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論文

Numerical study on the potential of cavitation damage in a lead-bismuth eutectic spallation target

Wan, T.; 直江 崇; 粉川 広行; 二川 正敏; 大林 寛生; 佐々 敏信

Materials, 12(4), p.681_1 - 681_15, 2019/02

To perform basic R&D for future Accelerator-driven Systems (ADSs), Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) will construct an ADS target test facility. A Lead-Bismuth Eutectic (LBE) spallation target will be installed in the target test facility and bombarded by pulsed proton beams (250 kW, 400 MeV, 25 Hz, and 0.5 ms pulse duration). To realize the LBE spallation target, cavitation damage due to pressure changes in the liquid metal should be determined preliminarily because such damage is considered very critical from the viewpoint of target safety and lifetime. In this study, cavitation damage due to pressure waves caused by pulsed proton beam injection and turbulent liquid metal flow, were studied numerically from the viewpoint of single cavitation bubble dynamics. Specifically, the threshold of cavitation and effects of flow speed fluctuation on cavitation bubble dynamics in an orifice structure, were investigated in the present work. The results show that the LBE spallation target will not undergo cavitation damage under normal nominal operation conditions, mainly because of the long pulse duration of the pulsed proton beam and the low liquid metal flow velocity. Nevertheless, the possibility of occurrence of cavitation damage, in the orifice structure under certain extreme transient LBE flow conditions cannot be neglected.

論文

"$$K^-pp$$", a $$bar K$$-meson nuclear bound state, observed in $$^3$$He($$K^-,Lambda p)n$$ reactions

橋本 直; 谷田 聖; 他67名*

Physics Letters B, 789, p.620 - 625, 2019/02

$$^{3}{rm He}(K^-, , Lambda p)n$$における$$Lambda p$$不変質量分布において$$m_K + 2m_p$$、つまり$$K^-$$が2つの陽子に束縛する質量閾値以下に顕著なピークを観測した。$$q$$ = 350$$sim$$650MeV/$$c$$という比較的大きな運動量移行領域を選ぶことで、準弾性散乱($$overline{K}N rightarrow overline{K}N$$)に続いて残りの2各紙に吸収される反応($$overline{K}NN rightarrow Lambda N$$)をはっきり分離することができる。観測したピークの単純なフィットによってBreit-Wignerポール位置$$B_{rm {it Kpp}} = 47 pm 3 , (stat.) ,^{+3}_{-6},(sys.)$$ MeV、幅$$Gamma_{rm {it Kpp}} = 115 pm 7 , (stat.),^{+10}_{-20} ,(sys.)$$ MeV、そして$$S$$波ガウス形状因子パラメータ$$Q_{rm {it Kpp}} = 381 pm 14 , (stat.),^{+57}_{-0} ,(sys.)$$MeV/$$c$$という値が"$$K^-pp$$"というストレンジネスを含む新しい原子核束縛システムについて得られた。

報告書

J-PARC物質・生命科学実験施設の全体制御システムの進捗状況

酒井 健二; 大井 元貴; 高田 弘; 甲斐 哲也; 中谷 健; 小林 庸男*; 渡邊 聡彦*

JAEA-Technology 2018-011, 57 Pages, 2019/01

JAEA-Technology-2018-011.pdf:4.98MB

核破砕中性子源やミュオン標的などを安全に効率よく運転するために、物質・生命科学実験施設(MLF)は、専用の全体制御システム(GCS)を持ち、運転状況に応じた機器の監視操作やインターロックを運用している。GCSは、その役割に応じて、ネットワーク系(LAN), 統括制御系(ICS), サーバー, インターロック系(ILS), タイミング配信系(TDS)など幾つかのサブシステムで構成される。GCSは、MLF内の機器を独自に運転制御する一方、J-PARCの加速器や他実験施設と連動しながらMLFの安定したビーム運転を実現している。2008年度のビーム運転開始以来、GCSは運転制御コミッショニングに基づく改修を経て、システム性能を継続的に維持する視点から、ICSの大幅なアップグレードやILSの機能拡張を実施してきた(2010年度-2015年度)。この様に運転開始から約10年間、GCSには全般に渡って数多くの追加・変更がなされてきた。したがってGCS高度化の今後の方向性を決めるために、これまでの高度化の履歴とGCSの現況を把握することが重要と考え、2017年度時のGCSの構成・機能・役割を整理して取り纏めた。

論文

Thermal-hydraulic analysis of the LBE spallation target head in JAEA

Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信

Nuclear Technology, 205(1-2), p.188 - 199, 2019/01

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

To perform basic research and development to realize future accelerator-driven systems, a lead-bismuth eutectic (LBE) alloy spallation target will be installed within the framework of the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) project, Japan Atomic Energy Agency. The target will be bombarded by high-power pulsed proton beams (250 kW, 400 MeV, 25 Hz, and 0.5 ms in pulse duration). The Beam Window (BW) of the spallation target is critical because it should survive under severe conditions that occur, i.e., high temperature, high irradiation, intense stress, and various kinds of damage. Therefore, the target vessel should be carefully designed to obtain an adequate safety margin. Our previous research indicates that there is a stagnant flow region in the LBE at the BW tip due to the symmetric configuration of the target, which causes high temperature and concentration of stress on the BW. On the basis of our previous work, three types of upgraded target head designs are studied in the current research to reduce/move the stagnant flow region from the BW tip and to increase the target safety margin. Thermal-hydraulic analyses and structural analyses for the target head designs are carried out numerically under a steady-state condition. Results illustrate that the designs can almost eliminate the stagnant flow region in the LBE. As a consequence, the concentration of thermal stress on the BW is released and greatly decreased. The safety margin of the target is improved through this study.

論文

Measurement of activation cross sections of aluminum for protons with energies between 0.4 GeV and 3.0 GeV at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 6, p.171 - 174, 2019/01

核破砕中性子源や核変換システムの核設計の精度向上のためには高精度な核反応断面積が必要となり、コスト削減やより精度の高い遮蔽設計のためには放射化断面積の精度向上が必要とされる。放射化断面積は、これまでに既存施設において測定されてきたものの実験データにおいてバラつきが大きく必ずしも十分な精度でない。特にJ-PARCの核破砕中性子源で用いられている3GeV陽子のデータはほとんどないため、ターゲット構造材の更なる安全性向上のために実験データが必要となる。そこで我々は、J-PARCの加速器施設を用いてターゲット構造材や窓材に使用される核種の測定するためにタングステン、金、インジウム、及びベリリウムの放射化断面積を0.4, 1.3, 2,2及び3GeVの陽子に対し測定した。また試料固定用に設置したアルミニウムの放射化断面積を測定することにより実験の妥当性を検証した。測定で得た実験データを評価済み核データ(JENDL-HE 2007)、及び核内カスケードモデル計算と比較検討した。この結果、アルミニウムの実験結果は、JENDL-HE 2007は実験と比較的よい一致を示すことがわかった。一方、PHITSの核内カスケードモデルによる計算は、実験を約40%程度過小評価することがわかった。この過小評価の原因はPHITSに含まれる蒸発過程モデル(GEM)に問題があることが考えられ、GEMの改良により実験結果を再現できることが分かった。アルミニウム以外の核種は現在解析中であるが、PHITSコードによる計算結果は実験値を再現するものとしないものとあり体系的に比較する必要がある。

論文

Progress of neutron-capture cross-section measurements promoted by ImPACT project at ANNRI in MLF of J-PARC

中村 詔司; 木村 敦; Hales, B. P.; 岩本 修; 芝原 雄司*; 上原 章寛*; 藤井 俊行*

JAEA-Conf 2018-001, p.199 - 203, 2018/12

ImPACTプロジェクトにおいて、長寿命核分裂生成物の中の$$^{135}$$Csについて、その中性子捕獲断面積測定をJ-PARCのMLF施設内に設置されているANNRI装置を用いて進めている。将来の測定のために$$^{79}$$Seサンプルの整備可能性の検討と並行して、安定Se同位体核種について、それらの中性子捕獲断面積測定も進めている。本発表では、放射性$$^{135}$$Cs試料の整備とそれを用いた照射試験、安定Se同位体の断面積測定などについて報告する。

論文

High-energy magnetic excitations in lightly oxygen-doped lanthanum nickel oxides

中島 健次; 梶本 亮一

Physica B; Condensed Matter, 551, p.142 - 145, 2018/12

 パーセンタイル:100(Physics, Condensed Matter)

We will report on magnetic excitations in lightly oxygen doped lanthanum nickel oxide, La$$_{2}$$NiO$$_{4+delta}$$. By introducing slightly excessive oxygen atoms in the system, magnetic excitations in La$$_{2}$$NiO$$_{4}$$ drastically changes its picture. In lower energy region, spin-wave stiffness strongly suppressed. On the other hand, in the higher energy region, spin-wave dispersion curve is almost same as in the stoichiometric system, while excitations show considerable broadening. Alternation of the character of the excitations by changing energy is also reported in hole doped cuprates and cobalates. We consider that this behavior is one of key clues to understand magnetism and transport properties in carrier doped layered transition metal oxides. We investigated detail of magnetic excitations in two different lightly doped systems, La$$_{2}$$NiO$$_{4.02}$$ and La$$_{2}$$NiO$$_{4.11}$$ in wide momentum and energy transfer space by using time-of-flight spectrometers at J-PARC. Observed doping effects in magnetic excitations will be discussed by comparing them to those reported in other related layered transition metal oxides.

論文

Al-impurity-induced magnetic excitations in heavily over-doped La$$_{1.7}$$Sr$$_{0.3}$$Cu$$_{0.95}$$Al$$_{0.05}$$O$$_{4}$$

池内 和彦*; 中島 健次; 河村 聖子; 梶本 亮一; 脇本 秀一; 鈴木 謙介*; 藤田 全基*

AIP Advances (Internet), 8(10), p.101318_1 - 101318_5, 2018/10

中性子散乱実験により、Al不純物を導入した実効ホール濃度0.25の銅酸化物超伝導体、La$$_{1.7}$$Sr$$_{0.3}$$Cu$$_{0.95}$$Al$$_{0.05}$$O$$_{4}$$の巨大単結晶について、磁気励起を測定した。

論文

加速器駆動核変換システム(ADS)

前川 藤夫

高エネルギー加速器セミナー; OHO '18受講用テキスト, 11 Pages, 2018/09

加速器駆動核変換システム(Accelerator Driven nuclear transmutation System: ADS)は、大強度加速器と未臨界の原子炉を組み合わせることにより、原子力発電所の運転に伴い発生する高レベル放射性廃棄物を減容化し、有害度を低減する技術である。本稿では、ADSによる核変換の仕組みと効果、J-PARCにおける研究開発の現状等について紹介する。

論文

Experimental validation of the brightness distribution on the surfaces of coupled and decoupled moderators composed of 99.8% parahydrogen at the J-PARC pulsed spallation neutron source

原田 正英; 勅使河原 誠; 大井 元貴; Klinkby, E.*; Zanini, L.*; Batkov, K.*; 及川 健一; 藤 暢輔; 木村 敦; 池田 裕二郎

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 903, p.38 - 45, 2018/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:12.14(Instruments & Instrumentation)

At the J-PARC pulsed spallation neutron source, liquid hydrogen moderators composed of 99.8% parahydrogen associated with light-water premoderator have been providing high intensity cold and thermal neutron beams. In the design stage, simulations have shown not only high total neutron intensity in the coupled moderator but also a local neutron-brightness increase at the edges. The edge-effect-brightness increase is also exploited in the design of the European Spallation Source (ESS) moderators, which are based on 99.8% parahydrogen, but thin (thickness: 3 cm) to enhance the neutron brightness. In this study, the spatial distribution of the neutron brightness at the surface of the coupled moderator in the J-PARC pulsed spallation neutron source was directly measured with the pinhole geometry to validate the calculated edge-brightness enhancement. The brightness distribution at the moderator surface was clearly observed as predicted by a Monte Carlo simulation, proving the validity of the simulation tools used in the design-optimization process of the J-PARC and ESS moderator.

論文

Investigation of the electronic structure and lattice dynamics of the thermoelectric material Na-doped SnSe

Wu, P.*; Zhang, B.*; Peng, K. L.*; 萩原 雅之*; 石川 喜久*; 古府 麻衣子; Lee, S. H.*; 組頭 広志*; Hu, C. S.*; Qi, Z. M.*; et al.

Physical Review B, 98(9), p.094305_1 - 094305_7, 2018/09

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

熱電材料であるNaドープしたSnSeについて、ARPES, 中性子回折, 中性子非弾性散乱でその電子構造と格子ダイナミクスを測定した結果を報告する。

論文

Activation in injection area of J-PARC 3-GeV rapid cycling synchrotron and its countermeasures

山本 風海; 山川 恵美*; 高柳 智弘; 三木 信晴*; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 柳橋 亨*; 堀野 光喜*; 仲野谷 孝充; et al.

ANS RPSD 2018; 20th Topical Meeting of the Radiation Protection and Shielding Division of ANS (CD-ROM), 9 Pages, 2018/08

J-PARC 3GeVシンクロトロンは1MWのビーム出力を中性子ターゲットおよび主リングシンクロトロンに供給するためにビーム調整を進めている。現在は最大500kWの出力で運転を行っているが、現状最も放射化し線量が高い箇所はリニアックからのビーム軌道をシンクロトロンに合流させる入射部である。この放射化はビーム入射に使用する荷電変換フォイルとビームの相互作用によるものであるが、フォイルを使う限り必ず発生するため、周辺作業者への被ばくを低減するための遮蔽体を設置できる新しい入射システムの検討を行った。フォイル周辺は入射用電磁石からの漏れ磁場で金属内に渦電流が流れ、発熱することがこれまでの経験から判っているため、その対策として金属の遮蔽体を層状に分け、その間に絶縁体を挟む構造を考案した。遮蔽計算の結果から、9mmのステンレスの間に1mmの絶縁体を挟んでも遮蔽性能は5%程度しか低下しないことがわかった。

論文

Proton-induced activation cross section measurement for aluminum with proton energy range from 0.4 to 3 GeV at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Journal of Nuclear Science and Technology, 55(8), p.955 - 961, 2018/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:31.68(Nuclear Science & Technology)

大強度陽子加速器施設(J-PARC)において広く用いられる構造材に対する陽子入射の核破砕反応による放射化断面積をシステマティックに測定するための一連の実験を開始した。J-PARCの3GeVシンクロトロン陽子加速器施設において提案した測定方法の妥当性の確認のため、実験データが比較的豊富に存在するアルミニウムの断面積を測定した。陽子入射に伴い、アルミニウムより$$^{7}$$Be, $$^{22}$$Na、および$$^{24}$$Naを生成する断面積を、0.4, 1.3, 2.2, 3.0GeVのエネルギーに対し測定した。有効照射陽子数決定法により実験データの妥当性を確認し、問題ないことを確認した。本実験で得た断面積を、既存の実験データ,評価済み核データ(JENDL-HE/2007)およびPHITSによる計算値と比較した。JENDL-HE/2007は実験データと一致を示したものの、PHITSによる計算値は40%程度過小評価した。この原因には、PHITSに用いられる蒸発モデルに起因すると考えられたため、Furihataにより提案されたGEMモデルを適用したところ、実験を再現できるようになった。

論文

Recovery of helium refrigerator performance for cryogenic hydrogen system at J-PARC MLF

麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生; 青柳 克弘; 野村 一隆; 高田 弘

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012085_1 - 012085_4, 2018/06

At J-PARC's pulsed spallation neutron source, a cryogenic hydrogen system has been operated to provide liquid para-hydrogen (20K and 1.5 MPa) to the moderators since 2008. Typical operating period of the cryogenic hydrogen system was approximately 3 months continuously. However, the pressure differences between No.1, No.2 heat exchangers (HXs) and an adsorber (ADS) in the helium refrigerator had begun to increase rapidly since the beginning of 2015, the refrigerator could not be operated continuously. The impurity in the refrigerator was measured by newly introduced quadrat mass spectrometer, but no significant impurities was observed. We suspected the oil contamination from the helium compressor, as it caused performance degradation of the cryogenic system in other facilities, such as RIKEN, CERN, etc. In the summer outage in 2016, we cleaned the HXs with Freon to remove the oil contamination, and replaced the activate charcoals of ADS and oil separator (OS-5). As a result, the performance of the helium refrigerator was recovered completely.

論文

The Measurements of neutron energy spectrum at 180 degrees with the mercury target at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012017_1 - 012017_4, 2018/06

180$$^{circ}$$方向に放出される核破砕中性子は将来のADS(加速器駆動未臨界システム)の遮蔽計算や核物理の観点から重要である。しかし、測定の困難さからこれまでほぼ全く測定されてこなかった。われわれは初めて180$$^{circ}$$方向に放出された水銀核破砕中性子のエネルギースペクトルをJ-PARCのMLFへの陽子ビーム輸送ライン(3NBT)においてNE213液体シンチレーターを用いて測定した。ターゲットに照射される陽子エネルギーは3GeVで、強度は1$$times$$10$$^{10}$$個以上である。中性子のエネルギーはn-$$gamma$$弁別を用いて信号を分離した後飛行時間法で決定した。またPHITSを用いて実験のセットアップを模して計算を行い、実験値との比較を行なった。本稿では実験概要及び測定結果などを報告する。

論文

Recent issues encountered by AMATERAS; A Cold-neutron disk-chopper spectrometer

中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥*; 古府 麻衣子; 川北 至信; 稲村 泰弘; 神原 理*; 青山 和弘*; 若井 大介*; 原田 正英; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012031_1 - 012031_5, 2018/06

We report recent issues that have been encountered by AMATERAS, which is a cold-neutron disk-chopper spectrometer installed at the Materials and Life Science Experimental Facility at J-PARC. After the last ICANS meeting held in 2014, AMATERAS has continued its user program. On the other hand, the spectrometer has faced several problems, such as a weak shield at the beam dump, failure of one of the chopper disks and many such problems, which we are currently investigating. Further, several instrumental improvements have been performed, such as background reduction, fixing badly designed parts and other such improvements. Our extensive experience obtained in the period of more than 7 years on one of the world's first pulse-shaping chopper spectrometers may help other researchers who are operating or planning to construct similar spectrometers.

論文

Continuum excitation and pseudospin wave in quantum spin-liquid and quadrupole ordered states of Tb$$_{2+x}$$Ti$$_{2-x}$$O$$_{7+y}$$

門脇 広明*; 脇田 美香*; F${aa}$k, B.*; Ollivier, J.*; 河村 聖子; 中島 健次; 高津 浩*; 玉井 元健*

Journal of the Physical Society of Japan, 87(6), p.064704_1 - 064704_6, 2018/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:10.81(Physics, Multidisciplinary)

フラストレートしたパイロクロア酸化物Tb$$_{2+x}$$Ti$$_{2-x}$$O$$_{7+y}$$についての非弾性中性子散乱実験を行った。相転移を示さず量子スピン液体になる系($$x = -0.007 < x_{c} < sim -0.0025$$)と、二つの四重極秩序を起こす系($$x = 0.000, 0.003$$)の単結晶試料を調べた。量子スピン液体の系は弾性散乱の他に0.1meV程度の連続励起を持ち、$$x$$が増加すると連続励起領域から四重極のスピン波が分かれてくる。これは、粉末試料の結果と同じであり、試料の$$x$$の制御がよくできている証拠である。

論文

Recent status of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; Saha, P. K.

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1045 - 1047, 2018/06

J-PARC 3GeVシンクロトロンは現在500kWの陽子ビームを物質生命科学実験施設に、また750kW相当の粒子数の陽子ビームを主リングシンクロトロンに向けて供給している。J-PARCのような大強度加速器では、わずか0.1%のビームロスでも非常に大きな機器の放射化を引き起こし、トラブルが発生する。そのため、大強度出力での安定な運転を目指し、3GeVシンクロトロンではビーム調整を行い、その結果を基に改善を進めている。近二年では、六極電磁石および補正四極電磁石の改修により、ビーム軌道の不安定化を抑制し、より小さなエミッタンスのビームを主リングに向けて供給できるようになった。また機器の放射化も低い状態を維持したまま運転を継続しており、作業者の被ばくも非常に少なく抑えることに成功している。

論文

短パルス中性子源とエネルギー分析型中性子イメージング装置RADEN(螺鈿)による可視化技術

甲斐 哲也; 篠原 武尚; 廣井 孝介; Su, Y.; 及川 健一

非破壊検査, 67(5), p.209 - 216, 2018/05

RADENの機器構成とその役割、及び中性子ラジオグラフィ、トモグラフィの実例を示し、解説を行う。また、パルス中性子を利用した、ストロボ撮影、中性子共鳴吸収イメージング、ブラッグエッジイメージング、偏極中性子イメージングについても、手法の解説と簡単な測定例の紹介を行う。

論文

Detailed study of the structure of the low-energy magnetic excitations in overdoped La$$_{1.75}$$Sr$$_{0.25}$$CuO$$_{4}$$

池内 和彦*; 菊地 龍弥*; 中島 健次; 梶本 亮一; 脇本 秀一; 藤田 全基*

Physica B; Condensed Matter, 536, p.717 - 719, 2018/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:55.67(Physics, Condensed Matter)

銅酸化物高温超伝導体の過剰ドープ領域における低エネルギーの磁気励起の構造の詳細を調べるために、我々は、La$$_{1.75}$$Sr$$_{0.25}$$CuO$$_{4}$$の中性子非弾性散乱実験を行った。過去に報告されたように、非整合な磁気相関に対応した$$Q_{rm tet}$$ = (0.5 $$pm$$ $$delta$$, 0.5)/(0.5, 0.5 $$pm$$ $$delta$$)を中心とした磁気励起を明瞭に観測した。それに加えて、$$Q_{rm tet}=(0.5, 0.5)$$を中心とした円環状の励起も観測された。円環の半径($$r$$=0.109)は、磁気相関の非整合性($$delta$$=0.118)より小さい。このことは、円環状の磁気励起は非整合な磁気相関とはその原因を異にしていることを示唆している。La$$_{2-x}$$Sr$$_{x}$$CuO$$_{4}$$の磁気励起はこのように2種類の励起を持つことが示唆される。

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