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論文

Reliability of J-PARC accelerator system over the past decade

山本 風海; 長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 吉井 正人*; 外山 毅*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011016_1 - 011016_7, 2021/03

J-PARC施設は量子ビームを用いた様々な科学実験を行うために建設された。施設はリニアック, 3GeVシンクロトロン(RCS),主リング(MR)の3つの加速器とRCSおよびMRからビームを受ける実験施設群で構成される。J-PARCは、物質生命科学実験施設(MLF)において中性子を用いたユーザー利用運転を2008年12月より開始し、東日本大震災やハドロン実験施設における放射能の管理区域外へのリーク、中性子ターゲットの破損などによる比較的長期の中断を挟みながらも現在まで10年以上運転を継続してきた。これまでの加速器の運転統計データから、特に大きなトラブルが無ければ、MLFの運転稼働率は90%程度、MRがビームを供給するハドロン実験およびニュートリノ実験は85%程度の稼働率が確保できていることを確認した。また、近年ではイオン源の寿命が延びたことでその保守日数が低減され、その分運転日数に余裕を持つことができるようになった。そのため、トラブル発生時にその予備日を運転に回すことができ、稼働率はさらに改善している。運転中の停止頻度も、2018年夏にリニアックのビームロスモニタの設定を見直すことで劇的に低減することができた。

論文

RF design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011049_1 - 011049_6, 2021/03

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting (SC) linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a prototype spoke cavity. It will provide us an insight for the development of the low-beta SC cavity. It will also enable us to acquire valuable information such as the accelerating gradient under the stable operation. In this symposium, the RF design of the prototype cavity including multipacting analysis is presented.

論文

Present status of the R&D of the superconducting linac for the JAEA-ADS

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011043_1 - 011043_5, 2021/03

原子力機構(JAEA)では、放射性廃棄物の有害度低減を目的とし加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を行っている。JAEAが提案するADSは、30MWのCW陽子リニアックと未臨界炉の結合で構成される。陽子の運動エネルギー1.5GeVの到達のため、常電導高周波キャビティ(NRFC)と超電導高周波キャビティ(SRFC)が用いられ、SRFCは2MeVから1.5GeVまでの加速の主要部分に用いられる。加速器開発の第一段階として、SRFCのモデルとビーム光学系の設計と最適化に重点が置いた。SRFCでは、半波長共振器(HWR),シングルスポーク(SS),楕円空洞(Ellip)をそれぞれ162, 324, 648MHzで動作させて加速する。ビーム光学系は、等分割条件を満たすように最適化されており、エミッタンス増長の抑制により、ビームのハローとロスを低減することができた。

論文

Development of inter-digital H-mode drift-tube linac prototype with alternative phase focusing for a muon linac in the J-PARC muon g-2/EDM experiment

中沢 雄河*; 飯沼 裕美*; 岩田 佳之*; 岩下 芳久*; 大谷 将士*; 河村 成肇*; 三部 勉*; 山崎 高幸*; 吉田 光宏*; 北村 遼; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012054_1 - 012054_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

J-PARC E34実験用の交差櫛形Hモードドリフトチューブリニアック(IH-DTL)を開発している。このIH-DTLはミューオンを0.34MeVから4.5MeVまで加速周波数324MHzで加速する。さらに、交換収束法を用いるため、横方向の収束が電場のみでなされ、磁場収束に比べて収束力が弱い。そのため、入射マッチングが重要になる。そのためプロトタイプを製作し、ビーム特性を検証する計画である。この論文では、IH-DTLプロトタイプのためのチューナーやカップラーの開発、特に低電力測定結果について述べる。

論文

Negative muonium ion production with a C12A7 electride film

大谷 将士*; 深尾 祥紀*; 二ツ川 健太*; 河村 成肇*; 的場 史郎*; 三部 勉*; 三宅 康博*; 下村 浩一郎*; 山崎 高幸*; 長谷川 和男; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012067_1 - 012067_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

負ミューオニウムはそのユニークな性質から様々な科学の分野で応用される可能性がある。1980年代に真空中で初めて生成されて以来、仕事関数の低い物質を用いて負ミューオニウム生成効率を高めることが議論されてきた。アルミナセメントの構成物質であるC12A7は良く知られた絶縁体であるが、電子をドープすることで導体として振舞うことが近年発見された。このC12A7エレクトライドは2.9eVという比較的低い仕事関数を持ち、負イオン生成効率を示すと期待されている。本論文では、従来用いていたアルミニウム、C12A7エレクトライド、さらにステンレスターゲット用いた負ミューオニウムイオン生成効率の比較について述べる。測定された生成率は10$$^{-3}$$/sであり、現状セットアップではエレクトライドにおいても大きな生成率向上は確認されず、表面状態をより注意深く整える必要であることが推定される。また、生成された負ミューオニウムの平均エネルギーに材質依存はなく、0.2$$pm$$0.1keVであった。

論文

Disk and washer coupled cavity linac design and cold-model for muon linac

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 三部 勉*; 内藤 富士雄*; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 北村 遼; 近藤 恭弘; 森下 卓俊; 飯沼 裕美*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012097_1 - 012097_7, 2019/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:65.18

ミューオン異常磁気モーメント測定および電気双極子モーメント探索実験用ミューオンリニアックの中エネルギー部用ディスクアンドワッシャ型(DAW)結合空洞リニアック(CCL)を開発している。このリニアックは、ミューオンを$$beta$$=0.3から0.7まで、加速周波数1.3Hzで加速する。本論文では、DAW CCLの空洞設計, ビーム力学設計、および空洞低電力モデルの測定結果について述べる。ビーム力学設計においては透過率100%で加速できる設計を行うことができ、問題となるようなエミッタンス増大もシミュレーションでは見られなかった。空洞設計においては、$$beta$$=0.3, 0.4, 0.5, 0.6用のセル設計を行った。コールドモデルの測定では、0.1%の精度で設計値の1.3GHzと一致していることが確認できた。

論文

Electromagnetic design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

Proceedings of 19th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2019) (Internet), p.399 - 402, 2019/11

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a low-beta prototype spoke cavity. For the cavity development, we designed the prototype cavity. By the electromagnetic simulation, we obtained good cavity performance comparable with the modern spoke cavities.

論文

J-PARC加速器の現状

長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 山本 風海; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 吉井 正人*; 外山 毅*; 山本 昇*; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1235 - 1239, 2019/07

J-PARCでは2018年の夏季メンテナンス終了後、3GeVシンクロトロン(RCS)からビームを供給する物質・生命科学実験施設(MLF)での利用運転を10月下旬から再開した。出力は夏前の500kWと同じであるが、リニアックのピークビーム電流値を、夏前の40mAから定格の50mAに上げた。一方、スーパーカミオカンデの改修やハドロン実験施設の保守や整備などもあり、30GeVのメインリング(MR)のビーム運転は休止したが、利用運転は2月中旬からハドロン実験施設向けに51kWで再開した。しかし3月18日、MRへの入射ビームラインでの偏向電磁石1台に不具合が発生し、仮復旧で4月5日に利用運転を再開したが、再度不具合が発生し4月24日に夏前の利用運転を終了した。2018年度の稼働率は、リニアック, RCSともに安定でMLF向けは94%、ニュートリノとハドロン実験施設向けは86%、74%であった。ここでは、こうした1年間の運転経験を報告する。

論文

Cavity and optics design of the accelerator for the JAEA-ADS project

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.107 - 111, 2019/07

The Accelerator Driven Subcritical System (ADS) becomes a prominent candidate for the transmutation of nuclear waste. To realize the ADS the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing the JAEA-ADS project, which consists in a continuous wave (CW) superconducting (SC) proton linac coupling with a sub-critical core, the accelerator will introduce to the target with the beam current of 20 mA and the kinematic energy of 1.5 GeV. The first part of the work is focus in the design of five SC cavity models to accelerate the beam from 2.5 MeV to 1.5 GeV. The last one is dedicating to beam optic studies with emphasis on the control of the emittance growth to reduce the beam halos and mitigate the beam loss, which is one of the main challenges for the successful operation of the ADS projects.

論文

Development of a muon linac for the g-2/EDM experiment at J-PARC

大谷 将士*; 近藤 恭弘; 齊藤 直人; 長谷川 和男; 他7名*; J-PARC E34 Collaboration*

JPS Conference Proceedings (Internet), 25, p.011027_1 - 011027_5, 2019/03

ミュオン加速のための加速器を開発中である。この加速器により、ミュオンの異常磁気モーメントを0.1ppmの精度で、また電気双極子モーメントを10$$^{-21}$$cmの精度で測定することが可能となり、素粒子の標準理論をこえる物理の探索ができるようになる。最初のステップとして、ミュオンの加速試験を行う予定である。そのための負ミュオニウム源を開発し、既存のJ-PARC RFQ予備機を用いる。また、それに続く低ベータおよび中ベータ加速空洞も開発中である。低ベータにはinterdigital H構造、中ベータにはdisk and washer structureを用いる。本論文では、ミュオン加速試験の準備状況および、加速空洞の開発状況について述べる。

論文

Prototype of an Inter-digital H-mode Drift-Tube Linac for muon linac

中沢 雄河*; 飯沼 裕美*; 岩田 佳之*; 岩下 芳久*; 大谷 将士*; 河村 成肇*; 三部 勉*; 山崎 高幸*; 吉田 光宏*; 北村 遼*; et al.

Proceedings of 29th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2018) (Internet), p.180 - 183, 2019/01

BNL-E821実験において、ミューオンの異常磁気能率(g-2)の実験値は素粒子標準理論の予想値から3.7$$sigma$$の乖離を示しており、標準理論を超えた物理が期待されている。より高精度な測定のためにJ-PARCミューオンg-2/EDM実験では先行実験とは異なる手法での実験を計画している。超低速ミューオンを線形加速器により212MeVまで再加速することで低エミッタンスのミューオンビームを実現し、先行実験における系統誤差を減らして世界最高精度0.1ppmを目指している。実験の核となるミューオン線形加速器の技術開発として、APF方式を用いたIH-DTLの開発を進めている。本講演では、設計の手順と製造過程の報告、さらに基本性能の試験の結果について述べる。

論文

J-PARC加速器の現状

長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 山本 風海; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 吉井 正人*; 山本 昇*; 小関 忠*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1317 - 1321, 2018/08

J-PARCでは2017年の夏季メンテナンス終了後、10月下旬から利用運転を再開した。3GeVシンクロトロンからビームを供給する物質・生命科学実験施設(MLF)では、予備の標的を使ってきたため出力は150-200kWであったが、夏季メンテナンス中に新しい設計で製作した標的に交換した。この結果、11月に300kW、1月から400kW、4月下旬から500kWと徐々に利用運転の出力を向上した。また、2018年の7月に1MWの1時間の連続試験に成功した。30GeVのメインリングでは、ニュートリノ実験施設(NU)への供給を10月下旬から開始し、440kWから出力を上げ12月には470kWで終了した。2018年1月から2月はハドロン実験施設(HD)に供給した。繰り返しを5.52から5.20秒に速め、調整を進めた結果、出力は44kWから50kWに向上した。3月からNUへの供給を再開し、調整の結果490kWを安定に供給できるようになった。稼働率は、2017年度はリニアック、RCSともに安定で、MLF向けは93%であった。MRでは、NU向けは比較的安定で89%、HD向けは66%(2017年4月に発生したESS不具合の影響が大きい)であった。

論文

Performance and status of the J-PARC accelerators

長谷川 和男; 林 直樹; 小栗 英知; 山本 風海; 金正 倫計; 山崎 良雄; 内藤 富士雄; 小関 忠; 山本 昇; 吉井 正人

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1038 - 1040, 2018/06

The J-PARC is a high intensity proton facility and the accelerator consists of a 400 MeV linac, a 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) and a 30 GeV Main Ring Synchrotron (MR). Regarding 3 GeV beam from the RCS, we delivered it at 150 kW in June 2017 to the materials and life science experimental facility (MLF), for the neutron and muon users. After the replacement of a target, we increased a power up to 500 kW. The beam powers for the neutrino experiment at 30 GeV was 420 kW in May 2016, but increased to 490 kW in April 2018. For the hadron experimental facility which uses a slow beam extraction mode at 30 GeV, we delivered beam at a power of 37 kW, after the recovery from a trouble at an electro static septum in June 2017. But we increased a power to 50 kW in January 2018. We have experienced many failures and troubles to impede full potential and high availability. In this report, operational performance and status of the J-PARC accelerators are presented.

論文

First muon acceleration using a radio-frequency accelerator

Bae, S.*; Choi, H.*; Choi, S.*; 深尾 祥紀*; 二ツ川 健太*; 長谷川 和男; 飯嶋 徹*; 飯沼 裕美*; 石田 勝彦*; 河村 成肇*; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(5), p.050101_1 - 050101_6, 2018/05

 被引用回数:11 パーセンタイル:81.67(Physics, Nuclear)

ミューオンがRF加速器によって初めて加速された。正ミューオンと電子の束縛状態である負ミューオニウムをアルミ標的中での電子獲得反応によって生成し、静電加速器により初期加速する。それを高周波四重極加速空洞(RFQ)によって89keVまで加速した。加速された負ミューオニウムは、偏向電磁石による運動量の測定と飛行時間により同定された。このコンパクトなミューオン加速器は、素粒子物理や物性物理などのミューオン加速器の様々な応用への第一歩である。

論文

J-PARC加速器の現状

長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 山本 風海; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 堀 洋一郎*; 山本 昇*; 小関 忠*

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1317 - 1321, 2017/12

J-PARCでは2016年の夏季メンテナンス終了後、加速器の立ち上げや調整を経て、10月下旬からニュートリノ実験施設(NU)、11月上旬から物質・生命科学実験施設(MLF)の利用運転を再開した。NUでは、前回の利用の終了時点(2016年5月)で420kWの出力であったが、チューンの変更や多くのパラメータの最適化調整により、2017年1月には450kW、2月に470kWまで向上した。一方ハドロン実験施設(HD)に向けて2017年4月に調整運転を開始したが、静電セプタムの不具合により停止し、復旧作業により再開し37kWで供給した。MLFでは、2016年度の2回の中性子標的の不具合を受け、新しい設計で標的を製作中であり、それが納入される2017年夏までは150kWのシングルバンチで供給した。2016年度全体では、リニアック、3GeVシンクロトロン(RCS)、MLFともに安定に運転ができ、稼働率は93%であった。一方メインリング(MR)では、小動物のトランスへの侵入や、性能向上に向けた新しい電源の使用開始に伴うノイズによる不具合などがあり、NU向けで約77%、ハドロン向けで約84%の稼働率であった。本発表では、こうしたJ-PARC加速器の運転状況について報告する。

論文

Beam-based compensation of extracted-beam displacement caused by field ringing of pulsed kicker magnets in the 3 GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

原田 寛之; Saha, P. K.; 田村 文彦; 明午 伸一郎; 發知 英明; 林 直樹; 金正 倫計; 長谷川 和男

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(9), p.093G01_1 - 093G01_16, 2017/09

AA2017-0286.pdf:4.64MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:15.72(Physics, Multidisciplinary)

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、設計出力1MWの大強度陽子加速器である。このRCSで3GeVまで加速された陽子ビームは、リング内の8台のパルスキッカー電磁石で取り出しラインへ導き、物質生命科学実験施設や後段の加速器へ供給されている。しかしながら、この電磁石の電磁回路的なリンギングにより時間的な磁場変調を生じており、取り出しビームが大きく変動していた。この変動は、中性子源標的の故障リスクの増大や後段加速器のビーム損失の増大を生じ、大きな課題である。特別な短パルスビームと各電磁石のタイミングスキャンを行い、取り出しビームの位置変動を測定することで、この磁場変調を実測し把握した。それを用いて各電磁石の磁場変調を抑制する最適なタイミングを求め、適用することで装置の改造を行うことなく要求以上の精度のビーム取り出しを実現した。さらにタイミングのずれを自動で測定し補正するシステムを導入し、安定化も実現した。この論文では、手法や成果を報告する。

論文

Beam dynamics design of the muon linac high-beta section

近藤 恭弘; 長谷川 和男; 大谷 将士*; 三部 勉*; 吉田 光宏*; 北村 遼*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2304 - 2307, 2017/06

J-PARCにおいて、新たなg-2実験のためのミューオンリニアックを開発中である。J-PARC MLFのミューオンビームライン(H-line)からのミューオンビームはエアロジェルターゲット中で室温のミューオニウムを生成する。このミューオニウムをレーザー電離した超低速ミューオン(USM)をミューオンリニアックによって212MeVまで加速する。40MeV以降の加速構造には、円盤装荷型進行波加速管を用いる。このエネルギーの$$beta$$は0.7であり、電子リニアックと同様の技術を利用できる。しかしながら、ミューオンではセル長がエネルギーの増加によって長くなっていくので、これに同調した設計が必要となる。本論文では、このミューオン加速用の加速構造のビーム力学設計について述べる。

論文

Crossbar H-mode drift-tube linac design with alternative phase focusing for muon linac

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 長谷川 和男; 近藤 恭弘; 北村 遼*; Kurennoy, S.*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2868 - 2870, 2017/06

J-PARCにおけるミューオン異常磁気モーメント及び電気双極子モーメント測定実験のための、交代位相収束(APF)を用いた交差棒型Hモードドリフトチューブリニアック(CH-DTL)の設計を行った。IH-DTLはミューオンを光速の0.08倍から0.28倍まで加速し、共振周波数は324MHzである。LINACSapfコードを用いてAPFのビーム力学設計を行い、空洞設計はCST micro wave studioを用いた。本論文では、このCH-DTLの設計に関して述べる。

論文

First trial of the muon acceleration for J-PARC muon g-2/EDM experiment

北村 遼*; 大谷 将士*; 深尾 祥紀*; 河村 成肇*; 三部 勉*; 三宅 康博*; 下村 浩一郎*; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; Bae, S.*; et al.

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2311 - 2313, 2017/06

J-PARCにおいて、新しいミューオンg-2実験が計画されている。この実験では、超低温ミューオンを生成し、線形加速器によって再加速する。このミューオンリニアックの初段の加速構造として、RFQが用いられる。初期の加速試験において、J-PARCリニアックの予備機として製作されたRFQ(RFQ II)を用いる予定である。この論文では、初期の加速試験に用いる、アルミニウムのデグレーダを用いた低速ミューオン源の開発状況、また、このミューオン源を用いたミューオン加速のシミュレーション研究について述べる。

論文

Performance and status of the J-PARC accelerators

長谷川 和男; 林 直樹; 小栗 英知; 山本 風海; 金正 倫計; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 小関 忠*; 山本 昇*; 堀 洋一郎*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2290 - 2293, 2017/06

J-PARC加速器は400MeVリニアック、3GeVシンクロトロン(RCS)、30GeVメインリングシンクロトロン(MR)から構成される。リニアックでは入射部の交換やエネルギーの増強、シンクロトロンでは真空の向上やコリメータの能力増強など、多くのハードウェアの性能向上を行ってきた。MRからニュートリノ実験やハドロン実験向けのビーム出力は、加速器調整やビームロス低減によって着実に向上してきた。RCSからは設計値である1MW相当のビーム加速に成功し、中性子やミュオン向けには500kWで利用運転に提供した。一方で、多くの故障や不具合もあり、これらを解決して高い稼働率を目指している。ここでは、こうしたJ-PARC加速器の性能や状況について報告する。

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