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論文

Constitutive modeling for compacted bentonite buffer materials as unsaturated and saturated porous media

高山 裕介; 橘 伸也*; 飯塚 敦*; 河井 克之*; 小林 一三*

Soils and Foundations, 57(1), p.80 - 91, 2017/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:47.55(Engineering, Geological)

ベントナイトは著しい膨潤特性と難透水性を有する材料であり、放射性廃棄物の処分施設において緩衝材としての利用が想定されている。処分施設の長期にわたる力学挙動を評価するには、ベントナイトの力学挙動を表現できる構成モデルの開発が必要である。本研究では、ベントナイトを、「飽和の程度により力学特性が変化していく材料」と捉え、不飽和ベントナイトの弾塑性構成モデルを提案した。本提案モデルでは、膨潤指数および負のダイレイタンシーの表現式を飽和度の関数として表現し、さまざまなベントナイト材料に適用できるようにモンモリロナイト含有率を入力パラメータとして用いている。さらに、提案モデルにより膨潤圧試験と膨潤量試験のシミュレーションを実施した結果、ベントナイトの力学挙動を再現できることが確認された。

論文

J-PARCリニアックにおける中間パルス形状に対応したビーム負荷補償試験

二ツ川 健太*; 小林 鉄也*; 佐藤 福克; 篠崎 信一; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 溝端 仁志; 道園 真一郎*

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.327 - 331, 2016/11

J-PARCリニアックは、RFQ下流のビーム輸送路(MEBT1)に設置されているRFチョッパ空洞で不必要なビームを蹴ることにより、中間パルスと呼ばれる櫛形構造のビームを生成している。RFQ下流の空洞では中間パルス形状を持つビームが通過すると、必然的にこのビーム形状の負荷がある。現在までは、ビーム電流を設計値で運転していないこともあり、中間パルス形状に対応した負荷補償ではなく、平均的なビーム電流を仮定した矩形の負荷補償を行ってきた。しかし、ビーム電流の増加でビーム負荷が大きくなるに伴い、RFの要求精度を満たすことが難しくなってきた。そこで、中間パルス形状に対応したビーム負荷補償の試験を実施した。Q値が高いSDTL及びDTLに対する中間パルス形状に対応したビーム負荷補償システムは、良好な結果を得られた。一方で、972MHzのACSに対するビーム負荷補償システムは隣接するモードを励振してしまうということが明らかになり、システムの改良が求められる。

論文

J-PARCリニアックのRFチョッパの位相反転制御システムの開発

二ツ川 健太*; 小林 鉄也*; 佐藤 文明; 篠崎 信一; 千代 悦司; 平野 耕一郎; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 堀 利彦; 道園 真一郎*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1317 - 1320, 2015/09

J-PARCリニアックでは、RFQ下流のビーム輸送路(MEBT1)に設置されているRFチョッパ空洞で不必要なビームを蹴ることにより、中間パルスと呼ばれる櫛形構造のビームを生成している。蹴り出されたビームは、RFチョッパ空洞の約70cm下流に設置されているスクレーパに導かれる。このスクレーパは、ビーム電流を50mAに増強したとき熱負荷が増大して、利用運転に耐えないことが予想された。そこで、スクレーパ2式をビームライン上に鏡対象に用意して、1式あたりの熱負荷の低減することにした。そのためには、チョッパの位相を180度反転させて各スクレーパにビームを正確に導く必要があった。位相反転はLLRFシステムで実施され、25Hzのマクロパルス毎と1.227MHzの中間パルス毎に変更する方法を用意した。本件は、RFチョッパ空洞の位相反転制御システムを紹介するとともに、ビームを用いた試験結果を報告する。

論文

J-PARCリニアック制御信号分配システムの改修

二ツ川 健太*; 伊藤 雄一; 菊澤 信宏; 小林 鉄也*; 佐藤 文明; 篠崎 信一; 鈴木 隆洋*; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 道園 真一郎*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1126 - 1129, 2014/06

J-PARC加速器全体のタイミングシステムとして、12MHzクロック, 50Hzトリガ, タイプコードと呼ばれる制御ワード信号の3種類の信号が使用されている。それらの信号は、中央制御室で生成され、光信号で各加速器施設に分配される。リニアックでも、地上部のクライストロンギャラリの上流部で各信号を受け取り、そこで分岐され、各ステーションに分配される。ただし、ここでの分岐・分配システムは、光信号をO/Eモジュールで受信して電気信号に変換し、FANOUTモジュールを使用して電気的に分岐、それの信号をE/Oモジュールで再度光信号に変換して各ステーションに分配するという非効率的な構成となっていた。ここでは、多大なモジュール数を必要としたために度々の故障事例があり、隣には温度に敏感なLLRFのラックが納入されていたこともあり排熱などが問題になった。そこで、2013年の夏季シャットダウン中に光アンプと光カプラを使用したシステムを導入する予定である。この導入によりシンプルなシステム構成となり、トラブル数を低減できると期待できる。

論文

敷設ケーブルの高周波電力損失の高精度測定

二ツ川 健太*; 穴見 昌三*; 小林 鉄也*; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 道園 真一郎*; 佐藤 文明; 篠崎 信一

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.765 - 768, 2013/08

ほぼすべての加速器施設で、加速空洞内の電場や大電力高周波の伝送系、またビームの状態などのモニタ用として、高周波ケーブルを使用している。これらの敷設されたケーブルにおいては、運転前に高周波特性を把握しておくことが、必要不可欠である。一般的には、ケーブル内での高周波電力損失は、ネットワークアナライザを使用して、透過電力$$S$$$$_{21}$$を測定する手法で求められる。放射線防護の観点から、空洞がある加速器トンネルとその制御システムは、離れた場所に設置される。この場合は、この間に敷設されたケーブルの透過電力を測定するためには、この間を渡って校正されたケーブルが必要になり容易ではない。そこで、ケーブル内での高周波電力損失の測定手法として、反射を利用する方法を紹介する。この手法では、ケーブル末端での反射波の位相を回転させることによって、ケーブルの途中での反射と末端での反射を区別する。この測定は、従来のパワーメータと信号発振器を用いた方法より、容易であり、かつ高精度である。また、高周波電力損失という基礎情報の測定であるとともに、どの加速器でも使用する機器・道具しか使用していないため、応用範囲が広いと考えている。J-PARCリニアックに新しく敷設するACS用ケーブルの測定でもこの手法を採用する予定である。

論文

J-PARCリニアックLLRFの東日本大地震からの再スタート

二ツ川 健太*; 穴見 昌三*; 小林 鉄也*; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 道園 真一郎*; 川村 真人*; 佐藤 文明; 篠崎 信一; 千代 悦司; et al.

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.769 - 773, 2013/08

2011年3月11日に発生した東日本大地震によって、J-PARCリニアックは、建屋,ユーティリティー設備,装置等に甚大な被害が生じた。高周波(RF)制御システムも立体回路の変形に伴い、2つの加速空洞に伝送しているRFの位相差を測定し、再調整を行った。また、各基準信号の伝送,制御機器,増幅機器の動作チェックを行い、2011年の末にビーム試験を迎えることができた。しかし、SDTL05の空洞が、震災で大気に晒されて空洞内の状態が悪化したこともあり、運転で使用するパワー領域で高周波が不安定になり、この領域での使用が困難になった。現在は、設計値より、高いパワー領域で運転している。その際に、高周波の波形を解析した結果、SDTL06にも相似た現象が確認できるが、SDTL07を境に大きく傾向が異なることがわかった。その結果、自由発振のときの波形から共振周波数を算出して、制御している自動チューナの設定値を最適化した。また、平成24年度に高圧のトラブルがあり、タイミングの関係でマクロパルスの途中でサグの傾きが変わるような設定になったが、現在はフィードバック制御により、空洞内の電場は一定に保たれている。本発表では、震災の復旧作業から夏季シャットダウンまでの運転対応について報告する。

論文

Development of LLRF control software for the J-PARC 400 MeV Linac

Fang, Z.*; 道園 真一郎*; 穴見 昌三*; 山口 誠哉*; 内藤 富士雄*; 福井 佑治*; 小林 鉄也; 鈴木 浩幸; 千代 悦司; 篠崎 信一

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.1068 - 1070, 2010/08

J-PARCリニアックはあと2年のうちに181MeV加速から400MeV加速へと増強される。本リニアックの低電力高周波(LLRF)制御システム(FPGAを用いたデジタル制御)において、400MeV加速に向けて、新しく多くの機能をLLRF制御システムに追加した。例えば、(1)324MHz(181MeV加速)と972MHz($$sim$$400MeV加速)の両方の周波数に対応,(2)パルス先頭におけるフィードバックゲインの緩やかな立ち上げ,(3)チョップドビーム負荷補償の追加,(4)ビーム供給先変更によるビーム負荷補償のパルスごとの切り替え,(5)空洞立ち上げにおける入力RF周波数の自動チューニング,(6)空洞チューナー制御における離調度取得方法の改善(入出力位相差測定をパルス減衰波形による測定に変更)などである。

論文

LLRF controller upgrade for the J-PARC 400 MeV linac

Fang, Z.*; 道園 真一郎*; 穴見 昌三*; 山口 誠哉*; 内藤 富士雄*; 福井 佑治*; 川村 真人*; 久保田 親*; 南茂 今朝雄*; 小林 鉄也; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.1434 - 1436, 2010/05

J-PARCリニアックはあと2年のうちに181MeV加速から400MeV加速へと増強される。本リニアックの低電力高周波(LLRF)制御システム(FPGAを用いたデジタル制御)において、400MeV加速に向けて機能向上を図ったので、それら新機能について報告する。本機能は、これまでの181MeV加速用(324MHz-RFシステム)と400MeV加速用(972MHz-RFシステム)の両方において動作する。今回、新しく多くの機能をLLRF制御システムに追加した。例えば、(1)324MHzと972MHzの両方の周波数に対応,(2)パルス先頭におけるフィードバックゲインの緩やかな立ち上げ,(3)チョップドビーム負荷補償の追加,(4)ビーム供給先変更によるビーム負荷補償のパルスごとの切り替え,(5)空洞立ち上げにおける入力RF周波数の自動チューニング,(6)空洞チューナー制御における離調度取得方法の改善(入出力位相差測定をパルス減衰波形による測定に変更)、などである。

論文

Recent progress in the energy recovery linac project in Japan

坂中 章悟*; 明本 光生*; 青戸 智浩*; 荒川 大*; 浅岡 聖二*; 榎本 収志*; 福田 茂樹*; 古川 和朗*; 古屋 貴章*; 芳賀 開一*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.2338 - 2340, 2010/05

日本においてERL型放射光源を共同研究チームで提案している。電子銃,超伝導加速空洞などの要素技術開発を進めている。また、ERL技術の実証のためのコンパクトERLの建設も進めている。これら日本におけるERL技術開発の現状について報告する。

論文

J-PARCリニアックのデジタルLLRF制御における空洞起ち上げのための入力周波数変調制御

小林 鉄也; 穴見 昌三*; 道園 真一郎*; Fang, Z.*; 鈴木 浩幸; 山口 誠哉*

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.1065 - 1067, 2010/03

J-PARCリニアックの低電力高周波制御では、空洞に電力を入れ始める際に、空洞チューナー共振周波数の自動制御を行っている。このチューナー制御に代わって新たに、空洞入力の周波数を離調度に合わせて変調させる方式をデジタルFB制御システムに導入する。その方法として、出力制御するIQ変調器で位相を回転させることで周波数変調を行う。離調度は、RFパルス後の空洞減衰時(自由振動)の位相変化を測定することで求められ、それにより、FPGAでIQ変調器の位相回転を自動制御する。この方式の導入においてはハードウェアの変更を全く必要とせず、チューナー製造におけるコストダウンもしくは耐久性の向上が期待される。

論文

J-PARCリニアック972MHz高周波デジタルフィードバック制御システム

小林 鉄也; 道園 真一郎*; Fang, Z.*; 松本 利広*; 鈴木 浩幸; 山口 誠哉*; 岡田 喜仁*

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.1068 - 1070, 2010/03

J-PARCリニアックでは972MHzのRFシステムによる400MeVエネルギーへの増強計画が進められている。その加速電界の安定性は振幅,位相それぞれ$$pm$$1%, $$pm$$1度以内が要求されている。デジタルFBの基本コンセプトは現在の324MHzのシステムと同じでコンパクトPCI筐体を用いる。大きな違いは、RF信号/クロック信号発生器(RF&CLKボード),ミキサー及びIQ変調器(IQ&Mixerボード)、そしてデジタル制御のアルゴリズムである。現在の324MHzの空洞に比べ、高い周波数により減衰時間が速くなるため、チョップドビーム負荷補償が大きな開発要素の一つである。この報告では972MHzデジタルフィードバックシステムの特徴や性能について、模擬空洞を用いた評価結果をまとめた。

論文

Automatic frequency matching for cavity warming-up in J-PARC linac digital LLRF control

小林 鉄也; 鈴木 浩幸; 穴見 昌三*; 山口 誠哉*; 道園 真一郎*; Fang, Z.*

Proceedings of 2009 Particle Accelerator Conference (PAC '09) (DVD-ROM), p.2213 - 2215, 2009/05

J-PARCリニアックの低電力高周波制御では、空洞に電力を入れ始める際に、空洞チューナー(共振周波数)の自動制御を行っている。このチューナー制御に代わって新たに、空洞入力の周波数を離調度に合わせて変調させる方式をデジタルLLRF制御システムに導入する。その方法として、出力制御するIQ変調器で位相を回転させることで周波数変調を行う。離調度は、RFパルス後の空洞減衰時(自由振動時)の位相変化を測定することで求められ、それにより、FPGAとDSPでI/Q変調器の位相回転を自動制御する。この方式の導入においてはハードウェアの変更を全く必要とせず、チューナー製造におけるコストダウンもしくは耐久性の向上が期待される。

論文

Digital feedback control for 972 MHz RF system of J-PARC linac

道園 真一郎*; Fang, Z.*; 松本 利広*; 山口 誠哉*; 小林 鉄也; 岡田 喜仁*

Proceedings of 2009 Particle Accelerator Conference (PAC '09) (DVD-ROM), p.2201 - 2203, 2009/05

J-PARCリニアックでは972MHzのRFシステムによる400MeVエネルギーへの増強の計画が進められている。その加速電界の安定性は振幅,位相それぞれ$$pm$$1%, $$pm$$1度以内が要求されている。デジタルLLRFの基本コンセプトは現在の324MHzのシステムと同じでコンパクトPCI筐体を用いる。大きな違いは、RF信号/クロック信号発生器(RF&CLKボード),ミキサー及びIQ変調器(IQ&mixerボード)、そしてデジタル制御のアルゴリズムである。現在の324MHzの空洞に比べ、高い周波数により減衰時間が速くなるため、チョップドビーム負荷補償が大きな開発要素の一つである。この報告では972MHzデジタルフィードバックシステムの特徴や性能について、模擬空洞を用いた評価結果をまとめた。

論文

Pulse-by-pulse switching of beam loading compensation in J-PARC linac RF control

小林 鉄也; 千代 悦司; 鈴木 浩幸; 穴見 昌三*; Fang, Z.*; 道園 真一郎*; 山口 誠哉*

Proceedings of 24th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2008) (CD-ROM), p.1054 - 1056, 2009/00

J-PARCリニアックのLLRFでは、ビーム負荷補償のためのフィードフォーワード(FF)制御パラメータをパルスごとに(繰り返し25Hz又は50Hz)で切り替わる機能を新たに追加した。本システムでは加速電界制御のためFPGAを用いたデジタルフィードバック(FB)制御を行い、またビームローディングに対してはマクロビームパルス立ち上がりはFB制御だけでは追いつかないためFF制御を組合せている。ここでFF制御の位相・振幅はビーム電流に対して最適に設定することが重要である。一方J-PARCでは、リニアック後段の3GeVリングが「物質・生命科学実験施設」及び50GeVリングのどちらにビームを振り分けるかによって、リニアックのビーム電流(正確には中間パルスのデューティ)が変わるため、それぞれのビームの振り分けごとにFFの位相・振幅が切り替わる必要がある。そこでJ-PARCのタイミングシステムを利用し、別途入力するゲート幅に対応したプリセット値で切り換わる仕組みをFPGAプログラムに追加した。

論文

LLRF control system of the J-PARC linac

Fang, Z.*; 穴見 昌三*; 道園 真一郎*; 山口 誠哉*; 小林 鉄也; 鈴木 浩幸

Proceedings of 24th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2008) (CD-ROM), p.1039 - 1041, 2009/00

J-PARCリニアックでは、1つのクライストロンで2台の加速空洞に電力を供給する。加速電界の振幅,位相はFPGAを用いたデジタルフィードバック制御システムによりコントロールされる。ビームローディンなしで振幅,位相それぞれ$$pm$$0.1% and $$pm$$0.1度の安定性で、またビームローディングがあっても、それぞれ$$pm$$0.3% and $$pm$$0.2度の安定性を達成している。また空洞共振周波数(チューナ)も本システムのDSPによって自動制御され、離調度$$pm$$1度以内で正常に制御されている。またRFパルス波形の減衰から、空洞離調度及びQ値を計算し、運転中リアルタイムでそれらをPLC制御パネルに表示できるようにした。

論文

デジタル低電力高周波系の開発

道園 真一郎*; 穴見 昌三*; 片桐 広明*; Fang, Z.*; 松本 利広*; 三浦 孝子*; 矢野 喜治*; 山口 誠哉*; 小林 鉄也

加速器, 5(2), p.127 - 136, 2008/07

低電力高周波(LLRF)制御をデジタルで処理する最大の利点の1つとして、その柔軟性があげられる。ここ10年くらいで加速器のLLRFシステムにデジタル処理系が加わってきたのは、携帯電話等のデジタル通信,医療系やコンピュータ用の高速処理技術の急速な発展の恩恵を受けているものである。J-PARCリニアックのLLRFシステムではcPCIクレートとFPGAによるデジタルフィードバックシステムを採用し、その運転に成功した。その成果をもとにSTF(ILC建設に向けたKEKの試験加速器施設)におけるLLRFの開発を進めている。本解説では、これまで著者が開発に携わったJ-PARCリニアック及びSTFのデジタルLLRF系を紹介し、今後のデジタル系が適用される将来計画(ILCやERL)についても述べる。

論文

Progress in R&D efforts on the energy recovery linac in Japan

坂中 章悟*; 吾郷 智紀*; 榎本 収志*; 福田 茂樹*; 古川 和朗*; 古屋 貴章*; 芳賀 開一*; 原田 健太郎*; 平松 成範*; 本田 融*; et al.

Proceedings of 11th European Particle Accelerator Conference (EPAC '08) (CD-ROM), p.205 - 207, 2008/06

コヒーレントX線,フェムト秒X線の発生が可能な次世代放射光源としてエネルギー回収型リニアック(ERL)が提案されており、その実現に向けた要素技術の研究開発が日本国内の複数研究機関の協力のもと進められている。本稿では、ERL放射光源の研究開発の現状を報告する。

論文

RF reference distribution system for J-PARC linac

小林 鉄也; 千代 悦司; 穴見 昌三*; 山口 誠哉*; 道園 真一郎*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 585(1-2), p.12 - 19, 2008/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:22.38(Instruments & Instrumentation)

J-PARCリニアックの高周波電界には振幅・位相それぞれ1%, 1$$^{circ}$$以内という厳しい安定性が要求される。そのためさらに安定性の高い高周波基準信号が必要で、J-PARCリニアックのため新たに高安定でユニークな高周波基準信号分配システムが開発・敷設された。本システムでは基準信号を光信号に変換して、それを増幅,分岐し約60か所あるクライストロン駆動システムへ送信する。光伝送線には位相安定化光ファイバーを用いた。安定性を評価した結果、要求を十分満たす$$pm$$0.2$$^{circ}$$の安定性が得られた。2007年2月には初期段階である181MeVビーム加速に成功し、現在も安定なビーム加速が行われ、順調にビームコミッショニングが進められている。

論文

J-PARCリニアックLLRFにおけるビーム負荷補償のパルス間切換

小林 鉄也; 穴見 昌三*; 道園 真一郎*; Fang, Z.*; 鈴木 浩幸; 山口 誠哉*; 千代 悦司

Proceedings of 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (CD-ROM), p.488 - 490, 2008/00

J-PARCリニアックのLLRFでは、ビーム負荷補償のためのフィードフォーワード(FF)制御パラメータをパルスごとに(繰り返し25Hz又は50Hzで)切り替わる機能を新たに追加した。本システムでは加速電界制御のためFPGAを用いたデジタルフィードバック(FB)制御を行い、またビームローディングに対してはマクロビームパルス立ち上がり/立ち下がりはFB制御だけでは追いつかないためFF制御を組合せている。その結果、ピーク電流30mAのビーム加速において、位相,振幅それぞれ(要求$$pm$$1度/$$pm$$1%以内に対し)$$pm$$0.2度,$$pm$$0.2%の安定性を達成している。ここでFF制御の位相・振幅はビーム電流に対して最適に設定することが重要である。一方J-PARCでは、リニアック後段の3GeVリングが「物質・生命科学実験施設」及び50GeVリングのどちらにビームを振り分けるかによって、リニアックのビーム電流(正確には中間パルスのデューティ)が変わるため、それぞれのビームの振り分けごとにFFの位相・振幅が切り替わる必要がある。そこでJ-PARCのタイミングシステムを利用し、別途入力するゲート幅に対応したプリセット値で切り換わる仕組みをFPGAプログラムに追加した。

論文

Auto-tuning and Q-value monitoring of RF cavities at the J-PARC linac

Fang, Z.*; 穴見 昌三*; 道園 真一郎*; 山口 誠哉*; 小林 鉄也; 鈴木 浩幸

Proceedings of 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (CD-ROM), p.476 - 478, 2008/00

J-PARCリニアックでは、1つのクライストロンで2台の加速空洞に電力を供給する。加速電界の振幅,位相はFPGAを用いたデジタルFB制御システムによりコントロールされる。また空洞共振周波数も本システムのDSPによって自動制御される。本論文では、空洞共振点の決め方として3つの方法について議論する。最終的には空洞電力の減衰時に位相が変化しない点を共振がとれた状態と決めることにした。またRFパルス波形の減衰から、空洞離調度及びQ値を計算し、運転中リアルタイムでそれらをPLC制御パネルに表示できるようにした。

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