Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP043

J-PARC ハドロン回転標的監視のための耐放射線変位センサーの開発
DEVELOPMENT OF RADIATION-RESISTANT DISPLACEMENT SENSOR
FOR MONITORING ROTATING PRODUCTION TARGET AT J-PARC
HADRON FACILITY
武藤史真 ∗ 、青木和也、上利恵三、秋山裕信、家入正治、倉崎るり、小松雄哉、里嘉典、澤田真也、白壁義久、高橋仁、田中万博、豊田晃久、
広瀬恵理奈、皆川道文、森野雄平、山野井豊、渡邉丈晃∗Fumimasa Muto , Kazuya Aoki, Keizo Agari, Hironobu Akiyama, Masaharu Ieiri, Ruri Kurasaki,Yusuke Komatsu, Yoshinori Sato, Shinya Sawada, Yoshihisa Shirakabe, Hitoshi Takahashi,
Kazuhiro Tanaka, Akihisa Toyoda, Erina Hirose, Michifumi Minakawa, Yuhei Morino,Yutaka Yamanoi, Hiroaki Watanabe
Institute of Particle and Nuclear Studies, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
A new rotating-disk-type target for secondary-particle production is being developed for high intensity beam at JPARC Hadron Experimental Facility. The expected intensity is 150 kW proton beam. Although the rotating target isadvantageous in terms of cooling efficiency and long-term operation, it is challenging to monitor the temperature, rotation
speed, and eccentricity of the target. In addition, there are only a few measurement devices that can be used to monitor theconditions due to the harsh operating environment of radiation and high temperatures created by the high intensity beam.To
solve these issues, we have developed a radiation-resistant capacitance-type displacement meter, which is capable ofmonitoring the condition of a rotating target.In this report, we present the development status of a radiation-resistantceramic-insulated displacement meter.

1.

ハドロン実験施設の２次粒子生成標的が採用されており、標的シャフトの回転速度や偏芯J-PARC ハドロン実験施設では、30 GeV まで加速 度の監視がますます重要になる。現在までに標的近された一次陽子ビームを二次粒子生成標的に照射 傍の放射線環境下で動作可能な耐放射線回転速度セし、生成した K 中間子、π 中間子等を用いて様々な ンサーが開発され [4]、残るは偏芯度の測定という課原子核・素粒子実験を行っている。実験の統計量増 題を残すのみである。そこで高放射線環境下で動作大のためにビームの大強度化が望まれており、それ 可能な変位計を開発し、回転標的の偏芯度の測定をに対応した高い冷却効率を持つ標的の開発が必要で 可能とすることを目指す。変位計が十分な分解能をある。2022 年現在で使用されているのは間接水冷 有すれば、偏芯度の測定だけに留まらず、標的の熱方式の固定標的である。この標的は 2019 年 11 月に 膨張、回転速度、標的チェンバーの He 濃度など複数インストールされたもので、最大 95 kW までの陽子 の物理量をモニター出来ると見込んでいる。これにビームに対応可能である。2021 年 6 月時点でビーム より日常的なメンテナンスが困難な標的監視システ
強度は 64 kW（加速器からの取り出し周期 5.2 秒）を ムのメンテナンス頻度を抑えつつ、複数の標的状態達成し、今後も更なるビーム増強を予定しているが、 を監視を可能にすることで安全性を向上させること
100 kW を超えるビーム強度には間接水冷方式の標的 を目指す。
では対応できない。そこで新しく直接冷却方式の回転円板型標的の開発が進められている [1, 2]。
Figure 1 は開発が進む回転標的の概略図である。円板の外縁部が金標的、内部が冷却のために無酸素銅で構成されている。回転円盤標的のメリットは、ビームの衝突位置をずらしながら使用することで、熱・放射線の負荷を分散できることである。これにより冷却効率・耐久性が向上し大強度ビームに対応できる。一方で、回転標的の寿命は軸受けの寿命に依存する。通常の耐放射線ベアリングを 150 kW に対応した 200 rpm の回転速度で使用すると約 6300 時間で定格寿命となり、高い頻度での交換が必要となる [3]。
Figure 1: Schematic view of rotating-disk-type target.
そのため、現在開発中の回転標的には He 気体軸受
∗ fmuto@post.kek.jp- 634 -

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PASJ2022 WEP0432.

変位センサーを用いた回転標的監視

2.2

変位センサーの要求仕様

2.1 変位センサーの運用方法
本研究で開発する変位センサーは複数を組み合わせて使用することで、偏芯度以外の測定が可能となり、回転標的監視システムとして機能する。Figure 2に変位センサーの運用想定図を示した。He ガスで満たされた標的容器の中で円板標的が気体軸受で回転している。標的へのビーム照射点から回転方向に 90度、270 度の場所にそれぞれ変位センサーが設置され、標的側面とセンサー面の間隔を測定している。
Figure 2 の左図は、変位センサーに静電容量型変位計を用いた時の理想的な出力を計算したものである。
静電容量が高ければ標的とセンサーの距離が近いことを意味する。計算は実機を想定して下記の条件で行った。
• 標的外径：φ346 mm (実機と同等)• 標的回転速度：200 rpm• ビーム照射による標的熱膨張：0.95 mm(MARS [5] 及び ANSYS(ver 19.0) によって計算した 150 kW ビーム照射時の熱膨張に相当)• 偏芯度：20 µm(実機での He 軸受クリアランスは 30 µm)• 回転速度測定のための機械加工：
円周方向に幅 5 cm、高さ +30 µm• センサー設置位置：標的外径 +2 mm(標的熱膨張 0.95 mm + 偏芯 20 µm + 機械加工高
さ 30 µm + 安全距離 1.0 mm)• センサー外径：φ15 mm
この計算結果から、標的の様々な状態を読み取ることが出来る。まず、静電容量の周期的な変動振幅から、回転標的の偏芯度を測定できる。加えて、標的側面に段付きのような機械加工を施しておくことで、標的が 1 回転するごとに静電容量が局所的に変動し、その時間間隔から回転周期を測定できる。また、2 つのセンサーの出力平均値の差は、標的が回転によって冷却した際の収縮度を意味する。標的 He ガスの純度や圧力などの状態については、この状態の変化によって比誘電率が変わるため、二つのセンサーの同期した変化を測定することで評価できる。

2.1 で紹介した運用方法と変位センサーの使用環境から変位センサーへの要求仕様を検討する。まず変位センサープローブは回転標的の直近に設置されるため、耐放射線性が求められる。回転標的周辺では、1 次陽子ビーム強度 150 kW で約 10000 時間の運転を行った時に鉄の吸収線量として累計 200 MGyの吸収線量が計算されており、変位計のプローブはこれに耐えうる無機材料のみで構成される必要がある。また、Fig. 2 に示した回転標的は厚さ数 m の遮蔽体の内部に設定される。それゆえ日常的な補修は難しく、メンテナンスフリーな設計と、低線量区域まで約 30 m の長距離ケーブルでの信号伝送が必要である。加えて、回転標的への負荷を減らすため、測定器は非接触式である必要がある。予想される回転標的の偏芯度約 20 µm から、分解能はその 1/10 の2 µm 程度が必要であり、標的の回転速度が 200 rpmと想定されていることから、標的 1 回転につき 10 点の測定を可能とするため応答時間は 30 msec 以下である必要がある。また、回転標的の ANSYS を用いて計算した 150 kW ビーム照射時の温度分布計算から、最大で 0.95 mm の熱膨張が見積もられており、変位計が標的に接触しないためのクリアランスを常に約 1 mm 程度確保すると、必要な測定レンジは0.5 mm∼2.0 mm と見積もられる。以上から要求仕様は下記のようにまとめられる。
•要求性能(1) 測定レンジ：0.5 mm ∼2.0 mm(2) 分解能：2 µm 以下(3) 応答時間：30 msec 以下 (200 rpm の場合)
(4) 非接触での測定が可能なこと•使用環境(1) 耐放射線性：200 MGy 以上(2) 雰囲気ガス：He ガス中で使用可能なこと(3) He ガス、支持架台への熱伝達で冷却可能なこと(4) 低線量区画までの約 30 m を信号伝送可能なこと(5) メンテナンスフリーであること

Figure 2: Operational conception of a displacement sensor for rotating target monitoring. Two displacement sensors canbe used in combination to measure various physical parameters.

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ランス 0.21±0.02 mm、同心度 0.02 mm が得られた。
マコールの絶縁耐力が 40 kV/mm、一般的な高電圧
3 . 耐放射線変位センサーの開発
用エポキシ樹脂の絶縁耐力が約 30 kV/mm であるこ
3.1 静電容量型変位計の動作原理とから、エポキシプローブと同程度の絶縁性が期待非接触型の変位計には渦電流変位計やレーザ変位 でき、絶縁抵抗計での抵抗値測定では市販のエポキ計など種々の方式があるが、本開発では高速回転物 シプローブ、開発したセラミックプローブのどちらのランアウト測定によく利用される静電容量方式を も 500 M Ω (測定電圧 250 V) の絶縁抵抗を確認でき採用した。Figure 3 に静電容量方式の変位計プローブ た。プローブと読み出し回路を繋ぐ同軸ケーブルもの概略図を示した。プローブは主電極とガード電極 無機材料のみで構成された耐放射線ケーブルを使用の２つの電極から構成される。主電極は円柱状をし し、標的近傍で動作する部品の全てを無機材料のみており、その底面と標的側面の間には平行な電場が で構成することが出来た。
また、今回製作したセラミックプローブではガー形成されている。このプローブでは、平行平板の原理に基づき、標的側面と主電極の間で構成されるコ ド電極の取付位置があえて可変になるように設計しンデンサの静電容量の変化から変位量を測定する。 ている。これは Fig. 5 に示すように、ガード電極の一方、ガード電極は主電極の側面を取り囲む同心円 取付位置によって電場の平行度の改善が期待出来る筒で、測定電極と等電位にしておくことで、主電極 からである。ガード電極に囲まれた主電極でも絶縁の浮遊容量を打消している。また、通常は Fig. 3 に 体のクリアランスが有限の値であるため、フリンジも示したように、電極の端部では曲線を描いて標的 ング電場として電極面に平行な Er 成分が発生する。
側面に向かうフリンジング電場となるため静電容量 この Er をガード電極の取付位置の変位 ∆d を変えが理論値から変化して観測される。しかし等電位と ながら電磁場計算ソフトウェア Poisson Superfish [8]なっているガード電極によって、主電極のフリンジ にて評価した。Figure 5 の縦軸は、主電極と標的側面ング電場は低減され、平行電場を形成することがで 間に発生する Er 成分の総和である。∆d を変化させきる。これらの効果を最大限発揮するため、プロー ることで、Er が減少し、電場の平行度が改善していブの絶縁体のクリアランスは極めて狭く設定され、 ることが分かる。本件で開発したセラミック絶縁プ
ローブでは、ガード電極の取付位置を可変とするこかつ高い同心精度が要求される。とで調整の幅が広げられるように工夫している。

Figure 3: Schematic diagram of the principle of operationof a displacement meter. The displacement is measured
from the capacitance between the target side and the mainelectrode.

Figure 4: Pictures of ceramic probe. It consists of a machined ceramic and two electrodes.

3.2 セラミック絶縁プローブの開発
過去に放射線環境下で動作する変位計が開発され加速器機器の監視に有用であることが示されている [6]。しかし、この先例では Fig. 3 の絶縁体にポリエチレン、プローブ被膜に PEEK 材を使用しているため、本件のような標的近傍での動作が求められる機器には適していない。そこで、無機材料のみで構成した変位計プローブを開発した。Figure 4 に開発したプローブの写真を示す。絶縁材には快削性に優れ精密な機械加工に適したマシナブルセラミック (マコール [7]) を使用した。円筒状のマコールにネジ切り加工を施して 2 つの電極を固定する構造とし、絶縁体のクリアランスは市販されているエポキシ絶縁プローブと同じ 0.2 mm を設計値とした。マイクロスコープで製作物の寸法測定を実施し、絶縁体クリア

Figure 5: Evaluation of the parallelism of the electric fielddepending on the mounting position of the guard electrode,showing the parallelism is improved with different ∆d.

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3.3 読み出し回路の開発
先行研究で開発・使用された変位計の読み出し回
路 [6] を参考に簡易的な読み出し回路を作成した。
Figure 6 に理想的な測定回路を示す。変位量 x によって変化する Cx と既知の静電容量を持つコンデンサC0 を直列に接続し交流電圧を印加することで、x に比例した出力 VOU T を測定する回路構成となっている。交流電源から印加された V0 sin ωt の電圧は C0と Cx で分圧される。その電圧 VOU T をボルテージフォロワを経由して読み出す。理想的なオペアンプ
を用いれば VOU T は、VOU T =

C0
C0 V0
V0 =
xCxS(1)となり、変位 x に比例した出力となるため、測定レンジを広くした場合でも静電容量の変化を測定しやすい。しかし、実際のオペアンプは入力抵抗が ∞ ではなく、1∼5 pF 程度の入力容量を持つため、前段の回路に影響を与えてしまう。そこで、Fig. 7 のよ
うにブートストラップ回路を追加した読み出し回路を製作することとした。この回路では C0 ,V0 , 電圧周波数を変更することで、出力電圧の範囲をある程度調整でき、C0 = C00 のように調整することで、信号ケーブルシールド線とガード電極 CG を芯線と同電位に保ち浮遊容量をキャンセルしている。この回路の応答速度に関しては、LTspice(ver 17.0.35) による回路シミュレーションで計算を行い、90% 応答速度21.8 msec を得た。これは 2.2 の要求仕様を満たしている。

3.4

耐放射線無機変位計の分解能測定

3.2 のセラミック絶縁プローブと 3.3 の読み出し回路を用いて変位量の測定を行い、その分解能を評価した。Figure 8 に示した校正台に変位計を取付け、ターゲットとプローブ間の距離を 100 µm ずつ変化させながら出力電圧 Vout をデータロガーで測定する。Figure 9 には変位を 2000 µm と 2100 µm に固定した時の Vout 出力の測定結果を示しており、測定時の温度が一定であれば、Vout は非常に安定し σ の小さい正規分布となる。この出力電圧の間隔が 100 µmに相当しているため、各変位ごとの Mean と σ から分解能が計算できる。Figure 10 に各変位ごとに得られた Vout 出力値とその分解能の計算結果を示した。
変位量が大きくなるにつれて出力電圧も大きくなっているが、Equation (1) のような線型出力は得られなかった。これはまだブートストラップ回路の機能が不十分であり、オペアンプの入力抵抗と入力容量が前段の回路に影響を与えているためと思われる。
ケーブル長を延ばし設計仕様と同程度の 27.5 m とした場合、出力が非常に小さい値となり、回路素子(主に C0 ) を調整する必要があった。このことから同軸ケーブルの浮遊容量がまだ十分にキャンセル出来ていないことが推測できるが、回路素子の調整により、ケーブル長 0.5 m の時と同様の出力電圧を得ることが出来ている。これにより分解能はケーブル長が長くなったとしても、大きな劣化はなく、最大でも 0.87 µm の分解能となり、2.2 の目標分解能 2 µmを達成できている。

Figure 8: Calibration devices and displacement sensor.
Figure 6: Principle of measuring displacement using an ACpower supply and a voltage follower.

Figure 7: Circuit schematic of the displacement measurement circuit with the addition of a bootstrap circuit.

Figure 9: Histogram of Vout at 2000 µm and 2100 µm displacement measured by data logger.

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for Slowly-Extracted High-Intensity Proton Beams”, J.Particle Accelerator Society of Japan, Vol.18, No.4, 2021
[4] H. Watanabe et al.,”Development of a radiation-resistant rotation sensor for new production target at J-PARC Hadron Facility”, Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 2017, pp.655-659, TUP107[5] N. V. Mokhov and S. I. Striganov, ”MARS15 overview”, vol.
896, pp. 50 – 60. 2007.
[6] M. Arinaga et al.,”BPM displacement measurement by gapsensors at KEKB”, Proceedings of the 3rd Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, 2006, pp.904-906,
EP55[7] CORNING Inc;https://www.corning.com/specialtymaterials/macor[8] POISSON SUPERFISH ver. 7.20; J.H. Billen andL.M.
Young, Los Alamos National Laboratory,LA-UR-96-1834.

Figure 10: Displacement resolution measured by AC voltage divider method.

4.

まとめ

J-PARC ハドロン実験施設では 100 kW を超えるビーム強度に対応すべく新たに回転円盤型標的を開発している。回転標的の偏芯度、回転速度、熱膨張の監視のため、高放射線環境下で動作できる変位計の開発を行った。標的の直近に設置されるプローブを無機材料のみで製作し、一般的な変位計プローブと同程度の絶縁性を確認した。加えて、27.5 m の長距離ケーブルを経由してその変位量を読み出すことのできる交流分圧式の読み出し回路を製作し、標的監視に必要な 2 µm の分解能を 0∼2000 µm の測定レンジで達成することができた。しかし、同軸ケーブルの浮遊容量が十分に打消せていないことから、ケーブルの温度に依存した出力電圧の変動が確認されており、読み出し回路の改良が必要である。これに加えて、今後は回転標的の実際の偏芯周期に合わせての実測を行い、応答速度と分解能が適切か評価していくことが必要である。

謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP22H00143 の助成を受けたものです。

参考文献[1] H. Takahashi et al., ”Development of new production target
at J-PARC Hadron Experimental Facility(2)”,Proceedings ofthe 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, 2018, pp.879-882,THP038[2] R. Kurasaki et al.,”Development of rotating-disk type target
for J-PARC Hadron beamline(2)”,Proceedings of the 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2020,
pp.402-406, WEPP55.
[3] R. Kurasaki et al., ”Production Target of Secondary Particles- 638 -