Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP089

J-PARC 主リングにおけるビーム損失モニタによる残留線量測定
RESIDUAL RADIATION MEASUREMENT WITH THE BLMS IN J-PARC MR
外山毅#, A), 久保木浩功, 佐藤健一郎, イーレンドン ブルース
Takeshi Toyama #, Hironori Kuboki, Kenichirou SATOU, Bruce Yee-Rendon
KEKAbstract
In the high intensity proton accelerators, the residual radiation limits the available time and procedure of maintenanceworks. Measuring and controlling the residual radiations and beam losses are very important in this context. One of these,continuous measurement of residual radiations is initiated recently with the beam loss monitors along the J-PARC MR.
The measurement can be possible just after the beam stop. This method was planned since the beginning of MR
construction. The BLM signal outputs are DC-connected and have the gain lager than 30000 at maximum. We need tochange (1) DAQ trigger, (2) bias voltage, when the machine is switched off. The results are obtained by subtracting thesystem-offset data with zero bias voltages.
筒を取付けて磁場をシールドしている [1] 。ゲイン
1. はじめにカーブを Figure 2 に示す。ビームロス測定としての大強度陽子ビーム加速器では、残留線量が保守作 運用する場合は、検出器の内円筒導体に下記のよう業性・所要時間を制限してしまうので、ビーム損失 にバイアス電圧を印加している。ビームロスの大きの観測・制御、残留線量の観測・制御が重要になる。 さ、すなわちコリメータ部、遅い取出し部に該当す
これらの中の課題の一つとして、高放射化領域（コ るかどうかによって −1.3 kV（ロスのホットスポッリメータなど）を含む加速器の残留線量を、ビーム ト）, −1.6 kV（通常部分）としている。
停止後から測定することを可能にするビーム損失モニタ（BLM）システムの運用を始めたので報告する。
Main Ring（MR）建設当初から BLM による残留線量測定は計画されており、その為もあり、BLM 検出器の信号出力端子は DC 結合、ゲイン＞30000 を持たせている[1]。運用では、MR 運転からビーム停止・保守に切り替わるタイミングで、BLM の DAQ トリガの変更、および BLM のバイアス電圧の変更を行う。
バイアス電圧をゼロにして取得したデータをシステ
ムのオフセットとして補正して得られた結果を報告する。

2.

Figure 2: Gain curve of the BLM detector.

システム構成J-PARC MR のビームロスモニター（BLM）シス
テムは、Figure 1 に示すように、心線と、内円筒導体、外円筒導体からなる 2 重同軸構造の“比例計数管”型を検出器とし、その外側に厚さ 3 mm の鉄円

信号は、心線から DC 接続されたケーブルを通してローカル制御室で処理回路（入力抵抗 10kΩ）に入力される（Figure 3）。信号は MPS 用とビームロス表示用に分けられる。表示用では、電荷をゲート

Figure 1: “Proportional counter” type beam loss
monitor.
___________________________________________# takeshi.toyama@kek.jp- 719 -Figure 3: Block diagram of the MR BLM system.

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信号で決められた時間積分し、後段でデジタイズされる。ゲート・トリガは、“beam trigger”タイミング（TYPE B or C）[2]によって制御され、制御ターミナルで設定された時間間隔でサンプルされる。本測定では、16 ms 間隔であった。
残留線量測定では、まず、全周の検出器のバイアス電圧を変更する。調整の結果、—1.6 kV（ロスのホットスポット）, —1.8 kV（通常部分）で運用している。さらに、ゲート・トリガを“no beam trigger /waiting”タイミング（TYPE A）[2]により駆動するように、設定を変える。

3.

オフセット補正

積分信号を取り扱っているので回路系の僅かな漏れ電流が積算され、処理結果にオフセットとして混入する。１測定当りの積分時間は、速い取出し（FX）モードで 1.6 秒、遅い取出し（SX）モードで 5.0 秒である。FX モードで取得した信号を Figure 4.a に示す。オフセットを検出するために、全検出器のバイアス電圧を 0 V として取得したデータを Figure 4.b に、Figure 5: Residual radiation measured with the BLM. The
オフセット差引の結果を Figure 4.c に示す。
MR is divided into three parts. The abscissa is the BLM
number, which is almost proportional to the beam path
length along the ring.

Figure 4.a: Raw signal of the residual radiation
measured with the BLM system.

Figure 4.b: Measured offset of the BLM system.

同じデータを、横軸を３分割し（MR は３回対称）、さらに縦軸を拡大してプロットした結果を Figure 5に示す。バイアス電圧は#213〜216, #1〜20 が −1.3
kV で、その他は −1.6 kV であった。これによるゲインの違いは約 8 である。2014 年 12 月 22 日のビーム停止から 8 時間 30 分後のデータである。各プロットで縦線（上図から#15, #87, #159）は直線部とアーク部の境界を示している。各直線部で残留線量が大きい場所は、上からそれぞれ、MR コリメータ部、SX用セプタム、FX 用セプタム付近であり、ビーム供給中のビームロスが大きいエリアである。#37 にもピークがあるが、MR コリメータのハロー削除の残りカスが到達している可能性がある。今回の測定は[3][4]の発展形である。トンネル内に人員が入って被曝しながら残留線量を測定する事無しに、全体的な残留線量が把握できることが非常に有用である。ただし、BLM による残留線量測定は、トンネル内機器の残留線量の詳細を厳密には反映していないので注意が必要である。すなわち、ビームダクトの表面線量と上記の値にきれいな相関が見られない箇所も見つかっている[5]。

4.

Figure 4.c: Corrected signal of the residual radiation
measured with the BLM system.

生成核種によるフィッティング

MR コリメータ部の BLM#6, #7, #8, #9, #10 による2014 年 12 月 22 日からの冬季シャットダウン中残留線量測定結果を Figure 6 に示す。横軸はビーム停止後の経過時間、縦軸は、BLM#6, 7 の位置で測定した線量計 [6]の値（平均値）により規格化した残留線量値である。個々の BLM のゲインのバラツキはこの- 720 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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プロットには反映してない。残留線量の減衰を 3 成
本測定システムでは、検出器および磁気シールド分で下記のように書き表して、も放射化してしまい、残留線量の測定値はこれらを(1)含んだ値である。検出器・磁気シールドは、心線・N(t) = c1 e−t/τ1 + c2 e−t/τ 2 + c3 e −t/τ 3
各 BLM による線量測定値の減衰曲線にフィッティ コネクタを除いて SUS と鉄でできている。近傍の 4ングして Table 1 の結果を得た。放射性核種は、鉄か 極電磁石鉄心のみならず、検出器・磁気シールド自らの寄与だとすると、寿命の短いほうから 56Mn, 身からのγ線を検出することになるが、放射化の度
24Na, 55Co, 52Mn, 48V, 54Mn が考えられる[7][8][9][10]。各 合いを測るという観点からは、途中で検出器・磁気核種の半減期は Table 2 のとおりである。γ線のエネ シールドを交換するといったことが無い限り、大きル ギ ー は イ ン テ ン シ テ ィ 14% 以 上 を 掲 載 し た 。 な問題は無いと考えられる。
フィットの結果との対応は今後調査する。#6（green）
まとめと展望の減衰が他に比べて速いのは、短寿命核種が多い一 5.
方長寿命核種が少ないことが原因で、MR コリメー
J-PARC MR の各 4 極電磁石に取り付けた“比例タ・セクションが#6 の後方から始まるため、過去か 計数管”型 BLM の設定パラメータ（バイアス電圧、らの長寿命核種の蓄積は少ないが、直前の運転・ス ゲート・タイミング）を変更することにより、MRタディでのビームロスが多かったことが考えられる。 のほぼ全周の固定位置（各 4 極電磁石）での残留線

Figure 6: Residual radiation measured with the BLMs. The
origin of the time axis is the beam-off timing. Data points
are BLM#6: green, #7: blue, #8: magenta, #9, black, #10:
red. Black curves are fitted to each data set.
Table 1: Result of the Decay Fit
BLM

C1

C2

C3

τ1

τ2

τ3

#6

6200

600

100

3.9

22

1000

#7

8300

870

380

4.0

27

610

#8

4400

490

330

3.9

28

560

#9

2200

270

270

4.0

35

530

#10

1500

220

330

4.1

33620

* Units Ci [mSv/h], τi [hour]

Table 2: Lifetime and Gamma of the Candidate Nuclides
NuclideHalf life

Mean lifetime τGammas [MeV]

56Mn2.58 h

3.72 h0.85, 1.81, 2.1154Mn

312 d10800 h

0.8352Mn

5.59 d194 h0.511, 1.4355Co

17.5 h25.3 h0.511, 0.931, 1.4024Na

15.0 h21.6 h

1.37, 2.7548V

16.0 d552 h

0.511, 0.98, 1.31

量をビーム停止後（原理的に）から連続して測定する運用に成功した。減衰曲線をフィッティングし、短寿命の 56Mn についてはシミュレーション結果での予想と矛盾しない結果が得られた。その他の核種については、更なる分析（スペクトル分析）が必要である。これらの結果を使えば放射性核種の積算の程度を推定することが出来るので、ビームロスによる機器の長期被曝計画（例えば、ビーム停止の１ヶ月後に 1mSv／h の作業を担保するには、ビームロスはどの程度まで許されるか）の立案に役立つと考えられる[7][8]。
今後、パラメータ変更の自動化が望まれる。また、より高性能な処理回路への更新が予定されているので、線量の分解能も向上することが期待される。

参考文献[1] T.Toyama, S.Lee, K.Sato, A.Akiyama, Y.Hashimoto,
H.Nakagawa, J.Odagiri, T.Suzuki, M.Tejima, N.Yamamoto,
N. Hayashi, and K. Yamamoto, proc. of HB2008, p.450.
[2] http://www-cont.j-parc.jp/mediawiki/index.php/Timing[3] K.Satou and T.Toyama, Proc. of 8th Ann. Meeting of PASJ
(2011) 424.
[4] H.Nakagawa, S. Shibata, S.Hiramatsu, K.Uchino andT.Takashima, NIM174(1980)401-409.
[5] T.Toyama, H.Kuboki, Y.Sato, M.Uota, M.Shirakata and B.
Y-Rendon, in these proceedings.
[6] CAMBERRA RADIAGEM2000.
[7] K.Satou, Y.Sato, M.Uota, M.Shirakata and M.Yoshii, Proc.
of 10th Ann. Meeting of PASJ (2013) 688.
[8] K.Satou, Y.Sato, M.Uota, M.Shirakata and M.Yoshii, Proc.
of 2nd Intern. Symp. on Sci. at J-PARC 2014.
[9] M.Shirakata, private communication, Dec. 2014.
[10] National Nuclear Data Center, information extracted fromthe Chart of Nuclides database,
http://www.nndc.bnl.gov/chart/- 721 -