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論文

Status of the JAEA-ADS superconducting linac design

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 田村 潤; 明午 伸一郎; 前川 藤夫

Proceedings of 64th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (ICFA-HB2021) (Internet), p.30 - 34, 2022/04

原子力機構(JAEA)では、核廃棄物の有害度低減のための加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発に取り組んでおり、ビーム電流20mAの30MWのCW陽子線形加速器(LINAC)を設計を進めている。本LINACは、2.5MeVのエネルギーまでの常伝導(NC)加速器で構成され、引き続き5つの超伝導(SC)セクションにより最大1.5GeVまで加速する。未臨界原子炉の熱応力を回避のため、ADSの加速器は現存の加速器より極めて高い信頼性が必要となり、LINACの設計における最大の課題となる。このため、故障時にもビーム損失の少ない運転を継続できるフォールトトレランス機能を備えた強安定設計を進めている。本発表では、LINACの高信頼性達成に向けたビームダイナミクスの結果を紹介する。

論文

Design and beam dynamic studies of a 30-MW superconducting linac for an accelerator-driven subcritical system

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 24(12), p.120101_1 - 120101_17, 2021/12

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、加速器駆動未臨界システム(ADS)におけるビーム出力30MWの連続波(CW)陽子線形加速器(LINAC)の研究開発に取り組んでいる。LINACは主に超伝導空洞を使用し、20mAの陽子ビームを1.5GeVに加速する。未臨界原子炉の熱応力を防ぐために、LINACには高い信頼性が要求され、このため堅牢なビーム光学設計が要求される。ビーム光学の条件の確立のために、誤差のない理想的な条件でシミュレーションを行い、次に要素誤差と入力ビーム誤差を適用し計算を行い、許容誤差を推定した。許容誤差の改善のため、ビーム進行方向と直角方向のビーム重心のオフセットを減少する補正スキームを実装した。大規模な多粒子シミュレーションと1$$times$$10$$^{8}$$個の粒子の計算により、目標とした1W/m未満のビーム損失で動作できることを示した。

論文

Fast fault recovery scenarios for the JAEA-ADS linac

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 中野 敬太; 武井 早憲; 前川 藤夫; 明午 伸一郎

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.61 - 65, 2021/10

日本原子力研究開発機構(JAEA)が提案する加速器駆動未臨界システム(ADS)の主要コンポーネントとして、30MW CW超伝導陽子線形加速器の設計を進めている。未臨界炉における熱応力の抑制のため、線形加速器には高い信頼性を持つことが主要な課題となる。本研究では、JAEA-ADS線形加速器のフォールトトレランスの能力を高めるための手法について検討を進め、ビーム運転を高速で復旧し停止期間を短縮できる障害補償スキームについて検討した。

論文

Design of the MEBT for the JAEA-ADS Project

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.790 - 792, 2021/08

原子力機構(JAEA)が提案する核変換システム(ADS)において、Medium Energy Transport Beam (MEBT)は、電流20mA、エネルギー2.5MeVの連続したCW陽子ビームを、常伝導のRadio-Frequency Quadrupole (RFQ)の出口からHalf-Wave Resonator(HWR)セクションに輸送する。MEBTは、RFQとHWRの間の良好なマッチング、およびビームエミッタンスの増加とハロー形成の抑制した効果的なビーム制御が必要となる。このために、ビーム診断機器のための十分なスペースを装置間に設ける必要がある。本報では、JAEA-ADSのMEBTにおける初段ラティス設計とビームダイナミクス研究を報告する。

論文

Multipacting studies for the JAEA-ADS five-cell elliptical superconducting RF cavities

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤; Cicek, E.*

Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.793 - 795, 2021/08

原子力機構で検討している核変換システム(ADS)では、線形加速器(LINAC)の大強度陽子ビーム(600MeV-1.5GeV)を用いる。LINACの終段加速部では、楕円超伝導高周波空洞(SRFC)を用いる予定であり、その性能評価は重要である。加速器の信頼性向上のためには、空洞は低い電磁場ピークを持つことが望まれる。一方、経済性を考慮すると高い加速度勾配が望まれる。本検討では、この両者を達成するための検討を行い、空洞の形状を最適化した。また、ビームに起因する影響の評価として、マルチパクタリングの検討を進め、その対策法について検討した。

論文

RF design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011049_1 - 011049_6, 2021/03

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting (SC) linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a prototype spoke cavity. It will provide us an insight for the development of the low-beta SC cavity. It will also enable us to acquire valuable information such as the accelerating gradient under the stable operation. In this symposium, the RF design of the prototype cavity including multipacting analysis is presented.

論文

Reference design of the RFQ for JAEA ADS linac

近藤 恭弘; 田村 潤; Yee-Rendon, B.

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011015_1 - 011015_6, 2021/03

高周波四重極リニアック(RFQ)は現代の大強度イオン加速器を可能ならしめたキーコンポーネントである。それは加速器駆動核変換システム用陽子リニアックについても真実である。日本原子力研究開発機構では、30MW連続波リニアックを含んだADS計画を遂行中である。現状の設計では要求ビーム電流は20mAであり、RFQ出口でのエネルギーは2.5MeVである。RFQはこのリニアックで唯一の常伝導加速空洞であり、超電導加速空洞に要求されるのと同等の非常に高い安定性が要求される。比較的低い運転周波数を採用することで、低いヴェーン間電圧の設計にすることができる。このため、ADSリニアックでは、J-PARCリニアックの半分の周波数である162MHzを採用した。これは要求電流がJ-PARCの半分以下の20mAであるために可能となる。今回はリファレンスデザインなので、世界中で良くベンチマークされている、古典的な設計ツールであるRFQuickを用いて設計した。本論文では、このJAEA ADSリニアック用RFQの設計について述べる。

論文

Present status of the R&D of the superconducting linac for the JAEA-ADS

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011043_1 - 011043_5, 2021/03

原子力機構(JAEA)では、放射性廃棄物の有害度低減を目的とし加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を行っている。JAEAが提案するADSは、30MWのCW陽子リニアックと未臨界炉の結合で構成される。陽子の運動エネルギー1.5GeVの到達のため、常電導高周波キャビティ(NRFC)と超電導高周波キャビティ(SRFC)が用いられ、SRFCは2MeVから1.5GeVまでの加速の主要部分に用いられる。加速器開発の第一段階として、SRFCのモデルとビーム光学系の設計と最適化に重点が置いた。SRFCでは、半波長共振器(HWR),シングルスポーク(SS),楕円空洞(Ellip)をそれぞれ162, 324, 648MHzで動作させて加速する。ビーム光学系は、等分割条件を満たすように最適化されており、エミッタンス増長の抑制により、ビームのハローとロスを低減することができた。

論文

JAEA-ADSのLinac加速器における誤差解析

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.33 - 37, 2020/09

日本原子力研究開発機構で検討を進めている加速器駆動システム(ADS)は、運動エネルギー1.5GeVとなる連続的(CW)な陽子ビーム(電流20mA)を加速するLinacを用いる。このLinacでは、高い加速効率をもつ超伝導空洞によりビームが加速され、空洞は半波共振器(Half Wave resonator)、スポーク共振器(Spokes resonator)、および楕円形空洞(Elliptical cavity)などによる5つの群で構成される。30MWとなる大強度ビームを用いるADSでは、ビームロスが重大な機器の放射化を引き起こす可能性があるので、安定したビーム動作と高い信頼性を有する堅牢なビーム光学系が必要となる。ビーム損失率は、Linacの各構成要素における不整合や電磁場の誤差により生じる。このため、本研究では各構成要素の誤差に対するビームロスを検討した。本研究では、またビームロス低減のため、許容誤差を推定しその補正法に関し検討した。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトロン1MW運転状況

山本 風海; 山本 昌亘; 山崎 良雄; 野村 昌弘; 菅沼 和明; 藤来 洸裕; 神谷 潤一郎; 畠山 衆一郎; 發知 英明; 吉本 政弘; et al.

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.209 - 213, 2020/09

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は物質生命科学実験施設および主リングに最大1MW相当のビームを供給する目的で建設された。J-PARCでは運転開始よりビーム調整と機器の改良を進めており、供用運転として段階的にビーム出力を増加しながら、設計最大出力である1MWの連続運転試験を断続的に行ってきた。これまで実施してきた1MW連続運転試験の結果から、RCSはビームを精度よくコントロールしており、ビーム損失は連続運転の妨げとならないことが確認できた。しかし一方で、ビームを加速する高周波空胴に余裕が無いため、引き続き増強を進める必要があることが判明した。また、2020年6月以降の気温と湿度が高い条件下では、冷却水の供給温度が上がり、機器の冷却が十分にできず運転できないことも判明した。今後は、これらの問題点の改善を進める。

論文

Beam optics design of the superconducting region of the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012120_1 - 012120_5, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an Accelerator Driver Subcritical System (ADS) for the transmutation of the nuclear waste. ADS will consist in a superconducting CW proton linear accelerator with a final energy of 1.5 GeV and beam current of 20 mA. The main part of the acceleration, from 2 MeV to 1.5 GeV, will take part in the superconducting region using five types of radio frequency cavities. The ADS operation demands a high intensity, and reliability of the beam therefore, the beam optics design plays a fundamental role to avoid the emittance growth and reduce the beam losses and halo.

論文

Electromagnetic design of the low beta cavities for the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012197_1 - 012197_7, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is designing a superconducting CW H$$^{-}$$ linear accelerator for the ADS project. The superconducting region will use five types of radio frequency cavities. In the region from 10 to 180 MeV the acceleration will be done using Half Wave Resonator (HWR) and Spokes cavities. HWR cavities will accelerate the beam from 2 to 10 MeV with a geometrical beta of 0.08 and the Spoke ones will do from 10 to 180 MeV using two cavity families with geometrical betas of 0.16 and 0.43. The results of electromagnetic model design are presented and the comparison with similar cavities from other projects are included.

論文

Design of the elliptical superconducting cavities for the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012198_1 - 012198_6, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) superconducting CW proton linear accelerator employs elliptical cavities for the final acceleration of 180 MeV to 1.5 GeV. Due to this energy region implies a changed of beta from 0.55 to 1, two cavity models were developed using the geometrical betas of 0.68 and 0.89 to improve the acceleration efficiency. The study of the electromagnetic design was simulated using SUPERFISH code plus a program of python to produce the scan, the results were benchmarked with CST Microwave Studio program.

論文

The First replacement of the RF window of the ACS cavity

田村 潤; 近藤 恭弘; 森下 卓俊; 内藤 富士雄*; 大谷 将士*; 根本 康雄*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012079_1 - 012079_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

2013年に環結合型(ACS)空洞がJ-PARCリニアックに設置されて以降、これらACS空洞は順調に運転を継続している。これまでのところ、ACS空洞用高周波窓に起因する深刻な問題は発生していないが、25台あるACS空洞のうち1台についてその高周波窓を新規製作品と交換することにした。その大きな目的は、(1)5年近くビーム運転に使用されてきたACS用高周波窓の表面状態の確認、(2)新規に予備として製作した高周波窓が大電力運転に使用できるかどうかの確認、(3)未使用高周波窓の大電力コンディショニングにどれだけの時間を要するかの確認である。2018年の夏期メンテナンス期間を利用してACS用高周波窓の交換作業を行ったが、リニアックトンネルにて本交換作業を行うのは我々にとって初めての経験であった。取り外した高周波窓を確認したところ、目視ではまったく異常は見当たらなかった。このメンテナンス期間終了後の加速器立ち上げ時、新しく空洞に設置した高周波窓の大電力コンディショニングを行い、安定に必要な大電力を入力するのに約50時間を要することが分かった。新規製作のRF窓を設置した本ACS加速空洞は、現在でも安定に運転中である。

論文

VSWR adjustment for ACS cavity in J-PARC linac

田村 潤; 近藤 恭弘; 森下 卓俊; 内藤 富士雄*; 大谷 将士*; 根本 康雄*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012080_1 - 012080_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.07

J-PARCリニアックでは、環結合型(ACS)空洞によって負水素イオンビームを190MeVから400MeVまで加速している。そのACS空洞の中で最後段の加速空洞であるACS21空洞は、他の空洞に比べて大きなVSWR(空洞反射率)を持っている。この空洞反射率を目標値まで下げるために、専用の容量性アイリスを備えた矩形導波管を設計・製作した。2018年の夏期メンテナンス期間を利用し、製作した専用の矩形導波管をACS21空洞に設置した。これにより、ACS21加速空洞の反射率を目標値まで低減し、設計加速ビーム電流値である50mA加速時に極めて反射率の小さい運転を実現できるようになった。

論文

Electromagnetic design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

Proceedings of 19th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2019) (Internet), p.399 - 402, 2019/11

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a low-beta prototype spoke cavity. For the cavity development, we designed the prototype cavity. By the electromagnetic simulation, we obtained good cavity performance comparable with the modern spoke cavities.

論文

Cavity and optics design of the accelerator for the JAEA-ADS project

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.107 - 111, 2019/07

The Accelerator Driven Subcritical System (ADS) becomes a prominent candidate for the transmutation of nuclear waste. To realize the ADS the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing the JAEA-ADS project, which consists in a continuous wave (CW) superconducting (SC) proton linac coupling with a sub-critical core, the accelerator will introduce to the target with the beam current of 20 mA and the kinematic energy of 1.5 GeV. The first part of the work is focus in the design of five SC cavity models to accelerate the beam from 2.5 MeV to 1.5 GeV. The last one is dedicating to beam optic studies with emphasis on the control of the emittance growth to reduce the beam halos and mitigate the beam loss, which is one of the main challenges for the successful operation of the ADS projects.

論文

Development of an alpha dust monitor using a GPS scintillator plate

森下 祐樹; 金子 純一*; 樋口 幹雄*; 井崎 賢二; 矢島 辰雄*; 松浦 貢*; 田村 健; 鳥居 建男

Radiation Measurements, 122, p.115 - 120, 2019/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:75.46(Nuclear Science & Technology)

A dust monitor with a silicon surface barrier detector (SSBD) is introduced at a nuclear fuel facility to detect airborne contamination of $$^{238}$$Pu and $$^{239}$$Pu released by past accidents. However, an SSBD frequently produces false alarms, especially in a room with high humidity. We developed an alpha-particle spectrometer based on a cerium-doped Gd$$_{2}$$Si$$_{2}$$O$$_{7}$$ (GPS) scintillator plate and a photomultiplier tube (PMT). The energy resolution for 5.5-MeV alpha particles was $$sim$$11.9% $$pm$$ 0.2% of the FWHM. The efficiency was 92%, and it had a uniform sensitivity. By applying an energy window, the count-rate of the Rn progeny decreased by 77%. The GPS scintillator plate was able to measure the alpha spectrum even though the GPS scintillator got wet.

論文

Observation of a Be double-Lambda hypernucleus in the J-PARC E07 experiment

江川 弘行; 足利 沙希子; 長谷川 勝一; 橋本 直; 早川 修平; 細見 健二; 市川 裕大; 今井 憲一; 金原 慎二*; 七村 拓野; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2019(2), p.021D02_1 - 021D02_11, 2019/02

 被引用回数:13 パーセンタイル:85.21(Physics, Multidisciplinary)

A double-$$Lambda$$ hypernucleus, $${}_{LambdaLambda}mathrm{Be}$$, was observed by the J-PARC E07 collaborationin nuclear emulsions tagged by the $$(K^{-},K^{+})$$ reaction. This event was interpreted as a production and decay of $$ {}_{LambdaLambda}^{;10}mathrm{Be}$$,$${}_{LambdaLambda}^{;11}mathrm{Be}$$, or $${}_{LambdaLambda}^{;12}mathrm{Be}^{*}$$ via $$Xi^{-}$$ capture in $${}^{16}mathrm{O}$$.By assuming the capture in the atomic 3D state, the binding energy of two $$Lambda$$ hyperons$$,$$($$B_{LambdaLambda}$$)of these double-$$Lambda$$ hypernuclei are obtained to be$$15.05 pm 0.11,mathrm{MeV}$$, $$19.07 pm 0.11,mathrm{MeV}$$, and $$13.68 pm 0.11,mathrm{MeV}$$, respectively. Based on the kinematic fitting, $${}_{LambdaLambda}^{;11}mathrm{Be}$$ is the most likely explanation for the observed event.

論文

Low power measurement of a 1300-MHz RFQ cold model

近藤 恭弘; 森下 卓俊; 田村 潤; 大谷 将士*

Proceedings of 29th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2018) (Internet), p.794 - 797, 2019/01

J-PARCにおけるミューオンg-2/EDM実験のためのミューオンリニアックの開発が進行中である。J-PARCミューオン施設Hラインからのミューオンは、シリカエアロジェルターゲット中に停止させられ、室温のミューオニウムが生成する。それをレーザー解離した超低速ミューオンをリニアックで212MeVまで加速する。このミューオンリニアックの低エネルギー部は324MHzのRFQとIH-DTLで構成される。周波数は続くCCLセクションで1296MHz(Lバンド)に増やされる。我々は低エネルギー部をLバンドRFQで置き換えることを提案している。このLバンドRFQはこれまでのRFQにくらべて極端に小型となるため低電力モデルを製作し実現可能性を検証する。本論文では、LバンドRFQの低電力測定結果について述べる。

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