Analysis of J-HBC stripper foil for the J-PARC RCS

J-PARC RCSのためのJ-HBCフォイルの分析

吉本 政弘  ; 仲野谷 孝充  ; 山崎 良雄 ; Saha, P. K.   ; 金正 倫計  ; 山本 春也*; 岡崎 宏之*; 田口 富嗣*; 山田 尚人*; 山縣 諒平*

Yoshimoto, Masahiro; Nakanoya, Takamitsu; Yamazaki, Yoshio; Saha, P. K.; Kinsho, Michikazu; Yamamoto, Shunya*; Okazaki, Hiroyuki*; Taguchi, Tomitsugu*; Yamada, Naoto*; Yamagata, Ryohei*

荷電変換フォイルを用いたHビーム多重入射方式はMW級の大強度陽子ビームを実現するための重要な技術である。大強度陽子加速器施設(Japan Proton Accelerator Research Complex: J-PARC)3GeVシンクロトロン加速器(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発され耐ビーム寿命が大幅に更新した、ホウ素添付炭素薄(Hybrid type Boron-doped Carbon: HBC)フォイルを採用している。これまで、RCSの利用運転時に使用しており、大強度ビーム照射に対して優れた長寿命性能を有することを確認した。HBCフォイルの性能評価のために、RCSにおいて長期間照射に対する形状観察や荷電変換効率測定を実施してきた。また量子科学技術研究機構(Quantum and Radiological Science and Technology: QST)高崎量子応用研究所(高崎研)のイオン加速器(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application: TIARA)においてイオンビーム照射試験を実施し、組成分析や不純物同定などの物性解析や電子顕微鏡によるミクロ観察を行ってきた。その結果、フォイル破損に至るメカニズムとして、照射欠陥による密度変化とピンホールの成長、温度上昇にともなうガス化などが重要な鍵ではないかとの兆候を得た。近年、HBCフォイルの蒸着装置をJAEA東海サイトに移設し、フォイル製作を開始した。(以降のフォイルをJ-HBCフォイルと称する。)J-HBCフォイルの性能評価をこれまで同様にQST高崎研のTIARAで実施してきた。さらに、蒸着パラメータを変えてHBCフォイルの耐ビーム性能について試験を行った。その結果、これまで重要なパラメータと考えられていたカソード・アノード電極の消費比率よりも、ボロンの混入率がより重要なパラメータであることが分かった。

The multi-turn charge-exchange H beam injection scheme with stripper foils is one of the key techniques to achieve a MW-class high power proton beam. The J-PARC RCS adopts Hybrid type Boron-doped Carbon (HBC) stripper foil, which was developed in KEK to improve the lifetime. Indeed, the RCS user operation confirmed that HBC foil has the great advantage of a longer lifetime against high beam irradiation. To examine characteristics of the HBC foils, various beam studies were performed, such as the stripping efficiency measurement and long-term observation with an H beam in the J-PARC RCS, foil analysis using RBS, EDR and PIXE methods, and SEM and TEM observation after the ion beam irradiation in Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application (TIARA) on National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST). Recently, the deposition apparatus for the HBC foils from the KEK Tsukuba-site was relocated to the JAEA Tokai-site, and we started fabrication of new HBC foil in 2017. (The new one fabricated in JAEA we call J-HBC foil.) And, we continue investigations in TIARA with the J-HBC foils. Furthermore, in-depth researches by changing the process parameters of the foil deposition are carried on. Recent results suggest that the amount of the boron doped in the foil is more important parameter than the ratio of the discharge amount of carbon from cathode and anode electrodes. In this presentation, we will report the details of recent analysis of the J-HBC foil.