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 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 2 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 – ビームパワー増強 • 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 3 400MeV LINAC J-PARC Japan Proton Accelerator Research Complex 3GeV RCS n to SK MLF ハドロンホール 2016-04-26 KEK ACC Seminar Bird’s eye photo in January 20164 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 multi-strangeness K1.8 K1.8BR hypernuclei area area Main Ring T1 target kaonic nuclei L,X 1次陽子ビーム KL area K1.1BR area Beam Splitting Point COMET area 2016-04-26 KEK ACC Seminar E16 f area Origin of Hadron Mass 5 現在の T1 target Gold Target Cooling Water Copper Base 現在ハドロン施設は 50 kW beam まで 受け入れ可能 Cooling Water 2016-04-26 KEK ACC Seminar 2017 or 18年に ~80kWまで アップグレード 6 どんなビームが必要か • 大強度の陽子ビーム – 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 7 3次共鳴を用いた遅い取り出し 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 安定領域のサイズ h 4 dn S dn n (m 1 3) S : 共鳴6極の強さ ESS 2016-04-26 リング中のある1点での 位相空間 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 KEK ACC Seminar 8 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 2016-04-26 KEK ACC Seminar 9 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 ESS 入射ビーム 電場 2016-04-26 KEK ACC Seminar 10 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 ESS 加速されたビーム 電場 2016-04-26 KEK ACC Seminar 11 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 ESS バンプ軌道 電場 2016-04-26 KEK ACC Seminar 12 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 13 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 2016-04-26 KEK ACC Seminar 14 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 2016-04-26 KEK ACC Seminar 15 遅い取り出し直線部でのビームの動き バンプ電磁石 バンプ電磁石 ESS (静電セプタム) SMS1 SMS2 SMS3 セプタム電磁石群 磁場 2016-04-26 KEK ACC Seminar 16 J-PARC MR 遅い取り出しの2大テーマ • ビームロスの低減 – 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 17 高い取り出し効率の実現 2016-04-26 KEK ACC Seminar 18 ESSでのビームロスを減らすには X’ 粒子は1→2→3…と移動して取り出される。 5 2 3 6 ステップ サイズ 1 4 X 取り出しビームのESSセプタムへのヒット率は (セプタムの厚さ)/(ステップサイズ) で決まる 7 ESS 2016-04-26 ･セプタムを薄くする ･ステップサイズを大きくする KEK ACC Seminar 19 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 ESS1,2 電圧 / ギャップ 偏向角 リボン 2016-04-26 KEK ACC Seminar 104 (170) kV / 25 mm - 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 20 リボンの断面 素材：タングステン -レニウム(26%) ~1 mm “ばり”を取り除くた め電解研磨する 2016-04-26 KEK ACC Seminar 21 リボンの位置の測定 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 = 30 + 50 μm 2016-04-26 KEK ACC Seminar 22 ステップサイズは何で決まるか 取り出しビームのESSセプタムへのヒット率 ＝ ～(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 ステップサイズ xMAX ES 3 1 2 S X ES 4 cos f βES : ESSでのβ S : 共鳴6極の強さ XES : ESSリボンの位置 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) 2016-04-26 KEK ACC Seminar 23 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 BUMP SMS3 SMS2 SMS1 収束 Q ESS 1 ESS 2 BUMP 収束 Q 下流でセプタム電磁石で さらにビームを曲げる 2016-04-26 KEK ACC Seminar 24 遅い取り出しセプタム電磁石の特徴 • 高い耐放射線性 – SMS1とSMS2は無機物質のみで作られている – SMS3はポリイミド絶縁 • 遠隔位置調整システム(SMS1, SMS2) – 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) 2016-04-26 KEK ACC Seminar 25 低磁場セプタム (SMS1) 2016-04-26 KEK ACC Seminar 26 Cross Sections of SMS1_1 Alumina Block 2 mm thick Cooling Pipe 電流 3000 A 磁場 0.071 T 磁極長 1.5 m Gap 55 mm Return Coil 2016-04-26 Septum Conductor 1.5mm thick Alumina Board KEK ACC Seminar 27 SMS1 Septum Conductor 2016-04-26 KEK ACC Seminar 28 Remote Position Adjustment To reduce the beam loss Vacuum Chamber Core Beam Upper Base 2016-04-26 Lower Base KEK ACC Seminar 29 Remote Position Adjustment Circular Beam Rad-hard Stepping Motor Base Adjustable Range : ±5 mm 2016-04-26 KEK ACC Seminar 30 ESS,SMSの遠隔位置調整 位置調整(平行・回転移動) 取り出しビーム ビーム ESS下流のビームロス 周回ビーム ESS1 ESS2, SMS 調整前 調整後 10um 100um ESS1(上流)の回転調整 2016-04-26 KEK ACC Seminar ESS2(下流) の平衡移動調整 31 取り出し中のセパラトリクスの変化 @ ESS @ MS x’ x’ ベータトロン位相 +270° x 取り出し後期 x kick 取り出し初期 ESS ESSでの角度の広がり ロス増加 2016-04-26 MS MSの位置でのセパレーション縮小 ロスの増加 KEK ACC Seminar 32 ダイナミック バンプ 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 x 取り出し初期 取り出し後期 kick ESS 2016-04-26 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 KEK ACC Seminar 33 ダイナミック バンプの効果 ESS Fixed Bump SMS1 ビームロスの位置分布 取り出し効率 98.6 % 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 34 ダイナミック バンプの効果 ESS Dynamic Bump SMS1 ビームロスの位置分布 取り出し効率 99.5 % 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 35 ビームパワーの歩み 現在の HD申請値 震 災 取り出し 99.5%の 成功 取り出し効率を 達成 2016-04-26 KEK ACC Seminar 漏洩事故 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 36 ビーム強度増強にともなうビームロス リング内粒子数 加速開始時 2016-04-26 31.5 KW デバンチ時 加速 KEK ACC Seminar 37 vertical tune 加速開始時のビームロス tuneの変動が見られる (Horizontal, Vertical ともに) 入射 加速開始 2016-04-26 ・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 38 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 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 Δp/p Beam Position Monitor (BPM) で見た Δp/p の様子 減速 with 11kW beam ~1.4% 加速 入射 2016-04-26 デバンチ開始 KEK ACC Seminar 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 39 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 Δp/p Beam Position Monitor (BPM) で見た Δp/p の様子 with 11kW beam ~0.2% 加速 入射 2016-04-26 デバンチ開始 KEK ACC Seminar 40 デバンチ時のビームロス 2) デバンチ時のinstability によるもの ESS Good case 効率 99.50% 32kW SMS1 ESS SMS1 ビームロス大 効率 97.11% 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) 2016-04-26 KEK ACC Seminar 41 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 electron cloud monitor 加速終了 加速終了 +200ms 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 電子雲モニタ 42 Adjustment of RF phase at injection RF位相 offset -19 +21 deg 加速 Debunch 入射 RF位相 offset -19 deg 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 43 Higher beam power • 48kWまでのビーム増強Studyを行った(2015-12) 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) – – – – 2016-04-26 KEK ACC Seminar 44 さらなるビーム増強に向けて 2016-04-26 KEK ACC Seminar 45 SX運転後の残留放射線 RUN#65 (～2015/12, 41.5kW) 終了後の残留線量 残留線量 [uSv/h] 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 KEK-PS Power [kW] 2016-04-26 AGS J-PARC (current) 1.92 75 41.5 取り出し効率 [%] 80 97-98 99.5 Loss power [kW] 0.38 1.5-2.3 0.2 KEK ACC Seminar 46 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 – 新しいESSの開発 • ESSの上流に散乱体を設置 • 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 47 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 2016-04-26 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 ・ESSの上流に散乱体を設置するアイデア ビーム カーボン 散乱体 リボン 電極 ESS 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 49 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 50 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 51 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) チムニー ローカル遮蔽体 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) 2016-04-26 KEK ACC Seminar 52 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 53 スピル構造の改善 2016-04-26 KEK ACC Seminar 54 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 55 主電磁石電源のリップル チューン変動 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) ±0.002 100 600 1200 1800 B電源 電流リップルの FFT (取り出し区間) 2016-04-26 時間 [sec] スピルフィードバックと Transeverse RFで リップルに対処 KEK ACC Seminar 56 スピルフィードバックシステムの構成 取り出しの 開始・終了 PC LAN 中央制御棟 ゲート信号 加速器内の ビーム残量 通信部 制御部 DSP ビーム強度信号 取り出した ビームの量 スピル信号 電磁石制御信号 EQ,RQ電磁石 スピルモニタ 2016-04-26 KEK ACC Seminar 57 速い応答性を持つQ磁石(EQ,RQ) セラミクス製ダクト EQ ≲数百Hz 2016-04-26 RQ ≲数kHz KEK ACC Seminar t 0.1mm 積層鋼板 58 スピル構造の指標 I F 2 I 2 Duty Factor F F=1 F = 0.5 ビーム強度 ビーム強度 I : ビーム強度 〈〉: 取り出し時間中の平均 時間 時間 取り出し期間 取り出し期間 2016-04-26 KEK ACC Seminar 59 スピルfeedbackの効果 ビーム量 ビーム量 スピル EQ RQ OFF スピル EQ RQ Duty Factor 3% Duty Factor 18% B,Q 磁石の補助コイルショートも 行っている 2016-04-26 KEK ACC Seminar 60 Transverse RF Stripline Kickerを用いてBeamに横方向のRFをかけることにより ベータトロン振幅を増大させ、Beamを共鳴に近づける 0.1-100MHz RF noise Generator 3kW AMP AMP 3kW マルチパクタリング抑制のための ソレノイド Beam 2015より 3台 (~47 MHz)+ 1台 (~225 kHz) に増強 By A. Schnase, T. Toyama, M. Okada & J-PARC RF group 2016-04-26 KEK ACC Seminar 61 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 セパラトリクス Amplitude 2016-04-26 Transverse RF セパラトリクス 粒子数 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 Amplitude 62 Transverse RF ~3 sec 時間 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 : 46.17 % by T. Shimogawa 2016-04-26 KEK ACC Seminar 63 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 64 将来計画 2016-04-26 KEK ACC Seminar 65 COMET スイッチヤードトンネル ハドロンホール K1.8BR area Main Ring K1.8 area T1 target 1次陽子ビーム KL area K1.1BR area Beam Splitting Point E16 area COMET area 2016-04-26 KEK ACC Seminar 66 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 67 8 GeV 取り出し対応セプタム磁石 低磁場セプタム 2016-04-26 電流 4300 A 冷却水温度 46 ℃ Gap 76 mm 電流 3400 A 冷却水温度 46 ℃ Gap 81 mm 熱・応力計算など 設計を進めている 中磁場セプタム KEK ACC Seminar 68 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? 2011年の検討 HD NU NU NU HD NU NU : 1.2 s 周期, HD : 4.8 s 周期としている 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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 69 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 ・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 2016-04-26 KEK ACC Seminar 70
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