Development of the charge exchange type beam scraper system at the J-PARC

J-PARCにおける荷電変換型スクレーパシステムの開発

岡部 晃大  ; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Okabe, Kota; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

J-PARC 3-GeV RCSにおいて、ビーム入射部の放射化を抑制するためには、入射ビームのクオリティを向上させる必要がある。我々はRCS入射ビームのハロー部分を除去するため、炭素薄膜を用いた荷電変換型ビームハロー除去システム(スクレーパ)を開発した。本機器の開発にあたり、荷電変換膜による多重散乱効果に起因するスクレーパ周辺部の放射化対策が課題となる。スクレーパ周辺部の放射化を最小化する荷電変換膜厚を特定するため、炭素薄膜による荷電変換効率の算出、及び、荷電変換された粒子の現実的な軌道シミュレーションを行い、炭素薄膜の膜厚を520g/cmに決定した。検討結果をもとに荷電変換型スクレーパシステムを製作、RCS入射ビームラインに設置した。新設したスクレーパシステムの性能評価試験の結果、RCS入射ビームのハロー部を想定通りに除去できることを確認した。また、ビーム利用運転時におけるスクレーパシステム使用後の残留線量は、保守作業に影響の無いレベルまで抑制できていることも確認した。本研究開発により、世界初となる荷電変換型スクレーパシステムの実用化に成功した。

Improvement in injection beam quality at the J-PARC 3-GeV RCS is to mitigate beam loss at the injection section. We developed a charge-exchange type scraper system with a thin carbon foil to collimate the beam halo. The key issue to realize the scraper is a reduction of the beam loss induced by the multiple-scattering effect of charge-exchange foil. In order to determine the adequate foil thickness, a charge-exchange efficiency of a carbon foil and particle-tracking simulation study of the collimated beam have been performed. Using the results of this study, we chose the thickness of a 520 g/cm as the scraper foils and a charge-exchange scraper system was build. From the result of a preliminary beam experiments, we confirmed that the installed scrapers eliminate a transverse beam halo. After two days of operation with beam collimation, the radiation dose level around the scraper section was a tolerable one for the hands-on maintenance.