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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:5 パーセンタイル:26.6(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

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:4 パーセンタイル:53.77(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:3 パーセンタイル:64.33(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:6 パーセンタイル:42.4(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.

論文

Beam based alignment of synchrotron under coupled quadrupole magnet environment

林 直樹; 畠山 衆一郎; 原田 寛之; 發知 英明; 高野 淳平*; 手島 昌己*; 外山 毅*

Proceedings of 46th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2010) (Internet), p.57 - 61, 2010/09

ビーム位置モニタ(BPM)のビームベースドアライメント(BBA)は、正確かつ絶対位置測定のために必要不可欠である。検出器をどんなに注意深い製作,据付を行ってもビームによる校正は必要である。普通は、独立制御可能な四極電磁石系を必要とするが、そのような条件でない場合もあるし、全BPMについての実施には、時間がかかる。四極電磁石が非独立制御系であっても適用可能なBBAは、時間の節約にもなる。本論文では、この方法を一般的に導き、J-PARC RCSでの測定、J-PARC MRで、従来方法との比較について発表する。

論文

J-PARC MR横方向の入射エラー及びベータトロンチューンモニターシステム

畠山 衆一郎; 外山 毅*; 手島 昌己*

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.631 - 633, 2010/08

J-PARCのMR(Main Ring)は2008年からビームコミッショニングが始まり、現在第1期の設計目標の約1/10の40kW-70kWで定常運転を行っている。ビーム強度増大のハードルの一つは、入射直後のビームロスである。その原因の一つはRCSの出射機器及びMR入射機器の偏向角度の誤差で、それを監視するために横方向の入射エラーを常時モニターすることが要求された。横方向の入射エラーは入射直後のビームバンチの位置情報から計算される。この目的のためにBPMの波形測定のための専用のデジタイザーを新たに用意した。このデジタイザーを用いて入射時のベータトロンチューンの常時モニターも行った。ベータトロンチューンは入射から93ターンまでの短いレンジのバンチ位置を求め高速フーリエ変換を行うことにより3.52秒周期の定常運転でのモニターを可能にした。バンチ位置を求める際、波形に乗るノイズを取り除くためにデジタルハイパスフィルタを使うなどの工夫を行った。

論文

Simulation of narrow-band longitudinal noise applied to J-PARC Main Ring

Schnase, A.; 田村 文彦; 小関 忠*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 野村 昌弘; 山本 昌亘; 戸田 信*; et al.

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.1079 - 1081, 2010/08

In MR extraction studies in the beginning of 2010, the application of narrow band longitudinal noise to the MR-beam at 30 GeV in flat-top to increase the duty factor of the extracted spill was tested. The longitudinal spectrum with noise became wider than expected from the bandwidth of the band-limited noise. Here we show longitudinal beam simulations, using the same digital noise that was applied to the beam, to understand the measured spectra. This also allows to estimate, which would be good combinations of harmonic number, bandwidth and amplitude of the noise to obtain a desired beam shaping.

論文

Application of digital narrow band noise to J-PARC Main Ring

Schnase, A.; 田村 文彦; 小関 忠*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 野村 昌弘; 山本 昌亘; 戸田 信*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.1446 - 1448, 2010/05

Applying narrow band noise to the beam in J-PARC Main Ring in flattop, while the acceleration voltage is off helps to counteract the effect of ripple on the slow extraction. For this purpose, a complex noise sequence output by DSP modulates a custom made DDS synthesizer to create single side spectra without carrier. The noise is calculated starting from a description in frequency domain. An algorithm creates narrow band spectra with optimized behavior in time domain. Frequency domain data is transformed to time domain, and the amplitude is smoothed. The smoothed data is transformed back to frequency domain, and the spectral shape is restored. This process repeats until the amplitude in time domain has converged, while the desired spectrum shape is preserved. Noise generated in this way can be tailored for different requirements. We show the signal properties, the hardware, and preliminary beam test results, when the noise is applied (a) to the MR RF system, and (b) to the horizontal exciter system.

論文

The Data acquisition system of beam position monitors in J-PARC main ring

畠山 衆一郎; 林 直樹; 荒川 大*; 橋本 義徳*; 平松 成範*; 小田切 淳一*; 佐藤 健一郎*; 手島 昌己*; 飛山 真理*; 外山 毅*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.2698 - 2700, 2010/05

J-PARC主リングのビーム位置モニタのデータ処理システムは186台のLINUXベースのデータ処理回路(BPMC)と12台のEPICSの入出力コントローラ(IOC)から構成されている。これらはビームの閉軌道の歪み(COD)や1周ごとのビームのバンチの位置を測定するために重要なツールである。このレポートではさまざまな校正係数がどのようにあてはめられているかも含めてデータから位置情報への再構成の方法を述べる。

論文

Beam based alignment of the beam position monitors at J-PARC RCS

林 直樹; 原田 寛之; 發知 英明; 外山 毅*; 手島 昌己*

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.1005 - 1007, 2010/05

J-PARC RCSは、MWクラスの速い繰返しのシンクロトロンで、ダクトのアパチャーは、直径250mm以上で設計された。このように大きなチェンバーサイズにもかかわらず、BPMは、光学パラメータを決めるため精度良いデータを提供している。この目的には、相対位置精度,分解能が重要であるが、さらに高いビーム強度のためには、ビームの絶対位置と精密なCOD補正が必須である。BPM検出器は、注意深く据付られているが、ビームを使った絶対位置測量が必要である。もし、個々の四極電磁石が独立に制御できれば、簡単なBBA手法が使えるが、RCSではそうではない。RCSには、7つの四極電磁石ファミリーがあり、一度にはファミリーごとにしか制御できない。われわれは、従来の手法を複数の四極電磁石が変わる場合でも適用できるように発展させ、RCSに適用した。ここでは、この手法と実験的結果について述べる。

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