大強度パルス中性子発生のための陽子ビーム制御技術開発

Proton beam control technology for high-intensity pulsed neutron production

明午 伸一郎   ; 大井 元貴 ; 藤森 寛*; 坂元 眞一*

Meigo, Shinichiro; Oi, Motoki; Fujimori, Hiroshi*; Sakamoto, Shinichi*

J-PARCの中性子源施設の水銀標的は、入射するビームの電流密度に依存し標的容器の照射損傷が進むため、施設の安定した運転には電流密度を抑えた運転が必要となる。通常の線形光学を用いたビーム制御技術では、ビーム幅の拡大により電流密度を低下できるが、ビーム形状を変更できなく常にガウス分布状となるため、ビームの拡大により標的周辺部の重大な放射化を引き起こすため、大強度ビーム運転の安定した運転にはビーム形状を変更できる技術が必要であった。磁場分布が3次関数となる八極電磁石を用いた非線形光学によるビーム整形により、ビーム形状を平坦な分布できることは知られているが、ビームロスが生じるため詳細な制御方法が必要となる、ビーム輸送計算を厳密に解くことにより、八極電磁石・標的間の位相差と規格化八極磁場強度の2つのパラメータにより、ビーム形状は一般化できることを明らかにし、最適となるパラメータ値を導出した。本成果より、大強度ビーム運転においてビームロスを発生させずに標的上の電流密度を既存に比べ約3割下げることに成功した。

Since the damage of the neutron target depends on the beam current density, the beam current density on the target is required to be minimized for the stable operation. Using linear optics, the current density can be reduced by expanding the beamwidth, forbidden by the increase of heat at the vicinities. Because the beam shape cannot be changed from Gaussian by linear optics, a new technique changing the beam shape was required. The beam can be shaped flatly by nonlinear optics using an octupole magnet having a cubic magnetic field. It was known that the beam loss arose by the nonlinear optics. Therefore, a detailed technique is required. Solving the transport calculation exactly, we found that the beam shape can be specified by only two parameters and the optimum parameter to achieve both the flat distribution and the minimized beam loss. From this result, we succeeded in reducing the current density on the target by about 30% compared to the previous case without significant beam loss.