第10回加速器学会年会, 5th, Aug., 2013 @ 名古屋大学

J-PARC/MUSEにおけるミュオン生成標的の300kW陽子ビーム運転報告

ProtonNucleus

K-on
Neutron
NeutrinoPion

Muon

Anti proton

J-PARC Center, MLF Division, Muon Section
高エネルギー加速器研究機構(KEK-IMSS)

牧村俊助

Introduction

To Hot cell

ミュオン生成標的（等方性黒鉛；IG-430）

To Neutron Target

FL4m

ミュオン標的システム
固定標的

高放射化

黒鉛材の放射線損傷
Muon Target

RUNごとのビーム位置制御（EXILE）運転による寿命長期化

遠隔操作による交換

Post Irradiation Effect 試験
照射効果の非破壊計測。

2008

2009

Sep.Day1

Dec. 300kW 120kW Op.
20kW Op.

2010

2011

200kW Op.

Fix.Target Successful Operation without replacement
Hot cellCom. #1 &2Com. #3Earthquake

ProtonBeamFL1.6mCom. #4

2012

2013

200kW Op.

300kW Op.

Com. #5

PIE試験EXILE運転

EXILE 運転To
S, H Line

From RCS and BT LineEXILE運転；
RUNごとのビーム位置制御運転

To
D, U Lineミュオン生成標的（固定標的方式）
等方性黒鉛（IG-430）
厚み；20 mm、直径； 70 mm
チタン層； 熱応力吸収材
4-kW 発熱 @1MW, φ=16 mm (2σ=8mm)
黒鉛材の陽子ビーム照射損傷（寸法変化と熱伝導率）
Lifetime; 0.8dpa (@1MW, 1dpa/year)
PHITSによる計算。
Titanium

1dpa

140

thermal conductivity(W/mK)

IG-430

Stainless
St. tubeCu frame

キャスクによる輸送（ビームライン）

ミュオン標的の交換作業

H. Matsuo, graphite1991[No.150] 290-302
最大収縮率1 %/year
graphite on the beam spot

0.02dpa 200℃

1200.25dpa 200℃

1000.82dpa 400℃

80

unirradiated6040
2000200

4006008001000 1200 1400 1600

temperature(℃)

Irradiation effect to thermal conductivity
T. Maruyama et al., Journal of Nuclear
Materials 195 (1992) 44-50.

ミュオン標的の運転監視
 冷却水IN, OUT温度 流量（撮像管カメラ）
 銅フレーム温度 内側；上下左右
 外側；左右

流量計

熱電対

銅フレーム温度計測
外側；左右に各1個

 ビームロス；解析に一致
 配管と冷却水間の熱伝達係数
12000W/m2/K@9L/min.
 温度分布解析との比較

銅フレーム温度計測
内側；上下左右に各2個

inner data, outer data (degrees C)

37

2.53635

234

1.533
32

13130

0.52928
2011/1/21 0:00

2011/1/26 0:00

2011/1/31 0:00

2011/2/5 0:00

2011/2/10 0:00

2011/2/15 0:00

0
2011/2/20 0:00

temperature rise of water (degreesC)

338

RUN40までの積算照射量
RUN40終了（2012年3月）までの黒鉛材における積算照射量
は中心において9 MWh/mm2であった。（黒鉛寿命は照射効果の収縮を考えると約20 MWh/mm2 ）Distribution of Beam Density(300kW 7000h sigma=2.5mm)-20

1098765432
10-10010
Distance from center (mm)VerticalHorizontal

20

Beam density(MWh/mm^2)

Beam density(MWh/mm^2)

Distribution of Accumulated Beamdensity (~RUN40)-206050

Vertical40

Horizontal

30
20
100-10010
Distance from center (mm)2013年夏期シャットダウン前までの7000時間を計画している
プロファイルで運転すると、寿命を大幅に超えてしまう。

20EXILE運転の検討（by 明午氏）
標的前後のステアリング電磁石で陽子ビーム軌道を平行に移動。ビームロスをほとんど変えずに運転する事が可能となった。

1050-5-10-15-20

15-20
10-15
5-100-5

Beam Density(MWh/mm^2)

Beam density(MWh/mm^2)

2015-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Distance from center (mm)Distribution of Beam Density(0.3MW 1000h x7,sigma=2.5mm)
Distance from center (mm)Distribution of Beam Density(0.3MW 1000h x7,sigma=2.5mm)

Beam painting
by off-set beam

20
181614121086420-20

VerticalHorizontal-10010Distance from center (mm)EXILE運転を実施しない場合（55 MWh/mm2 ）から18 MWh/mm2と大幅に改善した。実際にRUN41から運用を開始している。

20

EXILE運転の影響
陽子ビームライン、下流への影響の確認。→O.K. by 明午
ミュオン二次ラインへの影響の確認。→O.K. by ミュオンGr.
ミュオン標的への影響の確認。→O.K. 今回ご紹介。

ビームスポット熱伝導率 20 W/m/K
それ以外 50 W/m/K

40.8 ℃

34.9 ℃

44.0 ℃

36.1 ℃

解析における銅フレームの温度差
300 kW
内側 3.2 ℃
外側 1.2 ℃
200 kW
内側 2.2 ℃
外側 0.7 ℃
実際のログで検知できるか？

解析と実測値の比較
RUN No
ビーム位置
ビーム強度
期間
平均流量
IN上1IN上2IN右1IN右2IN下1IN下2IN左1IN左2OUT右OUT左IN温度差
OUT温度差40
中心113 kW2012/3/5～3/14
9.5 L/min
31.9
31.9
31.9
32.4
32.5
32.5
32.1
32.0
31.3
31.2

41
右側
206 kW
2012/3/17～3/21
8.9 L/min
35.2
35.7
36.3
37.4
36.7
35.7
34.6
34.3
34.9
33.6

42
上側
209 kW
2012/4/24～4/29
8.9 L/min
37.2
37.1
35.6
35.5
34.7
34.7
34.8
35.7
33.9
33.8

43-1
下側
212 kW
2012/5/29～6/6
8.1 L/min
35.1
35.4
34.5
36.4
37.3
37.2
35.8
34.7
34.0
34.1

43-2
下側206 kW2012/6/11～6/20
7.2 L/min
35.5
35.7
34.8
36.9
37.8
37.7
36.2
35.0
34.3
34.3

44
左側
212 kW
2012/10/27～11/12
9.7 L/min
36.9
36.0
33.9
34.7
35.0
36.0
36.2
36.5
33.6
34.4

45
右上273 kW2012/12/6～12/12
8.3 L/min
39.2
39.3
38.3
38.8
37.6
37.2
36.7
37.2
36.5
35.5

46
右下282 kW2013/1/14～1/20
8.0 L/min
37.4
37.7
38.1
40.0
39.7
38.8
37.3
36.8
36.935.747左下309 kW
2013/2/25～3/48.0 L/min
39.0
38.0
37.1
38.939.6
40.4
39.9
39.3
36.3
37.2-

2.4
1.32.4-

2.0-

2.1-

2.1
0.8

1.9-

2.7-

2.6-

解析における銅フレームの温度差
300 kW； 内側 3.2 ℃、外側 1.2 ℃
200 kW； 内側 2.2 ℃、外側 0.7 ℃
完全には一致しないが、傾向は解析を反映している。

温度均衡確認の別の利用法
300 kWでは亀裂が発生した場合（半分の熱伝導を失う）でも、運転可能であるが、例えば、600 kW運転の場合に、黒鉛に亀裂が入ると黒鉛の消耗量が大きくなってくる。温度差が検知できるか？
600 kW運転。

Temperature distribution
2500
Temperature (degC)

亀裂が入って熱伝導を半分失う。

2000
1500
1000
500
0065 ℃

0.010.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

position (m)矢印上の温度分布

温度差、18℃。十分検知可能である。
インターロック組み込みを計画中。

47 ℃

300 kW運転のまとめ 2008年の運転開始以来、一度も交換しないでミュオン
標的を使用している。
 黒鉛材の放射線損傷を分散させ、長寿命化するためにRUNごとのビーム位置制御（EXILE）運転を2012年3月から開始している。
 標的の運転状況を温度計測系、冷却水監視系によって記録している。銅フレーム温度は解析に近い値を示している。

黒鉛材の Post Irradiation Effect 試験

Irradiation effect to thermal conductivity
T. Maruyama et al., Journal of Nuclear
Materials 195 (1992) 44-50.

このあたりが計測できるはず。

thermal conductivity(W/mK)

 黒鉛材の陽子ビーム照射による物性値の変化は無視できないほど大きく、この効果が寿命を決定している。
 設計では材料照射用原子炉における中性子照射データを採用している。真空中照射のデータは、多くない。
 実際の陽子ビームによる照射効果を計測したい。
 ミュオン標的においては、熱伝導率の劣化と寸法変化（主に収縮）が重要。
 今回は2011年夏期に実施した陽子ビーム照射が黒鉛材の熱伝導率に与える影響のPIE試験に関して報告する。
1400.02dpa 200℃

1200.25dpa 200℃

1000.82dpa 400℃
unirradiated8060402000200

400

600

800 1000 1200 1400 1600

temperature(℃)

陽子ビーム照射が黒鉛の熱伝導率に与える影響の計測
ミュオン標的の寿命を決定する黒鉛材のビーム照射による損傷の計測を開始した。
比熱と密度は照射の影響が大きくないので熱伝導率は熱拡散率と同義に扱える。
通常の熱拡散率測定（レーザーフラッシュ法）

今回の熱拡散率測定（レーザースポット加熱法）
2-dimensional
Thermo-viewer

加熱

Variant
frequency LD

時間
温度時間

原子力、加速器分野における熱拡散率の計測。
試料切り出し、試料輸送が必要。
損傷分布の分解能の不足。
非破壊では無い。
マンパワー不足。（計画、管理）輸送して別施設で計測。

最大振幅

加熱点
中心温度

時間

時間遅れ

時間

中心から離れた位置での温度

半導体分野などで用いられる。従来は一点を輻射温度計で計測し、熱拡散率の精密測定（特に異方性のある材料）。近年、二次元サーモビュワーで観察出来るようになった。
手法としては未完成な部分もある。
原子炉、加速器分野では使用実績は無い。
利点
非破壊で観測できる。
標的の再利用。
照射効果履歴の計測。
損傷分布の高分解能。
（劣化度によるが3mm程度）

計測装置
ミュオン標的は高度に放射化。遠隔操作室での計測。
計測装置の寿命を延ばすために遮蔽体越しに像をミラー反射して計測を行う。

遠隔操作室での計測

計測装置は三次元駆動ス
テージに載せられ、移動しながら局所的に計測する。

CCD camera
2-dimensional
Thermo-meter

Periodic
Heating LD

計測例

Laser spot heating apparatus

三次元駆動ステージ
遮蔽体ごしの計測

20mm x 16mm
Map pitch2mm

陽子ビーム照射が黒鉛の熱伝導率に与える影響の計測
Horizontal
pitch1mm

Total Beam Loss on Target

Ellipse shape

Beam Loss (a.u.)

Total(Horizontal)

Total(Vertical)-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

5 10 15 20 25 30 35

Thermal conductivity

70
Themal conductivity (W/m/K)

0Vertical
Pitch1mm

Center oftarget
Edge oftarget

照射量(dpa)

熱伝導率
予測値

0.25

5 W/m/K

0.002

15W/m/K(200 degC)(80 degC)

熱伝導率
実測値

15 W/m/K
50 W/m/K

0.002dpa80℃

60504030
horizontal

2010

vertical0.25dpa200℃

0-40 -30-20 -10 0
10 20
distance from center (mm)Un-irradiated
170W/m/K

3040 熱伝導率の劣化度はビーム照射量に比例しない。
 高温で照射された場合には熱伝導率は回復する。
 楕円形上のビームプロファイルが観測できる。
 熱伝導率は予想より高そうである。

陽子ビーム照射が黒鉛の熱伝導率に与える影響の計測
86420-2-4-610-8
8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10
Horizontal - distance from center (mm)Vertical - distance from center (mm)2-dimensional map of thermal conductivity
54-5650-54
46-50
42-46
38-42
34-3830-34
26-30
22-26
18-22
14-1810-14 楕円形上のビームプロファイルが観測できる。
 0.1 dpa程度で劣化度は飽和している。

PIE試験まとめ
 2011年夏期に3GeV陽子ビーム照射が黒鉛材の熱伝導率に与える影響を計測した。
 非破壊で計測できるレーザースポット加熱法を採用した。
 熱伝導率の劣化の計測に成功した。

ミュオン標的今後の予定
 熱伝導率測定の精度を向上させる。陽子ビーム照射が寸法変化に与える影響を計測する。
 黒鉛材の長寿命化を目指し製作している回転標的を導入する。

遠隔操作コミッショニング 2011年夏#1
標的の精密位置確認

Side
meter

東日本大震災による標的の変形量の確認。
切断部の変形。プラグシールドガイドに対する精密位置確認。
三次元駆動装置にレーザー変位計を設置して計測。
Front
計測装置の耐放射線性は高く無い。そのため遮蔽体越しに計測。
meter
使用済み標的を理想的な位置を再現した標的（テンプレート）と比較① Measurement by Laser displacement meter
した。誤差は0.2mm以下。（元々±0.5mmで製作）
Muon Target will set
on the plug standmirror

Displacement (Front)
30.3

displacements (mm)Laser spot heating apparatus

30.20929No1
target30

Spare

1003No2target29.9
29.8-30-2029.7-100

Ideal mock1004摸擬体
target102030diatance from center (mm)Laser displacement meter

Displacement (Side)
displacements (mm)Shielding for radiation

Indirect measurement
through mirror reflection

Used

30.1

The devices are set on the 3dimensional motion stage.

24

Ideal mocktarget

230921摸擬体

220929No1
Used210930No1#2

target #1,Spare1003No2

2020.540.5

60.5

Z-location (mm)Used Target were located within 0.2mm
precision against the ideal mock target.

targetCommissioning in Summer, 2011
Radiation damage to thermal conductivity of graphite
Measurement in Hot cell

The variation of thermal conductivity
irradiated by neutrons

20mm x 16mm
Map pitch2mm

1400.02dpa 200℃

1200.25dpa 200℃

1000.82dpa 400℃

80

unirradiated

Horizontal
pitch1mm

VerticalPitch1mm

60Total Beam Loss on Target

402000200400600

800 1000 1200 1400 1600

temperature(℃)

Data for IG110

Beam Loss (a.u.)thermal conductivity(W/mK)

Annealing effect-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

From Simulation
Th. Conductivity must be,
0.25dpa on center; 5W/m/K
0.002dpa on edge; 10W/m/K

Total(Horizontal)

Total(Vertical)
5 10 15 20 25 30 35

If the decrement of conductivity is proportional
to radiation dose, the distribution for thethermal conductivity corresponds to the beamprofile.

Commissioning in Summer, 2011

Measurement in Hot cell

① Measurement of Used Target position(Check of the distortion by the Earthquake)② Measurement of the radiation damage to thermal
conductivity of graphite

Side
meter

Preliminary check of position before transportation
M2 linePictures were taken through avacuum flange for pumping station.
To Neutron
Source

Front
meter

100μSv/h on Camera position(measured dose)

Muon Target on thecenter of vacuum duct

M1 lineFrom RCS①Measurement of Target position
Originally the muon target was relatively locatedwithin ±0.5mm precision to the pins of thetarget chamber in the beam line.
Resolution; Below ±0.1mm① Measurement by Laser
displacement meter2-dimensional thermo-viewer

21mSv/h@30cm

Relativeposition

Variantfrequency LD②Measurement of Thermal
conductivity

Commissioning in Summer, 2011
Radiation damage to thermal conductivity of graphite
Thermal diffusivity are measured instead of Th. conductivity.

λ=Dρc (λ; Th. Conductivity(W/m/K), D; Th. diffusivity(m2/s), ρ; Density (kg/m3), c; Th. Capacity (J/kg/K))

Conventional Method (Laser flash method)

Laser Spot Heating Method

Comparisonof Amplitude

2-dimensional
Thermo-viewer

Periodic heatingLDTemperature
variation onheating spot

HeatingTimetimeTemperature

time
Delay oftransmission

The target must be destroyed.
We must consider the scattered radioactive
powders.
The spatial resolution is limited by sample size.

Delay oftransmission

Time

Temperature
variation on
distant position
from heatingspot

Non-destructive measurement
Target can be used again.
Measurement for History of rad. damage
High spatial resolution(H. Kato et al., Meas. Sci. Technol. 12 (2001) 2074-2080)

レーザースポット加熱法

実際の装置開発

基本原理i ωt

無限大の大きさを持つ薄膜に周期加熱 Pe をした際の加熱源からの距離 r の位置での温度広がりは次式で表わされる。
(H. S. Carslaw and J. C. Jaeger 1959 Conduction of Heat in Solids p263)

T (r , k ) =P
⋅ e − kr +i (ωt − kr )4πDrc

ベテル（株） Thermo-wave analyzer

D；熱拡散率、c；比熱、ここで波数 k は以下で表わされる。（熱拡散長の逆数）k=ω
πf=2DD

よって位相遅れはθ =−πfD⋅r

すなわち位相遅れの距離 r 依存性または周波数 f 依存性を計測すればDが求まる。

実際には厚みの効果や境界条件の評価や温度計測手法の評価が重要となる。
(H. Kato et al., Meas. Sci. Technol. 12 (2001) 2074-2080)

レーザー周波数を上昇させないと空冷の効果が無視できない。
レーザー周波数を上昇させると赤外線カメラの計測周波数を上昇させる必要がある。（赤外線カメラは高い！！）
黒鉛材は熱拡散率が大きいのでカメラの感度を考慮したSN比を上げるためにはレーザー強度を上げる必要がある。
等々の問題点を抱える。
最大振幅の距離依存性を利用する。
相対的な計測しか出来ない。
別の正確な手法にて同じ材料の熱拡散率を計測し、校正する。
最大振幅

異方性のある材料の熱拡散率測定（産総研）

加熱点
中心温度

原理的にはレーザー強度の絶対値に依存しない測定法である。

時間
中心から離れた位置での温度
時間
時間遅れ

Theoretical Background of this technique
Thermal transport equation

D; Th. diffusivity(m2/s), ρ; Density (kg/m3), c; Th. Capacity (J/kg/K))

PT (r , t ) =exp(−kr + i ( wt − kr ))4πDrc
θAmplitude

k=ω2D

=πf
D

=λ-1

Carslaw H S and Jaeger J C 1959 Conduction of Heat in Solids (Oxford: Clarendon)p 263θr

θr
Periodic heating on Point
Pexp(iωt)=−gradientπfThermo-meter
Distribution of Th. Cond.
must be measured.

Dr

Amplitude includes
given heat by laser, Ptime
Temp. variation@distant position
from heated spottime

Delay of transmission; θ2-dimensional infrared
thermo-meter

Expensive!!

Comparisonof Amplitude

Temp. variation@ Heated spot

Feasibility of Apparatus∆T; about 5 K

Evaluation by DelayHigh quantitative performance
Evaluation by Amplitude
Low quantitative per., but low costs
Relative measurements based on anexact Th. Cond., obtained by othertechnique (Laser flash method).
Un-irradiated Th. Cond. 170W/m/K

結果の妥当性の議論
今回は周波数変調レーザー照射部の最大振幅で熱拡散率を評価している。
（最大振幅と熱拡散率は反比例する。）
問題点；
中心部の最大振幅はレーザー強度、レーザー吸収率（反射率）、輻射率に依存する。
改善案；
振幅の位相遅れ、または照射部からの距離と最大振幅の傾きで評価すれば精度は大幅に向上する。
しかしながら、今回は自動で温度分布画像をFFT処理するソフトが未完成である事とカ
メラのサンプリングレートが少ない（30フレーム/秒）事で改善できなかった。
典型的な温度分布画像を時間をかけて処理すれば、精度は向上する可能性はある。
照射
中心

照射
外周

未照射
中心

未照射
特異点

回数

1010103

最大値(W/m/K)

14.5

55.6

186.5

118.1

最小値
(W/m/K)

14.1

54.2

175.3

117.5

未照射標的の熱伝導率
熱伝導率（W/m/K）

200180160
140120熱伝導率
本来の熱伝導率

特異点100-40 -30 -20 -10 0 10 20 30
水平方向；中心からの距離（mm）40

再現性の確認再現性はある。表面状態などの影響か？

黒鉛の真空中の蒸発量

黒鉛の蒸発速度（M.S. Avilov et al., NIM A618 (2010) 1）

Rotating Target
to be installed

回転標的の開発
ミュオン標的の長寿命化のために黒鉛材の放射線損傷を分散させる。黒鉛材寿命；30年。
ベアリングの寿命が重要。目標寿命；10年。
固体潤滑材を比較検討するために加熱回転可能な軸受寿命評価機を製作した。現在、試験は進行中。
ビーム運転でモーター電流によって軸受の健全性や損傷度を計測するための制御系を構築中。
回転標的実機を製作し、遠隔操作コミッショニン
グを2012年の夏に実施する。
2013年夏にビームラインへ導入予定。

Mock-up with heating
and rotating

Durability tests of bearings

Rotating Target

The control systemfabricated by Kobayashi

Disassemble and Observation