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RCNPでのミューオンビーム計画概要- MUSIC -
大阪大学大学院理学研究科久野良孝
RCNP研究会ミューオン科学と加速器研究平成20年10月21日
MUSIC
Muon Science International Center at Osaka University
Motivations for MUSIC
• The Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University has a ring cyclotron that has beam energy of 392 MeV. The energy is above the pion threshold. And therefore it can produce pions as well as muons.
• All the muon beam facilities in (and related to) Japan have a beam of pulsed time structure. But, the cyclotron provides a continuous beam.
• There are no muon beam facilities in the west (Kansai) of Japan.• Potential muon users in Osaka U. and nearby exist.• A large space for new instruments is available at the west
experimental hall at RCNP.• R&D on muon beams is highly demanded from the worldwide in
terms of neutrino factory and muon collider.
A muon beam facility at RCNP
• Highest Muon Beam Intensity• about 1012/sec for 1MW• about 1011/sec for 50 kW
• RCNP has about 420 W• If everything follows scaling,
the muon facility at RCNP can provide about 107-108 muons/sec.
• It is almost the same as PSI and J-PARC LMF.• only one beam channel• low spin polarization
• Detail estimations can be done in later.
Guess of Muon Beam Intensityfor COMET/PRISM type
目標：1011-1012個ミューオン/1MW陽子ビーム
normalized to 1MW beam power
muon beamintensity/sec
COMET/PRISM
（１）パイオン捕獲部：陽子ビームによる標的の照射で生成されたパイオンを効率よく収集する部分。超高磁場を発生する超伝導ソレノイド磁石（コイルとクライオスタットと電源）と陽子標的から構成される。
（２）パイオン崩壊ミューオン生成部：捕獲されたパイオンは超伝導ソレノイド磁石内部を飛行中に崩壊しミューオンとなる。中規模の磁場を発生する湾曲した超伝導ソレノイド磁石（コイルとクライオスタットと電源）から構成される。
（３）ミューオン位相空間回転部：ミューオンはリング状の蓄積装置に入れられる。ミューオンはリングを周回している間に高純度化と高輝度化される。その後、リングから引き出され実験に供される。リングを構成する電磁石とミューオン入射出射に関するキッカー磁石から構成される。
陽子ビーム：核物理研究センターからの陽子ビームを利用する。
自然に存在しないミューオンを人工的に生成するためには、陽子加速器からの陽子ビームを標的に照射する。その際に生成したパイオンを捕獲し、そのパイオンの崩壊から生じるミューオンを収集し、ミューオンビームとする。
設備概観図
ビームモニター⑬
真空システム⑫
陽子標的システム⑪
キッカー電磁石電源⑩
キッカー電磁石⑨
電磁石電源⑧
電磁石⑦
パイオン崩壊用超伝導磁石電源⑥
パイオン崩壊用超伝導磁石クライオスタット⑤
パイオン崩壊用超伝導磁石コイル④
パイオン捕獲用超伝導磁石電源③
パイオン捕獲用超伝導磁石クライオスタット②
パイオン捕獲用超伝導磁石コイル①
①
②
③
電源
電源
電源
④
⑤
⑨⑦
電源
⑧
⑩
⑪
⑫⑬
⑥
MUSIC設備
装置全体のレイアウト
陽子ビームライン部パイオン捕獲部
パイオン崩壊ミューオン輸送部
位相空間回転部
MUSE vs. MUSIC
MUSE MUSIC
location J-PARC RCNP
beam power 1000 kW 0.4 kW
intensity 108/sec 107-108/sec
time structure pulsed (25 Hz) continuous
beam polarization high medium
multiple use many channels only one channel
Muon Science (Segregation)
物質科学 素粒子物理
原子核物理生物物理
化学
加速器研究スピン回転
非破壊分析
大阪大学MUSIC施設
J-PARC MLFミュオン施設
Muon Physics Examples at MUSIC
• Particle Physics :• search for μ→eee (muon LFV)
• DC continuous beam is critical (coincidence experiment)• TPC to track 3 electrons/positrons
• Nuclear Physics :• nuclear muon capture (NMC)• pion capture and scattering
• Materials Science :• μSR (a μSR apparatus is needed)
• Chemistry• chemistry on pion/muon atoms
• Accelerator / Instruments R&D (for neutrino factory/muon collider)• Superconducting solenoid magnet R&D• FFAG and RF R&D• cooling method R&D
108 muons/sec
RCNPの西実験室内での配置
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核物理研究センターの中での位置
RCNP Cyclotron
beam current 1 micro A
beam energy 392 MeV
beam power 392 W
toward higher beam intensity.... (by Dr. Fukuda)
陽子ビーム
•陽子ビームの強度化・安定化のためのフラット・トップ空胴の更新•陽子ビームライン
•偏向電磁石（1台製作）•四重極電磁石（RCNPから借用）•電源•真空系•陽子ビーム診断装置•陽子ビームダンプ
•重コンクリートと鉄など
パイオン捕獲部
•超伝導コイル（赤）•鉄ヨーク（茶）•放射線シールド（青）•放射線による熱流入
• 1W以下•放射線量 <1kグレイ/年•冷却方法：cryo-cooler
•陽子標的：グラファイト
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Pion Capture Solenoid Specifications
パイオン崩壊ミューオン輸送部
•湾曲部曲率半径 3000mm
•磁場：2テスラ (z)、0.04テスラ (y)
•コイル常温内直径：400mm
•コイル数：16個 / 90度•コイル傾き角度：1.1度•
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Pion-decay and Muon-transport SolenoidsSpecifications
Transport Solenoid Design
Prototyping of the Muon Beam Transport Solenoid Magnets
3 magnets (by COMET, muon MLF, KEK cryogenic science center) will be constructed by March, 2009.
Prototyping of SC coils for Beam Transport Solenoid
• 3 pancake coils will be constructed by March, 2009. (Toshiba Co)• Ready to make purchase order.• Based on that the configuration of 16 coils for 90 degrees• cooled by cryo-coolers.
• Mechanical tests and quench tests.• quench back system
• closed loop (Al sheets) for induced currents• resistive coil frame for induced currents
• Different wedge supports to test different bending angles.• A new high-Tc superconductor, MgB2, will be used for one of the
coils for the first time.• advantage on low cooling power needed
• A large cryostat to put 3 of them together is available at KEK.
PRISM-FFAG (6 sectors) in RCNP, Osaka
Ready to demo. phase rotation
R&D on the PRISM Muon Storage (FFAG) Ring at Osaka University
If budget is available, the ring will be moved to the west experimental hall.
Phase Rotation Section
• Add 4 more FFAG magnets• completing the 10-cell PRISM FFAG
• Add field clamping for each of the PRISM FFAG ring• Add more RF system
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Summary
• A new highly intense muon source is planned to be constructed at RCNP.
• The muon source consists of • proton beam• target• pion capture solenoid section• pion decay and muon transport solenoid section• phase rotation section
• The muon source is planned to be located at the RCNP experimental hall.
• Budget request has been made and wait for funding..
