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■研究紹介

J-PARC リニアックのアップグレード
日本原子力研究開発機構

森 森下
下 卓
俊，田 村潤 潤
卓俊，田村takatoshi.morishita@j-parc.jp, jtamura@post.j-parc.jp
高エネルギー加速器研究機構

丸丸田
田 朋史
朋 史
tmaruta@post.j-parc.jp
2015 年 3 月 3 日

1 はじめにJ-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）
は，日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で茨城県東海村に建設した大強度陽子加速器施設である。J-PARC の加速器はリニアック，
3 GeV シンクロトロン (3 GeV Rapid Cycling Synchrotron,
RCS)および 50 GeV シンクロトロン(Main Ring Synchrotron,

図1MR)からなる。RCS からのビームは物質・生命科学実験施

リニアック機器構成。

設（Materials and Life Science Experimental Facility, MLF），

も進め，2014 年夏期メンテナンス期に新イオン源およびMR からのビームはハドロン実験施設およびニュートリノ

RFQ，さらに改良型 RF チョッパーシステムをインストー

実験施設でそれぞれ使用され，目標ビームパワーは RCS でルし，現在は性能確認を進めている。図１にアップグレー

1 MW，MR で 0.75 MW である[1]。これを達成するためリ

ド前後のリニアックの構成を示す。本稿では，リニアック

ニアックでは当初，ピーク電流 50 mA，エネルギー400 MeV

初段加速部におけるビーム電流増強，ACS 空洞によるビーを目標性能に定めたが，建設予算の都合から 181 MeV リニ

ムエネルギー増強および大出力運転に向けたリニアックビー

アックを先行して建設することになった[2]。それに伴いピー

ムコミッショニングについて報告する。

ク電流も当面は最大 30 mA を目標とすることになった。
181

2 ビーム電流増強

MeV リニアックは，負水素イオン源，高周波四重極リニアッ
ク（Radio-Frequency Quadrupole linac, RFQ），ドリフト

先に述べたように，リニアックは設計ピーク電流 30 mA

チューブリニアック（Drift-Tube Linac, DTL），および機能

で運転を開始したが，リニアック出口でピーク電流 50 mA

分離型ドリフトチューブリニアック（Separate-type DTL,を達成するためには，60 mA を超える負水素イオンビーム

SDTL）で構成され，2006 年 11 月よりビームコミッショニを生成可能なイオン源の開発，大電流のビーム加速に対応

ングを開始した[3]。2009 年より実験施設でのビーム利用運

した RFQ の開発および大電流のビーム負荷に耐えうる RF

転を開始し，2011 年 3 月の東北地方太平洋沖地震によりスチョッパーシステムの開発が必要であった。これらはいず

ケジュールが大幅に変更されたものの，2012 年末からは RCSれも現存する大強度ハドロン加速器の最高性能に迫るもの

出力 300 kW でのビーム供給を開始した。

である。また，実験施設へ安定したビーム供給を使命とす

181 MeV リニアックの運転と並行して，エネルギーを 400る加速器であることを念頭に，ビーム性能の達成だけでな

MeV に増強するための環結合型リニアック（Annular-ring

く運転の安定性やメンテナンス性の向上を目指した開発を

Coupled Structure linac, ACS）の開発を進めた。ACS は 2009

おこなった。以下に，それぞれの機器の詳細について述べ

年より量産を開始し，地震の影響で計画が遅れたものの 2013

る。

年の夏期メンテナンス期にビームラインにインストールし，

2.1 大電流負水素イオン源

翌年の 1 月に 400 MeV 加速に成功した。また，ピーク電流
を 50 mA に増強1するための新たなイオン源と RFQ の開発

リニアックでは，六ホウ化ランタン（LaB ）製フィラメ
6ントを用いた負水素イオン源を運転開始当初から使用してきた。負水素イオンビーム電流を増大させるためにイオン

1 RCS 入射平均電流を 333 μA（＝ピーク電流 50 mA×パルス幅

源内にセシウムを添加する方法がある。本イオン源ではセ500 μs×間引き率 54％×繰り返し 25 Hz）として RCS からの 1 MW
出力を得る。

シウムを添加しない条件でも負水素イオンビーム電流 36 mA

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は可能であったが[4]，LaB 製フィラメントを用いた本イオ

またモジュレーションによって発生する縦方向の電場を使っン源にセシウムを添加してもほとんど負水素イオンビームてバン

6

ングおよび加速する。

電流が増加しないことが判明したため，セシウム使用にて既存の RFQ は大型ハドロン計画に基づいて 30 mA で設大幅な負水素イオンビーム電流の増加が見込まれ，かつセ計されたものであったため，新たにピーク電流を 50 mA にシウムの使用量が少ないと考えられる高周波駆動（RF）負設定した RFQ を設計した[7]。本設計には最近開発された設

水素イオン源の開発に着手した。図 2 に RF イオン源の断計コード（LINACSrfqDES）を使用し，従来は設計に組み面図を示す。本 RF イオン源では，直径 120mm のプラズ込むことが容易ではなかった共鳴作用によるビーム品質低マ生成室内にらせん状の RF アンテナを挿入している。こ下を抑制する条件を，バンの内部 RF アンテナには，米国 SNS（Spallation Neutron

設計に付加することとした。また，高いピーク電流に合わ

Source）の負イオン源で使用されているものを採用し，30せて設計すると加速空洞が長くなり，高次の共振モードのMHz-RF を連続的に印加，2 MHz-RF をパルス的に重畳し影響で空洞内の電磁場分布が不均一になりやすい。最近のて水素プラズマを生成している。イオン源内へのセシウム

大電流 RFQ では，空洞の後半部分のベイン先端の断面形状の添加は，高温に加熱したセシウム導入器からおこなう。

を変化させることで加速効率を向上させる（つまり空洞をング区間のモジュレーション

RF イオン源の開発では，これまで使用してきた LaB フィ

短くすることができる）設計がいくつかみられる。今回は，ラメント型イオン源の構造をベースに，電極形状や温度の電極形状がシンプルであるため製作が容易で技術的蓄積も最適化に加え，図 2 に示すロッドフィル

6

ー磁石の調整やある従来の手法を採用した。その結果，全長は既存の RFQ

軸磁場補正コイルを新たに導入するなど，ビーム引出し口

空洞長 3.1 m に対し，新設計ではおよそ 0.5 m 長く 3.6 m近傍の磁場分布の最適化を進めた。その結果、イオン源テになったが，電磁界シミュレーションの結果から組立時のンドで実施した RF イオン源単体での性能試験に

電磁場分布調整によって均一化できる範囲内であると判断

ストス

おいて，2012 年には RFQ のアクセプ

ンスに収まるビー

した。また，ベイン間電圧および最大表面電界強度についム電流として 70 mA のビーム引出しに成功した[5]。また，ても，ピーク電流の増加にもかかわらず増加させていない。

運転時のビーム電流安定化のため，遠隔でインピーンス

これらの値も大きくすると空洞を短くすることができるが，整合をおこなえるシステムを構築し，RF アンテナによるプ

電圧増加による電極での放電のリスクが高まって安定運転

ラズマ生成の安定化が可能となった。さらに，ビーム電流に支障をきたす可能性があるためである。

の実測値に基づくフィードバック制御システムを導入し，上記設計に基づき，2011 年より RFQ 空洞の製作を開始しRF 投入電力を制御してビーム電流の安定化を実現している。

た。既存の RFQ は精密加工された４つのベインを相互にボ

イオン源内へのセシウムの添加量は，電極の耐電圧の観点

ルトで固定した構造で，加速空洞全体を真空容器内に格納から必要最小限にとどめることが望ましい。本制御システしていた。これによりベイン間の電気的接触と真空シール

ムによって，セシウムの効果が弱まれば（RF 投入電力が必を個別に実施することができるため組立精度を高めやすい

要以上に大きくなった場合には）それを補うだけの少量のが，新 RFQ では長手方向に空洞を 3 つに分割し，それぞれセシウムを自動で添加することができる[6]。

においてベインを真空ろう付け接合後に連結することとし

2.2 大電流 RFQた。図 3 は RFQ の電極の 2 枚目を組み立てているところであり，モジュレーションのあるベイン先端の間隔は狭いとリニアックでは，イオン源からの 50 keV のビームを周波数 324 MHz の高周波電力で駆動する RFQ でバン
よび加速し，ビームマッ

ングお

ングセクション（MEBT1）を経ころで 3.4 mm である。図 3 右下の囲みは電極の表面電界強度を計算したもので，ベイン先端に高い表面電界が発生する。

て DTL に入射する。RFQ は先端が長手方向に波打った形

真空ろう付けによって電気接触と真空シールが両立でき状（モジュレーション）のベインと呼ばれる 4 枚の電極をるため別途真空容器は必要なく，シンプルな構造が可能で持ち，電極間に発生する四極電場を使ってビームを収束し，ある。反面，接合時の熱による変形や連結部の位置ずれなどが発生しやすいため，位置精度確保に注力して製作した[8]。RFQ 空洞には合計 35 個の固定

図2

RF 駆動負水素イオン源断面図。

ューナーを取り付け

図 3 RFQ ベイン組立。

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図5
図4

リニアックのビームバンチ構造。

ており，これらと 1 個の RF カップラの挿入量で前述の電磁場分布を調整した。チューナーは先端をスリット加工しており，真空排気ポートとして使用する。現在，35 か所中

チョッパー空洞内部写真。

を振り分けるタンデムスクレーパを構築した[11]。本 RF
チョッパーシステムは 2014 年の夏期メンテナンス後からリニアックでの使用を開始している。

2.4 オフラインでの初段加速部性能試験

9 か所に真空ポンプを接続しており，必要に応じてポンプ

新規に開発した RF イオン源および RFQ は，加速器トンの増設も可能である。RFQ 加速空洞は 2013 年 3 月の完成

ネルへのインストールに先立って，地上部にてテストスタ

後，大電力投入試験を開始した。

ンドを構築してビームエネルギーやエミッタンスなどビー

2.3

RF チョッパーシステムの改良

リニアックの基準 RF 周波数 324 MHz に対し，RCS のRF 周波数は 1.2 MHz（入射時）ࠥ1.6 MHz（出射時）と，
リニアックと比較して 2 桁低い。そのためリニアックから供給されるパルス幅 0.5 ms（マクロパルス）のビームをそのまま入射すると，RCS の RF バケツの外にビームがこぼ
れてしまい，ビームロスが発生する。そこで，図 4 に示す
ように，マクロパルス内に RCS の RF 周波数に合わせたもム特性の確認をおこなった[12]。 図 6 は 2014 年 2 月にテス
トスタンドにおいて 3 MeV に加速された 50 mA のビームを確認した際のオシロスコープ波形である。その後，一か月間の連続運転試験をおこない，ビームの安定性や RFQ の放電頻度などを確認したのち，RF イオン源および RFQ は2014 年夏期メンテナンス期に加速器トンネルにインストー
ルした。

2.5 インストールと立ち上げ，運転経過

うひとつのパルス構造を MEBT1 に設置した RF チョッパー

初段加速部および RF チョッパーシステムのインストー

システムによって成形している。
RF チョッパーシステムは，

ル作業は 2014 年 7 月から 9 月の 3 か月間で予定通り完了し，ビームを横方向に偏向する RF チョッパー空洞と，偏向し9 月末よりビームコミッショニングを始め，10 月にはピーたビームを取り除くスクレーパで構成され，不必要なマクク電流 50 mA でのビーム調整試験を開始した。図 7 はイン

ロパルス内のおよそ 46％のビームをエネルギーが低いうちストール後の初段加速部の写真である。10 月半ばには，ピーに間引くために使用する。既存の RF チョッパーシステム

ク電流 50 mA のビーム試験中にイオン源の RF アンテナがは RFQ と同様に大型ハドロン計画に基づいた 30 mA ビー

破損するトラブルが発生したものの，およそ 13 時間で復旧ムを想定して設計しているため，ピーク電流 50 mA ではアした。2014 年末までの 3 か月間には，30mA での実験施設

パーチャが狭く，蹴られたビームの一部がビームパイプやへのビーム供給運転を含む 3 回の加速器運転サイクルを実電極にあたることをシミュレーションで確認した。そこで十分な蹴り角が得られるように RF 電場の振幅を上げるとともに，ビームパイプや電極間隔を広げたチョッパー空洞を製作した[9]。図 5 はチョッパー空洞内部を上から撮影した写真で，上下の太い棒は電極で，左右の棒はビームパイプである。本チョッパー空洞は 2 つのギャップでビームを偏向し，およそ 0.8m 下流側に位置するスクレーパでビームを除去する。また，ピーク電流の増加によってブリスタリ
ングやスパッタリングなどの粒子負荷や，熱負荷によるス
クレーパ表面の損耗が激しくなり，スクレーパの寿命が極端に短くなる可能性がある[10]。そこで，スクレーパをもう一台追加し，左右に配置して間引きごとに蹴りだすビーム

図 6 50mA ビームのオシロスコープ波形。

504

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図7

図9

加速器トンネル内初段加速部。

SCS（左）と ACS（右）の構造。

施し，上記トラブルを含めてもすべてのサイクルで 600 時ある。特に RCS では，その大強度のために，空間電荷効果

間以上のアンテナ寿命を確認している。30 mA でのビームによるチューンシフトが主である。シフト量はラスレット

供給中，RFQ の電極での放電によるトリップは 1 日当たり

チューンシフトで評価でき，RCS はこの量が最大-0.15 とし10 回程度発生し，1%以下ではあるが全体の稼働率を低下さて設計されている[1]。ピーク電流 30 mA であれば，エネル

せている。今後，50 mA ビーム供給運転を見据え，必要がギーが 181 MeV でもこの条件を満たすことができた。しかあれば真空ポンプの増強などで更なる向上の準備を進める。

しながらピーク電流が 50 mA になると，シフト量もそれにRF チョッパーシステムにおいては，タンデムスクレーパの比例して大きくなるため，181 MeV ではシフト量が許容範動作試験をおこなった結果，設計通りにビームが左右に振囲を超えてしまう。このシフト量は β 2γ 3 （ β ， γ ：ローレ

り分けられることを確認し，立ち上げ当初から特にトラブンツ因子）に反比例する。そのため RCS への入射エネルギー

ルなく運転を継続している。また，RCS および MLF の協

を 181 MeV から 400 MeV にすることによってシフト量は力を得て，RF チョッパーシステムでの蹴り残しの割合を見

約 1/3 になり，50 mA でも要求を満たす事ができる。

積もった。チョッパー空洞を常にビームを蹴り出すモード

J-PARC リニアックのビームエネルギーを 400 MeV に増（蹴り残ししか下流にいかないモード）にし，RCS で 3 GeV

強するために使用する ACS 空洞は全部で 25 台であり，うまで加速して実験施設の水銀標的に照射する。そこで発生

ち 2 台がバンチャー空洞，21 台が加速空洞，そして 2 台がした中性子を計数することで，わずかな蹴り残しでも高い

デバンチャー空洞である。リニアック棟のエネルギー増強

感度で の測 定 ができる。その結果，蹴り残しの割合は部の建家断面図を図 8 に示す。ACS 空洞を駆動するための−7

6.6 ×10 であり，許容範囲より２桁以上低いことを確認し高周波源は，既存の加速空洞と同様にリニアック棟地上階た。しかしながら，通常運転時，ビームを蹴りだした直後のクライストロンギャラリーに設置した。RFQ から SDTLに発生するチョッパー空洞内 RF 場のリンギングによってまでの運転周波数 324 MHz に対し，ACS は 972 MHz であビーム軌道にぶれが生じ，それに伴うビームロスが RCS でる2。この 3 倍の周波数ジャンプは縦方向の収束力が 3 倍に確認されている。現在，RF 電力投入の並列化などリンギンなることを意味しており，ACS 入射時の縦方向ビームマッ

グ低減にむけた検討を進めている。

チングに必要となるバンチシェイプモニタ(BSM)3[13]の開3 J-PARC リニアックのエネルギー増強

発も同時におこなわれた。

J-PARC のような大強度加速器施設では，ビームロスに

3.1

ACS 空洞よる加速器機器の放射化が問題となる。高いレベルの放射

本節では，J-PARC で開発された ACS 空洞について述べ

化はメンテナンス性を著しく悪化させるため，安定的な長る。ACS は π/2 モードで運転される結合空洞型リニアッ

期間の運転に大きな障害となる。 RCS におけるビームロ

ク(Coupled Cavity Linac, CCL)4の一つである。π/2 モード

スの主要な原因のひとつにベータトロンチューンシフトがCCL で，ACS と同じエネルギー領域で広く採用されているある。シフトによってビーム粒子が共鳴線にかかると，粒のが側面結合型（Side Coupled Structure, SCS）空洞である。

子の運動が不安定になり，ビームロスが発生する可能性が

図 9 に SCS と ACS の構造を示す。SCS ではビーム軸上の加速セルの横（図 9 では上下）に結合セルが位置しており，
2 高エネルギー領域ではβが大きいため，高い周波数を選択して加速効率を上げることができる。
3 本モニタは 324 MHz ミクロバンチの縦方法ビームプロファイルを測定するもので，ロシアの INR（Institute for Nuclear Research）と共同で開発された。
4 CCL において，多連空洞を伝わる電磁波の群速度はπ/2 モード

で最大となり，空洞を安定に励振することができる。また，各セルの共振周波数のずれが加速電場分布に与える影響（ティルト）
図8

リニアック棟のエネルギー増強部（イメージ）。

が小さい。

505

274

図 11

972MHz 大電力高周波源。

J-PARC 用 ACS が性能面で問題ないことを確認することができた。
2009 年から残りの ACS 空洞の量産を開始したが，量産における最大の要求は工期の短縮であった。そこで，加工方法を単純化することによる機械加工工期の短縮，テスト
セルで切削量と周波数の関係を測定することによって周波数調整回数を 1 回に減らすなどの工夫をした。これによっ
図 10

J-PARC 用 ACS 加速空洞。

て，2013 年 3 月までにすべての ACS 空洞の製作を完了することができた。またこの量産に向け，ろう付けによる結ACS ではビーム軸上の加速セルの周りに環状の結合セルが合セルの周波数変化を補正するための回転チューナーを開配置されている。加速セルと結合セルは，それらの間に明発した。J-PARC 用 ACS 開発と量産については，参考文献

けられた穴（結合スロット）を通して電磁気的に結合され[14]に詳しく述べられている。

る。空洞が π/2 モードで励振されるとき，結合セルには電場は発生せず，加速セルにのみ加速電場が発生する5。また

3.2

972MHz 大電力高周波源

このとき，隣り合う加速セルの電場の位相は π だけずれて

ACS 用 972 MHz 高周波源の構成を図 11 に示す。1 台のいる。ACS ではその軸対称な構造により，SCS に比べ優れ

ACS 空洞を駆動するのに，
1 台のクライストロンを用いる。

た加速電場の軸対称性を得ることに加え，ろう付け高温時

972MHz クライストロンの開発は 2001 年に開始された。開の機械的安定性も利点として挙げられる。

発当初，クライストロン 1 号機と 2 号機において，中間空

J-PARC 用 ACS 空洞は，2 台の加速タンクと 1 台のブリッ洞の発振現象が確認され，安定に動作できなかった。そこ

ジタンクで構成される。J-PARC 用 ACS 加速空洞を図 10

で，第 2 空洞および第 3 空洞の設計を変更することにより，に示す。加速タンクは 17 個の加速セルを有する ACS であ

定格電圧まで発振が生じないように改良した[15]。また，クり，ブリッジタンクは加速セル と結合セルが交互に並んだ

ライストロン 3 号機までのコレクターは 324MHz クライス

9 セルのディスクロード型加速管である7。ブリッジタンク

トロンと同形のサイズが採用されていたが，4 号機以降に中央の加速セル側面に開けられた穴（アイリス）を通して，

ついてはコレクターを小型化し，重心位置の低下とコスト

高周波電力が空洞に入力される。空洞全体の共振周波数の削減をおこなった。量産においては，クライストロン出力

補正は，ブリッジタンクの加速セルに設置された可動式周窓の小型化と，高純度アルミナ材への窓材料の変更により，

波数チューナーを用いておこなう。

低損失かつ低温度上昇の窓を実現した。972 MHz クライス

6

J-PARC 用 ACS は，KEK の大型ハドロン計画用に開発

トロン電源は，
7 台のカソード直流高圧電源と 25 台のアノーされた ACS を基礎としているが運転周波数が異なる（大型ド変調器で構成され，これらの仕様は 324MHz クライスト

ハドロン計画では 1296 MHz，J-PARC では 972 MHz）た

ロン電源とほぼ同じである[16]。1 台の直流高圧電源は，最め，そのままスケーリングすると外径が大きくなり8，加工

大 4 台のクライストロンを駆動し，バンチャー空洞とデバおよび組立が格段に難しくなってしまう。そこで，ロシア

ンチャー空洞用に 80 kV 電源 1 台，ACS 加速空洞用に 110の INR（Institute for Nuclear Research）と共同で電磁場解kV 電源 6 台を設置した。972 MHz 高周波源の立体回路は

析による再設計をおこない，性能を保ちつつ外径を大型ハWR-975 規格で製作され，クライストロンからの電力は，ドロン計画用 ACS と同程度の 430 mm まで縮小した形状にクライストロンギャラリーのサーキュレーターを通った後，改良した。バンチャー空洞と加速空洞 1 号機の開発を経て，加速器トンネル内の ACS 空洞まで供給される。

3.3
5 厳密には，各セルの共振周波数が同じという条件のもと。
6 ブリッジタンクはビーム軸上にないため，その加速セルに発生する電場はビームの加速には用いられない。
7 空洞の用途（加速空洞，バンチャー，デバンチャー）によって加速タンクとブリッジタンクのセル数は異なる。

ACS 空洞の大電力試験

加速器トンネルへのインストール前に大電力投入試験を実施し，加速空洞の大電力運転時の健全性を確認しておくことが望ましい。量産前の開発機であるバンチャー空洞と加速空洞 1 号機については，製作完了後に大電力試験をお8大型ハドロン計画用 ACS の外径 411mm に対して，

こない，定格電力を安定に投入できることと大電力投入時

411mm*(1296MHz/972MHz)=550mm。

の空洞内の到達圧力等を確認した。量産型空洞についても

506

275

図 12

ACS 空洞のコンディショニング過程。

全台数について加速器トンネル据え付け前にオフラインで大電力試験をおこなうことを計画した。量産開始後，1 台については大電力試験をおこなうことができたが，2011 年
3 月の地震によってこの大電力試験エリアが被災したために，約 2 年間中断せざるを得なくなった9。これにより，空洞据え付け前に全台数についてオフライン大電力試験をおこなうことが不可能となってしまった。2012 年度末のリニ
アック施設の復旧工事完了により，オフライン大電力試験を再開できることになったが，スケジュール的に 2 台の空

図 13

ACS 空洞設置直前(上)および設置後(下)のビームライン。

洞しか試験をできない見込みであったため，空洞据え付け
後に全台数を限られた期間内でコンディショニングするこ

設10，ACS 空洞の据え付けとアライメント11，ビームモニタとを想定し，監視や運転パラメータ変更などの作業負荷が[17]などの関連機器の動作確認，真空試験等を計画的におこ極力小さくなるような方法を検討しながら試験をおこなっ

ない，何とかこの 3 ヶ月間でトンネル内作業を完了するこた。図 12 に ACS 空洞のコンディショニング過程の一例（加とができた。図 13 に ACS 空洞設置直前及び設置後のビー

速空洞 11 号機）を示す。濃い線（赤および青）は投入電力

ムラインを示す。

（左軸），薄い線（緑）は真空度（右軸）を示す。ビームパ

加速器トンネル内への 400MeV 機器設置作業終了後，

ルス幅 500 Æs に対して，RF パスル幅 600 Æs の電力を 50 Hz

LLRF 機器の確認，調整をおこない，オンラインでの空洞の繰り返しで投入している。

コンディショニングを開始した。コンディショニングの最3.4エネルギー増強機器の設置

ACS 空洞の据え付けや関連機器の設置は，既設 181 MeV
機器の設置作業の経験から，1 年近くを要することが見込
まれたが，すでにビーム利用運転をおこなっているため，1
年間ビーム運転を停止してこのエネルギー増強作業をおこなうことは不可能であった。そこで，設置作業工程を綿密に策定し，毎年おこなわれる夏のメンテナンス期間を利用して，ケーブルや導波管の設置など，準備工程を少しずつ進めてきた。この準備作業は 2010 年の夏期メンテナンス期

中，サーキュレーター内の放電現象が頻発した。調査の結果，これはサーキュレーター内ポストの接触不良が原因で放電が起こっていることが分かり，当該サーキュレーター
の交換および修正をおこないつつ空洞コンディショニングをおこなった。ビームコミッショニングは 12 月中頃に開始されたが，空洞上流側からおこなわれる位相スキャンのス
ケジュールに間に合うよう，
24 時間体制で空洞コンディショ
ニングをおこなった。

4 ビームコミッショニング

間から始まり，ビームラインへの ACS 空洞据え付け前にお

この章では，ACS リニアック設置後と初段加速部交換後

こなうことのできる関連機器の設置や施設の工事は，2012のビーム試験について報告する。すでに述べた通り，これ

年の夏期メンテナンス期間でほぼ完了することができた。

らのアップグレードを 2 年に分けて実施し，2014 年 1 月にビームラインへの ACS 空洞の据え付けは 2013 年夏にお400 MeV 加速，同年 10 月にビーム電流 50 mA 加速をそれこなわれた。ビーム運転再開スケジュールに間に合わせる

ぞれ達成した。図 14 はリニアック単独での調整運転中にもためには，加速器トンネル内の作業を 8 月中旬から 11 月中

かかわらず，多くの方にお集り頂き撮影した中央制御室前

旬までの実質 3 ヶ月で完了させなければならなかった。既での 400MeV 達成記念写真である。

設ビームラインの撤去，これまでデバンチャーとして使用してきた SDTL 空洞 2 台の SDTL セクション最後尾への移

10 これにより SDTL セクション出口エネルギーは 191 MeV になった。
11 空洞 1 台の加速器トンネルへの搬入，ビームラインへの据え付
9 ACS 空洞本体への被害はなかった。

け，アライメントにほぼ 1 日を要した。

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276

レーションと測定が良く一致することは，空洞セルの加工と組み立て精度が十分高いことを意味している。また本測
定には数日を要したが，前述の高周波源ならびに LLRF シ
ステムは，安定度および再現性ともに高く，スムーズに調整することができた。
位相スキャン法によりすべて空洞の調整を完了した後，ビームエネルギーが 400 MeV に到達しているかをするため，ビームの行き先を 30 度

ェック

ンプに切り替え，第一アーク部のビーム軌道の測定によりエネルギーを検証した。
30 度
図 14

4.1

J-PARC リニアック 400MeV 達成。

ンプは図１に示すとおり，第一アーク途中から分岐して設置されているビーム試験用のンプである。この試

験では，アーク部のベンド磁石を 400 MeV のビームがビー

ACS 増設後のビーム試験

ムラインの中心軸を通過する磁場に設定しているため，400

ACS リニアックの運転周波数は，上流の加速空洞と比べ

MeV から大きくずれていると，アーク部途中でェンバーて 3 倍の 972 MHz になっている。そのため，ACS リニアッに衝突し，ビーム透過率が低下する。また，第一アークのンスは，上流の 324 MHz のリニ

途中には，ディスパージョンが 0.6 m の位置にビーム位置

クの位相方向のアクセプ

ンス

検出器（BPM）を２台設置している。これらの BPM でビーからビームがこぼれてロスしないように，各空洞に印加す

ム軌道の水平方向の変位量を測定し，400 MeV からのずれる RF 電場の振幅と位相を LLRF システム[18-20]を用いてを測定した。その結果，ビーム軌道はプラス側に約 2.5 mm

精度良く調整する必要がある。

シフトしていた。これはエネルギーが 400 MeV より約 0.8%

アックと比べて，およそ３分の１になる。アクセプ

ACS 空洞は２つの加速空洞をブリッジ空洞で結合し，１高いことに相当し，確かに 400 MeV を達成していることを台のクライストロンから RF を供給している。そのため２確認した。

つの空洞に供給する RF 電場を一度に調整することになる。

4.2 初段加速部交換後のビーム試験

調整は位相スキャン法によりおこなう[21]。RF 電場の振幅を固定し，位相を 360 度回転させる。各位相で空洞から出

4.2.1 BSM を用いたビーム位相方向測定

力されるビームのエネルギーを測り，その相関と空洞内の初段加速部交換後のビーム試験は 2014 年 9 月末に開始し電場計算を基にしたシミュレーションと比較して設計値にた。すでに述べたが，ビーム試験前の夏の長期メンテナン

相当する設定を見つける。各 ACS 空洞の下流にビーム位相

スでは，初段加速部の交換に加え，3 MeV ビーム輸送系

検出器（FCT）を設置し，２つの FCT を通過した（MEBT1）の RF

イミンョッパーシステムの改良と 191 MeV ビー

グ か ら 得 ら れ る 飛 行 時 間 と FCT 間 の 距 離 を 用 い た

ム輸送系（MEBT2）に BSM１台の設置をおこなった。当Time-of-flight（TOF）法でエネルギーを求めた。図 15 に全

初は BSM を ACS 空洞の増設に合わせて設置する予定だっ

ACS 空洞の位相スキャンの結果を示す。図中の実線はシミュた。しかしながら測定中にマルレーション，点は TOF 法による測定結果である。すべての空洞で測定結果とシミュレーションが 360 度の全周にわたり良く一致しているのが分かる。このことは FCT の校正，
FCT の位置測定が高い精度を達成していることを意味している。またシミュレーションでは，空洞の設計を基に空洞

パクリング起因と考えられる真空の悪化が発生し，その悪化の度合いがリニアックの運転にとって許容できないレベルであった。そのため１年間にわたる真空排気系の改善と，ベーキングによる ェンバー表面の脱ガス処理によって真空排気速度を改善し，内の電磁場分布を計算し，設計通りの RF 電場を入力した

ようやく設置にこぎつけることができた。図 16 は 30 mA

場合のビーム出射エネルギーを計算している。そのシミュ

ビーム試験中にパルス幅 100 s のビームを測定した結果で

図 15

ACS 位相スキャンのシミュレーションと測定の比較。

図 16 バンシェィプモニ

の測定結果

508

277

ある。横軸はマクロパルス中の位置，縦軸はビーム進行方

行方向に対し垂直な面）のプロファイルは Q スキャン法に向の位置（324 MHz の RF の位相）である。寒色から暖色より測定した。Q スキャン法は Q 磁石の収束力（磁場強度）になるに従い信号強度，つまりビーム粒子密度が高い。マ

と，その下流のビーム幅の相関から，Q 磁石入射時点のビー

クロパルスの頭の 10 s が位相方向にシフトしているのはビー

ムプロファイル（エミッムローディングの影響である。J-PARC リニアックでは，
フィードバック制御に加え，フィードフォワード制御によるローディング補償[22]により，ACS への入射ビームはマ
クロパルス内での位相のずれを約 1 度に抑えることに成功している。

ンス，Twiss パラメー）を導出する方法である。空間電荷効果が無視できる場合，ビー
ムサイズの二乗は収束力の 2 次関数になる。したがって測定結果を２次関数で近似し，得られた係数からプロファイ
ルを求めることができる。しかしながら MEBT1 は空間電荷効果の影響が大きいため，この測定では，2 次関数の代わりにシミュレーションによるフィッティングをおこなっ

4.2.2 横方向マッチング調整
イオン源のテストス

ンドで測定した出射ビーム分布を初期分布に与えた RFQ ビームシミュレーションによると，
既存の初段加速部でピーク電流 30 mA のビームを加速した
場合と比較し， 50 mA では RMS エミッンスが 40ࠥ50%

大きくなっている。これは，単純に考えると RMS ビームサ
イズが約 20%大きくなることに相当する。そのためビームラインの内径に対する余裕が減少し，以前と同程度の調整精度でも，ビームバン

外周の粒子がビームクトと衝突

し，ビームロスを起こす可能性がある。また，ビームロスの元となるミクロ粒子数が増えるため，ビームロスを悪化させないためには，ミクロ粒子あたりのロス量を減らさなければならない。そのためには各種モニンスと Twiss パラメー

た。Q 磁石入射点のエミッ

によってビーム

プロファイルを正確に把握し，それを踏まえた調整が不可欠である。また，ピーク電流の増加により，非線形性をともなう空間電荷効果が強くなるため，３次元 Particle-in-cell（3D PIC）法を用いたシミュレーションによる評価が重要である。
RFQ 出口から DTL の間にある MEBT1 では，初段加速

リーパラメーをフにし，測定した収束力とビームサイズの相関を最も再現するパラメーを求めた。

4.2.3 縦方向マッチング調整
縦方向（ビーム進行方向）については MEBT1 に測定できるモニ が無いため，
プロファイルは初段加速部のシミュ
レーションに頼らざるを得ない。
そこでそのシミュレーショ
ンが，現実とどの程度一致しているかを，DTL の縦方向ア
クセプ

ンスを用いて確認した。DTL 縦方向アクセプ

ン

スは，図 17 上の青い範囲で示されており，位相方向に約100 度，エネルギー方向に±0.3 MeV の範囲にある。それに対してビーム粒子は赤い点で示したとおり，アクセプ

ン

スの十分内側に分布していることが期待される。ビーム粒子がアクセプンス外にいる場合は，ほとんど加速されな

いため，最終的にビームエネルギーと Q 磁石の収束力の不整合により，ビームラインの途中で失われる。したがって，
ビームライン下流へのビームの透過率は，ビームバンの全粒子のうちアクセプ

内

ンス内に存在するビーム粒子の部の交換による RFQ 出口のビームプロファイルの変化を吸収し，かつ DTL にとって最適なビームに成形することが求められる。ビームエネルギーは 3 MeV と低く，空間電荷効
果が大きいため，MEBT1 から DTL の調整精度がビームハ
ロー（ビームバンのコアの周囲に薄い密度で分布するミクロ粒子の集合）の量を大きく左右する。この区間の調整
精度がリニアックから供給するビーム品質を決めると言っても過言ではない。また DTL のアパー

ャはリニアックの中で最も狭く，段階的に広がるが最上流部では φ13 mm しかない。初段加速部交換によるエミッ ンス増加と合わせ，調整精度不足によるビームエンベロープの振動やハローの生成は，DTL 内部でのビームロス，ひいては残留放射線の増加を起こす。そのため高い精度の調整が必要である。
またこの区間では，RFョッパーシステムなどを配置するスペースが必要であるため，空間電荷効果の強さと比べて収束力の間隔が長い。そのためエミッンスの増大が起こることが，3D PIC 法を用いたシミュレーションによる評価で分かっている。その影響を踏まえ，かつ実際に RFQ から出射されるビーム形状に基づいた収束力を決定するため，
MEBT1 に設置されたワイヤースキャナーモニ

（WSM）

によりビームプロファイルを測定した。横方向（ビーム進

図 17
プ

DTL の縦方向アクセプ

ンス（上）および，DTL アクセンスの位相方向のシフト量とビーム透過率の関係（下）。

509

278
割合に等しい。そこで DTL 全空洞の RF 電場の入力位相を

参考文献

ずらしながらビーム透過率を測定し，それを 3D PIC 法に[1]

よるシミュレーションと比較した。この測定は可動式コリ
メータによるビームプロファイル測定と似ており，アクセ
プタンスの縁がコリメータの端の役割を担っている。
シミュ
レーションと測定結果の比較を図 17 下に示す。位相プラス
側では，シミュレーションと測定結果が良く一致している。

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一方マイナス側は測定の下がり方がはやい。マイナス側のアクセプタンスは，位相方向により垂直であることから，
位相方向のビーム幅がシミュレーションより細いと考えられる。
Q スキャンによる横方向のプロファイルとシミュレーショ
ンによる縦方向プロファイルから，MEBT1 の Q 磁石とバ
ンチャー空洞それぞれの収束力を決めた。この収束力が DTL
に対してどの程度合っているかを確認するため，SDTL 入射部に設置されている WSM でビーム分布を測定した。その結果，30 mA ではハローがほとんど無く，MEBT1 の調
整が十分な精度で実施できたことを確認した。また横方向
エミッタンスは，ビーム電流増強前の初段加速部で 25 mA
ビームを加速した場合と同じレベルである。RFQ 出射ビー
ムのエミッタンスが，初段加速部の交換によって 30ࠥ50%
大きくなったことを考えると，調整精度は大幅に向上したと考えて間違いないと考えられる。その一方，50 mA では有意なハローが存在している。我々は，このハローの原因
は縦方向のミスマッチだと考えており。現在 MEBT1 に縦方向を測定できるモニタの追加を含めた改善策を検討中である。

5 おわりにリニアックは，2013 年にエネルギーを 400MeV に，2014
年にはピーク電流を 50mA にアップグレードし，2014 年 11月からはビーム供給運転時のピーク電流を 30 mA に高めてビーム供給運転を開始した。MR では現在，ビーム増強前の 220 kW から 300 kW に高出力化した運転を開始した。
MLF においてもビームパワーを 400 kW に上げた利用運転の準備を整えたところである。また，これまでおよそ 3 週間のピーク電流 50 mA ビーム調整試験を実施し，2015 年 1
月には短時間ではあるが RCS での 1MW 相当の出力試験に成功した。今回のリニアックアップグレードのゴールは，
後段の加速器が許容できる品質のビームを安定に供給することであることを念頭に，本文中でも示した課題などの改善を進め，早期の 50 mA 安定供給を目指す。
本稿で紹介したリニアックのアップグレードは，機器担
当，制御，コミッショニング，そしてユーティリティーや安全など，リニアックの構成員に限らず J-PARC に携わる
すべての方々の成果と支援によるものであり，ここに敬意を表したい。最後に，初段加速部並びに ACS 加速部の開発や製作は，ご協力いただいた多くの企業の高い技術力に支えられて実現できたものであり，この場をお借りして感謝の意を表したい。

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