Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 FRP22

静電セプタム上流の散乱体による周辺機器の放射化量評価
ESTIMATION OF THE ACTIVATION OF THE EQUIPMENT AROUND THE DIFFUSERSINSTALLED UPSTREAM OF THE ELECTROSTATIC SEPTUM
武藤亮太郎 ∗,A) , 木村琢郎 A) , 村杉茂 A) , 沼井一憲 A) , 岡村勝也 A) , 白壁義久 A) ,冨澤正人 A) , 柳岡栄一 A) , 松村秋彦 B)
Ryotaro Muto ∗,A) , Takuro Kimurau A) , Shigeru Murasugi A) , Kazunori Numai A) , Katsuya Okamura A) ,Yoshihisa Shirakabe A) , Masahito Tomizawa A) , Eiichi Yanaoka A) , Akihiko Matsumura B)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), JapanB)
NAT Corporation, Ibaraki, JapanAbstract
At the J-PARC main ring, a proton beam accelerated to 30 GeV is supplied to the Hadron Experimental Facility by slow
extraction using third-order resonance. So far, we have achieved beam delivery with a beam extraction efficiency of 99.5%
and a beam power of 64 kW. Beam loss is mainly caused by the septum ribbons of the electrostatic septum located at the mostupstream part of the slow extraction equipment. We plan to reduce the beam loss in the septum ribbons by scattering the proton
beam at small angles using the diffusers. A beam test conducted in 2021 with a low-intensity beam confirmed that the beam loss
can be reduced by about 60% using the diffusers, but there are concerns about increase in the activation of peripheral equipment
due to changes in the position where the beam loss occurs. Therefore, by simulation using FLUKA, we evaluated the change
in the activation of the peripheral equipment due to the installation of the diffusers, and examined the solutions to reduce it.

1.

はじめに

J-PARC メインリングでは、30 GeV または 8 GeV まで加速された陽子を 3 次共鳴を用いた遅い取り出しによってとりだし、ハドロン実験施設へと供給している [1]。この遅い取り出しにおける課題の一つに、ビームロスの低減がある。これまでに、99.5% という非常に高い取り出し効率を保ったまま遅い取り出しにおけるビームパワーを 64 kW まで増強してきた [2] が、今後さらにビーム強度を上げていくためには、さらなるビームロスの低減が必要不可欠である。このため、静電セプタム (ESS) の上流に 2 つの散乱体 (散乱体 0 と散乱体 1 と呼ぶ) を設置し、静電セプタムのリボンにおけるビームロスを低減することを計画し、メインリング内に散乱体をインストールした [3]。2021 年に散乱体 0の予備的なビーム試験を行い、10 kW のビームに対してビームロスが約 60% 低減されるという結果を得た。
しかし、散乱体はいままでビームロスが起こっていなかった地点に設置されるため、これまでは低いレベルの放射化しか起きていなかった機器の放射化量が上ってしまう懸念がある。具体的には、散乱体 0 の下流に位置するステアリング磁石および Beam Position Monitor(BPM) である。そこで、FLUKA [4] を用いて、遅い取り出し直線部の残留放射線量を評価し、新たな高放射化機器の発生を抑制できるか検討した。

電セプタムから 3115 mm 離れた位置である (散乱体 0とよぶ)。散乱体 0、散乱体 1 と、ESS、Q75 の関係を、Fig. 1 に示した。

Figure 1: The schematic picuture of the configuration of thediffusers.

3.

機器の放射化量の評価と、解決するべき課題

機器の放射化量の評価は、FLUKA [4] を用いて行った。FLUKA に入力したジオメトリを Fig. 2 に示す。
散乱体を入れない場合と、ビームロス低減効果を最大にするために散乱体 0 と 1 を両方ビーム内に挿入した際の機器の残留線量を比較した。FLUKA では、50 kW
2 . 散乱体の構成相当のビームを 30 日間連続で照射したあと、6.5 時間
J-PARC メインリングの遅い取り出し直線部には、散 冷却した場合を計算し、50 kW での実際の運転後の測定乱体を設置できる場所が 2 箇所ある。1 つは、ESS の 結果と合わせるために計算結果を 3 倍している。結果
上流 500 mm の位置 (散乱体 1 とよぶ) で、もう 1 つは、 を Fig. 3 に示す。散乱体を挿入すると、Q75 下流部 (図ESS の上流の Q 磁石 (Q75 と呼ぶ) の更に上流の、静 中の”Q75d”) より下流の機器では残留放射線量が大きく低減するが、散乱体 0 周辺 (図中の”diff0d”) の残留線量は上昇する。現在の配置では、散乱体 0 の下流にステ∗ ryotaro.muto@kek.jp
アリング磁石および Beam Position Monitor (BPM) が設- 891 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: The geometory in FLUKA for the residual dose calculation.

Figure 3: The blue points show the calculation results of residual dose without the diffusers. The orange points show theresults with the diffusers. The calculation was performed using FLUKA for the irradiation time of 30 days and the coolingtime of 6.5 hours.

置されており、これらの機器のメンテナンス作業における作業者の被曝量が増加してしまう。散乱体をビーム内に挿入したまま長期間の実験グループへのビーム供給運転を行うためには、この新たな高放射化点がメンテナンス頻度の高い機器内に発生してしまう問題を解決する必要がある。

4.

Figure 5: The green points show the calculation results ofresidual dose when the positions of diffuser 0 and steering
magnet + BPM are exchanged. The calculation was performed
using FLUKA for the irradiation time of 30 days and the cooling time of 6.5 hours.

ング磁石の位置 (図中の”diff0d / st75d”) の残留線量は大きく下がっている。残留線量が少ないながらも 0 ではないのは、下流の散乱体 0 の放射化による影響であり、メンテナンス作業時に散乱体 0 との間にシールドを設置することでさらに線量を低減することも可能である。
ただし、ステアリング磁石と BPM の位置を変更することのビーム調整に与える影響は検討する必要がある。
4.2

改善策 2 : 散乱体 1 のみの使用

もうひとつの改善策は、散乱体 0 を使用せず、散乱体1 のみをビームに挿入するというものである。散乱体 1は ESS の上流 500 mm の位置にインストールされており、ESS との間に他の機器などはないため、新たな高放射化機器を発生させることがない。Table 1 に、使用する散乱体の組み合わせと、ビームロス量との関係を示し
た [3]。これによれば、散乱体 1 単体でも約 50% ビーム
Table 1: Calculation Results of Beam Loss with Various Configuration of Diffusers

課題に対する改善策

Configuration

Beam Loss

4.1 改善策 1 : ステアリング磁石と散乱体 0 の位置の入れ替え

No diffuser

1.0Diffuser 0 only0.42

まずは単純にステアリング磁石と散乱体 0 の位置を入れ替えて残留線量を計算してみた。Figure 4 に FLUKAに入力したジオメトリを、Fig. 5 に計算結果を示す。当Diffuser 1 only

0.47

Diffuser 0 and 10.35

Figure 4: The geometory in FLUKA for the residual dose calculation when the positions of diffuser 0 and steering magnet+ BPM are exchanged.
然の結果だが、もともと散乱体 0 があった、ステアリロスを低減させることができる。散乱体 1 のみをビーム中に挿入したときの残留線量の計算結果を Fig. 6 に示した。散乱体 0 を使わないので散乱体 0 の周辺 (”diff0d”
および”Q75u”) の残留線量は上昇せず、また散乱体 1 下流の領域では残留線量を半分程度に低減できていることがわかる。散乱体 1 の位置 (”ESS1u+diff1”) では散乱体 1 自身の放射化により残留線量が増加するが、放射化の激しい ESS1 の下流部の残留線量は低減できている。

5.

まとめと今後の課題

新たな高放射化点をメンテナンス頻度が高い機器に発生させずに、散乱体によって遅い取り出しのビーム- 892 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 6: The red points show the calculated residual dosefor diffuser 1 only case. The calculation was performed using
FLUKA for the irradiation time of 30 days and the coolingtime of 6.5 hours.

ロスを低減するための散乱体の配置を検討した。ありえる選択肢としては、• 散乱体 0 と、下流のステアリング磁石 +BPM の位置を入れ替える• 散乱体 0 を使わず、散乱体 1 のみを使用するがある。散乱体 1 の単体使用でも約 50% のビーム低減が期待できるが、最大のビーム低減量を得るには、散乱体 0 と 1 の同時使用が望ましい。今後、散乱体 1 のみの使用におけるビームロス低減量のビームテストを行うとともに、ステアリング磁石 +BPM の位置を変更することのビーム調整に与える影響を検討し、位置変更が許される場合は、位置交換作業の具体的な検討をすすめていく予定である。

参考文献[1] Joint Project Team of JAERI and KEK, “The Joint Project for
High-Intensity Proton Accelerators”, KEK Report 99-4, 1999
and JAERI-Tech 99-056, 1999.
[2] M. Tomizawa et al., “Status and Beam Power Ramp-Up Plansof the Slow Extractoin Operatoin at J-PARC Main Ring”,
Proc. HB’18, Daejeon, Korea, June, 2019, pp. 347-351.
[3] R. Muto et al., “Diffusers for loss reduction in slow extraction at J-PARC Main Ring”, Proceedings of the 18th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
QST-Takasaki Online, Japan, Aug. 9-12, 2019, pp. 470472. https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2021/
proceedings/PDF/TUP0/TUP021.pdf[4] G. Battistoni et al., “Overview of the FLUKA code”, Annalsof Nuclear Energy, 82, 10-18, 2015.

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