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Investigation of hydrogen superoxide adsorption during ORR on Pt/C catalyst in acidic solution for PEFC by ${it in-situ}$ high energy resolution XAFS

山本 直生*; 松村 大樹; 萩原 悠人*; 田中 啓偉*; 長谷川 優太*; 石井 賢司*; 田中 裕久*

Journal of Power Sources, 557, p.232508_1 - 232508_10, 2023/02

Oxygen Reduction Reaction (ORR) is one of the key electrochemical reactions, especially in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs). In this work, the reaction pathway and intermediate species such as molecular-type oxygen during ORR were discussed. High energy resolution X-ray absorption fine structure spectra at the Pt L$$_{3}$$-edge were obtained to observe the electronic structure of Pt catalyst. Carbon-supported Pt nanoparticles as powder catalysts were used for measurement as more realistic conditions, and the species adsorbed on the Pt nanoparticles were analyzed while controlling under the potentials in acidic electrolyte solution with N$$_{2}$$ or O$$_{2}$$ gas bubbling. Molecular-type oxygen adsorption species is observed only in the O$$_{2}$$-bubbled electrolyte solution. This intermediate adsorption species is assigned to a hydrogen superoxide.


Hybridized propagation of spin waves and surface acoustic waves in a multiferroic-ferromagnetic heterostructure

Chen, J.*; 山本 慧; Zhang, J.*; Ma, J.*; Wang, H.*; Sun, Y.*; Chen, M.*; Ma, J.*; Liu, S.*; Gao, P.*; et al.

Physical Review Applied (Internet), 19(2), p.024046_1 - 024046_9, 2023/02

Coherent coupling in magnon based hybrid system has many potential applications in quantum information processing. Magnons can propagate in magnetically ordered materials without any motion of electrons, offering a unique method to build low-power-consumption devices and information channels free of heat dissipation. In this article, we demonstrate the coherent propagation of hybridized modes between spin waves and Love surface acoustic waves in a multiferroic BiFeO$$_{3}$$ and ferromagnetic La$$_{0.67}$$Sr$$_{0.33}$$MnO$$_{3}$$ based heterostructure. The magneto-elastic coupling enables a giant enhancement of strength of the hybridized mode by a factor of 26 compared to that of the pure spin waves. A short wavelength down to 250 nm is demonstrated for the hybridized mode, which is desirable for nanoscale acousto-magnonic applications. Our combined experimental and theoretical analyses represent an important step towards the coherent control in hybrid magnonics, which may inspire the study of magnon-phonon hybrid systems for coherent information processing and manipulation.


Design studies on a high-power wide-band RF combiner for consolidation of the driver amplifier of the J-PARC RCS

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。


Nonlinear magnon polaritons

Lee, O.*; 山本 慧; 埋田 真樹; Zollitsch, C. W.*; Elyasi, M.*; 吉川 貴史*; 齊藤 英治; Bauer, G. E. W.*; 紅林 秀和*

Physical Review Letters, 130(4), p.046703_1 - 046703_6, 2023/01


We experimentally and theoretically demonstrate that nonlinear spin-wave interactions suppress the hybrid magnon-photon quasiparticle or "magnon polariton" in microwave spectra of an yttrium iron garnet film detected by an on-chip split-ring resonator. We observe a strong coupling between the Kittel and microwave cavity modes in terms of an avoided crossing as a function of magnetic fields at low microwave input powers, but a complete closing of the gap at high powers. The experimental results are well explained by a theoretical model including the three-magnon decay of the Kittel magnon into spin waves. The gap closure originates from the saturation of the ferromagnetic resonance above the Suhl instability threshold by a coherent back reaction from the spin waves.


J-PARC RCSにおける大強度ビーム加速時に加速ギャップに発生する高次高調波の評価

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。


Improvement of longitudinal beam tracking simulation considering the frequency response of the cavity gap voltage monitor

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。


Measurements of pressure drop and void fraction of air-water two-phase flow in a sphere-packed bed

山本 誠士郎*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 今泉 悠也; 松場 賢一; 神山 健司

Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 4 Pages, 2022/10

To develop a microscopic pressure drop prediction model based on detailed measurement data of gas liquid two-phase flow, the pressure drop was measured in the vertical upward gas-liquid two-phase flow formed in quasi-2D test section. The measurement results showed that the pressure drop in the quasi-2D test section was much smaller than that in the ordinal packed bed system, which suggests that the pressure drop mechanism in the quasi-2D test section could be different from that in the ordinal packed bed system due to differences in two-phase flow characteristics in the two systems. The void fraction distribution was also measured in the quasi-2D test section by the X-ray imaging technique, which revealed that there was a local distribution of the void fraction in the channel unit structure of the closest packed bed.



小林 大輔; 山本 昌彦; 西田 直樹; 三好 竜太; 根本 良*; 林 宏幸*; 加藤 圭将; 西野 紗樹; 久野 剛彦; 北尾 貴彦; et al.

日本保全学会第18回学術講演会要旨集, p.237 - 240, 2022/07



Interaction between surface acoustic waves and spin waves in a ferromagnetic thin film

山本 慧; Xu, M.*; Puebla, J.*; 大谷 義近*; 前川 禎通*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 545, p.168672_1 - 168672_10, 2022/03

 被引用回数:3 パーセンタイル:45.08(Materials Science, Multidisciplinary)

We present a theoretical description of magnon-phonon interactions in a multi-layer structure containing a ferromagnetic thin film. The formalism is applicable to an arbitrary direction of external magnetic field and various types of acoustic waves including Rayleigh and Love surface modes. A particular attention is paid to the spatial profile of the acoustic wave modes and analytical expressions for the effective coupling coefficients are derived taking into account the degree of mode profile overlap between spin waves and acoustic waves. The results are applied to reproduce a strongly anisotropic and non-reciprocal linewidth of acoustic ferromagnetic resonance reported in a recent experiment.


An Automotive intelligent catalyst that contributes to hydrogen safety for the Decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1FD)

田中 裕久*; 正木 清香*; 青谷 拓朗*; 稲川 康平*; 岩田 宗悟*; 相田 樹哉*; 山本 忠亮*; 喜多 知輝*; 大野 瞳*; 竹中 啓恭*; et al.

SAE Technical Paper 2022-01-0534 (Internet), 10 Pages, 2022/03

The catalyst called a Passive Autocatalytic Recombiner (PAR) is required to have robustness that can maintain its activity for more than 30 years in an environment where temperature, humidity, gas concentration, etc. cannot be controlled. Here, it is expected that "An Intelligent Catalyst" for automotive emissions control exhibits excellent performance even in such a harsh environment. The intelligent catalyst is the nanostructure designed perovskite catalyst that has the rejuvenating function instead of preventing aging. The authors emphasize that the technology developed as a catalyst for automobiles is expected to be useful not only in other industries but also as a relief technology from the national crisis.


Long decay length of magnon-polarons in BiFeO$$_{3}$$/La$$_{0.67}$$Sr$$_{0.33}$$MnO$$_{3}$$ heterostructures

Zhang, J.*; Chen, M.*; Chen, J.*; 山本 慧; Wang, H.*; Hamdi, M.*; Sun, Y.*; Wagner, K.*; He, W.*; Zhang, Y.*; et al.

Nature Communications (Internet), 12, p.7258_1 - 7258_8, 2021/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:67.39(Multidisciplinary Sciences)

Magnons can transfer information in metals and insulators without Joule heating, and therefore are promising for low-power computation. The on-chip magnonics however suffers from high losses due to limited magnon decay length. In metallic thin films, it is typically on the tens of micrometre length scale. Here, we demonstrate an ultra-long magnon decay length of up to one millimetre in multiferroic/ferromagnetic BiFeO$$_{3}$$(BFO)/La$$_{0.67}$$Sr$$_{0.33}$$MnO$$_{3}$$ (LSMO) heterostructures at room temperature. This decay length is attributed to a magnon-phonon hybridization and is more than two orders of magnitude longer than that of bare metallic LSMO. The long-distance modes have high group velocities of 2.5 km$$^{-1}$$ as detected by time-resolved Brillouin light scattering. Numerical simulations suggest that magnetoelastic coupling via the BFO/LSMO interface hybridizes phonons in BFO with magnons in LSMO. Our results provide a solution to the long-standing issue on magnon decay lengths in metallic magnets and advance the bourgeoning field of hybrid magnonics.


J-PARC RCSの空胴ギャップ電圧モニタの周波数応答評価

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。


J-PARC RCS次世代LLRF制御システムの性能

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。


Consideration of triple-harmonic operation for the J-PARC RCS

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。


Vacuum tube operation tuning for a high intensity beam acceleration in J-PARC RCS

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。


Commissioning of the next-generation LLRF control system for the Rapid Cycling Synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

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:53.86(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。


Operation experience of Tetrode vacuum tubes in J-PARC Ring RF system

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



Thermally altered subsurface material of asteroid (162173) Ryugu

北里 宏平*; Milliken, R. E.*; 岩田 隆浩*; 安部 正真*; 大竹 真紀子*; 松浦 周二*; 高木 靖彦*; 中村 智樹*; 廣井 孝弘*; 松岡 萌*; et al.

Nature Astronomy (Internet), 5(3), p.246 - 250, 2021/03

 被引用回数:23 パーセンタイル:96.73(Astronomy & Astrophysics)


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