HDターゲット
1. 固定標的
2. 回転標的

KEK / J-PARCセンター
高橋 仁

ハドロン生成標的に要求される項目••

荷電二次ビームラインからの要求:
2次粒子を選別するために二次ビーム源はなるべく点線源に近い方が望ましい
中性二次ビームラインからの要求:
実験のバックグラウンド低減のために二次ビーム源はなるべく点線源に近い方が望ましい
標的材: 白金（密度21.4g/cm3）、金（密度19.3g/cm3 ）一次ビーム幅: (σx, σy)=(2.5mm, 1mm)cf.
• J-PARCニュートリノ標的:• 炭素（密度1.8g/cm3）• (σx, σy)=(4mm, 4mm)
• J-PARC中性子標的:• 水銀（密度13.5g/cm3）• (σx, σy)=(39mm, 18mm)

2023年夏時点の最大ビーム強度：• ハドロン実験施設: 65 kW• ニュートリノ実験施設: 520 kW• 中性子実験施設: 830 kW

ビーム強度はハドロン施設が1桁小さいが、ビームのエネルギー密度は他施設と同等かそれ以上、発熱密度はハドロンが最大※それ以外の要求:• 放射線的、化学的に安定、安全であること• 大強度ビームに耐えられる冷却効率を持つこと• 高い残留放射能によるメンテナンス時の作業被曝を低減すること2

過去のハドロン標的
期間2009年10月-2010年3月

2010年10月-2010年11月

2012年1月-2012年7月

2012年12月-2013年5月

ビーム強度

3 kW

5 kW

10 kW

24 kW

標的

白金 (60mm)

白金 (60mm)

白金 (60mm)

金 (66mm)

間接水冷

間接水冷

冷却方法

自然空冷（対流） 自然空冷（対流）

外観形状

3

固定標的

4

一つ前の標的：50kW標的金（6分割）

ビーム
σ=(2.5,1.0)

断面図
金駆動装置による遠隔標的交換を考えた二山構造

陽子ビーム
66mm

銅
銅

ステンレス配管
金、銅、ステンレスはHIP接合

ステンレス配管

標的容器
冷却水➢ 最大強度: 50 kW (6s cycle) => 57 kW (5.2s cycle)➢ 間接水冷➢ 熱伝導率の高さと銅に近い熱膨張率から標的材として金を選択➢ 標的は気密容器に収納され、標的の健全性の監視のため容器内にHeガスを循環させる

550kW標的のビーム運転状況
標的温度 @41.6kW
on spill (2sec)➢ 2014年9月インストール➢ 2015年4月ビーム運転開始
各金ピースの温度を熱電対で100msごとに測定

oｆｆ spill (3.52sec)

f0.5mm
シース熱電対6ビーム

1.5max 297℃（ΔT=267K）

Max. temp. rise (K)1 2 3 4 5 6
銅

温度のビーム強度依存性

350
300
250
200
150
100
500

連続運転のビーム強度：
2018年度最大51kWを達成
datacalc

更なる強度増強のため標的更新
0102030

Beam power (kW)40

温度の実測値は計算とよく一致

506

現在の標的：95kW標的➢ 最大ビームパワー: 95kW （5.2秒サイクル）➢ 基本的な構造は前標的と同じ間接水冷方式➢ 金の上にも銅冷却ブロックを接合して冷却能力を増強

ビーム

ステンレス配管➢ 二次ビーム収量と冷却効率から金のサイズを最適化

金標的➢ 熱応力緩和のため、金を上下に分割し隙間を設ける➢ 製作方法（HIP接合）はすでに確立

新旧の金標的サイズの比較
長さはともに66mm
15mm

隙間0.3mm

12mm
2mm
6mm
2mm

6mm5mm※鳥瞰図は下ブロックのみ表示

50kW標的

95kW標的7

設計基準
実際のHIPと同じ熱処理を与えた金圧延材のJIS Z2241 13B号試験片で引張試験を行った
25 degree

200 degree

400 degree

温度 引張強度 0.2%耐力
(MPa)
(MPa)
(℃)
1188.625877.8200
400
437.6
金-銅のHIP接合については、上記の各温度で剪断試験を行い、上記引張強度以上の接合強度があることを確認

許容応力• 熱応力: SM×3
• 低サイクル疲労（連続ビームのon/off）: 104疲労強度/2• 高サイクル疲労（shot毎）: 107疲労強度/2
設計応力強さ SM=min(SB×0.85/3, Sy×0.85/1.5)
SB: 引張強度、Sy: 降伏強度 又は 0.2%耐力
4
10 疲労強度: 引張強度/2
107疲労強度: 引張強度/3

JIS-B8266（圧力容器）における溶接管の基準
金疲労強度の文献値:
8～引張強度×0.7 (@104)、×0.4 (@107)熱解析➢ 粒子シミュレーションMARS+有限要素法ANSYS➢ ビーム: 30GeV、95kW、5.2秒サイクル➢ 水温: 全て30℃に固定➢ 熱伝達率: 10000W/m2/K※下ブロックのみ表示
1

最高 375°C

MXYXZMNbeam
接合部 264°C
t161128(Au ƒÐ2.5,1.0) @ 30GeV-10.28e13ppp @5.20s-cycle c1

NODAL SOLUTIONSTEP=58
SUB =8
TIME=100.8
TEMP(AVG)
RSYS=0PowerGraphics
EFACET=1
AVRES=Mat
SMN =33.1712
SMX =375.291
33.171254.553775.936297.3187
118.701
140.084
161.466
182.849204.231225.614246.996268.379289.761
311.143332.526
353.908375.2911

金8.1MPa
MN

MX

YX

beam

Z

NODAL SOLUTIONSTEP=4
SUB =1
TIME=2
SEQV(AVG)
RSYS=0DMX =.107E-03
SMN =81425
SMX =.906E+0781425
642486.120E+07.176E+07.233E+07.289E+07.345E+07.401E+07.457E+07.513E+07.569E+07.625E+07.681E+07.738E+07.794E+07.850E+07.906E+07

接合部
9.0MPasold-target161128(Au,ƒÐ2.5,1.0) @ 30GeV-10.28e13ppp @ 5.20s,c1,Au(hi)

高さ方向の熱伸び: max 0.10mm
9強度評価結果 （95kW、5.2秒サイクル）

金本体（375℃）

接合部（264℃）

応力分類

応力計算結果

許容応力

熱応力8.1 MPa

13.0 MPa

高サイクル疲労（Shot毎）
に対する等価応力振幅

7.9 MPa

8.1 Mpa

低サイクル疲労（連続運転のon/off）
に対する等価応力振幅

8.2 MPa12.2 Mpa

熱応力

9.0 MPa13.2 Mpa

高サイクル疲労（Shot毎）
に対する等価応力振幅

9.0 MPa12.2 Mpa

低サイクル疲労（連続運転のon/off）
に対する等価応力振幅

9.2 MPa

18.3 MPa

いずれのケースも許容応力以下
1095kW標的66mm

金 (6分割)
銅陽子ビーム

熱電対
組立後

ステンレス鋼

冷却水配管➢ 間接水冷型の固定金標的➢ 最大ビーム強度: 95 kW (5.2秒サイクル)➢ 気密容器内でヘリウムガスを回し、その放射性物質濃度を測定することで、標的の健全性を監視➢ 2019年インストール、2020年運転開始

11

標的容器と窓
正面

下流側の窓

ベリリウム窓ベリリウム窓内側

金標的本体

C/C composite partition wall
to prevent Be fragments from scattering
1295kW標的のビーム運転状況
標的温度@64.5kW

Tmean max 263℃ (ΔT=228K)
𝑇𝑚𝑒𝑎𝑛 =

𝑇𝑈𝐿 + 𝑇𝑈𝑅 + 𝑇𝐷𝐿 + 𝑇𝐷𝑅
4ULDLURDR

最高温度上昇 (K)

温度 VS350 ビーム強度300250data

200calc

150
100
5000204060
ビーム強度 (kW)8010013

ビーム中心位置と温度分布
温度分布からの推定
プロファイルモニタ測定値

スピル中のビーム中心位置の変化を温度分布から推定
標的より1m上流のビームプロファイルモニターでの測定の傾向を再現

14高繰り返し化の影響

最高温度 [℃]• 取り出し時間が変わらないならば、同じ平均パワーでは繰り返しが早い方がpppが少ないので標的には有利。
• 1スピルでの温度上昇はpppに依存するので、pppが同じならば繰り返しを早くしても1スピルでの温度上昇は同じだが、その後のオフ・スピ
ルでの冷却時間が短くなるので、その分ベース温度が上がり、最高温度が上がる。
400

1スピル当たりの温度上昇

300
200
100

ベース温度

0010203040

時間 [s]

スピル周期が短くなれば、より高いビーム強度まで受け入れ可能
15

回転標的

16

次の標的： 回転標的
150kW以上のビーム強度に対応• ニッケルの端に金または白金を接合した円盤型標的（“ユーロコイン”）• 回転させることでビーム発熱を分散• 直接水冷またはHeガス冷却
水冷

Heガス冷却
ビーム照射位置金 or プラチ
ナ80mm

銅 or
ニッケル6mm

f346mm17

回転駆動方法
以前のデザイン

新しいアイデア
水車方式

風車方式

モーター

遮蔽ブロックモーターやシャフトが不要
回転円盤標的問題:• 標的容器の気密性• 標的近傍の装置の大型化•

標的容器の気密性確保が容易•

高放射線環境下の装置の小型化

18冷却・回転方法の比較
水冷＋水車• 冷却効率が高い– より高いビーム強度を受入可能••••

回転トルクが高い
耐食性が必要大量のトリチウムが発生
水循環系のR&Dが必要– 下部タンクからの汲み上げ– イオン交換樹脂筒– 復水器• Heガス循環系のR&Dも必要– Heガスに水分が混ざる

Heガス冷却＋風車• 余計な“汚い”ものの発生が圧倒的に少ない– NOx, 水素ガス, トリチウム••••

水循環系が不要
冷却効率が不明
回転トルクが不明
大流量のHeガス循環系が必要“clean”であることが最大のポイント

Heガスを第1候補として開発中

19

回転標的のR&D
ユーロコイン型標的の製作。
（Au,Pt,接合部の強度評価）

熱解析へのInput

冷却効率（熱伝達）の測定
冷却装置（ポンプなど）の開発
標的容器

強度解析の際の基準値

回転方法
回転速度の測定方法
ベアリングの選定

温度のモニター方法

20

Heガス冷却の冷却効率
ターボフィン型

スポーク型

平板型

円盤の形状を変えな
がら、冷却効率を測定

150kWビームの受け入れに十分な冷却効率を達成！

温度上昇@100W

熱解析 (金, 150kW)

YX

Z
MN

max 342°C(DT=312K)

171012(120rpm-346-1P-He)(Au-Ni,ƒÐ2.5,1.0) @ 30GeV-172.2e13ppp @ 50w/m2/k -2

spoke
テストベンチでDT=20Kの温度上昇に相当

ΔT（K)

MX

NOV 28 2017
NODAL SOLUTIONSTEP=61
SUB =8
TIME=112.4TEMP(AVG)
RSYS=0PowerGraphics
EFACET=1
AVRES=Mat
SMN =163.945
SMX =342.475
163.945
175.103186.261
197.419208.577
219.735
230.894
242.052
253.21
264.368275.526
286.684297.842309
320.158331.316342.475

flat

80

ビーム

1turbo fin

40150kW
相当
0050

100
150
回転速度（rpm)

200

250 21気体軸受
ターボフィンの流体解析（CFD）
シミュレーション結果@500rpm
温度

気体軸受

ガス流速

熱伝達率 (W/m2/K)*average✓ (基本的に) 高放射線環境でも寿命がない✓ より高速回転が可能(cf. 耐放射線ボールベアリング: max 330rpm)

100
80
60
40
20
00500

1000

回転速度 (rpm)より高速に回転させた方がより良い
冷却効率が期待できる→ しかし、一般に高速にすると軸受の寿命が短くなる
22気体軸受の試作
気体ラジアル軸受
試作１号機

試験用シャフト

負荷容量 [kgf]静的負荷容量の測定結果
50454035302520151050

Model calculation

DataRequired load

0204060
80 100軸受-シャフト間隔 [μm]要求負荷容量：
ディスク重量 x 1.3（1.3：安全係数）120

十分な負荷容量を達成！
23気体軸受の回転試験
試験セットアップ

回転試験用ダミーディスク

φ350（実機:φ346）

下流面

重量は実機より1.6kg重い

Heガスで最高550rpm（空気で最高615ｒｐm）までの高速回転に成功!!
運転速度(500～550 rpm)

10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.00.0偏芯度 (μm)

上流面

0100

200300400

回転速度 (rpm)50060024700気体軸受の安定性
インパルスハンマー

気体軸受の安定性を確認するためインパルスハンマー試験を実施

軸受の共振周波数（円筒モード計算値）

結果
衝撃荷重 > 200 N

FFT
Damping ratio:～0.02
frequency (/min)

共振周波数は計算と一致

25

回転駆動用ラバールノズル (ソニックノズル)
風車駆動のためのラバールノズル（ソニックノズル）を試作し、回転駆動試験を行った
ラバールノズル

試験結果
ノズルのしぼり径

最高回転速度

供給ガス圧

ガス流量

ノズル無し (チューブ端)～100 rpm－－

Φ0.5 mm

225 rpm

0.70 MPa20.1 l/min

Φ1.0 mm

421 rpm

0.60 MPa

65 l/minΦ1.5 mm

542 rpm
0.45 MPa
122 l/min*500 rpm is planned operation speed.
しぼり径φ1.5mmを採用

26

Heガス冷却の冷却効率（２）200rpm以上の回転速度で冷却効率測定をするための新しいテストベンチを製作
Up to 1000 rpm.

測定結果（空気）
熱負荷100W時の温度上昇(K)70.0

flatsystem)
flatdisk(previous（旧システム）
spokesystem)
spoke(previous（旧システム）

60.0

turbo
(previoussystem)
turbofinfin（旧システム）

50.0

turbo
(newrotation system)
turbofinfin（新システム）40.0

想定運転速度30.0

150kW 相当

20.0
10.0

0.0
0

温度管理された空気（新規導入）

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

回転速度(rpm)

150kWビームに対して十分に高い冷却効率を500rpmで達成！
27

耐放射線変位計
標的円盤の監視のため、静電容量式の耐放射線変位計を開発
静電容量式変位計プローブの構造

耐放射線性変位計プローブ(セラミック絶縁) 試作機

快削性セラミックス（マコール）

変位計による標的監視の概念図

ケーブル
約30m

28耐放射線変位計の分解能測定
分解能測定のセットアップ

距離=2100mm
距離=2000mm

カウント数

測定データ

Result

分解能 (mm)

プローブとターゲットとの距離を変えながら出力電圧を測定

出力電圧 (V)

測定結果

ターゲットとの距離 (mm)出力電圧 (V)

要求分解能を達成！
29まとめ：ビーム強度増強は標的開発とともに70

Averaged Power (kW)60

Accumurated Power (kW*days)

最大65kWでの利用運転を達成(2021年6月)

50

12000
10000
8000

40
3014000

東日本大震災

放射性物質漏洩事故

6000

20

4000

10

2000

00

1st beam
2009/1/27

標的交換

積算ビーム強度 (kW*days)

平均ビーム強度 (kW)

80

標的交換

回転標
的30 へ