Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP010

J-PARC RCS における入射ビームの twiss parameter マッチング
TWISS PARAMETER MATCHING OF THE INJECTION BEAM FOR THE J-PARC RCS
岡部晃大#, A), 丸田朋史 B), 發知英明 A)，Saha Pranab A)，吉本政弘 A)，三浦昭彦 A), 劉勇 B)，金正倫計 A)
Kota Okabe#, A), Tomofumi Maruta B), Hideaki Hotchi A), Pranab Saha A), Masahiro Yoshimoto A), Akihiko Miura A),
Yong Liu B), Michikazu Kinsho A)
A)
J-PARC Center, Japan Atomic Energy AgencyB)
J-PARC Center, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
In a high power proton accelerator such as the 3-GeV rapid cycle synchrotron (RCS), small ratio of the beam loss suchas beam halo can cause serious radiation dose. The suppression of the transverse beam halo is a key issue to provide highintensity beam for routine user operation at the RCS. The RCS adopts the charge exchange multi-turn injection for thephase space painting. If the transverse twiss parameter of the injection beam is not matched to the RCS optics, it will
generates beam halo during the multi-turn injection. In order to suppress such beam halo, twiss parameters and dispersion
matching are performed at the RCS injection point. In the beam matching process, we use the rms envelope equation
solver with space charge effect to predict high intensity beam behavior. And the quadruple magnets at the Linac-RCS
beam transport line (L3BT) are used as knobs of twiss parameter matching. The beam profile measurement is done withwire scanner monitors at the downstream of the L3BT as well as multi-wire profile monitors at the RCS injection section.
In this presentation, we introduce the transverse twiss parameter matching scheme at the RCS injection points.
え顕著な放射化の要因となる。
ビームハローの形成条件についてはこれまで主に多粒子シミュレーションを用いた研究がなされてお大強度陽子加速器施設（J-PARC）の 3GeV シンクロトロン（RCS）は、繰り返し 25Hz で設計出力１ り、それらの結果から、大強度ビームが外部収束系MW の陽子ビームを加速する周長約 350m のシンク に整合していない(ミスマッチしている)場合、ビーロトロン加速器である[1]。RCS では 2009 年から本 ムハローが形成されることが判明している[2]。すな
格的な大強度ビームのコミッショニングが始まり、 わち、RCS におけるビームハローの形成を抑制する
2015 年 1 月には設計性能である 1MW に相当する ためには、前段加速器(linac)から輸送された入射ビームの加速、取り出しに成功した。現在、1MW ビームを RCS のビーム収束系に整合(マッチング)すビーム定常利用運転の実現に向けた精力的な研究開 る必要がある。
発が進められているが、その最も大きな障害として、 ビーム出力の増強に伴い、RCS では 2014 年よりRCS 内でのビーム損失が原因となる加速器機器の放 ビーム入射過程におけるハロー生成を抑制するため、入射ビームの twiss パラメータマッチング調整を行射化が懸念されている。
RCS のような大強度陽子加速器では、わずかな割 い、ビーム損失の低減に成功した。本稿では、RCS合のビーム損失ですら高レベルな機器の放射化を引 における入射ビームマッチング調整の手法と、それき起こし、加速器のメンテナンス性を著しく悪化さ に伴うビーム損失の低減に関する実験結果についてせる。結果として、機器放射化による作業者の被ば 紹介する。

1.

序論

く線量を許容値以下に抑えるため、利用運転可能な大強度陽子ビームの twiss パラメータ調ビーム強度が制限されることになる。このように 2.
整方法
RCS の大強度化に伴うビーム損失の増大は、J-PARC施設の安定的な長期間運転に大きな障害となる。
一般的に大強度陽子加速器では、ビームを構成す 2.1 L3BT 及び RCS 荷電変換入射の概要
RCS ではビーム入射方式として荷電変換によるる粒子同士の反発力に起因する空間電荷効果と呼ばペイント入射を採用し、位相空間内の粒子密度を調れる現象がビームの挙動に対して支配的になり、様々なビーム不安定性が現れることが知られている。 整することによって空間電荷効果の抑制を図ってい特に、空間電荷効果の一つであるビームハローの形 る。Linac で 400MeV まで加速された H-イオンビー成はビーム損失に直結するため、J-PARC のみなら ムは、linac-RCS 間のビーム輸送ライン(L3BT)を経由ず世界各地の大強度加速器にて問題視されている。 して、RCS 入射点である荷電変換フォイルまで導か
ビームハローとはビームの中心 (コア部)周辺に生成 れる[3]。Figure 1 は L3BT 下流スクレーパ部から RCSされる低密度且つ大きな振幅を持つ粒子雲のことで 入射部にかけての概要図である。L3BT は直線部、あり、大強度加速器ではこの部分のビーム損失でさ アーク部、スクレーパ部、および RCS 入射部から構___________________________________________
成されており、RCS 入射点での運動量広がりや中心# kota@post.j-parc.jp- 933 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 1: Schematic layout of the L3BT downstream.
エネルギーを調整するために 2 台の加速空洞(デバン 形加速器ではスタンダードとなりつつあるが、そのチャ―)が設置されている。図 1 において、スクレー 適用に関してはいくつかの条件を満たす必要がある。
パ部上流に設置されているデバンチャ―2(DB2)は主 一つは想定するビームの位相空間分布が楕円対称性に入射ビームの運動量広がりを調整するために使用 を持つこと、もう一つは rms エミッタンスが一定、される。H-ビームは偏向電磁石(BM07)によって偏向 もしくはその時間変化があらかじめ判明しているこされ、RCS 入射部にて荷電変換される。スクレーパ とである。
L3BT におけるビーム試験の結果、DB2 をデバン部に設置された荷電変換型スクレーパにて H+イオンとなったビームハロー部は入射ビームと逆向きに チャ―ではなくバンチャ―として使用した場合、縦方向のオーバーフォーカスが原因と考えられる横方偏向されることで 100 度ダンプに打ち込まれる。
L3BT では各所にシングルワイヤー型ワイヤース 向 rms エミッタンスの増大が確認された。この現象
キャナモニタ(WSM)を設置し、各位置でのビームプ はビームの大強度化に伴い、より顕著になる可能性ロファイルを測定することによって、ビーム調整を が高いため、twiss マッチング調整時や利用運転時に行っている。RCS 入射部では広範囲 RCS のアパー は DB2 はデバンチャ―モードで使用している。
チャーを短時間で測定することが要求されるため、
2.3 入射ビーム twiss パラメータ調整手法
4 台のマルチワイヤープロファイルモニタ(MWPM)
RCS 入射点における twiss パラメータマッチングを用いてプロファイルを測定し、入射ビームの調整
では以下の手順でビーム調整を行っている。
を行っている。
また、垂直方向のペイント入射を実現するため、 (1) RCS 入射点にて、dispersion 関数とその傾きがゼロであることを確認
L3BT 下流部には 2 台の垂直ペイントバンプ電磁石
Figure 2 は L3BT スクレーパセクションから RCS(VPBM)が設置されており、入射点におけるビームの位置と傾きの調整に使用されている。入射ビーム 入射点までの dispersion 関数の測定結果と計算結果をの twiss パラメータがデザイン値と異なっていた場合、 比較したものである。デバンチャ―1(DB1)を用いて、想定したペイント入射ができず、大きなビームハ ビームの中心エネルギーを変化させ、下流のビームポジションモニタ(BPM)にてビームの軌道変化を測ロー部を生成する可能性が高い。
定、その結果から BPM 各位置での dispersion 関数を2.2 エンベロープ方程式を用いたビーム調整
Linac からの入射ビームは空間電荷効果の影響が顕著に表れる。そのため、プロファイル測定結果からビームの挙動を正確に把握するためには、空間電荷効果を考慮した解析が不可欠となる。空間電荷効果が支配的なビームの振る舞いは、厳密に言えば、多粒子シミュレーションを用いて解析する必要がある。しかし、時間が限られているビーム調整時に、計算時間のかかる多粒子シミュレーションを行うことは現実的でない。従って、Linac や L3BT におけるビーム調整では、大強度ビームを理論的にモデル化(三次元エンベロープ方程式)し、短時間で解析が可能なビーム調整用ツール(JCE-Xal)を使用している[4]。
空間電荷効果を考慮したエンベロープ方程式とは、大強度ビームの二乗平均半径が輸送過程でどのようFigure 2: Dispersion function around the L3BT downに変化していくかを記述するものである[5]。近年、stream. Red dots are measurement results, blue line is a
エンベロープ方程式を用いたビーム調整は大強度線
calculation result.

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PASJ2015 THP010算出している(赤点)。青線は SAD による計算結果である[5]。L3BT のアーク部はアクロマティックなラティスとなっているため、その下流部であるスクレーパセクションでは dispersion 関数はゼロとなっている。図より測定結果と計算結果を比較すると、
RCS 入射点での dispersion 関数とその傾きはおおよそゼロとなっており、RCS のラティス関数のそれとほぼ一致していることが分かる。マッチング調整の過程において入射点での dispersion 関数が変化しないように、BM07 以降の四極電磁石(QM)の収束力は固定にし、それより上流の QM を調整に用いることとした。
(2) WSM74 と MWPM2-4 を用いたビームプロファイ
ル測定WSM74 と MWPM2-4 を用いて、入射ビームの横方向プロファイルを測定する。測定したプロファイルデータについて gauss 分布関数にてフィッティングを行い、得られた標準偏差(σ)を rms ビームサイズとみなしてエンベロープ方程式による解析を行う。
(3) 入射部での twss パラメータを測定結果から算出
し、DB2 上流までエンベロープ方程式を逆算(2)で測定したビームサイズを再現するように JCEXal 上で横方向のビームエンベロープをフィッティングする(Fig. 3 (a))。その結果から、DB2 上流までエンベロープ方程式を逆算し、新たな twiss パラメータの初期値として設定する。ただし、縦方向のビームエンベロープ(twiss パラメータ)は現状では測定できないため、シミュレーションによるデザイン値を使用している。
(a)(4) 入射点で twiss パラメータがマッチするように
QM61-65 の収束力を変更し、ビームプロファイ
ル測定による確認
前 述 し た 通 り 、 BM07 よ り 上 流 の 四 極 電 磁 石(QM61-65)を用いてマッチング調整を行う(Fig.1)。目標となる RCS 入射点での twiss パラメータは Table 1に記している。目標値に一致するように計算機上で3 次元エンベロープ方程式を計算し、四極電磁石の収束力を変更する。計算結果をもとに、QM61-65 の設定電流値を変えて、再度、ビームプロファイル測定を行う(Fig. 3 (b))。
(5) (2)-(4)をイタレーションし、入射ビーム twiss パラメータを目標値に近づける
現状では最大でも 3 回のイタレーションで、入射ビームの twiss パラメータは目標値におおよそ一致するようになる。

3.

RCS 入射ビームマッチング実験結果

3.1

垂直ペイントバンプ電磁石(VPBM)のビームダ
クト形状

L3BT 下流部には、入射ビームの twiss パラメータ調整時にフィジカルアパーチャーと成り得る箇所が存在する。Figure 4 は垂直ペイントバンプ電磁石(VPBM)に設置されているセラミックダクトの模式図である。ペイント入射時には入射ビームは VPBMによって図中上方向に偏向される。この真空ダクトは、設置当時、扁平型のセラミックダクトを作成することが技術的に困難であったため、Fig. 4 に示されているようにダクト中心を上方にオフセットして設置されている。しかしながら、垂直方向下部のアパーチャーが 27mm しかなく、この位置での垂直方向ビームサイズがマッチング時に比較的大きくなることから、VPBM 用ダクトがビームロスポイントとなる可能性がある。

(b)Figure 4: Schematic view of the vertical paint bumpmagnet and its vacuum chamber at the L3BT.
3.2

Figure 3: (a) Fitting results of the transverse envelope
equation before twiss parameter matching. (b) Beamenvelopes around the injection point of the RCS after
twiss parameter matching.

Twiss パラメータマッチング結果

VPBM 用セラミックダクトのアパーチャーを考慮し、以下の 3 つのマッチング試験用 QM パラメータセットを作成した。
Case 1: それまでの利用運転時のパラメータ
この QM パラメータでは垂直方向のマッチングを無視して、VPBM でのビームサイズを最小化している。Figure 5 (a)にビームプロファイル測定結果と入射点付近のビームエンベロープをプロットしている。

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また、VPBM1-2 の近傍にビームロスモニタ(BLM)を Case 3: case1 と case2 の中間
BLM の信号から VPBM でビームロスがないこと設置し、ビーム入射時の信号波形を確認した(Fig. 5(a))。この時、BLM の信号波形には明確なビームロ を確認しつつ、マッチングを行った(Fig. 5 (c))。垂直ス の 兆 候 は 見 ら れ な か っ た 。 Figure 5 (a) の 図 中 方向に関しては、入射点での twiss パラメータの目標
VPBM の位置でのビームサイズは 1σで 2.8mm 以下 値とのズレが case 2 よりも大きくなっている。しかである。WSM の測定結果からビームハローはおお しながら、case 1 に比べて RCS の収束系に twiss パラ
よそ 6～7σの位置まで存在することが確認されてお メータが整合しており、且つ、BLM の信号からり、それを勘案しても十分余裕をもってダクトを通 VPBM の位置で有意なビームロスは発生していない。
それぞれ 3 つのパラメータセットについて、エン過していることが予想できる。
Case 2: 垂直ペイントバンプでのビームサイズを無 ベロープ方程式のフィッティング結果から得られた視して、完全に垂直方向マッチングを施したパラ 入射点での twiss パラメータを Table 1 にまとめた。
メータ
3.3 Twiss パラメータマッチングによる RCS ビーム
Case 2 では VPBM におけるビームロスを無視して、ロスの減少ほぼ完全に入射ビームの twiss パラメータを RCS に
Figure 6 はビーム入射時から 3mssec までの RCS にマッチングした結果である(Fig. 5 (b))。この時にはBLM の信号波形から VPBM において有意なビーム おけるコリメータ付近に設置された BLM の信号をマッチング前後で比較したものである。上図が case
ロスが発生していることが確認できる。
1、下図が case 2 に対応しており、線色はそれぞれ(a) Case 1
RCS のビームの出力に対応している。0.5msec までは入射過程における荷電変換フォイルによる多重散乱が原因となるビームロスが見えており、それ以後は周回ビームがフォイルを躱すにつれて、徐々にビームロス量が減少している。
Figure 6 から twiss パラメータ調整によって、RCS内のビームロスが全体的に減少したことが明らかとなった。すなわち、ビーム入射過程におけるハロー部分の形成が抑制されたものと解釈できる。また、利用運転時には VPBM の放射化を抑制するため、case 2 のパラメータセットを使用している。
(b) Case 2(c) Case 3

Figure 5: Transverse beam envelope around the RCS
injection point. And BLM signals at the VPBM1-2.

Figure 6: Plots of the BLM signals at the RCS collimator
over the first 3 ms in the low energy region. Above
figure is BLM signals before twiss matching (case 1),
below one is after twiss matching (case 2).

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PASJ2015 THP010Table 1: Twiss Parameters at the Injection Point of the RCS4.

βx [m]

αxβy [m]αyTarget10.226-1.252

8.995-1.822

Case 111.872-1.820

8.634

0.1937

Case 28.963-1.201

15.01-1.729

Case 311.18-1.126

13.46-0.7146

まとめと今後J-PARC 3-GeV RCS では、ビーム出力増強を目指し、ビーム損失の抑制に取り組んでいる。Linac で加速された入射ビームの twiss パラメータを RCS 収束系に整合させるため、2014 年から RCS 入射点でのtwiss パラメータ調整を開始した。空間電荷効果を考慮した 3 次元エンベロープ方程式を用いて調整をおこなった結果、RCS おけるビーム損失の減少が確認できた。
利用運転時に、より正確な twiss パラメータマッチングが実行できるように、2015 年夏メンテ時においてビームロスを生じるアパーチャーとなっている
VPBM 真空ダクトの大型化を計画している。また、
L3BT 下流部に新たな WSM をインストールして、マッチング調整の精度をさらに向上させる予定である。

参考文献[1] S. Nagamiya, Nucl. Phys. A, 774, 895 (2006).
[2] M. Ikegami, Nucl. Instrum. Meths. A, 435, 282 (1999).
[3] H. Hotchi et al., PRST-AB, 15, 040402 (2012).
[4] H. Ikeda et. al., 日本加速器学会プロシーディングス集,524 (2009).
[5] http://acc-physics.kek.jp/SAD/- 937 -