2018 Fiscal Year Annual Research Report
高品位ハドロンビームの集団共鳴不安定化とその発生条件の解明
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18H03472
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
岡本 宏己 広島大学, 先端物質科学研究科, 教授 (40211809)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 清一 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (70335719)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 粒子加速器 / 大強度ビーム / 非中性プラズマ / 空間電荷効果 / イオントラップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自己無撞着な多粒子シミュレーションを系統的に実施し、位相空間粒子密度に依存した集団共鳴不安定帯のシフト量を規定する定数因子（以下、C-factorと呼ぶ）を評価した。開発中の新型多極イオントラップを使った実験的評価を念頭に、低次摂動場を導入することによって、４次（八極）までの非線形集団振動モードに対するC-factorの値を先行研究よりも高い精度で求めた。初期位相空間分布関数として３つの異なるタイプ（ガウシアン、ウォーターバッグ型、放物型）を採用し、C-factorの値に有意な差が生じるかどうかも確認した。結果、いずれの分布関数に対してもC-factorの値は、理論からの予想通り、常に１より小さいことがわかった。
S-POD III号機に新型の多極イオントラップを導入し、その動作試験を実施した。従来型のポールトラップと同等のイオン閉じ込め性能が実現できていることを確認すると共に、挿入電極を用いた八極場の制御にも成功した。現在、六極場の制御に取り組んでいる。並行して、III号機で双極及び四重極振動モードの直接観測を試みた。電極に誘起される微弱な誘導電流をモニターすることにより、これら低次集団振動のチューンが実験的に決定できることを示した。
アスペクト比が１に近い短バンチ実験用の線形ポールトラップを設計・構築し、新しい真空容器に設置した。このトラップの電極構造を考慮した高周波電場計算を行い、得られたデータを基に短バンチプラズマの３次元安定性に関する多粒子シミュレーションを進めているところである。また、短バンチプラズマのハミルトニアンがドリフトチューブ型線形加速器中の大強度ハドロンビームを支配するハミルトニアンとほぼ同型であることを数学的に証明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書に記載した研究実施計画に沿って、実験・理論共おおむね順調に成果が上がっている。多粒子シミュレーションコードを駆使した理論的研究の進捗状況に関しては、当初の想定以上と言える（成果をまとめた論文は現在、海外の学術誌に投稿中である）。新型多極ポールトラップのイオン閉じ込め性能も従来型と遜色ないことが確認され、今後の非線形場励起実験へ問題なく移行できる。短バンチ実験用イオントラップの構築は完了しており、その運転に必要な主要備品類も既に入手済みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の通り、今のところ当初の実施計画に沿ってほぼ問題なく実験が進んでおり、研究内容の詳細に大きな変更を加えることは考えていない。実験データの解析や多粒子シミュレーションを軸とする理論的検討はとりわけ順調に進捗している。ただし、今後本格化する短バンチ実験のデータ解析には３次元モデルが必要である。これまでの計算で使用されていた２次元モデルに比べ、３次元計算にはかなりのCPU時間を要するため、シミュレーションコードの基本パラメータ（マクロ粒子数、電場計算のためのメッシュサイズ、数値積分のステップ幅、等）を慎重に最適化しなければならない。
平成３１年度前半には短バンチ実験用のイオントラップシステムを完成させたい。電源及び電子回路系の整備に時間を要するが、年度後半にはトラップの動作試験が開始できる見込みである。イオン閉じ込め特性を確認後、シンクロトロン共鳴を含む３次元的なビーム安定性の解明に着手する。新型の多極イオントラップについては、六極場の制御用高周波システムを製作しなければならないが、技術的にも原理的にもとくに問題となる要素はない。年度後半には非線形共鳴に関する所定の実験を始めたいと考えている。尚、S-POD III号機で双極及び四極モードの振動数の直接計測を試み、成功した。この実験は元々の研究計画には含まれていなかったが、C-factorの実験的決定に不可欠な“チューン降下率”の高精度評価に繋がるため実施した。もう暫くこの実験を継続し、閉じ込めイオン数とチューン降下率の関係を定量化しておきたい。
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