International Collaboration using Wideband Cavities for LHC Injector Upgrade

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19KK0078
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 大森 千広 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 (50213872)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷川 豪志 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 (20553605) ; 森田 裕一 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, 助教 (60712700) ; 田村 文彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (90370428) ; 杉山 泰之 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, 助教 (90789611)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Keywords: 陽子加速器 / CERN / 耐放射線 / LHC高輝度化 / 中性子線 / 金属磁性体 / 広帯域空洞

Outline of Annual Research Achievements

2022年度はタイ・バンコクで開催されたIPAC22において、本研究課題の主題であるCERNとの20年間にわたる共同研究について口頭発表をおこなった。IPACは加速器分野における主要な国際会議であり、例年1000人以上が参加している。また、J-PARCにおいて金属磁性体空洞のインピーダンス測定などを行っている小林愛音氏がCERNに出張し、CERN側の共同研究者と議論を行った。PSブースター加速器で広帯域空洞によって加速されたビームはPS,SPSで再加速されLHCにおいて最高エネルギーでの衝突実験に使用された。また、PSのダンパー空洞も順調に稼働している。
広帯域空洞技術の応用としてCERNで反陽子実験を行っているドイツ・マインツ大学の研究者と反陽子減速リングELENAからの100keVビームを10keVまで減速し反物質の生成を向上させるための線形型減速装置について協議を進めた。高エネルギー加速器研究機構が製造に協力した磁性体コアの性能が減速装置の仕様を満足し、来年度に一部製造を行う事となった。連合王国・ラザフォードアップルトン研究所の研究者らがJ-PARCを訪問し、早い繰り返しの陽子加速器ISISのアップグレード加速器のための広帯域空洞について協議を行った。また米国フェルミ研究所で検討中の新しい蓄積リングでもこの空洞の導入を考えている。広帯域空洞技術はCERN以外にも普及していくことが予想される。
CERNの陽子加速器、特にPSでは放射線レベルが高いため加速器内で使用されている金属磁性体コアの耐放射線性能の評価が必要である。J-PARCでのビーム運転再開に向け2021年度に実施した磁性材料の評価試験を再開する準備を進めた。
CERNで開発されたビームシミュレーションプログラムBLONDEを使うためにPCを購入した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

CERNでのLHC高輝度化に向けたビーム調整も順調に進み昨年は13.6TeVの最高エネルギーでの衝突実験が行われている。旧型のフェライト空洞を広帯域空洞に全面的に入れ替えたブースター加速器では、J-PARCでも実施されている基本波と二次高調波を用いたビーム加速に加え、新たに三次高調波の混合も始めている。これは広帯域空洞で初めて可能となった手法である。
金属磁性体空洞技術はCERNでの成功が国際的に高く評価され、ドイツや連合王国や米国の研究者からも興味を持たれている。今後、これらの研究にも協力する中で日本で発明されたナノ結晶材料を用いてJ-PARCが独自に開発した広帯域空洞技術はさらに国際的に普及していくことが予想される。
窒化ガリウム半導体アンプの開発がCERNで進んでいることおよびJ-PARCでもそのアンプからの出力を合成するための結合器の設計も進んでいる。
一方でコロナの影響もまだあり、本研究の目的の一つであるCERNでのビーム調整や試験への参加はまだ不十分であった。しかしながら、2023年度にむけCERNへの出張やCERN主催で広帯域空洞技術を含んだ初めて加速器スクールへの参加など準備を進めることができた。限られた時間ではあったが昨年のIPAC23国際会議では対面で密度の濃い情報交換を行うことができた。こうした直接的な交流は国際共同研究においては必要不可欠なものであることを再認識することができた。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は5月にイタリア・ベネチアで行われるIPAC23での共同研究の成果発表およびその後のCERNでの共同研究打ち合わせを行う予定である。この打ち合わせでは広帯域空洞に関連したビームスタディなどの予定について情報収集をおこない、CERNでのビーム物理研究への参加を検討する。また、6月末にはCERNの加速器スクールで初めて金属磁性体空洞に関する講義が行われる予定であり、そこではJ-PARCやCERN以外での金属磁性体空洞技術の現状に対する情報収集も行う。また、連合王国およびドイツにおける金属磁性体空洞技術の普及のため、求められる性能などについての調査を実施する。また本年秋に行われるHB(ハドロンビーム)ワークショップにおいて金属磁性体空洞全体についての発表を計画している。
金属磁性体空洞の普及に伴い、高い放射線環境下での使用も視野に入れる必要がある。CERNと協力し広帯域空洞用の高性能な磁性材料の耐放射試験を再開する。また、CERNの半導体増幅器技術を用いた高出力の増幅器の開発を進める。昨年から人的な交流が再開されたため、CERNとJ-PARCでのビームスタディに相互に参加するなどビーム物理研究を進めていく。

Causes of Carryover

本研究では主にCERNとJ-PARCでの広帯域空洞技術をベースにした人的な交流を目的としている。コロナ禍により中断していた人的交流が再開できたため2022年末にCERNでの打ち合わせを計画していたが、参加者の健康上の理由により2023年5月に延期された。本予算を最も有効に使用するためにはCERN加速器運転計画と加速器スタディの準備状況などのの詳細情報を元にCERNとの協議が必要であり、コロナ後に対応した計画の再立案が2023年5月になるため2022年度の執行予定分の一部を2023年度に繰り越す選択をおこなった。

Remarks

LHC高輝度化に対する日本の貢献は2019年のIPAC19国際会議でも触れられているが、本年5月のIPAC23国際会議の招待講演の中でLHC Injector Upgradeプロジェクト責任者のM. Meddahi氏が触れる予定。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CERN(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: CERN
• [Journal Article] 20-Year Collaboration on Synchrotron RF Between CERN and J-PARC (2022)
  • Author(s): C. Ohmori, K. Hasegawa, Y. Morita, H. Okita, M. Shirakata, Y. Sugiyama, F. Tamura, M. Yoshii, M. Paoluzzi, M. Brugger, M. Brucoli, H. Damerau, S. Danzeca, C. Rossi
  • Journal Title: IPAC2022 - Proceedings, doi:10.18429/JACoW-IPAC2022-FROXSP1 Volume: - Pages: 3130-3132
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design Studies on a High-Power Wide-Band RF Combiner for Consolidation of the Driver Amplifier of the J-PARC RCS (2022)
  • Author(s): H. Okita, K. Hara, K. Hasegawa, M. Nomura, T. Shimada, F. Tamura, M. Yamamoto, C. Ohmori, Y. Sugiyama, M. Yoshii ,M.M. Paoluzzi
  • Journal Title: IPAC2022 - Proceedings, https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2022-TUPOTK051 Volume: - Pages: 1333-1335
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 20-Year Collaboration on Synchrotron RF Between CERN and J-PARC (2022)
  • Author(s): 大森千広
  • Organizer: the 13th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] CERN Open Days (PS Boosterでの本研究に関する説明）
  • URL: https://twitter.com/CERN/status/1246832972155826178
• [Remarks] CERN Open Days (PS Boosterでの本研究に関する説明が含まれています）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?time_continue=4640&v=U3vutvLlo-8
• [Remarks] KEK-CERN Collaboration for new PS Booster Cavity
  • URL: http://cds.cern.ch/record/2289024
• [Remarks] 日欧の加速器の高性能化に貢献 - J-PARC、CERNで使う金属磁性体を製造
  • URL: http://www.j-parc.jp/ja/highlight/2017/highlights-j1701.html
• [Remarks] 第13回KEK-CERN委員会がCERNで開催されました
  • URL: https://www.kek.jp/ja/newsroom/2018/12/20/1024/