 4 RF systems were installed and have been operated successfully in the RCS and MR,respectively. The numbers of systems will be increased gradually to 12 and 9, respectively.
Recently, it is found that the characteristics of MA will be improved by a factor of 2 by annealing under magnetic
field. Adopting the new technology to large MA cores for accelerators, it is expected to upgrade the performance of JPARC synchrotrons.

J-PARC リ ン グ RFの ア ッ プ グ レ ー ド
１．はじめにJ-PARC RCSは金属磁性体を用いた加速空洞を前提に加速器設計をおこなった世界で始めての加速器である[1]。これを前提にすることにより中性子ユー
ザーの要望のビーム幅１μs以下を満足しながら３GeVを達成できる約350mのリングが設計された。リングは３回対象のラティスを採用し、一つの長い直線部がRFに割り当てられた。この長さは途中の5台のQ電磁石を含めて44mであり、ここに設置された10台の金属磁性体空洞により加速に必要な360kVを得ている[2-4]。大強度のビーム加速に対応するために、この直線部には最終的に12台の加速空洞が設置される予定である。
図１に示すようにRCSのような大口径のビームパイプを持つ加速空洞では高い加速電圧をえることが特 に困難 であり 、フェ ライト空 洞では １m あた り
10kV以下の加速勾配であった。金属磁性体空洞[5]の開発により約20kV/mの加速勾配を実現している[6,7]。
MRのRFシステムも同様に金属磁性体空洞が用いら
Fig. 1. Field Gradient of ferrite and MA
れている[8,9]。MRの加速空洞はRCSのものより若干cavities. Based on the core technology, the短く、より高い加速勾配を実現している。MRでもfield gradient of a new cavity will be 38 kV/m.
RCSと同じく３回対象のラティスが採用されており、一つの直線部の約半分がRFに準備されており、最終的に９台まで設置することができる。MRのビーム増
２．MAGNETIC ALLOY
強[10,11]のシナリオでは加速空洞の台数を増やしかつ加速空洞の勾配をあげることが必要となってい金属磁性体を用いた加速空洞は1990年頃フランスる 。 この 論文 では RCS と MR 両方 の加 速シ ステ ム ののサクレー研究所の加速器MIMASのために開発されアップグレードとそれによる加速器の性能向上につたものが最初と思われる[12]。この時の磁性体コア
いて述べる。にはコバルトを含んだアモルファスリボンが使われた。この時に金属磁性体を使った理由は非常に広い
1E-mail: chihiro.ohmori@kek.jp-231-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)

周波数帯域（130kHzから3MHz）で使用するためであった。日本における金属磁性体空洞の開発は1995年に始まったが、この主な目的は高強度の陽子加速器に応用するためであった。ここでは微小な結晶構造を持つ軟磁性材料が用いられた。この磁性材料は次のような特質を持つ：（１）飽和磁束密度が高く、透磁率とシャントインピーダンスが高い高周波電圧下でも安定していること（２）キュリー温度が高く温度特性が安定していること（３）フェライト材料よりも高い透磁率をもつ（４）Q値が低く、広帯域にわたって高いインピーダンスを持つ（５）大型のコアの製造が可能であること
この特質の（１）と（５）により高勾配の加速空洞の実現に繋がった。これとは対照的にMIMAS [12],FAIR-HESR [13] and CERN LEIR [14] では（３）と（４）の特質を生かしている
近年、この金属磁性体コアの特性を飛躍的に改善する手法が見つかった。これは金属磁性体リボンを結晶化するための温度処理の過程で磁場を加え結晶の磁化容易軸の向きをそろえる手法である。この手法を従来よりも薄い金属磁性体リボンに適用した場合、磁気特性が約２倍程度向上する。図２は直径10cmの小型コアを用いて測定したものである

き、より高い加速電圧を利用して繰り返しをあげることによるビーム強度増強を示している。この案では1）線形加速器のエネルギーを400MeVにする2）取り出しキッカーの立ち上がり時間を速くする3）MR電磁石の立ち上げ、立ち下がりを速くする4）加速空洞の電圧向上が含まれている。加速電圧として550kVに加え、この半分の電圧の2次高調波空洞が必要となる。加速システムを設置できるスペースはメンテナンスを考えると放射化の少ない場所でなければならない。このため使用可能な場所は限られており現在の直線部に９カ所に加えて、入射の直線部の上流を考えているが、アップグレードに必要なスペックを満足するためには加速空洞の高勾配化が必要となる。

４．RF SYSTEM
こ の 優れ た金 属磁 性体 コア の開 発を 前提 に、 4ギャップの加速空洞の設計を行った（図3）。加速
空洞全体の長さは現在のものにくらべ７cm長くなるが、現在のスペースにおさめることができる。コアの特性が向上するため、コアの厚さを現状の3.5cmから2cmに減らしたとしてもインピーダンスは今より14％増やすことができる。加速ギャップの数が増えるため、高周波増幅器からみた空洞のインピーダンスは14%減ることになる。また、ビームローディ
ングの補正量はギャップの数が増える分増加するが陽極電源の余裕により吸収することができる。

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Table 1: Upgrade scenario of MR

85

PresentUpgrade

GeV

3030

MeV

181

400

Particles in bunch

2.5e134.1e13

Number of bunches

68!"#84
83

Energy7Linac Energy65433849#),;!,<*=>?
0@A2

5B-+'$0(C<,+-*#-,DEF$89$!G
B-+'$0(C<,+-*#-,DEF$87$!G
BH/$0(C<,+-*#-,DEF$87$!G:

6Fig. 2. Characteristics of MA cores. The μ Qfproduct indicates the shunt impedance of MAcores. By applying a magnetic field during theannealing process of the cores, the impedance
will be twice larger compared to ordinary MAcores.

３．UPGRADE SCENARIO OF MR
金属磁性体空洞の登場によりRCSの加速システムに必要な長さを減らし、加速器サイズを小型化することができたように、新しい高特性の金属磁性体コ
アはJ-PARC加速器の性能を更に向上させることにつながる。表1はMRのアップグレード案[10,11]に基づ

Kicker Rise time

µs~1.8

1Total RF voltage

kV160550

Number of cavities
(1st)

48

Number of cavities(2nd)

04Voltage per cavitykV4070

Cycle times

3.64

1.42

Acceleration times

1.90.63

Duty factor%

Beam Power

56.9

56.3
4.88 倍ギャップ電圧は現状の15kVから17.5kVに増加する。
ギャップあたりの電力損失は68.5kWであり、長時間(1000H)試験[6,9]の際の損失と同程度である。コア-232-

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)

内部での電力密度は40%増加するが、コアの厚さが減るためコア内部の温度上昇は変らない。この空洞が目標としている加速勾配を図１にしめした。

石があり、この開口部(1.0 m X 1.4 m X 0.4 m)に熱処理用のオーブンを設置することにより、高い特性を持った大型コアの製造が可能である。将来の1MWを超えるJ-PARC加速器の性能向上にむけ、より高性能な加速システムに必要なコアの開発を進めることが求められている。

７．CONCLUSIONS
J-PARCではリングRFシステムに金属磁性体コアを使用している。この磁性体コアの製造方法を改良することにより、より高い加速勾配を持つ空洞を作ることができる。この加速システムにより、将来のMRとRCSのビーム強度の増強に繋がる。また、ミュオンユーザーのための短バンチ形成などにも応用することができる。

参考文献
Fig. 3. RF cavity for upgrade.

[1] “Accelerator Technical Design Report for J-PARC”, JPARC 03-01, KEK Report 2002-13, JAERI-Tech 2003-044.
[2] M. Yoshii et al., ”The Status of J-PARC Ring RF Systems”,
単純な考え方として、現状の加速空洞のコアのみ
Proc. of EPAC08, p385.
を改良されたものに置き換えることも考えられる。
[3] F. Tamura et al., “Beam Acceleration with Full-digital
ただしこの場合、加速勾配を増やすとギャップ電圧
LLRF Control System in the J-PARC RCS” Proc. ofが高くなり現在の陽極電源や共振周波数調整用の真EPAC08, p364.
空コンデンサなどの置き換えが必要となる。
[4] M. Yamamoto et al., “Acceleration Voltage Pattern for JPARC RCS”, Proc. of EPAC08, p379.
[5]
C. Ohmori et al., “High Field Gradient Cavity loaded with
５．CORE FOR RCS
MA for Synchrotrons”, Proc. of PAC99, p413.
RCSはMRとは違った形でこのコアの改良の恩恵を[6] M. Yamamoto et al., “High Power Test of MA Cavity forJ-PARC RCS”, Proc. of PAC07, p1532.
受けることになる。RCSの場合、MRと異なり加速周期の繰り返しをあげることは容易ではない。しかし、 [7] A. Schnase et al., “MA Cavities for J-PARC withControlled Q-value by External Inductor”, Proc. of PAC07,
RCSのRFシステムは1MWのビーム加速(8x1013 ppp)のp2131.
為に最適化されているため、それ以上のバンチあた[8] M. Yoshii et al., “New Cutting Scheme of Magnetic Alloy
りのビーム強度をあげるためには陽極電源の容量がCores for J-PARC Synchrotrons”, Proc. of EPAC06, p1313.
不足する。コアの改良により空洞のインピーダンス[9] M. Yoshii et al., “Present Status of J-PARC Ring RF Ring
RF Systems”, Proc. of PAC07, p1511.
をあげることにより、空洞での電力損失が減るため、[10] Y. Yamazaki et al., JHF Accelerator Advisory Committee,その分をビーム加速にまわすことが可能となる。
1998.
RCSのビームはMLF実験施設で中性子とミュオンの[11] M. Tomizawa et al., “J-PARC Ring as a Neutrino Factory
ユーザーへと供給されている。ミュオンを使った実Proton Driver”, The 2nd International Scoping Study験ではビームの強度だけでなく、より短いビームパ
Meeting of Neutrino Factory and Super-beam Facility
ルスが求められている。短バンチの形成にはより高[12] C. Fougeron et al., “Towards the Construction of an Ultra
い電圧を用いてバンチを圧縮する方法とバンチ回転
Short Cavity for Heavy Ions Synchrotron”, Proc. ofEPAC’90, p961.
による方法が考えられるが、どちらの場合も現状よ[13] R. Stassen et al., “The HESR RF-System and Tests in
り高い電圧を用いることが効果的である。例えば
COSY”, Proc. of EPAC08, p361.
RCSで取り出し時のRF電圧を300kVに維持した場合シ[14] R. Garoby et al., “The LEIR RF System”, Proc. of PAC07,
ミュレーション計算ではバンチ幅は90ns程度となる
p1619.
[15]。RCSに12台の改良したコアを用いた加速空洞[15] M. Yamamoto et al., “LONGITUDINAL BEAMを設置し、加速後半で840kVに電圧をあげることに
DYNAMICS ON 3 GEV PS IN JAERI-KEK JOINTPROJECT”, EPAC02, p1073.
よりバンチ幅は約50ns程度まで短縮できる。

６．FUTURE PLAN
磁場中の熱処理をより薄い金属磁性体リボンを使ったコアに適用することに特性が向上することは小型コアでは確認されており、次のステップとしてこの技術を大型コアに応用することが必要である。
幸いKEKには大型のスペクトロメータに用いた電磁-233-