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論文

Development of next-generation LLRF control system for J-PARC rapid cycling synchrotron

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 漁師 雅次*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 66(7), p.1242 - 1248, 2019/07

J-PARC RCSのLLRF制御システムは2007年に運転を開始した。システムの重要な機能として、デュアルハーモニック運転とマルチハーモニックRFフィードフォワードによるビームローディング補償が挙げられる。これまでLLRF制御システムは大きな問題もなくその性能を発揮してきたが、使用されているFPGAが古くなり、最新の開発環境でサポートされないなど今後の維持は困難になることが予想されている。このため、MTCA.4ベースにした新しいシステムにより、既存のVMEシステムを置き換えることを検討中である。この発表では、次世代LLRFシステムの構成、これまでに実装されている機能、テスト結果について報告する。

論文

Baseband simulation model of the vector rf voltage control system for the J-PARC RCS

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 山本 昌亘; 島田 太平; 野村 昌弘; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072030_1 - 072030_6, 2018/10

J-PARC RCSの広帯域金属磁性体空胴における大強度ビームによる重いビームローディングの補償のため、ベクトルRFフィードバック制御の採用が検討されている。マルチハーモニックベクトル制御プロトタイプシステムを製作しテスト中である。システム性能を検証するために、Matlab SimulinkによるRFシミュレーションが行われることが多いが、商用かつ高額なソフトウェアである。また、計算機資源を要し計算時間がかかることも問題である。このため、フリーソフトウェア(Scilab, Python control library)を用いて簡単化したベースバンドシミュレーションを行った。ベースバンドシミュレーションは高速に実行できることはパラメータサーチの際に有利である。この発表では、シミュレーションモデルのセットアップについて述べる。シミュレーション結果は開ループ閉ループともにシステムの応答をよく再現している。

論文

Conceptual design of a single-ended MA cavity for J-PARC RCS upgrade

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.052014_1 - 052014_6, 2018/10

J-PARC RCSでは金属磁性体を用いた高周波加速空胴において、真空管のプッシュプル励振により高周波電力を供給している。そして、空胴の広帯域インピーダンス特性を生かしてマルチハーモニック励振及びビーム負荷補償を行っているが、プッシュプル励振はマルチハーモニック励振に際して欠点があることが判明した。それは、ビーム強度が上がってきた場合に、陽極電圧振幅のアンバランスが顕著になることである。そのためRCSのビームパワー増強に向けて、シングルエンド励振の金属磁性体空胴を考案した。これにより、陽極電圧振幅のアンバランスが本質的に発生しない空胴を実現できる。

論文

J-PARC RCS次世代LLRF制御システム

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1131 - 1135, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)の デジタルLLRF制御システムは、デュアルハーモニック電圧制御やrfフィードフォワードによるマルチハーモニックビームローディング補償などの機能により、大強度陽子ビーム加速において重要な役割を果たしてきた。一方、RCSの運転開始から10年以上が経過し、使用されているFPGAが現在の開発環境ではサポート外となったことなどから、現システムは今後維持していくことが困難になることが予想されている。このため、次世代LLRF制御システムを製作中である。現システムはVMEモジュールとして構成されているが、次世代システムではフォームファクターとしてmTCA.4を採用し、モジュール間の信号のやりとりにバックプレーンを介した高速シリアル通信を活用する。本発表では、次世代LLRF制御システムの構成および機能の概要、現状について報告する。

論文

Measurement of thermal deformation of magnetic alloy cores of radio frequency cavities in 3-GeV rapid-cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex

島田 太平; 野村 昌弘; 田村 文彦; 山本 昌亘; 杉山 泰之*; 大森 千広*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 吉井 正人*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 875, p.92 - 103, 2017/12

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

Magnetic alloy cores loaded in radio frequency cavities are employed to achieve a high field gradient in the 3-GeV Rapid-Cycling Synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex. We use three core-types, which were manufactured in three different processes. Buckling occurred in some cores of only one of the three core types. In order to find out the mechanism of buckling, we measured thermal deformations of the two core types, which had not buckled and the core types, which had buckled, while changing their temperatures by RF heating in air. Furthermore, we calculated the thermal stress using the results of the experiments. These experiments yielded that there was no remarkable difference in the strength of thermal stress between the core types, which had not buckled, and the core types, which had buckled; however, that there was a clear difference in the behavior of thermal deformations. The local deformations appeared, when a certain temperature was exceeded, and accelerated with temperature rise in the buckled core types. This was not seen with core types that didn't show the buckling problem. We conclude that the repetition of these catastrophic and local deformations, which are accelerated with the temperature rises, lead to the buckling. This result contributes to the stable operation of RCS.

論文

J-PARC RCSのためのベクトルrf電圧制御システムの開発

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 山本 昌亘; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.241 - 245, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、大強度の陽子ビームを加速する際に金属磁性体(MA)空胴に生じるビームローディングを補償することが必須である。RCSで用いられるMA空胴は広帯域の周波数特性を持つために、ウェーク電圧も高調波を含み、マルチハーモニックのビームローディング補償が必要である。RCSでは、マルチハーモニックフィードフォワードシステムによるビームローディング補償で、設計ビームパワー1MWまでのビーム加速試験を成功裏に遂行してきたが、その過程で、フィードフォワード法が持つオープンループ系であることに起因する弱点もわかってきた。J-PARCシンクロトロンの次世代LLRF制御システムでは、フィードフォワードに加え、ベクトルrf電圧制御によるビームローディング補償の採用を検討している。本発表では、2016年度に製作したベクトルrf電圧制御システムのプロトタイプについて、概要、調整手法および試験結果について報告する。

論文

Observation of simultaneous oscillations of bunch shape and position caused by odd-harmonic beam loading in the Japan Proton Accelerator Research Complex Rapid Cycling Synchrotron

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(11), p.113G01_1 - 113G01_24, 2017/11

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、陽子のバンチが二つ加速器リングを周回している。そして陽子にエネルギーを与える加速電圧も、周回周波数の2倍の周波数で発生させている。このため、大強度ビームの場合バンチが加速空胴を通過する度にウエイク電圧を誘起するが、ウエイク電圧のフーリエ成分も偶数次が主成分となり、奇数次成分はほとんど観測されないはずと考えられていた。実際に加速初期には奇数次成分はほとんど観測されないが、時間とともに増大しビーム損失を起こす現象が観測された。ビーム測定の結果から、奇数次のウエイク電圧がバンチの位置だけでなく形状も同時に振動させていることが示唆された。この振動は奇数次成分をさらに増大させるため、振動が収まらなくなる。ビームシミュレーションはビーム測定の結果をうまく再現し、奇数次のウエイク電圧が極端な高周波バケツ変形を引き起こしてビーム損失に至る様子が確認された。以上のことから、予めマイナーハーモニック成分にもビーム負荷補償システムを導入すればビーム損失が防げることが示されたので、加速器の放射化を減らし安定なビーム運転に貢献することが期待される。

論文

Development of high resistant anti-reflection coating by using Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/SiO$$_{2}$$ multilayer

越智 義浩; 永島 圭介; 岡田 大; 田中 桃子; 立野 亮*; 古川 泰之*; 杉山 僚

Proceedings of SPIE, Vol.8885, p.88851Z_1 - 88851Z_6, 2013/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:6.33

Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/SiO$$_{2}$$多層膜を用いた無反射(AR)、及び高反射(HR)コーティングの高耐力化に関する技術開発を行った。原子力機構にて設計し、島津製作所にて製膜した無反射コーティングについて、1kHz繰り返しの500psレーザーにて耐力評価を行った結果、平均値として36J/cm$$^{2}$$が得られた。また、高反射コーティングについても同様に設計,製膜を行い7ns, 500ps, 1psのパルス幅のレーザーを用いた耐力評価を行った。得られた結果から、ダメージ発生の素過程についての考察を行った結果等について報告する。

口頭

High resistant multilayer coatings for thin-disk laser amplifier

越智 義浩; 永島 圭介; 圓山 桃子; 岡田 大; 杉山 僚; 立野 亮*; 古川 泰之*

no journal, , 

Yb:YAG薄膜ディスクレーザーのための高耐力AR、及びHRコーティングをデザインした。ガラス基板を用いたテストサンプルを試作し、QUADRA-Tレーザーから出力される520psパルス、及び1psパルスを用いて耐力試験を行った。結果、高屈折材料にAl$$_{2}$$O$$_{3}$$誘電体を用いることにより500psパルスに対するARコーティングのダメージしきい値は75J/cm$$^{2}$$となり目標性能であった40J/cm$$^{2}$$を達成した。また、HRコーティングでは膜厚を高度に制御することにより、ダメージしきい値が高くなることを確認した。

口頭

A Prototype system of multiharmonic vector voltage control for the J-PARC rapid cycling synchrotron

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

no journal, , 

J-PARC RCSでの大強度陽子ビーム加速において、金属磁性体空胴のビームローディング補償は非常に重要である。RCSではこれまで、マルチハーモニックrfフィードフォワードによりビームローディング補償を行っており、設計ビーム強度1MWまでの試験を成功裏に遂行してきた。一方、大強度ビーム試験の過程でフィードフォワードが開ループであるための運用上の弱点もわかってきた。このため次世代LLRFシステムでは、フィードフォワードに加えベクトル電圧制御による補償を検討している。2016年度にベクトル電圧制御システムのプロトタイプを製作した。このシステムは6つのハーモニクスに対応し、また、幅広い周波数に対応するための特徴を備えている。本発表では、システムの構成、調整、そして900kWの大強度ビームを用いた試験結果について報告する。

口頭

MicroTCA.4 based LLRF control system of the J-PARC RCS; Design and status

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

no journal, , 

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は1MWを目指す大強度陽子シンクロトロンである。精密なRF制御は大強度ビーム加速のために必須である。現状のデジタルローレベルRF(LLRF)制御システムは良好に動作しているが、使用しているFPGAが陳腐化しており、システムの今後の維持は困難となってきた。このため、RCS LLRFの更新を目指して製作を行っている。新システムにはMTCA.4規格を採用した。高周波信号の入出力、機能拡張等のためのバス(バックプレーン)を備えたユニットを製作し、12台の空胴を制御するために必要な7つのモジュールを接続する。RF信号処理 にはXilinx製FPGA(Zynq)が用いられ、Zynq上でLinuxおよび制御用アプリケーション(EPICS IOC)が動作する構成である。バックプレーンでの信号、データの伝送はLLRFの機能を実装するために重要である。この発表では、システムの構成、信号伝送、テスト結果について報告する。

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