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論文

Progress of the J-PARC cesiated rf-driven negative hydrogen ion source

神藤 勝啓; 大越 清紀; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 高木 昭*; 滑川 裕矢*; 上野 彰; 小栗 英知

AIP Conference Proceedings 2052, p.050002_1 - 050002_7, 2018/12

J-PARCセシウム添加型高周波駆動負水素イオン源は、大きなトラブルを起こすことなく、2017/2018年の運転期間に3回の2000時間以上の連続運転を達成した。本期間の最終日には、リニアックコミッショニングGrがリニアック出口でビーム電流60mA引き出しをしめすために、イオン源より72mAの負水素イオンビームを生成した。J-PARC製の高周波用内部アンテナの開発も進めており、これまでに1400時間の運転を行った。

論文

Present status of the J-PARC cesiated rf-driven H$$^-$$ 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

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 $$mu$$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.

論文

Observation of beam current fluctuation extracted from an RF-driven H$$^-$$ 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

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.

論文

Observation of plasma density oscillation with doubled value of RF frequency in J-PARC RF 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

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.

論文

大強度負水素イオン源の高周波放電による引き出されたビームへの影響

神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 和田 元*

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.648 - 650, 2017/12

J-PARCでは、セシウムを導入した水素プラズマ生成に2MHzの高周波をイオン源よりピーク電流が数10mAのH$$^-$$ビームを引き出している。このような大強度RF H$$^-$$イオン源では、イオン源内のイオン密度が高いためビーム引出領域近傍のイオンシースがRF振動に追随する。J-PARCの大強度RF H$$^-$$イオン源より引き出されたH$$^-$$ビーム電流をファラデーカップで測定すると、44mAの平均ピーク電流に対して1mA程度のビーム電流の揺らぎが観測された。ビームはその進行方向だけでなく、それに垂直な方向にも振動していると考えられる。ビーム引き出し領域のシースの高周波振動をより明らかにするために、位相空間内での実時間でのビームの揺動を観測できるような高時間分解能で高感度のエミッタンスモニターを備えた実験系を提案する。

論文

Operation status of the J-PARC RF-driven H$$^{-}$$ ion source

小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 柴田 崇統*; 南茂 今朝雄*; 上野 彰; 神藤 勝啓

AIP Conference Proceedings 1869, p.030053_1 - 030053_7, 2017/08

J-PARCリニアックのビーム増強を行うために、セシウム添加型高周波負水素イオン源の運転を2014年9月から開始した。本イオン源は、ステンレス製プラズマ生成室、ビーム引出系及び差動真空排気用大型真空チェンバで主に構成されている。本イオン源は、2014年10月の運転中にアンテナが故障したが、それ以降、現在に至るまで重大なトラブルは発生していない。現状、ビーム電流45mA、デューティーファクタ1.25%(ビーム幅0.5msec、パルス繰り返し率25Hz)にて1,000時間以上の連続運転を達成している。本発表では、本イオン源の長時間運転における運転パラメータや安定性について報告する。

論文

Cesiated surface H$$^{-}$$ ion source; Optimization studies

上野 彰

New Journal of Physics (Internet), 19(1), p.015004_1 - 015004_15, 2017/01

 被引用回数:6 パーセンタイル:32.4(Physics, Multidisciplinary)

0.25$$pi$$mm$$cdot$$mrad程度の小さな横方向規格化rmsエミッタンスを持つ負水素イオンビームに対する高エネルギー$$cdot$$高強度陽子加速器の継続的に上昇する更なる高強度への要求を満たすため、再現性のある結果を得るために行われた根気強い実験の過程で見付かったエミッタンスを減少させる可能性のある多様なパラメータの最適化を行った。プラズマ電極形状や温度、低電力CW点火プラズマ用の高周波(RF)整合回路、フィルター磁場強度と分布、ビーム取り出し領域の軸磁場、セシウム(Cs)添加方法と密度、不純物元素の最適化等をJapan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)用の負水素イオン源で行った。一つ一つのパラメーターを順次最適化することで、J-PARC Cs添加型RF駆動負水素イオン源で、95%ビームの横方向規格化rmsエミッタンス($$varepsilon$$$$_{95%nrmsx/y}$$)0.24$$pi$$mm$$cdot$$mradで強度66mAという世界最高級輝度のビームの生成に成功した。

論文

Status of the RF-driven H$$^{-}$$ ion source for J-PARC linac

小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 上野 彰; 柴田 崇統*

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B138_1 - 02B138_3, 2016/02

BB2015-0491.pdf:1.81MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

J-PARCリニアックのビーム電流を増強するために、セシウム添加型高周波負水素イオン源を2014年夏の加速器メンテナンス時にインストールし、同年9月29日より運転を開始した。現在、本イオン源はビーム電流33mA、デューティファクタ1.25%で稼働している。いままでのところ、連続運転時間は約1100時間を達成している。運転中の高圧部放電頻度は1日に1回以下であり、ユーザ運転には影響のないレベルである。2014年10月にアンテナが破損したが、それ以降は深刻なトラブルは発生していない。本会議では、本イオン源の長時間運転における各種パラメータや安定性について発表する。

論文

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

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

BB2015-1473.pdf:4.28MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(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。

報告書

大強度陽子加速器用負イオン源のフィラメント寿命試験

小栗 英知; 滑川 裕矢*

JAERI-Tech 2004-053, 35 Pages, 2004/07

JAERI-Tech-2004-053.pdf:1.33MB

原研とKEKが共同で推進する大強度陽子加速器計画(J-PARC)では、物質科学,原子核物理,原子力工学の分野において最先端の研究を行うため、世界最高の陽子ビーム強度を持った加速器群を建設することを目指している。この加速器用の負水素イオン源には、ビーム電流60mA以上,エミッタンス0.20$$pi$$mm・mrad以下,デューティーファクター2.5%のビーム引き出しが要求され、さらに連続500時間のビーム供給が必要とされる。原研ではこれまで、J-PARCで用いる負イオン源の研究開発を進めてきた。その結果、セシウム添加状態において負イオンビーム電流72mA,規格化RMSエミッタンス0.15$$pi$$mm・mradのビーム引き出しに成功し、必要なイオン源の基本ビーム性能を達成した。今回は、本イオン源のメンテナンス頻度を決める要因の一つであるソースプラズマ生成用フィラメント陰極について、寿命試験を実施した。その結果、アークパワー30kW,デューティーファクター3%の典型的な運転条件で、フィラメントの寿命は258時間有ることを確認した。さらに、フィラメント電源とアーク電源の接続方法の変更やフィラメント形状の最適化により、寿命を800時間以上に延伸できる見通しを得た。

論文

Development of a H$$^{-}$$ ion source for the high intensity proton linac at Japan Atomic Energy Research Institute

小栗 英知; 富澤 哲男; 金正 倫計; 奥村 義和; 水本 元治

Review of Scientific Instruments, 71(2), p.975 - 977, 2000/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:49.78(Instruments & Instrumentation)

原研では現在、大強度陽子加速器を用いた中性子科学研究計画を提案しており、また本計画とKEK-JHF計画の統合計画も議論されている。これらの計画で使用する負水素イオン源は、ピークビーム電流60mA、デューティー2.5%のビーム引き出しが要求されている。そこで原研では、この要求性能を達成するために必要なイオン源の基礎データ収集を目的とした体積生成型負水素イオン源を製作した。本イオン源のプラズマ生成室は、内径150mm、高さ200mmの円筒型である。ビーム引き出し系は4枚の電極で構成されており、ビーム引き出し孔の直径は8mmである。イオン源下流でのビームの中性化損失を防ぐために、本イオン源に差動真空排気ポートを設け、イオン源下流の真空容器を高真空状態に保つ。差動排気の結果、ビーム電流値は1.7倍増加し、現在、セシウム添加なしの状態で、負水素イオンビーム電流11mAを得ている。

論文

原研大強度陽子加速器入射部の開発

小栗 英知; 金正 倫計; 大内 伸夫; 長谷川 和男; 草野 譲一; 水本 元治; 奥村 義和; 戸内 豊*

Proc. of 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan, p.308 - 310, 1997/00

原研で提案している中性子科学研究計画に使用する大強度陽子加速器は、ビームエネルギー1.5GeV、ビームパワー8MWを想定しており、現存する加速器の性能をはるかに上回る。そのため原研では現在、大強度陽子加速器の入射部に相当する水素イオン源とRFQを製作してビーム加速試験を行い、加速器建設のための要素技術開発を実施している。現在のRFQの性能は、出力ピーク電流80mA、デューティー8%であり、両者とも設計値の8割程度である。今回、さらに電流値を上げるための手掛かりを検討するために、CTをRFQ入口に設置してRFQ入射ビーム電流を測定し、LEBT,RFQのビーム透過率の評価を行った。その結果、イオン源出力ビームのエミッタンスの改良によって電流が増加する見込みを得た。また原研では、今年度より負水素イオン源のビーム試験を開始しており、現状では、入力アークパワー18kWに対し、5.5mAの負イオンビームを得ている。

口頭

J-PARC高周波負水素イオン源の運転状況

神藤 勝啓

no journal, , 

2014年10月より、J-PARCリニアックではCsを用いた高周波負水素イオン源によるビーム生成を開始した。良質アンテナの選別方法やプレコンディショニング運転の実施により、J-PARCユーザー利用運転中のアンテナ故障はなく、安定にビーム供給が行われている。本発表では、J-PARC高周波負水素イオン源の運転実績及びトラブル、本年4月より運用を開始した新たなイオン源テストスタンドの状況について報告する。

口頭

大強度高周波負水素イオン源より引き出されたビームの振る舞い

神藤 勝啓

no journal, , 

J-PARCで用いられている大強度負水素(H$$^-$$)イオン源は2 MHzの高周波(RF)放電によりプラズマを生成し、リニアックに向けてビームを供給している。この放電で用いているRFによるイオン源から引き出されるH$$^-$$ビームへの影響について調査を行っており、ビーム電流量にRFと同期した変調が生じていることが分かった。また、その他のビームパラメータの調査を始めるところである。本発表では、これらの調査についての報告を行う。

口頭

負水素イオン源の放電用2MHz高周波が引き出しビームに与える影響

神藤 勝啓

no journal, , 

J-PARCをはじめSNSやCERNなどの大強度陽子加速器施設では、大強度高周波負水素(H$$^-$$)イオン源が用いられている。イオン源プラズマの生成には2MHzの高周波(RF)源を用い、イオン源より数10mAのH$$^-$$ビームを引き出している。J-PARC大強度高周波H$$^-$$イオン源では、2MHzのパルスRF源からイオンチャンバー内に設置したアンテナに約25kWのRFを印加することにより、イオン源内に水素プラズマを生成し、大強度H$$^-$$ビームを引き出している。ビーム引き出し孔近傍に生成されるイオンシースの時間応答性は、イオンプラズマ周波数f$$_{pi}$$で決まる。大強度水素イオン源のプラズマ密度は10$$^{17}$$m$$^{-3}$$以上とするとf$$_{pi}$$は70MHz以上であり、プラズマ中のイオンは2MHzのRFに追随して振動する。そのため、ビーム引出領域近傍のイオンシースもRFに追随しプラズマの電位搖動が生じるために、イオン源より引き出したビームは2MHzの搖動を持っている可能性がある。そこで、H$$^-$$ビーム信号の周波数特性を測定したところ、H$$^-$$ビームにはプラズマ生成に連動しているRF周波数成分があることが分かった。

口頭

Influence of 30 MHz and 2 MHz RF plasma upon plasma electrode potential in the J-PARC RF-driven H$$^-$$ ion source

柴田 崇統*; 高木 昭*; 神藤 勝啓; 池上 清*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 内藤 富士雄*

no journal, , 

J-PARC高周波負水素イオン源でのプラズマ電極バイアス印加のために、高周波プラズマ条件下でのプラズマ電極の電圧変動の特性を調査した。J-PARCでは、高周波放電のために周波数30MHzで10から100Wの電力の連続高周波と周波数2MHzで5から20kWの電力のパルス高周波を重畳して入射している。各々の場合でのイオン源容器から浮遊したプラズマ電極との間に発生する電圧の時間構造を電圧計といくつかの抵抗を用いて測定した。30MHz高周波によりEモードでプラズマを発生した時と、2MHz高周波によりHモードでプラズマを発生した時では、測定される電圧波形が大きく異なった。この結果は、容量性結合電場と誘導性結合磁場の生成によって、イオン源容器に向かって行き来する正と負の荷電粒子の運動が決まることを示唆する。J-PARCのユーザー利用運転と同じ条件下のプラズマ中では、イオン源容器とプラズマ電極の間に60から80Vの電位差が生じ、2MHzと30MHzを重ね合わせた波形になることが分かった。高周波放電中でプラズマ電極に連続的にバイアスを印加するためには、この電圧の振動を打ち消す分布定数回路を追加した上で、バイアス印加用の高電圧電源が必要である。

口頭

J-PARCセシウム添加型RF駆動H$$^{-}$$イオン源の100mAビーム引出系最適化

上野 彰

no journal, , 

J-PARCセシウム添加型RF駆動H$$^{-}$$イオン源は、テストスタンドにおいて、ビームデューティファクター5%(1mm$$times$$50Hz)、強度100mA、エネルギー62keVでの安定運転に成功している。ビームの質(横方向エミッタンス)も、高エネルギー線形加速器用高周波四重極線形加速器で90%以上の加速効率が予測される値0.26$$pi$$mm$$cdot$$mrad程度と測定されている。ビームは、直径9mmのプラズマ電極ビーム孔から引き出され、3.2mmの引出ギャップ、入口径7.1mm、出口径12.6mm、厚さ12.4mmの引出電極、加速ギャップ7mmで加速されていた。100mA、62keVビームが、引出と加速の両ギャップで空間電荷制限値の状態と判断されたため、引出電極厚さを10.5mmに薄くし、その分接地電極を近づけた。その最適化によりエミッタンスが改善された結果について報告する。

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