Study of beam loss in energy-recovery linacs (ERLs)

• Project/Area Number: 15K04747
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Quantum beam science
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: Nakamura Norio 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (10198228)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Tanaka Olga (コンスタンティノワ オリガ) 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 博士研究員 (00734568) ; 島田 美帆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 研究機関講師 (10442526) ; 宮島 司 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (50391769)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2015: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ビームロス / ビームハロー / エネルギー回収型リニアック / コリメータ / 光陰極電子銃 / 超伝導加速空洞 / シミュレーション / 電子銃励起レーザー / カソード時間応答 / 空間電荷効果 / バンチテール / フォトカソード / 電子銃

Outline of Final Research Achievements

We have studied various mechanizms of beam halo formation and beam loss generation in energy-recovery linacs(ERLs) by using simulations and measurements in order to safely achieve a high-current beam that cannot be accelerated and transported in ordinary linacs. As a result, we succeeded in demonstrating that the main cause of the beam loss in cERL is due to a new halo formation mechanism, in which a longitudinal bunch tail arising at the photocathode is transformed to a transverse beam halo due to transverse rf kicks from the accelerating fields of the radio-frequency cavities. We also showed that the unwanted beam loss can be effectively reduced by making use of a collimation system and that another cure is to reduce the bunch tail by changing the photocathode material from the present GaAs to a multi-alkali that is known to have a shorter longitudinal tail.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果の学術的意義は、幅広い学術研究利用が期待されるエネルギー回収型リニアック(ERL)の課題の１つであるビームロスのメカニズムの解明と抑制に貢献できたことで、電子銃光陰極のレーザー照射に対する時間応答の遅れに伴うバンチテールに起因する新しいビームハロー形成機構をシミュレーションと実験の両面で実証できたことは特に重要である。また、本研究によって、半導体リソグラフィー用極紫外線光源などの多くの産業利用が期待され、なおかつ加速エネルギーを回収・再利用できるという優れた経済性も有するERLの実用化に一歩近づいたことは大きな社会的な意義がある。

Research Products

• [Journal Article] New halo formation mechanism at the KEK compact energy recovery linac (2018)
  • Author(s): O. Tanaka, N. Nakamura, M. Shimada, T. Miyajima, A. Ueda, T. Obina, R. Takai
  • Journal Title: Physical Review Accelerators and Beams Volume: 21 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.21.024202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simulation study of the beam halo formation for beam loss estimation and mitigation at KEK Compact ERL (2016)
  • Author(s): O. Tanaka, T. Miyajima, N. Nakamura, T. Obina, M. Shimada, R. Takai
  • Journal Title: Proceedings of IPAC2016 Volume: 1 Pages: 1843-1846
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK (2016)
  • Author(s): T. Obina, K. Haga, K. Harada, Y. Honda, E. Kako, H. Kawata, Y. Kobayashi, T. Miyajima, N. Nakamura, H. Sagehashi, S. Sakanaka, M. Shimada, O. Tanaka, R. Takai, A. Ueda, M. Yamamoto et al.
  • Journal Title: Proceedings of IPAC2016 Volume: 1 Pages: 1835-1838
  • Open Access
• [Journal Article] Simulation study of beam halo and loss for KEK Compact ERL (2015)
  • Author(s): O. Tanaka, N. Nakamura, M. Shimada, T. Miyajima, S. Sakanaka
  • Journal Title: Proceedings of IPAC2015 Volume: 1 Pages: 1587-1590
  • Open Access
• [Presentation] Beam Halo at cERL（発表標題は未確定） (2019)
  • Author(s): Tanaka Olga
  • Organizer: ERL2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] コンパクトERLにおけるビームハローとビームロスのスタディー (2017)
  • Author(s): 田中 織雅，中村 典雄，島田 美帆，宮島 司，帯名 崇，高井 良太，布袋 貴大
  • Organizer: 第１４回日本加速器学会年会
• [Presentation] Beam Halo Study at the KEK Compact ERL (2017)
  • Author(s): O. Tanaka, T. Miyajima, N. Nakamura, M. Shimada, T. Hotei, K. Osaki
  • Organizer: The 59th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コンパクトERLにおけるビームロス低減のためビームハロー観察及び解析 (2016)
  • Author(s): 田中 オリガ，中村 典雄，島田 美帆，宮島 司，帯名 崇，高井 良太
  • Organizer: 第１３回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] コンパクトERLにおけるビーム電流約1mAの運転 (2016)
  • Author(s): 坂中 章悟，芳賀 開一，本田 洋介，松村 宏，宮島 司，野上 隆史，帯名 崇，下ヶ橋 秀典，島田 美帆，山本 将博，中村 典雄，高井 良太，田中 オリガ，原田 健太郎，許斐 太郎，阪井 寛志，梅森 健成，河田 洋，小林 幸則，羽島 良一，西森 信行
  • Organizer: 第１３回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] コンパクトERLにおけるエミッタンスおよびオプティクス測定 (2016)
  • Author(s): 島田 美帆，高井 良太，宮島 司，中村 典雄，本田 洋介，帯名 崇，上田 明
  • Organizer: 第１３回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] Beam Halo Propagation and Mitigation for Beam Loss Study at KEK Compact ERL (2015)
  • Author(s): 田中オリガ、中村典雄、島田美帆、帯名崇、高井良太、宮島司
  • Organizer: 第１２回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: プラザ萬象・あいあいプラザ（福井県敦賀市）
  • Year and Date: 2015-08-04
• [Presentation] cERL周回部のオプティクス測定 (2015)
  • Author(s): 島田美帆、中村典雄、高井良太、上田明、宮島司、本田洋介、帯名崇、原田健太郎
  • Organizer: 第１２回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: プラザ萬象・あいあいプラザ（福井県敦賀市）
  • Year and Date: 2015-08-04