Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP042

J-PARC 3GeV シンクロトロンにおける荷電変換フォイルの最近の使用状況
RECENT USAGE STATUS OF CHARGE-EXCHANGE STRIPPER FOIL FOR 3GeVSYNCHROTRON OF J-PARC
仲野谷孝充#, A), 吉本政弘 A), サハ プラナブ A), 竹田修 B), 佐伯理生二 B)，武藤正義 B)
Takamitus Nakanoya#, A), Masahiro YoshimotoA), Pranab SahaA), Osamu TakedaB), Riuji SaekiB), Masayoshi MutohB)
A)
JAEAB)NAT Corporation

Abstract
In the J-PARC 3-GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS), a 400 MeV H- beam injected from the linac is exchange toan H+ beam by a charge exchange foil and accelerated to 3 GeV. The charge exchange foils mainly used in the RCS are
HBC foil (Hybrid Boron mixed Carbon stripper foil), which are made by adding a small amount of boron to carbon rods
and using them as electrodes by the arc deposition method. Since 2018, foils produced by JAEA have been used for user
operation. So far, no major problems have occurred due to the foils. Meanwhile, the beam power of the RCS has beengradually increased from 500 kW to 830 kW since 2018. As beam power increases, the foil issues were identified toachieve the RCS design power of 1 MW. In this paper, we will report on the recent foil usage status and issue in the user
operation.
ビームに対する挙動や耐性が GB-220 材製と大きく異な1. はじめにる可能性がある。このため、KM-100B 材の利用運転でJ-PARC 3GeV シ ン ク ロ ト ロ ン (RCS: Rapid Cycling の使用に当たっては、まず QST 高崎の TIARA を用いて事前評価試験を行い、GB-220 材と大きな性能差がないSynchrotron)では、前段加速器であるリニアックから入射ことを確認した。その上で GB-220 材と並行しながら利用した 400 MeV の H-ビームを荷電変換フォイルにより H+運転での使用を開始した。また、内作の HBC フォイル以ビームに変換して、3 GeV まで加速させている。RCS で外に荷電変換フォイルとして期待される材料のひとつに主に使用している荷電変換フォイルは、少量のホウ素を 多層グラフェンシートがあげられる。これまでも RCS では炭素棒に添加し、これを電極としてアーク蒸着法により 使用実績があり、良好な結果が得られている。
作製した HBC フォイル(Hybrid Boron mixed Carbon
HBC フォイル（GB-220 材製、KM-100B 材製）2 種類
stripper foil)である[1]。この HBC フォイルは KEK で開発 及びグラフェンシートの計 3 種類について 2020 年からされたもので、当初は KEK で製作されたフォイルを使用 2022 年における利用運転での実績を示す。
してきた。2017 年から原子力機構で HBC フォイルの内利用運転での使用実績
作を開始し、2018 年以降これを利用運転で使用してい 3.
る[2]。これまでのところフォイルを起因とする大きな問題 3.1 2020-2021 年の使用実績は生じていない。一方でこの間、RCS のビームパワーは
Figure 1 に 2020 年 10 月から 2021 年 7 月までに RCS500 kW から 830 kW へと段階的に上昇してきた。これにに入射した 1 時間当たりの入射粒子数とその積算数（総より RCS の設計出力である 1 MW を達成するためのフォ 入射粒子数）の履歴を示す。ここで言う総入射粒子数とイルの課題が徐々に明らかになってきた。本発表では近 はリニアックから入射される H- 粒子の積算値であり、周年の J-PARC 利用運転でのフォイルの使用状況と課題 回ビームとしてフォイルに入射する粒子数はカウントしてついて報告する。

2.

利用運転で使用するフォイルの種類

2018 年以降、RCS で利用実績のあるフォイルは JAEA
内作の HBC フォイルとカネカ社製の多層グラフェンシー
ト[3]である。HBC フォイルは炭素に B4C 粉末を添加して焼結した炭素棒を使用して作製している。これまでホウ素が 20 at%添加された東洋炭素製 GB-220 材を使用してきたが、廃番となったため、代替材である東洋炭素製KM-100B 材を使用した成膜を開始した。KM-100B 材はホウ素添加量が 10 at%であり、炭素の原料やホウ素の分散状態が従来使用していた GB-220 材とは異なるため、___________________________________________# nakanoya.takamitsu@jaea.go.jp

Figure 1: History of beam power in J-PARC RCS at 20202021.

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Before installation

GB-220 材と大きく変わらないことが確認できた。
2021/4/5 からは RCS のビーム出力を 740 kW とするため、リニアックからの 1 時間当たりの入射ビームを 5.8×1018 個に増やした。以後、使用したフォイルは GB-220 材
製 2 枚（#030-01、#037-03）と多層グラフェンである。
#030-01 は 620 kW で使用していたもの再使用であり、入射粒子の総数は最終的に 4.8×1021 に達したが、表面の変化は#037-05 と同程度であった。#037-01 は垂直方向のフォイル幅をこれまで使用してきた 20 mm から 14 mmへ狭めたものである。これはフォイルの幅を狭めることで周回ビームのフォイルへの衝突回数を減らす試みである。
フォイル位置での入射ビームをこれまで以上にフォーカスさせるため、リニアックのビーム調整が必要であったが、狙い通りに周回ビームの衝突回数を減らすことができ、入射部とその下流周辺での残留線量の低減に効果があった[4]。一方で利用運転に支障はなかったものの、使用に伴いフォイルの屈曲が進行し、最終的にはビーム上流方向に大きく曲がってしまった。また、多層グラフェンも利用運転に支障はなかったものの、徐々に屈曲が進行し、大きく屈曲してしまった。屈曲の方向は#037-01 とは逆でビーム下流方向であった。照射済みのフォイルは一定期間冷却した後、アクリル製の密閉ケースに回収[5]し、表面観察等を行っているが、これら二つのフォイルはケースの間口幅より大きく屈曲したため、ケースへの回収不可となり、フォイルの表面観察ができていない。このため、Fig. 2 (d),(e)に示した照射後の写真はフォイル交換直前の運転中のフォイル観察像である。
これまで 500 kW 程度の運転では、後述する SiC ファイバーが破断することは少なく、あっても数本程度であった。しかし、ビームパワーが定常的に 600 kW を超えてきた 2020-2021 年の利用運転では、解像度の低い運転中のフォイル観察像でも SiC ファイバーの破断が確認できるようになり、SiC ファイバーの破断が顕著になることが確認された。運転開始後、数時間で切れはじめ、1 週間ほど破断の進行が続くことが観察された。

After irradiation

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

3.2
Figure 2: Pictures of the foils before installation and after
irradiation at 2020-2021.
(a) #037-05 (GB-220) 2020/11/30 - 2021/2/18(b) #030-01 (GB-220) 2021/2/18 - 2021/3/4
2021/4/1 - 2021/4/30(c) #032-01 (KM-100B) 2021/3/4 - 2021/4/1
2021/7/15 - 2021/7/17(d) #037-03 (GB-220) 2021/5/10 - 2021/6/9(e) multilayer graphene 2021/6/9 - 2021/7/15
いない。Figure 2 にこの間に使用したフォイルの使用前
後での写真を示す。2020/11/29 から 2021/4/4 まで、リニアックから入射される H-ビームは 1 時間当たり約 4.7×1018 個であり、RCS で加速されると 620 kW のビームとして出力される。この間、GB-220 材製のフォイル 2 枚とKM-100B 材製のフォイル 1 枚を利用運転で使用した。
GB-220 材製のフォイルの変形の傾向は、これまでと同様で表面が波打つような歪みが生じている。その後、
KM-100B 材製は利用運転で初めて使用したが、約 24日間、問題なく使用可能であった。表面の変化の様子も2021-2022 年の使用実績

Figure 3 に 2021 年 10 月から 2022 年 7 月までに RCSに入射した 1 時間当たりの入射粒子数とその積算数（総入射粒子数）の履歴を、Fig. 4 にその間の運転中のフォイル観察像を示す。RCS のビーム出力は 650 kW からスタートし、その後すぐにリニアックからの入射粒子数を増やして 720 kW で約 2.5 カ月運転した後、最終的に 830

Figure 3: History of beam power in J-PARC RCS at 20212022.

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Before irradiationのファイバーの多数が破断してしまうことが観察された。
また、3/2 以降に使用した 4 種類のフォイルはいずれも幅14 mm である。前年に試験した結果が良好であったため、本年より定常的に 14 mm 幅のフォイルを使用していくこととした。20 mm 幅と比較して入射ビームの密度は上がるため、より負荷のかかる条件であったが、約 800 kW のビームパワーに対して、GB-220 材製、KM-100B 材製、多層グラフェンのいずれもが問題なく使用できた。また、利用運転終了後に 1 MW の大強度ビーム試験を実施した。使用したフォイルは KM-100B 材製である。外気温上昇に伴い、RF の真空管冷却能力が限界に達したため、1 MW での運転時間は約 3 時間であったが、問題なく使用できることが確認できた。
これらのフォイルは利用運転で使用した直後のため、密閉ケースへの収納はまだ実施していない。運転中の観察像及びビーム停止時の現場での目視観察した結果からは全体的に屈曲の度合いは少なかった。

After irradiation

(a)

(b)

(c)

4.

SiC ファイバーの破断

2020-2022 年の利用運転を通して現状のフォイルの課題が明らかになってきた。フォイルは厚さが 1 µm 程度と非常に薄いため、それ自体では形状を安定に保つことができない。このため、2 枚の C 字型のアルミ製フレームに張った 42 本の SiC ファイバーにより両側から挟むことで形状を安定させている。この SiC ファイバーのパターンとフレームにマウントした状態のフォイルを Fig. 5 に示す。
青い線で示す縦に張った SiC ファイバーの間隔は先端部で 5 mm、後端部で 10 mm である。また、先端付近の

(d)

(e)

(f)
Figure 5: Schematic view of the SiC fiber pattern and C
shape frame.
Figure 4: Pictures of the foils before irradiation and after
irradiation at 2021-2022.
(a) #040-01 (GB-220)
2022/1/15 - 2022/1/19(b) #050-03 (GB-220)
2022/1/20 - 2022/3/2(c) #040-03 (GB-220)
2022/3/2 - 2022/4/28(d) #032-05 (KM-100B) 2022/5/10 - 2022/6/8(e) multilayer graphene 2022/6/8 - 2022/6/24(f) #032-04 (KM-100B) 2022/6/24 - 2022/6/26
kW まで引き上げた。この間、GB-220 材製を 3 枚、KM100B 材製 1 枚、多層グラフェン 1 枚を使用して運転を行った。いずれのフォイルも使用開始直後から SiC ファ
イバーの破断が始まり、数日以内にビームスポット付近

Figure 6: Picture of the used foil with broken SiC fiber.

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PASJ2022 WEP042みピンク色の線で示す様に斜め方向からも SiC ファイ(b)(a)
バーを張っている。ビーム出力の上昇に伴い、運転中にSiC ファイバーの破断が顕著なってきたことが確認された。
ビームパワー500 kW での運転に使用した時期はいずれも SiC ファイバーの破断は数本程度であった。しかし、ビームパワーが 600 kW を超えてくると数日以内でビームが当たるエリアの SiC ファイバーは破断してしまうことが確認された。Figure 6 に複数の SiC ファイバーが破断し Figure 7: Picture of the foil and SiC fiber in beam
operation.
た使用済みフォイルの写真を示す。
(a) Foil observation image during user operation.
SiC ファイバーが切れる原因として、これまでビーム照(b) Schematic image of foil hit by injection and circulating
射による損耗とフォイルの屈曲に伴う引張応力の発生の beam.
2 種類が複合して破断に至ると考えてきた。しかし、ビームパワー600 kW 以上では屈曲の進行より先にビームスポット周辺の SiC ファイバーが破断してしまうため、ビームによる損耗が支配的であると考えられる。
SiC ファイバーが破断することによる悪影響として、①周回ビームの散乱、②周辺機器への接触による干渉、③フォイル回収時の汚染誘発、④フォイルの屈曲・変形の促進などが挙げられる。
Figure 7 に切れた SiC ファイバーが発光しているフォイルの観察像を示す。この写真は 2022/3/2 から使用開始したフォイルで 3/10～3/19 まで発光が観測された。破 Figure 8: Picture of the broken SiC fiber pulled toward
断したファイバーが横方向に垂れ、それが周回ビームに MWPM.
曝されることにより発光していると考えられる。SiC ファイバーの直径は 13 µm であり、フォイルの厚さ 1µm よりもだいぶ厚い。このため、SiC ファイバーが周回ビームと接触することで周回ビームが散乱され、ビームロスの原因となり、周辺機器の放射化につながる。
Figure 8 に切れた SiC ファイバーがその近傍にあるMulti Wire Profile Monitor (MWPM)に引き寄せられて接触しいる様子を示す。幸い MWPM の計測機能に異常は確認されなかったが、このような異物との接触は計測不良やノイズになるおそれがある。この他、切れた SiCファイバーがフォイル交換機構の駆動部に対して挟み込まれや、巻き込まれることにより機械的な固着の発生や、 Figure 9: Picture of the used foils being stored in a sealed
ゲートバルブのシール面に付着することで真空リークな case.
どが発生するなどの悪影響が考えられる。
Figure 9 に照射済みのフォイルを専用の密閉ケースに収納してている様子の写真を示す。ケースへの収納はグローブボックスを介して行うが、切れた SiC ファイバーは片側しか固定されておらず不安定な状態であるため、収納作業時に意図せず手や周辺に接触し、汚染を引き起(a)(b)
こすおそれがある。
Figure 10 に使用中に大きく屈曲したため密閉ケースに収納できなかった#037-03 と多層グラフェンの写真を示す。運転中に屈曲が急激に進行した場合、入射ビームがフォイルから過大に漏れる可能性がある。漏れた入射ビームは荷電変換されないため、ビームダンプに廃棄されるが、ビームダンプの容量を超えると長時間のビー Figure 10: Picture of foils that could not be stored in sealedcase due to largely curled. (a) #037-03, (b) multilayer
ム停止を招くおそれがある。
このように SiC ファイバーの破断は様々な悪影響を及 graphene
ぼし、場合によっては長期間のビーム停止に至る可能性- 632 -

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PASJ2022 WEP042がある。このため、SiC ファイバーの破断対策として、現在使用している SiC ファイバーと比較してより高引張耐力、高耐熱性を付与した SiC ファイバーの使用を検討している。また、先端付近ほど切れやすい傾向があるため、フレームに SiC ファイバーを張る段階で切れやすい位置のSiC ファイバーを間引くことを検討している。2022 年夏以降にこれらの対策を施した荷電変換フォイルを実装し、利用運転で使用しながらその効果を検証していく予定である。

5.

まとめ

Tabel 1 にフォイル種類毎の各ビームパワーに対するこれまでの運転実績を示す。2018 年以前は KEK で製作されたオリジナルの HBC フォイルを使用して運転を行ってきた。2018 年より JAEA で製作された HBC フォイルを中心に数種類のフォイルを利用運転で使用してきた。
この間、利用運転のビームパワーは 500 kW から 830 kWへ段階的に上昇してきており、それに合わせて各フォイルの耐久性を慎重に確認してきた。これまでのところ運転中にフォイルの致命的な破損等はなく、フォイルを起因とする長時間のビーム停止するような事態には至っていない。
これまで HBC フォイルを製作する際に使用してきたGB-220 材に代わり KM-100B 材で作製したフォイルで利用運転を行い、GB-220 材と比較して遜色ない耐ビーム性能があることが確認できた。また、短時間ではあるが 1MW のビーム試験でも問題なく使用できた。GB-220 材の代替材として KM-100B 材が使用可能であることを確認できた。
一方でビーム出力の増大に伴い、フォイルを支えるSiC ファイバーが破断してしまう問題が出てきた。これについては今夏に対策を実施し、以後の利用運転でその効果を検証していく。
今後もビームパワーの上昇に合わせて各フォイルの耐久性確認しながら改良を重ね、最終的には 1 MW のビーム供給に 1 年間耐えることが可能なフォイルの開発を目標とする。

参考文献[1] I. Sugai, Y. Takeda, M. Oyaizu, H. Kawakami, Y. Irie, Y.
Arakida, K. Hara, H. Hattori, K. Kawasaki, J. Kamiya, M.
Kinsho, Nucl. Instum. Methods Phys. Res. Sect. A, Vol. 561,pp.16-23, 2006.
[2] T. Nakanoya et al., Proceedings of the 16th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Jul. 31- Aug. 3,2019, Kyoto, Japan, pp.545-549.
[3] A. Tatami, M. Tachibana, M. Murakami, T. Yagi, M.
Murakami, AIP Conf. Proc., Vol. 1962, p. 030005, 2018.
[4] P.K.Saha et al., Proceedings of the 13th International Particle
Accelerator Conference, Bangkok, Thailand, Jun. 2022,pp.1616-1619.
[5] N.Tobita et al., Proceedings of the 10th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Nagoya, Japan, Aug.
3-5, 2013, pp.915-919.

Table 1: Operating Results for Each Beam Power for Each Foil Type
Foil type
Orijinal-HBC
HBC (GB-220)
HBC (KM-100B)

Multilayer graphene

RCS beam power<500 kW500 kW

600 kW

700 kW

800 kW～1 MW

202d
45d40d
57d

44d
24d
19d

35d
12d

16d18d14d37h3h-- 633 -