第15回日本加速器学会年会＠ハイブ長岡
平成30年8月10日
FROM 02

J-PARC MLF MUSEのミュオン生成標的の現状報告◆ 高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所◆ J-PARC Center
Materials and Life science Facility Division
Muon Science Section
Materials and Life Science
Experimental Facility（Muon & Neutron)

牧村俊助

CONTENTS
1. J-PARC MLF ミュオン標的⚫ 回転標的⚫ 軸受と潤滑材⚫ 運転履歴2. ミュオン標的システムの1 MW試験
⚫ 1MW試験スクレーパ⚫ 1MW試験回転標的

的場史朗、河村成肇 ＆ミュオングループ
2

1. J-PARC MLF ミュオン標的3

J-PARC物質生命科学実験施設
ミュオン標的中性子
水銀標的

3GeV-シンクロトロン
目標：1MW
現状：500kW

ミュオン標的物質生命科学実験施設
Materials and Life Science Experimental Facility (MLF)

世界最高強度のパルス状ミュオン施設

1MW proton beam

ミュオン生成標的＠J-PARC⚫ 固定標的で運転を開始。
⚫ ミュオン標的は放射化するので、保守を簡略化するため寿命の長期化が必要。黒鉛材の照射損傷を分散させるために回転標的を開発。
⚫ 2014年10月に固定標的を回転標的に交換

エネルギー、電流値、繰り返し

3 GeV, 333 mA,25 Hz

標的材
厚み

黒鉛（IG-430U）
20 mm

ビームロス

4 kW @1MW

ビーム径

3.5 mm, 1 sigma

ビームライン

真空70 mm
330 mm5軸受と固体潤滑材黒鉛の寿命は大幅に延びるが、軸受の固体潤滑材が回転標的の寿命を決定。
使用温度：130℃、真空圧力：10-5 Pa、高放射線場、回転速度：15 r.p.m.
型式

耐熱温度

圧力 (Pa)

耐放射線

回転速度
(rpm)

保管

寿命@15rpm
(時間)

MoS2

coating

300℃

105 to 10-5

一般的<500

大気1100銀coating

350℃10-3 to 10-10

一般的

<500

真空5800WS2Separator

350℃

105 to 10-5

実績無し

<210

大気

110000

ボール、リング、リテーナ―に被覆
MoS2 または銀セパレーターに潤滑材の焼結体を採用

潤滑材の量が多い

J-PARCミュオン標的では二硫化タングステンを採用している。
目標寿命：10年

JTEKT(KOYO) カタロ
グよりミュオン標的の運転履歴
固定標的：6年間一度も交換無し

回転標的：4年間一度も交換無し
Oct. 20147回転標的の運転履歴
 4年間交換無しで安定運転
 運転履歴：2014年10月～2018年7月~12600 hours (Nov. 2014 ~ 3rd July, 2018)
150 kW : 4290 h, 200 kW : 2300 h
300 kW : 2100 h, 400 kW : 2000 h
500 kW : 2200 h, 600 kW: 1 h, 1 MW: 1h
2018年7月3日に目標としていた1 MW運転を達成（1時間）
 回転数 : ~1220万回転
 回転標的のトラブルによるユーザーへのビーム供給停止無し。

4年間の安定運転を継続中
二硫化タングステン潤滑材は、高放射線場での実績を積み上げ中
8

2.ミュオン標的システムの1 MW試験

9

ミュオン標的システムの1MW試験（2018年7月3日：935 KW）
ミュオン回転標的◆ 2014年に運用開始◆ 4年間交換なしで運転を継続中◆ ビームロス：4 kW◆ 計測パラメータ✓ 軸受温度✓ 水冷ジャケット温度✓ 回転モータトルク✓ 真空圧力✓ 脱ガス質量数✓ 黒鉛からの輻射（参考値）

スクレーパ（散乱陽子をCollimate）◆ 2015年に大強度用に更新◆ ビームロス：20 kW＠No1

標的真空容器◆ 2008年に運用開始◆ 1時間の1MW運転では熱平衡状態に到達しない◆ ビームロス：10 kW
101MW試験～スクレーパ（発熱：20 KW）
1 MW温度推移～Scraper No170

温度（℃）

60504030200

ビーム強度温度（℃）

150 kW実測

33300 kW実測

37400 kW実測

39500 kW実測421 MW予測60

1 MW実測

58

1000

2000

3000

時間（秒）
S1-1
S1-6

S1-2
S1-7

S1-3
S1-8

S1-4
S1-9

S1-5
S1-10

保守的な評価でもスクレーパ温度が100℃以下であれば破損しない。
１MWでも問題ない事を確認
回転標的を直視しない位置で温度計測

111MW試験～回転標的（標的温度～解析）
ビーム強度

黒鉛平均（℃） 軸温度（℃）

150 kW

289

59300 kW387

71

400 kW

434

78

500 kW474

84

1MW613112

解析手法（FEM、差分法）によって結果は20℃ほど異なる。
回転標的の安全性は
発熱：4 kW 回転トルク異常 真空圧力 回転軸温度 黒鉛温度（参考値）
で担保している。
回転体の温度を計測する事は容易では無い。

冷却ジャケット
接触温度計測回転標的の温度測定（回転軸）
回転標的の安全性
 回転トルク異常
 真空圧力 回転軸温度 黒鉛温度（参考値）（1MW運転で温度変化はないので本報告では省略）

回転軸

軸受

軸受隙間C4：耐熱温度300℃

回転シャフトの非接触温度計測

陽子ビーム

試験機の経験ではモータートルクと回転軸温度は相関がある。

黒鉛回転体の非接触温度計測

13回転標的の温度測定（黒鉛回転体） 回転している黒鉛の温度測定は困難。
 熱絶縁された熱電対は黒鉛のみから輻射熱を受ける（数mW）。
熱絶縁された熱電対が黒鉛
 散乱した陽子ビームによる核発熱よりも、からの輻射を受ける。
やや大きい発熱 参考値として、計測を開始し、運用を行いながらインターロックに使用する。
 反応速度は遅い。

 将来は、12m上流より運転中の黒鉛温度を赤外線カメラで計測する事を計画中（by 的場）。
14過去の運転実績値

標的１（黒鉛右）100

標的３（軸）

90

1 MW試験～回転標的

Temperature (degC)80

 モータートルクの上昇は観測されず
 真空圧力：1.9×10-5Pa→2.2×10-5Pa
問題なし

標的５（黒鉛左）70
標的６（水冷ジャケット）60
50

標的７（軸受箱）40
スクレーパ１－１3020

スクレーパ２－１100150

250

350

450

チェンバー１Beam Power (kW)

黒鉛右

黒鉛左

軸

実績からの予想温度（℃）（1MW熱平衡）80100130

実績からの予想温度（℃）（1時間連続運転）

75

実測値（℃）

70

1 MW温度推移～ Target
10090

85908295

 黒鉛温度も軸温度も熱平衡には到達しない
 黒鉛温度はビーム停止の影響で実測値＜予測値
 軸温度は調整運転の影響から初期値が高いため実測値＞予測値

 長期運転試験が望まれる。

温度（℃）

8070605040302001000

2000

3000

時間（秒）
T1（黒鉛右）T5（黒鉛左）T3（軸）15

回転標的解析＆実測の比較

60650600
550500450400350300250555045403530150350

550750950

ビーム強度（kW）
黒鉛輻射温度実測（℃）

黒鉛平均温度～解析（℃）

軸温度解析＆実測（℃）

解析＆実測～軸温度
黒鉛平均温度～解析（℃）

黒鉛輻射温度実測（℃）

解析＆実測～黒鉛
1201101009080706050150350550750

950

ビーム強度（kW）
軸温度～解析（℃）

軸温度実測（℃）

 解析と実測値の比較を行っている。
 相対的な評価には採用できそう。

16

SUMMARY
1. J-PARC MLF ミュオン標的⚫ 2014年に回転標的の運用を開始⚫ 二硫化タングステン潤滑材を採用⚫ 4年間の安定運転
2. ミュオン標的システムの1 MW試験
⚫ スクレーパは1 MWで運転可能である事を確認⚫ 回転標的は評価に近い事を確認できたが、熱平衡には至っていないので長期運転試験が望まれる。

ご静聴ありがとうございました。
17