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論文

Measurement of displacement cross section of structural materials utilized in the proton accelerator facilities with the kinematic energy above 400 MeV

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.061004_1 - 061004_6, 2020/02

核変換システム等の陽子加速器施設では、標的や窓等の構造材に関する損傷の評価が重要となる。構造材の損傷評価には、原子あたりの弾き出し数(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し断面積に粒子束を乗ずることで得られる。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する弾き出し断面積の実験データは十分でなく、計算モデル間で約8倍異なることが報告されており構造材の弾き出し断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARCセンターの3GeV陽子加速器施設を用い、400MeV以上のエネルギー範囲の陽子の弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。実験で得られた断面積とPHITSコードに一般的に用いられるNRTモデルを用いて計算した結果、計算は実験を3倍程度過大評価を示した。一方、Nordlund等による最新モデルの結果は実験をよく再現し、これまでのNRTモデルに基づく標的等の弾き出し損傷は過大評価していることが明らかになった。

論文

Measurement of displacement cross-section for structural materials in High-Power Proton Accelerator Facility

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 岩元 大樹; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 吉田 誠*; 石田 卓*; 牧村 俊助*; 中本 建志*

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.499 - 501, 2018/06

核変換システム等のハドロン加速器施設では、ビーム出力の上昇に伴いターゲット材料に対する損傷の評価が重要となる。加速器施設で用いられているターゲット材料等の損傷は、原子あたりの弾き出し損傷(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し損傷断面積に粒子束を乗ずることで評価されている。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する損傷断面積の実験データは数点しかなく十分でない。最近の研究において、タングステンの弾き出し損傷断面積が計算モデル間で約8倍異なることが報告されており、ターゲット材料の損傷評価のためには弾き出し損傷断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARC加速器施設の3GeVシンクロトロン加速器施設を用い、弾き出し損傷断面積の測定実験を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機(GM冷凍機)で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。本発表では、銅に3GeV陽子を入射する場合の弾き出し損傷断面積の測定結果を速報として報告する。

論文

アラミド繊維ロッド材料の極低温引張特性評価

齊藤 徹; 大久保 暁一*; 泉 敬介*; 大川 慶直*; 小林 宣博*; 山崎 亨; 河野 勝己; 礒野 高明

低温工学, 50(8), p.400 - 408, 2015/08

アラミド繊維強化プラスチック(AFRP)は軽量、かつ高強度の長所を有する構造材料として開発されてきた。本研究においては、室温、液体窒素温度(77K)と液体ヘリウム温度(4.2K)中における、鉄筋代替コンクリート補強材として用いられる市販品のAFRPロッドの引張強度を評価するために、張力試験を行った。これまでは極低温環境下での試験において、試験片がつかみ部ジグをすり抜ける現象か生じるため、引張試験を実施することは困難であった。そのため、AFRPロッドの滑りを防ぐために、ジグに樹脂を充填して行った。また、グリップジグを改良し、ロッドの表面処理を行い、AFRPロッドのグリップ力を高めるために極低温用エポキシ樹脂を使うことによって、適切な引張試験条件を確立させた。各温度環境下での引張強さは1100MPa以上を示し、さらに、試験温度の減少に伴いヤング率が増加する温度依存を示した。ヤング率の増加の要因はアラミド繊維がエポキシ樹脂より支配的であることを確認した。

論文

Numerical analysis for the emergency discharge of the hydrogen loop of JSNS

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

LA-UR-06-3904, Vol.2, p.402 - 407, 2006/06

JSNSではモデレーターとして超臨界圧水素を採用しており、現在このための水素循環システム並びに輸送配管の設計を行っている。想定外事象が発生した場合には安全性の観点より速やかに水素を外部放出する必要がある。このため緊急時には水素輸送配管の真空断熱層内にヘリウムガスを注入,入熱を行い放出時間の短縮を行う方法を検討している。この際の放出水素の圧力変動と放出速度の数値解析を行った。水素放出中、水素放出配管内の圧力上昇は設計圧力である0.1MPa以下である必要がある。この条件を満たすためには真空層内に注入するヘリウムの圧力を0.04MPaに保つ必要がある。このときの水素放出速度は放出開始150秒後に最大で0.047Kg/sに達する。5分後には系内水素の90%の放出が完了する。この評価によって安全な水素の緊急放出方法の確立が行われた。

論文

Pressure rise analysis when hydrogen leak from a cracked pipe in the cryogenic hydrogen system in J-PARC

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

AIP Conference Proceedings 823, p.753 - 760, 2006/05

J-PARCにおける実験施設の1つとして、1MW陽子ビームによる核破砕中性子源の建設を行っている。この施設では、核破砕際反応によって発生した高速中性子を1.5MPa, 20Kの極低温水素で減速させる極低温水素循環システムの設計を進めている。本システムの異常事象として、モデレータ配管に発生した亀裂からの水素漏洩事象を生じた場合、水素を安全、かつ、迅速に放出しなければならない。そこで、水素漏洩時の水素層、及び、真空層の圧力・温度上昇を模擬できる解析コードを開発し、本システムに必要な安全装置の検討を行った。水素層には32Aの安全弁,真空層には、吹き出し口径37.1mm以上の破裂板が必要であることが解析によりわかった。

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。

報告書

1MW陽子ビーム入射時におけるモデレータ容器内の極低温水素への熱伝達評価

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

JAERI-Tech 2005-019, 16 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-019.pdf:1.29MB

大強度陽子加速器計画の一環として、物質・生命科学実験施設では、核破砕反応によって発生した高速中性子を極低温水素で減速させる水素循環システムの設計・製作を行っている。本実験施設では、核破砕反応で発生した熱中性子の冷中性子への減速材(モデレータ)として極低温水素(温度20K,圧力0.5から1.5MPa)が採択された。1MWの陽子ビームにより発生した中性子によるモデレータ容器内での核発熱量は3.75kWと見積もられている。極低温水素循環システムは、極低温水素を強制循環させてモデレータ容器に供給することにより、熱中性子、及び、モデレータ容器の冷却を行う。運転圧力、及び、流速条件によっては、モデレータ容器内で沸騰を起こす可能性があり、中性子性能、及び、モデレータ容器の安全性に影響を与える沸騰を防止する設計とする必要がある。このためには、モデレータ容器内の極低温水素の熱伝達を評価する必要があるが、極低温水素の熱伝達特性はほとんど解明されていないのが現状である。本報告では、極低温水素の浸漬冷却・強制冷却特性を一般に用いられている熱伝達相関式に極低温水素の物性に合わせて評価し、極低温水素循環システムの運転状態の違いによるモデレータ容器の温度特性の検討を行った。

論文

H$$_6$$$$^+$$ in irradiated solid $$para$$-hydrogen and its decay dynamics; Reinvestigation of quartet electron paramagnetic resonance lines assigned to H$$_2$$$$^-$$

熊田 高之; 田地川 浩人*; 高柳 敏幸*

Physical Chemistry Chemical Physics, 7(5), p.776 - 784, 2005/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:61.29(Chemistry, Physical)

以前H$$_2$$$$^-$$と同定されていた放射線照射固体パラ水素中に観測された4本線の電子スピン共鳴(ESR)信号を再調査した。実験と理論計算値を照らし合わせた結果、4本線はH$$_2$$$$^-$$ではなくH$$_6$$$$^+$$のものであることが判明した。新しい同定のもとに、以前に測定されたオルト-パラ変換,同位体効果,量子拡散などのデータを全て解析し直した。本論文の最後には、気体水素の放射線分解ではH$$_3$$$$^+$$イオンが生じるのとは対照的に、固体水素に放射線を照射したときに生成するイオン種はH$$_6$$$$^+$$であるというモデル提案した。

論文

Experimental determination of the mechanism of the tunneling diffusion of H atoms in solid hydrogen; Physical exchange versus chemical reaction

熊田 高之

Physical Review B, 68(5), p.052301_1 - 052301_4, 2003/08

 被引用回数:32 パーセンタイル:19.9(Materials Science, Multidisciplinary)

酸素分子の紫外線乖離により生成した固体水素中の水素原子の再結合反応に対する圧力依存性を電子スピン共鳴法を用いて調べた。4.2K以下で13MPaで再結合速度定数は全く圧力に依存しなかった。この結果は固体水素中における水素原子のトンネル拡散が物理拡散ではなくトンネル反応H+H$$_2$$$$rightarrow$$H$$_2$$+H により進行していることを示す。

報告書

極低温機器用異材接合技術の開発,2; 銅合金と純チタン及び極低温用ステンレス鋼のHIP接合

斎藤 滋; 大内 伸夫; 深谷 清*; 石山 新太郎; 土屋 佳則; 中嶋 秀夫

JAERI-Tech 2003-027, 63 Pages, 2003/03

JAERI-Tech-2003-027.pdf:19.84MB

超伝導加速器や核融合炉等の超伝導コイル及びその周辺には、複数の異材継ぎ手が必要である。核融合炉の場合、超伝導コイルジャケットの候補材の一つに純チタンが挙げられている。純チタンは超伝導コイル焼成時の酸素濃度管理が比較的楽であるほか、熱収縮率,非磁性,耐食性,加工性などの面でも優れているためである。また、コイルの接続部には電気抵抗が小さい銅合金が使われ、支持構造材には極低温用のステンレス鋼が使用される。そのため機器の製作にはこれらの材料の接合技術の開発が不可欠であり、原研では熱間等方加圧(Hot Isostatic Pressing ; HIP)法による接合技術の開発に着手した。HIP法は接合強度や寸法精度に優れ、立体面や大型機器の接合も可能である。本研究ではHIP法による銅合金と純チタン及び極低温用ステンレス鋼(JJ-1)の接合試験を行い、組織観察や引張り,曲げ試験等により最適なHIP条件の選定と接合強度の評価を行った。

報告書

極低温機器用異材接合技術の開発,1; 純チタンと極低温用ステンレスのHIP接合

斎藤 滋; 大内 伸夫; 石山 新太郎; 土屋 佳則*; 中嶋 秀夫; 深谷 清*

JAERI-Tech 2002-048, 68 Pages, 2002/05

JAERI-Tech-2002-048.pdf:7.86MB

超伝導加速器や核融合炉の超伝導コイルなどの極低温機器には、目的に応じてさまざまな材料が使用されるため、複数の異材継ぎ手が必要とされる。核融合炉の超伝導コイルの場合、純チタンと極低温用ステンレスの継ぎ手が必要であるが、溶接による接合は困難である。従って、新しい接合技術の開発が必要であり、原研では熱間等方加圧(Hot Isostatic Pressing; HIP)法による接合技術の開発に着手した。HIP法は接合強度や寸法精度に優れ、立体面や大型機器の接合も可能である。本研究ではHIP法による純チタンと4種類の極低温用ステンレスの接合試験を行い、組織観察や曲げ・引張り試験等による最適HIP条件の選定を行った。さらに4K及び室温における接合強度と熱サイクル試験による接合の健全性の評価を行った。

論文

Absence of recombination of neighboring H atoms in highly purified solid parahydrogen; Electron spin resonance, electron-nuclear double resonance, and electron spin echo studies

熊田 高之; 榊原 正博*; 長坂 敏光*; 福田 紘也*; 熊谷 純*; 宮崎 哲郎*

Journal of Chemical Physics, 116(3), p.1109 - 1119, 2002/01

 被引用回数:37 パーセンタイル:23.4(Chemistry, Physical)

固体水素中における水素原子の拡散速度と再結合速度をESR、ENDOR、及びESEを用いて調べた。オルソ水素濃度1%以下における水素原子の再結合速度定数は、拡散速度から予想されるより2桁以上も小さいことがわかった。この結果は固体パラ水素中において水素原子同士が隣接しても再結合しないことを示す。高純度パラ水素中において、水素原子再結合に伴い発生するエネルギーの拡散経路が存在しないために、水素原子は再結合することなく散乱されたのではないかと考えられる。

報告書

JT-60ペレット入射装置のためのペレット切断装置の開発

平塚 一; 市毛 尚志; 木津 要; 岩橋 孝明*; 本田 正男; 加藤 敦史*

JAERI-Tech 2001-019, 39 Pages, 2001/03

JAERI-Tech-2001-019.pdf:3.55MB

JT-60Uでは、プラズマの高密度長時間維持を目的に重水素ペレット(固体燃料)を連続的に入射するペレット入射装置の開発を進めている。ペレット入射装置は、立方体のペレットを生成して直線型アウターロータに供給し、それを遠心加速方式により高速で加速するものである。ペレット入射装置の高性能化を図るために立方体のペレットを繰り返し切断できる固体燃料切断装置を開発した。固体燃料切断装置は、高真空、低温下で生成された固体重水素を立方体のペレットに切断し、加速部に装填する機能を有している。単体試験の結果、気密性1$$times$$10$$^{-8}$$Pam$$^{3}$$/s以下、作動時間3ms以下、周期~20Hz、ストローク2.5mmの性能を満足した。この固体燃料装填装置をペレット入射装置に組み込み試験を行った結果、周波数10Hz、速度690m/s、入射時間3.5sの性能を得た。

論文

Effects of pressure on radiation processes in solid hydrogen; An ESR study

熊田 高之; Shevtsov, V.*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎

Journal of Chemical Physics, 113(4), p.1605 - 1608, 2000/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:86.36(Chemistry, Physical)

固相における放射線分解過程は、特有の拡散、緩和機構により、気相とは異なる様相を示す。われわれはX線照射した固体水素中に生成する水素原子収量の圧力依存性を見ることで、放射線分解過程が固相中でどのように進行するかを調べた。その結果、収量は圧力とともに減少し、22MPaにおいては0MPaに比べて約半分になっていることを見いだした。以上の結果は圧力によりかご効果が強くなったため、放射線分解過程における水素原子解離反応が起きにくくなったためであると考えられる。

論文

Trapping sites of hydrogen atoms in solid HD and D$$_{2}$$; An Electron spin echo study

熊田 高之; 野田 知克*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎

Journal of Chemical Physics, 111(24), p.10974 - 10978, 1999/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:66.7(Chemistry, Physical)

固体HD及びD$$_{2}$$中におけるH及びD原子の捕捉サイトを電子スピンエコー法を用いて調べた。解析の結果、すべてのH及びD原子は置換型サイトに捕捉されること、またH原子周囲のHD及びD$$_{2}$$分子は0.15${AA}$程度外側に押し出されていることを見いだした。置換型サイトに捕捉されるのは水素原子-分子間の相互作用と水素分子間の相互作用がほぼ等しく、最初に挿入型サイトに捕捉された水素原子もゼロ点運動によって容易に平衡距離に緩和するためと考えられる。H原子の周囲のHD及びD$$_{2}$$分子が押し出されるのはそのゼロ点運動の振幅がH原子の場合特に大きいためであると考えられる。これらの捕捉サイトに関する実験結果は、固体水素中におけるトンネル反応D+DH→D$$_{2}$$+Hにおいて実験的に観察した気相論で説明できない反応速度定数の温度依存性が、固体HD中におけるH原子周囲ひずみによって引き起こされている可能性によることを示唆している。

論文

Decay of H$$_{2-}$$ anions in solid parahydrogen via two-stage quantum tunneling diffusion process

熊田 高之; 北川 尚紀*; 森 昇治*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Journal of Low Temperature Physics, 114(5-6), p.413 - 429, 1999/00

固体パラ水素中に生成したH$$_{2-}$$アニオンは、固体水素の量子性を反映した非古典的減衰挙動を示す。本論文において、その減衰機構とそれに伴うH$$_{2-}$$アニオンの量子拡散挙動を解明した。実験の結果、減衰速度が(1)Hやカチオンの濃度ではなくHDのそれに比例する、(2)添加したNeの量にも比例する、(3)3K以下では温度とともに正比例的に増加、3-5Kにおいては逆に減少、5K以上では指数関数的に増加することを新たに見いだした。これらはそれぞれ、(1)H$$_{2-}$$の減衰がカチオンとの中和やH原子への電子移行反応:H$$_{2-}$$+H$$rightarrow$$H$$_{2}$$+H$$^{-}$$ではなく、HDとの反応によること、(2)拡散種はHDではなくH$$_{2-}$$であること、(3)3K以下、3-5Kの結果はそれぞれ、one-phonon relaxation,two-phonon assistを伴った量子拡散過程によりH$$_{2}$$が固体中を拡散していることを示している。特に3-5Kの温度依存性の逆転は、Meyerovich等が提唱するBiased Diffusionによるものであると思われる。

論文

Observation of electron bubbles in para-H$$_{2}$$-D$$_{2}$$(HD) mixtures by high-resolution ESR spectrosocpy

熊田 高之; 森 昇治*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Journal of Physical Chemistry A, 103(45), p.8966 - 8968, 1999/00

 被引用回数:13 パーセンタイル:58.6(Chemistry, Physical)

固体パラ水素(p-H$$_{2}$$)中に捕捉されたラジカル種のESRスペクトルは、マトリックス中の核スピンによる局所的な磁気摂動がないために、高感度、高分解能で測定される。われわれはこのような特徴を生かして、$$gamma$$線照射した固体para-H$$_{2}$$-D$$_{2}$$(HD)混合系中に、高感度、高分解能のエレクトロンバブルのESRスペクトルを得ることに成功した。このエレクトロンバブルは、para-H$$_{2}$$中のD$$_{2}$$(HD)の濃度が大きいほど多くの収量が得られ、逆にこれらの同位体不純物を含まない純粋なpara-H$$_{2}$$中では観測されない。以上のことから、エレクトロンバブルは固体中のD$$_{2}$$(HD)が作るひずみにトラップされていると考えられる。また、減衰速度が温度にほとんど依存しないことから、量子力学的トンネリングにより拡散、消滅していることが示唆される。

論文

An ENDOR spectrum of H atoms in solid H$$_{2}$$

熊田 高之; 北川 尚紀*; 野田 知克*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Chemical Physics Letters, 288(5-6), p.755 - 759, 1998/00

 被引用回数:27 パーセンタイル:33.05

固体水素中におけるH原子の捕捉の研究は、固体水素の量子固体としての物性を研究する上のみならず、固相中における原子引き抜きトンネル反応:H$$_{2}$$+H$$rightarrow$$H+H$$_{2}$$を理解する上でも大変興味深い。今回、我々は新たにENDOR(電子、核二重共鳴)法を用い、$$gamma$$線照射した4.2K固体水素中に生成したH原子の捕捉状態を調べた。ENDORスペクトルの解析結果から、H原子は固体水素中の置換型サイトのみに存在すること、また、その最近接のオルソ水素分子はパラ水素に変換されることが確かめられた。前者はH-H$$_{2}$$間の分子間力がH$$_{2}$$-H$$_{2}$$間のものと同等であること、後者は近接のオルソ水素がH原子の不対電子により禁制がやぶられパラ水素に変換されたことを示したものである。ENDOR法を用いることでこのように固体水素中の微視的情報が直接的に得られた。

論文

Experimental observation of H$$_{2-}$$ anion and its para $$rightarrow$$ ortho conversion in solid para hydrogen using high-resolution ESR spectroscopy

熊田 高之; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Journal of Low Temperature Physics, 111(3-4), p.509 - 514, 1998/00

この論文はH$$_{2-}$$アニオンの今までの成果をまとめたオートレビューである。一般の固定水素と比べ、パラ水素をアイソレーションマトリックスとして用いると、捕捉されたラジカルのESRスペクトルの分解能が大幅に改善される。われわれはこのパラ水素マトリックス中を用いH$$_{2-}$$アニオンの観測に初めて成功した。またH$$_{2}$$分子とは逆に、このH$$_{2-}$$は極低温でパラ$$rightarrow$$オルソ変換が起きていることが確認された。この逆方向の変換はH$$_{2}$$分子とH$$_{2-}$$アニオン中のプロトンの交換に対する波動関数の対称性から説明される。

論文

Evaluation of the distance between the hydrogen atom and hydrogen molecule in the tunneling reaction HD+D$$rightarrow$$H+D$$_{2}$$ in an argon matrix at 20K

駒口 健治*; 熊田 高之; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Chemical Physics Letters, 268(5-6), p.493 - 497, 1997/00

 被引用回数:14 パーセンタイル:52.34

低温固体アルゴンマトリックス中で、トンネル反応(HD+D$$rightarrow$$H+D$$_{2}$$)に直接関与する水素原子-水素分子対をESR観測することに成功した。20Kにおける水素原子のESRスペクトルとは、分離幅約0.06mTの等方的な9本線からなる極超微細構造が現れた。このスペクトル線形は、H原子-水素分子対(H-HDまたはH-D$$_{2}$$)で説明可能である。この極超微細構造から、トンネル反応が起こるときの水素原子-水素分子間距離として、0.173nmが評価できた。

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