Heat loading of MeV accelerator grids during long pulse beam operation

MeV級加速器の長パルスビーム運転での電極熱負荷

梅田 尚孝; 水野 貴敏; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 江里 幸一郎; 戸張 博之; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 井上 多加志

Umeda, Naotaka; Mizuno, Takatoshi; Taniguchi, Masaki; Kashiwagi, Mieko; Ezato, Koichiro; Tobari, Hiroyuki; Dairaku, Masayuki; Watanabe, Kazuhiro; Sakamoto, Keishi; Inoue, Takashi

原子力機構では、MeV級加速器においてITER級水素負イオンビームの長パルス加速試験を行っている。試験後の電極孔周囲には偏向した負イオンビーム及び負イオンから剥離した電子や電極から発生した2次電子等の衝突による溶融が見られ、高パワー・長パルスビーム加速のためには、ビーム偏向を補正するとともに電極の冷却性能向上が必要である。本研究では、3次元非定常熱解析により新電極の設計を行った。熱解析の結果、高パワービーム加速時には電極表面温度は数秒で融点(1084C)を越え得ることが判明した。この対策として、従来、電極裏面にロー付けされていた冷却配管に代え、ガンドリルで直接電極孔間に冷却流路を設けることとした。その結果、電極表面温度上昇を低減するとともに、スペースの制約により14mmに制限されていた電極孔径を16mmに増加することができ、負イオン衝突による熱負荷の低減も可能となった。熱解析の結果、新電極では前回の電極に比べて大幅に温度上昇が抑制され、次回の試験ではさらなる高パワー・長パルス加速実現の見通しが得られた。

Long pulse acceleration of ITER class H ion beam has carried out at MeV accelerator. Melts of the acceleration grids were found around grid apertures. To accelerate higher power beam, compensation of the beam deflection and design of a new grid which has high cooling performance is required. In this study, 3D thermal transport analysis was carried out and a new acceleration grid was designed. From the analysis, it was found that the grid temperature exceeded the melting point in a few seconds. To overcome this problem, a new acceleration grid was designed whose cooling channel was drilled near upper surface. This countermeasure is effective not only to reduce the temperature rise but to enlarge the aperture size from 14 mm to 16 mm. From the result of heat analysis, temperature rise of the new grid is greatly reduced than that of the previous grid. It is expected that higher power and longer pulse beam would be accelerated at next test campaign.