KEK Internal 2007-1
August 2007
A/H/M/R/D

J-PARC
原子核素粒子実験施設
技術設計報告書
ハドロンビームラインサブグループ
第３次中間報告書

田中万博、里嘉典、青木香苗、上利恵三、飯尾雅実、家入正治、加藤洋二、
澤田真也、鈴木善尋、高橋仁、高橋俊行、高崎稔、豊田晃久、
野海博之、広瀬恵理奈、皆川道文、山野井豊、渡辺丈晃

High Energy Accelerator Research Organization

High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 2007
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J-PARC
原子核素粒子実験施設
技術設計報告書
ハドロンビームラインサブグループ
第３次中間報告書

田中万博、里嘉典、青木香苗、上利恵三、飯尾雅実、家入正治、加藤洋二、
澤田真也、鈴木善尋、高橋仁、高橋俊行、高崎稔、豊田晃久、
野海博之、広瀬恵理奈、皆川道文、山野井豊、渡辺丈晃

目

次

第１章

ハドロン実験施設の全体デザイン ………………………………………………… 1
1.1 はじめに
1.2 T1 標的と K 中間子ビームライン……………………………………………… 4
1.3 ビームダンプと大強度ビーム技術 …………………………………………… 6
第 2 章 一次ビームライン …………………………………………………………………… 9
2.1 ビーム光学
2.2 遅い取り出しビームとビームロス ………………………………………… 12
2.3 電磁石とメンテナンス ……………………………………………………… 15
2.3.1 概要
2.3.1.1 自動玉掛け装置（ツイストロック） ……………………………… 15
2.3.1.2 ガイド架台 …………………………………………………………… 20
2.3.1.3 電力コネクタ ………………………………………………………… 22
2.3.1.4 冷却水コネクタ ……………………………………………………… 25
2.3.1.5 冷却水配管・電力配線モックアップ ……………………………… 27
2.3.1.6 ＳＹ冷却水配管・電力配線進捗 …………………………………… 29
2.4 電磁石アライメント ………………………………………………………… 32
2.4.1 スイッチヤード上流部のビームライン墨だし測量 ……………… 34
2.4.2 スイッチヤード下流部のビームラインと T1 標的の墨だし測量 … 35
2.4.3 仮想取り出し点と遅い取り出しビームライン最上流部の墨だし測量 … 40
2.4.4 スイッチヤード躯体およびハドロン実験室建屋（T1 標的位置）の沈下 … 41
2.4.5 スイッチヤード電磁石の設置 ……………………………………… 45
2.5 電力貫通バスダクト ………………………………………………………… 52
2.5.1 MIC、ポリイミド樹脂貫通バスダクト試作 ……………………… 52
2.5.2 ユーティリティスペース …………………………………………… 55
2.5.3 電力貫通バスダクトの最終仕様 …………………………………… 58
2.6 信号貫通バスダクト ………………………………………………………… 60
2.6.1 設置箇所と予定している設置本数 ………………………………… 60
2.6.2 信号線 ………………………………………………………………… 61
2.6.3 今後の課題 …………………………………………………………… 62
2.7 最上流部取り合い …………………………………………………………… 63
2.8 真空システム ………………………………………………………………… 64
2.8.1 ビームパイプと排気系 ……………………………………………… 64
2.8.2 ピローシール ………………………………………………………… 73
2.8.3 真空窓 ………………………………………………………………… 74
2.8.4 銅プロテクタ ………………………………………………………… 79
第３章 T1 標的とその周辺 ………………………………………………………………… 83
3.1 T1 標的
3.1.1 基本仕様 ……………………………………………………………… 83
3.1.1.1 構成要素、構造 ……………………………………………………… 83
3.1.1.2 Ｔ１標的 ……………………………………………………………… 83

i

8.3

8.4

8.5

実験室概要 …………………………………………………………………… 274
8.3.1 パイルド・ラフト基礎 ……………………………………………… 274
8.3.2 HD ホール搬入口位置変更 …………………………………………… 274
8.3.3 電源ステージ ………………………………………………………… 274
SKS 冷凍システムと移設 ………………………………………………… 276
8.4.1 経緯 …………………………………………………………………… 276
8.4.2 冷却方法における改造の詳細 ……………………………………… 276
8.4.2.1 冷凍機の変更 ………………………………………………… 276
8.4.2.2 カレントリードにおける変更 ……………………………… 277
8.4.2.3 冷却方法の実際 ……………………………………………… 277
8.4.3 4K GM‐JT 小型冷凍機による冷却方式の利点 …………………… 277
8.4.4 改造・移設作業―今後の予定― …………………………………… 278
SKS スペクトロメータシステム ………………………………………… 278
8.5.1 SksPlus スペクトロメータ …………………………………………… 279
8.5.2 D 磁石単体での磁場計算 …………………………………………… 280
8.5.3 SKS と組み合わせた場合に SKS コイルに働く電磁力 …………… 280
8.5.3.1 SKS 単体での計算法による違い …………………………… 280
8.5.3.2 D 磁石の位置によるコイルに働く電磁力の違い ………… 281
8.5.4 SksPlus スペクトロメータのアクセプタンスと分解能 …………… 284

Appendix ……………………………………………………………………………………… 285
A.1 スケジュール ………………………………………………………………… 285
A.2 リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック ………………………………… 288v

6.3.9考察………………………………………………………………… 225
6.3.9.1 プロファイル分布 …………………………………………… 225
6.3.9.2 収量の妥当性 ………………………………………………… 226
6.3.9.3 信号応答 ……………………………………………………… 226
6.3.10 東北大でのビーム試験のまとめ …………………………………… 227
6.3.11 磁性体材料の放射線耐性 …………………………………………… 227
6.3.11.1 K6 標的下での磁性体サンプル照射試験 ………………… 228
6.3.11.2 KEK 中性子源（KENS）での照射試験 ………………… 228
6.3.11.3 東北大サイクロ (CYRIC) での70MeV 陽子ビーム照射試験 ……………………………… 230
6.3.12 まとめ ………………………………………………………… 234
6.4 ビームロスモニタとアボート ……………………………………………… 235
第７章 ローカル制御システム …………………………………………………………… 235
7.1 ローカル制御システム ……………………………………………………… 235
7.1.1 光ファイバーケーブル網 …………………………………………… 235
7.1.2 ネットワーク ………………………………………………………… 237
7.1.3 スイッチヤード信号用ケーブル配線 ……………………………… 239
7.1.4 ローカル制御室と 19 インチラック設置 …………………………… 239
7.2.1 PPS……………………………………………………………………… 242
7.2.1.1 HADRON-SY-PPS…………………………………………… 242
7.2.1.2 HADRON-PPS ……………………………………………… 242
7.2.2 Inhibit と Abort ……………………………………………………… 243
7.3 多チャンネル信号読み出しシステム ……………………………………… 245
7.3.1 概要 …………………………………………………………………… 246
7.3.2 XMLRPC クライアントのパフォーマンステスト ………………… 247
7.3.3 Channel Archiver サーバーのパフォーマンステスト …………… 249
7.3.4 GUI 環境およびそのアプリケーション …………………………… 251
7.4 アナログフィードバックシステム ………………………………………… 255
第８章 二次ビームラインと実験室 ……………………………………………………… 257
8.1 2 次ビームライン光学………………………………………………………… 257
8.1.1 はじめに ……………………………………………………………… 257
8.1.2 K1.8 ビームラインの概要 …………………………………………… 257
8.1.3 Ｋ/π比と K 強度 ……………………………………………………… 259
8.1.4 K1.8BR ビームライン ………………………………………………… 266
8.2 静電型粒子分離装置（ES セパレータ） …………………………………… 267
8.2.1 ES セパレータ概要 …………………………………………………… 267
8.2.2 導入した新機軸 ……………………………………………………… 267
8.2.2.1 放射線耐性に関して ………………………………………… 267
8.2.2.2 内部電界の緩和に関して …………………………………… 268
8.2.3 ES セパレータ組立て ………………………………………………… 270
8.2.4 メンテナンス ………………………………………………………… 271
8.2.5 高電圧発生装置の単体での電圧印可試験 ………………………… 272
8.2.6 今後の予定 …………………………………………………………… 273

iv

第５章

設備関係
………………………………………………………………………… 163
5.1 クレーン構造 ………………………………………………………………… 163
5.1.1 スイッチヤードクレーン …………………………………………… 163
5.1.2 搬入棟クレーン ……………………………………………………… 167
5.1.3 ハドロンホールクレーン …………………………………………… 169
5.2 冷却水配管 …………………………………………………………………… 173
5.3 遮蔽体構造 …………………………………………………………………… 176
第 6 章 ビームモニタ ……………………………………………………………………… 181
6.1 モニタ配置 …………………………………………………………………… 181
6.2 OTR モニタ …………………………………………………………………… 184
6.2.1 OTR 検出器とは ……………………………………………………… 184
6.2.2 KEK-PS ビームラインにおける OTR 光収量評価 ………………… 185
6.2.3 EP2C ビームラインにおけるプロトタイプ OTR 検出器試験 …… 188
6.2.3.1 観測したプロファイルがOTR 光起因であることの確認 …………………………… 190
6.2.3.2 OTR 検出器のプロファイルモニターとしての性能評価 ………………… 191
6.2.3.3 プロトタイプ OTR 検出器の問題点 ……………………… 192
6.2.4 EP2C ビームラインにおけるイメージファイバーを利用した実機仕様 OTR 検出器試験 …………………………………………… 193
6.2.4.1 イメージファイバーを利用した実機仕様 OTR 検出器の製作 ……………………………… 193
6.2.4.2 イメージファイバーを利用した実機仕様 OTR 検出器のビームテスト …………………… 195
6.2.4.3 イメージファイバーを利用した実機仕様 OTR 検出器のビームテスト結果 ……………… 199
6.2.5 J-PARC における OTR 検出器についての評価 …………………… 201
6.3 残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ (RGIPM) ………………… 204
6.3.1 動作原理 ……………………………………………………………… 204
6.3.2 KEK 12GeV-PS でのテスト実験 …………………………………… 206
6.3.3 KEK 12GeV-PS EP2-C ビームラインでのプロファイル測定結果 ……………………………………………… 209
6.3.4 KEK 12GeV-PS EP1 ビームダンプでのRGIPM プロトタイプ試験 …………………………………………… 211
6.3.5 KEK―PS での RGIPM プロトタイプを用いた測定のまとめ …… 2136.3.6 Sr フェライト永久磁石を用いた RGIPM の実証機製作 ………… 213
6.3.7 東北大学サイクロトロン RI センターでの大強度ビーム試験 …… 214
6.3.8 実験結果 ……………………………………………………………… 215
6.3.8.1 ビーム軌道調整とプロファイル観測 ……………………… 216
6.3.8.2 印加電圧依存性 ……………………………………………… 219
6.3.8.3 ビーム位置依存性 …………………………………………… 221
6.3.8.4 ビームサイズ依存性 ………………………………………… 221
6.3.8.5 ビーム強度依存性 …………………………………………… 222
6.3.8.6 真空度依存性 ………………………………………………… 223
6.3.8.7 大強度ビーム模擬試験 ……………………………………… 224iii

3.1.2

Ｔ1 標的装置 2 号機の改良点について ……………………………… 86
3.1.2.1 遮へい体の構造仕様 ………………………………………… 86
3.1.2.2 遠隔操作機構の仕様 ………………………………………… 86
3.1.2.3 耐久性の要求 ………………………………………………… 87
3.1.3 Ｔ1 標的装置の設計 …………………………………………………… 87
3.1.3.1 遮へい体の構造検討 ………………………………………… 87
3.1.3.2 遮へい体材質選定 …………………………………………… 88
3.1.3.3 ストリーミング防止構造の検討 …………………………… 91
3.1.4 遠隔操作機構の検討 ………………………………………………… 93
3.1.4.1 ハンマーヘッド構造 ………………………………………… 93
3.1.4.2 吊り具の強度評価 …………………………………………… 94
3.1.4.3 回転軸の接続機構 …………………………………………… 96
3.1.5 耐久性向上策の検討 ………………………………………………… 98
3.1.5.1 軸ブレ防止構造 ……………………………………………… 98
3.1.5.2 ベアリングの選定 …………………………………………… 101
3.1.6 結果および効果 ……………………………………………………… 102
3.1.7 長期運転試験 ………………………………………………………… 104
3.1.7.1 ユニバーサルジョイント …………………………………… 104
3.1.7.2 鋼製ベアリング ……………………………………………… 104
3.1.7.3 セラミックベアリング ……………………………………… 105
3.1.8 謝辞 …………………………………………………………………… 105
3.2 真空箱 ………………………………………………………………………… 106
3.2.1 全体構造 ……………………………………………………………… 106
3.2.2 熱解析 ………………………………………………………………… 114
3.2.3 モックアップ ………………………………………………………… 119
3.2.4 真空用コンクリート遮蔽体 ………………………………………… 126
3.3 コリメータ …………………………………………………………………… 132
3.4 真空中での電磁石励磁試験 ………………………………………………… 137
3.4.1 直接水冷型 MIC コイル ……………………………………………… 137
3.4.2 間接水冷型 MIC コイル ……………………………………………… 138
第 4 章 ビームダンプ ……………………………………………………………………… 147
4.1 全体構造 ……………………………………………………………………… 147
4.2 熱計算 ………………………………………………………………………… 148
4.2.1 コーン穴形状の最適化 ……………………………………………… 149
4.2.2 ビームに対する安定性について …………………………………… 151
4.2.3 温度モニター設置位置について …………………………………… 151
4.3 応力計算 ……………………………………………………………………… 154
4.4 冷却試験 ……………………………………………………………………… 156
4.4.1 試験装置 ……………………………………………………………… 156
4.4.2 冷却水が 2 系統流れている時 ……………………………………… 157
4.4.3 冷却水が 1 系統のみ流れている時 ………………………………… 158
4.4.4 シミュレーションとの比較 ………………………………………… 159
4.4.5 ビームがダウンした時 ……………………………………………… 160

ii

第1章

ハドロン実験施設の全体デザイン


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−1−

1.1

はじめに

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第1章

ハドロン実験施設の全体デザイン

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−3−

1.2

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第1章

ハドロン実験施設の全体デザイン

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1.3

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第1章

ハドロン実験施設の全体デザイン

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ࡂ࠼ࡠࡦࡆ࡯ࡓࠨࡉࠣ࡞࡯ࡊ
↰ਛਁඳ

−7−

1.3

ビームダンプと大強度ビーム技術

−8−

第2章

一次ビームライン╙ 2 ┨
৻ᰴࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦ
2.1 ࡆ࡯ࡓశቇ
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߹ߢߩ඙㑆㧕ߦ߅ߌࠆ㔚⏛⍹ߩㆇォ⏛႐ࠍౣ⺞ᢛߒ‫ޔ‬ਅᵹߩࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬߦᢛว
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−9−

2.1

ビーム光学

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Slow-extracted beam parameters at 30 GeV(M. Tomizawa, Feb-2005)
5.4 S mm࡮mr HV
10.4 S mm࡮mr
HH-2.210 Dy
0.472
Dx
26.385 m Ey
18.103 m
ExKmK’
0.0036
'p/p

−10−

第2章

800

800

700

700
600

V~1mm

500

CountsCounts

600
400

400
300

200

200

100

100
-2

-1

0

1

0

2

V~1mm

500

300

0

-2

-1

0

1

2

10

20

y (cm)

500
400

CountsCountsx (cm)

900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-20

一次ビームライン

300
200
100

-10

0

10

20

x' (mrad)

0

-20

-10

0

y' (mrad)࿑㧟 T1 ᮡ⊛ߢߩ 1 ᰴࡆ࡯ࡓࡊࡠࡈࠔࠗ࡞㧔30GeV㧕

−11−

2.2

遅い取り出しビームとビームロス

2.2 㐔࠷ཱིࡽฝࡊࣄ࣭࣑࡛ࣄ࣭࣑ࣞࢪ
㐔࠷ཱིฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤࡢୌᏽࡡ࢓ࢠࢬࣈࢰࣤࢪࢅᣚࡗࠊຊ㏷ࡈࡿࡒࣄ࣭࣑࠿రࡼ࠾ࡡཋᅄ࡚࢙
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࣭࣑ࣞࢪࢅ㉫ࡆࡌྊ⬗ᛮ࠿࠵ࡾࠊ
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ᩋ஗ࣄ࣭࣑ࡢ␏࡝ࡖࡒฦᕱࢅࡵࡔࠉཱིࡽฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤࡡ࡜ࡆ࠾࡚ࣄ࣭࣑ࣞࢪࢅ㉫ࡆࡌ࠾ࡵࡊࡿ
࡝࠷ࠊࡆࡡࡻ࠹࡝㟴㞹ࢬࣈࢰ࣑࡚ᩋ஗ࡈࡿࡒ⢇Ꮔ࠿࡜ࡡࡻ࠹࡝ฦᕱࢅᣚࡖཱི࡙ࡽฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤ
࡞ཱིࡽฝࡈࡿࡾ࠾ࠉຊ㏷ჹࢡ࣭ࣜࣈ࡞ࡻࡖ࡙ࢨ࣐࣭ࣖࣝࢨࣘࣤࡈࡿࡒࠊᅒ㸫࡛ᅒ㸬ࡢࠉࡐࡿࡑࡿࠉ
├᥃ཱིࡽฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤ࡞ᩋ஗ࡈࡿࡒ⢇Ꮔࡡཱིࡽฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤථཾ࡚ࡡฦᕱࠉ࠽ࡻࡦࠉຊ㏷
ჹ࿔ᅂ㌮㐠ഁ࡞ᩋ஗ࡈࡿࡒ⢇Ꮔࡡ࠹ࡔ්ࡦ㟴㞹ࢬࣈࢰ࣑࡞ࡻࡖ࡙㐔࠷ཱིࡽฝࡊࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤ࡞ཱིࡽ
ฝࡈࡿࡒ⢇Ꮔࡡฦᕱ࡚࠵ࡾࠊࡐࡿࡑࡿࡡຊ㏷ࡈࡿࡒ⢇Ꮔ࡞ᑊࡌࡾ๪ྙࡢࠉ⣑ 0.5%࡛⣑ 0.4%࡚࠵ࡖ
ࡒࠊࡆࡿࡢ J-PARC ࡡ➠㸦᭿ࣆࣜࣄ࣭࣑㸝30GeV − 9ȣA㸞࡞ᑊࡊ࡙ࡢࡐࡿࡑࡿ 1.39kW ࠽ࡻࡦ
1.12kW ࡞┞ᙔࡌࡾࠊࡆࡿࡼࡡ࠹ࡔࠉ├᥃ᩋ஗ࡈࡿࡒ⢇Ꮔࡡ࠹ࡔࡡ⣑ 1.3%࠿ࢪ࢕ࢴࢲ࣭ࣕࢺࡡୖὮ
㒂࡞࠵ࡾ q17, q18 ௛㎾࡚ࣄ࣭࣑ࣞࢪࢅ㉫ࡆࡌࡆ࡛࠿ࢂ࠾ࡖࡒࠊࡆࡡࣄ࣭࣑ࣞࢪࡢࠉ30GeV-㸮ȣAࡡࣄ࣭࣑࡞ᑊࡊ࡙ 18W ࡡࣞࢪ࡞┞ᙔࡌࡾࠊࡆࡡࣞࢪ࡞ࡻࡖ࡙ࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤᶭჹ࠿ᨲᑏ໩ࡈࡿࡾࡡ
࡚࣒ࣤࢷࢻࣤࢪ୕Ửࡊ࡙᭻ࡱࡊࡂࡢ࡝࠷ࡄࡿ࡜ࠉࢪ࢕ࢴࢲ࣭ࣕࢺࢹࣤࢾࣜ㌛మࡡᨲᑏ⥲㐵ⶰ⬗࡞ᑊࡊ࡙ࡢ༎ฦᑚࡈ࠷ࡡ࡚├ࡔ࡞㔔ኬ࡝ၡ㢗࡛ࡢ࡝ࡼ࡝࠷ࠊࡊ࠾ࡊࠉᩋ஗ࡈࡿࡒ⢇Ꮔ࠿ T1 ᵾⓏ୕࡚⤎ࡩാࡢࠉ๑⟿ࡡᅒ㸨ࡡฦᕱ࡞Ẓ࡬࡙న⨠࠿ࡍࡿࡒࡽᗀ࠿ࡖࡒࡽࡊ࡙࠷ࡾ㸝ᅒ㸭㸞ࠊ୕㏑ࡡ࡛࠽ࡽ๪ྙ
࡛ࡊ࡙ࡢᑚࡈ࠷࠿ࠉT1 ᵾⓏ࡚ࡡࣄ࣭࣑ฦᕱࡡࢷ࣭ࣜ㒂ฦࡡᗀ࠿ࡽ࡞ᐞ୙ࡌࡾࠊ

−12−

5

5

4

4

3

3

2

2

y' (mrad)x' (mrad)

第2章

1
0
-1

1
0
-1

-2

-2

-3

-3

-4
-5

11.6S mm䍃mr
-4

-2

0

x (cm)

2

-4
-5

4

一次ビームライン

17 .3S mm䍃mr
-4

-2

0

2

4

0

2

4

y (cm)

5

5

4

4

3

3

2

2

y' (mrad)x' (mrad)࿑㧠 ࡆ࡯ࡓࡠࠬߩߥ޿ࡆ࡯ࡓ૏⋧ⓨ㑆਄ߩ▸࿐

1
0
-1

1
0
-1

-2

-2

-3

-3

-4

-4

-5

-4

-2

0

x (cm)

2

-5

4

-4

-2

y (cm)࿑㧡 ࿑㧞㧔⿒╬㜞✢࿑㧕ߣ࿑㧠㧔㤥╬㜞✢࿑㧕ࠍ㊀ߨวࠊߖߚ࿑‫ޕ‬

−13−

2.2

遅い取り出しビームとビームロス

−14−

第2章

一次ビームライン

2.3 㔚⏛⍹ߣࡔࡦ࠹࠽ࡦࠬ
2.3.1

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第2章

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第2章

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第2章

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一次ビームライン

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第2章

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第2章

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2.3.1.4 ಄ළ᳓ࠦࡀࠢ࠲
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2.3

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第2章

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−27−

2.3

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第2章

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2.3

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−30−

第2章

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一次ビームライン2.4

電磁石アライメント

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−32−

第2章

一次ビームライン

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GPS-SY
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2.4

電磁石アライメント

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−34−

第2章

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−35−

2.4

電磁石アライメント╙ 2 ᛬ᦛὐ

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q04

q02

q05

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v08

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SM

q11

q06

q07

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q13

q14

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h15

SM

q0A

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−36−

第2章

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╙ 1 ᛬ᦛὐ㧗
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SM
q11
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T0
q15
q16
h16

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Y
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᷹ቯ୯
X
Y-607.96249 -118.09219-609.39156 -115.45460-611.78565 -112.25004-613.97627 -108.90309-614.93620 -108.03325-616.58249 -105.82981-620.17316 -101.02336-621.93424-99.51322-622.86670-97.41842-626.30670-92.81398-629.29928-88.80809-630.81616-85.90542-633.82035-81.30226-636.00514-77.95476-641.74020-69.16786-642.77808-67.57762-647.47550-60.38044-649.66003-57.03278-651.29876-54.52219-655.39513-48.24598-661.53959-38.83116-663.99786-35.06472-665.50005-32.76392-668.36749-28.37008-671.78109-23.14032-674.51265-18.95585-676.34332-16.15035-677.24460-14.76835-680.79749-9.32516-682.57366-6.60354-684.21350-4.09132−37−

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㨐Y
-0.15
0.05
0.13
-0.13
0.12
0.0
-0.08
0.
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-0.15
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-0.16
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0.
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-0.03
0.11
-0.07
0.26
-0.06
0.10
-0.10

2.4

電磁石アライメント

࿑㧠 ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ߩ㜞ߐၮḰὐ‫ޕ‬BHM01~06 ߅ࠃ߮ SYLM01~03 ߪ 2006 ᐕ 3 ᦬ߦ⸳⟎ߐࠇߚ‫ޕ‬BHM07 ߣ SYLM04~05 ߪ 2006 ᐕ 9 ᦬ߦ⸳⟎ߐࠇߚ‫ޕ‬BHM01~02 ߪ⸳⟎ᒰᤨ TP-1.100m ߦวࠊߖߡ⸳⟎ߐࠇߚ‫ޕ‬BHM03~07 ߪ⸳⟎ᒰᤨ㨀㧼+1.800m ߦวࠊߖߡ⸳⟎ߐࠇߚ‫ޕ‬⴫㧟 2006 ᐕ 9 ᦬ߩࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ਅᵹㇱࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߣ T1 ᮡ⊛ߩაߛߒ᷹㊂ᚑᨐ⴫‫ޕ‬ᐳᮡ♽ߪ PASCO-J-PARC ᐳᮡ♽ߢ޽ࠆ‫ޕ‬X,Y ߩන૏ߪ㨙‫ޕ‬d㨄,d㨅ߪ mm‫ޕ‬

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q17
q18
v17
RGIPM17
bs1
T1
q1D

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X
Y
-685.18101-2.60899-689.57699
4.12639-693.97297
10.86175-695.45634
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50.55044

᷹ቯ୯X
Y-685.18066-2.60902-689.57705
4.12677-693.97341
10.86169-695.45673
13.13443-697.54984
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18.76186-700.81840
21.34952-701.84001
22.91575-710.03859
35.47727-719.87646
50.55067−38−

ᱷᏅ(x1000)
㨐X
㨐Y
0.35
-0.03
-0.06
0.38
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-0.06
-0.39
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0.39
0.00
-0.11
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0.17
-0.04
0.39
0.18
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第2章

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第2章

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第2章

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第2章

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−45−

2.4

電磁石アライメント

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−46−

第2章

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−47−

2.4

電磁石アライメント

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−48−

第2章

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−49−

2.4

電磁石アライメント

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−50−

第2章

一次ビームライン᨞บ┵ࠤࠟࠠ

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−51−

2.5

電力貫通バスダクト

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第2章

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電力貫通バスダクト

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第2章

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2.5

電力貫通バスダクト

−56−

第2章

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一次ビームライン

2.5

電力貫通バスダクト

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第2章

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−59−

2.6

信号貫通バスダクト

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第2章

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第2章

一次ビームライン

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2.8

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第2章

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2.8

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第2章

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2.8

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−68−

第2章

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2.8

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−70−

第2章

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−71−

2.8

真空システム−72−

第2章

一次ビームライン




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−73−

2.8

真空システム࿑ 10 ࡇࡠ࡯ࠪ࡯࡞๭߮ᓘ㧡㧜㧜ታᯏ৻ภᯏ

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第2章

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真空システム

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300

200

200

100

100

0
0

0
0

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0
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0
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−76−

200

第2章

一次ビームライン

2. ෘߐࠍᄌൻߐߖߚᤨ ࡆ࡯ࡓኒᐲߪਛᔃ߶ߤ㜞޿ߚ߼‫ޔ‬ෘߐࠍඨᓘᣇะߦᄌൻߐߖ‫ޔ‬ਛᔃㇱߪ⭯ߊ‫ޔ‬ᄖ๟ㇱߪෘߊߒ⸘▚ߒߚ‫ߢߎߎޕ‬ਛᔃㇱߪ 2.5mm ߦ࿕ቯߒ‫ޔ‬ᄖ๟ㇱࠍ 4,6,8,10.5mm ߦߒ‫ޔ‬ਛᔃㇱߩඨᓘࠍ 70~80mm
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Out 4.0mm
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70mm

ෘߐ In 2.5mm
Out 6.0mm
ᦨᄢᔕജ 141MPa

60mm

70mm

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ᦨ㜞᷷ᐲ㧦39.6͠

ෘߐ In 2.5mm
Out 8.0mm

ෘߐ In 2.5mm
Out 10.5mm

ᦨᄢᔕജ 112MPa
80mm

60mm

ᦨᄢᔕജ 115MPa
80mm

10mm
ᦨ㜞᷷ᐲ㧦39.9͠

40mmᦨ㜞᷷ᐲ㧦40.7͠

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真空システム3. ⤘ࠄߺࠍᜬߞߚᤨ
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−78−

10

第2章

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−79−

2.8

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−80−

第2章

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−81−

2.8

真空システム

−82−

第3章

−83−

T1標的とその周辺

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−84−

第3章

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T1標的とその周辺

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第3章

T1標的とその周辺

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第3章

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第3章

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第3章

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第3章

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第3章

T1標的とその周辺

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−101−

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3.1

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−102−

第3章

T1標的とその周辺





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3.1

T1標的



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−104−

第3章

T1標的とその周辺

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−105−

3.2

真空箱

図 1: 真空箱とその周辺の構想図

3.2

真空箱

T1 標的では、実に 200kW 以上ものビームパワーが開放される。この膨大な熱量から下流の電磁石を守るために、後述するコリメータを T1 直後に設置する。しかし、磁石の磁極よりもビーム中心の近くに置かれる真空ビームダクトについては、コリメータを置くだけでは発熱を抑えることが出来ず、その上トリチウム生成の問題もあって、ビームダクトを十分に冷却することが大変困難である。そのため、電磁石の磁極の間に真空ダクトを入れるという従来のビー
ムラインの構造を逆転させ、大型の真空箱の中に電磁石全体を入れるというシステムを採用した [1]。
3.2.1

全体構造

真空箱とその周辺のコンクリート躯体構造を図 1 に示す。真空箱の蓋での作業は、配線、配管の脱着や真空シールなど、人の手によるものが多いので、メンテナンス時の被曝量を低減する
ために、真空箱の蓋をサービススペースと同じ高さに位置させ、放射線遮蔽体も真空の中に入れる。その内部遮蔽体は、高さ 2 m の鉄ブロックと高さ 1 m のコンクリートブロックとから成る。そのため、真空箱は、高さ 5.7 m、幅 1.5 ∼ 2.9 m、長さ約 3 m という大型のものである。
コリメータ、電磁石、及び真空箱自身のための冷却水や電力は全て、サービススペースから供給

−106−

第3章

T1標的とその周辺される。真空引きには、サービススペースに置かれる 500 m3 /h のドライスクリューポンプ 2 台を使用し、使用真空度は 1Pa 以下を想定している。1 次ビームラインの真下に、幅 1 m、深さ 1m のトレンチが掘られるので、このトレンチの上に厚さ 100 mm の鉄の敷板を敷き、その上に真空箱を設置する。敷板には位置決め用のピボットが設けられ、真空箱の底板下面のピボット穴と嵌合する。実験ホールのフロアレベル (FL) を基準にすると、トレンチの底面が FL-100mmなので、真空箱の乗る敷板の上面が FL+1000mm、サービススペースが FL+6000mm となる。
図 2 に、真空箱とその内部機器の構造を 3 次元的に示した。真空箱の中には、電磁石 3 台(K1.8D1、K1.8Q1、K1.1D1) と第 1 コリメータが設置される。各機器毎に上部鉄遮蔽体と一体になっており、それぞれ独立に取り外しが可能なモジュール構造になっている。K1.1D1 とコリメータとの間には比較的大きな空間 (ドリフトスペース) があるため、そこだけ独立した遮蔽体とその荷重を支える柱だけのモジュールが入る。従って、真空箱には、3 台の電磁石とコリ
メータ、ドリフト部遮蔽体モジュールの計 5 台のモジュールが収納される。図 3 が各モジュー
ルの 3 次元構造図である。
各レベルでの遮蔽体の断面図を図 4 に示す。また、その各断面図を重ねて、内部機器や架台と遮蔽体分割構造との関係を示したのが図 5 である。青色の線が床上 2 ∼ 4 m の鉄遮蔽体、緑色の線が床上 4 ∼ 5 m のコンクリート遮蔽体の分割ラインである。個々の機器が鉄遮蔽体と共に独立に出し入れでき、かつ設置のし易さのために 180◦ 以上の内角を作らないようにすると、どうしても、3 台の磁石の真ん中に穴が出来てしまう。そこで、K1.8D1 と K1.8Q1 との間の鉄遮蔽体だけ別パーツとして分割し、K1.8D1 や K1.8Q1 を取り出す場合にはまずその間の鉄遮蔽体を取り外すこととした。各コンクリート遮蔽体の内側の円形の部分は、各モジュールの小蓋が取り付けられる位置で、機器に冷却水や電力を供給する配管、配線が通るので、機器本体や鉄遮蔽体と一体となって出し入れされる (「チムニー」と呼ばれる)。このチムニーの角度のずれを吸収するため、チムニーも小蓋と同じ円形としている。遮蔽能力を上げるため、コンクリート遮蔽体と鉄遮蔽体との間で迷路構造を作っている。ただし、1 台の機器を取り出すのに複数のコンクリート遮蔽体を取り出す必要がある。例えば、コリメータを出すにはその真上のコンクリート遮蔽体 1 個だけ外せば済むが、K1.8D1 を出すには全てのコンクリート遮蔽体を取り出す必要がある。内部機器モジュールの設置においては、まず側壁の鉄遮蔽体部に設けたガイドレールに沿って機器を吊り下ろし、底板に設けたガイド治具でラフに位置だしを行って、最後に底板のピボットで 0.1 mm の精度で位置決めを行う。
側壁の縦断面図を図 6 に示す。側壁は、フロントパネル、K1.8 側リアパネル、K1.1 側リアパ
ネル、K1.8 側サイドパネル、K1.1 側サイドパネルの 5 面から成り、各パネルの構造は大きく分けて、ビームトンネル部 (FL+1075〜+3000mm)、鉄遮蔽体部 (FL+3000〜+4990mm)、コンク
リート遮蔽体部 (FL+4990〜+6000mm)、及びサービススペース部 (FL+6000〜+6655mm) に分かれる。真空箱の材質は基本的に SUS304 を使用するが、フロントパネルは、特にビームによる発熱密度が大きいため、一部材質にニッケルを用いる。また両リアパネルも、発熱が大きいので、ビームトンネル部の壁厚を 30 mm と他のパネルよりも薄くし、外圧による変形を抑えるために高さ 60 mm のリブを水平に 2 本立てる。底板と側壁との接続は、試験時は O リン
グによるフランジ接続、本設置時はアングル材を当ててシール溶接とする。
フロントパネル、K1.8 側、K1.1 側リアパネルのビームトンネル部には、それぞれ 1 次ビーム
ラインの入口と、K1.8、K1.1 ビームラインの出口にあたるビーム窓を設ける。また、両リアパ

−107−

3.2

真空箱

図 2: 真空箱の 3 次元構造図

図 3: 真空箱内部モジュールの 3 次元構造図

−108−

第3章

図 4: 各レベルでの断面図−109−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

図 5: 内部機器、架台と遮蔽体分割構造との関係

−110−

第3章

図 6: 側壁の縦断面図−111−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

図 7: フロントパネルのビーム窓

−112−

第3章

図 8: リアパネルのビーム窓とビームダクト−113−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

ネルにまたがる形で、1 次ビームラインの出口にあたるビームダクトを取り付ける。このビー
ム窓とビームダクトの図面を図 7、8 に示す。K1.1 ビームライン出口窓のみ、ビーム軸より外側に 100 mm 偏芯させる。それぞれの窓とダクト出口には、メタル中空 O リングをはさんでピ
ローシール用のミラーフランジを取り付ける。適用するピローシールのサイズは、K1.8 出口窓
のみ内径 300 mm で、その他は内径 500 mm のものである。全てのミラーフランジには、外周部に冷却水配管を付けて除熱する必要がある。フロントパネルの Ni フランジには冷却水配管を2 水路ロー付けにより取り付け、さらにその周りの SUS 壁にも 1 水路取り付ける。内側の冷却水配管については、K1.1 側サイドパネルのビームトンネル部 100A ポートに真空導入端子を設ける。K1.8 ビームライン、K1.1 ビームライン出口のビーム窓の周りにも冷却水配管を 1 水路ず
つロー付けにより取り付ける。後述するように、ビームダクトの先端の位置が側壁の変形によりずれるのを防ぐため、ビームダクトと側壁との間にはベローズをはさむ。ビームダクトには冷却水配管を巻きつけてロー付け及びアルミニウム溶射し、同じ配管をサポートにもロー付けする。
真空箱の蓋の外形寸法を図 9 に示す。大蓋には、内部機器へ電力や冷却水を供給するためのフィードスルーの付いた小蓋が 5 箇所設けられる。フィードスルー付き小蓋は各内部機器モジュールに固定されるので、大蓋と小蓋との間には高さ調整用のベローズをはさみ、ベローズと大蓋とは回転フランジで接続する。

3.2.2

熱解析

真空ビームダクトの発熱を避けるために大型真空箱を採用したが、その真空箱も発熱と無縁ではない。特に、コリメータと T1 ターゲットとの間に位置するフロントパネルと、1 次ビーム中心までの距離が近いリアパネル出口ビームダクト部は、発熱密度が大きく水冷が必要となる。
そこで、モンテカルロコード MARS15 で計算した発熱分布をもとに、有限要素法を用いて熱解析を行った。真空箱全体の 3 次元解析は手間と時間がかかるので、まず、発熱条件の厳しいフ
ロントパネルとリアパネルについて、それぞれ単独でモデル化し、温度や変形、応力を計算して、パネルの構造と冷却水路を検討した。
図 10 がフロントパネルの温度解析結果である。冷却水温は 35◦ C に設定した。図 7 にあるような 3 水路を設ければ、最大温度 51◦ C に収まっている。
図 11 がフロントパネルの応力解析結果である。(a) が箱内部を真空に引いた時の外圧のみによるもの、(b) がそれに図 10 の温度分布による熱膨張を加えたものである。いずれの場合においても、SUS 部、ニッケル部とも、それぞれの許容応力 (SUS 123 MPa、ニッケル 70 MPa) を十分下回っている。
真空箱の熱 · 構造解析で最も問題になるのは、ピローシールのピロー (ダイヤフラム) が当たるシール面の歪みである。面全体の平行移動や傾きについては、ある程度ピローシール内のベローズで吸収できるが、平面からのうねりはピローのふくらみで吸収するしかない。また、周方向の凹凸分布だけでなく、ピローシールはピローが 2 重になっているので、その内側のピローと外側のピローとが当たる位置の差も問題となる。実際、除熱が不十分な場合、ニッケルと SUS の熱膨張率の違いにより、発熱なしで真空だけ引いた場合はフランジの中心側が内側に凸になるのが、熱膨張を加えると逆に外側に凸になってしまう。そうすると、外側のピローで

−114−

第3章

図 9: 大蓋と小蓋−115−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

図 10: フロントパネルの温度分布

図 11: フロントパネルの応力分布

−116−

第3章

図 12: フロントパネルの変形量 (外圧のみ)

図 13: フロントパネルの変形量 (外圧 + 熱変形)

−117−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

図 14: リアパネルとビームダクトの温度分布シールできず、内外のピロー間で行っている中間排気が全く効かなくなり、シール性能が著しく低下してしまう。
内部を真空に引いたときの外圧のみをかけた場合の変形が図 12、それに熱膨張を加えたもの
が図 13 である。径方向の変位量分布を示すグラフ (b) を見ると、外圧のみの場合で内ピローと外ピローの当たる位置の差が約 60 µm、熱膨張も加わった場合で差が約 10 µm となっており、十分許容範囲内に収まっている。また、図の (c) が周方向の変位量分布で、(c) からベローズで吸収できる面全体の傾きによる変位分を差し引いた凹凸の量を表したのが (d) のグラフである。凹凸の最大幅が外圧のみの場合に約 150 µm となるが、これはピローのふくらみで吸収できると思われる。
図 14 がリアパネルとビームダクトの温度解析結果である。冷却水の設定温度は同じく 35◦ Cである。ダクトの根元部で温度が高くなっているので、根元にもう 1 周水路を追加した方が良
いかも知れない。
図 15 がリアパネルの応力解析結果である。(a) が外圧のみ、(b) が熱膨張を加えた場合の結果である。リアパネル内側のリブの角で SUS の許容応力を上回っているが、これは応力が集中している箇所に切れ込みを入れれば回避できるので問題ないと思われる。
リアパネルの最大の問題はビームダクト先端の変位である。外圧によりリアパネルが非対称に歪むため、ビームダクトの向きが一方に振られ、しかもダクトが約 1m の長さを持つため、ダ
クト先端の位置がミリ単位でずれる結果になってしまった。これは、リアパネルの構造が左右非対称なのが原因であるが、リアパネルの位置と角度は K1.8、K1.1 の両 2 次ビームラインに合わせて決められているので、根本的な解決は無理である。そこで、ビームダクトの根元にベローズをはさみ、ダクトを架台に固定して先端が動かないようにすることとした。
K1.8、K1.1 ビームライン出口及びビームダクト出口と、各々の下流ビームダクトとは、ピ

−118−

第3章

T1標的とその周辺

図 15: リアパネルとビームダクトの応力分布
ローシールでつなぐ。従って、フロントパネルの場合と同様、フランジのシール面の歪みが重要となる。3 つのフランジ全てについて、フロントパネルと同様の解析を行ったが、最も変形の大きかった K1.1 出口フランジについて結果を図 17、18 に示した。周方向の凹凸が熱膨張も加わった場合に最大約 200 µm と大きくなっているが、ピローのふくらみが 300 µm 程度あれば吸収できると考えられる。

3.2.3

モックアップA. 内部磁石モジュール
真空箱内部の磁石やコリメータを交換する場合は、それら内部機器とその上の遮蔽体を一体で天井クレーンで吊り上げ、取り出し、設置を行う。その際、内部機器は極度に放射化しているため、放射線遮蔽キャスクに機器を収納した上で、これらの作業を遠隔で行わなければならない。そのための位置決めやガイドの方法を試験し、必要なクリアランス等を確認する目的で、内部磁石モジュールのモックアップを製作した。
図 19 がモジュールモックアップの写真である。全体の高さは実機と同じ 5 m で、下から 2 m
までがダミー磁石と架台、その上の 2 m が鉄遮蔽体、さらにその上の 1 m がアルミ遮蔽体である。鉄遮蔽体は幅が 1.5 m で、現有クレーンの定格荷重の問題から長さは 0.7 m と短くしている。
東カウンターホールの HD-hall モックアップの隣に、コンクリートブロックを高さ 4 m ま
で積み上げ、モジュールを挿入する開口部を設けた。

−119−

3.2

真空箱

−120−

第3章

−121−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

図 19: 東カウンターホール内のモックアップの写真。

図 20: くさび型ガイド治具の写真。

−122−

第3章

T1標的とその周辺

図 21: ダミーキャスクを用いた吊り上げ試験の写真。
実際の交換作業においては、さらにモジュール全体をキャスクに収納して移動、設置を行う必要がある。そこで、高所作業用の足場と手摺パイプ、ブラックシートを利用して図 21 の写真のようなダミーキャスクを作成した。モジュールの鉄遮蔽体の上面がダミーキャスクの天井部にちょうどひっかかる構造になっており、クレーンでモジュールを真上に吊り上げていくとキャスクも一緒に持ちあがるようになっている。クレーン定格荷重の制限とコスト節約のため、実機においても今回のダミーキャスクと同様、キャスク内に本体を吊り上げる装置を内蔵させるのではなく、キャスク上部に開口部を設けて天井クレーンが直接モジュール本体を吊り上げる構造とする。放射化が激しいのはモジュール下部の電磁石/コリメータ本体であり、それを囲むキャスクの一部としてモジュール自身の上部遮蔽体が利用できるので、キャスク自身の上部に開口部があっても十分な遮蔽能力を得ることができる。
このような試験を行った結果分かったことをまとめると、• フックの遠隔回転機能が欲しい。最低限、回転ロック機構が必要。
• レーザーポインタによる位置だしは、自動水平機構付きの物だと大きく振れるために時間がかかる。
• モジュール間の隙間は最低でも ±10 mm は必要。
• キャスクを位置だしすれば自動的に中身のモジュールの位置が決まるようにするべき。す
なわち、個々のモジュールに専用キャスクが必要。

−123−

3.2

真空箱

• 小蓋付きの構造に合わせた自動玉掛け機が必要。
• 吊り具の位置だし機構が必要。
• 吊り上げ時に傾かないように、モジュールの重量バランスが非常に重要。
• 巻き上げ位置 (フックの高さ) を知る機構が必要。
自動玉掛け機構については、2.3 節で述べているようなツイストロック方式を用いるが、ツイストロック嵌合穴の位置から小蓋の上のマニホールドの先まで 2 m 近くの高さがあるので、それを避けるような特別な構造のものが必要になる。内部機器毎に外形がバラバラでありクレーンの定格荷重の制限もあるので、キャスクは個々の機器毎に専用のものを用意せざるを得ないが、ツイストロック本体はなるべく共通に使えるようにする。また、吊り具の位置だし機構については、スイッチヤード用ツイストロックで採用したガイドポール + アリジゴク方式や、ツイストロックのロックピンやスミ金具自体にガイドさせる方式、円柱状のチムニーをガイドとする方式等が考えられる。

B. 蓋とサービススペース
真空のシールのほか、電磁石の電力、信号ケーブルの配線、冷却水の配管など、蓋での作業は人の手によるものが多い。従って、作業時間を短くして被曝量を出来る限り少なくするような蓋の構造とすることが非常に重要である。真空箱の蓋の基本的な構造として、水や電力の真空導入端子のついた小蓋を磁石/コリメータモジュールと一体化させ、その小蓋は真空箱全体の大蓋よりも内側に位置させる「内小蓋方式」とすることは、前回の第 2 次中間報告書 [1] に書いた通りである。この構造を具体化させ、実際に真空用電磁石の運転や交換作業をしながらその成立性や作業性を検証する目的で、東カウンターホール内にモックアップを建設した。
図 22 がモックアップの写真である。向かって右側に、以前磁石の真空中運転試験を行った時に使用した、直径 2 m、高さ 1.2 m の真空容器が設置してあり、その左側のコンクリートブ
ロックの上面がサービススペースを模擬している。
真空箱の小蓋の詳細を図 23 に示す。左がまだマニホールドやブスバーを取り付ける前、右が全て組み上がって運転可能な状態の写真である。
内部モジュールの位置決めは、蓋から 5 m 下の真空箱底面で行われる。そのため、わずかな傾きやねじれでも、小蓋の位置や角度が大きくずれる可能性がある。そこで、高さ方向の位置
ずれを吸収するベローズだけでなく、水平方向の位置や角度のずれを吸収するために回転フランジを採用した。
小蓋の中央にあるのが、コイルに給電するためのフィードスルーである。通電電流は最大1500 A だが、真空内のケーブルでの発熱を大気側へ逃すために、電流密度が他の電磁石のもの (2 A/mm2 ) の半分となるよう、導体断面積を大きくした。各回路、各コイルは真空内で直+ − 1 本ずつである。フィードスルーより外の電列につなぐので、フィードスルーの本数は /
力配線は基本的にブスバーを用いるが、真空箱の大蓋を開ける際に外さなければいけないブス
バーはクイックコネクタによってつないでいる。現在のところテストしているのはイソギンチャ

−124−

第3章

図 22: 真空箱の蓋とサービススペースのモックアップ

図 23: 組立中及び組立後の小蓋の写真。

−125−

T1標的とその周辺

3.2

真空箱

ク型とフォーク型の 2 種類のクイックコネクタであるが、いずれもブスバーをはめる際に勢い余って大きな力が下向きにかかる可能性があるので、その力がフィードスルーにかからないよ
うに、小蓋上に力を受ける支持碍子を置いた。
冷却水は小蓋上のマニホールドを介してコイルやヨークを冷やす各水路に分岐する。水路数は 9 で、入口/出口合わせて合計 18 本の φ10 mm の SUS チューブが小蓋を貫通する。真空箱の大蓋を開ける際に、これらの枝管を全て外すのではなく、2 インチ管のクイックカプラだけ外せば済むようにするため、小蓋の限られた面積 (ベローズ内径 500 mm) 内に全ての配管が収まるよう、マニホールドは縦置きにし、φ10 チューブも千鳥に配置して間隔を稼いでいる。また、小蓋を貫通する φ10 チューブとマニホールドとはスエジロックでつなぐが、そのつなぎの位置も、回転フランジよりも高くした上で千鳥型に高さを変えて、一般的なスパナで十分作業が可能となるようにした。モックアップのマニホールドには、複数のクイックカプラを試験す
ることを想定して、カプラを簡単に交換できるように JIS フランジが付けてあるが、実機では直接マニホールドにクイックカプラが付く形になる。
小蓋には、これら水、電力の導入端子以外に、NW40 のポートを 1 個設けた。これにはバンディー 22 pin フィードスルーが取り付けられ、熱電対や温度スイッチの信号ケーブルが付けられるようになっている。
真空内の温度測定には、小蓋に取り付けられたバンディーフィードスルーの他に、真空容器
側面ポートにも同じバンディー 22 pin フィードスルーを取り付け、温度スイッチのインターロック信号の分を除いて最大 21 点まで測れるようになっている。この真空箱モックアップを用いて実際に真空中の磁石の通電試験を行った結果は 3.4 節で詳しく述べる。

3.2.4

真空用コンクリート遮蔽体

ビームラインとサービススペースとの間の 3 m の遮蔽体を全て鉄にした場合と、上 1 m だけ
コンクリートにした場合とを比較するために、サービススペースの残留放射線量を MARS15 で計算した。その結果、サービススペースの床となる遮蔽体自体の放射化が鉄よりもコンクリー
トの方が低いというだけでなく、サービススペース内の機器や天井コンクリートブロックの放射化が、鉄よりもコンクリートの方が 1 桁以上低くなることが分かった。これは、主に中性子に対する遮蔽能力が鉄とコンクリートとで差があることに因るものと思われる。つまり、遮蔽
体自体の放射化の観点からも、中性子に対する遮蔽能力の観点からも、ビームラインとサービ
ススペースとの間にコンクリートをはさむ必要があるということである。

アルミ箱コンクリートの長期保管試験
コンクリートブロックをそのまま真空箱の中に入れたのでは、アウトガスが多すぎて真空に引けなくなる。そこで、金属容器の中にコンクリートを充填したものを遮蔽体とする。容器の材料は、より残留放射能が低くなるようにアルミにするのが望ましい。しかし、アルミはアル
カリ性のコンクリートと接すると以下のような反応を起こし、水素を発生させる。

2Al + Ca(OH)2 + 2H2 O → CaAl2 O4 + 3H2 ↑

−126−

(1)

第3章

T1標的とその周辺

図 24: アルミ箱コンクリートの長期保管試験用テストピース
この反応を抑止するには、アルミの表面にコーティングをすることによって直接アルミとコン
クリートとが接触しないようにしたり、コンクリートを十分に乾燥させて水分を飛ばすことでアルカリ溶液を無くしたりする必要がある。
このようなアルミニウム容器の内面処理やコンクリートの乾燥の方法を確立するため、小さなテストピースを製作して、長期保管後に内部の腐食具合を確認する試験を行った。
内面に離型材を塗布した 200 mm 角のアルミニウム容器にコンクリートを充填し、以下の 3
種類の乾燥処理を施した後に溶接密封した。

1. 気乾 28 日間のみ
2. 気乾 28 日間 + 真空ポンプで引いて脱気乾燥させて絶乾状態にする
3. 気乾 28 日間 + 105◦ C の乾燥炉で強制乾燥させて絶乾状態にする
この中では、3. の強制乾燥が最も乾燥の度合が進むと考えられるが、実機では大きな乾燥炉が必要になってしまうので、より小さな設備でも可能なように考案されたのが 2. の脱気乾燥で「絶乾状態」とある。各乾燥方法ごとに 2 個ずつ、計 6 個のテストピースを製作した。ここで、は、同じ乾燥処理を続けたまま 3 日間質量変化がないことを示す。絶乾状態になるまでに、乾燥炉による強制乾燥では 48 日間、真空ポンプを使った脱気乾燥では、ヒーターで 50◦ C に温めながら引き続けて 72 日間かかった。製作したテストピースの写真を図 24 に示す。

−127−

3.2

真空箱

表 1: 1 年保管後の容器内ガスの分析結果

試料
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
外気

H2
CO
CH4 O2 N2 H2 O
[ppm] [ppm] [ppm] [%] [%][%] 乾燥条件
400000 < 10
300 0.4 58
2.4 気乾 28 日
190000 < 10
210 0.6 77- 気乾 28 日
220 < 1030 18 82 0.17 気乾 28 日+脱気乾燥 72 日
210 < 1036 18 82
- 気乾 28 日+脱気乾燥 72 日
26
12
11 21 79 0.16 気乾 28 日+強制乾燥 48 日
28
11
13 21 79
- 気乾 28 日+強制乾燥 48 日
< 10 < 10 < 10 21 79
1.3 (湿度 50%)

約 1 年間保管した後で、各テストピースの容器内部のガスを分析した。表 1 がその結果である。気乾のみ > 脱気乾燥 > 強制乾燥の順で水素濃度が高く、特に気乾のみの場合において大量の水素が発生していた。これは、コンクリートに残る水分量が多いほどアルミ-アルカリ反応が進むことを示し、今回はアルミ内面の表面処理が不十分であったことを示している。また、
テストピース (1) の水蒸気の濃度が 2.4 % ということは、ほぼ飽和蒸気圧に近い水蒸気で容器内が充満していたことになり、28 日間の気乾養生だけではコンクリートの乾燥が全く足りない
ことが分かる。メタンガス CH4 の発生原因については確定できていないが、濃度の高い順番
は水素と同じであり、内面に塗布した離型剤に含まれる有機成分が分解して生成された可能性がある。気乾のみの場合において著しく酸素濃度が低下している点についても、原因は不明である。
さらに、容器内部の状態を確認するために、各乾燥条件で 2 個ずつ製作したテストピースのうち 1 個ずつについて、水を使わない乾式で切断した (図 25)。コンクリートを取り除いたアル
ミの内表面を観察したが、どの容器についてもアルミの腐食した痕跡は見られなかった。一方、溶接部近傍の断面を観察したところ、アルミ板の合わせ目に円形の孔が見られた。しかし、この孔は、溶接部に施したシリコンコーキング剤の有無や乾燥条件によらずに観測されたので、発生原因は必ずしもアルカリ腐食ではない可能性がある。
また、容器より取り外したコンクリートブロックより、同じく乾式で圧縮強度試験用の円柱
コアを 3 本ずつ採取し、コンクリートの密度と圧縮強度を測定した。その結果が表 2 である。
1 年前のコンクリート充填時に採取したサンプルコアと比べ、いずれのコアについても、密度、圧縮強度共に低下している。特に、より乾燥を進めたテストピース (3)、(5) のコンクリート
においてその傾向が顕著で、密度は 2.2 g/cm3 を大きく下回り、圧縮強度も 4 割近く低下している。
密度の低下に対しては、より重い骨材で混錬して 2.2 g/cm3 以上を確保するか、あるいは始めから密度 2.0 g/cm3 で遮蔽設計をやり直す必要がある。圧縮強度の低下については、この真空内部コンクリート遮蔽体の上には物を乗せないので、単体としての吊り金具の設計だけ十分な安全率を取って行う必要がある。

−128−

第3章

T1標的とその周辺

図 25: 試料 (1) のアルミ容器を切断した様子

表 2: 1 年保管後のアルミ容器内コンクリートの密度測定と圧縮強度試験結果。試料の番号は、
例えば、(3)-2 はテストピース (3) の充填コンクリートから採取した 2 本目の円柱コアであることを示す。一番下のサンプルコアは、コンクリート充填時に同じコンクリートから採取したも
のである。
試料
気乾のみ

脱気乾燥

強制乾燥

サンプルコア

(1)-1
(1)-2
(1)-3
(3)-1
(3)-2
(3)-3
(5)-1
(5)-2
(5)-3
1
2
3

密度 [g/cm3 ]
2.192
2.208
2.183
2.107
2.072
2.095
2.097
2.019
2.074
2.254
2.299
2.293

−129−

圧縮強度 (MPa)
19.0
20.3
19.4
16.9
17.7
13.7
14.2
15.4
14.5
23.4
23.6
22.7

3.2

真空箱

図 26: SUS 箱コンクリート遮蔽体

SUS 箱コンクリート遮蔽体以上の試験の結論をまとめると、

1. 完全にピンホールのない表面処理をアルミ容器内面に施すことは困難であり、コンクリー
トの絶乾処理が必要不可欠。
2. 28 日間の気乾養生だけではコンクリートの乾燥が不十分。
3. 強制乾燥も脱気乾燥も、今回のような小さいテストピースでさえ長期の乾燥期間が必要であったので、実機サイズではどれだけの時間がかかるか工程の予測ができない。
ということから、アルミを用いたコンクリート充填容器の製作には、時間的にも人的にも金銭的にもコストが必要である。一方、単にサービススペース内の残留放射線量を減らすのならば、鉄又はステンレス鋼のコンクリート充填容器の上に厚さ 200 mm 程度のアルミニウム板を乗せるだけでも十分であるということもあり、アルミを用いたコンクリート充填容器の採用を断念した。また、鉄とステンレス鋼とを比べた場合、材料費自体は鉄の方が安いものの、防錆のためにめっき処理等を行うとほとんど値段が変わらなくなる上、壁にすりながら設置したりする
内にめっきが剥がれる可能性が高いため、最終的に我々はステンレス鋼製容器を用いることにした。
図 26 が、製作した SUS 箱コンクリート遮蔽体の写真である。これは K1.8D1 電磁石モジュール用のもので、高さ 800 mm、最も長い辺の長さが 1021 mm である。中心に、チムニーが通る

−130−

第3章

T1標的とその周辺

円形の穴が開いている。真空雰囲気になった時に内圧で膨らんだりしないよう、コンクリート
打設前に、壁の内側に変形防止の梁を溶接した。上面に設けられている吊りタップ以外のタップは、200 mm 厚アルミ板を固定するためのものである。また、蓋溶接時に熱でコンクリート
から水分が出たりすることを想定して気抜きポートを設け、溶接後に ICF フランジで封止した。

参考文献[1] ”第 2 次中間報告書”, 田中万博, 他, KEK Internal 2004-3 (2004).

−131−

3.3

コリメータ

3.3

ࠦ࡝ࡔ࡯࠲

ੑᰴ☸ሶ↢ᚑᮡ⊛ T1 ߪ‫ޔ‬50 GeV, 750 kW ߩ৻ᰴ㓁ሶࡆ࡯ࡓߩ 30 %ࠍ៊ᄬߐߖSਛ㑆ሶ‫ޔ‬K ਛ㑆ሶߥߤߩੑᰴࡆ࡯ࡓࠍ↢ᚑߔࠆ‫៊ࡓ࡯ࡆߩߎޕ‬ᄬߦࠃࠅ‫ޔ‬T1 ᮡ⊛ߩਅᵹߩᯏེߪ 200 kW એ਄ߩ⤘ᄢߥᾲߣ᡼኿✢ߦᤴߐࠇࠆ‫ޕ‬ᮡ⊛ਅᵹߩ㔚⏛⍹ߪ‫⥄ޔ‬りߩ಄ළߛߌߢߪ⿷ࠅߕ‫ޔ‬㋕ᔃߩ᷷ᐲ߇ࠠ
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x
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−132−

第3章

T1標的とその周辺

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࿑ 3: ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߩᔕജಽᏓ

࿑ 4: ਄ᵹㇱߩᄌ૏ಽᏓ

࿑ 5: ਄ᵹㇱߩᔕജಽᏓ

−133−

3.3

コリメータ

㒰ᾲߢ߈ߡ޿ࠆߎߣ߇ࠊ߆ࠆ‫ޕ‬࿑ 3 ߪᔕജಽᏓߢ‫ޔ‬਄ᵹㇱߩ਄ᵹߣਅᵹߩਔਛᔃઃㄭߢᔕജ߇㜞ߊߥߞߚ‫ޕ‬ᔕജ⸘▚਄ߢ᜔᧤ߒߚὑ‫ޔ‬਄ᵹㇱߩ਄ㇱⷺߩᔕജ߇㜞ߊߥߞߡ߅ࠅ‫࡮ߡ┙⚵ߩ࠲࡯ࡔ࡝ࠦޔ‬⸳⟎ߩ࠺ࠩࠗࡦࠍߔࠆ㓙ߦߪ‫ޔ‬㌃ߩ࿕ቯᣇᴺߥߤߢᔕജ߇㓸ਛߒߥ޿ࠃ߁ߦᬌ⸛ߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޕ‬ਅᵹㇱߩᦨᄢᔕജߪ‫ޔ‬⚂ 14 MPa ߣචಽૐߊߥߞߡ߅ࠅ‫ޔ‬ߎߩᒻ⁁ߢ໧㗴ߥ޿ߎߣ߇ࠊ߆ߞߚߩߢ‫ޔ‬એᓟౕ૕⊛ߥᒻ⁁⸳⸘ߩߚ߼ߦ‫ޔ‬ਥߦ਄ᵹㇱ㧔5010025 cm㧕ߩ⸃ᨆࠍⴕߞߚ‫ޕ‬࿑ 4 ߪ‫࡯ࡆޔ‬ࡓਅᵹ஥߆ࠄ⷗ߚ਄ᵹㇱߩᄌ૏ಽᏓߢ‫ޔ‬ਛᔃઃㄭߢᦨᄢ 1.2 mm ᄌᒻߔࠆߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ‫ޕ‬
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200 ͠ㄭறߩή㉄⚛㌃ߩ⸵ኈᔕജߪ 35 MPa ߢ޽ࠆ߆ࠄ‫ߪߢ߹߹ߩߎޔ‬ᾲᔕജߦࠃࠅࠦ࡝ࡔ࡯࠲߇
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ߢ‫ࠇ౉ࠍ࠻࠶࡝ࠬޔ‬ᔕജࠍㅏ߇ߔߎߣࠍ⹜ߺߚ‫ޕ‬᏷ 1cm‫ޔ‬ᷓߐ 15 cm ߩࠬ࡝࠶࠻ࠍ౉ࠇߚߣ߈ߩ
ᔕജಽᏓࠍ࿑ 6 ߦ␜ߔ‫ޕ‬࿑ 6 ߪਅᵹ߆ࠄ⷗ߚ࿑ߢ޽ࠆ߇‫ޔ‬ਛᔃઃㄭߩᔕജ߇✭๺ߐࠇߡ޿ࠆߩ߇ࠊ
߆ࠆ‫ޔߒ߆ߒޕ‬ਅᵹ஥ߩࠬ࡝࠶࠻⚳┵ߢᔕജߪ‫ ⚂ޔ‬60 MPa ߣ㓸ਛߒߡ㜞ߊߥߞߡ߅ࠅ‫⸵ޔ‬ኈᔕജࠍ⿥߃ߡ޿ࠆ‫ߩߎޕ‬㓸ਛߒߡ޿ࠆᔕജߪ‫࠲࡯ࡔ࡝ࠦޔ‬ਛᔃઃㄭ߇ࠬ࡝࠶࠻ࠍਛᔃߦᏀฝߦᒁߞᒛࠄ
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ߢ⸵ኈᔕജએਅߦߥߞߚ‫ޕ‬਄ᵹㇱ 1 ᨎߩ㜞ߐߪ 50 cm ߢ޽ࠅ‫ޔ‬਄ㇱߦߪ᳓಄↪ߩⓣࠍⓨߌߥߊߡߪ
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࿑ 7 ߩ✛ߣ⿒ߩὐߢ޽ࠆ‫ߪ✛ޕ‬ⓣߩ⋥ᓘ߇ 2.0 cm ߢ‫⸵ޔ‬ኈᔕജએਅߦߥࠆᷓߐߪ 30 cm ߣߥࠅ‫ޔ‬⿒ߪ⋥ᓘ߇ 3.0 cm ߢ‫⸵ޔ‬ኈᔕജએਅߦߥࠆᷓߐࠍ 25 cm ߣ㜞ߐߩඨಽ߹ߢዊߐߊߔࠆߎߣ߇ߢ߈
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࿑ 7: ࠬ࡝࠶࠻ߩᷓߐߣᔕജߩ㑐ଥ

−134−

第3章

࿑ 8: ࠬ࡝࠶࠻ࠍ౉ࠇߚ਄ᵹㇱߩᄌ૏ಽᏓ

T1標的とその周辺

࿑ 9: ࠬ࡝࠶࠻ߩᷓߐߣᔕജߩ㑐ଥ ╙ 2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߪ‫ޔ‬T1 ߆ࠄ 4.5 m ਅᵹߩ⌀ⓨ▫ߣ q1B ߣ๭߫ࠇࠆ⏛⍹ߩ㑆ߦ⸳⟎ߐࠇ‫ోޔ‬૕ߩࠨࠗ࠭ߪ‫ޔ‬㜞ߐ 80 cm‫ޔ‬᏷ 50 cm‫ޔ‬ෘߐ 80 cm ߢ޽ࠆ‫ ╙ޕ‬2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߩਛᄩߦߪ‫৻ޔ‬ᰴ㓁ሶࡆ࡯ࡓߩᒻ⁁ߦวࠊߖߡ‫ޔ‬਄ᵹ஥ߢ⋥ᓘ 70 cm‫ޔ‬ਅᵹ஥ߢ⋥ᓘ 82 cm‫ ⋥ုޔ‬6.6 cm ߩ࠹࡯ࡄ࡯ဳߩⓣࠍⓨߌࠆ‫ ╙ޕ‬2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߢ߽᷷ᐲ਄᣹ࠍᛥ߃ࠆߚ߼ߦ᳓಄ࠍⴕ߁߇‫ ╙ޔ‬1 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߣห᭽ߦ‫ࡆޔ‬࡯ࡓ߆ࠄ㔌ࠇߚ಄ළ᳓ߦࠃࠆਛᔃㇱߩ㒰ᾲߩߚ߼‫᧚ߩ࠲࡯ࡔ࡝ࠦޔ‬ᢱߣߒߡᾲવዉ₸ߩ⦟޿ή㉄⚛
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10 ߪ਄ᵹ஥߆ࠄ⷗ߚ᷷ᐲಽᏓߢ‫ޔ‬਄ᵹㇱߩਛᔃઃㄭߩ᷷ᐲߪ⚂ 95 ͠ߣߥߞߚ‫ޕ‬಄ළ᧦ઙߪ‫╙ޔ‬㧝ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߣหߓߊ๟࿐ࠍ 2000 W/m2K ߢ᳓಄ߒߡ޿ࠆ߇‫ޔ‬ਛᔃㇱߣ᳓಄㕙߇ㄭ޿ߚ߼᷷ᐲ߇ૐߊ
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޿ߩ߇ේ࿃ߣផቯߐࠇࠆ‫⸃ޕ‬᳿╷ߣߒߡߪ‫⸵ޔ‬ኈᔕജ߇㜞޿㌃ว㊄ࠍ↪޿ࠆߎߣ߇਄ߍࠄࠇࠆ‫ޕ‬ᰴߦ‫ޔ‬ή㉄⚛㌃ࠃࠅ߽ᾲવዉ₸ߩૐ޿‛⾰ࠍ↪޿ߡ᷷ᐲ൨㈩ࠍᕆߦߒ‫ޔ‬᷷ᐲߩ㜞޿ㇱಽࠍਛᔃߦᜬߞ
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✭๺ߢ߈ࠆ‫৻ޔߚ߹ޕ‬ᰴ㓁ሶࡆ࡯ࡓࠍㅢߔⓣߩ਄ᵹ஥ߩᓘࠍᐢߍߡ‫⊒ޔ‬ᾲಽᏓࠍࠦ࡝ࡔ࡯࠲ో૕ߦ
ᐢߍߡ‫ޔ‬᷷ᐲ൨㈩ࠍ✭߿߆ߦߔࠆߎߣߢߎߩᔕജࠍ✭๺ߢ߈ࠆ‫⸃ࠆߥᦝޔࠃߖߦࠇߕ޿ޕ‬ᨆ߇ᔅⷐߢ޽ࠆ‫ޕ‬

−135−

3.3

コリメータ

࿑ 10: ╙ 2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߩ᷷ᐲಽᏓ

࿑ 11: ╙ 2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߩᄌ૏ಽᏓ

࿑ 12: ╙ 2 ࠦ࡝ࡔ࡯࠲ߩᔕജಽᏓ

࿑ 13: ᔕജಽᏓߩᢿ㕙࿑

−136−

第3章

T1標的とその周辺

MIC coils
to outside of
vacuum chamber

aluminum chamber

図 2: NMR とホール素子の入ったアルミニウム
容器の写真。

図 1: 真空運転試験用電磁石の写真。

3.4

真空中での電磁石励磁試験

真空箱方式の最大のポイントは磁石を全て真空中に入れることであるが、1000 A 以上の大電流を流す電磁石を真空中で安定に動作させることができるかどうか、実際に励磁試験を行った。

3.4.1

直接水冷型 MIC コイル

直接水冷型 MIC コイルの真空励磁については、前回の第 2 次中間報告書 [1] において、4D212MIC型電磁石 (図 1) を用いた試験の途中結果を報告した。その中で、真空中での温度上昇については問題ないことが確かめられたが、真空中で励磁した時の磁場強度が大気中で励磁した時よりも約 1 % 低くなるという現象が解決できていなかった。これは、磁場を測定するのに、ホール
素子を磁極に固定して行っていたため、真空中でホール素子の温度が上昇して、測定値に誤差が生じたのが原因であった。
そこで、磁極間に収まるアルミ容器を用意して、その内部と真空容器の外とをフレキシブル
チューブでつなげた。(図 2) つまり、磁石自身は真空内にあるが、磁極と磁極の間だけ外の大気とつながっている、という状態にした。そして、そのアルミ容器の中に NMR プローブとホール素子を設置して磁場強度を測定した。その結果が図 3 である。真空中で励磁した場合と大気中での場合とで、磁場強度は電源の精度以内で一致している。また、少しずつ真空度を悪くしながら磁場を測定したところ、前述の真空度 0.3 Pa から大気圧まで、どの真空度でも磁場強度に変化がないことが確かめられた [2]。

−137−

field diff (mT)

真空中での電磁石励磁試験

field (mT)

3.4

1400
1200
1000
800

2
1.5
1
0.5
0

600

-0.5

400

-1

200

-1.5

0

0

1000

2000

-2

3000

current (A)

0

1000

2000

3000

current (A)図 3: NMR で測定した真空運転での中心磁場強度 (左) 及び真空運転と大気運転との磁場強度の違い (右)。
SUS

MIC

MIC
MIC

MgO

図 4: MIC の断面図。
図 5: 間接水冷型 MIC コイルの断面図。

3.4.2

間接水冷型 MIC コイル

超耐放射線電磁石コイルとして我々は MIC コイルを開発してきたが、これまで実用化された
MIC コイルは、主に中空 MIC を用いたものである。これは、図 4 右にあるような、中央に冷却水の流れる穴の開いた MIC である。しかし、この中空 MIC を使ったコイルでは、導体の中を流れる冷却水を電気回路から分離するためにセラミック絶縁チューブが必要となる。このセラミックチューブは、強度的に弱く水漏れのリスクが高い上、内部に腐食物が堆積して絶縁性能が悪くなる危険性もあり、MIC コイルの最大の弱点となっていた。
そこで我々は、標的直下流という最も放射線の厳しい環境に置かれる電磁石に対しては、中実型の MIC を用いた間接水冷型のコイルを使用する。この MIC は、図 4 左のように内部に穴のない構造をしており、導体内に直接水を流して冷却することができない。そのため、この中実 MIC を用いたコイルでは、別の冷却水配管を用意して MIC のジュール熱を取り除くことになる。具体的には、図 5 のように、水配管の層と MIC の層を交互に SUS ケース内に積み、最後にケース内を半田で充填することにより、導体から水への熱伝達を行う。この構造のおかげで、電気回路と冷却水路がはじめから完全に分離されるので、中空 MIC コイルの弱点だった
セラミック絶縁チューブが不要となり、最高の耐久性が実現される。特に、今回の用途のよう

−138−

第3章

T1標的とその周辺

MIC

図 7: テストコイル端末部の模式図。簡単のため冷却水配管は省略した。
図 6: テストコイルの写真。
に真空中に置かれる場合、真空への冷却水導入部からコイル中まで全て 1 本の継ぎ目なし SUS
チューブで製作することが可能になるので、真空中での水漏れの危険性を極限的に小さくできる点で有利となる。また、除熱性能に支障のない範囲で水配管のターン数を減らすことで、トリチウムの生成量を減らすことも可能となる。

A. 小型テストコイル
しかし、間接水冷型コイルには、除熱効率が悪いという問題がある。特に、空気への放熱がない真空中ではそれが深刻となる。半田で充填されるコイル内部は水冷されるので問題ないとしても、半田に埋められない導体接続部は熱の逃げ場がなく高温になってしまうことが懸念された。そこでまず、1000 A 級中実 MIC と φ10 mm の SUS チューブを用いて外径 360 mm 程度の小さなテストコイルを作成し、実際に真空容器内で通電して温度を測定した。
真空中での通電試験を行うためテストコイルをヨークに組み込んだ写真が、図 6 である。ヨークは、前節の直接水冷型コイル試験で使用した 4D212 型磁石のものを使っている。ヨークの上部に見えるのが、?? 節で述べた真空箱モックアップの小蓋で、ここから電力と冷却水を供給する。図 7 は、テストコイルの端末部の模式図である。コイルはダブルパンケーキ 2 個から成り、それらは図のような S 字型のブロックで直列につないだ。また、端末と小蓋のフィードス
ルーの間はブスバーでつないだ。温度測定のため、コイルの SUS 容器の外面やコイル端末、ブスバーなど、各部に熱電対をつけた。

−139−

3.4

真空中での電磁石励磁試験

−140−

第3章

T1標的とその周辺

MIC

図 9: リード部テストサンプルをテストコイルに取り付けた状態。
これを真空箱モックアップの真空容器内に設置し、メカニカルブースターポンプで真空に引いた。到達真空度は 0.3 Pa であった。真空を保持したままコイルに通電した時の、各部の温度を、図 8 に示す。
通電試験は、3.2.7 節で述べた真空箱モックアップで行った。この真空容器にテストコイルを入れ、真空に引きながら通電試験を行った。真空度は約 0.4 Pa であった。
その結果、半田で充填されたコイル部は 35 ◦ C 以下と十分除熱されていることは確認された。
しかし、半田の外に出ている端末の MIC 同士を接続するブスバーが非常に高温になり、大気中
では 1000 A 通電時に 198 ◦ C だったのが、真空中では 700 A 通電するだけで 189 ◦ C まで上昇してしまった。

B. リード線テストサンプル
真空中で間接水冷型コイルを運転する場合、コイル自身のジュール発熱だけでなく、フィー
ドスルーからコイルまでリード線の発熱も問題となる。コイルからセラミック絶縁チューブを取り除くことが間接水冷型コイルを採用する最大の理由であるので、リード部についても、水

−141−

3.4

真空中での電磁石励磁試験

表 1: リード線テストサンプルの途中に設けた MIC 接続部の温度測定結果。
輻射冷却板
電流

あり
960 A

なし
1000 A

銅条巻きリード線
半田充填リード線
入水温

204 ◦ C162 ◦ C25 ◦ C171 ◦ C144 ◦ C26 ◦ Cと電気が完全に分離した間接水冷とする必要がある。そこで我々は、そのようなリード線のテ
ストサンプルを製作し、前述したテストコイルにつなげて通電試験を行った。
リード線テストサンプルは 2 種類用意した。一つは中実 MIC と SUS チューブとを隣接させて銅条で巻いたもの、もう一つは中実 MIC と SUS チューブを型枠に入れてコイル部と同様に半田で充填したものである。使用した MIC と SUS チューブのサイズは、どちらもテストコイ
ルのものと同じである。真空中で 1000 A 通電した結果、水温 26 ◦ C に対し、銅条巻きリード
線は 62 ◦ C、半田充填リード線は 36 ◦ C であった。熱伝達効率の点では半田充填型が勝っているが、製作が容易な銅条巻き型でも十分実用になると考えられる。
このテストサンプルでは、リード部の冷却方法の試験と同時に、先のテストコイルの試験で課題として残された MIC 接続部の冷却方法の試験も行った。そのために、それぞれのリード線
サンプルの途中に MIC 接続部を設けた。テストコイルの接続部と比べた改良点は、水冷管とMIC とが離れる部分の長さをできる限り短くしたこと、そして接続部に表面積の広いブスバー
を用い、その表面を黒く塗って輻射率を上げたことである。通電試験の結果を表 1 に示す。十分実用的な温度で 1000 A まで通電できており、これにより真空中で間接水冷型 MIC コイルを運転する技術的な目処が立った。

C. 実機電磁石用コイル
以上のような R&D の成果を基に、我々は実機 K1.8D1 電磁石用の間接水冷型 MIC コイルを製作した (図 10)。この磁石は K1.8 ビームラインの最上流に位置する C 型偏向磁石で、まさに生成標的 T1 の最も近くに置かれる電磁石である。先のテストコイルと同じ 1000A 級中実 MICとφ 10mm の SUS チューブで作ったパンケーキを板厚 2mm の SUS ケースに収納し、半田充填
後に SUS の蓋を溶接した。MIC は SUS ケースから出てすぐに接続用のブスバーが取り付けられているが、SUS チューブは床から 5m 上の大型真空槽の蓋までつなぎ無しで配管できるのに十分な長さを伸ばしている。
テストコイルの通電試験を行ったのと同じ真空槽モックアップで、この K1.8D1 コイルの通電試験を行った (図 11)。その結果を表 2 に示す。輻射率を上げるための黒塗装を行わない状態
で、真空中で 1000 A 通電時に MIC 接続部の温度が最高 167 ◦ C までに抑えられており、良好な結果が得られているものと判断している。

−142−

第3章

T1標的とその周辺(1) 巻線終了後(2) 半田充填前(3) 半田充填後(4) SUS ケース蓋溶接前
図 10: K1.8D1 コイルの製作

−143−

3.4

真空中での電磁石励磁試験

表 2: K1.8D1 用間接水冷型 MIC コイルの通電試験結果。

(A) 上コイル
雰囲気
黒塗り
電流

MIC つなぎブスバー
MIC シース
SUS ケース
入水温

大気あり
1000 A 1050 A

なし
1000 Aあり
1000 A 1050 A

106.1
72.0
43.1
22.3

166.7
101.8
52.9
24.7

142.2
95.4
53.1
24.5

117.1
78.6
46.3
22.7

真空

158.6
105.6
57.0
24.8

(B) 下コイル
雰囲気
黒塗り
電流

MIC つなぎブスバー
MIC シース
SUS ケース
入水温

大気

真空

1000 Aあり
1050 A 1000 A

1050 A

100.9
64.9
39.3
21.0

111.8
71.1
41.9
21.2

156.9
99.1
60.0
22.2

−144−

142.4
91.3
56.9
22.9

第3章

MIC

T1標的とその周辺

MIC

図 11: K1.8D1 コイルの通電試験のセットアップ。仮ヨークにコイルを組み込み小蓋のフィードスルーとつなげた。

参考文献[1] ”第 2 次中間報告書”, 田中万博, 他, KEK Internal 2004-3 (2004).
[2] H. Takahashi, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.16 No.2 (2006) 1346-1349.

−145−

3.4

真空中での電磁石励磁試験

−146−

第4章

ビームダンプ╙4┨ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊ
4.1 ో૕᭴ㅧ ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊߪࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩᦨ⚳┵ߦ޽ࠅ‫ޔ‬ታ㛎ߢ૶↪ߐࠇߥ߆ߞߚࡆ࡯ࡓߥߤࠍๆ෼ߔࠆߚ
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18m

17m⒖⸳น䭺䮺䭶䮱䯃䮏㋕㌃ၒ䭐ㄟ䭎䭺䮺䭶䮱䯃䮏

18.6m

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F.L.-0.5m ߦࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊቶᐥ߇޽ࠆ‫ޕ‬

−147−

4.2

熱計算

4.2

熱計算

本節ではビームダンプの熱計算を行なう。まず、MARS を用いてエネルギーデポジット分布を求め、その分布を元にして ANSYS を用いて定常熱計算を行なった。前回の中間報告書においては、無酸素銅製ダンプコアにテーパー穴を設けることで、最高温度を 230 度 C まで抑えることができた。ちなみに、この時の計算条件は、• ダンプの形状としては、奥行き 6 m、幅 3 m、高さ 2 m の銅ブロック。
• テーパー穴は、30 cmφ、奥行き 5 m。
• ビームは 50 GeV 15 µA• 熱伝達係数は 600 W/m2 /K

図 1: テーパー形状を変更した場合の ANSYS 熱解析結果。銅コアの深さは 6 m、テーパー入口径は 300
mmφ、熱伝達係数は 600 W/m2 /K。左上図: 通常の円錐形の場合。右上図: 1 回折れ曲がった円錐の場合。形状は 1 m 深さで 200 mmφ になるもの。下図: 2 回折れ曲がった円錐の場合。形状は 1 m 深さで227 mmφ に、2.4 m 深さで 143 mmφ になるもの。

−148−

第4章

ビームダンプであった。しかし、銅の軟化温度が 200 度 C 程度であるため、もう少し温度を下げた方が望ましい。よって、温度をもう少し下げられるかどうかを追求し、またビームの変動に対してどの程度許容度があるかを評価する。
温度を下げる方法としては、

1. ビーム径を広げる。
2. 銅の枚数を増やしてテーパーを浅くする。
3. テーパー形状を工夫する。
などが考えられる。このうち、方法 1 はビームを広げるために四重極磁石を増強する必要があり、方法 2 は銅の追加購入および加工が必要になる。よって、まず最初に方法 3 を追求する。

4.2.1

コーン穴形状の最適化

テーパー形状の最適化
前回の中間報告書にある通り、単純なコーン状の形状の穴をあけた場合、入口から 3.5 m あたりに熱が集中する。よって、テーパーの形状を工夫することで熱を分散し、最高温度を下げられる可能性がある。理想的にはビームの形状に応じてテーパーを曲線的に加工するのがよい
が、実際には技術的にも加工賃的にも難しい。よって、折れ曲がった円錐状のテーパーに対して計算する。図 1 にその計算結果を示す。テーパーの折れ曲がり回数を増やす程、今回仮定したビーム形状 (ガウシアン) にフィットして最高温度が下がっていくことが分かる。
しかし、実際のビームはガウシアンとは限らず、またガウシアンビームにあわせた構造にすると、ビームの変動に対して弱くなると考えられるので、単純な直線的なテーパーにすることにする。

図 2: 熱伝達系数を変更した場合の ANSYS 熱解析結果。左が 600 W/m2 /K の場合、右が 1000 W/m2 /Kの場合である。

熱伝達係数の影響

−149−

熱計算

次に熱伝達係数を変えた場合にどうなるかを評価する。図 2 にその結果を示す。熱伝達係数
を 600 W/m2 /K から 1000 W/m2 /K に変更することで、約 10 度 C 程度温度が下がることが分かる。前回の中間報告書にもあるように、1000 W/m2 /K 近辺の熱伝達係数を達成できる見通しであるので、以降は 1000 W/m2 /K で計算することにする。
280
Maximum temperature (Centigrade)

4.2

Dump core
Dump iron

260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
525

530

535

540

545 550 555
Taper depth (cm)

560

565

570

図 3: テーパーの深さを変更した場合の ANSYS 熱解析結果。横軸がテーパーの深さ、縦軸が最高温度となっている。赤線が銅コアの最高温度、緑線が銅コア後ろに設置される鉄シールドの最高温度を示す。
ちなみに、鉄シールドは空冷のみである。
コーン穴深さの最適化
続いてコーン穴深さの最適化を行なう。図 3 にその結果を示す。コーン穴を深くすると、テーパー角度が浅くなってゆるやかに温度が下がることが分かる。それに対して、銅コア後方の鉄シールドの温度は急上昇することがわかる。現状では、初期コストを抑える目的と、水漏れなどによるメンテナンスを避けるために、鉄シールドを水冷する予定はない。よって、鉄シール
ドの側面の温度が 100 度 C を越えないぐらいの、550 cm ぐらいの深さが適当であると考えられる。換言すれば、銅コアのエンドから 50 cm までの円錐状の穴を開けるのが最適であると言える。
コーン穴入口径の最適化
最後にコーン穴入口径の最適化を行なう。図 4 がその結果である。300 mm φの場合は入口部の最高温度と内部の最高温度が同じぐらいであり、径を大きくしていくと、入口部の温度が下がり、内部の温度が上がる。単純に最高温度を下げるためには、入口径を 305 mmφ にするのがベストである。しかし、内部の温度の上昇は緩やかなのに対して入口部の温度下降は急速であることを考えると、入口径をある程度大きくした方がよい。また、ビームのずれに対する耐性を高めるためにも入口径を大きくする意義がある。よって、入口径を 350 mmφ に決定した。

−150−

第4章

ビームダンプ

Dump Entrance
Dump Penetralia

240
220
Degrees Celsius

200
180
160
140
120
100
80
300

310

320

330
340
Diameter (mm)

350

360

図 4: テーパーの入口直径を変更した場合の ANSYS 熱解析結果。横軸がテーパー入口直径、縦軸が銅コアの最高温度である。赤線がビームダンプ入口の最高温度、緑線がビームダンプ奥の最高温度である。

4.2.2

ビームに対する安定性について

前節で最適化されたテーパー形状で、どの程度ビームに対する安定性があるかを評価する。
ビームの変化としては、ビームサイズの変化と、ビーム位置の変化の二通りが考えられる。ビー
ムサイズに関しては、これ以上サイズを大きくするには定格以上の電流を Q 磁石に流さないといけないので、サイズが小さくなる場合を考えれば良い。サイズが小さくなる場合には、コー
ン状穴の奥に熱量が集中することになる。
ビーム位置が変化した場合の影響を評価したのが図 5 である。予想どおり、ビーム位置が中心からずれるに従ってビームダンプ入口温度が急上昇し、ビームダンプコーン穴奥の温度が緩やかに減少することが分かる。銅コア後方の鉄シールドの温度は、問題ない状態に保たれることも分かる。200 度 C 程度以下に銅温度を抑えるためには、ビームのずれが 6 cm 以内である必要があることが分かる。

4.2.3

温度モニター設置位置について

この節では、異常なビーム状態の場合の温度分布を参考にすることで最低限設置する必要のある温度モニターの位置について評価する。図 6 に、それぞれのビーム状態に対応する温度分
布の計算結果を示す。
左上図は、ビーム幅が広がった場合の温度分布を示している。予想どおり入口近辺の温度が急上昇するのが分かる。前節で述べた通り、あまりこのような状態になることは考えられない
ため、とくに対策をする必要はないと思われる。

−151−

熱計算

300

Dump Entrance
Dump Penetralia
Fe

250
Degrees Celsius

4.2

200

150

100

50
0

1

2

3
4
5
Beam Displacement (cm)

6

7

8

図 5: ビームを振った場合の ANSYS 熱解析結果。横軸がビームのずれで、縦軸が最高温度である。赤線
がビームダンプ入口の最高温度、緑線がビームダンプ奥の最高温度、青線がビームダンプ後方の鉄シー
ルドの最高温度である。

右上図は、ビームが 8 cm 左にずれた場合の温度分布を示している。同様に入口部に熱量が集中するのが分かる。ここで注目すべき点として、冷却水配管が通っている部分の温度の変化が挙げられる。図を見ると、コーン入口の一点に熱が集中し危険な温度になっているにも関わらず、冷却水配管近辺の温度上昇はせいぜい 10 度程度で、左右のバランスもあまり顕著にはずれていないことが分かる。よって、配管部ではなく、できる限りビームダンプコーン穴入口に近い部分に温度計を設置してモニターする必要がある。
下図は、ビームが狭くなった場合を模擬した温度分布を示している。重要な点は、最高温度に達する銅板の冷却水部分の温度が 100 度近辺まで上昇していることである。よって、配管部
分の温度をモニターすることで、このようなビームの異常を検知することができる。そもそも
ビームダンプ加工の手間と工賃増を考えると中心部に温度計を設置することは難しいため、周辺部のみをモニターすることになる。
最後にインターロックについて述べる。ビームのずれに対しては入口近辺の温度計、もしくはビームダンプ入口に設置するビームモニターの出力が sensitive であると考えられる。また、
ビームサイズ変化に関しては、配管部の温度計、もしくはビームモニターの出力が sensitive だと考えられる。ここで、ビームモニターの情報はビーム状態という間接情報しかなく、ビーム
ダンプがどれほど危険であるかという直接情報を含んでいないことに留意する必要がある。温度測定によって得られた温度分布の情報を用いることで、ビームモニターの閾値設定を決定することができると考えられる。よって、ダンプ側面および前面に温度計をいくつか設置しておくことは重要である。

−152−

第4章

ビームダンプ

図 6: 異常なビーム条件の場合の、ビームダンプの熱分布の ANSYS 計算結果。左上: ビームの幅が 4/3倍になった場合。右上: 8 cm ビームが左にずれた場合。下: ビームの幅が狭くなって、コア内部に発熱が集中した場合。

−153−

4.3

応力計算

4.3 ᔕജ⸘▚ ή㉄⚛㌃ߩ૕Ⓧߩᄌᦝᓟ‫ޔ‬ᾲ⸘▚ࠍⴕߞߚ‫ߕ߹ޕ‬ᾲ⸘▚ߦ↪޿ߚή㉄⚛㌃ߪ 2000x2000x5000mmߢ‫ޔ‬2000x1000x250mm ߩෘ᧼⁁ߩή㉄⚛㌃ߢ᭴ᚑߐࠇ‫ߪߦߒ߁ߤ᧼ߩࠇߙࠇߘߩߎޔ‬ᾲធ⸅߇ߥ
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5mm ਄߇ࠆߚ߼‫ߩߘޔ‬਄ㇱߦ޽ࠆㆤ⭁㋕࡮ࠦࡦࠢ࡝࡯࠻߽ห᭽ߦ਄᣹ߒߡ޿ࠆ‫ߩߘޕ‬ᄌ૏ߩߚ߼
ߦή㉄⚛㌃਄┵ㇱߣㆤ⭁㋕߇ធ⸅ߒߡ޿ࠆ߇‫ޔ‬ㆤ⭁㋕ߣࠦࡦࠢ࡝࡯࠻ߩᦨᄢᔕജߪᢙ MPa ߥߩߢ໧㗴ߪή޿ߣᕁࠊࠇࠆ‫ޕ‬

1000mmTmax㧦271͠

1000mmCu:5000mm

Fe:3000mm[͠]Concrete

Cu
Fe

850mm

2000mm

500mm

4000mm
[Pa]

−154−

第4章

−155−

ビームダンプ冷却試験

4.4 ಄ළ⹜㛎೨࿁ߩਛ㑆߹ߣ߼ߢႎ๔ߒߚࡊ࡟࡯࠻ဳ
㧔1000x200x50mm㧕
ߩή㉄⚛㌃ߢߎࠇ߹ߢ⹜㛎ߒߚ߇‫ޔ‬ታᯏࠨࠗ࠭ߩή㉄⚛㌃⴫㕙ߢߩ㒰ᾲ⢻ജߩ⏕⹺ߩߚ߼‫ޔ‬1400x1000x200mm ߩή㉄⚛㌃㧔ታᯏߪ
2000x1000x250mm㧕ߦ BTA ടᎿߣ๭߫ࠇࠆᷓⓣടᎿߒ‫ࠍࠇߘޔ‬᳓〝ߣߒߚⵝ⟎ࠍ⵾૞‫⹜ޔ‬㛎ࠍⴕߞߚ‫ޕ‬

4.4.1 ⹜㛎ⵝ⟎ ੹࿁⵾૞ߒߚⵝ⟎ࠍ࿑ 1 ߦ␜ߔ‫ޕ‬ኸᴺߪ 1400x1000x200mm ߢ‫⾰ޔ‬㊂ߪ⚂ 2.5ton ߢ޽ࠆ‫ߩߎޕ‬ࡕ࠶ࠢࠕ࠶ࡊߦߪ BTA ടᎿߢᷓሹࠍ㐿ߌߡ߅ࠅ‫ߍߥߟࠍࠄࠇߘޔ‬಄ළ᳓⚻〝ߣߒߡ޿ࠆ‫ߚ߹ޕ‬㈩▤߇⎕៊ߒߚᤨࠍ⠨߃ߡ‫ޔ‬2 ♽⛔ߩ಄ළ᳓⚻〝ࠍᜬߟ‫ޕ‬

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Ch48

Ch8

4
Ch1
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Ch8
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4.4

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ch50㧦಄ළ᳓౉ญ᷷ᐲ‫ޔ‬ch51,52㧦಄ළ᳓಴ญ᷷ᐲ㧕ࠍ↪޿ߚ‫ޕ‬Ch1 ߪࡅ࡯࠲ߣ಄ළ᳓ߩ㑆ߦߪߥ޿ߚ߼‫ޔ‬ή㉄⚛㌃⴫㕙ߩᦨ㜞᷷ᐲߪ ch1 ࠍ㒰޿ߚ୯ࠍណ↪ߒߚ‫ޕ‬ ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊߪࠛࡀ࡞ࠡ࡯ነਈߦࠃߞߡ⊒ᾲߔࠆ߇‫ࠅࠃߦࡦ࡚ࠪ࡯࡟ࡘࡒࠪޔ‬ਛᔃㇱߢߪή㉄⚛
㌃᧼ߩ㕙Ⓧ߇ 1000x1000mm ߢෘߐࠍᄌൻߐߖߚᤨߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ነਈࠍ⴫ 2 ߦ␜ߔ‫ޕ‬
⴫ 2 ⊒ᾲ㊂
ෘߐ[mm] ⊒ᾲ㊂[kW]
170
8.0
200
9.4
250
11.7

−156−

第4章

ビームダンプ

4.4.2 ಄ළ᳓߇ 2 ♽⛔ᵹࠇߡ޿ࠆᤨ ࠳ࡦࡊߩ಄ළ᳓ߪㅢᏱ 2 ♽⛔ᵹߔߎߣࠍ੍ቯߒߡ߅ࠅ‫ޔ‬಄ළ᳓ߪ⚻〝߇㐳ߊߥࠆߣ⥄りߩ᷷ᐲ߇㜞ߊߥࠅ‫ޔ‬หᣇะߦᵹߔߣ৻ᣇߩή㉄⚛㌃᷷ᐲ߇਄᣹ߔࠆߚ߼‫ޔ‬ኻะߦᵹߔߎߣߣߔࠆ‫ޕ‬಄ළ᳓ࠍᵹߒ‫ޔ‬ή㉄⚛㌃᷷ᐲߣ಄ළ᳓᷷߇߶ߣࠎߤหߓߦߥߞߚᓟ‫ߩ࠲࡯ࡅޔ‬㔚Ḯࠍ౉ࠇ‫ޔ‬㘻๺ߒߚᤨߦ㔚Ḯࠍಾߞߚ‫⹜ޕ‬㛎ߢߪᵹ㊂߇ 10,15l/min‫౉ޔ‬ജᾲ㊂ߪ 9,13kW ߦ⸳ቯߒߚ‫ޕ‬ ࿑ 3 ࠃࠅ‫ޔ‬ᵹ㊂߇ 10l/min ߩᤨᦨ㜞᷷ᐲߪ 191.3͠ߦߥߞߚ߇‫ޔ‬ᵹ㊂ࠍ 15l/min ߦჇടߒߡ߽‫ޔ‬
᷷ᐲߪ 5K ߒ߆ૐਅߒߥ߆ߞߚߚ߼‫ޔ‬ᵹ㊂ߦߪ޽߹ࠅଐሽߒߥ޿ߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ‫ޕ‬಄ළ᳓಴౉ญ᷷
ᐲᏅߪᦨ߽ㆊ㉃ߥ b)ߢ߽ᦨᄢߢ 10K ߛߞߚ‫ޕ‬ታᯏߢߪߎߩ⚻〝ߩ⚂ 2 ୚ߢ޽ࠅ‫ޔ‬න⚐⸘▚ߢ 20K
ߣߥࠅ‫߃଀ޔ‬಄ළ᳓౉ญ᳓᷷߇ 40͠ߦߥߞߚߣߒߡ߽‫ޔ‬಴ญߢߪ 60͠ߦᛥ߃ࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ޕ‬಄ළ᳓ in

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250
ch1
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout1
Waterout2

200

[͠]

100

1000mm

150

Out1

50
0
0

10000

20000

30000

[sec]

1400mma) 10l/min‫ޔ‬9.4kW

250
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout1
Waterout2

200

[͠]

150
100
50
0
0

10000

20000

30000

[sec]

b) 10l/min‫ޔ‬13.3kW

250
ch1
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout1
Waterout2

200

[͠]

150
100
50
0
0

10000

20000

[sec]

30000

c) 15l/min‫ޔ‬13.2kW
࿑ 3 2 ♽⛔࠹ࠬ࠻⚿ᨐ

−157−

᳇᷷

冷却試験

4.4.3 ಄ළ᳓߇ 1 ♽⛔ߩߺᵹࠇߡ޿ࠆᤨ ߎߩࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊߪ 30 ᐕ㑆ㆇォߔࠆߎߣࠍ⋡ᮡߦ⸳⸘ߐࠇߡ߅ࠅ‫৻ਁޔ‬㈩▤ߦ᡿㓚߇޽ࠅ‫ޔ‬᳓ṳࠇߥߤ߇⿠ߎߞߚ႐ว‫߇ࡦࠗ࡜ࡓ࡯ࡆޔ‬᡼኿✢㔓࿐᳇ߢ޽ࠆߚ߼‫ࡊࡦ࠳ࡓ࡯ࡆޔ‬ㄭறߢ⵬ୃ૞ᬺ
ߪᤨ㑆⊛ߦ㒢ࠄࠇࠆ‫߼ߚߩߘޕ‬㈩▤ߩ಴౉ญߦߪࡃ࡞ࡉ߇⸳⟎ߒ‫ޔ‬᳓ṳࠇ߇޽ߞߚ▎ᚲߩߺ಄ළ᳓
ߩᵹ౉ࠍ㒐ߋߎߣߦߒߚ‫⹜߼ߚߩߎޕ‬㛎ߣߒߡ‫ޔ‬಄ළ᳓ࠍ 1 ♽⛔ߩߺߦᵹߒ‫ઁޔ‬ᣇߪ಄ළ᳓߇ߥ޿
⁁ᘒߢ‫ޔ‬಄ළലᨐࠍⷰኤߒߚ‫ޕ‬ ᵹ㊂ࠍ 10,15l/min ߦߒ‫ޔ‬ᾲ㊂ࠍ⚂ 9‫ޔ‬12kW ߩ᧦ઙߢ⹜㛎ࠍⴕߞߚ‫ޕ‬࿑ 4 ߪ᷷ᐲߩᄌൻߣ㘻๺ᤨߩ᷷ᐲಽᏓߣ᧦ઙࠍ␜ߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬⚿ᨐࠃࠅ 10l/min ߩᤨߦ 198͠ߦߥߞߚ߇‫ޔ‬
2 ♽⛔ߣᲧߴࠆߣ 10K
ߩᏅߢ޽ࠅ 1 ♽⛔ߢචಽኻᔕߢ߈ࠆߎߣ߇ࠊ߆ࠆ‫ߚ߹ޕ‬᳓಴౉ญ᷷ᐲᏅ߽ b)ߩᤨ 16.7K ߢ޽ࠅታᯏ
ߢߪ⚂ 35K ߩ᳓᷷ߩ਄᣹߇⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬
250
ch1
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout

200

[͠]

150
100
50
0
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10000

20000

30000

a) 9.8l/min‫ޔ‬8.47kW

[sec]
250

ch1
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout

200

[͠]

150
100
50
0
0

10000

20000

[sec]

30000

b) 10l/min‫ޔ‬11.6kW

250
ch1
ch9
ch17
ch25
ch33
ch41
WaterinWaterout1

200
150

[͠]

4.4

100
50
0
0

10000

20000

30000

[sec]

c) 14.9l/min‫ޔ‬11.6kW
࿑ 4 1 ♽⛔࠹ࠬ࠻⚿ᨐ

−158−

第4章

ビームダンプ4.4.4 ࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦߣߩᲧセ ਄⸥ߢⴕߞߚ⹜㛎ߣߘࠇߣห╬ߥ᧦ઙߩ᦭㒢ⷐ⚛ᴺߩࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦࠍ↪޿Ყセߒߚ‫ࡘࡒࠪޕ‬࡟࡯࡚ࠪࡦߩ᧦ઙߪή㉄⚛㌃ࠨࠗ࠭߇ 1000x1000x200mm‫࡯ࠡ࡞ࡀࠛޔ‬ነਈߪ 9.4kW‫ޔ‬ᾲવ㆐ଥᢙ߇஥㕙ࠍ 500W/m2/K ߢ⴫㕙ߣⵣ㕙ࠍᢿᾲߢⴕߞߚ‫⹜ޕ‬㛎ߣࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦߩ㆑޿ߪ‫ޔ‬ή㉄⚛
㌃ߩࠨࠗ࠭‫ޔ‬಄ළ᳓᷷㧔⹜㛎ߢߪ⚂ 20 ᐲ‫ ߪࡦ࡚ࠪ࡯࡟ࡘࡒࠪޔ‬30͠㧕ߥߤߢ޽ࠆ‫ޕ‬ ⚿ᨐࠃࠅ⹜㛎ߩᣇ߇ 50㨪100K ૐ޿୯ࠍߣߞߚ‫ߪࠇߎޕ‬಄ළⵝ⟎ߩᾲવ㆐ଥᢙࠍㆊዊ⹏ଔߒߡ޿
ߚߣᕁࠊࠇࠆ‫ߪߢࡦ࡚ࠪ࡯࡟ࡘࡒࠪޕ‬಄ළ㕙એᄖߪᢿᾲߣߒ‫⹜ޔ‬㛎ߢߪᄢ᳇⸃᡼ߣߒߡ޿ࠆᓇ㗀߇⠨߃ࠄࠇࠆ߇‫ޔ‬ᄢ᳇⸃᡼ߦߒߚߣ߈ߩᾲવ㆐ଥᢙߪ⥄ὼኻᵹᾲવ㆐ߩᑼࠃࠅ 2.3W/m2/K ߢ޽ࠅ‫ޔ‬ᵹ಴ߒߚᾲ㊂ߪ 2.3[W/m2/K]x(1.4x1.0)[m2]x2=6.44[W/K]ߣߥࠅ‫ޔ‬᷷ᐲᏅ߇ 100[K]ߛߣߒߡ߽
644[W]ⓨ᳇ߦㅏߍߚߎߣߦߥࠅ‫ߩߘޔ‬ᓇ㗀ߪዋߥ޿ߎߣ߇ࠊ߆ࠆ‫ޕ‬
200mm
2000mm

1000mmMax:257͠࿑ 5 ࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦ㧔9.4kW‫ޔ‬1000W/m2/K㧕

1000mm

1400mmMax:198͠

Max:153͠a) 1 ♽⛔‫ޔ‬8.5kW‫ޔ‬9.8l/minb) 1 ♽⛔‫ޔ‬11.6kW‫ޔ‬10l/min࿑ 6 ⹜㛎⚿ᨐ

−159−

4.4

冷却試験

4.4.5 ࡆ࡯ࡓ߇࠳࠙ࡦߒߚᤨ
߽ߒടㅦེㆇォਛߦ಄ළ᳓ࡐࡦࡊ߇ᱛ߹ࠅ‫ޔ‬㈩᳓ߢ߈ߥߊߥߞߚᤨߦߪ‫ࠍࡓ࡯ࡆߦߋߔޔ‬ᱛ߼‫ޔ‬ή㉄⚛㌃ㇱಽߩ᷷ᐲߪో૕⊛ߦಽᢔߐࠇࠆ‫⁁ߩߎޕ‬ᴫߢߩή㉄⚛㌃߿಄ළ᳓᷷ᐲ߇ߤ߁ߥࠆ߆⹜㛎ߒߚ‫⹜ޕ‬㛎ߢߪ಄ළ᳓ࠍ 2 ♽⛔ߢᵹ㊂ 10l/min ᵹߒ‫ߩ࠲࡯ࡅޔ‬ᾲ౉ജࠍ 11.3kW ߢ‫ޔ‬᷷ᐲ߇ᐔⴧ⁁ᘒߦߥߞߚߩࠍ⏕⹺ߒ‫࠲࡯ࡅޔ‬㔚Ḯߣ಄ළ᳓ࠍหᤨߦ OFF ߦߒߚ‫ޕ‬ ⚿ᨐࠍ࿑ߦ␜ߔ‫ޕ‬㘻๺ᓟߪ᷷ᐲ߇৻᭽ߦߥߞߚ߇‫ޔ‬಄ළ᳓ㄭறߩή㉄⚛㌃᷷ᐲ߇ 100͠ࠍ⿥߃ߕ
ᦨ㜞ߢ߽ 60͠ߛߞߚߚ߼‫ޔ‬಄ළ᳓ߪᴣ㛛ߒߡ޿ߥ޿ߣᕁࠊࠇ‫ޔ‬಄ළ᳓߇ᱛ߹ߞߡ߽ࡆ࡯ࡓࠍᱛ߼ࠇ
߫ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊߦߪኂ߇ߥ޿ߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ‫࠲࡯ࡅߚ߹ޕ‬ㄭற߆ࠄ಄ළ᳓ㄭறߩή㉄⚛㌃᷷ᐲ߇⚂10͠ߩ᏷ࠍᜬߜ‫ޔ‬಄ළߐࠇߡ޿ߞߚ‫ޕ‬
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[sec]

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࿑ 7 ⹜㛎⚿ᨐ㘻๺ᤨߩ᷷ᐲಽᏓࠍ␜ߔ‫ޕ‬㘻๺ߒ‫࠲࡯ࡅޔ‬㔚Ḯߣ಄ළ᳓ࡐࡦࡊࠍ౒ߦ OFF ߦߒߡ 5,10,15,30,60
ಽᓟߩ᷷ᐲಽᏓࠍ␜ߔ‫ޕ‬30 ಽᓟߦߪ㌃⴫㕙᷷ᐲߪဋ৻ߦߥߞߚߎߣ߇ࠊ߆ࠆ‫ޕ‬
㘻๺

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10 ಽᓟ

15 ಽᓟ

30 ಽᓟ

60 ಽᓟ

࿑ 8 ⹜㛎⚻ㆊ

−160−

第4章

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−161−

4.4

冷却試験

−162−

第5章

設備関係

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−163−

5.1

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−164−

第5章

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−165−

設備関係

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−166−

第5章

設備関係

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−167−

5.1

クレーン構造࿑ 3㧦៝౉᫟ࠢ࡟࡯ࡦߩ⚵┙࿑

−168−

第5章

設備関係

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⸵ኈㆊ⽶⩄㧦150%R.L.

−169−

5.1

クレーン構造㒢⇇ㆊ⽶⩄ 500%R.L.

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−170−

第5章

設備関係

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−171−

5.1

クレーン構造࿑ 4㧦ࡂ࠼ࡠࡦࡎ࡯࡞ࠢ࡟࡯ࡦߩ⚵┙࿑‫ޕ‬

−172−

第5章

設備関係

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−173−

5.2

冷却水配管

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−174−

第5章

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−175−

設備関係

5.3

遮蔽体構造

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−176−

第5章

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࿑ 4㧦SD ඙↹ߩᣉᎿ⸘↹࿑‫ޕ‬

−177−

設備関係

5.3

遮蔽体構造

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࿑ 4㧦SD ඙↹ߩᣉᎿ⸘↹࿑‫ޕ‬

−178−

第5章

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−179−

設備関係

5.3

遮蔽体構造

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−180−

第6章

ビームモニタ╙6┨ࡆ࡯ࡓࡕ࠾࠲
6.1 ࡕ࠾࠲㈩⟎࿑㧝߅ࠃ߮㧞ߦࡆ࡯ࡓࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼㧔SY㧕ߣේሶᩭ⚛☸ሶታ㛎ᣉ⸳㧔HD-hall㧕ߩࡆ࡯ࡓ࡜ࠗ
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−181−

6.1

モニタ配置

ฬ೨㩷
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−182−

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HD-hall ࡕ࠾࠲㈩⟎࿑−183−

ビームモニタOTRモニタ

6.2

OTR モニタ

6.2.1

OTR 検出器とはKEK-PS においては、2 次元ビームプロファイルモニターとして、シンチレーション光を利用した蛍光板を利用してきた。同ビームモニターを、J-PARC のようなさらにビーム強度が大きいビームラインに使用すると、蛍光板でのビームロスおよび蛍光板自体の発熱の問題が深刻になる。そこで現在 J-PARC 用の 2 次元ビームプロファイルモニターとして候補に挙がっているのが、OTR 検出器である。
45

OTR intensity

40
35
Arbitrary Unit

6.2

30
25
20
15
10
5
0
-30

-20

-10

0
10
Angle [degree]

2030

図 1: 12 GeV/c の陽子を物質に入射した際に生じる、OTR 光の強度の角度依存性。

図 2: 荷電粒子がスクリーンに垂直に入射した場合 (左図) および斜め 45 度に入射した場合 (右図) の、OTR 光の発光パターン。

OTR(Optical Transition Radiation) 光とは、荷電粒子が誘電率の異なる物質に入射する際に放射される光である。ナイーブには、荷電粒子の鏡像電荷が物質表面に誘起され、電気双極子

−184−

第6章

ビームモニタが対消滅する際に放射される光として理解できる。このように OTR は表面現象であるために、光量は純粋に誘電率、つまり物質の反射率のみに依存する。よって、発光体の物質量を最小限に抑えることができるため、ビームロスを最小限に抑えることができる。
OTR 光の光量の角度分布は、一般に以下の式で表される。

θx2 + θy2
d2 N
2e2
=
dωdΩ
πhcω (γ −2 + θx2 + θy2 )2(1)

ここで、θx 、θy は、OTR 光の放射軸からの角度である。極座標系を採用して、天頂角を θ として強度の角度依存性をプロットしたのが、図 1 である。この図に示されるように、OTR 光
は、放射軸から一定角度 (12 GeV/c の陽子で約 4.5 度) 傾いた方向に、リング状に放射される。
式 1 に示されるように、γ 値が大きい程この角度は小さくなる。電子ビームの場合は光の広がりを無視できる場合が多いが、KEK-PS や J-PARC など中高エネルギーの陽子ビームの場合は無視できず、集光デザインを工夫する必要がある。ただ、等方的に放射されるシンチレーショ
ン光と違って、比較的効率良く集光できることは、OTR 検出器のメリットと言える。
図 2 は、ビームとスクリーンの角度を変えた場合に OTR 光が放射される方向を示している。
図にあるように、斜めに標的を置くことによって、集光システムをビーム垂直方向に設置することができる。これによって、ビーム方向に検出器を置かなくても済み、またビームラインから離れた位置に検出器を置くことが可能になる。

6.2.2

KEK-PS ビームラインにおける OTR 光収量評価

図 3: OTR 検出器の概念図

−185−

6.2

OTRモニタJ-PARC 用の OTR 検出器の R&D のために、KEK-PS ビームラインにおいて OTR 光を検出してその特性を調べるテスト実験を行った。本節では、どの程度の OTR 光の収量が見込まれるかを示す。評価条件は以下の通りである。
• ビーム強度は 3 × 1012 protons/spill とする。
• ビームサイズは σ で 2 cm とする。
• F1.2 で 41.7 mmφ のレンズ (f=50 mm) を利用する。
• レンズと OTR スクリーンの距離を 50 cm とする。
• 窓や光学要素における伝達効率は 100 %とする。
• スクリーンは反射率が高く熱伝導性がよいアルミとする。
• 45 度に傾いた OTR スクリーンを用意する。
• 受光部では、可視光 (350 nm から 800 nm) を同じ効率で検出できるものとする。

図 4: EP2C ビームラインにインストールされた、プロトタイプ OTR 検出器。
式 1 を全立体角で積分して収量を評価すると、8.4×109 photons となる。イメージ増幅器を用いれば問題なく観測できるレベルであるため、光量としては十分であるといえる。
問題になるのは、むしろビームロスに起因するバックグラウンドである。ビームテスト前に
EP1 ビームラインにおいて光電子増倍管を用いて評価したところ、3.5 ×107 となった。2 桁以
上の S/N が確保されていることがわかる。

−186−

第6章

ビームモニタ

図 5: EP2C ビームラインにて観測された OTR 光のイメージ画像。

最後に、被写界深度について評価する。斜めにスクリーンが置かれており、さらに明るいレンズを使用しているため、精密な測定をする場合にはレンズだけ傾けた光学を組む必要がある。
その場合、光軸の調整が必要となるため、そもそもレンズを傾けない場合に人間の眼で判別可
能なほど像がぼやけるかどうかを評価する。上記の F1.2 のレンズを 50 cm 離して利用するとす
ると、焦点距離が被写体までの距離より十分近い近似で、被写界深度は 10.5 mm となる。よって、上記の条件であればプロファイルの大きさの範囲でそれほどぼやけることはなく、レンズを傾ける必要がないことがわかる。
[Intensity][Intensity]

8000

2500

7000

2000

6000

5000
1500

4000

1000

3000

2000
500

1000

0

0

20

40

60

80

100

120

0

[Pixel]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[Pixel]

図 6: EP2C ビームラインにて観測された OTR 光のイメージ画像を X 方向 (左図)/Y 方向 (右図) に射影してガウシアンでフィットした様子。

−187−

OTRモニタ

Experimental Data
Simulation w/ real configuration
Simulation w/ surface bump
Point source/Point detector

50000
Intensity (Arbitrary Unit)

6.2

40000
30000
20000
10000
0
0

5

10

15

20

25

30

OTR Screen Angle [degree]
図 7: 観測された OTR 光の強度のスクリーン角度依存性。スクリーンがビームに対して 45 度に傾いた

位置を 0 度とし、ビームに垂直になる方向に+θ とする。赤線が測定値、シアン線がポイントソース/ポ
イント検出器を仮定した場合、緑線がビーム広がりと有限立体角を考慮してシミュレーションした結果、青線が更に表面のざらつきを考慮に入れた結果。

6.2.3

EP2C ビームラインにおけるプロトタイプ OTR 検出器試験

図 8: OTR 光の伝達シミュレーションで仮定したスクリーン表面の形状。バンプの大きさは OTR 光のスクリーン角度依存性の結果に合うように最適化している。

図 3 に OTR 検出器の概念図を示す。陽子ビームが 45 度傾けて置かれた 100 µm 厚の Al 製の OTR スクリーン入射し、そこからリング状に放射された OTR 光をレンズ系で受光部に集光する。ちなみに、J-PARC では 7 µm 厚の Al をスクリーンとして用いる予定である。カメラ系
は、イメージ増幅器と耐放射線カメラを組み合わせたものを使用する。今回は、イメージ増幅器 (IIT) として浜松ホトニクス C3100(最大ゲイン 6×104 ) を利用し、耐放射線カメラとしては
米国 Thermo 社の CID カメラ (CID 8710D1M) を利用した。

−188−

第6章

ビームモニタKEK-12 GeV PS の EP2C ビームラインにおいて、プロトタイプ OTR 検出器の試験を行った。できる限りビームロスの少ないところで試験するために、EP2C ビームラインのビームプラ
グの直下流にインストールした。図 4 にその様子を示す。OTR 検出器の直下流には、リファレ

Intensity (Arbitrary Unit)

1200
1000
800
600
400
200
0
0

20

40
60
80
OTR Screen Reflectivity [%]100

図 9: 観測された OTR 光の強度のスクリーン材質依存性。反射率が高い方の点がアルミニウム製スク
リーン、低い方の点がチタン製スクリーンとなっている。
ンス用に従来型の X(水平)/Y(垂直) ビームプロファイルモニターである SPIC(Segmented Plate
Ionization Chamber) を設置した。また、カメラ部でのビームロスを測定する目的で J-PARC用に開発されたビームロスモニター (空気イオンチェンバー) をカメラ直近に設置した。更に、OTR 光の角度依存性を測定する目的で、チェンバー上部に手動のスクリーン駆動装置を用意した。
データ収集システムとしては、カメラからの NTSC 信号を画像取り込みボード1 を用いて
windows PC に取り込み、MPEG4(720 ピクセル x 480 ピクセル, 6000 kbps) ファイルとして保存した。収集した画像データは、avi ファイルに変換され、Linux PC 上で解析した。手順としては、以下のようになる。

1. avidemux(version 2.0.38rc2b) を用いて avi ファイルを JPEG ファイル群に変換。この際に、ビームオンの状態から数十フレーム、ビームオフの状態から数十フレーム切り出す。
2. python PIL(picture imaging library) を用いて、それぞれの JPEG ファイル群を積分し、ビームオンからビームオフを適切な係数をかけて引き算する。更に、rebin を行うことによって、バックグラウンドを引いた一枚の JPEG ファイル (128 ピクセル x 85 ピクセル x
8 ビット) を作成する。
1

buﬀalo 社製 PC-MV7DX/U2−189−

OTRモニタ

3. python PIL を用いて、適切なカット条件をかけて X/Y 射影データ (テキストファイル) を作成する。
4. paw を用いてフィッティングを行う。

20000

15000

Area

6.2

10000

5000

0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001000011000
Intensity (10 spill sum of SX)
図 10: 観測された OTR 光の強度の、ビーム強度依存性。OTR 光の強度としては、ピークをガウシア

ンでフィットし、面積を求めたものを用いている。ビーム強度は SEC(Secondary Emission Chamber) の10 spill 分のカウント数である。EP2C ビームラインでは、従来より SEC をビーム強度モニターとして使用している。

5. 位置および距離がわかるスクリーンを用意して、上記 1.、2. と同じようにイメージ画像
データを処理する。得られた画像を利用してピクセルと距離の換算パラメータを求める。
図 5 は、上記の 2. までデータ処理を行ったイメージ画像である。中央近辺にビームプロファ
イルに対応した OTR 光のピークが観測されている。また、ビーム周辺にビームオフ時には見られない星状のバックグラウンドが見える。このバックグラウンドは光量は少ないが鋭いピー
ク状のためシグナルよりもピーク値が高くなっている。これは予想していなかった現象である。
図 6 は、上記の 4. までデータ処理を行った X/Y 射影データである。カット条件によってバッ
クグラウンドのピークは姿を消している。
以下に、上記 5. までデータ処理を行って解析をした結果を示す。

6.2.3.1 観測したプロファイルが OTR 光起因であることの確認 図 7 は、OTR スクリーンの角度を変えながら OTR 光の強度を測定した結果である。ポイントソース、ポイント検出器の場合のラインに比べるとかなり広がりを持っていることがわかる。ビームが有限の大きさを持ち、有限の立体角で見ていることを仮定しても実際の角度分布には程遠い。ここで、スクリーンの表面が実際には完全に鏡面ではないために、OTR 光が分散している可能性があると考えら

−190−

第6章

−191−

ビームモニタ6.2

OTRモニタ

−192−

第6章

17

−193−

ビームモニタOTRモニタ

18
16
14
OTR Y sigma [mm]

6.2

12
10
8
6
4
2
0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

SPIC Y sigma [mm]図 14: 観測された OTR 光の Y 方向プロファイル幅 (σ) の、SPIC(Segmented Plate Ionization Chamber)で観測された Y プロファイル幅 (σ) との相関。

イバー2 を使用した。ファイバー長に関しては、10 m ぐらいであればほとんど減光は気にならないことを確認しているが、今回は OTR 光の観測を第一目標として、2 m に設定した。これにあわせて F1.2 の対物レンズを用意し、IIT 面に集光するようにリレーレンズを選択した。

図 15: 意図的にビームを上方に振ってビームロスを発生させた場合の OTR 光のイメージ。星状のバッ
クグラウンドが多く観測されている。

IIT は光学系でロスする分を取り戻すために、最大ゲインが 2×106 の IIT3 を購入した。ゲインが 6×104 から、2×106 に上昇することで、対物レンズ径が 41.7 mm から有効径 10 mm に減少した分を回復できると評価された。高圧電源部の放射線損傷を防ぐために、IIT ヘッドと高圧
2
3

旭化成エレクトロニクス社製 ルミナスイメージファイバー
浜松ホトニクス社製 C9016 MOD

−194−

第6章

−195−

ビームモニタOTRモニタ

0.004

Beam loss [nC/SX]
Fitted result

0.0035
Beam loss [nC]/SX count

6.2

0.003
0.00250.002
0.00150.001
0.0005
0
0

100

200

300

400

500

600

Distance from beamline to loss monitor[cm]
図 17: ビームロスのビームラインからの距離依存性。
テスト実験は、二つのセットアップで行われた。まず最初に、対物レンズ先端からスクリーンまでの距離を 50 cm に設定して測定した。この際に、肉眼で映像を見る限りはシグナルが判別するのが難しいことが判明した。原因としては、バックグラウンドの量が想定していたより
も多く、IIT のゲインを 1.2×106 までしか上げることができなかったことが挙げられる。。そこ
で、以下の二つのシグナル光量を増加する方法が考案された。

図 18: OTR 光伝送用ファイバーの概念図。

• 対物レンズ位置をスクリーンから 50 cm の位置から、30 cm の位置に変更する。これによって、OTR 光のシグナル量を約 3 倍稼ぐことができる。
• スクリーンを約 2.5 度傾ける。これによってシグナル光量を約 2.5 倍稼ぐことができる。

−196−

第6章

ビームモニタ

図 19: ファイバーを利用した OTR 検出器用プロトタイプカメラ系。較正データを取得している様子を示す。同時にイメージ像の大きさの調整や、ピント調整も行った。

限られた作業時間において 2 番目の作業を精度良く行うことが難しかったため、1 番目の対策を施すことにした。その後に再び OTR 光画像を取得した。

図 20: 実機仕様の OTR 検出器。EP1/EP2 ビームラインにおいて仕様実績のあるリモートスクリーン
駆動系を採用した。チェンバー下部に置かれているのが、リモートでスクリーンを駆動するためのコントローラである。

図 22 に、今回観測された OTR 光画像を示す。解析方法は、前回とほとんど同等である。唯
一違う部分は、スクリーン無しのデータも同時に取得して、ビームオンの際のバックグラウン
ドも低減していることである。1 spill 分積分すると、距離が 50 cm の場合でもビームプロファ
イルが観測されていることが分かる。また、ビームを左右に振った場合にそれに追随していることが分かる。ビームプロファイルが傾いているのは、強い放射線環境での設置作業のために、精度良く設置することが難しかったためである。このプロファイルの傾きはオフライン解析で

−197−

6.2

OTRモニタ

−198−

第6章

ビームモニタ

図 22: ファイバーを利用して観測された OTR 光のイメージ。左側が対物レンズと標的との間が 50 cmの場合、右側が 30 cm の場合である。また上側がビームを右に振った場合、下側がビームを左に振った場合である。

最後に、ビーム幅依存性について評価する。図 26 は、プロファイル幅 (σ) に関する OTR 検出
器と SPIC 検出器の相関を示している。これに関しても、前回のプロトタイプ検出器と同様にOTR 光の幅が太くなる傾向はあるものの、特に線形応答性に問題はないことが分かる。

Mean value of intensity / SX

0.05

Mean intensity
Fitted function

0.01
0.005

0.001
5

6

7
8
Gain scale reading

910

図 23: イメージ増幅器 (IIT) のゲインカーブ。横軸は調整つまみの読みを示す。
次に、OTR 光のバックグラウンドの量が、ファイバーを使うことでどの程度軽減できたかを評価する。OTR 光があると、バックグラウンドが小さくなりすぎるので、スクリーンを取り除いてバックグラウンド評価を行った。図 27 は、ビームオン状態のバックグラウンドがどう見えるかを示している。ファイバーのエッジが見えるので、ファイバー外とファイバー内の両方の光量を比較する。また、対物レンズ位置を変えたデータを利用することで、バックグラウンド−199−

OTRモニタの起源を推定する。図 28 にその結果を示す。まず、ビームロスに関しては、対物レンズ位置において距離に反比例して減少していることが分かる。カメラ位置のビームロスに関しては、当然距離依存性は見られない。バックグラウンドに関しては、ファイバー内、ファイバー外ともに距離に反比例していることが分かる。ただし、その減少量はビームロスほどではなく、よりゆるやかに減少していることが分かる。
この結果から分かることとして、以下のようなことが挙げられる。

25000
20000
OTR intensity (Area)

6.2

15000
10000
5000
0
1.0E122.0E12
Beam intensity (ppp)

3.0E12

図 24: OTR 光の強度のビーム強度依存性。OTR 光の強度としては、ピークをガウシアンでフィットし、その面積を利用している。

• バックグラウンド量が、カメラ位置ではなく、主に対物レンズ部のビームロスに依存している。これは、カメラをファイバーでいくら離しても S/N が向上しない可能性を示唆している。もちろん、高価なカメラ系を離すことは、耐放射線という意味では大いに意味がある。
•

バックグラウンド量の変化量が対物レンズ位置のビームロスの変化量に比べるとかなり小さい。この原因としては、上流で発生したバックグラウンド粒子がアクリル真空窓、もしくは対物レンズ自身でチェレンコフ光を発生し、これが主要なバックグラウンドになっているからと考えられる。なぜなら、対物レンズ (もしくはアクリル真空窓) を近づけると、当然ビームロスが増加しチェレンコフ光も増えるが、近付いた分、前方に集中して放射されるチェレンコフ光が光学的にファイバーに入りづらくなるからである。もちろん、今回のスタディにおいてスクリーンがないことは、このような傾向を示していることと関連がある。ただし、J-PARC 用では、スクリーンとして 7 µm のアルミを考えているので、そういう意味ではバックグラウンドはあまり気にならないかもしれない。

−200−

第6章

OTR X position [mm]20

ビームモニタDistance 30 cm
Distance 50 cm

15

10

5

0
0

5

10
SPIC X position [mm]1520

図 25: 観測された OTR 光の X 方向プロファイルの位置の、SPIC で観測された X 位置との相関。赤点がスクリーンと対物レンズの距離が 30 cm の場合、緑点が 50 cm の場合である。

6.2.5

J-PARC における OTR 検出器についての評価

OTR X sigma [mm]

20

30 cm
50 cm
fit result

15

10

5

0
0

5

10
SPIC X sigma [mm]1520

図 26: 観測された OTR 光の X 方向プロファイルの幅 (σ) の、SPIC で観測された X 幅との相関。赤点がスクリーンと対物レンズの距離が 30 cm の場合、緑点が 50 cm の場合である。

前節において、バックグラウンド、および耐放射線に関しての問題をクリアするためのファイバーを利用した光学システムを確立することに成功した。その他に、J-PARC において使用する場合に問題になるかもしれない点としては、スクリーン自身がビームによってどの程度損傷をうけるかということが挙げられる。本モニターは、ビームロスをわずかとは言え発生するために、常時モニターとして利用する予定はない。よって、上記の点に関してあまり神経質にならなくてもよいが、念のために評価する。
図 29 はアルミなど 4 種類の標的を J-PARC(50 GeV, 15 µA) のビームにさらした場合の定常
熱解析の結果である。一見して分かるように、最高到達温度はそれぞれの物質の融点に比べて

−201−

6.2

OTRモニタ

図 27: スクリーンを取り除いた際のイメージ。ファイバーのエッジが見えている。
かなり低い値を示しており、短時間でスクリーンが損傷する可能性はないと言える。
0.35

Loss at camera (100/SX)
Loss at objective lens (10/SX)
Background at fiber center
Background at fiber edge

0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

10

20
30
40
Distance from beam line (cm)5060

図 28: OTR 光のバックグラウンドのビームからの距離依存性。OTR 光のバックグラウンド量は、適切な領域を切り出して、平均強度を求めることで評価している。赤線はカメラ系でのビームロス量を 100倍してプライマリビームの強度で規格化したもの、緑線は対物レンズ位置でのビームロス量を 10 倍してプライマリビームの強度で規格化したもの、青線はファイバー中央部のバックグラウンド量、シアン線
はファイバー外部のバックグラウンド量である。

−202−

第6章

ビームモニタ

図 29: J-PARC (50 GeV,15 µA) における、スクリーンでの発熱量の ANSYS による評価。左上がアルミ 10 µm、右上がチタン 10 µm、左下がカーボン 100 µm、右下が Be 100 µm である。冷却は、最悪の場合を考えて、放射によるもののみで評価している。

−203−

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

6.3 ᱷ⇐ࠟࠬࠍ↪޿ߚࡆ࡯ࡓࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ࡕ࠾࠲(RGIPM)
6.3.1 േ૞ේℂ ᱷ⇐ࠟࠬࠍ↪޿ߚࡆ࡯ࡓࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ࡕ࠾࠲ߪ‫⌀ޔ‬ⓨᒁ߈ߐࠇߚࡆ࡯ࡓ࠳ࠢ࠻ਛߦሽ࿷ߔࠆᱷ⇐ࠟࠬ߇ࡆ࡯ࡓߦࠃߞߡࠗࠝࡦൻߐࠇࠆ⃻⽎ࠍ೑↪ߔࠆࡕ࠾࠲ߢ޽ࠆ‫ޕ‬ᱷ⇐ࠟࠬߩࠗࠝࡦൻߢ↢ߓࠆ㓁ࠗࠝࡦ߹ߚߪ㔚㔌㔚ሶࠍ৻᭽㔚႐ߢ᳓ᐔ߹ߚߪု⋥ᣇะߦ࠼࡝ࡈ࠻ߐߖ‫ޔ‬㔚ᭂߦ⺃⿠ߔࠆ㔚⩄ኒᐲࠍ᷹ቯߔࠆߎߣߢࡆ࡯ࡓߩ᳓ᐔ߹ߚߪု⋥ᣇะߩⓨ㑆ಽᏓࠍ᷹ቯߔࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ޕ‬࿑㧝ߦࡕ࠾࠲ߩ᭎ᔨ࿑ࠍ␜ߔ‫ޕ‬࿑㧝߆ࠄࠊ߆ࠆㅢࠅ‫ޔ‬㔚⩄෼㓸㔚ᭂߪࡆ࡯ࡓߦ⋥ធ⸅ࠇࠆߎߣ߇ߥ޿ߩߢ‫ޔ‬ේℂ⊛ߦࡆ࡯ࡓࡠࠬ߇⊒↢ߒߥ޿‫߼ߚߩߎޕ‬ᯏེߩ᡼኿ൻࠍૐᷫߢ߈‫ߟ߆ޔ‬㜞޿᡼኿✢⠴ᕈࠍᜬߟࡕ
࠾࠲ࠍ⵾૞ߔࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ߩࡦࠗ࡜ࡓ࡯ࡆࡦࡠ࠼ࡂޔߚ߹ޕ‬ૐ⌀ⓨㇱߢߩ⌀ⓨᐲߪ㧝Pa ⒟ᐲߢ޽ࠆߎߣ߆ࠄ‫ޔ‬ടㅦེߢࠃߊ↪޿ࠄࠇࠆାภჇ᏷↪ MCP(Micro Channel Plate)߇ਇⷐߢ޽ࠅ‫ޔ‬᭴ㅧ߇ᄢ᏷ߦන⚐ൻߐࠇ‫ޕࠆ߇❬߽ߦࡦ࠙࠳࠻ࠬࠦޔ‬HV: 50V
N2+
300G

Beam

10cm

eGND
Pressure: 1Pa

࿑㧝 RGIPM ᭎ᔨ࿑ ೨࿁ߩਛ㑆߹ߣ߼[1]ߢႎ๔ߐࠇߚࠃ߁ߦ‫৻ߪߢ߹ࠇߎޔ‬᭽㔚႐ࠍ↪޿ߡ㓁ࠗࠝࡦࠍ෼㓸ߔࠆᣇᑼߢ⹜㛎ࠍ⛯ߌߡ߈ߚ‫⚿ߩߘޕ‬ᨐ‫ⷰޔ‬᷹ߐࠇߚࡊࡠࡈࠔࠗ࡞᏷߇ታ㓙ߩ᏷ࠃࠅ߽⚂ 1㧚4 ୚ᐢ߇ߞߡ

−204−

第6章

ビームモニタߒ߹߁ߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ‫ߩ⽎⃻ߩߎޕ‬ਥ࿃ߪ㓁ࠗࠝࡦ߇㔚ᭂߦ࠼࡝ࡈ࠻ߔࠆ㑆ߦ‫࠻ࠢ࠳ޔ‬ౝߩᱷ⇐ࠟࠬಽሶߣᒢᕈⴣ⓭ߒ‫゠ޔ‬㆏߇᜛ᢔߒߡߒ߹߁ߣ⠨߃ࠄࠇߚ‫ޕ‬㧝Pa ߩ⌀ⓨਛߢߩ⓸⚛ࠗࠝࡦಽሶߩᐔ
ဋ⥄↱ⴕ⒟ߪ 5mm ⒟ᐲߢ޽ࠆߚ߼‫ޔ‬㔚ᭂ Gap㧝㧜㨏㨙ߦኻߒߡήⷞߢ߈ߥ޿‫ޕ‬ ߎߩ໧㗴ࠍ⸃᳿ߔࠆᣇᴺߣߒߡ‫ޔ‬㓁ࠗࠝࡦ෼㓸ࠍ޽߈ࠄ߼‫ޔ‬㔚႐ࠍ෻ォߒߡ㔚㔌㔚ሶࠍ෼㓸ߔࠆߎߣ߇⠨߃ࠄࠇࠆ߇‫ޔ‬㜞ㅦ⩄㔚☸ሶߦࠃߞߡ㔚㔌ߐࠇߚ㔚ሶߪࡆ࡯ࡓゲߦု⋥ߦ᡼಴ߐࠇࠆ㧔ߒ߫ߒ߫Ǭ✢ߣ๭߫ࠇࠆ‫ޕ‬㧕ߚ߼‫৻ޔ‬᭽㔚႐ߛߌߢߪ㔚ሶ߇ᐢ߇ߞߡߒ߹޿‫ߊ߹߁ޔ‬෼㓸ߢ߈ߥ޿‫ޕ‬㔚㔌㔚ሶߩ゠㆏ࠍ೙㒢ߔࠆߚ߼ߦߪ‫ޔ‬㔚႐ߣᐔⴕߥ⏛႐ࠍශടߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ߡߞࠃߦࠇߎޕ‬㔚ሶߩ゠㆏ߪ࡜࡯ࡑ࡯ඨᓘౝߦ೙㒢ߐࠇ‫ޔ‬ല₸ࠃߊ㔚ሶࠍ෼㓸ߔࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ޕ‬ ශടߔࠆ⏛႐ߩᒝߐߪ㔚㔌㔚ሶߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߣᔅⷐߥ૏⟎ಽ⸃⢻ߦࠃߞߡ᳿ቯߐࠇࠆ‫ޕ‬㔚㔌㔚ሶߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ಽᏓߪਥߦࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߩ⥄ਸ਼ߦ෻Ყ଀ߔࠆߎߣ߇⍮ࠄࠇߡ޿ࠆ߇‫◲ࠍ⺰⼏ޔ‬නߦߔࠆߚ߼‫ޔ‬એਅߢߪౖဳ⊛ߥࠛࡀ࡞ࠡ࡯ࠍ 50eV ߣߔࠆ‫ޕ‬㔚㔌㔚ሶߣ㧝Pa ߩᱷ⇐ࠟࠬಽሶ㧔ਥߦ N2㧕
ߣߩᒢᕈᢔੂᢿ㕙Ⓧࠍ 10-15cm2 ߣߔࠆ‫ᧄޕ‬ᒰߪᢔੂᢿ㕙Ⓧߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ଐሽᕈࠍ⠨ᘦߔࠆᔅⷐ߇޽
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1  (Z eW e ) 2,(1)ߣ⴫ߖࠆ‫ ߢߎߎޕ‬D0 ߪ⏛႐߇ή޿႐วߩ㔚ሶߩ᜛ᢔଥᢙࠍ⴫ߔ‫ޔߢߎߎޕ‬㧔ȁeǼe㧕ߪ 35.2 ߢ޽ࠆߩߢ‫ޔ‬ᑼ㧔㧝㧕ߪߐࠄߦ◲⇛ൻߢ߈‫ޔ‬
2

DA

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,
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(2)

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Ve

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G=100mm, ǳe=3.8cm‫ޔ‬Ve=50V ߩ႐ว‫ޔ‬ᑼ㧔㧡㧕߇ਈ߃ࠆ᏷ߩ᜛߇ࠅߪ 2mm ߢ޽ࠆߩߢ‫࡯ࡆޔ‬ࡓࡕ࠾࠲ߦᔅⷐߥಽ⸃⢻᧦ઙࠍ߅߅߻ߨḩߚߒߡ޿ࠆߣ޿߃ࠆ‫ޕ‬ታ㓙ߦ᷹ⷰߐࠇࠆࡊࡠࡈࠔࠗ࡞᏷
ߪಽ⸃⢻ߣ᏷ߩ⥄ਸ਼๺ߩᐔᣇߢ᳿߹ࠆߩߢ‫ࡓ࡯ࡆߩ⌀ޔ‬᏷ߦኻߒߡಽ⸃⢻߇චಽዊߐߌࠇ߫ታ↪਄

−205−

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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Parallel Ionization Chamber)ࠍ⸳⟎ߒ‫ࠍ࡞ࠗࠔࡈࡠࡊޔ‬Ყセߢ߈ࠆࠃ߁ߦߒߚ‫ޕ‬࿑㧞 KEK 12GeV-PS ߢߩ⹜㛎ߦ↪޿ߚ RGIPM ࡊࡠ࠻࠲ࠗࡊ

−206−

第6章

Side view

Front view

Read-out electrodes (6mm, 32ch)

Install in EP2-C line

RGIPM

SPIC

Beam

࿑㧟 RGIPM ࡊࡠ࠻࠲ࠗࡊ౮⌀߅ࠃ߮ EP2-C ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߢߩታ㛎࠮࠶࠻ࠕ࠶ࡊ

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−207−

ビームモニタ㪉㪇残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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6.3

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−208−

第6章

ビームモニタ

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−209−

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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ߩᄌൻࠍ␜ߔ‫⌀ޕ‬ⓨᐲ߇ᖡൻߔࠆߣ㔚㔌㔚ሶߣᱷ⇐ࠟࠬಽሶߣߩᒢᕈⴣ⓭ߩ࿁ᢙ߇Ⴧടߒ‫ޔ‬ᑼ㧔㧡㧕ߢ⴫ߐࠇࠆ⏛႐ࠍᮮಾࠆ᜛ᢔߩലᨐߢࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ಽᏓ߇ᐢ߇ࠆߎߣ߇੍ᗐߐࠇࠆ‫ޕ‬ᑼ㧔㧡㧕ߢߪ

−210−

第6章

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−211−

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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6.3

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−212−

第6章

ビームモニタ

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−213−

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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−214−

第6章

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6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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−216−

第6章

−217−

ビームモニタ6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)(A) ᳓ᐔᣇะߩࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ಽᏓ     (B) ࡃ࠶ࠢࠣ࡜࠙ࡦ࠼ߩ↹௝࠺࡯࠲(C) 1.5ǴA ᾖ኿ᤨߩ↹௝㧔(B)ࠍᏅߒᒁ޿ߚᓟ㧕 (D) ု⋥ᣇะߩࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ಽᏓ
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−218−

第6章

ビームモニタ(A) ᳓ᐔᣇะߩࡊࡠࡈࠔࠗ࡞       (B) ࡃ࠶ࠢࠣ࡜࠙ࡦ࠼↹௝࠺࡯࠲(C) 1.5ǴA ᾖ኿ᤨߩ↹௝㧔(B)ࠍᏅߒᒁ޿ߚᓟ㧕 (D) ု⋥ᣇะߩࡊࡠࡈࠔࠗ࡞ಽᏓ
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残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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6.3

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−220−

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第6章

ビームモニタ

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残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

6.3.8.5  ࡆ࡯ࡓᒝᐲଐሽᕈ
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第6章

ビームモニタ

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残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

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第6章

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−226−

第6章

ビームモニタ

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Cobalt(REC)ߪߒ߫ߒ߫࠙ࠖࠣ࡜࡯㔚⏛⍹ߦ૶↪ߐࠇࠆߩߢ‫ޔ‬᡼኿✢ߦࠃߞߡ⏛႐߇ૐਅߔࠆᷫ⏛ߩᓇ㗀ߦߟ޿ߡߪᲧセ⊛ࠃߊ⺞ߴࠄࠇߡ޿ࠆ[2][3]‫⚿ޕ‬ᨐߣߒߡߪ Nd-Fe-B ⏛⍹ߪࡂ࠼ࡠࡦᾖ኿ߩ
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Sr-ferrite ࠮࡜ࡒ࠶ࠢ
(SrO-6Fe2O3)

Nd-Fe-B(Nd2Fe14B)

Rare Earth Cobalt(Sm1Co5, Sm2Co17)ଔᩰ቟ଔ࠮࡜ࡒ࠶ࠢ< NdFeB < REC

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8.0

8.0

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−227−

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

−228−

第6章

ビームモニタ࿑㧟㧟 ࠬࡠ࠶࠻㧝ߦ⸳⟎ߒߚ⏛ᕈ૕ࠨࡦࡊ࡞
 500MeV ߩ㓁ሶࡆ࡯ࡓ߇࠲ࡦࠣࠬ࠹ࡦߣ෻ᔕߒߡ↢ߓࠆਛᕈሶߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ಽᏓߪ MARS ࠦ࡯࠼ߢ⸘▚ߐࠇߡ߅ࠅ‫ޔ‬ㆊ෰ߩታ᷹୯ߣ߽ࠃߊ৻⥌ߒߡ޿ࠆߎߣ߆ࠄ‫ޔ‬Ⓧ▚✢㊂ߩ⛘ኻ୯ߪࡈࠔࠢ࠲
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−229−

㪈㪅㪇㪇㪜㪂㪈㪌

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM) ࿑㧟㧠ࠍ⷗ࠆߣ‫ޔ‬Nd-Fe-B ߪ㗼⪺ߦᷫ⏛ߒߡ߅ࠅ‫ޔ‬ᢥ₂ߩ⚿ᨐߣ߅߅߻ߨ৻⥌ߒߡ޿ࠆߎߣ߇
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2. T1㧔Ni-6cm)਄ᵹ 1m(ࠕ) ๆ෼✢㊂㧦 1.7MGy/yr(ࠗ) ࡂ࠼ࡠࡦ fluence Fh(E>14.5MeV) = 5.4x1012 n/cm2/hr: 74 yr.
ߣߥߞߚ‫⚿ߩߎޕ‬ᨐ߇ᱜߒ޿ߣߔࠆߣ‫ޔ‬J-PARC ⅣႺਅߢ߽ Sr ࡈࠚ࡜ࠗ࠻ߣ REC ߦߟ޿ߡߪචಽ
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6.3.11.3  ᧲ർᄢࠨࠗࠢࡠ(CYRIC)ߢߩ 70MeV 㓁ሶࡆ࡯ࡓᾖ኿⹜㛎 KEK-PS ߿ KENS ߢߩᾖ኿⹜㛎ߢߪ㓁ሶࡆ࡯ࡓࠍᮡ⊛ߦᒰߡߡ↢ߓࠆੑᰴ☸ሶᾖ኿ߢ޽ߞߚߚ
߼‫ޔ‬11014 n/cm2 ߹ߢߩⓍ▚✢㊂ߒ߆೔㆐ߢ߈ߕ‫ޔ‬J-PARC ߢߩᕈ⢻ࠍ⏕⹺ߔࠆߚ߼ߦᦨૐᔅⷐߥ
11017 n/cm2 ⒟ᐲ߹ߢߩᾖ኿ߪ㔍ߒ߆ߞߚ‫᧲ޕ‬ർᄢ CYRIC ߩ 70MeV-1.5PA 㓁ሶࡆ࡯ࡓࠍ⋥ធᾖ኿ߔࠇ߫ 11017 n/cm2 ⒟ᐲ߹ߢߩⓍ▚✢㊂ߪኈᤃߦ㆐ᚑߢ߈ࠆ‫⋥ޔࠄ߇ߥߒ߆ߒޕ‬ធᾖ኿ߩ႐ว
ߪ⏛ᕈ૕ߩ᷷ᐲ਄᣹ࠍน⢻ߥ㒢ࠅૐߊᛥ߃ࠆߚ߼‫⹜޿⭯ޔ‬ᢱࠍ↪ᗧߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޕ‬ ࿑㧟㧡ߦᾖ኿ታ㛎ߢ૶↪ߒߚ⏛ᕈ૕⹜ᢱࠍ␜ߔ‫⏛ޕ‬ᕈ૕⹜ᢱߪ Sr-ferrite‫ޔ‬Nd-Fe-B‫ޔ‬Sm1Co5‫ޔ‬
Sm2Co17 ߩ 4 ⒳㘃ࠍߘࠇߙࠇ 4 ᨎ↪ᗧߒߚ‫⹜ޕ‬ᢱߩᄢ߈ߐߪ 10mm ⷺߢෘߐߪ 1mm ߢ޽ࠆ‫⏛ޕ‬ᕈ૕⹜ᢱߩ‛ᕈ୯ࠍ⴫㧟ߦ␜ߔ‫⏛ޕ‬ᕈ૕⹜ᢱࠍߘߩ߹߹ࡆ࡯ࡓߦᾖ኿ߔࠆߣ᷷ᐲ߇਄᣹ߒߡᾲᷫ⏛ߩലᨐߣ඙೎߇ߟ߆ߥ޿ߩߢ‫ޔ‬Al ߩ᡼ᾲ᧼ߦ⏛ᕈ૕⹜ᢱࠍᾲવዉធ⌕೷ߢធ⌕ߒߚ‫ޕ‬Al ᡼ᾲ᧼ߩෘߐߪ 4mm ߢ޽ࠆ߇‫ࠆࠃߦࡓ࡯ࡆޔ‬ടᾲࠍᦨዊ㒢ߦߔࠆߚ߼⏛ᕈ૕⹜ᢱࠍਛᔃߣߒߡ㧠cm ྾ᣇߩ㗔ၞߪෘߐ 0.5mm ߦ೥ߞߡ޽ࠆ‫⏛ޕ‬ᕈ૕ߩ⴫㕙⏛႐᷹ቯߪࠟ࠙ࠬࡔ࡯࠲ߢⴕߞߚ߇‫ޔ‬ዊߐ޿⏛ᕈ૕⹜ᢱߢ᷹ቯ૏⟎ߩౣ⃻ᕈࠍ⏕଻ߔࠆߚ߼ߦࠟ࠙ࠬࡔ࡯࠲ࡊࡠ࡯ࡉ࿕ቯ↪ߩᴦౕࠍ૞ᚑߒߚ‫⴫ޕ‬
4 ߦࡆ࡯ࡓᾖ኿೨ߩ⏛ᕈ૕⹜ᢱ⴫㕙⏛႐᷹ቯ⚿ᨐࠍ␜ߔ‫ޕ‬᷹ቯߩౣ⃻ᕈߪ㧝㧜㧑એౝߦ෼߹ߞߡ޿
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ࠍ↪޿‫ޔ‬Sr-ferrite ࠍ Sm1Co5 ߣ Sm2Co17 ߢ᜽ߺ‫ޔ‬੕޿ߦᲧセߢ߈ࠆࠃ߁ߦߒߚ‫ޕ‬Nd-Fe-B ߪߔߋߦ⏛႐߇ૐਅߔࠆߣ੍ᗐߐࠇࠆߩߢ‫ߩ߳ઁޔ‬ᓇ㗀߇ዋߥ޿ᦨਅᵹߦ⸳⟎ߒߚ‫ޕ‬

−230−

第6章

−231−

ビームモニタ6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

࿑㧟㧢 ᧲ർᄢ CYRIC31 ࠦ࡯ࠬߢߩ⏛ᕈ૕ᾖ኿⹜㛎࠮࠶࠻ࠕ࠶ࡊ

࿑㧟㧣 ࡆ࡯ࡓᾖ኿ᤨߩ⏛ᕈ૕⹜ᢱߩ᷷ᐲᄌൻ
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1. 16nA(1011 p/s)ߢ 1020 ⑽(17 ಽ㧕ᾖ኿: Ⓧ▚ 1014 protons(ࠕ) 10 ಽ಄ළᓟߦ⏛႐᷹ቯ(ࠗ) Nd-Fe-B ߇ᒙߞߚߩߢขࠅ㒰ߊ‫ޕ‬
2. 160nA(1012 p/s)ߢ 1020 ⑽ᾖ኿: Ⓧ▚ 1015 protons(ࠕ) 1 ᤨ㑆಄ළᓟߦ⏛႐᷹ቯ
3. 1.6mA(1013 p/s)ߢ 1020 ⑽ᾖ኿: Ⓧ▚ 1016 protons(ࠕ) 1 ᤨ㑆಄ළᓟߦ⏛႐᷹ቯ(ࠗ) Sm1Co5 ߇ᒙߞߚߩߢࠨࡦࡊ࡞ No2 ߣ੤឵
4. 1.6mA(1013 p/s)ߢ 9000 ⑽(150 ಽ)ᾖ኿: Ⓧ▚ 1017 protons

−232−

第6章

ビームモニタ(ࠕ) 㧤ᤨ㑆಄ළᓟߦ⏛႐᷹ቯ࿑㧟㧣ߦᾖ኿ਛߩ⏛ᕈ૕᷷ᐲᄌൻߩ᭽ሶࠍ␜ߔ‫ޕ‬1.6PA ߩᾖ኿ߢ߽ᦨ㜞᷷ᐲߪ 90 ᐲએਅߦ෼߹ߞ
ߡ߅ࠅ‫ޔ‬ᾲᷫ⏛ߩലᨐߪ㧝㧜㧑એਅߢ޽ߞߚ‫ޕ‬ ࿑㧟㧤ߦᾖ኿ᓟߩ⴫㕙⏛႐ߩᷫዋ₸ࠍ␜ߔ‫ޕ‬Nd-Fe-B ߪ 1014 proton ߩᾖ኿ߢ⏛႐߇ᱴߤήߊߥ
ߞߡ߅ࠅ‫ޔ‬KEK ߢߩ㑆ធᾖ኿ߩ⚿ᨐߣว⥌ߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬Sm1Co5 ߣ Sm2Co17 ߦߟ޿ߡ߽⏛႐ߩᷫዋ߇᷹ⷰߐࠇ‫ޔ‬Sm1Co5 ߩᣇ߇ Sm2Co17 ࠃࠅ߽ᣧߊᷫዋߒߚ‫ ߦ․ޕ‬Sm1Co5 ߦߟ޿ߡߪ⴫㕙⏛႐ߩ෻ォ߇᷹ⷰߐࠇߚ‫ߩߎޕ‬௑ะߪ CERN ߅ࠃ߮ TRIUMF ߢߩ⚿ᨐߣ৻⥌ߒߡ޿ࠆ߇‫੹ޔ‬࿁ߩᣇ
߇Ⓧ▚㓁ሶᢙߦኻߒߡᷫዋ₸߇ᄢ߈޿‫⏛ߪࠇߎޕ‬ᕈ૕⹜ᢱߩෘߐ߇ 1mm ߣ⭯޿ߎߣ߽㑐ଥߒߡ޿ࠆߣᕁࠊࠇࠆ‫ޕ‬Sr-ferrite ߦߟ޿ߡߪ 1017proton ߩ⋥ធᾖ኿ߢ߽⏛႐ߩᷫዋߪ⷗ࠄࠇߕ‫ޔ‬ㆊ෰ߩᢥ₂ߩ௑ะߣว⥌ߔࠆ‫੹ޕ‬࿁ߩᾖ኿⹜㛎ߩ⚿ᨐ‫ޔ‬Sr-ferrite ߪ 1017proton ߩᾖ኿ߢߪ⏛႐ߩᷫዋ߇⷗
ࠄࠇߕ‫ޔ‬J-PARC ߩⅣႺߢ߽චಽ૶↪ߢ߈ࠆߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ‫ޕ‬࿑㧟㧤 㓁ሶࡆ࡯ࡓᾖ኿ᓟߩ⏛႐ߩᷫዋ₸࿑㧟㧥 ⏛ᕈ૕᧚ᢱߩ᡼኿✢៊்⹜㛎⚿ᨐߩ߹ߣ߼

−233−

6.3

残留ガスを用いたビームプロファイルモニタ(RGIPM)

6.3.12 ߹ߣ߼ RGIPM ߦߟ޿ߡߪ᳗ਭ⏛⍹ࠍ↪޿ߡ㔚႐ߣᐔⴕߦ৻᭽⏛႐ࠍශടߔࠆߎߣߢ㔚㔌㔚ሶߩ゠㆏ࠍ
࡜࡯ࡑ࡯ඨᓘౝߦ㐽ߓߎ߼‫࡞ࠗࠔࡈࡠࡊޔ‬᷹ቯߦᔅⷐߥಽ⸃⢻ࠍᓧࠆߎߣߦᚑഞߒߚ‫⏛ޕ‬ᕈ૕᧚ᢱߩ᡼኿✢⠴ᕈߦߟ޿ߡ߽ቯ㊂⊛ߥ⍮⷗߇ᓧࠄࠇ‫ޔ‬J-PARC ߩ㜞޿᡼኿✢ⅣႺਅߢ߽ RGIPM ࠲߇േ૞ߔࠆ⏕⸽߇ᓧࠄࠇߚ‫ޕ‬

6.4 ࡆ࡯ࡓࡠࠬࡕ࠾࠲ߣࠕࡏ࡯࠻
ࡆ࡯ࡓࡠࠬࡕ࠾࠲(BLM)ߪࡆ࡯ࡓ゠㆏߇ߘࠇߡᗐቯᄖߩࡆ࡯ࡓࡠࠬ߇⊒↢ߒߚ႐ว‫ޔ‬ੑᰴ☸ሶߩ⊒↢㊂ࠍᬌ಴ߔࠆࡕ࠾࠲ߢ޽ࠆ‫ޕ‬BLM ߩାภ߇㑣୯ࠍ⿥߃ߚ႐วߦߪ‫ࡓ࡯ࡆޔ‬ขࠅ಴ߒࠍ஗ᱛߔ
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−234−

第7章

ローカル制御システム╙㧣┨ࡠ࡯ࠞ࡞೙ᓮࠪࠬ࠹ࡓ
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−235−

7.1

ローカル制御システム࿑㧞 ࡂ࠼ࡠࡦታ㛎ᣉ⸳శࠤ࡯ࡉ࡞♽⛔࿑‫⎇ޕ‬ⓥ♽஥ߢ૶↪ߢ߈ࠆ‛ߩߺ‫ޕ‬ᣉ⸳ㇱ߅ࠃ߮᡼኿✢߇૶↪ߔࠆࠤ࡯ࡉ࡞ߪ㒰ߊ‫ޕ‬࿑㧟 శࠤ࡯ࡉ࡞ᧄᢙⷐ᳞ߩ㓙ߦ߹ߣ߼ߚ૶↪੍ቯ

−236−

第7章

ローカル制御システム

7.1.2  ࡀ࠶࠻ࡢ࡯ࠢ ೙ᓮ↪ࡀ࠶࠻ࡢ࡯ࠢߪ৻⥸ LAN(JLAN)ߣߪಽ㔌ߐࠇࠆ‫ޕ‬೙ᓮ LAN ߦⷐ᳞ߐࠇࠆ઀᭽ߪએਅߩ
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X450-24t ߢ޽ࠅ‫ޔ‬24 ࡐ࡯࠻ߩ GbE ࠍᜬߟ߇‫ ߜ߁ߩߎޔ‬4 ࡐ࡯࠻ߪ਄ᵹ߅ࠃ߮ਅᵹߩశࠤ࡯ࡉ࡞
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−237−

7.1

ローカル制御システム࿑㧡 ਥ࡝ࡦࠣ㑐ଥᣉ⸳೙ᓮࡀ࠶࠻ࡢ࡯ࠢᯏེ

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−238−

第7章

ローカル制御システム

7.1.3  ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ାภ↪ࠤ࡯ࡉ࡞㈩✢ ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ߩࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߦ⸳⟎ߐࠇࠆᯏེ߆ࠄߩାภࠍ೙ᓮቶ߹ߢવㅍߔࠆߚ߼‫ޔ‬ାภࠤ࡯ࡉ࡞ࠍᢝ⸳ߒ‫ޔ‬IDF㧔ࠤ࡯ࡉ࡞ࡄ࠶࠴ࡄࡀ࡞㧕ࠍ⸳⟎ߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޕ‬࿑㧣ߦࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ߦ
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SHVࠦࡀࠢ࠲ઃࠤ࡯ࡉ࡞߇㜞㔚࿶↪ߣߥߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬㧟㧠⧌ߩหゲࠤ࡯ࡉ࡞ߪ RGIPM ߅ࠃ߮ BLM ߦ૶↪ߐࠇࠆ‫ޕ‬BLM ߦߟ޿ߡߪ㓸⚂↪┵ሶ▫߆ࠄฦᚲߦ㈩✢ߐࠇࠆ‫ޕ‬࿑㧣 ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ IDF ㈩⟎࿑

−239−

7.1

ローカル制御システム

IDF

BNC

SHV

BLM

RGIPM

30 ኻ-TP

S1-S2

12

6

㧜

4

1

S3-S4

12

6

1

2

0

S5-S6

12

6

㧜

2

1

S7-S8

12

6

㧜

2

0

S8-S9

12

6

1

2

1

S11-S12

12

6

㧜

2

0

S12-S13

12

6

㧜

2

1

S14-S15

12

6

1

6

0

S17-S18

12

6

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2

1

S18-S19

12

6

1

4

0

S21-S22

12

6

㧜

4

1

⴫㧝 ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ࠤ࡯ࡉ࡞㈩✢⴫

7.1.4  ࡠ࡯ࠞ࡞೙ᓮቶߣ 19 ࠗࡦ࠴࡜࠶ࠢ⸳⟎ ࡂ࠼ࡠࡦߩࡠ࡯ࠞ࡞೙ᓮቶߪ╙㧝㔚Ḯ᫟ߩਛߦ޽ࠅ‫ޔ‬ᐢߐߪ᏷㧢㨙ᅏⴕ߈㧤㨙ߢ޽ࠆ‫ޕ‬࿑㧤ߦ೙ᓮቶౝߩ㧝㧥ࠗࡦ࠴࡜࠶ࠢ㈩⟎࿑ࠍ␜ߔ‫߇࡞ࡉ࡯ࠤߩࠄ߆࠼࡯ࡗ࠴࠶ࠗࠬޕ‬࿑ߩฝ਄ߩ⽾ㅢⓣ߆ࠄᒁ߈ㄟ߹ࠇࠆߩߢ‫ޔ‬೙ᓮቶౝߩო㓙ߦ㧝㧥ࠗࡦ࠴࡜࠶ࠢࠍ┙ߡ‫ ߦߎߘޔ‬IDF ࠍ⸳⟎ߔࠆ‫ޕ‬ାภࠤ࡯ࡉ࡞↪IDF ߪขࠅ಴ߒ߆ࠄSM1 ߹ߢߩାภࠤ࡯ࡉ࡞
㧔S1~S12㧕ߣ‫ޔ‬
SM1 ߆ࠄT1 ߹ߢߩ㧔S12~S22㧕㧞ࠞᚲߦಽ㈩ߒߡ⸳⟎ߔࠆ‫ޕ‬ ო㓙ߦਗߴࠆ㧝㧥ࠗࡦ࠴࡜࠶ࠢߪ Shroff ␠⵾ EPnet ࠠࡖࡆࡀ࠶࠻ࠍ૶↪ߔࠆ‫ߪࠇߎޕ‬એ೨ਛᄩ೙ᓮࠣ࡞࡯ࡊߢ቟ଔߦ౉ᚻߒߚ߽ߩߢ‫⃻ޔ‬࿷ߪ↢↥ࠍⴕߞߡ޿ߥ޿ࡕ࠺࡞ߢ޽ࠆ‫ߩࠢ࠶࡜ޕ‬ᄖᒻኸ
ᴺߪ㜞ߐ㧞㨙‫ޔ‬᏷㧜㧚㧢㨙‫ޔ‬ᅏⴕ߈㧜㧚㧤㨙ߢ޽ࠆ‫ޕ‬KEK ߩࠞ࠙ࡦ࠲࡯ࡎ࡯࡞╬ߢ૶↪ߐࠇߡ޿ࠆ࡜࠶ࠢߦᲧߴࠆߣᅏⴕ߈߇⍴޿ߚ߼‫ޔ‬ᵈᗧߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޕ‬NIM ࡆࡦࠢ࡟࡯࠻߿‫ޔ‬ㅢᏱߩ VME
ࠢ࡟࡯࠻ߪ໧㗴ߥ޿߇‫ޔ‬㔚Ḯㇱ߇ᒝൻߐࠇߚ KEK-VME ߩ㧢U ߩࠢ࡟࡯࠻ߪㅢᏱᅏⴕ߈߇ 660mm
ߥߩߢ‫ޔ‬ᓟㇱߩኸᴺࠍ 600mm ߦᄌᦝߒߚ‛ࠍ૶↪ߔࠆ‫ޕ‬࿑㧥ߦ㧞㧜㧜㧣ᐕ㧝᦬㧞㧢ᣣᤨὐߩࡂ࠼
ࡠࡦ೙ᓮቶߩ᭽ሶࠍ␜ߔ‫ޕ‬㧝㧥ࠗࡦ࠴ࠢ࡟࡯࠻߇ᚲቯߩ૏⟎ߦ⸳⟎ߐࠇ‫࡞ࡉ࡯ࠤࠄ߆ࠇߎޔ‬㈩✢ࠍⴕ߁‫ޕ‬࿑㧤ߦ␜ߒߚߣ߅ࠅ‫ޔ‬ᰴᐕᐲએ㒠ߦࠗࡦ࠲࡯ࡠ࠶ࠢ㧔PPS㧕߿᡼኿✢ࠛ࡝ࠕࡕ࠾࠲೙ᓮ↪ߩ࡜࠶ࠢ߇⸳⟎ߐࠇࠆ੍ቯߢ޽ࠆ‫ޕ‬

−240−

第7章

࿑㧤 ࡂ࠼ࡠࡦ೙ᓮቶౝ࡜࠶ࠢ㈩⟎࿑࿑㧥 ࡂ࠼ࡠࡦ೙ᓮቶߦ⸳⟎ߐࠇߚ Shroff EPnet ࠠࡖࡆࡀ࠶࠻

−241−

ローカル制御システム

7.2

7.2.1

PPS

PPS(Personnel Protection System)ߪ J-PARC ో૕ߩടㅦེᣉ⸳ߢߩၮᧄ⊛ߥㆇォࡕ࡯࠼ߩ⸳ቯ‫ޔ‬ၮᧄ⊛ߥㆇォࠪࠬ࠹ࡓ‫ޔ‬ฦࡕ࡯࠼ߦ߅ߌࠆടㅦེߢߩੱ⊛቟ోߩ⏕଻ࠍⴕ߁ࠪࠬ࠹ࡓߢ޽ࠆ‫ࡦࡠ࠼ࡂޕ‬ታ㛎ᣉ⸳ߩ PPS ߪ 50GeV-MR ߩㆇォࡕ࡯࠼ߣㅪ៤ߒหᣉ⸳▤ℂ඙ၞౝߢߩੱ⊛቟ోࠍᜂ଻ߔࠆߎߣࠍ⋡⊛ߣߒ‫ࠍ࠼࡯ࡗ࠴࠶ࠗࠬޔ‬ኻ⽎ߣߒߚ
HADRON-SY-PPS ߣታ㛎ቶࠍኻ⽎ߣߒߚ HADRON-PPS ߩ㧞ߟߩࠪࠬ࠹ࡓߢ᭴ᚑߐࠇ
ࠆ‫ޕ‬

7.2.1.1 HADRON-SY-PPSHADRON-SY-PPS ߪኻ⽎඙ၞ߇ࠬࠗ࠶࠴ࡗ࡯࠼ߢ޽ࠅ‫ޔ‬50GeV-MR ߣߪⓨ᳇඙ಽ↪
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7.2.1.2 HADRON-PPS
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−242−

第7章

−243−

ローカル制御システム

7.2

7.2.2

Inhibit ߣ Abortࡂ࠼ࡠࡦࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߦ߅޿ߡᯏེߩ⇣Ᏹ╬ߢࡆ࡯ࡓࡠࠬ㊂߇Ⴧടߒߚ႐ว‫ޔ‬ㅦ߿߆ߦࡆ࡯ࡓข
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−244−

第7章

7.3
6.2

ローカル制御システム

多チャンネル信号読み出しシステム

図 1: 多チャンネル信号読み出しシステムの構成図。

J-PARC ハドロンビームラインにおいては、T1 標的、ビームダンプを始めとして真空計や配管に設置する温度計など、さまざまな計測および制御機器が設置される。これらの計測機器から来る信号を監視し、またビーム取り出しの異常に備えてデータを記録することは、大強度ビームを取り扱う本ビームラインにおいて重要な意味を持つ。今回、この計測機器監視用の汎用制御システムとして、多チャンネル信号読み出しシステムを構築し、そのテストを行った。
PC
CPU: P IV 2.8 GHz; memory: 500 MB; HDD: 5400 rpm 40 GB ATAPI
Linux
debian GNU/Linux sarge;kernel 2.6.6-1-686;gcc 3.3.4
EPICS
R3.14.6
非同期ドライバー (async)
4-2
EPICS Channel Archiver
2.1.2
XMLRPC ライブラリ
0.9.10-4
Xerces XML ライブラリ
2.4.0-3python2.3.5
python EpicsCA
1.4.5
表 1: ハードウエアおよびソフトウエアのバージョン−245−

多チャンネル信号読み出しシステム

1000
Time to extract data (sec.)

7.3

c clientc++ client
100 python client
perl client
ruby client
10
1
0.1

0.01
10

100
Data size (kB)1000

図 2: データを取得するのにかかる時間のデータサイズ依存性をそれぞれの XMLPRC クライアント毎にプロットした図。

7.3.1
6.2.1

概要

図 1 にシステムの概念を示す。制御のフレームワークとしては、J-PARC 中央制御との親和性を考慮して、同じ EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) 1 を利用する。データ処理の流れとしては、以下のようになる。

1. 温度計などからの DC 信号はマルチプレクサーモジュールによってデータを取り込む。
2. EPICS IOC(Input Output Controller) からデータのリクエストが LAN を通じて LANGPIB モジュールに送られる。
3. GPIB インターフェースを通じて LAN-GPIB モジュールにデータが転送され、EPICS IOCにさらに転送される。
クライアントcc++python
perl
ruby

バージョン
0.9.10-4
0.9.10-4
0.8.4-1
0.07b4-3(perl 自体は 5.8.7)
1.8.2-1

XMLRPC パーサ
nativenativesgmlop 2
c で書かれた expat(バージョン 1.95.8) のラッパーc で書かれた expat(バージョン 1.95.8) のラッパー

表 2: XMLRPC クライアントのバージョンと使用した XMLRPC パーサ。
1
2

http://www.aps.anl.gov/epics/
http://eﬀbot.org/zone/sgmlop-index.htm

−246−

第7章

ローカル制御システム

4. IOC で取得したデータは EPICS チャネルとして LAN 上からアクセスできる状態になる。
GUI 用のクライアントからリクエスト (EPICS CA(Channel Access)) によってデータを送信する。
5. データ履歴を取る目的で、EPICS チャンネルアーカイバー3 サーバーを設置する。GUI
クライアント同様に EPICS CA によってデータ取得する。
6. GUI クライアントは履歴データを XMLRPC プロトコルによって LAN 越しに Channel
Archiver サーバーからデータ取得する。
今回システムに要求される主な項目は以下の通りである。

• ビーム繰り返し周波数は約 3.4 秒、ビーム取り出しは約 0.7 秒なので、ビームが出ている
ときに最低 1 回はデータ取得できるスキャンスピードが確保できること。
• 機器が EPICS でサポートされているものであること。
• チャンネル単価ができるだけ安いこと。

Time to extract data (sec.)1000

c client
python client
ruby client
100 c client over internet
python over internet
ruby over internet
10

1

0.1
10

100
Data size (kB)1000

図 3: データを取得するのにかかる時間のデータサイズ依存性のテストを、 ネットワーク越しに行った
場合と、ローカルで行った場合の比較。

以上の条件を満たすものとして、今回は LAN-GPIB モジュールとして、Agilent E5810A を利用し、マルチプレクサとしては Agilent 34970A を利用した。マルチプレクサモジュールとしては、20 ch の Agilent 34901A を 3 つ差して使用した。サーバーおよびクライアント PC は、
3

http://ics-web1.sns.ornl.gov/ kasemir/archiver/−247−

多チャンネル信号読み出しシステム

IBM/PC AT 互換機に Linux OS を搭載したものを利用した。また、GUI クライアントとしては、Channel Access ができて GUI も容易に構築できるものとして、python + Tkinter モジュールを利用した。Channel Access には、python EpicsCA を利用した。ハードウエアおよびソフ
トウエアのバージョンを表 1 にまとめた。
以上のシステムによって、比較的低コスト (1 チャネルあたり ∼5000 円) で、十分なスキャン
スピード (1 秒あたり 22 チャンネル読みだし) を達成することに成功した。ちなみに、このス
キャンスピードのボトルネックは主にマルチプレクサーモジュールの読みだしスピードによるものであり、EPICS IOC や LAN、GPIB インターフェイスによるものではない。マルチプレ
クサーモジュールの読みだしが遅いのは、ある程度精度を確保できるように (∼0.1 ◦ C)、ノー
マルモードノイズを消去可能な、1 PLC の積分時間に設定したためである。
6.2.2
7.3.2

XMLRPC クライアントのパフォーマンステスト

ここからは、前節で説明した制御システムの各種パフォーマンス試験の結果を述べる。本節においては、XMLRPC クライアントのパフォーマンスを測定する。各種クライアントのバー
ジョンおよび使用した XMLRPC パーサは表 2 に示す通りである。
本節の試験の目的はクライアントの性能を調べることにあるため、サーバーの負荷を最小限に抑える必要がある。特にサーバーに負担を掛ける処理として、取り出しデータの平均化プロセスがある。ここでは、平均化プロセス負荷を最小化するために、データサイズ毎に取り出しデータ数を調整している。これによって、サーバ PC の CPU ロードは常時 5%以下に抑えることに成功した。

1000

Throughput (kB/sec.)

7.3

c clientc++ client
python client
perl client
ruby client

100

10
10

100
Data size (kB)1000

図 4: スループットのデータサイズ依存性のテストを、C/C++/python/perl/ruby の各種 XMLRPC ク
ライアントで行った結果。

−248−

第7章

ローカル制御システム

まず最初に LAN 越しにデータ受信した場合の性能劣化を調査する。ネットワークのスピード
は iperf(バージョン 2.0.2-1) で測定した結果 94.1 Mbits/s であり、ローカルでは 3.79 Gbits/s であったため、原理的にはボトルネックにはなり得ないが、確認のために調査を行った。図 3 に、ネットワーク越しにデータ受信した場合とローカルでデータ受信した場合のデータ取得にかかる時間の比較を示している。データを取得する際にかかる時間のデータサイズ依存性を、各種
XMLRPC クライアント毎にプロットしている。LAN 経由でデータを取得した場合は、高速度の C クライアントにおいて微妙に差があるものの、ほとんど性能に影響を与えないことが分かる。よって、LAN 経由でデータを取得してもほとんど性能に変化がないことが保証できた。
次に、クライアント毎の性能差を調査する。図 4 は、スループットのデータサイズ依存性を各
種クライアント毎にプロットしたものである。プログラム言語の C/C++が 600 kB/sec 近辺と最高速を記録している。スクリプト言語のなかでは ruby の性能が悪く、他の perl/python に比べて 1/7 ぐらいの性能となっている。perl/python は C/C++の約 1/4 のパフォーマンスとなっている。perl は python に比べると約 25 %の性能ダウンとなっているが、それほど大きな差はないと言える。

c (PIV 2.8 GHz)
python (PIV 2.8 GHz)
ruby (PIV 2.8 GHz)c (PIII 500 MHz)python (PIII 500)
ruby (PIII 500)

Throughput (kB/sec.)

1000

100

10

1
10

100
Data size (kB)1000

図 5: スループットのデータサイズ依存性のテストを、 CPU Pentium IV 2.8 GHz の PC 上で行った場
合と、Pentium III 500 MHz の PC 上で行った場合の比較。

次に、CPU によってクライアントの性能がどの程度変化するかを評価する。この他に、メモリーや HDD の違いによる効果も測定したが、あまり影響はなかったため、CPU について集中的に調査した。図 5 は PIV 2.8 GHz 上と PIII 500 MHz 上でクライアントを動作させた場合の、スループットのデータサイズ依存性を示している。どのクライアントに対しても、PIII 500
MHz では、PIV 2.8 GHz の約 1/6 の性能となっており、大体 CPU クロックに比例していることが分かる。
続いて、CPU の SMP(Symmetric Multiple Processor) 設定を行った場合とそうでない場合の−249−

多チャンネル信号読み出しシステム

1000

Throughput (kB/sec.)

7.3

c client w/ SMP
python client w/ SMP
ruby client w/ SMPc client w/o SMP
python client w/o SMP
ruby client w/o SMP

100

10
10

100
Data size (kB)1000

図 6: スループットのデータサイズ依存性のテストの、PC の SMP 設定を行った場合と、行わなかった
場合の比較。

比較を行なう。図 6 にその結果を示す。SMP 設定を行なった方が 10 %程度パフォーマンスが上がることが分かる。

6.2.3
7.3.3

Channel Archiver サーバーのパフォーマンステスト

本節では Channel Archiver サーバーの性能試験を行なう。もっとも負荷が大きい平均処理にかかる時間を、さまざまな条件下で測定した。EPICS IOC は、60 ch の温度読み出しを 5 秒おきに行なうように設定した。この EPICS チャネルに対して、ある一定の時間幅に存在したデー
タを 50 点分のデータ点として取り出すこととした。平均操作の負荷を変えるためには、時間幅(タイムレンジ) を徐々に変化させることで達成できる。ちなみに、タイムレンジのスタート時
刻を変えるテストも行なったが、予想どおりほとんど影響はないことを確認している。
図 7 は、タイムレンジを変えた場合に、データ取得にかかった時間がどう変化したかを示している。最も高速な C クライアントが、一番サーバーのパフォーマンスを精密に測定できていることが分かる。1ヶ月以上にわたるデータを平均して取り出すと、大体 1 秒程度かかることが分かる。十分、実用の範囲内にあると言える。
図 8 は、クライアントと同様に CPU によるサーバー性能への影響を示している。4 秒以下のデータ取得時間の場合は、大体 PIII 500 MHz の CPU は PIV 2.8 GHz に比べて 1/3 程度の性能となっている。4 秒以上時間がかかる場合は PIII 500 MHz だけ急激にパフォーマンスが落ちている。このことを理解するために、SMP による影響を測定したのが、図 9 である。これを見ると、やはり 4 秒以上かかる場合に SMP なしの場合で急激に性能が落ちていることが分かる。
この 4 秒おきという時間は、サーバーがデータを書き込む周期と同程度である。よって、シン

−250−

第7章

Time to extract data (sec.)

10

ローカル制御システム

c client
python client
ruby client

1

0.1

0.01
1 hour 1E4 1 day 1E5 1 week 1E6 1 month 5 monthTime range (sec.)
図 7: データを取得するのにかかった時間の、タイムレンジ依存性。サーバの CPU は PIV 2.8 GHz である。

アプリケーション名
RawViewer
magnetT1Viewer
DataViewer
Graphics

用途
任意の EPICS チャネルのデータログを見るための GUI
電源制御用 GUI
ハドロンビームライン標的 T1 用の GUI
温度分布表示用 GUI。特にビームダンプ用
画像データ EPICS4 チャネル表示用 GUI
表 3: 開発中の GUI アプリケーション

グル CPU の場合において、サーバーによるデータ書き込みと、データ平均操作のプロセスが重なった場合に性能劣化が起きていると予測される。SMP を有効にすると、このコリジョンを避けられることが分かる。

7.3.4
6.2.4

GUI 環境およびそのアプリケーション

本節では、GUI 環境についておよびそのアプリケーションについて述べる。現時点で開発が進んでいる GUI アプリケーションの一覧を示したのが、表 3 である。どの GUI もすでに動作しておりテストもなされているが、すでにモックアップで使用されているものの内、代表的なGUI として T1Viewer と DataViewer をここでは取り上げる。
図 10 は、T1 標的用の GUI(T1Viewer) を示している。T1 標的は水冷の金属標的であり、冷4

Y. Yuasa (KHI) et al.,”A Monitoring System for a Gas-Sheet Beam Proﬁle Monitor on Linux with EPICS”,
Proceedings of ICALEPCS 2003, Gyeongju, Korea−251−

多チャンネル信号読み出しシステム

100
Time to extract data (sec.)

7.3

c client (PIV 2.8 GHz SMP server)
c client (PIII 500 MHz server)

10

1

0.1

0.01
1 hour 1E4 1 day 1E5 1 week 1E6 1 month 5 monthTime range (sec.)
図 8: データを取得するのにかかった時間の、タイムレンジ依存性を CPU Pentium IV 2.8 GHz の PC上で行った場合と、CPU Pentium III 500 MHz の PC 上 で行った場合の比較

却効率を上げるために、回転駆動させるデザインになっている5 。図より、回転数、標的ドライ
バーのトルクおよび回転周波数をモニターしている様子が分かる。T1 標的制御盤から各種信号に対応した DC 信号を取り出し、マルチプレクサーでデータとして取り込んでいる。また、同時に気温を K 型熱電対温度計で測定して、同じマルチプレクサーで読み込んでいる。左上のリ
アルタイムウィンドウにおいて現在の状態を表示し、それぞれの Histrical Trend ボタンを押すことで、履歴用のウィンドウがポップアップするようになっている。それぞれのウィンドウにおいて取り込む時間幅を設定することが可能であり、また、値の上限、下限を設定することもできる。安定して動作している様子が見える。実機仕様 T1 標的の長期安定動作試験の際に、上記のデータを常時モニターし記録することで、さまざまな問題点の洗い出しに貢献することができた。
図 11 はビームダンプモックアップ6 のために作成された GUI(DataViewer) を示している。ハ
ドロンホールビームダンプは 2000 mm 幅 x 2000 mm 高さ x 5000 mm 厚さの銅の鋳塊とその背後に鉄の鋳塊を設置した構造になる予定である。銅の鋳塊の最大厚さなどの事情によって、上記の銅は 2000 mm 幅 x 1000 mm 高さ x 200 mm 厚さの銅塊を 50 枚組み合わせて製作される。
今回のモックアップにおいては、上記の一枚分を模擬する目的で、1400 mm 幅 x 1000 mm 高
さ x 200 mm 厚さの銅塊が用意された。ビーム発熱を模擬するために、12.5 kW のヒータ 15 個を右下隅に設置し、銅塊を冷やす水配管が周辺に用意された。表面温度分布を測定するために、
48 個の熱電対が均等に設置された。左上がメインウィンドウであり、右下の発熱部分が最高温度になり、エッジが水冷されている様子が表示されていることが分かる。温度の上限、下限の5
6

詳細は T1 標的の章を参照のこと
詳細はビームダンプの章を参照のこと。

−252−

第7章

Time to extract data (sec.)

100

ローカル制御システム

c client (PIV 2.8 GHz w/ SMP)c client (PIV 2.8 GHz w/o SMP)

10

1

0.1

0.01
1 hour 1E4 1 day 1E5 1 week 1E6 1 month 5 monthTime range (sec.)

図 9: データを取得するのにかかった時間の、タイムレンジ依存性を SMP 設定ありの PC 上で行った場
合と、SMP 設定無しの PC 上 で行った場合の比較。

調節も行なえる。履歴の部分に関しては T1Viewer と同じスクリプト (TrendGraph) を利用している。温度が安定した後に、ヒーターオフして冷えていく様子が分かる。
上記のいずれの例に関しても、安定して現在の状態および過去の履歴を十分な性能で表示することができた。

−253−

7.3

多チャンネル信号読み出しシステム

図 10: T1 標的モックアップ用の GUI。

図 11: ビームダンプモックアップ用の GUI。

−254−

第7章

ローカル制御システム

7.4 ࠕ࠽ࡠࠣࡈࠖ࡯࠼ࡃ࠶ࠢࠪࠬ࠹ࡓ
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GP-IO2 ࠍ↪޿ߡᣂߒ޿ၮ᧼ࠍ૞ᚑߔࠆߎߣ╬߇਄ߍࠄࠇࠆ‫ޕ‬

−255−

7.4

アナログフィードバックシステム

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−256−

第8章

二次ビームラインと実験室╙㧤┨  ੑᰴࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߣታ㛎ቶ
8.1 2 ᰴࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦశቇ
8.1.1 ߪߓ߼ߦࡂ࠼ࡠࡦታ㛎ቶߩ࡟ࠗࠕ࠙࠻ߦߟ޿ߡ‫ ╙ޔ‬2 ᰴਛ㑆߹ߣ߼ߩᲑ㓏߆ࠄၮᧄ⊛ߥᄌᦝߪߥ޿‫ޕ‬ᑪ⸳ᒰೋߦ໑৻⸳⟎ߐࠇࠆ 2 ᰴࡆ࡯ࡓ↢ᚑᮡ⊛ T1 ߆ࠄ‫ޔ‬㧞ߟߩ⩄㔚 K ਛ㑆ሶࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߣ㧝ߟߩਛᕈ K ਛ㑆ሶࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦ߇⸳⟎ߢ߈ࠆࠃ߁ߦ⸳⸘ߐࠇߡ޿ࠆ‫ ╙ޕ‬2 ᰴਛ㑆߹ߣ߼ߩᤨᦼ߆ࠄߎࠇ߹
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8.1.2 K1.8 ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩ᭎ⷐ
K1.8 ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߪ‫ޔ‬
㧔K-,K+㧕෻ᔕࠍ↪޿ߚ;ࡂࠗࡄ࡯ᩭಽశታ㛎ࠍⴕ߁ߚ߼ߦ࠺ࠩࠗࡦߐࠇߚ‫ޕ‬⚛ㆊ⒟෻ᔕ‫ޔ‬p㧔K-,K+㧕;-‫ߩޔ‬෻ᔕᢿ㕙Ⓧ߇߽ߞߣ߽ᄢ߈ߊߥࠆ K ࡆ࡯ࡓߩㆇേ㊂ߪ 1.8GeV/c ߥߩߢ‫ޔ‬K1.8 ߪᦨᄢㆇേ㊂߇ 2GeV/c ߣߥࠆࠃ߁ߦ࠺ࠩࠗࡦߐࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬J-PARC ߢߪ‫ޔ‬Ფ⑽ 106 ୘⒟ᐲએ਄ߩᒝᐲࠍ߽ߟ K ࡆ࡯ࡓߩ೑↪߇ᦼᓙߢ߈ࠆ‫↢ޔߢߍ߆߅ޕ‬ᚑᢿ㕙Ⓧߩዊߐ޿;ࡂࠗࡄ࡯ᩭ
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ߦᄌᦝߐࠇߚ‫ࡓ࡯ࡆߡߞ઻ߦࠇߎޕ‬శቇ਄ߩౣ⺞ᢛ߇ߥߐࠇߚ‫ ߈ߣߩߎޕ‬K ਛ㑆ሶࡆ࡯ࡓߩಽ㔌ᑯ೎ࠍᡷༀߔࠆߚ߼ߦ㧤ᭂ㔚⏛⍹ߦࠃࠆ 3 ᰴߩశቇ෼Ꮕߩ⵬ᱜࠍ 1 บᒝൻߒߚ‫ޕ‬એਅߦ‫ ╙ޔ‬2 ᰴਛ㑆߹ߣ߼ߣ㊀ⶄߔࠆㇱಽ߇ᄙߊ޽ࠆ߇‫ޔ‬ᓳ⠌ࠍ౗ߨߡ‫⺑ߩࡦࠗ࡜ࡓ࡯ࡆޔ‬᣿ࠍⴕ߁‫ޕ‬ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߪ‫ޔ‬శቇߩᓎഀ਄‫ޔ‬㧝㧕ᦨ਄ᵹ㧔ࡈࡠࡦ࠻ࠛࡦ࠼㧕ㇱ‫ޔ‬㧞㧕╙ 1 ☸ሶᑯ೎ㇱ‫ޔ‬㧟㧕

−257−

2次ビームライン光学࿑㧝㧦K1.8 ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩ࡟ࠗࠕ࠙࠻

(cm)
25

K1.8 Beam Line Optics
D
1

Q
1

Q
2

D
2

Q
3

IF
I
F

Q S
4 1
O
1

F:5.656m
M:0.6@MS1
S Q
2 5

C
M
1

Vertical

W C
N O
D L
W

Q
6

C
M
2

D
3

M
S
1

(Beam envelope to the 1st Order)
F:5.038m
M:-0.8@MS2

Q S
7 3

S Q
4 8

O C
2 M
3

C
M
4

Q
9

O
3

Q
1
0

M
S
2

Q
1
1

D
4
A

D
4
B

D D
4 4
C D

Q Q
1 1
2 3

V
I

V
O

(cm/%)-25

FWCIOCCMOCCOMVFNOF1MMS2MM3SI
DL 121 34 2
W

QQDQQ
ES1

ES2

0

Horizontal

8.1

25
(cm)

1
3
.
0
9
9

7
.
6
0
0

7
.
4
0
9

1
7
.
4
6
5

7
.
9
0
0

8 0
. .
8 5
0 7
0 1

- 1 6
. .
4 5
3 1
6 5

7
.
6
3
9

1
4
.
1
1
6

- 5 1
. .
3 5
0 8
0 5

0 8
. .
2 6
5 6
0 0

1
0
.
6
2
7

9
.
7
8
9

7
.
9
9
5

࿑㧞㧦K1.8 ࡆ࡯ࡓࠛࡦࡌࡠ࡯ࡊ

−258−

1
5
.
0
1
0

1
5
.
0
1
0

1
5
.
0
1
0

1
5
.
0
1
0

Total Length:45.853 m

8
.
5
0
0

6
.
7
0
1

25
(cm/%)

第8章

二次ビームラインと実験室╙ 2 ☸ሶᑯ೎ㇱ‫ޔ‬㧠㧕ࡆ࡯ࡓㆇേ㊂ಽᨆㇱߦಽߌࠄࠇࠆ‫ᦨޕ‬਄ᵹㇱߪ‫ޔ‬DQQD ߣ޿߁ਗ߮ߩ㧞ߟߩ஍ะ㔚⏛⍹㧔D㧕ߣ㧞ߟߩ෼᧤㔚⏛⍹㧔Q㧕߆ࠄߥࠆ‫ޕ‬T1 ᮡ⊛ߢ↢ᚑߐࠇߚ K ਛ㑆ሶߪㆇേ㊂ࠍㆬ೎ߐࠇ‫ޔ‬ਛ㑆௝㧔IF㧕ࠬ࡝࠶࠻ߩߣߎࠈߢ❑㧔Y㧕ᣇะߦ෼᧤ߐࠇࠆ‫ޕ‬T1 ᮡ⊛ߢ⸃᡼ߐࠇߚ㧝ᰴࡆ࡯ࡓߩࡄࡢ࡯㧔⚂ 225 㨗W㧕ߦࠃߞߡ⋥ਅᵹߩ㔚⏛⍹߇⊒ᾲߒߥ޿ࠃ߁ߦ‫ޔ‬T1 ߣᦨೋߩ஍ะ㔚⏛⍹㧔D1㧕ߩ㑆ߦචಽߥෘߐߩ㌃ࠦ࡝ࡔ࡯࠲߇⸳⟎ߐࠇࠆ‫ߦ߁ࠃߩߎޕ‬ᄢ߈ߥࡆ࡯ࡓࡄࡢ࡯߇⸃᡼
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−259−

8.1

2次ビームライン光学࿑㧟㧦K1.8 ࡆ࡯ࡓㆇേ㊂ಽᨆེߩ࡟ࠗࠕ࠙࠻‫ޕ‬VO ߆ࠄ VI ߳"Point-to-point”శቇ߇ᚑࠅ┙ߟ‫ޕ‬   ௝୚₸ߪ R11=-0.44‫ޔ‬ಽᢔߪ R16=1.57cm/%‫ޕ‬࿑㧠㧦Decay TURTLE ߦࠃࠆ FF ߢߩ K ࡆ࡯ࡓࡊࡠࡈࠔࠗ࡞

−260−

第8章

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(cm)
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0.8
8
Q1
0.6
8
Q2
0.8
10
D2
0.9
12
Q3
0.5
10
O1
0.15
12.5
Q4
0.5
10
S1
0.2
12.5
CM1
0.2
20
ES1
6
10
CM2
0.2
20
S2
0.2
12.5
Q5
0.5
12.5
Q6
0.5
15
D3
1.485
17
Q7
0.4
10
O2
0.15
15
S3
0.2
15
CM3
0.2
20
ES2
6
10
CM4
0.2
20
S4
0.2
15
Q8
0.6
12.5
O3
0.15
15
Q9
0.9
12.5
Q10
0.9
10
Q11
0.6
10
D4
4.468
10
Q12
0.6
10
Q13
0.6
10

⏛႐@⏛ᭂ(kG)@1.8 GeV/c
13.09887
6.08-7.40917.46517
7.9
1.0
-8.8
0.571

-1.436
8.2
9.1666-14.11575-5.3
1.75-1.585

0.25
-8.9
1.25
10.35
9.789
-7.99515.0102
8.5
6.701

−261−

二次ビームラインと実験室஻⠨E E=0 New(4D216SM)
New(NQ312M)
New(NQ416M)
E E=0 New(4D318SM)
ᣥ K2Q6(Q410)
New(O503)
ᣥ K2Q7(Q410)
New(SX504)
New or ᣥ K6CM1(4D604V)
New or ᣥ K6CM2(4D604V)
ᣥ K6SX(SX504)
ᣥ K2Q4(Q510)
ᣥ K4Q7(Q610)
E E=0, R1=R2=1.3333m (Sirene)
ᣥ K2Q3(Q408)
New(O603)
New(SX604)
ᣥ K6CM1 or New
ᣥ K6CM2 or New
New(SX604)
ᣥ K6Q4(Q512)
New(O603)
ᣥ K6Q3(Q518)
ᣥ K6Q6(Q418)
ᣥ K6Q7(Q412)
E qE=0, A12(SPES-I)
ᣥ K6Q8(Q412㧕
ᣥ K6Q9(Q412㧕

8.1

2次ビームライン光学

E

B
A
Beam

D

FP

C

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−262−

第8章

二次ビームラインと実験室࿑㧣㧦❑ࠬ࡝࠶࠻ߩ᧚ᢱߩ㆑޿ߦࠃࠆ K ᒝᐲ߿ K/Sߩ㆑޿‫ޕ‬ᮮゲߩ⇛ሼߩᗧ๧ߪᰴߩߣ߅ࠅ‫ޕ‬
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B
C
D
E
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IF
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MS1
4.5
300
100
10.9
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HM
MS2
4.8
400
100
9.2
100
HM

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Sanford-Wang ߩᑼࠍ↪޿ߡ᳞߼ߚ‫ޕ‬࿑㧢ߪ‫ޔ‬MS2 ⋥ᓟߣ FF ߢߩ K/SᲧߣ K ᒝᐲߦߟ޿ߡ‫ޔ‬MS2 ߩᒻ⁁ࡄ࡜ࡔ࡯࠲ߦኻߔࠆଐሽᕈ
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‛⾰ߦኻߔࠆଐሽᕈࠍ␜ߒߚ‫ޔࠄ߆ࠇߎޕ‬ኒᐲߩ㜞޿࠲ࡦࠣࠬ࠹ࡦว㊄߇ᦨ߽ࠃ޿ㆬᛯߢ޽ࠆߎߣ
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50-GeV‫ޔ‬15ǴA(30-GeV‫ޔ‬9ǴA) 1 ᰴ㓁ሶࡆ࡯ࡓ߇ 54 mm 㐳ߩ࠾࠶ࠤ࡞ᮡ⊛ߦᾖ኿ߐࠇߚ႐วߦ
ᦼᓙߐࠇࠆࡆ࡯ࡓᒝᐲ߅ࠃ߮ K/ǸᲧ߇߹ߣ߼ࠄࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬

−263−

8.1

2次ビームライン光学⴫㧟㧦K1.8 ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦࡄ࡜ࡔ࡯࠲ߣᦼᓙߐࠇࠆ K- ᒝᐲ‫ޔ‬K/ǸᲧ‫ޕ‬K- ߩ↢ᚑᢿ㕙Ⓧߪ
Sanford-Wang ߩᑼࠍ↪޿ߚ‫ޕ‬ᒝᐲߩන૏ߪࡄ࡞ࠬ޽ߚࠅߩ☸ሶᢙ㧔ppp㧕‫ޕ‬1 ࡄ࡞ࠬߩ㑆㓒ߪ 3.53 ⑽ߣߒߚ‫ޕ‬K/ǸᲧߪ‫ޔ‬㕒㔚࠮ࡄ࡟࡯࠲ߩ㔚⇇ᒝᐲ߇ 750k㨂/10cm ߣߒߡ⷗Ⓧ߽ࠄࠇߚ‫ߩ࠻࠶࡝ࠬޕ‬ᒻ⁁‫ޔ‬㐿ᐲߩ᧦ઙߪ⴫㧞ߩߣ߅ࠅߢ޽ࠆ‫̌ࠆࠁࠊ޿ޔߚ߹ޕ‬Cloud Ǹ̍ߩലᨐߪ⠨ᘦߐࠇߡ޿ߥ޿‫ޕ‬
2.0 GeV/c
ᦨᄢㆇേ㊂50-GeV 15 PA
30-GeV 9 PA
45.853 mో㐳
K ᒝᐲ@FF
1.8 GeV/c
6.6E+6 ppp
1.4E+6 ppp
ࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬ
1.4 msr࡮%
0.6
1.1 GeV/c
0.38E+6 ppp
0.08E+6 ppp
௝୚₸㧬MS1-0.8
௝୚₸㧬MS㧞K / Ǹ @FF20 mm
1.8 GeV/c87ᮮࡆ࡯ࡓ rms ᏷㧬FF
3 mm
❑ࡆ࡯ࡓ rms ᏷㧬FF
ࡆ࡯ࡓᒝᐲ@MS2
㧪33E+6 ppp
㧪8E+6 ppp࿑㧤㧦K1.8BR ࡆ࡯ࡓࠛࡦࡌࡠ࡯ࡊ

−264−

第8章

二次ビームラインと実験室⴫㧠㧦K1.8BR ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦࡄ࡜ࡔ࡯࠲ߣᦼᓙߐࠇࠆ K- ᒝᐲ‫ޔ‬K/ǸᲧ‫ޕ‬K/ǸᲧߪ‫ޔ‬㕒㔚࠮ࡄ࡟࡯࠲ߩ㔚⇇ᒝᐲ߇ 500k㨂/10cm ߣߒߡ⷗Ⓧ߽ࠄࠇߚ‫ߩ࠻࠶࡝ࠬޕ‬ᒻ⁁‫ޔ‬㐿ᐲߩ᧦ઙߪ
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1.2 GeV/c
ᦨᄢㆇേ㊂50-GeV 15 PA
30-GeV 9 PA
27.573 mో㐳K- ᒝᐲ@FF
1.1 GeV/c
5.5E+6 ppp
1.2E+6 ppp
ࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬ
2.5 msr࡮%
0.6
0.8
GeV/c
1.0E+6ppp
0.2E+6 ppp
௝୚₸㧬MS1
K / Ǹ @FF
5.9 mm
1.1 GeV/c
7.5
6.8ᮮࡆ࡯ࡓ rms ᏷㧬FF
2.9 mm❑ࡆ࡯ࡓ rms ᏷㧬FF
ࡆ࡯ࡓᒝᐲ@D3out
㧪30E+6 ppp
㧪8E+6 ppp࿑㧥㧦Decay TURTLE ߦࠃࠆ K1.8BR-FF ߢߩ K ࡆ࡯ࡓࡊࡠࡈࠔࠗ࡞

−265−

8.1

2次ビームライン光学⴫㧡㧦K1.8BR ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦ㔚⏛⍹৻ⷩ‫ޕ‬D1㨪D3 ߹ߢߪ K1.8 ߣ౒᦭
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஻⠨
(m)
(cm)
@1.1 GeV/c
D1
0.8
88.00487E E=0Q1
0.6
84.6444Q2
0.8
10-4.52772
D2
0.9
1210.67316
E E=0Q3
0.5
104.82778
O1
0.15
12.5
0.9
Q4
0.5
10
-5.37778
S1
0.2
12.5
0.21389
CM1
0.2
20
ES1
6
10
CM2
0.2
20
S2
0.2
12.5
-0.87756
Q5
0.5
12.5
5.0
Q6
0.5
15
6.187
D3
1.485
17
8.62629E E=0, R1=R2=1.3333m
S3
0.2
10
0.48767
ᣥ K2SX(SX404)
Q7
0.3
7.5
-5.64606
㧔Q408㧕
D4
1.988
20
19.32805
ᣥ K6D2(8D440S)
Q8
0.4
10
8.09967
ᣥSPQ4㧔Q408㧕

8.1.4 K1.8BR ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦ
K1.8BR ߪ‫ޔ‬K1.8 ߆ࠄಽጘߒߡ޿ࠆࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߢ‫ޔ‬MS1 ߹ߢࠍ K1.8 ߣ౒᦭ߒ‫ ߪࡓ࡯ࡆޔ‬D3
ߢ K1.8 ߣ෻ኻᣇะߦ஍ะߐࠇࠆ‫ޕ‬D3 ߦ⛯޿ߡ‫ޔ‬SQDQ ߩశቇ♽ࠍㅢߒߡታ㛎ᮡ⊛ߦࡆ࡯ࡓࠍዉ
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ߢ᳞߼ߚ⴫㧝ߣหߓ߽ߩࠍ઒ቯߒߚ‫ޔߒߛߚޕ‬MS1 ߩ㐿ᐲߦߟ޿ߡߪ⧯ᐓ⺞ᢛߒ 4.66mm ߣߒߚ‫ޕ‬߹ߚ‫ߩ࠲࡯࡟ࡄ࠮ޔ‬㔚⇇ᒝᐲߪ 500㨗V/10cm ߣߒߚ‫⴫ޕ‬㧠ߦߪ‫ޔ‬K1.8BR ߦኻߔࠆਥߥࡆ࡯ࡓ࡜
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−266−

第8章

−267−

二次ビームラインと実験室

8.2

静電型粒子分離装置(ES セパレータ)

−268−

第8章

−269−

二次ビームラインと実験室

8.2

静電型粒子分離装置(ES セパレータ)

8.2.3 ES ࠮ࡄ࡟࡯࠲⚵┙ߡES ࠮ࡄ࡟࡯࠲ߪ‫ޔ‬೨㗄ߦ⸥ߒߚࠃ߁ߦ㔚ᭂ‫⌀ޔ‬ⓨኈེࠍ 3m න૏ߢ⵾૞ߒ‫ޔ‬ੑߟࠍ❬߉วࠊߖ
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100mm ߣߥࠆࠃ߁ߦ⸳⟎ߔࠆ‫ޕ‬i.
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ii.

iii.

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6m 㐳 ES ࠮ࡄ࡟࡯࠲ߣߒߡߩㅪ⚿‫⚵ޔ‬ߺ┙ߡa. ၮḰߣߔࠆ 3m 㐳ߩਅᵹ஥ࠍ᳓ᐔ
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ኈᤃߣߥࠆ‫ޕ‬࠼ߒㅪ⚿ߩࡈ࡜ࡦࠫࠍวࠊߖߡࡏ
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−270−

第8章

二次ビームラインと実験室㔚ᭂߣ SUS 㔚ᭂߣߩ㑆㓗߇ 100mm ߢ޽ࠆߎߣࠍ⏕⹺ߔࠆ‫ޕ‬ಲಳߪ‫ޔ‬3m න૏ߢߩขࠅઃߌᓟߦ᷹ቯߒߚᤨߣห᭽ߦᦨᄢ 0.3 mm ߢ޽ߞߚ‫ޕ‬⚵ߺ਄߇ࠅቢᚑᓟߩో᥊ࠍ࿑㧥ߦ␜ߔ‫ޕ‬࿑㧥 3m න૏ߩ਄ᵹ஥ߣਅᵹ஥ࠍㅪ⚿ߒ⚵਄ߍߚ 6m 㐳 ES ࠮ࡄ࡟࡯࠲ߩో૕౮⌀‫ޕ‬㜞㔚࿶⊒↢ⵝ⟎ࠍขઃߌߡ޿ࠆᣇ߇ਅᵹ஥ߢ޽ࠆ‫ޕ‬

8.2.4 ࡔࡦ࠹࠽ࡦࠬ
⵬ୃ߿ᡷㅧߪ‫ޔ‬ⵍ῜ߩૐᷫߣ૞ᬺ
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ߣߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬਄ᵹ஥ߣਅᵹ஥ߩᯏེ
߆ࠄ⌀ⓨߩ❬߉ࠍಾࠅ㔌ߒߚᓟ‫ޔ‬ES࠮ࡄ࡟࡯࠲ߪኾ↪ษࠅౕߦࠃࠅࠢ࡟
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ో૕ࠍᡰ߃ࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆਥ᨞บߣ‫ޔ‬
3m න૏ߢಾࠅ㔌ߒߚ႐วߦߘࠇߙ
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᨞บߩ਄ࠍࠬ࡜ࠗ࠼ߔࠆࠃ߁ߦߒߚ‫ޕ‬߹ߚ‫ޔ‬਄ᵹ┵ߣਅᵹ┵ߩࡈ࡜ࡦࠫߪ
㐿㐽߇ኈᤃߦߥࠆࠃ߁ߦᚺ᭴ㅧߣߒ
ߡ޿ࠆ‫ޕ‬

࿑㧝㧜 ᨞บߩߺࠍ⚵਄ߍߚ౮⌀‫ޕ‬Ꮐ߇ਅᵹ஥‫ޔ‬ฝ߇਄ᵹ஥ߢ޽ࠆ‫ޕ‬ਛᄩߩㅪ⚿ߩ᪞ࠍᄖߒ‫ޔ‬3m න૏ߢษࠆ੐
߽ߢ߈ࠆ‫ޕ‬౮⌀਄ඨಽߪኾ↪ߩษࠅౕ‫ޕ‬

−271−

8.2

静電型粒子分離装置(ES セパレータ)

8.2.5 㜞㔚࿶⊒↢ⵝ⟎ߩන૕ߢߩ㔚࿶ශน⹜㛎㔚࿶ଏ⛎ㇱࠍ࠮࡜ࡒ࠶ࠢ઀᭽ߣߒߚᱜߣ⽶ߩࠦ࠶ࠢࠢࡠࡈ࠻࠙ࠜ࡞࠻ࡦဳߩ㜞㔚࿶⊒↢ⵝ⟎ߦߟ޿ߡ‫ࠍࠇߙࠇߘޔ‬න૕ߢએਅߩ⹜㛎ࠍⴕߞߚ‫ޕ‬[A] ⌀ⓨ⹜㛎[B] 㜞⌀ⓨ⁁ᘒߢߩ 200kV ߹ߢߩࠦࡦ࠺࡚ࠖࠪ࠾ࡦࠣ
[C] He-Ne ⛘✼ࠟࠬࠍዉ౉ߒᦨᄢቯᩰ 400kV ߹ߢߩࠦࡦ࠺࡚ࠖࠪ࠾ࡦࠣ
[D] ᦨᄢቯᩰ 400kV ߢߩ 8 ᤨ㑆ㅪ⛯ශน⹜㛎[E] ฦ⒳⛘✼ࠟࠬߦࠃࠆ‫ޟ‬ዉ౉ࠟࠬ࿶ߣ㔚࿶․ᕈ‫⹜ߩޠ‬㛎⹜㛎ߦߪ‫ޔ‬ਅ஥ߩ SUS 㔚ᭂߦ㔚࿶ࠍଏ⛎ߔࠆߚ߼ߦ⵾૞ߒߚࠨࠗ࠼࠴ࠚࡦࡃ࡯ࠍ೑↪ߒߚ‫ޕ‬ᱜᭂ⽶ᭂߣ߽ߦ‫ᦨޔ‬ᄢቯᩰߩ 400kV ߩශนߦᚑഞߒ‫ޔ‬㧤ᤨ㑆ߩㆇォߦ߅޿ߡ߽ṳࠇ㔚ᵹ 10ǴA એ਄ߩ⽶⩄ࠍ↢ߓࠆ᡼㔚㗫ᐲߪ㧝ᤨ㑆ߦᢙ࿁⒟ᐲߣዋߥߊ‫⦟ޔ‬ᅢߥ⚿ᨐࠍᓧߡ޿ࠆ‫⽶ޔߛߚޕ‬ᭂߦߟ޿ߡߪ㜞㔚࿶ଏ⛎ㇱಽߩ⌀㎕ߩ⚛᧚߇⴫㕙ߦ಴ߚ߹߹ߢߪ㜞㔚࿶ࠍශนߔࠆ੐߇㔍ߒ߆ߞߚ‫ޕ‬ታ㓙ߩ૶↪⁁ᘒߣห᭽ߦ‫࠻ࠗࡑ࡞ࠕޔ‬ಣℂߐࠇߚࠕ࡞ࡒ࠾࠙ࡓߩ଻⼔ࠞࡃ࡯ࠍขࠅઃߌࠆߎߣߦࠃࠅ‫ᦨޔ‬
ᄢቯᩰ 400kV ߹ߢ቟ቯߦශนߢ߈ߚ‫ޕ‬㧔࿑㧝㧝㧕࿑㧝㧝 㧔Ꮐ㧕ࠨࠗ࠼࠴ࠚࡦࡃ࡯ౝߩࠦ࠶ࠢࠢࡠࡈ࠻࠙ࠜ࡞࠻ࡦဳߩ⽶ᭂߩ㜞㔚࿶⊒↢ⵝ⟎ߩ㜞㔚࿶⊒↢ㇱಽ‫⌀ޕ‬㎕ߩ㔚ᭂߘߩ߹߹ߩ⁁ᘒ‫ޕ‬㜞㔚࿶ߦ߅޿ߡਇ቟ቯ‫ޕ‬㧔ฝ㧕㔚ᭂవ┵ㇱಽߦࠕ࡞ࡑࠗ࠻ಣℂߐࠇߚࠕ࡞ࡒ࠾࠙ࡓ଻⼔ࠞࡃ࡯ࠍขࠅઃߌࠆ‫ޕ‬ታᯏߦ⚵ㄟ߻㓙ߦ߽ߎߩ⁁ᘒߢ૶↪ߔࠆ‫ᦨޕ‬ᄢቯᩰ 400kV ߦ߅޿ߡ߽቟ቯ‫ޕ‬⸳ቯ㔚࿶ߦኻߒ‫ޔ‬ዉ౉ࠟࠬ࿶ࠍਅߍߡⴕߊߣ᡼㔚߇ᆎ߹ࠆ‫ޕ‬ᰴߦዉ౉ࠟࠬ࿶ࠍᓢ‫ߦޘ‬਄ߍ᡼㔚߇ᴦ߹ࠆࠟࠬ࿶ࠍ⸥㍳ߒߚ‫ޕ‬࿑㧝㧞ߦ‫ޔ‬He-Ne ᷙวࠟࠬߢᓧࠄࠇߚ․ᕈᦛ✢ࠍ␜ߔ‫ޔߦઁޕ‬He‫ޔ‬Ne‫ޔ‬Ar‫ޔ‬N2‫ޔ‬SF6‫⹜ߢ╬ޔ‬㛎ࠍⴕߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬

−272−

第8章

二次ビームラインと実験室ශน㔚࿶䇭㪲㫂㪭㪴䉧䉴࿶㩷㪄㩷⠴㔚࿶䇭․ᕈᦛ✢
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300

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8.2.6 ੹ᓟߩ੍ቯ
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−273−

8.3

実験室概要

−274−

第8章

二次ビームラインと実験室ߣߘߩ⋥೨ߦ⸳⟎ߔࠆฦ⒳ࡕ࠾࠲࡯ߩࡈࡠࡦ࠻ࠛࡦ࠼ㇱ߇ਥߥ↪ㅜߢ޽ࠆ߇ࠬ࠹࡯ࠫߦ㓏Ბࠍ⸳ߌࠆߎߣߢ - ታ㛎ࠛ࡝ࠕߩ㕖Ᏹญ߆ࠄ࿾਄߳⣕಴ߔࠆ⚻〝ࠍ⏕଻ߔࠆߎߣ߽ߢ
߈ߚ‫ޕ‬

−275−

8.4

SKS冷凍システムと移設

8.4

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Before reconstruction

Not to be used

After reconstruction

GM cooler forshield (reuse)

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−276−

4K GM-JT cooler
3.5 W @ 4.3 K(new)

GM cooler for
power lead (new)HTC power
lead (new)第8章

二次ビームラインと実験室ළߩߚ߼ߩ⓸⚛ࠛࡃࡐ࡟࡯࠲࡯ߣߎࠇࠄࠍㆇォ࡮೙ᓮߔࠆߚ߼ߩᄢដ߆ࠅߥ೙ᓮ♽ࠃࠅߥࠆ‫ࠃߩߎޕ‬߁ߥᄢⷙᮨߩ಄ಓࠪࠬ࠹ࡓࠍ⒖⸳ߦ઻޿‫ޔ‬㔚⏛⍹࡛࡯ࠢ਄ߦ⸳⟎ߒߚ㧟㧙㧠บߩ GM-JT ಄ಓᯏߦࠃࠆᶧ૕ࡋ࡝࠙ࡓ⁁ᘒࠍ⛽ᜬߔࠆ಄ಓࠪࠬ࠹ࡓߦᄌᦝߔࠆ㧔࿑ 8-4-1㧕‫ߩߎޕ‬ᄌᦝᓟߪ㜞࿶ࠟࠬ଻቟಄ಓೣߩ╙ੑ⒳⵾ㅧ⠪ߦ⋧ᒰߔࠆ‫ߩࠄࠇߎޕ‬಄ಓᯏߦᔅⷐߥ࿶❗ᯏ߿ㆇォ⁁ᘒࠍࡕ࠾࠲࡯ߔࠆࡕ࠾
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 4K GM-JT ዊဳ಄ಓᯏߦࠃࠆ಄ළᣇᑼࠍណ↪ߒߚ႐ว‫ޔ‬એਅߩࠃ߁ߥ೑ὐ߇޽ࠆ‫ޕ‬(1) 4K GM-JT ዊဳ಄ಓᣇᑼࠍណ↪ߒߚ႐วߪ‫⃻ޔ‬࿷ߩ⿥વዉ㔚⏛⍹ߣ 300 W ಄ಓࠪࠬ࠹ࡓࠍߔ
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−277−

8.4

SKS冷凍システムと移設

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8.4.4 ᡷㅧ࡮⒖⸳૞ᬺ ̆੹ᓟߩ੍ቯ̆
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−278−

第8章

二次ビームラインと実験室

8.5  SKS ࠬࡍࠢ࠻ࡠࡔ࡯࠲ࠪࠬ࠹ࡓ ೨㗄ߦ⺑᣿ߒߚࠃ߁ߦ‫ޔ‬SKS ⿥વዉ㔚⏛⍹ߪᣂߒ޿಄ಓᯏࠪࠬ࠹ࡓߦᦝᣂ࡮ᡷㅧ߇ⴕࠊࠇ J-PARCߢ↪޿ࠄࠇࠆ‫ޕ‬ᣂ಄ಓᯏࠪࠬ࠹ࡓ߳ߩᄌᦝߦࠃߞߡ‫ޔ‬SKS ߩ⸳⟎૏⟎ߪᲧセ⊛⥄↱ߦᄌᦝน⢻ߦߥࠆߣᦼᓙߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬ታ㛎ߦᔕߓߡ‫ޔ‬SKS න૕ߢ↪޿ࠆ႐ว߽޽ࠇ߫‫ޔ‬SKS એᄖߩ㔚⏛⍹ࠍ૶޿ߚ޿
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8.5.1  SksPlus ࠬࡍࠢ࠻ࡠࡔ࡯࠲
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GeV/c ߣߥࠆ‫৻ޕ‬ᣇ‫゠ޔ‬㆏ඨᓘ 1m, Bending
Angle 100qߣ޿߁⃻࿷ߩ SKS ߩ᭴ᚑߢߪ‫ᦨޔ‬㜞⏛႐ߩ 2.7T ࠍ૶↪ߒߡ߽ Bending Power߇⿷ࠅߥ޿‫゠ߢߎߘޕ‬㆏ࠍᄖ஥ߦߕࠄߒ‫ޔ‬SKS⏛⍹ߩ೨ߦ 80cm ⒟ᐲߩ᏷ࠍᜬߟ 1.5 T ⒟ᐲߩ
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㧞㧚SKS ߩࠦࠗ࡞ߦਈ߃ࠆ㔚⏛ജߩᓇ㗀ࠍ⷗Ⓧ߽ࠅ‫ߩߤޔ‬⒟ᐲ㔌ߒߡ⸳⟎ߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ߆㧫

࿑ 8-5-2 ⏛႐⸘▚ߦ↪޿ߚ࡛࡯ࠢ࡮ࠦࠗ࡞ߩᒻ⁁‫ߪ࡞ࠗࠦޕ‬㧝ߟ޽ߚࠅ‫ޔ‬140 x 280 mm ߩᢿ㕙ࠍ઒ቯ‫ޕ‬㔚ᵹߪ 8A/mm2 ߣߒߡ⸘▚ࠍⴕߞߚ‫ޕ‬

−279−

8.5

SKSスペクトロメータシステム

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−280−

第8章

二次ビームラインと実験室ⷐ⚛߇ߥ޿ߚ߼‫࡞࠺ࡕޔ‬ⓨ㑆ࠍᐢߊขࠆᔅⷐ߇޽ࠆ߇‫ߦ࡞ࠗࠦޔ‬௛ߊ㔚⏛ജߪ‫ޔ‬ANSYS ߩਛߢ⸘▚ߢ߈ࠆ‫৻ޕ‬ᣇ‫࡞ࡖࠪࡦ࠹ࡐ࡯࡜ࠞࠬޔ‬ᴺߪ‫ޔ‬㔚ᵹḮߪ‫⏛ޔ‬ᕈ૕࡮ⓨ㑆ߩⷐ⚛ߣߪ‫ޔ‬೎ߦቯ⟵ߢ߈‫ߐޔ‬ࠄߦ‫ޔ‬ή㒢㆙ⷐ⚛߽޽ࠆߩߢ‫࡞ࠗࠦޔߒ߆ߒޕ޿ߔ߿ߒߪࠣࡦ࡝࠺ࡕޔ‬㧔㔚ᵹḮ㧕ߦ௛ߊ㔚⏛ജߪ‫ޔ‬
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−281−

8.5

SKSスペクトロメータシステム

޿ߩߢ‫ࡘࠪ࠶ࡔޔ‬ಽഀᢙߥߤࠍหߓߦߒߡ‫ߟ߆ޔ‬น⢻ߥ㒢ࠅ⚦߆ߊಽഀࠍⴕߞߡᲧセߒߚ‫ޕ‬ ࠬࠞ࡜࡯ࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞ᴺߦࠃࠆ⚿ᨐࠍ⴫ 8-5-2ߦ␜ߔ‫ޕ‬
 D ⏛⍹ߩ〒㔌߇ 550 mm ߩ႐ว‫ޔ‬D ⏛⍹ߦㄭ޿஥ߩ CL03 ߦኻߔࠆ㔚⏛ജߪ‫ޔ‬ήߒߩ႐วߦᲧߴ
ߡ‫᦭ޔ‬ᗧߥᄌൻ߇޽ࠆ‫〒ޔߒ߆ߒޕ‬㔌ࠍ 950 mm ߦߣࠇ߫‫⏛ޔ‬⍹ߥߒߩ႐วߣߩ᦭ᗧߥᏅߪߥߊߥࠅ‫ޔ‬⸵ኈ▸࿐ౝߦ෼߹ߞߡ޿ࠆ‫⸵ޔߒߛߚޕ‬ኈ⩄㊀ߪ⸘▚ߦࠃࠆ⺋Ꮕߦኻߒߡ૛⵨ߪߥ޿ߩߢ‫੹ޔ‬ᓟߐࠄߦ⹦⚦ߥᬌ⸛ࠍⷐߔࠆ‫ޕ‬ ࿑ 8-5-3, 8-5-4 ߦ 950 mm ߩ႐วߢߩ D ⏛⍹

࿑ 8-5-5 SKS ߣㅊടߔࠆ D ⏛⍹ߩ㈩⟎‫ޕ‬ਔㅊടߦࠃࠆ㔚⏛ജߩᄌൻࠍߘࠇߙࠇߩ⸘▚ᴺߢ⸘⠪ߩ〒㔌ࠍᄌ߃ߡ⏛႐⸘▚ࠍⴕߞߚ‫ߩߎޕ‬▚ߒߚ⚿ᨐࠍ␜ߔ‫࡞ࠗࠦޕ‬ᒰߚࠅ 1 ࠻ࡦ⒟ᐲߩᄌ

࿑ߢߪ 950 mm‫ޕ‬ൻߣߥࠆ‫ޕ‬⴫ 8-5-2 ࠬࠞ࡜࡯ࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞ᴺߦࠃࠆ D ⏛⍹૏⟎ߩ㆑޿ߦࠃࠆࠦࠗ࡞ߦ௛ߊ㔚⏛ജ‫ޕ‬㧔ࠦࠗ࡞ᒰߚࠅ㧕                                      㧔࠻ࡦ㧕
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−282−

第8章

⴫ 8-5-3

二次ビームラインと実験室D ⏛⍹ㅊടߦࠃࠆࠦࠗ࡞ߦ௛ߊ㔚⏛ജߩᄌൻ㧔ࠬࠞ࡜࡯ࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞ᴺ㧕㧔࠻ࡦ㧕
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⴫ 8-5-4

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E3 (950mm)

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CL01

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−283−

8.5

SKSスペクトロメータシステム

8.5.4  SksPlus ࠬࡍࠢ࠻ࡠࡔ࡯࠲ߩࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬߣಽ⸃⢻ એ਄߆ࠄ‫ޔ‬950 mm 㔌ߖ߫‫ߦ࡞ࠗࠦޔ‬௛ߊ㔚⏛ജߪ⸵ኈ▸࿐ౝߦ෼߹ࠅߘ߁ߢ
޽ࠆ‫ߩߎޔߢߎߘޕ‬㈩⟎ߢ ANSYS ߢ⸘▚ߐࠇߚ⏛႐ಽᏓߣ Geant4 ࠍ↪޿ߡ‫ޔ‬ࠬࡍࠢ࠻ࡠࡔ࡯࠲ߩࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬߣಽ
⸃⢻ࠍ᳞߼ߚ‫ޕ‬઒ቯߪ‫ޔ‬એਅߩߣ߅ࠅߢ
޽ࠆ‫ޕ‬㧝㧚SKS ਅᵹߩᬌ಴ེߪᣢሽߩᬌ಴ེ
ࠍ૶߁ߣߒߡ‫ޔ‬ᣢሽߩᬌ಴ེߩᄢ
߈ߐࠍ઒ቯ‫ޕ‬㧞㧚D ਄ᵹߪ‫ޔ‬u-u’-v-v’-x-x ߩ 6 㕙
㧟㧚D ߣ SKS ߩ㑆ߦߪ‫ޔ‬x ߩ㧠㕙㧠㧚᷹ቯ૏⟎ಽ⸃⢻ߪ‫ޔ‬0.3mm (rms)࿑ 8-5-6 SksPlus ࠬࡍࠢ࠻ࡠࡔ࡯࠲‫ޕ‬ᬌ಴ེ╬ߩ㈩⟎ߪ‫ޔ‬࿑ 8-5-6 ߦ␜ߔ‫ޕ‬࿑ 8-5-7 ߦ␜ߔࠃ߁ߦㆇേ㊂㗔ၞ 1.3 GeV/c ઃㄭߢ┙૕ⷺ 30msr,
ಽ⸃⢻'p/p=0.17% (FWHM) ߣߥߞߚ‫ޕ‬

࿑ 8-5-7 ࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦߦࠃࠆ SksPlus ߩࠕࠢ࠮ࡊ࠲ࡦࠬߣㆇേ㊂ಽ⸃⢻‫ޕ‬−284−

Appendix

Appendix
A.1 ࠬࠤࠫࡘ࡯࡞

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−285−

A.1

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Appendix

−287−

A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

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Appendix࿑ 2㧦ㆤ⭁㋕ࡉࡠ࠶ࠢߩ⩄ਅࠈߒ૞ᬺ㧔ᐔᚑ 18 ᐕ 3 ᦬㧕
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A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック㨇ෳ⠨⾗ᢱ㧦ᐔᚑ 18 ᐕ 4 ᦬ߩ⨙ၔ⋵߳ߩ⺑᣿⾗ᢱ㨉
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ᐕᐲ
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2007
2700

2008
4500

2009
810

2010
130

2011
130

2012
130

2013
130

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−290−

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8530

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−291−

A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

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Elements
Metal
Dust
Slag
productH
5-15
00
C,Cr,Fe,Co,Ni,Mo,Tc,
99-1000-1
0Ru,Ag,W,Ir,
Na,K,Cs
050-100
0-50
P
9-48
2-4
50-87
S
6-25
1-5
74-89
Cl,I
0
0-50
0-50
Ca,Sc,Sr,Y,Zr,Nb,Ba,Ce,Pm,Sm,Eu
02.5-7.5
92.5-97.5
Gd,Tb,Tm,Ta,Ra,Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,
Am,Cm,Bk,Cf,Es
Mn
96-99
0-1
0-4
Zn
1-3
97-100
0
As
50-90
10-50
0
Se
89.5-96.5
3.5-10.5
0
Cd,Po
0
100
0
Sn
98.5-99.5
0.5-1.5
0
Sb
2-6
94-98
0
Te
40-60
40-60
0
Os
2.5-7.5
92.5-97.5
0
Tl,Pb
4-10
90-96
0
Bi
3-7
93-97
0

Volatile
85-95
0
0
0
0
0-100
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

2㧕Duratek ␠ߩ⹏ଔ⚿ᨐ
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 5 ୘ߩ㋕ࡉࡠ࠶ࠢ㧔S007B‫ޔ‬S008A‫ޔ‬S014B‫ޔ‬S016B‫ޔ‬S033A㧕ߦߟ޿ߡ੹࿁⹜㛎 ߩ୯ߣߒߡ‫ޔ‬ฦ㋕ࡉࡠ࠶ࠢߩ IAEA ߩỚᐲ㒢ᐲߣߩᲧߩ๺ߪ 1 એਅߣႎ๔ߐࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬ࡉࡠ࠶ࠢ S007B  S008A  S014B  S016B  S033A
Ყߩ๺
0.28   0.25
   0.18   0.57   0.33
 ᩭΆᢱ‛⾰ߢ޽ࠆ࠙࡜ࡦ‫ߪࡓ࠙࠾࠻࡞ࡊޔࡓ࠙࡝࠻ޔ‬⒖ⴕଥᢙ߇ 0 ߢ޽ࠆߎߣ߆ࠄ㋕ࡉࡠ࠶ࠢߦ
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−292−

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S007B
S008A
S014B
S016B
ࡉࡠ࠶ࠢ
5
3
3
7
ኒ⌕ߢߩᦨᄢ୯(PSv/h)
2
2
1
2
1 ft ߢߩ୯(PSv/h)22
12ࡃ࠶ࠢࠣ࡜ࡦ࠼(PSv/h)ኒ⌕߅ࠃ߮ 1 ft ߢߩ᷹ቯ୯ߪࡃ࠶ࠢࠣ࡜ࡦ࠼୯ࠍ฽ࠎߛ୯‫ޕ‬

S033A
5
2
2

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 Duratek ␠ߩ⹏ଔᴺߩᅷᒰᕈࠍ⏕⹺ߔࠆߚ߼ߦ‫ޔ‬਄⸥ฦࡉࡠ࠶ࠢߩዊ⹜ᢱࠍャ౉ߒ‫ޔ‬KEK ߦ߅޿ߡ᷹ቯࠍⴕߞߚ‫ޕ‬
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㧔3㧕᷹ቯ⚿ᨐ ᷹ቯ⚿ᨐࠍ⴫ 3 ߦ␜ߔ‫ߩࡦ࡜࠙ޕ‬Ớᐲࠍ㒰߈᭎ߨ Duratek ␠ߩ୯ߣ৻⥌ߒߡ޿ࠆ‫޿ߟߦࡦ࡜࠙ޕ‬ߡߪ IPC MASS ߩ⚿ᨐ߇␜ߔࠃ߁ߦ࿖㓙ⷙ೙఺㒰࡟ࡌ࡞㧔10Bq/g એਅ㧕ߦᲧߴߡචಽૐ޿୯ߢ޽
ࠆ‫ߩߘޕ‬ᓟ‫ޔ‬5 ୘ߩዊ⹜ᢱࠍ㒰ߊ 17 ୘ߩࡉࡠ࠶ࠢߦߟ޿ߡ Duratek ␠ߦࠃࠆ ICP MASS ߩ⚿ᨐࠍᓧߚ‫ߣࠆࠃߦࠇߎޕ‬࿖㓙ⷙ೙఺㒰࡟ࡌ࡞ࠃࠅචಽૐ޿ߎߣ߇␜ߐࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬⾗ᢱ
S-007B

S-008A

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KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ55

Fe (Bq/g)
10.5r0.96
5.32
㧙
4.66r0.88
4.03
㧙
3.10r0.90
4.25
㧙⴫ 3 ᷹ቯ⚿ᨐ
60
125
Co(Bq/g)
Sb(Bq/g)
2.49< 0.55
3.09
0
㧙
㧙
2.25
< 0.55
2.34
0
㧙
㧙
2.04
< 0.55
2.47
0
㧙
㧙

−293−

54

Mn(Bq/g)< 0.190㧙
< 0.190㧙
< 0.190㧙

226

Rn(Bq/g)< 1.650㧙< 1.650㧙< 1.650㧙A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

S-016B

S-033A

KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratek
ᣣ㐅࠹ࠢࡁ

ᬌ಴㒢⇇
ⷙ೙఺㒰࡟
ࡌ࡞
⾗ᢱ
S-007B

S-008A

S-014B

S-016B

S-033A᷹ቯ⠪
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ
KEK
Duratekᣣ㐅࠹ࠢࡁ

2.37r0.99
11.10
㧙
4.66r0.88
5.79
㧙
2.02
10000

238

U (ppm)< 8.440
0.08
47.6r9.8
045< 13.500.21< 13.900.11< 13.9
0
0.15

ᬌ಴㒢⇇
ⷙ೙఺㒰࡟
ࡌ࡞
ᬌ಴㒢⇇ߪ KEK ߩ᷹ቯߦኻߔࠆ߽ߩ

6.31
6.42
㧙
3.18
3.36
㧙
10

< 0.550㧙< 0.55
0
㧙
0.55
100

< 0.190㧙
< 0.19
0
㧙
0.19
10

238

235

235

U(Bq/g)< 0.100
0.001
0.59r0.12
00.56< 0.1700.003< 0.1700.001< 0.1700.002
10U(ppm)< 0.310㧙
< 0.3300.090< 0.490㧙
< 0.500㧙< 0.510㧙

< 1.650㧙< 1.650㧙
1.65
10U(Bq/g)< 0.0250㧙
< 0.02700.010< 0.0390㧙< 0.0400㧙< 0.041
0
㧙
10

㧔4㧕⚿⺰
 Duratek ␠ߩ⹏ଔᴺߪ‫ޔ‬ICP MASS ߩ᷹ቯ⚿ᨐࠍ฽߼ߡ‫ޔ‬ᅷᒰߢ޽ࠆߣ޿߃ࠆ‫ޕ‬
5㧕Duratek ␠⵾ߩ㋕ㆤ߳޿ࡉࡠ࠶ࠢߩ᷹ቯ
 3㧕▵ߢ␜ߒߚࠃ߁ߦ‫ޔ‬Duratek ␠ߩ⹏ଔᴺ߇ᅷᒰߢ޽ࠆߎߣ߆ࠄ‫ޔ‬22 ୘ߩ㋕ࡉࡠ࠶ࠢߦ㑐ߔࠆ
Duratek ␠ߩ᷹ቯ⚿ᨐࠍขࠅነߖߡోߡߩࡉࡠ࠶ࠢ߇ⷙ೙఺㒰࡟ࡌ࡞ߢ޽ࠆߎߣࠍ⏕⹺ߒߚ㧔⚿ᨐߩ߹ߣ߼ࠍ⴫ 4-1‫ ⴫ޔ‬4-2‫ ⴫ޔ‬4-3 ߦ␜ߔ㧕‫⚿ߩࠄࠇߎޕ‬ᨐࠍᢥㇱ⑼ቇ⋭᡼኿✢ⷙ೙ቶ෸߮ේሶജⷙ
೙ቶߦ⺑᣿ߒ‫ޔ‬22 ୘ߩ㋕ࡉࡠ࠶ࠢࠍャ౉ߒߚ‫ߩࠄࠇߎޕ‬㋕ࡉࡠ࠶ࠢߪ‫ޔ‬ᐔᚑ 18 ᐕ 3 ᦬ 31 ᣣߦ KEK߳⚊౉ߐࠇߚ‫ߦߢ߹ࠇߎޕ‬ฦ㋕ࡉࡠ࠶ࠢߩ⴫㕙✢㊂₸ࠍ᷹ቯߒߚ㧔⴫ 5 ෳᾖ㧕‫੹ޕ‬ᓟ‫ޔ‬ฦ㋕ࡉࡠ࠶ࠢ߆ࠄ⹜ᢱࠍណขߒ‫♖ߩ✢ࡑࡦࠟޔ‬ኒ᷹ቯࠍⴕ߁‫ޕ‬−294−

Appendix

⴫ 4-1 Duratek ㋕ࡉࡠ࠶ࠢ࠺࡯࠲ߩ߹ߣ߼
ࡉࡠ࠶ࠢ఺㒰࡟ࡌ࡞ߣ
⴫㕙✢㊂₸
⴫㕙✢㊂₸
⴫㕙✢㊂₸
ߩᲧ
ኒ⌕(PSv/h)
1 ft(PSv/h)
B.G. (PSv/h)
S002A
0.207
3
2
1
S003B
0.177
3
2
1
S005B
0.168
3
1
1
S007A
0.286
5
2
2
S007B
0.286
5
3
2
S008A
0.254
3
2
2
S011B
0.588
3
2
1
S013B
0.572
6
3
2
S014B
0.179
3
1
1
S015B
0.715
9
6
2
S016B
0.575
7
2
2
S018A
0.428
6
3
2
S018B
0.428
5
2
1
S020B
0.202
4
2
1
S021B
0.0952
2
2
1
S022A
0.162
3
2
2
S022B
0.162
3
2
1
S023A
0.239
3
2
1
S029A
0.358
5
3
2
S030A
0.185
2
1
1
S032A
0.741
8
5
2
S033A
0.340
5
2
2
2
2
*ᬌ಴㒢⇇ߪ‫ޔ‬E,Jߦኻߒߡ 1000dpm/100cm ‫ޔ‬Dߦኻߒߡ 100dpm/100cm

−295−

⴫㕙ᳪᨴ*
ᬌ಴㒢⇇એਅ
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ᬌ಴㒢⇇એਅ

A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

⴫ 4-2 Duratek ㋕ࡉࡠ࠶ࠢ࠺࡯࠲ߩ߹ߣ߼
232Th Ớᐲ**
235U Ớᐲ**
238U Ớᐲ**఺㒰࡟ࡌ࡞ߣߩᲧ
(Bq/g)(Bq/g)(Bq/g)
S002A
0.207
<0.33
<0.066
<4.5
S003B
0.177
<0.32
<0.067
<3.9
S005B
0.168
<0.44
<0.057
<4.0
S007A
0.286
<0.44
<0.10
<4.8
S007B
0.286
<0.44
<0.10
<4.8
S008A
0.254
<0.27
<0.084
<4.0
S011B
0.588
<0.20
<0.045
<2.9
S013B
0.572
<0.71
<0.085
<6.2
S014B
0.179
<0.32
<0.073
<3.9
S015B
0.715
<0.71
<0.13
<6.7
S016B
0.575
<0.50
<0.082
<0.64
S018A
0.428
<0.40
<0.071
<5.3
S018B
0.428
<0.40
<0.071
<5.3
S020B
0.202
<0.27
<0.044<3.7
S021B
0.0952<0.39<0.060
<3.7
S022A
0.162
<0.23
<0.071
<3.7
S022B
0.162
<0.23
<0.071
<3.7
S023A
0.239
<0.36
<0.061
<5.2
S029A
0.358
<0.81
<0.055
<4.6
S030A
0.185
<0.41
<0.068
<5.0
S032A
0.741
<0.84
<0.13
<7.9
S033A
0.340
<0.52
<0.062<5.0**ࠟࡦࡑ✢࠺࡯࠲߆ࠄߩ਄㒢୯
ࡉࡠ࠶ࠢ

−296−

Appendix

⴫ 4-3 Duratek ㋕ࡉࡠ࠶ࠢ࠺࡯࠲ߩ߹ߣ߼
235U Ớᐲ
238U Ớᐲࡉࡠ࠶ࠢ఺㒰࡟ࡌ࡞ߣ
(Bq/g)(Bq/g)
ߩᲧ
S002A
0.207
<0.0040
<0.16
S003B
0.177
<0.0035
<0.14
S005B
0.168
<0.0041
<0.16
S007A
0.286
<0.0043
<0.17
S007B
0.286
0.001***
S008A
0.254
0.010***
0.56***
S011B
0.588<0.0026
<0.10
S013B
0.572
<0.0048
<0.19
S014B
0.179
0.003***
S015B
0.715
<0.0049
<0.19
S016B
0.575
0.001***
S018A
0.428
<0.0046
<0.18
S018B
0.428
<0.0046
<0.18
S020B
0.202
<0.0042<0.16
S021B
0.0952<0.0039
<0.15
S022A
0.162
<0.0031
<0.12
S022B
0.162
<0.0033
<0.13
S023A
0.239
<0.0036
<0.14
S029A
0.358
<0.0040
<0.15
S030A
0.185
<0.0033
<0.13
S032A
0.741
<0.0047
<0.15
S033A
0.340
0.002***
Duratek ߢߩ IPC MS ߦࠃࠆ᷹ቯߢᬌ಴㒢⇇୯***ᣣ㐅࠹ࠢࡁߢߩ IPC MS ߩ᷹ቯ୯

−297−

A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

⴫ 5 Duratek ㋕ࡉࡠ࠶ࠢߩ⴫㕙✢㊂₸⴫㕙✢㊂₸
஻⠨(PSv/h)*
S002A
1.19
S003B
1.06
S005B
0.98
S007A
1.60
S007B
1.05
S008A
1.23
S011B
0.43
S013B
2.85
S014B
1.16
S015B
3.69
S016B
2.68
S018A
2.00
S018B
2.25
S020B
1.55
S021B
0.55
S022A
0.86
S022B
0.92
S023A
1.26
S029A
1.95
S030A
1.22
S032A
3.25
S033A
1.60
*㋕ࡉࡠ࠶ࠢߩ⴫㕙ኒ⌕ߢߩ᷹ቯ୯
ࡉࡠ࠶ࠢ

−298−

Appendixᛂߜㄟߺࠦࡦࠢ࡝࡯࠻
ࠦࡦࠢ࡝࡯࠻ࡉࡠ࠶ࠢ㋕㌃

࿑ 1 ࡂ࠼ࡠࡦታ㛎ᣉ⸳ᐔ㕙࿑~18m
䉮䊮䉪䊥䊷䊃

~10m

ㆤ⭁䊑䊨䉾䉪
଻቞↪䉴䊕䊷䉴

᳓䊘䊮䊒㋕ࡉࡠ࠶ࠢ

2mၒ䉄ㄟ䉂㋕䉮䊮䉪䊥䊷䊃ㆤ⭁

㓁ሶ䊎䊷䊛

−299−

ᮡ⊛▫

A.2

リサイクル鉄材を利用した遮蔽ブロック

࿑ 2 T1 ᮡ⊛๟ㄝߩㆤ⭁૕OZO ࠦࡦࠢ࡝࡯࠻ࡉࡠ࠶ࠢOZO㋕ࡉࡠ࠶ࠢOZO㋕ࡉࡠ࠶ࠢ

࿑ 3 ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦᢿ㕙࿑ࠦࡦࠢ࡝࡯࠻
ࠦࡦࠢ࡝࡯࠻ࡉࡠ࠶ࠢ㋕㌃࿑ 4 ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊᢿ㕙࿑

−300−

Appendixࠦࡦࠢ࡝࡯࠻㋕㌃

࿑ 5 ࡆ࡯ࡓ࠳ࡦࡊㆤ⭁૕⹦⚦࿑

−301−