J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) was constructed in Ibaraki, Japan. It is a proton beam accelerator consisted with a linac and two synchrotrons. The synchrotrons are named as RCS (Rapid-Cycling Synchrotron) and MR (Main Ring).

J-PARC was designed to produce the world's most intensive proton beam and provide it to advanced research facilities for the wide range of field. T2K is one of the most important experiment. It requires 5×10(21) POT in approximately 5 years which corresponds to 0.75[MW]. To produce proton beam of this intensity, the enhancement of beam is necessary. There are three methods for the enhancement.

1. Increasing the energy of beam

2. Increasing the number of proton in the bunch

3. Increasing the repetition rate of the accelerator

The third method was accepted. This method requires the accelerating gradient to be enhanced, so that the accelerating cavity will be put in the hard environment to accelerate a large beam current in a long term. A powerful and stable accelerating cavity is indispensable.

The presently installed cavities in RCS and MR are loaded with toroidal cores made of FINEMET. FINEMET is a magnetic alloy which has characteristics listed below.

1. The permeability is high.

2. The saturation magnetic flux density is high.

3. The Curie temperature is high.

These characteristics are suited for the cavity in J-PARC. The cavity is a λ/4-wave coaxial type. It has three accelerating gaps and each gap has three FINEMET cores on both sides. A stable operation of the presently installed cavities in RCS has not established yet, because they have a problem that the FINEMET cores are damaged while the cavities are in operation. We are developing a new accelerating cavity which can be replaced with the presently installed RCS cavity in order to contribute the stabilization and enhancement for the performance of J-PARC ring accelerators.

1. The cores have a unique structure named core module.

・Each FINEMET core is radially separated into three. This structure helps to clearly differentiate between constructional materials and functional materials.

・These cores are not impregnated. The thermal stresses in the cores are relieved because the cores are soft.

2. A turbulent fluid is used to cool the cores.

・Fluorinert is used as the coolant. Fluorinert is a chemically inert liquid, so that it is suited for cooling FINEMET cores which is subject to corrosion. Fluorinert flows in the flow channel which is formed on the surfaces of the radially separated cores. The flow channel makes Fluorinert turbulent, so that a high cooling efficiency is realized.

The development of the new cavity has significances below.

1. It has a high degree of potential for solving the difficulty of the stabilization and the enhancement.

2. It can be a prototype of next-generation cavities.

We designed the RF structure of the cavity with HFSS and designed the flow channel with ANSYS CFX. HFSS is a simulation software tool for electronic design. ANSYS CFX is a computational fluid dynamics software. We assembled a prototype of the new cavity, and prepared the test facility. This is the first case to use three dimensional FEM (Finite Element Method) simulators for developing a cavity loaded with magnetic alloy cores. The process of this development is scientifically meaningful.

We carried out the performance test of the prototype cavity and measured several properties which are essential for an accelerating cavity.

1. The resonance frequency is 1.7[MHz].

2. The shunt impedance is 146[Ω].

3. The Q factor is 0.8.

Results of the measurement for the cooling efficiency are shown below.

1. The temperature on the surface of the core was measured with the thermo paint. The value was consistent to that was obtained from the simulation.

2. The effective heat transfer coefficient was obtained by measuring the time constant of the temperature decrement of Fluorinert, and the value was consistent to that was obtained from the simulation in 20%.

3. The heat transfer coefficient on the surface of the small core was obtained with the simulation. The value is consistent to that was calculated with the empirical equation. The value surpassed that of presently installed cavity over 60[L/min].

We supplied the power to the prototype cavity up to 10[kW], and it worked stably.

We accomplished following significant researches.

1. We revealed the cause of the buckling of the cores was the thermal stress in the cores. We showed the cores without impregnation is effective to avoid the buckling.

2. We assembled the prototype cavity and carried out the performance test. The results of the test satisfy the requirements of RCS so far.

The results of the researches support the feasibility of developing the new cavity.

This is the first development of the cavity loaded with magnetic alloy cores, which is able to be operated stably with the large input power of 10[kW] per core. Adopting this new cavity is the most realistic way to stabilize and enhance the performance of the J-PARC ring accelerators.

本論文は7章からなる。第1章は、イントロダクションであり本研究の主題となった、J-PARCの目的である、ニュートリノ物理の発見(θ(13),vμ→ve)と本研究の動機について述べられている。

第2章はJ-PARC加速器の全体構成の説明と夫々の加速器の役割分担と動作原理につて述べられている。また、本論文の主題であるRCS空胴のファインメットコア材料の物性特徴と短時間で発生するファイメットコア材料の座屈問題について述べられてし、る.

第3章、4章、5章は本論文の母体である。第3章では、空胴の基本材料(ファイメットコア)の基礎データ(熱伝導、機械的性質)の計算と実験を行い、実際の運転における高周波電力損失の計算、多層構造を有する材料の熱伝導の計算および座屈破壊試験を実施し実際に生じた問題の原因解明と、これらの値の定量化を行った。

第4章は、第3章の研究で定量化したファイメットコア材料の物性値を用いて、熱応力が発生してもファインメットコア材料が破壊に至らない、新しい構造の研究開発を行った。計算結果を実験で検証することを積み重ね、ここではファインメットコアを径方向に3分割することで、熱応力で座屈破壊しないことを突き止めた。また、実機運転においては、ファインメットコアの冷却構造は重要である。これについても、プロトタイプを設計し実験を行い、技術選と計算の妥当性を証明した。

第5章は実機大のモデル空胴によりJ-PARC相当の大電力試験を行なっている。3分割構造の高周波空胴は本研究において初めて提案されたものであり、空胴の性能を示す加速電界および高周波損失においても、現行機を上回る性能が証明されている。現行機のファインメツトコアの冷却冷媒は水で行われている。その為、鉄が主物質であるファインメットコアは容易に酸化してしまい、加速電界の経年劣化や座屈の原因となっている。本研究では、安定な不活性冷媒を比較検討し、その中から沸点150℃のフロリナートを技術選択し、冷却システムを実用化した。実機運転を目的とした空胴構造と周辺材料についても研究開発が行われ、現段階においては、既に実機によるビーム試験を待つレベルまで到達していることが証明された。

第6章、7章は本研究の総括、計算の詳細および参考文献についての記述である。

なお、本論文の研究は高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設の影山達也教授との2人による共同研究である。森田祐一氏は大電力高周波空胴の問題点の解決方法を証明し、更にはファイメットコアを3分割にする独自の方法を提案した。これにより、熱応力の問題は克服された。ファインメットコアの3分割は本研究が世界に先駆けて提案し、実用化したものである。また、研究開発の方法論は理論と実験を比較検討しながら、一段、一段積み上がられたものであり、全く正攻法と評価できる。論文提出者は主体となって計算、実験および検証をおこなったものであり、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。