Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

BEAM COLLIMATORS AT J-PARC HADRON FACILITY
Hitoshi Takahashi1,A), Keizo Agari A), Erina Hirose A), Masami Iio B), Masaharu Ieiri A), Yoji Katoh A),
Akio Kiyomichi A), Michifumi MinakawaA), Ryotaro Muto A), Megumi Naruki A), Hiroyuki Noumi C),
Yoshinori Sato A), Shin’ya Sawada A), Yoshihisa Shirakabe A), Yoshihiro Suzuki A), Minoru Takasaki A),
Kazuhiro Tanaka A), Akihisa Toyoda A), Hiroaki Watanabe A), Yutaka Yamanoi A)
A)
Institute of Particle and Nuclear Studies, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
RIKEN
2-1 Hirosawa, Wako, Saitama, 351-0198
C)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047
Abstract
At J-PARC hadron facility, two beam collimators are placed downstream of a secondary-beam-production target.
The aim of the collimators is to protect magnets from huge amount of radiation and heat from the target, and to reduceradiation dose downstream of the beam line by localizing the beam loss. In order to reduce the Tritium production in
the cooling water, both of the collimators are made of oxygen-free copper having high thermal conductivity and arewater-cooled at circumference. In the first collimator, cooling water directly flow in hollow in the copper blocks, which
is made by BTA (Boring and Trepanning Association) process. As for the second collimator, stainless-steel coolingwater pipes are involved in the copper blocks by HIP (Hot Isostatic Pressing).

J-PARCハドロン実験施設におけるビームコリメータ
１．はじめに現在茨城県東海村に建設中の大強度語陽子加速器
施 設 (J-PARC) ハ ド ロ ン 実 験 施 設 [1] に は 、 最 高 で50GeV、750kWの大強度陽子ビームを二次粒子生成標的T1に当て、そこから発生するさまざまな二次ビームを用いて原子核素粒子実験がおこなわれる予定である。その生成標的T1は30%ビームロス相当の物質量を持つため、そこで750×0.3＝225kWのビームパワーが開放されるが、標的自身に落とされる熱量は高 々 10kW程度である。残りの200kW以上は下流のビームライン機器に分散することになる。特に、標的の直下流に位置する二次ビームライン最上流電磁石は、そのままでは鉄芯の温度がキュリー温度を超え、磁石として働かなくなってしまう。それを防ぐために、標的の直後にビームコリメータを置き、余計な散乱粒子を堰き止める必要がある。また、前方に散乱した粒子は、直後の電磁石等には当たらなくても、もっと下流のビームダクト等に当たってビームロスを起こす。つまり、下流数十メートルにわたって広く放射線発生源が分布することになってしまう。これを防ぐこともコリメータの役割である。
図１が生成標的下流部のレイアウトである。図左の標的から、K1.8、K1.1、及びKLという複数の二次ビームラインが伸びている。標的直後に置くコリメータだけでは、前方に散乱した粒子を止めること1は原理的に難しいため、コリメータを2段にし、最初のものは主に直後の電磁石を守り、2台目のものは主に下流のラインロスを減らす、というように機能を分離した。標的の直後に描かれている五角形は大型真空箱であり、この中に第1コリメータと3台の電磁石が収納される。これは、磁極よりもビーム中心近くに位置するビームパイプの冷却が、トリチウム生成の問題もあるため極めて困難であるために、ビームパイプを置く代わりに大型の真空箱の中にコリメータや電磁石全体を入れるシステムにした[2]ものである。第2コリメータはこの大型真空箱の直後に置かれる。

E-mail: hitoshi.takahashi@kek.jp
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T1標的

真空箱

第2コリメータ
K1.8

ダンプ
K1.1
第1コリメータKL

図１：生成標的下流のレイアウト

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アルミ遮蔽体コンクリート遮蔽体

温度
真空フランジ
5m

鉄遮蔽体

Max
166℃

応力
ビーム

無酸素銅ブロック

図２：T1第1コリメータ
Max
47MPa

２．T1第1コリメータ

第1コリメータの主な目的は、T1標的の直下流に位置する二次ビームライン最上流電磁石を、標的か
図３：第1コリメータの熱解析結果らの膨大な放射線と熱から守ることである。磁石の代わりにコリメータが受け止める熱量は約50kWにものである。真空フランジの外側（大気側）にマニなるため、水冷が必要である。しかし、冷却水中でホールドを設置し、銅ブロックからそこまで鉄遮蔽大量のトリチウムが生成されてしまうので、熱伝導体内を貫通させてφ10SUSチューブを配管した。の良い無酸素銅のブロックで本体を構成し、ビームコリメータが膨大な熱負荷に耐えられるかどうか、中心より遠い外周部を水冷することにした。
有限要素法による熱解析を行った。50GeV、750kWの図２に第1コリメータの写真と3次元構想図を示す。 フルビームを想定し、銅ブロックの外周部を平均無酸素銅製のコリメータ本体の上に、鉄2m、コンク2000W/m2/Kの熱伝達率で除熱した場合の結果が図３
リート0.8m、アルミ0.2mの遮蔽体が乗っかった構造である。中心部の最大温度は166℃であった。熱応であり、このうち、銅本体と鉄遮蔽体とが一体で吊力を緩和するため中心部にスリットを入れたことにり上げられる。前述のように、上部遮蔽体を含む全より、最大応力が47MPaまで抑えられている。この体が大型真空箱の中に収納される。銅本体は、上下スリットの形状は、寸法を変えながら解析を繰り返2段、前後2段の計4個のブロックから成り、厚さはし最適化したもので、幅約3mm、深さ250mmあり、応上流側250mm、下流側150mm、幅は上段1000mm、下段力集中を避けるため先端部はφ30mmの円形になって1100mm 、 高 さ は ど れ も 485mmで あ る 。 左 右 に 二 次いる。
ビームが取り出されるため、ビームの通る開口部は横に長く、入口が横214mm×縦43mm、出口が横355mm
３．T1第2コリメータ×縦67mmというテーパー型の開口になっている。
冷 却 に つ い て は 、 BTA(Boring and Trepanning
第2コリメータは、第1コリメータが収納される大Association)によって銅ブロックにφ18mmの深孔を型真空箱の直後に置かれる。第2コリメータの役割あけ、そこに水を直接流して冷却する方式を採用しは、下流の一次ビームライン電磁石を保護することた 。 銅 ブ ロ ッ ク の 水 の 出 入 口 に は 、 HIP （ Hotもあるが、主には、ビームロスを局所化することで、Isostatic Pressing）により製造した銅-SUS異材継下流でのラインロスを減らし効率的に放射線を遮蔽ぎ手を銅ブロックに電子ビームで溶接し、外径10mmできるようにすることにある。のシームレスSUSチューブを接続した。このような
図４が第2コリメータの本体部の写真である。φ
冷却水路の構造は、同じハドロン実験施設のビーム500mm×195mmの無酸素銅ブロックをビーム軸方向に[3]
ダンプ の冷却のために開発研究が行われてきたも-293-

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温度

Max
83℃
φ500mm応力ビーム
図４：T1第2コリメータの本体部Max4個並べた構造である。開口部の大きさは、上流の48MPa
ブロックからそれぞれφ160mm、φ120mm、φ78mm、φ80mmである。この開口部の大きさは、ビームサイズによるだけでなく、発熱を各ブロックになるべく等しく分散させるように決められた。トリチウム生成量を減らすために無酸素銅ブロックの外周部を水冷するという基本構想は第1コリメータと同じであるが、銅ブロックの配置や冷却水路の構造は大きく異なる。本体全体が真空内に置かれた第1コリメー
タと違い、第2コリメータの本体そのものは大気雰
図５：第2コリメータの熱解析結果
囲気中に置かれ、ビームの通る開口部内が真空に引かれる。従って、真空気密が保てるように銅ブロッ体部の製造が完了、現在配管や架台への組み込みをク同士が接合されていなくてはならない。そのため行っているところで、来月には完成させてビームラに、まず個々の無酸素銅ブロックに溝を掘って1/2イン上に設置する予定である。
インチのSUSチューブを埋め込み、HIPによって両者を接合。そのHIPの際同時に銅ブロックの周りにSUS謝辞板を接合し、そのSUSの溶接により銅ブロック同士、この研究は、文部科学省科学研究費補助金若手研及び銅ブロックとビームダクトとを接合した。
究(B)No.15740166、基盤研究(A) No.15204024、基第2コリメータの熱解析結果を図５に示す。銅の2
盤研究(B)
No.15340084、基盤研究(A) No.17204019、外周部を平均600W/m /Kで冷却した場合の最高温度
及び基盤研究(A)No.18204026の支援を受けて行わは、上流から3枚目のブロックの中心部で83℃でれた。
あった。第1コリメータと同様、応力緩和のためのスリット加工を施した結果、最大応力は48MPaに参考文献なった。なお、解析モデルではスリットの方向が4枚とも全て同じになっているが、実際は45度ずつ交[1] 田中万博他, “J-PARC 原子核素粒子実験施設技術設計互に位相をずらしている。
報告書 ハドロンビームラインサブグループ第3次中

４．まとめ
二次粒子生成標的下流のビームライン機器を熱と放射線から守り、またビームロスを局所化させて下流での放射線発生を抑えるため、標的下流に2台のビームコリメータを設置する。トリチウム生成を抑えるため、熱伝導の良い無酸素銅のブロックで構成し、ビーム中心より遠い外周部を水冷する。
第1コリメータはすでに完成し、これから真空箱内に設置するところである。第2コリメータは銅本

間報告書”, KEK-Internal 2007-1, August 2007.
[2] H. Takahashi, et al., “Magnet Operation in Vacuum for High
Radiation Environment near Production Target”, IEEE
Trans. Appl. Supercond. Vol.16 No.2 (2006) pp.1346-1349.
[3] 上利恵三他, “J-PARCハドロンホールビームダンプの設計・開発”, 第4回日本加速器学会年会・第32回リニ
アック技術研究会報告集 (2007) pp.793-795.

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