Study of the lifetime for charge stripper foils in the 3-GeV RCS of J-PARC

J-PARC、3GeVシンクロトロンにおける荷電変換フォイルの寿命評価研究

吉本 政弘  ; Saha, P. K.   ; 金正 倫計  ; 田口 富嗣*; 山本 春也*; 菅井 勲*; 山崎 良雄 

Yoshimoto, Masahiro; Saha, P. K.; Kinsho, Michikazu; Taguchi, Tomitsugu*; Yamamoto, Shunya*; Sugai, Isao*; Yamazaki, Yoshio

RCSの荷電変換フォイルとして、我々はアーク放電法で製造されるハイブリッド型のホウ素ドープカーボンフォイル(HBC)を使用しており、これまで500kWまで高強度のビーム利用には十分な耐性を有している事を確認している。さらに、最近TASC(単層カーボンナノチューブ技術研究協会)で開発された多層グラフェンシート(GS)を、ビーム利用の荷電変換フォイルとして試用し、200kWビームの状態で半年間の連続運転でも破損せず使用できた。さらなる高強度ビーム照射下での寿命を予測することは、今後の1MWのビーム運転の安定化に向け非常に重要である。そのため、我々は量子科学技術研究開発機構高崎のTIARAを用いたオフラインでのフォイル試験結果から400MeVビーム運転のためのフォイル寿命を推定すべく評価方法を検討してきた。そこで、各々のビーム照射の影響を物質へ与える損傷度合いを表すDPA(Displacement Per Atom)をPHITSコードで算出し、TIARAの試験結果から、実際のビーム利用運転のフォイル損傷を推測するとともに、利用運転後のフォイルの形状変化と比較してみた。これらの評価法は、フォイルに対する寿命を推測する手段として有効と考える。しかし、PHITSでは結晶構造の違いを考慮できない。そこで結晶構造の違うHBCとGSの照射によるラマンスペクトル変化を比べてみた。現段階では、結晶構造が違うフォイルの寿命評価までには至っていないが、観測しうる変化量として重要な情報が得られた。

For a charge stripper foil in the RCS, we applied a Hybrid type Boron-doped Carbon foil which is produced with the arc-discharge method. Actually it has enough toughness to stand high-intensity beam operation less than 500kW. Recently a graphite foil developed by TASC in Japan was also tried to adopt as the stripping foil for the beam operation in J-PARC, and it had good performance in the condition of 200kW beam operation. It is very important toward 1MW beam operation to predict the lifetime of foils. Now we cannot estimate the lifetime of these foils for the 400MeV beam operation from the results of offline foils study. In order to evaluate the lifetime of foils quantitatively, we started to obtain Raman spectra of foils irradiated each ion such as H, He and Ar in energy of different energy such as 350keV, 2 and 3 MeV. We will try to predict the lifetime of foils by estimating peaks' shifts of Raman spectra as an indicator corresponding to DPA(Displacement Per Atom) by PHITS code.