1 2008~2009년도에 경북대 가속기 물 리 그룹은 경주 양성자 가속기의 차기 계
획 중 하나인 Rapid Cycling
Synchrotron (RCS)에서의 저속 인출의 빔라인을 위한 연구를 수행하였습니다.
양성자 빔의 저속 인출 시스템은 핵 및 입자물리 실험을 위해 건설된 일본의 J- PARC 연구소에서 선구적으로 연구가 진 행되고 있습니다. 본 연구 그룹이 수행한 빔라인 설계 연구 외에도 실제적인 실험 연구의 참여를 통해 본 연구를 더 심도있 게 발전 시키기 위해 J-PARC에서 연구 를 진행하고 있는 Masahito Tomizawa교 수님의 그룹을 방문하였습니다. J-PARC 연구소의 주 링(Main Ring)의 저속 빔 인 출시스템에서는 성능을 향상시키는 연구 가 진행되고 있으며 저속 인출된 빔은 Hadron Experimental Facility에서 실험 에 사용되고 있다. J-PARC의 저속 빔 인 출의 lattics 구조 연구 및 주 링에서의 빔 실험 연구에 참여하기 위해 본 사업단 에 J-PARC 이용연구 지원신청을 하였습 니다. 지원 선정 평가 결과, 방문연구로 선정되었고 사업단의 지원규정에 따라 2 인의 항공료와 체재비를 지원받았습니다
양성자 가속기의 저속 빔 인출시스템 은 빔 인출 하기 위한 Electro Static
Septum(ESS)과 공명을 일으키기 위한 육극자석 및 빔의 궤도를 변화시키기 위 한 Bump magnet으로 구성된 주요한 요 소입니다. J-PARC 센터 내 중앙통제실에 서 2010년 10월 5일부터 18일간 머무르 면서 spill feedback, beam loss monitor 와 ESS 실험을 하였습니다, 추후 10월 20일부터 23일간은 Transverse RF와 dynamic bump실험에 대한 추가적인 실 험을 하였습니다. 본 연구 그룹이 수행한 내용은 다음과 같습니다.
1. 저속 인출 spill feedback 원리 및 실험 결과
저속 인출을 통해 인출된 빔을 실험에 이용하기 위해서는 연속적이고 낮은 ripple noise를 가지며 박스 형태의 spill 을 가지는 빔이 요구된다. J-PARC 연구 소는 연속적인 빔을 제공하기 위하여 메 인링에 위치한 Electro Static Septum에 의해 시간에 따라 연속적으로 분리된 빔 을 인출 빔라인에 설치된 Magnet Septum을 통해 실험을 위한 빔라인에 전 달되도록 시스템이 설계되어 설치되었다.
위와 같은 시스템에서 인출되는 빔의 spill분포는 그림 1 과 같다. 저속 빔 인 출이 시작되면 메인링의 빔은 공명에 의 한 분리가 일어나며, 공명에 의해 분리된
사업성과
J-PARC 이용연구 결과 보고서
R&D of Slow Beam Extraction at J-PARC main ring
경북대학교 물리학과 가속기물리연구실
장시원, 김혜진
Center for Korean J-PARC Users (2010.12.7
화)2
그림 1. 저속 인출 system의 그림 2. 연속 빔 가동시의 spill feedback 원리 spill monitor.
그림 3. TRF voltage에 따른 spill duty factor 빔은 연속적으로 빔 인출이 일어나지만
그림 1의 왼쪽 상단의 그림과 같이 spill 분포가 gaussian의 형태를 가지게 된다.
그림 1의 아래와 같은 연속적이며 일정 한 intensity의 빔을 제공하기 위해 인출 Q-magnets (EQ)과 Ripple Q-magnet
(RQ)으로 구성된 피드백시스템이 필요하
게 되는데, 여기서 EQ는 가우시안 형태 의 spill을 박스형태의 spill로 만드는 역 할을 하며 RQ는 spill박스의 ripple 노이 즈 부분을 보정하기 위해 사용된다.
이번 실험에서는 EQ와 RQ의 band pass filter를 사용하여 300~1000Hz사 이의 주파수 컷을 시도하였으나 duty factor의 감소로 인해 필터를 사용하지 않기로 결정하였고, 추후 다시 실험을 수 행 할 예정이다. 또한 Digital Signal Processor(DSP)를 이용하여 Plat top 시 간의 변경 없이 spill time을 종전의 1.5s에서 2.1s까지 증가시켰고, 이때의 duty factor는 종전의 11%에서 12.52%
로 증가하였으며 이 결과는 그림2와 같 다.
2. Transverse RF tuning의 실험 결과
저속 인출 system의 원리는 육극 자 석을 이용하여 공명을 일으키고 이로 인 해 빔을 분리를 하게 되는데, 이때 Transverse RF(TRF)를 지나고 난 후 빔의 에미턴스가 커지면서 separatrix에 빠르게 접근하게 함으로 spill duty factor를 향상 시킬 수 있다. 이번 연구 에서는 TRF 5MHz 경우에서의 duty factor의 향상을 연구하였다. TRF를 사 용하지 않고 spill length가 2.1s일 경우 duty factor가 11%인 결과가 나왔고, TRF의 voltage를 90%를 제한하고 spill length가 1.6s일 경우 duty factor가 18.7%, TRF의 voltage를 90%를 제한하 고 spill length가 2.1s일 경우 duty factor가 17%인 결과가 나왔으며 이 결 과는 그림 3의 그래프에 주어져 있다.
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화)3
그림 4. J-PARC Main ring의 그림 5. Run #30의 설정 위치에서부터 빔 loss monitor ESS2의 위치 재조정
그림 6. ESS2의 위치 조정 후, SMS1의 평행이동 및 회전이동을 통한 위치 최적화 TRF에 따른 Main control room에서
의 spill duty factor는 20%에 근접하였 지만, Hadron Experimental Facility에서 의 실제 측정된 duty factor의 불안정으 로 인해 TRF의 frequency를 10MHz 이 상으로 상향하기로 하였고, 이를 위한 power supply가 추가적으로 요구되고 있다.
3. 빔 loss study 실험 결과
J-PARC Main ring은 모든 사극자석 에 설치된 빔 loss monitor를 통해 main ring에서의 빔 loss를 확인하며 이를 통 한 피드백 시스템을 운영하여 빔 loss를 줄이기 위한 연구가 진행 중이다.
빔 loss monitor를 통한 빔 loss study는 local bump의 유무에 따른 빔 loss 확인과 ESS1,2 및 SMS1의 평행이 동 및 회전이동에 따른 최적의 위치를 찾는 연구를 하였다. 4개의 저속 인출 bump magnets와 local bump magnet들 을 사용하여 각각의 사용 유무에 따른 bump orbit을 확인하고 그때의 빔 loss 를 확인한 결과 저속 인출 bump magnets만 사용하였을 때 입자의 생존 율이 97.1%이였으며 저속 인출 bump magnets와 local bump magnet을 사용 하였을 때 입자의 생존율이 98.3%로 상 향되었다. ESS와 SMS를 평행 이동 및 회전 이동 시켜 최적의 위치를 찾아 빔 loss를 감소 시킵니다. 이에 따른 인출
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화)4
그림7. 구간별 각도에 따른 빔 loss count
그림 8. Central Control Room에서 Slow Extraction실험에 대해 논의한 후 Main Ring 소속 사람들과 함께 찍은 사진
빔 효율은 98.3%에서 98.7%로 상향되었 다.
4. Dynamic bump study 실험 결과
마지막으로 Dynamic bump를 통해 빔 의 이동경로를 변화시켜 빔 loss를 줄인 다. Dynamic bump는 space charge effect를 최소화하고 transverse 방향의 불안정도를 줄일 수 있다. 빔의 가속이 30GeV로 끝난 구간에서부터 빔 인출되 기 전까지의 구간을 5등분하여 각각의 구간에서 빔 loss count가 최소인 회전각 도를 찾았다. 이 실험으로 인해 인출 빔 효율이 99.3%로 상향되었다.
J-PARC에서 수행한 일련의 실험들을 통해 저속 빔 인출라인에서 요구되는 Duty factor의 향상과 인출 빔의 효율을 향상 시킬 수 있었고 이러한 점들은 앞 으로 연구될 경주 양성자 가속기의 RCS 에서도 많은 활용이 가능 할 것이라고 예상되고 있습니다. 더 심도있는 연구를 위하여 앞으로 꾸준한 연구 참여가 필요 하다는 것을 또한 느낄 수 있었습니다.
또한 추후 J-PARC MAIN RING slow extraction machine study 참가를 요청 받았습니다. 』
