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R&D Study on Pion Capture solenoid for PRISM - Mockup test -

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

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R&D Study on Pion Capture solenoid for PRISM - Mockup test -

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  1. R&D Study on Pion Capture solenoidfor PRISM-Mockuptest- 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.Yokoiand K.Yoshimura

  2. 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

  3. PRISM 50GeV陽子ビーム (750kW) 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 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 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

  4. n π p π中間子捕獲 50GeV protons ターゲット

  5. 捕獲可能なπ中間子の条件は 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 B(T) π 50GeV protons ターゲット 2R(m) ソレノイド磁石

  6. π中間子捕獲 B(T) π 50GeV protons 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

  7. 2R(m) シールド π中間子捕獲 B(T) π 50GeV protons ターゲット 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

  8. 50GeV protons (750kW) 1600mm 二次粒子による入熱量の評価 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 実験概要 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

  12. 実験装置-Mockup&Target C20 Outer Inner φ130 φ170 φ180 φ280 Target φ30 30 240 Target：一次陽子を20%lossする設計、移動可能 MockupとTargetは銅製

  13. 実験装置-外観 Cuホイル台 SPIC 蛍光板 EP2-A ビームダンプ 12GeVPS 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

  14. 実験概要 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

  15. 入熱量の測定方法 小型冷凍機 熱シャント モックアップ モックアップ温度 ターゲット 温度計(TMoI-H) 12GeV 陽子ビーム Qbeam Qheater ヒーター 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。

  16. Tbeam 入熱量の測定方法 小型冷凍機 熱シャント モックアップ モックアップ温度 温度計 12GeV 陽子ビーム Qbeam Qheater ヒーター 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。

  17. 入熱量の測定方法 Tbeam 小型冷凍機 熱シャント モックアップ モックアップ温度 温度計 12GeV 陽子ビーム Qbeam Qheater ヒーター 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。

  18. Theater 入熱量の測定方法 Tbeam 小型冷凍機 熱シャント モックアップ モックアップ温度 温度計 12GeV 陽子ビーム Qbeam Qheater ヒーター 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

  19. Theater Tbeam Qbeam Qheater 実験データ例 Tf　→　24.30(K) 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

  20. 入射陽子ビーム強度及び プロファイルの評価 Cu(p,x) • 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。 γ線(1369keV) x (many processes) 24Na(励起) 24Na(基底)

  21. SECの校正結果 モックアップ内径φ130 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

  22. 実験結果 12GeV 陽子ビーム 120 0 -120 Target position 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。

  23. ErrorTable 単位(%)

  24. 計算コードとの比較 12GeV 陽子ビーム 120 0 -120 Target position 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。

  25. 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。

  26. 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。

  27. 以下質問用

  28. TMoI-L &TMoI-H TShI-H TShI-L TCold Qbeam Qheater 各部温度データ Theater Tbeam ⊿T =Tbeam- Theater TMoI-LTMoI-H TCold TShI-L TShI-H 小型冷凍機 Inner Mockup

  29. Qbeam Qheater Outerの影響 Theater Tbeam Theater 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。

  30. 平衡温度 Theater Tbeam Qbeam Qheater

  31. モックアップ及びターゲットの設計 C20 • 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 Outer：80kg Inner：20kg φ130 φ170 φ180 φ280 Target φ30 30 240 • 　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。

  32. 計算コードMARSによる入熱量の見積り 120 0 -120 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。

  33. 小型冷凍機 TCold TShI-L TShO-L TShI-H TShO-H TMoI-L TMoO-L TMoI-H TMoO-H Outer Mockup Inner Mockup モックアップの熱経路

  34. Theater Tbeam Qbeam Qheater ビーム強度の変動 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。

  35. TbeamとTheaterの差による補正1 TbeamとTheaterの差は0.15K以下

  36. 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。

  37. 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%

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