PRISM-FFAGの開発(IX)入出射の検討大阪大学大学院理学研究科　

佐藤 朗

日本物理学会 第６０回年次大会＠ 東京理科大学 野田キャンパス

2005年3月24日～27日

Acceptance

Horizontal Acceptance 40,000π mm mrad

Vertical Acceptance 6,500π mm mrad

-400-200

0200

0

50

100

150

200

020406080

100120140

../rz/ffag_n10_g17_tr620-fm.4da.0.0680.rz

Horizontal

r(mrad)

ur(m

m)

(co

un

ts)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

-400 -200 0 2000

20

40

60

80

100

120

140

Horizontal r(mrad)

ur(

mm

)

4D Acc.=1035.5M(mm.mrad)2

-1000

100

0

20

40

0102030405060708090

Vertical

z(mrad)

uz(m

m)

(co

un

ts)

0

10

20

30

40

50

-100 0 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Vertical z(mrad)

uz(m

m)

-400-200

0200

0

50

100

150

200

020406080

100120140

../rz/ffag_n10_g17_tr620-fm.4da.0.0680.rz

Horizontal

r(mrad)

ur(m

m)

(counts

)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

-400 -200 0 2000

20

40

60

80

100

120

140

Horizontal r(mrad)

ur(

mm

)

4D Acc.=1035.5M(mm.mrad)2

-1000

100

0

20

40

0102030405060708090

Vertical

z(mrad)

uz(m

m)

(counts

)

0

10

20

30

40

50

-100 0 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Vertical z(mrad)

uz(m

m)

(mm) (mm)

(mrad)

(mrad)

Tracking results using TOSCA field

40,000pi mm mrad 6,000pi mm mrad

PRISM-FFAG 入出射の問題• ビームサイズ大• ビーム位置の運動量依存• 短寿命ミューオン• Kickerによる入出射

• 大口径• 速い立ち上がり　~50ns

内容• ビームトラッキングによる入出射検討• 水平方向への入射・出射• 垂直方向への入射・出射

• まとめ

Phase Rotation

Simulation

momentum spreadΔp/p = ± 2%

needs６turns (=1.5μs)

survival rate (68MeV/c) μ：0.56 π : <10-23

Simulation resultfield gradient ＝ 152kV/m

InitialΔp/p = ± 20%

after 6 turnΔp/p = ± 2%

no pion contamination

ビーム形状• 入射時

• 運動量 : 68MeV/c+-20%

• ビームサイズ大• 100cmx30cm

• 時間的広がり : 40ns(/270ns)

• kicker fall time < 230ns

• 出射時• 運動量 : 68MeV/c+-2%

• ビームサイズ• 70cmx30cm

• 時間的広がり : 200ns(/270ns)

• kicker rise time < 70ns

水平方向：入出射

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker-700G2352J863kV

出射

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker-700G588J863kV

入射

水平方向入出射のまとめL X Y U V

Horizontal B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)

one kick Injection -0.07 0 200 200 140 120 30 -588 863

Extraction -0.07 0 50 1000 140 120 30 -2352 863

Vertical B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)one kick any 0.3 0 50 1000 56 60 95 2016 10043

B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)

Kicker1 -0.0167 -0.078 50 200 56 30 95 -56 16

Kicker2 0.0147 0.064 50 200 140 30 95 123 30

Kicker3 0.06 0.5 50 200 56 50 95 336 335

Septum 0.25 1.5 50 200 56 80 95

1

Bob B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)Horizontal 0.108 50 122.5 120 34 3175 2038

B(T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)Vertical -0.0167 50 61 45 95 -92 25

0.0147 50 163 30 95 144 350.0206 50 61 45 95 113 390.171 50 82 56 95 1570 4459

€

U =By2 ⋅ L ⋅ X ⋅Y2µ0

,V =By ⋅ X ⋅ Ltrise

c.f. Neutrino Factory Study

RFOFO Kicker : U=8200J, V=5700kV

NuFact Study 2a FFAG Kicker : U=3000J, 240kV

FFAGのアクセプタンスを損ねない。

垂直方向：入出射

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

One Kickerで蹴り出す場合水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker3000G2016J10043V

垂直方向：入出射

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker x3 + Septum

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker-167G56J16kV

Kicker147G123J30kV

Kicker600G336J335kV

Septum2500G

FFAG04, R.B.Palmer(BNL)

垂直方向：入出射

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Momentum Dispersion 水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker-167G56J16kV

Kicker147G123J30kV

Kicker600G336J335kV

Septum2500G

４極磁場成分を加える

水平方向のビーム軌道

垂直方向のビーム軌道

100 cm

x

y

Kicker-167G56J16kV

Kicker147G123J30kV

Kicker600G336J335kV

Septum2500G

-0.078T/m 0.064T/m 0.5T/m 1.5T/m

垂直入出射：効率FFAGの4D Acc. : 1.0G(mm mrad)^2

FFAG-Kickerの4D Acc. : 0.64G(mm mrad)^2

• FFAGアクセプタンスの64%をカバー可能

Kicker-167G56J16kV

Kicker147G123J30kV

Kicker600G336J335kV

Septum2500G

-0.078T/m 0.064T/m 0.5T/m 1.5T/m

垂直方向入出射のまとめ

L X Y U V

Horizontal B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)

one kick Injection -0.07 0 200 200 140 120 30 -588 863

Extraction -0.07 0 50 1000 140 120 30 -2352 863

Vertical B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)one kick any 0.3 0 50 1000 56 60 95 2016 10043

B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)

Kicker1 -0.0167 -0.078 50 200 56 30 95 -56 16

Kicker2 0.0147 0.064 50 200 140 30 95 123 30

Kicker3 0.06 0.5 50 200 56 50 95 336 335

Septum 0.25 1.5 50 200 56 80 95

1

Bob B (T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)Horizontal 0.108 50 122.5 120 34 3175 2038

B(T) Gradient(T/m)

rise time(ns)

fall time(ns)

Length(cm)

Height(cm)

Width(cm)

StoredEnergy (J)

Single TurnVoltage(kV)Vertical -0.0167 50 61 45 95 -92 25

0.0147 50 163 30 95 144 350.0206 50 61 45 95 113 390.171 50 82 56 95 1570 4459

まとめ• ビームトラッキングシミュレーションにより

PRISM-FFAGの入射取り出しについて検討した。• 水平入出射では、１Kickerのみを用いた。FFAGのアクセプタンスを100%活用できる。Stored Energy, Voltageとも高いので、分割が必要。

• 垂直入出射では、3Kicker+Septumを用いた。Stored Energy, Voltageとも比較的低い。入出射効率は64%であった。

I nject ion and Ext ract ion in same 3 cel lsCent ral kicker must be pulsed twiceEnd kickers pulsed once

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What does a Combined Funct ion K icker Look L ikeYou already know

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