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論文

Measurement of aluminum activation cross section and gas production cross section for 0.4 and 3-GeV protons

明午 伸一郎; 西川 雅章; 岩元 大樹; 松田 洋樹

EPJ Web of Conferences, 146, p.11039_1 - 11039_4, 2017/09

BB2016-1181.pdf:0.4MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:85.61

J-PARCセンターで進めている核変換実験施設(TEF)の要素技術試験の一環として、加速器とターゲットステーションの隔壁となるアルミからなる陽子ビーム窓の寿命評価のためにアルミの放射化断面積を測定した。実験では、J-PARCの3GeV陽子シンクロトロン(RCS)から出射するビームを用い、RCSのビームダンプにアルミフォイルを設置し、0.4GeV及び3GeV陽子を入射しAl(p,x)$$^7$$Be-7、Al(p,x)$$^{22}$$Na及びAl(p,x)$$^{24}$$Na反応の断面積を残留核から生成する$$gamma$$線の測定から導出した。さらに物質・生命科学実験施設内に設置されたミュオン生成用の炭素ターゲットから生成するガスを四重極質量分析器で分析し、炭素のガス生成断面積を測定した。J-PARCの加速器施設は、陽子ビームの強度モニタが高精度に校正されていること、陽子ビームがよくコリメートされていること、更に陽子エネルギが高精度に測定できること等により、既存の実験データより高い精度で断面積が測定できることがわかった。また、本測定で得られた結果と評価済み核データ(JENDL/HE-2007)の比較の結果、JENDL/HE-2007は最大で30$$%$$程度の違いはあるものの、概ね実験結果をよく再現することがわかった。さらにTEFの核設計に用いられているPHITSコードよる計算結果との比較を行った。PHITSに最新の核内カスケードモデルによる計算は、概ね実験を再現するものの40$$%$$程度の過小評価を与えることがわかった。本研究や今後の反応断面積測定により核データや核反応モデルの高度化が期待できる。

論文

Update status of the J-PARC 3NBT control system

大井 元貴; 明午 伸一郎; 圷 敦*; 川崎 智之; 西川 雅章*; 福田 真平

Proceedings of 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '15), p.89 - 96, 2016/00

J-PARCでは、3GeV, 1MWの陽子ビームを3GeV陽子ビーム輸送施設(3NBT)を経由して核破砕中性子源施設に輸送する。J-PARCのような大出力の加速器施設では、僅かなビームロスであっても、重大な故障に発展する可能性があるため、小さな異常の段階で迅速に検知するためのシステムが必要であり、EPICSとCSS(Control System Studio)を用いた監視制御システムを開発した。これにより、モニタデータを複合的に評価する環境を構築した。また、ビーム調整を効率よく行うためにSADコードを用いた制御システムを開発し、数ショットのビームで容易にビーム診断および調整を可能にし、ビーム電流密度の平坦化を目的として導入された8極電磁石に起因する非線形ビーム光学への対応も行った。これらのビーム輸送系の制御改良により、ビーム調整の手順が簡略化し数クリックで軌道調整が可能になり、また、習熟度の低いオペレータでも容易に軌道調整が可能になった。

論文

Research and development of high intensity beam transport to the target facilities at J-PARC

明午 伸一郎; 大井 元貴; 池崎 清美*; 川崎 智之; 木下 秀孝; 圷 敦*; 西川 雅章*; 福田 真平

Proceedings of 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '15), p.255 - 260, 2016/00

At the J-PARC, spallation neutron and muon sources has built at placed at the MLF by using 3-GeVproton beam. By the result of post irradiation examination of the mercury target vessel, damage was found on the surface of the vessel due to the pitting erosion caused by the proton beam. Since the pitting erosion is known to be proportional to the 4th power of the beam current density, peak current density should be kept as low as possible so that beam-flattening system by nonlinear beam optics using octupole magnets was developed. For efficiently beam tuning, a tool was developed by using SAD code system. By the result of the beam study, the peak current density at the target can be reduced by 30% with the present nonlinear optics.

論文

Development of a turbo-molecular pump with a magnetic shield function

荻原 徳男; 柳橋 亨; 引地 裕輔; 西川 雅章; 神谷 潤一郎; 和田 薫*

Vacuum, 98, p.18 - 21, 2013/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:30.5(Materials Science, Multidisciplinary)

In order to safely use turbo-molecular pumps (TMPs) in a magnetic field, it is necessary to reduce the eddy current induced on the rotating rotor. Usually, a magnetic shield facility is added to a normal TMP available in the market. In this study, we have developed a TMP with a magnetic shield function by replacing the housing materials with a ferromagnetic substrate, SUS430. Before and after machining, SUS430 was vacuum-fired at 700$$^{circ}$$C for 10 h in order to have good vacuum quality and to recover high magnetic permeability. The magnetic shield efficiency of a housing made of SUS430 was examined. When the vertical magnetic field of 0.009 T was applied, the field inside of the TMP was reduced to less than 0.0003 T. We then confirmed that the developed TMP shows a good performance in achieving an ultrahigh vacuum in magnetic fields of up to 0.009 T.

論文

Vacuum chamber made of soft magnetic material with high permeability

神谷 潤一郎; 荻原 徳男; 西川 雅章; 引地 裕輔; 柳橋 亨; 金正 倫計

Vacuum, 98, p.12 - 17, 2013/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:38.93(Materials Science, Multidisciplinary)

ビームパワーの大強度化が進む粒子加速器や、核融合における一つの課題は不必要な磁場をいかにして遮蔽し、安定したビーム軌道を得られるかということである。ビームに対して不必要な磁場を最も効果的に遮蔽をすることは、最もビームに近い場所でビームの周りを磁性材料で完全に覆うことである。ビームの存在する真空容器を磁性材料化することが、完全な磁場遮蔽であるといえる。われわれは、現在漏洩磁場によりビーム軌道に影響がでているJ-PARC 3GeVシンクロトロン出射部の真空容器に対し、磁性材料化を適用することとした。しかしながら、磁気性能及び真空性能を併せ持つ真空容器の実績はない。そこで必要な磁気性能及び真空性能を満たすための課題を洗い出し、それらに対し実測に基づき検証を行った。その結果、磁気遮蔽性能及び真空性能の非常に優れた強磁性体材料製真空容器を開発することに成功したので報告する。本開発結果により、ビームを安定な軌道で運転でき、ビームロスを低減することが期待されるため、加速器をより安定に運転することが可能となる。

論文

J-PARC 3GeVシンクロトンにおけるキッカー電磁石フェライトコアの脱ガス処理

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 西川 雅章; 柳橋 亨; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Journal of the Vacuum Society of Japan, 56(5), p.159 - 162, 2013/05

Kicker magnets are used to kick out the accelerated beam to the transport lines in the RCS of the J-PARC. A high voltage is applied to kickers for a short period, so they must be installed in a vacuum to prevent discharge. Therefore, it is important to reduce the outgassing of water vapor from the ferrite cores. This time, we have decided to construct the reserve magnets with very low outgassing at high-voltage discharge. First of all, the thermal desorption behavior of the ferrite was investigated by thermal desorption spectroscopy (TDS). TDS spectra show two peaks of water vapor: at 150$$^{circ}$$C and 300$$^{circ}$$C. Carbon dioxide is rather largely emitted with the peak around 275$$^{circ}$$C and then decreases with the temperature. From these results, the ferrite cores were vacuum-fired at 450$$^{circ}$$C for 48 h. Then the good properties for the magnetic cores were confirmed. And now the performances of the kicker magnet are examined.

論文

Visualization of focused proton beam dose distribution by atomic force microscopy using blended polymer films based on polyacrylic acid

大道 正明*; 高野 勝昌*; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 石井 保行; 大久保 猛; 江夏 昌志; 加田 渉; 杉本 雅樹; 西川 宏之*; et al.

Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12, p.7401 - 7404, 2012/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:12.81(Chemistry, Multidisciplinary)

A new visualization method for dose distribution of a focused proton beam in sub-micrometer scale was developed using a formation of a bulky cross-linked structure of polyacrylic acid -$$N$$, $$N$$'-methylence bisacrylamide, blend film. The areas irradiated by the focused proton beam were swelled on the film. The height of the swelling was significantly increased according to the beam fluence and the increase of containing ratio of the methylence bisacrylamide. The height was saturated at the fluence of 5$$times$$10$$^5$$ ions/$$mu$$m$$^{2}$$. The proton beam-sensitive polymer film was used for the analysis of dose distribution on its surface. The irradiated surface was observed by employing an atomic force microscope. This observation result showed that the method could be used to confirm the writing patterns and the beam-spot shape. Nanostructures with a crescent shape are visualized clearly at a misaligned beam-spot shape in the set up of the beam-optics.

論文

Microprocessing of arched bridge structures with epoxy resin by proton beam writing

高野 勝昌*; 麻野 敦資*; 前吉 雄太*; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 佐伯 昭紀*; 関 修平*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕; et al.

Journal of Photopolymer Science and Technology, 25(1), p.43 - 46, 2012/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:7.78(Polymer Science)

The proton beam writing (PBW) with energy of several MeV ranges is a unique tool of three-dimensional microprocessing for a polymer material. Three-dimensional structures like a bridge structure can be fabricated by the double exposures of PBW with two deferent energies followed by the one-time development using etching solution. In this study, the fabrication of an arched bridge was attempted by means of the supercritical drying with liquid carbon dioxide to a SU-8 photoresist film, as the polymer material, coated on a substrate of epoxy sheet, after the PBW process. In the exposures, two patterns of bridge girders and piers were written with 0.5 and 3 MeV proton beams to the SU-8 photoresist films, respectively. After these writings, the photoresist films were developed with the solution of diacetone alcohol and rinsed with the solution of isopropyl alcohol. Then the supercritical drying with liquid carbon dioxide was used at 12 MPa, 40$$^{circ}$$C. As the results, the bridge structures with curved girders to the vertical direction were formed due to the swelling effect of the photoresist film on the drying. In the conference, the microprocessing method of the bridge structure and the swelling effect of the photoresist film will be represented in detail.

論文

Fabrication of concave and convex structure array consisted of epoxy long-nanowires by light and heavy ion beams lithography

高野 勝昌*; 杉本 雅樹; 麻野 敦資*; 前吉 雄太*; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 佐伯 昭紀*; 関 修平*; 佐藤 隆博; 石井 保行; et al.

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 37(2), p.237 - 240, 2012/06

A three dimensional microfabrication technique for polymer films has been investigated on the basis of fabricating micrometer structures composed of the fine wire structures which were fabricated by the chemical reaction induced along ion tracks of heavy ions with the energy of hundred MeV. In this study, we propose a new hemispherical microfabrication technique of epoxy resin for the fabrication of optical lenses using two times irradiation technique combining proton beam writing and low fluence irradiation of heavy ion beam. At first, an epoxy resin films composed of an etching and a non-etching layers of epoxy resin were irradiated at a frame pattern using a 3 MeV focused proton beam. At second, the low fluence irradiation of 450 MeV $$^{129}$$Xe$$^{23+}$$ was performed by a raster line scanning with oblique angle of 45 degree. Finally, the non-irradiated area of the etching layer of the films were etched by the developer. The observation of the etched films showed that the dome-like structures arrayed with a grid were formed on the non-etching layer of the epoxy resin films. The more detailed observation showed that each dome was composed of the fine wire structures formed by cross-linking reactions induced along the $$^{129}$$Xe$$^{23+}$$ tracks. The domes are expected to function as optical condenser-lenses.

論文

Status of the vacuum system in J-PARC RCS

神谷 潤一郎; 荻原 徳男; 西川 雅章; 引地 裕輔; 柳橋 亨; 金正 倫計

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.2522 - 2524, 2012/05

加速器において、ビームと真空の相互作用はビームラインの圧力上昇という形で観測される。J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、ビームパワー300kWというかつてない大強度ビーム運転を行い、陽子ビームと真空の相互作用が観測され始めている。これまで、圧力上昇の原因は、(1)高エネルギービームによる真空壁表面からの気体の脱離、(2)残留ガスがビームとの散乱により作られるイオン(or電子)による真空壁表面からの気体の脱離、(3)化学反応による真空壁表面からの気体の脱離、等が考えられてきた。今回の報告では、ビームロスとの相関,長期ビーム運転による圧力上昇の変化等を調べることでこれらの原因を探ることを目的とする。また、2011年3月の東日本大震災時の真空システムの挙動,被害状況,復旧方法、その後の真空システム状況についても合わせて報告する。

論文

Reduction of outgassing from the ferrite cores in the kicker magnet of J-PARC RCS

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 西川 雅章; 柳橋 亨; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.487 - 489, 2012/05

Kicker magnets are used to kick out the accelerated beam to the beam transport lines in the RCS of the J-PARC. A high voltage is applied to kickers for a short period, so they must be installed in a vacuum to prevent discharge. Therefore, it is important to reduce the outgassing of water vapor from the ferrite cores. After bake-out at 200$$^{circ}$$C for 300 hours, the outgassing rate decreased to less than 1$$times$$10$$^{-7}$$ Pam/s. However, the small amount of water vapor and carbon monoxide were emitted from the ferrite cores at charging voltage of 80 kV. This time, we have decided to construct the reserve magnets with very low outgassing at high-voltage discharge. First of all, the thermal desorption behavior of the ferrite was investigated. Water vapor has two peaks: at about 150$$^{circ}$$C and 350$$^{circ}$$C. Carbon monoxide is rather largely emitted around 400$$^{circ}$$C and then decreases with the temperature. From these results, the ferrite cores were vacuum-fired at 450$$^{circ}$$C for 48 h. Then the good properties for the magnetic cores were confirmed. And now the assembling of the kicker magnet is undertaken.

論文

Fabrication of poly(9,9'-dioctylfluorene)-based nano- and microstructures by proton beam writing

前吉 雄太*; 高野 勝昌*; 麻野 敦資*; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 石井 保行; 大久保 猛; 江夏 昌志; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 51(4R), p.045201_1 - 045201_4, 2012/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:5.05(Physics, Applied)

A relation between the fluence and the beam-induced chemical reaction in poly(9,9'-dioctylfluorene), PFO, films has been investigated to fabricate PFO-based nano-micro structures using Proton Beam Writing, PBW. In this investigation, we observed that the cross-linking reaction in PFO occurred without a cross-linking agent using PBW. Furthermore, not only the surface morphology but also structure and shape on PFO films were changed from nano-meter to micro-meter size by controlling the fluence of proton beam irradiation on the basis of the investigation. Consequently, the structure of the arabic numbers was successful fabricated as three-dimensional PFO structures with the aspect ratio of 12 at the fluence of 3.5 $$times$$ 10$$^6$$ ions/$$mu$$m$$^2$$ by PBW.

論文

キッカー電磁石に組込まれたフェライトのin situでの脱ガス処理

神谷 潤一郎; 荻原 徳男; 西川 雅章; 引地 裕輔; 柳橋 亨; 菅沼 和明

Journal of the Vacuum Society of Japan, 55(4), p.156 - 159, 2012/04

真空容器中の大型構造物を脱ガスする際は、大気側に設置した熱源で真空容器を昇温しその輻射や伝導で構造物を昇温することは一般的に行われる手法である。しかしこの手法には膨大な容量の熱源が必要となる。また、容器の熱のびがあるため使用できる環境が制限される。真空容器を加熱することなく内部の構造物だけを昇温する手法こそが、省エネルギーで最も効率が良い手法といえる。そのためには、熱源を真空容器内部に持ち込み、熱源と真空容器の間を断熱し、構造物への輻射の熱流量を真空容器への熱流量よりも大きくすればよい。加速器においても真空容器内の構造物のみを脱ガスしたいという要求は多々ある。われわれは前述の手法をJ-PARC 3GeVシンクロトロンビーム出射用キッカー電磁石プロトタイプの脱ガスに適用した。電磁石のコアであるフェライトは多孔質な材料であり、気孔に水が吸着し続ける。そのためキッカー電磁石の放出ガスの主成分は水である。このフェライトをin situで水が脱離する温度まで昇温することが重要となる。そこで熱源を真空中に持ち込む手法をキッカー電磁石の脱ガスに適用し、検証実験を行ったので報告する。

口頭

Three dimensional nano-micro processing for polymer films by MeV ion beam lithography

高野 勝昌*; 麻野 敦資*; 前吉 雄太*; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 佐伯 昭紀*; 関 修平*; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 石井 保行; et al.

no journal, , 

The fine strings of epoxy-resin were fabricated using a focused MeV ion beam in this paper. This fabrication was carried out by the following four steps. Firstly, an epoxy-resin layer was spin-coated on a epoxy-resin film cured by electron beam irradiation as a substrate. Secondly, bridge patterns were irradiated on the epoxy-resin layer by Proton Beam Writing two times with the two different energies which led its proton beam to the two different penetration depths. Thirdly, focused 520 MeV $$^{40}$$Ar$$^{14+}$$ particles were irradiated at aiming the bridge patterns, controlling a spot pattern. Finally, the development of the irradiated epoxy-resin files was carried out using the supercritical carbon dioxide fluid, CO$$_2$$ to etch the non-irradiated area under reducing the surface tension among areas of sub-micrometer size. The epoxy-resin fine strings with the diameter of 0.8 $$mu$$m was observed between the bridge structure with the height of 20 $$mu$$m and the substrate using a scanning electron microscope. A microprocessing for fine strings of a epoxy-resin was demonstrated using a focused several hundred MeV ion beam.

口頭

Three dimensional microprocessing for polymer films by mev ion beam lithography

高野 勝昌*; 麻野 敦資*; 前吉 雄太*; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 佐伯 昭紀*; 関 修平*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕; et al.

no journal, , 

A three-dimensional micro-structure with upstanding nanowires was fabricated on the basis of the nano- and micro-processing technique developed as a new method of ion beam lithography employing a series of irradiations on epoxy films, (a) microbeam scanning with two different energies of a few MeV and (b) single heavy ion hits with several hundred MeV energy. Demonstration of fabricating a girder-bridge and pillars for support of upstanding nanowires was made as follows: the pattern of the girder-bridge and pillars was drawn using irradiation (a), the pattern on single-dots for nanowires was superimposed on the girder-bridge pattern using irradiation (b), and development of the irradiated sample by etching solution. The upstanding nanowires between the epoxy substrate and the girder bridge were successfully fabricated and observed using SEM.

口頭

1MW大強度核破砕中性子源でのビーム平坦化技術開発

明午 伸一郎; 大井 元貴; 藤森 寛*; 川崎 智之; 西川 雅章; 福田 真平

no journal, , 

J-PARCでは速い繰り返し(25Hz)の3GeV陽子シンクロトロン加速器から出射する1MWの大強度陽子ビームを用いた核破砕中性子源(JSNS)の運転を目指している。中性子源の水銀容器ではビームに誘発されるピッティング損傷が重要な問題となっている。ピッティング損傷はピーク電流密度の4乗に比例するために、ピーク電流密度を低く抑えた運転が求められる。この実現のため、我々は八極電磁石を用いた非線形ビーム光学によるビーム平坦化技術の開発及び、RCSから出射される1MWのビームを用いたプロファイルの制御試験を行ってきた。八極電磁石におけるビームの$$beta$$関数や、位相差が重要な鍵となるが、短時間のビーム調整時間内に効率的に試験・調整を行うことが可能なようにSAD(Strategic Accelerator Design)を用いたツールの開発を行った。その結果、わずか数ショットでビーム診断とビーム平坦化に必要な非線形ビーム光学の調整が可能になった。ツールによるビーム調整により、非線形ビーム光学によりピーク電流は約30%減少できる見込みを得た。

口頭

物質・生命科学実験施設における陽子ビーム窓交換作業

大井 元貴; 細川 英洸*; 西川 雅章*; 福田 真平; 勅使河原 誠; 明午 伸一郎; 高田 弘

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)の核破砕中性子源では、中性子を発生させる中性子標的等をヘリウムベッセル内に設置している。一方、3GeVシンクロトロンからMLFの中性子源まで3GeV陽子ビームを輸送するビームラインは10$$^{-5}$$Pa以下の超高真空に保たれている。このビームラインとヘリウムベッセルを隔離するために陽子ビーム窓が設置されている。陽子ビーム窓は、窓材のアルミ合金の放射線損傷のため、1MW出力の運転において2$$sim$$3年の周期で交換する計画である。2017年夏の保守期間において、2号機から3号機への交換を行った。放射化したビーム窓の移動には、遮へいキャスクを使用し、また、冷却水, 真空、およびピローシール加圧配管等の着脱は、遮へいプラグ上部でハンズオン作業で行った。冷却水中には、5$$times$$10$$^{4}$$Bq/ccのトリチウムが含まれているため、交換前に配管内を乾燥させ、配管着脱時には、放射性物質の飛散防止対策として、作業エリアにグリーンハウスを設置し、局所排気を施した。本発表では、陽子ビーム窓交換作業とその安全対策について報告する。

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