J-PARCニュートリノ実験用標的の開発

• 研究課題/領域番号: 16740155
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京大学 (2005); 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 (2004)
• 研究代表者: 早戸 良成 東京大学, 宇宙線研究所, 助教授 (60321535)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2005年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2004年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
• キーワード: ニュートリノ生成標的 / 炭素標的 / 炭素酸化消耗率 / ニュートリノ / 標的 / 放射線損傷

研究概要

これまでの研究により、ニュートリノ生成標的は炭素素材を用い、その冷却にはヘリウムガスによる直接空冷を行うデザインとしたので、本年度はまずヘリウムガス冷却の試験装置を製作、実機に近い流速条件での冷却能力を測定した。その結果、理論および経験式から予測される値と矛盾ない値が得られ、必要とされる冷却能力を持つことがわかった。また、このような流速のヘリウム中に炭素標的を設置した場合に、標的が短時間で摩耗してしまうことがないこともプロトタイプを用いることで確認した。これらの実験結果に基づき、実機の標的形状ならびにヘリウム流路設計をシミュレーションし、形状の最適化を行った。
尚、当初検討していた標的を水冷する場合についても、冷却能力を確認する試験を行い、こちらについても経験式とよく一致した冷却能力が得られることがわかった。
標的をヘリウムによって冷却する場合には、炭素標的の温度は400〜700℃程度となる。このような環境においては、ヘリウム中の残存酸素が炭素標的を酸化することが懸念される。炭素酸化は形状変化・重量減少以外にも強度低下を引き起こすことが知られており、標的として利用する場合に、その影響を事前に評価しておくことが必須となる。このため、実際に利用予定の炭素素材を用いて酸化消耗試験を実施した。この測定結果をふまえ、特殊な加工を施した不純物の非常に少ない炭素素材を利用することとし、ヘリウム中の酸素許容濃度限界の決定、ヘリウム中の酸素低減手法、残留酸素濃度監視機器の選定など、ヘリウム循環装置の設計も行った。また、これらの結果をもとに、ヘリウム循環用ポンプの仕様を決定した。