2021 Fiscal Year Research-status Report
垂直軌道変位固定磁場加速器VFFAの原理検証機用電磁石の開発
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21K12538
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
有馬 秀彦 九州大学, 工学研究院, 助教 (20253495)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 垂直軌道変位固定磁場加速器 / 電磁石 / 電子源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
将来の大強度・高エネルギー加速器の候補の一つとして現在検討中の新方式円形加速器では、加速に伴い周回ビーム軌道が垂直方向に変位する「垂直軌道変位固定磁場加速器(VFFA)」の実用化が不可欠である。しかしながら、未だVFFAの原理検証機の開発例はない。そこで、VFFA原理検証機としての小型電子VFFA開発に向けて、垂直方向に特殊な磁場分布を有する電磁石から構成されるビーム集束系を設計開発し、VFFAを利用した新方式加速器実現のための諸データ取得を目指す。本研究課題では、開発例のないVFFAの原理検証機実現に向け、集束系電磁石の設計開発および性能評価等を主な研究目的とした。VFFA原理検証機として直径約2mの数十keV電子モデルを想定している。先行研究での結果をふまえ、VFFA原理検証機用集束系電磁石の設計研究を行った。電磁石設計のための計算機、一部の電磁石用電源、真空排気系、測定機器等は研究代表者所属機関の物品を使用した。特殊な磁場分布を生成するための多段コイルを使用した電磁石について、3次元磁場計算およびビーム軌道計算で得られた結果に基づき、試作した電磁石の仕様を一部変更した。VFFA原理検証機での粒子源として電子源の開発を行った。現有の電子銃を一部改造し、VFFA原理検証機の電子源として使用するための検討を行った。電子銃単体での予備実験としてWフィラメントの温度測定等を行い、フィラメント通電電流等、電子源の運転条件に関する知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
垂直軌道変位固定磁場加速器(VFFA)ではビーム軌道が加速に伴い垂直方向に移動していくVFFA特有の仕様を満たすために、集束系を構成する電磁石はビーム軸に垂直な方向に対して指数関数的に変化する特殊な磁場分布を有する必要がある。将来のVFFA実現に向け、開発中のVFFA原理検証機に不可欠な特殊な磁場分布を有する電磁石の設計開発指針を得ることを本研究課題の目的としている。本研究課題では、開発するVFFA集束系電磁石に多重コイルを使用して要求される磁場分布を得る方式を採用した。コイル段数や各コイルへの通電電流など動作条件についてビーム力学的観点から検討を行い、開発予定のVFFA原理検証機において安定なビーム周回のための集束系の仕様をほぼ決定することができた。世界的コロナ感染拡大に伴う物資供給不足のため、電磁石用電源や真空排気装置等、一部の物品について納期が大幅に遅れたため、それらの購入や製作などの一部を次年度に延期したが、装置の設計検討等予定されていた研究計画については概ね進展することができた。本研究課題において電磁石の性能評価に使用する粒子源として検討中の電子源については、現有の電子銃を一部改造することにより準備研究に必要な開発費などを削減できた。VFFA原理検証機で採用予定のビーム加速用高周波加速空洞の方式や仕様検討の一部についても電場シミュレーション等を行い、概ね進展することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
VFFA原理検証機において使用される特殊な磁場分布を有する電磁石開発のため、VFFA集束系の基本設計および3次元磁場計算コードにより詳細設計した電磁石の磁場分布を用いてビーム周回における軌道安定性を評価し、電磁石および関連機器を試作する。試作した電磁石の磁場分布測定結果により性能を評価する。得られた結果をもとに、VFFA集束系の安定なビーム周回を可能にするための集束系を製作する。電磁石の開発研究と並行して、電子源及びビーム入射系、真空機器の設計製作、垂直方向に移動するビーム挙動を把握するためのビーム診断系の設計開発も行う。製作した電磁石および真空機器等の周辺機器を使用してVFFA原理検証機開発のための試験装置を設置する。ビーム入射条件の最適化等を検討し、装置内でのビームの入射、ビーム周回などを実験的に確認する。研究の進捗状況によっては、ビーム加速に不可欠な加速空洞の設計や検討も行い、VFFAにおいて加速中のビームの垂直方向へのビーム変位を実験において確認する予定であり、本研究で得た成果によりVFFA原理検証機開発のための有用な指針を得る。将来の核変換処理やミュオン加速器実用化のための大強度高エネルギー加速器の展望についても検討する予定である。
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| Causes of Carryover |
本研究課題において主要な開発要素である電磁石の詳細仕様の決定および性能評価のための磁場測定に必要となる電源等の購入に対し、一部の研究材料や計測機器などの納期がコロナ感染拡大に伴う物資供給不足等のため本年度内に間に合わないことが判明した。研究成果報告のための学会への参加や、研究協力者との打ち合わせなどに関して旅費の支出を予定していたが、コロナ感染拡大防止の点から全てオンラインでの参加・実施となり、支出しなかった。次年度の予算執行については、設計製作したVFFA集束系電磁石の性能評価のための電源類や磁場測定装置に必要な物品の購入等を行う予定である。電子源についても前年度に引き続き開発研究を行い、電子ビームを使用したVFFA原理検証実験を目指す。
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