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論文

Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet

明午 伸一郎; 大井 元貴; 藤森 寛*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(6), p.062802_1 - 062802_24, 2020/06

 被引用回数:0

加速器駆動の核変換システム(ADS)や核破砕中性子源に用いられる陽子加速器のビーム出力増強につれ、ビーム窓や標的の損傷は深刻な問題となり、損傷緩和のためにビーム電流密度の均一化が重要となる。密度均一化のため比較的よく用いられるラスター磁石には、故障時のビーム集束の重大な問題がある。一方、非線形光学を用いたビーム平坦化にははビーム拡大の問題があることが指摘され、これまで非線形効果導入の八極磁石におけるビームの角度の広がりを無視したフィラメント近似模型による検討が行われた。フィラメント近似模型では、非線形収斂作用を適切に評価できないため、本研究では一般化した非線形モデルの適用により非線形ビーム光学における収斂および発散作用を詳細に検討した。正規化した八極強度$$ K^{*}_8 $$と位相進行$$phi$$における$$cotphi$$の2つのパラメータ導入により、非線形効果を特定な条件によらず一般化できることを明確にした。ビームのピーク密度低減と損失最小化という拮抗する問題の解決には、$$K^{*}_8 sim $$ 1および$$ cotphisim$$ 3とすることにより解決できることが判明した。J-PARCの陽子ビーム輸送系(3NBT)に本検討結果を適用し、核破砕中性子源の水銀標的入口のビーム形状の比較検討した結果、モデル計算によるビーム分布は実験データとよい一致を示し、線形光学においてピーク電流密度を約50%にできることを示した。

論文

New design and fabrication technology applied in mercury target vessel #8 of J-PARC

涌井 隆; 若井 栄一; 粉川 広行; 直江 崇; 花野 耕平; 羽賀 勝洋; 高田 弘; 島田 翼*; 鹿又 研一*

JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.081002_1 - 081002_6, 2020/02

J-PARCの水銀ターゲット容器は、水銀容器と二重容器構造の保護容器(内側及び外側容器)からなる三重容器構造である。2015年の500kWビーム運転時、水銀ターゲット容器の保護容器からの微小な水漏れが2回発生した。この容器破損から得られた知見を基に、設計, 製作及び試験検査過程の改善を行った。ワイヤ放電加工を用いて、1つのステンレスブロックから切り出した一体化構造を採用することにより、水銀ターゲット容器前方の溶接線の長さは約55%まで大幅に減らすことができた。放射線透過試験や超音波探傷試験による徹底的な溶接検査を実施した。2017年の9月に水銀ターゲット容器8号機が完成し、8号機を使用したビーム運転が開始された。500kWの安定的なビーム運転が実現でき、ビーム試験時には、1MWの最大ビーム強度を経験することができた。

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 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

核破砕中性子源の水銀ターゲット容器溶接部に対する超音波検査技術

涌井 隆; 若井 栄一; 直江 崇; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 高田 弘; 新宅 洋平*; Li, T.*; 鹿又 研一*

超音波Techno, 30(5), p.16 - 20, 2018/10

J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(幅1.3m、長さ2.5m)は、水銀容器と二重壁構造を持つ保護容器からなる薄肉(最小厚さ3mm)の多重容器構造で、溶接組立による複雑な構造を持つので、溶接部の検査が重要である。溶接検査の精度を向上することを目的として、欠陥を有する試験片(厚さ3mm)を用いて、新たな超音波法の適用性を検討した。50MHzの探触子を用いた水浸超音波法計測では、直径約0.2mmの球状欠陥を検出できた。その大きさは、目標とする最小検出欠陥寸法(0.4mm)より十分小さい。また、フェーズドアレイ超音波法で評価した未溶接部長さは、断面観察より得られた結果(0.8$$sim$$1.5mm)と良く一致した。

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

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

中性子源

高田 弘

加速器ハンドブック, p.330 - 333, 2018/04

核破砕中性子源は、高エネルギー陽子ビームを中性子標的に入射し、そこで発生させた中性子を周囲に配置した反射体と減速材で減速し、物質研究等に適した熱・冷中性子を供給する装置であり、中性子生成効率が良い特徴を有する。本件では、初めに中性子標的の基本的特性を解説する。次に、減速材の基本的特性を説明し、特にJ-PARCの1MWクラスの大強度核破砕中性子源で実装した減速材を例に、高強度中性子パルスの発生及び幅の狭い高品質な中性子パルスの整形方法について解説する。さらに、中性子源の設計手順についても記述した。

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

Current status of pulsed spallation neutron source of J-PARC

高田 弘

JAEA-Conf 2017-001, p.51 - 56, 2018/01

大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス核破砕中性子源は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、ビーム強度1MWの陽子ビームで生成した中性子ビームを中性子実験装置で利用し、物質科学の多様な先端的研究を推進することを目的としている。2015年には、1MW相当の陽子ビームパルスを初めて入射し、また、利用運転のビーム強度を500kWに上げた。この中性子源の減速材システムは最適化設計により、(1)濃度100%のパラ水素を使用して高いピーク強度かつ幅の狭いパルス中性子ビームをつくる、(2)直径14cm、長さ12 cmの円筒形状を採用し、高強度の中性子を50.8$$^{circ}$$の広角度範囲に取り出すことができる、(3)Ag-In-Cd合金による中性子吸収材を使用し、幅が狭く減衰の早いパルス中性子が得られる。これにより、世界最高強度のパルス中性子ビームを供給する性能を有している。現在、1MWで 年間に5000時間の運転を行うという目標に向けて、水銀標的容器前部で生じるキャビテーション損傷を、微小気泡を注入して抑制する技術開発を実施中である。また、2015年に500kWのビーム強度で運転中、水銀標的の水冷保護容器が2回不具合を起こしたため、標的容器構造の設計改良に取り組んでいる。

論文

Cavitation damage prediction for the JSNS mercury target vessel

直江 崇; 粉川 広行; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 木下 秀孝; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.313 - 320, 2016/01

BB2014-2665.pdf:3.4MB

 被引用回数:5 パーセンタイル:44.04(Materials Science, Multidisciplinary)

J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)水銀ターゲット容器は、陽子線入射励起圧力波により励起されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーションによる損傷は、容器の構造健全性を低下させるため現在のところ容器の交換寿命を決める支配因子となっている。圧力波及びキャビテーションによる損傷を低減するためには、水銀中にガスマイクロバブルを注入することが効果的な手法である。JSNSでは、ガスマイクロバブルを注入するためのシステムを2012年10月に設置し、レーザードップラー振動計を用いて容器の振動をモニタリングすることによって水銀中へのバブル注入の効果をした。その結果、振動速度は気泡注入量の増加に伴って減少することを確認した。また長期間の運転では、気泡注入によって平均でバブル注入無しの1/4程度の振動速度を維持した。

論文

Gigacycle fatigue behaviour of austenitic stainless steels used for mercury target vessels

直江 崇; Xiong, Z.; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.331 - 338, 2016/01

BB2014-2666.pdf:0.65MB

 被引用回数:10 パーセンタイル:13.47(Materials Science, Multidisciplinary)

パルス核破砕中性子源の水銀ターゲット容器は陽子及び中性子による照射損傷に加えて、陽子線励起圧力波により繰返し衝撃荷重を受ける。J-PARCの水銀ターゲット容器では、ひずみ速度約50s$$^{-1}$$で2億回を超える衝撃荷重を受ける。本研究では、高ひずみ速度下における超高サイクル領域の疲労強度について調べるために、容器構造材であるSUS316L(SA材)及び照射効果を模擬したSUS316Lの冷間圧延材(CW材)に対して、10$$^9$$回までの疲労試験を超音波疲労試験法により実施した。その結果、SA, CW材共に高ひずみ速度では通常の疲労疲労試験と比較して疲労強度が高くなることが分かった。また、10$$^7$$回以上の超高サイクル領域では、通常の疲労限度以下の荷重で疲労破壊が生じることを明らかにした。

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

Inner observation of canning Cadmium by energy-selective neutron imaging at NOBORU

原田 正英; Parker, J. D.*; 及川 健一; 甲斐 哲也; 篠原 武尚

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.035002_1 - 035002_5, 2015/09

これまでの研究から、カドミウム(Cd)は、核破砕中性子源のポイズン材として適しているだけでなく、大強度中性子源において、少ない中性子強度減で、寿命を長くできる材質であることがわかった。したがって、JSNS/J-PARCの最初のモデレータのポイズン材として、Cdを使うことに決めた。JSNSの開発時期には、冷間等方圧加圧法(CIP)による、アルミニウム合金によるCd板の封入化が失敗し、アルミニウム合金が破損した。製造プロセスを見直すため、サンプルの内部を観察しなければならず、エネルギー選択中性子イメージング方法を適用することとした。JSNSのNOBORU(BL10)で、マイクロ・ピクセルガス二次元中性子検出器($$mu$$PIC)により、アルミニウム合金に内封されたCd板を測定した。その結果、いくつかのボイドが見つかった。

論文

Cavitation erosion induced by proton beam bombarding mercury target for high-power spallation neutron sources

二川 正敏; 直江 崇; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 沖田 浩平*

Experimental Thermal and Fluid Science, 57, p.365 - 370, 2014/09

AA2014-0181.pdf:1.48MB

 被引用回数:8 パーセンタイル:46.11(Thermodynamics)

J-PARCの水銀ターゲットでは、陽子線入射時に発生する圧力波が水銀を包含する容器へと伝ぱする際に、水銀と容器の界面には負圧によってキャビテーションが発生する。流動水銀中にマイクロバブルを注入することで、圧力波に励起されるキャビテーションの発生を低減するために、注入する気泡の条件を理論及び実験的に検討した。本報告では、特に、圧力波の伝ぱをミリ秒オーダーのマクロな時間スケールとマイクロ秒オーダーのミクロな時間スケールの現象に分けて検討した。前者は、ターゲット容器の振動と水銀の相互作用が支配的な現象であり、後者は、水銀中の圧力波伝ぱプロセスに不可欠な現象である。その結果、マクロな時間スケールでは、水銀中にキャビテーションを発生させる負圧の振幅が注入した気泡によって減少するため、マイクロバブルの注入がキャビテーションの発生を抑えるのに効果的であることを示した。一方、ミクロな時間スケールでは、注入した気泡は負圧の持続時間を減少させキャビテーション気泡の膨張を抑えることで、キャビテーションの攻撃性を低減させるが、その効果は十分ではなく、現状ではキャビテーション気泡が膨張する可能性があることを示唆した。

論文

Small gas bubble experiment for mitigation of cavitation damage and pressure waves in short-pulse mercury spallation targets

Riemer, B. W.*; Wendel, M. W.*; Felde, D. K.*; Sangrey, R. L.*; Abdou, A.*; West, D. L.*; Shea, T. J.*; 長谷川 勝一; 粉川 広行; 直江 崇; et al.

Journal of Nuclear Materials, 450(1-3), p.192 - 203, 2014/07

 被引用回数:8 パーセンタイル:32.86(Materials Science, Multidisciplinary)

水銀ターゲットにおいて陽子線が入射して励起される圧力波と、それによって発生する容器のキャビテーション損傷に対するマイクロバブル注入の効果を調べるために、水銀ループを製作し、ロスアラモス研究所のWNR施設にて、パルス陽子線入射実験(米国中性子源の2.5MW相当)を行った。実験に先駆けて12種類の気泡発生装置の性能(半径150$$mu$$m以下の気泡半径分布と気泡含有率)を評価し、原子力機構が開発した旋回流型気泡発生装置及びオークリッジ研究所が開発したオリフィス型気泡発生装置を選定した。水銀流動条件、気泡注入条件、陽子線強度を系統的に変化させた19条件でそれぞれ100回の陽子線入射を実施し、陽子線入射に励起されるループの音響振動をレーザードップラー振動計とマイクロホンで計測すると共に、試験片の損傷を評価した。その結果、気泡含有率の増加と共に形成される損傷痕の深さが浅くなり、気泡含有率5$$times$$10$$^{-4}$$では、気泡無し時の約1/3になることを確認した。また、音響振動には損傷痕深さに対応した高周波数成分の減少が観測された。

論文

衝突噴流熱伝達特性の実験的解明とJSNS用モデレータ設計への応用

麻生 智一; 門出 政則*; 佐藤 博; 日野 竜太郎; 達本 衡輝; 加藤 崇

日本原子力学会和文論文誌, 5(3), p.179 - 189, 2006/09

J-PARCのMW級核破砕中性子源(JSNS)では、水素(液体又は超臨界)をモデレータ材料として用いる。水素モデレータは過酷な中性子場による核発熱条件下にあり、モデレータ容器の効率的な冷却が要求される。そこで、衝突噴流による冷却特性に着目し、水素の温度上昇を抑えて水素密度が大きく変化しないように容器構造と流動条件を検討することとした。容器壁のある閉空間における衝突噴流による熱伝達特性を評価するために、2次元定常熱伝導の逆問題解を用いた熱伝達率を求める手法を導入し、JSNSモデレータの円筒型容器を模擬した試験体による実験結果から、熱伝達率分布は、壁のない水平平板に対する分布と異なり、容器壁の影響によって噴流Re数の増加に伴い容器壁周辺の熱伝達率が増加し、モデレータ容器底面r=0$$sim$$70mmの範囲における平均ヌセルト数Nuavは、ノズル高さH/d$$<$$0.4の場合、管内強制対流熱伝達のDittus-Boelterの式の2.5倍以上となることを明らかにした。そして、中性子性能や液体水素の強制循環に影響を及ぼさないような実機運転条件を評価した。

論文

Numerical analysis for heat transfer from a Cd poison in cryogenic hydrogen

達本 衡輝; 加藤 崇; 麻生 智一; 長谷川 勝一; 牛島 勇*; 大都 起一*; 池田 裕二郎

LA-UR-06-3904, Vol.2, p.426 - 434, 2006/06

JSNSでは、パルス幅の短い中性子を得るために、ポイゾン材にCdを採用した。Cdの採用にあたり、ポイゾン材のCdと補強材であるAlとの接合に関する問題があり、その研究開発を行っている。しかしながら、未だ、十分な接合が得られていない。そこで、CdとAlの接合が不十分な場合の低温水素への熱伝達を数値解析コード(STAR-CD)を用いて解析し、Cdの温度上昇を評価した。接合率が5%であっても、Cdの最大温度は75Kまでしか上昇していない。接合が不十分な場合でも、低温水素の強制対流熱伝達でポイゾン板の核発熱を除去できるので、Cdポイゾンは、どんな接合方法でも適用できることがわかった。

論文

Estimation of JSNS moderator flowing condition based on impinging jet heat transfer

麻生 智一; 門出 政則*; 佐藤 博; 達本 衡輝; 加藤 崇; 池田 裕二郎

LA-UR-06-3904, Vol.2, p.385 - 394, 2006/06

J-PARCのMW級核破砕中性子源(JSNS)では、水素をモデレータ材料として用いる。水素モデレータは過酷な中性子場による核発熱条件下にあり、モデレータ容器の効率的な冷却が要求される。水素密度が大きく変化しないように衝突噴流による容器冷却を提案したが、モデレータ容器内の狭い空間内における衝突噴流部の熱伝達特性が不明だったため、水による実規模モデルのモデレータ容器を用いた熱伝達実験を実施した。2次元定常熱伝導の逆問題解を円筒座標系に適用し、熱伝達率を求める手法を確立して容器内熱伝達特性を把握するとともに、中性子性能や液体水素の強制循環に影響を及ぼさないような運転条件を評価した。

論文

Design result of the cryogenic hydrogen circulation system for 1 MW pulse spallation neutron source (JSNS) in J-PARC

麻生 智一; 達本 衡輝; 長谷川 勝一; 牛島 勇*; 大都 起一*; 加藤 崇; 池田 裕二郎

AIP Conference Proceedings 823, p.763 - 770, 2006/05

原研はKEKと共同してMW級の核破砕中性子源の建設を進めている。その中で極低温水素を用いたモデレータは、中性子性能を決定する重要な機器である。このため、超臨界水素を安定して強制循環する極低温水素循環システムの設計・製作を進めている。本システムの設計結果として、主要機器の仕様,安全性への対応について報告する。

論文

Evaluation of mechanical properties and microstructure in ion-irradiated surface layer

直江 崇*; 二川 正敏; 内藤 明*; 粉川 広行; 池田 裕二郎; 本橋 嘉信*

JSME International Journal, Series A, 48(4), p.280 - 285, 2005/10

核破砕中性子源水銀ターゲット容器材料は、核破砕条件による陽子&中性子同時照射と水銀環境に曝される。これらの環境によるターゲット容器材料の劣化を評価するために、核破砕条件を模擬したイオン照射と水銀浸漬実験を容器候補材316ステンレス鋼に対して行い、材料表面層の機械的特性の変化を押し込み試験技術と微細組織観察結果から評価した。押し込み荷重-深さ曲線に逆解析を適用して評価した応力歪み曲線から、核破砕条件下で照射後に水銀浸漬を施すと最大引張り強さまでの延びは、受け入れ材の約1/3程度に低下すると推測された。さらに、キャピテーション壊食低減技術として窒化&浸炭硬化処理を施した表面層は、照射の影響をほとんど受けないことがわかった。微細組織観察から、硬化処理により生じた転位群が照射による発生した転移のシンクとして作用するためと考察できた。

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