Preliminary neutronic performances of Spallation Neutron Source of Second Target Station at Materials and Life Science Experimental Facility in J-PARC

J-PARC物質生命科学実験施設の第2ターゲットステーションの核破砕中性子源の暫定的な中性子強度

原田 正英   

Harada, Masahide

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)では、3GeV・1MWの陽子ビームを炭素ターゲットと水銀ターゲットに入射し、それぞれミュオンビームと中性子ビームを供給している。MLFの最初のターゲットステーション 「TS1」は2008年から運転を開始し、2024年4月現在、近傍の1MWで安定に運転されている。MLFのアップグレードとして、第2ターゲットステーション「TS2」が計画されている。TS2はTS1の近傍に位置し、TS2への陽子ビームラインはTS1の陽子ビームラインの半分に分割されている。加速器から供給される陽子ビームの総出力は1.5MWに増加する。繰り返し周波数は25Hzのままであるが、3パルスのうち1パルスがTS2に輸送され、TS2への陽子ビームは8.3Hz、0.5MWとなる。TS2には、中性子とミュオンの両方を供給するタングステン回転ターゲットと、より高い陽子ビームの電流密度、ターゲットに近いモデレータ位置、より平坦なモデレータなどを採用することにより、より高い中性子輝度を提供するモデレータがある。反射体にはベリリウムと鉄が選ばれている。また、ヘリウムガスで冷却された回転ターゲットは、中性子とミュオンを共存させ、中性子とミュオンの強度を増加させることが期待される。TS2計画の詳細は文献にまとめられている。高強度の中性子を供給するために、シミュレーションコードPHITSとMCNPを用いてTS2の最適化研究が行われた。最終的に、TS2の結合型減速材はTS1の4倍の強度を提供できる。モデレータの高さを小さくすると、輝度はTS1の8倍になる。TS2の非結合型減速材もTS1より3倍高い強度を提供する。固定された固体ターゲットのケースも比較された。

At Materials and Life science Facility (MLF) in J-PARC, 3 GeV and 1MW proton beam induces a carbon target and a mercury target to provide muon beam and neutron beam, respectively. The first target station of MLF, "TS1", started to operate from 2008 and stably operates with nearby 1MW as of April 2024. As an upgrade of MLF, the second target station, "TS2", is being planned. TS2 is located near TS1 and the proton beam line to TS2 is divided at halfway to the TS1 proton beam line. Total proton beam power supplied by accelerators increases to 1.5MW. Although the repetition rate is still 25Hz, 1 of 3 pulses are transported to TS2, resulting in 8.3Hz and 0.5MW of proton beam to TS2. TS2 has a tungsten rotating target to provide both neutron and muon, and moderators to provide much higher neutron brightness by adopting higher current density of proton beam, a closer moderator position to the target, a flatter moderator and so on. Beryllium and Iron are chosen as reflector materials. The rotating target cooled by helium gas is also expected to increase neutron and muon intensities with a coexistence of them. Details of TS2 plan are summarized in Ref. In order to provide high intensity neutrons, optimization studies of TS2 were performed by the simulation code PHITS and MCNP. Finally, the coupled moderator of TS2 can provide 4 times higher intensity than that of TS1. If smaller height of moderator is chosen, brightness increases to 8 times compared with TS1. Decoupled moderators of TS2 also provide 3 time higher than that of TS1. A fixed solid target case was also compared.