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論文

Reduction of the kicker impedance maintaining the performance of present kicker magnet at RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 山本 昌亘; 山本 風海

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.062007_1 - 062007_8, 2018/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:55.23

J-PARCのRCSのキッカーにはコイルが内蔵されており、そこを流れる電流が作る磁場の力でビームを出射させている。このキッカーは4つの端子を持っており、その2つが電源側につながれ、残りの2つがショートしてある。ビームをRCSから出射させる時に必要なキッカーに誘起される電流値は、この特徴のために電源から供給される電流値の2倍となる。これは、ビームを出射させる上では、必要な消費電力を節約でき、キッカーの設置スペースを節約できるという利点を持つ。一方で、この特徴のためにビームが大強度化するに従って、キッカーを通過する際に励起する電磁場(インピーダンス)は、ビームを不安定にさせることが分かっている。このようなビーム不安定性への対策は、大強度での安定的なビーム利用運転をするために必要である。本レポートでは、現在のキッカーの持つパフォーマンスを維持しながら、ビームの不安定要因であるキッカーのインピーダンスを下げる新しい手法について紹介する。

論文

Baseband simulation model of the vector rf voltage control system for the J-PARC RCS

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 山本 昌亘; 島田 太平; 野村 昌弘; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072030_1 - 072030_6, 2018/10

BB2018-0112.pdf:0.58MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.73

J-PARC RCSの広帯域金属磁性体空胴における大強度ビームによる重いビームローディングの補償のため、ベクトルRFフィードバック制御の採用が検討されている。マルチハーモニックベクトル制御プロトタイプシステムを製作しテスト中である。システム性能を検証するために、Matlab SimulinkによるRFシミュレーションが行われることが多いが、商用かつ高額なソフトウェアである。また、計算機資源を要し計算時間がかかることも問題である。このため、フリーソフトウェア(Scilab, Python control library)を用いて簡単化したベースバンドシミュレーションを行った。ベースバンドシミュレーションは高速に実行できることはパラメータサーチの際に有利である。この発表では、シミュレーションモデルのセットアップについて述べる。シミュレーション結果は開ループ閉ループともにシステムの応答をよく再現している。

論文

Development of a new modular switch using a next-generation semiconductor

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.082019_1 - 082019_6, 2018/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.11

Semiconductor switches using SiC-MOSFETs are expected to substitute the thyratron, and they are designed by connecting many semiconductor switches in parallel-series for high power operation. In order to suppress the common-mode noise caused by switching, it is common to form a symmetrical circuit. However, as the number of parallel connections in the horizontal direction increases, the length of the parallel circuit becomes longer, and the output waveform is distorted due to time lag between the circuits. Therefore, we propose a radially-symmetrical type module switch which can equalize the circuit length regardless of the number of parallel circuit. Even in circuit fabrication, it was easy for the radially-symmetrical type to make the distances of the parallel circuits equal, shorten the circuit length, and make the circuit impedance lower than the line-symmetrical type. It was confirmed that the radially-symmetrical type circuit is very useful for constructing multiple circuits. The design and preliminary test results of two types of switch circuits, radially-symmetrical type and general line-symmetrical type are presented here.

論文

Conceptual design of a single-ended MA cavity for J-PARC RCS upgrade

山本 昌亘; 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*; 吉井 正人*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.052014_1 - 052014_6, 2018/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.73

J-PARC RCSでは金属磁性体を用いた高周波加速空胴において、真空管のプッシュプル励振により高周波電力を供給している。そして、空胴の広帯域インピーダンス特性を生かしてマルチハーモニック励振及びビーム負荷補償を行っているが、プッシュプル励振はマルチハーモニック励振に際して欠点があることが判明した。それは、ビーム強度が上がってきた場合に、陽極電圧振幅のアンバランスが顕著になることである。そのためRCSのビームパワー増強に向けて、シングルエンド励振の金属磁性体空胴を考案した。これにより、陽極電圧振幅のアンバランスが本質的に発生しない空胴を実現できる。

論文

Study of a tuner for a high-accuracy bunch shape monitor

守屋 克洋; 川根 祐輔*; 三浦 昭彦; 二ツ川 健太*; 宮尾 智章*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072009_1 - 072009_3, 2018/09

BB2017-2165.pdf:0.7MB

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.11

J-PARCリニアックでは、ビーム縦方向分布を観測するバンチシェイプモニタ(BSM)の高精度化を行っている。ビームをワイヤに当てることで、ビームと同じ時間(縦方向)構造を持つ2次電子をワイヤから生成する。この電子を高周波電場を用いて縦方向の情報を横方向に移すことで縦方向分布を観測する。このとき高周波電場の周波数は加速周波数と同期させる必要がある。BSMのRFディフレクタは2本の電極から構成され、目的の周波数が共振周波数となるように電極長を変えることで実現する。しかし電極長の製作精度は$$pm$$0.5mmであるため、従来の調整方法では周波数設定精度は$$pm$$390kHzであった。今回新たにチューナとして円柱ブロックを挿入することで、共振周波数を高精度に調節できることが数値シミュレーション(CST Studio)の結果から判明した。具体的には円柱挿入量$$pm$$0.1mmに対してを$$pm$$25kHzまで調節可能となる。これにより、共振周波数の粗い調節を電極長を変えることで、細かい調節を円柱ブロックを挿入することで共振周波数を極めて高い精度で調節できるようになる。現在、このチューナ付きBSMの製作を行っている。今回の発表では数値計算結果について報告する。

論文

Non-destructive 2-D beam profile monitor using gas sheet in J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 荻原 徳男*; 三浦 昭彦; 金正 倫計; 引地 裕輔*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072006_1 - 072006_6, 2018/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.73

J-PARCにおいて大強度ビームの断面形状すなわちビームプロファイルを精度よく測定することは、ビームロスを減らし安定した加速器の運転維持を行うために必須である。既存のワイヤーを用いたビームプロファイルの測定は、ビーム強度が増した場合、ワイヤーの切断やワイヤーによるビーム散乱での装置の放射化の問題が懸念される。今回我々は真空中にシート状のガスを発生させ、ビームとガスの相互採用で発生するイオンもしくは光等を検出することでビームのプロファイルを得る非破壊のビームプロファイルモニターの開発を行った。リニアックのビーム輸送ラインにガスシートビームモニターを設置した際、導入ガスに対して近傍の空洞への圧力上昇が起きないための排気系の設計および実際の圧力分布測定を行い、空洞に対して悪影響を及ぼさずに十分な量のガス導入が可能であることを示した。発生イオンを電場により検出器に導きビーム像を蛍光板に投影することでビームプロファイルを得る手法で、リニアックの加速ビームのプロファイル測定に成功した。

論文

Low-reflection RF window for ACS cavity in J-PARC linac

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

Journal of Physics; Conference Series, 1067(5), p.052009_1 - 052009_6, 2018/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.11

J-PARCリニアックの環結合型(Annular-ring Coupled Structure: ACS)空洞は、これまで安定に運転してきている。この高稼働率運転を継続するため、2015年度と2017年度に、このACS空洞用のピルボックス型高周波(RF)窓を製作した。次の二つの理由から、このRF窓における電磁波の反射を最小化する必要がある。一つ目は、このRF窓とACS空洞の間で励振する定在波の発生を防ぐためであり、二つ目は、ACS空洞と導波管の間の調整済結合度を大きく変化させないためである。このRF反射最小化を実現するため、RF窓用セラミックディスクを含んだピルボックス空洞の共振周波数を測定することにより、このセラミックディスクの比誘電率を見積もった。このようにして見積もったセラミックディスクの比誘電率を用いて、RF窓のピルボックス部寸法を決定した。この方法により製作したACS空洞用RF窓の電圧定在波比を測定したところ、3台とも1.08であり、実際の大電力運転に適用可能な低反射RF窓の開発に成功した。

論文

Application of carbon nanotube wire for beam profile measurement of negative hydrogen ion beam

三浦 昭彦; 守屋 克洋; 宮尾 智章*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.5022 - 5025, 2018/06

J-PARCリニアックでは、ビーム輸送中のビームロスを抑制し、安定で効率的な運転を実施するため、ワイヤを用いたプロファイルモニタ(WSM)を用いて、4極電磁石の調整を実施している。WSMはビームの進行方向に対し、鉛直な方向のプロファイルを測定する計測器であり、ビームが直接衝突するワイヤにはタングステンなどの金属や、ポリアクリロニトリルから生成した炭素繊維線を使用している。ビーム出力増強に伴い、ワイヤの熱的負荷も増加する。そこで、無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cまで耐え、鋼鉄の100倍以上の引張強度を持ち、銅, 銀より高い電気伝導度を有するカーボンナノチューブ(CNT)に注目し、ビーム照射試験を実施した。直径50, 100$$mu$$mのCNT製ワイヤに、3MeVの負水素イオンビーム, ビーム電流30mA,パルス幅100$$mu$$s, 1Hzで照射したところ、炭素繊維線と同等以上の信号電流が得られた。さらに、幅200$$mu$$s, 25Hzという100倍のビーム量でも4分間のビーム照射に耐え、顕微鏡観察でも、顕著なワイヤ損傷は見られなかった。加えて、ワイヤが破断するまで、幅400$$mu$$sのビームにおいたところ、破断直前に大量の熱電子が放出される現象を確認した。本発表では、ビーム測定時の信号波形、ワイヤ破断時の兆候について発表する。

論文

ORBIT simulation, measurement and mitigation of transverse beam instability in the presence of strong space charge in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 田村 文彦

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.620 - 623, 2018/06

The transverse impedance of eight extraction pulse kicker magnets (KM) is extremely strong source of transverse beam instability in the 3-GeV RCS (Rapid Cycling Synchrotron) at J-PARC. To realize the designed 1 MW beam power, collective beam dynamics with including the space charge effect for the coupled bunch instabilities excited by the KM impedance and associated measures were studied by incorporating all realistic time-dependent machine parameters in the ORBIT 3-D particle tracking code. The simulation results were all reproduced by measurements and, as a consequence, an acceleration of 1 MW beam power has been successfully demonstrated. In order to maintain variation of the RCS parameters required for multi-user and stable operation, realistic measures for beam instability mitigation were proposed in this study and also been successfully implemented in reality.

論文

Recent status of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; Saha, P. K.

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1045 - 1047, 2018/06

J-PARC 3GeVシンクロトロンは現在500kWの陽子ビームを物質生命科学実験施設に、また750kW相当の粒子数の陽子ビームを主リングシンクロトロンに向けて供給している。J-PARCのような大強度加速器では、わずか0.1%のビームロスでも非常に大きな機器の放射化を引き起こし、トラブルが発生する。そのため、大強度出力での安定な運転を目指し、3GeVシンクロトロンではビーム調整を行い、その結果を基に改善を進めている。近二年では、六極電磁石および補正四極電磁石の改修により、ビーム軌道の不安定化を抑制し、より小さなエミッタンスのビームを主リングに向けて供給できるようになった。また機器の放射化も低い状態を維持したまま運転を継続しており、作業者の被ばくも非常に少なく抑えることに成功している。

論文

Measurement of displacement cross-section for structural materials in High-Power Proton Accelerator Facility

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 岩元 大樹; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 吉田 誠*; 石田 卓*; 牧村 俊助*; 中本 建志*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.499 - 501, 2018/06

核変換システム等のハドロン加速器施設では、ビーム出力の上昇に伴いターゲット材料に対する損傷の評価が重要となる。加速器施設で用いられているターゲット材料等の損傷は、原子あたりの弾き出し損傷(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し損傷断面積に粒子束を乗ずることで評価されている。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する損傷断面積の実験データは数点しかなく十分でない。最近の研究において、タングステンの弾き出し損傷断面積が計算モデル間で約8倍異なることが報告されており、ターゲット材料の損傷評価のためには弾き出し損傷断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARC加速器施設の3GeVシンクロトロン加速器施設を用い、弾き出し損傷断面積の測定実験を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機(GM冷凍機)で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。本発表では、銅に3GeV陽子を入射する場合の弾き出し損傷断面積の測定結果を速報として報告する。

論文

Improvement of motor control system in J-PARC linac and RCS

高橋 博樹; 三浦 昭彦; 澤邊 祐希; 吉本 政弘; 鈴木 隆洋*; 川瀬 雅人*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.2180 - 2182, 2018/06

J-PARCのワイヤスキャナーおよびRCSのコリメータにおいて使用されているステッピングモータの制御系は、VMEをベースとして構成されている。これらの制御系を構成するほとんどの機器は、使用から10年以上が経っている。そのため、装置の経年変化に対する対策が必要となっている。さらに、放射線に起因すると考えられる制御系の誤動作対策も必要となっている。そのよう状況において、2016年に、RCSコリメータのモータ制御システムに不具合が発生した。そのため、これを機として、誤動作が発生しても機器の安全性を確保するモータ制御システムの製作を進めることとなった。本稿では、不具合の原因推定と、その結果より安全かつ安定的な利用運転のために製作した、高い安全性を持つモータ制御システムの詳細を示す。

論文

Pulse-by-pulse switching of operational parameters in J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 渡辺 泰広; 原田 寛之; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 吉本 政弘

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1041 - 1044, 2018/06

The J-PARC 3-GeV RCS (rapid cycling synchrotron) provides a high-power beam to both the MLF (materials and life science experimental facility) and the MR (main ring synchrotron) by switching the beam destination pulse by pulse. The beam properties required from the MLF and the MR are different; the MLF needs a wide-emittance beam with less charge density, while the MR requires a low-emittance beam with less beam halo. To meet such conflicting requirements while keeping beam loss within acceptable levels, the RCS has recently introduced a pulse-by-pulse switching of the operational parameters (injection painting emittance, chromaticity and betatron tune.) This paper reports such recent efforts toward the performance upgrade of the RCS including the successful beam tuning results for the parameter switching.

論文

Performance and status of the J-PARC accelerators

長谷川 和男; 林 直樹; 小栗 英知; 山本 風海; 金正 倫計; 山崎 良雄; 内藤 富士雄; 小関 忠; 山本 昇; 吉井 正人

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1038 - 1040, 2018/06

The J-PARC is a high intensity proton facility and the accelerator consists of a 400 MeV linac, a 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) and a 30 GeV Main Ring Synchrotron (MR). Regarding 3 GeV beam from the RCS, we delivered it at 150 kW in June 2017 to the materials and life science experimental facility (MLF), for the neutron and muon users. After the replacement of a target, we increased a power up to 500 kW. The beam powers for the neutrino experiment at 30 GeV was 420 kW in May 2016, but increased to 490 kW in April 2018. For the hadron experimental facility which uses a slow beam extraction mode at 30 GeV, we delivered beam at a power of 37 kW, after the recovery from a trouble at an electro static septum in June 2017. But we increased a power to 50 kW in January 2018. We have experienced many failures and troubles to impede full potential and high availability. In this report, operational performance and status of the J-PARC accelerators are presented.

論文

Evaluation of activated nuclides due to secondary particles produced in stripper foil in J-PARC RCS

吉本 政弘; Saha, P. K.; 加藤 新一; 岡部 晃大; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1048 - 1050, 2018/06

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では1MWの大強度陽子ビームを実現するために、荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。従来のセプタム・バンプ電磁石のみを使ったビーム多重入射方式に比べてセプタム境界面でのビーム損失はほとんど起こらないため、原理的には多重入射する回数に制限は存在しない。しかし、詳細な残留線量測定の結果、荷電変換フォイルの周辺に非常に強い残留線量があることが分かった。PHITSシミュレーションの結果は、この強い放射化の原因が荷電変換方式ビーム多重入射時に、入射ビーム及び周回ビームが荷電変換フォイルに衝突することで起こる核反応による2次粒子によって引き起こされていることを強く示唆していた。このことを明らかにするために、フォイルからの2次粒子計測が重要になってくる。そこで、100度ダンプラインに新たにフォイル導入装置を設置し、2次粒子計測に必要な単純な実験系を構築した。ここでは、2次粒子の直接計測と金属薄膜を用いた放射化法による計測の2種類を計画している。まずは放射化法についてPHITSコードを用いた検討を開始した。銅サンプルにエネルギーの異なる陽子または中性子を照射した際に生成される核種の内、$$gamma$$線放出核種を選択し、陽子もしくは中性子に選択的に反応する標的を探した。その結果、$$^{65}$$Zn及び$$^{56}$$Coが陽子の標的として、$$^{60}$$Coが中性子の要的として使えることが分かった。

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