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小島 邦洸; 原田 寛之; 岡部 晃大; 地村 幹; Saha, P. K.
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2244 - 2247, 2025/11
3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)では、僅かな割合のビーム損失でも深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力を制限する。陽子シンクロトロンにおける主要なビーム損失原因の一つとして共鳴現象がある。加速器中のビームは進行方向に垂直な方向に振動しており、その振動数と収束場の周期が一定の条件(共鳴条件)を満たせば、粒子の振幅は増大しビームパイプに衝突して損失する。そのため、振動数が共鳴条件に抵触しないよう、ビームの収束力を慎重に制御する必要がある。一方で、ビームの大強度化に伴い共鳴条件に抵触しない振動数の範囲は狭まり、共鳴の回避が困難となる。この共鳴は電磁石の設置誤差などの原因で、ビームに意図せず歪四極場が印加されることで発生する。その歪四極場を補正用磁場の重ね合わせにより打ち消す(補正)ことで、線形和共鳴によるビーム損失を防ぐことができる。線形和共鳴の補正には一般に歪四極電磁石が用いられるが、これはRCSには備わっていない。そこで、アーク部にバンプ軌道を形成する特殊な手法により同共鳴の補正を行った。この手法により、RCSのビーム損失が低減し高度化が可能となる。
北村 遼; 森下 卓俊; 岡部 晃大; 宮尾 智明*; 中沢 雄河*; 柴田 崇統*
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2811 - 2813, 2025/11
The Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) linac is operated with a peak current of 50 mA to deliver the 1-MW beam to the neutron target through the rapid cycling synchrotron (RCS). One of the source of the beam loss to limit the beam power is a leakage beam from a radio-frequency (RF) beam chopper at the frontend of the linac. The J-PARC beam chopper consists of the RF deflector cavity and the beam scraper to produce the pulse structure of a few hundreds nano seconds typically. Since the leakage beam is presented in the unintended RF bucket, it becomes the beam loss during the acceleration in the RCS. Recently, the bunch-shape monitor (BSM) dedicated for the low-energy beam has been developed to measure longitudinal profiles after a radio-frequency quadrupole linac (RFQ). It is useful to investigate the leakage beam because the BSM is located at just after the chopper. Asymmetric longitudinal profiles were observed with the BSM, which might cause the beam loss, but the sensitivity should be improved for the further investigation. Measuring the induced current from the target probe by using the BSM in the same way as the wire-scanner monitor, the horizontal profile is measured at the BSM. Since the RF deflector kicks the beam in the horizontal direction, the leakage beam from the chopper is observed by the horizontal profile measurement. Latest results are presented with discussing the classification of the leakage beam with respect to its time scale and source.
菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 山田 逸平; 岡部 晃大
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.2240 - 2243, 2025/11
大強度陽子加速器施設(J-PARC)における3GeVシンクロトロン(RCS)においては、ビームの不安定性が顕著な課題として存在している。その根本原因は、8基のキッカー電磁石という加速器構成要素に起因するものである。これらのキッカー電磁石は、一方の端を短絡させ、他方を開放した設計を採用しており、ビームの取り出し時においては電力消費の抑制に寄与する一方、同時にキッカー電磁石が誘起する電磁場がビームの不安定性を引き起す。RCSにおけるビーム不安定化は、RCSの真空容器を介して作用するビームの空間電荷効果に起因する安定化機構の減衰によって引き起こされることが判明している。この問題に対処するため、4基のキッカー電磁石の開放端に抵抗を取り付けたダイオードスタックを設置し、その対策によって、より広い加速器の設定パラメータ領域において、安定的にビームを供給できるようになった。
Liu, Y.*; 大谷 将士*; 宮尾 智章*; 中沢 雄河*; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; Fang, Z.*; 二ツ川 健太*; 福井 佑治*; 溝端 仁志*; et al.
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.855 - 857, 2025/11
The Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) has achieved stable 1 MW operation on its neutron target and is advancing toward higher power levels of 1.5 MW to support high-power MR operations and a second target station. This progression presents challenges, including increased intra-beam stripping (IBSt) of negative hydrogen ions, chop leakage from higher beam currents and emittance, low-energy beam loss due to halo formation, frontend fluctuations affecting beam transmission, and RF phase and amplitude fluctuations. To address these issues, a redesigned lattice mitigates IBSt, a new MEBT1 improves chopping and collimation, and machine learning-based compensation schemes manage frontend and RF fluctuations. Additionally, longitudinal and transverse matching schemes enhance beam quality, validated through benchmarked longitudinal measurements. Results from studies at 50 mA and 60 mA beam currents demonstrate significant progress in overcoming these challenges.
Saha, P. K.; 原田 寛之; 田村 文彦; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 菖蒲田 義博; 沖田 英史; 小島 邦洸; 仲野谷 孝充; 畠山 衆一郎; et al.
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 28(7), p.074201_1 - 074201_23, 2025/07
被引用回数：1 パーセンタイル：59.26(Physics, Nuclear)In this research, the beam loss in the J-PARC 3-GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) has been significantly mitigated at the designed 1 MW beam power. It was possible by identifying all beam loss sources and implementing appropriate measures based on numerical simulations and systematic beam studies. The major one includes of using a smaller size charge-exchange foil and optimizing the injection beam to minimize foil scattering uncontrolled beam loss, modifications of the transverse and longitudinal beam painting parameters to mitigate the high-intensity effects. The beam loss as compared to 1 MW trial operation in 2020 was 80% reduced and perfectly localized at the designated collimator area. The beam loss power is only less than 0.1 kW as compared to the collimator limit of 4 kW. As a result. the residual radiation throughout the ring is substantially reduced for achieving a sustainable operation of the RCS with nearly 99% availability.
谷村 嘉彦; 吉富 寛; 西野 翔; 辻 智也; 深見 智代; 篠塚 友輝; 大石 皓平; 石井 雅人; 高宮 圭; 大貫 孝哉; et al.
Radiation Measurements, 176, p.107196_1 - 107196_6, 2024/08
被引用回数：1 パーセンタイル：23.55(Nuclear Science & Technology)ICRUはReport95で場や個人被ばくのモニタリングに用いる実用量の定義を変更した。新しい実用量を導入した場合に、さまざまな原子力施設の作業現場における線量測定に影響する。このため、作業場のエネルギースペクトルや測定器の特性を把握しておく必要がある。本研究では、原子力機構にある研究炉(JRR-3)及び加速器施設(J-PARC)の作業場において、NaI(Tl)又はLaBr
(Ce)シンチレーション検出器を用いて光子スペクトルを測定した。そして、現行及び新しい実用量を導出してこれらを比較した。
Saha, P. K.; 原田 寛之; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 沖田 英史; 岡部 晃大; 仲野谷 孝充; 畠山 衆一郎; 守屋 克洋; 高柳 智弘; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2687(5), p.052020_1 - 052020_7, 2024/01
被引用回数：1 パーセンタイル：78.22(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)In this research, numerical simulation studies and beam tests were performed to minimize the beam loss at high intensity operation of J-PARC RCS. The beam loss usually increases non-linearly with respect to the beam power ramp up at high-intensity. The longitudinal and transverse injection painting used for space charge mitigation at a lower beam energy are optimized to produce a further uniform beam distribution to realize further space charge mitigation. The beam loss at the present operation at a net beam power of nearly 850 kW to the MLF has been kept to a minimum level to achieve a stable user operation. The beam loss at 1 MW beam power has also been sufficiently reduced to remain only 0.05% which is dominated by the unavoidable foil scattering beam loss.
Saha, P. K.; 原田 寛之; 岡部 晃大; 沖田 英史; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 吉本 政弘; 發知 英明*
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.147 - 152, 2023/10
In the 3-GeV RCS of J-PARC we have performed a systematic experimental studies and numerical beam simulations to minimize the beam loss at the designed 1 MW beam power. We have optimized and modified both longitudinal and transverse injection paintings and succeeded obtaining a significant beam loss mitigation throughout the RCS. The beam loss at the collimator and the 1st arc section is reduced to be as much as more than 60% as compared to that using original painting methods. The residual beam loss at 1 MW is estimated to be as low as well below than 0.1%, which is dominated by the beam loss caused by foil scattering of the circulating beam. As a result, we obtained a very stable user operation of the RCS with nearly 1 MW beam power to the MLF with low beam loss and less machine activation.
岩元 大樹; 中野 敬太; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 杉原 健太*; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; et al.
EPJ Web of Conferences, 284, p.01023_1 - 01023_4, 2023/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Nuclear Science & Technology)加速器駆動システム(ADS)の核特性予測精度の向上と京都大学臨界集合体実験装置(KUCA)におけるADS炉物理実験で用いる中性子源情報の取得を目的として、京都大学の固定磁場強集束(FFAG)加速器を用いた核データ測定実験プログラムを開始した。このプログラムの一環として、鉄,鉛及びビスマスに対する陽子入射二重微分中性子収量(TTNY)及び断面積(DDX)を測定した。測定では、真空チェンバ内に設置された標的試料に107MeVの陽子ビームを照射し、核反応によって標的から発生した粒子の信号を、小型の中性子検出器を用いて検出した。検出信号とFFAGキッカー電磁石の信号の時間差から飛行時間(TOF)を求め、ガンマ線の事象を波形弁別法によって除去して中性子事象をカウントすることで中性子のTOFスペクトルを求めた。得られた中性子のTOFスペクトルから、相対論的運動学によりTTNY及びDDXを求めた。実験で得られたTTNY及びDDXを、モンテカルロ輸送計算コードPHITSによる計算と比較し、PHITSに組み込まれた核反応モデル及び評価済み核データライブラリJENDL-4.0/HEの妥当性を検証するとともに、PHITSによる計算の予測精度を評価した。
岩元 大樹; 中野 敬太; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 杉原 健太; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; et al.
Journal of Nuclear Science and Technology, 60(4), p.435 - 449, 2023/04
被引用回数：4 パーセンタイル：41.78(Nuclear Science & Technology)加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発及び京都大学臨界実験装置(KUCA)におけるADS未臨界炉物理の基礎研究を目的として、固定磁場強収束(FFAG)加速器を用いて107MeV陽子による鉄、鉛及びビスマス標的に対する二重微分中性子収量(TTNY)を測定した。TTNYは8個の中性子検出器(各検出器は小型のNE213液体有機シンチレータと光電子増倍管より構成される)からなる中性子検出器システムを用いて飛行時間法により得られたものである。測定で得られたTTNYを、粒子・重イオン輸送コードシステム(PHITS)に組み込まれたモンテカルロ法に基づく核破砕反応モデル(INCL4.6/GEM, Bertini/GEM, JQMD/GEM, JQMD/SMM/GEM)及び評価済み高エネルギー核データライブラリ(JENDL-4.0/HE)による計算結果と比較した。JENDL-4.0/HEを含む比較対象のモデルは、検出器角度5度における高エネルギーピークを再現しないなどの特徴的な不一致が見られた。測定で得られたTTNYとPHITSによって評価した20MeV以下のエネルギー及び角度積分中性子収率を比較した結果、INCL4.6/GEMがKUCAにおけるADS炉物理実験のモンテカルロ輸送シミュレーションに適していることが示された。
particles generated by residual gas stripping in the Japan Proton Accelerator Research Complex linac田村 潤; 二ツ川 健太*; 近藤 恭弘; Liu, Y.*; 宮尾 智章*; 森下 卓俊; 根本 康雄*; 岡部 晃大; 吉本 政弘
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1049, p.168033_1 - 168033_7, 2023/04
被引用回数：2 パーセンタイル：31.51(Instruments & Instrumentation)J-PARCリニアックは、ビーム損失が重要な課題となる大強度加速器である。J-PARCリニアックでは、H
ビームが機能分離型ドリフトチューブリニアック(SDTL)で191MeVまで加速され、その後、環結合構造型加速管(ACS)で400MeVまで加速される。Hリニアックでは陽子リニアックよりもビーム損失の要因事象が多いため、ビーム損失低減のためにはビーム損失の原因を詳しく調べることが必須である。制御不能なH粒子を生成する電子ストリッピング現象は、Hリニアックに特有なビーム損失要因である。J-PARCリニアックにおけるビーム損失の原因を明らかにするため、SDTLとACSの間のビーム輸送部に新しいビーム診断系を設置した。ここでは、H粒子をHビームから分離し、H粒子が分布する範囲にグラファイト板を挿入してH粒子の強度プロファイルを測定することに成功した。ビームライン真空圧力の違いによるH粒子の強度変化を調べることで、SDTLセクションのH粒子の半分は、J-PARCリニアックの残留ガスストリッピングによって生成されていることを明らかにした。
Saha, P. K.; 岡部 晃大; 仲野谷 孝充; 菖蒲田 義博; 原田 寛之; 田村 文彦; 沖田 英史; 吉本 政弘; 發知 英明*
Journal of Physics; Conference Series, 2420, p.012040_1 - 012040_7, 2023/01
To reduce high residual radiation at the RCS injection are caused by the foil scattering uncontrolled beam loss during injection period, a smaller size foil by minimizing the injection beam size has been successfully implemented at 700 kW operation. The new scheme also gives a significant beam loss mitigation at the collimator and 1st arc sections by reducing the beam halos. A beam loss mitigation of 30% has been achieved at the injection and 1st arc sections, while it is more than 50% at the collimator section. The residual radiation at 700 kW operation was thus measured to be significantly reduced, which at the injection and 1st arc sections are especially important due frequent access to these areas for regular maintenance works. The new scheme has also been successfully in service for 800 KW operation at present. It gives a very stable operation of the RCS and will also be tested for 1 MW operation in June 2022.
Saha, P. K.; 岡部 晃大; 仲野谷 孝充; 吉本 政弘; 菖蒲田 義博; 原田 寛之; 田村 文彦; 沖田 英史; 畠山 衆一郎; 守屋 克洋; et al.
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1 - 5, 2023/01
The RCS beam power for operation to the MLF has been increased to 800 kW recently. The total beam loss even at the designed 1 MW beam power has been well controlled, but the uncontrolled beam losses, especially those caused by the foil scattering of the circulating beam during multi-turn injection are still high and causes extremely high residual radiation at the injection area. To further minimizing such a beam loss, we have implemented a new approach by minimizing the injection beam size and using a smaller size stripper foil. A smaller foil reduces foil hitting of the circulating beam and the corresponding foil scattering uncontrolled beam losses. In addition, an optimized transverse painting area matching with a smaller injection beam also gives a smaller circulating beam emittance to reduce beam loss at the collimator section and its downstream. The corresponding residual radiation for operation at 700 kW beam power was measured to be significantly reduced at the injection area, collimator section and it's downstream. A smaller injection beam size was also tested at 1MW beam power and the residual beam loss is minimized to 0.01%, which is nearly 1/4 reduction from the previous 1 MW test operation in 2020.
岩元 大樹; 明午 伸一郎; 中野 敬太*; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 杉原 健太*; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; 八島 浩*; et al.
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.404 - 409, 2023/01
加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発に資するため、固定磁場強収束(FFAG)加速器を用い、核データを取得する実験的研究プログラムを開始した。ADSの核設計及び京都大学臨界集合体実験装置(KUCA)における未臨界実験体系の解析で重要となる、鉛及びビスマスの陽子入射中性子収量及び核分裂に関する核データを対象とした。中性子の飛行時間(TOF)測定で要求される短パルスビームの技術開発を行い、その要求値となるビーム幅10ns以下を達成するとともに、107MeV陽子入射による厚い標的中性子収量TTNY及び中性子生成二重微分断面積DDXをTOF法により測定した。TTNY及びDDXの測定には、小型シンチレータと光電子増倍管から構成される中性子検出器を用いた。測定で得られた結果をADSの核設計で用いられるPHITSによる解析値と比較した。さらに、マイクロチャンネルプレート(MCP)と多芯線比例計数管(MWPC)を組み合わせにより、107MeV陽子入射の
Pb核分裂反応から生成される核分裂片の質量数分布を測定した。本プログラムの最終年度となる令和4年度は、
Biに対する核分裂片の質量数分布と核分裂で生じる核分裂中性子の測定を実施するとともに、
Np核分裂計数管を用いて、陽子と標的との核反応で形成される中性子場の測定を実施する予定である。
藤山 浩樹*; 高橋 博樹; 岡部 晃大; 伊藤 雄一*; 畠山 衆一郎; 鈴木 隆洋*; 大津 聡*; 山川 龍人*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.529 - 531, 2023/01
J-PARC加速器のコリメータやワイヤースキャナモニタの機械駆動には、ステッピングモータが使用されている。これらの駆動装置ハードウェアは、J-PARC建設当初から使用されているものが多く経年劣化対策が必要となっている。そこで、2017年ごろからモーターや制御系の更新を進めることとなった。ところが、RCS H0コリメータのステッピングモータを現行品に更新したところ、誤動作が生じた。これは、モータードライバから発生するノイズにより、駆動部制御系がLS(リミットスイッチ)の状態を正しく認識できず、動作に支障が生じたものであった。確認のため、新旧のステッピングモータから発生するノイズを簡易テスト環境で測定したところ、明らかに現行品の方が大きいことが明らかとなった。そこで対策として、1本の多芯ケーブルに束ねられたステッピングモータの配線を、電源系とLS信号系に分離したところ、ノイズレベルが1/10程度になり、正常な動作を取り戻すことができた。本件では、RCS H0コリメータ駆動部のノイズ対策について報告する。
岩元 大樹; 中野 敬太; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; 八島 浩*; 西尾 勝久; et al.
JAEA-Conf 2022-001, p.129 - 133, 2022/11
加速器駆動システム(ADS)の核特性予測精度の向上と京都大学臨界集合体実験装置(KUCA)におけるADS炉物理実験で用いる中性子源情報の取得を目的として、京都大学の固定磁場強集束(FFAG)加速器を用いた核データ測定実験プログラムを開始した。このプログラムの一環として、鉄に対する陽子入射二重微分中性子収量(TTNY)及び断面積(DDX)を測定した。測定では、真空チェンバ内に設置された鉄標的に107MeVの陽子ビームを照射し、核反応によって標的から発生した粒子の信号を、小型の中性子検出器を用いて検出した。検出信号とFFAGキッカー電磁石の信号の時間差から飛行時間(TOF)を求め、ガンマ線の事象を波形弁別法によって除去して中性子事象をカウントすることで中性子のTOFスペクトルを求めた。得られた中性子のTOFスペクトルから、相対論的運動学により鉄標的に対するTTNY及びDDXを求めた。
山本 風海; 金正 倫計; 林 直樹; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 谷 教夫; 高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 菖蒲田 義博; et al.
Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1174 - 1205, 2022/09
被引用回数：10 パーセンタイル：75.71(Nuclear Science & Technology)J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度ビームを25Hzという早い繰り返しで中性子実験及び下流の主リングシンクロトロンに供給することを目的に設計された。2007年の加速器調整運転開始以降、RCSではビーム試験を通じて加速器の設計性能が満たされているかの確認を進め、必要に応じてより安定に運転するための改善を行ってきた。その結果として、近年RCSは1MWのビーム出力で連続運転を行うことが可能となり、共用運転に向けた最後の課題の抽出と対策の検討が進められている。本論文ではRCSの設計方針と実際の性能、および改善点について議論する。
Saha, P. K.; 吉本 政弘; 岡部 晃大; 原田 寛之; 田村 文彦; 發知 英明*
Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.590 - 593, 2021/08
Uncontrolled beam loss caused by foil scattering of the circulating beam causes high residual radiation at the injection area of J-PARC 3-GeV RCS. It is thus one big issue towards beam intensity ramp up and operation at the designed 1 MW beam power. We studied to reduce foil hits by minimizing the vertical injection beam size at the foil and using a smaller vertical foil size. We obtained 30% reduction of the foil hits, consistent with numerical simulation and it has already been implemented for 700-KW operation at present. The present result thus plays an important role to realize and maintain a stable operation at 1-MW beam power in the RCS.
山本 風海; 畠山 衆一郎; Saha, P. K.; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 仲野谷 孝充; 藤来 洸裕; 山崎 良雄; 菅沼 和明
EPJ Techniques and Instrumentation (Internet), 8(1), p.9_1 - 9_9, 2021/07
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は最大1MWの高出力陽子ビームを中性子ターゲットに供給している。稼働率を向上し実験成果の最大化を図るために、RCSではさまざま運転パラメータの履歴を記録しているが、そのデータのうち入射効率と入射ビームラインの磁石を冷却している冷却水温度が同期していることを発見した。RCS入射時に、入射負水素(H)ビームは炭素薄膜を通過し陽子に変換されるので、入射効率が変動しているという事は陽子への変換効率が冷却水温度に依存していることを示している。ビーム形状,薄膜の条件等から、入射ビームのフォイルへの入射位置が0.072mm程度振動していて、それが磁石磁場の変動に換算して1.63
10
となることを求めた。この値は、単純に磁石が冷却水の温度変動に従って伸び縮みするとして評価した結果とファクタ程度で一致し、変換効率の変動の主要因は磁場変動であることが確認できた。
發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011018_1 - 011018_6, 2021/03
J-PARC RCSは、2019年7月に、1MWの連続(10.5時間)運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、1.2
1.5MW相当の更に高いビーム強度でのビームの振る舞いを精査することが必要になるため、RCSでは、2018年の10月と12月に1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初は、1
程度の有意なビーム損失が出現したが、チューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10
レベルにまで低減することに成功した。また、数値シミュレーションでその実験結果を精度良く再現することにも成功している。本発表では、実験結果と計算結果の詳細比較からビーム損失の発生や低減のメカニズムを議論する。また、近い将来実施予定の1.5MW相当の大強度ビーム加速の実現に向けた取り組みも紹介する。
