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沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2420, p.012092_1 - 012092_6, 2023/01
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、大強度陽子ビーム加速のために高周波加速装置を構成する8kWの駆動段半導体増幅器の出力増強が求められている。現在、窒化ガリウムを用いた6.4kW半導体増幅器を基本モジュールとする25kW半導体増幅器の開発を進めている。この開発の鍵となるのが、広い周波数帯域(およそ0.1-10MHz)を持ち、かつ25kWの高出力が可能な結合器の設計である。結合器の出力と周波数帯域は同軸ケーブルと磁性体コアからなる伝送線路トランスの設計に依存する。本研究では、同軸ケーブルと磁性体コアの特性を組み込んだ回路シミュレータモデルを構築し、これを用いて目標とする出力と周波数帯域を達成可能な伝送線路トランスの設計並びに結合器の回路設計を完了させた。本発表では、結合器の回路シミュレータモデルのセットアップとそれを用いた結合器の設計の詳細について報告する。
田村 文彦; 大森 千広*; 吉井 正人*; 冨澤 正人*; 外山 毅*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 小林 愛音*; 沖田 英史
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.175 - 178, 2023/01
J-PARC主リングシンクロトロン(MR)は大強度陽子ビームをニュートリノ実験に供給している。高いピーク電流を持つ8つのビーム集団(バンチ)が速い取り出しによってMRから取り出され、したがってニュートリノビームも同様の時間構造を持つ。将来の実験では中間水チェレンコフ検出器(IWCD)が導入される予定であり、IWCDはピーク電流が低い時間構造を要求するため、MRの取り出し直前に、高周波によりバンチの分布を平坦化させるピーク電流低減手法を検討中である。ビームパワーの低下を抑えるためバンチ操作はできるだけ短期間で行わねばならず、また取り出しキッカー電磁石の立ち上がり期間のビーム損失を防ぐために、磁場が立ち上がる最終バンチと先頭バンチの間隔を保つ必要がある。これらの要求を満たすために、加速ハーモニック近傍のマルチハーモニックRF電圧を用いた非断熱的なバンチ操作が提案されている。この過程においてはMR全周の縦方向インピーダンスの影響が考えられるため、シミュレーションを行い、大強度ビームのバンチ操作の成立可能性についての議論を行う。
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 杉山 泰之*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.262 - 266, 2023/01
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)の大強度ビーム運転中の高周波加速(RF)空胴では、ビーム電流が誘起するウェイク電圧が発生する。RCSのRF空胴は広帯域であるため、ウェイク電圧には高い周波数成分が含まれる。現在のRF制御システムでは基本周波数の四倍までの高調波(四倍高調波)を検波しているが、四倍高調波よりも高い周波数成分(高次高調波)もビーム挙動に影響を与えている可能性が示唆されていた。本研究では、大強度ビーム運転中のRF空胴電圧を測定し、周波数解析から高次高調波の評価を行なった。加えて、ビームトラッキングシミュレーションを用いて高次高調波がビーム挙動に与える影響を評価した。本研究の結果、大強度ビーム運転中のRF空胴には複数の高次高調波が発生しており、加速後半において高次高調波がビーム電流分布を変形させることが分かった。
野村 昌弘; 沖田 英史; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 大森 千広*; 吉井 正人*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.215 - 217, 2023/01
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、機械学習の一種であるニューラルネットワークによる画像認識技術を用いることにより、ビームモニタで得た強度分布の画像から、前段のLinacからの入射ビームに関する情報が得られるようにしている。現状では、得られる情報の中で、入射ビームの運動量広がりについてはガウス分布の標準偏差として、また時間構造については強度が一定としてその時間幅として求められているが、これらの情報に関してはそれぞれの値としてではなく、運動量広がりと時間で表される位相空間上での強度分布として求められることが望まれる。そこで本研究では、ニューラルネットワークの出力を値から画像に変更し、位相空間上での強度分布の画像を学習させることにより、ニューラルネットワークの予測画像として位相空間上での強度分布が求められる様にした。その結果、シミュレーションによる画像を用いた検証ではあるが、ビームモニタで得た強度分布の画像から位相空間上での強度分布が求められることが確かめられた。
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 杉山 泰之*
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1041, p.167361_1 - 167361_7, 2022/10
被引用回数：0 パーセンタイル：0.02(Instruments & Instrumentation)J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、広帯域の高周波加速(RF)空胴を使用している。大強度ビーム運転中のRF電圧には、複数の周波数成分を持つウェイク電圧やRF電源の出力の歪みが含まれており、加速中のビームはこれらの影響を受ける。空胴ギャップ電圧モニタの測定値はウェイク電圧やRF電源の出力の歪みの情報を含んでいる。そこで、空胴ギャップ電圧モニタの測定値を用いた縦方向ビームトラッキングシミュレーションを開発した。空胴ギャップ電圧モニタの測定値をシミュレーションに反映するために、空胴ギャップ電圧モニタの周波数応答を整理した。開発した縦方向トラッキングシミュレーションは1MWビーム加速時のビーム挙動を非常に高い精度で再現することを確認した。
山本 昌亘; 野村 昌弘; 沖田 英史; 島田 太平; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*
Proceedings of 13th International Particle Accelerator Conference (IPAC 22) (Internet), p.1336 - 1338, 2022/06
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、大強度ビーム加速時に大振幅のビーム負荷補償を行うために、真空管増幅器から大振幅の高周波電流を供給している。RCSでは四極真空管を使用しており、コントロールグリッドが正電圧に入る領域(ポジティブ・グリッド・バイアス)で使用している。この影響で、コントロールグリッドには陽極電流の一部が流れ込み、コントロールグリッド電圧波形を歪めたり、コントロールグリッドのDCバイアス電圧の急激な低下を招く影響が観測された。本発表では、電圧波形の歪みとDCバイアス電圧低下の測定結果を示し、対処可能な方法について述べる。
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 杉山 泰之*; et al.
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.840 - 844, 2021/10
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、ビームの加速で使用する高周波として、周回周波数の2倍の周波数である基本波と、さらにその2倍の周波数の高調波(2倍高調波)の電圧を用いたデュアルハーモニック運転を行っている。加速ギャップに発生させる各高周波の電圧と位相の安定化にはマルチハーモニックベクトルフィードバック制御が採用されている。この制御のフィードバックに用いられる測定値には、各加速空胴の加速ギャップの1つに備え付けられたギャップ電圧モニタからの出力が使用されている。ビーム進行方向のビーム分布(バンチ形状)は各高調波の相対的な位相で変化するため、ギャップ電圧モニタの位相測定値の周波数応答を正確に把握することが重要となる。そこで、ギャップ電圧モニタの位相の周波数応答測定とこれを反映したビームシミュレーションを実施した結果、実際のビーム加速試験で測定されたバンチ形状をよく再現することを確認した。本発表では、周波数応答測定とビームシミュレーションについての詳細とギャップ電圧モニタ回路についての考察について報告する。
田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 山本 昌亘; 沖田 英史; 大森 千広*; 野村 昌弘; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; et al.
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.170 - 174, 2021/10
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)における大強度陽子ビームの安定な加速のためには高精度で安定な低電力高周波(LLRF)制御システムが不可欠である。RCSのLLRF制御システムは運転開始から10年以上大きな問題なく運転されてきたが、構成要素であるデジタル部品の陳腐化により維持することが困難となっていた。このため、2016年より次世代LLRF制御システムの開発を行い、2019年に次世代システムへの置き換えを完了した。RCSの広帯域金属磁性体空胴のビームローディングを補償するにはマルチハーモニックの補償システムが必要である。次世代システムではマルチハーモニックベクトルrf電圧制御フィードバックを採用することで、旧システムにおけるフィードフォワード法を用いた補償よりも安定な大強度ビーム加速を実現した。本発表では、次世代システムの概要、ビーム試験結果を示すとともに、更なる性能向上に向けた取り組みについて報告する。
野村 昌弘; 沖田 英史; 島田 太平; 田村 文彦; 山本 昌亘; 古澤 将司*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 大森 千広*; et al.
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.80 - 82, 2021/10
J-PARC 3GeVシンクロトロンでは画像認識技術を用いることにより、ビームモニタで得たビーム進行方向の強度分布の画像から中心運動量からのずれ量が得られるようになった。今後、この得られた値を加速器の制御に使用することを考えた場合には、得られた値が信頼できるかが重要となってくる。なぜなら、画像認識技術では、データ取得に失敗した画像からも何らかの間違った値が得られてしまうからである。得られた値が信頼できるかどうかは当然その画像で決まる。そこで、今回機械学習の一種であるオートエンコーダーによる異常診断の手法を画像の診断に適用することにより、画像から得られた値が信頼できるかを示す指標を得ることができた。
田村 文彦; 大森 千広*; 吉井 正人*; 杉山 泰之*
Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.3023 - 3026, 2021/08
J-PARC MRは、ニュートリノ実験に大強度の陽子ビームを供給している。将来のニュートリノ実験では、新しい中間水チェレンコフ検出器(IWCD)が建設される予定であるが、IWCDが要求する低いピーク時間構造を実現するために、MRの加速終了後ビームを取り出すまでの間(フラットトップ)で高周波(RF)電圧の操作により進行方向のビーム集団(バンチ)のピーク電流を下げる検討が行われている。操作のためにフラットトップを延長する必要があり、繰り返し周期が長くなることによる出力ビームパワーの低下をできるだけ抑えるために、操作は短時間で行う必要がある。また、取り出しキッカーのためのバンチ間の間隔も確保しなければならない。我々は、マルチハーモニックRF電圧を用いた非断熱バンチ操作を提案している。加速ハーモニックの隣接のハーモニクスを用いることで、1バンチめを減速、8バンチめを加速することができる。一定時間後、RFの位相を反転させてバンチの進行方向分布の平坦化操作を行う。はじめに行った減速と加速により、キッカーのためのバンチ間隔は保たれる。本発表では、非断熱バンチ操作のコンセプトとビーム進行方向分布のシミュレーション結果を紹介する。
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; et al.
Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.3020 - 3022, 2021/08
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームの加速に基本周波数(基本波)とその二倍の周波数(二倍高調波)を重畳した電圧を用いたデュアルハーモニック運転を行っている。デュアルハーモニック運転では、基本波のみの場合と比較し、加速中のビーム進行方向のビームの線密度分布の平坦度(バンチングファクタ)を大幅に改善することが可能で、大強度ビームの安定した加速に欠かせないものとなっている。従来の低電力高周波(LLRF)制御システムが2019年に更新されたことで、現在では基本波と二倍高調波に加えて高次の高調波の制御が可能となった。そこで、バンチングファクタの更なる改善を目的とし、従来のデュアルハーモニック運転に三倍高調波を加えたトリプルハーモニック運転について検討を行った。三倍高調波を用いることで、扁平なRFバケットを実現することができ、ビームシミュレーションの結果、バンチングファクタを最大で現状の約30%改善可能であることが示された。本発表では、トリプルハーモニック運転に関するビームシミュレーションの結果と関連する試験の結果について報告する。
山本 昌亘; 沖田 英史; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; et al.
Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.1884 - 1886, 2021/08
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを加速する高周波電圧の発生に四極真空管を用いている。これまでのところ真空管の寿命を延ばすために、真空管に印加するフィラメント電圧を定格値よりも下げて使用している。2020年に初めて、60000時間運転したところで1本の真空管が寿命を迎えた。これは真空管メーカーが推奨(もしくは保障)する運転時間よりも長いことを意味しており、フィラメント電圧を下げることが有効であることを示唆している。しかし、フィラメント電圧を下げて使用すると、電子放出が減ることになる。大強度ビームを加速するときにはビームによって誘起される電圧(ウエイク電圧)を補償するため大振幅の陽極電流が必要となるが、フィラメントからの電子放出が少ないため、それを補おうとしてコントロールグリッド回路を駆動する半導体増幅器が出力不足になる現象が発生した。そこで、実際に印加しているフィラメント電圧の定格に対する割合を85%から95%にしたところ、同じビームパワーを加速するのに必要な半導体増幅器の出力を大幅に減少させることができた。本発表では、フィラメント電圧調整の観点から、真空管のパラメーター測定の結果について述べる。
田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 山本 昌亘; 沖田 英史; 大森 千広*; 野村 昌弘; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; et al.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 999, p.165211_1 - 165211_11, 2021/05
被引用回数：2 パーセンタイル：47.5(Instruments & Instrumentation)低電力高周波(LLRF)制御システムは大強度陽子ビームの加速のために重要である。J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)のLLRF制御システムは、運転開始から10年以上大きな問題なく運転されてきたが、モジュールを構成するデジタル部品の陳腐化によって今後の維持は困難となった。このため、次世代LLRF制御システムを開発した。新システムの全てのLLRF機能について動作試験を行った。この論文では、特に重要な機能であるビーム進行方向の振動を抑制するRFの位相フィードバック、複数の周波数のRF電圧を同時に制御するベクトルRF電圧フィードバックの調整について、詳細な調整手法、調整結果について報告を行う。次世代LLRF制御システムにより、設計ビーム出力である1MW相当の強度のビームを従来機より安定に加速できるようになった。
田村 文彦; 山本 昌亘; 吉井 正人*; 杉山 泰之*; 發知 英明; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 原田 寛之
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011021_1 - 011021_6, 2021/03
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)ではビームのエネルギー広がりに由来するビームロスを避けるために、リニアック上流のビームチョッパーでビームの時間構造をRCSでの加速に適した幅に成形して入射している。チョッパーの動作のためのゲートパルスはRCSの加速高周波(RF)制御システムにより生成される。ディレイと幅を制御することで、RCSのRF電圧の適切な位相でビームを入射することができる。またJ-PARC独自の機能として、ビームの間引きがある。RCSではリニアックのビームをおよそ300周回連続で入射するが、連続ではなく間引いて入射することで、ビーム入射期間を変更することなく、強度を変更することができる。この機能を応用すると、1パルスだけ入射するようにパラメータを設定することで、非常に低いビーム強度で運転することもできる。この発表では、チョッパーゲートパルス生成の概要を示すとともに、自由度の高いゲートパルス生成を生かしたビーム調整結果について報告する。また、今後の機能向上についても議論する。
山本 昌亘; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 野村 昌弘; 大森 千広*; 島田 太平; 杉山 泰之*; 田村 文彦; 吉井 正人*
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011022_1 - 011022_6, 2021/03
J-PARCリング高周波システムではThales社製四極真空管TH589を使用し、2007年の運転開始以来長いものでは5万時間を超える運用を実現している。特に3GeVシンクロトロンにおいては、初期不良を除いてこれまで寿命を迎えた真空管は無い。TH589はトリウムタングステンを使用したフィラメントを用いており、トリウムの蒸発を抑えるために製作時に炭化を実施している。真空管の運用とともに脱炭化が進むため、フィラメントの抵抗値を測定すると徐々に下がっていくのが観測される。真空管メーカーからは、脱炭化を抑えるために定格電圧よりも低い値(
10%)で運用することが推奨されている。しかし12年に及ぶ運用の経験で、電圧を低い値に固定していても抵抗値が下がるに従って電流値が増え、フィラメントの発熱が増えて脱炭化が促進されている様子が観測された。これはフィラメントの電圧だけに着目するのではなく、発熱を一定にする運用をすることが寿命を伸ばすためには必要であることを示唆しており、3GeVシンクロトロンにおいては定期的に電流値を下げる運用手法を確立した。
野村 昌弘; 田村 文彦; 島田 太平; 山本 昌亘; 古澤 将司*; 杉山 泰之*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 吉井 正人*
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.64 - 67, 2020/09
畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network:CNN)よる画像認識は、幅広い分野で用いられ、優れた結果を残している。この画像認識の技術を上手く利用すれば、人が画像から得る情報と同等かそれ以上の情報を画像から得ることができるはずである。J-PARCではマウンテンプロットと呼ばれる画像から、専門知識を持った研究者が機器の調整に必要な情報を得ている。本研究では、CNNによる画像認識の技術をこのマウンテンプロットに適用し、調整等に必要なビームに関する情報を求めてみた。その結果、画像認識技術を活用することにより、より多くの情報が得られることが分かった。今後は、実際に画像認識により求めた情報を元に機器の調整を行い、その有効性を確かめていく予定である。
沖田 英史; 田村 文彦; 山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; et al.
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.674 - 678, 2020/09
近年、CERNが開発を進めている縦方向シミュレーションコードBLonD (Beam Longitudinal Dynamics)は世界の加速器で利用が進んできている。BLonDは主な部分がPythonで書かれているため可読性,汎用性が高いコードで、空胴に発生するウェーク電圧や縦方向の空間電荷力を考慮したシミュレーションが可能である。現在、J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)の更なる加速技術、運転安定性の向上について検討するツールとして、BLonDの導入とベンチマークを進めている。BLonDを用いて現行の1MW運転パラメータを反映した縦方向シミュレーションを行い、縦方向のビームの電荷分布を表すバンチングファクターを計算した結果は測定値をよく再現しており、RCSの縦方向ビームシミュレーションにBLonDが有効であることを確認した。本発表ではその詳細について報告する。
田村 文彦; 山本 昌亘; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 島田 太平; 野村 昌弘; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*
Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012189_1 - 012189_7, 2019/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.07J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では高加速電圧の発生のために金属磁性体空胴が採用されている。真空管アンプで駆動される空胴は広帯域であるため、周回周波数の整数倍の周波数成分の電圧がビームによって誘起される。その影響を相殺(ビームローディング補償)するために、真空管は複数の周波数成分を持つ電圧を発生させ、誘起電圧を打ち消す必要がある。真空管の動作およびビームローディング補償を解析するために、回路の解析に広く使われているLTspiceを用いた回路モデルを構築した。モデルは空胴, アンプ, ビーム電流, 低電力高周波(LLRF)電圧制御を含む。電圧制御はさまざまなデジタル回路を含んでおり、この発表ではLTspiceでのデジタルLLRF電圧制御の回路モデル実装の詳細について述べるとともに、ビーム試験での電圧波形との比較を行っている。シミュレーション結果は比較的よく実際の電圧波形を再現した。
田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 山本 昌亘; 大森 千広*; 野村 昌弘; 島田 太平; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 22(9), p.092001_1 - 092001_22, 2019/09
被引用回数：4 パーセンタイル：46.54(Physics, Nuclear)ビーム誘起電流による影響の低減(ビームローディング補償)はJ-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)における大強度ビーム加速に最も重要な課題の一つである。RCSでは広帯域金属磁性体空胴が用いられており、ビームの誘起する電圧は周回周波数の整数倍の成分を含むことから、それら複数の周波数成分(マルチハーモニック)の誘起電圧を抑制するビームローディング補償が必要である。これまではビーム電流の測定から補償信号を生成するRFフィードフォワード法による補償が行われており、マルチハーモニックフィードフォワードシステムは1MWまでのビーム試験においてその役割を果たしてきた。しかしながら、大強度になるにつれて補償性能の低下が確認されていた。そこで、低電力高周波(LLRF)制御システムの更新にあたり、マルチハーモニックベクトル電圧制御によるフィードバック制御を採用することとした。フィードバック制御はゲインの変動についても安定性の範囲内で性能を発揮することが期待される。本論文では、システムの構成、調整方法、大強度ビーム試験の結果について報告する。設計パワーである1MW相当のビーム加速において、ビームローディングはよく補償されている。
田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 漁師 雅次*
IEEE Transactions on Nuclear Science, 66(7), p.1242 - 1248, 2019/07
被引用回数：4 パーセンタイル：47.64(Engineering, Electrical & Electronic)J-PARC RCSのLLRF制御システムは2007年に運転を開始した。システムの重要な機能として、デュアルハーモニック運転とマルチハーモニックRFフィードフォワードによるビームローディング補償が挙げられる。これまでLLRF制御システムは大きな問題もなくその性能を発揮してきたが、使用されているFPGAが古くなり、最新の開発環境でサポートされないなど今後の維持は困難になることが予想されている。このため、MTCA.4ベースにした新しいシステムにより、既存のVMEシステムを置き換えることを検討中である。この発表では、次世代LLRFシステムの構成、これまでに実装されている機能、テスト結果について報告する。
