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論文

Reduction of the kicker impedance maintaining the performance of present kicker magnet at RCS in J-PARC

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

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。

論文

A New pulse magnet for the RCS injection shift bump magnet at J-PARC

高柳 智弘; 山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 金正 倫計; 入江 吉郎*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 28(3), p.4100505_1 - 4100505_5, 2018/04

The 3-GeV Rapid-Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex has demonstrated a high power beam equivalent to 1 MW. Therefore, in order to realize more stable operation, we are considering an upgrade plan. Regarding the radiation protection at the upgrade plan, a new injection system has been proposed to secure enough space for radiation shielding and maintenance work. For this purpose, it is necessary to integrate the splitted iron cores of the injection shift bump magnet into one core, the length of which is shorter than the total length of the splitted iron cores. The number of coil turns for the new one core magnet is then increased from 2 to 4. The structural design of the new shift bump magnet excited at 25 Hz repetition rate is in progress from view point of eddy current losses at the magnet edge and the coil temperature by using the OPERA-3D. This paper details these aspects and outlines the new power supply briefly.

論文

レーザー荷電変換入射実現に向けた高出力レーザー蓄積リング

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。

論文

Status of proof-of-principle experiment for 400 MeV H$$^{-}$$ stripping to protons by using only lasers in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, 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.

論文

Theoretical elucidation of space charge effects on the coupled-bunch instability at the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01

AA2016-0375.pdf:3.07MB

 被引用回数:5 パーセンタイル:26.6(Physics, Multidisciplinary)

大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。

論文

新しいJ-PARC RCS入射水平シフトバンプ電磁石用パルス電源の開発

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜; 飛田 教光; 林 直樹; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 岡部 晃大; 谷 教夫; 内藤 伸吾*; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1169 - 1174, 2015/09

J-PARC 3GeV RCSのビーム入射システムにおける水平シフトバンプ電磁石用の新しい電源を開発し製作した。新しい電源は、LINACの入射ビームエネルギーが181MeVから400MeVへとアップグレードをするのに合わせ、現在の2倍以上の電源容量が必要になる。さらに、電磁石のセラミックダクトを覆うRFシールドのループコイルのインダクタンスと励磁場の共振によるビームロスを防ぐために、電流リップルノイズの低減が要求される。そこで、新しい電源の主回路方式に、これまでのIGBTの半導体スイッチを利用したチョッパ方式から、コンデンサの充放電を利用した転流方式を新たに採用することにした。コンデンサ転流方式は、台形波形(バンプ波形)を出力する際に常時スイッチングを行うチョッパ方式と異なり、原理的にはバンプ波形の分岐点での3回のスイッチ操作で形成が可能である。出力試験の結果、スイッチングに起因するリプル電流の発生が大幅に低減されたことを確認した。さらに、バンプ電磁石に起因するビームロスが低減し、RCSの所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。本論文では、転流方式を採用した新シフトバンプ電源の特性について述べる。

論文

Preliminary studies of laser-assisted H$$^{-}$$ stripping at 400 MeV

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 丸田 朋史*; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 入江 吉郎*; Gorlov, T.*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.3795 - 3797, 2015/06

Laser-assisted H$$^{-}$$ stripping at the RCS injection energy of 400 MeV is studied. RCS has a capability to achieve further more than the design beam power of 1 MW but lifetime of the stripper foil may be one of the most concerning issue for operation. The present work has been done in the same framework as in the ongoing project for 1 GeV beam at the Spallation neutron Source (SNS) in Oak Ridge and it gives a set of optimum parameters in order to carry out a proof-of-principle (POP) experiment first at 400 MeV. The simulated transverse and longitudinal beam parameters can be adjusted to fit with laser pulse but a laser of 1 MW peak power with wavelength of around 230 nm is required in order to obtain a stripping efficiency of about 95%. A high power laser system is thus a real challenge at this stage.

論文

New injection bump power supply of the J-PARC RCS

高柳 智弘; 林 直樹; 植野 智晶*; 堀野 光喜; 岡部 晃大; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.2908 - 2910, 2015/06

J-PARC 3GeV RCSのビーム入射システムにおけるシフトバンプ電磁石用の新しい電源を開発し製作した。新しい電源は、LINACの入射ビームエネルギーが181MeVから400MeVへとアップグレードをするのに合わせ、現在の2倍以上の電源容量が必要になる。さらに、電磁石のセラミックダクトを覆うRFシールドのループコイルのインダクタンスと励磁場の共振によるビームロスを防ぐために、電流リップルノイズの低減が要求される。そこで、新しい電源の主回路方式に、これまでのIGBTの半導体スイッチを利用したチョッパ方式から、コンデンサの充放電を利用した転流方式を新たに採用することにした。コンデンサ転流方式は、台形波形(バンプ波形)を出力する際に、常時スイッチングを行うチョッパ方式と異なり、原理的にはバンプ波形の分岐点での3回のスイッチ操作で形成が可能である。出力試験の結果、スイッチングに起因するリプル電流の発生が大幅に低減されたことを確認した。さらに、バンプ電磁石に起因するビームロスが低減し、RCSの所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。本論文では、転流方式を採用した新シフトバンプ電源の特性について述べる。

論文

The Kicker impedance and its effect on the RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 外山 毅*; 山本 昌亘; Chin, Y. H.*; 入江 吉郎*

Proceedings of 54th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High Brightness and High Power Hadron Beams (HB 2014) (Internet), p.369 - 373, 2015/03

Measurements demonstrate that the kicker impedance dominates along the RCS. Based on a newly developed theory, the impedance is measured by observing the beam-induced voltages at the ends of power cable of the kicker. Toward one mega-watt goal, it is essential to take advantage of tune manipulations and the space charge damping effect. We propose the reduction scheme of the kicker impedance by attaching the resistors combined with four diodes in parallel at the ends of the kicker cables, to pursue the ultimate goal at the RCS.

論文

J-PARC RCS新水平シフトバンプ電源の温度問題の報告

堀野 光喜; 高柳 智弘; 植野 智晶; 林 直樹; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1143 - 1147, 2014/10

J-PARC RCSでは、LINACの400MeVビームエネギーへのアップグレードに合わせて、電源容量を倍増した新水平シフトバンプ電源を開発した。2013年11月に製作及び工場試験が終了し、2014年1月から、予定通りJ-PARC RCSのビーム試験を開始した。しかし、台形型の出力電流波形(バンプ波形)のフラット部分を形成するFTユニット回路の充電器の故障が頻発した。そのため、現在のユーザー利用運転では、FTユニットを使用せず、立上がり部分を形成する上下ユニットのみで運用している。そして、この影響により、上下ユニットで見込んでいた回生量が減少することになり、上下ユニット回路の充電器の運転稼働時間が増えて負担が増加した。その結果、工場試験では発生しなかった上下ユニット回路の充電器が高温となる温度異常の問題が発生した。本報告では、新水平シフトバンプ電源の現状と温度問題が発生した原因とその対策方法について報告する。

論文

J-PARC RCS入射バンプ用新水平シフトバンプ電源の開発と現状

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; 入江 吉郎*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1139 - 1142, 2014/10

J-PARCの3-GeV RCSでは、アップグレードしたLINACからの400-MeV加速ビームをRCSに入射するため、電源容量を倍増した新水平シフトバンプ電源を開発し製作した。新水平シフトバンプ電源は、主回路に大容量電解コンデンサーを使用し、IGBTスイッチの切り替え操作による充放電によって台形型の出力電流波形(バンプ波形)を形成する転流方式を採用した。新水平シフトバンプ電源は、J-PARC RCSで2014年1月に試験運転を開始した。しかし、バンプ波形のフラットトップ部分を形成するFTユニット用充電器のダイオードに故障が頻発したため、2014年2月からのユーザー利用運転では、FTユニットを使用せず運用を開始した。FTユニットを使用しない場合、バンプ波形のフラットトップ部分は右肩下がりになるため、水平ペイントバンプ電磁石と可変偏向電磁石を使用して、RCSへの入射と周回ビームの軌道を固定するように補正した。本報告では、新シフトバンプ電源の特性、FTユニット充電器の故障内容及びユーザー利用運転対応への現状を報告する。

論文

Beam commissioning of two horizontal pulse steering magnets for changing injection painting area from MLF to MR in the 3-GeV RCS of J-PARC

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.

論文

Progress of injection energy upgrade project for J-PARC RCS

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。

論文

Power supply of the pulse steering magnet for changing the painting area between the MLF and the MR at J-PARC 3 GeV RCS

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$$pm$$0.2%の偏差を、直流電源は、$$pm$$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。

論文

High intensity beam trial of up to 540 kW in J-PARC RCS

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; 吉本 政弘; et al.

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.3836 - 3838, 2014/07

2012年11月、J-PARC RCSにおいて、540kW相当の大強度加速試験を実施した。RCSでは、入射エネルギー領域の空間電荷効果を緩和するためにペイント入射法を採用しているが、このペイント入射法により、540kW相当のビーム運転時に発生した30%という大きなビーム損失を2%(許容限界値の1/6以下)まで低減させることに成功した。また、残った2%のビーム損失についても、対応するビームシミュレーションを実施してその起源を明らかにすることができた。

論文

Comparison of the pulsed power supply systems using the PFN switching capacitor method and the IGBT chopping method for the J-PARC 3-GeV RCS injection system

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:3 パーセンタイル:68.24(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。

論文

Design and preliminary performance of the new injection shift bump power supply at the J-PARC 3-GeV RCS

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:5 パーセンタイル:55.09(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。

論文

Beam emittance control by changing injection painting area in a pulse-to-pulse mode in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex

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:3 パーセンタイル:65.06(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.

論文

Measurement scheme of kicker impedances via beam-induced voltages of coaxial cables

菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 外山 毅*; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 713, p.52 - 70, 2013/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:53.77(Instruments & Instrumentation)

A new theory, which satisfies the causality condition, is developed to describe impedances of kicker magnets with coaxial cables. The theoretical results well describe measurement results, which are obtained by standard wire methods. On the other hand, when beams pass through the kicker, voltages are induced at the terminals of coaxial cables. In other words, by analyzing the voltages, the kicker impedance for the beams can be obtained. The observed impedances are consistent with the theoretical results. The theory describes the impedance for non-relativistic beams, as well. The theoretical, simulation and measurement results indicate that the horizontal kicker impedance is drastically reduced by the non-relativistic effect.

論文

A Trial to reduce the kicker impedance of 3-GeV RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 林 直樹; 高柳 智弘; 外山 毅*; 入江 吉郎*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.1742 - 1744, 2013/05

At the 3 GeV RCS in J-PARC, the kicker impedance has been theoretically considered to be the most dominant source to cause beam instabilities. Recently, experimental studies have demonstrated that reducing the kicker impedance can stabilize beams. In this report, the present status of a trial to reduce the kicker impedance is reported.

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