Current status of pulsed spallation neutron source of J-PARC

J-PARCパルス核破砕中性子源の現状

高田 弘   

Takada, Hiroshi

大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス核破砕中性子源は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、ビーム強度1MWの陽子ビームで生成した中性子ビームを中性子実験装置で利用し、物質科学の多様な先端的研究を推進することを目的としている。2015年には、1MW相当の陽子ビームパルスを初めて入射し、また、利用運転のビーム強度を500kWに上げた。この中性子源の減速材システムは最適化設計により、(1)濃度100%のパラ水素を使用して高いピーク強度かつ幅の狭いパルス中性子ビームをつくる、(2)直径14cm、長さ12cmの円筒形状を採用し、高強度の中性子を50.8の広角度範囲に取り出すことができる、(3)Ag-In-Cd合金による中性子吸収材を使用し、幅が狭く減衰の早いパルス中性子が得られる。これにより、世界最高強度のパルス中性子ビームを供給する性能を有している。現在、1MWで年間に5000時間の運転を行うという目標に向けて、水銀標的容器前部で生じるキャビテーション損傷を、微小気泡を注入して抑制する技術開発を実施中である。また、2015年に500kWのビーム強度で運転中、水銀標的の水冷保護容器が2回不具合を起こしたため、標的容器構造の設計改良に取り組んでいる。

A pulsed spallation neutron source of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) is aimed at promoting a variety of cutting-edge materials researches at state-of-the-art neutron instruments with neutrons generated by a 3-GeV proton beam with a power of 1-MW at a repetition rate of 25 Hz. In 2015, for the first time it received 1-MW equivalent proton beam pulse, and the beam power for user program was ramped up to 500 kW. The moderator system of the neutron source was optimized to use (1) 100% para-hydrogen for increasing pulse peak intensity with decreasing pulse tail, (2) cylindrical shape with 14 cm diam. 12 cm long for providing high intensity neutrons to wide neutron extraction angles of 50.8 degrees, (3) neutron absorber made from Ag-In-Cd alloy to make pulse widths narrower and pulse tails lower. As a result, it gives highest intensity pulsed neutrons per incident proton in the world. Towards the goal to achieve the target operation at 1-MW for 5000 h in a year, efforts to mitigate cavitation damages at the target vessel front with injecting gas micro-bubbles into the mercury target are under way. Also, improvement of structural target vessel design is an urgent issue since there was failure twice at the water shroud of the mercury target due to the thermal stress during operating periods at 500 kW in 2015.