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論文

Vacuum tube operation analysis under multi-harmonic driving and heavy beam loading effect in J-PARC RCS

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*; Schnase, A.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 835, p.119 - 135, 2016/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Instruments & Instrumentation)

J-PARC RCSでは、金属磁性体を装荷した広帯域加速空胴でマルチハーモニックの電圧を発生させることができる。しかし、マルチハーモニックの下での真空管動作解析は、多変数の解析が必要となり非常に複雑である。過去の動作解析は、真空管の特性曲線から目視で読み取るか、シングルハーモニックで波形を仮定した解析しか行われていなかった。真空管動作を自動で解析するコードを開発し、マルチハーモニックの下でも真空管動作を解析することに初めて成功した。開発したコードは実際の大強度陽子ビーム加速試験において検証され、計算結果と測定結果がよく一致することを確認した。この解析手法の開発により、大強度陽子シンクロトロン加速器における真空管動作の正確な計算が行えるようになり、ビームの品質向上に寄与することが期待される。

論文

High intensity single bunch operation with heavy periodic transient beam loading in wide band RF cavities

田村 文彦; 發知 英明; Schnase, A.*; 吉井 正人*; 山本 昌亘; 大森 千広*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 長谷川 豪志*; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 18(9), p.091004_1 - 091004_8, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.56(Physics, Nuclear)

J-PARC RCSは2バンチ加速するように設計されているが、MLFの中性子実験やMRビームを用いたミューオン実験において、RCSでの大強度シングルバンチ運転が必要とされるようになった。シングルバンチ運転においては、広帯域RF空胴に生じる奇数次のウェーク電圧成分によりバケツの歪みが生じ、縦方向のビームロスを生じるために、ビーム強度は制限されていた。このため、奇数次のウェーク電圧成分を補償するために、追加のフィードフォワードシステムをインストールした。追加されたシステムは、偶数次のフィードフォワードシステムと同様の構成である。この論文では、追加のフィードフォワードシステムの機能、調整手法、調整結果の詳細について報告する。フィードフォワードによる奇数次成分の補償により、縦方向のビームロスが消失した。また、シングルバンチ加速でのビーム品質は、フィードフォワードによる補償によって、2バンチ運転のものと同様に保たれていることを、縦方向および横方向のビーム測定により確かめた。2.3$$times$$10$$^{13}$$ppbという大強度のシングルバンチ運転が可能となった。

論文

Ribbon thickness dependence of the magnetic alloy core characteristics in the accelerating frequency region of the J-PARC synchrotrons

野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 高田 耕治*; 戸田 信*; 吉井 正人*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 749, p.84 - 89, 2014/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.28(Instruments & Instrumentation)

高いシャントインピーダンスを持つ金属磁性体コアの開発を行っている。コアのシャントインピーダンスはビームパワーを高めるために重要なパラメータである。我々は2つの方向からこのシャントインピーダンスを高めようとしている。一つは磁場中熱処理により磁気特性を向上させる方法。もう一つはコアを構成しているリボンの板厚を薄くすることにより渦電流の効果を弱める方法である。この論文では後者の方法について述べている。

論文

J-PARC MR遅い取り出しにおける運動量ロスとその対策

田村 文彦; 山本 昌亘; 大森 千広*; 吉井 正人*; Schnase, A.*; 野村 昌弘; 冨澤 正人*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.125 - 129, 2014/06

J-PARC MRでの遅い取り出しにおいては、陽子ビームをデバンチさせるためにRF電圧をオフにする必要がある。ビームが十分にデバンチするまでの間、空胴のインピーダンスにより、加速ギャップにウェーク電圧が発生し、ビームは運動量を失う。J-PARC MRでは比較的低いビームパワーでも 有意な運動量ロスを観測している。運動量のロスが大きくなると、クロマティシティの効果によりチューンの広がりが大きくなり、取り出し効率を下げる原因となることが判明している。高い取り出し効率を保ちつつビームパワーを上げるためには、デバンチ過程での運動量ロスの低減が必須である。本発表では、運動量ロスの実際について報告するとともに、その対策について報告する。RFフィードフォワード法を用いたビームローディング補償により、20kWのビームパワーにおいても運動量ロスを大幅に低減させることに成功し、99.5%の高い取り出し効率を達成した。

論文

高インピーダンス金属磁性体コアの研究

野村 昌弘; 山本 昌亘; 島田 太平; 田村 文彦; 大森 千広*; 戸田 信*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 吉井 正人*; Schnase, A.*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.217 - 220, 2014/06

J-PARCシンクロトンでは高周波加速空胴に金属磁性体コアを採用している。高いシャントインピーダンスを得るために、コアの占積率,リボン板厚,磁化過程を変えてシャントインピーダンスの測定を行った。コア巻きテンションを強くして占積率を高めた場合は、強いコア巻きテンションンの影響で磁気特性が劣化し、逆にシャントインピーダンスは低くなった。薄いリボンや磁化過程が回転磁化のコアは加速周波数領域まで高い透磁率が保たれ、高いシャントインピーダンスを得ることができた。本成果は、加速器を安定に運転するうえで、重要な成果である。

論文

Inner diameter change over the years of MA cores of RF-cavities at the J-PARC 3 GeV synchrotron

島田 太平; 野村 昌弘; 田村 文彦; 山本 昌亘; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*; Schnase, A.*; et al.

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.2750 - 2752, 2013/06

J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、必要な加速電圧を得るために11台の高周波加速空胴が設置されており、合計198枚の金属磁性体コア(MAコア)が使用されている。コアの寸法は、外直径850mm、内直径375mm、厚さ35mmである。2007年10月の加速器の運転開始以降、幾つかのコアの内面で座屈が発生し、ビーム運転に支障が生じた。この座屈の原因調査の一環として、コアの内面形状を約2年の間をおいて測定した。その結果、座屈の発生、内径の真円からのずれ及び内径の経年変化がコアの製作過程における樹脂の含浸方法とかかわっていることが見いだされた。現在、座屈が発生しにくいよう製造方法を採用したコアと順次交換している。本発表では、コアの樹脂含浸方法と内面形状の関係及びその経年変化を報告する。

論文

Commissioning of beam loading compensation system in the J-PARC MR

田村 文彦; 大森 千広*; 山本 昌亘; 吉井 正人*; Schnase, A.*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.2540 - 2542, 2013/06

ビームローディング補償はJ-PARC MRにおいて大強度ビームを加速するのに不可欠である。MA空胴は単一ハーモニック(h=9)で駆動されるが、空胴の帯域には隣のハーモニクス(h=8,10)も含まれるため、ウェーク電圧はこれらのハーモニクスの重畳となる。これら3つのハーモニクスのビームローディング補償として、われわれはrfフィードフォワード法を採用している。フルデジタルのフィードフォワードシステムを開発した。8つの空胴すべてについて、1.0$$times$$10$$^{14}$$pppの大強度ビームを用いて調整を行った。調整結果について報告する。ビームの見るインピーダンスを下げ、縦方向振動を減少させることに成功した。200kWのビームパワーでの運転に成功した。

論文

Influence of core winding tension and ribbon quality on the MA core RF characteristics

野村 昌弘; Schnase, A.*; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.2747 - 2749, 2013/06

J-PARCシンクロトロンのための金属磁性体コアを開発中、コア巻きのテンションを下げることにより層間絶縁の改善を行った。その結果コアの占積率は低下したにもかかわらず、コアのシャントインピーダンスは高くなった。コア巻きのテンションと層間絶縁の改善のコアシャントインピーダンスへの影響について研究した。

論文

Multiharmonic RF feedforward system for compensation of beam loading and periodic transient effects in magnetic-alloy cavities of a proton synchrotron

田村 文彦; 大森 千広*; 山本 昌亘; 吉井 正人*; Schnase, A.*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 16(5), p.051002_1 - 051002_12, 2013/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:65.06(Physics, Nuclear)

ビームローディング補償はJ-PARC MRでの大強度陽子加速において重要である。高電圧加速実現のため、Q=22の金属磁性体空胴が使用されている。空胴は単一ハーモニックで駆動されているが、空胴帯域には隣のハーモニクスも含まれるため、ウェーク電圧はこれら3つのハーモニック成分を持つ。これらの補償のために、RFフィードフォワード法を採用した。フルデジタルのマルチハーモニックフィードフォワードシステムを開発し、大強度ビームを用いて調整を行った。調整の結果、縦方向振動が減少し、大強度運転が可能になった。

論文

Iterative Kappa magnet pole shape optimization for MA core annealing

Schnase, A.; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 野村 昌弘; 大森 千広*; 島田 太平; 田村 文彦; 戸田 信*; 山本 昌亘; 吉井 正人*

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1204 - 1208, 2012/08

The accelerator cavities of J-PARC synchrotrons RCS and MR are loaded with Finemet FT3M cores. The performance of such MA (Magnetic alloy) cores can be improved with an external B-field during annealing. Such small size cores are available as FT3L. As the maker has no suitable magnet to operate while annealing large cores, we reused a magnet in the J-PARC Hadron hall for the trial production of large size cores similar to FT3L. This magnet was returned to the experiment group. The next setup uses the so-called Kappa magnet for a mass production scenario. The pole distance of the Kappa magnet is matched to the oven used for annealing. The pole surfaces are extended to reduce the current that gives the required B-field where the MA core is located in the oven. We describe a procedure, where the 2D magnet pole geometry is defined in Excel. An Excel macro calls the static field solver. The simulation results are processed and read back. This allows geometry studies, while keeping simulation results of magnet current and field distribution along the MA core consistent, although the magnet yoke is non-linear and several iterations are needed to find the current for the required B-field.

論文

J-PARC MRのマルチハーモニックRFフィードフォワードシステムの調整

田村 文彦; 大森 千広*; 山本 昌亘; 吉井 正人*; Schnase, A.; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.89 - 93, 2012/08

大強度陽子ビーム加速のためには、加速空胴に発生するウェーク電圧によるビームローディングの補償は重要な課題である。J-PARC MRでは、金属磁性体(MA)空胴を採用し、空胴のQ値を20程度に調整することで、無同調で加速ハーモニック($$h$$=9)の周波数スイープをカバーすることを可能としている。その一方で、空胴帯域には加速ハーモニックに隣接するハーモニクス($$h$$=8, 10)も含まれるため、ウェーク電圧は加速ハーモニック成分及び、これら隣接するハーモニック成分の重畳となっており、これら3つのハーモニック成分のwake電圧をキャンセルすることが必要である。J-PARC MRでは、J-PARC RCSと同様にRFフィードフォワード法を採用し、マルチハーモニック($$h$$=8, 9, 10)のビームローディング補償を行うことを目指している。本発表では、大強度の陽子ビーム(1.0$$times$$10$$^{14}$$ ppp, 約200kW相当)を用いた、マルチハーモニックRFフィードフォワードシステムの調整、及びビーム運転の結果について報告する。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトロン高周波加速空胴用金属磁性体コアの内直径の測定及びその経年変化

島田 太平; 鈴木 寛光; 山本 昌亘; Schnase, A.; 戸田 信*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 野村 昌弘; 田村 文彦; et al.

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1143 - 1145, 2012/08

J-PARC 3GeVシンクロトロンの高周波加速空胴では、外直径約850mm、内直径約370mmの金属磁性体コア198枚を使用している。2007年10月のシンクロトロンの運転開始以来、幾つかのコアで座屈による損傷が発生した。その原因調査の一環として、メンテナンスで空胴を解体した際、コアの内直径の測定を行った。コアの製造方法の違いにより、内径の真円からズレの度合いに一定の傾向があることがわかった。また、座屈が発生したコアを除き、ほとんどのコアでは、経年による形状変化は認められないが、一部のコアでは、扁平の度合いが大きくなっている傾向が観測されている。約2年の経年による内径の変化についても報告する。なお、現在、座屈防止に有効なコアの製造方法が確立され、夏期のシャットダウン時に順次コアの交換が進められている。

論文

A Convenient way to find an electrical insulation break of MA cores in J-PARC synchrotrons

野村 昌弘; Schnase, A.; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 668, p.83 - 87, 2012/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:55.75(Instruments & Instrumentation)

J-PARCシンクロトロンでは、高い加速電圧を得るために金属磁性体コアを用いている。このコアの層間絶縁を改善するために、われわれは動径方向にDC抵抗値を測定することにより層間絶縁の破れを見つける方法を開発した。その結果、この方法で得られたデータをもとに、コア製造過程を改良することによりコアの層間絶縁を改善することができた。

論文

J-PARCシンクロトロンRF空胴のインピーダンス測定

野村 昌弘; 田村 文彦; Schnase, A.; 山本 昌亘; 長谷川 豪志*; 島田 太平; 原 圭吾*; 戸田 信*; 大森 千広*; 吉井 正人*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1263 - 1266, 2011/12

J-PARCシンクロトン(RCS, MR)RF空胴では、高い加速電圧を達成するために、通常用いられているフェライトコアの代わりに金属磁性体コアを採用している。RCSではアンカットコアを採用し、MRではQ値を0.6から26に高めるために、カットコアを採用している。本論文では、インピーダンスの測定結果から、RCSの座屈対策を施した空胴の状況、MRカットコア切断面の錆び対策の有効性について述べる。また、2011年3月11日に起きた東日本大震災の影響についても述べる。

論文

Condition of MA cut cores in the RF cavities of J-PARC main ring after several years of operation

野村 昌弘; Schnase, A.; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 佐藤 智徳; 山本 正弘; 絵面 栄二*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; et al.

Proceedings of 2nd International Particle Accelerator Conference (IPAC '11) (Internet), p.107 - 109, 2011/09

J-PARCの2つのシンクロトロンでは、金属磁性体コアを採用している。MR RF空胴でインピーダンスの低下が観測された。RF空胴を開け調査した結果、インピーダンスの低下はカットコアの切断面の腐食が原因であった。この腐食を促進した原因は、冷却水中に含まれる主電磁石ホロコンからの銅イオンと考えられる。

論文

Achievement of very low jitter extraction of high power proton beams in the J-PARC RCS

田村 文彦; 吉井 正人*; Schnase, A.; 大森 千広*; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 647(1), p.25 - 30, 2011/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:57.93(Instruments & Instrumentation)

J-PARC 3GeV RCSは大強度陽子ビームをMLF及びMRに供給している。RCSの繰り返しは25Hz、J-PARC全体の繰り返し周期は3.2秒であり、これはRCSサイクル80回に相当する。このうち4発のビームパルスはMRに送られ、残りはMLFに供給される。MR入射はbucket-to-bucket入射方式をとっており、RCSからのビームは適切なRFバケットの中心に入射されなければならない。MLFの場合、ビームはフェルミチョッパーに同期しなければならないが、ジッターは100ns程度しか許されない。このようにRCSのビームは低ジッターでなければならない。このようなビーム取り出しを実現するために、J-PARCではACライン非同期での動作を行っている。また、MA空胴とデジタルLLRFシステムも採用され、再現性の非常に高いRF加速電圧波形を実現している。大強度の場合にはビーム位相フィードバックを動作させないといけないが、位相フィードバックは、ビームタイミングのジッターの原因になる。このため、位相フィードバックにゲインパターンをかけることで、位相フィードバックの取り出しタイミングへの影響を排除した。結果、300kWという大強度ビームの取り出しジッターを1.7nsに抑えることに成功した。

論文

J-PARC RCSにおけるマルチハーモニックビームローディング補償

田村 文彦; Schnase, A.; 山本 昌亘; 大森 千広*; 吉井 正人*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.76 - 80, 2011/08

J-PARC RCSでは、広帯域(Q=2)の金属磁性体空胴を採用することで、高い加速電界を実現するとともに、2倍高調波を重畳したRF電圧を発生させ、縦方向のバンチ整形を実現している。その一方で、広帯域であるために、空胴に発生するwake電圧も高調波の成分を持つ。大強度陽子ビームの加速に際しては、加速周波数の基本波成分のビームローディングのみならず、wakeの高調波成分によるRFバケツの変形も問題となる。このため、RFフィードフォワード法によるマルチハーモニックのビームローディング補償システムを開発した。Wake電圧をキャンセルするためのフィードフォワード振幅及び位相のパターン調整を確立し、11台のすべての空胴について、300kW相当の大強度ビームを用いてフィードフォワードの調整を行った。シムテムの概要、調整手法の詳細について報告する。加速全域にわたりビームの見るインピーダンスを大幅に下げることに成功した。ビームローディング補償を行うことにより、ビームの品質が改善し、またビームロスを減らすことにも成功した。

論文

J-PARC MR horizontal exciter test for transversal noise application

Schnase, A.; 佐藤 健一郎*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 魚田 雅彦*; 吉井 正人*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.338 - 342, 2011/08

To improve the duty factor of the proton beam, extracted by slow extraction to the Hadron hall, we applied transversal noise using the existing horizontal exciter in J-PARC Main-Ring (MR). For noise center frequencies of 5 and 7.5 MHz, operation was possible; however in a band above 6 MHz, we noticed that the pressure in the vacuum chamber increased near the exciter structure. Higher noise center frequencies seem to improve the duty factor seen by the Hadron experiment, therefore we tried frequencies near 30, 25, and 20 MHz. Problems with vacuum pressure rise prevented longer time operation. Therefore, we mapped safe and unsafe operation points as function of frequency and amplifier output power. We found a safe operation area for the extraction beam time planned for the April 2011 run, however due to the big Tohoku earthquake the beam time was postponed. Improved noise signals, where the amplitude distribution is independent of noise bandwidth have been created and we drove the exciter with them to confirm the feasibility. We confirmed that a solenoid around the exciter improves the multi-pactor issues. With a solenoid current of 2 A, the frequency range from 1 to 35 MHz is free from vacuum problem for the whole output power range of the used 1 kW RF transistor-amplifiers.

論文

J-PARC MRの加速ギャップショート用真空リレーの高周波加熱試験

島田 太平; 山本 昌亘; 田村 文彦; 大森 千広*; Schnase, A.; 野村 昌弘; 戸田 信*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 吉井 正人*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1303 - 1306, 2011/08

J-PARC Main Ringでは、ハドロン物理学の実験のために遅い取り出しを行う際、フラットトップにおいて、ビームをデバンチする。その時、高周波加速電圧をOFFし、さらに加速ギャップをリレーでショートする。この操作は、約6秒の加速の繰り返し周期ごとに行われる。このリレーには、加速中、最大15kVの高周波電圧が加わり、ギャップをショートした瞬間にピークの平均電流で数A,約1.72MHzの高周波電流が流れる。そのため、真空リレーを採用している。最近、MRの大電流化が進むにつれて、リレーの仕様範囲内で使用しているにもかかわらず、この真空リレーあるいはその周辺に熱的と思われる損傷が見られるようになった。そこで、1kWの半導体アンプと空冷ダミーロードを使用して、真空リレーにビーム電流を模擬した高周波電流を流し、発熱の状況を観察し、損傷の原因を考察した。

論文

Multiharmonic RF feedforward system for beam loading compensation in wide-band cavities of a rapid cycling synchrotron

田村 文彦; 山本 昌亘; 大森 千広*; Schnase, A.; 吉井 正人*; 野村 昌弘; 戸田 信*; 島田 太平; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 14(5), p.051004_1 - 051004_15, 2011/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:30.61(Physics, Nuclear)

J-PARC RCSでの大強度ビーム加速のためには、ビームローディング補償が必要である。RCSで使われる金属磁性体空胴はワイドバンドの特性を持つために、wake電圧は加速周波数だけでなく高調波の成分も持つ。このwake電圧を補償するために、マルチハーモニック ($$h=2,4,6$$を補償する)のRFフィードフォワードシステムを開発した。システムの機能について述べる。wakeをキャンセルするための、フォードフォワードの振幅及び位相パターンの調整方法は自明ではないが、調整手法を確立したので述べる。調整結果について述べ、また、フィードフォワードによるビーム運転の向上について述べる。

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