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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

Simulation of beam behavior caused by odd harmonics of beam loading 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*

Proceedings of 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC '16) (Internet), p.3443 - 3445, 2016/06

J-PARC RCSでは、ハーモニック数2において2バンチを加速している。このため、ビーム電流の主なフーリエ成分は偶数次となる。しかし、奇数次成分は初期において非常に小さな成分しか持たないにも関わらず、ある条件下では増大することがある。粒子トラッキングシミュレーションが示唆するところでは、2つのバンチの離合及びバンチ幅の増大・減少が奇数次のウエイク電圧によって引き起こされ、それが奇数次込のポテンシャルとうまく同期することで、ビームが不安定になることが分かった。RCSにおける奇数次のビーム負荷効果について、粒子追跡シミュレーションの結果を示す。

論文

Mechanisms of increasing of the magnetic alloy core shunt impedance by applying a transverse magnetic field during annealing

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*; 戸田 信*; 吉井 正人*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 797, p.196 - 200, 2015/10

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

J-PARCシンクロトロンでは高い加速電圧を発生させるために金属磁性体コアを用いた加速空胴を採用している。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。我々は磁場中熱処理を行うことにより、コアのシャントインピーダンスを約50%以上高めることに成功している。本論文では磁場中熱処理を行うことによりコアのシャントインピーダンスが高められるメカニズムについて議論を行っている。具体的には、まず磁場中熱処理により磁化過程が主に磁化回転となることにより、低周波数領域ではコアの損失が低減され、高周波数領域では磁気特性が向上していることを測定結果から示し、次にシャントインピーダンスと磁気特性を表す複素透磁率との関係から、コアのシャントインピーダンスが高められているのはこれらの磁気特性の改善が要因であることを述べている。

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

MAコアを用いたハイパワーバランの開発,2

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

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.639 - 642, 2015/09

J-PARC RCSでは、高い加速電圧を発生させ、また1台の空胴に基本波と2倍高調波を重畳した電圧を発生させるデュアルハーモニック運転を実現するために、広帯域の金属磁性体を装荷した加速空胴を採用している。AB級プッシュプル構成の真空管アンプにより空胴は駆動されており、2倍高調波を重畳した時に生じる各真空管の出力電圧振幅のアンバランスを改善させるために、MAコアを使用した高電圧、ハイパワーのバランのR&Dを行っている。バランはMAコアに高電圧ケーブルを巻いた高周波トランスとして構成されているが、RCSでは最大15kVの高周波電圧を線間に印加することになるために、高周波によるコロナ放電の抑制が課題となっている。本発表では、コロナ放電の抑制の手法について、また、コアおよびケーブルの冷却方法についてのR&Dの現状について報告する。

論文

FT3L金属磁性体コアのシャントインピーダンスに対する考察

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*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1096 - 1110, 2015/09

J-PARCの2つのシンクロトロン(RCS, MR)では高い加速電圧を発生させるために、加速空胴に金属磁性体コア(FINMET)を採用している。更に大強度の陽子ビームを加速するためには、この金属磁性体コアのシャントインピーダンスを高めることが重要である。Ring RFグループでは磁場中熱処理を行うことにより、高いシャントインピーダンスを持った加速器用の大型の金属磁性体コア(FT3L)の開発に成功している。磁場中熱処理を行うことにより磁化過程が主に磁化回転となることは知られており、FT3L金属磁性体コアのシャントインピーダンスは磁化過程が磁化回転となることにより高くなっている。本発表では理想的な磁化回転の場合のコアのシャントインピーダンスに対する考察を行う。具体的には、シャントインピーダンスで表されるコアの等価回路の損失と磁化回転の場合のコアの損失の計算を対応させることにより、シャントインピーダンスに対応する物理量を考察する。更にその結果から、シャントインピーダンスのコアを構成しているリボンの板厚及び透磁率依存性を示す。

論文

J-PARC RCSにおける奇数次のビームローディングによるビーム損失

山本 昌亘; 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*; 吉井 正人*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1008 - 1012, 2015/09

J-PARC RCSはハーモニック数2のRFバケツに2バンチを入れて加速しているので、ビームの主なフーリエ成分は偶数次となる。しかし、粒子トラッキングの結果から、微小な奇数次成分がバンチ間の非対称性を促進し、ある条件ではそれが急速に増大することが分かった。非対称性が単調に増加した場合、大きなビーム損失を引き起こすことになる。また、奇数次成分が大きな振幅ではないものの、振幅変調しながら続く場合ビームハローを形成し、それが微小なビーム損失を招くことも分かった。本報告では、奇数次成分についての粒子トラッキングの結果について述べる。

論文

MAコアを用いたハイパワーバランの開発

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

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1122 - 1126, 2014/10

J-PARC RCSでは、金属磁性体(magnetic alloy: MA)を装荷した広帯域空胴により、高い加速電圧を実現するとともに、1台の空胴を基本波および2倍高調波を重畳した電圧で駆動するデュアルハーモニック運転を行っている。空胴はAB級プッシュプル構成の真空管アンプで駆動されるが、2倍高調波を重畳した場合、それぞれの真空管の出力電圧はアンバランスとなるため、片方の真空管のみのスクリーングリッド電流の増加や、コア発熱のアンバランスが生じてしまうことが問題となっていた。2本の真空管出力電圧をバランスさせることを目的とし、MAコアを用いた高電圧、ハイパワーのバランを開発している。本発表では、プロトタイプバランの製作、および実機アンプおよび空胴を用いた高電圧試験の現状、今後の開発の課題について報告する。

論文

J-PARC MR用金属磁性体カットコアの研究

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*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1037 - 1041, 2014/10

J-PARC RCS, MRの両シンクロトロンではRF空胴に金属磁性体コアを使用している。本稿では、MR用のカットコアについての議論を行う。まずはじめに現在MRで使用している金属磁性体カットコアについて簡単に説明を行い、次にカットコアの磁気特性、漏れ磁場の影響について述べた後に、アンカットコアとカットコアのRpの関係について議論を行なう。そして最後に、カットコアで高いRpを達成するためにはなにが重要であるかについて述べる。Rpは大強度陽子ビームを加速するための重要なパラメーターであり、更なる大強度の陽子ビームを加速するためにはより高いRpが必要である。本成果は、加速器を安定に運転する上で、重要な成果である

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

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。

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