J-PARC 3GeVシンクロトロンにおける純炭素フォイルによる荷電変換への挑戦

仲野谷 孝充; 吉本 政弘; Saha, P. K.; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*

Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.937 - 941, 2023/11

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2023/proceedings/PDF/FRP3/FRP38.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、前段加速器であるリニアックから入射した400MeVのHビームを荷電変換フォイルによりHビームに変換して、3GeVまで加速している。これまでRCSでは、HBCフォイル(Hybrid Boron mixed Carbon stripper foil)とカネカ社製のグラフェン薄膜(GTF: Graphene Thin Film)の2種類を荷電変換フォイルとして使用してきた。HBCフォイルとは100g/cm以上の厚い炭素フォイルを安定的に作製するために高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発された手法である。当初はKEKで作製されたフォイルを使用してきたが、2017年からは原子力機構でHBCフォイルの作製を開始し、以来これを使用している。近年、アーク蒸着法では作製が困難と言われてきた厚い純炭素フォイルの成膜に成功した。新たな試みとして、この純炭素フォイルを2023年3月からの利用運転で使用した。結果、HBCフォイルとGTFでは使用時間の経過とともに、荷電変換されずにビームダンプに廃棄されるビーム量の増加傾向が観察されたが、純炭素フォイルではこの傾向がなく、安定的に荷電変換が可能であった。本発表ではこれら3種類の荷電変換フォイルの使用状況について報告する。

Analysis of J-HBC stripper foil for the J-PARC RCS

吉本 政弘; 仲野谷 孝充; 山崎 良雄; Saha, P. K.; 金正 倫計; 山本 春也*; 岡崎 宏之*; 田口 富嗣*; 山田 尚人*; 山縣 諒平*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011019_1 - 011019_7, 2021/03

BB2019-1209.pdf:0.86MB

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011019

荷電変換フォイルを用いたHビーム多重入射方式はMW級の大強度陽子ビームを実現するための重要な技術である。大強度陽子加速器施設(Japan Proton Accelerator Research Complex: J-PARC)3GeVシンクロトロン加速器(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)で開発され耐ビーム寿命が大幅に更新した、ホウ素添付炭素薄(Hybrid type Boron-doped Carbon: HBC)フォイルを採用している。これまで、RCSの利用運転時に使用しており、大強度ビーム照射に対して優れた長寿命性能を有することを確認した。HBCフォイルの性能評価のために、RCSにおいて長期間照射に対する形状観察や荷電変換効率測定を実施してきた。また量子科学技術研究機構(Quantum and Radiological Science and Technology: QST)高崎量子応用研究所(高崎研)のイオン加速器(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application: TIARA)においてイオンビーム照射試験を実施し、組成分析や不純物同定などの物性解析や電子顕微鏡によるミクロ観察を行ってきた。その結果、フォイル破損に至るメカニズムとして、照射欠陥による密度変化とピンホールの成長、温度上昇にともなうガス化などが重要な鍵ではないかとの兆候を得た。近年、HBCフォイルの蒸着装置をJAEA東海サイトに移設し、フォイル製作を開始した。(以降のフォイルをJ-HBCフォイルと称する。)J-HBCフォイルの性能評価をこれまで同様にQST高崎研のTIARAで実施してきた。さらに、蒸着パラメータを変えてHBCフォイルの耐ビーム性能について試験を行った。その結果、これまで重要なパラメータと考えられていたカソード・アノード電極の消費比率よりも、ボロンの混入率がより重要なパラメータであることが分かった。

J-PARC 3GeVシンクロトロン用荷電変換フォイルの作製状況

仲野谷 孝充; 吉本 政弘; 山崎 良雄; 竹田 修*; 佐伯 理生二*; 武藤 正義*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.545 - 549, 2019/07

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では大強度陽子ビームを実現するために荷電変換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。RCSで使用している荷電変換フォイルは、少量のホウ素を炭素棒に添加し、これを電極としたアーク蒸着法により作製したフォイル(HBCフォイル: Hybrid Boron mixed Carbon stripper foil)である。このHBCフォイルはビーム照射による損傷に対して強い耐久性を持つことが大きな特徴である。これまでHBCフォイルの作製は、成膜工程(蒸着,アニール,剥離)を高エネルギー加速器研究機構(KEK)つくばで実施し、原子力機構(JAEA)東海でフォイルの調製工程(サイズ調整,フレームマウント,マガジンラックへの装填)を実施する分業体制で行ってきた。2017年より、フォイル蒸着装置をKEKつくばからJAEA東海に移設し、作製工程を統合した。移設後に新しく作製したHBCフォイルの健全性を評価するために、量子科学技術研究開発機構(QST)高崎研TIARAにおいて照射試験及び性能分析を実施し、実機でのビーム照射試験を経て、利用運転での使用を開始した。結果、新しく作成したHBCフォイルのみで1年間の利用運転を達成することができた。

J-PARC 3GeVシンクロトロン用荷電変換フォイル温度分布計算

倉持 勝也*; 金正 倫計; 入江 吉郎*; 菅井 勲*; 五十嵐 進*; 荒木田 是夫*; 武田 泰弘*

第14回加速器科学研究発表会報告集, p.637 - 639, 2003/00

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、3種類の荷電変換フォイルを使用する。1つは、リニアックからのHビームをHに変換し、RCSへのビーム入射に利用し、他の2つはHに変換されなかったビームをビームダンプへと導くために利用する。ACCSIMで計算された粒子分布をもとにANSYSにより荷電変換フォイルの温度分布を計算したので報告する。

Development of a beam pulse monitor for the JAERI AVF cyclotron

奥村 進; 福田 光宏; 石堀 郁夫; 上松 敬; 横田 渉; 奈良 孝幸; 中村 義輝; 荒川 和夫

JAERI-Conf 95-021, 0, p.150 - 152, 1995/10

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-Conf-95-021.pdf

サイクロトロンで加速されたパルスビームは飛行時間測定実験や時間分析実験に使用されている。このパルスビームの時間幅や間隔を調整するためにはパルスビームを直接検出する必要がある。また、パルスビームのトリガー信号は各実験で必要とされている。このため、ワイヤとフォイルをビーム中へ挿入して生成された二次電子や光子をマイクロチャンネルプレートで増幅してパルスビームを検出するモニターを開発し、45MeV H及び260MeV Neビームを用いてテストを行った。その結果、パルスビームに対応した高速トリガー信号が生成でき、1n秒以下の時間分解能でパルスビームの時間スペクトルが得られた。

Energy and lifetime measurements in highly ionized chlorine

川面 澄; 左高 正雄; 大塚 昭夫*; 小牧 研一郎*; 楢本 洋; 小沢 国夫; 中井 洋太; 藤本 文範*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 262, p.150 - 155, 1987/00

https://doi.org/10.1016/0168-9002(87)90207-5

原研タンデム加速器を用いて行われた、ビーム・フォイル分光、X線分光及びドップラ変調分光の研究成果を紹介する。特に120MeV Clイオンを用いた実験結果を中心とする、H,He,Li様イオンの発光線の同定や励起寿命に関して得られた新しい知見について述べる。

A Preparation method of long-lived carbon stripper foils for heavy ions

竹内 末広; 小林 千明; 佐藤 豊; 吉田 忠; 竹腰 英子; 丸山 倫夫

Nuclear Instruments and Methods, 158(2-3), p.333 - 338, 1979/00

従来の方法で作られるカーボン・ストリッパー・フォイルをタンデム加速器などで重イオン用ストリッパー・フォイルとして用いたとき、その寿命は短い。そこで我々は長寿命カーボン・ストリッパー・フォイルの製造を追求してきた結果、3.5MeV(1A/13mm)のArビームに対して5時間~10時間の寿命を持つ長寿命カーボン・ストリッパー・フォイルの調整方法を見い出した。このフォイルは、カーボン蒸発源としてアーク放電を、剥離剤としてNiClを、蒸着基板としてある特定の処理をしたガラス基板を用い、300Cに加熱された蒸着基板の上にNiClとカーボン膜(10g/cm)を真空蒸着することによって作られた。Ar照射による従来のカーボン・フォイルは照射部分が急速に縮み破れる(約十分)のに対し、長寿命フォイルは照射部分の縮みが極めて緩慢であり、かつ照射部分の周辺はその縮みに対し大きな伸びを供給している様子であった。

J-PARC RCSにおける荷電変換薄膜からの2次粒子計測の開発状況

吉本 政弘; 岡部 晃大; 金正 倫計

no journal, , 

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)では、1MWの大強度陽子ビームを実現するために、炭素薄膜を用いた荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。この荷電変換薄膜の周辺には高い残留線量が測定されており、その原因は荷電変換薄膜と入射及び周回ビームとの相互作用により生成された2次粒子(陽子及び中性子)によるものと考えられる。現在、JSP科研費JP16K05027を受け、2次粒子を直接計測するための新しい放射線計測器を開発中である。この計測器は、スチルベン結晶を用いた有機シンチレータと通常のプラスチックシンチレータを組み合わせたもので、2次粒子である陽子・中性子・線を弁別することを目的としている。開発の第1段階としてのスチルベンシンチレータの組み立てと中性子・線弁別の性能試験を実施した。RCSのサブトンネル内では、中性子及び線のみが存在することが分かっている。この環境下で開発中のスチルベンシンチレータを用いた放射線計測を実施し、中性子と線の弁別ができることを確かめた。本発表では、このサブトンネル内で実施した性能試験について報告する。

J-PARC RCSにおける荷電変換薄膜からの二次粒子測定

吉本 政弘; 岡部 晃大; 原田 寛之; 金正 倫計

no journal, , 

炭素薄膜を用いた荷電変換ビーム入射方法は、J-PARC 3GeVシンクロトロンにおいて大強度陽子ビームを実現させるための重要な要素である。従来の多重入射法に比べてビーム損失の少ない荷電変換入射法は、一方で高エネルギービーム照射に伴う荷電変換炭素薄膜内での核反応により大量の二次粒子を生成・放出させる。この二次粒子が、荷電変換炭素薄膜の周辺に非常に強い残留線量を発生させる原因であると、実験及びシミュレーションは強く示唆している。そこで、さらなる安定運転を達成するために、炭素薄膜からの二次粒子を直接計測し、かつ放射化への影響を調べるための測定系を入射ビームライン途中にあるビーム調整用の100度ダンプラインに構築した。この系は炭素薄膜導入装置と放射線計測のための真空容器からなる単純な構造をしており、周辺に余計な磁場や放射線を発生させるものはないようにした。二次粒子は陽子, 中性子, 線等複数の粒子が生成放出されるため、直接計測にはこれらの粒子を弁別することが重要な課題となる。そこで薄型プラスチックシンチレータとスチルベンシンチレータを組合わせた二次粒子検出器を考案し用いた。本発表では、線源を用いた二次粒子弁別測定の結果について詳細に報告する。