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Comparative studies of three-dimensional analysis and measurement for establishing pulse electromagnet design

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 小野 礼人; 山本 風海; 金正 倫計

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 30(4), p.4901605_1 - 4901605_5, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

A new horizontal shift bump magnet for the J-PARC RCS injection system was designed and fabricated. The magnet is a pulse magnet that repeatedly excites a trapezoidal waveform of about 1.5ms at 25Hz with the maximum current of 16kA and the voltage of 12kV. In order to design the magnets of such specifications, three-dimensional analysis of time-varying magnetic field which capable of evaluating eddy currents is required. Using one electromagnet model, the difference between the static magnetic field analysis and the dynamic magnetic field analysis, and the difference between the two-dimensional and three-dimensional analysis were compared, respectively. In addition, we also verified the analysis result and the actual measurement results carried out by the search coil and the hall probe. Finally, we established a pulse electromagnet design method. The verification results by the fabricated electromagnet are presented here.


Development of low inductance circuit for radially symmetric circuit

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012183_1 - 012183_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC RCSの安定した運転を維持継続するための高度化研究開発の一つとして、キッカーシステムで採用しているサイラトロン代替用半導体スイッチ回路の開発を行っている。その中で、次世代半導体の一つであるSIC-MOSFETの半導体を用いた放射対称型回路は、多数の半導体スイッチが直列, 並列に多重化された構成である。この放射対称型回路では、全ての並列回路の長さが等しいため、タイミングジッタやレベル変化により出力波形が歪むことは原理的には無い。そのためこの回路は、超高速ショートパルスの波形の出力に有用である。本研究では、電力伝送回路を2重の円リング構造にすることで同軸形状とし、更なる低インダクタンス化を実現する回路を開発した。構造と出力波形から求めたインダクタンス値を比較した結果、約10%の低減を実現した。また、実試験にて計算と実測の比較検証を行い、開発した円リング構造が計算通り低インダクタンス化に有効であることを確認した。



小野 礼人; 高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.399 - 403, 2019/07

J-PARCでは、LINACの高周波加速用クライストロン電源のクローバー装置にイグナイトロン、RCSのキッカー電源システムにサイラトロンを用いている。イグナイトロンは、世界的に使用が制限されている水銀を使用しており、将来的に製造中止が見込まれる。そこで、MOSゲートサイリスタを用いたイグナイトロン代替用半導体スイッチを設計した。クローバー装置に使用するためには、120kV, 40kA, 50usの動作出力が必要である。1枚当たり、3kV, 40kA, 50usの動作出力を実現するオーバル型基板モジュールを製作し、仕様を満足すること確認した。また、サイラトロン代替スイッチにSiC-MOSFETを用いたLTD回路を採用したモジュール型パルス電源を製作し、RCSキッカー電源システムに必要な、立ち上がり250ns以下、フラットトップ1.5us以上を実現する。1枚当たり800V, 2kAの主回路基板26枚とフラットトップを補正する100V, 2kAの補正回路基板14枚を積み重ね、20kVの出力を実現した。試験結果について報告する。


Development of a new modular switch using a next-generation semiconductor

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.082019_1 - 082019_6, 2018/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

Semiconductor switches using SiC-MOSFETs are expected to substitute the thyratron, and they are designed by connecting many semiconductor switches in parallel-series for high power operation. In order to suppress the common-mode noise caused by switching, it is common to form a symmetrical circuit. However, as the number of parallel connections in the horizontal direction increases, the length of the parallel circuit becomes longer, and the output waveform is distorted due to time lag between the circuits. Therefore, we propose a radially-symmetrical type module switch which can equalize the circuit length regardless of the number of parallel circuit. Even in circuit fabrication, it was easy for the radially-symmetrical type to make the distances of the parallel circuits equal, shorten the circuit length, and make the circuit impedance lower than the line-symmetrical type. It was confirmed that the radially-symmetrical type circuit is very useful for constructing multiple circuits. The design and preliminary test results of two types of switch circuits, radially-symmetrical type and general line-symmetrical type are presented here.


A New pulse magnet for the RCS injection shift bump magnet at J-PARC

高柳 智弘; 山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 金正 倫計; 入江 吉郎*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 28(3), p.4100505_1 - 4100505_5, 2018/04

The 3-GeV Rapid-Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex has demonstrated a high power beam equivalent to 1 MW. Therefore, in order to realize more stable operation, we are considering an upgrade plan. Regarding the radiation protection at the upgrade plan, a new injection system has been proposed to secure enough space for radiation shielding and maintenance work. For this purpose, it is necessary to integrate the splitted iron cores of the injection shift bump magnet into one core, the length of which is shorter than the total length of the splitted iron cores. The number of coil turns for the new one core magnet is then increased from 2 to 4. The structural design of the new shift bump magnet excited at 25 Hz repetition rate is in progress from view point of eddy current losses at the magnet edge and the coil temperature by using the OPERA-3D. This paper details these aspects and outlines the new power supply briefly.


J-PARC 3GeVシンクロトロンビームコリメータの故障原因究明作業

岡部 晃大; 山本 風海; 神谷 潤一郎; 高柳 智弘; 山本 昌亘; 吉本 政弘; 竹田 修*; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 柳橋 亨*; et al.

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.853 - 857, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)には、ビーム損失を局所化し、機器の放射化を抑制するためにビームコリメータが設置されている。RCSにて加速中に広がったビームハローは、すべてコリメータ散乱体によって散乱され、吸収体部にて回収される。2016年4月のコリメータ保守作業時に吸収体部の1つで大規模な真空漏れが発生したため、代替の真空ダクトを設置することで応急的な対処を行い、ビーム利用運転を継続した。取り外したコリメータの故障原因を特定するためには、遮蔽体を解体し、駆動部分をあらわにする必要がある。しかし、故障したコリメータ吸収体部は機能上非常に高く放射化しており、ビームが直接当たる真空ダクト内コリメータ本体では40mSv/hという非常に高い表面線量が測定された。したがって、作業員の被ばく線量管理、及び被ばく線量の低減措置をしながら解体作業を行い、故障したコリメータ吸収体の真空リーク箇所の特定に成功した。本発表では、今回の一連の作業及び、コリメータの故障原因について報告する。


J-PARC RCSにおけるペイント入射用電磁石電源の高精度出力調整

加藤 新一; 高柳 智弘; 原田 寛之; 堀野 光喜; 飛田 教光; 植野 智晶*; 金正 倫計

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1180 - 1184, 2015/09

大強度陽子加速器であるJ-PARC 3GeV RCSでは、ビームロスの原因となる空間電荷力を緩和するために、多重入射中にLinacからの入射ビームを位相空間上の任意の範囲に意図的に広げて入射するペイント入射を行っている。水平方向のペイントは、個別に電源を持つ4台の水平ペイントバンプ電磁石の出力を多重入射時間の0.5msで立ち下げ、入射点での周回軌道の位置と傾きを時間的に変動させることで行われる。ビームロス低減のためには、シミュレーションと実験から検討した時間変動パターンを、低出力の領域まで正確に再現する必要がある。また、閉軌道変動を抑制するために、4台の水平ペイントバンプ電磁石の出力バランスを保つ必要がある。そのため、高精度の出力調整が必須である。水平ペイントバンプ電磁石用電源は、電流と電圧の指令値を制御回路に入力することで電流を出力する。そこで、指令電圧値を変化させた時の出力電流の応答特性を調査した。この結果、再現したい時間変動パターンからの誤差を補正するために必要な、指令電圧値の微小量が判明し、高精度の出力調整が可能となった。また、現在RCSで用いている時間変動パターン以外のパターンにおいても、出力電流の応答特性は同一であることを明らかにし、様々な時間変動パターンに対しても高精度の出力調整が可能であることを示した。さらに、調整時間の大幅な短縮を目的として、自動的に出力調整を行うルーチンを現在開発中である。


J-PARC RCS水平シフトバンプ電磁石の現状報告

堀野 光喜; 高柳 智弘; 飛田 教光; 植野 智晶*; 金正 倫計

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1175 - 1179, 2015/09

J-PARC 3-GeV RCSの水平シフトバンプ電磁石は、ビーム入射部に4台設置してあり、LINACからの入射ビームとRCSの周回ビームを合流させるバンプ軌道を生成する。本水平シフトバンプ電磁石は、2008年より7年間(約2万3000時間)の長期に渡り、トラブル無く安定した運転を続けてきた。しかし、2015年2月に1台の電磁石でコイルサポートボルトが脱落、同年3月には4台の電磁石を直列に接続する銅バーの冷却用配管から漏水という問題が発生した。現在、原因調査及び恒久対策の検討のため、脱落したコイルサポートボルトはそのままに、銅バーの冷却に関しては水冷を一時的に停止し、送風機を用いた強制空冷を行っている。そして、7月からの夏期保守期間までの間、一週間に一度の加速器メンテナンス時間を利用し、ファイバースコープカメラを使用してコイルサポートボルトの状態を確認すること、更には、強制空冷した銅バーの温度を熱電対により24時間監視する等の対応を行い、安全を確認しながら運転を継続している。本発表では、水平シフトバンプ電磁石の問題発生箇所、メンテナンスの状況報告と今後の対策について報告する。


新しいJ-PARC RCS入射水平シフトバンプ電磁石用パルス電源の開発

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜; 飛田 教光; 林 直樹; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 岡部 晃大; 谷 教夫; 内藤 伸吾*; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1169 - 1174, 2015/09

J-PARC 3GeV RCSのビーム入射システムにおける水平シフトバンプ電磁石用の新しい電源を開発し製作した。新しい電源は、LINACの入射ビームエネルギーが181MeVから400MeVへとアップグレードをするのに合わせ、現在の2倍以上の電源容量が必要になる。さらに、電磁石のセラミックダクトを覆うRFシールドのループコイルのインダクタンスと励磁場の共振によるビームロスを防ぐために、電流リップルノイズの低減が要求される。そこで、新しい電源の主回路方式に、これまでのIGBTの半導体スイッチを利用したチョッパ方式から、コンデンサの充放電を利用した転流方式を新たに採用することにした。コンデンサ転流方式は、台形波形(バンプ波形)を出力する際に常時スイッチングを行うチョッパ方式と異なり、原理的にはバンプ波形の分岐点での3回のスイッチ操作で形成が可能である。出力試験の結果、スイッチングに起因するリプル電流の発生が大幅に低減されたことを確認した。さらに、バンプ電磁石に起因するビームロスが低減し、RCSの所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。本論文では、転流方式を採用した新シフトバンプ電源の特性について述べる。


New injection bump power supply of the J-PARC RCS

高柳 智弘; 林 直樹; 植野 智晶*; 堀野 光喜; 岡部 晃大; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.2908 - 2910, 2015/06

J-PARC 3GeV RCSのビーム入射システムにおけるシフトバンプ電磁石用の新しい電源を開発し製作した。新しい電源は、LINACの入射ビームエネルギーが181MeVから400MeVへとアップグレードをするのに合わせ、現在の2倍以上の電源容量が必要になる。さらに、電磁石のセラミックダクトを覆うRFシールドのループコイルのインダクタンスと励磁場の共振によるビームロスを防ぐために、電流リップルノイズの低減が要求される。そこで、新しい電源の主回路方式に、これまでのIGBTの半導体スイッチを利用したチョッパ方式から、コンデンサの充放電を利用した転流方式を新たに採用することにした。コンデンサ転流方式は、台形波形(バンプ波形)を出力する際に、常時スイッチングを行うチョッパ方式と異なり、原理的にはバンプ波形の分岐点での3回のスイッチ操作で形成が可能である。出力試験の結果、スイッチングに起因するリプル電流の発生が大幅に低減されたことを確認した。さらに、バンプ電磁石に起因するビームロスが低減し、RCSの所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。本論文では、転流方式を採用した新シフトバンプ電源の特性について述べる。


J-PARC RCS水平ペイントバンプ電源の現状

植野 智晶; 高柳 智弘; 堀野 光喜; 林 直樹; 金正 倫計

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1135 - 1138, 2014/10

J-PARC RCSでは、2014年1月から、LINACからの400MeV入射エネルギーによるビーム試験及び運用を開始した。入射用水平ペイントバンプ電源は、400MeVビーム入射用に増強改造したため、電流値で約1.6倍、電圧で2倍の出力が可能になり、水平ペイントバンプ電源1では、最大で29kA/1.2kVの大電流・高電圧が出力可能な電源として運用を開始した。しかし、新水平シフトバンプ電源がトラブルにより所定の波形形状で出力できない問題が発生したため、RCSで横方向のペインティング入射を行う際には、当初の設計で想定していた水平ペイントバンプ電源の励磁波形とは異なる出力波形での対応が求められた。水平ペイントバンプ電源は、IGBTアセンブリを用いたチョッパ回路方式で構成されており、合成周波数648kHzでのスイッチングで、台形波形や減衰関数波形を任意に設定して出力することが可能である。本報告では、水平ペイントバンプ電源の増強内容及び任意の出力波形形成の内容について報告する。


J-PARC RCS新水平シフトバンプ電源の温度問題の報告

堀野 光喜; 高柳 智弘; 植野 智晶; 林 直樹; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1143 - 1147, 2014/10

J-PARC RCSでは、LINACの400MeVビームエネギーへのアップグレードに合わせて、電源容量を倍増した新水平シフトバンプ電源を開発した。2013年11月に製作及び工場試験が終了し、2014年1月から、予定通りJ-PARC RCSのビーム試験を開始した。しかし、台形型の出力電流波形(バンプ波形)のフラット部分を形成するFTユニット回路の充電器の故障が頻発した。そのため、現在のユーザー利用運転では、FTユニットを使用せず、立上がり部分を形成する上下ユニットのみで運用している。そして、この影響により、上下ユニットで見込んでいた回生量が減少することになり、上下ユニット回路の充電器の運転稼働時間が増えて負担が増加した。その結果、工場試験では発生しなかった上下ユニット回路の充電器が高温となる温度異常の問題が発生した。本報告では、新水平シフトバンプ電源の現状と温度問題が発生した原因とその対策方法について報告する。


J-PARC RCS入射バンプ用新水平シフトバンプ電源の開発と現状

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; 入江 吉郎*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1139 - 1142, 2014/10

J-PARCの3-GeV RCSでは、アップグレードしたLINACからの400-MeV加速ビームをRCSに入射するため、電源容量を倍増した新水平シフトバンプ電源を開発し製作した。新水平シフトバンプ電源は、主回路に大容量電解コンデンサーを使用し、IGBTスイッチの切り替え操作による充放電によって台形型の出力電流波形(バンプ波形)を形成する転流方式を採用した。新水平シフトバンプ電源は、J-PARC RCSで2014年1月に試験運転を開始した。しかし、バンプ波形のフラットトップ部分を形成するFTユニット用充電器のダイオードに故障が頻発したため、2014年2月からのユーザー利用運転では、FTユニットを使用せず運用を開始した。FTユニットを使用しない場合、バンプ波形のフラットトップ部分は右肩下がりになるため、水平ペイントバンプ電磁石と可変偏向電磁石を使用して、RCSへの入射と周回ビームの軌道を固定するように補正した。本報告では、新シフトバンプ電源の特性、FTユニット充電器の故障内容及びユーザー利用運転対応への現状を報告する。


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。


Power supply of the pulse steering magnet for changing the painting area between the MLF and the MR at J-PARC 3 GeV RCS

高柳 智弘; 林 直樹; 植野 智晶; 堀野 光喜; 富樫 智人; 金正 倫計; 渡辺 泰広; 入江 吉郎*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.681 - 683, 2014/07



Field measurement of pulse steering magnet for J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron

谷 教夫; 高柳 智弘; 植野 智晶; 原田 寛之; Saha, P. K.; 富樫 智人; 堀野 光喜; 林 直樹

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 24(3), p.0504004_1 - 0504004_4, 2014/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:72.99(Engineering, Electrical & Electronic)



Comparison of the pulsed power supply systems using the PFN switching capacitor method and the IGBT chopping method for the J-PARC 3-GeV RCS injection system

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜; 富樫 智人; 林 直樹; 金正 倫計; 入江 吉郎*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 24(3), p.3800905_1 - 3800905_5, 2014/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:66.73(Engineering, Electrical & Electronic)

J-PARC 3GeV RCSの入射エリアにあるペインティング入射用偏向電磁石のパルス電源を設計して製作した。シフトバンプ電磁石とパルス偏向電磁石は台形波形の出力電流を出力し、そのフラットトップ部分がビーム入射に使用される。水平と垂直のペイントバンプ電磁石は、減衰波形を使用して動的にビーム軌道を変更する。PFN方式はフラットトップ部に電流リプルを作らないが、IGBTチョッピング方式は、スイッチングによる電流リプルが生じてしまう。しかしながら、IGBTチョッピング方式は、要求された任意波形を形成することできる有利な点を持っている。回路構成,スイッチングノイズ,波形形成の制御における2つのシステムの比較について述べる。適材適所で電源を開発し運用することで、ビーム試験と運転を効率的に実施することが可能となり加速器施設の稼働率が上がる。これにより、J-PARC加速器の長期的な安定運転が可能となる。


Design and preliminary performance of the new injection shift bump power supply at the J-PARC 3-GeV RCS

高柳 智弘; 林 直樹; 金正 倫計; 植野 智晶; 富樫 智人; 堀野 光喜; 入江 吉郎*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 24(3), p.0503504_1 - 0503504_4, 2014/06

 被引用回数:5 パーセンタイル:61.23(Engineering, Electrical & Electronic)

リニアックの400MeVアップグレードに合わせて、J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける入射用シフトバンプ電磁石の新しい電源を開発した。この電源は、現在の1.6倍になる最大で32kAの出力が要求されている。さらに、ビームロスの低減のために、10kAから32kAの出力範囲において、電流リプルと偏差をそれぞれ0.2%以下にしなければいけない。現在のIGBTチョッピングシステムによる電源は、スイッチングによって連続的にリプルを発生させてしまう。そのため、電源の回路方式を、IGBTチョッピングシステムから、コンデンサーのスイッチングによるPFN方式へと変更した。電源は16バンクで構成され、1バンクあたり最大2kAで14kVを出力できる。現在は4バンクまで製作され、工場で特性試験を実施している。この設計と試験結果について報告する。この電源が完成すると、余計なロスが低減され、3GeVシンクロトロンは安定して運転することが可能になる。


Beam emittance control by changing injection painting area in a pulse-to-pulse mode in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 原田 寛之; 林 直樹; 堀野 光喜; 發知 英明; 金正 倫計; 高柳 智弘; 谷 教夫; 富樫 智人; 植野 智晶; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 16(12), p.120102_1 - 120102_11, 2013/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:61.4(Physics, Nuclear)

In order to ensure desired extracted beam emittances in a multi user high intensity proton synchrotron, a pulse-to-pulse direct control of the transverse injection painting area is proposed and also been verified through experimental studies in the 3-GeV RCS of J-PARC. The RCS has to ensure two different transverse sizes of the RCS extracted beam for the MLF and MR for 1 MW operation. For that purpose, we have designed and installed two pulse steering magnets in the RCS injection beam transport line and are used for changing injected beam trajectory for a smaller painting area for the MR. The measured extracted beam profile for the MR is found to be narrower as compared to that for MLF and is also quite consistent with corresponding numerical simulations. It is thus confirmed that in a multi user machine beam parameters can be dynamically controlled and delivered as requested by the users even in simultaneous operation.


J-PARC 3GeV RCSキッカー電磁石電源のサイラトロン運転維持管理

富樫 智人; 渡辺 真朗; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 植野 智晶; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 金正 倫計

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.471 - 473, 2012/08

J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、3GeVに加速した陽子ビームの取り出しに、サイラトロンを採用したキッカー電磁石電源を採用しており年間約5,000時間の連続運転が行われている。連続運転を開始した2009年1月の運転では、約13%であった停止率もサイラトロンの適切なconditioning並びに運転維持管理方法の確立により2012年現在では停止率も0.5%以下で推移しており安定な運転を継続維持している。本稿では、RCSにおけるサイラトロンの運用に関する統計と、運転維持管理方法について報告する。

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