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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
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。
フィラメント・マルチカスプイオン源の開発状況柴田 崇統*; 高木 昭*; 池上 清*; 杉村 高志*; 南茂 今朝雄*; 内藤 富士雄*; 小林 仁*; 栗原 俊一*; 本田 洋介*; 佐藤 将春*; et al.
Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.385 - 387, 2018/10
In order to satisfy the second term clinical trial condition of iBNCT, which requires 5 mA proton beam extraction from linac, beam operation of Lanthanum Hexaboride (LaB) filament has been started from Oct. 2017. In the test stand, plasma arc discharge properties and beam current measurement via Faraday-cup (FC) has been done under several ion source conditions. By Mar. 2018, 45 mA of beam current has been achieved at FC. Although the pulse width of arc discharge is limited to 200 
s by the capacitor bank in arc pulser power supply, still the wave form of the arc discharge current/voltage and the resultant beam current at FC have shown very stable flat top (beam current fluctuation below 0.5 %) after 50 s. Further increase of beam current is required by optimization of AMFC (Axial Magnetic Field correction) field and filament emission which will be done in 2018.
ion source神藤 勝啓; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知
AIP Conference Proceedings 2011, p.050018_1 - 050018_3, 2018/09
Operation of a cesiated RF-driven negative hydrogen ion source was initiated in September 2014 in response to the requirements of beam current upgrade in J-PARC linac. Delivery of the required beam current from the ion source to the J-PARC accelerators has been successfully performed. In 2016-2017 campaign, continuous operation of the ion source for approximately 1,840 hours (RUN#75 from April to July 2017) was achieved with beam current, macro pulse width and repetition of 45 mA, 500 s and 25 Hz, respectively. We present the operation status of the ion source and a high current H beam with 70 mA extracted from the ion source for the further high-power upgrade in J-PARC accelerators.
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
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.
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 内藤 富士雄*
AIP Conference Proceedings 2011, p.020008_1 - 020008_3, 2018/09
Balmer alpha line intensity in J-PARC Radio Frequency (RF) negative hydrogen ion source has been measured by photometry measurement. The line intensity shows several interesting time characteristics in different phases; (1) 2 MHz (RF frequency) oscillation just after plasma ignition and (2) 4 MHz (doubled RF frequency) and 2 MHz coupled oscillation in the steady-state. From the comparison between numerical analysis, it has been explained that electron acceleration in inductively coupled electromagnetic field takes place with 4 MHz frequency which results in the 4 MHz line intensity oscillation. From the understandings of the background physics, we can conclude that this fast photometry measurement is a good diagnosis tool to understand whether RF plasma is in E-mode or H-mode in general RF ion sources.
beam dynamics in J-PARC LEBT柴田 崇統*; 池上 清*; Liu, Y.*; 三浦 昭彦; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 大谷 将士*; 神藤 勝啓; et al.
Proceedings of 29th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2018) (Internet), p.519 - 521, 2018/09
実験結果と数値計算結果の比較によって低エネルギービーム輸送系(LEBT)での負水素イオン(H)ビームの輸送過程を調査している。これまで、(i)J-PARCのLEBTの2つのソレノイド電磁石による軸方向磁場と、(ii)空間電荷効果による径方向電場の2つを考慮するために、3次元のParticle-In-Cell(PIC)粒子輸送モデルを開発してきた。2つのソレノイド電磁石電流が変化したときの高周波四重極リニアック(RFQ)入口での全Hビーム粒子数に対するRFQのアクセプタンス内のHビーム粒子数の比を計算した。この計算結果をJ-PARCリニアックのコミッショニングで得たRFQの透過率測定の実験結果と比較したところ、実験で見られたソレノイド電磁石への印加電流に対するRFQの透過率の2つのピークが現れることが、計算結果からも確認できた。計算結果では、LEBT内で作動排気のために設置しているオリフィスがRFQ入口のエミッタンスを削ってしまうコリメータのような役割をしていることが示された。
大越 清紀; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 柴田 崇統*; 池上 清*; 高木 昭*; 上野 彰; 滑川 裕矢*; 小栗 英知
Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.889 - 892, 2018/08
大強度陽子加速器施設(J-PARC)のセシウム添加高周波駆動型負水素イオン源は、2017年夏期メンテナンス後の一年間のユーザ運転では、ビーム電流値約47mAで運転を行っている。RUN#75(平成29年4月-7月)で初めて約3ヵ月間の連続運転を試行し、寿命や安定性に問題が無いことが証明されたため、J-PARCではRUN#76からイオン源のメンテナンスを3ヵ月毎に行う方針とした。現在まで3回の3ヵ月連続運転を行い、RUN#79(平成30年4月-7月)ではこれまでの最長時間となる2,201時間を達成した。RUN#79終盤(89日目)には加速器スタディのために、ビーム電流を58mAに増加した。また、RUN最終日(93日目)には、J-PARCの更なる高度化を目指したリニアックの加速器スタディのためにこれまでのイオン源の最大ビーム電流となる72mAに増加し、ビーム強度がRFQ出口で66mA、リニアック出口で60mAを確認した。2018年3月からJ-PARC製高周波アンテナの耐久性を確認するための長時間運転試験も開始し、6月末時点で1,410時間の運転時間を達成している。
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。
大越 清紀; 神藤 勝啓; 池上 清*; 柴田 崇統*; 高木 昭*; 南茂 今朝雄*; 上野 彰; 小栗 英知
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.651 - 654, 2017/12
J-PARCリニアックのセシウム添加高周波駆動型(RF)負水素イオン源は、リニアックビーム増強のアップグレードのために2014年9月からビーム供給運転を開始した。2017年4月から7月までのビーム運転(RUN75)では、ピーク電流47mA条件下でこれまでの最長時間になる約1,845時間のビーム供給を達成した。本学会では、1年間のイオン源の運転実績及び保守等について報告する。
ion source小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 上野 彰; 神藤 勝啓
AIP Conference Proceedings 1869, p.030053_1 - 030053_7, 2017/08
J-PARCリニアックのビーム増強を行うために、セシウム添加型高周波負水素イオン源の運転を2014年9月から開始した。本イオン源は、ステンレス製プラズマ生成室、ビーム引出系及び差動真空排気用大型真空チェンバで主に構成されている。本イオン源は、2014年10月の運転中にアンテナが故障したが、それ以降、現在に至るまで重大なトラブルは発生していない。現状、ビーム電流45mA、デューティーファクタ1.25%(ビーム幅0.5msec、パルス繰り返し率25Hz)にて1,000時間以上の連続運転を達成している。本発表では、本イオン源の長時間運転における運転パラメータや安定性について報告する。
柴田 崇統*; 浅野 博之; 池上 清*; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 上野 彰
AIP Conference Proceedings 1869, p.030017_1 - 030017_11, 2017/08
J-PARCでは2014年9月より、セシウム(Cs)添加型・マルチカスプ・高周波放電型(RF)負水素(H)イオン源の利用運転が開始され、電流値45mA、繰返し1.25%(0.5ms, 25Hz)のH-ビームを1000時間連続で引き出すことに成功している。本研究では、J-PARCイオン源内のRFプラズマに対する数値計算モデルを構築することで、プラズマの点火過程と定常状態におけるH生成・輸送に関わる物理過程を解明する。シミュレーションモデルでは、(1)荷電粒子(電子,水素陽イオン, Csイオン)、(2)イオン源内に形成される誘導性・容量性電磁場の時間変化、および(3)荷電粒子と水素原子・分子間の衝突過程を同時に計算する。また、同モデルを高エネルギー加速器研究機構並列計算機システムA(32ノード・256GBメモリ)に適用することで、10
m
以上の高密度となるRFプラズマの挙動を十分な統計性を以て計算することが可能である。発表では、RFプラズマの成長過程に重要なプラズマパラメータを、プラズマ温度・密度、および電磁場分布の時間発展とともに示す。
柴田 崇統*; 池上 清*; Liu, Y.*; 丸田 朋史*; 内藤 富士雄*; 高木 昭*; 浅野 博之; 近藤 恭弘; 三浦 昭彦; 小栗 英知; et al.
Proceedings of 28th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2016) (Internet), p.251 - 253, 2017/05
J-PARCリニアックでは2014年の大強度化に向けた機器アップグレード後、低エネルギービーム輸送(LEBT)内のビームコミッショニングを実施した。コミッショニングでは、LEBT内に取り付けられた2機のソレノイドコイル電流値、2機のステアリングコイル電流値、およびイオン源加速部の引出し電圧・加速電圧の調整を行った。LEBT内のビームを調整し、RFQ入口でのマッチングを最適化した結果、Hビーム電流値50mAの運転時に、従来より高いRFQ透過率96%を達成した。透過率向上の原因を理解するため、LEBT内部のビーム輸送過程をPIC-MCシミュレーションにより解析し、測定結果の比較から、イオン源・LEBTのパラメータ調整とビーム輸送過程の関係を明らかにする。
大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 上野 彰; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 神藤 勝啓; 小栗 英知
Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.940 - 943, 2016/11
J-PARCリニアックのセシウム添加高周波駆動型(RF)負水素イオン源は、2014年10月から運転を行っている。2015年、本学会で報告した良質アンテナの選別やアンテナダメージを軽減する立上げ方法に効果があり、ここ一年間はアンテナ破損によるビーム停止は発生していない。利用運転では、ピーク電流を33mAから45mAに増加させたが、特に故障もなく1,350時間の連続運転に成功している。ビーム電流値の安定度は、フィードバックシステムにより、低エネルギービーム輸送系(LEBT)にて
2%以内に維持できている。本発表では、RF負水素イオン源の最近1年間の運転実績及びトラブルの報告の他、イオン源テストスタンドの整備状況についても報告する。
beam in low energy beam transport test standArtikova, S.; 高木 昭*; 柴田 崇統*; 池上 清*
Proceedings of 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC '16) (Internet), p.677 - 679, 2016/06
J-PARC is intensity-upgraded up to pulse current of 50 mA of H beam. Two-solenoid based LEBT test stand is being built to support the operation of J-PARC linac. It imitates the actual LEBT of linac, yet contains the diagnostics chamber composed of horizontal and vertical beam emittance meters and Faraday-cup for the current measurement. Vacuum composition of LEBT is predominantly H
gas. The pressure inside the LEBT can be varied by the differential pumps allowing us to study the beam phase space evolution under space charge effects. The measurements of the beam phase space emittance were made as a function of the residual gas pressure. This paper presents the results and discussion on beam space charge neutralization and its effect on the beam phase space emittance.
ion source for J-PARC linac小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 上野 彰; 柴田 崇統*
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B138_1 - 02B138_3, 2016/02
被引用回数：3 パーセンタイル：61.24(Instruments & Instrumentation)J-PARCリニアックのビーム電流を増強するために、セシウム添加型高周波負水素イオン源を2014年夏の加速器メンテナンス時にインストールし、同年9月29日より運転を開始した。現在、本イオン源はビーム電流33mA、デューティファクタ1.25%で稼働している。いままでのところ、連続運転時間は約1100時間を達成している。運転中の高圧部放電頻度は1日に1回以下であり、ユーザ運転には影響のないレベルである。2014年10月にアンテナが破損したが、それ以降は深刻なトラブルは発生していない。本会議では、本イオン源の長時間運転における各種パラメータや安定性について発表する。
柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02
被引用回数：3 パーセンタイル：61.24(Instruments & Instrumentation)J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。
吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; Grisham, L. R.*; 畑山 明聖*; 柴田 崇統*; 山本 崇史*; 秋野 昇; 遠藤 安栄; et al.
Fusion Engineering and Design, 96-97, p.616 - 619, 2015/10
被引用回数：7 パーセンタイル：28.02(Nuclear Science & Technology)JT-60SAのプラズマ加熱および電流駆動装置として利用する世界最大の負イオン源では、要求値となる22Aの大電流負イオンビームの100秒生成を目指している。そのためには、40cm
110cm(全1000穴)のビーム引出面積から生成されるビームの一様性を改善する必要がある。そこで、負イオンビームの親粒子である水素原子および水素イオンをより一様に生成するために、磁場分布・高速電子分布計算結果および実験結果に基づいて、従来の横磁場構造からテント型磁場構造を基にした新たな磁場構造に改良した。これにより、全プラズマ電極に対する一様な領域は、従来よりも1.5倍まで改良し、この一様な領域からJT-60SAの要求値を満たす22Aのビーム生成を可能にした。このときのビーム電流密度は210A/m
であり、これはITERの負イオン源にて要求される200A/mをも満たすビーム生成に成功した。
柴田 崇統; 寺崎 良*; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 大楽 正幸; 谷口 正樹; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; et al.
AIP Conference Proceedings 1515, p.177 - 186, 2013/02
被引用回数：8 パーセンタイル：3.05JT-60SA用中性粒子入射装置では、大面積(0.90.45m)引出し面上の負イオン生成が偏っており、引き出された負イオンが電極に衝突して失われることが問題となっている。これまでの研究で、フィラメント陰極から放出される高速電子が
ドリフトによって長手方向一方向へ移動すること、その電子温度の空間分布に負イオン一様性が強く関連することがわかっている。本研究では、電子温度の空間分布を一様にする負イオン源の磁場配位の改良を目的として、負イオン源内の電子温度分布を再現・予測するため、衝突素過程を考慮した3次元電子輸送解析コードを開発し、原子力機構の10アンペア負イオン源モデルで電子温度空間分布に偏りが発現する機構を調べた。その結果、解析結果はプローブ測定結果を良く再現できること、さらに高速電子が高いエネルギー(
=25-60eV)を保持したまま長手方向端部の壁付近まで到達してプラズマ粒子と頻繁に衝突し、電子温度の空間分布に偏りを生じる過程を明らかにした。
柴田 崇統; 古賀 章二朗*; 寺崎 良*; 井上 多加志; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 土田 一輝; 梅田 尚孝; et al.
Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02A719_1 - 02A719_3, 2012/02
被引用回数：2 パーセンタイル：81.78(Instruments & Instrumentation)次世代大型核融合実験炉におけるNBI加熱用負イオン源では、一様性の高い大面積からのHビームの引き出しが課題となっている。非一様性発現機構理解のための物理モデルとして、ビーム強度非一様性が(1)電子エネルギー分布関数(EEDF)非一様性、(2)(1)による水素原子(H
),正イオン(H
)生成分布非一様性、(3)PG表面へのH/H粒子束非一様性、(4)表面生成を介した水素負イオン生成分布非一様性によって生じることが提案された。しかし従来研究ではEEDFがプローブ測定から得られる2温度Maxwell分布で仮定されていたため、フィラメントから生成されるような高エネルギー電子の寄与を正確に取り入れていない。本研究では、実際の負イオン源形状,磁場配位を3次元的に模擬したMonte-Carloモデルを電子に適用し、局所的なEEDFを数値計算により求め、H/H生成分布を計算する。水素分子,原子密度(
m,解離度0.1)を仮定した結果から定量的な生成分布が求められ、高エネルギー電子成分がH/H生成分布非一様性を強調する結果が示される。
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。
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
no journal, ,
As preparations for non-clinical studies in Ibaraki Boron Neutron Capture Therapy (iBNCT), physics and cell experiments have been started in 2018 by producing high intensity proton beam in the linac with beam energy up to 8 MeV and average current up to 2 mA. In order to satisfy original clinical trial conditions, higher beam intensity upgrade is required to obtain average 5 mA beam current with enough stability. For this purpose, an arc-driven proton source equipped with lanthanum hexaboride (LaB
) filament is under development. A peak beam current of 53 mA is obtained in the off-line test-stand, which is equivalent to average 5 mA in the actual operation with beam pulse up to 1 ms and repetition up to 100 Hz. Generally, arc pulser power supply (PS) should be large size to satisfy high and stable arc voltage/current, while the space-saving is important for the medical application. In the present study, a new arc pulser PS is developed for these requirements. In the presentation, the arc pulser PS and brief status of the proton source development is reported.
