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J-PARC 3GeVシンクロトロン用荷電変換フォイルの性能評価

Performance evaluation of charge exchange stripper foils for J-PARC 3GeV RCS

吉本 政弘; 仲野谷 孝充; 山崎 良雄; Saha, P. K.; 金正 倫計; 山本 春也*; 岡崎 宏之*; 田口 富嗣*; 山田 尚人*; 山縣 諒平*

Yoshimoto, Masahiro; Nakanoya, Takamitsu; Yamazaki, Yoshio; Saha, P. K.; Kinsho, Michikazu; Yamamoto, Shunya*; Okazaki, Hiroyuki*; Taguchi, Tomitsugu*; Yamada, Naoto*; Yamagata, Ryohei*

荷電変換フォイルを用いたH$$^{-}$$ビーム多重入射方式はMW級の大強度陽子ビームを実現するための重要な技術である。大強度陽子加速器施設(Japan Proton Accelerator Research Complex: J-PARC)3GeVシンクロトロン加速器(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発され耐ビーム寿命を大幅に更新した、ホウ素添加炭素(Hybrid type Boron-doped Carbon: HBC)フォイルを採用している。これまで、RCSの利用運転時に使用しており、数百kWのビーム照射に対して優れた長寿命性能を有することを確認したが、設計出力である1 MWでの長期安定性は未だ不明である。そこで、HBCフォイルの性能評価のために、RCSにおける長期間照射に対する形状観察や荷電変換効率測定の実施に加えて、量子科学技術研究機構(Quantum and Radiological Science and Technology: QST)高崎量子応用研究所(高崎研)のイオン加速器(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application: TIARA)におけるイオンビーム照射試験や組成分析等を実施してきた。これまでに、フォイル破損に至るメカニズムとして、照射欠陥による密度変化とピンホールの成長、温度上昇にともなうガス化などの兆候を得た。現在、HBCフォイル蒸着時にカソード電極またはアノード電極のどちらかを純炭素電極に代えて製膜したHBCフォイルの照射試験を進めている。その結果、アノード電極由来のホウ素がビーム照射の耐久性能に重要な役割を果たしている可能性を示唆するデータを取得することができ、大強度ビームの安定供給に必須の、HBCフォイルの長寿命化に向けた新たな知見を得た。

The multi-turn charge-exchange H$$^{-}$$ beam injection scheme with stripper foils is one of the key techniques to achieve a MW-class high power proton beam. The J-PARC RCS adopts Hybrid type Boron-doped Carbon (HBC) stripper foil, which was developed in KEK to improve the lifetime. Indeed, the RCS user operation confirmed that HBC foil has the great advantage of a longer lifetime against high beam irradiation. To examine characteristics of the HBC foils, various beam studies were performed, such as the stripping efficiency measurement and long-term observation with an H$$^{-}$$ beam in the J-PARC RCS, foil analysis using RBS, EDR and PIXE methods, and SEM and TEM observation after the ion beam irradiation in Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application (TIARA) on National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST). Recently, the deposition apparatus for the HBC foils from the KEK Tsukuba-site was relocated to the JAEA Tokai-site, and we started fabrication of new HBC foil in 2017. (The new one fabricated in JAEA we call J-HBC foil.) And, we continue investigations in TIARA with the J-HBC foils. Furthermore, in-depth researches by changing the process parameters of the foil deposition are carried on. Now, we developed new types of foils which were made by arc discharge method by using a pure carbon rod for ether the anode electrode or the cathode electrode. As the results of the beam irradiation tests for the new types of HBC foils, it was suggested that the boron being carried in from the anode electrode plays an important part in the functioning of the stripper foil. The new knowledge will mark a milestone in the improvement of the stripper foil.

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