PRESENT STATUS OF ELECTROSTATIC SEPTA IN J-PARC MR
Yoshitsugu Arakaki #,A), Masahito TomizawaA), Ryotaro MutoA),
Katsuya OkamuraA), Yoshihisa ShirakabeA), Shigeru MurasugiA),
Daisuke HorikawaB), Tetsushi ShimokawaC)
A)

High Energy Accelerator Reserch Organization, Japan
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaragi, 305-0801
B)
The graduate University for Advanced Studies, Japan
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaragi, 305-0801
C)
Saga University Faculty of Science and Engineering, Japan
1 Honjo, Saga, Saga, Japan

Abstract
Two electrostatic septa (ESS) are used for the slow extraction in J-PARC MR. We use fluorinert in a feedthough andcable connection device as for an insulation. Since decomposition product is generated in a high radiation environment,
we introduce the circulation system in ESS. Irradiation test was performed in order to obtaining production rate ofhydrogen fluoride (HF) caused by γradiation. The radiation dose was also measured by alanine dosemeters attached tothe feedthough. We found that it is acceptable to maintain the adsorbent in circulation system. Present status of ESS
operation in the slow extraction is also presented in this paper.

J-PARC MR 静電セプタムの現状
1.

はじめに2.

J-PARC MR では	  30GeV に加速した大強度陽子ビームを遅い取り出しの手法[1]を用いてハドロン実験施設へ供給している。MR 静電セプタムはステン
レ ス 製 C 型 ヨ ー ク （ 1.5m ） に 張 ら れ た 断 面 が0.03mmx1mm のタングステンレニュウムリボンを約500 本 3mm ピッチで張り、それと対向するチタン電極との間で高電場を作りビームを蹴りだす[2]。加速器運転調整時にはヨークの平行および回転移動の位置調整でビームロスが最小限になるような調整を行っている。
高圧同軸ケーブルを電極に接続するためのフィードスルーには絶縁液としてフロリナート FC40 を使用している。フロリナートは放電や放射線で分解物を生成するので循環して活性アルミナフィルターを通し清浄化するシステムを導入している[3]。ビームの大強度化に伴って放射線による分解物の発生量も増えてくるので、機器の性能維持と安全性を確保する上で、発生量を見積もることは重要である。高崎
量子応用研究所にてフロリナートのγ線による照射試験を行った。また	  MR トンネル内にて遅い取り出し運転期間中アラニン線量計を設置し、フロリナートが入ったフィードスルーと中継器タンクでの吸収線量を測定した。その結果、300kW ビームを供給する場合でも、フィルターの吸着剤（活性アルミナ）の容量よりも低い値であった。また、遅い取り出し RUN 時の静電セプタムの現状に関しても報告する。

静電セプタムフィードスルー

高圧同軸ケーブル

静電セプタム
中継器	 
高圧電源	  	  	  	  	 	  図 1:電気的構成図

MR 静電セプタムは Q 電磁石を間に挟んで２台設置されている。電気的構成図を図１に示す。
電源棟からおよそ 100m の同軸ケーブルをトンネル内に設置された中継器まで接続しそこから12m~15m の長さで本体と接続している。静電セプタ
ムのフィードスルーと中継器には電気絶縁を目的としてフロリナート FC40 がそれぞれ 1.2L と 77L 充填されている。
____________________________________________#arakaki@post.kek.jp- 381 -電気的特性を図２に示す。電圧が 80kV を超えたあたりから次第に DC 電流が増えるのがわかる。真
空中を伝わって流れる暗電流はヨークとアース側にデジタルエレクトロメータを設置して測定した結果、2nA（＠104kV）程度なので、DC 電流の大部分はケーブルのコネクタ付近でリークしている考えられる。加速器運転時の DC 電流は 8μA 程度である。

線源
線源
17kGy/h

400Gy/h

10kGy/h

電圧＆DC電流流
507セル	  	  	  	  	  	  	  	  図３：照射試験行った。温度上昇は 16.4℃でほぼフロリナートの比熱で決まる値になっている。照射後フロリナートの液中に発生している HF の量を測定する方法はフロリナートに同量の蒸留水を加え 2 時間程度振盪機にかけ水に HF を抽出する。その際に H イオンと Fイオンに分かれるので F イオン電極でそのイオン濃度を測定する。測定された吸収線量と F イオン濃度の関係を図４に示す。多少バラツキはあるが発生量は線量とともにほぼ直線的に増えている。

30I(μ A)

6セル

ESS1ESS24020100-105kGy/h050V(kV)

100150	 	  	  	  	  	  	  図２：電圧電流特性

3.

HF 発生量の評価

3.160

Coγ照射試験

フロリナートの分解が起こる一般的な要因として熱による分解、放電による分解、放射線による分解が考えられる。我々の場合、トンネル内での液体の温度上昇は８度程度なので熱分解で発生する HF の量は気にならない。ビームの大強度化に伴って ESSでの吸収線量が高くなることが想定されるので、3M 社の協力のもとに放射線による HF の発生量を調べることにした。フロリナート FC43 も US3M 社のデータと比較するために同時に行った。テスト容器は ICF70 ニップル（長さ 120 mm）と 1/4 パイプ付 ICF フランジで制作した。両端はキャップで封止するシンプルな構造になっている。脱脂洗浄後、超純水で超音波洗浄（30 分）その後自然乾燥してフロリナート（100 mL）を詰めた。温度による圧力上昇を吸収する為 10 mm 程度の空気の層を設けてある。
N2 ガスでバブリングを行った後液体の中に含まれる水分量は FC40（4.46 ppm）, FC43（4.81 ppm）とカタログ値（7 ppm）よりも低い値であった。照射試験は 2 室（6 セル, 7 セル）で行った。その様子を図３に示す。テスト容器は等線量率線に沿って設置
し 、 高 さ は 線 源 60Co の 高 さ の 半 分 の 位 置 （ 22.5cm）に設定した。容器の真上にアラニン線量計（測定範囲：10Gy~100kGy,精度:±3%）も設置して測定した。照射時間は 7 セルが 30 分、6 セルが 1 時間+30 分（インターバル 15 分）で行った。線量の高い容器の一つに熱電対をつけて温度測定も	  	  	  	  	  	  	  	  図４：測定結果
3.2

ESS 近傍での吸収線量の測定

遅い取り出し運転の間 ESS のフィードスルーと中継器に線量計を貼り付け線量測定を行った。ESS 上流に設置されている中継器は比較的低線量と思われるので検出素材に酸化アルミニウムを用いた OSL線量計（測定範囲：0.1mGy~10Gy,精度:±5%）を使用している。ESS はセプタムリボンに直接ビームが当たる為、その周りは比較的高線量になる。アミノ酸の一種であるアラニンに吸収線量に比例したラジカル量を測定して測るアラニン線量計を用いた。設置場所は ESS のフィードスルーと中継器、ビームに対して上流下流のそれぞれ２か所に設置した。測定値はその２か所の平均で求めた。測定の結果を表２に示す。ESS1 はビームの直撃を受けるので ESS2 に比べて高い線量になっている。中継器は ESS から離れた上流に位置するので比較的低線量の結果になっている。

- 382 -表２：吸収線量の測定値

4.	  ESS 運転の現状

RUN40

RUN43ESS1432Gy

1062GyESS280Gy

125Gy

中継器 10.407Gy

0.764Gy

中継器 20.465Gy

0.927Gy

RUN40 1/28~2/22 2012
電圧

温度：22℃~30℃

この測定結果と照射試験の結果を基にしてビームが大強度になった時の ESS 循環系および中継器循環系で発生する HF の量を評価することができる。
RUN43 が 6kWx ビーム供給時間(300H)として ESS1で約 1kGy なので目標値 300kWx300H だと 50kGy の線量となる。その時に ESS フィードスルーで発生する HF の量は ESS1, ESS2 合わせて 645mg となる。
フィルター交換の目安が 1.7g なので十分対応できる値である。しかし	  ESS1 の濃度が最大 260ppm と高く腐食や絶縁劣化の原因になるので循環しながら運転することが必要となる。循環系を図５に示す。循
環系は密封になっており、線量が低い部分の液体が大部分なので循環させると希釈の効果で膨張タンクに来る液体は ESS 本体よりも濃度は低くなる。安全対策としては気層部分の HF 濃度を特殊ガスモニ
ターで調べた上でサンプルを採って液中の HF 濃度を管理している。
ESS循環系

104.4kV

電流

RUN43 6/9~7/2.	  2012
電圧104.4kV
90kV

温度
22℃～30℃

ESS1の電流増加により電圧が上がらなくなる。

メンテ日電流	  	  	  	  	  	  図６ ESS 運転

主に放射線が当たる場所

0.7L

1.2L

1.2L

サンプリングポート

4.5L

全液量＝１．２Ｌｘ２（Feedthough)+3.1L(配管)+0.7L(膨張タンク）＋4.5L(循環器)=10.7L

中継器循環系

0.6L

図６に今年行われた遅い取り出し時の ESS 運転状況を示す。電圧は長時間に渡って比較的安定しているが 5H~30H おきの頻度でスパイク状の電流増加が見られる。RUN43 においては途中電流が増加した為90 kV まで時間をかけて上げ運転した。取り出し効率に変化はなかった。
スパイク状の電流増加は以前より時々観測されていた。電流制限を 40μA に設定しているのでそれを超えたところで電源が定電流モードに切変わり電圧が低下している。電圧が下がって立ち上り早いと放電が起こるのでその時は真空にもその影響が現れる。
図７にその様子を示す。電圧に対応した所で真空が悪くなっているのがわかる。
15%低下

77L

104.4kV

77L

4.5L
1e-­‐5取り出し効率の低下
全液量＝77Ｌｘ２（タンク)+0.3L(配管)+0.6L(膨張タンク)+4.5L(循環器)=159.4L

1e-­‐6

真空への影響1e-­‐7

図５	  フロリナート循環系	 	  	  	  	  	  	  図 7: 電圧瞬時低下の影響	 	 - 383 -通常状態では真空は悪くなってないので原因は真空中ではないと推測する。また非常に小さな値であるが取り出し効率に 0.5%程度の低下が見られた。

6/16	  3:00	  	  span	  1min

6/17	  3:00	  	  span	  1minのフィルター交換の目安となる。
ESS の通電時はスパイク上の電流によって真空への影響および取り出し効率の低下などを引き起こす。
ESS フィードスルーの絶縁劣化の原因究明と対策が急がれる。

6/18	  3:00	  	  span	  1min

参考文献
２０日の循環で多少良くなったように見える。

6/19	  3:00	  	  span	  1min

6/20	  3:00	  	  span	  1min

[1] M.Tomizawa, et al., “APPROACH FOR HIGHINTENSITY SLOW EXTRACTION FROM J-PARC MAIN
RING”, TheseProceedings.

6/21	  3:00	  	  span	  1min

[2] Y.Arakaki, et al., “ELECTROSTATIC SEPTUM FOR
50GEV PROTON SYNCHROTRON IN J-PARC”,
Proceedings of IPAC2010 in Japan, Kyoto, May. 23-28,
2010

図８：ESS 電流のビームからの影響
図８はハドロンにビーム供給している時の ESS の電流を 60 秒のスパンで見たものである。ESS1 のみ
6 秒周期のビームに同期して電流が変化している。
途中メンテ日に３時間程度循環を行っているので多少その変化がわかる。

[3]Y.Arakaki,etal.,“CIRCULATION	 SYSTEMOF
FLUORINERT IN J-PARC ESS” 7th Proceeding of Particle
Accelerator Society of Japan.

コロナリングセラミック

フロリナートFC40

⿊黒い斑点状の物	 	  	  	  	  	  	  	  図 9:	  フィードスルー
運転終了後、ESS1 と ESS2 でケーブルの交換を行い通電してみたが状況が変わらなかったので、ESS
循環系のフロリナートを抜き、フィードスルーの中を観察した。その結果、ESS1 のみ黒い斑点のような物が見つかった。その時の写真を図９に示す。
電流増加の原因はフィードスルーの内側に出来た付着物が絶縁劣化を引き起こしていた可能性がある。
この付着物がどのような経緯で出来たのか今後詳しい調査を行う予定である。

５. まとめ照射試験と線量測定を行いフロリナート循環系での HF 発生量の評価を行った。大強度に向けて- 384 -