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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。
山田 逸平; 地村 幹; 神谷 潤一郎; 金正 倫計
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072018_1 - 072018_6, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)大強度陽子加速器施設J-PARCではわずかな割合のビーム損失でも高線量の放射化を引き起こす。そのため、非破壊型モニタを用いたビームの常時監視による加速器制御の最適化が必須である。ビームとガスの相互作用を利用してビームプロファイルを測定するガスシートモニタは、従来の固体ワイヤとビームの相互作用を利用したモニタと比較してビームに与える影響が小さい。しかし、極少量ではあるもののガスを導入してビームラインの真空圧力に影響を与えるため、ビームにも影響を与える可能性がある。そこで本研究ではガス導入量に対するビーム電流値及びビーム位相空間分布の変化を実測した。本会議では、ビーム電流値はガス導入量に比例して減少し、ビームエミッタンスは一定または減少したという結果を報告し、今後のJ-PARC加速器の安定化や大強度化に向けたガスシートモニタ高度化に関する議論を行う。
吉本 政弘; 高橋 博樹; 原田 寛之; 地村 幹; 不破 康裕; 林 直樹; 栗山 靖敏*; 澤邊 祐希*; 畠山 衆一郎*
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.839 - 843, 2023/11
J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では、加速器の安定性を監視する主要なビームモニタである、ビームロスモニタ、ビーム位置モニタ、ビーム電流モニタについて、既存システムの更新に向けた新しいビームモニタ用信号処理システムの開発を行っている。新システムは、TAGサーバーと3つの主要モニタに共通して使えるADCモジュールを組み合わせた構成になる。開発に際しての主な設計思想は、(1)J-PARCに特有の様々なビームタグ情報をTAGサーバーで集約し、タグ情報として各ADCモジュールに分配する、(2)ADCモジュールでビームモニタからの信号情報をADCでデジタル信号に変換し、FPGAにより各モニタに合わせた解析手法を切り替えながら高速解析処理を実施する、(3)ADCモジュールから約10秒程度の全ショット分の信号処理データをパッキングしてタグ情報をヘッダーに付加した解析データを定期的に出力する、また、任意の1ショット分のデータに対してタグ情報を付加したモニタデータをオンデマンドで出力する、ための2種類のフォーマットを準備する、(4)また生波形に加えて、FFT関連の解析途中のデータや、周回毎のバンチデータなどについて最新の4ショット分をADCモジュールの内部メモリに保存し、必要に応じてデータを読み出せるようにする、ことを目指した。本発表では、現在開発中の試作機によるタグ情報の読み込みとビームモニタ信号のデータ収集試験についての進捗を報告する。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 佐藤 篤*; 山田 逸平; 地村 幹; 小島 邦洸; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.526 - 530, 2023/11
本研究では、ビームの遅い取り出しのための非破壊型静電セプタムを開発している。従来型と異なり、この装置はビームと衝突しないようにビーム周辺に配置した多段電極で構成されており、発生させた電場によって非破壊でビームを分離する。本研究ではその電場分布を評価すべく、電子銃とビームモニタで構成された試験装置を開発した。その装置に試作電極を設置し、細い電子ビームで電場分布測定の実験を実施した。その測定結果は計算結果との良好な一致を示した。しかし、ビームの分離能力はまだ十分ではない。そこで、電場分布の改良に向けた電極形状や配置の最適化の検討を行った。本発表では、試験装置を用いた電場分布測定実験の結果や改良案を報告する。さらに、本開発の今後の展望についても述べる。
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.
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.270 - 273, 2023/10
J-PARC 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。そのため、現在のビーム出力はビームロスではなく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。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 山田 逸平; 地村 幹; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.503 - 507, 2023/01
リング型粒子加速器であるシンクロトロン加速器ではリング内にビームを溜め込み、周回させながら加速したビームを徐々に供給する「遅い取り出し」技術で最先端の物理実験や放射線がん治療を実現している。従来の手法では、周回ビームと取り出しビームの間に電場分布を切り分ける電極を挿入する必要がある。現在の手法では、取り出し時に発生するビーム衝突が原理的に解決できず、機器の故障や出力制限の原因となっている。そこで、ビーム軌道上に挿入される電極を廃した新たな手法に基づく非破壊型静電セプタムを考案し、現在開発を進めている。従来型の静電セプタムと同等に粒子を周回ビームから蹴り出す為には、境界面で不連続のギャップを持つ階段関数のような分布の力を発生させるのが理想である。本発表では階段関数に近い分布のローレンツ力を真空中に発生させるための電極・電流路配置の最適化の計算方法や、発生させるローレンツ力によるビーム軌道の計算結果について報告する。また、現在進行中である本手法の原理実証に向けて開発した小型原理実証機についても紹介し、今後の展望についても議論する。
地村 幹; 原田 寛之; 金正 倫計
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2022(6), p.063G01_1 - 063G01_26, 2022/06
被引用回数：2 パーセンタイル：31.98(Physics, Multidisciplinary)高強度イオンリニアックの低エネルギー領域では、強い空間電荷場により、わずか数メートルの距離でビームエミッタンスが急速に増大する。このビームエミッタンスの増大は、ビーム損失や装置の放射化につながり、加速器機器の定期保守やビーム強度増強の際に大きな問題となる。本研究では、3次元粒子追跡シミュレーションと理論的考察に基づいて、空間電荷場によるビームエミッタンス増大の要因を調べた。J-PARCのリニアックをモデル化した数値シミュレーションによって、空間電荷場の非線形項が直接ビームエミッタンス増大とビームハローの形成を引き起こすことを明確にした。また、空間電荷場の非線形項の一つとして生じる八極磁場を用いて、ビームエミッタンス増大を緩和する方法を世界で初めて提案した。この方法をシミュレーションに適用し検証した結果、ビームエミッタンス増大を有意に緩和することに成功した。
岡部 晃大; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 守屋 克洋; 柴田 崇統*; 地村 幹*; 平野 耕一郎; 小栗 英知; 金正 倫計
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011011_1 - 011011_6, 2021/03
J-PARC大強度陽子加速器では設計出力値である1MWビームパワーのビーム調整を行っている。線形加速器におけるMEBT(Medium Energy Beam Transport)1は低エネルギーでの大強度ビーム輸送系であり空間電荷力が支配的な状況でビームを輸送、及び、下流加速器であるDTLに整合したビームに成型する機能を持つため、J-PARC加速器の出力を安定化する上で最も重要な機器である。そこで、ビーム供給安定化向上のため、MEBT1より上流のイオン源やRFQ等の機器パラメータとMEBT1でのビームパラメータとの関連性を調査した。その結果、MEBT1に入射するビームの挙動は上流機器の設定パラメータと関連があり、その関係はイオン源の数値シミュレーション結果をもとにしたビーム力学理論から解釈できることが今回初めて判明した。さらに、本結果をもとにシミュレーションによる解析を行い、現状のMEBT1では下流側DTLとのビーム整合を行う上でビームモニターの数が不足しており、それらの設置個所を含めて再検討が必要なこと、バンチャー空洞の数を増やしてチョッパーシステム及びDTLとのビーム整合を両立可能な状態にすることによりさらなるビーム供給の安定化が見込めること、などの課題がはっきりと分かった。本発表にてそれらビーム実験結果を報告する。
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
大強度ビームにおける空間電荷効果の増大は、ビーム損失の増大を引き起こす。そのビーム損失は、装置の放射の観点からビーム強度を制限してしまう。そのため、その空間電荷効果によるビーム広がりを抑制することが非常に重要である。本研究では、その効果が特に顕著になるリニアックの低エネルギー領域に着目した。その効果によるビーム広がりの起源を同定するために、空間電荷力を考慮したシミュレーションを実施した。そして、J-PARCリニアックの低エネルギー部(MEBT1)における空間電荷効果が顕著に影響を及ぼしていることが判明した。その要因が空間電荷力の非線形力であることを突き止め、八極電磁石による非線形磁場にてその効果を緩和する手法を新たに考案した。シミュレーション上でその手法を検証した結果、ビーム広がり抑制が可能であるという結果を得た。本発表では、考案した手法やその検証結果について報告する。
地村 幹; 原田 寛之; 高柳 智弘
尾形 敢一郎*; 熊谷 洋二*; 本波 和真*
【課題】荷電粒子ビームを収束及び成形可能な多極電磁石を小型化する技術を提供する。 【解決手段】多極電磁石は、荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨーク(11)と、ヨークの周方向に離間した位置において、各々がヨークの内周面から通過領域に向けて突出する4N+4(Nは正の奇数)個の磁極(12A~12H)と、磁極を励磁するコイル(13A~13H、14A~14H)とを備える。周方向に連続するN+1個の磁極を1個の磁極グループとして、同一の磁極グループに属する磁極の先端は、接触している。コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転すると共に、磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が基準値より小さい弱磁性磁極とが、周方向にN+1個ずつ交互に配置されるように、磁極を励磁する。
地村 幹; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計
no journal, ,
大強度陽子加速器におけるビーム強度は、最先端実験の効率や稀な事象の探索の精度を決定する重要なパラメータである。大強度ビームでは、空間電荷効果によるエミッタンスの増大および、それに伴うビーム損失による機器の放射化の増加がビーム強度を制限してしまう。その効果によるエミッタンスの増大の起源を同定するため、J-PARCリニアックをモデルとしたビームシミュレーションを実行した。その結果、空間電荷力の非線形力がビーム分布の歪みとエミッタンスの増大を引き起こしていることを確認した。そこで、空間電荷力の非線形成分と同様にビームに非線形力を与える多極電磁石を用いることによってエミッタンスの増大を抑制する手法を新たに考案し、シミュレーション上でその手法を検証した。J-PARCリニアック上流部のビーム輸送ラインに八極電磁石を導入した場合、エミッタンスの増大を2割程度抑制可能であることを示した。本発表では、多極電磁石を用いた空間電荷効果によるエミッタンス増大の新たな抑制手法について報告する。
地村 幹; 原田 寛之; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 金正 倫計
no journal, ,
加速器ビームの大強度化は、ビームの空間電荷効果に起源を持つビーム損失も増加させ、機器の放射化を引き起こすため、保守の観点から強度を制限せざるを得なくなる。多くの場合にはビーム損失機構は共鳴現象によって理解される一方、空間電荷場が非常に強い加速初期領域では、その非線形性に起因する短距離で急激なエミッタンス増大が引き起こされる。このエミッタンス増大はその地点の放射化への影響は小さいが、それ以降のビーム損失を増加させる原因となり、大強度化を阻害する根本的な要因となる。本研究は、このエミッタンス増大を抑制する新たな手法として、非線形な場である八極磁場を印加することで空間電荷場の非線形項を補償する手法を提案し、シミュレーションコードIMPACTを用いて、大強度陽子線形加速器J-PARCリニアックをモデルとしたビームシミュレーションを実行した。その結果、八極磁場を印加することでビーム分布の外核部における広がりが抑制されていることが確認でき、ビーム損失を計算上抑制できた。本発表では、八極磁場を用いた空間電荷補償の結果を報告し、実験計画についても言及する。
地村 幹; 原田 寛之; 高柳 智弘; 金正 倫計
no journal, ,
大強度陽子加速器のような空間電荷場が顕著になる低エネルギー領域においては、数m程度の短距離で急速にビーム品質が悪化する現象が起こる。この現象は、ビームの内側では強い空間電荷力が働く一方、ビームの外側では空間電荷力が弱いためにビームの運動方向が不揃いになることに起因する。J-PARCリニアックの3MeVビーム輸送路におけるシミュレーションでは、3mの短距離で50%以上のエミッタンスが増大することが確認された。そこで、ビーム外側に強い力をかけることが可能な八極磁場を用いて、空間電荷力を緩和する手法をこれまでの研究で提案し、シミュレーションよりエミッタンスの増大が抑制可能であることを示した。本手法を実際の加速器に導入し、より高品質で大強度なビームを実現するために新たな結合型電磁石を開発した。本講演では、四極磁場と八極磁場を同時に発生することのできる新たな結合型電磁石の設計およびビームシミュレーション結果について報告する。
中嶋 洋輔*; 市村 和也*; 武田 寿人*; 岩元 美樹*; 細田 甚成*; 清水 啓太*; 大木 健輔*; 坂本 瑞樹*; 大野 哲靖*; 門 信一郎*; et al.
no journal, ,
GAMMA10/PDXでは、非接触プラズマの生成と特性評価を目的として、ダイバータ模擬実験モジュール内部に設置したV字ターゲットへのプラズマ照射実験を行っている。ダイバータ模擬実験モジュール内に水素または希ガス(アルゴンやキセノン)を入射することで、V字ターゲット前面での非接触プラズマの形成に成功した。このとき、V字ターゲットへの熱粒子負荷の減少を観測した。また、V字ターゲットのコーナー部で測定した電子温度が数十eVから3eVに低下した。この電子温度の低下は分子活性化再結合が原因である可能性が高い。また、非接触プラズマの形成には、モジュール内へ水素ガスとキセノンガスの両方を入射することが効果的であった。
坂本 瑞樹*; 大木 健輔*; 吉川 基輝*; 寺門 明紘*; 野原 涼*; 野尻 訓平*; 中嶋 洋輔*; 福本 正勝; 市村 和也*; 細田 甚成*; et al.
no journal, ,
GAMMA10/PDXでは、ミラー端部に設置したダイバータ模擬実験モジュールを用いて、境界プラズマの物理とプラズマ壁相互作用が調べられている。本研究では、モジュール内に設置したタングステン製のV字ターゲットに端損失プラズマを照射し、リサイクリングに対する水素ガス入射の影響とターゲット温度の影響を調べた。モジュールに入射する直前の電子密度と電子温度はそれぞれ3.0
10
m
と10eVであったが、モジュール内に水素ガスを1.23Pa導入することで、V字ターゲットのコーナー部ではそれぞれ0.610mと3eVに低下した。このことから、V字ターゲットのコーナー部では非接触プラズマが形成されていると考えられる。また、同部で測定したH
とH
の強度比から評価すると、分子活性化再結合が発生している可能性が高い。さらに、V字ターゲットの温度上昇と共にコーナー部での電子密度とH信号強度の増加が観測された。これにより、ターゲットの温度上昇によってリサイクリングが増加する可能性が示唆された。
/H
beams in the J-PARC Linac守屋 克洋; 原田 寛之; 地村 幹; 神藤 勝啓; 金正 倫計
no journal, ,
The second phase of the program at J-PARC includes the deployment of a new facility, the Proton Beam Irradiation Facility (PBIF) to promote R&D on the transmutation technology using accelerator-driven systems (ADS). The PBIF will receive beams from the Linac, which is currently accelerating 400-MeV negative hydrogen ion (H) beams for injection into the 3-GeV rapid-cycling synchrotron (RCS). In case of the H beams injection into both the PBIF and the RCS alternatively, the repetition rate of the Linac will increase to twice of the present 25 Hz. In order to achieve high repetition rate, there are problems such as the thermal load of the RF cavities exceeding the allowable value with the current cooling capacity. Therefore, this method requires a large-scale renovation work of the cooling system. We propose a simultaneous acceleration of both H/H beams in the Linac. This proposal has the following advantages; (1) the repetition rate of the Linac with the present 25 Hz for delivery beams to both PBIF and RCS, (2) the thermal load of the RF cavities below allowable value even with the present cooling capacity, and (3) allowing for the delivery of high-intensity H beam to the PBIF independently of the H beams to the RCS. This presentation exhibits the observation of H ions at the downstream of the RFQ and the proposal with some simulation results of the simultaneous acceleration as well as a new configuration of the ion source for the J-PARC Linac.
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; Saha P. K.
no journal, ,
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のようなMW級の大強度陽子加速器はビーム損失により出力が制限される。そのため、RCSの設計出力を超える大強度化を目指す上で、より一層のビーム損失の低減は必要不可欠である。特に、ビームが進行方向に垂直な方向に行う振動と、加速器の構造の周期が一定の関係を満たすとき引き起こされる、共鳴現象は多大なビーム損失に繋がる恐れがある。これを避けるために、収束力を調整し、ビームの振動数を慎重に制御している。一方で、大強度化はビームの高密度化に繋がり、クーロン斥力の影響を顕著化する。その結果、ビームの振動数は密度に依存した幅を持つようになり、共鳴条件への抵触を避けることが困難になる。特に、RCSのビーム大強度化においては、半整数共鳴条件への抵触が避け難い状況となっている。そこで、本研究では、半整数共鳴を補正し、その影響を打ち消すことを試みた。一連のビーム試験の結果、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程度にまで低減する補正状況を達成した。本発表では、共鳴補正手法と実験結果に関して報告する。
永山 晶大; 原田 寛之; 下川 哲司*; 佐藤 篤*; 山田 逸平; 地村 幹; 小島 邦洸; 山本 風海; 金正 倫計
no journal, ,
従来型の静電セプタムは、陰極とビーム軌道上に配置したセプタム電極により形成した電場でビームを分離する装置である。したがって、セプタム電極とビームとの直接衝突が原理的に発生する。我々は、ビームが通過する領域の外側に多段電極が配置された構造を持ち、この多段電極の印加電圧を最適化することでビームの分離が可能な電場を形成する非破壊型静電セプタムを開発中である。本装置はビーム軌道上に物質を含まないためビームロスが発生しないという点で、従来型の静電セプタムの課題を克服できる。本装置の機能を計算により検証するため、J-PARCでのビームの遅い取り出し手法における粒子軌道を再現できるモデルを、既存の粒子軌道シミュレーションソフトウェア(SAD)を用いて構築した。加えて、非破壊型静電セプタムの電場計算結果を多重極展開し、シミュレーションに新たに導入した。シミュレーションでは、本装置の導入によってJ-PARCにおける遅い取り出のビーム強度を約1.3倍に増強可能であるという結果が得られた。本発表では、上述のシミュレーションの詳細について報告する。
山田 逸平; 小島 邦洸; 地村 幹
no journal, ,
大強度加速器の安定化およびさらなる大強度化のために、ビームガス相互作用を用いた非破壊型ビームプロファイルを開発してきた。このモニタはシート状に形成したガスをビームラインに導入し、ビームとの相互作用で生じる光子を検出することでビームプロファイルを得るモニタである。このモニタの非破壊度の評価として、ガス流量に対する3MeV水素負イオンのバンチドビームのエミッタンス変化を測定したところ、ガス流量によってはエミッタンスが減少する結果を得た。これはビームガス相互作用により光子と同時にシートガスからプラズマが生成され、さらにそのプラズマとビームが相互作用することによる空間電荷中和現象によるものと推測された。空間電荷中和は低エネルギービームライン(LEBT)等のバンチされていないビームに対してはよく観測および議論されているものの、バンチドビームに対しては議論されている例がない。そこでParticle-in-Cellシミュレーションを用いた検証を実施したところ、実験結果とよく一致するエミッタンス減少が再現された。その結果からバンチドビームに対する中和現象のメカニズムを明らかにし、ビームエンベロープ方程式で一般に利用される空間電荷中和項の修正を考案した。
地村 幹; 山田 逸平; 小島 邦洸
no journal, ,
大強度イオン加速器の初段部のようにビームの密度が高く、ビームが遅い領域においては、ビーム自身の作る電場から短距離で大きな力積を受け取る。この電場によってエミッタンスと呼ばれるビームの位置および運動方向の分散が増大するため、加速器のビーム透過率の悪化や放射化を増大させる要因となる。そこで、大強度イオン加速器の初段部では、ビームがダクト内のガスと衝突し、ガスを電離することで発生した正イオンがビーム作る電場を自発的に中和する現象である空間電荷中和が積極的に利用されている。一方、大強度イオン線形加速器J-PARCリニアックにおいては、シート状のガスをビーム軌道上に導入し、ビームとガスの相互作用によってビーム分布を測定することを目的としたガスシートモニタが利用されている。J-PARCリニアックの3MeV中間エネルギービーム輸送路(MEBT1)では、通常、空間電荷中和を利用していないが、ガスシートを導入することで空間電荷中和とみられるエミッタンスの改善が報告されている。本報告では、MEBT1をモデルとした数値計算によって、その特性の評価を実施することで空間電荷中和の過程を明らかにし、その結果を元に計算モデルを提案する。
公開特許公報