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beam in J-PARC原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 小野田 元喜*; 山田 逸平; 柴田 崇統*; 佐藤 篤*; 金正 倫計
JPS Conference Proceedings (Internet), 45, p.011133_1 - 011133_8, 2026/06
大強度陽子加速器では、負水素イオンをリング加速器の入射点に設置された炭素膜で陽子に荷電変換しながら入射する。この入射法は、シンクロトロンや蓄積リングで大強度の陽子ビームを生成できる反面、炭素膜に多数のビームを通過させる破壊的な入射法であり、膜自体の短寿命化や装置の高放射化を招く。そこで、J-PARCではさらなる大強度化のために、膜に代わる非破壊のレーザー荷電変換入射を提案し、レーザー剥離実験の原理実証を進めている。この実験では、地下2階の加速器トンネル内の負水素とレーザーの相互作用位置から約70m離れた地上2階にレーザー光源を設置するため、長距離レーザー光路を新たに構築した。本発表では、レーザー荷電変換の概要を紹介するとともに、本実験の実施に重要なレーザー光路の構築などの準備状況について報告する。また、今後の実験計画と展望について述べる。
山口 雄司; 近藤 恭弘; 明午 伸一郎; 小栗 英知; 大井 元貴; Saha, P. K.; 篠崎 信一; 高柳 智弘; 山本 風海
JPS Conference Proceedings (Internet), 45, p.011162_1 - 011162_7, 2026/06
J-PARCでは、3GeV陽子ビーム輸送施設によって3GeVシンクロトロンから物質・生命科学実験施設へ大強度陽子ビームを輸送しており、最近、設計出力1MWを達成した。この成果を受けて、MLFでは将来計画として中性子、ミュオンビームのさらなる輝度の増大を目指す第2ターゲットステーション(TS2)の建設が検討されている。TS2の計画には新しい陽子ビーム輸送ラインが必要となるため、設計検討を開始した。本発表では、ビームラインの光学や遮蔽等、設計検討の現状を報告する。
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; 永山 晶大*; Saha, P. K.
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.104 - 108, 2026/03
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。陽子シンクロトロンにおける主要なビーム損失原因の一つとして共鳴現象がある。ビームは進行方向に直行する平面で印可される収束力に応じた周期で振動している。ビームの振動と収束場の周期とが一定の条件(共鳴条件)を満たすとき、粒子の振幅は増大しビームパイプに衝突して損失する。ビームに印可する収束力を慎重に制御することで共鳴条件への抵触は回避できる。一方で、ビームの大強度化は粒子間クーロン斥力の影響を増大させ、共鳴条件に抵触しないビームの振動数の範囲を狭める。そこで本研究では、ビーム損失を引き起こす可能性がある線形和共鳴に着目し、その駆動力を打ち消す操作(補正)によるビームへの影響低減を試みた。線形和共鳴の補正に一般に用いられる歪み四極電磁石がRCSには備わっていないため、六極電磁石中にバンプ軌道を形成する特殊な手法による同共鳴の補正を行った。この補正手法の確立は、RCSのビーム損失を低減し運転の高度化に寄与する。
吉本 政弘; 山田 逸平; 仲野谷 孝充; Saha, P. K.; 畠山 衆一郎; 佐伯 理生二*; 倉持 勝也*; 大津 聡*
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.274 - 279, 2026/03
J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では、大強度陽子ビームを実現させるために、入射された負水素イオンを純炭素製荷電変換フォイルを用いて電子をはぎ取り陽子に変換する荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。これまでRCSの設計出力である1MWでの連続運転において、荷電変換フォイルが利用運転を継続するために十分な寿命を有していることを実証してきた。一方で、J-PARCではさらなる大強度化に向けた検討を進めており、RCSでは最大2MWの出力の実現を目指している。一般的に、ビーム強度を増強する際に、荷電変換フォイルにおいて課題となるのは温度上昇とそれに伴う短寿命化である。特に、最高温度が昇華温度に到達する場合、膜厚減少が急激に進行すると考えられる。そこで、J-PARCにおけるビーム強度を増強した時のフォイル昇温シミュレーションの結果及び汎用性のあるフォイル温度の実測に向けた検討状況について報告する。
小島 邦洸; 原田 寛之; Saha, P. K.
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.289 - 293, 2026/03
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。そのため、ビーム損失に伴う放射化の影響を最小化することがビーム大強度化と高安定化において重要となる。RCSでは、ビーム損失を局所化し他機器への影響を低減する目的でビームコリメータが設置されている。一方で、コリメータ直下流のアーク部をはじめ、RCSの各所で有意なビーム損失が確認されており局所化は十分ではない。本研究では、ビーム損失局所化の改善を目的とし、コリメータ外部におけるビーム損失の発生原因を調査した。このようなビーム損失は、粒子がコリメータで上手く回収されず中途半端にエネルギーを失ったことで発生すると考えられる。想定より小さなエネルギーを持つ粒子は、磁場に対する曲率の違いで主にアーク部のダクト内壁に衝突する。そこで、RCSの各アーク部に設置されたビームロスモニタの信号を精査し、コリメータ部外で損失する粒子の経路を同定した。加えて、数値シミュレーションを活用し、粒子がコリメータをすり抜ける過程の再現を試みた。本研究はビーム損失の影響低減により、RCSの大強度化と高安定化に寄与する。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 田村 文彦; 菖蒲田 義博; 小島 邦洸; 吉本 政弘; 沖田 英史; 岡部 晃大; 畠山 衆一郎; 仲野谷 孝充; et al.
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.549 - 553, 2026/03
The RCS (Rapid Cycling Synchrotron) of the J-PARC has already started 1 MW routine operation by minimizing the beam loss. However, to ensure always net 1 MW beam power at the present MLF targets, RCS has to achieve more than 1 MW beam power in a near future. This is needed to overcome the RCS duty to the MLF reduced by gradually getting faster operation cycle of the Main Ring. Achieving this goal strongly relies on the significant beam loss mitigation which increase nonlinearly due to the space charge effect (Coulomb repulsion) of beam particles being same charge. Recently we have performed systematic beam studies and detail numeral beam simulations by optimizing many parameters of the injection beam as well as RCS parameters in both transverse and longitudinal directions. We achieved a considerable beam loss mitigation at 1.5 MW resulting in a beam loss rate even lower than present operation at 1 MW. The beam loss occurs only at lower beam energies well controlling and perfectly localizing at the collimator section. The beam loss power is estimated to be only 70 W, sufficiently smaller than the collimator capacity of 4 kW, demonstrating RCS capability to operate at 1.5 MW with minimum machine activation.
仲野谷 孝充; 吉本 政弘; Saha, P. K.; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*; 御代 卓也*
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.790 - 794, 2026/03
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、リニアックから入射した400MeVのH(負水素イオン)ビームを原子力機構内作の純炭素製荷電変換フォイルによりH
(陽子)ビームに変換して入射し、3GeVまで加速させている。2023年11月、ビーム利用運転開始直前のビーム調整中に、荷電変換フォイルの交換や位置調整を行うフォイル駆動機構にトラブルが発生した。このトラブルにより、遠隔操作でのフォイル交換が不可能になった。このため、フォイルを交換が必要な際は、現場で目視確認しながら手動操作で交換した。翌2024年の夏期保守期間中にこの装置の交換を行い復旧させた。駆動機構のトラブルがあったものの、荷電変換フォイル自体はビームに対して安定しており、ビーム利用運転に支障はなかった。最近の取り組みでは、2つの新しい手法を導入することで、ビーム照射に対するフォイルの耐久性を大幅に向上させた。一つは、電荷交換フォイル作製に使用する炭素棒の適切な直径を選択する方法である。もう一つは、カーボンナノチューブ(CNT)ワイヤーをフォイルの支持材料として利用する方法である。フォイルはビームが照射されることにより変形が生じるが、これらの手法により従来のものよりも変形量が少なくなっていることを確認した。これにより、フォイルをさらに長期間にわたって使用する目途が立った。本発表ではフォイル駆動機構のトラブル対応とその後の交換作業、及び利用運転での荷電変換フォイルの使用状況について報告する。
原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 金正 倫計
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2026(2), p.023G01_1 - 023G01_17, 2026/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)大強度陽子加速器では、ビーム強度を制限するビーム損失を抑制すべく、ビーム形状を測定し、制御することが重要である。ビーム分布や形状を測定する従来のモニタは、金属などのワイヤーを用いた破壊型だが、ワイヤーの断線などにより大強度ビームを測定できていなかった。本研究では、ワイヤーではなく短パルスのレーザーを負水素イオンビームに照射し、付随する電子を1つ剥ぎ取り中性水素に変換し、その量を計測する。そして、照射タイミングを走査しながら、その測定を繰り返すことで時間方向のビーム形状(バンチシェイプ)を測定できる非破壊型のバンチシェイプモニタを考案した。考案したビーム形状モニタを実証すべく、レーザー光源を開発し、大強度ビームに対して照射実験した結果、今までにないレーザーによるバンチシェイプモニタの開発に成功した。
Liu, Y.*; 大谷 将士*; 宮尾 智章*; 中沢 雄河*; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; Fang, Z.*; 二ツ川 健太*; 福井 佑治*; 溝端 仁志*; et al.
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.855 - 857, 2025/11
The Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) has achieved stable 1 MW operation on its neutron target and is advancing toward higher power levels of 1.5 MW to support high-power MR operations and a second target station. This progression presents challenges, including increased intra-beam stripping (IBSt) of negative hydrogen ions, chop leakage from higher beam currents and emittance, low-energy beam loss due to halo formation, frontend fluctuations affecting beam transmission, and RF phase and amplitude fluctuations. To address these issues, a redesigned lattice mitigates IBSt, a new MEBT1 improves chopping and collimation, and machine learning-based compensation schemes manage frontend and RF fluctuations. Additionally, longitudinal and transverse matching schemes enhance beam quality, validated through benchmarked longitudinal measurements. Results from studies at 50 mA and 60 mA beam currents demonstrate significant progress in overcoming these challenges.
小島 邦洸; 原田 寛之; 岡部 晃大; 地村 幹; Saha, P. K.
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2244 - 2247, 2025/11
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。陽子シンクロトロンにおける主要なビーム損失原因の一つとして共鳴現象がある。加速器中のビームは進行方向に垂直な方向に振動しており、その振動数と収束場の周期が一定の条件(共鳴条件)を満たせば、粒子の振幅は増大しビームパイプに衝突して損失する。そのため、振動数が共鳴条件に抵触しないよう、ビームの収束力を慎重に制御する必要がある。一方で、ビームの大強度化に伴い共鳴条件に抵触しない振動数の範囲は狭まり、共鳴の回避が困難となる。この共鳴は電磁石の設置誤差などの原因で、ビームに意図せず歪四極場が印加されることで発生する。その歪四極場を補正用磁場の重ね合わせにより打ち消す(補正)ことで、線形和共鳴によるビーム損失を防ぐことができる。線形和共鳴の補正には一般に歪四極電磁石が用いられるが、これはRCSには備わっていない。そこで、アーク部にバンプ軌道を形成する特殊な手法により同共鳴の補正を行った。この手法により、RCSのビーム損失が低減し高度化が可能となる。
菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 山田 逸平; 岡部 晃大
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2240 - 2243, 2025/11
大強度陽子加速器施設(J-PARC)における3GeVシンクロトロン(RCS)においては、ビームの不安定性が顕著な課題として存在している。その根本原因は、8基のキッカー電磁石という加速器構成要素に起因するものである。これらのキッカー電磁石は、一方の端を短絡させ、他方を開放した設計を採用しており、ビームの取り出し時においては電力消費の抑制に寄与する一方、同時にキッカー電磁石が誘起する電磁場がビームの不安定性を引き起す。RCSにおけるビーム不安定化は、RCSの真空容器を介して作用するビームの空間電荷効果に起因する安定化機構の減衰によって引き起こされることが判明している。この問題に対処するため、4基のキッカー電磁石の開放端に抵抗を取り付けたダイオードスタックを設置し、その対策によって、より広い加速器の設定パラメータ領域において、安定的にビームを供給できるようになった。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 田村 文彦; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 菖蒲田 義博; 沖田 英史; 小島 邦洸; 仲野谷 孝充; 畠山 衆一郎; et al.
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 28(7), p.074201_1 - 074201_23, 2025/07
被引用回数：1 パーセンタイル：51.17(Physics, Nuclear)In this research, the beam loss in the J-PARC 3-GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) has been significantly mitigated at the designed 1 MW beam power. It was possible by identifying all beam loss sources and implementing appropriate measures based on numerical simulations and systematic beam studies. The major one includes of using a smaller size charge-exchange foil and optimizing the injection beam to minimize foil scattering uncontrolled beam loss, modifications of the transverse and longitudinal beam painting parameters to mitigate the high-intensity effects. The beam loss as compared to 1 MW trial operation in 2020 was 80% reduced and perfectly localized at the designated collimator area. The beam loss power is only less than 0.1 kW as compared to the collimator limit of 4 kW. As a result. the residual radiation throughout the ring is substantially reduced for achieving a sustainable operation of the RCS with nearly 99% availability.
小島 邦洸; 原田 寛之; 田村 文彦; 沖田 英史; 地村 幹; Saha, P. K.
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2025(1), p.013G01_1 - 013G01_19, 2025/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)本研究は、3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。大強度の陽子シンクロトロンにおいて、ビーム損失は深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力の制限に繋がる。そのため、RCSの大強度ビーム安定化には、ビーム損失の更なる低減が不可欠である。特に、加速器のビームを制御する電磁石の配置とビームが進行方向に垂直な方向に行う振動の周期が一定の関係(共鳴条件)を満たすとき、共鳴現象により多大なビーム損失が起きる。この共鳴の発生を避けるため、ビームの振動の周期は共鳴条件を避けるよう慎重に制御されている。一方で、ビーム大強度化に伴って粒子間のクーロン斥力の影響によって個々の粒子の振動数は個別の影響を受け変化するため、共鳴条件はビーム密度に依存した幅を持つようになる。これにより、ビームの振動の周期を制御することによる共鳴条件の回避が難しくなる。RCSではビーム強度が一定以上に達した場合に、半整数共鳴を避けることが困難となるため、これがRCSの最大出力を制限している。そこで、本研究では補正磁場の重畳による半整数共鳴の影響の低減(補正)を試みた。ビーム試験と数値計算の活用により、RCS設計出力と同等な強度を持つビーム条件において、半整数共鳴に起因するビーム損失を1/3にまで低減する補正状況を達成した。本論文では、一連のビーム試験結果に加えて、共鳴補正手法の詳細について報告する。
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; Saha, P. K.
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.118 - 122, 2024/10
本研究は、3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。RCSでは、設計出力1MWを超える大強度化に向け高度化を進めている。このような大強度陽子加速器において、出力を制限する最大の要因は、ビーム損失に起因する装置の放射化である。一般的にシンクロトロンでは、粒子はある幅の中で振動(ベータトロン振動)しながら進んでおり、その振動数が磁場やビーム自身が作る電場と相互作用し共鳴条件に抵触すると振幅が大きくなり、ダクト内壁等に衝突して損失に至る。そのため、共鳴条件を避けるように、ビームに加える収束力を設定する。しかし、強度が増大するにつれてビームの粒子数密度が高くなり、それに伴って粒子間のクーロン斥力も増大する。各粒子は設定と異なるベータトロン振動数を持ち、共鳴条件に抵触する可能性がある。そこで、振動数が半整数の際に発生する共鳴(半整数共鳴)の影響を補正し、打ち消すことによる安定領域の拡充を試みた。半整数共鳴が励起する強さは、ビームが受ける外力のみで決まり、ビーム強度に依存しない。そのため、まずは空間電荷力の影響が無視できる低強度ビームを用いることで、半整数共鳴の補正を実施した。その結果、この共鳴によるビーム損失を1/10以下にする大幅な低減を実現した。さらに、この補正状況が利用運転時のビームロス低減に寄与することを、大強度ビームを用いた試験により実証した。本発表では、低強度時の共鳴補正手法と実験結果に加えて、大強度時のビーム損失低減などに関して報告する。
Cl via 
and 
decayTripathi, V.*; Bhattacharya, S.*; Rubino, E.*; Benetti, C.*; Perello, J. F.*; Tabor, S. L.*; Liddick, S. N.*; Bender, P. C.*; Carpenter, M. P.*; Carroll, J. J.*; et al.
Physical Review C, 109(4), p.044320_1 - 044320_15, 2024/04
被引用回数：4 パーセンタイル：66.07(Physics, Nuclear)ミシガン州立大学の国立超伝導サイクロトロン研究所において
Caのフラグメンテーション反応によって中性子過剰核
Sを生成し、そこからのベータ崩壊および遅発中性子放出ベータ崩壊によってClの励起状態を得た。得られた実験データをSDPFSDG-MU相互作用を用いた大規模殻模型計算と比較し、よい一致を得た。
山本 風海; 守屋 克洋; 沖田 英史; 山田 逸平; 地村 幹; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 昌亘; 森下 卓俊; et al.
Journal of Neutron Research, 26(2-3), p.59 - 67, 2024/01
J-PARC Linacおよび3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを中性子実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために運転している。これまで進めてきたビーム調整および機器改良により、当初想定よりもはるかに低いビームロス量で1MWのビーム運転を行うことが出来ている。現在のビーム出力はビームロスではなくRCSの高周波加速空胴の電源容量によって制限されている。近年、RCSグループではより少ない消費電力でビームを加速することのできる新しい構造の加速空胴の開発に成功した。この空胴によって、利用運転中に加速空胴で消費される電力を大幅に削減することが出来、さらに1MW以上の大出力での運転も可能となる。これまでの試験結果から、RCSの加速空胴を全て新しい物へ更新すれば、1.5MW以上の大出力も可能となる事が判っている。今後、中性子利用および主リングシンクロトロンの更なる成果創出のため、2MWを目標にRCSで必要な改良について検討を行った。その結果、高周波空胴の更新以外にも、高周波増幅器の増強やビームモニタの増強が必要であることが判ったため、今後順次更新を進める。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 沖田 英史; 岡部 晃大; 仲野谷 孝充; 畠山 衆一郎; 守屋 克洋; 高柳 智弘; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2687(5), p.052020_1 - 052020_7, 2024/01
被引用回数：1 パーセンタイル：76.34(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)In this research, numerical simulation studies and beam tests were performed to minimize the beam loss at high intensity operation of J-PARC RCS. The beam loss usually increases non-linearly with respect to the beam power ramp up at high-intensity. The longitudinal and transverse injection painting used for space charge mitigation at a lower beam energy are optimized to produce a further uniform beam distribution to realize further space charge mitigation. The beam loss at the present operation at a net beam power of nearly 850 kW to the MLF has been kept to a minimum level to achieve a stable user operation. The beam loss at 1 MW beam power has also been sufficiently reduced to remain only 0.05% which is dominated by the unavoidable foil scattering beam loss.
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; Saha, P. K.; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072005_1 - 072005_7, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)縦方向位相空間トモグラフィは、ビーム進行方向(縦方向)の位相空間分布を得るための有効な測定ツールである。J-PARCシンクロトロン(3GeVシンクロトロン及びメインリング)の大強度運転時の位相空間分布の測定には、空間電荷効果や集束力の非線形性等のビーム物理を考慮したトモグラフィが必要であった。本研究では、ビーム物理を考慮可能なハイブリッドアルゴリズムを採用したCERN's TomographyのJ-PARCシンクロトロンへの導入とベンチマークを実施した。ベンチマークの結果、J-PARCシンクロトロンの大強度運転条件における位相空間分布を高精度に測定可能であることを確認した。
高橋 博樹; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 澤邊 祐希*
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072019_1 - 072019_5, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)J-PARCの3GeVシンクロトロンでは、リフレクティブメモリを用いた同期データシステムを構築している。今後の大強度ビーム運転における、より大きいサイズのデータを扱うという要望に対応するため、新しい同期データ生成手法を考案した。新たな手法は、既存システムにおいては上位計算機が行っている動作を計測系に実装することで、LAN経由のデータ転送による同期データ生成を実現するものである。本研究では、提案した手法を実装した新しい同期データシステムのテストベンチを構築し、性能確認を行った。その結果、LAN経由のデータ転送による新しい同期データシステム開発の目処を得ることができた。本件では、新同期データ生成手法の詳細と性能試験の結果について述べる。
町田 慎二*; Huang, H.*; Saha, P. K.
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.670 - 674, 2023/12
This is the summary of all presentations and discussions of the working group C on the accelerator systems as a role of convener of this working group at the 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams, named HB2023 held at CERN during October 9-13, 2023. The talks were selected keeping 100% geographical balance and covering all parts of circular accelerators at present and future ones. The presentations were chaired sharing by 3 conveners and a report was presented by me at the final day. This summary gives an overview of the accelerator systems of mostly all high-intensity accelerators worldwide presently operating, upgrade strategies and new techniques for next generation accelerators.
