R&D Study on Pion Capture solenoidfor PRISM

- 　 Mockup 　 test 　 -

H.Ohnishi

KEK(On leave from Kyushu University)

M.Aoki,Y.Ajima,K.Ishibashi,Y.Kuno,A.Sato,

N.Shigyo,T.Nakamoto,K.Nakahara,M.Numajiri,N.Nosaka,

N.Fukasawa,T.Miura,A.Yamamoto,T.Yokoi and K.Yoshimura

目次• 研究背景

– PRISM– π 中間子捕獲磁石

• 実験目的• 実験概要• 実験装置• 実験結果

– 入熱量の測定– 入射陽子ビーム強度とプロファイルの評価– 計算コードとの比較

• まとめ

50GeV 陽子ビーム(750kW)

π を輸送π は輸送中に μ に崩壊

π →μ ＋ νμ

FFAG で μ を位相回転

50GeV 陽子ビームとターゲットの相互作用で π 中間子が発生

π をソレノイド磁場で捕獲

大強度・高輝度の μ ビーム強度： 1012μ/sec

既存の 10000 倍の強度！

•　 J-PARC の実験計画として提案中

•　大強度且つ高輝度の μ ビームの生成が目的

PRISM

π 中間子捕獲

50GeV protons

ターゲットπ

p

n

π 中間子捕獲

50GeV protons

B(T)π

ソレノイド磁石

ターゲット

大強度 μ 源のため高磁場 (6 ～ 12T) が必要。→ 超伝導磁石を使用する。

( / ) 0.3 ( ) ( ) / 2Pt GeV c B T R m 捕獲可能な π 中間子の条件は

2R(m)

π 中間子捕獲

50GeV protons

B(T)πターゲット 2R(m)

超伝導ソレノイド磁石高い Pt をもつ荷電粒子や中性子などがソレノイド磁石

に入射問題点：超伝導磁石を加熱

シールド

π 中間子捕獲

50GeV protons

B(T)

超伝導ソレノイド磁石

ターゲット

高い Pt をもつ荷電粒子や中性子などがソレノイド磁石に入射

問題点：超伝導磁石を加熱

→ 熱設計にはニ次粒子による入熱量の正確な見積もりが必要

π2R(m)

二次粒子による入熱量の評価

・粒子輸送計算コード (MARS 、 NMTC 、 GEANT)

50GeV protons (750kW)

1600mm

Estimation with MARS

問題点：熱に関する計算精度は良く分かっていない。

Mockup 実験の目的

• PRISM に必要な π 捕獲超伝導ソレノイドの熱設計のため、入熱に関する計算コードの精度を実験的に検証する。

• 実験は KEK-12GeVPS の一次陽子ビームを用いて行った。

実験場所： EP2-A ダンプ前

12GeV-PS

・実験は KEK-12GeVPS の

一次陽子ビームを使用。

SEC

可動ターゲット

モックアップ

冷凍機

熱シャント

入熱量測定装置

12GeV陽子ビーム

ビームダンプ

シンチレーションカウンター

粒子検出装置

Biホイル

Cuホイル

陽子ビーム強度測定

ルミネ板SPIC

・　二次粒子による超伝導コイル模型 (Mockup) への入熱量測定

・　入射陽子のビーム強度及びプロファイルの測定

・　荷電粒子の測定

・　中性子束の測定

ヒーター

実験概要

実験装置 -Mockup&Target

Target

C20

240

φ28

0

φ13

0φ

30

30

φ17

0

φ18

0

Inner

Outer

Target ：一次陽子を 20%loss する設計、移動可能

Mockup と Target は銅製

実験装置 - 外観

EP2-Aビームダンプ12GeVPS

シンチレーション

カウンター

SPICCu ホイル台

蛍光板

陽子ビーム

ターゲット移動装置

SEC

可動ターゲット

モックアップ

冷凍機

熱シャント

入熱量測定装置

12GeV陽子ビーム

ビームダンプ

シンチレーションカウンター

粒子検出装置

Biホイル

Cuホイル

陽子ビーム強度測定

ルミネ板SPIC

・　二次粒子による超伝導コイル模型 (Mockup) への入熱量測定

・　入射陽子のビーム強度及びプロファイルの測定

・　荷電粒子の測定

・　中性子束の測定

ヒーター

実験概要

入熱量の測定方法

time

Qhe

ater

Qbe

amモ

ック

アッ

プ温

度

モックアップ

温度計 (TM

oI-H)

小型冷凍機

ヒーター

ニ次粒子による入熱量 (Qbeam) とヒーターによる入熱量 (Qheat

er) が無い場合で温度が一定。

ターゲット

12GeV

陽子ビーム

熱シャント

入熱量の測定方法

time

Qhe

ater

Qbe

amモ

ック

アッ

プ温

度 Tbeam

モックアップ

温度計

小型冷凍機

ヒーター

12GeV

陽子ビーム

Qbeam が発生すると、冷凍機の冷凍能力と Qbeam がバランスする温度 (Tbeam) までモックアップ温度が上昇。

熱シャント

入熱量の測定方法

time

Qhe

ater

Qbe

amモ

ック

アッ

プ温

度 Tbeam

モックアップ

温度計

小型冷凍機

ヒーター

12GeV

陽子ビーム

Qbeam が無くなると、冷凍機の冷凍能力と Qbeam のバランスが崩れモックアップ温度が低下。

熱シャント

入熱量の測定方法

time

Qhe

ater

Qbe

amモ

ック

アッ

プ温

度 TbeamTheater

モックアップ

温度計

小型冷凍機

ヒーター

12GeV

陽子ビーム

Qheater による平衡温度 (Theater) が Tbeam 付近になるように Qheater を調整。 Theater ＝ Tbeam 　　→　　　 Qheater ＝ Qbeam

熱シャント

実験データ例Q

heat

erQ

beam

TheaterTbeam

T =T0+(Tf –T0)(1-e (-t/τ))

でフィットし、収束値 Tf を求め、時定数 τ の目安を得た。

Tf 　→　 24.30(K)

Target 位置は Mockup 中央

SEC

可動ターゲット

モックアップ

12GeV陽子ビーム

Cuホイル

陽子ビーム強度測定

ルミネ板SPIC

入射陽子ビーム強度及び プロファイルの評価

•入射陽子強度の測定は Secondary Emission Chamber(SEC) で行った。

•Cu と陽子ビームによる 24Na 生成反応を利用して、 SEC の校正及びビームプロファイルの測定を行った。

Cu(p,x)

24Na(励起 )

24Na(基底 )

(many processes)

γ線 (1369keV)x

SEC の校正結果領域 入射陽子数

(protons/sec)

誤差 (%)

φ20 中心 6.70×1010 6.7

φ20_30 3.14×107 8.3

φ30_40 1.19×107 7.9

φ40_50 8.00×106 9.6

SEC 1 カウント当たりの入射陽子数は

2.89±0.19 (109 protons/count)

誤差は、

12GeV 陽子と Cu の反応断面積の誤差(5%) と Ge 検出器の検出効率の誤差 (4.3%) による

モックアップ内径 φ130

実験結果

測定した入熱量 Qbeam を入射陽子 1011個当たりの値に規格化した。

ターゲットがビーム上流に配置されるほど、モックアップへの入熱量が大きいのは前方方向に放出される二次粒子の収量が多いため。

12GeV

陽子ビーム

0120 -120Target position

00.20.40.60.8

11.21.41.6

-120-80-4004080120Target Position(mm)

Ener

gy D

epos

it(J

/1011

prot

ons)

experimental result

ErrorTable

Target Position(mm) -80 0 80SEC校正 Cu-12GeV陽子反応断面積 5.1 5.1 5.1

Ge検出器検出効率 4.3 4.3 4.3ビーム強度 SECのデータ - 0.8 1.3の時間的変動ビームチャンネルのデータ 2.1 - -温度測定、 T_beam T_heaterと による補正 0.8 0.8 0.3入熱量評価 ヒーターの熱量 <0.1 <0.1 <0.1誤差合計 7.0 6.8 6.8

単位 (%)

計算コードとの比較

測定した入熱量 Qbeam を入射陽子 1011個当たりの値に規格化して MARS の計算結果と比較した。

実験による測定結果は、計算と同じターゲット位置依存性を示した。測定値は MARS による計算より約 20 ～ 30％高めの値を示した。

12GeV

陽子ビーム

0120 -120Target position

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-100-50050100Target Position(mm)

Ener

gy D

epos

it(J/

1011

prot

ons) experimental result

simulation (MARS)

まとめ

• PRISM に必要な π 捕獲超伝導ソレノイドの　　　二次粒子による入熱量を評価するため、　　　　計算コード MARS の熱に関する計算精度を検証する実験を行った。

• 実験結果は計算結果と同じターゲット位置依存性を示し、約 20 ～ 30% 高めの値を示した。　　　　ソレノイド設計の際には MARS の計算値より1.3以上の安全ファクターをかける必要がある。

今後の予定

• MARS以外の計算コードによる結果と比較を行なう。

• 今回の実験結果をふまえて π 捕獲超伝導ソレノイドの設計を行う。

以下質問用

各部温度データ

⊿T = Tbeam - Theater

小型冷凍機Inner

Mockup

TCold TShI-L TShI-H

TMoI-L 　

TMoI-H

Qhe

ater

Qbe

am

TCold

TShI-L

TShI-H

TMoI-L &T

MoI-HTbeam

Theater

Outer の影響

Qhe

ater

Qbe

am

TheaterTbeam

Tbeam 及び Theater の測定中は Outer の温度はほとんど変化が無い。そのため、 Inner に対する影響もほとんど変化が無い。

Tbeam

Theater

平衡温度Q

heat

erQ

beam

TheaterTbeam

モックアップ及びターゲットの設計

• モックアップ– 二次粒子による入熱量が

測定可能である事

– 超伝導磁石を模擬するため、材質は銅である事

– 入熱量の半径方向分布を調べるため、半径方向に二層になっていること

•　ターゲット–一次陽子を 20% loss

–ビーム軸方向に移動可能でビームから逃げられる。

Target

C20

240

φ28

0

φ13

0φ

30

30

φ17

0

φ18

0

Inner： 20kg

Outer： 80kg

Target Cu：inner Cu：outer Cu：

12GeV陽子

計算コード MARS による入熱量の見積り

入射陽子全エネルギー 200W に対して、　　　　　　　　　 inner と outerそれぞれへの入熱はたった 0.2 ～ 1.4W程度。

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

-120-80-4004080120160

Target position (mm)

Ener

gy D

epos

ition

(J/1

011

prot

ons)

Target

Inner

Outer

0120 -120Target position

モックアップの熱経路小型冷凍機

熱シャント

温度計

ヒーター

純アルミ帯

小型冷凍機

Inner Mockup

Outer Mockup

TCold

TShI-L

TShI-H

TMoI-L

TMoI-H

TShO-L

TShO-H

TMoO-L

TMoO-H

ビーム強度の変動Q

heat

er

Qbe

a

m

TheaterTbeam

Target 位置が ±0( モックアップ中心 ) の時、　　　　　　　　　　　　ビーム強度 (protons/10min) の変動は 1%以下に収まっていた。

Tbeam と Theater の差による補正 1

Tbeam と Theater の差は 0.15K以下

Tbeam と Theater の差による補正 2

Theater と Qheater をプロットした。この一次近似式の傾きの逆数 0.07(W/K) は、モックアップの平衡温度 1K のずれが 0.07W に相当す

ることを示す。

115.35

0.07heater heaterT Q

Tbeam と Theater の差による補正 3

Tbeam と Theater の差による補正結果

測定器誤差による入熱量への影響＜1%