Demonstration of a kicker impedance reduction scheme with diode stack and resistors by operating the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

菖蒲田 義博; 原田 寛之; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 田村 文彦; 富樫 智人; 渡辺 泰広; 山本 風海; 山本 昌亘

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 26(5), p.053501_1 - 053501_45, 2023/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.26.053501

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを出射させるキッカー電磁石のインピーダンスがビームの不安定性を励起することが理論的に予測されてきた。しかしながら、物質・生命科学実験施設に供給されるビームは大きいエミッタンスを持つので、1MWの大強度ビームであっても適切なマシーンパラメタを選べば、ビームの不安定化を抑制することができる。一方で、メインリングに供給されるビームは、小さいエミッタンスを持つので、キッカーのインピーダンスの低減が必須である。そこで、ダイオードと抵抗器を用いたデバイスを使うキッカーインピーダンスを抑制する方式を提案し、その抑制効果を実証した。しかし、J-PARC RCSは25Hzの繰り返し周波数で連続動作させる必要があり、実用化のためには、耐熱性の高い特殊なダイオードを開発する必要があった。この課題を解決するため、本研究において連続運転に耐えうる抵抗付きダイオードを開発した。これにより小さいエミッタンスを持つ大強度のビームの不安定性も抑制できることを実証することができた。またシミュレーションにより、この方式で少なくとも5MWのビーム運転にも利用できることを明らかにした。

Beam dynamics studies for fast beam trip recovery of the Japan Atomic Energy Agency accelerator-driven subcritical system

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 田村 潤; 中野 敬太; 前川 藤夫; 明午 伸一郎

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 25(8), p.080101_1 - 080101_17, 2022/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.25.080101

加速器駆動未臨界システム(ADS)の運転では、加速器の高い信頼性と可用性を確保すること重要となり、原子力研究開発機構(JAEA)では、熱出力800MW級の未臨界炉に核破砕反応によって中性子を供給する30MW級の超伝導陽子線加速器(リニアック)を設計している。ADSリニアックの大きな課題は、未臨界炉の構造物に熱応力による疲労の抑制のために、ビーム停止時間の最小化とその頻度の抑制のための制御となる。本研究では、ホットスタンバイと局所補償を組み合わせて、高速なビームリカバリーを実現した。超伝導空洞や電磁石の故障に対する局所補償について、リニアックにおけるラティスの耐性を総合的に検討した。独立したクライオモジュール内の複数の空洞を同時の補償により、リニアックの信頼性を大幅に向上できることを示した。さらにビームダイナミクスの検討を行い、リニアックの健全性を確保できることを示し、ターゲットへのビーム輸送輸送部およびビーム窓において必要なビーム安定性などを補償できることを示した。

Improved vacuum system for high-power proton beam operation of the rapid cycling synchrotron

神谷 潤一郎; 古徳 博文*; 黒澤 俊太*; 高野 一弘; 柳橋 享*; 山本 風海; 和田 薫

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 24(8), p.083201_1 - 083201_23, 2021/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.24.083201

J-PARC 3GeVシンクロトロンのビーム運転実績を積み重ねるにつれ、大強度陽子ビームの運転が真空システム対して当初の想定よりもより大きな影響があることがわかった。これらの影響は大強度ビームによる装置の誤動作とビームラインの圧力上昇という、2つのカテゴリーに分けられる。前者の典型例は、大強度ビーム起因の放射線によるターボ分子ポンプコントローラーの故障およびそれに伴うポンプ本体のタッチダウンによる故障である。我々はこの問題をコントローラーとポンプ間のケーブルを200mまで長尺化することに加え、高強度のタッチダウンベアリングを開発することで解決した。後者の典型例は、ビーム強度の増加に伴うビームラインの急激な圧力上昇である。我々は蓄積したデータの傾向を詳細に分析しイオン衝撃ガス脱離モデルを適用することで、この動的圧力の機構解明を行った。さらに圧力上昇抑制には表面分子量の低減と排気速度増加が重要であることを示し、実際のビームラインに対して両者を実現できる非蒸発型ゲッターポンプをインストールした。結果、大強度ビーム運転時の圧力上昇を大幅に低減することに成功した。

Development of negative muonium ion source for muon acceleration

北村 遼; Bae, S.*; Choi, S.*; 深尾 祥紀*; 飯沼 裕美*; 石田 勝彦*; 河村 成肇*; Kim, B.*; 近藤 恭弘; 三部 勉*; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 24(3), p.033403_1 - 033403_9, 2021/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.24.033403

低エネルギーミューオン源としてアルミニウム薄膜標的を用いた負ミューオニウムイオン(Mu)源を開発した。Muイオン源の性能評価のためMu-イオンを生成する実験を行った。Muイオンの測定強度は入射ミューオン強度/sに対して Mu/sであった。アルミニウム標的上での入射ミューオンに対するMuイオンの比である生成効率はであった。このMuイオン源はミューオン加速器の開発を促し、比較的簡便な装置による低エネルギーミューオン源の実用性を実証した。

First measurement and online monitoring of the stripper foil thinning and pinhole formation to achieve a longer foil lifetime in high-intensity accelerators

Saha, P. K.; 吉本 政弘; 畠山 衆一郎; 發知 英明; 原田 寛之; 田村 文彦; 山本 風海; 山崎 良雄; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(8), p.082801_1 - 082801_13, 2020/08

AA2020-0279.pdf:1.92MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.23.082801

We have established and implemented a nondestructive online monitoring system for the first time for measuring stripper foil thinning and pinhole formation, which are believed to the foil breaking signals caused by high-intensity beam irradiation. A longer foil lifetime is desired, while a foil failure during operation not only reduces the accelerator availability but also has serious issues for regular accelerator maintenances. The present research has been carried out at the RCS of J-PARC, where we aimed to ensure proper uses of foil and to achieve a longer foil lifetime without any failure. We have precisely measured a foil thinning and pinhole outbreak information to obtain a detail of foil degradation to determine a realistic foil lifetime by achieving a record of nearly 2 years of operation with a single foil and without any failures.

Effects of the Montague resonance on the formation of the beam distribution during multiturn injection painting in a high-intensity proton ring

發知 英明

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(5), p.050401_1 - 050401_13, 2020/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.23.050401

J-PARC RCSのベータトロン振動数は2Qx-2Qy=0共鳴(モンタギュー共鳴)の近傍に設定されている。この共鳴は、ビーム自身が作る非線形な空間電場によって励起され、水平・鉛直間のエミッタンス交換を通して付加的な分布変動を引き起こす。そのため、この共鳴は、ペイント入射後のビームの分布形状に大きな影響を及ぼすことになる。数値シミュレーションと実験結果との詳細比較から、2Qx-2Qy=0共鳴がペイント範囲やペイント経路の取り方に依存して複数の異なった効果をビームに及ぼしていることが明らかとなった。本論文では、2Qx-2Qy=0共鳴によって生じる特徴的なビーム粒子の振る舞いを議論すると共に、その検討結果に基づいて、新たなペイント入射方式を提案する。

Development of a radio frequency quadrupole linac implemented with the equipartitioning beam dynamics scheme

近藤 恭弘; 森下 卓俊; Jameson, R. A.*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 22(12), p.120101_1 - 120101_8, 2019/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.22.120101

RFQは現代の大電流リニアックの実現のための鍵となる加速器であるが、これまで多くのRFQが非常に保守的な設計思想で設計されてきた。我々は空間電荷の物理に基づいて、3MeV、50mAの負イオンRFQを開発した。大電流リニアックで広く用いられている等分配測をRFQ設計に実装し、ヴェーン長3mの3MeV RFQで、設計ビーム透過率99.1%、ビーム垂直方向エミッタンス0.24 mm mrad、ビーム方向エミッタンス0.11 MeV degを得た。このRFQを実際に製作し、ビーム運転を行い設計性能を実証した。この論文ではこの等分配RFQの設計の詳細とビーム運転結果を述べる。

Reducing the beam impedance of the kicker at the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.21.061003

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。

Simulation, measurement, and mitigation of beam instability caused by the kicker impedance in the 3-GeV rapid cycling synchrotron at the Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 田村 文彦; 谷 教夫; 山本 昌亘; 渡辺 泰広; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 21(2), p.024203_1 - 024203_20, 2018/02

AA2017-0659.pdf:3.34MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.21.024203

The transverse impedance of the extraction kicker magnets in the 3-GeV RCS of J-PARC is a strong beam instability source and it is one of the significant issue to realize 1 MW beam power as practical measures are yet to be implemented to reduce the impedance. In the present research realistic simulation by updating the simulation code to cope with all time dependent machine parameters were performed in order to study the detail of beam instability nature and to determine realistic parameters for beam instability mitigation. The simulation results were well reproduced by the measurements, and as a consequence an acceleration to 1 MW beam power has also been successfully demonstrated. To further increase of the RCS beam power up to 1.5 MW, beam instability issues and corresponding measures have also been studied.

Achievement of a low-loss 1-MW beam operation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 加藤 新一; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 谷 教夫; et al.

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 20(6), p.060402_1 - 060402_25, 2017/06

AA2017-0154.pdf:4.88MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.20.060402

RCSは、1MWのビーム出力を目指す世界最高クラスの大強度陽子加速器である。こうした加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化がビーム出力を制限する最大の要因となる。ビーム損失の原因(誤差磁場、空間電荷効果、像電荷効果等)は多様で、複数の効果が絡み合った複雑な機構でビーム損失が生じるため、その解決を果たすには、高度なビームの運動学的研究が必要となる。RCSでは、実際のビーム試験と共に、計算機上での数値シミュレーションを精力的に行ってきた。実験と計算の一致は良好で、観測されたビーム損失の発生機構の解明、また、その解決策を議論するうえで、数値シミュレーションが重大な役割を果たしている。ハードウェア系の改良と共に、こうしたビーム試験と数値シミュレーションを反復的に行うアプローチにより、RCSでは、10という極めて少ないビーム損失で1MW相当のビーム加速を達成したところである。本論文では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生機構やその低減に向けた取り組みなど、大強度加速器におけるビーム物理に関する話題を中心に、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果を時系列的に紹介する。