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論文

Pulsed magnet system at MLF in J-PARC

渡辺 真朗; 野尻 浩之*

Journal of Neutron Research, 21(1-2), p.39 - 45, 2019/05

磁場は物質中の電子のスピンと軌道運動に直接作用し、強磁場中では、興味深い量子現象と相転移が発現する。そのため、近年、中性子散乱実験用の強磁場実験装置が急速に開発されてきている。例えば、既に17Tまでの超伝導DC磁石が中性子散乱実験のために開発されている。MLFでは、試料環境(SE)チームがSE装置として7Tまでの超伝導DC磁石を運用しているが、一部のユーザーから、より高い磁場環境が要求されている。しかし、20T以上を発生させるには、超伝導技術の摘要は困難で、大スペースを必要とする大型システムの構築が要求されるが、コスト、スペースの観点で非現実的である。そこでMLFでは、強磁場環境SE機器として、小エネルギー・小型化が可能なパルス磁場方式を採用することを決定し、開発を進めてきた。本発表では、開発した30Tのコンパクトで可動式のパルスマグネットシステムについて報告する。

論文

Cryogenic sample environments shared at the MLF, J-PARC

河村 聖子; 高橋 竜太*; 石角 元志*; 山内 康弘*; 中村 雅俊*; 大内 啓一*; 吉良 弘*; 神原 理*; 青山 和弘*; 坂口 佳史*; et al.

Journal of Neutron Research, 21(1-2), p.17 - 22, 2019/05

MLF試料環境チーム低温・マグネットグループは、J-PARC MLFにおいて、利用者の実験のための冷凍機やマグネットの運用を行っている。これまでトップローディング型$$^4$$He冷凍機、ボトムローディング型$$^3$$He冷凍機、希釈冷凍機インサート、超伝導マグネットを導入してきた。これらの機器の使用頻度は、ビーム出力、課題数の増加に伴い、ここ2年間で急激に高くなってきている。この状況に対応するために運用経験を加味しながら、これらの機器の性能向上作業を進めている。例えば、$$^3$$He冷凍機の制御ソフトには、自動の初期冷却および再凝縮のプログラムが備わっていたが、新たに、$$^3$$He potにヒーターを焚くことなくsorbの温度制御のみで$$^3$$He potを温調するプログラムも作成した。また2017年は、超伝導マグネット用に、揺動型ラジアルコリメーター付きのOVCテールを製作した。このラジアルコリメーターの導入によりデータの質は劇的に向上し、中性子非弾性散乱実験でも超伝導マグネットが使用できるようになった。

論文

Highlight of recent sample environment at J-PARC MLF

河村 聖子; 服部 高典; Harjo, S.; 池田 一貴*; 宮田 登*; 宮崎 司*; 青木 裕之; 渡辺 真朗; 坂口 佳史*; 奥 隆之

Neutron News, 30(1), p.11 - 13, 2019/05

日本の中性子散乱施設の特徴のひとつとして、循環型冷凍機のように頻繁に使われる試料環境(SE)機器は各装置の担当者が整備していることが挙げられる。装置担当者は、ユーザー実験の際、装置自体だけでなく、これらのSE機器の運用も行う。このような運用には、SE機器を装置にあわせて最適化できユーザーの要求を直接きくことができるというメリットがある。一方で、MLFのSEチームは、より高度なSE機器を使った実験を可能にするため、共通のSE機器を整備している。本レポートでは、最近のMLFにおけるSE機器の現状が紹介される。中性子装置BL11, BL19, BL21, BL17で用いられるSE機器と、SEチームによって最近整備された機器に焦点をあてる。

論文

Development of compact high field pulsed magnet system for new sample environment equipment at MLF in J-PARC

渡辺 真朗; 野尻 浩之*; 伊藤 晋一*; 河村 聖子; 木原 工*; 益田 隆嗣*; 佐原 拓郎*; 左右田 稔*; 高橋 竜太

JPS Conference Proceedings (Internet), 25, p.011024_1 - 011024_5, 2019/03

近年、中性子や放射光をプローブとした数10T以上の強磁場下で行う実験・研究への要望が増えてきている。強磁場装置を用いた中性子散乱実験は、例えば、磁場誘起超伝導体などにおける強磁場中磁気相関の研究やマルチフェロイック物質などの新しい凝縮系の研究などが挙げられる。J-PARC MLFでは、強磁場パルスマグネットシステムの開発をおこなった。一般的に数10テスラ以上の強磁場装置は大規模になるが、開発する装置はMLFの既存のビームラインに対して設置可能な小型な装置でなければならない。そこで数ミリ秒程度磁場を発生させるパルスマグネットシステムを開発した。パルス磁場にすることで、強磁場を達成しつつエネルギー・パワーを抑えることで装置の小型化が可能である。30テスラを発生可能なパルスマグネットシステムを実現するためには、高電圧・大電流パルス電源および、強磁場に耐えられるコイルと試料スティックが必要である。本発表では、開発したパルスマグネットシステムの詳細およびMLFビームライン(HRC)にて行なった中性子ビーム利用実験でのパルスマグネットシステムの状況について報告する。

論文

Sample environment at the J-PARC MLF

河村 聖子; 奥 隆之; 渡辺 真朗; 高橋 竜太; 宗像 孝司*; 高田 慎一; 坂口 佳史*; 石角 元志*; 大内 啓一*; 服部 高典; et al.

Journal of Neutron Research, 19(1-2), p.15 - 22, 2017/11

J-PARC MLFにおける試料環境(SE)チームは、ユーザー実験のためのSE機器の運用や開発を行っている。メンバーは、低温マグネット、高温、高圧、ソフトマター、光照射、水素環境、$$^3$$He偏極フィルターといったサブチームに所属している。現在は、数台の冷凍機と、マグネット、高温炉、高圧実験用パリエジンバラプレス、偏極中性子実験のためのSEOPシステムが運用中で、ユーザー実験への提供、運転を行っているほか、パルス磁場システムの汎用化に向けた開発も行っている。またJ-PARC研究棟では、レオメーター、ガス蒸気吸着量測定装置などのソフトマター研究に必要な機器類も整備している。

論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 3; Neutron devices and computational and sample environments

坂佐井 馨; 佐藤 節夫*; 瀬谷 智洋*; 中村 龍也; 藤 健太郎; 山岸 秀志*; 曽山 和彦; 山崎 大; 丸山 龍治; 奥 隆之; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.10_1 - 10_35, 2017/09

J-PARC物質・生命科学実験施設では、中性子検出器、スーパーミラーや$$^{3}$$Heスピンフィルターなどの光学機器、及びチョッパー等の中性子デバイスが開発され、据え付けられている。また、計算環境として機器制御、データ取得、データ解析、及びデータベースの4つのコンポーネントが整備されている。また、物質・生命科学実験施設では実験に使用される様々な試料環境が利用可能である。本論文では、これらの現状について報告する。

論文

Operating experience of kicker magnet system in the J-PARC 3GeV RCS

菅沼 和明; 富樫 智人; 渡辺 真朗; 金正 倫計

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.678 - 680, 2014/07

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学施設(MLF)や50GeVメイン加速器のビーム利用者に陽子ビームを供給している。RCSで181MeVから3GeVに加速され、MLFやMRに陽子ビームを送り出している。この送り出し用機器にキッカーシステムがある。2008年の12月より、ユーザーへの供給が開始されたが、キッカーシステムにおいて多くのトラブルが発生した。特にスイッチング素子であるサイラトロンの問題が発生し、当初、ユーザー運転に対する停止率が、13%にも上った。運転経験と独自の努力で、ビームの停止率を0.5%以下を達成した。

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

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:46.23(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

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。

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

RCSキッカー電磁石電源システムのサイラトロンオペレーションの現状

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

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.579 - 583, 2010/08

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3-GeV RCS(Rapid Cycling Synchrotron)では、3GeVに加速した大強度陽子ビームの取り出しに、サイラトロンスイッチを採用したパルスキッカー電磁石電源システムを利用している。連続運転を開始した当初は、サイラトロンの不安定な動作に起因して停止する事象が最も多く、J-PARC加速器全体の故障率のうち、キッカー電磁石電源システムの故障率が最も高く(約13%)、ビーム運用停止の主因となっていた。この状況を改善するため、サイラトロンの運転状況について詳細管理を徹底して行った。その結果、サイラトロンの最適なオペレーション方法の構築と、故障の予防と保全に基づいた適切なサイラトロン交換時期の見極めが可能となり、2010年4月(Run33)の運転では故障率を0.5%以下にまで改善することができた。本稿では、キッカー電磁石電源システムを安定に稼働するためのサイラトロンオペレーションの現状について報告する。

論文

Design of the pulse bending magnet for switching the painting area between the MLF and MR in J-PARC 3-GeV RCS

高柳 智弘; 吉本 政弘; 渡辺 真朗; Saha, P. K.; 植野 智晶; 富樫 智人; 山崎 良雄; 金正 倫計; 藤森 寛*; 入江 吉郎*

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.3293 - 3295, 2010/05

J-PARC 3-GeV RCSの入射ラインに設置され、MLFとMRのそれぞれのペインティングエリアの変更に25Hzで対応するパルス電磁石の設計を行った。このパルス電磁石はLinacの400MeVビーム入射時に使用し、要求されたペインティング入射とビームコミッショニングに使用するセンター入射の両方に対応するため、3$$sim$$38mradの広い範囲でビームを偏向することが要求される。

論文

Operation of kicker system using thyratron of the 3 GeV rapid cycling synchrotron of J-PARC

渡辺 真朗; 神谷 潤一郎; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 谷 教夫; 富樫 智人; 植野 智晶; 渡辺 泰広

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.3296 - 3298, 2010/05

J-PARCの3GeVシンクロトロンは陽子ビームを入射エネルギーが181MeVから出射エネルギーが3GeVまで加速する。3GeVシンクロトロンはメインリングにビームを入射することと、中性子ターゲットに3GeVビームを輸送する役割を持つ。その陽子ビームはキッカー電磁石によって繰り返し25Hzでビームを取り出される。その磁場の立ち上がり時間は約260nsecであり、フラットトップ長さは840nsecが要求される。パルスフォーミングラインとスイッチング素子のサイラトロンがその立ち上がり時間とフラットトップ長を実現するために用いられている。各電源には2個のサイラトロン(E2V社CX1193C)が用いられている。このサイラトロンが重水素ガスを用いた放電スイッチング素子であるがゆえに、10時間から数日の間に1度、ミスファイヤーや電圧ブレイクダウンを起こすことがある。この論文では、サイラトロンを用いたキッカーシステムの動作とリザーバ・カソードヒータの操作方法の現状について議論する。

論文

Horizontal impedance of the kicker magnet of RCS at J-PARC

菖蒲田 義博; 外山 毅*; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.2024 - 2026, 2010/05

キッカーのインピーダンスの公式で有名なものがあるが、その実部と虚部はヒルベルト変換をみたさないことが知られている。一方、インピーダンスの測定法でループ法というものがあるが、これも直接にビームのインピーダンスを計測できる訳ではない。このレポートでは、理論的にキッカーのインピーダンスの公式を導出し、使うパラメータについては、ループ法で求めたものを使って、真のビームのインピーダンスがどのようになるかを示す。

論文

J-PARC RCSキッカーシステムにおける高電圧コネクタの絶縁耐圧の改善

菅沼 和明; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗; 高柳 智弘; 富樫 智人; 植野 智晶

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.569 - 571, 2010/00

J-PARC RCSキッカーシステムは、充電電圧60kV,繰返し25Hzのパルス電磁石システムである。これまで、3500時間程度の運転を行い、高電圧パルス伝送用同軸ケーブルのコネクタで、絶縁油が茶褐色に変色し、粘着性の固形物が発生した。このため電源の保守頻度が非常に増え問題となっていた。原因調査のため、変色した絶縁油について油中に含まれるガスの分析を実施した。300$$^{circ}$$C以下でおこる油の劣化と放電による油の劣化が推測された。また、コネクタ形状のシミュレーションを行った。絶縁油上部の空気層や、受側コネクタのポリエチレン先端で、電界の集中が起きやすいことがわかった。電界が緩和される構造をシミュレーションにより決定し、実際に通電し内部の状況を観察した。結果としてコネクタ内部の空気層をなくすことと、外筒の内径を広くすることで、油の劣化が減少し絶縁耐圧を改善することができた。

論文

Performance of extraction kicker magnet in a rapid cycling synchrotron

神谷 潤一郎; 高柳 智弘; 渡辺 真朗

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 12(7), p.072401_1 - 072401_9, 2009/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:42.79(Physics, Nuclear)

J-PARC RCSにおける出射キッカー電磁石は初期ビーム試験において性能通り3GeVビームの出射に成功し、現在通常運転を行っている。キッカーの運転パラメーターは、磁場測定及び電源の性能測定の結果からの値とよく一致している。磁場分布の一様性は、ビームを受け入れるのに十分な精度であった。また、ビームを用いたパルス磁場のフラットトップの測定を行い、補正後には十分一様性のあるフラットトップが得られていることがわかった。スイッチング素子として用いているサイラトロンについては、当初はプレファイヤが多発したが、リザーヴァ電圧の最適化により安定運転を行うことができるようになった。

報告書

レーストラックベローズの特性評価

渡辺 真朗; 荻原 徳男; 澤 宗司*; 田中 俊弘*

JAEA-Technology 2008-004, 14 Pages, 2008/02

JAEA-Technology-2008-004.pdf:1.44MB

J-PARC 3GeVシンクロトロンの出射部に設置されている出射セプタム電磁石1と出射セプタム電磁石2に据え付ける真空ダクト間にベローズを設置するためには、円形のベローズを設置するスペースがないため、レーストラック型ベローズを用いる必要がある。しかし、これまでにチタン製レーストラック形状の成形ベローズは製作されたことがない。そのため、実機サイズより小型のレーストラックベローズを製作し、その基礎特性データを取得・評価した。軸方向及び軸直角方向反力測定・伸縮耐久試験・真空加熱試験・ヘリウムリークテストを行った結果、レーストラックベローズは十分使用可能であることがわかった。以上から判断して、J-PARC 3GeVシンクロトロンの出射セプタム電磁石1と出射セプタム電磁石2間にレーストラックベローズを用いることが一つの解となる見通しを立てることができた。

論文

IGBTチョッパを用いた大電流パルス電源のノイズ対策

植野 智晶; 高柳 智弘; 金正 倫計; 吉本 政弘; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗

Proceedings of 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (CD-ROM), p.355 - 357, 2008/00

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeV RCSの入射用バンプ電磁石電源は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いた整流器とチョッパによる間接変換方式であり、任意な電流波形を励磁することができる。しかしながら、IGBTの高周波スイッチングノイズ(48kHz以上)が電源の制御系、及び、モニター系に大きな影響を及ぼす可能性がある。このノイズを除去するために、接地ラインをケーブルから銅板に変更するなどの対策を行った。結果、ノイズが飛躍的に減少し、電源の安定した運転が可能となった。

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