Simulation Study of Collimators in the J-PARC Main Ring with the STRUCTJunpei Takano#,A), Koji IshiiA), Yoichi SatoA), Masashi ShirakataA)
A)
High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
To increase the beam power of the J-PARC Main Ring, installation of new compact collimators is planned in summer
shut down 2012 and 2013. The new collimators have L shape jaws to catch the beam halo in both horizontal andvertical planes. Case studies of the additional new collimators had been done with using STRUCT, which is the code ofbeam scattering in accelerators.

STRUCT を用いた J-PARC MR コリメータのシミュレーション
1.

新 MR コリメータの構造

大強度陽子加速器（J-PARC）の主リング（MR）
では 2012 年夏および 2013 年夏にコリメータを増強する予定である[1]。既存の MR コリメータは水平と垂直の Jaw が独立して設置されているが、今回新たに導入する MR コリメータは Jaw の形を L 型にし、一台で水平・垂直の両方向を削ることが可能となり、コリメータ本体のビーム進行方向の長さを短くすることができる。このようにすることで MR のコリメータエリアのビームラインにある空きスペースにより多くのコリメータを設置することが可能となる。
Jaw の移動機構は昇降・横行共に遮蔽体の上部にくる構造となっている。昇降機構については東日本大震災の経験から、地震による真空ダクトの揺れを抑えるためジャッキの本数を 1 本から 3 本に増やした。
図 1 は新 MR コリメータの試験機の写真である。

2.

STRUCT を用いたシミュレーション

2.1

2012 年夏の配置案

図 2 に現状のコリメータの設置状況、2012 年夏の設置案、2013 年夏の設置案を示す。現状では②③⑦の場所にコリメータが設置されている。2012 年夏に当初予定されていた MR コリメータの増強計画では②の旧コリメータを撤去し、②と⑥に新コリメータを設置することになっていた。まずこれを 2012A 案
として粒子トラッキングコード STRUCT[2]を用いてリング全体のビームロスに対する各コンポーネントにおけるビームロスの率を求めた。以下ではビーム進行方向に対する Jaw の位置の上下左右を UDLR と表記する。③と⑦の旧コリメータ内の Jaw の位置は変えないので③は UR⑦は DL となる。今回 2012A1として②UR③UR⑥UR⑦DL、2012A2 として②UR③
UR⑥DL⑦DL の 2 つのケースについて計算した。その結果、2012A1 より 2012A2 がコリメータでのビームロスの回収率が高いことが分かった。計算結果を
表 1 に示す。
表 1：2012A の計算結果

図 1：新 MR コリメータの試験機

2012A2Collimator

93.96%

94.39%

Quad (Total)

1.01%

1.00%

QDR007

0.20%

0.20%

Drift Spaces

5.01%

4.60%

Others

0.02%

0.02%

次に②と③の間にある QDR007 におけるビームロスを低減させる観点から⑥の新コリメータを①に設置した場合について計算した。この配置案を 2012Bとし、Jaw の位置の対応表を表 3 に示す。表 4 はその計算結果である。この結果、2012B4 が 2012 年の配置案としては最も良いものであることが分かった。
また、2012B1 と 2012B4 が 2012A の配置案も含めて____________________________________________#2012A1junpei.takano@j-parc.jp- 394 -

QDR007 におけるビームロスが約半分となった。このことから四極電磁石におけるビームロスを低減させるためには、その上流に 2 台の新コリメータを設置し、Jaw の向きは同じにすべきということが分かった。

Collimator①②③④⑤⑥⑦2013aUR

UR

UR

DL

表 2：2012B の Jaw の位置の対応表

2013bUR

UR

DL

DL

表 4：2013 年の Jaw の位置の対応表

Collimator①②③⑦2013c

UR

DL

UR

DL

2012B1UR

UR

UR

DL

2013dUR

DL

DL

DL

2012B2UR

DL

UR

DL

2013e

DL

DL

DL

DL

2012B3

DL

UR

UR

DL

2013f

DL

UR

DL

DL

2012B4DL

DL

UR

DL

2013gDL

DL

UR

DL

2013hDL

UR

UR

DL

表 3：2012B の計算結果
2012B1

2012B2

2012B32012B4

Collimator

94.11%

94.26%

94.16%

94.41%Q (Total)

0.81%

0.88%

0.87%

0.72%

QDR007

0.11%

0.21%

0.21%

Drift Spaces

5.05%

4.84%

Others

0.03%

0.02%

2.2

表 5：2013 年の配置案の計算結果 1
2013a

2013b

2013c

2013d

Collimator

95.82%

96.26%

96.41%

96.59%

0.10%

Q (Total)

0.58%

0.50%

0.44%

0.42%

4.96%

4.85%

Drift Spaces

3.58%

3.23%

3.13%

2.99%

0.02%

0.02%

Others

0.01%

0.01%

0.01%

0.01%

2013 年夏の配置案

表 6：2013 年の配置案の計算結果 22013 年は③にある旧コリメータを撤去し、③④⑤⑥に新コリメータを設置する。この際の Jaw の位置について表 4 のケースで STRUCT の計算を行った。
このとき、①②、③④、⑤⑥はそれぞれ同じ向きにJaw を設置するものとした。この計算の結果、2013dがコリメータでのビームロスの回収率と四極電磁石でのビームロスにおいて最も良い解となった。この結果から、2012 年は 2013 年の配置案を見越して2012B1 で設置することにした。

2013e

2013f

2013g

2013h

Collimator

96.58%

96.27%

96.52%

96.12%Q (Total)

1.24%

0.51%

0.44%

0.49%

Drift Spaces

2.18%

3.20%

3.02%

3.38%

Others

0.01%

0.01%

0.01%

0.01%

図 2：コリメータの現状および配置案- 395 -

2.3

電磁石とドリフトスペースにおけるビームロスを低減できることが分かった。しかしながら、Jaw の長さを 500mm より長くすると遮蔽体から中性子が漏れてくるため、この新しいコリメータの最適な Jaw の長さは 500mm であると言える。

Jaw の長さの最適化

これまで Jaw の長さは全て 300mm として計算してきた。2012 年夏に導入するコリメータも 300mm で製造中である。しかし、より最適な Jaw の長さを求めるべく 2013d のケースで③④⑤⑥の Jaw の長さを変えて STRUCT で計算を行った。その結果を図 3、4、5 に示す。
2.4

Jaw の材質

現在設置されているコリメータと①②の新コリメータの Jaw の材質はタンタルである。2013 年に導入する③④⑤⑥の新コリメータの Jaw の材質についてタンタルとタングステンのどちらにするべきか検討した。STRUCT の計算条件としては Jaw の配置を2013d とし、Jaw の長さを 500mm とした。この計算結果を表 7 に示す。
表 7：Jaw の材質の比較

図 3：コリメータにおけるビームロス

Tantalum

TungstenCollimator

98.31%

98.72%Q (Total)

0.22%

0.15%

Drift Spaces

1.46%

1.13%

Others

0.00%

0.00%

この結果から、Jaw の材質はタングステンにすることで四極電磁石におけるビームロスを約 3 割減にすることができることが分かった。従って、2013 年に導入する新コリメータの Jaw の材質はタングステンにするべきである。ただ、材料の加工が難しいため、合金の比率を調整するなど検討する必要がある。

3.

図 4：四極電磁石におけるビームロスまとめ2012 年および 2013 年の夏に行われる MR コリメー
タの増強について STRUCT を用いて計算を行った。
新規導入のコリメータの配置や Jaw の向きの最適解を求め、さらには Jaw の長さの最適化、材質の比較を行った。その結果、コリメータでのビームロスの回収率を上げ、四極電磁石でのビームロスを減らすことが可能であることが分かった。今後、2013 年に導入する新コリメータの設計・製造を進めて行くこととなる。

参考文献
図 5：ドリフトスペースにおけるビームロス
この結果、Jaw の長さを 600mm 程度に延ばすことでコリメータでのビームロスの回収率を上げ、四極[1] M. J. Shirakata, “Collimator Upgrade Plan of the J-PARC
Main Ring”, Proceedings of IPAC2011, San Sebastian,Spain, Sep. 4-9, 2011[2] A. Drozhdin and N. V. Mokhov, “The STRUCT Program
User’s Reference Manual”, SSCL-MAN-0034 (1994)- 396 -