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菖蒲田 義博; 原田 寛之; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 田村 文彦; 富樫 智人; 渡辺 泰広; 山本 風海; 山本 昌亘
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 26(5), p.053501_1 - 053501_45, 2023/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.02(Physics, Nuclear)大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを出射させるキッカー電磁石のインピーダンスがビームの不安定性を励起することが理論的に予測されてきた。しかしながら、物質・生命科学実験施設に供給されるビームは大きいエミッタンスを持つので、1MWの大強度ビームであっても適切なマシーンパラメタを選べば、ビームの不安定化を抑制することができる。一方で、メインリングに供給されるビームは、小さいエミッタンスを持つので、キッカーのインピーダンスの低減が必須である。そこで、ダイオードと抵抗器を用いたデバイスを使うキッカーインピーダンスを抑制する方式を提案し、その抑制効果を実証した。しかし、J-PARC RCSは25Hzの繰り返し周波数で連続動作させる必要があり、実用化のためには、耐熱性の高い特殊なダイオードを開発する必要があった。この課題を解決するため、本研究において連続運転に耐えうる抵抗付きダイオードを開発した。これにより小さいエミッタンスを持つ大強度のビームの不安定性も抑制できることを実証することができた。またシミュレーションにより、この方式で少なくとも5MWのビーム運転にも利用できることを明らかにした。
山本 風海; 金正 倫計; 林 直樹; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 谷 教夫; 高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 菖蒲田 義博; et al.
Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1174 - 1205, 2022/09
被引用回数：6 パーセンタイル：84.97(Nuclear Science & Technology)J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度ビームを25Hzという早い繰り返しで中性子実験及び下流の主リングシンクロトロンに供給することを目的に設計された。2007年の加速器調整運転開始以降、RCSではビーム試験を通じて加速器の設計性能が満たされているかの確認を進め、必要に応じてより安定に運転するための改善を行ってきた。その結果として、近年RCSは1MWのビーム出力で連続運転を行うことが可能となり、共用運転に向けた最後の課題の抽出と対策の検討が進められている。本論文ではRCSの設計方針と実際の性能、および改善点について議論する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.53 - 57, 2021/10
J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)キッカー電源を代替する半導体スイッチ電源の開発を進めている。パワー半導体の素子には、現在の主流であるシリコン(Si)製より高周波特性に優れ低損失なシリコンカーバイド(SiC)製の半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を採用し、回路基板の主要な部分は、低ノイズと低インダクタンスを実現した放射対称型のLinear transformer driver(LTD)回路で構成した。また、電源全体は、既存のキッカー電源の機能を有する回路に新たに追加する周回中の大強度ビームの誘導電流低減を目的として反射波吸収回路を1枚のモジュール基板で実装する主回路基板と、フラットトップの時間的一様性を要求仕様に合わせて補正する低電圧出力の補正基板の2種類の組み合わせで構成する。今回、1.7kVのSiC-MOSFETを使用した主回路基板を32枚と、100VのMOSFETによる補正基板を20枚使用し、キッカー電源として必要な定格40kVの出力を実現した。評価結果について報告する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計; 小泉 勲*; 川又 俊介*
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011020_1 - 011020_6, 2021/03
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビーム加速後の取出しに使用するキッカー電磁石の電源に、真空管の一種であるサイラトロンを使用してきた。しかし、より高耐圧、低損失かつ、高周波特性に優れた次世代電力用半導体であるSiC-MOSFETを使用することにより、電源の安定動作,小型化、及び省エネ化の高度化を進めている。RCSキッカー電源で採用されているサイラトロンスイッチ、同軸ケーブルタイプのPFN回路、および、反射波吸収用のエンドクリッパー等の主要な回路は、パワー半導体と蓄積用コンデンサーなどを用いることで一枚の回路基板上に実装可能とした。この回路基板は、単一で800V/2kAを出力できるため、複数枚の回路基板を直列多段に積み重ねることにより、必要な高電圧パルスを出力する。回路設計の詳細と、40kV/2kAの目標仕様に対して半分の20kV/2kAの出力を達成した結果を発表する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.25 - 28, 2020/09
J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)キッカー電源を代替する半導体スイッチ電源の開発を進めている。パワー半導体の素子には、現在の主流であるシリコン(Si)製より高周波特性に優れ低損失なシリコンカーバイド(SiC)製の半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を採用し、回路基板の主要な部分は、低ノイズと低インダクタンスを実現した放射対称型のLinear transformer driver(LTD)回路で構成した。また、電源全体は、既存のキッカー電源の機能を有する回路に新たに追加する周回中の大強度ビームの誘導電流低減を目的として反射波吸収回路を1枚のモジュール基板で実装する主回路基板と、フラットトップの時間的一様性を要求仕様に合わせて補正する低電圧出力の補正基板の2種類の組み合わせで構成する。主回路基板は一枚で800V/2kA出力が可能であり、52枚の主回路基板と20枚の補正基板を用いて、RCSキッカー電源に必要な高電圧40kVとフラットトップ平坦度
0.2%以下の出力試験に成功した。更に、既設のキッカー電源の実構成を想定した2並列回路による予備試験を実施した。評価結果と今後の展望について報告する。
菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 山本 昌亘; 山本 風海
Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.062007_1 - 062007_8, 2018/10
被引用回数：2 パーセンタイル：68.25(Physics, Particles & Fields)J-PARCのRCSのキッカーにはコイルが内蔵されており、そこを流れる電流が作る磁場の力でビームを出射させている。このキッカーは4つの端子を持っており、その2つが電源側につながれ、残りの2つがショートしてある。ビームをRCSから出射させる時に必要なキッカーに誘起される電流値は、この特徴のために電源から供給される電流値の2倍となる。これは、ビームを出射させる上では、必要な消費電力を節約でき、キッカーの設置スペースを節約できるという利点を持つ。一方で、この特徴のためにビームが大強度化するに従って、キッカーを通過する際に励起する電磁場(インピーダンス)は、ビームを不安定にさせることが分かっている。このようなビーム不安定性への対策は、大強度での安定的なビーム利用運転をするために必要である。本レポートでは、現在のキッカーの持つパフォーマンスを維持しながら、ビームの不安定要因であるキッカーのインピーダンスを下げる新しい手法について紹介する。
菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 林 直樹; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*; 山本 風海; 山本 昌亘
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(6), p.061003_1 - 161003_15, 2018/06
被引用回数：4 パーセンタイル：36.29(Physics, Nuclear)J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学研究施設(MLF)と50GeVシンクロトン(MR)にビームを供給しているが、MRへは横方向のビームサイズを小さくする必要がある。一方、RCSのビームは横方向のビームサイズが小さくなるに従って、ビームが不安定になるが、原因は、キッカー電磁石由来のビームのインピーダンスが大きいためである。今回、我々はそのRCSのキッカー電磁石のビームのインピーダンスを下げるために、キッカー電磁石の端末をダイオードと抵抗で終端する手法を開発した。しかし、この手法では、非線形素子(ダイオード)を使うため、定量的にビームのインピーダンスを評価することが難しい。本論文では、シミュレーションと測定でそれを評価できる手法について議論した。両者の結果はよく一致し、これによってキッカー電磁石のビームのインピーダンスが確かに低減できていることが確認できた。
菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘; 田村 文彦; 谷 教夫; 富樫 智人; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.
Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2946 - 2949, 2017/05
J-PARC RCSのような1MWの大強度のビームの生成を目指す加速器では、加速器の構成要素とビームは、電磁気的に相互作用(ビームの結合インピーダンス)をして、ビームが不安定になる。RCSでは、それがキッカーとの相互作用(キッカーインピーダンス)で起こることが明らかにされており、ビームを不安定にすることなく大強度のビームを達成する手法について研究がなされてきた。著者らは、最近、ビームのもつ空間電荷効果にはビームを安定化させる働きがあることを発見し、MLF行き用の横方向に大きい200
mm.mradのエミッタンス のビームに対しては、1MWのビームを達成する手法を確立した。ところが、MR行き用の50mm.mradのエミッタンスの細いビームに関しては、この手法では、ビームを大強度化する上で限界がある。このレポートでは、このようなビームに対して、どのようにして大強度ビームを達成するか、その対策を議論する。また、現在のキッカーインピーダンス低減化対策の現状も報告する。
富樫 智人; 高柳 智弘; 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.725 - 728, 2016/11
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キッカー電磁石電源システムを利用している。本システムの電源は、使用開始からおよそ10年が経過しているが、定期的な保守点検や消耗品の交換を実施することにより現在も順調な稼働を継続している。また、サイラトロンの取り扱いについては、長年の経験をもとにした維持管理手法の確立により高い稼働率を維持するとともに、寿命については平均で10,000時間を超える利用が可能な状況にまで改善されている。一方、消耗品については、経年的に製造中止品が増加しており、代替え品の選定が懸案となっている。また、高圧機器の絶縁と冷却に使用しているシリコン油についても耐電圧性能の劣化が進んでいる傾向があり性能の回復方法や入れ替え手順などの検討が必要となってきている。本報告では、これまでの運転状況並びに保守点検結果を交えながらキッカー電磁石電源の現状について報告する。
高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜; 富樫 智人; 飛田 教光*; 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.699 - 702, 2016/11
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)の入射バンプシステムは、2012年と2013年に、LINACの181MeVから400MeVへのアップグレードに合わせた電源の交換及び電源容量の増強を行った。水平シフトバンプ電源と水平ペイントバンプ電源1は新電源に変更し、水平ペイントバンプ電源2, 3, 4は、定格の電流を1.6倍、電圧を2倍に電源容量を増強するため、既設電源に対してチョッパ盤の追加及びアセンブリ間の配線変更を実施した。そして、2015年1月には、RCS所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。しかし、その後、RCSの加速器が安定したユーザー利用運転を継続していく中で、水平ペイントバンプ電源では、パルスショット毎の電流値の変動(定格の1%以上)がビーム調整時に問題になることが判明した。また、入射部の電磁石周辺では、荷電変換入射による残留線量の増加が散見されるようになった。そのため、電流値の変動については、旧水平ペイントバンプ電源を用いたオフラインでの調査・対策を実施し、残留線量については、入射用水平シフトバンプ電磁石の形状変更による入射部遮蔽体の追加を計画している。本発表では、入射バンプシステムの現状と将来計画について報告する。
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。
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。
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
可変偏向電磁石用の電源を製作した。電源は、パルスと直流を、ビームユーザーズのためのペインティング入射とビームコミッショニングのためのセンター入射の二つのモードに対応して、パルスと直流を出力する機能を備えている。パルス電源は、設定値に対して0.2%の偏差を、直流電源は、0.01%以下のリプル電流が要求され、これらの性能を満足することを確認した。電源の設計と測定結果を述べる。
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：5 パーセンタイル：31.61(Engineering, Electrical & Electronic)パルス補正電磁石は、MLFとMRへの各加速サイクルでペイントエリアの入射点を変えることで必要なサイズのビームを供給し、さらに将来、400MeVでの入射ビームを同じ位相空間に入射して軌道確認できる機能を持つように開発された電磁石である。前者はペイント入射として台形波の電流パターンでパルス励磁され、後者がセンター入射として直流で励磁される。パルス補正電磁石の直流磁場の測定では、おもに電磁石の励磁特性と磁場の均一性について確認し、設計値を十分に満たしていることがわかった。また、リング軌道への影響を評価する漏れ磁場測定では、漏れ磁場によりCODが2.7mmと大きい。しかし、実際には隣接するリング軌道上の電磁石によるシールド効果により、その影響は低減されることがわかった。パルス磁場の測定では、測定波形に渦電流の影響が見られた。磁場の主成分と渦電流成分を分離する解析手法やビームへの影響を評価した。パルス補正電磁石は、すでにビームラインに据え付けられ、ビームの振り分け電磁石として入射部でのロスを低減し、機能的な運転を実現させている。本発表では、パルス補正電磁石で行われたこれらの磁場測定結果について報告する。
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：27.1(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。
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：6 パーセンタイル：35.68(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。
菅沼 和明; 富樫 智人; 金正 倫計
Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.870 - 872, 2014/06
J-PARC 3GeVシンクロトロン用キッカーテストスタンドでサイラトロンCX2004Xの検査を開始した。CX2004Xは現在使用中のCX1193Cに比べ重水素ガスの充填量が多く長寿命化が見込まれている。長寿命化の可能性を調べるため重水素ガスタンクに付随するヒーターの電圧-電流の関係を調べた。結果、CX1193Cとはヒーターの特性が異なるものの、ヒーターの結線の変更のみで寿命の延長が可能となると考えられ、サイラトロンの保守時間の低減に貢献できる見通しを得た。
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：33.02(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.
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。
高柳 智弘; 林 直樹; 植野 智晶; 富樫 智人; 入江 吉郎*
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 22(3), p.5400704_1 - 5400704_4, 2012/06
被引用回数：4 パーセンタイル：29.2(Engineering, Electrical & Electronic)J-PARC 3GeV RCSのバンプシステムの新しい電源開発用のシミュレーションモデルを構築した。これは、ビーム入射用パルス電源のこれまでのトラブル時の原因調査及び対策の経験をもとに、電源の改良点と保守時間の短縮を検討できるモデルである。そして、このモデルを使用したノイズを低減する電源の開発について報告する。
