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吉本 政弘; Saha, P. K.; 加藤 新一; 岡部 晃大; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1048 - 1050, 2018/06
J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では1MWの大強度陽子ビームを実現するために、荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。従来のセプタム・バンプ電磁石のみを使ったビーム多重入射方式に比べてセプタム境界面でのビーム損失はほとんど起こらないため、原理的には多重入射する回数に制限は存在しない。しかし、詳細な残留線量測定の結果、荷電変換フォイルの周辺に非常に強い残留線量があることが分かった。PHITSシミュレーションの結果は、この強い放射化の原因が荷電変換方式ビーム多重入射時に、入射ビーム及び周回ビームが荷電変換フォイルに衝突することで起こる核反応による2次粒子によって引き起こされていることを強く示唆していた。このことを明らかにするために、フォイルからの2次粒子計測が重要になってくる。そこで、100度ダンプラインに新たにフォイル導入装置を設置し、2次粒子計測に必要な単純な実験系を構築した。ここでは、2次粒子の直接計測と金属薄膜を用いた放射化法による計測の2種類を計画している。まずは放射化法についてPHITSコードを用いた検討を開始した。銅サンプルにエネルギーの異なる陽子または中性子を照射した際に生成される核種の内、
線放出核種を選択し、陽子もしくは中性子に選択的に反応する標的を探した。その結果、
Zn及び
Coが陽子の標的として、
Coが中性子の要的として使えることが分かった。
吉本 政弘; 原田 寛之; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大
Proceedings of 6th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2017) (Internet), p.461 - 465, 2018/03
J-PARC RCSでは、1MWの大強度陽子ビーム運転を実現するためにビームロスの抑制と制御に多大なる努力を費やしてきた。我々の主要ビームロスモニタはセル毎の広い範囲でのビームロスを検出することを主眼に置いていたため、ビームロスに関する詳細なメカニズムを調査するには不十分であった。そこで、ビームロススポットを検出しかつ電磁石の中でも使える新式のシンチレーション型ビームロスモニタを導入した。この新式ビームロスモニタは小型シンチレータと光電子増倍管を分離し、光ファイバーで接続する構成になっている。小型シンチレータを真空ダクトに直接接触させているため、ロススポットに対して感度を高めることが可能となった。一方、光電子増倍管を分離して電磁石から遠ざけることができたため、動磁場による増幅率への影響を防ぐことが可能となった。この新式ビームロスモニタの導入により、1MW大強度ビーム運転を安定的に行うことが可能となる。本発表では、この新式ビームロスモニタについて詳細に発表する。
原田 寛之; 山根 功*; Saha, P. K.; 菅沼 和明; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 加藤 新一
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.684 - 688, 2017/12
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円形加速器に入射し大強度陽子ビームを形成している。この手法は大強度ビームを形成できる反面、周回する陽子ビームが膜へ繰返し衝突し散乱され、ビーム損失が生じ残留線量となる。また、衝突時の熱付与や衝撃による膜の変形が生じている。これらは、大強度陽子ビームの出力や運転効率を制限する可能性がある。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜に代わる新たな荷電変換入射が必要となる。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」を新たに考案し研究開発を進めている。この新たな入射方式の実現には、現存より2桁高い平均出力のレーザーが必要となるため、レーザーを再利用する形で連続的にビームへの照射を可能とする「高出力レーザー蓄積リング」の開発を目指している。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、開発を行う高出力レーザー蓄積リングを説明する。加えて、現在の開発状況を報告する。
發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.95 - 99, 2017/12
この一年、J-PARC RCSでは、大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。RCSの動作点は、2Qx-2Qy=0共鳴の近傍に設定されている。この共鳴はエミッタンス交換を引き起こすため、ビームの電荷密度分布を大きく変調してしまう。RCSでは、ペイント入射と呼ばれる手法でビーム粒子の分布をコントロールして入射中のエミッタンス増大の抑制を図っているが、エミッタンス交換の影響を考慮してその手法を最適化した結果、電荷密度分布の一様化に成功し、入射中のエミッタンス増大を最小化することができた。本発表では、ペイント入射中の特徴的なビーム粒子の挙動やエミッタンス増大の発生機構を議論すると共に、エミッタンス低減のために行った一連の取り組みを紹介する。
吉本 政弘; 加藤 新一; 岡部 晃大; 原田 寛之; 金正 倫計
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.877 - 881, 2017/12
MW級の大強度陽子ビームの利用運転を実現するためには、機器の放射化の抑制が重要な課題となる。J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では、入射直線部にコリメータシステムを導入しビーム損失を局所化することでそれ以外の機器の放射化を抑制する思想で設計されている。しかし、コリメータ部の他に荷電変換薄膜の周辺部においてきわめて高い残留線量が観測されている。これまでの詳細な残留線量分布測定とPHITSを用いたシミュレーション結果から、この放射化の原因はビーム入射期間中に入射ビーム及び周回ビームの荷電変換薄膜への衝突による核反応によって生成された2次粒子(陽子及び中性子)であると強く示唆されてきた。入射部機器の放射化抑制を実現するために、周回ビームの薄膜への衝突回数を減らすことで2次粒子の発生を抑制する努力を続けてきた。同時に衝突回数を計測するための新たなビーム損失モニタの開発も行った。本発表では2次粒子検出と薄膜への衝突回数の評価について報告する。合わせて放射化抑制について議論する。
stripping to protons by using only lasers in the 3-GeV RCS of J-PARCSaha, P. K.; 原田 寛之; 山根 功*; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 岡部 晃大; Liu, Y.*; 吉本 政弘; 加藤 新一; 入江 吉郎*
Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.866 - 870, 2017/12
The conventional H stripping injection by using solid stripper foil has serious issues not only because of high residual radiation at injection area due to uncontrolled beam losses caused by the foil and beam interaction, but also for the short lifetime, especially in high intensity accelerators. In order to overcome those issues, we proposed an alternative method of H stripping by using only lasers. Experimental study for a POP (proof-of-principle) demonstration of the present principle is under preparation for 400 MeV H stripping in the 3-GeV RCS of J-PARC. The studies of laser beam itself and also the H beam optimization studies to match with given laser pulses are in progress, where the first interaction of the H beam and the laser is planned to perform in this fiscal year. The status and detail strategy of the present research are summarized in this work.
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。
發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; et al.
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 20(6), p.060402_1 - 060402_25, 2017/06
被引用回数：25 パーセンタイル：88.02(Physics, Nuclear)RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場、空間電荷効果、像電荷効果等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、観測されたビーム損失の発生機構の解明、また、その解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たしている。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10
という極めて少ないビーム損失で1MW相当のビーム加速を達成したところである。本論文では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理に関する話題を中心に、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果を時系列的に紹介する。
發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 吉本 政弘
Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2470 - 2473, 2017/06
この一年、J-PARC RCSでは、下流の施設から要求される大強度かつ低エミッタンスのビームを実現するためのビーム調整を精力的に展開してきた。2016年6月のビーム試験では、Correlated painting入射を導入し、かつ、そのペイント範囲を最適化することで、入射中のエミッタンス増大を最小化することに成功した。また、その後に行ったビーム試験では、加速過程のチューンやクロマティシティを動的に制御することで、加速前半で発生していたエミッタンス増大を低減させると共に、加速後半で発生したビーム不安定性を抑制することに成功した。こうした一連の取り組みにより、830kW相当のビーム強度で、そのビームエミッタンスの大幅な低減(40%低減)を実現した。本発表では、エミッタンス増大の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおける最近の成果を報告する。
原田 寛之; Saha, P. K.; 山根 功*; 加藤 新一; 金正 倫計; 入江 吉郎*
Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.983 - 986, 2016/11
大強度陽子加速器では、負水素イオンを炭素膜にて陽子へと変換しながら入射する荷電変換入射を適用している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、ビーム自身が膜で散乱され制御不能なビーム損失が原理的に発生する。また、衝突による膜の破損が生じる可能性がある。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っても制限される。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須となる。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」を新たに考案し研究開発を進めている。この入射手法を実現するには、既存のレーザーの2桁以上の出力が必要となる。この大きな課題を克服すべく、レーザーを再利用する形で連続的にビームへの照射を可能とする「高出力レーザー蓄積リング」の開発を目指している。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、開発を行う高出力レーザー蓄積リングを説明する。
加藤 新一; 原田 寛之; 畠山 衆一郎; 川瀬 雅人; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1089 - 1093, 2016/11
J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、周回している陽子ビームの1次元横方向分布を非破壊に測定するために、残留ガスプロファイルモニタ(IPM)が導入されている。IPMは主に、外部電場生成用分割電極と検出部で構成される。IPMでは、ビームによってイオン化された残留ガスを横方向の外部電場で検出部まで輸送し、Multi-Channel Plate (MCP)によって電子として増幅する。そしてこの電子を検出し信号を再構成することで分布を測定している。これまでIPMでは、電場ポテンシャルの最適化や、印加電圧に対して緩やかなゲイン特性を持つMCPの採用などの改良を継続して行ってきた。その結果、IPMは低強度で行うビーム調整において必須の測定装置となっている。しかし、出力の増加に伴ってノイズが増加するため、100kWを超えるような大強度ビームでは検出信号がノイズに埋もれて分布測定ができないという問題があった。そこで、大強度ビームの分布測定に向けてこのノイズの原因探索と対策の検討を行った。具体的には、IPMの構造と大電流ビームを模擬したシミュレーションを行い、測定結果との比較を行った。その結果、ノイズの原因がビーム起因の電場であることを特定した。そこで、この結果を元にビーム起因の電場を遮蔽する分割電極部品を設計した。これにより、電場によるノイズは現在の1/100程度に抑制され、大強度ビームの分布測定が可能になると予想される。
發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; et al.
Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.61 - 65, 2016/11
J-PARC 3-GeV RCSでは、2015年の夏季作業期間にRF電源の増強を行い、その直後の10月より1MWのビーム調整を再開した。10月のビーム試験では、RFフィードフォワード調整やペイント入射の導入により、縦方向のビーム損失や空間電荷由来の横方向のビーム損失を最小化させると共に、色収差や加速過程のチューンをコントロールすることでビームの不安定化を抑制することに成功した。また、その後のビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共にAnti-correlatedペイント入射を併用することでペイント入射範囲の拡幅を実現し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることに成功した。2015年10月以降に行った一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失は、十分に許容範囲内といえるレベルにまで低減された。本発表では、ビーム増強過程で実際に我々が直面したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなどを中心に、RCSビームコミッショニングの進捗状況を報告する。
發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; et al.
Proceedings of 57th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2016) (Internet), p.480 - 485, 2016/08
J-PARC 3-GeV RCSは、2015年1月に1MW相当のビーム加速を達成したところであり、それ以来、ビーム損失の低減を目指した大強度ビーム試験を精力的に展開している。2015年10月のビーム試験では、ペイント入射の最適化により空間電荷由来のビーム損失を最小化させると共に、色収差や加速過程のチューンを制御することでビームの不安定化を抑制することに成功した。また、その後に実施したビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共に、Anti-correlatedペイント入射を併用することでペイント範囲を2倍に拡幅することに成功し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることができた。こうした一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失は、十分に許容範囲内と言えるレベルにまで大幅低減された。本発表では、ビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理についての話題を中心に、RCSビームコミッショニングの進捗状況を報告する。
stripping to proton by using only lasers in the J-PARC RCSSaha, P. K.; 原田 寛之; 加藤 新一; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 山根 功*
Proceedings of 57th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2016) (Internet), p.310 - 314, 2016/08
In order to avoid two practical issues of short lifetime and residual radiation due to foil beam interaction during multi-turn H (negative hydrogen) stripping injection in the recent and next generation multi-MW proton accelerators, we proposed a new method for such an H stripping by using only lasers. The method, especially at lower H energy aims to overcome the real difficulty involved mainly for the required extremely high magnetic fields with laser used so far for that purpose. The present work gives a detail of the present method including a strategy to carry out a proof-of-principle (POP) experiment the 400 MeV H in the 3-GeV RCS of J-PARC. Based on the results obtained in the POP experiment, a realistic design for such a system including R&D of the high power lasers for the practical application can be determined.
發知 英明; 原田 寛之; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; 渡辺 泰広; et al.
Proceedings of 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC '16) (Internet), p.592 - 594, 2016/06
RCSは、2015年1月に1MW相当のビーム加速を達成したところである。RCSのような大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が出力強度を制限する最大の要因となるため、ビーム損失の低減が1MWという設計出力での連続運転を実現するための重要な研究課題となる。2015年10月のビーム試験では、ペイント入射の最適化により、空間電荷由来のビーム損失をほぼ最小化することに成功した。また、その後に実施したビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共に、Anti-correlatedペイント入射を採用することでペイント範囲の拡幅に成功し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることができた。こうした一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失を十分に許容範囲内と言えるレベルにまで抑え込むことに成功した。本発表では、ビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおける最近の成果を報告する。
發知 英明; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 原田 寛之; 加藤 新一; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 田村 文彦; 吉本 政弘
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(1), p.010401_1 - 010401_11, 2016/01
被引用回数：11 パーセンタイル：63.13(Physics, Nuclear)J-PARC 3-GeV RCSでは、入射ビームを位相空間上の広い範囲に一様に分布させてビームの空間電荷密度を緩和させるペイント入射と呼ばれる入射方式を採用している。このペイント入射は、空間電荷由来のビーム損失を低減させるだけでなく、入射中のフォイル散乱由来のビーム損失を低減させる役割を担う。ペイント入射による十分なビーム損失低減を実現するには、ペイント範囲をより大きくとることが必要になるが、ペイント範囲を拡幅した際に別種のビーム損失が付加的に発生してしまうという課題を残していた。本研究では、そのビーム損失が、入射バンプ電磁石のエッジ収束力によるベータ関数の周期性変調によって発生する共鳴現象に起因していることを明らかにすると共に、6台の補正四極電磁石を用いたベータ関数変調の補正手法を考案し、その有効性を実験的に立証することに成功した。本論文では、そのビーム試験結果を紹介すると共に、実験結果と数値シミュレーション結果の詳細比較から明らかになったビーム損失の発生・低減メカニズムを解説する。
原田 寛之; 加藤 新一*
JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.012011_1 - 012011_6, 2015/09
残留ガスプロファイルモニタ(IPM)がJ-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)で開発されている。そのIPMは、加速器リングを周回するビームの分布を観測するための非破壊型のビームプロファイルモニタである。加速器のビーム出力は、加速器機器の残留放射能の観点からビームロスによって制限される。そのため、ビームロスやビームサイズの拡大の期限を同定するためにも加速器リングを周回するビームプロファイルの時間変化を観測することはとても重要な研究課題となる。今回の発表では、開発されたIPMシステムを紹介し、最新のビーム試験の結果を報告する。
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。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 林 直樹; 發知 英明; 金正 倫計; 高柳 智弘; 谷 教夫; 入江 吉郎*; 加藤 新一*
Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.518 - 520, 2014/07
The two horizontal pulse steering magnets are successfully commissioned and also used for one cycle trial operation. They are found to be work as designed. A change of the painting are between MLF and MR would really be necessary at 1 MW operation. The design principles as well as performance of the system is thus already been confirmed in well advanced. In order to meet multi user requirements in simultaneous operation, this might be the first example to introduce such a principle in recent high intensity accelerators.
Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 山本 昌亘; Holmes, J. A.*; 加藤 新一*
Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.521 - 523, 2014/07
ORBIT code has been developed to give new realistic enhancements in order to use for beam simulation in a Rapid Cycling Synchrotrons like J-PARC RCS. It is very important to have two independent simulation codes apply to a same machine. Many detail comparison can be done. It would be very useful for 1 MW beam simulations as well as optimization in the RCS in addition to the SIMPSONS code.
