Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP016

J-PARC LINAC 3MeV ビームスクレーパの現状
STATUS OF 3MeV BEAM SCRAPERS FOR THE J-PARC LINAC
平野耕一郎#, A), 杉村高志 B), 栗原俊一 B)
Koichiro Hirano #, A), Takashi Sugimura B), Toshikazu Kurihara B)
A)Japan Atomic Energy AgencyB)
High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
We could use a 3MeV beam scraper without a problem for five months when the scraper received to 1.3 times as highas a normal average beam current of the scraper in 1MW beam operation. The peak temperature on the scraper surface
was 1800 deg C. Irradiation damage caused by the 3 MeV beam with particle number of 3E22 was 700μm depth. We
study scraper materials which can withstand the current density higher than carbon composite used in the scraper because
almost all beams can be irradiated to the scraper in 1MW beam operation. Beam irradiation tests have been performed
about graphene and tungsten as scraper materials with high heat conductivity. This paper describes beam irradiation testof the 3MeV beam scraper and scraper materials.

1.

はじめにパルス幅 500 μs のマクロパルスビームは、RFQ 下流の MEBT 領域にある RF チョッパ空洞の電界によって、その一部が蹴りだされ、Fig. 1 に示すパル
ス幅 451 ns の中間パルスが 815 ns の周期で並んだ構造を持つビームに整形される。ビームエネルギー3MeV のビームは、チョパ空洞の電界によって蹴りだされ、約 70 cm 離れた場所にあるビームスクレーパ[1]に負荷される。これまで、スクレーパに使用されている炭素複合材のビーム照射試験[2]をオフラインで実施した。その結果、スクレーパ表面温度が2900 ℃を超えるようなビーム電流密度では、熱分解ガスが急激に増加し、損傷が急激に進むことが分かった。2018 年 10 月以降に計画されている 1 MW
ビーム利用運転では、ビーム電流が増加するため、ビームライン圧力の増加およびスクレーパ損傷の増大が懸念させる。そこで、2017 年度に実施したビーム利用運転の実績から 1 MW ビーム利用運転時のビームライン圧力およびスクレーパの損傷状態を推測した。また、高ビーム負荷時に増加する圧力を低減させるため、グラフェン及びイーターグレードタ
ングステンなどの熱伝導率が高い材料について、オフライン[2,3]でビーム照射を行い、これらのスクレーパ材料が 1 MW ビーム利用運転時のスクレーパに使用できるか検討した。今回は、これらのビームスクレーパの現状について報告する。

2.

である。炭素複合材は熱伝導率に異方性があるため、Fig. 3 に示すように熱伝導率が最も良い方向の面を銅ブロックにロー付接合している。銅ブロックは内部に冷却構造を有する。ビーム軸方向はすべて炭素複合材である。ビームが炭素複合材を貫通しないように、ビーム進行方向の炭素複合材の端部に熱電対を挿入し、その測定温度にビームを停止させるインターロックをかけている。

Figure 1: Beam pulse structure of the 3MeV linac.

3 MeV ビームスクレーパ

J-PARC リニアックの 3 MeV 用スクレーパのヘッドを Fig. 2 に示す。スクレーパのビーム照射面は 60mm × 84 mm の大きさであり、ビーム入射角は 67 度である。ビームは照射面の中心部に照射される。スクレーパヘッドの形状を Fig. 3 に示す。スクレーパ
ヘッドの材料は、東洋炭素製炭素複合材 CX2002-U
Figure 2: The photograph of the scraper head.

___________________________________________# hirano.koichiro@jaea.go.jp- 324 -

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Figure 3: Geometry of the scraper head.

3.

た。
ビーム利用運転終了後、スクレーパを取り出し、レーザーマイクロスコープを用いて、Fig. 7 に示すように損傷部の観察を行った。照射された総粒子数[5]は3.09×10-22 個である。ビームが当たった場所の外周部には、最大幅 440 μm の突起物が表面から最大高さ 610μm まで剣山のように突き出ていた。損傷部の中心は表面から 700 μm 深くなっていた。1 MW ビーム利用運転
で、この損傷状態から 1.6 倍の時間照射されても、損傷深さは 1 mm 程度になると推測されるので、利用運転が1 年実施されても問題にならないと思われる。

3 MeV ビームスクレーパの運転実績

2017 年 11 月から 2 ケ月間、300 kW ビーム利用運転が実施され、2018 年 1 月から 3 ケ月間、400 kWビーム利用運転が実施された。Fig. 1 に示すように、
300 kW および 400 kW ビーム利用運転におけるビーム電流の中間パルスの周期構造は、1 MW ビーム利用運転のパルス構造と異なる。1 MW ビーム利用運転時のビーム電流 52 mA のスクレーパビーム照射率が 47 ％であるのに対して、ビーム電流 44 mA の 300
kW および 400 kW ビーム利用運転時のスクレーパビーム照射率は 72 ％と大きい。このため、300 kWビーム利用運転の場合、スクレーパに負荷される平Figure 4: Trend of the peak temperature of the scraper.
均ビーム電流は、1 MW ビーム利用運転の場合とほぼ同じ 0.32 mA になる。また、400 kW ビーム利用運転の場合は、1 MW ビーム利用運転の場合より 1.3 倍大きく、0.4 mA になる。つまり、300 kW および 400
kW ビーム利用運転を通して、1 MW ビーム利用運転条件以上のビーム負荷が 5 か月間スクレーパに負荷されたことになる。
Figure 4 に示すように、400 kW ビーム利用運転のスクレーパ表面ピーク温度は最大 1800 ℃となった。
また、ビームラインの圧力は、Fig. 5 に示すように2×10-6 Pa となり、問題となる圧力にならなかった。
次に、ビーム電流 44 mA のビームをビーム照射率100 ％でスクレーパに照射して、スクレーパ表面温度を測定した。このフルビーム照射試験を 3 回実施
Figure 5: Trend of total pressure in the beam line.
した。ビーム電流 44 mA でのビーム条件は、パルス幅 500 us、繰り返し 25 Hz、スクレーパ平均電流 0.55mA である。
Figure 6 に示すように、スクレーパ表面に損傷が無い状態（20171011）では、スクレーパ表面のピーク温度は 1400 ℃になった。以前実施した同ビーム入射角スクレーパヘッドの伝熱解析[4]において、ビーム電流 50 mA、パルス幅 500 us、繰り返し 25 Hz の条件での解析値は1500 ℃であり、測定値と１割以内で一致した。
照射開始から 3 ケ月間経過した状態（20180107）では、ピーク温度は 2240 ℃に増加した。表面の損傷が進んだことによって、表面の熱伝導率が悪くなり、ピーク温度が増加したと推測される。このとき、照射直後のビームライン圧力は 4×10-5 Pa に増加したが、10 分後には 8×10-6 Paに落ち着いた。さらに、照射開始から 5 ケ月間（400 kW
Figure 6: Waveforms of the surface temperature measured
ビーム利用運転開始後 2 ケ月間）経過した状態
by the high-speed pyrometer.
（20180314）では、ピーク温度に増加がみられなかっ- 325 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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IGAR12-LO、応答速度 2ms、測定サイズ φ2 mm、温度範囲 350～1300 ℃）の測定値と放射温度計の測定値が同じになるように設定した。放射温度計の放射率は、グラフェンの場合は 0.65、タングステンの場合は 0.525 に設定した。
残留ガスのイオン電流の測定は、PFEIFFER 製PrismaPlus QMG220 を使用した。
Table 1: Main Beam Parameters

Figure 7: Observation of the 67deg scraper surface using
the laser microscope.

4.

低ガス放出スクレーパ材料の検討

4.1

照射ビーム条件

4.2

Beam energy (MeV)

3.0

Repetition rate (Hz)5

Peak beam current (mA)

30.4±0.3

Beam pulse width (μs)

100-900

Beam size σx (mm)、σy(mm)3.3、2.0

照射結果

まず、グラフェンについて、4.1 項に示す試験条件
炭素複合材の場合[2]、スクレーパに照射される でビーム照射試験を実施した。
ビームの電流密度が高くなると、マクロパルス内でグラフェンとは、炭素原子が六角形格子構造をなの温度上昇により、熱分解ガスの発生や炭素の昇華 す原子 1 個の厚みを有するシート状の物質であり、が起こる。ビーム電流 50 mA で、スクレーパビーム グラフェンどうしは分子間力によって結合されてい照射率が 100 ％に近いビーム条件では、熱分解ガス る。グラフェンの熱伝導率には異方性があり、グラ等の圧力が急激に増加するため、ビーム運転が停止 フェンの積層面方向の熱伝導率は 300 ℃で 830すると予測される。このため、ビーム照射率 100 ％ W/mK であり、炭素複合材の 300 ℃で 240 W/mK にのビームをスクレーパに照射しても、圧力が急激に 比べて 3.5 倍大きい。一方、グラフェンの積層面に増加しないスクレーパの材質を検討する必要がある。 垂直な方向（C 軸）の熱伝導率は 300 ℃で 3 W/mK
ガス放出低減化の方法として、ピーク温度を現状 であり、極端に小さい。
より低減させる方法と、熱分解ガスが発生しない材
株式会社サーモグラフィティクスのグラフェンをスク質にする方法が考えられる。炭素複合材と同じ炭素 レーパヘッドの素材に用いた。高い熱伝導率を利用系のグラフェン材料は、炭素複合材より熱伝導率が したいので、グラフェンの C 軸が銅材の面と平行になるよ高い特性を持つ。このため、ピーク温度が低減する うに銀ロー付け接合をしたところ、線膨張率の違いから、ことにより急激な真空悪化が起こらないことが期待 グラフェンの積層方向に多数の割れが生じた。今回、割される。タングステン材料は、熱伝導率が炭素複合 れ の な い グ ラ フ ェ ン に ビ ー ム を 照 射 さ せ た い の で 、材とほぼ同じ[6]であり、融点 3422 ℃および沸点 250 ℃の低温で焼結可能なアルコール分子誘導体被5555 ℃が炭素複合材より高い特性を持つ。このた 膜のナノ銀ペースト[7]を接合材に用いた。冷却構造付き
め、3000 ℃を超えるビーム条件でも、炭素材のよ 銅ボディ部の面がグラフェンの C 軸と平行になるように接うな急激な真空悪化は起こらないと期待される。今 合し、Fig. 8 に示すようなグラフェンスクレーパヘッドを回、グラフェンとタングステンについて、オフライ 製作した。スクレーパヘッドのグラフェン材に割れが無いンでビーム照射試験を行い、スクレーパ材料として ことを確認した。の可能性について検討した。
オフラインでのビーム条件を Table 1 に示す。ビー
ム電流、ビーム繰り返し、ビームエネルギーおよびビームサイズを一定にして、ビームパルス幅だけを変化させた。これにより、照射するビームの電流密度を変えて、試験片の損傷具合を調べた。ビーム電流 30 mA、ビームエネルギー 3 MeV、繰り返し 5 Hz、パルス幅 700 μs では、ビームサイズ 1σ の領域の電流密度は 3.5 A/m2、電力密度は 10.4 MW/m2 になる。
試験片の表面温度の測定には、高速放射温度計（IMPAC 社製 IGA740-LO、応答速度 6 μs、測定サイ
ズ φ2 mm、温度範囲 350～3500 ℃）を用いた。放射 Figure 8: The photograph of the scraper head using
温 度 計 の 放 射 率 は 、 二 色 温 度 計 （ IMPAC 社 製 graphene blocks- 326 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ビーム照射時の試験結果を Fig. 9 に示す。グラフェン表面のピーク温度は、ビームサイズ 1σ の領域の電流密度 3.5 A/m2 の時、炭素複合材の 2870 ℃に対して 2/3 倍の 1910 ℃になった。この時、ナノ銀ペーストの剥離およびグラフェンの亀裂が発生したことにより、圧力が１×10-2 Pa まで急激に増加し、グラフェンブロックが銅ブロックから脱落した。ナノ銀ペーストの強度不足が原因と推測される。ビーム照射時に発生した炭化水素系の熱分解ガスはグラフェン積層面間を通って抜けやすく、
Fig. 10 に示す炭化水素系のイオン電流は炭素複合材より 1 桁程度多かった。

ころに底が見えた。底にも 50~100 μm の間隔で幅 30μm 程度の亀裂があった。表面の凹凸が増えたことにより、照射部の表面積が増加したため、ピーク温度が下がったと思われる。

Figure 11: The photograph of the tungsten test pies on thescraper head.
Figure 9: Current density per 1σ area of the beam vs. thepeak temperature and the total pressure.

Figure 10: Trend of ion current of residual gas in thegraphene irradiation test.

Figure 12: Trend of ion current of residual gas in thetungsten irradiation test. Current density per 1σ area ofthe beam is 3.5 A/m2.

次に、タングステンについて、同試験条件でビーム照射試験を実施した。
アライドマテリアル製イーターグレードタングス
テンを試験片として使用した。この試験片（W13mm×L60 mm×t5 mm）を、Fig. 11 に示す炭素複合材製スクレーパ上にタンタル製クリップで固定した。
Figure 9 に示すように、タングステン表面のピーク温度は高温になるほど炭素複合材より低くなっており、電流密度が 3.5 A/m2 のときに 1 割程度低くなった。
その後、電流密度 3.5 A/m2 の条件で、Fig. 12 に示すように 14 時間照射した。このとき、総粒子数は4.5×1019 個であった。全圧力は、経過時間と共に低下した。ピーク温度波形を Fig. 13 に示す。また、ピー
ク温度も 2470 ℃から 2270 ℃に低下した。照射後の試験片の表面を Fig. 14 に示す。表面には、多数のヒ Figure 13: Waveforms of the surface temperature of theCurrent density per 1σ area of the
ビ割れがあり、一部の割れの先端は溶けて盛り上が tungsten test pies.
2.
beamis
3.5
A/m
り滑らかになっていた。割れが幅 100~300 μm の間隔で拡がり、試験片表面から深さ方向 200~300 μm のと- 327 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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5.

まとめ

1 MW ビーム利用運転時のスクレーパ負荷以上の負荷をスクレーパへ 5 ケ月間加えた結果、スクレーパ表面温度は 1800 ℃となり、ビームラインの圧力およびスクレーパの損傷状態は、加速器運転に問題がないことが分かった。
スクレーパ素材として、グラフェンとタングステンについて、オフラインでビーム照射試験を行った。
グラフェンについては、ピーク温度は炭素複合材の2/3 に低減したが、炭化水素系の熱分解ガスが炭素複合材の場合より多くなることが分かった。また、銅との線膨張率の違いから、銅との接合に難しい問題がある。
タングステンについては、ビームサイズ 1σ 当たりの電流密度 3.5 A/m2 のビームを照射したとき、ピーク
Figure 14: Tungsten test pies after beam irradiation.
温度は炭素複合材より 1 割程度低い 2500 ℃になっ表面状態がビーム照射により変化したため、再度、 た。また、1 MW ビーム利用運転時の繰り返し 5 Hz放射温度計の放射率を確認した。2 色温度計は応答 に相当する電流密度のビームをタングステンに照射速度が 2 ms であるため、放射温度計のようにパルス しても、照射時に発生するガスは問題にならないこ
幅 1 ms 以下のパルス温度波形を測定できない。そこ とがわかった。亀裂が発生してもスクレーパとしてで、照射部から離れた場所では、パルスのピーク温 機能するのであれば、タングステンはスクレーパ材度がベース温度と同じになることから、その場所の 料として利用できる可能性がある。そのほか、炭化温度を利用して、2 台の温度計の測定値を比較した。 水素系ガスの増加に伴い、スクレーパ周囲のイオン
まず、ステアリング電磁石を用いて、ビームを Fig. ポンプの性能劣化や、RFQ の放電発生割合の増加な10 に示す(c)の照射部中心から (b)に示す場所へ 7 mm どが懸念されるため、発生ガスは少ない方がよい。
移動させた。次に、パルス幅を増加させ、ビームサ 今後、低ガス放出用スクレーパの可能性を検討する
イズ 1σ 当たりの電流密度 4.1 A/m2 のビームを(b)の ため、タングステンの亀裂が長時間照射によってど場所に照射し、全体温度を増加させた。そして、(b) のように変化するか調べる必要がある。の位置から両側に約 8 mm 離れた(a)未照射部および(c)照射部の丸印の領域について、放射温度計でパル 謝辞
ス波形が見えないことを確認した後に、放射温度計真空作業にご協力頂いたアルバックヒューマンリレーと 2 色温度計でそれらの温度を測定した。2 つの温 ションズ（株）の小林史憲氏に感謝いたします。ビーム度計による測定値が誤差範囲で一致したことから、 電流の安定出力にご協力頂いたイオン源グループの皆表面の割れによる放射率の変化は少ないと推測され 様に感謝いたします。高周波電力の安定出力にご協力る。
頂いた RF グループの皆様に感謝いたします。タイミング
このとき、Fig. 15 に示すように総粒子数 1.63×1019 系の調整や機器安定制御にご協力頂いた制御グルー個のビームをのべ 4.5 時間照射した。電流密度 4.1 プの皆様に感謝いたします。ビーム計測にご協力頂
A/m2 は、1 MW ビーム利用運転時の繰り返し 5 Hz、 いたモニタグループの皆様に感謝いたします。試験
スクレーパビーム照射率 100 ％のビームにほぼ匹敵 の助勢や体系の組み換え作業にご協力頂いた空洞グする。全圧力は炭素複合材のように急激に増加する ループや三菱電機システムサービスの皆様に感謝いこと無く、2×10-2 Pa まで減少した。
たします。熱伝導率の測定では、株式会社ベテル殿にご協力頂きました。

参考文献

Figure 15: Trend of ion current of residual gas in thetungsten irradiation test. Current density per 1σ area ofthe beam is 4.1 A/m2.

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[2] K. Hirano et al., “Negative hydrogen ion beam irradiation
experiments of beam scrapers using the J-PARC 3MeVlinac”, 14th PASJ, 2017, pp. 847-852.
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[5] Y. Kawane et al., “Interlock System of Beam Line for Beam
Current Upgrade”, 11th PASJ, 2014, pp. 1288-1291.
[6] T. Sugimura et al., “Development of a 3MeV beam scraper
for the J-PARC LINAC”, 10th PASJ, 2013, pp. 862-866.
[7] http://www.thermo-graphitics.com/service.html- 328 -