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ion source神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012023_1 - 012023_5, 2024/05
J-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源用の新しいJ-PARC製アンテナの試験を行ってきている。最初のJ-PARC製アンテナの開発後、コーティングからの不純物ガス放出が懸念されたため、アンテナのエナメルコーティングの組成を変更した。新しいアンテナによる高密度プラズマ生成の試験中に、質量分析と分光スペクトル測定を行い、新アンテナからのガス放出特性を監視した。その結果、新アンテナからは顕著となる不純物の放出がないことを確認した。新アンテナを用いたHビーム引き出しを行い、Hビーム特性を測定した。新アンテナを使用してJ-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源より引き出したHビームのエミッタンスはSNS製アンテナを使用した場合と同様であることが分かった。新アンテナの耐久試験を促進するために、2MHz高周波入力電力を約60kWで5%のデューティーファクター(50Hzの繰り返しでパルス幅1ms)を新アンテナに印加し、高密度プラズマを生成した。この運転パラメータはJ-PARC加速器で運転するパラメータである2MHz高周波入力電力約30kW、25Hzの繰り返しでパルス幅0.8msに比べてはるかに高い値である。本発表では、新しいJ-PARC製アンテナの特性の結果を示すとともに、J-PARC加速器運用で使用するための新しいアンテナの実現の可能性について議論する。
ion beam extracted from an RF wave excited ion source plasma和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012031_1 - 012031_5, 2024/05
内部アンテナ型の高周波駆動負水素イオン源が、J-PARC加速器施設にビームを供給している。負水素イオンビーム電流は高い安定性を示しているが、テストスタンドでイオン源から引き出されたビーム電流をファラデーカップで測定すると、DC電流の大きさに対して、5%程度の変動がみられる。この変動には2つの周波数成分、駆動している高周波成分である2MHzとその2倍高調波の4MHzの成分が見られる。これらの成分の振幅レベルは、スリットを通過する特定の角度に向けられたビームの一部が検出されるにつれて大きく見える。全ビーム強度に小さな振幅の振動が観察される理由として考えられるのは、Hイオン生成の位置とファラデーカップに到達するその後の軌道に応じた局所ビームの平均位相シフトである。位相シフトがビーム全体の発信振幅を減少させる主な理由であるかどうかを確認するために、2MHz成分と4MHz成分の間の位相シフトを、位置を決める0.1mm幅のビーム入口スリットとファラデーカップに結合された0.1mm幅のスリットを通過するビームについて測定した。その結果、位相シフトが位置に応じて大きく変化することが示されたが、測定された位相シフトの空間分布を説明できる単純なモデルではなかった。RFアンテナ電流に対するビーム電流位相シフトの測定、バルマー
光の時間発展など、Hビーム輸送に関連するビームダイナミクスを明らかにする更なる試みを行う予定である。
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 中野 治久*; 星野 一生*; 宮本 賢治*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 川井 勲*; 小栗 英知; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012007_1 - 012007_5, 2024/05
高周波イオン源より引き出された負水素イオンビームの位相空間での振動について、電子、陽子および負水素イオンのイオン源引出領域での輸送過程を考慮した単純な3次元のParticle-In-Cell(PIC)法で調べた。J-PARC高周波負水素イオン源の配位で単孔の引き出し孔近傍を計算領域とした。プラズマ密度振動と引き出された負水素イオンビームの特性を理解するために、イオン源内のドライバー領域プラズマからの電子及び陽子の流れをプラズマ生成のために駆動している高周波の基本波(2MHz)と2倍高調波(4MHz)で変化させて、シミュレーションを実施した。数値解析の結果、プラズマパラメータの振動と様々な高周波位相で引き出された負水素イオンの軌道との間で主な物理過程が見いだされた。本発表では、振動の機構を抑える対処法についても議論する。
和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓
Journal of Instrumentation (Internet), 19(2), p.C02019_1 - C02019_7, 2024/02
J-PARCでは、2MHzの高周波(RF)電力で励起されたプラズマによるHイオン源が、ビーム源として加速器に供給されている。これまで、RFQ出口でビームが2MHzで揺動していることを見つけて以来、プラズマ励起RF周波数でのHビーム揺動について研究してきた。高周波成分は、プラズマの周辺領域に存在し、位相空間でのビームの変化を明らかにするために開発した高時間分解能エミッタンス測定の結果、2MHzで振動する発散ハロー成分の存在を明らかにした。ビーム中心での変動振幅には20%未満で4MHzで振動する成分も観測された。この4MHz成分は、RF誘導電場の強度が各サイクルで2回最大になるため、RFアンテナによる高エネルギー電子の生成に関連していると考えられる。一方、RF磁場の方向と電子の流れの方向は2MHzの周波数で変化する。よって、イオン源でのHイオン生成メカニズムは、引き出されたHビームを正確に特性化することで推定できる。Hビームの揺らぎをファラデーカップで測定し、周波数成分を調べた。Csを導入する前に測定されたビーム電流は、軸磁場補正(AMFC)コイルをオフにすると、4MHzの周波数で変動した。AMFCを誘導するためのコイルを励起すると電圧が増加するにつれて、主変動周波数は2MHzに移った。イオン源にCsを導入するとHビーム電流が増加し、AMFCのオン/オフ両方の場合で、4MHz成分がほぼ消失した。本発表では、Cs導入による4MHz成分の減少に関与する考えうる機構について議論する。
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 大越 清紀; 池上 清*; 小栗 英知; 石田 正紀*; 和田 元*
Journal of Instrumentation (Internet), 19, p.C01009_1 - C01009_8, 2024/01
2020年11月から2021年4月までの間に3651時間(5か月間)のイオン源の連続運転を達成した。高周波イオン源の運転寿命は主にエナメル塗装した高周波アンテナの破損によって制限されるので、連続運転の更なる延伸を目指すためには、アンテナ表面の詳細な評価を行いその可否が必要となる。今回、5か月間運転した後の高周波アンテナの表面の変色をデジタル顕微鏡とエネルギー分散型X線分析装置搭載走査型電子顕微鏡(SEM/EDS)で調べた。EDS分析によって得られた材料マッピングと線スペクトルから、セシウムによってイオン源真空容器の壁表面がスパッタされたと思われる原子が付着していたことが示された。また、エナメル塗装の表面に付着したセシウム原子が、アンテナ変色の主要因であると考えられる。運転前後のアンテナの厚みの測定結果は、変色が表面に付着した材料によるという考えを支持するものであり、よってエナメル塗装によるアンテナのプラズマからの絶縁が維持されていると考えられる。運転後に行ったエミッタンス測定では、アンテナ表面への付着がイオン源内の高周波プラズマやイオン源より引き出されたビーム生成に影響を与えていないことが示された。
神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*; 上野 彰
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.928 - 931, 2023/11
2014年秋よりJ-PARCで運用を開始した高周波駆動型大強度負水素イオン源の2022年秋から2023年夏までの運転状況について報告する。J-PARCでは、リニアックで50mAの負水素イオンビームを引き出すために、イオン源よりビームエネルギー50keVでビーム電流60mAのビームを生成・引き出している。これまで、J-PARCでは2022年夏までの運転で4001時間のイオン源連続運転を達成した。また、2022年秋より運転を再開した後、イオン源は年末年始や年度末の運転休止期間などを挟んで、2023年6月まで途中で交換することなく、1台のイオン源で運転を継続した。本発表では、J-PARC負水素イオン源の運転状況を報告する。また、イオン源グループで試験を進めている高周波プラズマ生成用のJ-PARC製内部アンテナの状況についても併せて報告する。
beam at J-PARC RCSSaha, P. K.; 原田 寛之; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.59 - 63, 2023/11
To overcome the issues and practical limitations associated with the stripper foil used for the charge-exchange injection (CEI) of H beam for high-intensity proton accelerators, we are studying a foil-less H CEI by using only lasers at J-PARC RCS. To establish our principle, we are preparing for a POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H stripping to proton by using lasers. We will use both IR and UV lasers in the process of H stripping to protons. A prototype YAG laser system has been developed through experimental studies of 3 MeV H neutralization. We have also developed a multi-reflection laser cavity system to sufficiently reduce the seed laser energy. We have succeeded for 32 reflections to gain on the laser energy up to 16 to obtain a neutralization fraction of 25%. To realize a perfect benefit of the cavity, we also recently developed higher efficient vacuum windows by which we can achieve the laser energy gain to almost 32, proportional to the number of reflections. As a result, the average power of the seed laser can be reduced to 1/32, which is more useful for the UV laser. The laser setup at the 400 MeV beam line is in progress to start POP experimental studies in 2024.
神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 和田 元*
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.392 - 395, 2023/11
J-PARCなどの大強度陽子加速器施設やITERなどの中性粒子入射加熱施設で用いられている高周波負水素イオン源では、駆動周波数が1
2MHzの高周波源を用いてイオン源内プラズマを生成している。我々はこれまでにこのような数MHz帯域の高周波源を用いたイオン源より引き出された負水素イオンビームが、駆動周波数またはその2倍高調波成分をもって揺動していることを示してきた。これは、イオン源内のプラズマ密度が高く、イオンプラズマ周波数よりも低い周波数の駆動周波数でプラズマを生成していることが原因である。そこで、我々はイオンプラズマ周波数よりも高い周波数、例えばJ-PARCリニアックの高周波源(クライストロン)の周波数(324MHz)でイオン源プラズマを生成した場合に、引き出された負水素イオンビームの揺動が抑えられると考えた。そのために、先ずは高周波源からの入力電力を損失無く、イオン源内プラズマに投入するための整合回路の設計を行った。本発表では、新たな高周波源を用いることを検討した経緯と整合回路の設計結果について報告する。
神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 小栗 英知
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.675 - 679, 2023/01
J-PARCでは、アンテナの製作法や製作したアンテナの性能を理解することを目的として、J-PARC製内部アンテナを試作し試験を進めてきている。内部アンテナによる高周波放電により高密度プラズマを生成した時のガス放出特性を調べた。イオン源下流に設置した四重極質量分析器による残留ガス分析及びイオン源内プラズマの分光計測より、J-PARC製内部アンテナから顕著な不純物が放出されていないことが確認された。この内部アンテナを用いてJ-PARC高周波負水素イオン源より引き出した負水素イオンビームのエミッタンスは、これまでのSNS製内部アンテナの場合と同様の大きさであることが分かった。
柴田 崇統*; 石田 正紀*; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 小栗 英知
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.863 - 867, 2023/01
J-PARC利用運転時間(年間約7ヶ月間)の安定なビーム供給を目指して、近年J-PARC高周波イオン源の連続運転期間が、徐々に延伸されてきた。2020年11月から2021年4月までの期間に3651時間(5か月間)のイオン源連続運転を達成した。イオン源の連続運転時間は、主に高周波アンテナの破損によって制限されるので、アンテナ表面状態の詳細な評価は運転時間の更なる延伸の実現性を確証するためには必要である。今回の研究では、高周波アンテナ表面の変色を理解するために、運転後のアンテナの形状測定とSEM/EDS分析を行った。分析の結果、長時間運転後の変色は表面生成過程による負水素イオン生成増大化のために入射するセシウムの堆積とイオン源真空容器で用いているステンレス鋼の成分元素である鉄,クロム,ニッケルなどの堆積によるものであることが分かった。この結果は、高周波アンテナのエナメルコーティングが数ケ月間の長時間運転では摩耗していなかったことを示しており、よってイオン源の更なる連続運転の延伸が可能である。
laser stripping at J-PARC RCSSaha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.272 - 276, 2023/01
To eliminate the issues and practical limitations associated with a stripper foil used in a proton accelerator for the charge-exchange injection of H beam, we are preparing for a POP (proof-of-principle) demonstration of foil-less H charge-exchange injection by using only lasers at J-PARC. A prototype YAG laser system has been developed and keep continuing its upgrade through experimental studies of 3 MeV H neutralization. To sufficiently reduce the seed laser energy, we have also developed a multi-reflection laser cavity system, which has as many as 32 reflections overlapped at the interaction point of the ion beam. In 2022, we have obtained nearly 20% flat neutralization for over 40 
s of the ion beam. In addition, the spot neutralization (estimated from the fraction overlap with the ion beam due to a tiny laser spot) was obtained to be nearly 100%. This implies the significant merit of the cavity to reduce the seed laser power. The POP demonstration of 400 MeV H stripping will be started in 2023.
柴田 崇統*; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 小栗 英知
Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012041_1 - 012041_5, 2022/04
被引用回数：1 パーセンタイル：69.82(Engineering, Electrical & Electronic)2020年11月から2021年4月までのJ-PARC利用運転において、J-PARC RF負水素(H)イオン源は3,651時間(5ヶ月間)の連続運転を達成した。イオン源は30kWの高周波出力で、Hビーム電流60mA、デューティファクター2%のビームを出力した。5ヶ月連続運転後に、イオン源テストスタンドにおいて、実際の運転条件と同じ条件でイオン源を運転し、RFQ入口の位置での位相空間分布を測定した。ビームのエミッタンスは、水平方向/鉛直方向はそれぞれ0.262/0.264
mm mradで、過去の運転で用いたイオン源と比較して大きな違いはなかった。アンテナコイルを目視確認したが、コイル表面には大きな損傷はないことを確認した。これらの結果より、次の長期運転として、J-PARCの1キャンペーン(1年間)である7ヶ月連続運転への可能性が見えてきた。
柴田 崇統*; 平野 耕一郎; 平根 達也*; 神藤 勝啓; 林 直樹; 小栗 英知
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.417 - 421, 2021/10
J-PARCリニアックでは、2014年より高周波放電型(RF)負水素イオン源運転を開始した。RFイオン源ではプラズマ点灯のため数10kWの2MHz RFを高周波アンプから入力する。しかしながら、イオン源のRFが加速空洞のRFと同期を取っていなかったために、リニアック各部における電流波形計測では、形成した中間バンチがイオン源の2MHz揺動によって異なる波高が示された。そこで、我々はイオン源RFと空洞RFの同期を取ることで、ショット(25Hz)ごとのビーム輸送を変わりなく行うことに成功した。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.656 - 660, 2021/10
We have significant progress on the preparation of POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H stripping to proton by using only lasers at J-PARC RCS. The motivation of this research is to establish H charge-exchange injection by using lasers instead of a stripper foil conventionally used at present. A short foil lifetime and residual radiation caused by the foil scattering beam loss are extremely serious issues, especially at high-intensity operation. The R&D of the laser system is in good progress through experimental studies for 3 MeV H beam at present. We developed a multi-reflection laser cavity system to reduce the seed laser power, which was also successfully tested for 3 MeV H beam neutralization in July, 2021. Further development of the whole laser system is continued to start the POP demonstration study in 2022.
神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 和田 元*
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.230 - 233, 2021/10
J-PARCやSNS, LINAC4では2MHzの高周波源を用いてイオン源内で水素プラズマを生成し、負水素イオンビームを引き出している。これまで、我々は高周波負水素イオン源より引き出された負水素イオンビームの特性について報告してきた。今回、高時間分解能でマクロパルス内でのエミッタンスの変化を測定する計測系を開発した。この計測系を用いてイオン源より引き出された負水素イオンビームのエミッタンスを測定したところイオン源のプラズマ生成に用いている高周波源と同じ周波数またはその高調波で揺動していることが分かった。本発表では、測定で得られたエミッタンス揺動の結果について報告する。
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 和田 元*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*
AIP Conference Proceedings 2373, p.050002_1 - 050002_9, 2021/08
J-PARCの2MHz高周波イオン源から引き出された負水素イオンビームのエミッタンスやTwissパラメータの振動を、RFQ入口の位置に設置した二重スリット型のエミッタンスモニターを用いて測定した。このエミッタンスモニターには、新たに開発した毎秒60メガサンプルのデータ取得系を備えており、数MHzのビーム振動ならば十分な時間分解能で測定することができる。本測定から、ビームの位相空間は(1)ビームコア部分に存在するDC成分、(2)ビームコア部分とハロー部分の両方で存在する2MHz成分、(3)ビームハロー部分でわずかに存在する2倍高調波(4MHz)成分の3つの成分で構成されていることが分かった。主成分は2MHz成分であり、これはビームエミッタンスの振動周波数を決めている。今回の実験で得られたビームエミッタンスは0.34 mm-mradのDC成分に、約0.04 mm-mradの2MHz振動成分の振幅が重畳していることが分かった。この結果は、イオン源から引き出されたビームが、2mほどの磁場集束系を通過しても約10%の高周波振動成分を持っていることを示している。
ion source小栗 英知; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 高木 昭*; 上野 彰
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011008_1 - 011008_7, 2021/03
J-PARCリニアックのビーム電流を増強するために、2014年9月よりセシウム添加型高周波駆動負水素イオン源の使用を開始した。本イオン源は主に、ステンレス製のプラズマ生成室、ビーム引出系及び真空差動排気用1500L/sターボ分子ポンプ設置用の大型真空容器で構成される。本イオン源はビーム電流33mAでビーム利用運転を開始し、その後徐々にビーム電流及び連続運転時間を増やしていった。2018年7月に、ビーム電流47mA,パルス幅300s,パルス繰り返し率25Hzの運転条件で約2,200時間の連続運転を達成した。2018年10月からイオン源は、ビーム電流を定格値である約60mAに上げて加速器にビームを供給している。
柴田 崇統*; 杉村 高志*; 池上 清*; 高木 昭*; 佐藤 将春*; 内藤 富士雄*; 大越 清紀; 長谷川 和男
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011009_1 - 011009_6, 2021/03
茨城ホウ素中性子捕捉治療(iBNCT)計画におけるリニアック大強度化の一環として、イオン源からのビーム生成においてduty factor 10%(パルス幅1msかつ繰返し周波数100Hz)以上を保ち、ピークビーム電流をこれまでの30mAから60mAに引き上げることが課題である。さらに医療応用上、ビーム大強度化とともに、ビーム波形の安定性(ピーク電流の揺らぎ、shotごとの波形再現性)が重要である。本研究では、六ホウ化ランタン(LaB6)フィラメントを使用したアーク放電型のイオン源を構築し、イオン源からピーク電流値53mA、ピーク電流の揺らぎ
0.5mA以内のビーム引き出しを達成した。さらに、パルス幅を200sから1msに伸ばすためのアーク電源を開発し、アーク電流・電圧100A・80-120V、および900sのプラズマ生成に成功した。この長パルスアークプラズマを生成するための、新たなアークパルス電源では、DC300Vと比較的高圧の直流電源と定電圧CV回路を組み合わせることで、医療応用において重要な省スペース化とともに実現した。
beam with orifice in J-PARC front-end柴田 崇統*; 池上 清*; 南茂 今朝雄*; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 内藤 富士雄*; 神藤 勝啓; 大越 清紀; 岡部 晃大; 近藤 恭弘; et al.
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011010_1 - 011010_6, 2021/03
J-PARC初段加速部では、イオン源から引き出されるビーム大強度化とともに、高周波四重極リニアック(RFQ)のビーム透過率向上が重要な課題である。RFQ透過率は、イオン源とRFQ間に位置する低エネルギービーム輸送部(LEBT)内のソレノイド電磁石設定に大きく依存する。本研究では、大強度化を行った際のRFQ透過率が高いビーム条件を明らかにするため、テストスタンドにおいてLEBT内で72mAと88mAの大強度ビーム下において、RFQ入口でのビーム粒子の位相空間分布を測定し、シミュレーションによる解析結果と比較した。その結果、LEBT内で水素ガスの差動排気に用いられる15mm
オリフィスにビームが衝突してコリメートされることで、RFQ入口におけるエミッタンスおよびTwissパラメータに影響することが判った。特に、ビーム電流88mAの条件では、この機構を利用することで、低ソレノイド電流値でRFQ透過率が最適となる結果が見られた。ビーム大強度化に伴い、空間電荷効果を抑えるために必要なソレノイド電流が設計上限に至る懸念があったが、本研究からコリメートビームの利用で問題解決の可能性が示された。
岡部 晃大; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 守屋 克洋; 柴田 崇統*; 地村 幹*; 平野 耕一郎; 小栗 英知; 金正 倫計
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011011_1 - 011011_6, 2021/03
J-PARC大強度陽子加速器では設計出力値である1MWビームパワーのビーム調整を行っている。線形加速器におけるMEBT(Medium Energy Beam Transport)1は低エネルギーでの大強度ビーム輸送系であり空間電荷力が支配的な状況でビームを輸送、及び、下流加速器であるDTLに整合したビームに成型する機能を持つため、J-PARC加速器の出力を安定化する上で最も重要な機器である。そこで、ビーム供給安定化向上のため、MEBT1より上流のイオン源やRFQ等の機器パラメータとMEBT1でのビームパラメータとの関連性を調査した。その結果、MEBT1に入射するビームの挙動は上流機器の設定パラメータと関連があり、その関係はイオン源の数値シミュレーション結果をもとにしたビーム力学理論から解釈できることが今回初めて判明した。さらに、本結果をもとにシミュレーションによる解析を行い、現状のMEBT1では下流側DTLとのビーム整合を行う上でビームモニターの数が不足しており、それらの設置個所を含めて再検討が必要なこと、バンチャー空洞の数を増やしてチョッパーシステム及びDTLとのビーム整合を両立可能な状態にすることによりさらなるビーム供給の安定化が見込めること、などの課題がはっきりと分かった。本発表にてそれらビーム実験結果を報告する。
