Transcript Pion Production solenoid Heat Load Mock

R&D Study on Pion Capture solenoid
for 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
PRISM
50GeV陽子ビーム
(750kW)
πを輸送
πは輸送中にμに崩壊
π →μ＋νμ
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！
FFAGでμを位相回転
• 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
π中間子捕獲
50GeV
protons
n
π
ターゲット
p
π中間子捕獲
50GeV
protons
π
B(T)
ターゲット
2R(m)
ソレノイド磁石
捕獲可能なπ中間子の条件は
Pt (GeV / c)  0.3 B(T )  R(m) / 2
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。
π中間子捕獲
50GeV
protons
π
B(T)
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
π中間子捕獲
50GeV
protons
π
B(T)
ターゲット
2R(m)
シールド
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
→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
二次粒子による入熱量の評価
50GeV
protons
(750kW)
1600mm
Estimation with MARS
・粒子輸送計算コード(MARS、NMTC、GEANT)
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。
実験概要
入熱量測定装置
粒子検出装置
冷凍機
シンチレーションカウンター
Biホイル
12GeV
陽子ビーム
ルミネ板
SEC
熱シャント
可動ターゲット
SPIC
モックアップ
Cuホイル
陽子ビーム強度測定
ヒーター
・ 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
ビーム
ダンプ
実験装置-Mockup&Target
C20
φ30
φ130
φ170
φ180
φ280
Outer
Inner
Target
30
240
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
Cuホイル台
SPIC
蛍光板
12GeVPS
EP2-A
ビームダンプ
陽子ビーム
シンチレーション
カウンター
ターゲット移動装置
実験概要
入熱量測定装置
粒子検出装置
冷凍機
シンチレーションカウンター
Biホイル
12GeV
陽子ビーム
ルミネ板
SEC
熱シャント
可動ターゲット
SPIC
モックアップ
Cuホイル
陽子ビーム強度測定
ヒーター
・ 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
ビーム
ダンプ
入熱量の測定方法
12GeV
ターゲット
温度計
(TMoI-H)
陽子ビーム
ヒーター
Qheater Qbeam
熱シャント
モックアップ
モックアップ温度
小型冷凍機
time
ニ次粒子による入熱量(Qbeam)とヒーターによる入熱量(Qheater)が
無い場合で温度が一定。
入熱量の測定方法
熱シャント
モックアップ
温度計
モックアップ温度
小型冷凍機
Tbeam
陽子ビーム
ヒーター
Qheater Qbeam
12GeV
time
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。
入熱量の測定方法
熱シャント
モックアップ
温度計
モックアップ温度
小型冷凍機
Tbeam
陽子ビーム
ヒーター
Qheater Qbeam
12GeV
time
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。
入熱量の測定方法
熱シャント
モックアップ
温度計
モックアップ温度
小型冷凍機
Tbeam
Theater
陽子ビーム
ヒーター
Qheater Qbeam
12GeV
time
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
実験データ例
Tbeam
Theater
Tf → 24.30(K)
Qheater Qbeam
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。
Target位置はMockup中央
入射陽子ビーム強度及び
プロファイルの評価
12GeV陽子ビーム
可動ターゲット
ルミネ板
SEC
SPIC
モックアップ
Cuホイル
陽子ビーム強度測定
Cu(p,x)
γ線
(1369keV)
x
(many
processes)24Na(励
起)
24Na(基底)
•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。
モックアップ内径
φ130
SECの校正結果
領域
入射陽子数 誤差(%)
(protons/sec
)
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
Energy Deposit
(J/1011protons)
実験結果
12GeV
陽子ビーム
120
0
-120
Target position
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
experimental result
120
80
40
0
-40 -80
Target Position(mm)
-120
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。
ErrorTable
Target Position(mm)
SEC校正
Cu-12GeV陽子反応断面積
Ge検出器検出効率
ビーム強度 SECのデータ
の時間的変動 ビームチャンネルのデータ
温度測定、
T_beamとT_heaterによる補正
入熱量評価
ヒーターの熱量
誤差合計
-80
5.1
4.3
2.1
0.8
<0.1
7.0
0
5.1
4.3
0.8
0.8
<0.1
6.8
80
5.1
4.3
1.3
0.3
<0.1
6.8
単位(%)
Energy Deposit(J/1011protons)
計算コードとの比較
12GeV
陽子ビーム
120
0
-120
Target position
1.6
experimental result
simulation (MARS)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
100
50
0
-50
Target Position(mm)
-100
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。
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
Theater
Tbeam
TMoI-L
&TMoI-H
TShI-H
TShI-L
Qheater Qbeam
TCold
⊿T = Tbeam - Theater
TCold
TShI-L TShI-H
TMoI-L
TMoI-H
小型冷凍機
Inner
Mockup
Outerの影響
Tbeam Theater
Theater
Qheater Qbeam
Tbeam
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。
平衡温度
QheaterQbeam
Tbeam Theater
モックアップ及びターゲットの設計
– 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
C20
Outer：80kg
Inner：20kg
φ30
φ130
φ170
φ180
φ280
• モックアップ
Target
30
240
–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。
outer：Cu
inner：Cu
12GeV陽子
Target：Cu
Energy Deposition
(J/1011protons)
計算コードMARSによる
入熱量の見積り
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Target
Inner
Outer
160
120
0
-120
120
80
40
0
-40
Target position (mm)
Target position
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。
-80
-120
モックアップの熱経路
小型
冷凍機
熱シャント
温度計
小型冷凍機
純アルミ帯
ヒーター
TCold
TShI-L
TShO-L
TShI-H
TShO-H
TMoI-L
TMoO-L
TMoI-H
TMoO-H
Outer
Inner
Mockup
Mockup
ビーム強度の変動
am
ter
Qhea Qbe
Tbeam Theater
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
1

Qheater 15.35
0.07
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。
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＜