Measurement of displacement cross-sections of copper and iron for proton with kinetic energies in the range 0.4 - 3 GeV

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(10), p.1141 - 1151, 2020/10

https://doi.org/10.1080/00223131.2020.1771453

加速器駆動型核変換システム(ADS)等の陽子ビーム加速器施設におけるビーム窓などの構造材の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(dpa)が損傷指標として広く用いられる。dpaの評価は弾き出し断面積に基づいて行われるものの、20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対する弾き出し断面積の実験データは乏しく、計算モデルの間でも約8倍の差が存在している。このため、弾き出し断面積を実験的に取得するのは計算に用いるモデルの評価のために重要となる。弾き出し断面積の取得のため、J-PARCの加速器施設において、0.4-3GeVにわたる陽子エネルギー領域における銅と鉄の断面積を測定した。弾き出し断面積は、損傷を保持するために極低温に冷却された試料における、陽子ビームに金する抵抗率変化により得ることができる。本測定で得られた実験結果を元に、計算モデルの比較検討を行った。広く用いられているNorgertt-Robinson-Torrens (NRT)モデルは、実験値を3.5倍過大評価することが判明した。一方、近年の分子動力学に基づく非熱的再結合補正(arc)モデルは実験値をよく再現したため、銅と鉄の損傷評価にはarcモデルを使うべきであると結論づけられた。

Development of cryogenic tensile testing apparatus for lattice strain measurement using synchrotron radiation for REBCO composite conductors

菅野 未知央*; 町屋 修太郎*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 梶原 堅太郎*; 中本 達志*

Superconductor Science and Technology, 33(8), p.085003_1 - 085003_10, 2020/08

https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab953e

REBaCuO-delta (REBCO) composite tapes are candidate conductors for future accelerator magnets. Given that REBCO is a brittle oxide film, stress/strain management is important in the mechanical design of a magnet. Therefore, the strain state of a superconducting film should be predicted under various operating conditions. A quantum beam is a useful tool in evaluating the strain state of a superconducting material in a composite conductor. Although various cryogenic tensile testing machines, in combination with neutron beam and synchrotron radiation, have been developed, they are not necessarily optimized for measuring highly textured materials such as REBCO films. This study reports a novel cryogenic tensile testing apparatus that can be used at the beamline of a synchrotron radiation facility. In this system, a superconducting tape is cooled using a Gifford-McMahon (GM) cryocooler through 2.5 m long thermal links made of 5 N high-purity aluminum. This enables a compact cryogenic loading system that can be mounted on the goniometer of a beamline. Lattice strain measurements using synchrotron radiation were conducted at 40 K, 77 K, and 300 K for a commercially available (Y,Gd)BCO coated conductor at BL28B2 in SPring-8. The onset strain of film fracture determined from the lattice strain measurement at 77 K agreed well with the irreversible strain of critical current at the same temperature. The residual and fracture strain of the (Y,Gd)BCO film at 77 K was evaluated as well.

Neutron diffraction study on martensitic transformation under compressive stress in an ordered FePt

福田 隆*; 山口 貴司*; 掛下 知行*; Harjo, S.; 中本 建志*

Journal of Applied Physics, 126(2), p.025107_1 - 025107_6, 2019/07

AA2019-0505.pdf:1.15MB

https://doi.org/10.1063/1.5098960

We have studied the structure change of an ordered FePt (degree of order 0.75) under a compressive stress applied in the [001] direction by neutron diffraction. In the absence of the stress, the alloy exhibits a weak first order martensitic transformation at 90 K from the L1-type cubic structure to the L6-type tetragonal structure. Under the compressive stress of 100 MPa, the first order nature of the thermally-induced martensitic transformation was undetectable in the temperature range of between 70 K and 270 K. The first order nature of the stress-induced martensitic transformation was also undetectable in the stress range of between 6 MPa and 300 MPa when tested at 120 K and higher temperatures. Under these conditions, the lattice parameters change continuously both in the cooling process and in the stress-applying process. A significant stress-induced softening of lattice was observed between 120 K and 265 K but not at 93 K and 295 K.

Measurement of displacement cross-section for structural materials in High-Power Proton Accelerator Facility

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 岩元 大樹; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 吉田 誠*; 石田 卓*; 牧村 俊助*; 中本 建志*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.499 - 501, 2018/06

https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2018-MOPML045

核変換システム等のハドロン加速器施設では、ビーム出力の上昇に伴いターゲット材料に対する損傷の評価が重要となる。加速器施設で用いられているターゲット材料等の損傷は、原子あたりの弾き出し損傷(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し損傷断面積に粒子束を乗ずることで評価されている。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する損傷断面積の実験データは数点しかなく十分でない。最近の研究において、タングステンの弾き出し損傷断面積が計算モデル間で約8倍異なることが報告されており、ターゲット材料の損傷評価のためには弾き出し損傷断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARC加速器施設の3GeVシンクロトロン加速器施設を用い、弾き出し損傷断面積の測定実験を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機(GM冷凍機)で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。本発表では、銅に3GeV陽子を入射する場合の弾き出し損傷断面積の測定結果を速報として報告する。

Model magnet development of D1 beam separation dipole for the HL-LHC upgrade

中本 建志*; 菅野 未知央*; Xu, Q.*; 川又 弘史*; 榎本 瞬*; 東 憲男*; 出崎 亮; 飯尾 雅実*; Ikemoto, Yukio*; 岩崎 るり*; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 25(3), p.4000505_1 - 4000505_5, 2015/06

https://doi.org/10.1109/TASC.2014.2361404

近年、大強度加速器施設におけるビーム高強度化を実現するため、強い放射線環境下で安定に高磁場を形成可能な超伝導磁石システムが求められている。本研究では、大型ハドロン衝突型加速器(Large Hadron Collider: LHC)の高輝度化アップグレード計画において、数十MGy級の耐放射線性を有するビーム分離用双極超伝導磁石システム(D1システム)を開発することを目指している。このシステムには超伝導材料や電気絶縁材料が用いられるが、電気絶縁材料にはコイル線材間の隙間を埋める成形性と十分な耐放射線性が要求される。我々は高い成形性、放射線照射時の低分解ガス生成能と高強度維持を実現したガラス繊維強化ビスマレイミドトリアジン(BT)樹脂を開発した。従来のガラス繊維強化エポキシ(G10)樹脂の場合、10MGyの線照射後、410mol/gのガスが発生し、曲げ強度が初期値の60%である280MPaまで低下したのに対し、BTでは100MGyの線照射後、510mol/gのガス発生量と初期値の90%である640MPaの曲げ強度を示した。今後、NbTi系超伝導線材の開発と磁石デザインを行ない、D1システム用モデル磁石を製作する予定である。

Stress/strain effects on industrial superconducting composites

伊藤 崇芳; Harjo, S.; 長村 光造*; 辺見 努; 淡路 智*; 町屋 修太郎*; 小黒 英俊*; 西島 元*; 高橋 弘紀*; 松井 邦浩; et al.

Materials Science Forum, 681, p.209 - 214, 2011/05

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.681.209

The construction of the engineering materials diffractometer TAKUMI at J-PARC has been finished at the end of March 2009, and user programs have been started since January 2009. We proposed a project research with the title of "Stress/strain effects on industrial superconducting composites", and have carried out several preliminary experiments at TAKUMI. This project research aims to clarify internal strains behaviors in industrial superconducting materials generated due to their processes and/or during uses, and to understand the relation between the internal strains and their superconducting properties. Our interests are in developments of superconducting (NbSn, NbAl, etc.) strands and HTC tapes, and in developments of superconducting (ITER and LHC) cables (composing many superconducting strands or tapes and other stabilizing and/or strengthening materials). In this opportunity, we will report our project research status more details.

超伝導磁石用高分子材料の77Kにおける耐放射線性; ガス発生

出崎 亮; 後閑 麻代*; 森下 憲雄; 伊藤 久義; 中本 建志*; 荻津 透*; 大畠 洋克*; 木村 誠宏*; 槙田 康博*; 山本 明*

JAEA-Review 2006-042, JAEA Takasaki Annual Report 2005, P. 32, 2007/02

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Review-2006-042.pdf

大強度陽子加速器施設(J-PARC)のニュートリノビームラインに設置される超伝導磁石システムにおいて電気絶縁材や構造材として使用される高分子材料について、液体窒素温度(77K)での線照射によるガス発生挙動を調べた。その結果、発生するガスの90%以上が水素であること、発生する水素は超臨界ヘリウム精製機の運転にほとんど影響を及ぼさないことが明らかになった。

Evolved gases from organic materials used in the superconducting magnets irradiated by gamma rays at liquid nitrogen temperature

出崎 亮; 森下 憲雄; 伊藤 久義; 神谷 富裕; 中本 建志*; 木村 誠宏*; 槙田 康博*; 荻津 透*; 大畠 洋克*; 山本 明*

AIP Conference Proceedings 824, p.330 - 334, 2006/03

https://doi.org/10.1063/1.2192368

ポリイミドやガラス繊維強化プラスティック(GFRP)は大強度陽子加速器施設(J-PARC)のニュートリノビームラインにおける超伝導磁石の電気絶縁材や構造材として使用される。これらの有機材料は4Kの極低温、かつ30kGy/yearの高放射線場において電気的・機械的特性を維持しなければならないため、その耐放射線性を評価することが不可欠である。本研究では、これらの有機材料の耐放射線性評価の一環として、液体窒素温度での線照射によって有機材料から発生するガスを分析した。その結果、発生ガスの主成分は水素であり、ニュートリノビームラインの超伝導磁石システム全体における水素発生量は0.37mol/yearであることを明らかにした。このことから、有機材料から発生するガスが超伝導磁石の冷媒である超臨界ヘリウムの精製機に及ぼす影響はほとんど無視できるとの結論を得た。

Measurements of neutron spectra produced from a thick iron target bombarded with 1.5-GeV protons

明午 伸一郎; 執行 信寛*; 伊賀 公紀*; 岩元 洋介*; 木附 洋彦*; 石橋 健二*; 前畑 京介*; 有馬 秀彦*; 中本 建志*; 沼尻 正晴*

AIP Conference Proceedings 769, p.1513 - 1516, 2005/05

https://doi.org/10.1063/1.1945292

核破砕中性子源等のビームライン機器の設計に使用される核子・中間子輸送計算コードの計算精度検証のためには、薄いターゲットを用いた微分断面積測定データのみならず、厚いターゲットの実験が有効である。今回はKEKにおいて鉄ターゲットから生成される中性子スペクトルを測定した。実験はKEKの東カウンターホール内で行った。1.5GeV陽子を20cm厚の鉄ターゲットに入射し、生成中性子のスペクトルを飛行時間法により測定した。測定で得た結果とNMTC/JAMによる計算結果との比較を行った。計算は実験と全体的によい一致を示しており、特に重金属ターゲットに見られた過小評価は見られない。また媒質効果を考慮した核子・核子断面積を用いることにより、計算はさらに実験とよい一致を示し、最大でも50%以内の精度で予測できることがわかった。この結果は、鉄製機器の核特性評価を行ううえで本計算手法が十分な精度を有していることを示す。

J-PARCニュートリノビームライン超伝導磁石用高分子材料の耐放射線性評価,1; 機械特性

出崎 亮; 中本 建志*; 荻津 透*; 大畠 洋克*; 木村 誠宏*; 槙田 康博*; 山本 明*; 後閑 麻代*; 森下 憲雄; 伊藤 久義

no journal, , 

J-PARCニュートリノ実験・50GeV-750kW陽子ビームライン用超伝導磁石に使用される高分子材料について、常温及び77Kにおいて線照射を行い、機械特性の変化を測定した。その結果、高分子材料は十分な耐放射線性を有しており、10年間の運転に相当する吸収線量においても、機械特性の劣化は無視できる程度であることがわかった。