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論文

Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet

明午 伸一郎; 大井 元貴; 藤森 寛*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(6), p.062802_1 - 062802_24, 2020/06

加速器駆動の核変換システム(ADS)や核破砕中性子源に用いられる陽子加速器のビーム出力増強につれ、ビーム窓や標的の損傷は深刻な問題となり、損傷緩和のためにビーム電流密度の均一化が重要となる。密度均一化のため比較的よく用いられるラスター磁石には、故障時のビーム集束の重大な問題がある。一方、非線形光学を用いたビーム平坦化にははビーム拡大の問題があることが指摘され、これまで非線形効果導入の八極磁石におけるビームの角度の広がりを無視したフィラメント近似模型による検討が行われた。フィラメント近似模型では、非線形収斂作用を適切に評価できないため、本研究では一般化した非線形モデルの適用により非線形ビーム光学における収斂および発散作用を詳細に検討した。正規化した八極強度$$ K^{*}_8 $$と位相進行$$phi$$における$$cotphi$$の2つのパラメータ導入により、非線形効果を特定な条件によらず一般化できることを明確にした。ビームのピーク密度低減と損失最小化という拮抗する問題の解決には、$$K^{*}_8 sim $$ 1および$$ cotphisim$$ 3とすることにより解決できることが判明した。J-PARCの陽子ビーム輸送系(3NBT)に本検討結果を適用し、核破砕中性子源の水銀標的入口のビーム形状の比較検討した結果、モデル計算によるビーム分布は実験データとよい一致を示し、線形光学においてピーク電流密度を約50%にできることを示した。

論文

Progress status in fabrication of HBC stripper foil for 3-GeV RCS at J-PARC in Tokai site

吉本 政弘; 山崎 良雄; 仲野谷 孝充; Saha, P. K.; 金正 倫計

EPJ Web of Conferences (Internet), 229, p.01001_1 - 01001_7, 2020/02

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ハイブリッドボロン添加カーボンフォイル(HBCフォイル)を用いた荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発されたHBC荷電変換フォイルはビーム照射に対する寿命を飛躍的に向上させることに成功した。これまで荷電変換フォイルの準備作業は、第1段階としてKEKつくばサイトでフォイルの蒸着作業を実施し、次に原子力機構(JAEA)東海サイトでフォイルの調整作業を実施するという2段階に分けて行ってきた。フォイル準備作業を効率的に進めるためには同一場所での作業が望ましく、そのためにHBCフォイル用の蒸着装置をつくばサイトから東海サイトに移設した。蒸着装置の修理及び再立ち上げを行った後に、製作したHBCフォイルの性能評価試験を高崎量子応用研究所TIARAにおいて実施した。Ar照射試験による寿命評価、RBS法を用いた組成分析、$$mu$$PIXEによる不純物評価の結果、これまでのHBCフォイルと同等の性能を有することを確認した。そして実際にRCSにおけるビーム照射試験を実施し、10日間の利用運転に問題なく使えることを実証した。

論文

Measurement of displacement cross section of structural materials utilized in the proton accelerator facilities with the kinematic energy above 400 MeV

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

JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.061004_1 - 061004_6, 2020/02

核変換システム等の陽子加速器施設では、標的や窓等の構造材に関する損傷の評価が重要となる。構造材の損傷評価には、原子あたりの弾き出し数(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断面積に粒子束を乗ずることで得られる。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弾き出し断面積の実験データは十分でなく、計算モデル間で約8倍異なることが報告されており構造材の弾き出し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センターの3GeV陽子加速器施設を用い、400MeV以上のエネルギー範囲の陽子の弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し損傷断面積は、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。実験で得られた断面積とPHITSコードに一般的に用いられるNRTモデルを用いて計算した結果、計算は実験を3倍程度過大評価を示した。一方、Nordlund等による最新モデルの結果は実験をよく再現し、これまでのNRTモデルに基づく標的等の弾き出し損傷は過大評価していることが明らかになった。

論文

Evaluation of 2-D transverse beam profile monitor using gas sheet at J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 岡部 晃大; 金正 倫計; 守屋 克洋; 山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; Wada, K.*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012149_1 - 012149_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

チタン製真空ダクト表面にゲッター作用を持たせるため、導入したガスをイオン化させスパッタリングによりチタン表面の酸化膜を除去する手法の開発を行っている。本手法では、スリットからガスを導入することで、少ないガス量で局所的に均一かつ高いガス密度のシート状の分布を生成ができ、周辺の圧力上昇を抑えたうえで効率の良いスパッタリングを行うことができる。今回、スリットによって生成されたガス密度分布をモンテカルロシミュレーションコードによって計算し、評価した。その結果、ガス密度分布の三次元的な分布の情報を得ることができ、両方向からのガス導入がガス密度分布の均一化に対して有効であることが定量的にわかった。さらに本手法をシート状ガスとビームとの相互作用により発生するイオンを検出する非破壊型ビームプロファイルモニターに適用した。本モニターにおいて、ビームプロファイルの注入ガス量に対する依存性を調査し、少量の注入ガス量での測定が不飽和かつS/N比が高い状況でビームプロファイル測定するために重要であることが分かった。

論文

Upgrade of the 3-MeV linac for testing of accelerator components at J-PARC

近藤 恭弘; 平野 耕一郎; 伊藤 崇; 菊澤 信宏; 北村 遼; 森下 卓俊; 小栗 英知; 大越 清紀; 篠崎 信一; 神藤 勝啓; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012077_1 - 012077_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC加速器の要素技術試験に必要な3MeV H$$^{-}$$リニアックを高度化した。イオン源にはJ-PARCリニアックと同じものを用い、RFQは、J-PARCリニアックで2014年まで使用した30mA RFQに代わり新たに製作した50mA RFQを設置した。したがって、このシステムはエネルギー3MeV、ビーム電流50mAとなる。このリニアックの本来の目的は、このRFQの試験であるが、J-PARC加速器の運転維持に必要な様々な機器の試験を行うことができる。加速器は既に試運転が終了しており、測定プログラムが開始されつつある。この論文では、この3MeV加速器の現状について報告する。

論文

Longitudinal measurements and beam tuning in the J-PARC linac MEBT1

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 宮尾 智章*; Liu, Y.*; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 三浦 昭彦; 小栗 英知

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012078_1 - 012078_5, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARCリニアックは2018年から設計ピーク電流である50mAでの運転を行っている。このような大電流においては、とくに低エネルギー領域での縦横両方向のビームの特性を理解することが重要である。3MeV RFQと50MeV DTLの間の長さ3mのMEBTは、RFQ-DTL間のビーム整合やRCS入射ビームの中間構造を作る非常に重要なセクションである。この論文では、MEBTの最近の測定とビーム調整について報告する。

論文

Development of inter-digital H-mode drift-tube linac prototype with alternative phase focusing for a muon linac in the J-PARC muon g-2/EDM experiment

中沢 雄河*; 飯沼 裕美*; 岩田 佳之*; 岩下 芳久*; 大谷 将士*; 河村 成肇*; 三部 勉*; 山崎 高幸*; 吉田 光宏*; 北村 遼; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012054_1 - 012054_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC E34実験用の交差櫛形Hモードドリフトチューブリニアック(IH-DTL)を開発している。このIH-DTLはミューオンを0.34MeVから4.5MeVまで加速周波数324MHzで加速する。さらに、交換収束法を用いるため、横方向の収束が電場のみでなされ、磁場収束に比べて収束力が弱い。そのため、入射マッチングが重要になる。そのためプロトタイプを製作し、ビーム特性を検証する計画である。この論文では、IH-DTLプロトタイプのためのチューナーやカップラーの開発、特に低電力測定結果について述べる。

論文

Negative muonium ion production with a C12A7 electride film

大谷 将士*; 深尾 祥紀*; 二ツ川 健太*; 河村 成肇*; 的場 史郎*; 三部 勉*; 三宅 康宏*; 下村 浩一郎*; 山崎 高幸*; 長谷川 和男; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012067_1 - 012067_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

負ミューオニウムはそのユニークな性質から様々な科学の分野で応用される可能性がある。1980年代に真空中で初めて生成されて以来、仕事関数の低い物質を用いて負ミューオニウム生成効率を高めることが議論されてきた。アルミナセメントの構成物質であるC12A7は良く知られた絶縁体であるが、電子をドープすることで導体として振舞うことが近年発見された。このC12A7エレクトライドは2.9eVという比較的低い仕事関数を持ち、負イオン生成効率を示すと期待されている。本論文では、従来用いていたアルミニウム、C12A7エレクトライド、さらにステンレスターゲット用いた負ミューオニウムイオン生成効率の比較について述べる。測定された生成率は10$$^{-3}$$/sであり、現状セットアップではエレクトライドにおいても大きな生成率向上は確認されず、表面状態をより注意深く整える必要であることが推定される。また、生成された負ミューオニウムの平均エネルギーに材質依存はなく、0.2$$pm$$0.1keVであった。

論文

Disk and washer coupled cavity linac design and cold-model for muon linac

大谷 将士*; 二ツ川 健太*; 三部 勉*; 内藤 富士雄*; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 北村 遼; 近藤 恭弘; 森下 卓俊; 飯沼 裕美*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012097_1 - 012097_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

ミューオン異常磁気モーメント測定および電気双極子モーメント探索実験用ミューオンリニアックの中エネルギー部用ディスクアンドワッシャ型(DAW)結合空洞リニアック(CCL)を開発している。このリニアックは、ミューオンを$$beta$$=0.3から0.7まで、加速周波数1.3Hzで加速する。本論文では、DAW CCLの空洞設計, ビーム力学設計、および空洞低電力モデルの測定結果について述べる。ビーム力学設計においては透過率100%で加速できる設計を行うことができ、問題となるようなエミッタンス増大もシミュレーションでは見られなかった。空洞設計においては、$$beta$$=0.3, 0.4, 0.5, 0.6用のセル設計を行った。コールドモデルの測定では、0.1%の精度で設計値の1.3GHzと一致していることが確認できた。

論文

VSWR adjustment for ACS cavity in J-PARC linac

田村 潤; 近藤 恭弘; 森下 卓俊; 内藤 富士雄*; 大谷 将士*; 根本 康雄*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012080_1 - 012080_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARCリニアックでは、環結合型(ACS)空洞によって負水素イオンビームを190MeVから400MeVまで加速している。そのACS空洞の中で最後段の加速空洞であるACS21空洞は、他の空洞に比べて大きなVSWR(空洞反射率)を持っている。この空洞反射率を目標値まで下げるために、専用の容量性アイリスを備えた矩形導波管を設計・製作した。2018年の夏期メンテナンス期間を利用し、製作した専用の矩形導波管をACS21空洞に設置した。これにより、ACS21加速空洞の反射率を目標値まで低減し、設計加速ビーム電流値である50mA加速時に極めて反射率の小さい運転を実現できるようになった。

論文

New design of vacuum chambers for radiation shield installation at beam injection area of J-PARC RCS

神谷 潤一郎; 古徳 博文; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 山本 風海; 柳橋 亨*; 堀野 光喜*; 三木 信晴*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012172_1 - 012172_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)における一つの課題はビーム入射部における高放射線レベルである。これはビームが荷電変換膜により散乱され、周辺機器が放射化されることが原因である。入射部での作業時の被ばくを低減するために放射線遮蔽体が必要であるが、現在の入射部では遮蔽体を設置する場所が非常に限られている。そのため、ビーム入射点のチタン製真空容器および周辺のシフトバンプ電磁石, セラミックス製ビームパイプを新しく設計し、有効な遮蔽体が設置できる空間を確保する検討を進めている。ビーム入射点の真空容器は断面を円型から矩形へ変更し、ビーム方向の長さを長くする設計とした。大気圧による真空容器の内部応力解析を行い、材料強度に対して十分に低い応力であることを明らかにした。セラミックスビームパイプは、抵抗を有したRFシールドを設置することでパルス磁場による誘起電圧をダンピングできる設計とした。これにより、新しい入射部の系では非対称となるバンプ電磁石による誘起電圧のビームへの悪影響を取り除くことができる。本報告では入射部遮蔽体設置に関わるこれらの真空機器の改造について発表する。

論文

Coupling impedance of the collimator without RF-Shields at the RCS in J-PARC

菖蒲田 義博; 岡部 晃大; 神谷 潤一郎; 守屋 克洋

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012113_1 - 012113_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

大強度を目指す加速器では、電子雲と電磁場によるビームの不安定化を防ぐことが重要である。そのため、加速器の真空容器の表面にある穴はすべてTiNの薄膜を付着させたRFシールドで塞ぐのが一般的である。TiNは電子雲を抑制するために、RFシールドは電磁場を抑えるため利用される。しかし、真空中でコリメータの穴をTiNの薄膜を付着させたRFシールドで塞ぐと、RFシールドそのものが機械的に壊れてしまうことがわかった。それは、真空中でTiNの摩擦係数が増大するためである。そこで、我々はコリメータの穴がビーム長に比べて十分短いことに注目し、RFシールドをコリメータから外すことにした。そして、シミュレーションによる計算とネットワークアナライザーによるS行列の測定で、新たに誘起される電磁場の影響を確かめることにした。結果、電磁場のビームに与える影響が無視できることがわかり、実際の運転でそれが可能であることが確認された。

論文

Development of a beam window protection system for the J-PARC Linac

高橋 博樹; 畠山 衆一郎; 澤邊 祐希; 宮尾 智章*; 石山 達也*; 鈴木 隆洋*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012142_1 - 012142_5, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC Linacのビーム調整およびスタディーにおいて使用されるビームダンプ上流には、高真空部との仕切りとなるビーム窓(材質Ni、厚さ0.38mm、鏡板状)が設置されている。ビーム窓が許容できるビームは定格の約1/50以下であり、この許容値を超えないようにする必要がある。しかしながら、2018年のビームスタディーにおいて、人為的なミスにより許容値を超えるビームとなったため、0度ダンプのビーム窓が破損してしまった。これにより、ビーム窓を機械的に保護することの必要性が明らかとなった。そこで、既存の1時間当たりのビーム量を監視するシステムをベースとして、新たに1ショットのビームおよび1秒間のビーム量を監視しするシステムを開発した。そして、短時間(1ショットおよび1秒間)のビームを監視し、ビーム窓を保護するシステムの実装に短期間で成功した。また、実ビームを用いた試験により、開発した保護システムが十分な要求性能を有していることを確認した。

論文

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

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Nuclear)

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$$pi$$ mm mrad、ビーム方向エミッタンス0.11$$pi$$ 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。

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:0 パーセンタイル:100

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

Beam commissioning of muon beamline using negative hydrogen ions generated by ultraviolet light

中沢 雄河*; Bae, S.*; Choi, H.*; Choi, S.*; 飯嶋 徹*; 飯沼 裕美*; 河村 成肇*; 北村 遼; Kim, B.*; Ko, H. S.*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 937, p.164 - 167, 2019/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:43.43(Instruments & Instrumentation)

再加速された熱ミューオンビームを用いたミューオンの異常磁気モーメント及び電気双極子モーメント精密測定実験用のミューオンリニアックを開発中である。このリニアックのためのUV光駆動の負水素イオン源を開発した。ミューオン加速実験の前にこのイオン源を用いたビームラインの調整を行った。加速ミューオンの分別に必要な偏向電磁石の磁場強度を負水素ビームを用いて確認することができた。このイオン源はミューオンビームラインのコミッショニングに広く用いることができる。

論文

大強度陽子加速器真空システムにおける主排気ポンプとしてのターボ分子ポンプの実績

神谷 潤一郎; 金正 倫計; 荻原 徳男*; 桜井 充*; 馬渕 拓也*; 和田 薫*

Vacuum and Surface Science, 62(8), p.476 - 485, 2019/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)は1MW出力の陽子ビームの安定供給を目標とした加速器である。RCSではビームが残留ガスにより散乱されてロスをすることを防ぐために、ビームラインを超高真空に維持することが必要であるが、各種原因による多量の放出ガスのため超高真空達成は困難な課題である。これらの対策として、我々はターボ分子ポンプが低真空領域から超高真空領域まで大きな排気速度を維持できることに着目しRCSの主排気ポンプとして選定した。本発表ではこれまで約10年間の加速器運転で得たターボ分子ポンプの運転実績およびトラブルと解決策について総括的に発表する。また、さらなる安定化とビームロス低減のために極高真空領域に及ぶより低い圧力を達成する必要があるが、そのために現在行っているターボ分子ポンプとNEGポンプの組み合わせの評価試験結果、ならびに超高強度材ローターの採用により実現した形状を変えずに排気速度を向上できるターボ分子ポンプの高度化について述べる。

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 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 RCSのインターロック発報時のビームモニタデータ解析

林 直樹; 吉本 政弘; 守屋 克洋; 畠山 衆一郎*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1096 - 1100, 2019/07

ビームロス、及びその要因を詳しく理解することは、加速器の安定運転のため必要である。繰返し25Hzで運転するJ-PARC RCSは、これまでも全パルスについて、10ms間隔でビーム強度、ビームロスについて記録してきた。加えてインターロック発報時に、より詳細な波形やバンチ毎のビーム位置を記録するシステムを整備した。これらの成果の一例として、RCS単独のビームロスモニタによるインターロック事象でも、実はリニアック・イオン源に関連があることが分かってきた。本報告では、この例を初め、その他のインターロック発報時のビームモニタデータを紹介し、一層の安定運転に向け、今後の取り得る対応について述べる。

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