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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

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

Reduction of the kicker impedance maintaining the performance of present kicker magnet at RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 入江 吉郎*; 高柳 智弘; 富樫 智人; 山本 昌亘; 山本 風海

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.062007_1 - 062007_8, 2018/10

J-PARCのRCSのキッカーにはコイルが内蔵されており、そこを流れる電流が作る磁場の力でビームを出射させている。このキッカーは4つの端子を持っており、その2つが電源側につながれ、残りの2つがショートしてある。ビームをRCSから出射させる時に必要なキッカーに誘起される電流値は、この特徴のために電源から供給される電流値の2倍となる。これは、ビームを出射させる上では、必要な消費電力を節約でき、キッカーの設置スペースを節約できるという利点を持つ。一方で、この特徴のためにビームが大強度化するに従って、キッカーを通過する際に励起する電磁場(インピーダンス)は、ビームを不安定にさせることが分かっている。このようなビーム不安定性への対策は、大強度での安定的なビーム利用運転をするために必要である。本レポートでは、現在のキッカーの持つパフォーマンスを維持しながら、ビームの不安定要因であるキッカーのインピーダンスを下げる新しい手法について紹介する。

論文

Development of a new modular switch using a next-generation semiconductor

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.082019_1 - 082019_6, 2018/10

Semiconductor switches using SiC-MOSFETs are expected to substitute the thyratron, and they are designed by connecting many semiconductor switches in parallel-series for high power operation. In order to suppress the common-mode noise caused by switching, it is common to form a symmetrical circuit. However, as the number of parallel connections in the horizontal direction increases, the length of the parallel circuit becomes longer, and the output waveform is distorted due to time lag between the circuits. Therefore, we propose a radially-symmetrical type module switch which can equalize the circuit length regardless of the number of parallel circuit. Even in circuit fabrication, it was easy for the radially-symmetrical type to make the distances of the parallel circuits equal, shorten the circuit length, and make the circuit impedance lower than the line-symmetrical type. It was confirmed that the radially-symmetrical type circuit is very useful for constructing multiple circuits. The design and preliminary test results of two types of switch circuits, radially-symmetrical type and general line-symmetrical type are presented here.

論文

Conceptual design of a single-ended MA cavity for J-PARC RCS upgrade

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.052014_1 - 052014_6, 2018/10

J-PARC RCSでは金属磁性体を用いた高周波加速空胴において、真空管のプッシュプル励振により高周波電力を供給している。そして、空胴の広帯域インピーダンス特性を生かしてマルチハーモニック励振及びビーム負荷補償を行っているが、プッシュプル励振はマルチハーモニック励振に際して欠点があることが判明した。それは、ビーム強度が上がってきた場合に、陽極電圧振幅のアンバランスが顕著になることである。そのためRCSのビームパワー増強に向けて、シングルエンド励振の金属磁性体空胴を考案した。これにより、陽極電圧振幅のアンバランスが本質的に発生しない空胴を実現できる。

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

Study of a tuner for a high-accuracy bunch shape monitor

守屋 克洋; 川根 祐輔*; 三浦 昭彦; 二ツ川 健太*; 宮尾 智章*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072009_1 - 072009_3, 2018/09

J-PARCリニアックでは、ビーム縦方向分布を観測するバンチシェイプモニタ(BSM)の高精度化を行っている。ビームをワイヤに当てることで、ビームと同じ時間(縦方向)構造を持つ2次電子をワイヤから生成する。この電子を高周波電場を用いて縦方向の情報を横方向に移すことで縦方向分布を観測する。このとき高周波電場の周波数は加速周波数と同期させる必要がある。BSMのRFディフレクタは2本の電極から構成され、目的の周波数が共振周波数となるように電極長を変えることで実現する。しかし電極長の製作精度は$$pm$$0.5mmであるため、従来の調整方法では周波数設定精度は$$pm$$390kHzであった。今回新たにチューナとして円柱ブロックを挿入することで、共振周波数を高精度に調節できることが数値シミュレーション(CST Studio)の結果から判明した。具体的には円柱挿入量$$pm$$0.1mmに対してを$$pm$$25kHzまで調節可能となる。これにより、共振周波数の粗い調節を電極長を変えることで、細かい調節を円柱ブロックを挿入することで共振周波数を極めて高い精度で調節できるようになる。現在、このチューナ付きBSMの製作を行っている。今回の発表では数値計算結果について報告する。

論文

Non-destructive 2-D beam profile monitor using gas sheet in J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 荻原 徳男*; 三浦 昭彦; 金正 倫計; 引地 裕輔*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.072006_1 - 072006_6, 2018/09

J-PARCにおいて大強度ビームの断面形状すなわちビームプロファイルを精度よく測定することは、ビームロスを減らし安定した加速器の運転維持を行うために必須である。既存のワイヤーを用いたビームプロファイルの測定は、ビーム強度が増した場合、ワイヤーの切断やワイヤーによるビーム散乱での装置の放射化の問題が懸念される。今回我々は真空中にシート状のガスを発生させ、ビームとガスの相互採用で発生するイオンもしくは光等を検出することでビームのプロファイルを得る非破壊のビームプロファイルモニターの開発を行った。リニアックのビーム輸送ラインにガスシートビームモニターを設置した際、導入ガスに対して近傍の空洞への圧力上昇が起きないための排気系の設計および実際の圧力分布測定を行い、空洞に対して悪影響を及ぼさずに十分な量のガス導入が可能であることを示した。発生イオンを電場により検出器に導きビーム像を蛍光板に投影することでビームプロファイルを得る手法で、リニアックの加速ビームのプロファイル測定に成功した。

論文

Numerical and experimental study of H$$^{-}$$ beam dynamics in J-PARC LEBT

柴田 崇統*; 池上 清*; Liu, Y.*; 三浦 昭彦; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 大谷 将士*; 神藤 勝啓; et al.

Proceedings of 29th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2018) (Internet), p.519 - 521, 2018/09

実験結果と数値計算結果の比較によって低エネルギービーム輸送系(LEBT)での負水素イオン(H$$^{-}$$)ビームの輸送過程を調査している。これまで、(i)J-PARCのLEBTの2つのソレノイド電磁石による軸方向磁場と、(ii)空間電荷効果による径方向電場の2つを考慮するために、3次元のParticle-In-Cell(PIC)粒子輸送モデルを開発してきた。2つのソレノイド電磁石電流が変化したときの高周波四重極リニアック(RFQ)入口での全H$$^-$$ビーム粒子数に対するRFQのアクセプタンス内のH$$^{-}$$ビーム粒子数の比を計算した。この計算結果をJ-PARCリニアックのコミッショニングで得たRFQの透過率測定の実験結果と比較したところ、実験で見られたソレノイド電磁石への印加電流に対するRFQの透過率の2つのピークが現れることが、計算結果からも確認できた。計算結果では、LEBT内で作動排気のために設置しているオリフィスがRFQ入口のエミッタンスを削ってしまうコリメータのような役割をしていることが示された。

論文

Activation in injection area of J-PARC 3-GeV rapid cycling synchrotron and its countermeasures

山本 風海; 山川 恵美*; 高柳 智弘; 三木 信晴*; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 柳橋 亨*; 堀野 光喜*; 仲野谷 孝充; et al.

ANS RPSD 2018; 20th Topical Meeting of the Radiation Protection and Shielding Division of ANS (CD-ROM), 9 Pages, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロンは1MWのビーム出力を中性子ターゲットおよび主リングシンクロトロンに供給するためにビーム調整を進めている。現在は最大500kWの出力で運転を行っているが、現状最も放射化し線量が高い箇所はリニアックからのビーム軌道をシンクロトロンに合流させる入射部である。この放射化はビーム入射に使用する荷電変換フォイルとビームの相互作用によるものであるが、フォイルを使う限り必ず発生するため、周辺作業者への被ばくを低減するための遮蔽体を設置できる新しい入射システムの検討を行った。フォイル周辺は入射用電磁石からの漏れ磁場で金属内に渦電流が流れ、発熱することがこれまでの経験から判っているため、その対策として金属の遮蔽体を層状に分け、その間に絶縁体を挟む構造を考案した。遮蔽計算の結果から、9mmのステンレスの間に1mmの絶縁体を挟んでも遮蔽性能は5%程度しか低下しないことがわかった。

論文

J-PARC負水素イオン源の運転状況

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

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.889 - 892, 2018/08

大強度陽子加速器施設(J-PARC)のセシウム添加高周波駆動型負水素イオン源は、2017年夏期メンテナンス後の一年間のユーザ運転では、ビーム電流値約47mAで運転を行っている。RUN#75(平成29年4月-7月)で初めて約3ヵ月間の連続運転を試行し、寿命や安定性に問題が無いことが証明されたため、J-PARCではRUN#76からイオン源のメンテナンスを3ヵ月毎に行う方針とした。現在まで3回の3ヵ月連続運転を行い、RUN#79(平成30年4月-7月)ではこれまでの最長時間となる2,201時間を達成した。RUN#79終盤(89日目)には加速器スタディのために、ビーム電流を58mAに増加した。また、RUN最終日(93日目)には、J-PARCの更なる高度化を目指したリニアックの加速器スタディのためにこれまでのイオン源の最大ビーム電流となる72mAに増加し、ビーム強度がRFQ出口で66mA、リニアック出口で60mAを確認した。2018年3月からJ-PARC製高周波アンテナの耐久性を確認するための長時間運転試験も開始し、6月末時点で1,410時間の運転時間を達成している。

論文

RCSビーム入射部における低放射化・保守性向上のための真空容器のアップグレード

神谷 潤一郎; 山本 風海; 柳橋 亨*; 佐藤 篤*; 三木 信晴*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.645 - 648, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)のビーム入射部は、リニアックからの負水素イオンを陽子へ荷電変換する薄膜によるビーム散乱のため、真空ダクト等が放射化し残留放射線量が高いエリアである。加えて、パルス電磁石であるシフトバンプ電磁石の漏洩磁場で真空ダクトのフランジ温度が100度近くになるため、熱膨張により真空リークが発生しやすい箇所である。今後1MWのビーム出力に向けて安定運転をしていくうえで、このような状況の改善は、保守時の被ばくを低減するという観点で必須である。残留放射線量低減を目的として遮蔽体を常設するために、入射点の真空容器の構造を改良する。フランジの発熱によるリークの問題は、フランジ材料を現在の純チタン2種(耐力:約220MPa)から高強度材料であるTi-6Al-4V(耐力:約920MPa)に変更することで、高トルクでの締め付けにも耐えうるようにする。本会では、これらのアップグレードの状況について報告する。

論文

Rigorous formulation of space charge wake function and impedance by solving the three-dimensional Poisson equation

菖蒲田 義博; Chin, Y. H.*

Scientific Reports (Internet), 8, p.12805_1 - 12805_19, 2018/08

 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

空間電荷効果の計算はビームを2次元にスライスして、2次元ポアソン方程式を解いて求めるのが一般的である。これは、最初から電磁場のビームの縦方向への漏れの効果を無視した近似を使っている。同様な近似は空間電荷効果のインピーダンスの表記でも適応しており、この手法に従う限り、この近似の正当性は理解できない。そこで、我々は3次元ポアソン方程式を解くことでこの近似の正当性を調べた。これによって、ビームの縦方向のrmsサイズがチェンバーの半径より十分長ければ、この近似が有効であること。また、この適応条件下で2次元のポアソン方程式を適応するには、縦方向に2倍のrmsサイズの5分の1以下にスライスする必要があることが明らかとなった。空間電荷効果の計算は、J-PARCの加速器運転で重要な役割を果たしており、これが正確にできないとビームロスの評価にも影響を与える。今回の研究によって、2次元ポアソン方程式を解いて空間電荷効果を求めるという従来の手法が、J-PARCの陽子ビームの挙動評価に関しては正当化されることが明らかになった。

論文

大強度陽子加速器施設J-PARCの真空技術

神谷 潤一郎

油空圧技術, 57(7), p.44 - 50, 2018/07

真空は加速器における基幹技術であるとともに、最新の加速器は次世代の真空技術の宝庫であると言える。特に大強度陽子加速器の運転において、ビームロスの低減、放射線による機器の損傷の軽減、および残留放射線量の抑制という各段階での課題を解決するためには、既存の真空技術の正確な選択と新しい真空技術の開発が重要となる。第一段階として、残留ガスでのビーム散乱や、ビームハローのビームダクトへの衝突といったビームロスの原因を減らすために、ビームライン超高真空の維持と大口径ビームダクトが要求される。第二段階として、発生した放射線による真空装置の劣化や装置の誤動作を防止するため、耐放射線性能を有する真空装置や放射線の影響を最小限にするシステムの構築が必要となる。第三段階として、高エネルギー陽子や二次粒子による放射化を最小限にするために、低い残留放射線性能の材料による真空装置の製作が必要である。本原稿では、世界最高峰のビーム出力を有するJ-PARCを例に、高放射線下の真空技術について解説することを目的とする。

論文

Target test facility for ADS and cross-section experiment in J-PARC

明午 伸一郎; 岩元 大樹; 松田 洋樹; 武井 早憲

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012072_1 - 012072_4, 2018/06

J-PARCセンターで進めている核変換実験施設(TEF)では、加速器駆動システム(ADS)のためのターゲット開発を行うためにADSターゲット試験施設(TEF-T)及び未臨界炉心の物理的特性等を探索するための核変換物理実験施設(TEF-P)の建設を計画している。本セクションでは、TEF-Tの核設計評価、陽子ビーム輸送系及び付帯設備の検討を進めており、これらの現状については報告を行う。また、本セクションではTEF-Pへ10W以下となる微弱なビームを安定に供給するために、TEF-Tに入射する大強度の負水素ビームにレーザーを照射しレーザー荷電変換によるビーム取り出し法の技術開発を行っており、この現状について報告する。更に、施設の更なる安全のために、J-PARC加速器施設を用いて核反応断面積測定や弾き出し損傷(DPA)断面積の測定を行う予定としており、これらの現状についても報告する。

論文

Recent status of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; Saha, P. K.

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1045 - 1047, 2018/06

J-PARC 3GeVシンクロトロンは現在500kWの陽子ビームを物質生命科学実験施設に、また750kW相当の粒子数の陽子ビームを主リングシンクロトロンに向けて供給している。J-PARCのような大強度加速器では、わずか0.1%のビームロスでも非常に大きな機器の放射化を引き起こし、トラブルが発生する。そのため、大強度出力での安定な運転を目指し、3GeVシンクロトロンではビーム調整を行い、その結果を基に改善を進めている。近二年では、六極電磁石および補正四極電磁石の改修により、ビーム軌道の不安定化を抑制し、より小さなエミッタンスのビームを主リングに向けて供給できるようになった。また機器の放射化も低い状態を維持したまま運転を継続しており、作業者の被ばくも非常に少なく抑えることに成功している。

論文

Measurement of displacement cross-section for structural materials in High-Power Proton Accelerator Facility

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 岩元 大樹; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 吉田 誠*; 石田 卓*; 牧村 俊助*; 中本 建志*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.499 - 501, 2018/06

核変換システム等のハドロン加速器施設では、ビーム出力の上昇に伴いターゲット材料に対する損傷の評価が重要となる。加速器施設で用いられているターゲット材料等の損傷は、原子あたりの弾き出し損傷(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し損傷断面積に粒子束を乗ずることで評価されている。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する損傷断面積の実験データは数点しかなく十分でない。最近の研究において、タングステンの弾き出し損傷断面積が計算モデル間で約8倍異なることが報告されており、ターゲット材料の損傷評価のためには弾き出し損傷断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARC加速器施設の3GeVシンクロトロン加速器施設を用い、弾き出し損傷断面積の測定実験を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機(GM冷凍機)で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。本発表では、銅に3GeV陽子を入射する場合の弾き出し損傷断面積の測定結果を速報として報告する。

論文

Large-aperture alumina ceramics beam pipes with titanium bellows for the rapid cycling synchrotron at Japan Proton Accelerator Research Complex

神谷 潤一郎; 金正 倫計; 阿部 和彦*; 比嘉 究作*; 小泉 欧児*

Journal of Vacuum Science and Technology A, 36(3), p.03E106_1 - 03E106_10, 2018/05

 パーセンタイル:100(Materials Science, Coatings & Films)

J-PARC RCS入射部における懸案事項は、装置が密集しているため保守作業を円滑にするうえで理想的な箇所にベローズが配置できていないことであった。具体的には四極電磁石用と水平シフトバンプ電磁石用のセラミックスビームパイプどうしがフランジを介して接続されている。我々はRCS真空システムの構築を通じて得た、セラミックスビームパイプおよびチタン製低反力ベローズの知見を活用し、セラミックスの形状を改良して長手方向に空間を作り、そこへベローズを挿入するという新しい構造のビームパイプの製作を行うこととした。シフトバンプ電磁石用セラミックスビームパイプについては、フランジ温度がコイルからの漏えい磁場による発熱で、現状で120度にもなっているためこれ以上短くするのは望ましくないことから、四極電磁石用セラミックスビームパイプに対してベローズを有する構造を適用することとした。本報告では保守性を向上させるためにベローズを有する構造へ改良した大口径アルミナセラミックスビームパイプの開発について、設計思想、課題、および各コンポーネントの検証について発表する。

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