39
Current status of beam commissioning and opera3on of the JPARC 3GeV RCS August 21, 2013 at RAL, UK Hideaki Hotchi (JPARC, JAEA)

Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Current  status  of  beam  commissioning  and  opera3on  

of  the  J-­‐PARC  3GeV  RCS    

August  21,  2013  at  RAL,  UK

Hideaki  Hotchi  (J-­‐PARC,  JAEA)

Page 2: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

JFY  2009  JFY  2008  JFY  2006  /  2007  

Neutrino  Beam  Line  to  Kamioka  (NU)  

Materials  &  Life  Science  Facility  (MLF)  

3  GeV  Rapid  Cycling    Synchrotron  (RCS)  

Hadron  Experimental  Hall  (HD)  

400  MeV  H-­‐  Linac                                                    [181  MeV  at  present]  

50  GeV  Main  Ring  Synchrotron  (MR)                          [30  GeV  at  present]  

J-­‐PARC  (JAEA  &  KEK)  

1  MW  

0.75  MW  

Page 3: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Contents  u Design  parameters  and  layout  of  the  J-­‐PARC  3-­‐GeV  RCS    

u Current  status  of  the  RCS  beam  opera?on                &  residual  radia?on  level  

u High  intensity  beam  trial  of  up  to  540  kW            -­‐  Beam  loss  reduc?on  by  injec?on  pain?ng            -­‐  Intensity  dependence  of  beam  loss  and                its  beam  loss  mechanism            -­‐  Comparison  between  experiment  and  numerical  simula?on  

u Beam  commissioning  plan  for  the  next  two  years  

u Summary  

Page 4: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Design  parameters  and  layout  of  the  J-­‐PARC  RCS  Circumference   348.333  m  

Super-­‐periodicity   3  

Injec?on     Charge-­‐exchange,  Mul?-­‐turn  

Injec?on  period   0.5  ms  

Injec?on  energy   181  MeV  ⇒ 400  MeV  

Extrac?on  energy   3  GeV  

Repe??on  rate   25  Hz  

Harmonic  number   2  

Number  of  bunches   2  

Par?cles  per  pulse   2.5e13  -­‐  5e13  ⇒ 8.3e13  

Output  beam  power   300-­‐600  kW  ⇒ 1  MW  

Transi?on  gamma   9.14  GeV  

Number  of  dipoles   24  

           quadrupoles   60  (7  families)  

             sextupoles   18  (3  families)  

               steerings   52  

           RF  cavi?es   12  (11  at  present)  

H-

Linac  upgrade  u  Output  energy  upgrade  by  adding  an  ACS  linac  sec?on              in  2013  summer-­‐autumn  maintenance  period                        181  MeV  ⇒ 400  MeV  u  Intensity  upgrade  by  replacing  IS  and  RFQ              in  2014  summer  maintenance  period                        Peak  current  30  mA  ⇒ 50  mA    

We  will  aim  at  the  design  output  beam  power  of  1  MW  aber  upgrading  the  linac.  

Pulse  dipole  magnet  to  switch  the  beam  des?na?on

Page 5: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

History  of  the  RCS  output  beam  power  u Beam  commissioning  of  the  linac  ;  November  2006~  u Beam  commissioning  of  the  RCS  ;  October  2007~  u Startup  of  the  MLF  user  opera?on  ;  December  2008~  

4  kW 20  kW

120  kW

300-­‐kW  demo.

210  kW 210  kW

300  kW

540-­‐kW  demo. Summer  shutdown

Summer  shutdown

Summer  shutdown

Recovery  from  damages  caused  by  East  Japan  earthquake

Outpu

t  pow

er  to

 MLF  (kW)  

Einj=181  MeV

u RCS  is  now  stably  providing  300  kW  beam  for  users.

u The  beam  power  ramp-­‐up  of  RCS  has  steadily  proceeded  following;              -­‐  Progression  in  beam  tuning  and  hardware  improvements,              -­‐  Careful  monitoring  of  the  trend  of  residual  ac?va?on  levels.

Page 6: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Current  residual  radia3on  level

Coll. Arc1 Arc2 Arc3 Inj. Radia?on  level  (mSv/h)  at  30  cm  from  the  chamber  surface  measured  2-­‐hour  aber  the  beam  shutdown  of  300  kW    rou?ne  user  opera?on  

0.17  ~  0.5

0.02  ~  

0.18

<0.07 <0.05 0.09  ~  0.6

BLM  signal  distribu?on  along  the  ring

u Beam  loss  amount  is  <1%  u Min  cause  of  beam  loss  is              foil  scaiering                during  injec?on.  u  Most  of  the  beam  loss                are  well  localized                at  the  collimator  sec?on.  

300  kW  rou3ne  user  opera3on

<  1  mSv/h  (@30  cm)  over  the  ring

RCS  is  now  stably  providing  300  kW  beam  for  users  within  the  permissible  beam  loss  level.

Einj=181  MeV

Page 7: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Accident  in  the  slow  extrac3on  from  MR  to  HD  target

2  s

5  ms

-­‐  Normal  slow  extrac?on  from  MR  to  HD  target:            the  beam  (3  x  1013)  was  slowly  extracted            during  2  s  using  a  3rd  order  resonance.

-­‐  Unusual  extrac?on  on  May  23,  2013  :              major  part  of  the  total  beam  (2  x  1013)  was  promptly              extracted  during    a  very  short  period  of  5  ms              due  to  the  malfunc?on  of  the  slow  extrac?on  device  EQ,              which  is  a  quadrupole  to  adjust  the  distance  between              the  opera?ng    tune  and  the  3rd  order  resonance. u  The  gold  target  in  the  HD  hall  used  to  produce  

secondary  par?cles  was  heated  up  and  par?ally  damaged,  causing  dispersion  of  radioac?ve  material  

             in  the  chamber.  u  The  radioac?ve  material  then  leaked  into              the  hadron  hall,  and  also  to  the  outside  of              the  radia?on  controlled  area  by  opera?on  of  the              ven?la?on  fans.  u  Consequently,  then,  34  radia?on  workers              in  the  HD  hall  were  exposed  to  radia?on,                  0.1-­‐1.7  mSv/h  (total  internal  and  external  dose).  

Normal  slow  extr.

Unusual  extr.  on  May  2013

Since  then,    J-­‐PARC  opera?on  has  been  suspended.  

u  The  external  expert  review  commiiee  is  now                inves?ga?ng  the  detailed  cause  of  the  accident                and  its  preven?ve  measure.  u  The  re-­‐startup  date  of  the  J-­‐PARC  opera?on  is                  s?ll  unclear,  but  we  are  now  advancing                  following  the  original  schedule                          -­‐  re-­‐startup  of  the  user  program  in  the  end                              of  January  2014  including                              the  linac  energy  upgrade  to  400  MeV.  

Detailed  report  (in  Japanese  and  English)  is  available  on  hip://j-­‐parc.jp/

Page 8: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

High  intensity  beam  trial  of  up  to  540  kW

Page 9: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

15.012 32 −≈−

f

pt

Brnεγπβ

Significance  of  high  intensity  beam  trial  of  up  to  540  kW  

Einj=400  MeV  50  mA  linac  peak  current        x  0.53  chopper  beam-­‐on  duty        x  307  turns  (0.5  ms)        x  25  Hz  →1  MW  at  3  GeV          (8.3E13/pulse)  

Einj=181  MeV  24.5  mA  linac  peak  current        x  0.60  chopper  beam-­‐on  duty        x  235  turns  (0.5  ms)        x  25  Hz  →540  kW  at  3  GeV            (4.5E13/pulse)  

24.012 32 −≈−

f

pt

Brnεγπβ >

Laslet  value  at  injec?on;   Laslet  value  at  injec?on;  

Design  beam  opera?on:

The  space-­‐charge  effect  at  injec?on  is  1.6  ?mes  higher  than  that  in  the  1-­‐MW  design  beam  opera?on  with  the  higher  injec?on  energy  of  400  MeV.

where  ε=216π  mm  mrad  for  both  cases

The  experimental  data  will  serves  as  a  valuable  benchmark  test  for            -­‐  Realizing  the  1  MW  design  beam  opera?on            -­‐  Discussing  the  further  RCS  power  upgrade  scenario  (1-­‐2  MW)  in  future

Page 10: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

u   Date  ;  Nov.,  2012  u   Injec?on  beam;                181  MeV/24.5  mA/0.5  ms/0.60  chopper  beam-­‐on  duty  factor                ⇒ 4.5E13/pulse,  corresponding  to  540  kW  output  at  25  Hz.  u  Opera?ng  point;  (6.45,  6.42)  

Experimental  setup  

In  this  experiment,  we  measured;          -­‐  Injec?on  pain?ng  parameter  dependence              of  beam  loss    -­‐  Intensity  dependence  of  beam  loss          -­‐  Time  structure  of  beam  loss          -­‐  Transverse  &  longitudinal  beam  profiles,                and  bunching  factor  .  .  .  .  .  .      Experimental  results    vs.    numerical  simula?ons  

Page 11: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Simpsons  (PIC  par?cle  tracking  code  developed  by  Dr.  Shinji  Machida)  Imperfec3ons  included:  u Time  independent  imperfec?ons         -­‐  Mul?pole  field  components  for  all  the  main  magnets:                     BM  (K1~6),  QM  (K5,  9),  and  SM  (K8)  obtained  from  field  measurements    -­‐  Measured  field  and  alignment  errors  u Time  dependent  imperfec?ons    -­‐  Sta?c  leakage  fields  from  the  extrac?on  beam  line:               K0,1  and  SK0,1  es?mated  from  measured  COD  and  op?cal  func?ons    -­‐  Edge  focus  of  the  injec?on  bump  magnets:                     K1  es?mated  from  measured  op?cal  func?ons    -­‐  BM-­‐QM  field  tracking  errors                     es?mated  from  measured  tune  varia?on  over  accelera?on    -­‐  1-­‐kHz  BM  ripple                     es?mated  from  measured  orbit  varia?on    -­‐  100-­‐kHz  ripple  induced  by  injec?on  bump  magnets                     es?mated  from  turn-­‐by-­‐turn  BPM  data  u   Foil  scaiering:          Coulomb  &  nuclear  scaiering  angle  distribu?on  calculated  with  GEANT  

Numerical  simula3on  setup

We  are  improving  calcula?on  model  step-­‐by-­‐step  following  the  progression  of  beam  experiment  in  collabora?on  with  Dr.  S.  Machida,  discussing  space-­‐charge  effect  and  its  combined  effects  with  machine  imperfec?ons.  

Time-­‐dependent  imperfec?ons  can  be  included  easily,  because  “Simpsons”  takes  “?me”  as  an  independent  variable.

Page 12: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Beam  loss  reduc3on  by  injec3on  pain3ng -­‐  H.  Hotchi  et  al,  PRST-­‐AB,  15,  040402  (2012).  -­‐  M.  Yamamoto  et  al,  NIM.,  Sect.  A  621,  15  (2010).  -­‐  F.  Tamura  et  al,  PRST-­‐AB  12,  041001  (2009).

Page 13: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Transverse  pain3ng  

Horizontal  pain?ng        by  a  horizontal  closed  orbit        varia?on  during  injec?on  

Ver?cal  pain?ng        by  a  ver?cal  injec?on        angle  change  during  injec?on

Transverse  pain?ng  makes  use  of  a  controlled  phase  space  offset  between  the  centroid  of  the  injec?on  beam  and  the  ring  closed  orbit  to  form  a  different  par?cle  distribu?on  of  the  circula?ng  beam  from  the  mul?-­‐turn  injected  beam.

εtp=  0~216π  mm  mrad  

“Correlated  pain?ng”

Page 14: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Transverse  pain3ng  

No  pain?ng

100π  transverse  pain?ng

Horizontal  Ver?cal  

Numerical  simula?ons Transverse  beam  distribu?on  just  aber  beam  injec?on  (at  0.5  ms)

x‘  (m

rad)

y‘  (m

rad)

x  (mm) y  (mm) y  (m

m)

x  (mm) Posi?on  (mm)

x‘  (m

rad)

y‘  (m

rad)

x  (mm) y  (mm)

y  (m

m)

x  (mm) Posi?on  (mm)

Density

 (Arb.)

Density

 (Arb.)

Page 15: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Longitudinal  pain3ng  Longitudinal  pain?ng  makes  use  of  a  controlled  momentum  offset  to  the  rf  bucket  in  combina?on  with  superposing  a  second  harmonic  rf  to  get  a  uniform  bunch  distribu?on  aber  the  mul?-­‐turn  injec?on.

Momentum  offset  injec?on

Δp/p=0,  -­‐0.1  and  -­‐0.2%

RF  voltage  paiern  

Uniform  bunch  distribu?on  is  formed  through  emiiance  dilu?on  by  the  large  synchrotron  mo?on  excited  by  momentum  offset.  

The  second  harmonic  rf  fills  the  role  in  shaping  flaier  and  wider  rf  bucket  poten?al,  leading  to  beier  longitudinal  mo?on  to  make  a  flaier  bunch  distribu?on.

Fundamental  rf

Second  harmonic  rf

V2/V1=80%

Time  (ms) RF  voltage  (kV) V1

V2

Page 16: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Longitudinal  pain3ng  

V2/V1=0

Vrf=V1sinφ-­‐V2sin{2(φ-­‐φs)+φ2}

Phase  sweep  of  the  second    harmonic  rf  

(A)  φ2=-­‐100  deg (B)  φ2=-­‐50  deg (C)  φ2=0

The  second  harmonic  phase  sweep  method  enables  further  bunch  distribu?on  control  through  a  dynamical  change  of  the  rf  bucket  poten?al  during  injec?on.

Addi?onal  control  of  longitudinal  pain?ng  ;  phase  sweep  of  V2  during  injec?on

φ2=-­‐100⇒0  deg

V2/V1=80%

φ  (Degrees)

RF  poten

?al  w

ell  (Arb.)

Page 17: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Longitudinal  pain3ng  

No  longitudinal  pain?ng

V2/V1=80%  φ2=-­‐100  to  0  deg  Δp/p=  0.0%

V2/V1=80%  φ2=-­‐100  to  0  deg  Δp/p=-­‐0.1%

V2/V1=80%  φ2=-­‐100  to  0  deg  Δp/p=-­‐0.2%

Measurements  (WCM)  Numerical  simula?ons  

Longitudinal  beam  distribu?on  just  aber  beam  injec?on  (at  0.5  ms)

Bf=0.15 Bf=0.40

Δp/p  (%

)

φ  (degrees)

Density

 (Arb.)

φ  (degrees)

Δp/p  (%

)

φ  (degrees)

Density

 (Arb.)

φ  (degrees)

Δp/p  (%

)

φ  (degrees)

Density

 (Arb.)

φ  (degrees)

Δp/p  (%

)

φ  (degrees)

Density

 (Arb.)

φ  (degrees)

Page 18: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Beam  loss  reduc3on  by  pain3ng  

ID εtp  (π  mm  mrad)

V2/V1  (%)

φ2  (deg)

Δp/p  (%)

1 -­‐ -­‐ -­‐ -­‐

2 100 -­‐ -­‐ -­‐

3 -­‐ 80 -­‐100 -­‐0.0

4 -­‐ 80 -­‐100 -­‐0.1

5 -­‐ 80 -­‐100 -­‐0.2

6 100 80 -­‐100 -­‐0.0

7 100 80 -­‐100 -­‐0.1

8 100 80 -­‐100 -­‐0.2

9 150 80 -­‐100 -­‐0.2

10 200 80 -­‐100 -­‐0.2

11 216 80 -­‐100 -­‐0.2

● Measurements  ○  Calcula?ons

Pain?ng  parameter  ID

Beam

 survival

Beam  survival:  output  intensity  (DCCT)  /input  intensity  (SCT76)

By  longitudinal  pain?ng

By  adding  100π  transverse  pain?ng

Min.  loss:~2%  Max.  output:  539  kW

No  pain?ng

ID1⇒ID8        Beam  loss  reduc?on  by  pain?ng  ID8⇒ID11    Beam  loss  increase  caused  by  larger  transverse  pain?ng  (εtp>150π)                                            due  to  the  aperture  limit.

Page 19: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Tune  footprint  at  the  end  of  injec3on

Par?cles  here  suffer  from  emiiance  dilu?ons,  leading  to  the  big  beam  loss.

ν x

νy

ν x

νy

-­‐  100π  transverse  pain?ng    -­‐  Full  longitudinal  pain?ng      (V2/V1=80%,  φ2=-­‐100  to  0  deg,  Δp/p=-­‐0.2%)

-­‐  No  transverse  pain?ng    -­‐  No  longitudinal  pain?ng  

Numerical  Simula?on

The  beam  loss  reduc?on  achieved  by  injec?on  pain?ng  can  be  interpreted  as  the  outcome  of  the  space  charge  mi?ga?on  led  through  the  charge  density  control  by  injec?on  pain?ng  and  its  resultant  mi?ga?on  of  the  influence  from  the  betatron  resonances.

ID1 ID8

x=6

y=6

x=6

y=6

The  tune  shib  is  mi?gated  by  injec?on  pain?ng

Page 20: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Intensity  dependence  of  beam  loss,  bunching  factor,  extrac3on  beam  profile・・・                                          

Page 21: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Beam

 survival  

Li  pulse  length  (µs)

539  kW 433  kW

326  kW

217  kW

104  kW

539  kW  (Li  pulse  500  µs) 433  kW  (Li  pulse  400  µs) 325  kW  (Li  pulse  300  µs) 217  kW  (Li  pulse  200  µs) 104  kW  (Li  pulse  100  µs)

Beam  survival  :        ra?o  of  output  intensity  (DCCT)          to  input  intensity  (SCT76)

Pain?ng  parameter  ID8  :      -­‐  100π  transverse  pain?ng      -­‐  Full  longitudinal  pain?ng  

Measurement  vs  calcula3on:  intensity  dependence  of  beam  loss  

● Measurements  ○ Calcula?ons

Page 22: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

539  kW  (500  µs) 433  kW  (400  µs) 326  kW  (300  µs) 217  kW  (200  µs) 104  kW  (100  µs)

Time  (ms) 0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

SBLM

 signal  (A

rb.)

Beam

 loss  (%

)

Time  (ms)

#  of  lost  par?cles/turn

Beam

 loss  (%

)

Calcula?ons

0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

Measurement  vs  Calcula3on:  intensity  dependence  of  beam  loss  (3me  structure)  

Scin?lla?on  type  BLM  @  Collimator

Normalized  to  be  2%  

(A) (B)

The  beam  loss  appears  only  for  the  first  4  ms  in  the  low  energy  region,  and  has  a  characteris?c  two  peak  structure  (A)  and  (B)  for  higher  intensity  beams.  

Page 23: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Measurement  vs  Calcula3on:  bunching  factor  from  injec3on  to  extrac3on

Time  (ms)

Bunching  factor

Time  (ms)

539  kW  (500  µs) 433  kW  (400  µs)

326  kW  (300  µs) 217  kW  (200  µs)

104  kW  (100  µs)

―  Calcula?ons

Page 24: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Measurement  vs  Calcula3on:  extrac3on  beam  profile  at  3  GeV

―  Calcula?ons

MWPM  @  extrac?on  beam  line

539  kW  (500  µs)

433  kW  (400  µs)

326  kW  (300  µs)

217  kW  (200  µs)

104  kW  (100  µs)

Charge  den

sity  (Arb.)

Posi?on  (mm)

Li  pulse  length  (µs) RM

S  width  (m

m)

Ver?cal

Horizontal

● Measurements  ○ Calcula?ons

Horizontal Ver?cal Intensity  dependence  of  RMS  beam  width

Our  numerical  simula?on  well  globally  reproduced  the  experimental  results  up  to  540  kW  intensity  beam.

Page 25: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Discussions  for  remaining  beam  loss  

Page 26: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

539  kW  (500  µs) 433  kW  (400  µs) 326  kW  (300  µs) 217  kW  (200  µs) 104  kW  (100  µs)

Time  (ms) 0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

SBLM

 signal  (A

rb.)

Beam

 loss  (%

)

Time  (ms)

#  of  lost  par?cles/turn

Beam

 loss  (%

)

Calcula?ons

0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

Scin?lla?on  type  BLM  @  Collimator

The  beam  loss  appears  only  for  the  first  4  ms  in  the  low  energy  region:  u Cause  of  (A)    Foil  scaiering  during  charge-­‐exchange  (H-  to  proton)  injec?on  u Cause  of  (B)    100-­‐kHz  dipole  field  ripple  induced  by  injec?on  bump  field  

(A) (B)

(A) (B)

2%

Possible  causes  of  remaining  beam  loss  

Page 27: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Time  (ms)

#  of  lost  par?cles/turn

0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

Time  structure  of  beam  loss  calculated  for  540  kW  (500  µs)  intensity  beam

Without  100-­‐kHz  ripple                                  induced  by  injec?on  bump  field  

With    100-­‐kHz  ripple                        induced  by  injec?on  bump  field                          (all  machine  imperfec?ons)

Loss  by  100  kHz  ripple  ~1.6%

Loss  by  foil  scaiering  ~0.5%

Possible  causes  of  remaining  beam  loss  

Conclusion  from  the  numerical  simula?on:        the  main  part  of  remaining  beam  loss  arises  from  foil  scaiering        and  100-­‐kHz  ripple  induced  by  injec?on  bump  field.

Page 28: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Time  (ms)

Kick  angle  of  ripple  (m

rad)

 Flaiop Fall  ?me  of  injec?on  bump

Time  structure  of  100-­‐kHz  dipole  field  ripple

Horizontal  Ver?cal

~100  kHz

Frequency  (MHz)

Power  (d

B)

FFT  spectrum  of  BPM  signal frev  x  5  β  side-­‐band  

peak  Side-­‐band  peak  excited  by  100-­‐kHz  ripple  induced  by  injec?on  bump  field  

This  fast  ripple  excites  addi?onal  betatron  resonances  at  0.2  during  injec?on  (first  ~1  ms)  and  affects  the  beam.  

100-­‐kHz  dipole  field  ripple  induced  by  injec3on  bump  field

Horizontal  

Page 29: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

ν x

νy

539  kW  (500  µs) 433  kW  (400  µs)

326  kW  (300  µs) 217  kW  (200  µs) 104  kW  (100  µs)

0.2  (100  kHz/frev                                at  injec?on)

0.2

Effect  of  100-­‐kHz  dipole  field  ripple Tune  footprint  calculated  at  the  end  of  injec?on

u  100-­‐kHz  ripple  makes  addi?onal              betatron  resonances  at  0.2              for  the  first  1  ms  period.  u  A  part  of  beam  par?cles  reaches  to              0.2  lines  due  to  space-­‐charge              tune  depression,              where  the  effect  of  ripple  builds  up,              leading  to  emiiance  growth.

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

Core  on  0.2  lines

Tail  on  0.2  lines

Present  opera?ng  point

The  situa?on  for  higher  intensity  beams  is  more  cri?cal  in  terms  of  halo/tail  forma?on  and  its  resultant  beam  loss,  because  the  100-­‐kHz  ripple  directly  affects  a  tail  part  of  the  beam.

Page 30: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Effect  of  100-­‐kHz  dipole  field  ripple

x  (m) y  (m)

539  kW

433  kW  

326  kW

217  kW

104  kW ―  Without  100-­‐kHz  ripple  ―  With  100-­‐kHz  ripple

Beam  profile  calculated  at  the  end  of  injec?on  (ploied  in  log  scale)

Horizontal Ver?cal

Charge  den

sity  (Arb.)

Larger  beam  halo/tail  forma?on  takes  place  for  higher  intensity  beam,  leading  to  beam  loss.

This  is  the  main  cause  of  the  second  beam  loss  structure  (B)  and  also  this  is  the  reason  why  the  second  beam  loss  structure  (B)  is  observed  only  for  higher  intensity  beams.

Page 31: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

RF  shield  strip  (Cu) Capacitor

Flange

Schema?c  drawing  of  the  rf-­‐shielded  ceramics  chamber  installed  in  the  injec?on  bump  magnets

Equivalent  circuit  of  the  RF  shield

Source  of  100-­‐kHz  dipole  field  ripple

Resonant  current  in  the  rf  shield  loop  induced  by  dB/dt  of  the  injec?on  bump  field    

u   If  the  rf  shield  keep  a  symmetric  configura?on,                the  ripple  field  can  be  canceled  out  through                the  four  injec?on  bump  magnets  (- + + -).  u   But  now  the  symmetric  condi?on  is  destroyed                because  a  part  of  capacitors  is  now  removed;                some  capacitors  burned  out                in  turning  on  the  injec?on  bump  field                because  of  the  lack  of  withstand  voltage.  u Such  asymmetric  configura?ons  of  the  rf  shield              spoil  the  cancela?on  and  the  remaining              field  ripple  component  affects  the  beam  at  present.  

New  ceramics  chamber  with  modified  rf-­‐shield  structure  without  the  chip  of  capacitors  will  be  installed.  ⇒ The  excess  2%  beam  loss  observed  for  540  kW  intensity  beam                  will  be  decreased  to  less  than  1%.

Y.  Shobuda  et  al,    PRST-­‐AB  12,  032401  (2009)

Page 32: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Further  beam  loss  reduc3on  (first-­‐aid  treatment)

Page 33: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

November  2012 April,  2013

539  kW  (500  µs) 432  kW  (400  µs) 324  kW  (300  µs) 214  kW  (200  µs) 105  kW  (100  µs)

Time  (ms)

SBLM

 signal  (A

rb.)

Beam

 loss  (%

)

BLM  @  collimator

~0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

556  kW  (500  µs) 445  kW  (400  µs) 333  kW  (300  µs) 221  kW  (200  µs) 108  kW  (100  µs)

Time  (ms)

SBLM

 signal  (A

rb.)

Beam

 loss  (%

)

BLM  @  collimator

~0.7  ms  :    End  of  foil  scaiering

~2% ~2.7%

2nd  High  intensity  trial  in  April  2013

Injec?on  beam  :    24.5  mA,  100-­‐500  µs,  640  ns,  2  bunches  

Injec?on  beam  :    25.5  mA,  100-­‐500  µs,  640  ns,  2bunches  

Page 34: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Effort  for  further  beam  loss  reduc3on    

Time  (ms)

Horizon

tal  tun

e Ve

r?cal  tun

e

(A)  Ac?ve  tune  change    to  mi?gate  the  resonant  condi?on  of  ν=0.2

Tune  1  (original)

Tune  2

Measurement

Tune  1  (original)

Tune  2

Foil

Δx

(B)  Re-­‐adjustment  of  foil  posi?on  to  reduce  the  foil  hi|ng  rate

Δx  :  13  mm  ⇒ 8  mm

Injec?on  beam  (H  :  7  mm,  V  :  7mm)

Main  cause  of  remaining  beam  loss  observed  for  ~560  kW  beam  :            -­‐  0.2  resonance  excited  by  100  kHz  dipole  ripple            -­‐  Foil  scaiering

This  kinds  of  ac?ve  tune  change  should  lead  to  the  mi?ga?on  of  the  build-­‐up  of  the  ripple  kick.  

Δy  40  mm Pulled  out

Page 35: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Li  pulse  :  500  µs

Time  (ms)

SBLM

 signal  (A

rb.) BLM  @  collimator

Beam

 loss  (%

)

Tune  1 Tune  2

Tune  1 Tune  2

2.7%  ⇒ 2.0%⇒1.4%

Foil  pos.  Δx  13⇒8  mm

Foil  pos.  Δx  13⇒8  mm

Effort  for  further  beam  loss  reduc3on    

u Beam  loss  for  560  kW  beam  was  reduced              almost  half  by  (A)  and  (B).  u Most  of  the  remaining  beam  loss  of  1.4%              was  well  localized  at  the  collimator  regions.  u This  1.4%-­‐loss  corresponds  to              470  W  in  power,  which  is  s?ll  less  than              1/8  of  the  current  collimator  limit  4  kW.  

We  hope  to  try  500  kW  rou?ne  beam  opera?on,  but  the  RCS  beam  power  is  now  limited  to  300  kW  to  minimize  the  damage  of  the  neutron  produc?on  target  as  possible.

Page 36: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Beam  commissioning  plan  for  the  next  two  years    (original  plan  before  the  accident  on  May  23,  2013) u We  con?nued  300  kW  rou?ne  user  opera?on  un?l  the  end  of  May,  2013  u Summer-­‐autumn  shutdown  in  2013              -­‐  Linac  upgrade:                      *Installa?on  of  the  ACS  linac  sec?on                                (Output  energy  ;  181  MeV⇒400  MeV)              -­‐  RCS  upgrade  &  maintenance:                          *Upgrade  of  the  power  supply  of  injec?on  bump  magnets                        *Installa?on  of  12th  RF  cavity                        *Re-­‐alignment,  etc.  u   December  2013~              -­‐  Beam  commissioning  of  400  MeV  linac  u   January  2014~              -­‐  Beam  commissioning  of  RCS  with  400  MeV  injec?on  energy    u End  of  January  2014              -­‐  Re-­‐startup  of  the  user  program  u   Summer  shutdown  in  2014              -­‐  Linac  upgrade                        *Upgrade  of  the  front-­‐end  system  IS  &  RFQ                          (Maximum  peak  current  ;  30  mA⇒50  mA)  u October  2014~              -­‐  Linac  and  RCS  start  beam  tuning  toward  the  1MW  output  beam  power  

The  re-­‐startup  date  of  the  beam  opera?on    is  s?ll  unclear.  Possibly  the  schedule  will  be  shibed  following    the  response  of  external  review  commiiee  for  the  accident  in  the  HD  hall.  

Page 37: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

1-­‐MW  beam  simula3on  with  Einj=400  MeV

Time  (ms)

#  of  lost  par?cles/turn

Beam

 loss  (%

) Time  (ms)

Beam  loss  for  the  first  4  ms  region

Loss  ~0.5%  at  injec?on,    which  is  mainly  from  foil  scaiering        ⇒ 670  W  <<  4  kW  (collimator  limit)

Injec?on  beam  ;  181  MeV/50  mA/0.5  ms/0.533  chopper  beam-­‐on  duty  factor                                                              ⇒ 8.3E13/pulse,  corresponding  to  1  MW  output  at  25  Hz  

The  numerical  simula?on  gives  a  posi?ve  sign    for  realizing  the  1  MW  design  opera?on.  But  we  s?ll  have  several  issues  for  1  MW  beam  opera?on.  

Page 38: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

u Beam  instability  arising  from  the  extrac?on  pulse  kicker  impedance:                    -­‐  Introduc?on  of  matching  resistor  and  diode  to  the  power  supplies                      for  damping  beam-­‐induced  currents  in  the  kicker  magnets                  -­‐  Modifica?on  of  the  coaxial  cable  lengths                      for  reducing  a  pile-­‐up  of  beam-­‐induced  currents  among  the  kickers  .  .  .      u Quality  of  the  1-­‐MW  extrac?on  beam,                namely  the  beam  halo/tail  reduc?on,              which  is  a  key  issue  especially  for  the  beam  injec?on  to  the  MR                  -­‐    Re-­‐op?miza?on  of  the  opera?ng  tune                  -­‐    Introduc?on  of  longer-­‐dura?on  2nd  harmonic  rf                        to  further  improve  the  bunching  factor  in  the  low  energy  region  .  .  .                  .  .  .  etc.  

Issues  for  the  1-­‐MW  beam  opera3on

Page 39: Currentstatusof’ beam’commissioning’andoperaon’ of… · 2017. 1. 17. · 2 /V 1 (%) φ 2 (deg) Δp/p (%) 1 5 5 5 5 2 100 5 5 5 3 5 80 100 0.0 4 5 80 100 0.1 5 5 80 100 0.2

Summary  u  The  RCS  beam  power  ramp-­‐up  has  steadily  proceeded  since  the  startup  of  

user  program  following  the  progression  in  beam  tuning              and  hardware  improvements.  u  The  RCS  is  now  stably  providing  300  kW  beam  for  users.  u We  have  successfully  achieved  a  high  intensity  trial  of  up  to  540  kW.    u  The  numerical  simula?on  well  reproduced              the  experimental  results  up  to  540  kW  intensity  beam.  u  Accelerator  modeling  and  quan?ta?ve  benchmarking              between  experiment  and  simula?on  becomes  feasible.  u  Beam  commissioning  of  the  RCS  proceeded  efficiently              through  the  itera?on  between  experiment  and  numerical  simula?on.    u We  are  progressing  toward  star?ng  the  1  MW  beam  tuning              in  October  2014  aber  upgrading  the  linac.