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ion source柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 大越 清紀; 川井 勲*; 池上 清*; 小栗 英知
JPS Conference Proceedings (Internet), 45, p.011155_1 - 011155_10, 2026/06
In the recent J-PARC user operation from 8th November 2023 to 1st July 2024, a single J-PARC radio frequency (RF) hydrogen negative ion (H ion) source generated an H ion beam with its continuous operation of 4,962 hours (approximately 6.8 months). The extracted beam current for the user operation is 60 mA under input RF power to the ion source of 25 - 30 kW. The key component of the RF ion source is the internal antenna coil. A new J-PARC-made antenna coil is manufactured to enable a stable supply of the ion source components for the J-PARC operation. Endurance tests and soundness evaluations were performed for several antenna samples at the offline test stand to judge the availability of the prototype.
柴田 崇統*; 中野 治久*; 和田 元*; 神藤 勝啓; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 小栗 英知
JPS Conference Proceedings (Internet), 45, p.011154_1 - 011154_8, 2026/06
大強度陽子加速器施設では、高周波駆動型負水素(H)イオン源が数か月間メンテナンスフリーで安定なHビーム特性を持った運転のための粒子源として用いられている。高周波駆動型イオン源は、入力する高周波の周波数でビーム電流や位相空間が振動する特徴がある。この振動は、加速器のTwissパラメータのミスマッチを起こす可能性がある。そこで、モンテカルロ法による粒子衝突を含めた3次元PICモデル計算を開発し、ビーム振動機構を明らかにすることを進めてきた。イオンビーム引出領域についてのシミュレーション計算の結果では、アンテナによる誘導電圧による「ポンピング効果」が見られた。このポンピング効果は、高周波のある位相でイオン源内のRFプラズマのドライバ領域での電子や陽子がビーム引き出し領域へ引っ張り出されることが示された。アンテナの電圧がプラズマ電極に対して正電圧になる場合、陽子束がプラズマ電極に引き込まれてH生成が増大化し、ビーム引出孔近傍に蓄積する。アンテナの電圧が負電圧になる場合、蓄積したHイオンがビームとして引き出される。この描像がビームが高周波の周波数で振動する原因であることが分かった。
神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之*; 上野 彰; 小栗 英知
JPS Conference Proceedings (Internet), 45, p.011137_1 - 011137_10, 2026/06
実験施設からのビーム強度増強の必要性に応える形で、J-PARCでは2014年秋にセシウムを導入した高周波(RF)駆動の負水素(H)イオン源の運転を開始した。RF駆動のイオン源は、ビームエネルギー50keV、最初は33mAで、2016年1月より47mAで、2018年10月以降は60mAのビーム電流でHビームを引き出してきた。最後のビーム電流値は、リニアックが所期設計時のビーム電流である50mAのHビームを、早い繰り返しの3GeVシンクロトロン(RCS)に入射する条件を満たしている。2021年/2022年の運転までは、1年間の運転期間に1から3回のイオン源の交換を行ってきた。その理由は、RF駆動型イオン源が利用運転を止めてしまうような深刻な問題を起こさずにビームを送ることができる運転寿命を明確に示すことが困難だったからである。しかしながら、2022年/2023年の運転以降は、期間を通して単一のRF駆動型負水素イオン源による連続運転でビームを供給できてきた。この10年間では、3回のRFアンテナコイルの破損といくつかの問題に出くわした。本発表では、RF駆動型Hイオン源の運転に関する統計データとともに、ビーム電流の増強化などの将来のJ-PARCアップグレードやJ-PARC製RFアンテナコイルの開発状況を報告する。
神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 飛田 健太郎*; 池上 清*; 上野 彰
Journal of Physics; Conference Series, 3237(1), p.012065_1 - 012065_8, 2026/05
It is important to note that more than a decade has elapsed since the radiofrequency (RF)-driven negative hydrogen (H) ion source initiated operation in the autumn of 2014 at J-PARC. Since the 2022/2023 campaign, H beams with a beam current of 60 mA have been generated by a single RF-driven H ion source during a campaign. The continuous operation time of the ion source reached 4,962 hours during the 2023/2024 campaign. In the 2024/2025 campaign, a single RF-driven H ion source functioned continuously for 4,289 hours to produce H beams with a beam current of 62.5 mA for the J-PARC users and 75 mA for the accelerator beam studies. The objective of these studies is to prepare for higher beam delivery of a proton beam to the experimental facilities in future. Concurrently, we are engaged in R&D activities of the ion source toward advancement.
近藤 恭弘; 地村 幹; Cicek, E.*; 福井 佑治*; 二ツ川 健太*; 不破 康裕; 後藤 陸斗*; 平野 耕一郎; 石川 将樹*; 伊藤 崇; et al.
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.124 - 129, 2026/03
J-PARCリニアックではさまざまなアップグレード計画が進行中であり、その中でも繰り返し周波数倍増計画は最も重要なものである。現在、リニアックは400MeVの負水素イオンビームを、3GeVシンクロトロン(RCS)へ25Hzの繰り返し周波数で供給している。しかし、RCSと計画中の陽子ビーム照射施設の両方に同時にビームを供給するためには、繰り返し周波数を25Hzから50Hzに引き上げる必要がある。照射施設へのビームライン建設に先立ち、2025年5月に現状可能な範囲でのリニアック機器の50Hz動作検証を実施した。また、J-PARC加速器における最も重要な安全装置の一つである粒子数カウンターシステムについても、50Hz動作の検証を行った。その結果、重大な問題は確認されず、今後予定されている50Hzビーム加速実証に向けた準備が整った。本論文では、J-PARCリニアックにおけるビーム加速を伴わない50Hz動作実証の詳細について述べる。
柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 飛田 健太郎*
Proceedings of 22nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.580 - 583, 2026/03
将来のJ-PARCアップグレードにとって、ビーム強度の増強化は重要なタスクの1つである。そのためにイオン源からより大強度で安定な負水素イオンビームを供給することが求められている。我々はイオン源テストスタンドを用いてビーム電流の増強に関する試験を行った。初段加速器である高周波四重極加速器への入射条件を考慮して、ビームエネルギーは現在と同じ52.5keVとして、90mAの負水素イオンビーム電流の引き出しに成功した。現在のJ-PARC利用運転でイオン源より供給している60mAの負水素イオンビーム電流の場合と比較して、ビーム電流は1.5倍になったにも拘らず、ビームの広がりの指標であるエミッタンスは、10%の増加にとどまったことが分かった。テストスタンドで現在のイオン源より52.5keV/90mAの負水素イオンビーム引き出して6時間の連続運転試験を実施し、安定したビーム引き出しが可能であることも確認した。
柴田 基樹*; 竹中 幹人*; 元川 竜平; 熊田 高之; 上田 祐生; 宮崎 司*; 中西 洋平*; 阿部 淳*; 岩瀬 裕希*; 柴山 充弘*; et al.
Polymer, 340, p.129203_1 - 129203_7, 2025/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Polymer Science)The development of effective plastic degradation methods is crucial to address environmental pollution. Hydrothermal liquefaction using near-critical water is a promising technology, but the fundamental dissolution and decomposition mechanisms remain poorly understood. This study investigates the thermodynamics of a polystyrene (PS)/water system under near-critical conditions to elucidate this mechanism. We performed in situ small-angle neutron scattering (SANS) to observe the swelling of PS particles in deuterated water (D
O) at various temperatures under pressures of 10 MPa and 25 MPa. By applying the 
(FHS) theory to the swelling data, We quantitatively determined the Flory-Huggins interaction parameter as a function of temperature and pressure by applying the FHS theory to the swelling data. Based on these results, we constructed a phase diagram of the PS/DO system. The diagram reveals that miscibility increases with increasing pressure. This work provides a thermodynamical properties of water solutions of polymers under near-critical conditions for optimizing industrial hydrothermal recycling processes.
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.
ion beam at J-PARC frontend柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 神藤 勝啓; 大越 清紀; 川井 勲*; 北村 遼; 森下 卓俊; 近藤 恭弘; 佐藤 洋一*
Proceedings of 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (Internet), p.514 - 516, 2025/11
J-PARCでは、将来のビーム出力増強化に向けてイオン源からのビーム電流増大化を進めている。J-PARCの高周波負水素(H)イオン源より、後段加速器である高周波四重極線形加速器(RFQ)に適合したビームエネルギー52.5keVで90mAのHビームの引き出しに成功した。テストスタンドで実機RFQ入口を想定した位置での90mAのHビームの位相空間の測定を行った結果、95%RMSエミッタンスで0.31
mm mradであった。これは、J-PARC加速器での利用運転時のHビーム電流60mAの時のエミッタンス0.27 mm mradに比べて想定しうる大きさの範囲であり、現在のRFQで加速できる位相空間分布に収まることを確認した。テストスタンドで現在のイオン源より52.5keV/90mAのHビーム引き出して6時間の連続運転試験を実施し、安定したビーム引き出しが可能であることも確認した。
粟飯原 はるか; 比内 浩; 柴田 淳広; 富田 さゆり*; 駒 義和
Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 8, p.324 - 328, 2025/09
福島第一原子力発電所に滞留数する汚染水にはPuとAmが含まれ、建屋コンクリートを汚染している。汚染の状態を推定するために、汚染のメカニズムを調べることは非常に重要である。そのためセメントペーストと骨材のへのPuとAmの分配比を実験的に求めた。セメントペーストと骨材をPuとAmが含まれる溶液に浸漬し、分配比を取得した。PuとAmのセメントペーストへの分配比は高い値を示し、建屋コンクリートに収着して蓄積していることが示唆された。
-butadiene) reinforced by carbon blackWatanabe, Yuki*; 熊川 大幹*; Karitani, Shu*; 井上 正志*; 岩蕗 仁*; 中西 洋平*; 柴田 基樹*; 元川 竜平; 杉田 剛; 上田 祐生; et al.
Macromolecules, 58(16), p.8641 - 8648, 2025/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Polymer Science)We investigated how the particle size of carbon black (CB) affects the reinforcement of CB to vulcanized poly(styrene-co-butadiene) (SBR) in the glassy region. When the average diameter of CB d is larger than 100 nm, the enhancement of modulus can be expressed by the Eshelby/Mori-Tanaka model, which agrees with the results obtained for an SBR/silica system. On the other hand, at d 
100nm, the volume fraction dependence of the enhancement becomes stronger than the theory's prediction. The scattering studies on the SBR/CB systems revealed that the aggregates of CB at d 100nm consist of densely packed CB, while the aggregates of CB at d 
100nm exhibit branch structures. At d 100nm, the voids or the occluded region in the packed CB increase the volume fraction, resulting in a stronger volume fraction dependence of the enhancement.
田村 由起子*; 荒川 勝利*; 竹中 幹人*; 中西 洋平*; 藤波 想*; 柴田 基樹*; 山本 勝宏*; 宮田 登*; 山田 雅子*; 瀬戸 秀紀*; et al.
Polymer, 333, p.128662_1 - 128662_8, 2025/08
被引用回数：1 パーセンタイル：27.35(Polymer Science)To investigate the relationship between the mechanical properties of silica-filled styrene-butadiene rubber (SBR) and the amount of bound rubber at the filler/rubber interface, the polymer matrix was extracted from silica-filled SBR using toluene at room temperature. In this study, this extraction process was reproduced by leaching a thermally annealed SBR layer deposited on a Si substrate in toluene at room temperature, where the adsorption layer of the SBR was grown at the interface with the substrate by thermal annealing. The SBR adsorption layer on the Si substrate has two-layer structures consisting of an inner and outer adsorption layers, which correspond to the tightly and loosely bound rubbers on the filler surface of the silica-filled SBR, respectively. For the sample annealed for less than 6 h, the outer adsorption layer, loosely bound to the substrate, was easily leached in toluene for 5 min, leaving only the inner adsorption layer on the substrate. For the samples annealed for more than 24 h, a large portion of the outer adsorption layer remained on top of the inner adsorption layer as a terrace structure. However, even for the sample annealed for 24 h, treating with toluene for 24 h completely leached the outer adsorption layer from the inner adsorption layer, although the inner adsorption layer remained on the substrate. It was found that the loosely bound rubber in the silica-filled SBR could be easily extracted from the filler surface, along with the free polymer chains in the polymer matrix during extraction with toluene at room temperature. In contrast, the tightly bound rubber was not leached by toluene at room temperature. This may be because the interfacial polymer chains within approximately 1 nm of the substrate surface were strongly constrained to the substrate, and even toluene molecules were excluded.
宮崎 司*; 宮田 登*; 有馬 寛*; 下北 啓輔*; 山本 勝宏*; 竹中 幹人*; 中西 洋平*; 柴田 基樹*; 青木 裕之; 山田 悟史*; et al.
Colloids and Surfaces A; Physicochemical and Engineering Aspects, 701, p.134928_1 - 134928_8, 2024/11
被引用回数：1 パーセンタイル：5.16(Chemistry, Physical)Isotactic polypropylene (PP) thin films deposited on Si substrates were subjected to neutron reflectivity (NR) measurements under various humidity conditions to evaluate the isothermal adsorption of water accumulated between the PP layer and Si substrate, with focus on the temperature-dependence of the adsorption isotherm. The adsorption of accumulated water followed a single type II isotherm according to the Brunauer-Emmett-Teller (BET) classification, regardless of temperature. This can be attributed to the weak interactions between the PP layer and Si substrate, and between the PP layer and water molecules. Hydrophobic PP does not significantly interact with water molecules and the hydrophilic Si surface. Therefore, the interfacial water molecules are simply adsorbed on the native oxide layer on Si via simple interaction between the water molecules and the silicon oxide surface without being affected by the PP layer. Consequently, the adsorption isotherm of the accumulated water follows the single type II adsorption isotherm regardless of temperature, similar to the adsorption isotherm of water simply adsorbed on exposed silica surfaces. These weak interactions of the PP layer with the Si surface and water molecules also lead to fast diffusion kinetics for the accumulated water along the interface.
神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*; 上野 彰
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.525 - 528, 2024/10
J-PARCで高周波(RF)駆動型負水素(H)イオン源が運転を始めてから10年が経過した。2023/2024年の運転期間中、1台のRF駆動型Hイオン源が、60mAのHビーム電流を発生し、リニアックが50mAのビーム電流を3GeV高繰り返しシンクロトロン(RCS)に入射できるようにした。イオン源の連続運転時間は4,900時間を超え、これまでの最長時間である2022/2023年の期間の4,412時間に比べて運転時間を大幅に更新した。本論文では、2023/2024年のRF駆動型Hイオン源の運転状況と現在開発中であるJ-PARC製高周波内部アンテナの現状について報告する。
イオン源の運転状況柴田 崇統*; 大越 清紀; 上野 彰; 池上 清*; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 小栗 英知
加速器, 21(2), p.94 - 100, 2024/07
2022年11月10日から2023年6月22日までのJ-PARCの利用運転では、高周波負水素イオン源を用いて負水素イオン源からビーム電流60mAで4,412時間の連続運転を達成した。今回が初めての年間を通して利用運転期間に1台のイオン源での運転であった。J-PARCでの将来のアップグレードの要件を満たすために、現在のイオン源を構成する機器の健全性評価を行った。また、新たに製作している高周波アンテナコイルを用いたRFイオン源を現在試験中である。
下北 啓輔*; 山本 勝宏*; 宮田 登*; 柴田 基樹*; 中西 洋平*; 荒川 勝利*; 竹中 幹人*; 木田 拓充*; 徳満 勝久*; 田中 亮*; et al.
Langmuir, 40(30), p.15758 - 15766, 2024/07
被引用回数：5 パーセンタイル：44.42(Chemistry, Multidisciplinary)To investigate the structure of the interface between polyethylene films and substrates, the neutron reflectivity (NR) of deuterated polyethylene (dPE) thin films deposited on Si substrates was measured, demonstrating water accumulation at the interface, even under ambient conditions. After leaching the thermally annealed dPE films in hot p-xylene, NR measurements were conducted on the layers remaining on the substrate, clearly revealing that the adsorption layer of dPE grew during annealing and consisted of two layers, an inner adsorption layer and an outer adsorption layer, as previously proposed for amorphous polymers. The inner adsorption layer was approximately 3.7 nm thick with a density comparable to that of the bulk. The outer adsorption layer was several nanometers thick and appeared to grow insufficiently on top of the inner adsorption layer under the annealing conditions examined in this study. This study clarifying the growth of the adsorption layer of polyethylene at the interface with an inorganic substrate is useful for improving the performance of polymer/inorganic filler nanocomposites due to the wide utility of crystalline polyolefins as polymer matrix materials in nanocomposites.
中西 洋平*; 柴田 基樹*; 澤田 諭*; 近藤 寛朗*; 元川 竜平; 熊田 高之; 山本 勝宏*; 三田 一樹*; 宮崎 司*; 竹中 幹人*
Polymer, 306, p.127209_1 - 127209_7, 2024/06
被引用回数：9 パーセンタイル：65.72(Polymer Science)Adding silane coupling agents to rubber/silica particles systems improves their mechanical properties and the dispersion of the particles. The improvement is believed to be attributed to the enhanced adsorption of rubber molecules on the surface of silica particles by the silane coupling agent. However, the enhancement of the adsorption by silane coupling agent has not been clarified quantitatively yet. In this study, we have investigated the difference in (i) the adsorption of rubber on silica surfaces and (ii) the aggregation of silica particles in rubber/silica particle systems with and without silane coupling agents by using contrast variation neutron scattering (CV-SANS). The CVSANS results quantitatively clarified the adsorption layer's thickness and the degree of aggregation for both systems. In the case of the system without silane coupling agents, the adsorption layers do not exist around the particles, and the particles tend to aggregate. On the other hand, the adsorption layers of about 5.3 nm are formed on the surface of the particles in the system with silane coupling agents, and the addition of silane coupling agents suppressed the aggregation.
ion source神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012023_1 - 012023_5, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)J-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源用の新しいJ-PARC製アンテナの試験を行ってきている。最初のJ-PARC製アンテナの開発後、コーティングからの不純物ガス放出が懸念されたため、アンテナのエナメルコーティングの組成を変更した。新しいアンテナによる高密度プラズマ生成の試験中に、質量分析と分光スペクトル測定を行い、新アンテナからのガス放出特性を監視した。その結果、新アンテナからは顕著となる不純物の放出がないことを確認した。新アンテナを用いたHビーム引き出しを行い、Hビーム特性を測定した。新アンテナを使用してJ-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源より引き出したHビームのエミッタンスはSNS製アンテナを使用した場合と同様であることが分かった。新アンテナの耐久試験を促進するために、2MHz高周波入力電力を約60kWで5%のデューティーファクター(50Hzの繰り返しでパルス幅1ms)を新アンテナに印加し、高密度プラズマを生成した。この運転パラメータはJ-PARC加速器で運転するパラメータである2MHz高周波入力電力約30kW、25Hzの繰り返しでパルス幅0.8msに比べてはるかに高い値である。本発表では、新しいJ-PARC製アンテナの特性の結果を示すとともに、J-PARC加速器運用で使用するための新しいアンテナの実現の可能性について議論する。
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 中野 治久*; 星野 一生*; 宮本 賢治*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 川井 勲*; 小栗 英知; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012007_1 - 012007_5, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)高周波イオン源より引き出された負水素イオンビームの位相空間での振動について、電子、陽子および負水素イオンのイオン源引出領域での輸送過程を考慮した単純な3次元のParticle-In-Cell(PIC)法で調べた。J-PARC高周波負水素イオン源の配位で単孔の引き出し孔近傍を計算領域とした。プラズマ密度振動と引き出された負水素イオンビームの特性を理解するために、イオン源内のドライバー領域プラズマからの電子及び陽子の流れをプラズマ生成のために駆動している高周波の基本波(2MHz)と2倍高調波(4MHz)で変化させて、シミュレーションを実施した。数値解析の結果、プラズマパラメータの振動と様々な高周波位相で引き出された負水素イオンの軌道との間で主な物理過程が見いだされた。本発表では、振動の機構を抑える対処法についても議論する。
ion beam extracted from an RF wave excited ion source plasma和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012031_1 - 012031_5, 2024/05
被引用回数：1 パーセンタイル：76.34(Physics, Particles & Fields)内部アンテナ型の高周波駆動負水素イオン源が、J-PARC加速器施設にビームを供給している。負水素イオンビーム電流は高い安定性を示しているが、テストスタンドでイオン源から引き出されたビーム電流をファラデーカップで測定すると、DC電流の大きさに対して、5%程度の変動がみられる。この変動には2つの周波数成分、駆動している高周波成分である2MHzとその2倍高調波の4MHzの成分が見られる。これらの成分の振幅レベルは、スリットを通過する特定の角度に向けられたビームの一部が検出されるにつれて大きく見える。全ビーム強度に小さな振幅の振動が観察される理由として考えられるのは、Hイオン生成の位置とファラデーカップに到達するその後の軌道に応じた局所ビームの平均位相シフトである。位相シフトがビーム全体の発信振幅を減少させる主な理由であるかどうかを確認するために、2MHz成分と4MHz成分の間の位相シフトを、位置を決める0.1mm幅のビーム入口スリットとファラデーカップに結合された0.1mm幅のスリットを通過するビームについて測定した。その結果、位相シフトが位置に応じて大きく変化することが示されたが、測定された位相シフトの空間分布を説明できる単純なモデルではなかった。RFアンテナ電流に対するビーム電流位相シフトの測定、バルマー
光の時間発展など、Hビーム輸送に関連するビームダイナミクスを明らかにする更なる試みを行う予定である。
