ATAC09で報告されたJ-PARC リニアックビームエミッタンス

• 2008年12月以後、加速後のビームをRCSへの輸送ライン（L3BT）で曲げる時に、ビームロスがある。そのロス分布から、これは（正常な加速ビーム種の負水素ではなく）加速された陽子によるものと推定
• 加速後のビームライン全般にわたり、弱いビーム損失がある
• DTLでエミッタンス増加が起こり、SDTLでハローを生み出している

• 陽子加速による放射化はそれまでもあったが、別の原因だと勘違いして、誤った方向のスタディをしていた。
• RFQ故障以後に顕著な陽子加速がみられるようになった。

J-PARCリニアックのエミッタンス増加とハローについて

1. 通常ならば、MEBT出口（DTL 入射）のrmsエミッタンスは、〜0.2程度である。そこで、この値をリニアック中のエミッタンス増加を考える場合の基礎（出発点）とするのが適当であろう。
2. 空間電荷効果がそれほど強くはない5mAビームでも、DTL入射ビーム（出発点）に比べると大きなrmsエミッタンス増加（〜30％）がある。
3. 5mAビームの場合には、SDTL以後の加速過程ではエミッタンスはほぼ一定であり、エミッタンス増加はDTLで生じている。従って、DTL入射部と　DTL加速過程にチューニング不十分なミスマッチがあるのであろう。
4. ビーム電流が30mAの場合、rmsエミッタンスは顕著に増加する。その増加の程度は、電流5mAのビームと比べて、+30〜60%である。この大きな空間電荷効果依存性から、30mAビームは、十分な収束力のもとで加速されているとは云いがたい。
5. 99.5%エミッタンスは ７〜10とかなり大きい。これはビーム電流に依存せず、常に大きい。これはビームサイズが大きい事、及びミスマッチが生じている事が原因と考えられる。このミスマッチの中には、アラインメントの不備も含まれる。
6. これらの測定の間に関連がある事を前提とすれば、入射に比べて出射rmsエミッタンスが減少するケースがみられる。この結果に対しては二つの解釈ができる。一つは、水平と垂直のエミッタンスのミキシング。これは、相当のミスマッチが無ければ、その効果は顕著とはならないと思われる。もう一つは、コア部の振動エネルギーが周辺部へ移動する場合である。後者の場合、rmsエミッタンスは加速過程で減少するが、エミッタンスの外側の寄与が大きい99.5%エミッタンスは増加する。これは、ビームサイズが大きくなって、入射ミスマッチがある場合にはしばしば（シミュレーション上で）起こる現象である。従って、この場合にはビームプロファイル上ではハローが顕著となる。
7. かつてparticle-particle methodにより空間電荷効果を取り入れたビームシミュレーションコードを使ってJ-PARCリニアックのビームシミュレーションを行った。このコードは、使用する粒子数に依存して、空間電荷効果を多少過大評価する事がわかっているが、現在のJ-PARCリニアックでは、その計算コードが過大に評価した空間電荷効果（50mA）と同程度のrmsエミッタンス増加が発生している。これは何を意味するかと云えば、リニアック加速過程の収束力を弱めている結果、チューンデプレッション（〜外部収束力と空間電荷効果の比）としては、過大評価のシミュレーションと同じ程度になってしまっているという事であろう。ただし、ビームハロー部分に関しては、実際のビーム加速は空間電荷効果を過大評価したシミュレーションよりも悪い結果を与えているようだ。この意味は、弱い収束力によるビームサイズの増大、不十分なDTL-SDLマッチング、及び、アラインメント劣化等によるビーム軌道の蛇行などが関係していると思われる。

• リニアックビームのエミッタンス増加とハローの原因は、「横方向のミスマッチ」とされている。J-PARCリニアックで得られているエミッタンス増加と照らし合わせて考えれば、この意味は、空間電荷効果が強い場合には、十分なマッチングが、殊更とれないようなチューニング方法を使って、横方向マッチングを設定しているという事であろう。はたして担当者はこの評価に納得しているのか、あるいは、無関心なのか、あるいは本当にそのような欠点に満ちた方法でマッチングを行っているのか。
• 縦方向のミスマッチはモニターがない為らしいが、筆者はこの点についてかつてコメントした。
  • 現在のRFQビームダイナミクスデザインは、縦方向のハロー成分が多い事が指摘されている（2001年）（最後から２番目のスライド”Beam halos in RFQ beam”）
  • RFQ出力エネルギーを補完する為に、バンチャーの設定を異常にして、加速をしている。この方法は縦エミッタンスの増加をもたらしている
  • 出力ビームのエネルギー幅とバンチ長さをモニターする事で、相対的ではあるが、縦エミッタンス測定の替わりになりうるデータが取得可能な事をかつて示した。その方法は簡単で、SDTL加速後のFCT信号をスペアナでみるだけで良い。
    
    
  かつてPF(?)リニアックの出力ビームが好ましくない時があった。アラインメントの不備を補正するために、全てのステアリングを動員して、ビームを中心軌道に沿わせるようなチューニングをしていた結果と聞いている。一大決心をして、加速管の整列をやりなおした所、好ましいビームが得られたという。
  今、J-PARCリニアックはどうか。

  • 横方向の収束力が不足しているので、ビームサイズの増大とエミッタンス増加、ハロー生成等の問題を生じている。
  • MEBTの偏向磁石で横方向にわざわざビームを振って、横エミッタンス増大等の問題を起こしている。
  • RFQ出力エネルギーを補完する為にMEBTのバンチャーで縦方向にビームを振り、縦エミッタンス増大等の問題を起こしている。
  • 整列状態を確認する作業をするには相当の日数が必要な整列システムを作ったので、横方向整列具合に関しては盲目状態で運転せざるを得ない。
  • 出力エネルギーだけをデザイン値に合わせ、バンチ長さへは無関心というチューニング法を採用している為に、縦方向に対しても、片目状態の運転をしている。
  • 上記の誤った運転方法が相乗して、高エネルギー部のビーム損失を招いている。
    
    報告者によれば、追加のモニターさえ完備すれば全ては解決し、そう出来ない原因は man power and budget だそうである。
    
    実際に不足しているのは、「知恵」と「やる気」であろう。そして、本来ならば備えているはずの「知恵」と「やる気」が活躍出来ないのは、かつて下した誤った方針への評価と反省が不十分で、大きな桎梏となっているためではないか。

今後の課題

附たり