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大強度陽子加速器計画の加速器 町田 慎二 ＫＥＫ 加速器科学研究会 １０月２９日 Cf. 大強度陽子加速器計画用リニアック 長谷川和男＠リニアック技術研究会、8月1日 1 目次 • はじめに – 計画の目的と概要 • デザインフィロソフィー – ビームロスの低減化 • ハードウェアの課題と現状 • 将来の発展性 2 大強度陽子加速器計画加速器の 目指すもの • １ｘ１０１４ｐｐｐ級の２次粒子（Ｋ，ｐｉ、ｍｕ，ｎｕ、ｅｔｃ．）源 – ５０ ＧｅＶ Ｐｒｏｔｏｎ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ（ＰＳ） • １ＭＷ級のパルススパレーションニュートロン源 – ３ ＧｅＶＰｒｏｔｏｎ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ（ＰＳ） • 核変換実験、工学実験施設と物理実験施設 – ６００ ＭｅＶ Ｌｉｎａｃ 3 ２次粒子（Ｋ，ｐｉ、ｍｕ，ｎｕ、ｅｔｃ．）源 • エネルギーは、３０ＧｅＶ以上 – ２次粒子の生成効率は３０ＧｅＶ以上でそれほど変わらない。 • ビーム強度は、１ｘ１０１４ｐｐｐ以上 – ＡＧＳ＠ＢＮＬよりも上を狙う。 – 現在と将来のニュートリノ物理のために。 4 パルススパレーションニュートロン源 • エネルギーは１から数ＧｅＶ – ニュートロンの生成量は、その範囲でおよそビームパ ワーに比例する。 • ビームパワーは１ＭＷ級 – ＳＮＳ（米国、建設中）は、１から２ＭＷ。 – ＥＳＳ（欧州、計画中）は、５ＭＷ。 5 ３ＧｅＶＰＳ： ＬＡＲ（ｌｉｎａｃ and accumulator） ｖｓ．ＲＣＳ（rapid cycling synchrotron） • • • • • • • ５０GeVPSの入射器でもある。 – より高い出射エネルギー（５０GeVPSの入射エネルギー）が望ましい。 出射エネルギーが高い分、ビーム強度を下げられる。 – （ビームパワー）＝（エネルギー） ｘ （ビーム強度） 入射エネルギーが低い分、入射付近でビームロスの許容される割合が大き くなる。 – 上と同じ理由。 入射から出射までの時間が長いので、その間にビームが広がる可能性。 – ２０ｍｓ（RCS） ｖｓ． １ｍｓ（LAR） 高い高周波加速電圧が必要。 磁場を同期させながら増加させる必要性がある。特にｑｕａｄのファミリーが 多い場合。 Ｅｄｄｙ current対策が必要。 6 核変換実験： 工学実験施設と物理実験施設 • 本当に必要なのは、エネルギー１ＧｅＶ以上、ビームパ ワー１０ＭＷ級のＣＷビーム。 • 統合計画で実現されるのはあくまでその前段階を６００Ｍ ｅＶ超伝導リニアックで実現。 – 工学実験施設 • ６００ＭｅＶ超伝導リニアック、２００ｋＷでＡＤＳ構造材料の照射試験 – 物理実験施設 • １０ｋＷ程度のビームで、ＡＤＳにおける中性子挙動の物理的特性 7 施設の配置図 8 スペシフィケーション • ５０ＧｅＶＰＳ – パルスあたりの陽子数 – 繰り返し – 平均ビーム電流 – ビームパワー ３．３Ｅ１４ ｐｐｐ ０．３ Ｈｚ （３．４２ ｓ） １５ ｍｉｃｒｏＡ ０．７５ ＭＷ • ３ＧｅＶＰＳ – 入射エネルギー – パルスあたりの陽子数 – 繰り返し – 平均ビーム電流 – ビームパワー ４００ＭｅＶ ０．８３Ｅ１４ ｐｐｐ ２５ Ｈｚ （４０ ｍｓ） ３３３ ｍｉｃｒｏＡ １ ＭＷ 9 稼動中または建設中の施設との比較 • ５０ＧｅＶＰＳに対応するマシン – 稼動中 • ＡＧＳ＠ＢＮＬ ３０ＧｅＶ ０．６－０．７ｘ１０１４ｐｐｐ • ＭａｉｎＩｎｊｅｃｔｏｒ＠ＦＮＡＬ １２０ＧｅＶ ０．２－０．３ｘ１０１４ｐｐｐ – 建設中と計画中 • 統合計画のほかにはない。 • ３ＧｅＶＰＳに対応するマシン – 稼動中 • ＩＳＩＳ＠ＲＡＬ • ＰＳＲ＠ＬＡＮＬ – 建設中と計画中 • ＳＮＳ • ＥＳＳ（計画中） ８００ＭｅＶ ０．２ＭＷ ８００ＭｅＶ ０．０６ＭＷ １．３ＧｅＶ １－２ＭＷ １．３３４ＧｅＶ ５ＭＷ 10 デザインフィロソフィー • 徹底したビームロスの低減化を行う。 – ビーム強度の限界は、ロスによる放射化によって決ま る（はず）。 11 ビームロスの定義と許容量 • Controlled loss – 局在化し、特別なシールドを施す場所に許容されるロス。 – ４ｋＷ ＠ ３ＧｅＶＰＳコリメーター – ７．５ｋＷ ＠ ５０ＧｅＶＰＳの静電セプタム • Uncontrolled loss – 制御不可能で加速器にばらまかれてしまうロス。通常のhands on maintenanceが可能なレベルを超えるようであれば、ビーム強 度を下げる。 – １Ｗ／ｍが目安。 12 各部でのビームロス設定値 • • • ３ＧｅＶＰＳ – 入射点とコリメーター – リング全周 – 取り出し 合計 ３ＧｅＶＢＴ – コリメーター – コリメーター以外 ５０ＧｅＶＰＳ – 入射 – コリメーター – リング全周 – 遅い取り出し – 速い取り出し 合計 ４ｋＷ ２％ １Ｗ／ｍ ０．１％ １ｋＷ ０．１％ ５．３３ｋＷ ２．２％ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ４５０Ｗ １％ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １Ｗ／ｍ ０．４４％ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １３５Ｗ ０．３％ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ４５０Ｗ １％ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ０．５Ｗ／ｍ ０．３６％ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ７．５ｋＷ １％ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １．１２５ｋＷ ０．１５％ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ８．９ｋＷ ２．７％ （遅い取り出し時） ２．５ｋＷ １．８％ （速い取り出し時） 13 放射化のレベルの例 （３ＧｅＶＰＳコリメーター） •コリメーター内部（ＪＡＷ付近） >１Ｓｖ／ｈ （１．２ｋＷ/１台） •シールド（３００ｍｍの鉄と４００ ｍｍのコンクリート）の外側 ７ｍＳｖ／ｈ ＊30日間運転して1日クーリング 後の残留放射能 14 何が問題か（ビームロスの原因） • 大強度ビームの振る舞いに関する理解が十分ではない。 – 空間電荷効果 – 電子-陽子不安定性 – その他？ • ビーム強度に無関係な効果 – 大口径電磁石がもつフリンジ磁場の影響。 15 空間電荷力による チューンシフト（スプレッド） • ３ＧｅＶＰＳ – ０．１５ ただし、次の値を仮定する。 • エミッタンス ２１６ｐｉ ｍｍ－ｍｒａｄ • ビーム強度 ８．３３ｘ１０１３ｐｐｐ • バンチング係数 ０．４２ • ５０ＧｅＶＰＳ – ０.１４ ただし、次の値を仮定する。 • エミッタンス ５４ｐｉ ｍｍ－ｍｒａｄ • ビーム強度 ３．３３ｘ１０１４ｐｐｐ • バンチング係数 ０．２７ • フォームファクター １．７ 16 空間電荷効果の低減 • 偏向電磁石での垂直ベータ関数を抑え、フィジカルア パーチャーを確保する。 • ペインティング入射＠３ＧｅＶＰＳにより、横方向エミッタン スと粒子分布の制御する。 • ＲＦマニュプレーションにより、縦方向エミッタンスを制御 する。 • 共鳴の影響が少ないオペレーティングポイントの選択。 17 ３ＧｅＶＰＳのラティス関数 • Ｂｅｎｄでの垂直方向 のベータ関数 – １６ｍ以下 • 取り出しキッカーでの 垂直方向ビームサイ ズ – １８０ｍｍ以下 18 エミッタンスとアクセプタンス（横方向-１） エミッタンス （ｐｉ ｍｍ－ｍｒａ ｄ） コリメーターア クセプタンス フィジカルアク セプタンス Ｌ３ＢＴ リニアックの出口 Ｌ３ＢＴコリメーター通過後 １０ ４ ３ＧｅＶＰＳ ペインティング入射時 出射時 ２１６ ３２４ ４８６ ８１（ｃｏｒｅ） ３２４（ｔａｉｌ） －Ｃｏｒｅは、ペインティング入射時のエミッタンスが単純にアディアバティック ダンプしたと仮定した値。 －Ｔａｉｌは、コリメーターアクセプタンスにより決まる最大値。 19 エミッタンスとアクセプタンス（横方向-２） エミッタンス （ｐｉ ｍｍ－ｍｒａ ｄ） コリメーターア フィジカルア クセプタンス クセプタンス ３ＧｅＶＰＳ ペインティング入射時 １４４ ３２４ ４８６ ５４（ｃｏｒｅ） ３２４ ４８６ ３２４（ｔａｉｌ） ３２４ ４８６ ５４ ５４ １２０ 入射時 ５４ ５４－８１ ８１ 出射時（３０ＧｅＶ） １０ 出射時（５０ＧｅＶ） ６．１ 出射時 ３ＧｅＶＢＴ ３－５０ＧｅＶＢＴコリメー ター通過後 ５０ＧｅＶＰＳ 20 エミッタンスと運動量広がり（縦方向） エミッタンス 運動量広がり（％） （ｅＶ ｓｅｃｏｎｄｓ） Ｌ３ＢＴ Ｌ３ＢＴコリメーター通過後 ＋－０．１ ３ＧｅＶＰＳ 入射時 ５ ＋－０．７５ 出射時（３ＧｅＶユーザー行き） ５ ＋－０．４２ 出射時（５０ＧｅＶＰＳ行き） ５ ＋－０．２４ 21 入射ペインティング • Ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｐａｉｎｔｉｎｇ – 水平方向はアクセプタンスの中心付近から、垂直方向は周辺付 近から。 • Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｐａｉｎｔｉｎｇ – 水平、垂直ともにアクセプタンスの中心付近から。 • 方法の優劣の評価 • マッチングの方法 – Ｌ３ＢＴからのビームが 持つべきラティス関数。 Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ 22 バンチング係数の最大化 • Ｏｆｆ－ｍｏｍｅｎｔｕｍ（＋０．３％）入射によりバンチング係 数の改善をはかる。 ０．２５ ０．４０ 23 オペレーティング点によるビームロスの違い (7.30, 6.10) (7.30, 6.25) (7.30, 6.40) (7.30, 6.45) Ｎｙ＝６．１０： 整数の近く Ｎｙ＝６．４０： 和共鳴の近く 24 ５０ＧｅＶＰＳラティス • ミッシングベンドを導入して、ベンド位置でのディスパー ジョンを負値にする。 • トランジションガンマは、３２ｉ。トランジション通過を回避。 25 電子ｰ陽子不安定性 • ＰＳＲ＠ＬＡＮＬで８０年代に問題が指摘され、最近では同 様の現象が、ｅ＋ｅ－コライダーで深刻な問題と認識され ている。 • 調査が始まったばかりで、デザインへのフィードバックは これから。 26 ビームロスの局所化 • ビームロスが不可避であるならば、せめて局在化し、controlled beam lossとする。 • ビームコリメーターによる縦方向と横方向のビームエミッタンスの整 形。 – – – – Ｌ３ＢＴ ３ＧｅＶＰＳ ３ＧｅＶＢＴ ５０ＧｅＶＰＳ （当面横方向のみ） • コリメーターアパーチャーより、 さらにどれだけフィジカル アパーチャーが必要かの評価。 27 ハードウェアの課題と現状 • ３ＧｅＶＰＳ – 入射と取り出し機器。 – １１ファミリーのｑｕａｄをトラッキングする。 – セラミックチェンバーとＲＦシールド。 – 周あたり４２０ｋＶの高周波加速電圧。 – 荷電変換フォイル。 • ５０ＧｅＶＰＳ – １.９Ｔの偏向電磁石。 – ＩＧＢＴを用いた低リップルで力率制御型パターン電源。 – 周あたり２８０ｋＶの高周波加速電圧。 – ロスを最小限に抑えた遅い取り出し。 28 磁性体の特性比較 Ferrites 1.00E+11 SY2 （ イ縦 ン軸 ピ ー磁 ダ性 ン体 ス特 に性 比 例 ） up'Qf N5C 4M2-302 FT-small FT-large 1.00E+10 200V/div, 5ms/div High Loss Effect 1.00E+09 1 10 100 1000 Brf[Gauss] 横軸：高周波磁束密度（電圧に比例） 10000 2000 Gauss Magnetic Alloys 29 高勾配型 MA Cavity Protron Synchrotron RF System 60 50 GeV PS Upgrade SATUNE MIMAS CERN PSB CERN PS AGS BSTR AGS ISIS KEK BSTR KEK PS JKJ 50GeV PS JKJ 3GeV PS 50GeV PS Upgrade MITSUBISHI KEK-HGC KEK-PS HGC Field Gradient (kV/m) 50 50 GeV Synchrotron 40 3GeV Synchotron 30 AGS 20 10 KEK PS 0 0 2 4 6 8 Frequency (MHz) 10 12 陽子加速器における 高周波空洞の勾配 30 Cut Core 7.E+09 カットによるインピーダンス の変化 6.E+09 5.E+09 4.E+09 uQf w/o Cut(#2-9, 97/10) 3.E+09 Cut Core #2 with Epoxy and SiO2, 2mm spacing (98/10) 2.E+09 1.E+09 Cut Core,O.D. 95cm 0.E+00 0 5 f 10 コアをカットすることにより空洞の Ｑ値を上げ、ビームローディングに より強くする。 31 最近の空洞Ｒ＆Ｄ • 間接冷却方式の開発 – 冷却銅板による冷却 – コアと冷却銅板の間の静電 容量を減らしインピーダンス を高く保つため樹脂板を挟 む • Good thermal conductivity ～4 W/mK • 5mm thickness is OK. • Can use at 300 degree C. • High Resistance, Strong for High Voltage ウォータジェットによるコアの 切断（樹脂板はすでにコアに ついている） 32 間接冷却加速空洞 33 セラミックチャンバーの特徴 ●Duct Joint to make long duct ( > 3 m ) Two kinds of joint method (1) Glazing (2) Metalizing & Grazing ●RF Shield to decrease the impedance generated the beam Thickness,Width,Pitch : Performing to Estimate Possible to make Stripe with Metal Coat and Plating Ceramic Duct ●TiN Coating to decrease secondary emission from surface Thickness : < 2 nm Requirement form Impedance Possible to use the Hollow Cathode Discharge Ion Plating Method 34 セラミックチャンバーの試作 •メタライズとロウ付けによりチャンバーを 接合。 - 接合強度がアップ。 •同様に金属フランジの接合に成功。 - 金属フランジの使用が可能となっ た。 •表面ストライプによるＲＦシールドを構成。 •２次電子抑制のために内面ＴｉＮコーティ ング - 電子ｰ陽子不安定性の抑制にも効 果が期待される。 35 ５０ＧｅＶＰＳ偏向電磁石（Ｒ＆Ｄ機） Ｇａｐ Ｈｅｉｇｈｔ １０６ｍｍ Ｕｓｅｆｕｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ １２０ｍｍ Ｆｉｅｌｄ ０．１４３－１．９Ｔ Ｌｅｎｇｔｈ ５．８５ｍ 36 偏向電磁石Ｒ＆Ｄ機の磁場測定 ３０ＧｅＶまでの励磁で横方向分布は計算と非常によく 一致している。 37 ５０ＧｅＶＰＳ四極電磁石（Ｒ＆Ｄ機） Ｂｏｒｅ Ｒａｄｉｕｓ ６３ｍｍ Ｕｓｅｆｕｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ １３２ｍｍ Ｍａｘ．Ｆｉｅｌｄ １８Ｔ／ｍ 38 Ｌｅｎｇｔｈ （ｍａｘ．） １．８６ｍ 電磁石電源（ＩＧＢＴ、IEGT） • この２‐３年のスイッチングパワーデバイスの急速な発展 により、電源が大きく様変わりした。 39 電圧型電磁石電源 • コンバーターとチョッパーの間のコンデンサーにチャージを貯めた後、 チョッパーにより出力電圧をコントロールして要求される電流パター ンを発生する。 • 無効電力を発生しない。 • １００ｋＨｚ程度の高速スイッチング特性。 • リップルの目標値は１０－６。 • トラッキングエラーは、１０－４。 40 遅い取り出し用の静電セプタム Ｒ&Ｄ • 高電圧試験で、２３７ｋＶまで達成。 – デザイン電圧の１．４倍。 • ただし、高圧導入部のセラミックが絶縁破壊した。 • セラミックの選定と周辺形状の再検討が行われている。 41 将来のアップグレードの例 • ニュートリノファクトリー（Japanese scenario） – ＦＦＡＧ ｂａｓｅｄ • ５０GeVPS ａｓ Ｐｒｏｔｏｎ Ｄｒｉｖｅｒ ｏｆ １-４ＭＷ。 42