Development of high-speed intensity fluctuation monitor for high-intensity proton beam

• Project/Area Number: 22K03656
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 里 嘉典 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (30342603)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: ビーム強度モニタ / 非接触測定 / 遅い取り出しビーム / ビーム強度時間変動 / 非接触 / ビームデューティ

Outline of Research at the Start

大強度陽子加速器(J-PARC)ハドロン実験施設において、遅い取り出しビームのビーム強度を増強していく上で、2秒間の取り出しビームの時間変動の一様性を改善することは大強度ビームの利点を最大限に生かすために重要である。本研究では、非接触で陽子ビームの強度の時間変動を1ms以下の時間分解能で常時測定することができるビームデューティ測定モニタを開発し、大強度陽子ビームの品質向上に必要な信頼性の高い指標を常時提供することが目的である。

Outline of Annual Research Achievements

大強度陽子加速器(J-PARC)、主リングで30GeVに加速された陽子ビームは、遅い取り出し法を用いて5.3秒周期のうち約2秒間、疑似的な直流ビームとしてハドロン実験施設に取り出されている。遅い取り出しビームのビーム強度を増強していく上で、2秒間の取り出しビームの時間変動の一様性を改善することは大強度ビームの利点を最大限に生かすために重要である。本研究では、非接触で陽子ビームの強度の時間変動を1 ms以下の時間分解能で常時測定することができるビームデューティ測定モニタを開発し、大強度陽子ビームの品質向上に必要な信頼性の高い指標を常時提供することが目的である。
本研究では、1 Pa 程度の残留ガス中を陽子ビームが通過する際に発生する電離電子を電場と磁場を用いて薄型のシンチレータへ衝突させ、発生したシンチレーション光を光ファイバーによって誘導し、光電子増倍管で増幅することによりビーム強度の変動を高速に検知できるビーム強度モニタを開発する。
今年度においては、ビームライントンネル内において薄型シンチレータを用いる場合に問題となるトンネル内のバックグラウンド粒子（ミューオン等）の影響を評価するために製作したテストジグを、J-PARCハドロン実験施設の遅い取り出しビームラインに設置し、30GeV-60kW相当のビーム強度（6E+13 個/ショット）でのバックグラウンド信号を観測する予定であった。しかしながら、4月及び6月に発生した火災事象のため、ビーム運転時間が実質数日程度と極めて短い期間に限られての間ではあったが、シンチレータのシングルレートや光電子増倍管の印可電圧依存性についてのデータを取得した。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

今年度は5月後半からハドロン実験施設のビーム運転を開始する予定であったが、4月末に発生したMR加速器での火災事象のため、ハドロン実験施設の
ビーム運転開始が6月19日からに変更となった。その後ビーム調整を開始したが、6月21日にハドロン実験施設で火災事象が発生し、ビーム運転が終了した。
このため、ビームモニタの試験を行う期間が非常に短くなり、十分にデータを取ることができなかった。また、ハドロン実験施設で発生した火災事象の
復旧対応を6月以降年度末まで継続的に行う必要があったことから、、十分な研究時間を確保することができなかたった。

Strategy for Future Research Activity

次年度4月からはハドロン実験施設のビーム運転が再開できる見込みであることから、ビームライントンネル内のバックグラウンドの影響調査を行う。また、夏季停止期間中に残留ガスビーム強度モニタの真空容器をビームラインから取り外し、内部電極を改造して薄型シンチレータ及び光ファイバを真空容器内に取り付ける改造を行う。
2024年度11月以降のビーム運転に置いて、ビームモニタ信号のデータ収集を行う予定である。