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論文

Measurement of thick target neutron yield at 180$$^{circ}$$ for a mercury target induced by 3-GeV protons

松田 洋樹; 岩元 大樹; 明午 伸一郎; 竹下 隼人*; 前川 藤夫

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 483, p.33 - 40, 2020/11

大強度陽子加速器施設J-PARCにおいて、3GeV陽子入射による水銀標的から180度方向に放出される中性子のエネルギースペクトルを測定した。得られた結果は、粒子輸送計算コードPHITSによる計算結果と明らかな差異が見られ、その傾向はインジウムやニオビウムの放射化箔を用いた反応率実験の結果と一致することがわかった。鉛標的に対するGeV領域陽子入射中性子二重微分断面積の後方角におけるエネルギースペクトルの実験データとPHITSの核反応モデルを比較したところ、この差異は3GeV付近における核反応モデルによる中性子生成あるいは弾性散乱外断面積の記述に起因していることが示唆された。

論文

Measurement of displacement cross-sections of copper and iron for proton with kinetic energies in the range 0.4 - 3 GeV

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 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*

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(10), p.1141 - 1151, 2020/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:8.37(Nuclear Science & Technology)

加速器駆動型核変換システム(ADS)等の陽子ビーム加速器施設におけるビーム窓などの構造材の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(dpa)が損傷指標として広く用いられる。dpaの評価は弾き出し断面積に基づいて行われるものの、20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対する弾き出し断面積の実験データは乏しく、計算モデルの間でも約8倍の差が存在している。このため、弾き出し断面積を実験的に取得するのは計算に用いるモデルの評価のために重要となる。弾き出し断面積の取得のため、J-PARCの加速器施設において、0.4-3GeVにわたる陽子エネルギー領域における銅と鉄の断面積を測定した。弾き出し断面積は、損傷を保持するために極低温に冷却された試料における、陽子ビームに金する抵抗率変化により得ることができる。本測定で得られた実験結果を元に、計算モデルの比較検討を行った。広く用いられているNorgertt-Robinson-Torrens (NRT)モデルは、実験値を3.5倍過大評価することが判明した。一方、近年の分子動力学に基づく非熱的再結合補正(arc)モデルは実験値をよく再現したため、銅と鉄の損傷評価にはarcモデルを使うべきであると結論づけられた。

論文

Cavity and optics design of the accelerator for the JAEA-ADS project

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.107 - 111, 2019/07

The Accelerator Driven Subcritical System (ADS) becomes a prominent candidate for the transmutation of nuclear waste. To realize the ADS the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing the JAEA-ADS project, which consists in a continuous wave (CW) superconducting (SC) proton linac coupling with a sub-critical core, the accelerator will introduce to the target with the beam current of 20 mA and the kinematic energy of 1.5 GeV. The first part of the work is focus in the design of five SC cavity models to accelerate the beam from 2.5 MeV to 1.5 GeV. The last one is dedicating to beam optic studies with emphasis on the control of the emittance growth to reduce the beam halos and mitigate the beam loss, which is one of the main challenges for the successful operation of the ADS projects.

報告書

平成30年度研究開発・評価報告書; 評価課題「J-PARCに関する研究開発」(中間評価)

J-PARCセンター

JAEA-Evaluation 2019-003, 52 Pages, 2019/06

JAEA-Evaluation-2019-003.pdf:6.61MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成28年12月21日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価指針」(平成29年4月1日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規程」(平成17年10月1日制定)等に基づき、平成31年3月1日に第3期中長期計画に対する中間評価をJ-PARC研究開発・評価委員会に諮問した。これを受けて、J-PARC研究開発・評価委員会は、委員会において定められた評価方法に従い、原子力機構から提出されたJ-PARC研究開発の実施に関する説明資料の検討及びJ-PARCセンター長並びにディビジョン長による口頭発表と質疑応答を実施した。本報告書は、J-PARC研究開発・評価委員会より提出された中間評価の内容をまとめるとともに、「評価結果(答申書)」を添付したものである。

論文

Conceptual design of a single-ended MA cavity for J-PARC RCS upgrade

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.052014_1 - 052014_6, 2018/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:33.44

J-PARC RCSでは金属磁性体を用いた高周波加速空胴において、真空管のプッシュプル励振により高周波電力を供給している。そして、空胴の広帯域インピーダンス特性を生かしてマルチハーモニック励振及びビーム負荷補償を行っているが、プッシュプル励振はマルチハーモニック励振に際して欠点があることが判明した。それは、ビーム強度が上がってきた場合に、陽極電圧振幅のアンバランスが顕著になることである。そのためRCSのビームパワー増強に向けて、シングルエンド励振の金属磁性体空胴を考案した。これにより、陽極電圧振幅のアンバランスが本質的に発生しない空胴を実現できる。

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:75.54(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

Pulse-by-pulse switching of operational parameters in J-PARC 3-GeV RCS

發知 英明; 渡辺 泰広; 原田 寛之; 岡部 晃大; Saha, P. K.; 菖蒲田 義博; 田村 文彦; 吉本 政弘

Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC '18) (Internet), p.1041 - 1044, 2018/06

The J-PARC 3-GeV RCS (rapid cycling synchrotron) provides a high-power beam to both the MLF (materials and life science experimental facility) and the MR (main ring synchrotron) by switching the beam destination pulse by pulse. The beam properties required from the MLF and the MR are different; the MLF needs a wide-emittance beam with less charge density, while the MR requires a low-emittance beam with less beam halo. To meet such conflicting requirements while keeping beam loss within acceptable levels, the RCS has recently introduced a pulse-by-pulse switching of the operational parameters (injection painting emittance, chromaticity and betatron tune.) This paper reports such recent efforts toward the performance upgrade of the RCS including the successful beam tuning results for the parameter switching.

報告書

J-PARC核変換物理実験施設(TEF-P)安全設計書

原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター 分離変換技術開発ディビジョン

JAEA-Technology 2017-033, 383 Pages, 2018/02

JAEA-Technology-2017-033.pdf:28.16MB

原子力機構では、高レベル放射性廃棄物の減容化及び有害度低減のための研究開発を推進している。このうち、加速器駆動システム(ADS)を用いた核変換に係る研究開発を促進するため、大強度陽子加速器施設(J-PARC)の二期計画として、核変換実験施設(Transmutation Experimental Facility, TEF)の建設が計画されている。TEFは、大強度陽子ビームを液体鉛ビスマスターゲットに入射して核破砕ターゲットの技術開発及び材料の研究開発を行うADSターゲット試験施設(TEF-T)と、陽子ビームをマイナーアクチノイド装荷体系に導入して炉心の物理的特性探索とADSの運転制御経験を蓄積するための核変換物理実験施設(TEF-P)で構成される。本報告書は2つのTEF施設のうちTEF-Pについて、原子炉の設置許可申請のための安全設計についてまとめたものである。

論文

Measurement of thermal deformation of magnetic alloy cores of radio frequency cavities in 3-GeV rapid-cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex

島田 太平; 野村 昌弘; 田村 文彦; 山本 昌亘; 杉山 泰之*; 大森 千広*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 吉井 正人*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 875, p.92 - 103, 2017/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

Magnetic alloy cores loaded in radio frequency cavities are employed to achieve a high field gradient in the 3-GeV Rapid-Cycling Synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex. We use three core-types, which were manufactured in three different processes. Buckling occurred in some cores of only one of the three core types. In order to find out the mechanism of buckling, we measured thermal deformations of the two core types, which had not buckled and the core types, which had buckled, while changing their temperatures by RF heating in air. Furthermore, we calculated the thermal stress using the results of the experiments. These experiments yielded that there was no remarkable difference in the strength of thermal stress between the core types, which had not buckled, and the core types, which had buckled; however, that there was a clear difference in the behavior of thermal deformations. The local deformations appeared, when a certain temperature was exceeded, and accelerated with temperature rise in the buckled core types. This was not seen with core types that didn't show the buckling problem. We conclude that the repetition of these catastrophic and local deformations, which are accelerated with the temperature rises, lead to the buckling. This result contributes to the stable operation of RCS.

論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 1; Pulsed spallation neutron source

高田 弘; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 麻生 智一; 明午 伸一郎; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 大井 元貴; 原田 正英; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.8_1 - 8_26, 2017/09

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、パルス核破砕中性子源から高強度かつ狭いバルス幅の中性子を供給し、多様な中性子科学研究の推進に役立てている。この核破砕中性子源の構成機器は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、強度1MWという世界最高クラスの強度の陽子ビームで駆動されルことを前提に設計されており、水銀ターゲットと3種類の液体パラ水素モデレータがその中枢の機器である。目標とする1MWの陽子ビームによる運転に向けて、まだ途上段階にあるが、本報告では、この核破砕中性子源のターゲット・モデレータ・反射体システムの特色ある性能について解説する。

論文

J-PARC核変換実験施設計画と世界の情勢

前川 藤夫; 佐々 敏信

エネルギーレビュー, 37(9), p.15 - 18, 2017/08

放射性廃棄物の低減を目指す加速器核変換駆動システム(ADS)の開発に向けて、J-PARC核変換実験施設計画、および世界のADS開発の情勢について紹介する。

論文

New injection scheme of J-PARC rapid cycling synchrotron

山本 風海; 神谷 潤一郎; Saha, P. K.; 高柳 智弘; 吉本 政弘; 發知 英明; 原田 寛之; 竹田 修*; 三木 信晴*

Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC '17) (Internet), p.579 - 581, 2017/05

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、1MWの大強度ビームを物質生命科学実験施設および主リングシンクロトロンに供給するために設計され、調整が進められている。現在の所、RCSでは設計値の半分である500kWでの連続運転に成功しているが、今後さらにビーム出力を向上するためには、入射点付近の残留放射能による被ばく対策が重要となってくる。これまでのビーム試験やシミュレーション、残留線量の測定結果等から、入射点周辺の残留放射能は入射で使用する荷電変換用カーボンフォイルに入射及び周回ビームが当たった際に発生する二次粒子(散乱陽子や中性子)が原因であることがわかった。現状では、RCSの入射にはフォイルが必須であり、これらの二次粒子を完全に無くすことはできない。そこで、これら二次粒子によって放射化された機器の周辺に遮蔽体を置けるように、より大きなスペースが確保できる新しい入射システムの検討を開始した。予備検討の結果、機器配置は成立するが、入射用バンプ電磁石磁場が作る渦電流による発熱が問題となることがわかったため、今後その対策を検討することとなった。

報告書

J-PARC核変換実験施設技術設計書; ADSターゲット試験施設(TEF-T)

J-PARCセンター 核変換ディビジョン

JAEA-Technology 2017-003, 539 Pages, 2017/03

JAEA-Technology-2017-003.pdf:59.1MB

原子力機構では、平成26年4月に公表された「エネルギー基本計画」等を踏まえ、高レベル放射性廃棄物の減容化及び有害度低減のための研究開発を推進している。このうち、加速器駆動システム(ADS)を用いた核変換に係る研究開発を促進するため、大強度陽子加速器施設(J-PARC)の二期計画として、核変換実験施設(TEF)の建設が計画されている。TEFは、大強度陽子ビームを鉛ビスマスターゲットに入射して核破砕ターゲットの技術開発および材料の研究開発を行うADSターゲット試験施設(TEF-T)と、陽子ビームをマイナーアクチノイド装荷未臨界炉心に導入して炉心の物理的特性探索とADSの運転制御経験を蓄積するための核変換物理実験施設(TEF-P)で構成される。本報告書は2つのTEF施設のうちTEF-Tについて、その建設を目指して行った施設の技術設計の内容についてまとめたものである。

論文

Vacuum tube operation analysis under multi-harmonic driving and heavy beam loading effect in J-PARC RCS

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*; Schnase, A.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 835, p.119 - 135, 2016/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:57.46(Instruments & Instrumentation)

J-PARC RCSでは、金属磁性体を装荷した広帯域加速空胴でマルチハーモニックの電圧を発生させることができる。しかし、マルチハーモニックの下での真空管動作解析は、多変数の解析が必要となり非常に複雑である。過去の動作解析は、真空管の特性曲線から目視で読み取るか、シングルハーモニックで波形を仮定した解析しか行われていなかった。真空管動作を自動で解析するコードを開発し、マルチハーモニックの下でも真空管動作を解析することに初めて成功した。開発したコードは実際の大強度陽子ビーム加速試験において検証され、計算結果と測定結果がよく一致することを確認した。この解析手法の開発により、大強度陽子シンクロトロン加速器における真空管動作の正確な計算が行えるようになり、ビームの品質向上に寄与することが期待される。

論文

Impact of PHITS spallation models on the neutronics design of an accelerator-driven system

岩元 大樹; 西原 健司; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 松田 規宏; 佐藤 達彦; 原田 正英; 前川 藤夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(10), p.1585 - 1594, 2016/10

 被引用回数:10 パーセンタイル:15.59(Nuclear Science & Technology)

The impact of different spallation models and parametrisations of nucleon-nucleus interactions in PHITS on nuclear characteristics of an accelerator-driven system (ADS) is investigated. Cut-off neutrons below 20 MeV calculated by a current default option of the spallation model (i.e., Li${`e}$ge Intranuclear Cascade (INC) model version 4.6, INCL4.6) are found to be 14% less than those by the old spallation model (it i.e. Bertini INC model). This decrease increases the proton beam current that drives the 800-MW thermal power, and impacts various ADS parameters, including material damage, nuclear heating of the proton beam window (PBW), and the inventory of spallation products. To validate these options based on the ADS neutronics design, we conduct benchmark calculations of the total and nonelastic cross sections, thick target neutron yields, and activation reaction rate distributions. The results suggest that Pearlstein-Niita systematics, which is a default option of the nucleon-nucleus interaction parametrisation, would be best option and that the Bertini INC is better suited for cut-off neutrons than INCL4.6. However, because of the difficulty in making a definite conclusion on the spallation models, we conclude that relatively large uncertainty in the cut-off neutrons, which is the difference between the two spallation models (i.e. 14%), should be considered.

論文

Longitudinal particle tracking code for a high intensity proton synchrotron

山本 昌亘

Proceedings of 57th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2016) (Internet), p.110 - 114, 2016/08

3GeVシンクロトロンでの利用を目的とし、大強度陽子シンクロトロン向けに縦方向粒子追跡コードを開発してきた。縦方向粒子追跡コードはいくつか存在するが、我々のコードはウエイク電圧、空間電荷効果を取り込んだ上で粒子追跡を行い、マルチハモニックスの下でビームエミッタンスやフィリングファクターなどのRFバケツの裕度を計算することができる。また、シンクロナス粒子の計算方法を独自に開発し、シンクロナス粒子の周回周波数と加速周波数パターンに比例関係がない場合でも計算することができる。この特徴により、アディアバティシティのチェックが行える独自の仕様となっている。本コードを用いることで、3GeVシンクロトロンで大強度のビームを加速する条件を求めることができ、1MWの出力を達成することができた。本報告では、基本的な設計方針及びJ-PARC RCS, MRでの計算例を示す。

論文

Simulation of beam behavior caused by odd harmonics of beam loading in J-PARC RCS

山本 昌亘; 野村 昌弘; 島田 太平; 田村 文彦; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 戸田 信*; 吉井 正人*

Proceedings of 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC '16) (Internet), p.3443 - 3445, 2016/06

J-PARC RCSでは、ハーモニック数2において2バンチを加速している。このため、ビーム電流の主なフーリエ成分は偶数次となる。しかし、奇数次成分は初期において非常に小さな成分しか持たないにも関わらず、ある条件下では増大することがある。粒子トラッキングシミュレーションが示唆するところでは、2つのバンチの離合及びバンチ幅の増大・減少が奇数次のウエイク電圧によって引き起こされ、それが奇数次込のポテンシャルとうまく同期することで、ビームが不安定になることが分かった。RCSにおける奇数次のビーム負荷効果について、粒子追跡シミュレーションの結果を示す。

論文

Nuclear data evaluation of the $$^7$$Li(p,xn) reaction for incident energies up to 200 MeV

松本 唯希*; 渡辺 幸信*; 国枝 賢; 岩本 修

JAEA-Conf 2015-003, p.191 - 196, 2016/03

ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)中性子源等の開発において必要な$$^7$$Li(p,n)$$^7$$Be反応に対する核データ評価を実施した。直接過程の計算は歪曲波ボルン近似(DWBA)や測定データに基づく経験則を用いて行った。また、連続スペクトルの計算にはCCONEコードを適用し、前平衡パラメータ等を測定データを再現するように調整した。両手法を取り入れた評価値はピーク構造を持つ角度・エネルギー微分断面積として工学的応用が期待される。

論文

Measurement of ion species in high current ECR H$$^+$$/D$$^+$$ ion source for IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)

神藤 勝啓; Sen$'e$e, F.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Chauvin, N.*; Gobin, R.*; 一宮 亮; 伊原 彰; 池田 幸治; 春日井 敦; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A727_1 - 02A727_3, 2016/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.39(Instruments & Instrumentation)

A high current ECR ion source producing 140 mA/100 keV D$$^+$$ ion beams for IFMIF accelerator is now under commissioning at Rokkasho in Japan, under the framework of ITER Broader Approach (BA) activities. The ion source for IFMIF is required to produce positive deuterium ion beams with a high D$$^+$$ ratio. After the mass separation in LEBT consisting of two solenoids, the D$$^+$$ ratio should be higher than 95 % with less molecular ions and impurity ions at the entrance of RFQ linac to be installed downstream. The ion species have been measured by Doppler shift spectroscopy between the two solenoids. With hydrogen operation in pulsed and CW modes, the H$$^+$$ ratio increases with RF power or plasma density and reached 80% at 160 mA/100 keV. The value was compared with that derived from the emittance diagram for each ion species measured by an Alison scanner installed nearby the viewport for the spectroscopy in the LEBT. It was found that the spectroscopy gives lower H$$^+$$ ratio than the emittance measurement.

論文

Development of embedded Mach-Zehnder optical waveguide structures in polydimethylsiloxane thin films by proton beam writing

加田 渉*; 三浦 健太*; 加藤 聖*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 西川 宏之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.218 - 222, 2015/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:39.55(Instruments & Instrumentation)

The Mach-Zehnder (MZ) optical structures were previously fabricated in a Poly-methyl-methacrylate (PMMA) thin film by Proton Beam Writing (PBW). The enhancement of optical transmittance in the structures is, however, required for industrial use. In this study, the MZ optical waveguides have been fabricated in a poly-dimethyl-siloxane (PDMS) thin film which has the higher optical permeability. The PDMS films were spin-coated on a silicon wafer (40 $$times$$ 20 $$times$$ 0.5 mm$$^3$$) with a thickness of approximately 30 $$mu$$m. The MZ waveguides were drawn by a 750 keV proton microbeam of 1$$mu$$m in diameter having the penetration depth of 18 $$mu$$m with fluence of 40-100 nC/mm$$^2$$. The beam writing was carried out combining an electric scanner and a mechanical sample-stage. The observation of the single-mode light propagation of 1.55 $$mu$$m fiber-laser in the MZ waveguides indicated that the optical transmittance have been successfully enhanced using PDMS.

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