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Application of carbon nanotube wire for beam profile measurement of negative hydrogen ion beam

カーボンナノチューブワイヤの負水素イオンビーム用プロファイルモニタへの適用

三浦 昭彦 ; 守屋 克洋 ; 宮尾 智章*

Miura, Akihiko; Moriya, Katsuhiro; Miyao, Tomoaki*

J-PARCリニアックでは、ビーム輸送中のビームロスを抑制し、安定で効率的な運転を実施するため、ワイヤを用いたプロファイルモニタ(WSM)を用いて、4極電磁石の調整を実施している。WSMはビームの進行方向に対し、鉛直な方向のプロファイルを測定する計測器であり、ビームが直接衝突するワイヤにはタングステンなどの金属や、ポリアクリロニトリルから生成した炭素繊維線を使用している。ビーム出力増強に伴い、ワイヤの熱的負荷も増加する。そこで、無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cまで耐え、鋼鉄の100倍以上の引張強度を持ち、銅, 銀より高い電気伝導度を有するカーボンナノチューブ(CNT)に注目し、ビーム照射試験を実施した。直径50, 100$$mu$$mのCNT製ワイヤに、3MeVの負水素イオンビーム, ビーム電流30mA,パルス幅100$$mu$$s, 1Hzで照射したところ、炭素繊維線と同等以上の信号電流が得られた。さらに、幅200$$mu$$s, 25Hzという100倍のビーム量でも4分間のビーム照射に耐え、顕微鏡観察でも、顕著なワイヤ損傷は見られなかった。加えて、ワイヤが破断するまで、幅400$$mu$$sのビームにおいたところ、破断直前に大量の熱電子が放出される現象を確認した。本発表では、ビーム測定時の信号波形、ワイヤ破断時の兆候について発表する。

A wire-scanner monitor using metallic wire is reliably employed for the beam-profile measurement in the J-PARC linac. Because the loading of negative hydrogen (H$$^{-}$$) ion beam on a wire increases under high-current beam operation, we focus on using a high-durability beam profile monitors by attaching another wire material. Carbon nanotubes (CNT) are made of graphite in a cylindrical shape and have a tensile strength not less than 100 times that of steel. The electric conductivity has higher than that of metals, and hardness is endured thermally around 3000$$^{circ}$$C in a vacuum circumstance. We applied the wires made from CNT to WSM and measured transverse profiles with a 3-MeV H$$^{-}$$ beam. As a result, we obtained the equivalent signal levels taken by carbon wire made of polyacrylonitrile without any damage. In this paper, the signal response when the CNT is irradiated with an H$$^{-}$$ beam and the result of beam profile measurement. In addition, the surface of CNT after 3-MeV beam operation was observed.

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