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論文

Progress status in fabrication of HBC stripper foil for 3-GeV RCS at J-PARC in Tokai site

吉本 政弘; 山崎 良雄; 仲野谷 孝充; Saha, P. K.; 金正 倫計

EPJ Web of Conferences, 229, p.01001_1 - 01001_7, 2020/02

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ハイブリッドボロン添加カーボンフォイル(HBCフォイル)を用いた荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発されたHBC荷電変換フォイルはビーム照射に対する寿命を飛躍的に向上させることに成功した。これまで荷電変換フォイルの準備作業は、第1段階としてKEKつくばサイトでフォイルの蒸着作業を実施し、次に原子力機構(JAEA)東海サイトでフォイルの調整作業を実施するという2段階に分けて行ってきた。フォイル準備作業を効率的に進めるためには同一場所での作業が望ましく、そのためにHBCフォイル用の蒸着装置をつくばサイトから東海サイトに移設した。蒸着装置の修理及び再立ち上げを行った後に、製作したHBCフォイルの性能評価試験を高崎量子応用研究所TIARAにおいて実施した。Ar照射試験による寿命評価、RBS法を用いた組成分析、$$mu$$PIXEによる不純物評価の結果、これまでのHBCフォイルと同等の性能を有することを確認した。そして実際にRCSにおけるビーム照射試験を実施し、10日間の利用運転に問題なく使えることを実証した。

論文

J-PARCリニアックにおける冷却水への微量金属混入の調査

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.846 - 848, 2019/07

J-PARCリニアックの冷却水システムは、流量変動が発生し安定運転の妨げになっていた。冷却水の汚濁が流量変動を引き起こす原因であることを突き止め、循環ポンプの仕様変更と冷却水の汚濁を低減する対策を実行し、流量変動を収束させた。しかしながら、発生源の抑制は未解決である。これまでの調査から、汚濁は微量金属の混入で、冷却水に精製水を使用することによる銅への浸食と腐食によって起こることが判明している。精製水を使用し無酸素銅を多用する加速器特有の問題かもしれない。加速器に使用する冷却水は、放射線の影響を抑えるために不純物を極力排除した精製水を使用している。一方、加速空洞及び電磁石を製作する部材には、伝熱に優れている銅の使用や加工精度に優れている鉄を多用している。また、加速器は高電圧、大電流を使用する必要があり、工業用水や水道水の使用では、安定運転へのリスクが伴う。一般的な設備の冷却水に銅を使用する場合、防食剤を使用することで、腐食を抑制できるが、前述したとおり、加速器は、放射線場,高電圧の環境であり防食剤の使用が制限される。本報告では、J-PARCリニアック冷却水設備における微量金属混入の調査について報告する。

論文

J-PARC RCS冷却水設備冷却塔ファンベアリングユニットの製作

藤来 洸裕; 菅沼 和明; 山崎 良雄

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1162 - 1164, 2019/07

J-PARC RCS(Rapid Cycling Synchrotron)冷却水設備では、電磁石,加速空胴などの熱源機器に冷却水を供給している。装置へ供給される冷却水の温度は、屋外に設置されている冷却塔にて27$$^{circ}$$Cになるように冷却塔ファンを回し冷却している。2015年4月にある冷却塔ファンのベアリングユニットから異音がしていた。そのベアリングユニットを分解し軸受を切断してみたところ、プーリー側の軸受にはフレーキング痕や内輪の軌道面の中心より上に接触痕があることが分かった。なぜプーリー側の軸受にのみ特有の傷がついたのか調べることにした。プーリー側の軸受はファンが回る際に発生する上下の動きと併せてファンベルトによって横方向へ引っ張られている。プーリー側はこれらの振動や荷重が加わったことで特有の傷がついたと推測した。また、軸受がグリス密閉式でグリスの入れ替えができない構造となっており、フレーキングによる剥離物が軸受内に残った状態で運転したため、小さな傷がその剥離物によって広がってしまったと考えられる。そこで以上の問題点を考慮し冷却塔ファンの安定運転のために上下,横方向の振動や荷重に耐えグリスを密閉式ではなく定期的に交換することができるベアリングユニットを新たに製作することにした。本発表では、新しく製作したベアリングユニットの構造と初期の振動値等のパラメータについて報告する。

論文

J-PARCリニアック加速空洞用冷却水設備の現状2018

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.309 - 311, 2018/08

本件は、2017年夏に完全解決した冷却水設備における流量低下問題の改善報告である。J-PARCリニアックの前段空洞であるDTL及びSDTL用の循環冷却水の流量が、1週間かけて3%程度低下する現象が長年続いていた。この冷却水の流量低下によって、空洞に取り付けた流量計の低流量接点を動作させ、加速器の運転のみならずJ-PARC全体の運転を停止させていた。この流量低下の現象は発現から約9年が経過しており、抜本的な対策が望まれていた。本発表では、流量低下の解決の糸口となった着目点を整理し述べる。2017年夏にポンプの仕様変更を決断し、ポンプの入れ替えを行い冷却水流量の低下は皆無となった。J-PARC加速器のみならず、J-PARC全体の安定運転に絶大な貢献を果たした。

論文

回転機器グリス補給周期及び振動測定の考察

藤来 洸裕; 菅沼 和明; 山崎 良雄

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.816 - 818, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン冷却水設備では、冷却水循環ポンプなどの回転機器の保守管理を行っている。保守管理の一部であるグリス補給は、メーカーの推奨の周期でグリスを補給していたが、補給を行う時期より早いタイミングでベアリング部から異音が聞こえることがあった。異音が発生してからでは、ベアリングに損傷を与えてしまうためグリスの補給周期を変える必要がある。そこで、グリスの減りで発生する異音がどのタイミングで起きるのか、振動センサーが取り付けてある一次系循環ポンプ(ビームライン電磁石等冷却系)の値を詳細に調査することにした。本発表では、測定した振動データとグリスの補給周期について報告する。

論文

J-PARC RCS入射ビーム荷電変換用薄膜の昇温脱離特性

神谷 潤一郎; 金正 倫計; 山崎 良雄; 吉本 政弘; 柳橋 亨*

Journal of the Vacuum Society of Japan, 60(12), p.484 - 489, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおいては、入射ビームと周回ビームのマッチングをとるためにマルチターンH$$^{-}$$入射方式を用いている。この方式は、リニアックからのH$$^{-}$$ビームの2つの電子を入射点の薄膜を通過することでストリップし、残った陽子を周回させ次のバンチと合わせることでビームの大強度化を図るものである。入射点にはカーボン薄膜があり、ビームのエネルギーロスによりフォイルは発熱し、放出ガスを発生する。そのためこの薄膜の放出ガス特性を調査することは、ビームラインを超高真空に保ちビームと残留ガスによるビーム損失を低減することにつながるため、加速器の安定運転維持に必須である。本調査では、フォイル発熱時の放出ガスを昇温脱離分析により測定した。試料として実際に3GeVシンクロトロンで用いているもしくは候補である数種のフォイルを用いた。その結果、PVD蒸着薄膜は多層グラフェン薄膜に比べ放出ガスが多く、特に低温での水蒸気成分が多いことがわかった。講演では、各種カーボンフォイルの昇温脱離分析結果及び加速器安定運転のための実機フォイルの脱ガス処理の展望について述べる。

論文

J-PARC RCS冷却水設備冷却塔ファン不具合ベアリングユニットの振動解析

藤来 洸裕; 菅沼 和明; 山崎 良雄

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.874 - 876, 2017/12

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)は、RF装置、電磁石および電源などの装置が数多くある。これらの装置は運転時に17MWの電力を使い、そのうち多くは熱エネルギーとなっている。よって加速器の運転には、冷却水設備が必要不可欠であり、その安定性は、加速器の稼働率を左右する。最近、冷却水設備の重要な部品である冷却塔ファンのベアリングユニットが故障した。今回の事象は、J-PARC全体の運転停止につながる。今回故障の原因を調べるために、ベアリングユニットの振動測定及びベアリングを切断し観察した。振動測定の結果、ベアリングの傷の有無で振動周波数に違いがあることが分かった。またベアリングを分解した際、外輪に傷がついていた。この傷はフレーキング痕という傷であることが分かった。

論文

リニアック加速空洞用冷却水設備の現状2017

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.871 - 873, 2017/12

J-PARCリニアック冷却水設備のひとつである設備名称RI4の全体流量減少の原因は、水の汚濁と汚濁によるポンプ性能の変化であると考えられる。全体流量減少の対策として、循環ポンプの追加設置による南北配管の送水分離を実施した。その結果、流量減少に一定の改善が見られた。また、追加措置前のポンプ構成でも流量減少が現れず、これは、冷却水の入れ替えにより汚濁が薄まり、ポンプ性能が安定したことが理由と考えられる。ポンプ追加措置と同時に、冷却水中の浮遊物の調査も実施した。その結果、冷却水中にCu, Fe, Niなどが検出された。検出されたCuについてはメジアン径を測定した。本発表では、冷却水中の浮遊物の調査報告およびリニアック安定運転のために行うべき対策について報告する。

論文

リニアック加速空洞用冷却水設備の現状

菅沼 和明; 廣木 文雄; 伊藤 崇; 山崎 良雄

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.304 - 306, 2016/11

加速空洞用冷却水設備は、以前より流量が減少する事象が見受けられ冷却水の流量低下によって警報が発報し、加速器全体の運転を停止させることがある。警報発報から復旧までに時間を費やすため早急な対策が望まれており、J-PARC加速器全体で取り組む課題となっている。われわれは、リニアック空洞のRFQからSDTLまでの冷却水設備である設備名称RI4系について、以前から現象が確認されている冷却水設備のバッファタンクの水位変動と、冷却水全体流量の変動の関連について再度注目してみた。同時に、冷却水設備の運転データから新たな情報の有無を調べた。冷却水の全体流量の減少原因について、運転データと関連づけながら仮説を立ててみる。

論文

J-PARC RCS荷電変換装置におけるスロー排気・パージ系統の改修

飛田 教光; 吉本 政弘; 竹田 修; 佐伯 理生二; 山崎 良雄; 金正 倫計; 武藤 正義*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1350 - 1354, 2015/09

J-PARC RCSの荷電変換フォイルは、厚さ約1$$mu$$mの炭素製薄膜を使用している。フォイルは、ビームが照射され続けることで劣化が進み壊れやすくなる。フォイルを真空容器内から取り出す、新しいフォイルを再装填して使用する際には、Arパージ作業、真空排気作業が必要となる。フォイルは非常に薄いため気流による破損のリスクが高い。そのため、真空容器内の気流を抑制する目的で、スローパージ・スロー排気系統を採用している。これまでは、真空容器のビューポートからフォイルに破損等の有無が生じていないか直接監視しており、残留線量の高い主トンネル内で作業を行っていた。そのため、作業時には高い被ばく線量を作業員が浴びていた。そこでRCSでは、残留線量の高い主トンネル内での作業を避け、被ばくのリスクが低いサブトンネルへスローパージ・スロー排気系統を移設した。それに合わせて、ビューポートに新たにカメラを設置し、サブトンネルでフォイルの画像を確認しながら作業を行えるシステムを追加した。サブトンネルへの移設により作業員の放射線被ばくはほとんどなくなった。本発表ではスローパージ・スロー排気系統の移設とその効果について詳しく説明する。

論文

Progress of injection energy upgrade project for J-PARC RCS

林 直樹; 原田 寛之; 堀野 光喜; 發知 英明; 神谷 潤一郎; 金正 倫計; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 谷 教夫; et al.

Proceedings of 4th International Particle Accelerator Conference (IPAC '13) (Internet), p.3833 - 3835, 2014/07

J-PARC RCSの入射エネルギーの増強(181から400MeV)は、2014年初めに予定されており、これに向けて、進んでいる機器増強の状況を報告する。具体的には、水平ペイントバンプ電磁石電源の更新、増強は、2012年までに完了しており、既に通常運転に用いている。MR/MLF行きのペイントエリアを切替えること、400MeVでも、ペインティングしない調整用のビームを作ること、この2つに必須の可変偏向電磁石システム、電磁石及び電源の据付も2012年に完了した。そして、400MeVを想定したビーム試験も実施し良好な結果を得た。残る大きな増強機器は、新しいシフトバンプ電磁石電源である。現行電源と比較しスイッチングノイズの低減は、期待できるが、新たに発生したリンギングの要因解析、対策を行い製作中である。これは、2013年の長期メインテナンス期間中に据付けられる。

論文

J-PARC RCSにおける荷電変換フォイルの回収

飛田 教光; 吉本 政弘; 山崎 良雄; 佐伯 理生二; 岡部 晃大; 金正 倫計; 竹田 修*; 武藤 正義*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.915 - 919, 2014/06

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)で用いる荷電変換フォイルは、厚み約1$$mu$$mの炭素製薄膜であり、ビームが照射され続けることで放射化する。また一般的に、フォイル自体も劣化が進み壊れやすくなると考えられている。しかし、照射後のフォイルを取扱う際には、フォイルが飛散することによる汚染や体内被ばくといった危険性への対策が課題の一つである。そこでRCSでは、放射化したフォイルを安全かつ確実に回収するためのフォイル交換ブースを設置した。仮にフォイルを飛散させた場合でも、放射化したフォイルをブース内にだけ閉じ込め、作業員の被ばくや作業エリアの汚染を防ぐことができるようになった。また、フォイルの性能向上の観点から見ると、回収したフォイルの分析・観察は重要な課題の一つである。そこで、ビーム照射後の放射化したフォイルを観察するため、フォイルフレーム単体で密閉できる透明の保護ケースを開発した。本発表では、ビーム照射後の荷電変換フォイルを回収するために開発した装置や確立した手法について詳しく発表する。

論文

J-PARC RCSにおける荷電変換フォイルの調製

佐伯 理生二; 吉本 政弘; 山崎 良雄; 飛田 教光; 岡部 晃大; 金正 倫計; 竹田 修*; 武藤 正義*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.523 - 526, 2014/06

RCSは、ビーム運転期間中でもフォイルが破損したときに短時間で交換できるように、予備を含めて15枚のフォイルを装置内に装填している。フォイルは厚さ約1$$mu$$mの薄膜でできており、そのままでは扱うことが困難である。そこでSiCファイバーを張り付けたフレームにフォイルを固定して、フォイルに触れずフレームだけを掴んで操作できるようにした。新規フォイル入れ替え作業として次のような準備作業が必要となる。(1)ガラス基板に蒸着しているフォイルの剥離と回収。(2)剥離したフォイルの乾燥及び切り出し。(3)SiCワイヤの準備とフレームへの張り付け。(4)フォイルをフレームへ固定。(5)マガジンラックへの装填は、これまですべて手作業で行っていたが作業工数が多く、準備したフォイルの品質にばらつきがあった。そこで再現性を確保するために必要な装置の開発を行った。同時に作業を効率的に行うための手法を確立した。本発表ではこれまで確立した手法や、開発した治具について詳しく発表する。

論文

Beam emittance control by changing injection painting area in a pulse-to-pulse mode in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex

Saha, P. K.; 原田 寛之; 林 直樹; 堀野 光喜; 發知 英明; 金正 倫計; 高柳 智弘; 谷 教夫; 富樫 智人; 植野 智晶; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 16(12), p.120102_1 - 120102_11, 2013/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:61.4(Physics, Nuclear)

In order to ensure desired extracted beam emittances in a multi user high intensity proton synchrotron, a pulse-to-pulse direct control of the transverse injection painting area is proposed and also been verified through experimental studies in the 3-GeV RCS of J-PARC. The RCS has to ensure two different transverse sizes of the RCS extracted beam for the MLF and MR for 1 MW operation. For that purpose, we have designed and installed two pulse steering magnets in the RCS injection beam transport line and are used for changing injected beam trajectory for a smaller painting area for the MR. The measured extracted beam profile for the MR is found to be narrower as compared to that for MLF and is also quite consistent with corresponding numerical simulations. It is thus confirmed that in a multi user machine beam parameters can be dynamically controlled and delivered as requested by the users even in simultaneous operation.

論文

Advanced uses of a current transformer and a mult-wire profile monitor for online monitoring of the stripper foil degradation in the 3-GeV RCS of J-PARC

Saha, P. K.; 原田 寛之; 畠山 衆一郎; 林 直樹; 發知 英明; 金正 倫計; 岡部 晃大; 佐伯 理生二; 山本 風海; 山崎 良雄; et al.

Proceedings of 2nd International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2013) (Internet), p.239 - 242, 2013/12

We have established an advanced and sophisticated uses of a current transformer and a multi-wire profile monitor for accurate measuring as well as online monitoring of the waste beam so as to know the stripper foil degradation during user operation of the J-PARC 3-GeV RCS. A sudden foil breaking is not only decreases accelerator availability but also raises maintenance issues. A proper monitoring system of the foil is thus important in order to avoid any such issues by replacing the foil with a new one in the scheduled maintenance day. A single foil was used for a continuous last 7 months operation of the RCS with an extracted beam power of 300 kW (18 kW injected beam). There were a total of 8$$times$$10E23 hit particles but there was no any degradation of the foil so far. Surprisingly an increase of the foil thickness of about 10% was observed.

論文

J-PARC 3GeV RCS第2, 3荷電変換装置制御システム設計

川瀬 雅人; 吉本 政弘; 山崎 良雄; 竹田 修

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.734 - 737, 2013/08

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は3枚の炭素薄膜を用いた荷電変換入射方式を採用している。本装置のメンテナンス性向上と真空排気能力の強化を目的とした第2, 3荷電変換装置の高機能化を進めており、これに合わせて制御システムの見直しを行っている。制御システム見直しの基本方針は、3つの装置を一元管理している制御システムから切り離し、独立した制御システムとして再構築する。そのうえで第2, 3荷電変換装置の高機能化に対応させることとした。各々の装置を独立に制御することから、特に安全面に関するインターロック機構の見直しが必須となる。これまで荷電変換装置の異常信号は3台分として集約しMPSを作動させていた。そのため、異常時の原因追究等に時間を要していたが、独立した異常信号でMPSを作動させることで、緊急時の個別対応が容易になるという効果が期待できる。第2, 3荷電変換装置の制御は横河電機製PLC FA-M3のみ用いたシンプルなシステムを採用し、軸駆動系及び真空排気系を融合し、かつ同期性のある制御アルゴリズム設計を進めている。本報告では、この再構築した第2、3荷電変換装置制御システム設計について報告するものである。

論文

Status of injection energy upgrade for J-PARC RCS

林 直樹; 原田 寛之; 發知 英明; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 谷 教夫; 山本 風海; 山本 昌亘; et al.

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.3921 - 3923, 2012/05

J-PARC RCSの入射エネルギーを181から400MeVに増強する計画は、2013年に予定されており、これに向けさまざまな準備を進めている。パルス電磁石電源の一部は、既に電流定格の大きな電源に置き換え、問題なく運転に使用している。他方、IGBTチョッパ方式からスイッチングノイズの小さいコンデンサバンク方式の新型電源の変更のため開発を行っている。追加の電磁石系は、入射エネルギー増強後もセンター入射と、ビーム行き先別にペイント領域の切り替えを可能にする。出射部の漏れ磁場追加対策は、ビーム輸送系電磁石からの影響の完全除去から始める。補正四極電磁石系は、まず入射バンプ電磁石による$$beta$$関数補正のために設計製作する。リング中に2台あるプロファイルモニタは、位置の系統誤差を修正する改造を行うとともに色収差のない場所での測定のため、3台目を導入する。将来のビーム不安定性の要因となるキッカーのインピーダンス対策には、高逆耐電圧特性があり、かつ、低い順電圧でも機能するダイオード開発が必要である。それを使ったビーム試験でインピーダンス低減を示すデータを得た。

論文

J-PARC RCS荷電変換フォイルのビーム照射による形状の変化と真空容器内の圧力推移

佐伯 理生二; 吉本 政弘; 山崎 良雄; 竹田 修; 金正 倫計

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.1025 - 1028, 2010/08

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeV RCSの入射方式として、荷電変換による多重入射方式を採用しており、リニアックで加速されたH$$^{-}$$ビームに対し、荷電変換フォイルを用いてH$$^{+}$$に変換してRCSに入射している。2009年10月から現在までのビーム試験における真空容器内の圧力推移とフォイル形状の変化について報告する。

論文

バンプシステムの性能向上計画

高柳 智弘; 植野 智晶; 林 直樹; 山崎 良雄; 金正 倫計

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.584 - 586, 2010/08

大強度陽子加速器施設における3-GeV RCSの入射用バンプシステムでは、Linacの400MeVビームへのアップグレードに合わせて、電源容量の増強と出力電流の波形精度を高める性能向上を計画している。その中で、水平シフトバンプ電源は、より安定した入射軌道を確保するため、出力電流偏差の許容値を現在の定格の$$pm$$1.0%以下から$$pm$$0.2%以下へと性能を高めることを検討している。また、励磁波形に生じるリップル電流の振動とベータトロンチューンが共鳴するオペレーティングポイントが存在することが明らかになった。そのため、リップル電流は、現在の半分以下かつ限りなくゼロへと低減する必要がある。本稿では、3-GeV RCSの入射用バンプシステムの性能向上計画及び電源のアップグレードの内容について説明する。

論文

First step analysis of hybrid type boron-doped carbon stripper foils for RCS of J-PARC

山崎 良雄; 吉本 政弘; 竹田 修; 金正 倫計; 菅井 勲*

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.3924 - 3926, 2010/05

J-PARCでは、RCSにビームを入射するためにリニアックから供給されるH$$^-$$ビームから電子をはぎ取るための比較的厚い荷電変換カーボンフォイルが必要である。必要となるフォイルの厚みは200$$mu$$g/cm$$^2$$程度で、この厚さは181MeVのH$$^-$$ビームからH$$^+$$への変換効率が99.7%に対応する。この目的のために、従来のカーボンにボロンをドープしたハイブリッドボロン添加カーボンフォイル(HBC)を開発し、フォイルの使用可能な寿命の大幅な改善ばかりでなく、長時間のイオンビーム照射中の高温度使用下でもフォイル厚さの減少や変形が起こりにくいフォイルとして確立された。そこで、われわれはこのカーボンフォイルにボロンをドープすることでなぜフォイルがビームに対し耐性を持つかを微視的観点から研究を始めた。まず、通常のカーボンフォイルとHBCフォイルを電子顕微鏡やイオンビーム分析による比較を試みた。

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