Evaluation of the performance of event reconstruction algorithms in the JSNS experiment using a Cf calibration source

Lee, D. H.*; 百々 拓; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 長谷川 勝一; 春日井 好己; 木下 秀孝; 増田 志歩; 明午 伸一郎; 酒井 健二; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1072, p.170216_1 - 170216_6, 2025/03

https://doi.org/10.1016/j.nima.2025.170216

JSNS investigates short-baseline neutrino oscillations using a 24-meter baseline and a 17-tonne Gd-loaded liquid scintillator target. Accurate event-reconstruction algorithms are crucial for analyzing experimental data. The algorithms undergo meticulous validation through calibration with a Cf source. This paper outlines the methodology and evaluates the reconstruction performance, focusing on neutrino interactions up to approximately 50 MeV for sterile neutrino searches. Both Cf and Michel electron events are studied to evaluate reconstruction accuracy. The analysis concludes that the uncertainty of the fiducial volume, with an appropriate correction, is much less than the requirement of JSNS requirement (10%). Furthermore, the energy resolution is measured to be 3.3 0.1% for the Michel electron endpoint and 4.3 0.1% for the n-Gd peak in the central region.

First measurement of missing energy due to nuclear effects in monoenergetic neutrino charged-current interactions

Marzec, E.*; 百々 拓; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 長谷川 勝一; 春日井 好己; 木下 秀孝; 増田 志歩; 明午 伸一郎; 酒井 健二; et al.

Physical Review Letters, 134, p.081801_1 - 081801_9, 2025/00

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.081801

We present the first measurement of the missing energy due to nuclear effects in monoenergetic, muon neutrino charged-current interactions on carbon, originating from decay at rest (), performed with the J-PARC Sterile Neutrino Search at the J-PARC Spallation Neutron Source liquid scintillator based experiment. Toward characterizing the neutrino interaction, ostensibly or C N, we define the missing energy as the energy transferred to the nucleus () minus the kinetic energy of the outgoing proton(s), , and relate this to visible energy in the detector, . The missing energy, which is naively expected to be zero in the absence of nuclear effects (e.g., nucleon separation energy, Fermi momenta, and final-state interactions), is uniquely sensitive to many aspects of the interaction, and has previously been inaccessible with neutrinos. The shape-only, differential cross section measurement reported, based on a pure double-coincidence kaon decay-at-rest signal (621 total events), provides detailed insight into neutrino-nucleus interactions, allowing even the nuclear orbital shell of the struck nucleon to be inferred. The measurement provides an important benchmark for models and event generators at hundreds of MeV neutrino energies, characterized by the difficult-to-model transition region between neutrino-nucleus and neutrino-nucleon scattering, and relevant for applications in nuclear physics, neutrino oscillation measurements, and Type-II supernova studies.

水銀ターゲット容器内壁のキャビテーション損傷観察に関する技術資料,2; キャビテーション損傷深さの測定

直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 羽賀 勝洋

JAEA-Technology 2023-022, 81 Pages, 2024/01

JAEA-Technology-2023-022.pdf:9.87MB

大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギーのパルス陽子ビーム入射時に、核破砕反応による中性子の発生と同時に水銀の急激な熱膨張によって、圧力波が発生する。この圧力波は、水銀中を伝ぱする過程で負圧によるキャビテーションを誘発する。水銀を充填するステンレス鋼製の水銀ターゲット容器の内壁近傍でキャビテーションが崩壊することによって、内壁表面には激しい壊食損傷が形成される。水銀ターゲット容器は、陽子ビームが入射することによって先端部分の内部発熱に起因する熱応力を低減するために、先端部を厚さ3mmの薄肉構造としている。陽子ビーム強度の増加に伴って、キャビテーションによる攻撃性は増加するため、壊食損傷がターゲット容器の疲労破壊や水銀の漏洩につながる。したがって、設計出力である1MWでの長期的な安定運転を実現するために損傷の低減化が求められている。キャビテーションによる容器壁面の壊食損傷を低減することを目的として、圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入や、ターゲット容器先端部の2重壁構造化などの対策を施している。損傷低減化策の効果の確認や、ビーム出力と壊食痕による損傷深さの相関を評価し、今後の運転条件を検討するために、使用済みのターゲット容器の先端部から試験片を切出し、損傷の観察を実施している。これまでに、内壁に形成されたキャビテーションによる損傷形態の観察と壊食痕による損傷の深さを測定することで、運転条件との相関について検討を実施し、気泡注入によって著しい損傷低減効果が発現されること、2重壁構造によって、先端部分の損傷形成がビーム出力に依存せず抑制できることを確認した。これらの成果によって、施設の設計目標である1MWの安定運転を実施可能な見通しを得た。本報では、これまでに開発、適用した実機水銀ターゲット容器内壁の損傷観察の手法、測定結果及び運転条件との相関についてこれまでに得られた成果をまとめる。

水銀ターゲット容器内壁のキャビテーション損傷観察に関する技術資料,1; 遠隔操作対応試験片切出し装置の開発

直江 崇; 木下 秀孝; 涌井 隆; 粉川 広行; 羽賀 勝洋

JAEA-Technology 2022-018, 43 Pages, 2022/08

JAEA-Technology-2022-018.pdf:7.84MB

大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギー陽子線入射時に水銀中に発生する圧力波が引き起こすキャビテーションによって、ステンレス鋼製のターゲット容器内壁に激しい壊食損傷が生じる。陽子線強度の増加と共に攻撃性が高くなるキャビテーションが引き起こす壊食損傷によって、熱応力を低減するために厚さ3mmで設計されたターゲット容器先端部では、長時間の運転により壊食痕からの水銀漏洩や、壊食痕を起点とした疲労破壊などが生じる懸念がある。これまでに、高出力での長期的な安定運転を実現するために、キャビテーションによる壊食損傷を低減するための取り組みとして、容器内壁への表面改質の適用や、水銀中への微小気泡注入によりキャビテーションの発生源である圧力波の抑制、先端部の2重壁構造化を進めてきた。損傷低減化技術の効果を確認するために容器内壁に形成された損傷を観察する必要があるが、中性子源の運転中に内部を観察することは不可能であるため、運転を終えたターゲット容器の先端部から試験片を切出し、内壁の観察を実施している。ターゲット容器の破損による水銀の漏洩を防ぎつつ、運転出力によって変化する適切な容器の交換時期を検討するためには、運転出力と損傷の関係を明らかにすることが必要である。これまでに、高放射線環境で遠隔操作可能な試験片切出し装置を開発し、実機水銀ターゲット容器からの切出しを通じて、遠隔操作性や、より確実に試験片を切出すための切削条件の検討や切出し手法の改良を重ねてきた。本報では、実機ターゲットでの作業経験、及びモックアップ試験の結果に基づいて改良した遠隔操作による水銀ターゲット容器先端部からの試験片切出し手法に加えて、これまでに実機から試験片を切出した結果の概要についてまとめる。

Unified mercury radioactivity monitoring system at J-PARC and its operation experiences

原田 正英; 関島 光昭*; 森川 宣之*; 増田 志歩; 木下 秀孝; 酒井 健二; 甲斐 哲也; 春日井 好己; 武藤 儀一*; 鈴木 彰夫*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011099_1 - 011099_6, 2021/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011099

J-PARC MLFでは、ゲルマニウム半導体検出器(Ge検出器)を用いた線エネルギー解析により、系から漏洩した放射性物質を観測することで、水銀標的及び水銀循環系の故障の兆候を見つけ出すための統合水銀放射能モニター(UHAM)を設置しており、3つのサンプリングポートと放射線モニターとの組み合わせにより構成されている。(1)HAM(水銀容器と冷却水容器のヘリウムガス層を監視する)、(2)CAM(水銀循環系が稼働しているホットセルの空気を監視する)、(3)VAM(水銀容器が設置されているヘリウムベッセル内のヘリウムガスを監視する)。放射性物質の漏洩が検知されると、即座に警報が発報し、加速器制御系へ運転停止信号が送られる。ソフトウェアとハードウェアは、毎年適宜更新されている。例えば、HAMを二重化するための2台のGe検出器の設置、各系統に高計数率時のGe検出器への補償として、NaIシンチレーション検出器の設置を行っている。2015年4月の水銀容器の冷却水の漏洩時には、UHAMは活躍した。すなわち、VAMが、ヘリウムベッセル内の計数率の異常上昇を検知した。その後、測定された放射性物質の情報から、水銀の漏洩ではなく冷却水の漏洩であることを明らかにした。

Effect of gas microbubble injection and narrow channel structure on cavitation damage in mercury target vessel

直江 崇; 木下 秀孝; 粉川 広行; 涌井 隆; 若井 栄一; 羽賀 勝洋; 高田 弘

Materials Science Forum, 1024, p.111 - 120, 2021/03

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1024.111

J-PARCの核破砕中性子源に設置されている水銀標的容器は、水銀中に生じる陽子線励起圧力波が引き起こすキャビテーションによって損傷を受ける。キャビテーションによる壊食損傷を低減する方策として、キャビテーションを誘発する圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入に加えて、ビーム窓先端に狭隘流路を有する2重壁構造容器を採用した。損傷低減化策の効果を確認するために、使用後の標的容器先端部を切断し、内部に形成された損傷を観察した。その結果、積算出力1812MWh(平均強度434kW)で微小気泡を注入して運転した2重壁構造容器で観測された損傷は、積算出力1048MWh(平均強度181kW)の気泡を注入しない従来型容器で観測された損傷と同等であった。さらに、狭隘流路に接する側では、気泡が注入された水銀に接する側より著しく損傷が少ないことを確認した。

Cavitation damage in double-walled mercury target vessel

直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 506, p.35 - 42, 2018/08

BB2016-1013.pdf:0.96MB

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.10.044

J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、ビーム窓と呼ばれる厚さ3mmの先端部分が、陽子線励起圧力波よるキャビテーションにより壊食損傷する。この損傷は容器の構造健全性を低下させ、容器の寿命の決定因子となっている。我々は、2014年からキャビテーション損傷及びそれを誘発する圧力波を低減するために、気泡注入に加えて狭隘流路を設置することで、ビーム窓の水銀流速を速める2重壁構造を採用し、300500kWの強度で運転を行った。使用済みの容器を切断し、内壁を観察した結果、狭隘流路の内側で最大深さ約25mの帯状の損傷が観測された。この原因を調べるために、負圧の持続時間に着目した圧力波伝ぱ解析を実施した結果、ビーム入射直後から1msまでに生じる負圧の持続する時間をマッピングした結果と、形成された損傷の分布がよく対応しており、比較的短時間の負圧によって生じるキャビテーションが損傷形成に寄与していることを示唆した。

Cavitation damage prediction for the JSNS mercury target vessel

直江 崇; 粉川 広行; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 木下 秀孝; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.313 - 320, 2016/01

BB2014-2665.pdf:3.4MB

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.035

J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)水銀ターゲット容器は、陽子線入射励起圧力波により励起されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーションによる損傷は、容器の構造健全性を低下させるため現在のところ容器の交換寿命を決める支配因子となっている。圧力波及びキャビテーションによる損傷を低減するためには、水銀中にガスマイクロバブルを注入することが効果的な手法である。JSNSでは、ガスマイクロバブルを注入するためのシステムを2012年10月に設置し、レーザードップラー振動計を用いて容器の振動をモニタリングすることによって水銀中へのバブル注入の効果をした。その結果、振動速度は気泡注入量の増加に伴って減少することを確認した。また長期間の運転では、気泡注入によって平均でバブル注入無しの1/4程度の振動速度を維持した。

Development of microbubble generator for suppression of pressure waves in mercury target of spallation source

粉川 広行; 直江 崇; 京藤 敏達*; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 二川 正敏

Journal of Nuclear Science and Technology, 52(12), p.1461 - 1469, 2015/12

https://doi.org/10.1080/00223131.2015.1009188

MW級核破砕中性子源の水銀ターゲットでは、大強度のパルス陽子ビーム入射により圧力波が発生する。圧力波の伝ぱはターゲット容器壁に沿って負圧の発生を引き起こし、キャビテーション損傷により容器が損傷する。ヘリウムガスの微小気泡を水銀中に注入することは圧力波及びキャビテーション損傷を抑制する効果的な技術の一つである。生成する気泡の大きさとJSNSの水銀ターゲットシステムへの設置のしやすさを考慮した場合、液体の旋回流を用いた気泡生成器(旋回流型気泡生成器)が気泡生成器として適していることが分かった。しかし、一つの旋回流型気泡発生器を流動する水銀中に用いた場合、生成器の下流に水銀の旋回流が残り、残留する旋回流は気泡の合体を引き起こし、結果として圧力波の抑制効果は十分でなくなる。この課題を解決するために、複数の旋回流気泡発生器を水銀の流動方向に垂直な面に並べた複数旋回流型気泡生成器を開発した。JSNSの運転条件で試験を行い、圧力波を抑制することが期待できる半径65mの気泡を生成できることを確認した。

Experiences on radioactivity handling for mercury target system in MLF/J-PARC

甲斐 哲也; 春日井 好己; 大井 元貴; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 関 正和; 原田 正英

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.380 - 383, 2014/04

https://doi.org/10.15669/pnst.4.380

J-PARC物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源では、水銀ターゲットに1MWの大強度陽子ビームを照射し、中性子を生成する。陽子ビーム照射による水銀の核破砕反応により、中性子のみならずさまざまな放射性核種が生成される。著者らは粒子輸送計算コードNMTC/JAM, MCNP/4C及び各種の崩壊生成計算コードDCHAIN-SP 2001による評価を行い、放射性核種の取扱いシナリオを構築した。本発表では、その具体例として、水銀循環設備や気体廃棄物処理設備の設計において、評価結果がどのように活用されたか報告する。また、主としてキセノンやトリチウムの挙動について、施設の運転経験から得た知見を紹介する。報告内容は、核破砕生成物の取扱いに関する知見、液体金属をターゲットとする大強度加速器中性子源や核変換システムなどに役立つことが期待される。