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論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画

西森 信行; 永井 良治; 森 道昭; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; Jin, X.*; 帯名 崇*; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.511 - 515, 2015/09

コンパクトERLは2013年4月の運転開始以降、順調にコミッショニングを進めている。2014年度までに0.1mAのエネルギー回収試験を終え、レーザーコンプトンX線発生試験も行った。その間、cERL電子銃はトラブル無く、安定なビーム供給に貢献している。ただし、分割セラミック管の不具合のため、運転電圧が390kVに留まっている。2015年度は、セラミック管増設により500kV化を目指す。また、FELへの利用を視野に入れ、高電荷ビーム生成用電子銃駆動レーザーの開発にも着手している。本発表では、cERL電子銃運転の現状と、アップグレード計画について報告する。

報告書

幌延深地層研究計画で得られた地下水の水質データ(2011年度$$sim$$2013年度)

笹本 広; 山本 信幸; 宮川 和也; 水野 崇

JAEA-Data/Code 2014-033, 43 Pages, 2015/03

JAEA-Data-Code-2014-033.pdf:3.92MB
JAEA-Data-Code-2014-033-appendix(CD-ROM).zip:0.09MB

幌延深地層研究計画における深地層の科学的研究では、実際の地下の地質環境特性(条件)を調査するための技術開発や、得られた地質環境特性に基づく地質環境モデルの構築が進められている。地質環境モデルの1つに、地下水の地球化学モデルがあるが、モデルの構築にあたっては、地下施設周辺における地下水の水質データが必要である。本報告では、平成23年度$$sim$$平成25年度(2011年度$$sim$$2013年度)までの3年間に、幌延深地層研究計画で得られた地下水の水質データとして、物理化学パラメータおよび水質の測定・分析結果を取りまとめたものである。

報告書

2003年$$sim$$2014年北進気象観測統計

山本 信幸; 松岡 稔幸

JAEA-Data/Code 2014-032, 33 Pages, 2015/03

JAEA-Data-Code-2014-032.pdf:6.38MB
JAEA-Data-Code-2014-032-appendix(CD-ROM).zip:5.94MB

幌延深地層研究センターでは、幌延深地層研究計画の一環として北海道幌延町北進で気象観測を実施してきた。本報告は、北進気象観測所で観測された2003年8月$$sim$$2014年10月の期間の気象データを取りまとめたものである。取得データは1時間データ、日統計データ、月統計データ(年表)として整理し、「観測データセット」としてCD-ROMに収録した。

論文

Development of a high-brightness and high-current electron gun for high-flux $$gamma$$-ray generation

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; 栗木 雅夫*

Nuclear Physics and $$gamma$$-ray sources for Nuclear Security and Nonproliferation, p.321 - 326, 2014/12

The quantification of fissile materials such as uranium-235 and plutonium-239 in spent fuel assemblies requires isotope-specific identification. We propose the use of nuclear resonance fluorescence (NRF) to identify the isotopic composition of sample materials nondestructively. The proposed nondestructive isotope identification system requires a high-intensity mono-energetic $$gamma$$-ray beam. Although a mono-energetic $$gamma$$-ray beam can be generated using a conventional laser Compton scattering technique, the generation of a high-intensity $$gamma$$-ray beam requires an electron beam of unprecedentedly high brightness, which can be generated with an advanced accelerator system known as the energy recovery linac (ERL). A technological challenge of the ERL system, which we have addressed, is the development of a high-brightness, high-current electron gun. Our current status of development and operational experience of our gun is presented.

論文

500kV直流光陰極電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 山本 将博*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.165 - 170, 2014/10

直流光陰極電子銃は、リニアコライダーの偏極電子源やエネルギー回収リニアック(ERL)の高輝度大電流電子源として国内外で20年以上に渡り開発されてきたが、運転電圧は350kV以下に留まっていた。我々は独自技術を用いて世界初となる500kVの安定印加、及び500keV電子ビーム生成に成功し、その後のコンパクトERLでの安定なビーム運転に貢献した。この電子銃には3つの主要開発技術がある。(1)光陰極には、偏極電子源開発に用いられてきた不電子親和力(NEA)表面を持つガリウムヒ素を選定した。(2)セラミック管については、独自のガードリング付分割型セラミック管を開発し、サポートロッドからの電界放出電子がセラミック管表面を直接叩かない構造とした。セラミック管表面のチャージアップによる放電や穴の開く事故を防ぎ、サポートロッド有の状態で500kVの安定印加に世界で初めて成功した。(3)ビーム生成用加速電極のインストール後、電圧印加中に電極の高電界部から暗電流が突然発生する未知の問題に悩まされた。陽極効果に着目し、加速ギャップ周囲への非蒸発型ゲッターポンプの配置とギャップ長の最適化により問題を解決した。

論文

Analysis on effects of transverse electric field in an injector cavity of compact-ERL at KEK

Hwang, J.-G.*; Kim, E.-S.*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 原田 健太郎*; 島田 美帆*; 高井 良太*; 久米 達哉*; 長橋 進也*; 帯名 崇*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 753, p.97 - 104, 2014/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:50.1(Instruments & Instrumentation)

For a future synchrotron light source based on a linac, e.g. an X-ray free electron laser and an energy recovery linac (ERL), an injector is a key component to generate a high brightness electron beam. For the acceleration and transportation of the electron beam in the injector, the adjustment of beam orbit inside the cavity is important to avoid the deterioration of the beam quality due to the transverse electric field of it, which causes the transverse emittance growth. To adjust the beam orbit, an investigation of the electromagnetic center of the cavity is required in the beam operation. This paper shows a new method for measuring the electromagnetic center of the cavity, and describes an analytical model of emittance growth due to a combination of transverse electric field and orbit offset. The validation of the method was confirmed by the emittance measurement in the compact ERL (cERL) injector at KEK.

論文

光陰極直流電子銃から500keV-mA電子ビームの生成

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 内山 隆司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; et al.

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.174 - 178, 2014/06

次世代ERL放射光源の電子源に対する要求は、エミッタンス0.1$$sim$$1mm-mrad電流10$$sim$$100mAの電子ビーム生成である。この低エミッタンスビーム生成には、空間電荷力抑制のため、電子銃の出射ビームエネルギー500keV以上が要求される。500kV光陰極DC電子銃が提案されて20年、運転電圧は放電問題のため350kVに留まってきた。われわれは、高電圧化を目標に掲げて電子銃開発に取り組んだ。まずガードリング付き分割型セラミック管を採用し、サポートロッドからの電界放出電子に起因する放電問題を解決した。次に、電子銃真空容器と陰極間の放電により、容器面上の残留微細粉塵が帯電し、陰極に付着した後に暗電流源となる現象が問題となった。これを解決するため、陰極-陽極のギャップ間隔を最適化し、特に真空容器表面の電界を下げる改造を行った。これにより電子ビーム生成条件下での550kV印加に初めて成功した。500keV電子ビーム生成試験を行った。波長530nmDCレーザー光をGaAs光陰極に照射し電子ビームを生成した。レーザー径0.1mm$$sigma$$、パワー1.5W、GaAs量子効率0.28%で最大1.8mAのビーム生成に成功した。

論文

Experimental investigation of an optimum configuration for a high-voltage photoemission gun for operation at $$geq$$ 500 kV

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 17(5), p.053401_1 - 053401_17, 2014/05

 被引用回数:18 パーセンタイル:78.97(Physics, Nuclear)

We have demonstrated generation of a 500-keV electron beam from a high DC voltage photoemission gun for an energy recovery linac light source. This demonstration was achieved by addressing two discharge problems that lead to vacuum breakdown of the DC gun. One is field emission generated from a central stem electrode. The other is microdischarge at an anode electrode or a vacuum chamber, which is triggered by microparticle transfer or field emission from a cathode electrode. An experimental investigation has revealed that larger acceleration gap optimized to mainly reduce surface electric field of anode electrode results in suppression of the microdischarge events which accompany gas desorption. It has also been found that non evaporable getter pumps placed around the acceleration gap greatly help suppress those microdischarge events. The applied voltage as a function of the total gas desorption is shown to be a good measure to find the optimum DC gun configuration.

論文

Progress in a photocathode DC gun at the compact ERL

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*

Proceedings of 35th International Free-Electron Laser Conference (FEL 2013) (Internet), p.184 - 188, 2013/08

Photocathode DC gun to produce a train of electron bunch at high-average current and small emittance is a key component of advanced accelerators for high-power beams. However, DC guns operated at a voltage above 350 kV have suffered from field emitted electrons from a support rod since the development of Lasertron in 1980's. This critical issue has been resolved by a novel configuration, segmented insulator and guard rings, adopted in a DC gun at JAEA and stable application of high voltage at 550 kV has been demonstrated. The gun has been installed at the Compact ERL at KEK and ready for the beam generation. Similar type of DC guns are under development at KEK, Cornell, JLAB and IHEP. In this talk, we present progress in photocathode DC gun for high voltage and small emittance.

論文

JAEAにおける500-kV光陰極DC電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*; et al.

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.255 - 259, 2013/08

次世代ERL放射光源の電子源に対する要求は、エミッタンス0.1$$sim$$1mm-mrad電流10$$sim$$100mAの高輝度大電流電子ビームの生成である。このような低エミッタンスビームを生成するには、空間電荷力抑制のため、電子銃の出射ビームエネルギー500keV以上が要求される。われわれは平成20年度より500kV光陰極DC電子銃の開発に着手し、世界に先駆けて550kVのDC印加と500kVでの8時間連続高電圧印加に成功した。この後、ビーム生成のためにカソード・アノード電極と非蒸発型ゲッターポンプを電子銃真空容器にインストールし、526kVの高電圧印加に成功した。当面の課題は電子ビーム生成条件下での550kV印加であるが、高電圧印加試験中にカソード電極から暗電流が突然発生するという新しい問題に直面している。この原因を、電子銃真空容器内の微細粉塵が、高電圧印加試験中の放電で帯電してカソード電極に付着し暗電流が発生すると推定した。電子銃真空容器内面の低電界化により暗電流問題の解決を図るべく、電極の改造に着手している。平成24年度10月には高エネルギー加速器研究機構で建設中のコンパクトERLに本電子銃を移設する予定であり、400keV以上でのビーム生成と大電流試験にも取り組みつつある。

報告書

坑道掘削に伴う周辺岩盤の変化に関する力学; 水理連成解析技術の検討(委託研究)

山本 信幸; 岩野 圭太*; 並川 正*; 森川 誠司*; 瀬尾 昭治*; 田部井 和人*; 戸井田 克*; 横田 秀晴

JAEA-Research 2013-003, 252 Pages, 2013/06

JAEA-Research-2013-003.pdf:77.85MB

多数の割れ目を有する岩盤中に坑道を掘削する場合、坑道周辺では割れ目の挙動に起因する力学特性や水理特性の変化が生ずると考えられる。このため、掘削影響領域の評価には割れ目発生等に起因する力学・水理挙動を原位置計測で把握するとともに、割れ目の挙動を考慮できる連成解析による評価が必要となってくる。本研究では、MBCモデル(Micromechanics-Based Continuum model)を用いた水平坑道掘削に伴う3次元力学-水理連成解析の事前・事後解析を実施した。事前解析では、140m調査坑道掘削初期段階において、地上及び地下の調査データを用いた解析を実施した。その結果、MBCモデルによる割れ目の開口と透水係数とがシンクロし、当解析が坑道周辺岩盤の掘削挙動予測に適用可能であることを確認した。事後解析では、140m調査坑道掘削が完了した段階で、事前解析の時点から新たに得られた調査データをもとに初期応力,岩盤力学物性,岩盤水理物性を見直すとともに、割れ目物性に関するデータを追加して解析を実施した。その結果、解析結果は原位置計測結果と力学的にも水理的にも整合がとれ、実現象に近い坑道周辺岩盤の掘削挙動予測が可能であることを確認した。

論文

Generation of a 500-keV electron beam from a high voltage photoemission gun

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*

Applied Physics Letters, 102(23), p.234103_1 - 234103_4, 2013/06

 被引用回数:15 パーセンタイル:59.37(Physics, Applied)

High-brightness and high-current electron guns for the future light sources such as energy recovery linac light sources and high repetition rate X-ray free electron lasers require exit beam energy of 500 keV or more to reduce space charge induced emittance growth in a drift space from the gun exit to the following superconducting accelerator entrance. At Japan Atomic Energy Agency, we have developed a DC photoemission gun employing a segmented insulator to mitigate the field emission problem, that is a major obstacle for the DC gun from being operated at 500 kV or more. Recent results of generating 500 keV electron beam with current up to 1.8 mA is presented.

論文

Beam generation from a 500 kV DC photoemission electron gun

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.321 - 323, 2013/05

The next generation light sources such as energy recovery linac (ERL) light sources and X-ray FEL oscillator requires high brightness electron gun with megahertz repetition rate. We have developed a DC photoemission electron gun at JAEA for the Japanese ERL light source project. This DC gun employs a segmented insulator with guard rings to protect the insulator from field emission generated from central stem electrode. We have successfully applied 500 kV on the ceramics with a cathode electrode in place and generated beam from the 500 kV DC photoemission gun in October 2012. Details of the beam generation test at 440 kV as well as 500 kV are presented.

論文

Development of a photoemission DC Gun at JAEA

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*; et al.

Proceedings of 34th International Free Electron Laser Conference (FEL 2012) (Internet), p.161 - 164, 2012/08

The next generation light source such as X-ray FEL oscillator requires high brightness electron gun with megahertz repetition rate. We have developed a photoemission DC gun at JAEA. By employing a segmented insulator with rings which guard the ceramics from field emission, we successfully applied 500-kV on the ceramics with a center stem electrode for eight hours without any discharge in 2009. This high voltage testing was performed with a simple configuration without NEG pumps and electrodes. In 2011 we reached 526-kV with NEG pumps and electrodes, before suffering another field emission problem from the cathode electrode. The problem may be attributed to small dust inside our gun chamber. We found wiping the cathode electrode with a lint free tissue could remove the field emission site effectively. Noble gas conditioning is also planned to remove the emission site without air exposure of the gun chamber.

論文

Progress with DC photoemission electron sources

Dunham, B.*; Benson, S.*; Hernandez-Garcia, C.*; Suleiman, R.*; 西森 信行; Rao, T.*; 山本 将博*

Proceedings of 50th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL '11) (Internet), p.10 - 29, 2011/10

This paper summarizes the recent progress made with DC photoemission electron sources for high average power energy recovery linac-based light sources (ERL) and free electron lasers (FEL). The progress during the past two years is discussed along with the remaining technical challenges for producing reliable, high-brightness, high average-power electron injectors.

論文

500-kV光陰極DC電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 羽島 良一; 山本 将博*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*; 奥見 正治*; et al.

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.20 - 23, 2011/08

次世代ERL放射光源の電子源に対する要求は、エミッタンス0.1$$sim$$1mm-mrad電流10$$sim$$100mAの高輝度大電流電子ビームの生成である。われわれは平成20年度より500kV光陰極DC電子銃の開発に着手し、21年度世界に先駆けて500kVのDC印加試験に成功した。高電圧印加試験に成功後、ビーム生成のために次の3つの技術課題に取り組んでいる。(1)カソード・アノード電極をインストールした状態での500kV高電圧印加、(2)ガリウム砒素光陰極の長寿命化のための1$$times$$10$$^{-9}$$Pa以下の極高真空の実現、(3)静的寿命の長いガリウム砒素光陰極の準備。(1)については、これまで466kVまでの高電圧印加に成功した。放電後、300kV前後でカソード電極から電界放出電子が発生するようになったため、原因を調査中である。(2)については、合計18,000l/sのNEGポンプ、200L/sのイオンポンプをインストールし、目標である6$$times$$10$$^{-10}$$Paの極高真空を実現した。(3)については、水素洗浄装置を導入することで、活性化前のガリウム砒素光陰極表面の清浄化に成功し、静的1/e寿命1000時間を達成した。下流ビームラインを接続して300kV,最大5.7microAのビーム生成にも成功している。上記開発の現状について報告する。

論文

Development of a 500-kV photocathode DC gun for ERLs

西森 信行; 永井 良治; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*; 奥見 正治*; 中西 彊*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 298, p.012005_1 - 012005_6, 2011/06

An electron gun capable of delivering high current and high brightness electron beam is indispensable for ERL light sources. A high voltage photocathode DC gun is a promising gun for such new light sources. It is however difficult to apply DC high voltage on a ceramic insulator with a rod supporting cathode electrode because of field emission from the rod. In order to mitigate the problem, we have employed a segmented insulator with rings which guard the ceramics from the field emission. We have recently succeeded in applying 500-kV on the ceramics for eight hours without any discharge. Our recent development will be presented at the workshop.

論文

Surface characterization of homoepitaxial $$beta$$-FeSi$$_{2}$$ film on $$beta$$-FeSi$$_{2}$$(111) substrate by X-ray photoelectron and absorption spectroscopy

江坂 文孝; 山本 博之; 鵜殿 治彦*; 松林 信行*; 山口 憲司; 社本 真一; 間柄 正明; 木村 貴海

Physics Procedia, 11, p.150 - 153, 2011/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$は光通信デバイスなどへの幅広い応用が期待されている半導体材料である。しかしながらその表面に関しては未知な点も多く、正確な構造・組成の把握及びそれに基づく制御が、実用化に向けた課題の一つとなっている。本研究では、放射光を励起源としたX線光電子分光(XPS)法及びX線吸収分光(XAS)法を用い、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$(111)単結晶上にエピタキシャル成長した$$beta$$-FeSi$$_{2}$$薄膜表面の組成及び化学状態について非破壊で分析を行った。この結果、薄膜表面に生じたSiO$$_{x}$$層の膜厚,化学状態の深さ方向への変化に関する知見を得ることができた。

論文

Spectroscopic characterization of $$beta$$-FeSi$$_{2}$$ single crystals and homoepitaxial $$beta$$-FeSi$$_{2}$$ films by XPS and XAS

江坂 文孝; 山本 博之; 鵜殿 治彦*; 松林 信行*; 山口 憲司; 社本 真一; 間柄 正明; 木村 貴海

Applied Surface Science, 257(7), p.2950 - 2954, 2011/01

 被引用回数:9 パーセンタイル:42.37(Chemistry, Physical)

エネルギー可変の放射光を励起源として光電子スペクトルを観測した場合、光電子の運動エネルギーの変化に応じて電子の脱出深さが変化することから、表面の深さ方向分布を非破壊的に得ることが可能となる。本研究では放射光を用いたX線光電子分光法と、これよりも分析領域の深いX線吸収分光法(XAS)を用い、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶上にホモエピタキシャル成長させた$$beta$$-FeSi$$_{2}$$薄膜表面組成及び化学状態について、非破壊深さ方向分析を行った。得られたXPSスペクトルから、励起エネルギーの増大とともにSiO$$_{2}$$及びSiO$$_{x}$$に起因するピーク強度が減少し、相対的にシリサイドによるピーク強度が増大することを明らかにした。これらの結果をもとに深さプロファイルを評価し、単結晶表面にはそれぞれSiO$$_{2}$$層0.8nm及びSiO$$_{x}$$層0.2nmが形成されていること、Fe/Si組成比は深さ方向にほとんど変化しないことが確認された。発表ではXASによるFe-L及びSi-K吸収端測定から、より深い表面領域の結果について解析を行った結果についても併せて報告する。

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