Development of a tool for cavity failure compensation in superconducting linacs; Progress and comparative study

Plaais, A.*; Bouly, F.*; Yee-Rendon, B.

Proceedings of 14th International Particle Accelerator Conference (IPAC 23) (Internet), p.4097 - 4100, 2023/09

https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2023-THPA060

大強度ハドロン加速器の信頼性は、特に加速器駆動システム(ADS)にとって大きな問題となる。例として、日本原子力研究開発機構(JAEA)で検討を進めているADSでは、5分以上のビーム停止の最大頻度は年間42回に設定されている。ビーム停止の大半は加速空洞または関連するシステムの故障によって引き起こされるため、これらを効果的に削減する方法を検討した。この目的のため任意の超伝導(SC)リニアックの補償設定を、自動かつ体系的に決定することを目的とした数値ツールLightWinを開発した。このツールは、MYRRHA SCリニアックに使用されて成功した。本報告では、JAEA ADSリニアックの最後段に関連するいくつかの障害シナリオをLightWinにより補償し、関連する再調整された設定とビーム性能とを以前にTraceWinを適用し行った結果と比較した。

Measurement of H particles generated by residual gas stripping in the Japan Proton Accelerator Research Complex linac

田村 潤; 二ツ川 健太*; 近藤 恭弘; Liu, Y.*; 宮尾 智章*; 森下 卓俊; 根本 康雄*; 岡部 晃大; 吉本 政弘

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1049, p.168033_1 - 168033_7, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.168033

J-PARCリニアックは、ビーム損失が重要な課題となる大強度加速器である。J-PARCリニアックでは、Hビームが機能分離型ドリフトチューブリニアック(SDTL)で191MeVまで加速され、その後、環結合構造型加速管(ACS)で400MeVまで加速される。Hリニアックでは陽子リニアックよりもビーム損失の要因事象が多いため、ビーム損失低減のためにはビーム損失の原因を詳しく調べることが必須である。制御不能なH粒子を生成する電子ストリッピング現象は、Hリニアックに特有なビーム損失要因である。J-PARCリニアックにおけるビーム損失の原因を明らかにするため、SDTLとACSの間のビーム輸送部に新しいビーム診断系を設置した。ここでは、H粒子をHビームから分離し、H粒子が分布する範囲にグラファイト板を挿入してH粒子の強度プロファイルを測定することに成功した。ビームライン真空圧力の違いによるH粒子の強度変化を調べることで、SDTLセクションのH粒子の半分は、J-PARCリニアックの残留ガスストリッピングによって生成されていることを明らかにした。

Availability analysis for the 30-MW proton linac of the JAEA-ADS project

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

Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.286 - 290, 2023/01

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、加速器駆動未臨界システム(ADS)を提案している。この基本コンポーネントの1つとして、30MWの陽子線形加速器(リニアック)を設計している。ADSの加速器には、未臨界原子炉構造の停止に伴う熱応力回避のために、非常に高い信頼性と可用性が要求される。加速器の信頼性および駆動率評価では、設計におけるラティスの脆弱性を見出し、要求される運転を満足できる冗長構成を持つことと、これらの評価が必須となる。本研究では、信頼性ブロック図(RBD)法を適用し、候補となる様々なリニアック構成における平均故障間隔(MTBF)を計算で評価した。対象とする構成は、全リニアック直列構成、低エネルギー部のホットスタンバイ構成、及び高エネルギー部のk-out-nの冗長性を持つ構成とした。本検討では、リニアックのラティスを構成する空洞と磁石の詳細な配置を考慮した。本報告では、高い信頼性を得るリニアックの構成モデルおよびそのMTBFの結果に関し報告するとともに、必要な稼働率に向けた運転方法に関して議論する。

Improved bunching and longitudinal emittance control in an RFQ

Jameson, R. A.*; Yee-Rendon, B.

Journal of Instrumentation (Internet), 17(12), p.P12011_1 - P12011_11, 2022/12

https://doi.org/10.1088/1748-0221/17/12/P12011

高周波四重極加速器(RFQ)の空洞セルにおけるベーン変調の新しい調整法を開発した。本手法は、ビームのバンチングと縦方向エミッタンス制御を大幅に改善し、RFQ出力の縦方向rmsエミッタンスを小さくした。この方法は個々のセルに対し適応でき、全体のRFQの設計から独立しているため、ビーム操作のための追加パラメータにより一般化することができた。この手法は、通常目標とされるベーン変調の調整以外にも、高加速効率のなどの達成に可能となる。RFQの全体設計に与える累積的な効果の例を示し、設計者のさらなる探求の道筋を示す。

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。

Status of the JAEA-ADS superconducting linac design

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

Proceedings of 64th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (ICFA-HB2021) (Internet), p.30 - 34, 2022/04

原子力機構(JAEA)では、核廃棄物の有害度低減のための加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発に取り組んでおり、ビーム電流20mAの30MWのCW陽子線形加速器(LINAC)を設計を進めている。本LINACは、2.5MeVのエネルギーまでの常伝導(NC)加速器で構成され、引き続き5つの超伝導(SC)セクションにより最大1.5GeVまで加速する。未臨界原子炉の熱応力を回避のため、ADSの加速器は現存の加速器より極めて高い信頼性が必要となり、LINACの設計における最大の課題となる。このため、故障時にもビーム損失の少ない運転を継続できるフォールトトレランス機能を備えた強安定設計を進めている。本発表では、LINACの高信頼性達成に向けたビームダイナミクスの結果を紹介する。

Progress on SRF linac development for the accelerator-driven subcritical system at JAEA

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

Proceedings of 20th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2021) (Internet), p.372 - 375, 2021/11

https://doi.org/10.18429/JACoW-SRF2021-TUPFAV001

放射性廃棄物の問題解決の一環として、日本原子力研究開発機構(JAEA)では1980年代後半からaccelerator driven subcritical system (ADS)を開発してきた。JAEAの提案するADSでは、30MWのCW陽子線形加速器(linac)により、800MWthの未臨界原子炉を駆動する。ADS最大の課題は、運転に必要となる高い信頼性と稼働率である。このため、JAEA-ADS linacについて、超伝導高周波(SRF)における最新技術を用い再設計を行った。さらに、ビーム損失の抑制が制御できる堅牢なラティスを開発し、SRFの空洞における障害を迅速に回復できるフォールトトレランスなシステムを実装した。本発表では、JAEA-ADS超伝導ライナックの研究開発の最新の結果を示す。

Multipacting studies for the JAEA-ADS five-cell elliptical superconducting RF cavities

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤; Cicek, E.*

Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.793 - 795, 2021/08

https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2021-MOPAB247

原子力機構で検討している核変換システム(ADS)では、線形加速器(LINAC)の大強度陽子ビーム(600MeV-1.5GeV)を用いる。LINACの終段加速部では、楕円超伝導高周波空洞(SRFC)を用いる予定であり、その性能評価は重要である。加速器の信頼性向上のためには、空洞は低い電磁場ピークを持つことが望まれる。一方、経済性を考慮すると高い加速度勾配が望まれる。本検討では、この両者を達成するための検討を行い、空洞の形状を最適化した。また、ビームに起因する影響の評価として、マルチパクタリングの検討を進め、その対策法について検討した。

JAEA-ADSのLinac加速器における誤差解析

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

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.33 - 37, 2020/09

日本原子力研究開発機構で検討を進めている加速器駆動システム(ADS)は、運動エネルギー1.5GeVとなる連続的(CW)な陽子ビーム(電流20mA)を加速するLinacを用いる。このLinacでは、高い加速効率をもつ超伝導空洞によりビームが加速され、空洞は半波共振器(Half Wave resonator)、スポーク共振器(Spokes resonator)、および楕円形空洞(Elliptical cavity)などによる5つの群で構成される。30MWとなる大強度ビームを用いるADSでは、ビームロスが重大な機器の放射化を引き起こす可能性があるので、安定したビーム動作と高い信頼性を有する堅牢なビーム光学系が必要となる。ビーム損失率は、Linacの各構成要素における不整合や電磁場の誤差により生じる。このため、本研究では各構成要素の誤差に対するビームロスを検討した。本研究では、またビームロス低減のため、許容誤差を推定しその補正法に関し検討した。

Electromagnetic design of the low beta cavities for the JAEA ADS

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

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012197_1 - 012197_7, 2019/12

BB2019-0053.pdf:0.71MB

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1350/1/012197

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is designing a superconducting CW H linear accelerator for the ADS project. The superconducting region will use five types of radio frequency cavities. In the region from 10 to 180 MeV the acceleration will be done using Half Wave Resonator (HWR) and Spokes cavities. HWR cavities will accelerate the beam from 2 to 10 MeV with a geometrical beta of 0.08 and the Spoke ones will do from 10 to 180 MeV using two cavity families with geometrical betas of 0.16 and 0.43. The results of electromagnetic model design are presented and the comparison with similar cavities from other projects are included.