J-PARC MRの遅い取り出しの これまでと今後の展望

Presentation on theme: "J-PARC MRの遅い取り出しの これまでと今後の展望"— Presentation transcript:

1 J-PARC MRの遅い取り出しの これまでと今後の展望
素核研 ハドロンビームラインG J-PARC MR 遅い取り出しG 武藤 亮太郎

2 自己紹介 KEK-PSの実験でD論取得 2007年より素核研 ハドロンビームライングループに所属しつつ、J-PARC MR 遅い取り出しグループの一員となり、遅い取り出しの仕事を始める。 現在 : MR遅い取り出し / ハドロンホールにて新ビームライン(高運動量ビームライン)の建設 KEK ACC Seminar

3 内容 J-PARC MRにおける遅い取り出しの概要 これまでの取り組み 今後の展望 ビームパワー増強 スピル構造の改善
高い取り出し効率(99.5%)の実現 パワー増強にともなう困難と、対策 放射化･被ばくの抑制 スピル構造の改善 今後の展望 KEK ACC Seminar

4 n to SK J-PARC Japan Proton Accelerator Research Complex ハドロンホール MLF
400MeVLINAC 3GeV RCS n to SK MLF Slow Extraction 30 GeV Main Ring ハドロンホール きれいにする Bird’s eye photo in January 2016 KEK ACC Seminar

5 ハドロン実験施設 スイッチヤードトンネル ハドロンホール T1 target Main Ring 1次陽子ビーム K1.8BR K1.8
multi-strangeness hypernuclei kaonic nuclei L,X f Origin of Hadron Mass K1.1BR area K1.8 K1.8BR KL T1 target Main Ring 1次陽子ビーム COMET area E16 High-p/COMET beamline Beam Splitting Point High-p / COMETの紹介用。 KEK ACC Seminar

6 現在の T1 target Proton Beam Gold Target Copper Base Cooling Water
現在ハドロン施設は 50 kW beam まで 受け入れ可能 2017 or 18年に ~80kWまで アップグレード Cooling Water KEK ACC Seminar

7 どんなビームが必要か 大強度の陽子ビーム “遅い取り出し” デバンチドビーム
大量のK中間子(sクォークを含む)ビームを用いて高統計データを取りたい “遅い取り出し” 発生した中間子1個1個について、粒子の識別(PID)・運動量の測定(磁石の前後での位置を検出)を行いたい 　  10MHzあたりが限界 K が 107 個輸送されてくるとすると、2秒間にわたってフラットにビームを取り出せば、レートは5MHzになり大強度Kビームを最大限に利用した実験ができる。 デバンチドビーム 加速後にRFをオフしてデバンチさせる 専門家むけに少しブラッシュアップ KEK ACC Seminar

8 3次共鳴を用いた遅い取り出し 1. dn を徐々に0に近づける 2. 外側の粒子から順に 振幅を増大させていく 3. ESSのリボンを越えて
6極磁石を用いて 3次共鳴を励起 →位相空間が 安定領域と 不安定領域に分かれる S : 共鳴6極の強さ 安定領域のサイズ 1. dn を徐々に0に近づける 2. 外側の粒子から順に 振幅を増大させていく 3. ESSのリボンを越えて 取り出される ESS リング中のある1点での 位相空間 KEK ACC Seminar

9 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3 SMS2
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 KEK ACC Seminar

10 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 ESS 電場 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 ESS 入射ビーム 電場 KEK ACC Seminar

11 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 ESS 電場 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 ESS 加速されたビーム 電場 KEK ACC Seminar

12 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 ESS 電場 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 ESS バンプ軌道 電場 KEK ACC Seminar

13 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 ESS 電場 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 ESS 3次共鳴 (6極磁場によって励起) 電場 KEK ACC Seminar

14 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3 SMS2
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 KEK ACC Seminar

15 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3 SMS2
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 KEK ACC Seminar

16 遅い取り出し直線部でのビームの動き ESS (静電セプタム) セプタム電磁石群 磁場 バンプ電磁石 バンプ電磁石 SMS1 SMS3
Hadron Beam Line ESS (静電セプタム) SMS1 SMS3 SMS2 セプタム電磁石群 磁場 KEK ACC Seminar

17 J-PARC MR 遅い取り出しの2大テーマ ビームロスの低減 スピル構造(ビーム強度の時間変化)の平坦化
ESSのリボンにビームが当たることによって必ず起こる ビームロスを減らし、高い取り出し効率を実現する スピル構造(ビーム強度の時間変化)の平坦化 専門家むけにする。 KEK ACC Seminar

18 高い取り出し効率の実現 KEK ACC Seminar

19 ESSでのビームロスを減らすには X’ X で決まる 粒子は1→2→3…と移動して取り出される。 5 2 3 6
(セプタムの厚さ)/(ステップサイズ) で決まる ･セプタムを薄くする ･ステップサイズを大きくする ステップ サイズ Delta X maxには何が効いているのか cos phiの話もしてもいいかも。 1 4 7 ESS KEK ACC Seminar

20 静電セプタム(ESS) チタン電極 周回ビーム コア 取り出しビーム リボン ESS1,2 電圧 / ギャップ 104 (170) kV /
25 mm 偏向角 - 0.2 mrad コア軸長 1.5 m リボン厚さ 30 μm リボン幅 1 mm リボン本数 495 本 KEK ACC Seminar

21 リボンの断面 素材：タングステン-レニウム(26%) “ばり”を取り除くため電解研磨する ~1 mm 下が拡大図であることをいう
KEK ACC Seminar

22 リボンの位置の測定 リボンの実効厚 = 30 + 50 μm リボン1本1本を薄くし、かつ アラインをきちんとすることも同程度に重要
ESS 2 ESS 1 45μm 50μm リボンの実効厚 = μm KEK ACC Seminar

23 ステップサイズは何で決まるか ステップサイズ ESSのところでβESを大きくしてやればよい
　　　　　　～(セプタムの厚さ)/(ステップサイズ) → ･セプタムを薄くする ･ステップサイズを大きくする βES : ESSでのβ S : 共鳴6極の強さ XES : ESSリボンの位置 ステップサイズ やり過ぎるとかべにあたるので注意 ESSのところでβESを大きくしてやればよい J-PARC MRでは、ΔxMAX は 約20 mm (ESSのリボンと電極間距離(25 mm)はそれより大きくとっておく) KEK ACC Seminar

24 SX直線部のビームエンベロープ Large β ( = 40.04m) Small α ( = 0.017 ) 入射ビーム 収束 Q
ESS 1 ESS 2 BUMP BUMP SMS1 SMS2 SMS3 下流でセプタム電磁石で さらにビームを曲げる KEK ACC Seminar

25 遅い取り出しセプタム電磁石の特徴 高い耐放射線性 遠隔位置調整システム(SMS1, SMS2) クイックアンインストール
ビーム軸と垂直に±5mm、上下流独立に クイックアンインストール LMガイド、クイック切り離し(冷却水、電気) DC運転 (3000 A) KEK ACC Seminar

26 低磁場セプタム (SMS1) KEK ACC Seminar

27 Cross Sections of SMS1_1 Cooling Pipe Return Coil Septum Conductor
電流 3000 A 磁場 0.071 T 磁極長 1.5 m Gap 55 mm Alumina Block 2 mm thick Cooling Pipe Return Coil Septum Conductor 1.5mm thick Alumina Board KEK ACC Seminar

28 Current Septum Conductor SMS1 Septum Conductor Cooling Pipe 2016-04-26
KEK ACC Seminar

29 Remote Position Adjustment
To reduce the beam loss Vacuum Chamber Core Beam Upper Base Lower Base KEK ACC Seminar

30 Remote Position Adjustment
Circular Beam Base Rad-hard Stepping Motor Adjustable Range : ±5 mm KEK ACC Seminar

31 ESS,SMSの遠隔位置調整 位置調整(平行・回転移動) ビーム 取り出しビーム 周回ビーム ESS1 ESS2, SMS
10um 調整前 調整後 ESS2(下流) の平衡移動調整 100um KEK ACC Seminar

32 取り出し中のセパラトリクスの変化 @ ESS @ MS ESSでの角度の広がり ロス増加 MSの位置でのセパレーション縮小 ロスの増加
x’ x’ ベータトロン位相 +270° x x kick 取り出し後期 初期　後期　色分け 取り出し初期 ESS MS ESSでの角度の広がり ロス増加 MSの位置でのセパレーション縮小 ロスの増加 KEK ACC Seminar

33 ダイナミック バンプ x’ x 取り出し中に、チューンの変化に同期してバンプ軌道を変化させる  ESSリボンでのx’の広がりを抑える
取り出し初期 取り出し後期 チューンはパターンが決まっているラティスのQだけでなく、フィードバック制御されるEQによっても変化する  EQへの制御信号から、DSPをもちいて バンプ磁石用の制御信号をつくる kick ESS KEK ACC Seminar

34 ダイナミック バンプの効果 Fixed Bump 取り出し効率 98.6 % ESS SMS1 ビームロスの位置分布 ビームロスの時間変化
取り出し終了 リング内ビーム量 取り出し開始 KEK ACC Seminar

35 ダイナミック バンプの効果 Dynamic Bump 取り出し効率 99.5 % ESS SMS1 ビームロスの位置分布
ビームロスの時間変化 取り出し終了 リング内ビーム量 取り出し開始 KEK ACC Seminar

36 ビームパワーの歩み 震災 漏洩事故 現在の HD申請値 取り出し 成功 99.5%の 取り出し効率を 達成 現在 取り出し効率は99.5%を
維持できている 次回のビームタイムは 2016/5~6 KEK ACC Seminar

37 ビーム強度増強にともなうビームロス 加速開始時 デバンチ時 加速 リング内粒子数 取り出し 入射 31.5 KW 2016-04-26
KEK ACC Seminar

38 加速開始時のビームロス vertical tune 加速開始 tuneの変動が見られる (Horizontal, Vertical ともに)
入射 加速開始 ・加速開始時のtuneの微調整 ・Trim 6極磁石, Trim Q磁石による共鳴の抑制 により、ロスを低減することができている KEK ACC Seminar

39 デバンチ時のビームロス 1) 減速によるもの 加速後、デバンチ開始から完了までの間(数100ms)に主に 減速 ~1.4%
RF空胴のインピーダンスによってビームがエネルギーを失う tuneが広がりビームロスの原因となる by F. Tamura Beam Position Monitor (BPM) で見た Δp/p の様子 Δp/p 減速 with 11kW beam ~1.4% 加速 入射 デバンチ開始 デバンチ後BPM信号は処理回路の 周波数帯域外なので、ノイズを出力 KEK ACC Seminar

40 RF空胴による減速の抑制 RF空胴において、フィードフォワード法により wake電圧を打ち消しRF空胴起源の減速を抑える 　これに起因するビームロスはほぼ消えた (ビームロス 4.1%0.44%) by F. Tamura Beam Position Monitor (BPM) で見た Δp/p の様子 Δp/p with 11kW beam ~0.2% 加速 入射 デバンチ開始 KEK ACC Seminar

41 デバンチ時のビームロス 32kW 32kW 2) デバンチ時のinstability によるもの
ESS SMS1 ESS SMS1 Good case 効率 99.50% ビームロス大 効率 97.11% 32kW 32kW デバンチが起こるタイミングのみクロマティシティの補正を弱くすることである程度抑制できる (その間チューンは共鳴から遠ざける) KEK ACC Seminar

42 真空圧力と電子雲 MRリング内の圧力 31.9kW debunched aborted 加速終了 デバンチのタイミングで圧力上昇
圧力上昇と同じタイミングで 電子の放出が観測されている electron cloud monitor 加速終了 +200ms 電子雲モニタ デバンチのタイミングで圧力上昇 KEK ACC Seminar

43 Adjustment of RF phase at injection
RF位相 offset -19 deg RF位相 offset -19  +21 deg 入射 Debunch 加速 入射時のRF位相をずらしてdipole振動を起こさせる  デバンチ時の不安定性を抑制でき, 41.5 kWでの利用運転を達成 KEK ACC Seminar

44 Higher beam power 48kWまでのビーム増強Studyを行った( )取り出し効率 : 99.46% だが、デバンチ時のロスが見えてきている Longitudinalな構造がkeyであることがわかってきた RF位相調整によるdipole振動の励起  今回のstudy 2nd harmonics RFの調整 RCSでのRF manipulation 加速終了後にRFの位相をjumpさせて強制的にデバンチさせる VHF cavityの導入(設計中) KEK ACC Seminar

45 さらなるビーム増強に向けて KEK ACC Seminar

46 SX運転後の残留放射線 RUN#65 (～2015/12, 41.5kW) 終了後の残留線量 作業可能性は 残留線量 x 作業時間で決まる
さらなるビームパワー増強のために ビームロスの低減と、 放射化 / 被ばくの抑制を すすめる 残留線量 [uSv/h] KEK-PS AGS J-PARC (current) Power [kW] 1.92 75 41.5 取り出し効率 [%] 80 97-98 99.5 Loss power [kW] 0.38 0.2 KEK ACC Seminar

47 ビームロスと放射化/被ばく量の低減 ビームロスを減らす 機器の放射化を減らす 作業時の被曝量を減らす 新しいESSの開発
リボンをカーボンファイバーで製作 ESSでのβをもっと大きくする光学の検討 機器の放射化を減らす チタン製のESSを製作し、現在エージング中 チタン製ダクト、真空チェンバーの導入 ローカルコリメータによる放射化の局所化 作業時の被曝量を減らす クイックメンテナンスシステムの高精度化 KEK ACC Seminar

48 新しいESSのR&D ・リボンの材質をタングステンからカーボンへ スキャッタリングによる角度広がりを低減 カーボンファイバー
KEK ACC Seminar

49 新しいESSのR&D ・リボンの材質をタングステンからカーボンへ スキャッタリングによる角度広がりを低減
ビーム カーボン 散乱体 散乱体には電圧をかける必要がないので メンテナンスが容易 リボン 電極 ESS KEK ACC Seminar

50 作業時の被ばくを低減する LMガイドによるクイック・ラインオフ KEK ACC Seminar

51 作業時の被ばくを低減する 冷却水 クイックコネクタ 電気 クイックコネクタ KEK ACC Seminar

52 ハドロン電磁石のメンテナンスシナリオ ・真空：ピローシール ・水：クイックカプラ ・電気：クイックコネクタ ・チムニー構造
・ツイストロック吊り具 速い脱着が可能な クイックコネクトデバイス (水･電気) ローカル遮蔽体 チムニー ツイストロック 吊り具 ピボット勘合 (再設置の際アライメント不要) KEK ACC Seminar

53 ビームパワー増強 まとめ ・取り出し効率~99.5%を達成し、 41.5kWまでのパワー増強に成功した ・さらなるビームパワー増強へ向けて
- ビームのLongitudinalな分布を平坦化することによる デバンチ時の不安定性の抑制 - ビームロスのさらなる低減  新ESSの開発, 新しい光学 - 放射化の低減  ESS, 真空チャンバー, ダクトのチタン化 - 被ばく量の低減  リモートメンテナンス手法の高精度化 KEK ACC Seminar

54 スピル構造の改善 KEK ACC Seminar

55 スピルフィードバック制御の概要 チューンnが3次共鳴に近づくスピードを Q磁石を使って制御する ラティスのQ linear ramp
EQ  ビーム成形 RQ  リップル除去 KEK ACC Seminar

56 主電磁石電源のリップル BおよびQ磁石電源の電流リップルによるチューン変動 (フラットトップ) チューン変動 時間 [sec] ±0.002
100 600 1200 1800 B電源 電流リップルの FFT (取り出し区間) スピルフィードバックと Transeverse RFで リップルに対処 KEK ACC Seminar

57 スピルフィードバックシステムの構成 PC LAN DSP 中央制御棟 通信部 制御部 電磁石制御信号 EQ,RQ電磁石 スピルモニタ
取り出しの開始・終了 LAN PC ゲート信号 中央制御棟 通信部 加速器内のビーム残量 ビーム強度信号 DSP 制御部 スピル信号 取り出した ビームの量 EQ,RQ電磁石 電磁石制御信号 スピルモニタ KEK ACC Seminar

58 速い応答性を持つQ磁石(EQ,RQ) EQ RQ ≲数百Hz ≲数kHz セラミクス製ダクト t 0.1mm 積層鋼板 スペック
KEK ACC Seminar

59 スピル構造の指標 Duty Factor F I : ビーム強度 〈〉: 取り出し時間中の平均 F = 1 F = 0.5 ビーム強度
取り出し期間 取り出し期間 KEK ACC Seminar

60 スピルfeedbackの効果 Duty Factor 18% OFF Duty Factor 3% ビーム量 スピル EQ RQ ビーム量
B,Q 磁石の補助コイルショートも行っている KEK ACC Seminar

61 Transverse RF AMP AMP Stripline Kickerを用いてBeamに横方向のRFをかけることにより
3kW MHz AMP RF noise Generator AMP 3kW マルチパクタリング抑制のための ソレノイド 2015より 3台 (~47 MHz)+ 1台 (~225 kHz) に増強 Beam By A. Schnase, T. Toyama, 　M. Okada & J-PARC RF group KEK ACC Seminar

62 Transverse RF セパラトリクスと粒子分布の相対速度 /チューンリップルの速度 がリップルの影響の大きさを決める 粒子数
Amplitude セパラトリクス Amplitude 粒子数 Transverse RF Transverese RFによって粒子をセパラトリクスの方へ押す スピルにRFの構造がのるので周波数は高い方が望ましい (現在は~47 MHz) KEK ACC Seminar

63 Transverse RF 時間 ~3 sec 周波数 f ~ 47.47 MHz
チューン小数部を~1/3にし、 スピルdutyが最大になるように周波数をスキャン 15 kW beam duty : % by T. Shimogawa KEK ACC Seminar

64 スピル構造 現状のまとめと今後 スピルフィードバック、補助コイルのショート、Transverse RF をそれぞれ最適化することにより、スピルduty factor ~45%での運転を達成することが出来た。 さらなるスピル構造の改善のために Transverse RF : ケーブル長による位相の調整→次回Study 　　　　　　　　　exciterの台数 / Amp のパワー増強の検討 Transverse RFに対するFeed Backの可能性 スピルでなく電源の電流リップルそのものでフィードバックをかける計画 d(tune)/dtを大きくすることがSpill構造の改善に有効 エミッタンスを大きくできるか? 主電磁石電源そのものの改善 KEK ACC Seminar

65 将来計画 KEK ACC Seminar

66 COMET スイッチヤードトンネル ハドロンホール T1 target Main Ring 1次陽子ビーム K1.8BR K1.8 area
KL area Beam Splitting Point High-p/COMET K1.1BR area E16 area High-p / COMETの紹介用。 COMET area KEK ACC Seminar

67 8 GeV での取り出し 取り出しビームへの要求 8GeV 3 or 4 bunch 運転 Bunched Slow Extraction
Phase 1 : ~ 3 kW Phase 2 : ~60 kW 8 GeVのため、取り出し機器のapertureが問題になる Phase 1 のビームパワーならRCSでのエミッタンスを小さくすることで取り出し可能にできる  実証できた Phase 2 までに大口径の取り出し機器を準備する KEK ACC Seminar

68 8 GeV 取り出し対応セプタム磁石 熱・応力計算など 設計を進めている 低磁場セプタム 中磁場セプタム 電流 4300 A 冷却水温度
46 ℃ Gap 76 mm 熱・応力計算など 設計を進めている 電流 3400 A 冷却水温度 46 ℃ Gap 81 mm 中磁場セプタム KEK ACC Seminar

69 新リング NU / HD / COMET でMRの運転時間を分け合う必要がある  ストレッチャーリング? HD NU
NU : 1.2 s 周期, HD : 4.8 s 周期としている 2011年の検討 ただ、COMETは周期が早いのであまり得にならない  新シンクロトロン? ・リングをどこに置くのか ・高放射化環境でのメンテナンス性の確保 ・リングからリングへのビーム輸送(ストレッチャー)  検討(問題点の洗い出し)を始めた KEK ACC Seminar

70 まとめ J-PARC MRの遅い取り出し の2大課題 ・ビーム強度の増強 ・スピル構造のフラット化 ビーム強度
　・ビーム強度の増強 　・スピル構造のフラット化 ビーム強度 ・取り出し効率~99.5%を保ったまま 　　41.5kWの連続運転に成功 ・今後 - ロスの低減  新ESSの開発, 新しい光学 - 放射化の低減  機器のチタン化 - 被ばく量の低減  リモートメンテナンス手法の高精度化 スピル構造 ・EQ+RQのスピルフィードバック、補助コイルショートにくわえて 　Transverse RFを用いることにより、~45%のDuty Factorを達成 ・今後様々な手段を講じてDuty Factorの向上を目指す 将来計画 ・物理の成果を最大化できるよう、新たなリングも含めて検討を進めたい KEK ACC Seminar