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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 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.525 - 528, 2024/10
J-PARCで高周波(RF)駆動型負水素(H
)イオン源が運転を始めてから10年が経過した。2023/2024年の運転期間中、1台のRF駆動型Hイオン源が、60mAのHビーム電流を発生し、リニアックが50mAのビーム電流を3GeV高繰り返しシンクロトロン(RCS)に入射できるようにした。イオン源の連続運転時間は4,900時間を超え、これまでの最長時間である2022/2023年の期間の4,412時間に比べて運転時間を大幅に更新した。本論文では、2023/2024年のRF駆動型Hイオン源の運転状況と現在開発中であるJ-PARC製高周波内部アンテナの現状について報告する。
イオン源の運転状況柴田 崇統*; 大越 清紀; 上野 彰; 池上 清*; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 小栗 英知
加速器, 21(2), p.94 - 100, 2024/07
2022年11月10日から2023年6月22日までのJ-PARCの利用運転では、高周波負水素イオン源を用いて負水素イオン源からビーム電流60mAで4,412時間の連続運転を達成した。今回が初めての年間を通して利用運転期間に1台のイオン源での運転であった。J-PARCでの将来のアップグレードの要件を満たすために、現在のイオン源を構成する機器の健全性評価を行った。また、新たに製作している高周波アンテナコイルを用いたRFイオン源を現在試験中である。
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
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)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。
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
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)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。
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0.04mm-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。
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。
神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 高木 昭*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知
AIP Conference Proceedings 2052, p.050002_1 - 050002_7, 2018/12
被引用回数：7 パーセンタイル：93.74(Physics, Applied)J-PARCセシウム添加型高周波駆動負水素イオン源は、大きなトラブルを起こすことなく、2017/2018年の運転期間に3回の2000時間以上の連続運転を達成した。本期間の最終日には、リニアックコミッショニングGrがリニアック出口でビーム電流60mA引き出しをしめすために、イオン源より72mAの負水素イオンビームを生成した。J-PARC製の高周波用内部アンテナの開発も進めており、これまでに1400時間の運転を行った。
ion source神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 三浦 昭彦; 宮尾 智章*; 和田 元*
AIP Conference Proceedings 2011, p.080016_1 - 080016_3, 2018/09
被引用回数：7 パーセンタイル：93.74(Physics, Applied)In J-PARC, peak H current of several tens mA is produced from a cesiated hydrogen plasma generated by a solid-state RF amplifier with the frequency of 2 MHz. In case of the high-intensity H beam extracted from the ion source, the plasma density in the source chamber is so high that the ion sheath around the beam extraction area follows the RF oscillation. Because the ion plasma frequency defined by the ion density is much higher than the driving frequency. The potential fluctuation of the plasma is combined with the driving RF electric field and causes motion of charged particles in the plasma some changes. As a result, the H beam extracted from the source plasma also fluctuates. The beam current signal from a Faraday cup was measured by a spectrum analyzer. A powerful frequency component at 2 MHz which is as same as that of the RF amplifier was also observed after the acceleration of RFQ linac located at the downstream of the ion source.
三浦 昭彦; 守屋 克洋; 宮尾 智章*
Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.5022 - 5025, 2018/06
J-PARCリニアックでは、ビーム輸送中のビームロスを抑制し、安定で効率的な運転を実施するため、ワイヤを用いたプロファイルモニタ(WSM)を用いて、4極電磁石の調整を実施している。WSMはビームの進行方向に対し、鉛直な方向のプロファイルを測定する計測器であり、ビームが直接衝突するワイヤにはタングステンなどの金属や、ポリアクリロニトリルから生成した炭素繊維線を使用している。ビーム出力増強に伴い、ワイヤの熱的負荷も増加する。そこで、無酸素状態で3000
Cまで耐え、鋼鉄の100倍以上の引張強度を持ち、銅, 銀より高い電気伝導度を有するカーボンナノチューブ(CNT)に注目し、ビーム照射試験を実施した。直径50, 100
mのCNT製ワイヤに、3MeVの負水素イオンビーム, ビーム電流30mA,パルス幅100s, 1Hzで照射したところ、炭素繊維線と同等以上の信号電流が得られた。さらに、幅200s, 25Hzという100倍のビーム量でも4分間のビーム照射に耐え、顕微鏡観察でも、顕著なワイヤ損傷は見られなかった。加えて、ワイヤが破断するまで、幅400sのビームにおいたところ、破断直前に大量の熱電子が放出される現象を確認した。本発表では、ビーム測定時の信号波形、ワイヤ破断時の兆候について発表する。
神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 和田 元*
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.648 - 650, 2017/12
J-PARCでは、セシウムを導入した水素プラズマ生成に2MHzの高周波をイオン源よりピーク電流が数10mAのHビームを引き出している。このような大強度RF Hイオン源では、イオン源内のイオン密度が高いためビーム引出領域近傍のイオンシースがRF振動に追随する。J-PARCの大強度RF Hイオン源より引き出されたHビーム電流をファラデーカップで測定すると、44mAの平均ピーク電流に対して1mA程度のビーム電流の揺らぎが観測された。ビームはその進行方向だけでなく、それに垂直な方向にも振動していると考えられる。ビーム引き出し領域のシースの高周波振動をより明らかにするために、位相空間内での実時間でのビームの揺動を観測できるような高時間分解能で高感度のエミッタンスモニターを備えた実験系を提案する。
三浦 昭彦; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 山根 功*
Proceedings of 5th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2016) (Internet), p.856 - 859, 2017/03
J-PARC LINACでは、複数の加速空洞を用いて、負水素イオンビームを400MeVまで加速し、下流のシンクロトロン(RCS)に供給している。大強度の陽子加速を実現するため、ビーム損失を抑制するビーム調整は非常に重要であり、ビームプロファイルモニタは重要な測定機器の一つである。ビーム電流の上昇に伴い、機器の損傷、運転中の放射線の低減の観点から、ビーム非破壊のレーザプロファイルモニタは有益と考えられる。それに加え、径の異なる一対の凹面鏡を対面させることで、鏡間に複数のレーザーの光路(レーザーワイヤ)を形成することができるため、ビームラインに対して鉛直な方向に移動させるような駆動部を必要としない。レンズによる焦点でビームウエストという光が細くなる部位を、同一直線状に並ぶように光学設計することで、簡素で故障が少なく、加速するビームの1パルスでプロファイルを測定できるモニタシステムが期待できる。本発表では、この新しいマルチレーザワイヤをプロファイルモニタに適用する原理と、ビーム計測のためのシステムについて報告する。
三浦 昭彦; 吉本 政弘; 岡部 晃大; 山根 功*
Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1102 - 1106, 2016/11
J-PARC LINACでは、負水素イオンビームを400MeVまで加速し、下流のシンクロトロン(RCS)に供給している。大強度陽子加速器においてビーム損失を抑制するためのビーム調整は非常に重要で、必要な機器の一つがビームプロファイルモニタである。現在、プロファイルモニタには、金属製のワイヤを使用しているが、熱的耐久性の観点から、大強度ビームではビーム非破壊のレーザー法が適している。負水素イオンの1つの電子のイオン化ポテンシャルは0.75eVと低いため、可視光域のレーザー光から適した波長を選択することができ、レーザーワイヤ法の現実的なシステムを形成できる。さらに、径の異なる一対の凹面鏡を対面させ、鏡間に複数のレーザーの光路(レーザーワイヤ)を形成する新たな手法を提案した。レーザー光のビームウエストを同一直線状に並ぶように光学設計することで、負水素イオンビームの進行方向にレーザー光路の面を平行に配置し、複数のレーザーワイヤを用いたビーム計測が可能となる。本発表では、マルチレーザーワイヤをプロファイルモニタに適用する原理と、ビーム計測のためのシステムについて報告する。
ion source柴田 崇統*; 高木 昭*; 神藤 勝啓; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 内藤 富士雄*
no journal, ,
J-PARC高周波負水素イオン源でのプラズマ電極バイアス印加のために、高周波プラズマ条件下でのプラズマ電極の電圧変動の特性を調査した。J-PARCでは、高周波放電のために周波数30MHzで10から100Wの電力の連続高周波と周波数2MHzで5から20kWの電力のパルス高周波を重畳して入射している。各々の場合でのイオン源容器から浮遊したプラズマ電極との間に発生する電圧の時間構造を電圧計といくつかの抵抗を用いて測定した。30MHz高周波によりEモードでプラズマを発生した時と、2MHz高周波によりHモードでプラズマを発生した時では、測定される電圧波形が大きく異なった。この結果は、容量性結合電場と誘導性結合磁場の生成によって、イオン源容器に向かって行き来する正と負の荷電粒子の運動が決まることを示唆する。J-PARCのユーザー利用運転と同じ条件下のプラズマ中では、イオン源容器とプラズマ電極の間に60から80Vの電位差が生じ、2MHzと30MHzを重ね合わせた波形になることが分かった。高周波放電中でプラズマ電極に連続的にバイアスを印加するためには、この電圧の振動を打ち消す分布定数回路を追加した上で、バイアス印加用の高電圧電源が必要である。
