Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP052

J-PARC 3MeV リニアックにおけるレーザ荷電変換試験の結果（速報）
PRELIMINARY RESULTS OF THE LASER CHARGE EXCHANGE TEST USING THE
3-MEV LINAC IN J-PARC
武井早憲#, A), 平野耕一郎 A), 堤和昌 A), 千代悦司 A), 三浦昭彦 A), 近藤恭弘 A), 森下卓俊 A),
小栗英知 A), 明午伸一郎 A)#, A), Koichiro HiranoA), Kazuyoshi TsutsumiA), Etsuji ChishiroA), Akihiko MiuraA),
Hayanori Takei
Yasuhiro KondoA), Takatoshi MorishitaA), Hidetomo OguriA), Shin-ichiro MeigoA)
A)
J-PARC/JAEA

Abstract
Accelerator-driven system (ADS) is one of candidates to transmute long-lived nuclides such as minor actinide (MA)produced at nuclear reactor. For efficient transmutation of the MA, precise prediction of neutronics of ADS isindispensable. In order to obtain the neutronics data for the ADS, J-PARC has a plan to build the Transmutation Physics
Experimental Facility (TEF-P), which will be delivered 400-MeV H- beam with 25Hz extracted from LINAC. Since theTEF-P requires stable power of the beam and will operate with thermal power less than 500 W and the proton beam powerof 10 W so that a stable and meticulous beam extraction method is required to extract small amount of the beam from thehigh power LINAC beam with 250 kW. To fulfill requirement, Laser charge exchange method (LCE) has been developed
for delivery of 400-MeV proton beam to the TEF-P. The LCE strips the electron of H- beam and H0 will separate at thebending magnet at the proton beam transport. The LCE device consists of YAG-laser with high power as 1.6 J/shot and25 Hz and transport control system with high accuracy of the beam position. For the demonstration of the charge exchangeof the H-, the further LCE tests is conducted using H- beam with energy of 3-MeV at RFQ test stand in J-PARC. In thispaper, present status of LCE tests is presented.

1.

はじめに

日本原子力研究開発機構では、高レベル放射性廃棄物に含まれる元素や放射性核種を、その半減期や利用目的に応じて分離するとともに、マイナーアクチノイド（MA）などを加速器駆動システム（Acce1erator Driven
System: ADS）で短寿命核種または安定な核種に変換する研究開発を進めている。この ADS として、核破砕ターゲットとして優れた特性を持つ鉛ビスマス共晶（Lead-Bismuth Eutectic, LBE）合金をターゲット材および冷却材に、主に MA を燃焼する鉛ビスマス冷却・ター
ゲット ADS を提案している[1]。
実用 ADS の開発には、MA 燃料製造および再処理を含む核変換専用サイクル技術の開発、ならびに MA 装
荷炉心の炉物理、LBE ターゲット、加速器およびプラント全体の安全・制御技術などの開発が必要である。これらの開発課題のうち、炉物理・MA 核データに係る課題、また LBE 熱流動・ターゲットおよび LBE 材料に係る課題に取り組むために必要な実験施設として、大強度陽子加速器施設 J-PARC（Japan Proton Accelerator ResearchComplex ） の 核 変 換 実 験 施 設 （ Transmutation
Experimental Facility, TEF, Fig. 1）を位置付けている。
Fig. 1 に示す通り、TEF は ADS ターゲット試験施設（ADS Target Test Facility, TEF-T）及び核変換物理実験施設（Transmutation Physics Experimental Facility, TEFP）の 2 施設で構成される。TEF-T[2]は、大強度陽子ビーム（エネルギー400MeV、出力 250kW）での核破砕ターゲット技術開発および材料の研究開発を行う施設である。

TEF-P[3]は、実験用の小出力の原子炉である臨界実験装置に陽子ビームを導入し、核破砕中性子源で未臨界状態の原子炉を駆動した際の様々な特性を実験的に検証するための施設である。TEF-P で行う炉物理実験では、最大核分裂出力を 500W に抑えるため、入射する陽子ビーム出力は最大でも 10W で十分である。このため、TEF-T に向かう 250kW の負水素イオン（H－）ビームからレーザ荷電変換[4]により 10W の微弱の水素イオン（H＋）
ビームを切り出し、TEF-P に向けて輸送する予定である。
レーザ荷電変換技術の導入にあたり、荷電変換された H＋ビームの強度やその安定性を評価することは、臨界集合体の熱出力を一定に保つために必要不可欠である。そこで、新たに構築した 3MeV リニアックを用いて、H＋ビーム強度などを測定するレーザ荷電変換試験を実施した。本報告では、レーザ荷電変換試験の概要及び2016 年 6 月末に実施した試験結果を速報として報告する。

2.

レーザ荷電変換の原理

レーザ荷電変換の原理[4]を Fig. 2 に示す。レーザ光を H－ビームに照射することにより、H－ビームを中性水素（H0 ）ビームに荷電変換する。H －イオンの第 2 電子は0.755eV という低いエネルギーで H0 に結合しているため、赤外線から可視光程度の波長を持つレーザ光で容易に電子を引き離すことができる。一方、H0 の場合、第 1 電子の結合エネルギーは 2.3eV と、第 2 電子と比較して高いため、レーザ光では第 1 電子を引き離すことは難しい。

___________________________________________# takei.hayanori@jaea.go.jp- 987 -

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レーザで中性化された H0 と区別されず、TEF-P に輸送される。このため、レーザ荷電変換部を偏向電磁石内に設置する（Fig. 2(b)参照）。この方法によって、偏向電磁石より上流の直線部で残留ガスとの相互作用で生じた H0は偏向電磁石内を直進することになり、TEF-P へ輸送されるレーザ荷電変換された H0 ビームのバックグランド成分が減少することになる。

3.

レーザ荷電変換試験

3.1

試験体系

J-PARC では、レーザ荷電変換試験、ビームスクレーパへの照射試験[5]、及びビームコンポーネントのビーム試験等を行うため、3MeV リニアックを設置した。3MeV リ
ニアックは、負水素イオン源、低エネルギービーム輸送系（Low Energy Beam Transport）、高周波四重極型リニ
ア ッ ク （ RFQ ） 、 RFQ 下 流 の MEBT （ Medium EnergyBeam Transport）、及び、ビームダンプで構成される。これらの機器の仕様及び配置については、文献[5]を参照のこと。
ところで、H－イオンの第 2 電子をレーザ光で引き離す
荷電変換断面積は波長約 900nm で最大になるため、基本波長 1,064nm の Nd:YAG レーザを使用すると効率的に荷電変換を行うことができる（Fig. 3）。このレーザを用いて、エネルギー400MeV の H－ビームを荷電変換する
場合、ローレンツ収縮による影響を考慮しても荷電変換断面積は基本波長 1,064nm の場合とほぼ同じである。
従って、3MeV リニアックでレーザ荷電変換試験を実施することは、TEF-P のためのレーザ荷電変換効率などを実験的に予想することが可能である。

Figure 1: Transmutation Experimental Facility.
(a)

(b)

Figure 2: Conceptual diagram of Laser charge exchange
method. For (a), the laser light is injected in the straightsection of the H- beam line. On the other hand, for (b), thelaser light is injected in the bending section of the magnet.
よって、H0 の第 1 電子を剥ぎ取るため（ストリッピング）、H0 ビームを荷電変換フォイル、すなわち数百 µg/cm2 の金属箔に入射させ、H＋ビームに荷電変換する。この時、荷電変換フォイルに入射する H0 ビームの電流は H＋ビー
ムとほぼ等しく、僅か数 W であるため、荷電変換フォイルにおけるビームの散乱は問題とならない。さらに、何かしらの要因で大電流ビームが荷電変換フォイルに入射してもそれが溶融し、大電流ビームが TEF-P に入射することを未然に防ぐことが可能となる。
ところで、レーザ光を H－ビームに照射しなくても、H－ビームが真空中の残留ガスとの相互作用により、H0 ビー
ムに荷電変換され、TEF-P に入射する。この成分はバックグランドになり得るため、極力取り除く必要がある。
TEF-P へのビーム輸送ラインは、偏向電磁石による曲線部分とそれ以外の直線部分から成り立っているが、直線部分にレーザ荷電変換部を設置することは望ましくない。
すなわち、残留ガスとの相互作用で中性化された H0 は、

Figure 3: Cross section for H- photoneutralization as afunction of photon wavelength [6].

レーザ荷電変換試験では大出力レーザを使用するため、レーザ光路を遮光ボックスや遮光パイプで覆い、レーザ光が漏れない構造とした。万一、これらの遮光物からレーザ光が漏れた場合、人的な障害を防止するため、アルミ樹脂複合板（厚さ 3mm）を用いてレーザ使用室を設置し、レーザ使用室の外部にレーザ光が漏れないような構造とした。また、レーザ使用室内をレーザ管理区域に設定するとともに、レーザ運転時やリニアック運転- 988 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ち、レーザ光の出力を測定するパワーメーター（GentecEO 製、UP55N-50S-VR）、レーザ光のプロファイルと位置を測定するプロファイラー（Gentec 製、Beamage 4M）、及びレーザ光の時間構造を測定するバイプラナ光電管（浜松フォトニクス製、R12290U-51）である。なお、パワーメーターには高出力レーザ光の吸収を兼ねている。
Nd:YAG レーザから衝突点までの光路長は 425cm で、レーザ光を反射する平面ミラーは 10 枚である。また、衝突点からパワーメーターまでの光路長は 316cm で、平面ミラーは 5 枚である。H－ビームの出力を安定に保つため、衝突点における Nd:YAG レーザ光の位置を一定に保つ必要がある。このため、Nd:YAG レーザ光のガイド光として、市販の He-Ne レーザ（LASOS 製）からのレーザ光（波長 632.8nm、連続波、定格出力 20mW）を用いた。両者の光軸は石英ビューイングポート上で±1mm 以内で一致するように調整した。石英ビューイングポートを透過
Figure 4: Layout of the laser use room.
する He-Ne レーザ光の位置は、真空チェンバーの上流側及び下流側に設置したカメラで計測し、コンピュータを用いて He-Ne レーザ近傍に設置した平面ミラーをピコ時などに人員を保護するインターロックシステムを構築し モーターで微動させ、その位置が一定になるように制御た[7]。Fig. 4 にレーザ使用室内の機器配置及びインター した。
ロックシステムのインターロックセンサー等を示す。また、 石英ビューイングポートに入射する He-Ne レーザ光のFig. 5 はレーザ荷電変換部の機器配置を示す。
垂直方向（H －ビームの垂直方向）の位置は、事前に四陽子ビームラインは、ステアリング電磁石を有する四重 重極電磁石の中心と一致するように調整した。同じく、極電磁石 3 台、偏向電磁石、ビーム位置モニター、ビー He-Ne レーザ光の水平方向（H－ビームの進行方向）のム電流モニター、及びビームダンプで構成される。偏向 位置は、偏向電磁石の磁極中心となるように調整した。
電磁石の磁極間に、H－ビームとレーザ光が衝突するチ
ところで、RFQ で加速された H－ビームは偏向電磁石タン製真空チェンバーを設置した。特に、真空チェン で曲げられ、23 度ビームライン最下流の 23 度ビームダバーには高出力レーザ光が入射する石英ビューイング ンプで停止する。Nd:YAG レーザ光は偏向電磁石の磁ポ ー ト （ 超 高 真 空 窓 、 窓 有 効 径 φ 35.6mm 、 ガ ラ ス 厚 極中心に入射するため、荷電変換した H0 ビームは、113.2mm、Nd:YAG レーザ損傷閾値 10J/cm2）を設けた。
度ビームラインに輸送され、荷電変換フォイル（コバルト除振台上の遮光ボックス内に市販の高出力 Nd:YAG ベースの金属箔、ハーバーフォイル）によって H＋ビームレーザ（Continuum 製、Powerlite DLS 9025）を設置し、 に変換される。その後、ビーム位置モニター（BPM）、そのレーザ光（波長 1,064nm、繰り返し 25Hz、定格出力 SCT（slow current transformer）を通過した後、ビームダン1.6J/pulse）を石英ビューイングポートから入射させる。入 プを兼ねたファラデーカップ（FC、「11 度ビームダンプ」と射したレーザ光は H －ビームと衝突したあと、再び石英 記す）で停止する。
ビューイングポートを透過し、除振台上の遮光ボックスへ輸送される。この遮光ボックスには、Nd:YAG レーザ光の状態を計測する三種類の機器が置かれている。すなわ

Figure 5: Photograph of the laser charge exchange system at the 3MeV linac.

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Figure 6: Three-dimensional profile of the Nd:YAG laser
light at (a) the exit of the laser main body and (b) thetermination point.

Figure 7: Time structure of the Nd:YAG laser light as afunction of the laser power.

（ＦＷＨＭ）となる。従って、H－ビームの垂直方向で見ると、広いレーザ光に細い H－ビームが衝突している。また、石英ビューイングポートを保護するため、Nd:YAG レーザ光の出力を定格出力の半分（0.8J/pulse）とした。この
出力の Nd:YAG レーザ光が石英ビューイングポートへ入射する単位面積当たりのエネルギーは 0.71J/cm2 となり、
Nd:YAG レーザ損傷閾値 10J/cm2 よりも低い。さらに、
Nd:YAG レーザ光は、終端までの間、平面ミラー15 枚で反射され、石英ビューイングポート 2 枚を透過するため、レーザ出力は徐々に減衰し、終端におけるレーザ出力は 14.7Ｗとなり、全体の透過率は 74％となった。
Fig. 7 は、Nd:YAG レーザ光の出力を変化させた時のNd:YAG レーザ光の時間構造を示す。図中のレーザ出力は終端における値を示す。これより、レーザ出力 14.7
Ｗにおける Nd:YAG レーザ光の時間的なプロファイルは1σ が約 4.8ns（FWHM=11.3ns）となり、また、プロファイルはレーザ出力に余り依存しなかった。
今まで述べたプロファイルなどの衝突条件で、H－ビー
ムの 1 マイクロバンチが H＋ビームにレーザ荷電変換した場合、TEF-P に 1.5W 相当の H＋ビームが取り出せると予想される。また、H－ビームは周波数 324MHz の高周波で加速されるため、マイクロバンチの間隔は 3.09ns であり、Nd:YAG レーザ光 1 パルスの時間幅が FWHM で 11.3nsであるから、Nd:YAG レーザ光 1 パルスが H－ビームのマイクロバンチ 4.98 個と重なる。従って、ビーム横方向の効率を 100%と仮定した場合 7.5W 相当の取り出しが可能となる。
3.3

試験結果（速報）

Fig. 8 に 23 度ビームダンプで測定された H－ビームの電流波形（青色）を示す。青色の波形は 1 マクロパルスを
2016 年 6 月末に、荷電変換された H＋ビームの強度を表しているが、中央の急激な立ち上がり立ち下がり部分調べることを目的としたレーザ荷電変換試験を実施した。
はレーザ荷電変換によって欠落した H－ビームである。ここの試験では、ピーク電流 30mA、マクロパルス幅 50μs、の欠落は、Nd:YAG レーザ光のファーストショットから観繰り返し数 25Hz の H－ビームを RFQ から MEBT へ輸送測され、H－ビームと Nd:YAG レーザ光が衝突しているこ－した。まず始めに、偏向電磁石を励磁せず、H ビームのとが確認された。Fig. 9 は、バイプラナ光電管で測定され位置をビーム位置モニターで測定し、ビームライン中心たレーザ光と SCT で測定された H＋ビームの波形を示す。となるようにステアリング電磁石を調整した。次に、Q-scan
図より、レーザ光に起因して H＋ビームが取り出され、図によってビームサイズを測定するため、四重極電磁石の中赤枠内の電流量を積分すると、H ＋ ビームの出力は磁場強度を変化させながら、四重極電磁石の下流に設0.026W となった。この値は TEF-T のビーム条件に換算置した邪魔板を垂直方向に移動させ、0 度ビームダンプ
すると約 5W となり、要求出力（最大 10W）を概ね満足すの電流を測定した。その結果、Nd:YAG レーザ光との衝る結果となった。
－突点における H ビームのプロファイルは約 2.8mm（σv）
であった。
次に、偏向電磁石を励磁し、H－ビームを 23 度ビームダンプに入射させた後、H－ビームと Nd:YAG レーザを衝突させた。この時、H＋ビームが 11 度ビームラインにあるBPM の中心を通過するように、偏向電磁石の磁場強度を微調整し、H－ビームの曲げ角を決定した。そして、ＳＣＴ及びＦＣなどのビーム電流モニターを用いて H＋ビームの電流量を求めた。
ところで、プロファイラーによって測定された Nd:YAG
レ ー ザ 光 の プ ロ フ ァ イ ル を Fig. 6 に 示 す 。 図 よ り 、
Nd:YAG レーザ本体の出口では直径 9mm（FWHM）、終端では直径 15mm（FWHM）となった。Nd:YAG レーザ
Figure 8: Current waveform of H- beam observed at the 23º
光の広がりが光路長に比例すると仮定すると、H－ビーム
beam dump.との衝突点における Nd:YAG レーザ光の直径は 12mm
3.2

試験方法

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試験する予定である。

参考文献

Figure 9: Waveform of the Nd:YAG laser pulse and the H+
beam observed at the SCT of the 23deg beam line.

[1] K. Tsujimoto et al., “Feasibility of Lead-Bismuth-Cooled
Accelerator-Driven
SystemforMinor-Actinide
Transmutation”, Nucl. Tech. 161, 315 (2008).
[2] T. Sasa et al., “Conceptual Study of Transmutation
Experimental Facility (2) Study on ADS Target Test
Facility”, JAERI-Tech 2005-021 (2005).
[3] H. Oigawa et al., “Conceptual Design of TransmutationExperimental Facility”, Proc. Global2001, Paris, France(CD-ROM, 2001).
[4] S. Meigo et al., “YAG レーザーを用いた H－ビーム取出し法の概念検討”, JAERI-Tech 2002-095.
[5] K. Hirano et al., “J-PARC 3 MeV リニアックを用いたビームスクレーパの開発”, Proceedings of the 13th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Chiba, Aug. 8-10,
2016.
[6] John T. Broad and William P. Reinhardt, “One- and twoelectron photoejection from H- : A multichannel J-matrixcalculation”, Phys. Rev. A14, 2146 (1976).
[7] Y. Sawabe et al., “J-PARC 3 MeV リニアック用制御システム開発”, Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Chiba, Aug. 8-10, 2016.

Figure 10: H+ beam power as a function of the Nd:YAGlaser power.
Fig. 10 は、SCT 及び FC で測定された、TEF-T のビー
ム条件に換算した H＋ビームの出力と Nd:YAG レーザ光の出力の関係を表したものである。SCT と FC で測定された H＋ビームの出力はほぼ一致しており、現有のNd:YAG レーザシステムを用いて、レーザ出力を 5W まで低くしても、5W 相当の H＋ビームは得られる見込みである。

4.

まとめ

大強度 H－ビーム（400MeV, 250kW）から微弱の H＋ビーム（最大 10Ｗ）をレーザ荷電変換によって取り出す
ため、J-PARC 3MeV リニアックを用いて、H＋ビーム強度などを測定するレーザ荷電変換試験を実施した。その結果、取り出された H＋ビームの強度は TEF-T のビーム条件に換算すると約 5W となり、要求出力（最大 10W）を概ね満足する結果となった。
今回の試験では、取り出された H＋ビームの強度に着目したが、今後、H－ビーム及びレーザ光の特性をさらに確認するとともに、H＋ビームの長時間の安定性について- 991 -