Elucidation of the fundamental mechanism of collective resonance instability in high-quality hadron beams

• Project/Area Number: 18H03472
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Okamoto Hiromi 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (40211809)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 清一 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 助教 (70335719)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2018: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000)
• Keywords: 粒子加速器 / 大強度ハドロンビーム / 共鳴不安定性 / 空間電荷効果 / 線形ポールトラップ / 非中性プラズマ / 大強度ビーム / イオントラップ

Outline of Final Research Achievements

The stability of next-generation hadron beams that have high particle density in phase space may be affected seriously by collective instabilities induced by the Coulomb self-field potential. In this work, we paid particular attention to the coherent betatron resonances whose detailed understanding is vital in designing a high-intensity hadron synchrotrons. A novel experimental approach developed at Hiroshima University was applied to explore the parameter dependence of the space-charge-driven resonances. We corroborated the two-dimensional coherent resonance conjecture introduced in the preceding theoretical study and proposed a new type of beam stability diagram useful to find the optimum operating condition of a general circular machine. It was confirmed that our diagram can explain actual experimental observations obtained in several existing synchrotrons.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

伝統的な非集団的描像に基づくビーム共鳴理論は粒子間クーロン相互作用の効果を正確には反映できておらず、しばしば実験データと矛盾する結果を与えていた。本研究によって集団的共鳴機構の重要性が認識され、従来の加速器設計基準が含む問題点が明らかとなった。修正された新しい設計基準は非常に簡便で、次世代大強度加速器の初期設計において威力を発揮するものと期待される。また本研究は、小型イオントラップシステムに基づく“実験室加速器物理”という新概念の有効性を示した点でも意義がある。

Research Products

• [Journal Article] Coherent and incoherent space-charge effects in high-intensity hadron rings (2020)
  • Author(s): Okamoto H.、Aoki M.、Ichikawa C.、Kojima K.、Kurauchi T.、Yamane Y.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 15 Issue: 07 Pages: P07017-P07017
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/07/p07017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reply to Comment on ‘Empirical condition of betatron resonances with space charge’ (2020)
  • Author(s): K. Kojima, H. Okamoto, and Y. Tokashiki
  • Journal Title: Phys. Rev. Accel. Beams Volume: 23 Issue: 2 Pages: 029002-029002
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.23.028002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A compact Paul ion trap for the study of space-charge effects in drift-tube linear accelerators (2019)
  • Author(s): H. Okamoto, K. Kojima, and K. Ito
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: 2019 Issue: 9
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz098
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Empirical condition of betatron resonances with space charge (2019)
  • Author(s): K. Kojima, H. Okamoto, and Y. Tokashiki
  • Journal Title: Phys. Rev. Accel. Beams Volume: 22 Issue: 7 Pages: 074201-074201
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.22.074201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accumulating laser-coolable ions in a linear Paul trap for ultrahigh-density beam dynamics experiment (2019)
  • Author(s): K. Ito, T. Masuda, H. Higaki, and H. Okamoto
  • Journal Title: Journal of Physics: Conf. Series Volume: 1350 Pages: 012126-012126
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental observation of low-order collective oscillation modes in a strong-focusing lattice (2019)
  • Author(s): K. Ito, T. Kurauchi, H. Higaki, and H. Okamoto
  • Journal Title: Journal of Physics: Conf. Series Volume: 1350 Pages: 012125-012125
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stability tune diagram of a high-intensity hadron ring (2019)
  • Author(s): H. Okamoto, Y. Tokashiki, and K. Kojima
  • Journal Title: Proc. 10th International Particle Accelerator Conf. Volume: - Pages: 3141-3144
  • Open Access
• [Journal Article] Hamiltonian formalism of intense beams in drift-tube linear accelerators (2019)
  • Author(s): H. Okamoto
  • Journal Title: Proc. 10th International Particle Accelerator Conf. Volume: - Pages: 3145-3147
  • Open Access
• [Journal Article] Preliminary beam-dynamics experiment on the excitation of nonlinear resonances using a modified Paul ion trap (2019)
  • Author(s): M. Aoki, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: Proc. 16th Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: - Pages: 738-741
  • Open Access
• [Journal Article] Direct measurement of the tunes of low-order coherent oscillation modes in a strong focusing lattice (2019)
  • Author(s): K. Ito, T. Kurauchi, H. Higaki, and H. Okamoto
  • Journal Title: Proc. 16th Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: - Pages: 441-444
  • Open Access
• [Journal Article] On the construction of a stability tune diagram for high-intensity hadron rings (2019)
  • Author(s): H. Okamoto, K. Kojima, and Y. Tokashiki
  • Journal Title: Proc. 16th Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: - Pages: 218-222
  • Open Access
• [Journal Article] A modified linear Paul trap for nonlinear beam-dynamics studies (2018)
  • Author(s): K. Ito, M. Aoki, H. Higaki, and H. Okamoto
  • Journal Title: Proc. 15th Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Volume: - Pages: 865-868
• [Journal Article] A new method to measure the beta function in a Paul trap (2018)
  • Author(s): L. K. Martin, S. L. Sheehy, D. J. Kelliher, S. Machida, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: Journal of Physics: Conf. Series Volume: 1067 Pages: 062016-062016
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1067/6/062016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 短バンチビーム実験用線形ポールトラップの基本構造定数の補正について (2021)
  • Author(s): 小島邦洸、岡本宏己、伊藤清一、五藤誠人
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 短バンチイオンビーム実験用線形ポールトラップを用いた共鳴不安定帯の確認 (2021)
  • Author(s): 五藤誠人、小島邦洸、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形ポールトラップからの単一カルシウムイオンの超高精度射出に関する研究 (2021)
  • Author(s): 室尾健人、伊藤清一、岡本宏己、宮脇信正
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形ポールトラップを使った線形および非線形集団振動モードのチューン測定 (2021)
  • Author(s): 倉内太道、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 大強度ハドロン加速器における共鳴不安定性の数値解析 (2021)
  • Author(s): 市川智聡、山根裕也、岡本宏己
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] CERN陽子シンクロトロンにおける共鳴不安定性の再現実験 (2021)
  • Author(s): 池田昂、市川智聡、伊藤清一、岡本宏己、檜垣浩之
  • Organizer: 第76回日本物理学会年次大会
• [Presentation] コヒーレント共鳴条件に基づくチューンダイアグラムの構築 (2020)
  • Author(s): 市川智聡、小島邦洸、山根裕也、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 大強度ハドロン線形加速器中の短バンチビームの安定性に関する数値解析的研究 (2020)
  • Author(s): 山根裕也、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 改良型イオントラップを用いた低次非線形共鳴の励起実験 (2020)
  • Author(s): 青木将晃、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 短バンチビーム実験用線形ポールトラップの設計と構築 (2020)
  • Author(s): 小島邦洸、岡本宏己、伊藤清一、五藤誠人、檜垣浩之
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 短バンチビーム実験用線形ポールトラップの閉じ込め特性 (2020)
  • Author(s): 五藤誠人、小島邦洸、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形ポールトラップを用いた空間電荷駆動非線形共鳴の実験的研究 (2020)
  • Author(s): 池田昂、市川智聡、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形コヒーレント振動モードの直接観測によるチューン降下率の決定 (2020)
  • Author(s): 倉内太道、青木将晃、伊藤清一、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 大強度ハドロンリングのチューンダイアグラム構成法について (2019)
  • Author(s): 岡本宏己、小島邦洸、渡嘉敷雄士
  • Organizer: 第16回日本加速器学会
• [Presentation] 強収束ラティスにおける低次コヒーレント振動モードの直接的チューン計測 (2019)
  • Author(s): 伊藤清一、倉内太道、檜垣浩之、岡本宏己
  • Organizer: 第16回日本加速器学会
• [Presentation] ビームダイナミクス研究用小型イオントラップによる非線形共鳴励起試験 (2019)
  • Author(s): 青木将晃、伊藤清一、岡本宏己、檜垣浩之
  • Organizer: 第16回日本加速器学会
• [Presentation] Stability tune diagram of a high-intensity hadron ring (2019)
  • Author(s): H. Okamoto, Y. Tokashiki, and K. Kojima
  • Organizer: 10th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hamiltonian formalism of intense beams in drift-tube linear accelerators (2019)
  • Author(s): H. Okamoto
  • Organizer: 10th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多極イオントラップにおける非中性プラズマ位置の最適化による非線形場の抑制 (2019)
  • Author(s): 白井拓海, 青木将晃, 伊藤清一, 檜垣浩之, 岡本宏己
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 大強度ビームにおける四重極振動モードの共鳴不安定化に関する数値解析 (2019)
  • Author(s): 山根裕也, 岡本宏己
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 大強度ハドロンビームの集団共鳴不安定性に関する数値解析的研究 (2019)
  • Author(s): 小島邦洸, 岡本宏己, 渡嘉敷雄士
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 非線形多極イオントラップを用いた非線形共鳴の励起実験 (2019)
  • Author(s): 青木将晃, 伊藤清一, 岡本宏己, 檜垣浩之, 白井拓海
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] イオンプラズマに励起された集団振動の観測 (2019)
  • Author(s): 倉内太道, 伊藤清一, 檜垣浩之, 岡本宏己
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 線形ポールトラップに捕捉したイオンプラズマの共鳴不安定帯の非破壊測定 (2019)
  • Author(s): 益田龍海, 伊藤清一, 檜垣浩之, 岡本宏己
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] バッファガス冷却されたイオンプラズマの特性 (2019)
  • Author(s): 伊藤清一, 檜垣浩之, 岡本宏己
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] ペニングトラップ中のNe+プラズマを用いた空間電荷効果の実験 (2019)
  • Author(s): 檜垣浩之, 平塚雅健, 伊藤清一, 岡本宏己
  • Organizer: 第74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を目的とした改良型ポールトラップ (2018)
  • Author(s): 伊藤清一, 青木将晃, 檜垣浩之, 岡本宏己
  • Organizer: 第15回日本加速器学会