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樋口 雄紀*; 吉宗 航*; 加藤 悟*; 日比 章五*; 瀬戸山 大吾*; 伊勢川 和久*; 松本 吉弘*; 林田 洋寿*; 野崎 洋*; 原田 雅史*; et al.
Communications Engineering (Internet), 3, p.33_1 - 33_7, 2024/02
The automotive industry aims to ensure the cold-start capability of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) for developing fuel cell electric vehicles that can be driven in cold climates. Water and ice behavior is a key factor in maintaining this capability. Previously reported methods for visualizing water and/or ice are limited to small-sized PEFCs ( 
50 cm
), while fuel cell electric vehicles are equipped with larger PEFCs. Here, we developed a system using a pulsed spallation neutron beam to visualize water distribution and identify water/ice phases in practical-sized PEFCs at a cold start. The results show direct evidence of a stepwise freezing behavior inside the PEFC. The produced water initially accumulated at the center of the PEFC and then froze, followed by PEFC shutdown as freezing progressed. This study can serve as a reference to guide the development of cold-start protocols, cell design, and materials for next-generation fuel cell electric vehicles.
吉村 宣倖*; 外山 毅*; 菖蒲田 義博; 中村 剛*; 大見 和史*; 小林 愛音*; 岡田 雅之*; 佐藤 洋一*; 中家 剛*
Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.260 - 264, 2023/11
-PARCメインリング(MR)の出力は1.3MWに増強される予定である。そのために、イントラバンチフィードバックシステム(IBFB)を最大約200MHzまでの高い周波数に対応できるようにアップグレードする必要がある。このアップグレード後の性能を評価し、最適なパラメータを理解するために、現在、必要なコンポーネントを含む粒子トラッキングシミュレーションを開発している。その結果、色収差によって引き起こされるビームのリコヒーレンス時間を、トラッキングシミュレーションと実験との間で比較し、それが単純なシミュレーションでは説明できないことを確認した。現在、この結果を説明するメカニズムを調査しているが、縦方向のインピーダンスの効果のみでは、この実験結果を説明できないことがわかった。
吉村 宣倖*; 外山 毅*; 小林 愛音*; 中村 剛*; 岡田 雅之*; 菖蒲田 義博; 中家 剛*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.936 - 941, 2023/01
大強度陽子シンクロトロンJ-PARC Main Ring (MR)は現在の510kW (
ppp, MRサイクル2.48秒)から1.3MW (
ppp, 1.16秒)へと大強度化する予定である。大強度のビームは、それが引き起こすウェイク場や電子雲などによりビームの振動が不安定になるために、ビーム損失が発生する。これを抑制するためにビーム位置モニター(BPM), FPGA, ストリップラインキッカーを用いたintra-bunch feedback system (IBFB)がMRに設置されている。ビーム強度が増強されると横方向不安定性がさらに増大してビームを実験施設に安定供給する制限要因となることが予想される。現在、対策として今後1,2年でIBFBを新システムに更新して200MHzの高周波の振動にも対応させることが計画されている。今回、この事前調査として(100MHzまでの振動に対応した)現行システムのIBFBの性能限界を6月に行われたビーム試験でのデータをもとに評価した。
小林 愛音*; 外山 毅*; 中村 剛*; 菖蒲田 義博; 石井 恒次*; 冨澤 正人*; 竹内 保直*; 佐藤 洋一*
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.19 - 23, 2023/01
J-PARCのメインリングでは、デバンチ工程でビームの縦方向の不安定性による密度変調が発生する。これは電子雲の発生につながり、これが横方向のビーム不安定性を引き起こす。この原因として特に、数百MHzに及ぶ縦方向のインピーダンスが関係しているとされ、個々の装置の低インピーダンス化対策が進められている。今年新たに設置された渦電流式セプタムマグネットは、シミュレーションの結果、インピーダンスが大きいことが判明した。現在、テーパーを設置する空間的余裕がない場所にも適用できるよう、SiCを搭載したフランジによるインピーダンスの低減を検討している。本報告では、まず実機で使用するSiCの特性の測定結果を示す。その後、その結果を入力にしたインピーダンスのシミュレーション結果とワイヤー法による測定結果を比較する。最後に、インピーダンスの測定結果を入力にしてビームへの影響について評価する。
山本 風海; 金正 倫計; 林 直樹; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 谷 教夫; 高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 菖蒲田 義博; et al.
Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1174 - 1205, 2022/09
被引用回数：6 パーセンタイル：84.97(Nuclear Science & Technology)J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度ビームを25Hzという早い繰り返しで中性子実験及び下流の主リングシンクロトロンに供給することを目的に設計された。2007年の加速器調整運転開始以降、RCSではビーム試験を通じて加速器の設計性能が満たされているかの確認を進め、必要に応じてより安定に運転するための改善を行ってきた。その結果として、近年RCSは1MWのビーム出力で連続運転を行うことが可能となり、共用運転に向けた最後の課題の抽出と対策の検討が進められている。本論文ではRCSの設計方針と実際の性能、および改善点について議論する。
菖蒲田 義博; 外山 毅*; 吉本 政弘; 畠山 衆一郎
Proceedings of 13th International Particle Accelerator Conference (IPAC 22) (Internet), p.1663 - 1666, 2022/07
シンクロトロンでは、様々な目的でセラミックブレークが使用されている。例えば、J-PARCの3GeVシンクロトロンでは、入射ラインのマルチワイヤープロファイルモニター(MWPM)の間に挿入し、ビームに伴う壁電流がMWPMに影響するのを完全に防いでいる。一方、ビームインピーダンスやセラミックブレークからの放射場を抑制する観点からは、セラミックブレークの内面を窒化チタンでコーティングしたり、コンデンサで覆ったりすることが望ましいと考えられる。本報告では、コンデンサの有無によるセラミックブレークからの放射場とビームプロファイルを測定し、セラミックブレークが測定に与える影響について検討した。
小林 愛音*; 外山 毅*; 中村 剛*; 菖蒲田 義博; 石井 恒次*
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1031, p.166515_1 - 166515_12, 2022/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.02(Instruments & Instrumentation)現在、大強度陽子加速器施設(J-PARC)のメインリングでは、ビームパワーの増強が進められている。大強度ビーム実現のためには、ビームパワーを制限するビーム不安定性の低減と、その発生源であるビーム結合インピーダンスの低減が不可欠である。3次元シミュレーションコード(CST studio suite)によれば、現在のセプタム電磁石は大きなインピーダンスになる。今回、このセプタム電磁石は、より高い繰り返し回数に対応するため新型の電磁石に置き換える予定なので、これにあわせてインピーダンスの低減法を考案した。一般的に、テーパー管を使うことでインピーダンスは低減されることが知られているが、実際に設置するには空間的に非常に強い制限をうける。そこで、セプタム電磁石のフランジに銅板とSiCを取り付けることで、簡単にしかも効果的にインピーダンスを低減できる手法を考案した。これにより、新型セプタム電磁石の縦方向インピーダンスは対策をしない場合と比べて1%に減少し、ビーム安定条件が大きく改善した。この方法は、フランジに省スペースで設置できるため、本来の電磁石の発生磁場に影響を与えることなく、インピーダンスを低減できる。また、ビームパイプの形状に関係なく幅広く適応できる。
菖蒲田 義博; 外山 毅*
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.75 - 79, 2021/10
金属製のチャンバーに挟まれた短いセラミックのリングを「セラミックブレイク」と呼ぶ。陽子シンクロトロンの偏向電磁石付近では、外部磁場によってチャンバーに生じる渦電流の影響を緩和するためセラミックブレイクを挿入する。また、陽子ビームの一部がチャンバー表面に衝突することで生じる電子の二次放出を抑制するため、このセラミックの内面は、薄いTiNを施されることもある。陽子シンクロトロンで大強度ビームを実現するために、このようなセラミックブレイクが作るビームのインピーダンスは精力的に研究されてきた。現在、このインピーダンスは、TiNの抵抗、放射損失項、およびセラミックが作る容量項の並列回路で近似できることが分かっている。この時、TiNの厚さが薄くなるとインピーダンスが高くなる。それは、スキンデプスがTiNの厚さより大きくても、壁電流は主にTiNを流れ続けるからである。これは、セラミックブレイクのインピーダンスが、広帯域で周波数に大きく依存しないことを意味している。したがって、薄いTiNを施したセラミックブレイクを使うと縦方向のビーム形状をモニターすることができる。本報告では、主に理論と測定の観点から上記の原理の実証試験結果を説明する。
小林 愛音*; 外山 毅*; 中村 剛*; 菖蒲田 義博; 石井 恒次*
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.287 - 291, 2021/10
加速器を構成する要素のビーム結合インピーダンスの影響の見積もりと対策は、それにより引き起こされるビームの集団効果を抑制し、ビーム強度を上げるために不可欠である。J-PARC main ring (MR)は現在の最高強度515kW (
ppp, MR cycle 2.48 sec)から750kW (
ppp, 1.3sec)、さらには1.3MW (
ppp, 1.16 sec)と大強度化する計画であり、不安定性をはじめとした集団効果によるビームロスの低減は必須である。大きなインピーダンスを持つと考えられている個々の装置のうち、FXセプタムとFXキッカーをCSTシミュレーションでモデル化し、縦および横方向のインピーダンスの見積もりを行った。特に大きな値となったインピーダンスについては、それが発生するウェイク場を減衰させる方法を検討した。FXセプタムについては、SiCをウェーク場の減衰器として追加することでインピーダンス低減を目指すように設計し、かつ発生する熱等が実用的かどうか調べ、製作を行なっている。インピーダンスの実測定は夏から秋に行う予定である。ここではシミュレーション過程およびインピーダンスのビームへの影響の見積りを報告する。
外山 毅*; 小林 愛音*; 菖蒲田 義博
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.666 - 669, 2021/10
J-PARC MRにおいて、遅い取出しモードのフラットトップでデバンチ時にマイクロバンチ構造が発生し問題となっている。一方、速い取出しモードのフラットトップで縦方向位相空間でのバンチ操作・整形によりピーク電流を低減する方法が議論されている。ここでもマイクロバンチ構造発生の可能性が問題となってくる。これらのマイクロバンチ構造(マイクロウェーブ・インスタビリティ)発生の原因を明らかにして、対策を講じるための第一歩として、J-PARC MRのビーム結合インピーダンスを評価している。本報告では、その中で、J-PARC MRの主要な機器(キッカー,セプタム,RF空洞)に関するビーム結合インピーダンスの伸長ワイヤー法による測定結果を示す。特に、取得した縦方向インピーダンスの実部と虚部のヒルベルト変換(因果律)の確認によるデータの信頼性評価について述べる。
山本 風海; 長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 吉井 正人*; 外山 毅*
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011016_1 - 011016_7, 2021/03
J-PARC施設は量子ビームを用いた様々な科学実験を行うために建設された。施設はリニアック, 3GeVシンクロトロン(RCS),主リング(MR)の3つの加速器とRCSおよびMRからビームを受ける実験施設群で構成される。J-PARCは、物質生命科学実験施設(MLF)において中性子を用いたユーザー利用運転を2008年12月より開始し、東日本大震災やハドロン実験施設における放射能の管理区域外へのリーク、中性子ターゲットの破損などによる比較的長期の中断を挟みながらも現在まで10年以上運転を継続してきた。これまでの加速器の運転統計データから、特に大きなトラブルが無ければ、MLFの運転稼働率は90%程度、MRがビームを供給するハドロン実験およびニュートリノ実験は85%程度の稼働率が確保できていることを確認した。また、近年ではイオン源の寿命が延びたことでその保守日数が低減され、その分運転日数に余裕を持つことができるようになった。そのため、トラブル発生時にその予備日を運転に回すことができ、稼働率はさらに改善している。運転中の停止頻度も、2018年夏にリニアックのビームロスモニタの設定を見直すことで劇的に低減することができた。
菖蒲田 義博; 外山 毅*
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(9), p.092801_1 - 092801_18, 2020/09
被引用回数：1 パーセンタイル：13.56(Physics, Nuclear)加速器では渦電流を抑制するためセラミックブレイクと呼ばれる絶縁体のリングを挿入する。セラミックブレイクにはセラミック単体のものと内側をTiNで15nm程度コーティングしたタイプのものがあるが、ビームに付随する壁電流がセラミックブレイクを通過する時、壁電流がどのように放射場や変位電流を誘起するかは自明ではない。われわれは、壁電流はビームのエネルギーロスが最小化するようにその形態を変異していくことを理論的に解明してきた。そして、TiNが15nmと極めて薄く、スキンデプスがTiNの厚みを超えるような場合、壁電流はDC電流としてTiNを流れ続けることを明らかにした。これは、TiNが15nmと極めて薄い場合、ビームの壁電流が広帯域に渡り周波数依存性をもたなくなることを意味する。この性質を利用すると壁電流を測定するだけで、ビームの形状を直接測定できるようになる。加速器でよく使われるストリップライン電極を用いた測定では、その低周波での特性からビームの微分波形が誘起されるので、セラミックブレイクを使った結果は従来とは著しく異なる。本論文では、このようなモニターが動作する理論的裏づけと測定による実証を行なった。
小林 愛音*; 外山 毅*; 菖蒲田 義博; 中村 剛*; 佐藤 洋一*
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.684 - 688, 2020/09
J-PARC main ring (MR)速い取り出し運転において、ベータトロンチューンシフトやビーム不安定性を発生させるなど、横方向インピーダンスはビームに強い影響を与える。その見積もりと対策はビーム強度を現在の
ppb
バンチから
ppb 
バンチとする大強度運転に向けて不可欠である。この研究ではインピーダンス源の特定のための調査を行なった。MRの横方向の主要インピーダンス源は抵抗性壁効果と考えられているが、水平方向には他にキッカー等のインピーダンスがあるため、ここでは他のインピーダンスの寄与が小さいと考えられる垂直方向についてビーム試験を行なった。試験ではマルチバンチビーム不安定性の成長率を、チューンを変えることによりインピーダンスが応答する周波数を変えて測定し、それを抵抗性壁効果の模型と比較することによりインピーダンスを同定することとした。シングルバンチ不安定性の寄与は、バンチ数を変えてバンチ電流を増減させ、かつバンチ内振動の測定を行い確認した。ここでは解析手法やシミュレーションとの比較についても報告する。
外山 毅*; 小林 愛音*; 中村 剛*; 菖蒲田 義博
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.689 - 692, 2020/09
J-PARCの様な大強度ビーム加速器では、ビームが発するウェーク場がビームに働き不安定な運動を引き起こす。これがビーム損失の原因の1つとなり、ビーム強度の増強に制限を与える。不安定性の理論的計算のほとんどは、リングに対称に蓄積されたバンチを対象にしているが、J-PARC MRでは9個のRFバケツに対して8個のバンチが不均一に蓄積され、解析が難しくなっている。シミュレーションにおいても、壁抵抗によるウェーク場は長距離で生き残るので計算が簡単ではない。例えば、J-PARC MRでは、壁抵抗のウェーク場は減衰時間1ms(200ターン)程度と積もられている。この様なウェーク場に対して、ビーム振動からキックへの伝達関数をIIR(infinite impulse response)フィルターで近似すると、数ターン前までの履歴情報のみで計算可能となる。それは、壁抵抗ウェーク場が、
の形の重ね合わせで表現でき、線形系を記述するIIR filterで表すことができるためである。この方法は、一般の線形系のウェーク場に適用可能である。ここでは、Rigid bunchモデルの場合の計算法を報告する。
長谷川 和男; 金正 倫計; 小栗 英知; 山本 風海; 林 直樹; 山崎 良雄; 内藤 富士雄*; 吉井 正人*; 外山 毅*; 山本 昇*; et al.
Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1235 - 1239, 2019/07
J-PARCでは2018年の夏季メンテナンス終了後、3GeVシンクロトロン(RCS)からビームを供給する物質・生命科学実験施設(MLF)での利用運転を10月下旬から再開した。出力は夏前の500kWと同じであるが、リニアックのピークビーム電流値を、夏前の40mAから定格の50mAに上げた。一方、スーパーカミオカンデの改修やハドロン実験施設の保守や整備などもあり、30GeVのメインリング(MR)のビーム運転は休止したが、利用運転は2月中旬からハドロン実験施設向けに51kWで再開した。しかし3月18日、MRへの入射ビームラインでの偏向電磁石1台に不具合が発生し、仮復旧で4月5日に利用運転を再開したが、再度不具合が発生し4月24日に夏前の利用運転を終了した。2018年度の稼働率は、リニアック, RCSともに安定でMLF向けは94%、ニュートリノとハドロン実験施設向けは86%、74%であった。ここでは、こうした1年間の運転経験を報告する。
菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 林 直樹; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 外山 毅*; 山本 風海; 山本 昌亘
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(6), p.061003_1 - 161003_15, 2018/06
被引用回数：4 パーセンタイル：36.29(Physics, Nuclear)J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)は、物質生命科学研究施設(MLF)と50GeVシンクロトン(MR)にビームを供給しているが、MRへは横方向のビームサイズを小さくする必要がある。一方、RCSのビームは横方向のビームサイズが小さくなるに従って、ビームが不安定になるが、原因は、キッカー電磁石由来のビームのインピーダンスが大きいためである。今回、我々はそのRCSのキッカー電磁石のビームのインピーダンスを下げるために、キッカー電磁石の端末をダイオードと抵抗で終端する手法を開発した。しかし、この手法では、非線形素子(ダイオード)を使うため、定量的にビームのインピーダンスを評価することが難しい。本論文では、シミュレーションと測定でそれを評価できる手法について議論した。両者の結果はよく一致し、これによってキッカー電磁石のビームのインピーダンスが確かに低減できていることが確認できた。
菖蒲田 義博; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘; 田村 文彦; 谷 教夫; 富樫 智人; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.
Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.2946 - 2949, 2017/05
J-PARC RCSのような1MWの大強度のビームの生成を目指す加速器では、加速器の構成要素とビームは、電磁気的に相互作用(ビームの結合インピーダンス)をして、ビームが不安定になる。RCSでは、それがキッカーとの相互作用(キッカーインピーダンス)で起こることが明らかにされており、ビームを不安定にすることなく大強度のビームを達成する手法について研究がなされてきた。著者らは、最近、ビームのもつ空間電荷効果にはビームを安定化させる働きがあることを発見し、MLF行き用の横方向に大きい200
mm.mradのエミッタンス のビームに対しては、1MWのビームを達成する手法を確立した。ところが、MR行き用の50mm.mradのエミッタンスの細いビームに関しては、この手法では、ビームを大強度化する上で限界がある。このレポートでは、このようなビームに対して、どのようにして大強度ビームを達成するか、その対策を議論する。また、現在のキッカーインピーダンス低減化対策の現状も報告する。
菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; Saha, P. K.; 發知 英明; 原田 寛之; 入江 吉郎*; 田村 文彦; 谷 教夫; 外山 毅*; 渡辺 泰広; et al.
Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2017(1), p.013G01_1 - 013G01_39, 2017/01
被引用回数：14 パーセンタイル：68.14(Physics, Multidisciplinary)大強度のビームを加速すると、一般にビームは不安定になることが知られている。それは、周回中のビームと加速器の機器には電磁相互作用(ビームのインピーダンス)があるからである。ビームを不安定にならないようにするためには、ビームのインピーダンスが閾値を超えなければ良いことが分かっていて、それは、インピーダンスバジェットと呼ばれている。J-PARC 3GeVシンクロトロンは、キッカーというビームを蹴り出す装置がインピーダンスバジェットを破っていることが、建設初期の段階から明らかにされており、1MWビームの達成を阻害することが懸念されてきた。今回、ビームの構成粒子自身の電荷に由来する電磁相互作用(空間電荷効果)には、ビームを安定化させる効果があることを理論的に明らかにした。また、ビームのパラメータや加速器のパラメータを適切に選べば、J-PARC 3GeVシンクロトロンのような低エネルギーのマシーンでは、従来のインピーダンスバジェットを破ることは、1MWビームを達成する上で致命傷にはならないことを実験的にも実証した。
菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*; 外山 毅*; 仲村 佳悟*
Proceedings of 57th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2016) (Internet), p.523 - 528, 2016/08
J-PARCのシンクロトロン(特にMR)では、ビーム強度を上げていくと、将来、電子雲によるビームの不安定化が起こることが懸念されている。このビームの不安定性をモニターで検知するには、GHz帯まで周波数特性の良いモニターが必要である。モニターの電極形状とモニターの周波数特性には相関があることが分かっていて、指数関数型の電極形状が採用されることが一般的である。しかし、これを精度よく製作することは、極めて困難である。実際、J-PARC MRのモニターの特性は、1GHzを超えると極端に悪くなっている。そこで、われわれは、三角形状や五角形状の電極を提案することにした。シミュレーション上は、これで、指数関数型の電極形状と同程度の周波数特性を得ることができることが分かる。さらに、この形状は製作が圧倒的に簡単なので、現実的には、指数関数型の電極形状の周波数特性を圧倒できることを、実際の測定で示すことができる。一方で、この改良でビームとの結合インピーダンスが悪化すると、ビームを安定化させるという意味で問題である。この発表では、改良した電極の周波数特性とその結合インピーダンスを示すことで、結合インピーダンスを増大させることなく周波数特性を改善できることを示すことにする。
菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*; 高田 耕治*; 外山 毅*; 仲村 佳悟*
Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 19(2), p.021003_1 - 021003_15, 2016/02
被引用回数：1 パーセンタイル：11.14(Physics, Nuclear)ビーム位置モニターの周波数特性は、モニターの電極形状に著しく依存する。しかし、モニターの電極形状を直方体から変化させると、その形状に応じて、電極自身を精度よく傾かせ、チェンバーと電極のインピーダンスの整合性を取らないと、電極形状が持つ周波数特性と有為性を維持できない。そこで、まず、セッティングが最も簡単な場合として、電極形状が三角の場合を考え、その周波数特性が、直方体の電極の場合に比べて、著しく改善することを実証した。次に、五角形の形状の電極を考えることで、三角の場合に生じた、低周波側でのオーバーシュートが改善することを実証した。さらに、電極の端を直角に曲げることで、電極形状によらず、周波数特性を改善させることができることを実証した。
