Systematic experimental study of space-charge-induced beam instability in next-generation hadron accelerators using a compact ion-trap system

• Project/Area Number: 15H03662
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Okamoto Hiromi 広島大学, 先端物質科学研究科, 教授 (40211809)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 清一 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (70335719)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): HOTCHI Hideaki 日本原子力研究開発機構, 原子力化学研究部門, 副主任研究員 (00391334)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2017: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
• Keywords: 加速器 / 荷電粒子ビーム / イオントラップ / 空間電荷効果 / 集団的ビーム不安定性 / 非線形共鳴 / 粒子加速器 / 大強度ビーム / 非中性プラズマ

Outline of Final Research Achievements

A systematic experimental study is made of the so-called “space-charge effects” induced by the strong Coulomb self-field potential of an intense hadron beam in a next-generation accelerator. The unique ion-trap apparatus “S-POD” (Simulator of Particle Orbit Dynamics) developed at Hiroshima University is employed for this purpose. S-POD provides a many-body dynamical system (non-neutral plasma) physically equivalent to a relativistic charged-particle beam and thus enables us to explore various space-charge effects in a local tabletop environment. We have clarified the fundamental mechanism and parameter-dependence of coherent resonance instability driven by the space-charge potential and by weak imperfection fields. A prototype of a multipole ion trap has also been designed and constructed for the future study of beam stability under the influence of strong external nonlinearities.

Research Products

• [Journal Article] Effect of quadrupole focusing-field fluctuation on the transverse stability of intense hadron beams in storage rings (2018)
  • Author(s): K. Ito, M. Matsuba, and H. Okamoto
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: なし Issue: 2
  • DOI: 10.1093/ptep/pty004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulations on mixing charged particles in a nested Penning trap (2017)
  • Author(s): C. Kaga, H. Higaki, K. Fukushima, K. Osaki, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 18 Pages: 011013-011013
  • DOI: 10.7566/jpscp.18.011013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent resonance stop bands in alternating gradient beam transport (2017)
  • Author(s): K. Ito, H. Okamoto, Y. Tokashiki, and K. Fukushima
  • Journal Title: Phys. Rev. Accel. Beams Volume: 20 Issue: 6 Pages: 064201-064201
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.20.064201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Paul-trap experiment on the effect of linear focusing-field fluctuations on the long-term stability of an intense hadron beam (2017)
  • Author(s): K. Ito, M. Matsuba, and H. Okamoto
  • Journal Title: Proc. 14th Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: なし Pages: 901-904
• [Journal Article] Simultaneous confinement of low-energy electrons and positrons in a compact magnetic mirror trap (2017)
  • Author(s): H. Higaki, C. Kaga, K. Fukushima, H. Okamoto, Y. Nagata, Y. Kanai, and Y. Yamazaki
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 19 Issue: 2 Pages: 023016-023016
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aa5a45
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Double stop-band structure near half-integer tunes in high-intensity rings (2016)
  • Author(s): K. Moriya, M. Ota, K. Fukushima, M. Yamaguchi, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: Physical Review, Accelerators and Beams Volume: 19 Issue: 11 Pages: 114201-114201
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.19.114201
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Autoresonances of m=2 diocotron oscillations in non-neutral electron plasmas (2016)
  • Author(s): K. Gomberoff, H. Higaki, C. Koga, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 94 Issue: 4 Pages: 043204-043204
  • DOI: 10.1103/physreve.94.043204
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystalline beam studies with Andy Sessler (2016)
  • Author(s): J. Wei
  • Journal Title: Proc. International Workshop on Beam Cooling and Related Topic Volume: 印刷中
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design Study of a Multipole Ion Trap for Beam Physics Applications (2015)
  • Author(s): K. Fukushima
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 10 Issue: 0 Pages: 1401081-1401081
  • DOI: 10.1585/pfr.10.1401081
  • NAID: 130005286915
  • ISSN: 1880-6821
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Free-energy formula for emittance-growth estimation in intense mismatched beams (2015)
  • Author(s): K. Osaki
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: 093G01 Issue: 9 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1093/ptep/ptv128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental study on dipole motion of an ion plasma confined in a linear Paul trap (2015)
  • Author(s): K. Ito
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 236 Issue: 1-3 Pages: 29-37
  • DOI: 10.1007/s10751-015-1196-y
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 大強度ハドロンビームにおける低次集団振動モードのチューンシフト解析 (2018)
  • Author(s): 小島邦洸
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 一様磁場中のペニングトラップにおけるNeプラズマを用いた空間電荷効果の研究 (2018)
  • Author(s): 平塚雅健
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 非線形ビームダイナミクス研究用多重極イオントラップの特性 (2018)
  • Author(s): 青木将晃
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形収束場の揺らぎによるビーム損失に関するポールトラップ実験 (2018)
  • Author(s): 伊藤清一
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] イオントラップを用いた半整数チューン付近に励起される集団不安定性に関する研究 (2017)
  • Author(s): 伊藤清一
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 線形ポールトラップ中のイオンプラズマの長時間安定性と高周波ノイズの関係について (2017)
  • Author(s): 松葉政統
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 非線形ビームダイナミクス研究用多重極イオントラップの設計 (2017)
  • Author(s): 川村現
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Application of a compact ion trap to fundamental beam-dynamics studies (2017)
  • Author(s): Hiromi Okamoto
  • Organizer: the 10th International Conference on Nuclear Physics at Storage Rings
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線形収束場の揺らぎが高強度ハドロンビームの長時間安定性に及ぼす影響に関するポールトラップ実験 (2017)
  • Author(s): 伊藤清一
  • Organizer: 第14回日本加速器学会
• [Presentation] 2次元線形ブラソフ解析による共鳴不安定性の研究 (2016)
  • Author(s): 渡嘉敷雄士
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Nested Penning trap中の電子プラズマに対する陽電子プラズマ入射シミュレーション (2016)
  • Author(s): 加賀千翔人
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] イオントラップを用いた高次共鳴不安定性に関する実験的研究 (2016)
  • Author(s): 伊藤清一
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] イオントラップを用いた断面方向に非等方なビームの差共鳴上での時間発展 (2016)
  • Author(s): 守屋克洋
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] イオントラップを用いた半整数共鳴に関する実験的研究 (2016)
  • Author(s): 太田雅人
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] レーザー冷却を応用した40Ca+イオン蓄積法の開発 III (2016)
  • Author(s): 三浦裕貴
  • Organizer: 第71回日本物理学会 年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19