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論文

大強度陽子加速器のための標的上のプロファイルモニタの開発

明午 伸一郎; 武井 早憲; 松田 洋樹; 百合 庸介*; 湯山 貴裕*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.515 - 519, 2019/07

J-PARCセンターで進めている核変換実験施設では、標的に入射する大強度陽子ビームの形状を測定するために、発光型のプロファイルモニタの開発を行っている。このため、量子科学技術研究開発機構の高崎量子応用研究所のTIARA施設において、アルミナ発光型のプロファイルモニタの試験をArビーム(エネルギ150MeV)を用いて行った。アルミナ発光体は、加速器施設における実際の使用状況を考慮し、溶射によりアルミからなる母材に塗布し、密着性を有していることを試験により確認した。耐放射線性型のファイバイメージスコープを用いてビーム形状を測定したところ、明瞭な形状が得られることが確認された。さらに、発光体のビームに起因する発光強度の劣化をスペクトロメータを用いて測定した。その結果、700nmより長波長領域では2.5時間程度の照射時間で20%程度の発光強度の劣化が観測された。一方、700nmより短波長領域では著しい劣化が無いことが確認されたため、測定に用いる波長領域の選択により劣化の影響を緩和できることがわかった。

論文

大強度陽子加速器のための標的上のプロファイルモニタの開発

明午 伸一郎; 武井 早憲; 松田 洋樹; 百合 庸介*; 湯山 貴裕*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1035 - 1039, 2018/08

大強度陽子加速器を用いた加速器駆動型核変換システム(ADS)が原子力機構(JAEA)及び中国等で提案され、ADSにおいて標的に適切なビームが入射されていることを確認するプロファイルモニタの開発が重要となる。J-PARCの核破砕中性子源では炭化ケイ素(SiC)のマルチワイヤからなるプロファイルモニタを用いており、これまでの0.5MW運転では問題ないものの、今後の定常的な大強度運転ではワイヤの損傷劣化が進むことが予想されるため、ワイヤの損傷評価を定量的に行う事が重要となる。このため、量子科学技術研究開発機構(QST)のTIARAにおいて運動エネルギ105MeVのアルゴンビームを用い、プロファイルモニタのビーム試験を実施した。この結果、1MWの強度の半年間のビーム運転に対し、SiCワイヤによる測定信号は劣化を生じないことがわかった。マルチワイヤによる測定ではビームの二次元のプロファイルを得ることができないため、蛍光現象を用いたプロファイルモニタの開発を行った。一般的な蛍光体を用いる場合にはビームに起因する蛍光劣化が著しいものの、酸化クロムの含有量を抑えたアルミナを蛍光体として用い、更に短波長領域の光の観測により、蛍光劣化を大幅に改善できることが判明した。

論文

カーボンナノチューブワイヤーを用いたビームプロファイル測定試験,3; リニアック高エネルギー部におけるプロファイル測定

宮尾 智章*; 三浦 昭彦

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1031 - 1034, 2018/08

J-PARCリニアックでは、ビームロスが少なく、安定したビーム運転を実現するため、ビームプロファイルモニタを用い、ビーム進行方向に対して鉛直な断面のプロファイルを測定して、4極電磁石の調整を行っている。ビームプロファイルの測定には、ワイヤスキャナモニタ(WSM)を使用しており、リニアックの高エネルギー部では、センサ部にタングステンワイヤーを使用している。このワイヤーは、加速したビームと直接相互作用するため、ビーム出力向上する際、より高い耐久性のあるワイヤー材料が必要である。そこで、高い引張強度、電気伝導度を有し、熱的に無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cまで耐えられるカーボンナノチューブ(CNT)に着目し、ビーム阻止能が高い3MeVの負水素イオンビームでビームプロファイル測定試験を実施した。この結果、ピークビーム電流30mAにおいて、高い耐久性を持ち、従来の炭素繊維と比較して、より広いダイナミックレンジがあることが確認できた。さらに、ビーム阻止能が低い高エネルギー部にCNT製ワイヤーが適用できるか確認するため、191MeV調整部のWSMにCNT製ワイヤーを適用し、ピークビーム電流40mAでプロファイル測定試験を実施した。本発表では、191MeVにおけるプロファイル測定について、3MeVでの測定結果及びタングステンワイヤーでの測定結果と比較して報告する。

論文

Beam instruments for high power spallation neutron source and facility for ADS

明午 伸一郎

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.99 - 103, 2018/07

ハドロン加速器施設では、ビーム出力増大に伴いビーム機器の重要性が増す。J-PARCセンターの核破砕中性子源(1MW)のビーム運転では、水銀標的容器のピッティング損傷が重大な問題となり、この損傷はピーク電流密度の4乗に比例するため、ピーク電流密度を減少する機器が必要となる。ピーク電流密度の減少のため、八極電磁石を用いた非線形ビーム光学によりビーム平坦化技術開発を行った。この結果、非線形光学を用いたシステムにより、標的におけるピーク電流密度が線形ビーム光学の場合に比べ30%減少することが可能となった。また、30MWの大強度陽子を標的に入射する加速器駆動型核変換システム(ADS)では、更に大電流密度を用いる予定のため、大強度ビームに耐えうるモニタの開発が必要となるため、アルゴンビームを用いてビームモニタの試験を行った。クロム等が不純物として含まれる、アルミナ塗料の試料において、短波長領域における発光がビーム入射に伴う減少を示さなかったため、大強度陽子加速器の候補となることがわかった。

論文

Application of carbon nanotube wire for beam profile measurement of negative hydrogen ion beam

三浦 昭彦; 守屋 克洋; 宮尾 智章*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.5022 - 5025, 2018/06

J-PARCリニアックでは、ビーム輸送中のビームロスを抑制し、安定で効率的な運転を実施するため、ワイヤを用いたプロファイルモニタ(WSM)を用いて、4極電磁石の調整を実施している。WSMはビームの進行方向に対し、鉛直な方向のプロファイルを測定する計測器であり、ビームが直接衝突するワイヤにはタングステンなどの金属や、ポリアクリロニトリルから生成した炭素繊維線を使用している。ビーム出力増強に伴い、ワイヤの熱的負荷も増加する。そこで、無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cまで耐え、鋼鉄の100倍以上の引張強度を持ち、銅, 銀より高い電気伝導度を有するカーボンナノチューブ(CNT)に注目し、ビーム照射試験を実施した。直径50, 100$$mu$$mのCNT製ワイヤに、3MeVの負水素イオンビーム, ビーム電流30mA,パルス幅100$$mu$$s, 1Hzで照射したところ、炭素繊維線と同等以上の信号電流が得られた。さらに、幅200$$mu$$s, 25Hzという100倍のビーム量でも4分間のビーム照射に耐え、顕微鏡観察でも、顕著なワイヤ損傷は見られなかった。加えて、ワイヤが破断するまで、幅400$$mu$$sのビームにおいたところ、破断直前に大量の熱電子が放出される現象を確認した。本発表では、ビーム測定時の信号波形、ワイヤ破断時の兆候について発表する。

論文

Profile monitor on target for spallation neutron source

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 武井 早憲

Proceedings of 6th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2017) (Internet), p.373 - 376, 2018/03

J-PARCセンターの核破砕中性子源(JSNS)やJ-PARCセンターで進めている核変換実験施設では、標的に入射する大強度陽子ビームの形状を測定するために、発光型のプロファイルモニタの開発を行っている。このため、量子科学技術研究開発機構の高崎量子応用研究所のTIARA施設において、アルミナ発光型のプロファイルモニタの試験をArビーム(エネルギ150MeV)を用いて行った。実際の使用が予定される耐放射線性型のファイバイメージスコープを用いてビーム形状を測定したところ、明瞭な形状が得られることが確認された。さらに、発光体のビームに起因する発光量の劣化をスペクトロメータを用いて測定した。その結果、700nmより長波長領域では2.5時間程度の照射時間で20%程度の発効劣化が観測された。一方、700nmより短波長領域では著しい劣化が無いことが確認されたため、測定する波長を選択することにより劣化の影響を防げることがわかった。本発表ではまた、JSNSで用いているプロファイルモニタの現状について報告を行う。

論文

カーボンナノチューブワイヤーを用いたビームプロファイル測定試験

宮尾 智章*; 三浦 昭彦

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.572 - 576, 2017/12

J-PARCリニアックでは、ビーム電流を増強する計画が進められている。ビーム輸送中のビームロスを抑制し安定な運転を実施するため、ワイヤスキャナモニタ(WSM)を用いてビームの進行方向に鉛直な方向のプロファイルを測定し、4極電磁石の調整を行っている。このWSMの信号検出部であるワイヤについては、大電流ビームからの熱負荷に耐える必要があり、これまで融点の高いタングステンワイヤを使用してきた。さらに高いビーム電流に耐えうる材料として、カーボンナノチューブ(CNT)に注目した。CNTは鋼鉄の100倍以上の引張強度を持ち、銅, 銀などの金属より高い電気伝導度を有し、無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cまで耐えられる物質として知られている。そこで、CNTをWSMに適用し、3MeVの負水素イオンビームのビームプロファイル測定を行った。この結果、3MeVのビームラインで使用してきた炭素繊維による測定と同等以上の信号利得があり、測定した結果も同等であることが確認された。

論文

ビームプロファイルモニタを利用したビーム強度計測

中嶋 佳則; 齋藤 勇一; 田島 訓

第12回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.109 - 112, 1999/00

試料に照射されるビーム電流は、通常試料を絶縁して測定される。しかし、複数の加速器を用いて行う複合ビームの照射の場合は、それぞれのビーム電流を試料上で分けて測定することができないため、長時間照射におけるビーム電流の経時的な変化が問題となる。このような問題点を解決するため、試料にビームを照射しながら各加速器からのビーム電流値を測定できる、透過型ビーム電流計の開発をすすめている。これは、ビーム中に金属ワイヤーメッシュを挿入し、そこから発生する二次電子量をビーム電流値に換算するものである。今回は、予備的な実験として、タンデム加速器及びイオン注入装置に設置されているビームプロファイルモニタを使用し、数種類のイオン種について電荷数及びエネルギーを変えて、その時の二次電子電流を測定した。

論文

Measurement of incident proton beam characteristics for AGS spallation target experiment

中島 宏; 高田 弘; 明午 伸一郎; 春日井 好己; 池田 裕二郎; 大山 幸夫; 渡辺 昇*; ASTE共同チーム

Proc. of 14th Meeting of the Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-14), 1, p.457 - 467, 1998/11

AGS加速器による1.5,7.0及び24GeV陽子を用いて水銀ターゲットの諸特性を測定する核破砕ターゲット積分実験を行った。ここでは、Neutronics等の実験の基本となる入射陽子ビーム形状及び投入陽子量を測定した。ビーム形状測定では、マルチワイヤプロファイルモニタとイメージングプレートの二種類の方法を用いて、上記の入射条件についてビーム入射位置及び強度分布を明確にした。投入陽子量の測定では、Cu(p,x)$$^{24}$$Na放射化反応を用いて12%程度の精度で絶対値を求めた。本測定結果は、AGSリング内のビーム強度測定装置による測定値と比較して、24GeVの場合5%程度で一致したが、1.5GeVでは23%低かった。この差は、ビームラインにビーム収束装置が設置されていないことによりビームが発散したためである。このビームの発散については、イメージングプレートによる測定でも確認された。

論文

Development of a directional neutron detector for neutron emission profile monitor

金子 純一; 片桐 政樹; 池田 裕二郎; 荒 克之; 井口 哲夫*; 中沢 正治*

KEK-Proceedings 96-4, 0, p.259 - 263, 1996/07

一般的な中性子発生プロファイルモニターでは、巨大な中性子マルチチャンネルコリメータが必須のため、空間的制限の多い炉心近傍に十分な数の視線数・視点数を確保することが難しい。そのため中性子発生密度分布再構成結果が精度的に問題をもつことが有る。本研究では検出器自体に指向性を持たせ、積極的に中性子マルチチャンネルコリメータを省略又は大幅な小型・計量化をはかる方法を実験的に検討した。検出器を試作し、2.4-MeV、核分裂、14-MeV中性子に対する応答関数測定を行った結果、本検出器が指向性を持つことを確認した。14-MeV中性子に対してはエネルギーしきいを設けるだけですみ、2.4-MeV、核分裂中性子に対して立ち上り波形弁別により反跳陽子信号を高$$gamma$$線ノイズ中から分離出来た。

論文

Beam diagnostic system for the JAERI AVF cyclotron

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

Proc. of the 4th European Particle Accelerator Conf. Vol. 2; EPAC94, 0, p.1518 - 1520, 1994/00

原研AVFサイクロトロンのビーム診断システムはビームをターゲットポートまで効率良く輸送するためにビームをモニターするとともに、照射実験に必要とされるビームの諸特性を計測する。標準化されたビーム診断用チェンバーがビームラインに設置され、ファラディーカップ、ビームプロファイルモニター、アルミナモニター、ビームスリットが装備されている。これらを用いてビーム輸送を行うことができる。大面積照射やビームチョッパーを用いたパルスビーム照射等の特殊照射に対応するために、核物理実験で主に用いられてきた放射線検出器とビームアテネータを組み合わせたビーム計測を行っている。飛行時間法を用いた実験に対しては、マイクロチャンネルプレートを使ったビームトリガーカウンターを開発した。これはビームがワイヤーに衝突する際に放出する二次電子を集めて増幅し、パルスビームをトリガーとする信号を生成する。

口頭

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおけるペインティング入射中の分布測定

加藤 新一; 原田 寛之; 畠山 衆一郎; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器であるJ-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、負水素イオンを用いた荷電変換多重入射を入射時間0.5msで行っている。この際、ビームロスの原因となる空間電荷力の緩和や、周回ビームの荷電変換膜による散乱の低減のために、横方向の位相空間上の任意の範囲に入射ビームを配置するペインティング入射が必須となる。RCSでは、入射中のビーム分布変化を周回毎に測定しペインティング過程を最適化することを目的として、非破壊型1次元横方向分布モニタである残留ガスプロファイルモニタ(IPM)の開発と改良を継続して行っている。RCSのIPMでは、ビーム通過によってイオン化された残留ガスを垂直または水平方向の付加電場でMCPまで平行に輸送し、電子として増幅する。そしてこれをアノードで検出することで、ビームの1次元横方向分布を得る。しかし、これまでは測定の際に大きなノイズが混入しており、分布測定が不可能だった。そこで、多重入射中の分布測定の実現にむけたノイズの低減を行った。まず、測定と電磁場シミュレーションを比較しノイズの原因を調査した。その結果、ノイズの原因がビーム起因の電磁場であることを特定した。そこで、この電磁場を遮蔽する改良部品を設計、導入した。その結果、ノイズを50%から70%削減した。そして、供用運転の1/20程度の低強度出力ではあるものの、多重入射中のビームの積み上がりを初めて観測することに成功した。

口頭

カーボン・ナノチューブワイヤによる負水素イオンビームのプロファイル測定

三浦 昭彦; 宮尾 智章*

no journal, , 

J-PARCリニアックでは、利用運転前に必要なビーム調整に、ビームプロファイルモニタを用いたビーム形状の測定を行っている。しかし、ビーム電流の増加につれて、従来の炭素繊維ワイヤでは、破断等による問題が増えてきた。そこで、高い電気伝導度を持ち、無酸素状態で3000$$^{circ}$$Cという熱的耐久性もあるカーボンナノチューブ(CNT)に着目した。直径100$$mu$$mのCNTワイヤによる3MeVの負水素イオンビームのビームプロファイル測定し、炭素繊維線と同等以上の信号利得があることを確認した。また、ビーム照射後の表面観察の結果、ワイヤに損傷が見られなかったことから、プロファイルモニタ用ワイヤとしてビーム調整に使用できる見込みを得た。

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