Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

J-PARC/MUSE におけるミュオン生成標的の 300kW 陽子ビーム運転報告
REPORT FOR MUON PRODUCTION TARGET WITH THE 300-KW PROTON BEAM
OPERATION AT MUSE/MLF/J-PARC
牧村俊助#, A), 清水亮 B), 河村成肇 A), 明午伸一郎 C), 三宅康博 A), 小林庸男 A), 大井元貴 C), 圷敦 C), 池崎清美C), 鬼澤聡志 B), 松澤行洋 B), 幸田章宏 A), 藤森寛 A), 下村浩一郎 A), ストラッサーパトリック A), 小嶋健児 A),
西山樟生 A), 中村惇平 A), 門野良典 A),
Shunsuke MakimuraA), Ryo Shimizu B), Naritoshi KawamuraA), Shinichiro Meigo C), Yasuhiro MiyakeA), YasuoKobayashiA), Motoki Ooi C), Atsushi Akutsu C), Kiyomi Ikezaki C) , Satoshi Onizawa B), Yukihiro Matsuzawa B),
Akihiro KodaA), Hiroshi FujimoriA), Koichiro ShimomuraA), Patrick StrasserA), Kenji M. Kojima A), Kusuo
NishiyamaA), Jumpei Nakamura A), and Ryosuke KadonoA)A)

Muon Section, J-PARC Center, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
203, Shirane, Shirakata, Toukaimura, Nakagun, Ibaraki, 319-1106, JapanB)

The NIPPON ADVANCED TECHNOLOGY CO., LTD (NAT)

3129-45 Hibara Muramatsu, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1112, JapanC)

Neutron Source Section, J-PARC, Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
2-4, Shirane, Shirakata, Toukaimura, Nakagun, Ibaraki, 319-1106, Japan

Abstract
The most intense pulsed muon beam will be generated by a 3-GeV 333-microA proton beam on a muon target madeof 20-mm thick isotropic graphite (IG-430) in J-PARC/MUSE (Muon Science Establishment). The energy deposited bya 1-MW proton beam is estimated to be 3.9kW on the muon target. The first muon beam was successfully generated on
September 26th, 2008. Gradually upgrading the beam intensity, continuous 300-kW proton beam operation was started
in January of 2013. The temperatures of the principle components have been measured and recorded through thermocouples and a control system. The lifetime of the muon target is determined by a proton-irradiation damage of thegraphite. Even in the 300-kW operation to July of 2013, the radiation damage was anticipated to surpass the lifetime.
Therefore, the position of the proton beam has been moved to eight surrounding positions every three weeks todistribute the radiation damage uniformly to a wider area. The position-control is named EXILE operation. Thevariation of the temperatures at the muon target has been monitored. In this report, the status of proton beam operationand the lifetime extension of the muon target will be described.

1.

はじめに

J-PARC/MLF/ミュオンセクション（Muon ScienceEstablishment/ Materials and Life Science Facility/ Japan
Proton Accelerator Research Complex）では、3 GeV,333 A、1 MW の陽子ビームによって世界最高強度のパルス状ミュオンを発生させます。ミュオン生成
標的は MLF の中性子上流に設置され、標的材料として 20 mm 厚の等方性黒鉛(IG-430 東洋炭素 [1])を採用しています。2008 年 9 月にミュオンビームが確認されて以来、徐々に陽子ビーム強度が増強され、2009 年 11 月には 120 kW 連続運転を行い、2010 年11 月には 200 kW 連続運転が開始されました [2]。
その後、震災での休止期間を経て、220 kW 運転が再開され、2012 年 11 月からは 300 kW 連続運転が開始されました。現在はミュオン標的の冷却には直径 70 mm の円板上の黒鉛標的を用いた固定標的方式を採用しており、ステンレスの冷却水配管が銅フレーム内に埋め込まれ黒鉛材を熱伝導によって冷却しています。黒鉛と銅フレームの熱膨張の差を吸収するためにチタン層を中間に配置しています [3]。
モンテカルロコード PHITS [4] を用いた計算によると 1 MW の陽子ビームによってミュオン標的上に3.9 kW の発熱が起きると予想されています [5]。
ミュオン標的は真空内に設置されるので、ほとんど全ての熱は冷却水によって除去されます。図 1 にミュオン標的の写真を示します。

___________________________________________#shunsuke.makimura@kek.jp- 167 -

図 1: ミュオン標的（固定標的方式）

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

2.

さくする必要があり、中性子標的の寿命が短くなります。EXILE 運転においては、ミュオン標的の上下流のステアリング磁石によって標的位置での陽子ビームは平行に移動されるためビーム輸送に関するビームロスは、ほとんど変わらず、中性子標的上でのビーム径を大きくすることが可能となりました。

陽子ビーム運転状況

黒鉛材は陽子ビームや中性子照射によって損傷を受け、寸法変化が発生し、照射開始時には主に収縮します。これまで実施された中性子照射効果の研究によると放射線損傷 1 dpa（displacement per atom）の照射によって最大 1 %の収縮が発生します [6]。
ミュオン標的の場合は、黒鉛材の照射部が収縮する 3.
ミュオン標的計測系による運転監視
一方で、陽子ビーム非照射部によって拘束され破損すると予想しています。その破損する放射線損傷閾 ミュオン標的の上流の銅フレーム上のチタン層との値は、安全係数を考慮し 0.8 dpa と仮定しています。 境界付近には 8 個の熱電対（上下に各 2 個、左右にこれはビーム径 24 mm（ガウシアン分布σ=6 mm； 各 2 個）を配置して温度を計測しています。銅フ以後、ビーム径はσの 4 倍で定義する）の 1 MW 陽 レームの外側にも左右に各 1 個ずつ熱電対を配置し、子ビーム運転において、約半年に相当します。これ 温度を計測しています。また、冷却水の標的への入までの運転では、陽子ビーム強度は 1 MW には達し 水温度と出水温度も熱電対によって計測しています。ておらず、一方で実際に運転されたビーム径は当初 これらの温度計測に用いている熱電対は常温においの予定より、小さな値でした。また、ミュオン標的 て 3 ℃程度の誤差を持っています。そのため、ビーの下流への影響を考慮するとビーム径は小さなまま ム停止時のなるべく温度変化の少ない時間帯を選び、運転することを要求されました。その際に、300 kW 熱電対の計測温度の校正を行いました。流量に関し運転を、計画しているビーム径 14 mm で継続すると、 ては、耐放射線性を考慮し、単純な構造の流量計を黒鉛材の寿命の閾値を大幅に超えてしまうことが判 想定しており、流量を直接アナログ信号で取り出し明しました。そのため 2012 年 3 月よりビーム径は ていません。そのため冷却水の流量計の表示を撮像
14 mm を維持したまま、ビーム位置をミュオン標的 管カメラで観察することによって、定期的に流量を中心から上、下、左、右、右上、右下、左上、左下 確認しています。よって、その測定精度はそれほど（ビーム進行方向から見る）に各 4 mm ずらして、 高くありません。
黒鉛の放射線損傷を分散させる標的上位置ビーム制 冷却水入水温度は外気温や電磁石の運転状況によっ御運転（通称；EXILE 運転）を開始しました 。図 て大きく変化します。出水温度と入水温度の差は2 に EXILE 運転の概念図および放射線損傷の低減の ビーム運転時にはビームロスにより大きくなり、冷却水流量と冷却水の温度上昇からミュオン標的にお効果を示します。
けるビームロスを計測することが出来ます。東日本大震災後には陽子ビーム強度が 120 kW から 300 kWに徐々に増強されました。この時に冷却水の温度上昇と流量からビームロスを評価しました。比較のために、全て陽子ビーム強度 1 MW 換算で標準化します。ビームロスの評価値は 3500 W から 4300 W と大きなばらつきがありましたが、陽子ビーム強度が増強された 300 kW 時にはビームロス評価値は 3600
W から 3800 W と安定し、また、PHITS によるビームロスのシミュレーションと近い値を得ることが出来ました。

4.

図 2；従来の運転概念図と EXILE 運転概念図、および放射線損傷の低減の効果。
仮に黒鉛の放射線損傷を分散させるためにビーム径を大きくするとミュオン標的下流でのビームロスは大きくなると同時に、中性子標的でのビーム径を小EXILE 運転の解析と実測値の比較

次に、EXILE 運転によって、ミュオン標的の銅フレームに配置した熱電対の温度上昇に関して、検証を行いました。実測値と比較をするために黒鉛中心から 4 mm オフセットして陽子ビームによって照射される標的に関して有限要素法を用いた熱解析を行いました。冷却水温度 30 ℃、冷却水配管と冷却水の間の熱伝達係数は 12000 W/m2/K としました。銅、ステンレス、チタンの熱伝導率は各々380 W/m/K、15 W/m/K、17 W/m/K としました。黒鉛材の熱伝導率に関しては、陽子ビーム強度 1 MW 時にはアニー
ルの効果で熱伝導率は高くなるのですが、低温照射時の 20 W/m/K（ビーム照射部）、50 W/m/K（非照射部）としました。ビーム径 14mm に一様に発熱すると仮定します。陽子ビーム強度 300 kW 運転の場
合の方が、温度差が大きくなり解析と実測値の比較- 168 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)をしやすいのですが、実際の 300 kW 運転の際には右上、右下、左下に照射したため、上下左右に配置した熱電対では比較が難しくなります。よって、陽子ビーム強度 200 kW の解析と実測値の比較を行います。図 3 に陽子ビーム強度 200 kW、EXILE 運転時の温度分布を示します。

TIN1に Tout1 と Tout2 の温度差は表中の OUT 温度差に相当します。実測値は、解析の傾向に一致していることが分かりました。
5.
まとめと今後の予定
黒鉛材の放射線損傷を分散させ、ミュオン標的の寿命を長期化するために EXILE 運転を開始した。
ミュオン標的に配置した熱電対による温度の実測値と解析における温度と比較した。実測値は解析の傾向に一致していることがわかりました。今後は、より黒鉛材の放射線損傷を分散させる回転標的方式に移行することが計画されています。

TIN2
参考文献
[1] http://www.toyotanso.co.jp/index

TOUT1

TOUT2

図 3；陽子ビーム強度 200 kW、EXILE 運転時の温度分布
実測値と熱電対位置の解析における温度を比較します。解析においては EXILE 運転によってオフセットされた陽子ビームの遠隔側の銅フレーム内側温度を TIN1 、近接側の内側温度を TIN2 、遠隔側の銅フレーム外側温度を Tout1、近接側の外側温度を Tout2 とします。TIN1 は 37.1 ℃、TIN2 は 39.3 ℃と約 2.2 ℃の温度差となっています。Tout1 は 33.3 ℃、Tout2 は34.0 ℃と約 0.7 ℃の温度差となっています。
実測値の整理にあたって、陽子ビーム運転時は、頻繁にビームが停止するため、ビーム停止時のデータは除いて、評価しています。また、冷却水入水温度は大きく変化するので、銅フレームを計測しているそれぞれの熱電対の実測値から冷却水入水温度の差を解析における温度と比較しました。陽子ビームを運転している RUN の内、温度変動が比較的安定している一週間から二週間程度の平均値を採用しています。表 1 に銅フレーム温度の実測値と冷却水入水温度の差を示します。解析との比較のための TIN1 とTIN2 の温度差は表中の IN 温度差に相当します。同様[2] S. Makimura et al., Proceedings of the 8th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, (2011) p1188-1191[3] S. Makimura et al., Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A:600 (2009) 146-149[4] H. Iwase, K. Niita, T. Nakamura, Journal of Nuclear Scienceand Technology 39 (2002) 1142.
[5] N. Kawamura et al., Nuclear Instruments and Methods A600 (2009) 114.
[6] H. Matsuo, graphite1991 [No.150] 290-302

表 1；銅フレーム温度の実測値と冷却水入水温度の差- 169 -