10 YEARS OF FFAG DEVELOPMENT
Yoshiharu Mori Kyoto University, Research Reactor Institute
2010年10月27日水曜日
10 YEARS OF FFAG DEVELOPMENT Yoshiharu Mori Kyoto University, - - PowerPoint PPT Presentation
10 YEARS OF FFAG DEVELOPMENT Yoshiharu Mori Kyoto University, Research Reactor Institute 2010 10 27 10 YEARS OF FFAG DEVELOPMENT mostly in Japan Yoshiharu Mori Kyoto University, Research Reactor Institute 2010 10
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Livingston)
B ∝ rk f θ
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
k = − r B ∂B ∂r
k ≈ 0 k >>1
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Seminar, JUAS, Feb. 15, 2010
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
Bz = B0 r r
k
f θ
( )
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Particle velocity changes in wide range. Rooms for the rf cavity are limited in the ring because of its compactness and high super-periodicity.
Zero chromaticity is very needed because momentum gain per turn is relatively small compared with that of electron.
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– Broad band
– High gradient
– Large aperture
– A few MHz to have large longitudinal acceptance
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High permeability ~2000 at 5 MHz High curie temperature ~570 deg. Thin tape ~18 mm Q is small ~0.6
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TEST CAVITY
*Single core (O.D=580mm,I.D=250mm, t=25mm) *Direct water cooling *RF power :30kW max.(B-class)
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Japan-Korea Summer School, 6/28/10, 水原
Fast acceleration requires fast frequency(phase) change.
Low Q (Q~1) is essentianl !
Adequate both for scaling and non-scaling FFAGs.
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Beam Injection Study
With Magnetic and Electric Septum
60nA 30nA ~25nA
Faraday Cup
~25nA
25th April 2003 First circular beam was measured in 150MeV-FFAG Synchrotron Accelerator.
we are studying the beam orbit in detail, and installing the bump magnets for the beam acceleration
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Cyclotron(Injector) and Beam transport
Transport 2 sets of steering+triplet Q mag. Cyclotron
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150 MeV FFAG magnet, the view from the center of the ring.
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Number of cores 2~4 Outer size 1.7m x 1m Inner size 1m x 0.23m RF frequency 1.5 - 4.6 MHz RF voltage 9 kV RF output 55 kW Power density 1 W/cm^3 Cooling water 70 L/min
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Shinji Machida, Yoshiharu Mori, Joe Nakano, Yasuo Sato, Akira Takagi, Takeidhiro Yokoi, Masahiro Yoshimoto, Yoshimasa Yuasa KEK, Ibaraki, Japan Yujiro Yonemura Kyushu-univ., Fukuoka, Japan Masamitsu Aiba
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
The test machine that Mori’s group developed is under re-installation.
Newly constructed machine still under development Further development at Kyushu A machine with various possibilities Challenges for new usage
Developed at KEK Moved to Kyushu
Main accelerator : FFAG Synchrotron
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
magnet Radial sector type (DFD-triplet) Cell 12 K-value 7.62 Beam energy 12 ⇒150 MeV ( 10 ⇒ 125 MeV) Radius 4.47 ⇒ 5.20 m Betatron tune H: 3.69~3.80 V: 1.14~1.30
F-field: 1.63 T (along orbit) D-field: 0.78 T
1.55~4.56 MHz Repetition 100 Hz
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
Various field studied with FFAG
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・Particle Identification +energy ・SSD telescope: high resolution (range in SI ~ 0.35 mm ) Improve background rejection 36S: 744 MeV、 <16+
36Cl, 36S
35Cl (q1+) (q2+)
7 MV tandem FFAG
36Cl, 36S: 56 MeV, 7+ (q1~30%)→ 13+ (q2~30%) 35Cl: 57.6 MeV, 7+ → 13+
36Cl: 744 MeV 17+ (~100%)
eliminate
35Cl: 765 MeV, 17+ Determination
36Cl, 36S
35Cl
Analyzing Magnet C foil
(q3+)
Beam stopper detector
36Cl
35Cl
AMS ion source
36Cl (T1/2 = 3 x 105 y) AMS
Powerful tool for earth, environmental, biological ocean sciences, astronomy, and so on possible contamination of particles with energies less than 475 MeV Dipole magnet
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・Particle Identification +energy ・SSD telescope: high resolution (range in SI ~ 0.35 mm ) Improve background rejection 36S: 744 MeV、 <16+
36Cl, 36S
35Cl (q1+) (q2+)
7 MV tandem FFAG
36Cl, 36S: 56 MeV, 7+ (q1~30%)→ 13+ (q2~30%) 35Cl: 57.6 MeV, 7+ → 13+
36Cl: 744 MeV 17+ (~100%)
eliminate
35Cl: 765 MeV, 17+ Determination
36Cl, 36S
35Cl
Analyzing Magnet C foil
(q3+)
Beam stopper detector
36Cl
35Cl
AMS ion source
36Cl (T1/2 = 3 x 105 y) AMS
Powerful tool for earth, environmental, biological ocean sciences, astronomy, and so on possible contamination of particles with energies less than 475 MeV Dipole magnet
*Acceleration of unstable nuclei Tandem p (7MeV)
11B
n
11C(0.2MeV/u)
FFAG
11C (2 MeV/u)
Acceleration of unstable nuclei and isomers
~1×106 atoms/sec *Acceleration of isomers
16O + 39K → 52mFe + p,n,n 18O + 9Be → 24mNe + p,n,n
(40MeV) (10MeV) (35MeV) (20MeV) ⇒ (100MeV) ⇒ (200MeV)
Advantage: ・High quality unstable beam for all elements Subjects ・Structure of high-spin isomer, Astro-nuclear data ・Diffusion process in material Requirement to accelerator ・Large acceptance (longitudinal and transverse)
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
conversion rare event experiment
energy spread and pion background.
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
5 m
Capture Solenoid Matching Section Solenoid
RF Power Supply RF AMP RF Cavity C-shaped FFAG Magnet Ejection System Injection System
FFAG ring Detector
Functions of the Muon Storage Ring
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
5 m
Capture Solenoid Matching Section Solenoid
RF Power Supply RF AMP RF Cavity C-shaped FFAG Magnet Ejection System Injection System
FFAG ring Detector
Functions of the Muon Storage Ring
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
6-cell PRISM-FFAG in the M-exp. hall of RCNP, Osaka University
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
(ns)
ref
t-t
50 100 150 200
E (MeV)
1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
Initial after 1 turn after 2 turn after 3 turn after 4 turn after 5 turn after 6 turn
h0
図 α線の位相空間回転のシミュレーションと測定結果の比較。高周波電圧 の場 合。ただし、測定結果のエネルギー変化量は 倍して重ね合わせている。
phase rotation of α in the 6-cell FFAG
Edata x 1.25
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
Energy Inj. / Ext. 50 / 500keV Orbit radius Inj. / Ext. 0.19 / 0.44m Acceleration frequency 10kHz Beam Current 100mA peak Duty 20% Outer diameter 1.1m
Gun Electron Beam Core for induction External FC
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
2400mm
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
and KUCA(Kyoto University Critical Assembly)
away from office.
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Seminar, JUAS, Feb. 15, 2010
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2009/09/17
H- Linac (11MeV, RFQ+DTL) FFAG-ERIT neutron source 150MeV FFAG proton accelerator complex To KUCA
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To KUCA Booster(11MeV) MAIN RING(100MeV)
Ion beta
(variable)
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KUCA-A Core - solid moderated and reflected -
proton profile at the reactor core
beam trip, negative reactivity introduction, etc.
method
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Seminar, JUAS, Feb. 15, 2010
WORLD FIRST ADSR EXPERIMENT WITH SPALLATION NEUTRONS
FFAG was successfully delivered to KUCA.
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UCANS-1, Aug. 15-18,2010,Beijing
Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.46 No.12, pp.1091-1093(2009).
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
internal target Be 5~10μm re-acceleration by rf Erf ~ 250kV negative hydorogen beam 11MeV +ΔE
neutron
Is(circulating beam current) 70~100mA Ia(ave. beam current) 70~100micro-A
injector (proton Linac) negative hydrogen ion source
Scheme : Neutron production with internal target placed in the proton storage ring where the beam emittance and energy are cured by ionization cooling.
Is/Ia=N:turn number
35~70keV
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
dp/p>+-5%(full)
1.77, 2.27
Theor Experim
Neutron Yield > 1013n/sec
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
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IDS-NF meeting, RAL, Sept. 22-25, 2010
158 159 160 161 162 163 164
2 4 6 y [m] x [m]
Figure 3 - Ring layout.
50 100 150
50 100 150 y [m] x [m]
Lattice type FDF triplet Injection/extraction energy 3.6/12.6 GeV RF frequency 200 MHz Number of turns 6 RF peak voltage (per turn) 1.8 GV Synchronous energy 8.04 GeV Mean radius ∼160.9 m Bmax(@ 12.6 GeV) 3.9 T Field index k 1390 Total orbit excursion 14.3 cm Harmonic number h 675 Number of cells 225 Long drift length ∼1.5 m
85.86 deg.
33.81 deg.
Table 1 - Example of 3.6 to 12.6 GeV muon scaling FFAG ring parameters.
51
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IDS-NF meeting, RAL, Sept. 22-25, 2010
158 159 160 161 162 163 164
2 4 6 y [m] x [m]
Figure 3 - Ring layout.
50 100 150
50 100 150 y [m] x [m]
Lattice type FDF triplet Injection/extraction energy 3.6/12.6 GeV RF frequency 200 MHz Number of turns 6 RF peak voltage (per turn) 1.8 GV Synchronous energy 8.04 GeV Mean radius ∼160.9 m Bmax(@ 12.6 GeV) 3.9 T Field index k 1390 Total orbit excursion 14.3 cm Harmonic number h 675 Number of cells 225 Long drift length ∼1.5 m
85.86 deg.
33.81 deg.
Table 1 - Example of 3.6 to 12.6 GeV muon scaling FFAG ring parameters.
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2 4 6 8 10 12 14 16 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ! [m] s [m]
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IDS-NF meeting, RAL, Sept. 22-25, 2010
158 159 160 161 162 163 164
2 4 6 y [m] x [m]
Figure 3 - Ring layout.
50 100 150
50 100 150 y [m] x [m]
Lattice type FDF triplet Injection/extraction energy 3.6/12.6 GeV RF frequency 200 MHz Number of turns 6 RF peak voltage (per turn) 1.8 GV Synchronous energy 8.04 GeV Mean radius ∼160.9 m Bmax(@ 12.6 GeV) 3.9 T Field index k 1390 Total orbit excursion 14.3 cm Harmonic number h 675 Number of cells 225 Long drift length ∼1.5 m
85.86 deg.
33.81 deg.
Table 1 - Example of 3.6 to 12.6 GeV muon scaling FFAG ring parameters.
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Japan-Korea Summer School, 6/28/10, 水原
Harmonic Number Jump → require higher harmonics
ηs ~ 1 3 ηring
dispersion suppressor
Planch, Mori
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
B = B0 r r
k
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CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
B = B0 r r
k
Bz = B0 exp n ρ x
2010年10月27日水曜日
CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
k +1 r
m
= n ρ
B = B0 r r
k
Bz = B0 exp n ρ x
2010年10月27日水曜日
CYCLOTRON’10, Sept. 6-10, 2010, Lanzhou
k +1 r
m
= n ρ
B = B0 r r
k
x = ln P
1
P ρ0 n0 − ρ1 n1
Bz = B0 exp n ρ x
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