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

Research Project

Project/Area Number 15K04747
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Quantum beam science
Research InstitutionHigh 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 *help
¥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。

Report

(5 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • 2015 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2019 2018 2017 2016 2015

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] New halo formation mechanism at the KEK compact energy recovery linac2018

    • 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

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Simulation study of the beam halo formation for beam loss estimation and mitigation at KEK Compact ERL2016

    • Author(s)
      O. Tanaka, T. Miyajima, N. Nakamura, T. Obina, M. Shimada, R. Takai
    • Journal Title

      Proceedings of IPAC2016

      Volume: 1 Pages: 1843-1846

    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK2016

    • 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

    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Simulation study of beam halo and loss for KEK Compact ERL2015

    • Author(s)
      O. Tanaka, N. Nakamura, M. Shimada, T. Miyajima, S. Sakanaka
    • Journal Title

      Proceedings of IPAC2015

      Volume: 1 Pages: 1587-1590

    • Related Report
      2015 Research-status Report
    • Open Access
  • [Presentation] Beam Halo at cERL(発表標題は未確定)2019

    • Author(s)
      Tanaka Olga
    • Organizer
      ERL2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • 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
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] Beam Halo Study at the KEK Compact ERL2017

    • 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)
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • 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
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Beam Halo Propagation and Mitigation for Beam Loss Study at KEK Compact ERL2015

    • 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
    • Related Report
      2015 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2015 Research-status Report

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Published: 2015-04-16   Modified: 2020-03-30  

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