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論文

High-speed emittance measurements for beams extracted from J-PARC RF ion source

柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 和田 元*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*

AIP Conference Proceedings 2373, p.050002_1 - 050002_9, 2021/08

J-PARCの2MHz高周波イオン源から引き出された負水素イオンビームのエミッタンスやTwissパラメータの振動を、RFQ入口の位置に設置した二重スリット型のエミッタンスモニターを用いて測定した。このエミッタンスモニターには、新たに開発した毎秒60メガサンプルのデータ取得系を備えており、数MHzのビーム振動ならば十分な時間分解能で測定することができる。本測定から、ビームの位相空間は(1)ビームコア部分に存在するDC成分、(2)ビームコア部分とハロー部分の両方で存在する2MHz成分、(3)ビームハロー部分でわずかに存在する2倍高調波(4MHz)成分の3つの成分で構成されていることが分かった。主成分は2MHz成分であり、これはビームエミッタンスの振動周波数を決めている。今回の実験で得られたビームエミッタンスは0.34$$pi$$ mm-mradのDC成分に、約0.04$$pi$$ mm-mradの2MHz振動成分の振幅が重畳していることが分かった。この結果は、イオン源から引き出されたビームが、2mほどの磁場集束系を通過しても約10%の高周波振動成分を持っていることを示している。

論文

NIBS 2020 reference sheets

Sarmento, T.*; W$"u$nderlich, D.*; Fantz, U.*; Friedl, R.*; Rauner, D.*; 津守 克嘉*; Shenjin, L.*; Chen, W.*; Bollinger, D.*; 小栗 英知; et al.

AIP Conference Proceedings 2373, p.110001_1 - 110001_18, 2021/08

NIBS 2020に参加した世界中の研究機関の負水素イオン源の状況及びそれらを用いた核融合及び加速器研究施設の情報をまとめた。

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

Phase space formation of high intensity 60 and 80 mA H$$^-$$ beam with orifice in J-PARC front-end

柴田 崇統*; 池上 清*; 南茂 今朝雄*; Liu, Y.*; 大谷 将士*; 内藤 富士雄*; 神藤 勝啓; 大越 清紀; 岡部 晃大; 近藤 恭弘; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011010_1 - 011010_6, 2021/03

J-PARC初段加速部では、イオン源から引き出されるビーム大強度化とともに、高周波四重極リニアック(RFQ)のビーム透過率向上が重要な課題である。RFQ透過率は、イオン源とRFQ間に位置する低エネルギービーム輸送部(LEBT)内のソレノイド電磁石設定に大きく依存する。本研究では、大強度化を行った際のRFQ透過率が高いビーム条件を明らかにするため、テストスタンドにおいてLEBT内で72mAと88mAの大強度ビーム下において、RFQ入口でのビーム粒子の位相空間分布を測定し、シミュレーションによる解析結果と比較した。その結果、LEBT内で水素ガスの差動排気に用いられる15mm$$phi$$オリフィスにビームが衝突してコリメートされることで、RFQ入口におけるエミッタンスおよびTwissパラメータに影響することが判った。特に、ビーム電流88mAの条件では、この機構を利用することで、低ソレノイド電流値でRFQ透過率が最適となる結果が見られた。ビーム大強度化に伴い、空間電荷効果を抑えるために必要なソレノイド電流が設計上限に至る懸念があったが、本研究からコリメートビームの利用で問題解決の可能性が示された。

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

JAEA-ADSのLinac加速器における誤差解析

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

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.33 - 37, 2020/09

日本原子力研究開発機構で検討を進めている加速器駆動システム(ADS)は、運動エネルギー1.5GeVとなる連続的(CW)な陽子ビーム(電流20mA)を加速するLinacを用いる。このLinacでは、高い加速効率をもつ超伝導空洞によりビームが加速され、空洞は半波共振器(Half Wave resonator)、スポーク共振器(Spokes resonator)、および楕円形空洞(Elliptical cavity)などによる5つの群で構成される。30MWとなる大強度ビームを用いるADSでは、ビームロスが重大な機器の放射化を引き起こす可能性があるので、安定したビーム動作と高い信頼性を有する堅牢なビーム光学系が必要となる。ビーム損失率は、Linacの各構成要素における不整合や電磁場の誤差により生じる。このため、本研究では各構成要素の誤差に対するビームロスを検討した。本研究では、またビームロス低減のため、許容誤差を推定しその補正法に関し検討した。

論文

大強度陽子ビーム用縦方向分布モニター応答特性評価

北村 遼; 二ツ川 健太*; 林 直樹; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 小坂 知史*; 宮尾 智章*; 根本 康雄*; 森下 卓俊; 小栗 英知

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.251 - 253, 2020/09

大強度・低エミッタンスな陽子ビーム加速を実現するため、空間電荷効果の影響が大きい低エネルギー領域での縦方向分布モニター(バンチシェイプモニター: BSM)の運用試験を進めている。BSM内部でビームを受ける二次電子生成標的に熱負荷耐性の良い高配向性グラファイト(HOPG)を導入したことで、既存のタングステン製標的で問題となっていた標的破損による計測中断が無くなり、安定した計測が可能となった。しかしHOPGを導入したBSMで初めて測定した縦方向バンチ位相分布はシミュレーションによる予想より広がっており、改善の余地がある。J-PARCリニアック棟テストスタンドのビームを利用して、BSMの応答特性を調査した。この試験ではBSMを構成する電子増倍管,偏向電磁石及びRFデフレクタの各パラメータの応答特性を調査・調整した。調整後に測定した縦方向バンチ位相分布はシミュレーションの予想分布と一致した。

論文

Upgrade of the 3-MeV linac for testing of accelerator components at J-PARC

近藤 恭弘; 平野 耕一郎; 伊藤 崇; 菊澤 信宏; 北村 遼; 森下 卓俊; 小栗 英知; 大越 清紀; 篠崎 信一; 神藤 勝啓; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012077_1 - 012077_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

J-PARC加速器の要素技術試験に必要な3MeV H$$^{-}$$リニアックを高度化した。イオン源にはJ-PARCリニアックと同じものを用い、RFQは、J-PARCリニアックで2014年まで使用した30mA RFQに代わり新たに製作した50mA RFQを設置した。したがって、このシステムはエネルギー3MeV、ビーム電流50mAとなる。このリニアックの本来の目的は、このRFQの試験であるが、J-PARC加速器の運転維持に必要な様々な機器の試験を行うことができる。加速器は既に試運転が終了しており、測定プログラムが開始されつつある。この論文では、この3MeV加速器の現状について報告する。

論文

Longitudinal measurements and beam tuning in the J-PARC linac MEBT1

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 宮尾 智章*; Liu, Y.*; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 三浦 昭彦; 小栗 英知

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012078_1 - 012078_5, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

J-PARCリニアックは2018年から設計ピーク電流である50mAでの運転を行っている。このような大電流においては、とくに低エネルギー領域での縦横両方向のビームの特性を理解することが重要である。3MeV RFQと50MeV DTLの間の長さ3mのMEBTは、RFQ-DTL間のビーム整合やRCS入射ビームの中間構造を作る非常に重要なセクションである。この論文では、MEBTの最近の測定とビーム調整について報告する。

論文

カーボン素材を用いた大強度3MeV H$$^{-}$$ビーム用バンチシェイプモニター

北村 遼; 二ツ川 健太*; 林 直樹; 平野 耕一郎; 小坂 知史*; 宮尾 智章*; 守屋 克洋; 根本 康雄*; 小栗 英知

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.51 - 54, 2019/07

J-PARCリニアックにおいてピーク電流60mAを超える大強度H$$^{-}$$ビームを供給する場合、高周波四重極リニアック(RFQ)後のビーム輸送系における縦方向測定と調整はビームロスとエミッタンス増大の削減のために重要である。大強度3MeVのH$$^{-}$$ビームのバンチ幅測定にはエネルギー損失が小さくかつ高温耐性のあるカーボンナノチューブ(CNT)ワイヤーを用いた新しいバンチシェイプモニター(BSM)が必要である。しかし二次電子を引き出すためCNTワイヤーに高圧印加すると、放電が電圧印加の妨げとなる。それゆえ安定したバンチ幅測定のためには放電を抑制する必要がある。エミッタとしてのCNTの特性を考慮してワイヤー長を短くしたところ、-10kV高圧がワイヤーに印加できた。本講演ではこのBSMの最新の開発状況と将来の展望を報告する。

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*; 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

粒子加速器における負イオン源の長時間運転の進展と産業利用

小栗 英知

プラズマ・核融合学会誌, 95(7), p.340 - 344, 2019/07

粒子加速器用の負イオン源は現在、基礎科学分野から医療,産業分野まで幅広く利用されている。負イオンを用いた大型陽子加速器施設のひとつであるJ-PARCでは現在、高周波駆動型のイオン源を使用して約50mAの負水素イオンビームを連続3か月間、加速器に供給している。また、イオン源のビーム電流を一定に保つためのビーム電流フィードバックシステム機能を備え、オペレータを必要としない自動運転を実現している。J-PARC用負水素イオン源は、大強度ビームを生成するとともに実用機として十分な寿命及び安定性を有しており、J-PARCで行われている幅広い最先端研究の進展に大きく貢献している。

論文

Development of the bunch shape monitor using the carbon-nano tube wire

北村 遼; 林 直樹; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 守屋 克洋; 小栗 英知; 二ツ川 健太*; 宮尾 智章*; 大谷 将士*; 小坂 知史*; et al.

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.2543 - 2546, 2019/06

バンチシェイプモニター(BSM)は縦方向位相空間分布を測定するための重要な装置の一つである。例えば、J-PARCリニアックではタングステンワイヤーを用いたBSMが加速空洞間のバンチ形状を測定するためACSセクションに3台導入されている。しかしながら、このBSMではRFQとDTLセクション間のビーム輸送系における3MeVのH$$^{-}$$ビームのバンチ形状を測定することは、ビーム中心部でワイヤーが断線してしまうために困難である。そこで3MeVのH$$^{-}$$ビームのバンチ形状を測定できるよう、カーボンナノチューブワイヤー(CNT)を用いた新たなBSMを開発している。CNTワイヤーに-10kVの高圧を印加するには細心の注意を要する。ワイヤーからの放電を抑制しつつBSMを運転するためにいくつかの対策を実施した。この講演ではCNT-BSMの最新の開発状況と将来の展望を報告する。

論文

Numerical and experimental study of H$$^{-}$$ beam dynamics in J-PARC LEBT

柴田 崇統*; 池上 清*; Liu, Y.*; 三浦 昭彦; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 大谷 将士*; 神藤 勝啓; et al.

Proceedings of 29th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2018) (Internet), p.519 - 521, 2019/01

実験結果と数値計算結果の比較によって低エネルギービーム輸送系(LEBT)での負水素イオン(H$$^{-}$$)ビームの輸送過程を調査している。これまで、(i)J-PARCのLEBTの2つのソレノイド電磁石による軸方向磁場と、(ii)空間電荷効果による径方向電場の2つを考慮するために、3次元のParticle-In-Cell(PIC)粒子輸送モデルを開発してきた。2つのソレノイド電磁石電流が変化したときの高周波四重極リニアック(RFQ)入口での全H$$^-$$ビーム粒子数に対するRFQのアクセプタンス内のH$$^{-}$$ビーム粒子数の比を計算した。この計算結果をJ-PARCリニアックのコミッショニングで得たRFQの透過率測定の実験結果と比較したところ、実験で見られたソレノイド電磁石への印加電流に対するRFQの透過率の2つのピークが現れることが、計算結果からも確認できた。計算結果では、LEBT内で作動排気のために設置しているオリフィスがRFQ入口のエミッタンスを削ってしまうコリメータのような役割をしていることが示された。

論文

Solving beam intensity bottlenecks and 100 mA operation of J-PARC cesiated RF-driven H$$^{-}$$ ion source

上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 神藤 勝啓; 小栗 英知

AIP Conference Proceedings 2052, p.050003_1 - 050003_7, 2018/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:83.71

J-PARCセシウム添加型高周波駆動H$$^{-}$$イオン源のビーム強度ボトルネックを特定するため、引出電圧と加速電圧(V$$_{rm E}$$とV$$_{rm A}$$)に、設計値の10kVと40kVより高い値での試験を行った。V$$_{rm E}$$とV$$_{rm A}$$として、12.4kVと49.6kVを使用することで、デューティ5%(1ms $$times$$ 50Hz)で、安定100mAビーム運転を達成した。そのビームの約93mAは、一般的なRFQ設計に使用される横方向エミッタンスと同等以下であった。この大きな進歩は、引出ギャップと加速ギャップ中での空間電荷制限ボトルネックに関する重要な情報を提供し、高電流運転時の最適電極形状と高エネルギー・高強度H$$^{-}$$LINACS用基準イオン源の実現に寄与する。

論文

Progress of the J-PARC cesiated rf-driven negative hydrogen ion source

神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 高木 昭*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知

AIP Conference Proceedings 2052, p.050002_1 - 050002_7, 2018/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:83.71

J-PARCセシウム添加型高周波駆動負水素イオン源は、大きなトラブルを起こすことなく、2017/2018年の運転期間に3回の2000時間以上の連続運転を達成した。本期間の最終日には、リニアックコミッショニングGrがリニアック出口でビーム電流60mA引き出しをしめすために、イオン源より72mAの負水素イオンビームを生成した。J-PARC製の高周波用内部アンテナの開発も進めており、これまでに1400時間の運転を行った。

論文

Longitudinal bunch size measurement using an RF deflector

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 三浦 昭彦; 小栗 英知; Liu, Y.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 908, p.313 - 317, 2018/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Instruments & Instrumentation)

加速器のビームの質を改善するためにはビーム診断系が非常に重要である。陽子や重イオンリニアックの低エネルギー部において、ビーム進行方向の性質は、垂直方向のそれと比較して、測定方法が確立しているとは言い難い状況である。我々はRFデフレクタを用いた新しい縦方向バンチ長の測定方法を開発した。シミュレーションを元に縦方向バンチ長測定の不定性を0.5$$^{circ}$$と見積もった。さらに、上流側バンチャー空洞の高周波振幅を振り各点におけるバンチ長を測定ことで縦方向エミッタンスも測定した。測定結果は0.13$$pm$$0.01$$pi$$ deg$$cdot$$MeVであり、シミュレーションによる予想と無矛盾であった。

論文

Present status of the J-PARC cesiated rf-driven H$$^-$$ ion source

神藤 勝啓; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知

AIP Conference Proceedings 2011, p.050018_1 - 050018_3, 2018/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:91.6

Operation of a cesiated RF-driven negative hydrogen ion source was initiated in September 2014 in response to the requirements of beam current upgrade in J-PARC linac. Delivery of the required beam current from the ion source to the J-PARC accelerators has been successfully performed. In 2016-2017 campaign, continuous operation of the ion source for approximately 1,840 hours (RUN#75 from April to July 2017) was achieved with beam current, macro pulse width and repetition of 45 mA, 500 $$mu$$s and 25 Hz, respectively. We present the operation status of the ion source and a high current H$$^-$$ beam with 70 mA extracted from the ion source for the further high-power upgrade in J-PARC accelerators.

論文

Observation of plasma density oscillation with doubled value of RF frequency in J-PARC RF ion source

柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 内藤 富士雄*

AIP Conference Proceedings 2011, p.020008_1 - 020008_3, 2018/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:95.13

Balmer alpha line intensity in J-PARC Radio Frequency (RF) negative hydrogen ion source has been measured by photometry measurement. The line intensity shows several interesting time characteristics in different phases; (1) 2 MHz (RF frequency) oscillation just after plasma ignition and (2) 4 MHz (doubled RF frequency) and 2 MHz coupled oscillation in the steady-state. From the comparison between numerical analysis, it has been explained that electron acceleration in inductively coupled electromagnetic field takes place with 4 MHz frequency which results in the 4 MHz line intensity oscillation. From the understandings of the background physics, we can conclude that this fast photometry measurement is a good diagnosis tool to understand whether RF plasma is in E-mode or H-mode in general RF ion sources.

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