高出力水銀ターゲットの開発; マイクロバブルによる圧力波の抑制

Development of high power mercury target; Pressure wave mitigation by micro-bubbles

羽賀 勝洋  

Haga, Katsuhiro

J-PARCの中性子源施設では、世界最高強度の中性子性能を目指すうえで、大強度陽子線が水銀標的に入射したときに発生する圧力波に対する構造健全性をいかに保つかが最重要課題である。これまでの研究により、水銀標的で半径数十数百ミクロンの微小気泡を水銀にわずかに混合させることにより、水銀中の衝撃波をクッションのように受け止め、圧力波の衝撃力を低減できることがわかっている。そこで、新たに気泡生成器の研究・開発を進めた結果、これまで困難と考えられていた水銀中での微小気泡生成を可能とするスワール型気泡生成器の開発に成功し、これを内蔵した水銀ターゲットを製作した。また、最先端マイクロ加工技術を駆使し、光が入射方向に反射する再帰性ミラーを製作して水銀標的に設置し、レーザー光によるその場衝撃応答計測を可能とした。これらの成果により、実機水銀標的の運転状態において、世界で初めて微小気泡注入による圧力波の低減効果を実証するとともに、300kWの高出力運転と世界最大強度の中性子発生を達成した。

In the neutron source facility of J-PARC, protecting the structural integrity of the mercury target against the pressure wave attack which is generated by the injection of the high power proton beam is the most important issue to achieve the world strongest neutron beam. Previous off-line studies have shown that the impact force of pressure waves can be reduced using the cushioning effect of dispersed He micro-bubbles whose sizes are several hundred microns. Then, we developed swirl-type bubbler which can generate micro-bubbles in mercury, and fabricated the mercury target with the bubbler mouted in it. Also, by utilizing the advanced technique of micro machinning, we developed the reflective mirror and mouted it on the mercury target, which enabled the monitoring of target vibration by laser beam. As a result, the pressure wave mitigation effect by micro-bubbles injection was demonstrated in the operating mercury target for the first time in the world, and the 300 kW beam operation and the world strongest neutron beam generation were attained.