第 13 回加速器学会年会 2016 年 8 月 9 日 非線形光学を用いた J-PARC 核破砕中性子源へのビーム輸送技術開発 Development of beam transport to spallation neutron source at J-PARC with non-linear

非線形光学を用いた

_J-PARC

核破砕中性子

源へのビーム輸送技術開発

Development of beam transport to spallation

neutron source at J-PARC with non-linear optics

第

13回加速器学会年会　2016年8月9日

明午　伸一郎

1)

_{, 大井　元貴}

1)

_{, 圷　淳}

1)

_,

池崎　清美

1)

_{, 池崎　清美}

1)

_{, 川崎　智之}

1)

_{, 西川　雅章}

1)

福田　昌平

1)

_{, 藤森　寛}

2)

1) JAEA/J-PARC, 2) KEK/J-PARC

1

内容

 

緒言

 

J-PARC MLFのビーム運転状況

l 

ターゲットの状況

 

非線形光学を用いたビーム平坦化

l 

原理

l 

MLFへの適用

l 

最適化のための考察

 

まとめ

 

今後の課題

2

Neutron beam lines (23)

Bird’s eye

photo

Transmuta4on

Facility (TEF)

(Phase II）

Hadron Experiment

Facility

Neutrino Exp. Facility

(294km to Super KAMIOKANDE)

Materials & Life Science

Facility (MLF)

3GeV Synchrotron

RCS (25Hz,1MW)

Linac

400MeV(50mA)

JRR-3M

800m to MLF

30GeV Synchrotron

MR (0.75MW)

J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex

JFY2007 Beam

JFY2008 Beam

JFY2009 Beam

Ｄ１

ニュート リノ分岐点

Ｍ１

ニ ュートリノ ラック ニュートリノ ラック ＮＣ １ ３，５００ サブトンネルＣ ＳＭ１ＳＴ１ ＳＭ２ ＳＴ２ ＳＴ３ＳＴ４ ＵＤ１ ＵＱ３ ＵＱ１ ＵＱ２ ＵＶ１ ＵＶ２ ＵＨ３ ＵＨ２ ＵＱ４ ＵＱ５ ＵＤ２ ＵＨ１ ＷＣ 適当な広さ 地 上ラック 地下共同溝

Ｍ３

ＰＤ１ １ ． ９ ２ 　ｄ ｅｇ ． 　 ｂ ｅ ｎ ｄ ＰＤ１

Ｄ１

｛Ｔ

Ｐ

＋

９

ｍ

｝

１

５

７

，

５

０

０

冷凍機室

制御室

コンプレッサ

ー室

ＮＭ１

ＮＤ１

出入管理

ＷＣ

サブトンネルＢ

電源棟

５，８００

｛ｌ／ｍｉｎ｝（

_{低温設備）}

　９８０｛ｌ／

_{ｍｉｎ｝（磁}

石電源）

低温棟

電気室

電気ヤード

機械ヤード

バッファタンク

カードル置場

窒素タンク

_ヤード

放出用バ

_{ッファタンク}

＋

６．

２

７．

０％

＋９．０

５．０％

低温配管 PQ4B PH3 PQ5PV2 PV1PQ3B PQ4A ニュートリノ ラック PQ2B PQ3APD21 .9 2 d eg. be n d PD1 PQ1 1 .9 2 d eg. be n d PQ2A

EX

PH2PH1 D1

0.32°

1.47°

1.31°

0.99°

25,0

₀₀

53

,0

00

40,000

ビーム軸

45,0

₀₀

S

K

真西

50GeV extraction

_{sectionから90°}

前置検出器

TP

+9

m

24,00 0 12,000 μピット 測定室 μ ピ ッ ト ２ μ ピ ッ ト 機 械 室

デ

ィ

ケ

イ

・

ト

ン

ネ

ル

ヤード

FQ3A FV2 FQ4 FV1 FQ 3B FH2 FQ 2B FQ 2A FH1 FQ 1

ＮＭ２

Ｈｏ ｒｎ１ Ｈｏ ｒｎ２

ＮＤ２

電源室

ＤＤ２ ＤＤ１ ＤＱ２ ＤＱ１ ＤＳ Ｈ ＤＳ Ｖ ＤＤ３ ＤＱ３ ＤＱ４ シャッ ター サブトンネル C

電源ヤード

電気室

ＮＣ １ ＷＣ 適当な広さ

冷却棟

Amp. RF QDX Amp. R F Amp . R F Amp. RF Amp. R F Amp . R F Amp. RF SM1 QDX

SM

3

D3

特別高圧

変電所

Amp. RF QDX Amp. R F Amp . R F Amp. RF Amp. R F Amp . R F Amp. RF SM3 SM2SM2 SM2 SM3 SM3 Bump3 Bu mp4 QDX QFN QFN QF X QF X QD N QDN QDX QFN QFN QFX QFX QD N QDN QDX QFN QFN QF X XQF QDN QD N QDX QFN QFN QFX QFX QD N QDN QDX QD X QF N QFN QFX QFX QD N QDN QFN Q FN QFX QFX QDN QD N QDX QD X QFN QFN QFX QFX QDN QDN QF N QFN QFX QFX QDN QDN

FW

G

SM2

D3

M2

C2

QFN QFN QF X XQF QDN QD N QFN QFN QFX QFX QD N QDN

SM

3

D3

M2

QFT QF R QD R QFR QD T QFP QF T QDS QFS Y02 QX5 Y01 X01 X02 B01 PB QX4 QX2 QX1 QX3 Y19 QV7 X04 Y04 B1D X07 B1U Y06 X06 QA4 X05 Y05 QV1 QA5 QV6 Y08 X08 Y09 X09 QV2 QV3 QV5 QA2 QX8 DMG1 QX6 QX7 X03 QX9 QX10 Y03 B02 QA1 QA3 QH5 X14 QB7 X12 X11 Y10 X10 Y11 Y12 BH2 X13 Y13 BH3 Y14 BH1 QH1 QH2 QH4 QH3 QB5 QB2 QB1 QB3 QB4 QB6 QC6 Y15 X15 BH4 X16Y16 QC3 QC2 QC1 QC4 QC5 X18 Y17 X17 Y18 X19 QC7 QC8 主トンネル QC9 QC10 QN1 X21 X20Y20 QC11 QC12 Y21 QNQ2 QNQ1 QM1 QM2 Y22 X22 X23 Y23 QN2 QN3 QN4

ターゲット

Ｃ

Ｌ

１９２ ９６ １３５ 設備コ ントロー ル室 １５ ８ ８ １３６ ３８４ ２３ ８ １５１５ ６７ ５６ １０ ６７ ６７ 打合せ 室（２） 仮眠室 ＷＣ 電気室 ＷＣ シャワ − 室 コント ロール室 通　路 計算機 室 コピー室 放射線 監視室 玄関ロ ビー 風除室 倉庫 給湯室 受付 打合せ 室（１） 風除室 UP（ビー ムラ_イン TP+3.2〜 TP+8.0） Bump2 Bump1 Bump5 Bump4 Bump8 Bump7 Bump6 Bump3 中央制御棟 ﾋﾞｰﾑﾀ ﾞﾝﾌﾟ Y07 QV4 クレー ン走行範囲 − ＳＡＮＳ Ｉ Ｈ 　

・

ＵＰ ＵＰ ＵＰ ＤＮ ＵＰ 搬入口

0

50

100m

出入 管理 室 コ ールド 冷却 水機械 室 電源 室 玄関 管理 階段 室 非管 理 階段 室 便所 SQ3060 Q2260*2Q2260*2Q2260*2Q2260*2 D16150_7_5D16150_7_5D16150_7_5 D16150C D16150-80 SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060SQ3060 Q2260*2 分電 盤 ダクト Q 2 61 00 M IC S Q 30 6 0 Q 2 26 0* 2 S3060*3S3060*3S3060*3Q2260*2Q2260*2 配管ピ ッ ト F L- 40 0 配管ピ ッ ト F L- 60 0 配管ピ ッ ト F L- 40 0 S2260*8S2260*8 情報表示端末 パーテ ィ ショ ン入域ゲート 体表面モニタ 搬出物品モニタ 身体汚染発生時の サーベイ スペース タ ーミ ナルコ ン トロ ーラ 手洗器 ダムウェーター 能力100kg 手洗器 手洗器 D16150C 電源 室 サン プ リン グ設備 室ﾛｰｶﾙ系、ｽﾀｯｸ系ﾍｯﾀﾞ ｶﾞｽ 、排気ﾓﾆﾀ D16150_7_5D16150-80 ﾙｰﾂﾌﾞ ﾛｱ制御盤ﾙｰﾑ系ﾍｯﾀﾞ ﾙｰﾂﾌﾞ ﾛｱ P 1 01 - D 5 0k g 6 5A 　F L +7 00 (B OP ) 6 5A 　F L +7 00 (B OP ) T K 10 2 2 00 0 kg ホット冷却水機械室 H X 30 12 00 k g 150A　FL+1100(BOP) 150A　FL+1100(BOP) H X 30 1 1 00 0 kg 2 50 A　 F L+ 40 00 (B O P) 125A　FL+4000(BOP) 350A　FL+4500(BOP) 350A　FL+4500(BOP) 2 50 A　 F L+ 40 00 (B O P) P 1 025 60 k g 二次冷却水循環 系¥U+2160　 （還） 　350 A 二次冷却水循環 系¥U+2160　 （往） 　350 A 125A　FL+4000(BOP) ホット排水設備室 D M 1 023 00 k g H X 10 2 1 20 0 kg 250A　FL+4500(BOP) 250A　FL+4500(BOP) P 1 015 70 k g T K 10 12 00 0 kg D K 10 1 5 00 k g H X 10 1 1 50 0 kg D M 1 01 4 00 k g イ オン 交 換樹脂置場 風除室 S2 650 MI C×2 S2 650 MI C×2 電源室 Q 261 00M IC Q 261 00M IC 分電盤 2 00 0 kg 1 00 0 kg1 00 0 kg S3 060 ×3 S3 060 ×3 1 00 0 kg 1 00 0 kg 1 00 0 kg 1 00 0 kg1 00 0 kg SQ 30 120 ×2SQ 30 120 ×2 SQ 30 120 ×2 3 00 0 kg 3 00 0 kg 2 00 0 kg 2 00 0 kg D1 61 50 D1 61 50 Q 261 00M IC Q 261 00M IC Q 261 00M IC Q 261 00M IC 1 00 0 kg 2 00 0 kg D1 61 50 3 00 0 kg 2 00 0 kg D1 61 50 3 00 0 kg 1 00 0 kg1 00 0 kg Q 226 0×2 Q 226 0×2 1 00 0 kg 3 00 0 kg 3 00 0 kg 1 00 0 kg 1 00 0 kg 1 00 0 kg Q 226 0×2 Q 226 0×2 Q 226 0×2 Q 226 0×2 Q 226 0×2 50AFL-300(BOP) 50AFL-300(BOP) 1 00 0 kg Q 226 0×2

電源用冷却水循 環系¥U+2160　（還）　1 00A電源用冷却水循 環系¥U+2160　（往）　1 00A

8 0A 　F L -4 50 (B OP ) 8 0A 　F L -4 50 (B OP ) Q2260×2 Q 261 00M IC D1 61 50 SQ 30 120 ×2S2 650 MI C×2S3 060 ×3 X17 QC4

X16 Y16 QC5Y17QC6 QC7 X18 Y18QC8X19 Y19QC9QC10X20Y20 QC11QC12 ユーティリティー連絡路（１） ユーティリティー連絡路（２） ト ンネル連絡通路 1 50 A　 F L+ 60 0( BO P ) 1 50 A　 F L+ 60 0( BO P ) 1 50 A　 F L+ 60 0( BO P ) 6 5A 　F L +2 50 0( BO P ) 6 5A 　F L +2 80 0( BO P ) 1 50 A　 F L+ 34 00 (B O P) 1 50 A　 F L+ 31 00 (B O P) P 3 01 - 2 2 00 k g P 3 01 - 1 2 00 k g

N

3-GeV

RCS

ニ

ュ

ー

ト

リ

ノ施設

物質生命科学実験施設

_MLF

中性子ターゲット

Neutron target

ミュオンターゲット

Muon target

陽子運動エネルギ

(Proton kinetic energy)： 3 GeV

ビーム出力

(Beam power)：

1 MW

ビーム電流

(Beam current)：　

333 µA

8.3x10

13

_p

繰返し

(Repetition)：

25Hz

全長(Total length)　314 m

世界最長

のビーム輸送施設(1MWクラス)

Longest beam transport for MW class

accelerator facilities in the world

JSNS

Targets placed at MLF

 

Muon target

l

 

Carbon graphite (IG430)

l

 

8

% beam lost(80 kW loss)

l

 

Highest intensity in the world

 

Neutron target

l

 

Mercury

l

 

Highest pulse intensity in the world

NMトンネル

M1トンネル

M2トンネル

QC10

Q2260

LQ30120

QNQ1

QNQ2

QM1

Q26100MIC

QM2

Q26100MIC

QN1

Q26100MIC

QN2

Q26100MIC

QN3

Q26100MIC

QN4

Q26100MIC

Y20

S2260

AC

M20

X20

S2260

AC

Y21

S3060

AC

M21

X21

S3060

AC

Y22

S2650

MIC

M22

X22

S2650

MIC

Y23

S2650

MIC

M23

X23

S2650

MIC

QC11

Q2260

QC12

P6

TMP 7

物質・生命実験施設

LQ30120

LQ30120

261500

314000

B.W

ダクト径φ290

Muon Target

FCV3

（DN200）

FCS

（DN200）

QM1

Q26100MIC

QM2

Q26100MIC

proton beam window

neutron target

QM3

Q26100MIC

QM4

Q26100MIC

QM5

Q26100MIC

QM6

Q26100MIC

Y22

S2650

MIC

M22

X22

S2650

MIC

Y23

S2650

MIC

M23

X23

S2650

MIC

muon target collimators

16 00

ベースプレート

水銀ターゲット

ヘリウムベッセル

遮蔽（鉄）

ベッセルサポート

シリンダー

反射体

遮蔽

（重ｺﾝｸﾘｰﾄ）

アウター

ライナー

遮蔽（鉄）

遮蔽（コンクリート）

水素輸送管

水素減速材

遮蔽（鉄）

陽子ビーム

陽子ビーム窓

陽子ビーム窓

メンテナンス用

ポート

ターゲット台車

ベッセル内

遮蔽体

P7

P8

垂直偏向部

直線部B

QA4

X05

S2260

AC

Y05

S2260

AC

M05

B1U

D16150V

QA5

X06

S2260

AC

QV1

Q2260

Y06

S2260

AC

M06

QV2

Q2260

QV3

Q2460

QV4

Q2260

QV5

Q2260

QV6

Q2260

QV7

Q2260

B1D

B16150V

QB1

Q2260

QB2

QB3

Q2260

QB4

Q2260

QB5

Q2260

QB6

Q2260

X07

S2260

AC

Y07

S2260

AC

M07

X08

S2260

AC

X08

S2260

AC

M08

Y09

S2260

AC

X09

S2260

AC

M09

X10

S2260

AC

Y10

S2260

AC

M10

Y11

S2260

AC

M11

X11

S2260

AC

Q2260

Q2260

Q2260

P4

P3

Foi l

（DN200）

GV-man

（DN200）

GV-man

（DN200）

TMP

（200 l /s）

水平偏向部

直線部C

QB7

Q2260

BH1

B16150

QH1

Q2260

BH2

B16150

QH2

Q2260

QH3

Q2260

QH4

Q2260

QH5

Q2260

BH3

B16150

BH4

B16150

QC2

QC3

Q2260

QC4

Q2260

QC5

Q2260

QC6

Q2260

QC7

Q2260

QC8

Q2260

QC9

Q2260

QC1

LQ30120

Y12

S2260

AC

X12

S2260

AC

M12

X13

S2260

AC

M13

Y13

S2260

AC

Y14

S2260

AC

M14

X14

S2260

AC

Y15

S3060

M15

X15

S3060

Y16

S2260

AC

M16

X16

S2260

AC

Y17

S2260

AC

M17

X17

S2260

AC

Y18

S2260

AC

M18

X18

S2260

AC

Y19

S2260

AC

M19

X19

S2260

AC

LQ30120

P5

GV3

（DN200）

GV4

（DN200）

QC9

Q2260

QC10

Q2260

← 3GeV RCS

beam dump

horizontal bend

neutron

target

muon target

NM tunnel

QX1

SQ3060

X01

S3060

QX2

QX3

QX4

Y01

S3060

B01

D15150

QX6

PB

PB13150

QX7

M01

X02

S3060

Y02

S3060

M02

QX8

DMP

D15150C

11.8deg

QX9

QX5

QX10

X03

S3060

M03

B02

Y03

S3060

QA1

QA2

X04

S3060

Y04

S3060

M04

QA3

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

D16150

SQ3060

SQ3060

SQ3060

ダンプ入射

P1

FCV1 & FCS1

(DN200)

P2

GV3

（φ 320）

GV2

（φ 320）

GV1

（φ 320）

proton beam

window

collimators

pulse magnet to

50-GeV MR

Length 2m

Width 34cm

Mercury target trolley

Proton

Hg

Light Water

Safety shroud

Double wall

structure

Thick.　2cm

Diam.　30 cm

Rotating target

5

ーが数週間で破損する可能性有

Swirl type bubbler

He-gas micro-bubbles

injec4ng into Hg target

Bubbling

distribu4on

Laser Doppler�

Mercury target vessel

Beam window (2.5 mm-t)

Most vulnerable to cavita4on damage

Vibra4on

measurement with a

Laser

Doppler Vibrometer(LDV)

Abrupt heating

of mercury

Pressure wave

Thermal

expansion�

Mercury

Wall

Cavita:on bubble

Bubble inflates

by the mercury

nega:ve

pressure.

Cavita:on

bubble shrinks

rapidly.

Shrink energy

concentrates to

one point

Wall

Micro-jet

Efforts to mi4gate cavita4on damage

with gas micro-bubbles

Ve

lo

ci

ty

am

pl

itu

de

(m

/s

)

Mirror

Time (ms)

Damage

∝

_P

4

6

Operational history of JSNS

Earthquake

Accident

at

Hadron Facility

532 kW

as of September 30. 2015

〜

_{560 kW}

593 kW

～

_{1 month interrup:on}

due to the fire in MLF

Interrup:on due to a

trouble of Hg-target

500 kW

300 kW

_{300 kW}

400 kW

Hg-target

replacement

Hg-target

replacement

1

MW

test

7

•  ピッティング損傷で

SNSでは水銀が漏洩

•  ピーク強度を抑えるの

は最重要課題

非線形光学によるビーム平坦化

 

線形光学ではどの場所でもガウス分布

l

 

幅を広げてピーク電流を低下が困難

l

 

非線形光学でビームを平坦な分布にし

ピークを低減

八極電磁石

w/ OCT

八極無し

w/o OCT

位相空間分布

Phase space

distribution

水平方向分布

Horizontal

distribution

位置　Position

角度　

D

ive

rg

en

ce

位置　Position

位置　Position

位置　Position

角度　

D

ive

rg

en

ce

強度　

In

te

nsi

ty

強度　

In

te

nsi

ty

八極電磁石

非励磁

/

励磁の

ビームプロファイルの比較

(計算値)

原理：裾野のビームを高次の

磁場で中心に畳み込む

動物に例えると

ハウンド

ブルドッグ

MLF

への適用

 

ビーム形状

:　

予想通りの平坦な分布を確認

9

Histogram: Simulation with OCT

Horizontal:

w/o OCT

w/ OCT

Vertical:

w/o OCT

w/ OCT

800 kW相当

800 kWeq

計算は実験と良い一致を示す

→設計通りに低減可能　

•  ビーム裾部強度は1/10倍に

•  八極電磁石により発熱密度のピーク

を

35%

減少

　　　裾部フィット： 　20.2 J/cc/pulse

　　　ピーク部フィット： 14.9 J/cc/pulse

八極電磁石励磁時のプロファイル（計算）

水平方向

垂直方向

八極電磁石励磁時のプロファイル

（実測値との比較）

9

実験と計算のプロファイルの比較

0

1000

2000

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

-100

0

100

0

1000

2000

Position (mm)

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

Horizontal

Vertical

0

1000

2000

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

-100

0

100

0

1000

2000

Position (mm)

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

Horizontal

Vertical

0

1000

2000

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

-100

0

100

0

1000

2000

Position (mm)

In

te

nsi

ty

(A

rb

u

ni

t)

Horizontal

Vertical

OCT 0A

OCT 698A

OCT 698A

₊

_{ミュオン標的有り}

•  計算は実験と良い一致（ミュオン標的の散乱の影響も正しく評価）

•  線形光学に比べ水平方向 14%, 垂直方向　20%のピーク減少によ

り合計で約

40%のピーク密度減少が可能

八極電磁石を用いたビーム

平坦化の考察

八極を用いる場合の位相空間分布

•  特異点にビームが収束

•  位相が発散の場合には極度に発散

TRAIN-TRAIN by 真島昌利

「いい奴ばかりじゃないけど悪い奴ばかりでもない」

_線形光学

_{非線形光学（収束）}

_{非線形光学（発散）}

12

ビームエンベロープの計算

•  包括線からビームロスの計

算が可能

•  位相によりビームが広がる

ため

_K

₈

を抑えた光学が望ま

しい

•  ミュオン標的周辺で数十W

のロスがあるが標的で生成

する放射線と同程度あるの

で問題にはならない

•  水平方向はanti-correlated

paintによりK

₈

を低下できロ

スをさらに低減可能

NMトンネル

M1トンネル

M2トンネル

QC10

Q2260

LQ30120

QNQ1

QNQ2

QM1

Q26100MIC

QM2

Q26100MIC

QN1

Q26100MIC

QN2

Q26100MIC

QN3

Q26100MIC

QN4

Q26100MIC

Y20

S2260

AC

M20

X20

S2260

AC

Y21

S3060

AC

M21

X21

S3060

AC

Y22

S2650

MIC

M22

X22

S2650

MIC

Y23

S2650

MIC

M23

X23

S2650

MIC

QC11

Q2260

QC12

P6

TMP 7

物質・生命実験施設

LQ30120

LQ30120

261500

314000

B.W

ダクト径φ290

Muon Target

FCV3

（DN200）

FCS

（DN200）

QM1

Q26100MIC

QM2

Q26100MIC

proton beam window

neutron target

QM3

Q26100MIC

QM4

Q26100MIC

QM5

Q26100MIC

QM6

Q26100MIC

Y22

S2650

MIC

M22

X22

S2650

MIC

Y23

S2650

MIC

M23

X23

S2650

MIC

muon target collimators

1600 ベースプレート 水銀ターゲット ヘリウムベッセル 遮蔽（鉄） ベッセルサポートシリンダー 反射体 遮蔽 （重ｺﾝｸﾘｰﾄ） アウター ライナー 遮蔽（鉄） 遮蔽（コンクリート） 水素輸送管 水素減速材 遮蔽（鉄） 陽子ビーム 陽子ビーム窓 陽子ビーム窓 メンテナンス用 ポート ターゲット台車 ベッセル内遮蔽体

P7

P8

垂直偏向部

直線部B

QA4

X05

S2260

AC

Y05

S2260

AC

M05

B1U

D16150V

QA5

X06

S2260

AC

QV1

Q2260

Y06

S2260

AC

M06

QV2

Q2260

QV3

Q2460

QV4

Q2260

QV5

Q2260

QV6

Q2260

QV7

Q2260

B1D

B16150V

QB1

Q2260

QB2

QB3

Q2260

QB4

Q2260

QB5

Q2260

QB6

Q2260

X07

S2260

AC

Y07

S2260

AC

M07

X08

S2260

AC

X08

S2260

AC

M08

Y09

S2260

AC

X09

S2260

AC

M09

X10

S2260

AC

Y10

S2260

AC

M10

Y11

S2260

AC

M11

X11

S2260

AC

Q2260

Q2260

Q2260

P4

P3

Foi l

（DN200）

GV-man

（DN200）

GV-man

（DN200）

TMP

（200 l /s）

水平偏向部

直線部C

QB7

Q2260

B16150

BH1

QH1

Q2260

BH2

B16150

QH2

Q2260

QH3

Q2260

QH4

Q2260

BH3

B16150

Q2260

QH5

BH4

B16150

QC2

QC3

Q2260

QC4

Q2260

QC5

Q2260

QC6

Q2260

QC7

Q2260

QC8

Q2260

QC9

Q2260

QC1

LQ30120

Y12

S2260

AC

X12

S2260

AC

M12

X13

S2260

AC

M13

Y13

S2260

AC

Y14

S2260

AC

M14

X14

S2260

AC

Y15

S3060

M15

X15

S3060

Y16

S2260

AC

M16

X16

S2260

AC

Y17

S2260

AC

M17

X17

S2260

AC

Y18

S2260

AC

M18

X18

S2260

AC

Y19

S2260

AC

M19

X19

S2260

AC

LQ30120

P5

GV3

（DN200）

GV4

（DN200）

QC9

Q2260

QC10

Q2260

← 3GeV RCS

beam dump

horizontal bend

neutron

target

muon target

NM tunnel

QX1

SQ3060

X01

S3060

QX2

QX3

QX4

Y01

S3060

B01

D15150

QX6

PB

PB13150

QX7

M01

X02

S3060

Y02

S3060

M02

QX8

DMP

D15150C

11.8deg

QX9

QX5

QX10

X03

S3060

M03

B02

Y03

S3060

QA1

QA2

X04

S3060

Y04

S3060

M04

QA3

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

SQ3060

D16150

SQ3060

SQ3060

SQ3060

ダンプ入射

P1

FCV1 & FCS1

(DN200)

P2

GV3

（φ 320）

GV2

（φ 320）

GV1

（φ 320）

proton beam

window

collimators

pulse magnet to

50-GeV MR

10

-8

10

-6

10

-8

10

-6

13

水平ビ

ー

ム

幅

[mm]

垂直ビ

ー

ム

幅

[mm]

0.5 MW

w/o OCT

・ Anti

・ C

or

八極を用いる場合の位相空間分布

線形光学

非線形光学（収束）

非線形光学（発散）

x

_ts

-x

_ts

フィラメントモデル

線形光学

非線形光学（収束）

非線形光学（発散）

角度の広がりを無視すると

直線上なモデルが成立

八極下流側のビーム位置

特異点

_(３重解)

λ

₁

λ

₃

<0,

0<φ<π/2

λ

₁

λ

₃

>0,

π/2<φ<π

15

x

₁

→ x

_t

傾き　

_–α/β

平坦化に必要な八極磁場

_(K

₈

₎

16

F. Meot等 PRST AB 3,

103501 (2000)

百合等

_{PRST AB 10, 10401(2007)}

x

_ts

_{= 4/3σ =4/3 (β}

_t

ε)

1/2

標的で平坦となる領域

(x

_ts

: 特異点）を決定すればK8が決定

フィラメントモデルを用いて多極の

電磁石により完全なる平坦化

フィラメントモデルを用いて

8

極

+12極電磁石により平坦化

八極単独だとサ

イドピーク発生

必要な磁場強度と位相進行差

17

- Meot

- 百合

1/tan φが小さければ必要なK8も小さい

→　1/tan φを小さくなる位相進行差を選択すればいいのか？

ビ

ー

ム

平坦領域

[mm]

x

ts

= 4/3 (β

t

ε)

1/2

最適となる位相進行差とは？

18

1/tan φ =1

1/tan φ =3

1/tan φ =7

1/tan φ =11

1/tan φ =3

1/tan φ =1

1/tan φ =3~7が良い

何故か？

フィラメントモデルに角度の広がりを考慮

何故

_(1/tan

_φ

₌

_3~7

が良いのか？）

19

フィラメントモデルは便利であるが限界：

　特異点では無限大の強度となる

x

_ts

-x

_ts

零の幅に有限の分布

F ≡ 特異点における強度/中心の強度

F=1 1/tan φ = 5.8

F=0.5　1/tan φ = 2.8

  (φ 20°)

9π/16 =0.171

一般解としての最適となる

_φ

20

F=0.5　

1/tan φ =2.8, φ=19.7°

F=0.7

1/tan φ =4, φ=14°

F=1.0

1/tan φ =5.8, φ=9.8°

CSNSの検討結果

　　

CSNSのTwissパラメータのみ限定

　　

_{1/tan φ = 4.2 φ = 13.5°}

本検討の最適値（一般解

) ：

　

_{2.8 < 1/tan φ < 5.8　　9.8 < φ <19.7}

まとめ

 

水銀ターゲットのピッティング損傷緩和のために非線

形光学によるビーム平坦化の技術を開発した。ピー

クの電流密度は

_{30%低減し、ピッティング損傷緩和は}

80%低減できる見込みを得た。

 

八極電磁石

1台を用いる場合でビームが磁場が平坦

となるパラメータを考案した

l 

ロスが発生しない程度に八極電磁石で

βを拡大

l 

ターゲット上のビーム幅から

βを決定　~ (βε)

0.5

l 

位相進行差

Φ　を　1/tan Φ = 3~5　となるように調整

21

 

今後の課題

l

 

Anti-correlated paintによる非線形光学の最適化

l

 

12極電磁石を用いたビームロスの低減

ご清聴ありがとうございました

大強度加速器施設には辛抱が必要

!

Water

leak events at mercury target

l 

In April 2015, water leak was found during 0.5 MW beam opera4on.

Water in target shroud soaked out through the defect of the

welding.

l 

On Nov 2015, water leaked into inner shroud so that we can not

find the leaked point (possibly defect of melding around mirror).

l 

Since no robust target remains, opera4onal beam power is decided

t

o be 200 kW.

Mercury target

Water drop

Ver4cal cross sec4on of the target vessel

Mercury

_{Helium gas}

Coolant water

Mercury vessel

Inner shroud wall

Outer shroud wall

Bolts

Outer shroud wall

Inner shroud wall

Mercury vessel

Bolt

Diffusion bonded surface

Seal welding

Water

Helium

TIG welding

24

中性子標的でのプロファイル（計算）

•  中性子標的入口のア

パチャと同じ面積とな

る理想的な形状となる

•  平坦化と八極電磁石

近傍のビームロスは

競合する

_{→八極下流}

の四極を花形ダクト化

により更なる平坦化を

目指す

OCT 0A

OCT 400A

OCT 698A

OCT 1200A

OCT 698A ミュオン標的有

SAD

を用いたツールの作成

 

ビーム調整時間が殆ど無く短時間で複雑な調整を行う必要がある

入射ビーム条件

八極電磁石条件

ビーム幅の観測結果から入射ビームとオプティクスのフィット

外挿領域(フィットに

は未使用）

Horizontal

Vertica

l

ミュオン標的

陽子ビー

_ム窓

S(m)

σ

x

, σ

y

(mm)

Be

am

w

id

th

D

isp

ersi

on

η

x

, η

y

(m)

ツールにより瞬時に複雑な調整が可能、ミュオン標的上での散乱を含むプロファイル計算可能

RCSの出射ビーム診断が瞬時に可能

位相差

ミュオン標的での散乱