Development status of PRISM-FFAG ring and phase rotation

Development status of PRISM FFAG ring and
phase rotation simulation
Y. KURIYAMA (Osaka Univ.)
PRISM Working Group
内容
• PRISMプロジェクの紹介
• 現在のR&Dの状況報告
• 建設計画
• 位相空間回転シミューレション
• まとめ
PRISM(1)
• PRISM = Phase Rotation Intense Slow
Muon source
• 大強度 : 1011-12μ/sec
• 中心運動量 : 68MeV/c
• μ-e conversion experiment
• ΔP/P < ±2%
• FFAGリング内での位相空間回転
• 含有Pion : < 10-18
PRISM(2)
• ４つのセクション
（１）パイオン捕獲部
PRISM
Phase Rotated Intense Slow Moun source
PRIME
陽子ビーム
PRISM Muon to Electron conversion experiment
1. π 捕獲部
ミューオン停止標的
（２）パイオン崩壊
ミューオン生成部
2. μ 生成部
3. 位相空間回転部
• 建設中...
4. 検出器
（３）ミューオン
位相空間回転部
（４）検出器部
5m
Design of PRISM
•
•
•
•
•
•
•
N = 10
k = 5(4.6-5.2)
F/D(BL) = 6
r0 = 6.5m (P=68MeV/c)
half gap = 17cm
mag. size 110cm @ F cener
Triplet (D-F-D)
C-shaped
FFAG Magnet
• θF=2.2deg, θD=1.1deg
• tune
• h:2.71, v:1.52
詳細は次トークにて
Kicker Magnet
Kicker Magnet
RF Cavity
RF AMP
RF Power Supply
5m
大アクセプタンス
• 大強度のための大アクセプタンス
位相空間回転部
• 実機製作を開始
D‫ݷ‬घȳȤɫ
࠺ֹȵȤȯɭɈɭɳ
B‫ݷ‬घȳȤɫ
• FFAG電磁石
• 次のトーク
‫ߎژ‬஢ণಓӏ
෩݄୺‫ޝ‬
• 加速空洞
• Studyの開始
• キッカー電磁石
ࢩ֑ɝɳɗ
ȭɃȫĘૣ‫ݷ‬घ
޸ȗ߾Ǥ
ฟ݄‫߾׹‬ӏ
‫ߎژ‬஢ϧল֑ଵ
ȤȪɳϡ๐ԏෟؒল۴
• 入射ビーム
PRISM FFAGリングの性能実証が目的
加速空洞デザイン
Field Gradient (kV/m)
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
accelerate
CERN PSB
decelerate
200
150
-100
-50
0
SATUNE
MIMAS
Energy
250
Energy
Proton Synchrotron RF System
位相空間回転
CERN PS
㻳㻵㻬㻶㻰
50
100
time
AGS
time
ISIS
KEK BSTR
100
KEK PS
τμ = 2.2μsec → 速い位相空間回転が必要
50
㻭㻐㻳㻤㻵㻦㻃㻘㻓㻪㼈㻹㻃㻰㻵
JKJ 50GeV MR
位相空間回転の速度、バケットハイト
JKJ 3GeV√V
RCSRF
㻭㻐㻳㻤㻵㻦㻃㻖㻪㼈㻹㻃㻵㻦㻶
0
0
2
4
6
8
Frequency (MHz)
10
12
50GeV MR Upgrade
KEK-HGC
加速空洞パラメーター
Power tube
DC 33-37kV,1.5MW
Field Gradient
~200kV/m
Gaps/cavity
5 gaps
Length
33 cm/ gap
# of cores
6 cores/gap
Impedance
~1kΩ/gap
Size of core
1.7m x 1.0m
Cooling
Air cooling
(peak for 10μs)
(inner 1m x 0.3m)
加速空洞試験システム
大阪大学核物理センターに建設
• アンプ
• 電源
AMP
Cavity
Po
we
r
Su
pp
ly
• 試験用空洞
• 負荷用
• Z=700Ω
M-Experimental Hall, RCNP,Osaka-Univ.
加速空洞試験
• 43kV/gap (w/ Z=734Ω Cavity)
• デザイン値を達成 (60A current)
• PRISM Cavity (Z=900Ω) ...
• 55kV/gap
• 165kV/m
86.6kVp-p
PRISM Cavity
MA Core
1 Gap
w/ 6 MA cores
New Cavity
建設計画
• JFY 2003 加速空洞駆動アンプ製作完了
• JFY 2004 加速空洞筐体製作完了、FFAG電磁
石製作開始
• JFY 2005 FFAG電磁石製作
• JFY 2006 FFAG電磁石製作完了、リング組
み立て
• JFY 2007 コミッショニングと実証試験
位相空間回転
シミュレーション
phase rotation simulation
• 早い位相空間回転速度、運動量の広がりを抑える
RF : 250kV/m @ 5MHz
by A.Sato
ノコギリ波が適している
正弦波の高次成分の重ね合わせで実現
phase rotation simulation
• RF波形の最適化
• 早い位相空間回転速度、運動量の広がりを抑える
• 加速空洞のR&Dから得られた加速電圧でのシミュレーション
Sinewave_3bai_V(34,15,6),,F(5,-53,-74)
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-100
-50
0
50
100
-100
ΣΔP2= 17.6
-100
0
100
time(nsec)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-50
0
50
100
!p/p(%)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
Sinewave_3bai_V(34,15,6
Sinwave_2bai_V(34,13,0),,F(5,-54,0)
Sinewave_1bai_V(45),,F(4.186)
!p/p(%)
!p/p(%)
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
ΣΔP2= 9.87
-100
0
100
time(nsec)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-100
-50
0
50
100
ΣΔP2= 1.67
-100
0
100
time(nsec)
phase rotation simulation
• 位相空間回転終了までのターン数が多い
• ミューオンの数に影響
• 速い位相空間回転は実現できないか
• 粒子が感じる加速電圧が常に最大となる
ように、RF波形の形を時間とともに変化
させる？
phase rotation simulation
!p/p(%)
Sawtooth
2=1.08@5 turns
ΣΔP
RF波形(1 gap)
ΔP/P (%)
[kV]
20
in case of Normal RF
15
ΣΔP2=1.67@6 turns
10
5
[ns]
0
-5
ΔP/P < ±2%
-10
after 5 turns
-15
-20
位相空間回転後の粒子の
-100
0
100
time(ns)
時間的広がりの低減
time(nsec)
phase rotation simulation
まとめ
• 時間的に変動するRF波形を用いること
で、ΔP/P < ±2% @ 5 turnsが可能
• ３倍波までのRF成分が実際に空洞にて
実現可能かテストする必要がある
• 上流まで含めたシミュレーションでの
RF波形の最適化を行う必要がある
まとめ
• 空洞の製作が完了し、電磁石の製作が行わ
れている
• 電磁石詳細は次の話者（有本さん）
• 実機の性能を考慮にいれた位相空間回転シ
ミュレーションを行い、RF波形を最適化す
ることで、ΔP/P < ±2% @ 5 turns が可能で
あることを示した
• リング建設後の実証試験について検討中