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小島 邦洸; 原田 寛之; 田村 文彦; 沖田 英史; 地村 幹; Saha P. K.
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2025(1), p.013G01_1 - 013G01_19, 2025/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)本研究は、3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。大強度の陽子シンクロトロンにおいて、ビーム損失は深刻な装置の放射化をもたらし、ビーム出力の制限に繋がる。そのため、RCSの大強度ビーム安定化には、ビーム損失の更なる低減が不可欠である。特に、加速器のビームを制御する電磁石の配置とビームが進行方向に垂直な方向に行う振動の周期が一定の関係(共鳴条件)を満たすとき、共鳴現象により多大なビーム損失が起きる。この共鳴の発生を避けるため、ビームの振動の周期は共鳴条件を避けるよう慎重に制御されている。一方で、ビーム大強度化に伴って粒子間のクーロン斥力の影響によって個々の粒子の振動数は個別の影響を受け変化するため、共鳴条件はビーム密度に依存した幅を持つようになる。これにより、ビームの振動の周期を制御することによる共鳴条件の回避が難しくなる。RCSではビーム強度が一定以上に達した場合に、半整数共鳴を避けることが困難となるため、これがRCSの最大出力を制限している。そこで、本研究では補正磁場の重畳による半整数共鳴の影響の低減(補正)を試みた。ビーム試験と数値計算の活用により、RCS設計出力と同等な強度を持つビーム条件において、半整数共鳴に起因するビーム損失を1/3にまで低減する補正状況を達成した。本論文では、一連のビーム試験結果に加えて、共鳴補正手法の詳細について報告する。
小島 邦洸; 原田 寛之; 地村 幹; Saha P. K.
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.118 - 122, 2024/10
本研究は、3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。RCSでは、設計出力1MWを超える大強度化に向け高度化を進めている。このような大強度陽子加速器において、出力を制限する最大の要因は、ビーム損失に起因する装置の放射化である。一般的にシンクロトロンでは、粒子はある幅の中で振動(ベータトロン振動)しながら進んでおり、その振動数が磁場やビーム自身が作る電場と相互作用し共鳴条件に抵触すると振幅が大きくなり、ダクト内壁等に衝突して損失に至る。そのため、共鳴条件を避けるように、ビームに加える収束力を設定する。しかし、強度が増大するにつれてビームの粒子数密度が高くなり、それに伴って粒子間のクーロン斥力も増大する。各粒子は設定と異なるベータトロン振動数を持ち、共鳴条件に抵触する可能性がある。そこで、振動数が半整数の際に発生する共鳴(半整数共鳴)の影響を補正し、打ち消すことによる安定領域の拡充を試みた。半整数共鳴が励起する強さは、ビームが受ける外力のみで決まり、ビーム強度に依存しない。そのため、まずは空間電荷力の影響が無視できる低強度ビームを用いることで、半整数共鳴の補正を実施した。その結果、この共鳴によるビーム損失を1/10以下にする大幅な低減を実現した。さらに、この補正状況が利用運転時のビームロス低減に寄与することを、大強度ビームを用いた試験により実証した。本発表では、低強度時の共鳴補正手法と実験結果に加えて、大強度時のビーム損失低減などに関して報告する。
Cl via 
and 
decayTripathi, V.*; Bhattacharya, S.*; Rubino, E.*; Benetti, C.*; Perello, J. F.*; Tabor, S. L.*; Liddick, S. N.*; Bender, P. C.*; Carpenter, M. P.*; Carroll, J. J.*; et al.
Physical Review C, 109(4), p.044320_1 - 044320_15, 2024/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Nuclear)ミシガン州立大学の国立超伝導サイクロトロン研究所において
Caのフラグメンテーション反応によって中性子過剰核
Sを生成し、そこからのベータ崩壊および遅発中性子放出ベータ崩壊によってClの励起状態を得た。得られた実験データをSDPFSDG-MU相互作用を用いた大規模殻模型計算と比較し、よい一致を得た。
山本 風海; 守屋 克洋; 沖田 英史; 山田 逸平; 地村 幹; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 昌亘; 森下 卓俊; et al.
Journal of Neutron Research, 26(2-3), p.59 - 67, 2024/01
J-PARC Linacおよび3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを中性子実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために運転している。これまで進めてきたビーム調整および機器改良により、当初想定よりもはるかに低いビームロス量で1MWのビーム運転を行うことが出来ている。現在のビーム出力はビームロスではなくRCSの高周波加速空胴の電源容量によって制限されている。近年、RCSグループではより少ない消費電力でビームを加速することのできる新しい構造の加速空胴の開発に成功した。この空胴によって、利用運転中に加速空胴で消費される電力を大幅に削減することが出来、さらに1MW以上の大出力での運転も可能となる。これまでの試験結果から、RCSの加速空胴を全て新しい物へ更新すれば、1.5MW以上の大出力も可能となる事が判っている。今後、中性子利用および主リングシンクロトロンの更なる成果創出のため、2MWを目標にRCSで必要な改良について検討を行った。その結果、高周波空胴の更新以外にも、高周波増幅器の増強やビームモニタの増強が必要であることが判ったため、今後順次更新を進める。
高橋 博樹; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 澤邊 祐希*
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072019_1 - 072019_5, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)J-PARCの3GeVシンクロトロンでは、リフレクティブメモリを用いた同期データシステムを構築している。今後の大強度ビーム運転における、より大きいサイズのデータを扱うという要望に対応するため、新しい同期データ生成手法を考案した。新たな手法は、既存システムにおいては上位計算機が行っている動作を計測系に実装することで、LAN経由のデータ転送による同期データ生成を実現するものである。本研究では、提案した手法を実装した新しい同期データシステムのテストベンチを構築し、性能確認を行った。その結果、LAN経由のデータ転送による新しい同期データシステム開発の目処を得ることができた。本件では、新同期データ生成手法の詳細と性能試験の結果について述べる。
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
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.
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; Saha, P. K.; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2687(7), p.072005_1 - 072005_7, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Atomic, Molecular & Chemical)縦方向位相空間トモグラフィは、ビーム進行方向(縦方向)の位相空間分布を得るための有効な測定ツールである。J-PARCシンクロトロン(3GeVシンクロトロン及びメインリング)の大強度運転時の位相空間分布の測定には、空間電荷効果や集束力の非線形性等のビーム物理を考慮したトモグラフィが必要であった。本研究では、ビーム物理を考慮可能なハイブリッドアルゴリズムを採用したCERN's TomographyのJ-PARCシンクロトロンへの導入とベンチマークを実施した。ベンチマークの結果、J-PARCシンクロトロンの大強度運転条件における位相空間分布を高精度に測定可能であることを確認した。
町田 慎二*; Huang, H.*; Saha, P. K.
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.670 - 674, 2023/12
This is the summary of all presentations and discussions of the working group C on the accelerator systems as a role of convener of this working group at the 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams, named HB2023 held at CERN during October 9-13, 2023. The talks were selected keeping 100% geographical balance and covering all parts of circular accelerators at present and future ones. The presentations were chaired sharing by 3 conveners and a report was presented by me at the final day. This summary gives an overview of the accelerator systems of mostly all high-intensity accelerators worldwide presently operating, upgrade strategies and new techniques for next generation accelerators.
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
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100
g/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。
beam at J-PARC RCSSaha, P. K.; 原田 寛之; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.59 - 63, 2023/11
To overcome the issues and practical limitations associated with the stripper foil used for the charge-exchange injection (CEI) of H beam for high-intensity proton accelerators, we are studying a foil-less H CEI by using only lasers at J-PARC RCS. To establish our principle, we are preparing for a POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H stripping to proton by using lasers. We will use both IR and UV lasers in the process of H stripping to protons. A prototype YAG laser system has been developed through experimental studies of 3 MeV H neutralization. We have also developed a multi-reflection laser cavity system to sufficiently reduce the seed laser energy. We have succeeded for 32 reflections to gain on the laser energy up to 16 to obtain a neutralization fraction of 25%. To realize a perfect benefit of the cavity, we also recently developed higher efficient vacuum windows by which we can achieve the laser energy gain to almost 32, proportional to the number of reflections. As a result, the average power of the seed laser can be reduced to 1/32, which is more useful for the UV laser. The laser setup at the 400 MeV beam line is in progress to start POP experimental studies in 2024.
小島 邦洸; 原田 寛之; Saha, P. K.
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.127 - 131, 2023/11
本研究はJ-PARCにある3GeVシンクロトロン(Rapid cycling synchrotron: RCS)のビーム大強度・高品質化に貢献するものである。大強度陽子加速器において出力を制限する最大の要因はビーム損失に起因する装置の放射化である。そのため、ビーム損失の低減は大強度化を目指す上で重要度の高い課題である。現在、RCSでは、設計出力1MWの大強度ビームにおいてビーム損失を0.1%程度にまで低減することに成功している。空間電荷力の影響を受けにくい位相空間内の振幅の大きな粒子はビーム損失の原因となりやすい。つまり、動作点近傍のビーム損失起源となる共鳴の同定と補正は安定領域の拡大とビーム損失の低減をもたらし、より一層の大強度化に貢献する。RCSにおけるビーム損失起源の同定に向け、ビーム重心が水平・進行方向の位相空間内を大振幅で振動するような特殊な入射ビームを用いた実験を実施した。その結果、クロマティシティとシンクロトロン振動で生じるチューンシフトによるビームの2次非構造共鳴(
)への抵触がビーム損失に繋がることを明らかにした。さらに、補正四極電磁石6台をそれぞれ励磁し、当該共鳴が補正可能であることを実証した。今後は補正四極電磁石の励磁量の最適化を進めていく。本発表では、これらの実験結果を報告し、ビーム損失起源とその補正手法について議論する。
田村 文彦; 沖田 英史; 發知 英明*; Saha, P. K.; 明午 伸一郎; 吉井 正人*; 大森 千広*; 山本 昌亘; 清矢 紀世美*; 杉山 泰之*; et al.
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.64 - 68, 2023/11
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は物質・生命科学実験施設(MLF)およびメインリング(MR)に大強度陽子ビーム供給を行っている。RCSのハーモニック数hは2で、通常は2つのバンチを加速している。MLFのいくつかの実験では1バンチでのビーム供給が好ましいが、この場合1つのRFバケツを空きバケツとして加速を行うため、ビーム強度は半分となってしまう。RCSのハーモニック数を1として加速できれば、1バンチあたりの強度は2倍となり、最大強度での1バンチビーム供が可能となる。一方MRは、バンチあたりの粒子数を設計より上げることができるならば、1バンチずつ8回の入射を行うことで現在の設計ビームパワー1.3MWを超える運転ができる可能性がある。本発表では、主にRCSでの縦方向シミュレーションによるh=1加速の検討について報告する。
山本 風海; 守屋 克洋; 沖田 英史; 山田 逸平; 地村 幹; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 昌亘; 森下 卓俊; et al.
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.270 - 273, 2023/10
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを中性子実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために運転している。これまで進めてきたビーム調整および機器改良により、当初想定よりもはるかに低いビームロス量で1MWのビーム運転を行うことが出来ている。そのため、現在のビーム出力はビームロスではなく高周波加速空胴の電源容量によって制限されている。近年、RCSグループではより少ない消費電力でビームを加速することのできる新しい構造の加速空胴の開発に成功した。この空胴によって、利用運転中に加速空胴で消費される電力を大幅に削減することが出来、さらに1MW以上の大出力での運転も可能となる。これまでの試験結果から、RCSの加速空胴を全て新しい物へ更新すれば、1.5MW以上の大出力も可能となる事が判っている。今後、中性子利用および主リングシンクロトロンの更なる成果創出のため、2MWを目標にRCSで必要な改良について検討を行った。その結果、高周波空胴の更新以外にも、高周波増幅器の増強やビームモニタの増強が必要であることが判ったため、今後順次更新を進める。
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.
菖蒲田 義博; 原田 寛之; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 田村 文彦; 富樫 智人; 渡辺 泰広; 山本 風海; 山本 昌亘
Proceedings of 68th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (HB2023) (Internet), p.162 - 169, 2023/10
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、キッカーインピーダンスによってビームが不安定になる。大きな横方向エミッタンスの場合、このビームの不安定性は抑制可能で、横方向のフィードバックシステムなしで、1MWビームを安定的に物質・生命科学実験施設に供給できる。しかし、Main Ringにビームを供給する場合には、より小さな横方向エミッタンスを持つ大強度ビームが必要である。そこで、ダイオードスタックと抵抗器を使用したキッカーインピーダンスを抑制するスキームの実用化をした。これにより、ビームの不安定性を低減しながら、RCSから正常にビームを出射することが可能になった。
beam at J-PARCSaha, P. K.; 原田 寛之; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計; Johnson, D. E.*
Proceedings of 14th International Particle Accelerator Conference (IPAC 23) (Internet), p.2335 - 2338, 2023/09
We are studying the laser manipulations of H ion beam for single or double neutralization for multi-dimensional applications to utilized in accelerator processes such as stripping, pulse chopping, collimation, extraction, and beam diagnostics for the present and future high-intensity proton accelerators. At J-PARC, a POP (Proof-of-Principle) demonstration 400 MeV H stripping by using only lasers is under preparation. A prototype YAG laser system and a laser cavity system to reduce the laser power has been developed and tested for 3 MeV H neutralization. This allows us established a new generation laser cavity system by recycling/reusing of the seed laser pulse to maximize the interaction efficiency by minimizing pulse energy of the seeder, which can be beneficial for both J-PARC and Fermilab. In addition, we are also developing non-destructive beam diagnostic systems single neutralization at lower H energy, which will be implemented to 400 MeV and can also be easily applicable to Fermilab present Linac including future PIP-II Linac. The 400 MeV H stripping and POP experimental study is expected to start in 2023.
菖蒲田 義博; 原田 寛之; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 田村 文彦; 富樫 智人; 渡辺 泰広; 山本 風海; 山本 昌亘
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 26(5), p.053501_1 - 053501_45, 2023/05
被引用回数：1 パーセンタイル：30.87(Physics, Nuclear)大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを出射させるキッカー電磁石のインピーダンスがビームの不安定性を励起することが理論的に予測されてきた。しかしながら、物質・生命科学実験施設に供給されるビームは大きいエミッタンスを持つので、1MWの大強度ビームであっても適切なマシーンパラメタを選べば、ビームの不安定化を抑制することができる。一方で、メインリングに供給されるビームは、小さいエミッタンスを持つので、キッカーのインピーダンスの低減が必須である。そこで、ダイオードと抵抗器を用いたデバイスを使うキッカーインピーダンスを抑制する方式を提案し、その抑制効果を実証した。しかし、J-PARC RCSは25Hzの繰り返し周波数で連続動作させる必要があり、実用化のためには、耐熱性の高い特殊なダイオードを開発する必要があった。この課題を解決するため、本研究において連続運転に耐えうる抵抗付きダイオードを開発した。これにより小さいエミッタンスを持つ大強度のビームの不安定性も抑制できることを実証することができた。またシミュレーションにより、この方式で少なくとも5MWのビーム運転にも利用でき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.
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
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。
