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論文

Dependence of charge-exchange efficiency on cooling water temperature of a beam transport line

山本 風海; 畠山 衆一郎; Saha, P. K.; 守屋 克洋; 岡部 晃大; 吉本 政弘; 仲野谷 孝充; 藤来 洸裕; 山崎 良雄; 菅沼 和明

EPJ Techniques and Instrumentation (Internet), 8(1), p.9_1 - 9_9, 2021/07

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は最大1MWの高出力陽子ビームを中性子ターゲットに供給している。稼働率を向上し実験成果の最大化を図るために、RCSではさまざま運転パラメータの履歴を記録しているが、そのデータのうち入射効率と入射ビームラインの磁石を冷却している冷却水温度が同期していることを発見した。RCS入射時に、入射負水素(H$$^{-}$$)ビームは炭素薄膜を通過し陽子に変換されるので、入射効率が変動しているという事は陽子への変換効率が冷却水温度に依存していることを示している。ビーム形状,薄膜の条件等から、入射ビームのフォイルへの入射位置が0.072mm程度振動していて、それが磁石磁場の変動に換算して1.63$$times$$10$$^{-5}$$となることを求めた。この値は、単純に磁石が冷却水の温度変動に従って伸び縮みするとして評価した結果とファクタ程度で一致し、変換効率の変動の主要因は磁場変動であることが確認できた。

論文

1.2-MW-equivalent high-intensity beam tests in J-PARC RCS

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011018_1 - 011018_6, 2021/03

J-PARC RCSは、2019年7月に、1MWの連続(10.5時間)運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、1.2$$sim$$1.5MW相当の更に高いビーム強度でのビームの振る舞いを精査することが必要になるため、RCSでは、2018年の10月と12月に1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初は、1$$%$$程度の有意なビーム損失が出現したが、チューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功した。また、数値シミュレーションでその実験結果を精度良く再現することにも成功している。本発表では、実験結果と計算結果の詳細比較からビーム損失の発生や低減のメカニズムを議論する。また、近い将来実施予定の1.5MW相当の大強度ビーム加速の実現に向けた取り組みも紹介する。

論文

J-PARC 3-GeV RCS; 1-MW beam operation and beyond

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Journal of Instrumentation (Internet), 15(7), p.P07022_1 - P07022_16, 2020/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:30(Instruments & Instrumentation)

RCSのような大強度陽子加速器では、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。RCSでは、高精度の計算モデルを構築し、数値シミュレーションと実験を組み合わせたアプローチでビーム損失の低減に取り組んできた。数値シミュレーションと実験の一致は良好で、計算機上で再現したビーム損失を詳細に解析することで実際の加速器で起こっている現象を十分な確度で理解することが可能になっただけでなく、それを低減するためのビーム補正手法を確立するのに数値シミュレーションが重要な役割を果たした。ハードウェアの改良と共に、こうした一連のビーム力学的研究により、1MW設計運転時のビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功している。本発表では、1MW調整時に直面したビーム損失について、発生メカニズムや解決手法をレビューすると共に、最近行った1.2MW試験の実験結果を報告する。また、最後に、数値シミュレーションを用いてRCSの限界ビーム強度を議論する。

論文

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

 被引用回数:3 パーセンタイル:73.65(Physics, Nuclear)

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。

論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012102_1 - 012102_5, 2019/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:66.03

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

J-PARC RCSにおけるビーム力学的研究とビーム損失の低減

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

加速器, 16(2), p.109 - 118, 2019/07

RCSのようなMW級の大強度陽子加速器では、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。RCSでは、ビーム損失の原因となる様々な効果(空間電荷効果,非線形磁場,フォイル散乱等)を取り込んだ高精度の計算モデルを構築し、数値シミュレーションと実験を組み合わせたアプローチでビーム損失の低減に取り組んできた。計算と実験の一致は良好で、計算機上で、実際に発生したビーム損失を十分な精度で再現できたことは画期的なことと言える。数値シミュレーションで再現したビーム損失を詳細に解析することで、実際の加速器で起こっている現象を十分な確度で理解することが可能になっただけでなく、それを低減するためのビーム補正手法を確立するのに数値シミュレーションが重要な役割を果たした。ハードウェアの改良と共に、こうした一連のビーム力学的研究により、1MW設計運転時のビーム損失を10$$^{-3}$$という極限レベルにまで低減することに成功している。本稿では、ビーム増強過程で問題になったビーム損失について、その発生機構や解決方法を報告すると共に、その際に数値シミュレーションが果たした役割について具体例を挙げて紹介する。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトロンの残留線量率と被ばく線量の推移

山本 風海

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.333 - 337, 2019/07

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は2007年よりビームコミッショニングを開始し、ユーザーに供給するビーム強度を高めるべく調整を継続して進めている。J-PARCのような大強度陽子加速器において安定運転を実現するためには、ビームロス量を抑え、保守作業時の被ばく線量を低減することが重要である。RCSでも運転開始初期より、ビームロスの低減のためのビーム試験を行ってきた。特に入射部における残留線量率が高いため、その原因調査を進め、ビーム入射時に使用する炭素薄膜と入射ビームの相互作用が原因であることを突き止めた。その対策としてビーム運転パラメータの最適化、軌道調整に必要な電磁石の追加、ビームロスを局所化するためのコリメータの追加等を実施した。その結果、現在は設計値である1MWの半分の500kWの出力で連続運転を行っており、その条件でも機器表面での残留線量率を保守作業に支障がでないレベルに抑えることに成功した。

論文

J-PARC RCSビームコミッショニングの進捗報告; 1MW以上のビーム出力の実現に向けた取り組み

發知 英明; 原田 寛之; 林 直樹; 金正 倫計; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.574 - 578, 2019/07

J-PARC RCSは、2018年の7月に、設計出力1MWの試験運転に成功したところである。高出力かつ安定な利用運転を実現するためには、さらに高いビーム強度でのビームの振る舞いを調査することが必要となるため、RCSでは、2018年10月と12月に、1.2MW相当の大強度試験を実施した。当初、1$$%$$程度の有意なビーム損失が出現したが、ベアチューンや横方向ペイント範囲を最適化することで、そのビーム損失を10$$^{-3}$$レベルにまで低減することに成功した。本発表では、上述の大強度試験結果、特に、その際に出現したビーム損失の発生メカニズムやその低減のために行った一連の取り組みに焦点を当てて報告する。

論文

J-PARCビーム同期タグ付モニタデータの高速測定

畠山 衆一郎*; 山本 風海; 吉本 政弘; 林 直樹

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.789 - 793, 2019/07

大強度陽子加速器施設(J-PARC)では、ビーム損失によるビームラインの放射化を防ぐため、また機器自身の不具合を検出するために機器保護システム(MPS)と呼ばれるインターロック機構が導入されている。MPSの発報によるビーム運転の停止は実験ユーザーの貴重なビーム利用時間を削ることになるので迅速な復旧が求められる。MPSの発報原因は機器からのインターロックの種類によってある程度特定可能であるが、ビーム損失モニタ(BLM)のMPSはその原因の特定が難しい。3GeVシンクロトロンの場合、物質生命科学実験施設行と主リング行の2種類のビームを切り替えながら運転しており、ビームモニタのデータもそれらを区別する必要がある。そこで、ビームの行先を区別する方法としてタイミングシステムのビームタグ情報を使用するデータ収集システムを構築した。行先毎に区別されたデータを表示するアプリケーションを作成し、行先毎のBLMデータを解析できるようになった。

報告書

平成30年度研究開発・評価報告書; 評価課題「J-PARCに関する研究開発」(中間評価)

J-PARCセンター

JAEA-Evaluation 2019-003, 52 Pages, 2019/06

JAEA-Evaluation-2019-003.pdf:6.61MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成28年12月21日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価指針」(平成29年4月1日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規程」(平成17年10月1日制定)等に基づき、平成31年3月1日に第3期中長期計画に対する中間評価をJ-PARC研究開発・評価委員会に諮問した。これを受けて、J-PARC研究開発・評価委員会は、委員会において定められた評価方法に従い、原子力機構から提出されたJ-PARC研究開発の実施に関する説明資料の検討及びJ-PARCセンター長並びにディビジョン長による口頭発表と質疑応答を実施した。本報告書は、J-PARC研究開発・評価委員会より提出された中間評価の内容をまとめるとともに、「評価結果(答申書)」を添付したものである。

論文

J-PARC RCSにおける大強度陽子ビームのビーム力学的研究とビームロスの低減

發知 英明

FASだより(インターネット), (18), p.20 - 26, 2019/06

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,フォイル散乱等)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、ビーム損失の発生メカニズムや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た。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$$^{-3}$$という極めて少ないビーム損失で1MWのビーム加速を達成したところである。本発表では、RCSのビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおけるここ数年の成果をレビューする。

論文

J-PARC RCS; High-order field components inherent in the injection bump magnets and their effects on the circulating beam during multi-turn injection

發知 英明; 原田 寛之; 高柳 智弘

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.2009 - 2012, 2019/06

In the J-PARC RCS, we investigated the influences of high-order field components inherent in four sets of injection bump magnets (dipole magnets) on the circulating beam during multi-turn injection. Ideally, the injection bump fields including the high-order field components are cancelled out with each other through the integration over the four injection bump magnets. But, in the RCS, such a field compensation is incomplete owing to the effects of magnetic interferences and feed-down fields. The residual high-order field components, not cancelled out, have a significant influence on the circulating beam via the excitation of high-order random betatron resonance. In this paper, we discuss the detailed mechanism of emittance growth and beam loss caused by the high-order field components of the injection bump magnets including their correction scenario, on the basis of numerical simulation and experimental results.

論文

Operation status of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; 神谷 潤一郎

Proceedings of 10th International Particle Accelerator Conference (IPAC '19) (Internet), p.2020 - 2023, 2019/06

現在、J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)は物質生命科学実験施設及び主リングシンクロトロンに500kW以上の出力で陽子ビームを供給している。J-PARCのような大強度の陽子ビーム加速器では、わずかな割合のビームロスであっても機器が高線量に放射化されるため、ビームロスの低減が非常に重要である。また、多数のユーザーに向けて運転を行っているため、安定にビーム運転を続けることが望まれている。平成30年度はそれらの要求に応じるために、入射用炭素薄膜の開発やコリメータの入れ替え等を実施した。また、平成30年6月には設計強度である1MWの出力で1時間運転を行い、許容できるビームロス量で安定に運転できることを確認した。

論文

J-PARC RCS; Effects of emittance exchange on injection painting

發知 英明; J-PARC RCS Beam Commissioning Group

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.20 - 25, 2018/07

現在、J-PARC RCSのベータトロン振動数は2Qx-2Qy=0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ペイント入射中に引き起こしていることを明らかにすることができた。本発表では、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行っているペイント入射の最適化に向けた取り組みを紹介する。

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

J-PARC 3GeV陽子シンクロトロンにおける1MW運転時のビーム損失とその低減

發知 英明; 原田 寛之; 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; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.61 - 65, 2016/11

J-PARC 3-GeV RCSでは、2015年の夏季作業期間にRF電源の増強を行い、その直後の10月より1MWのビーム調整を再開した。10月のビーム試験では、RFフィードフォワード調整やペイント入射の導入により、縦方向のビーム損失や空間電荷由来の横方向のビーム損失を最小化させると共に、色収差や加速過程のチューンをコントロールすることでビームの不安定化を抑制することに成功した。また、その後のビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共にAnti-correlatedペイント入射を併用することでペイント入射範囲の拡幅を実現し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることに成功した。2015年10月以降に行った一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失は、十分に許容範囲内といえるレベルにまで低減された。本発表では、ビーム増強過程で実際に我々が直面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を中心に、RCSビームコミッショニングの進捗状況を報告する。

論文

J-PARC RCS入射バンプシステムの現状と将来計画

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜; 富樫 智人; 飛田 教光*; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.699 - 702, 2016/11

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)の入射バンプシステムは、2012年と2013年に、LINACの181MeVから400MeVへのアップグレードに合わせた電源の交換及び電源容量の増強を行った。水平シフトバンプ電源と水平ペイントバンプ電源1は新電源に変更し、水平ペイントバンプ電源2, 3, 4は、定格の電流を1.6倍、電圧を2倍に電源容量を増強するため、既設電源に対してチョッパ盤の追加及びアセンブリ間の配線変更を実施した。そして、2015年1月には、RCS所期性能である1MW相当のビーム加速に成功した。しかし、その後、RCSの加速器が安定したユーザー利用運転を継続していく中で、水平ペイントバンプ電源では、パルスショット毎の電流値の変動(定格の$$pm$$1%以上)がビーム調整時に問題になることが判明した。また、入射部の電磁石周辺では、荷電変換入射による残留線量の増加が散見されるようになった。そのため、電流値の変動については、旧水平ペイントバンプ電源を用いたオフラインでの調査・対策を実施し、残留線量については、入射用水平シフトバンプ電磁石の形状変更による入射部遮蔽体の追加を計画している。本発表では、入射バンプシステムの現状と将来計画について報告する。

論文

The Path to 1 MW; Beam loss control in the J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 原田 寛之; 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; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 57th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2016) (Internet), p.480 - 485, 2016/08

J-PARC 3-GeV RCSは、2015年1月に1MW相当のビーム加速を達成したところであり、それ以来、ビーム損失の低減を目指した大強度ビーム試験を精力的に展開している。2015年10月のビーム試験では、ペイント入射の最適化により空間電荷由来のビーム損失を最小化させると共に、色収差や加速過程のチューンを制御することでビームの不安定化を抑制することに成功した。また、その後に実施したビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共に、Anti-correlatedペイント入射を併用することでペイント範囲を2倍に拡幅することに成功し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることができた。こうした一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失は、十分に許容範囲内と言えるレベルにまで大幅低減された。本発表では、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ついての話題を中心に、RCSビームコミッショニングの進捗状況を報告する。

論文

Recent progress of 1-MW beam tuning in the J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 原田 寛之; 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; 渡辺 泰広; et al.

Proceedings of 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC '16) (Internet), p.592 - 594, 2016/06

RCSは、2015年1月に1MW相当のビーム加速を達成したところである。RCSのような大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が出力強度を制限する最大の要因となるため、ビーム損失の低減が1MWという設計出力での連続運転を実現するための重要な研究課題となる。2015年10月のビーム試験では、ペイント入射の最適化により、空間電荷由来のビーム損失をほぼ最小化することに成功した。また、その後に実施したビーム試験では、新規導入した補正四極電磁石と共に、Anti-correlatedペイント入射を採用することでペイント範囲の拡幅に成功し、その結果、入射中の荷電変換フォイル上での散乱現象に起因したビーム損失を大幅低減させることができた。こうした一連のビーム調整により、1MW運転時のビーム損失を十分に許容範囲内と言えるレベルにまで抑え込むことに成功した。本発表では、ビーム増強過程で顕在化したビーム損失の発生メカニズムやその低減に向けた取り組みなど、RCSビームコミッショニングにおける最近の成果を報告する。

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