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季刊誌

J-PARCJapan Proton Accelerator Research Complex

No.

2015 秋A U T U M N

創

世界最高クラスの大強度陽子ビームを作る

陽子の加速器特集刊

http://j-parc.jp号

陽子の加速器

世界最高クラスの大強度陽子ビームを作る特集

大強度陽子加速器施設 J-PARC では、陽子を加速して標的に照射することで、中性子や中間子・素粒子などの二次粒子を作り、多用な実験に用いている。
この陽子ビームを加速する役割を担っているのが「加速器」だ。J-PARC では３種類の加速器を組み合わせることで、世界最高クラスの大強度陽子ビームを作り出している。今号では、その加速器について特集する。

写真：J-PARC の RCS(3GeV シンクロトロン)入射部。リニアックで加速されたビームは写真右上から手前方向に入射される。周回したビーム2は左上から戻ってくる。

加速器とは＋電極

陽子や電子、イオンのような電荷を持った粒子のことを荷電粒子といいます。この荷電粒子を、電気の力で引っ張って、より速く、より高いエネルギーにする装置が、加速器陽子です。原子核や素粒子などの学術研究のほか、産業利用・医療応用にも用いられています。

−電極

加速器の原理：２枚の電極にそれぞれ＋と−の電荷をかける。

２枚の電極の間に、例えば陽子を入れると、陽子は−電極の方に加速される。

世界の加速器・日本の加速器
世界には、イギリスのラザフォードやアメリカのフェルミなど、目的に応じてたくさんの加速器があります。スイスには全周 27 km もある世界最大の加速器 LHC があり、素粒子の研究に用いられています。

日本にも世界最高性能の放射光施設 SPring-8 や原子番号 113 番の元素を世界で初めて発見した理化学研究所のRIBF、2008 年のノーベル賞の受賞に貢献した高エネルギー加速器研究機構のKEKB などがあります。
高エネルギー加速器研究機構の Super KEKB 加速器で生じる素粒子の反応をとらえる測定装置 BelleⅡ(ベル・ツー）

加速器が拓く未来
現在の加速器は、粒子のエネルギーをあげる方向でどんどん進化してきています。エネルギーを高めることで、今まで見えなかった世界が拓けてきます。それは例えば、ダークマターの探索や物質の起源、宇宙誕生の謎、標準模型を越える新しい物理理論など、現在の物理学では解けていない問題を解決する糸口になるかもしれません。

また、加速器で作られる中性子やミュオンなどの二次粒子ホウ素中性子捕捉療法（BNCT : Boron Neutron Capture Therapy）

加速器で加速した陽子をベリリウムターゲットに当てて発生した中性子と、中性子に増感効果のあるホウ素との反応を利用したがん治療法
画像：筑波大学附属病院 陽子線医学利用研究センター提供を使用することで、新素材開発や創薬への応用も期待されます。重粒子線加速器では、がん治療など医学へも応用されています。

このように、加速器の進化は、基礎科学だけでなく、日々の暮らしの向上にも役立つのです。

背景写真：J-PARC のリニアック棟と北天の星空

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世 界 最 高 強 度 の陽子加速器― J-PARC の加速器 ―世界で最もたくさんの陽子数を加速できる加速器※、それがJ-PARCの加速器です。この世界最高強度の陽子ビームを使うことで、たくさんの二次粒子を作り出し、精度の高い実験を行うことができます。これにより、他の施設では見えないものでも、J-PARCだからこそ見えてくるのです。2015年のノーベル物理学賞の「ニュートリノ振動」の裏付けとなったT2K実験などもその一例です。
ここでは、加速器ディビジョン長の長谷川和男さんに、J-PARCの加速器についてお話を伺いました。
※１バンチ（パルス１回で加速する陽子の塊）あたりの陽子数が世界最大クラス

さまざまなユーザーにビームを供給する際に、実験によってぞれぞれ必要なエネルギーが異なります。例えば、中性子の場合は１ GeV（10億電子ボルト）～ 3GeV、素粒子・原子核実験では、数10GeVの高いエネルギーが必要です。
J-PARCでは３種類の加速器を組み合わせることで、ユーザーがそれぞれ必要とするエネルギーとビームの強さを実現しています。
このように、中性子と素粒子・原子核物理の実験を一緒に行うことのできる加速器は、J-PARCだけなのです。
J-PARCセンター

加速器ディビジョン長

長谷川 和男 さん

J-PARCの加速器の配置図

RCS

ハドロン実験施設

リニアック
物質・生命科学実験施設

ニュートリノ実験施設4MR

リニアックLINAC

J-PARCの３つの加速器のうち、一番最初にあるリニアックは、高い電流の粒子（負水素イオン）を生成・加速し、後ろの加速器に渡します。後段の加速器（RCS、MR）では加速する粒子の数を増やすことができないので、リニアックでどれだけたくさんの粒子を加速できるかがカギとなります。

イオン源：水素ガスをプラズマ化することで、負水素イオンを生成します。 ACS加速器：J-PARCが世界で初めて実用化した、大強度ビームを加速2014年に新型のイオン源に交換することで、従来の約2倍の陽子数を生 するのに適した構造を持つ加速器。非常に難しい構造をしているので、成できるようになり、RCSの所期性能である１MW相当の陽子ビームの加 世界でもここにしかない加速器です。
速に成功しました。

RCS

Rapid-Cycling
Synchrotron

リニアックで加速された粒子（負水素イオン）は、RCS到達直前に電子を２個剥ぎ取られ、陽子になります。この陽子を同じ軌道でぐるぐると回しながら、効率よくエネルギーを上げていく加速器がRCS（3GeVシンクロトロン）です。RCSで加速した陽子は、MLF（物質・生命科学実験施設）やMRに送られます。

加速空洞：「金属磁性体コア」を使用することで高い加速勾配を実現し、短い区間で効率よく高い加速電圧を得ています。この技術もJ-PARCの世界最高強度の加速性能を支えています。
（P6-7、野村さんインタビュー参照）

MR

Main Ring

出射部：RCSの出射部では、加速した陽子ビームを精密にコントロールすることで、ビームをほとんどロスすることなく、下流のMLF（写真左奥側）やMR（写真中央奥側）に送り出しています。
（写真右側はRCSの周回ライン）

RCSで3GeVまで加速した陽子を、最大 50GeVまでエネルギーを高める加速器がMRです。素粒子原子核実験
では数10GeVのエネルギーが必要なので、周長のより長いMRで陽子をさらに加速し、エネルギーを上げています。J-PARCはパワーフロンティアといって、ビーム出力が高く、たくさんの二次粒子を作ることができるので、それらを使って新しい物理学の展望を拓いています。

偏向電磁石（青）と四極電磁石（黄）：陽子の進行方向を曲げる偏向電磁石と、ビームを収束させるための四極電磁石。電磁石の組み合わせを工夫することで、ビームのロスを抑える設計を世界で初めて採用しています。

出射キッカ電磁石：陽子の軌道を周回軌道から取り出し軌道へと進行方向を変更するための電磁石。MRのこの電磁石では約５マイクロ秒の「速い取り出し」で、ニュートリノターゲットにビームの行き先を変更しています。

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より高い加速勾配をめざしてシンクロトロンの「加速空洞」。加速勾配を高めることで加速器を取り巻く状況は劇的に変わる。その研究に携わっている野村昌弘さんにお話を伺いました。

「研究は楽しんでやる」

日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター 加速器ディビジョン
加速器第二セクション 研究副主幹

野村 昌弘 さん

■加速器なのに、加速している部分

す。 J-PARCでは、陽子ビームをめていけば、なんとかなるんじゃなは実は少しターゲットに当てて、出てくる二次いかとは思っていましたし、なんと私が担当しているのはシンクロト粒子でいろんな研究を行っています。 かしなければならないとも思っていロンの「加速空洞」という粒子を加加速勾配を高め、陽子ビームのパワました。その後、多くの人の協力も速する部分です。J-PARCのシンクーを上げると二次粒子をたくさん作あり、高い加速勾配を達成すること

ロトロンの周長は、
 RCSが350m、ることができます。その結果、例えのできる金属磁性体コアの開発に成MRは1.6km位あるのですが、そのば今まで１年以上もかかった実験も功しました。

中で実際に粒子を加速している部分

半 年 で で き る よ う に な り ま す。

は、実は少しなんです。 RCSには

J-PARCは現在、通常の陽子シンク12台、MRには9台の加速空洞が入ロトロンと比較して２倍以上の高い

J-PARC RCSが 稼 働 し 始 め たっていて、1台の加速空洞が大体２加速勾配を達成することに成功して2007年からは高い加速勾配で実際m。この僅かな部分で粒子を加速しいます。この技術は世界的にも注目に陽子ビームを加速していたのですています。

され、海外の加速器でも採用され始が、何年か運転するうちに重大なトめています。

ラブルが出てきました。金属磁性体■いかに効率よく粒子を加速させる

物理的に壊れていきました。その時

短い加速空洞の中で、いかに効率開発の段階で、J-PARCシンクロの衝撃は非常に大きかったですね。

よく粒子を加速させるか。人類はまトロンの加速空洞には、通常の約2この形状のコアでは解決は無理なんだ、電磁気力以外で粒子を加速する倍の高い加速勾配が要求されていまじゃないかという意見も出ました。

方法を知りません。そこで、電荷をした。通常の加速空洞ではフェライ

そう言った状況の中で私は壊れてい持った粒子がやってきたら、そこにトコアが使われていますが、これだるコアと壊れていないコアを徹底的電場をかけて粒子を加速しています。 と要求されている加速勾配を達成すに比較していったんです。違いが何いかにその短い加速空洞の中に高いることは出来ません。そこで、私たかをコツコツと調べて行くうちに、加速電圧を発生させ、高い加速勾配ちは高い加速勾配を実現できる可能

作り方の段階で、ほんのちょっとしを達成させるかは加速器に取っては性のある金属磁性体コアを加速空洞た違いがあることを見つけました。

最 も 重 要 な テ ー マ の 一 つ で す。のコアとして採用し、その開発を行

そのちょっとした違いによって、壊J-PARCに来てからはずっとこの研いました。この開発は実に大変でし

れるか壊れないかが分かれることが究をやっています。

た。いざ始めてみると、なかなかう分かったんです。耐久性の問題は、まくいかない。試験をしても否定的

実際に何年間も運転を継続した結果な結果が出てくる。周りからは、こでしか判断することができません。

加速勾配が高くなれば、陽子ビーの方式ではダメなんじゃないかともここ最近、ようやくこの金属磁性体ムのパワーを上げることができま言われたりもしましたが、着実に進コアは本当に大丈夫なんだと思える■加速勾配を高めると…

6コアが運転を重ねるに従って次々と■金属磁性体コアと難航した開発か■実際に使い始めたら…

様になりました。
■KEK 浦川教授
私はもともと、動力炉・核燃料開れるのも浦川教授とKEKATF(Ac-

くて続けていたら現在に至ったと言

celeratorTestFacility) の皆さん

うのが本当のところですね。最近、のおかげです。今でも非常に感謝し科学離れとか言われていますが、本ています。

気になってやってみたら面白いと思発事業団に就職して、電子線加速器の研究をしていました。 しかし、いますので、みなさんもやってみた■加速器の世界へのきっかけ

いろいろあって電子線加速器の計画

高校の頃、TVでトリスタンといは突然中止になってしまって、私のう大きな加速器の計画を紹介してい将来は、
 もうほとんど絶望的でして、原子核や素粒子物理、加速器をた。 そんな時、KEKの浦川順治教使って宇宙の謎を研究するのも面白授が私を引き取ってくれたんです。

いかなと思って、それで大学を選ん

そ こで、加速器の勉強を徹底的にで、気がつくとなんとなくその分野させてもらいました。だから、私がに進んでいました。特に大きな動機

こうして加速器の研究を続けていらがあった訳ではありませんが、面白高品質なビーム供給と安定運転らどうですかと伝えたいですね。

PROFILE

野村 昌弘（のむら まさひろ）
1960年 高知県生まれ
1991年 東北大学大学院 原子核理学専攻博士課程後期修了
理学博士（東北大学）
1991年 動力炉・核燃料開発事業団入社
大強度 CW 電子線加速器の開発に従事
2001年 KEK ATFにて加速器開発に従事
2004年 J-PARCシンクロトロン加速空洞の開発に従事「苦労は楽しみ」

加速器の電場の制御、運転と維持を担当し、高品質なビームを供給し新しい物理の世界の発見に貢献している方志高さんにお話を伺いました。
高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設 加速器第二研究系 准教授
J-PARCセンター 加速器ディビジョン 加速器第七セクション

方 志高 さん■専門についてリニアックの加速空洞に入るまでングシステムを世界に先駆けて導入

では、復旧作業のほか、J-PARC性しています。

能向上のために、いろいろな機器の改善、新機器や新機能の開発を同時の部分の増幅器や電場の制御を担当しています。専門的に言うと低電力■震災からの復旧に行なっています。

高周波制御、LLRF の制御です。

震災がありましたが、あの日から加速器では高品質なビームの供給が半年以上、みんな苦労しました。建

求められます。そのためには加速空物には大きなダメージがあり、加速クライストロンとは増幅器のこと

洞の中の電場、振幅と位相を一定に器トンネルにも地下水が亀裂から侵で、小さい入力を非常に大きな出力保ち、安定に維持することが重要で入してきました。加速器本体も本来にするためのものです。リニアックす。また加速空洞の共振周波数の制の位置からずれて、たくさんの箇所の高周波源には周波数324MHzと御ということも大事で、ずっと安定が破壊されました。これらに対し私972MHzの２種類のクライストロな周波数を維持できる自動チューニ

たちは、まず全ての機器を点検して、 ンが使用され、加速に使われます。

1）

1）LLRF

Low-level Radio Frequencyの略。低電力高周波制御のこと。

■クライストロン

故障したものを修理し、そして全て324MHzの横式クライストロンはの機器を再調整しました。また一方20台、972MHzの縦式クライスト

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ロンは25台使用しています。縦式、■「苦労」は実は「楽しみ」の時の先生の紹介で1998年に日本横式がありスペックは若干違います

加速器の研究は、色々な分野があに渡り、KEK福田茂樹教授のご指けど、本質的な区別はありません。

り非常に複雑です。この中で私が特導を受け、ドクターコースを修了しに面白いと思っているのは「高周ました。先生達との出会いがあって、波」です。高周波というのは、ビー

今の私がいます。皆さんにも、先生

J-PARCは、夏場はメンテナンス

ムを加速するための電場です。普段との繋がり、人との繋がりを大事にの時期で止まっていますが、秋からの研究の中で、例えば色々な現象をして欲しいです。

利用運転が再開されます。運転中は見て、足らない部分やちょっと不具24時間ずっとユーザーにビームを合がある部分など、どういうふうに供給しなければなりません。そのた改善するか、簡単かつ有効、完璧な加速器の研究は、物理学の新しいめ、ビームが止まるなど何か不具合方法は何かと考えて、一番いい方法発見に貢献します。基礎物理から応が出た場合には、すぐにその不具合を選んで実現していく。これは私に用物理まで、物理の世界に興味のあ箇所を特定して修理します。このよ

とっては苦労ではなく、実は楽しみる人は、是非、加速器の研究に進んうに加速器の運転状況に応じて、いです。

で欲しいです。

■運転と維持■若い皆さんへのメッセージ

つも改善開発を積極的に進めて、順調に運転できるようにしています。

■人との繋がりを大事にこれも私たちの担当です。RFチーム

私の場合、高校生の時の物理の先はKEKとJAEAの各メンバーから生との出会いがあって、物理に進も構成されています。みんな家族のようと決心しました。その後、中国科うな存在で、協力しながら研究・作学技術大学に進み、そこで加速器の業を行っています。

研究をしました。大学卒業後、この大学で7年間教員を勤め、その間にマスターコースを修了しました。そPROFILE方 志高（Fang Zhigao）
2001年 総 合研究大学院大学 数物科学研究科加速器科学専攻修了 理学博士
2001年 放射線医学総合研究所 博士号取得若手研究員
2005年 高エネルギー加速器研究機構 助教
2011年 高エネルギー加速器研究機構 研究機関講師
2015年 高エネルギー加速器研究機構 准教授

季刊誌創刊に寄せて
J-PARC (Japan Proton Accel-にしました。

erator Research Complex) では、

J-PARC を使って宇宙、物質、そ大強度の陽子ビームから生まれる世して生命の起源について考える研究

界最高強度の二次粒子（中性子、ミの現場、また世界をリードする大強ュオン、ニュートリノ、K中間子な度陽子加速器施設を支える技術開発ど）のビームを用いて、物質・生命の現場を、少しでも身近に感じても科学から素粒子・原子核物理などのらえるよう、今後も進化していく季

基礎科学の広範囲な科学研究のフロ刊誌にしていきますので、皆様の応ン テ ィ ア を 開 拓 し 続 け て い ま す。

援をお願いします！

J-PARCの最先端施設を使ったユニークな研究を、より多くの方々に理解してもらいたいという想いを込めて季刊誌 J-PARC を創刊すること

季刊誌
No.1
発編

J-PARCセンター長

齊藤 直人

J-PARC2015 秋創刊号

行：J-PARCセンター
集：J-PARCセンター広報セクション〒319-1195茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

http://j-parc.jp

表紙写真：リニアック ACS加速器