J-PARC RCSにおける荷電変換薄膜からの二次粒子による放射化核種評価

Evaluation of activated nuclides due to secondary particles produced in stripper foil in J-PARC RCS

吉本 政弘  ; 岡部 晃大  ; 原田 寛之  ; 金正 倫計  ; 加藤 新一*

Yoshimoto, Masahiro; Okabe, Kota; Harada, Hiroyuki; Kinsho, Michikazu; Kato, Shinichi*

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では1MWの大強度陽子ビームを実現するために、荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。従来のセプタム・バンプ電磁石のみを使ったビーム多重入射方式に比べてセプタム境界面でのビーム損失はほとんど起こらないため、原理的には多重入射する回数に制限は存在しない。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。このことを明らかにするために、フォイルからの2次粒子計測が重要になってくる。しかし、RCSの入射部は様々な機器が配置されている複雑な系になっているため、純粋にフォイルからの2次粒子を実験的に観測することは困難である。そこで、100度ダンプラインに新たにフォイル導入装置を設置し、2次粒子計測に必要な単純な実験系を構築した。ここでは、2次粒子の直接計測と金属薄膜を用いた放射化法による計測の2種類を計画している。まずは金属薄膜による放射化法で2次粒子種及びエネルギー分布の同定に向けた検討についてPHITSコードを用いて行った。この放射化法の有効性に関する評価結果について詳細に報告する。

The charge exchange multi-turn beam injection scheme is adopted in the J-PARC 3GeV Rapid Cycling Synchrotron Accelerator (RCS) due to achieve 1MW beam power operation. In the conventional multi-turn beam injection scheme, which is provided by only the septum and bump magnets, injecting turn numbers are limited by the beam losses at the septum. On the other hand, charge exchange multi-turn beam injection does not cause the beam losses at the septum; there is no restriction in principle on the injecting turn number. However, high residual doses are observed around the stripper foil. During the charge exchange multi-turn 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. To verify this examination, secondary particles measurement is key issue. But injection system is too complex to detect the pure signals of the secondary particles from the stripper foil. Thus, a new independent type foil introducing device is installed in the 100 dump beam transport line in order to construct a simple experimental system for secondary particle measurements. We plan the two experiments by using this system; one is a directly secondary particle detecting method, and the other is a radioactivation analysis method with metal sample pieces. Now, we started the study of how the identification of species and energies of the secondary particles with PHITS code. In this presentation, we report the simulation results of the utility of the radioactivation analysis method.