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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.


Progress status in fabrication of HBC stripper foil for 3-GeV RCS at J-PARC in Tokai site

吉本 政弘; 山崎 良雄; 仲野谷 孝充; Saha, P. K.; 金正 倫計

EPJ Web of Conferences, 229, p.01001_1 - 01001_7, 2020/02

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ハイブリッドボロン添加カーボンフォイル(HBCフォイル)を用いた荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発されたHBC荷電変換フォイルはビーム照射に対する寿命を飛躍的に向上させることに成功した。これまで荷電変換フォイルの準備作業は、第1段階としてKEKつくばサイトでフォイルの蒸着作業を実施し、次に原子力機構(JAEA)東海サイトでフォイルの調整作業を実施するという2段階に分けて行ってきた。フォイル準備作業を効率的に進めるためには同一場所での作業が望ましく、そのためにHBCフォイル用の蒸着装置をつくばサイトから東海サイトに移設した。蒸着装置の修理及び再立ち上げを行った後に、製作したHBCフォイルの性能評価試験を高崎量子応用研究所TIARAにおいて実施した。Ar照射試験による寿命評価、RBS法を用いた組成分析、$$mu$$PIXEによる不純物評価の結果、これまでのHBCフォイルと同等の性能を有することを確認した。そして実際にRCSにおけるビーム照射試験を実施し、10日間の利用運転に問題なく使えることを実証した。


Evaluation of 2-D transverse beam profile monitor using gas sheet at J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 岡部 晃大; 金正 倫計; 守屋 克洋; 山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; Wada, K.*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012149_1 - 012149_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100




神谷 潤一郎; 金正 倫計; 荻原 徳男*; 桜井 充*; 馬渕 拓也*; 和田 薫*

Vacuum and Surface Science, 62(8), p.476 - 485, 2019/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)は1MW出力の陽子ビームの安定供給を目標とした加速器である。RCSではビームが残留ガスにより散乱されてロスをすることを防ぐために、ビームラインを超高真空に維持することが必要であるが、各種原因による多量の放出ガスのため超高真空達成は困難な課題である。これらの対策として、我々はターボ分子ポンプが低真空領域から超高真空領域まで大きな排気速度を維持できることに着目しRCSの主排気ポンプとして選定した。本発表ではこれまで約10年間の加速器運転で得たターボ分子ポンプの運転実績およびトラブルと解決策について総括的に発表する。また、さらなる安定化とビームロス低減のために極高真空領域に及ぶより低い圧力を達成する必要があるが、そのために現在行っているターボ分子ポンプとNEGポンプの組み合わせの評価試験結果、ならびに超高強度材ローターの採用により実現した形状を変えずに排気速度を向上できるターボ分子ポンプの高度化について述べる。


J-PARC RCSビームコミッショニングの進捗報告; 1MW以上のビーム出力の実現に向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.574 - 578, 2019/07

J-PARC RCSは、2018年の7月に、設計出力1MWの試験運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、さらに高いビーム強度でのビームの振る舞いを調査することが必要となるため、RCSでは、2018年10月と12月に、1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初、1$$%$$程度の有意なビーム損失が出現したが、ベアチューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功した。本発表では、上述の大強度試験結果、特に、その際に出現したビーム損失の発生メカニズムやその低減のために行った一連の取り組みに焦点を当てて報告する。


Development of two-mirror multi-pass laser system to reduce laser power for laser stripping injection at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 佐藤 篤*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.841 - 845, 2019/07

In the 3-GeV RCS of J-PARC, a laser stripping of 400 MeV H$$^{-}$$ (negative hydrogen) to proton for charge-exchange injection (CEI) is under studied. The aim is to overcome the issues and limitations associated with a stripper foil used for that purpose. To reduce the laser power, which is one of the main issues with laser stripping, we consider a two mirror multi-pass laser system for multiple interactions of the H$$^{-}$$ beam with reflected laser light. The seed laser energy can be significantly reduced, which is almost inversely proportional number of interactions. At present we are developing such a cavity with Nd:YAG laser for H$$^{-}$$ neutralization to H$$^{0}$$, which will be first tested for 3 MeV H$$^{-}$$ beam at J-PARC RFQ test facility. Once the system is developed for the 3-MeV H$$^{-}$$, it can be easily applied for the 400 MeV H$$^{-}$$ stripping. The development status of the laser system and details of experimental strategies are presented.



原田 寛之; Saha, P. K.; 金正 倫計

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.179 - 182, 2019/07




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。



地村 幹*; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.728 - 732, 2019/07




山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Vacuum and Surface Science, 62(7), p.400 - 405, 2019/07



Effect of nitric hydrofluoric acid treatment on brazing of alumina ceramics and pure titanium

金正 倫計; 神谷 潤一郎; 阿部 和彦*; 中村 止*

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.4161 - 4163, 2019/06



Non-destructive 2-D beam profile monitor using gas sheet in J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 荻原 徳男*; 三浦 昭彦; 金正 倫計; 引地 裕輔*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072006_1 - 072006_6, 2018/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100




山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.88 - 92, 2018/08



Progress status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ laser stripping at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 岡部 晃大; 菅沼 和明; 山根 功*; 入江 吉郎*; Liu, Y.*; et al.

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.806 - 810, 2018/08

To ensure stable operation of J-PARC RCS at 1 MW beam power and beyond, an alternative H$$^{-}$$ stripping injection method other than using stripper foil has to be implemented. A short life time of the foil due to foil degradation caused by high intensity beam irradiation as well as an extremely high residual radiation at the injection area caused by the foil beam scattering beam loss are two serious issues not only to maintain a long-term stable operation, but also for the facility maintenance. The laser stripping of H$$^{-}$$ holds the promise of overcoming and eliminating the above issues, as it has no lifetime issue as well as completely nondestructive. To establish and develop the new method for the RCS operation, a POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ stripping by using only laser has to be carried out first. The progress status of the POP experiment, which includes recent beam study and simulation results for the H$$^{-}$$ beam manipulations to reduce the laser power is presented.



金正 倫計; 神谷 潤一郎; 小泉 欧児*; 那須 昌吾*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.668 - 670, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、リニアックで加速された負水素イオン(H$$^{-}$$イオン)を薄膜で陽子に変換する荷電変換入射方式を採用している。この薄膜の寿命が加速器の運転時間を決めるため、荷電変換膜のビームに対する破壊機構を知ることは、加速器を安定に運転する上で重要である。本研究では、荷電変換膜のビームによる破壊機構を解明することを目的として、ラマン分光法により、薄膜の結晶性, 膜組成, 応力等を評価した。RCSで使用しているフォイルは、レーザーによる入熱に対して、大きな応力が発生することが分かった。



金正 倫計; 神谷 潤一郎; 阿部 和彦*; 中村 止*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1177 - 1179, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、真空チャンバーの約半数にセラミックス製のチャンバーを使用している。これらのチャンバーはアルミナセラミックス本体、その両端の純チタン製フランジ、及びその間の純チタン製の薄肉(約1mm程度)スリーブで構成されている。本真空チャンバーの製作工程で、アルミナセラミックスとチタンスリーブをろう付けする際に、チタンスリーブの前処理として、硝弗酸処理を行う。本件は、この硝弗酸処理がチタン材料にどのような影響を与えているかを明らかにすることを目的とした。実験結果から、硝弗酸処理により、純チタン表面があらされ、さらに、純チタン表面の酸化被膜が除去されることが分かった。また、ろう付け時には、純チタン内に銀ろう材を拡散させず、さらに、チタン-銅リッチ層の厚さを制御することが重要であり、これらのためには、ろう付け時に使用する真空炉の圧力、特にベース圧力と昇温条件の制御が重要であることが分かった。



原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 井上 峻介*; 佐藤 篤*; 菅沼 和明; 山根 功*; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.811 - 815, 2018/08

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を繰り返すことで、ビーム自身が散乱され制御不能なビーム損失が原理的に発生する。加えて、大強度出力ではビームの衝突時の熱や衝撃による膜の破壊が生じる。大強度陽子ビームの出力や運転効率は、このビーム損失による残留線量や膜の寿命による制限が懸念される。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜を用いた荷電変換入射に代わる新たな入射手法が必要となる。J-PARC 3GeVシンクロトロンでの設計出力を超える大強度化に向けて、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに考案した。その原理実証実験に向けて、レーザーシステムの開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、レーザーシステムの開発状況を報告する。


Status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H- stripping to proton by using only lasers at J-PARC

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 入江 吉郎*; 山根 功*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.422 - 427, 2018/07

The laser stripping of H$$^{-}$$ is the most advanced application of the laser manipulations of H$$^{-}$$ beams, especially at high intensity accelerators like J-PARC. The first stage of the present research includes non-destructive beam measuring as well as online morning by using lasers, which is highly essential at J-PARC as the beam power is approaching to 1 MW and beyond. In addition, it is also highly required to replace the stripper foil by lasers used for multi-turn H$$^{-}$$ charge exchange injection in RCS. Extremely high residual radiation due to beam losses caused by the foil-beam interaction and short lifetime of the foil are serious issues for facility maintenance and stable operation. To overcome the issues and limitations associated with foil, in the present research we will perform a proof-of-principle demonstration of H$$^{-}$$ stripping to protons by using lasers, which is essential not only at J-PARC, but also for similar existing and proposing high intensity proton accelerators worldwide.


Large-aperture alumina ceramics beam pipes with titanium bellows for the rapid cycling synchrotron at Japan Proton Accelerator Research Complex

神谷 潤一郎; 金正 倫計; 阿部 和彦*; 比嘉 究作*; 小泉 欧児*

Journal of Vacuum Science and Technology A, 36(3), p.03E106_1 - 03E106_10, 2018/05

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Materials Science, Coatings & Films)

J-PARC RCS入射部における懸案事項は、装置が密集しているため保守作業を円滑にするうえで理想的な箇所にベローズが配置できていないことであった。具体的には四極電磁石用と水平シフトバンプ電磁石用のセラミックスビームパイプどうしがフランジを介して接続されている。我々はRCS真空システムの構築を通じて得た、セラミックスビームパイプおよびチタン製低反力ベローズの知見を活用し、セラミックスの形状を改良して長手方向に空間を作り、そこへベローズを挿入するという新しい構造のビームパイプの製作を行うこととした。シフトバンプ電磁石用セラミックスビームパイプについては、フランジ温度がコイルからの漏えい磁場による発熱で、現状で120度にもなっているためこれ以上短くするのは望ましくないことから、四極電磁石用セラミックスビームパイプに対してベローズを有する構造を適用することとした。本報告では保守性を向上させるためにベローズを有する構造へ改良した大口径アルミナセラミックスビームパイプの開発について、設計思想、課題、および各コンポーネントの検証について発表する。


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.

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