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論文

レーザー荷電変換入射実現に向けた高出力レーザー蓄積リング

原田 寛之; 山根 功*; Saha, P. K.; 菅沼 和明; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 加藤 新一

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.684 - 688, 2017/12

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり円形加速器に入射し大強度陽子ビームを形成している。この手法は大強度ビームを形成できる反面、周回する陽子ビームが膜へ繰返し衝突し散乱され、ビーム損失が生じ残留線量となる。また、衝突時の熱付与や衝撃による膜の変形が生じている。これらは、大強度陽子ビームの出力や運転効率を制限する可能性がある。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜に代わる新たな荷電変換入射が必要となる。J-PARC 3GeVシンクロトロンでの設計出力を超える大強度化に向けて、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに考案し研究開発を進めている。この新たな入射方式の実現には、現存より2桁高い平均出力のレーザーが必要となるため、レーザーを再利用する形で連続的にビームへの照射を可能とする「高出力レーザー蓄積リング」の開発を目指している。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、開発を行う高出力レーザー蓄積リングを説明する。加えて、現在の開発状況を報告する。

論文

J-PARC RCS冷却水設備冷却塔ファン不具合ベアリングユニットの振動解析

藤来 洸裕; 菅沼 和明; 山崎 良雄

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.874 - 876, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)は、RF装置、電磁石および電源などの装置が数多くある。これらの装置は運転時に17MWの電力を使い、そのうち多くは熱エネルギーとなっている。よって加速器の運転には、冷却水設備が必要不可欠であり、その安定性は、加速器の稼働率を左右する。最近、冷却水設備の重要な部品である冷却塔ファンのベアリングユニットが故障した。今回の事象は、J-PARC全体の運転停止につながる。今回故障の原因を調べるために、ベアリングユニットの振動測定及びベアリングを切断し観察した。振動測定の結果、ベアリングの傷の有無で振動周波数に違いがあることが分かった。またベアリングを分解した際、外輪に傷がついていた。この傷はフレーキング痕という傷であることが分かった。

論文

リニアック加速空洞用冷却水設備の現状2017

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.871 - 873, 2017/12

J-PARCリニアック冷却水設備のひとつである設備名称RI4の全体流量減少の原因は、水の汚濁と汚濁によるポンプ性能の変化であると考えられる。全体流量減少の対策として、循環ポンプの追加設置による南北配管の送水分離を実施した。その結果、流量減少に一定の改善が見られた。また、追加措置前のポンプ構成でも流量減少が現れず、これは、冷却水の入れ替えにより汚濁が薄まり、ポンプ性能が安定したことが理由と考えられる。ポンプ追加措置と同時に、冷却水中の浮遊物の調査も実施した。その結果、冷却水中にCu, Fe, Niなどが検出された。検出されたCuについてはメジアン径を測定した。本発表では、冷却水中の浮遊物の調査報告およびリニアック安定運転のために行うべき対策について報告する。

論文

リニアック加速空洞用冷却水設備の現状

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.304 - 306, 2016/11

加速空洞用冷却水設備は、以前より流量が減少する事象が見受けられ冷却水の流量低下によって警報が発報し、加速器全体の運転を停止させることがある。警報発報から復旧までに時間を費やすため早急な対策が望まれており、J-PARC加速器全体で取り組む課題となっている。われわれは、リニアック空洞のRFQからSDTLまでの冷却水設備である設備名称RI4系について、以前から現象が確認されている冷却水設備のバッファタンクの水位変動と、冷却水全体流量の変動の関連について再度注目してみた。同時に、冷却水設備の運転データから新たな情報の有無を調べた。冷却水の全体流量の減少原因について、運転データと関連づけながら仮説を立ててみる。

論文

セラミック抵抗器の電気抵抗の測定

菅沼 和明; 下山 暢善*; 米久 直幸*; 滝 幸奈*; 金正 倫計

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.686 - 688, 2015/09

本報告は、J-PARC 3GeV Rapid Cycling Synchrotron(RCS)の出射キッカーシステムに使用のセラミック抵抗器の電気抵抗測定に関するものである。キッカー電源に使用するセラミック抵抗器は、使用環境および高い印加電圧によって電気抵抗の値に変化を生じることが散見される。本抵抗器は、その使用方法により油中で使用されている。この抵抗値変化の原因として、抵抗器表面に塗布している耐油性膜に亀裂が発生し、油がセラミック抵抗器に浸入することが考えられる。そこで筆者らは、あえて塗装膜の無い抵抗器を油中に浸し、セラミック抵抗器の油中環境下での電気抵抗の計測を行った。油に浸した抵抗器は抵抗値が増加するが、一定時間を経過すると安定した抵抗値が得られる。この抵抗器をJ-PARCのキッカー電源の励磁エネルギーの終端抵抗として使用することを想定している。

論文

Operating experience of kicker magnet system in the J-PARC 3GeV RCS

菅沼 和明; 富樫 智人; 渡辺 真朗; 金正 倫計

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.678 - 680, 2014/07

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学施設(MLF)や50GeVメイン加速器のビーム利用者に陽子ビームを供給している。RCSで181MeVから3GeVに加速され、MLFやMRに陽子ビームを送り出している。この送り出し用機器にキッカーシステムがある。2008年の12月より、ユーザーへの供給が開始されたが、キッカーシステムにおいて多くのトラブルが発生した。特にスイッチング素子であるサイラトロンの問題が発生し、当初、ユーザー運転に対する停止率が、13%にも上った。運転経験と独自の努力で、ビームの停止率を0.5%以下を達成した。

論文

サイラトロンCX2004Xの初期検査

菅沼 和明; 富樫 智人; 金正 倫計

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.870 - 872, 2014/06

J-PARC 3GeVシンクロトロン用キッカーテストスタンドでサイラトロンCX2004Xの検査を開始した。CX2004Xは現在使用中のCX1193Cに比べ重水素ガスの充填量が多く長寿命化が見込まれている。長寿命化の可能性を調べるため重水素ガスタンクに付随するヒーターの電圧-電流の関係を調べた。結果、CX1193Cとはヒーターの特性が異なるものの、ヒーターの結線の変更のみで寿命の延長が可能となると考えられ、サイラトロンの保守時間の低減に貢献できる見通しを得た。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトンにおけるキッカー電磁石フェライトコアの脱ガス処理

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 西川 雅章; 柳橋 亨; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Journal of the Vacuum Society of Japan, 56(5), p.159 - 162, 2013/05

Kicker magnets are used to kick out the accelerated beam to the transport lines in the RCS of the J-PARC. A high voltage is applied to kickers for a short period, so they must be installed in a vacuum to prevent discharge. Therefore, it is important to reduce the outgassing of water vapor from the ferrite cores. This time, we have decided to construct the reserve magnets with very low outgassing at high-voltage discharge. First of all, the thermal desorption behavior of the ferrite was investigated by thermal desorption spectroscopy (TDS). TDS spectra show two peaks of water vapor: at 150$$^{circ}$$C and 300$$^{circ}$$C. Carbon dioxide is rather largely emitted with the peak around 275$$^{circ}$$C and then decreases with the temperature. From these results, the ferrite cores were vacuum-fired at 450$$^{circ}$$C for 48 h. Then the good properties for the magnetic cores were confirmed. And now the performances of the kicker magnet are examined.

論文

J-PARC 3GeV RCSキッカー電磁石電源のサイラトロン運転維持管理

富樫 智人; 渡辺 真朗; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 植野 智晶; 谷 教夫; 渡辺 泰広; 金正 倫計

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.471 - 473, 2012/08

J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、3GeVに加速した陽子ビームの取り出しに、サイラトロンを採用したキッカー電磁石電源を採用しており年間約5,000時間の連続運転が行われている。連続運転を開始した2009年1月の運転では、約13%であった停止率もサイラトロンの適切なconditioning並びに運転維持管理方法の確立により2012年現在では停止率も0.5%以下で推移しており安定な運転を継続維持している。本稿では、RCSにおけるサイラトロンの運用に関する統計と、運転維持管理方法について報告する。

論文

Operation and current status of injection, extraction, kicker magnet and the power supply for J-PARC 3 GeV RCS

渡辺 真朗; 林 直樹; 菖蒲田 義博; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.3629 - 3631, 2012/05

JPARC 3GeV RCSは安定運転が要求されるが、繰り返し25ppsの24時間運転開始直後はキッカー電源のサイラトロンの不安定動作による多くのトラブルが生じた。だが、2010年10月には不具合が改善した。2011年3月11日の東日本大震災後に入出射電磁石・電源・ケーブル・バスダクトの健全性を確認した。測定・確認をした結果、特に不具合はなかった。今後RCSはビームパワー1MWを達成させる必要がある。キッカーのインピーダンスはその他のインピーダンス源のなかで一番大きい。われわれは電源に抵抗と新規開発したダイオードを接続することでインピーダンスを下げ、誘起電圧が減少することが確認できた。これにより、加速器を安定に運転することが可能となった。

論文

Reduction of outgassing from the ferrite cores in the kicker magnet of J-PARC RCS

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 西川 雅章; 柳橋 亨; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.487 - 489, 2012/05

Kicker magnets are used to kick out the accelerated beam to the beam transport lines in the RCS of the J-PARC. A high voltage is applied to kickers for a short period, so they must be installed in a vacuum to prevent discharge. Therefore, it is important to reduce the outgassing of water vapor from the ferrite cores. After bake-out at 200$$^{circ}$$C for 300 hours, the outgassing rate decreased to less than 1$$times$$10$$^{-7}$$ Pam/s. However, the small amount of water vapor and carbon monoxide were emitted from the ferrite cores at charging voltage of 80 kV. This time, we have decided to construct the reserve magnets with very low outgassing at high-voltage discharge. First of all, the thermal desorption behavior of the ferrite was investigated. Water vapor has two peaks: at about 150$$^{circ}$$C and 350$$^{circ}$$C. Carbon monoxide is rather largely emitted around 400$$^{circ}$$C and then decreases with the temperature. From these results, the ferrite cores were vacuum-fired at 450$$^{circ}$$C for 48 h. Then the good properties for the magnetic cores were confirmed. And now the assembling of the kicker magnet is undertaken.

論文

キッカー電磁石に組込まれたフェライトのin situでの脱ガス処理

神谷 潤一郎; 荻原 徳男; 西川 雅章; 引地 裕輔; 柳橋 亨; 菅沼 和明

Journal of the Vacuum Society of Japan, 55(4), p.156 - 159, 2012/04

真空容器中の大型構造物を脱ガスする際は、大気側に設置した熱源で真空容器を昇温しその輻射や伝導で構造物を昇温することは一般的に行われる手法である。しかしこの手法には膨大な容量の熱源が必要となる。また、容器の熱のびがあるため使用できる環境が制限される。真空容器を加熱することなく内部の構造物だけを昇温する手法こそが、省エネルギーで最も効率が良い手法といえる。そのためには、熱源を真空容器内部に持ち込み、熱源と真空容器の間を断熱し、構造物への輻射の熱流量を真空容器への熱流量よりも大きくすればよい。加速器においても真空容器内の構造物のみを脱ガスしたいという要求は多々ある。われわれは前述の手法をJ-PARC 3GeVシンクロトロンビーム出射用キッカー電磁石プロトタイプの脱ガスに適用した。電磁石のコアであるフェライトは多孔質な材料であり、気孔に水が吸着し続ける。そのためキッカー電磁石の放出ガスの主成分は水である。このフェライトをin situで水が脱離する温度まで昇温することが重要となる。そこで熱源を真空中に持ち込む手法をキッカー電磁石の脱ガスに適用し、検証実験を行ったので報告する。

論文

Fluorido complex formation of element 104, rutherfordium (Rf)

石井 康雄; 豊嶋 厚史; 塚田 和明; 浅井 雅人; Li, Z.*; 永目 諭一郎; 宮下 直*; 森 友隆*; 菅沼 英夫*; 羽場 宏光*; et al.

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 84(9), p.903 - 911, 2011/09

 被引用回数:12 パーセンタイル:50.96(Chemistry, Multidisciplinary)

本研究では、HF/HNO$$_{3}$$水溶液中における104番元素ラザホージウム(Rf)の陽イオン交換挙動を4族同族元素Zr, Hf並びに擬同族元素Thとともに調べた。その結果、HF/0.10M HNO$$_{3}$$水溶液中におけるRfの分配係数($$K_{d}$$)はフッ化物イオン濃度([F$$^{-}$$])の増加に対して減少することがわかった。これはRfフッ化物錯体の逐次錯形成を示している。また、Rfと同族元素の$$K_{d}$$値の変化を水素イオン濃度([H$$^{+}$$])の関数として調べた。log$$K_{d}$$値はlog[H$$^{+}$$]に対して直線的に減少し、その傾きは-2.1から-2.5の間であった。この結果はこれらの元素が同じ錯イオン、おそらく[MF]$$^{3+}$$と[MF$$_{2}$$]$$^{2+}$$の混合物として溶液中に存在することを示している。またそのフッ化物錯体形成の強さはZr$$sim$$Hf$$>$$Rf$$>$$Thの順であった。

報告書

J-PARC 3GeVシンクロトロン棟の床補修

小泉 勲*; 菅沼 和明

JAEA-Testing 2011-002, 223 Pages, 2011/06

JAEA-Testing-2011-002.pdf:8.22MB

3GeVシンクロトロン棟は、J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)にある鉄筋コンクリート建造物の加速器施設である。2005年に完成し、2008年から本格的にビーム運転を開始している。筆者らは、ビーム運転が始まって以来、各機器の点検を行っている。2011年に入り、床のひび割れが目立つようになったため、点検表を作成し点検を行った。各階にひび割れが確認されたため、補修手順書を作成し、補修を実施した。本報告書は、3GeVシンクロトロン棟床面のひび割れ箇所点検,点検記録,手順書及び補修方法をまとめたものである。

論文

RCSキッカー電磁石電源システムのサイラトロンオペレーションの現状

富樫 智人; 渡辺 真朗; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 植野 智晶; 谷 教夫; 渡辺 泰広

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.579 - 583, 2010/08

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3-GeV RCS(Rapid Cycling Synchrotron)では、3GeVに加速した大強度陽子ビームの取り出しに、サイラトロンスイッチを採用したパルスキッカー電磁石電源システムを利用している。連続運転を開始した当初は、サイラトロンの不安定な動作に起因して停止する事象が最も多く、J-PARC加速器全体の故障率のうち、キッカー電磁石電源システムの故障率が最も高く(約13%)、ビーム運用停止の主因となっていた。この状況を改善するため、サイラトロンの運転状況について詳細管理を徹底して行った。その結果、サイラトロンの最適なオペレーション方法の構築と、故障の予防と保全に基づいた適切なサイラトロン交換時期の見極めが可能となり、2010年4月(Run33)の運転では故障率を0.5%以下にまで改善することができた。本稿では、キッカー電磁石電源システムを安定に稼働するためのサイラトロンオペレーションの現状について報告する。

論文

Operation of kicker system using thyratron of the 3 GeV rapid cycling synchrotron of J-PARC

渡辺 真朗; 神谷 潤一郎; 菅沼 和明; 高柳 智弘; 谷 教夫; 富樫 智人; 植野 智晶; 渡辺 泰広

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.3296 - 3298, 2010/05

J-PARCの3GeVシンクロトロンは陽子ビームを入射エネルギーが181MeVから出射エネルギーが3GeVまで加速する。3GeVシンクロトロンはメインリングにビームを入射することと、中性子ターゲットに3GeVビームを輸送する役割を持つ。その陽子ビームはキッカー電磁石によって繰り返し25Hzでビームを取り出される。その磁場の立ち上がり時間は約260nsecであり、フラットトップ長さは840nsecが要求される。パルスフォーミングラインとスイッチング素子のサイラトロンがその立ち上がり時間とフラットトップ長を実現するために用いられている。各電源には2個のサイラトロン(E2V社CX1193C)が用いられている。このサイラトロンが重水素ガスを用いた放電スイッチング素子であるがゆえに、10時間から数日の間に1度、ミスファイヤーや電圧ブレイクダウンを起こすことがある。この論文では、サイラトロンを用いたキッカーシステムの動作とリザーバ・カソードヒータの操作方法の現状について議論する。

論文

J-PARC RCSキッカーシステムにおける高電圧コネクタの絶縁耐圧の改善

菅沼 和明; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗; 高柳 智弘; 富樫 智人; 植野 智晶

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.569 - 571, 2010/00

J-PARC RCSキッカーシステムは、充電電圧60kV,繰返し25Hzのパルス電磁石システムである。これまで、3500時間程度の運転を行い、高電圧パルス伝送用同軸ケーブルのコネクタで、絶縁油が茶褐色に変色し、粘着性の固形物が発生した。このため電源の保守頻度が非常に増え問題となっていた。原因調査のため、変色した絶縁油について油中に含まれるガスの分析を実施した。300$$^{circ}$$C以下でおこる油の劣化と放電による油の劣化が推測された。また、コネクタ形状のシミュレーションを行った。絶縁油上部の空気層や、受側コネクタのポリエチレン先端で、電界の集中が起きやすいことがわかった。電界が緩和される構造をシミュレーションにより決定し、実際に通電し内部の状況を観察した。結果としてコネクタ内部の空気層をなくすことと、外筒の内径を広くすることで、油の劣化が減少し絶縁耐圧を改善することができた。

論文

Vacuum system of the 3-GeV RCS in J-PARC

荻原 徳男; 金正 倫計; 神谷 潤一郎; 山本 風海; 吉本 政弘; 引地 裕輔; 金澤 謙一郎; 三尾 圭吾; 瀧山 陽一; 菅沼 和明; et al.

Vacuum, 84(5), p.723 - 728, 2009/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:82.21(Materials Science, Multidisciplinary)

3GeV RCSの真空システムを設計するにあたっては、(1)保守時の放射線被爆を最小にすること、また、(2)圧力不安定性を引き起こさないように、ビーム運転中に超高真空を維持することが要求される。このため、イオン誘起脱離によるガス放出の抑制のみならず、ビーム運転中の効率良い排気を考慮したシステムの設計がなされた。具体的には、イオンポンプのみならずターボ分子ポンプを用いた排気を採用した。また、徹底したガス放出の低減対策を施した。さらに、3GeV RCSの特徴である25Hz, 1MW運転から要請される各種機器の開発を行った。その結果として、本真空システムは、現在、200kW運転に至るまで、良好な真空状態を維持している。

論文

Fluoride complexation of element 104, rutherfordium (Rf), investigated by cation-exchange chromatography

石井 康雄; 豊嶋 厚史; 塚田 和明; 浅井 雅人; 當銘 勇人; 西中 一朗; 永目 諭一郎; 宮下 直*; 森 友隆*; 菅沼 英夫*; et al.

Chemistry Letters, 37(3), p.288 - 289, 2008/03

 被引用回数:17 パーセンタイル:43.4(Chemistry, Multidisciplinary)

104番元素ラザホージウム(Rf)の低次フッ化物錯体の形成を調べるため、HF/HNO$$_{3}$$水溶液系におけるRfの陽イオン交換挙動を4価の陽イオンであるZr, Hf及びThの挙動と比較を行った。AIDA(${it $alpha$}$線測定装置結合型自動迅速イオン交換分離装置)を用いた加速器オンライン実験でRfの陽イオン交換挙動を調べた。原子力機構タンデム加速器施設において、$$^{248}$$Cm($$^{18}$$O,5${it n}$)により合成した$$^{261}$$Rf(半減期: 78s)をHe/KClガスジェット搬送法によりAIDAへ搬送し130秒間捕集した。これを250$$mu$$LのHF/0.1M HNO$$_{3}$$水溶液で溶解し、1.6mm i.d.$$times$$7.0mm又は1.0mm i.d.$$times$$3.5mmの陽イオン交換カラムへ溶離展開させ、その溶出液をTa皿に捕集した。その後、0.1M HF/0.1M HNO$$_{3}$$によってカラム中の残留物を溶出させ、別のTa皿に捕集した。これらを蒸発乾固させた後、600mm$$^{2}$$のPIPS検出器で$$^{261}$$Rfの${it $alpha$}$線を測定しその分配係数を求めた。HF/0.1M HNO$$_{3}$$においてZr, Hf, Th及びRfは、フッ化物イオン濃度の増加に従いその${it K}$ $$_{d}$$値が減少した。これは、これらのイオンにフッ化物イオンが配位することによって、陽イオン交換樹脂への吸着性能が減少したものと考えられる。陽イオン交換樹脂への吸着の強さの順序はZr$$sim$$Hf$$>$$Rf$$>$$Thとなり、これは各元素のイオン半径の大きさの順序と一致した。

論文

Reduction of hydrogen content in pure Ti

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 神谷 潤一郎; 金正 倫計; 祐延 悟*

Journal of Physics; Conference Series, 100, p.092024_1 - 092024_5, 2008/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:16.54

J-PARC 3GeVシンクロトン用のダクト・ベローズには、残留放射能が少ないことから純Tiを採用している。陽子加速器ではイオン衝撃による水素の放出が主なガス放出機構である。このイオン誘起脱離の抑制には、バルク中の水素濃度を低減することが有効なはずなので、Ti中の水素濃度を真空脱ガス処理により低減させることとした。熱脱離特性及び水素濃度変化の測定から、550$$^{circ}$$C以上での脱ガスが有効であることが判明した。また、高温での結晶粒の成長による機械強度の劣化が懸念されるが、750$$^{circ}$$Cで12hの熱処理でも機械強度の劣化はおよそ10%であり、問題とならない。以上に基づき、実機RCSではTi材を高温で脱ガス処理した。

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