Design and actual performance of J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron for high-intensity operation

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

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2038301

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。

Safety managements of the linear IFMIF/EVEDA prototype accelerator

高橋 博樹; 前原 直; 小島 敏行; 成田 隆宏; 堤 和昌; 榊 泰直; 鈴木 寛光; 杉本 昌義

Fusion Engineering and Design, 89(9-10), p.2066 - 2070, 2014/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.02.051

On the Linear IFMIF/EVEDA Prototype Accelerator (LIPAc), the engineering validation up to 9MeV by employing the deuteron beam of 125mA are planning at the BA site in Rokkasho, Aomori, Japan. Since the deuteron beam-power is achieved to a 1 MW level, and -ray and neutron is a critical issue. An establishment for safety management is indispensable to reduce radiation exposure for personnel and radio-activation for accelerator components. For this purpose, Personnel Protection System (PPS) of LIPAc control system, which works together with the radiation monitoring system and the access control system and etc., are applied. In this article, three function of personnel access control, radiation monitoring and operation control of the LIPAc for safety management will be presented in details.

IFMIF/EVEDA加速器制御系と入射器とのインターフェース試験

高橋 博樹; 小島 敏行; 成田 隆宏; 前原 直; 榊 泰直; 鈴木 寛光

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.724 - 727, 2014/06

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj10/proceedings/PDF/SAP0/SAP093.pdf

国際核融合材料照射施設(IFMIF)に関する工学実証及び工学設計活動(EVEDA)におけるプロトタイプ加速器(Linear IFMIF Prototype Accelerator: LIPAc)は、定常運転モードで9MeV/125mAの重陽子イオンビームを加速する。LIPAc制御システムの人員保護システム(PPS), 機器保護システム(MPS)及びタイミングシステム(TS)は、安全上及び機器動作上重要なシステムであり、ハードワイヤにより加速器サブシステム(入射器, RFQなど)と信号の授受を行うことから、インターフェース及び信号授受後の動作シーケンスの調整が重要である。また、不具合が見つかった場合の対応に時間がかかることから、EUから日本に輸入される前にEU側所掌の機器との組合せ試験の実施が必須である。そこで、これら確実な動作を実現するために加速器制御系開発当初から実機に用いるPLC, MPSユニット, TSモジュールを使ったテストベンチの開発に着手した。そしてEUで行われた入射器の動作試験において、開発したテストベンチを入射器と接続し、インターフェースの確認試験、並びに、信号授受後の動作確認試験を実施した。本件ではEUにて実施した入射器とPPS, MPS, TSのインターフェース試験について報告する。

IFMIF; Overview of the validation activities

Knaster, J.*; Arbeiter, F.*; Cara, P.*; Favuzza, P.*; 古川 智弘; Groeschel, F.*; Heidinger, R.*; Ibarra, A.*; 松本 宏*; Mosnier, A.*; et al.

Nuclear Fusion, 53(11), p.116001_1 - 116001_18, 2013/11

AA2013-0294.pdf:2.55MB

https://doi.org/10.1088/0029-5515/53/11/116001

日欧協力による幅広いアプローチ活動の下、IFMIF/EVEDA事業は、次の段階のIFMIF建設を目途としている。主要施設である(1)加速器、(2)標的、(3)試験設備の実証活動では、フルスケールのプロトタイプ、もしくは、直接、IFMIFへ外挿可能なスケールダウンモデルを製作している。1.125MW(125mA, 9MeV)の重陽子ライナックの据付が2013年3月に日本の六ヶ所で始まる。日本の大洗で稼動中の世界最大の液体リチウム試験ループは、今後、意欲的な実験が計画されている。フルスケールの高中性子束試験モジュールには日欧の協力で開発された小型試験片が約千個詰め込まれ、ヘリウムガスループとともにドイツで製作された。フルスケールのクリープ試験用中間中性子束試験モジュールがスイスで製作された。

Activation analyses of air in the accelerator vault of LIPAc building by deuteron beam at 5 MeV and 9 MeV

高橋 博樹; 前原 直; 榊 泰直; 鈴木 寛光; 杉本 昌義

JAEA-Conf 2013-002, p.109 - 112, 2013/10

https://doi.org/10.11484/jaea-conf-2013-002

In the IFMIF/EVEDA prototype accelerator, the engineering validation up to 9 MeV is planned by employing the deuteron beam of 125 mA at the BA site in Rokkasho. In the acceleration of deuteron beam, the activation is critical issues, and the analyses as for isotope productions in the air are indispensable for safety assessment. In the air activation, the Ar is the most important for maintenance works in accelerator vault, and the exhaust management has to be established. For this analysis, the experimental data are used as a source term in neutron transportation and the activation analyses for the air in an accelerator vault are performed by PHITS code and DCHAIN code. The neutron flux around the BD due to the deuteron beam of 5 MeV and 9 MeV are evaluated for the current IFMIF/EVEDA Accelerator design, and it is found that maintenance works cannot be started immediately after deuteron beam operation.

J-PARC 3GeVシンクロトロン高周波加速空胴用金属磁性体コアの内直径の測定及びその経年変化

島田 太平; 鈴木 寛光; 山本 昌亘; Schnase, A.; 戸田 信*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 野村 昌弘; 田村 文彦; et al.

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1143 - 1145, 2012/08

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/THPS/THPS084.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロンの高周波加速空胴では、外直径約850mm、内直径約370mmの金属磁性体コア198枚を使用している。2007年10月のシンクロトロンの運転開始以来、幾つかのコアで座屈による損傷が発生した。その原因調査の一環として、メンテナンスで空胴を解体した際、コアの内直径の測定を行った。コアの製造方法の違いにより、内径の真円からズレの度合いに一定の傾向があることがわかった。また、座屈が発生したコアを除き、ほとんどのコアでは、経年による形状変化は認められないが、一部のコアでは、扁平の度合いが大きくなっている傾向が観測されている。約2年の経年による内径の変化についても報告する。なお、現在、座屈防止に有効なコアの製造方法が確立され、夏期のシャットダウン時に順次コアの交換が進められている。

A Dummy beam pipe with improved gap connections for a high power test cavity for J-PARC RCS MA cores

島田 太平; 山本 昌亘; 野村 昌弘; Schnase, A.; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 鈴木 寛光; et al.

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.549 - 551, 2010/08

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj7/proceedings/P_4PM/P_EH_4PM/WEPS073.pdf

J-PARC RCSの高周波加速部のビームパイプは、1MWのビームをロスさせることなく通過させるために、内直径247mmと大変大きい。したがって、金属磁性体(MA)コアのハイパワー試験において、試験用空胴の分解と再組み立ては大変な作業となる。実機用のビームパイプはセラミック絶縁部を有する大変高価かつ納期のかかるものなので、試験中に傷を付けたり放電させたりして壊してしまうことは避けなければならない。そこで、実機用と同等の機能を有する軽量かつ安価な試験用パイプを開発した。さらに、空胴に高周波電力を導入するための銅部品を再設計し、空胴の分解と組み立てに要する時間を短縮した。その結果、J-PARCの高出力化によって起こりうる高放射線環境化での空胴回りの作業時間を短縮し、高出力化を律する要因の一つを除外した。

Application of digital narrow band noise to J-PARC Main Ring

Schnase, A.; 田村 文彦; 小関 忠*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 野村 昌弘; 山本 昌亘; 戸田 信*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.1446 - 1448, 2010/05

http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/IPAC10/papers/tupea051.pdf

Applying narrow band noise to the beam in J-PARC Main Ring in flattop, while the acceleration voltage is off helps to counteract the effect of ripple on the slow extraction. For this purpose, a complex noise sequence output by DSP modulates a custom made DDS synthesizer to create single side spectra without carrier. The noise is calculated starting from a description in frequency domain. An algorithm creates narrow band spectra with optimized behavior in time domain. Frequency domain data is transformed to time domain, and the amplitude is smoothed. The smoothed data is transformed back to frequency domain, and the spectral shape is restored. This process repeats until the amplitude in time domain has converged, while the desired spectrum shape is preserved. Noise generated in this way can be tailored for different requirements. We show the signal properties, the hardware, and preliminary beam test results, when the noise is applied (a) to the MR RF system, and (b) to the horizontal exciter system.

Condition of MA cores in the RF cavities of J-PARC synchrotrons after several years of operation

野村 昌弘; Schnase, A.; 島田 太平; 鈴木 寛光; 田村 文彦; 山本 昌亘; 絵面 栄二*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.3723 - 3725, 2010/05

http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/IPAC10/papers/thpea022.pdf

J-PARCでは、金属磁性体コアを用いたRF空胴を2007年から運転を行ってきた。コアの状況を把握するために、メンテナンスのための加速器の停止期間ごとに空胴のインピーダンスの測定を行ってきた。その結果、2009年1月と6月に2度のインピーダンスの低下が観測された。空胴を解体し調査したところ多くのコアで座屈が観測された。会議では、座屈とインピーダンス低下の関係や座屈の状態について発表する。

大振幅の2倍高調波重畳による縦方向ペインティング

田村 文彦; 山本 昌亘; 吉井 正人*; 大森 千広*; 野村 昌弘; Schnase, A.; 戸田 信*; 鈴木 寛光; 島田 太平; 原 圭吾*; et al.

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.366 - 368, 2010/03

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj6/papers/woaca02.pdf

大強度の陽子ビーム加速においては、スペースチャージチューンシフトを軽減するために、縦方向ペインティングを行い、バンチングファクターを増大する必要がある。J-PARC RCSでは、モーメンタムオフセット入射及び2倍高調波の縦方向ペインティング手法を採用している。特に、J-PARC RCSでは広帯域MA空胴を採用したことにより、デュアルハーモニック運転を行い、大振幅の2倍高調波を追加空胴なしに発生することができる。縦方向ペインティング試験の結果について報告する。