Beam loss mitigation for operation beyond 1 MW beam power of the J-PARC RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 田村 文彦; 菖蒲田 義博; 小島 邦洸; 吉本 政弘; 沖田 英史; 岡部 晃大; 畠山 衆一郎; 仲野谷 孝充; et al.

Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.549 - 553, 2026/03

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2025/proceedings/PDF/THP0/THP028.pdf

The RCS (Rapid Cycling Synchrotron) of the J-PARC has already started 1 MW routine operation by minimizing the beam loss. However, to ensure always net 1 MW beam power at the present MLF targets, RCS has to achieve more than 1 MW beam power in a near future. This is needed to overcome the RCS duty to the MLF reduced by gradually getting faster operation cycle of the Main Ring. Achieving this goal strongly relies on the significant beam loss mitigation which increase nonlinearly due to the space charge effect (Coulomb repulsion) of beam particles being same charge. Recently we have performed systematic beam studies and detail numeral beam simulations by optimizing many parameters of the injection beam as well as RCS parameters in both transverse and longitudinal directions. We achieved a considerable beam loss mitigation at 1.5 MW resulting in a beam loss rate even lower than present operation at 1 MW. The beam loss occurs only at lower beam energies well controlling and perfectly localizing at the collimator section. The beam loss power is estimated to be only 70 W, sufficiently smaller than the collimator capacity of 4 kW, demonstrating RCS capability to operate at 1.5 MW with minimum machine activation.

Dose-volume histogram analysis of slit-beam irradiation; Biological implications in mouse ex vivo testes

白土 博樹*; 水田 正弘*; 松谷 悠佑; 横谷 明徳*; 福永 久典*

Physics in Medicine & Biology, 25 Pages, 2026/00

https://doi.org/10.1088/1361-6560/ae82b1

空間的分割照射であるスリットビーム照射(SI)は、バイスタンダー効果などの非標的効果(NTE)を介して正常組織を温存できる可能性がある。しかしながら、先行研究で報告される組織温存効果(TSE)が、生物学的機構によるものか、物理的な線量体積特性に起因するものなのかは明らかではない。本研究では、既報のexvivoマウス精巣実験を対象に、放射線挙動解析コード(PHITS)を用いて、スリット幅12.5、50、および200mに対する線量分布を算出し、生物効果を評価した。その結果、等価均一線量(EUD)は照射細胞、非照射細胞、全細胞集団に対する線量よりも、SIの評価指標として適していることが示された。これらの結果は、従来SIにおいて観察されたTSEが、DVHの差異によって説明され得る可能性を示唆している。

State-of-the-art beam loss minimization at high-intensity beam operation of the 3 GeV rapid cycling synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

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

https://doi.org/10.1103/tbyh-jcq3

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.

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける純炭素フォイルによる荷電変換への挑戦

仲野谷 孝充; 吉本 政弘; Saha, P. K.; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*

Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.937 - 941, 2023/11

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2023/proceedings/PDF/FRP3/FRP38.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、前段加速器であるリニアックから入射した400MeVのHビームを荷電変換フォイルによりHビームに変換して、3GeVまで加速している。これまでRCSでは、HBCフォイル(Hybrid Boron mixed Carbon stripper foil)とカネカ社製のグラフェン薄膜(GTF: Graphene Thin Film)の2種類を荷電変換フォイルとして使用してきた。HBCフォイルとは100g/cm以上の厚い炭素フォイルを安定的に作製するために高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発された手法である。当初はKEKで作製されたフォイルを使用してきたが、2017年からは原子力機構でHBCフォイルの作製を開始し、以来これを使用している。近年、アーク蒸着法では作製が困難と言われてきた厚い純炭素フォイルの成膜に成功した。新たな試みとして、この純炭素フォイルを2023年3月からの利用運転で使用した。結果、HBCフォイルとGTFでは使用時間の経過とともに、荷電変換されずにビームダンプに廃棄されるビーム量の増加傾向が観察されたが、純炭素フォイルではこの傾向がなく、安定的に荷電変換が可能であった。本発表ではこれら3種類の荷電変換フォイルの使用状況について報告する。

Recent results of beam loss mitigation and extremely low beam loss operation of J-PARC RCS

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

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2420/1/012040

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.

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける荷電変換フォイルの最近の使用状況

仲野谷 孝充; 吉本 政弘; Saha, P. K.; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*

Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.629 - 633, 2023/01

https://ibic12.kek.jp/mirror/www.pasj.jp/web_publish/pasj2022/proceedings/PDF/WEP0/WEP042.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、前段加速器であるリニアックから入射した400MeVのHビームを荷電変換フォイルによりHビームに変換して、3GeVまで加速させている。RCSで主に使用している荷電変換フォイルは、少量のホウ素を炭素棒に添加し、これを電極としてアーク蒸着法により作製したHBCフォイル(Hybrid Boron mixed Carbon stripper foil)である。2017年から原子力機構でフォイルの内作を開始し、2018年以降これを利用運転で使用している。これまでのところフォイルを起因とする大きな問題は生じていない。一方でこの間、RCSのビームパワーは500kWから830kWへと段階的に上昇してきた。出力上昇に伴い、フォイルを支えているSiCファイバーの破断が顕著になってきた。SiCファイバーの破断はビームロスを増やしたり、フォイル回収時の汚染源となる可能性がある。この課題の対策としてより高強度な特性を持つSiCファイバーの使用やSiCファイバーパターンの変更などの対策を検討した。本発表では近年のJ-PARC利用運転でのフォイルの使用状況と課題とその対策ついて報告する。

Design and actual performance of J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron for high-intensity operation

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

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2038301

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。

3GeVシンクロトロンビーム入射部における放射線遮蔽体の検討及び設置作業報告

仲野谷 孝充; 神谷 潤一郎; 吉本 政弘; 高柳 智弘; 谷 教夫; 古徳 博文*; 堀野 光喜*; 柳橋 享*; 竹田 修*; 山本 風海

JAEA-Technology 2021-019, 105 Pages, 2021/11

JAEA-Technology-2021-019.pdf:10.25MB

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器ではビーム出力の増強に伴い、ビーム入射部付近では放射化による機器の表面線量と空間線量率が年々増加している。一方でビーム入射部には人の手によるメンテナンスが欠かせない機器が多数存在しており、作業者の被ばく低減が重要な課題であった。そのため、本加速器施設を管理するJ-PARCセンター加速器ディビジョン加速器第二セクションにおいて、作業者の被ばく低減のための遮蔽体設置を目的としたワーキンググループ「入射部タスクフォース」を設立し、遮蔽体の構造や設置方法等について検討を重ねてきた。結果、ビーム入射部の構造を一部更新し、必要な際に容易に取付けが可能な非常設型の遮蔽体を設置することとした。そして、2020年夏期メンテナンス期間に遮蔽体の設置に必要な更新作業を実施し、遮蔽体の設置を行った。更新作業は高線量下で長期間に渡るため、作業員の被ばく量を抑えることが重要な課題であった。このため、事前に入念に作業計画と作業手順を作成し、作業期間中も様々な被ばく低減対策と個々の被ばく管理を行った。これにより、作業者の被ばく線量を管理目標値以下に抑えることができた。本作業の実施により、ビーム入射部に取付け取外し可能な遮蔽体を設置できるようになった。この遮蔽体により入射部近傍での作業時の被ばく線量の低減に寄与できることが確認できた。夏期メンテナンス期間中のほぼすべてで入射部を占有する大規模な作業となったが、今後の保守作業における被ばく抑制のためには非常に有意義な作業であったと考えられる。

3GeVシンクロトロンビーム入射部への遮蔽体設置作業

仲野谷 孝充; 神谷 潤一郎; 吉本 政弘; 高柳 智弘; 谷 教夫; 古徳 博文*; 堀野 光喜*; 柳橋 享*; 竹田 修*; 山本 風海

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.238 - 242, 2021/10

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器ではビーム出力の増強に伴い、ビーム入射部付近では放射化による機器の表面線量と空間線量率が年々増加している。一方でビーム入射部には人の手によるメンテナンスが欠かせない機器が多数存在しており、作業者の被ばく低減が重要な課題であった。特に今後、本加速器の設計値である1MWで定常的な運転をしていくとさらなる機器の放射化が予想されるため、作業者の被ばくを低減するには遮蔽体の設置が必須である。遮蔽体の形状、設置方法等について検討を重ねた結果、ビームライン架台に対して取り外し可能な遮蔽体を設置することとした。そして、2020年夏季メンテナンス期間に遮蔽体の設置作業を実施した。遮蔽体の設置作業は高線量下で行われるため、作業員の被ばく量を抑えることが重要な課題であった。被ばく低減を図るため、入念に作業計画と作業手順を作成し、また、作業期間中も様々な被ばく低減対策と個々の被ばく管理を行った。これにより、作業者の最大の被ばく線量を管理目標値以下に抑えて作業を完遂することができた。遮蔽体設置後に遮蔽効果を検証した結果、この遮蔽体によって入射部近傍での被ばく線量が大幅に低減することが確認できた。本発表では設置した遮蔽体の概要、設置作業に係る作業管理・放射線管理及び遮蔽効果について報告する。

Alternation of magnetic anisotropy accompanied by metal-insulator transition in strained ultrathin manganite heterostructures

小林 正起*; Anh, L. D.*; 鈴木 雅弘*; 金田-高田 真悟*; 竹田 幸治; 藤森 伸一; 芝田 悟朗*; 田中 新*; 田中 雅明*; 大矢 忍*; et al.

Physical Review Applied (Internet), 15(6), p.064019_1 - 064019_10, 2021/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.064019

A fundamental understanding of the interfacial magnetic properties in ferromagnetic heterostructures is essential for utilizing ferromagnetic materials for spintronic device applications. Here, we investigate the interfacial magnetic and electronic structures of epitaxial single-crystalline LaAlO(LAO)/LaSrMnO(LSMO)/Nb:SrTiO(Nb:STO) heterostructures with varying LSMO layer thicknesses, in which the magnetic anisotropy strongly changes with the LSMO thickness due to the delicate balance between strains originating from both the Nb:STO and LAO layers, using X-ray magnetic circular dichroism and photoemission spectroscopy. We successfully detect the clear change of the magnetic behavior of the Mn ions concomitant with the thickness-dependent metal-insulator transition. Our results suggest that the double-exchange interaction induces ferromagnetism in the metallic LSMO film under tensile strain caused by the STO substrate, while the superexchange interaction determines the magnetic behavior in the insulating LSMO film under compressive strain originating from the top LAO layer. The change in strain, depending on LSMO layer thickness, is confirmed by scanning transmission electron microscopy. Based on those findings, the formation of a magnetic dead layer near the LAO/LSMO interface is attributed to competition between the superexchange interaction via Mn orbitals under compressive strain and the double-exchange interaction via the orbitals. These findings provide key aspects of ferromagnetic oxide heterostructures for the development of spintronic device applications.