J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける荷電変換フォイルの使用状況とフォイル駆動機構の交換作業概要

Operation status of the charge exchange foil and replacement work of the foil transfer mechanism in the J-PARC 3GeV synchrotron

仲野谷 孝充 ; 吉本 政弘  ; Saha, P. K.   ; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*; 御代 卓也*

Nakanoya, Takamitsu; Yoshimoto, Masahiro; Saha, P. K.; Takeda, Osamu*; Saeki, Riuji*; Muto, Masayoshi*; Miyo, Takuya*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、リニアックから入射した400MeVのH(負水素イオン)ビームを原子力機構内作の純炭素製荷電変換フォイルによりH(陽子)ビームに変換して入射し、3GeVまで加速させている。2023年11月、ビーム利用運転開始直前のビーム調整中に、荷電変換フォイルの交換や位置調整を行うフォイル駆動機構にトラブルが発生した。このトラブルにより、遠隔操作でのフォイル交換が不可能になった。このため、フォイルを交換が必要な際は、現場で目視確認しながら手動操作で交換した。翌2024年の夏期保守期間中にこの装置の交換を行い復旧させた。駆動機構のトラブルがあったものの、荷電変換フォイル自体はビームに対して安定しており、ビーム利用運転に支障はなかった。最近の取り組みでは、2つの新しい手法を導入することで、ビーム照射に対するフォイルの耐久性を大幅に向上させた。一つは、電荷交換フォイル作製に使用する炭素棒の適切な直径を選択する方法である。もう一つは、カーボンナノチューブ(CNT)ワイヤーをフォイルの支持材料として利用する方法である。フォイルはビームが照射されることにより変形が生じるが、これらの手法により従来のものよりも変形量が少なくなっていることを確認した。これにより、フォイルをさらに長期間にわたって使用する目途が立った。本発表ではフォイル駆動機構のトラブル対応とその後の交換作業、及び利用運転での荷電変換フォイルの使用状況について報告する。

The J-PARC 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) utilizes pure carbon foils produced in-house by JAEA as charge exchange foils. In November 2023, during beam commissioning just before the start of user operation, a malfunction occurred in a foil drive mechanism. The foil drive mechanism is responsible for replacing and inserting foils into the beamline. This malfunction prevented remote replacement of the foils. Therefore, when foil replacement was necessary, it was performed manually with visual confirmation near the mechanism. The foil drive mechanism was subsequently replaced and restored during the 2024 summer maintenance period. Despite the issue with the foil drive mechanism, the charge exchange foils demonstrated stability under beam irradiation, and there were no operational problems. Recent efforts have significantly enhanced the durability of the foils against beam irradiation through the implementation of two novel methods. One method involves selecting an appropriate diameter for the carbon rod used in charge exchange foil fabrication. The other method utilizes carbon nanotube (CNT) wire as a support material for the foils. While beam irradiation causes foil deformation, these methods show significantly reduced deformation compared to previous foils. This improvement raises the possibility of using foils for a longer operational lifespan. In this paper, we report on the foil drive mechanism malfunction, subsequent replacement work, and the performance of the charge exchange foils during user operation from 2023 to 2025.