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柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 中野 治久*; 星野 一生*; 宮本 賢治*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 川井 勲*; 小栗 英知; et al.
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012007_1 - 012007_5, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)高周波イオン源より引き出された負水素イオンビームの位相空間での振動について、電子、陽子および負水素イオンのイオン源引出領域での輸送過程を考慮した単純な3次元のParticle-In-Cell(PIC)法で調べた。J-PARC高周波負水素イオン源の配位で単孔の引き出し孔近傍を計算領域とした。プラズマ密度振動と引き出された負水素イオンビームの特性を理解するために、イオン源内のドライバー領域プラズマからの電子及び陽子の流れをプラズマ生成のために駆動している高周波の基本波(2MHz)と2倍高調波(4MHz)で変化させて、シミュレーションを実施した。数値解析の結果、プラズマパラメータの振動と様々な高周波位相で引き出された負水素イオンの軌道との間で主な物理過程が見いだされた。本発表では、振動の機構を抑える対処法についても議論する。
ion source上野 彰
Journal of Physics; Conference Series, 2743(1), p.012001_1 - 012001_8, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)2022年、J-PARCセシウム(Cs)添加型高周波(RF)駆動Hイオン源(IS)による69.9keV 120mAビームの8時間安定運転結果を報告した。多量で多数回のCsとH
Oの添加が必要であった。非常に高いプラズマ電極温度(T
) 245
Cが、耐高温性と耐高エネルギープラズマ衝突性を有する新たなCs添加状態を示唆した。Moと化学結合したHOを介したCs添加仮説に基いたCs添加方法が試された。革新的なCs添加方法により、高エネルギーLINAC用RFQに適したパルス内のビーム変動とエミッタンスを有する76.5keV 145mAビームの安定運転に成功した。更に、J-PARC IS運転エネルギー52.5keVでのビーム強度が、72mAから83mAに増強された。このビーム増強は、近い将来のJ-PARC LINAC 60mA安定運転に大きく貢献する。
ion source神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012023_1 - 012023_5, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)J-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源用の新しいJ-PARC製アンテナの試験を行ってきている。最初のJ-PARC製アンテナの開発後、コーティングからの不純物ガス放出が懸念されたため、アンテナのエナメルコーティングの組成を変更した。新しいアンテナによる高密度プラズマ生成の試験中に、質量分析と分光スペクトル測定を行い、新アンテナからのガス放出特性を監視した。その結果、新アンテナからは顕著となる不純物の放出がないことを確認した。新アンテナを用いたHビーム引き出しを行い、Hビーム特性を測定した。新アンテナを使用してJ-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源より引き出したHビームのエミッタンスはSNS製アンテナを使用した場合と同様であることが分かった。新アンテナの耐久試験を促進するために、2MHz高周波入力電力を約60kWで5%のデューティーファクター(50Hzの繰り返しでパルス幅1ms)を新アンテナに印加し、高密度プラズマを生成した。この運転パラメータはJ-PARC加速器で運転するパラメータである2MHz高周波入力電力約30kW、25Hzの繰り返しでパルス幅0.8msに比べてはるかに高い値である。本発表では、新しいJ-PARC製アンテナの特性の結果を示すとともに、J-PARC加速器運用で使用するための新しいアンテナの実現の可能性について議論する。
ion beam extracted from an RF wave excited ion source plasma和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓
Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012031_1 - 012031_5, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Particles & Fields)内部アンテナ型の高周波駆動負水素イオン源が、J-PARC加速器施設にビームを供給している。負水素イオンビーム電流は高い安定性を示しているが、テストスタンドでイオン源から引き出されたビーム電流をファラデーカップで測定すると、DC電流の大きさに対して、5%程度の変動がみられる。この変動には2つの周波数成分、駆動している高周波成分である2MHzとその2倍高調波の4MHzの成分が見られる。これらの成分の振幅レベルは、スリットを通過する特定の角度に向けられたビームの一部が検出されるにつれて大きく見える。全ビーム強度に小さな振幅の振動が観察される理由として考えられるのは、Hイオン生成の位置とファラデーカップに到達するその後の軌道に応じた局所ビームの平均位相シフトである。位相シフトがビーム全体の発信振幅を減少させる主な理由であるかどうかを確認するために、2MHz成分と4MHz成分の間の位相シフトを、位置を決める0.1mm幅のビーム入口スリットとファラデーカップに結合された0.1mm幅のスリットを通過するビームについて測定した。その結果、位相シフトが位置に応じて大きく変化することが示されたが、測定された位相シフトの空間分布を説明できる単純なモデルではなかった。RFアンテナ電流に対するビーム電流位相シフトの測定、バルマー
光の時間発展など、Hビーム輸送に関連するビームダイナミクスを明らかにする更なる試みを行う予定である。
Welton, R.*; Bollinger, D.*; Dehnel, M.*; Draganic, I.*; Faircloth, D.*; Han, B.*; Lettry, J.*; Stockli, M.*; Tarvainen, O.*; 上野 彰
Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012045_1 - 012045_13, 2022/04
被引用回数：4 パーセンタイル：92.42(Engineering, Electrical & Electronic)高輝度負水素イオン源は、世界的な多くの科学施設で、広範囲に使用されている。負水素イオンビームは、円型の加速器や蓄積リングへの蓄積入射に適している。種々の負水素イオン源(RF、フィラメント、マグネトロンとペニング駆動)を使って、いくつかの施設では、数年以上の長期運転経験を有している。代表的な施設のリストに、米国核破砕中性子源(SNS)、J-PARC、英国ラザフォード・アップルトン研究所(RAL-ISIS)、米国ロス・アラモス中性子科学センター(LANSCE)、米国フェルミ国立加速器研究所(FNAL)、欧州合同素粒子原子核研究機構(CERN LINAC-4)があり、その他の多数の施設では、D-Pace社製イオン源が使用されている。本論文では、これらの施設で経験された重要なイオン源の持続可能性問題を総括し、それらのイオン源が、どのように最近改善されているのかを議論する。
ion source with new parts exposed to plasma上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 小栗 英知
Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012029_1 - 012029_5, 2022/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Engineering, Electrical & Electronic)Cs添加型RF駆動J-PARC Hイオン源は、J-PARC LINACの50mA運転のために、デューティファクタ1.25% (0.5ms
25Hz)で約58mAビームを安定に供給している。J-PARC運転に使用されているプラズマ容器(PCH)は、全10個の内、#7, #8と#9PCHの3個のみである。理由は不明だが、これらで生成されたビームの横方向エミッタンスが他よりも優れている為である。しかし、VCR真空接手での空気リークを解決するためにプラズマ電極(PE)温度制御板(PETCP)を新品に交換した#7PCHでは、約16%エミッタンスが増大してしまった。プラズマに晒された新品部品からの不純物がこの劣化の原因と考えられた。48時間の新しい2MHz RF電力スキャン不純物削減コンディショニングにより、新品のPETCHを設置した#4PCHで、ほぼ最小エミッタンスのビーム生成に成功した。プラズマ損失を削減するためのPE温度制御空気用ステンレス管を覆う99.7%アルミナセラミックス管の代わりに、不純物削減が期待されるサファイヤ管も使用された。
山田 逸平; 和田 元*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計
Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012077_1 - 012077_6, 2022/04
被引用回数：1 パーセンタイル：55.34(Engineering, Electrical & Electronic)J-PARCのような大強度加速器の安定な運転には、非破壊型モニタを用いたビームの常時監視によるビーム損失の低減が重要である。これまでの研究にて、ガスシートとビームの相互作用を利用する非破壊型プロファイルモニタを開発し、その有効性を実証した。開発したモニタはシートガスの密度を広い範囲で制御できるほか、ビーム誘起蛍光を直接カメラで検出するため、任意の露光時間に設定することで容易に信号の平均化が可能である。この特性を利用したビームプロファイルの時間発展測定の可能性を検証した。ビームパルス50
sに対して1s刻みにビームプロファイルを測定した結果、ビームプロファイルは先頭の10sで大きく変化しており、その後安定することを明らかにした。また、このプロファイルの時間発展は初段の高周波加速空洞であるRFQのフィードフォワード制御に依存することも明らかにした。以上から、今後のJ-PARCビームの安定化に新たな指標を提案できる可能性を見出した。
柴田 崇統*; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 小栗 英知
Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012041_1 - 012041_5, 2022/04
被引用回数：1 パーセンタイル：55.34(Engineering, Electrical & Electronic)2020年11月から2021年4月までのJ-PARC利用運転において、J-PARC RF負水素(H)イオン源は3,651時間(5ヶ月間)の連続運転を達成した。イオン源は30kWの高周波出力で、Hビーム電流60mA、デューティファクター2%のビームを出力した。5ヶ月連続運転後に、イオン源テストスタンドにおいて、実際の運転条件と同じ条件でイオン源を運転し、RFQ入口の位置での位相空間分布を測定した。ビームのエミッタンスは、水平方向/鉛直方向はそれぞれ0.262/0.264
mm mradで、過去の運転で用いたイオン源と比較して大きな違いはなかった。アンテナコイルを目視確認したが、コイル表面には大きな損傷はないことを確認した。これらの結果より、次の長期運転として、J-PARCの1キャンペーン(1年間)である7ヶ月連続運転への可能性が見えてきた。
ion source and space-charge neutralized LEBT for 100-mA high energy and high duty factor LINACs上野 彰
Review of Scientific Instruments, 91(3), p.033312_1 - 033312_9, 2020/03
被引用回数：6 パーセンタイル：33.70(Instruments & Instrumentation)2019年7月、J-PARCで、3GeV 920kWビーム10.5時間運転に成功した。この間、Hイオン源と線形加速器(LINAC)は、ビームデューティファクター(BDF)1.25%(0.5ms25Hz)で安定運転され、出射ビーム強度は、各々、58と50mAであった。別途、イオン源とLINACは、BDF1.5%(0.6ms25Hz)、出射ビーム強度72と60mAでの安定運転が可能なことも確認された。イオン源テストスタンドでの100mA、BDF5%(1ms50Hz)運転に基き、入射エネルギー64keV以上の高周波4極線形加速器(RFQ)を使用することで、100mA高エネルギー高デューティファクター線形加速器が可能であることを報告する。予測以上に有効であった、低エネルギービーム輸送系での空間電荷中和効果についても報告する。更に、イオン源ビーム引出系の最短化による約8%のエミッタンス改善についても報告する。
ion source和田 元*; 神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 笹尾 眞實子*
Review of Scientific Instruments, 91(1), p.013330_1 - 013330_5, 2020/01
被引用回数：6 パーセンタイル：33.70(Instruments & Instrumentation)イオンは、低周波電磁誘導がそのターゲットとなるイオンを含む荷電粒子の輸送を駆動するプラズマシースを介してイオン源から引き出される。負水素イオン(H)生成のためのイオン源ではMHz帯の高周波交流源がプラズマを励起している。狭い入口のスリットを持った高速ビーム電流計測システムを用いることで、2MHzの高周波源で行動したイオン源から引き出したHビームのAC成分の強度についての空間分布の調査を行うことができた。ビーム揺動の空間分布は、ビーム中心では周辺部に比べてより小さい揺動であることが分かった。
ion source 66 mA operation上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 神藤 勝啓; 小栗 英知
AIP Conference Proceedings 2011, p.050002_1 - 050002_5, 2018/09
J-PARC Cs添加型高周波駆動Hイオン源を66mAビーム強度で安定に運転するために、ビームと同時に引き出される電子が主成分の引き出し電極電流(I
)を最小化する条件を調べた。ロッドフィルター磁場(RFF)、Cs密度、軸磁場補正(AMFC)を最適化することで、約40mAとこれ迄の運転条件時の1/4程度のIで、安定運転できることが分かった。特に、40Gauss程度の少ないAMFCによるIの縮小効果(約1/3)は、最も有効であった。この条件での95%ビーム横方向エミッタンスは、強めたRFFと高めたCs密度の影響で、約24%悪化していた。測定結果を基に、安定運転とビーム性能の両立が図られる。
ion source神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 三浦 昭彦; 宮尾 智章*; 和田 元*
AIP Conference Proceedings 2011, p.080016_1 - 080016_3, 2018/09
被引用回数：7 パーセンタイル：94.18(Physics, Applied)In J-PARC, peak H current of several tens mA is produced from a cesiated hydrogen plasma generated by a solid-state RF amplifier with the frequency of 2 MHz. In case of the high-intensity H beam extracted from the ion source, the plasma density in the source chamber is so high that the ion sheath around the beam extraction area follows the RF oscillation. Because the ion plasma frequency defined by the ion density is much higher than the driving frequency. The potential fluctuation of the plasma is combined with the driving RF electric field and causes motion of charged particles in the plasma some changes. As a result, the H beam extracted from the source plasma also fluctuates. The beam current signal from a Faraday cup was measured by a spectrum analyzer. A powerful frequency component at 2 MHz which is as same as that of the RF amplifier was also observed after the acceleration of RFQ linac located at the downstream of the ion source.
柴田 崇統*; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 内藤 富士雄*
AIP Conference Proceedings 2011, p.020008_1 - 020008_3, 2018/09
被引用回数：7 パーセンタイル：94.18(Physics, Applied)Balmer alpha line intensity in J-PARC Radio Frequency (RF) negative hydrogen ion source has been measured by photometry measurement. The line intensity shows several interesting time characteristics in different phases; (1) 2 MHz (RF frequency) oscillation just after plasma ignition and (2) 4 MHz (doubled RF frequency) and 2 MHz coupled oscillation in the steady-state. From the comparison between numerical analysis, it has been explained that electron acceleration in inductively coupled electromagnetic field takes place with 4 MHz frequency which results in the 4 MHz line intensity oscillation. From the understandings of the background physics, we can conclude that this fast photometry measurement is a good diagnosis tool to understand whether RF plasma is in E-mode or H-mode in general RF ion sources.
ion source神藤 勝啓; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知
AIP Conference Proceedings 2011, p.050018_1 - 050018_3, 2018/09
被引用回数：3 パーセンタイル：79.54(Physics, Applied)Operation of a cesiated RF-driven negative hydrogen ion source was initiated in September 2014 in response to the requirements of beam current upgrade in J-PARC linac. Delivery of the required beam current from the ion source to the J-PARC accelerators has been successfully performed. In 2016-2017 campaign, continuous operation of the ion source for approximately 1,840 hours (RUN#75 from April to July 2017) was achieved with beam current, macro pulse width and repetition of 45 mA, 500 s and 25 Hz, respectively. We present the operation status of the ion source and a high current H beam with 70 mA extracted from the ion source for the further high-power upgrade in J-PARC accelerators.
吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; Grisham, L. R.*; 津守 克嘉*; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B144_1 - 02B144_4, 2016/02
被引用回数：10 パーセンタイル：43.43(Instruments & Instrumentation)ITERおよびJT-60SAのような大型負イオン源では、大面積の引出領域から大電流負イオンビームを生成するために、負イオン生成を高めるセシウム(Cs)を供給する。しかし、この大型負イオン源内のCsの挙動と、負イオン生成の空間分布との関係は実験的に明らかにされていない。そこで、ITER級の大きさを有するJT-60負イオン源内のCsおよび負イオン生成の空間分布の時間変化を調べた。その結果、Csの供給量0.4gまでCsの指標となるCsの発光強度、および負イオン生成に変化はなかった。これは、Csが供給口付近の水冷されたイオン源内壁に吸着しているものと考えられる。その後、Csの発光強度および負イオン生成は供給口直下付近の引出領域から増加した。Csの中性・イオン輸送計算の初期結果によると、負イオン生成が増加し始めた領域と、供給口付近でプラズマによりイオン化したCsの輸送位置は概ね一致した。さらにCsを供給し続けることで負イオン生成の増加した領域は徐々に拡大し、供給量約2gで一様な大電流ビームを生成した。以上の結果より、負イオン生成にはイオン化したCsの輸送が重要な役割を担っていることが分かった。
/D ion source for IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)神藤 勝啓; Sen
e, F.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Chauvin, N.*; Gobin, R.*; 一宮 亮; 伊原 彰; 池田 幸治; 春日井 敦; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A727_1 - 02A727_3, 2016/02
被引用回数：9 パーセンタイル：40.27(Instruments & Instrumentation)A high current ECR ion source producing 140 mA/100 keV D ion beams for IFMIF accelerator is now under commissioning at Rokkasho in Japan, under the framework of ITER Broader Approach (BA) activities. The ion source for IFMIF is required to produce positive deuterium ion beams with a high D ratio. After the mass separation in LEBT consisting of two solenoids, the D ratio should be higher than 95 % with less molecular ions and impurity ions at the entrance of RFQ linac to be installed downstream. The ion species have been measured by Doppler shift spectroscopy between the two solenoids. With hydrogen operation in pulsed and CW modes, the H ratio increases with RF power or plasma density and reached 80% at 160 mA/100 keV. The value was compared with that derived from the emittance diagram for each ion species measured by an Alison scanner installed nearby the viewport for the spectroscopy in the LEBT. It was found that the spectroscopy gives lower H ratio than the emittance measurement.
柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02
被引用回数：3 パーセンタイル：15.34(Instruments & Instrumentation)J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。
小島 有志; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B304_1 - 02B304_5, 2016/02
被引用回数：13 パーセンタイル：51.45(Instruments & Instrumentation)原子力機構では、ITERやJT-60SAで利用する中性粒子入射装置の実現に向けて、大面積多孔多段負イオン加速器を開発中であり、1MVや500kVの直流超高電圧を真空中で安定して保持できる耐電圧性能が要求されている。そこで、真空放電の物理理解に基づく耐電圧設計手法を確立することを目的として、今回、これまでの耐電圧試験結果に基づいて、多段の入れ子構造である加速電極支持構造の形状を、耐電圧や境界条件から最適化する手法を開発した。本手法では、ビーム光学から要求される電圧及びギャップ長から、電極平板部の面積、つまり同軸の入れ子構造となる円筒型電極の半径を決定することにより、耐電圧を満たすための同軸間ギャップ長を求める。これにより一段分の対向する陰極・陽極の電極構造が決まるため、本手法を段数分くり返すことにより、耐電圧を満たした加速電極支持構造を境界条件の中で一意に設計することが可能となる。得られた加速器の耐電圧を予測するために、未解明であった多段による耐電圧の劣化を、5段電極を用いて実験的に調べた結果、5段の耐電圧は1段耐電圧の段数倍よりも25%程度耐電圧が減少し、段数の増加による影響が見られた。この効果を考慮した結果、本手法によるJT-60用負イオン加速器の耐電圧解析が10%以下の誤差の範囲で一致し、ITERやJT-60SAの耐電圧設計の精度を向上することができた。
花田 磨砂也; 小島 有志; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B322_1 - 02B322_4, 2016/02
被引用回数：15 パーセンタイル：53.73(Instruments & Instrumentation)本論文は原子力機構(JAEA)で開発中の負イオンビームに関する最新結果を報告するものである。JAEAでは、国際熱核融合実験炉(ITER)およびJT-60SAの実現に向けて、それぞれ1MeV, 40A,3600秒および22A, 500keV, 100秒の重水素負イオンビームの開発を行っている。これらの負イオンビームを開発するために、ITERやJT-60SAの設計と同様、多段静電加速器とセシウム添加型負イオン源を開発している。静電加速器の開発においては、長時間加速をした開発を指向しており、その課題である加速電極の熱負荷を、イオンビームの軌道を制御することにより、許容値以下に低減した。その結果、負イオンの加速時間を、従来の1秒未満から試験装置の電源の限界である60秒まで進展させた。また、セシウム添加型負イオン源の開発においては、大電流負イオンビームの長パルス生成を指向しており、これまでに15A、100秒のビーム生成を達成している。今後、長パルス生成時に顕在化した、イオン源内のアーク放電プラズマの放電破壊(アーキング)の問題を解決し、JT-60SAで要求される22Aを超える電流値で100秒以上の負イオンビーム生成を目指す。
ion source上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 小栗 英知
Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B130_1 - 02B130_5, 2016/02
被引用回数：6 パーセンタイル：28.84(Instruments & Instrumentation)J-PARCセシウム添加高周波駆動負水素イオン源は、約1年間運転に使用されてきた。このイオン源への要求性能は、水平と垂直両方向エミッタンス1.5mm
mrad内にピークビーム強度60mA、強度一定のビームデューティ1.25%(500s25Hz)と1ヶ月以上の寿命である。プラズマ容器#3を使用したエミッタンスを最小にするための微細調整の結果を報告する。初期設定時のプラズマ容器#3のエミッタンスは、4つの同型プラズマ容器の中で、最も大きかった。わずかに異なる磁場強度を有する永久磁石の選定や磁石間ギャップ長の調整によるロッドフィルター磁場の微細調整や引き出し電極孔径の違いによるエミッタンスの測定結果を報告する。エミッタンス改善のために調整手順は、高強度高エネルギー加速器用イオン源にとって最も重要な技術の一つである。
