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)

STATUS OF THE J-PARC 3GeV RCS
Hideaki Hotchi1, Michikazu Kinsho
Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
2-4 Shirakata Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki 319-1195
Abstract
The J-PARC 3GeV RCS (Rapid Cycling Synchrotron) has been commissioned since September 2007. The initial
tuning of the basic parameter has been completed in February 2008, and then since May 2008 the RCS beam has been
supplied to the succeeding MR (50GeV Main Ring) and MLF (Material and Life Science Facility) for theircommissioning. Now the RCS is in transition to the challenging phase for aiming at the higher current operation. In thispaper, we present the beam commissioning results obtained so far and also the prospect of the RCS.

J-PARC 3GeVシンクロトロンの現状
１．概要
図1のJ-PARC 3GeVシンクロトロン（RCS; RapidCycling Synchrotron） [1]のビーム試験は、2007年9月より開始された。基本的には、2週間のビーム試験期間と2週間のビーム停止期間からなる4週間を1サイクルとし、2008年2月末迄の計6サイクルでRCS主体のビーム調整試験を実施した。初期のビーム調整
では、不要なビーム損失を避ける為に、バンチあたりの粒子数4.2×1011という設計値の1%程度の低電流ビームを使用した。又、RCSは、h=2の2バンチ、繰
図１：J-PARC 3GeV RCSの機器配置。
り返し25Hzが設計運転となるが、同様の理由により、この期間の殆どは、h=2の1バンチ、シングルショッ
わけであるが、当初の予定よりも3カ月前倒しで、トで初期調整にあたった。一発のビームを入射し、その目標を達成することが出来た。2007年中の4ラ
そのデータ解析を行う。速い時で数分、遅い時は1ンは、施設検査という予定に追われ、殆ど十分な試時間以上も次の一発を入射するのに時間をかけるこ験調整が出来ずにいたが、2008年1月より、本格的ともあったが、リニアックからの入射ビームの軌なRCSの調整試験を開始した。2008年2月末迄の期
道・エネルギーが共に十分安定していたので、こう間に、加速器としての基本的なチューニングや基礎した効率の良いビーム調整が実現した。初期調整終データの収集等を一通り行い、2008年5月より、MR了後は、ビーム強度及び繰返しを順次上げていった。 及びMLFへのビーム供給を開始したところである。
2007年9月の最初のランで、入射軌道及び入射ダ5月以降は、3週間のビーム試験期間と1週間のビーンプラインの調整を行い、次の10月のランで、入射ム停止期間からなるサイクルへ移行し、MRとMLF
エネルギー181MeVでの周回と3GeV加速試験を実施
主体のビーム試験を実施しているが、RCSも、必要した。先ず、10月26日に181MeVでの周回調整を開な試験時間を確保し、大強度ビームの加速に向けた始した。1台の四極電磁石が逆極性であったという試験調整を継続している。
不測の事象が発生したが、シミュレーション等により直ぐに原因を突き止め、その日の内に周回達成と２．ビーム試験結果なった。続いて、翌週の10月31日に所期エネルギーRCSのビーム試験[2]は、以下の4つの運転モードか3GeVへの加速及び取り出しに成功した。3GeV加速
ら 構 成 さ れ る 。 (1) 入 射 ダ ン プ モ ー ド で は 、 リ ニ
達成後は、先ず、11月のランで3GeV加速時の施設アックで181MeVに加速されたビームを直接入射ダ検査、次の12月のランで入射ダンプの施設検査を、ンプへ導き、入射軌道及び入射ダンプ軌道の調整をそれぞれ受検し、12月25日にめでたく合格通知を受行った。(2)1/3周モードでは、ビーム入射後、RCS領することが出来た。施設検査を2007年度内に通過の1/3周を回ったところで直ちにビームを取り出し、するという目標を掲げてビーム試験に臨んでいた出射ダンプへビームを導いた。このモードでは、大1

E-mail: hotchi.hideaki@jaea.go.jp-4-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)

雑把に主電磁石の磁場強度と入射エネルギーのマッチングを確認したのみで、様々な周回系のパラメータ調整は、次に述べる周回モードで行った。(3) 181
MeV周回モードは、加速無しのストレージリングのような運転である。この運転モードでしっかりと光学系等の基本調整を行い、(4) 3 GeV加速モードへ移行する方針を取った為、ビーム試験期間の半分以上が、この運転モードでの試験調整に充てられた。
図３：加速過程のチューン。

図 ２ ： 補 正 後 の ベ ー タ 関 数 （ 左 ） と 分 散関数（右）の測定結果。○が水平、○は鉛直成分。

図４：サバイバル率。バンチあたりの粒子数は~5×1012（設計値の12%）。

2.1 181MeV周回モード

パターンボトムと入射エネルギーのマッチング調整
本運転モードでは、最初に、偏向電磁石と入射エから開始し、その後、RF周波数パターンの補正をネルギーのマッチング調整から開始し、その後は、実施した。偏向電磁石の磁場とRF周波数は非常に周回周波数測定及びRF捕獲と順次調整を進め、RF安定していたので、この調整後は、軌道フィード捕獲後、COD補正を実施した。補正前のCODは、バックなしで安定に加速することが出来た。その後10mm程度存在したが、周回部に設置した52台の補は、COD補正及び加速過程のチューン・分散関数・正電磁石により、現状2mm程度にまで補正出来てい色収差等の測定を行い、181MeV周回モードでの調る。次に我々は、チューン・ベータ関数・分散関数整結果との整合性を確認した。図3に加速過程のの測定と補正を実施した。調整開始時の最初の測定
チューン変動の観測結果を示す。主電磁石の磁場パ
では、設計値から若干のずれが生じていたが、そのターンは、高調波成分を用い、正弦波に合わせ込ま一連の測定結果を、我々のモデル計算の中で統一的れる予定であったが、偏向電磁石については、電源に再構築し、そのモデルから各四極電磁石の補正量容量の制限の為に、パターン補正が十分に出来ず、を導出した。図2に示される通り、唯一回の補正に現状、正弦波から最大0.2%程ずれている。図中の変より、ほぼ設計通りの光学系を構築することに成功
動は、この偏向電磁石と四極電磁石間の磁場トラッした。色収差の補正も含めた光学系の調整終了後、キングの不整合に由来する。磁場のトラッキング精
我々は、入射軌道と周回閉軌道のマッチング調整を度に関しては、今後、加速過程のベータ関数を測定行った。本調整では、入射軌道と閉軌道間のミスし、定量評価したいと考えている。今後、ビーム電マッチにより生じるベータトロン振動を最小化する流を上げて行く際には、加速過程のチューンの制御ように、入射点での軌道の位置と傾きを調整した。
が大きな鍵を握るので、その定量評価は、直近の大以上が、本運転モードでの基本パラメータの調整手順になるが、我々は、この調整結果を崩さぬように、 きな課題の一つである。
以上の初期調整を経て、我々は、バンチあたりの次の3GeV加速モードへと移行した。
粒子数と繰返しを徐々に上げていった。出射ダンプ
181MeV周回モードでは、その他に、フィジカルの容量4kWによる制限があった為、ほんの数分間のアパーチャサーベイ、入射ラインや出射ラインから運転ではあったが、52kW出力（バンチあたりの粒の漏れ磁場の影響、ベータトロン共鳴サーベイ等、子数4.6×1012、h=2の1バンチ、繰り返し25Hz）といRCSの性能を評価する上で重要となる基礎データのう実績を作ることが出来た。バンチあたりの粒子数収集も精力的に行った。
でいえば、設計の1割強に相当する。現状は、ペイ2.2 3GeV加速モード
ント入射無しの中心入射なので、空間電荷的にはより厳しい状況で、その影響も有意になる領域である。
本運転モードでも、最初に、偏向電磁石の磁場
この運転時のビーム損失率は6.5%、その殆どが入射-5-

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エネルギー近傍のビーム損失で、ビーム損失パワーは0.2kW程度であった。ビーム損失モニタの出力やラン終了後実施した残留線量測定の結果から、そのビーム損失の殆どが、コリメータ（許容値4kW）でしっかりと局所化されていることが確認出来た。図4に示されるように、その後の調整により、同様の運転条件でのビーム損失率は、現状、3%程度にまで改善されている。又、我々は、h=2の2バンチ運転の試験も行い、パルスあたり1.1×1013 の粒子の加速と取り出しに成功している。この試験は、シングルショットで行ったが、25Hz運転に換算した場合の出力は、130kWに相当する。これが、我々が現状で達成している瞬間最大出力である。

図６：バンチングファクタ。赤は、RF電圧が基本波のみの場合、緑は、2倍高調波を重畳し、入射期間中に、その位相やRF周波数を時間変化させた場合（縦方向ペイント）の測定結果。
大きい粒子が増え、その非線形な振る舞いが問題になる可能性も有り、その調整には、研究的な要素も多分に含まれる。今後、ビーム電流の増強と共に、横方向ペイントエリアを拡幅（設計値 216π mmmrad）して行くことになるが、その効果を十分に引き出す為には、そのペイントエリアに対し、十分なダイナミックアパーチャが確保されていることが前提条件となる。現状は、出射ラインからの漏れ磁場の影響が強く、様々な線形・非線形共鳴がオペレーティングポイント近傍で観測されている。漏れ磁場に関しては、本年の夏季シャットダウン中に、シールド強化を図る予定である。
又、本年の11月には、加速空胴11号機の設置（現状、10台設置。元々の設計では、マージンも含め11台設置予定であった）も予定しており、大強度ビーム加速に向け、ハードウエアの整備も本格化する。
今後は、オペレーティングポイントや加速中のチューン変化等の最適化と共にペイント入射の調整を進め、ビーム電流の増強及びビーム損失の軽減を試みることになる。

図５：残留ガスプロファイルモニタで測定した横方向ペイント入射時（ペイントエリア~100π mm mrad）のプロファイルマウンテンプロット（入射開始から終了500μsec迄）。左図
は水平、右図は鉛直成分。

３．今後
今後は、いよいよ、100kW、200kWと順次、高出力を目指すことになる。その際、ビーム損失の更なる低減が大きな研究課題になるが、大きな鍵を握るのが、横方向・縦方向のペイント入射である。これは、位相平面の広い範囲に粒子を分布させ、空間電荷密度を制御する目論見であるが、我々は、その試験を本年5月・6月のランから開始したところである。図5に、横方向ペイント入射時のビームプロファイルの測定結果を示す。横方向に関しては、入射点での入射・周回軌道の位置と傾きを時間的に制御し、ビームプロファイルを整形している。一方、縦方向に関しては、入射期間中のRF周波数や加速電圧の2倍高調波成分の位相を時間的に変化させることで、バンチングファクタ（平均電流/ピーク電流）の改善を目指している。図6に示される通り、
181MeV周回モードで実施した縦方向ペイント入射の前試験では、目論見通り、バンチングファクタの改善が確認されている。
ペイント入射は、空間電荷密度を制御する為の強力な手段であるが、一方で、横・縦方向に振幅の４．まとめ
RCSは、2007年9月よりビームコミッショニングを開始した。2008年2月末迄の期間に、加速器としての基本的なチューニングや基礎データの収集等を一通り行い、本年5月よりMR及びMLFへビーム供給を開始した。今後は、ペイント入射試験を本格化し、ビーム出力の増強を目指す。我々の当面の目標は、設計出力の1割に相当する100kW出力での安定運転を実現することである。

参考文献[1] Y. Yamazaki ed., “Accelerator Technical Design Reportfor High-Intensity Proton Accelerator Project, J-PARC”,
KEK Report 2002-13 and JAERI-Tech 2003-44.
[2] H. Hotchi, “Beam Commissioning of J-PARC 3GeV RCS”,
J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol.5, No.1, 50-63,(2008).
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