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J-PARC RCSにおけるビーム損失による放射化と残留線量分布測定

Measurement of residual dose distribution and activation due to beam losses in J-PARC RCS

吉本 政弘  ; 竹田 修; 原田 寛之  ; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Yoshimoto, Masahiro; Takeda, Osamu; Harada, Hiroyuki; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

大強度陽子加速器においてMW級の大強度ビームを実現するための大きな課題の一つがビーム損失による機器放射化の抑制である。J-PARC RCSでは、リングコリメータによるビーム損失の局所化を実現させることで、それ以外の機器の放射化を抑制している。しかし、詳細な残留線量測定の結果、荷電変換フォイルの周辺に非常に強い残留線量があることが分かった。PHITSシミュレーションの結果は、この強い放射化の原因が荷電変換方式ビーム多重入射時に、入射ビーム及び周回ビームが荷電変換フォイルに衝突することで起こる核反応による2次粒子によって引き起こされていることを強く示唆していた。そこで、局所的ビーム損失を測定できるビーム損失モニタを開発し、ビーム損失と機器放射化とを直接関係づける手法を構築した。この結果、ビーム入射時に強い放射線が発生していること、そして放射線量が荷電変換フォイルに衝突する入射ビーム及び周回ビームに比例していることを明らかにした。ビーム損失モニタによるビーム運転中の放射線計測とGM管を用いたビーム停止中による残留線量測定を組み合わせる手法は、加速器におけるビーム運動力学的観点からのビーム損失構造を理解する上で有効な手法であることが明らかになった。本発表では、荷電変換フォイル周辺に加えてリング全周にわたるビーム損失と機器放射化による残留線量との相関関係やRCSにおけるビーム損失構造とその原因について詳細に報告する。

Suppression of device radiations due to beam losses in the high intensity proton accelerators is one of the key issues to achieve MW class high power beam operation. In the J-PARC RCS, Ring collimator system which can localize the beam loss in the ring is adopted to suppress the device radiations. However, high residual doses are observed around the stripper foil. During the multi-turn charge exchange beam injection, not only the injecting beam but also circulating beam hit the foil, and then a large number of secondary particles, namely protons and neutrons, are generated. PHITS simulation results indicate that the secondary particles cause the high residual doses around the foil. Thus, we developed a new BLM which can detect the beam loss at the localized spot area. This new BLM can relate the beam loss with the radio activation of the device at the spot area. Detected radiations by this new BLM are occurred during the beam injection period and the total amount of the signal is directly proportional to the frequency of both the injecting and the circulating beam irradiation. Beam loss evaluation method combining the detailed residual dose survey by the GM counter after the beam stop into the radiations measurement by the BLM during the beam operation is effectively to reveal the beam losses structure from the point of view of the beam dynamics in the accelerator. In this presentation, we report the relation between the BLM signals and residual doses, and the beam losses structure and the mechanism.

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