Response function measurement for a non-destructive gas-sheet beam profile monitor

山田 逸平; 神谷 潤一郎

Review of Scientific Instruments, 95(12), p.123308_1 - 123308_11, 2024/12

https://doi.org/10.1063/5.0234781

大強度イオン加速器の安定化やさらなる大強度化にはビームの非破壊計測が必須である。そのため、ビームとシート状ガスの相互作用により生じる光子を利用してビームのプロファイルを計測する、ガスシートビームプロファイルモニタの高度化を進めている。このようなモニタでは、ガスシート分布や光子検出器の感度分布に代表されるモニタ全体の応答関数により変換を受けた信号が得られる。定量的にビームプロファイルを得るためには、この応答関数を実測し、適切な解析により変換を解く必要がある。そこで、測定したい大強度ビームと比べて十分細いビームを用いた応答関数測定手法を考案した。細いビームの重心位置をスキャンしながら得られる信号は近似的に応答関数に一致する。これにより得られた応答関数はガスシートの設計上の傾き角を反映しており、測定手法の妥当性が得られた。また、J-PARCリニアックの3MeV、60mAの水素負イオンビームを用いたプロファイル測定の実証試験も実施し、測定の標準偏差6.01%、および最小二乗誤差2.74%でプロファイルを得ることに成功した。さらに、得られたプロファイルを従来のプロファイルモニタであるワイヤスキャナモニタで得られたプロファイルと比較した結果、両者は良い一致を示し、考案した応答関数測定手法と解析手法の妥当性を実証した。

Neutron phase imaging by a Talbot-Lau interferometer at Kyoto University Reactor

關 善親*; 篠原 武尚; 日野 正裕*; 中村 吏一朗*; 佐本 哲雄*; 百生 敦*

Review of Scientific Instruments, 94(10), p.103701_1 - 103701_7, 2023/10

https://doi.org/10.1063/5.0157494

We have developed a new neutron phase imaging system with a Talbot-Lau interferometer for utilization at the CN-3 port of the Kyoto University Reactor. To achieve efficient differential-phase imaging and visibility imaging at this beamline, we adopted a relatively shorter design wavelength of 2.7 By fabricating neutron absorption gratings with thick gadolinium absorbers, we were able to obtain clear moire fringes with a high visibility of 55% for thermal neutrons.

Development of triaxial compressive apparatus for neutron experiments with rocks

阿部 淳*; 川崎 卓郎; Harjo, S.

Review of Scientific Instruments, 93(2), p.025103_1 - 025103_9, 2022/02

https://doi.org/10.1063/5.0077562

Underground engineering for processes such as geological disposal of high-level nuclear waste, CO capture and storage, and mining and drilling for resources requires an understanding of the mechanical behavior of rocks at subsurface stress states, i.e., triaxial compressive stress. Strain measurement using neutron diffraction can be applied to rocks to analyze strain accumulation mechanisms at the microscopic scale. This study reports the development of triaxial compressive apparatus for strain measurement using neutron diffraction. The apparatus can analyze rock specimens (diameter, 25 mm; length, 50 mm) and apply a maximum confining pressure of 50 MPa. Materials for the components of the apparatus were investigated theoretically based on neutron beam transmission and experimentally using neutron diffraction experiments. The feasibility of the apparatus was verified by measuring strain at hydrostatic pressure under the application of confining pressure and triaxial compression.

The Energy-resolved neutron imaging system, RADEN

篠原 武尚; 甲斐 哲也; 及川 健一; 中谷 健; 瀬川 麻里子; 廣井 孝介; Su, Y. H.; 大井 元貴; 原田 正英; 飯倉 寛; et al.

Review of Scientific Instruments, 91(4), p.043302_1 - 043302_20, 2020/04

AA2019-0737.pdf:18.65MB

https://doi.org/10.1063/1.5136034

The energy-resolved neutron imaging system, RADEN, has been installed at the pulsed neutron source in the Materials and Life Science Experimental Facility of the Japan Proton Accelerator Research Complex. In addition to conventional neutron radiography and tomography, RADEN, the world's first imaging beam-line at a pulsed neutron source, provides three main options for new, quantitative neutron imaging techniques: Bragg-edge imaging to visualize the spatial distribution of crystallographic information, resonance absorption imaging for elemental composition and temperature information, and polarized neutron imaging for magnetic field information. This paper describes the results of characterization studies of the neutronic performance and installed devices at RADEN and shows the results of several demonstration studies for pulsed neutron imaging.

An Experimental setup for creating and imaging He excimer cluster tracers in superfluid helium-4 via neutron-He absorption reaction

Sonnenschein, V.*; 辻 義之*; 國立 將真*; 久保 渉*; 鈴木 颯*; 富田 英生*; 鬼柳 善明*; 井口 哲夫*; 松下 琢*; 和田 信雄*; et al.

Review of Scientific Instruments, 91(3), p.033318_1 - 033318_12, 2020/03

AA2022-0319.pdf:4.36MB

https://doi.org/10.1063/1.5130919

For the purpose of future visualization of the flow field in superfluid helium-4, clusters of the triplet state excimer He are generated along the micro-scale recoil tracks of the neutron-absorption reaction n + He T + p. This reaction is induced by neutron irradiation of the He fraction contained in natural isotopic abundance liquid helium with neutron beams either from the Japan Proton Accelerator Research Complex, Materials and Life Science Experimental Facility (J-PARC)/Materials and Life Science Experimental Facility or from the Kyoto University Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science. These He clusters are expected to be ideal tracers of the normal-fluid component in superfluid helium with several advantageous properties. Evidence of the excimer generation is inferred by detection of laser induced fluorescence emitted from the He clusters excited by a purpose-built short pulse gain-switched titanium:sapphire (Ti:sa) laser operating at a wavelength of 905 nm. The setup and performance characteristics of the laser system including the Ti:sa and two continuous wave re-pumping lasers are described. Detection at the fluorescence wavelength of 640 nm is performed by using optical bandpass filtered photomultiplier tubes (PMT). Electrical noise in the PMT acquisition traces could successfully be suppressed by post-processing with a simple algorithm. Despite other laser-related backgrounds, the excimer was clearly identified by its fluorescence decay characteristics. Production of the excimer was found to be proportional to the neutron flux, adjusted via insertion of different collimators into the neutron beam. These observations suggest that the apparatus we constructed does function in the expected manner and, therefore, has the potential for groundbreaking turbulence research with superfluid helium.

A New simultaneous measurement system of wide Q-range small angle neutron scattering combined with polarized Fourier transform infrared spectroscopy

金子 文俊*; 河口 達也*; Radulescu, A.*; 岩瀬 裕希*; 森川 利明*; 高田 慎一; 西浦 正芳*; Hou, Z.*

Review of Scientific Instruments, 90(9), p.093906_1 - 093906_6, 2019/09

https://doi.org/10.1063/1.5112054

Small angle neutron scattering (SANS) is a versatile and convenient method to investigate the higher order structure of molecular assembly systems. However, the more complicated a system of interest, the more difficult the interpretation in the SANS profile. In order to increase the reliability of structural analysis on a complicated system, it is desirable to obtain different kinds of structural information from the same sample simultaneously. Polarized infrared spectroscopy is able to provide information about the molecular structure, concentration, and orientation of each chemical species in a system. In order to utilize these advantages of polarized infrared spectroscopy, a simultaneous measurement system was built by incorporating a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer into a time-of-flight small angle neutron scattering instrument covering a wide Q range.

Status of the RF-driven H ion source for J-PARC linac

小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 上野 彰; 柴田 崇統*

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B138_1 - 02B138_3, 2016/02

BB2015-0491.pdf:1.81MB

https://doi.org/10.1063/1.4935641

J-PARCリニアックのビーム電流を増強するために、セシウム添加型高周波負水素イオン源を2014年夏の加速器メンテナンス時にインストールし、同年9月29日より運転を開始した。現在、本イオン源はビーム電流33mA、デューティファクタ1.25%で稼働している。いままでのところ、連続運転時間は約1100時間を達成している。運転中の高圧部放電頻度は1日に1回以下であり、ユーザ運転には影響のないレベルである。2014年10月にアンテナが破損したが、それ以降は深刻なトラブルは発生していない。本会議では、本イオン源の長時間運転における各種パラメータや安定性について発表する。

Measurement of ion species in high current ECR H/D ion source for IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)

神藤 勝啓; Sene, F.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Chauvin, N.*; Gobin, R.*; 一宮 亮; 伊原 彰; 池田 幸治; 春日井 敦; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A727_1 - 02A727_3, 2016/02

https://doi.org/10.1063/1.4933342

A high current ECR ion source producing 140 mA/100 keV D ion beams for IFMIF accelerator is now under commissioning at Rokkasho in Japan, under the framework of ITER Broader Approach (BA) activities. The ion source for IFMIF is required to produce positive deuterium ion beams with a high D ratio. After the mass separation in LEBT consisting of two solenoids, the D ratio should be higher than 95 % with less molecular ions and impurity ions at the entrance of RFQ linac to be installed downstream. The ion species have been measured by Doppler shift spectroscopy between the two solenoids. With hydrogen operation in pulsed and CW modes, the H ratio increases with RF power or plasma density and reached 80% at 160 mA/100 keV. The value was compared with that derived from the emittance diagram for each ion species measured by an Alison scanner installed nearby the viewport for the spectroscopy in the LEBT. It was found that the spectroscopy gives lower H ratio than the emittance measurement.

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02

BB2015-1473.pdf:4.28MB

https://doi.org/10.1063/1.4931787

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

Development of design technique for vacuum insulation in large size multi-aperture multi-grid accelerator for nuclear fusion

小島 有志; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B304_1 - 02B304_5, 2016/02

https://doi.org/10.1063/1.4931803

原子力機構では、ITERやJT-60SAで利用する中性粒子入射装置の実現に向けて、大面積多孔多段負イオン加速器を開発中であり、1MVや500kVの直流超高電圧を真空中で安定して保持できる耐電圧性能が要求されている。そこで、真空放電の物理理解に基づく耐電圧設計手法を確立することを目的として、今回、これまでの耐電圧試験結果に基づいて、多段の入れ子構造である加速電極支持構造の形状を、耐電圧や境界条件から最適化する手法を開発した。本手法では、ビーム光学から要求される電圧及びギャップ長から、電極平板部の面積、つまり同軸の入れ子構造となる円筒型電極の半径を決定することにより、耐電圧を満たすための同軸間ギャップ長を求める。これにより一段分の対向する陰極・陽極の電極構造が決まるため、本手法を段数分くり返すことにより、耐電圧を満たした加速電極支持構造を境界条件の中で一意に設計することが可能となる。得られた加速器の耐電圧を予測するために、未解明であった多段による耐電圧の劣化を、5段電極を用いて実験的に調べた結果、5段の耐電圧は1段耐電圧の段数倍よりも25%程度耐電圧が減少し、段数の増加による影響が見られた。この効果を考慮した結果、本手法によるJT-60用負イオン加速器の耐電圧解析が10%以下の誤差の範囲で一致し、ITERやJT-60SAの耐電圧設計の精度を向上することができた。