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論文

理研超伝導加速空洞用ビームエネルギー・位置モニターのマッピング測定

渡邉 環*; 外山 毅*; 花村 幸篤*; 今尾 浩司*; 上垣外 修一*; 鴨志田 敦史*; 河内 敏彦*; 小山 亮*; 坂本 成彦*; 福西 暢尚*; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1105 - 1108, 2019/07

現在、仁科加速器研究センターにおいて、超伝導加速空洞を建設中である。破壊型ビーム診断装置を用いたビーム測定は脱ガスを発生するため、超伝導加速空洞の性能を示すQ値や表面抵抗値を、長期的に維持することが難しくなる。そのために、非破壊型のビーム診断装置による測定が必須となる。そこで、斜めに四分割した静電型ピックアップを用いたビーム位置モニターシステム(BEPM)の開発を行い、計11台を完成させた。このシステムは、BEPM間の距離を正確に測定した2台のBEPMを用いて、ビームの飛行時間(TOF)を測定し、ビームの位置情報と同時に、ビームエネルギー値も得られるという利点を有する。終段のBEPMは、ビームエネルギーの情報が非常に重要になる、超重元素探索装置GARIS IIIや、医療用RIアスタチンの製造に使用される予定である。2019年度は、BEPM内にワイヤーを張り、上下左右に動かすことにより、そのワイヤーの位置と各電極の出力の相関を測定する校正作業(マッピング)を行うため、BEPMを固定する冶具とワイヤーを囲むダミーダクトの設計と製作を行った。校正装置本体は、J-PARC 50GeVシンクロトロンMRのマッピング用に開発された校正装置を利用させて頂いた。今回の学会では、マッピングによる測定の結果とその考察にについて発表をする。

論文

理研超伝導加速空洞用ビームエネルギー・位置モニターの開発

渡邉 環*; 今尾 浩士*; 上垣外 修一*; 坂本 成彦*; 福西 暢尚*; 藤巻 正樹*; 山田 一成*; 渡邉 裕*; 小山 亮*; 外山 毅*; et al.

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.49 - 54, 2018/08

現在、仁科加速器研究センターにおいて、超伝導加速空洞を建設中である。超伝導加速空洞の性能を示すQ値や表面抵抗値を維持するためには、脱ガスを発生するビーム診断装置は使用できず、非破壊型のビーム診断装置による測定が必須となる。そこで、斜めに四分割した静電型ピックアップを用いたビーム位置モニターシステムの開発を行ってきた。このシステムは、モニター間の距離を正確に測定した2台のモニターを用いて、ビームの飛行時間(TOF)を測定し、ビームの位置情報と同時に、ビームエネルギー値も得ることができるという特色を持つ。平成29年度は、このプロトタイプを完成させ、仁科センターのビーム輸送系に設置した。信号処理系やLabVIEWによるソフトウエアの開発も同時に進め、RIBFにおけるウランビーム加速時に試験を行ってきた。その結果、常時リアルタイムによる測定や測定結果の表示・保存が可能となった。今回の学会では、超伝導加速空洞用に開発を進めているビームエネルギー・位置モニターシステムについて発表をする。

論文

Reducing the beam impedance of the kicker at the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 林 直樹; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*; 山本 風海; 山本 昌亘

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(6), p.061003_1 - 161003_15, 2018/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:56.22(Physics, Nuclear)

J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学研究施設(MLF)と50GeVシンクロトン(MR)にビームを供給しているが、MRへは横方向のビームサイズを小さくする必要がある。一方、RCSのビームは横方向のビームサイズが小さくなるに従って、ビームが不安定になるが、原因は、キッカー電磁石由来のビームのインピーダンスが大きいためである。今回、我々はそのRCSのキッカー電磁石のビームのインピーダンスを下げるために、キッカー電磁石の端末をダイオードと抵抗で終端する手法を開発した。しかし、この手法では、非線形素子(ダイオード)を使うため、定量的にビームのインピーダンスを評価することが難しい。本論文では、シミュレーションと測定でそれを評価できる手法について議論した。両者の結果はよく一致し、これによってキッカー電磁石のビームのインピーダンスが確かに低減できていることが確認できた。

論文

理研RIBFにおけるビームエネルギー・位置モニターの開発

渡邉 環*; 福西 暢尚*; 藤巻 正樹*; 小山 亮*; 外山 毅*; 宮尾 智章*; 三浦 昭彦

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1112 - 1117, 2017/12

理化学研究所RIビームファクトリ内のAVFサイクロトロンのビームを用いて、有用RI製造技術の高度化研究が行われている。サイクロトロンのビームエネルギーの精密測定は、RI製造の収量を上げ、有害な副反応生成物を減らすために、重要な技術の一つである。そこで、ビームエネルギー及び位置測定のため、静電ピックアップ型のビームエネルギー・位置モニタの開発を行い、AVFサイクロトロンのビームラインにインストールした。このモニタは、静電型ピックアップの電極を斜めに四分割化した計測器であり、設置した2台の計測器の距離と、ビームの飛行時間(TOF)から位置とエネルギーを同時に得られるものである。このモニタにより、ビームを破壊することなく、運転時にリアルタイムに位置・エネルギーの測定結果を把握できることから、AVFの性能と運転技術の向上をもたらし、重イオンビームの大強度化を実現することができる。発表では、このモニタの詳細と、ウランビームを使用した測定結果について発表する。

論文

Coupled bunch instability and its cure at J-PARC RCS

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘; 田村 文彦; 谷 教夫; 富樫 智人; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2946 - 2949, 2017/05

J-PARC RCSのような1MWの大強度のビームの生成を目指す加速器では、加速器の構成要素とビームは、電磁気的に相互作用(ビームの結合インピーダンス)をして、ビームが不安定になる。RCSでは、それがキッカーとの相互作用(キッカーインピーダンス)で起こることが明らかにされており、ビームを不安定にすることなく大強度のビームを達成する手法について研究がなされてきた。著者らは、最近、ビームのもつ空間電荷効果にはビームを安定化させる働きがあることを発見し、MLF行き用の横方向に大きい200$$pi$$mm.mradのエミッタンス のビームに対しては、1MWのビームを達成する手法を確立した。ところが、MR行き用の50$$pi$$mm.mradのエミッタンスの細いビームに関しては、この手法では、ビームを大強度化する上で限界がある。このレポートでは、このようなビームに対して、どのようにして大強度ビームを達成するか、その対策を議論する。また、現在のキッカーインピーダンス低減化対策の現状も報告する。

論文

Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01

AA2016-0375.pdf:3.07MB

 被引用回数:9 パーセンタイル:24.43(Physics, Multidisciplinary)

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

論文

Triangle and concave pentagon electrodes for an improved broadband frequency response of stripline beam position monitors

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*; 外山 毅*; 仲村 佳悟*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(2), p.021003_1 - 021003_15, 2016/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Nuclear)

ビーム位置モニターの周波数特性は、モニターの電極形状に著しく依存する。しかし、モニターの電極形状を直方体から変化させると、その形状に応じて、電極自身を精度よく傾かせ、チェンバーと電極のインピーダンスの整合性を取らないと、電極形状が持つ周波数特性と有為性を維持できない。そこで、まず、セッティングが最も簡単な場合として、電極形状が三角の場合を考え、その周波数特性が、直方体の電極の場合に比べて、著しく改善することを実証した。次に、五角形の形状の電極を考えることで、三角の場合に生じた、低周波側でのオーバーシュートが改善することを実証した。さらに、電極の端を直角に曲げることで、電極形状によらず、周波数特性を改善させることができることを実証した。

論文

Beam instrumentation at the 1 MW Proton beam of J-PARC RCS

山本 風海; 林 直樹; 岡部 晃大; 原田 寛之; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 畠山 衆一郎; 發知 英明; 橋本 義徳*; 外山 毅*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.278 - 282, 2015/03

J-PARCの3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)では300kWの出力で物質生命科学実験施設(MLF)およびメインリングへビームを供給してきた。2014年の夏季シャットダウン時に、1MW出力を目指してリニアックでイオン源およびRFQの入れ替えを行った。1MWで信頼性の高いビーム運転を行うためには、さらなるビームロスの低減が必要となる。また、ユーザにとってはビーム出力が上がった際のビームのクオリティも重要である。そのために、入射および出射ビームのハローの測定精度が上がるようモニタの開発を進めた。具体的には、入射ビームのハロー測定用にはバイブレーションワイヤモニタ(VWM)とリニアック-3GeVシンクロトロン輸送ライン上のスクレーパを利用するモニタ二種類の開発を行い、VWMに関しては原理実証を終え、スクレーパを利用するモニタに関しては既存のモニタと比較して一桁以上感度を向上することに成功した。出射ビームのハロー測定では、OTRモニタを用いてビーム中心部と比較して$$10^{-6}$$の量のハローまで測定できるようになった。また、RCSからのビーム取り出し後に遅れて出る陽子がわずかでも存在すると、MLFで計画されているミュオン-電子転換過程探索試験DeeMeにおいてバックグラウンドの元となり、実験の精度が大きく低下する。このような陽子を測定する手法を開発し、予備試験によってその存在比がコアビームの$$10^{-18}$$程度であり要求を満たすことを確認した。

論文

Resonance structures in the impedance of a ceramic break and the measured results

菖蒲田 義博; 外山 毅*; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.74 - 78, 2015/03

Recently, we have developed a new theory to evaluate longitudinal and transverse impedances of any size of ceramic break sandwiched between metal chambers. The theory successfully reproduces the resonance structures in the impedance due to trapped modes inside the ceramic break. The comparisons between the theoretical and the simulation results such as ABCI and CST Studio show excellent agreements, indicating that they can be used as a good benchmark test for accuracy of simulation codes. To demonstrate the existence of such resonances, the transverse impedance of the ceramic break is measured using the wire-method. The measurement results reproduce the simulations well. The theory is particularly useful for the evaluation of the impedance of the ceramic break with titanium nitride coating.

論文

The Kicker impedance and its effect on the RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 外山 毅*; 山本 昌亘; Chin, Y. H.*; 入江 吉郎*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.369 - 373, 2015/03

Measurements demonstrate that the kicker impedance dominates along the RCS. Based on a newly developed theory, the impedance is measured by observing the beam-induced voltages at the ends of power cable of the kicker. Toward one mega-watt goal, it is essential to take advantage of tune manipulations and the space charge damping effect. We propose the reduction scheme of the kicker impedance by attaching the resistors combined with four diodes in parallel at the ends of the kicker cables, to pursue the ultimate goal at the RCS.

論文

Progress of injection energy upgrade project for J-PARC RCS

林 直樹; 原田 寛之; 堀野 光喜; 發知 英明; 神谷 潤一郎; 金正 倫計; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 谷 教夫; et al.

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.3833 - 3835, 2014/07

J-PARC RCSの入射エネルギーの増強(181から400MeV)は、2014年初めに予定されており、これに向けて、進んでいる機器増強の状況を報告する。具体的には、水平ペイントバンプ電磁石電源の更新、増強は、2012年までに完了しており、既に通常運転に用いている。MR/MLF行きのペイントエリアを切替えること、400MeVでも、ペインティングしない調整用のビームを作ること、この2つに必須の可変偏向電磁石システム、電磁石及び電源の据付も2012年に完了した。そして、400MeVを想定したビーム試験も実施し良好な結果を得た。残る大きな増強機器は、新しいシフトバンプ電磁石電源である。現行電源と比較しスイッチングノイズの低減は、期待できるが、新たに発生したリンギングの要因解析、対策を行い製作中である。これは、2013年の長期メインテナンス期間中に据付けられる。

論文

Performance of injection beam position monitors in the J-PARC RCS

林 直樹; Saha, P. K.; 外山 毅*

Proceedings of 2nd International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2013) (Internet), p.716 - 719, 2013/12

シンクロトロンへのビームを入射する際、その位置・軌道の監視は重要である。J-PARCのRCSでは、連続して入射ビームを測定するため、2台の特別なビーム位置モニタが、第1アーク部にある。これらは、リニアック高周波の324MHzまたは、その2倍高調波を検出するが、この高周波成分はリングに入射後、急激に減少する。このため、このモニタは、既に周回しているビーム全体ではなく、入射直後のビームに非常に感度がある。RCSでは、大強度ビームによる空間電荷効果、そしてそれによるビームロス低減のため、多重周回でのペインティング入射(位相空間上の入射位置を時間的に少しずつ移動させる)を採用しているが、このモニタは、横方向ペインティングのプロセスを詳しく観測でき、効率的な入射ビーム調整、運転監視に非常に有用である。

論文

Measurement scheme of kicker impedances via beam-induced voltages of coaxial cables

菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 外山 毅*; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 713, p.52 - 70, 2013/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:45.68(Instruments & Instrumentation)

A new theory, which satisfies the causality condition, is developed to describe impedances of kicker magnets with coaxial cables. The theoretical results well describe measurement results, which are obtained by standard wire methods. On the other hand, when beams pass through the kicker, voltages are induced at the terminals of coaxial cables. In other words, by analyzing the voltages, the kicker impedance for the beams can be obtained. The observed impedances are consistent with the theoretical results. The theory describes the impedance for non-relativistic beams, as well. The theoretical, simulation and measurement results indicate that the horizontal kicker impedance is drastically reduced by the non-relativistic effect.

論文

A Trial to reduce the kicker impedance of 3-GeV RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 林 直樹; 高柳 智弘; 外山 毅*; 入江 吉郎*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.1742 - 1744, 2013/05

At the 3 GeV RCS in J-PARC, the kicker impedance has been theoretically considered to be the most dominant source to cause beam instabilities. Recently, experimental studies have demonstrated that reducing the kicker impedance can stabilize beams. In this report, the present status of a trial to reduce the kicker impedance is reported.

論文

Analytical approach to evaluate coupling impedances of traveling kicker magnets

菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 外山 毅*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 691, p.135 - 151, 2012/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:60.05(Instruments & Instrumentation)

There are well-known formulae of coupling impedances for the matched-traveling wave kicker, which do not satisfy the Hilbert transformations. In this paper, we develop a new theory to describe kicker impedances that satisfy the causality condition, especially in low frequency region. Three-dimensional simulation and wire-measurements of the impedances are done by using the real kicker. The theoretical, simulation and measurement results are almost consistent, not only for the longitudinal, but also for the horizontal impedance.

論文

Beam position monitor system of J-PARC RCS

林 直樹; 川瀬 雅人; 畠山 衆一郎; 廣木 成治; 佐伯 理生二; 高橋 博樹; 照山 雄三*; 豊川 良治*; 荒川 大*; 平松 成範*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 677, p.94 - 106, 2012/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:42.1(Instruments & Instrumentation)

本論文は、J-PARC RCSのビーム位置モニタ(BPM)システムについて述べる。RCSは、ビームパワー1MWの速い繰返しのシンクロトロンで、そのBPM検出器は、直径250mm以上あるが、ビーム位置を極めて正確に測定する必要がある。さらに、定格から低いビーム強度まで、幅広い範囲で動作することが必要である。リングには、54台のBPMがあり、限られたスペースのため、そのほとんどを補正電磁石の内側に収めた。検出器は、静電容量型で4電極あり、対角線カット形状で構成される電極対は、ビーム位置に対し非常に良い線形出力特性を持つように設計した。また、14bit 40MS/sのADCと600MHzのDSPを持つ信号処理回路を開発し、それらを、shared memoryを介し、EPICSによって制御できるようにした。この回路は、連続して平均ビーム位置を計算するモードでは、25Hzのパルスすべての記録が可能で、ほかに、周回ごとのビーム位置計算など、高度な解析のため、全波形データを残すモードも設定した。

論文

Status of injection energy upgrade for J-PARC RCS

林 直樹; 原田 寛之; 發知 英明; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 谷 教夫; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.3921 - 3923, 2012/05

J-PARC RCSの入射エネルギーを181から400MeVに増強する計画は、2013年に予定されており、これに向けさまざまな準備を進めている。パルス電磁石電源の一部は、既に電流定格の大きな電源に置き換え、問題なく運転に使用している。他方、IGBTチョッパ方式からスイッチングノイズの小さいコンデンサバンク方式の新型電源の変更のため開発を行っている。追加の電磁石系は、入射エネルギー増強後もセンター入射と、ビーム行き先別にペイント領域の切り替えを可能にする。出射部の漏れ磁場追加対策は、ビーム輸送系電磁石からの影響の完全除去から始める。補正四極電磁石系は、まず入射バンプ電磁石による$$beta$$関数補正のために設計製作する。リング中に2台あるプロファイルモニタは、位置の系統誤差を修正する改造を行うとともに色収差のない場所での測定のため、3台目を導入する。将来のビーム不安定性の要因となるキッカーのインピーダンス対策には、高逆耐電圧特性があり、かつ、低い順電圧でも機能するダイオード開発が必要である。それを使ったビーム試験でインピーダンス低減を示すデータを得た。

論文

Operation and current status of injection, extraction, kicker magnet and the power supply for J-PARC 3 GeV RCS

渡辺 真朗; 林 直樹; 菖蒲田 義博; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.3629 - 3631, 2012/05

JPARC 3GeV RCSは安定運転が要求されるが、繰り返し25ppsの24時間運転開始直後はキッカー電源のサイラトロンの不安定動作による多くのトラブルが生じた。だが、2010年10月には不具合が改善した。2011年3月11日の東日本大震災後に入出射電磁石・電源・ケーブル・バスダクトの健全性を確認した。測定・確認をした結果、特に不具合はなかった。今後RCSはビームパワー1MWを達成させる必要がある。キッカーのインピーダンスはその他のインピーダンス源のなかで一番大きい。われわれは電源に抵抗と新規開発したダイオードを接続することでインピーダンスを下げ、誘起電圧が減少することが確認できた。これにより、加速器を安定に運転することが可能となった。

論文

Beam diagnostics in the J-PARC linac for ACS upgrade

三浦 昭彦; 佐藤 進; 富澤 哲男; 五十嵐 前衛*; 宮尾 智章*; 池上 雅紀*; 外山 毅*

Proceedings of 10th European Workshop on Beam Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators (DIPAC 2011) (Internet), p.50 - 52, 2011/08

J-PARCリニアックにおける加速ビームのエネルギー増強において、新規に21台のACS加速空洞が追加されるため、このACS加速空洞用のビームモニタの開発が必要になった。合わせて、ACS加速空洞を設置した下流側のビームトランスポートでは、ビームのパラメータが変わるためにこの部分に設置してあるモニタに関しても改良が必要になった。本論文では、本エネルギー増強に合わせて開発したビームモニタや新規に開発されたビームモニタについて、その概要及び開発の要点について説明する。

論文

J-PARC MR horizontal exciter test for transversal noise application

Schnase, A.; 佐藤 健一郎*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 魚田 雅彦*; 吉井 正人*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.338 - 342, 2011/08

To improve the duty factor of the proton beam, extracted by slow extraction to the Hadron hall, we applied transversal noise using the existing horizontal exciter in J-PARC Main-Ring (MR). For noise center frequencies of 5 and 7.5 MHz, operation was possible; however in a band above 6 MHz, we noticed that the pressure in the vacuum chamber increased near the exciter structure. Higher noise center frequencies seem to improve the duty factor seen by the Hadron experiment, therefore we tried frequencies near 30, 25, and 20 MHz. Problems with vacuum pressure rise prevented longer time operation. Therefore, we mapped safe and unsafe operation points as function of frequency and amplifier output power. We found a safe operation area for the extraction beam time planned for the April 2011 run, however due to the big Tohoku earthquake the beam time was postponed. Improved noise signals, where the amplitude distribution is independent of noise bandwidth have been created and we drove the exciter with them to confirm the feasibility. We confirmed that a solenoid around the exciter improves the multi-pactor issues. With a solenoid current of 2 A, the frequency range from 1 to 35 MHz is free from vacuum problem for the whole output power range of the used 1 kW RF transistor-amplifiers.

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