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加速空洞を知る

加速器の仕組みと、加速空洞の役割

高性能な加速空洞用磁性体 FT3L とは？
interview

加速器の性能を上げるには？
大森千広

四極電磁石加速器のしくみと働き加速器は、荷電粒子に電場をかけることで加速させる装置です。加速器には、まっすぐ加速する線形加速器や、螺旋形に加速するサイクロトロンなど、用途に応じていくつかの種類があります。
J-PARC の MR（メインリング）などで使われているシンクロトロン（円形加速器）は、円形のリングの中で、軌道半径を一定に保ちながら何10 万回も加速空洞を通すことで荷電粒子を加速する加速器です。同一リング内を周回させるので、限られた面積で効率よく加速することができます。軌道半径を一定に保つためには、電磁石の磁場と加速空洞シンクロトロンは主に以下の装置で構成されています。
加速空洞：

荷電粒子に電場をかけて加速する装置。加速器全体の周長に対して、加速空洞の長さは非常に短いです。

偏向電磁石：荷電粒子ビームの軌道を曲げて円形に回すための電磁石。
四極電磁石：荷電粒子を収束させるための電磁石。
その他、六極電磁石、キッカー電磁石などを用いて、荷電粒子の塊（バンチ）を調整したり、後段の装置に送り出したりします。の電場の周波数を高度に調整しながら加速する必要があります。

偏向電磁石

加速空洞

FT3L 加速空洞
短い加速空洞の中で荷電粒子を光速近くまで加速するためには、いかに短い距離で高い電場をかけ、高い加速勾配※ 1 を得ることができるかが、重要になります。そこで J-PARC では、高い加速勾配を得ることができる金属磁性体「FT3L」の大型コアを世界に先駆けて開発しました。
FT3L は、従来のフェライトコアに比べ以下の利点があります。
・飽和磁束密度※ 2 が数倍高い
・高電圧出力時に特性が劣化しない
・温度によらず性能が安定している・ビーム加速の調整が容易
これらの利点により、加速空洞としては画期的な加速勾配を実現できました。
このように、金属磁性体コアは性能の高さや価格の点で優れているため、CERN（欧州原子核研究機構）の LHC（Large Hadron Collider）の入射器群など海外の加速器でも用いられ始めています。
※1

単位長さあたりの高周波電圧。加速勾配が大きいほど、同じ加速空洞の長さでより速く加速できます。

※2

磁束密度（N 極から S 極へ流れる磁気の流れ）の限界。飽和磁束密度が高いほど、強力な磁石になります。

加速器の性能を上げるには？
大森 千広
OOMORI CHIHIRO
高エネルギー加速器研究機構加速器第一研究系――加速空洞とは？

電子ボルト）のエネルギーが必要です。

電子の加速では周波数が固定なので磁性ば、さらに損失が減ります。具体的にはれますが、準備を含めて 1 回 24 時間ほ体は必要ありませんが、陽子の加速には我々が使っている金属磁性体は、メーアモルファスに磁場を掛けながら熱処理どかかります。現在は日立金属と量産契加速される荷電粒子の集団を、バンチと磁性体が必要です。ここが電子の加速器

カーの日立金属ではファインメットといをすれば、結晶の磁化容易軸を揃えるこ約を結んで、製作してもらっています。

言います。円形加速器は荷電粒子のビーと陽子の加速器の大きな違いになっていう商標で呼んでいます。材料は主に鉄ととができます。

加速器の中で電子や陽子、イオンなどのムを曲げて、バンチをぐるぐる周回させます。またシンクロトロンでは陽子の加シリコンで、ニオブやホウ素、銅などを荷電粒子（電気を帯びた粒子）を加速すながら加速する装置です。1 周する途中速に合わせて周波数を変えなければなり混ぜて溶かしたものを急冷し、まずアモる仕組みが、加速空洞です。これは、真に加速空洞を置いて、そこを通るたびにません。

ルファス（結晶構造を持たない金属）の空パイプの一部を円筒形のセラミックにバンチはエネルギーを受け取って加速さ薄膜を作ります。これをテープのように

J-PARC の加速器には直径 80cm ほどインメットが熱処理によってアモルファ置き換えて加速ギャップをつくり、そのれます。シンクロトロンでは磁場の変化

15 年ぐらい前まで、加速器の磁性体は巻いて円盤状にしたものを高温で熱処理の金属磁性体が必要なので、そのようなスからナノ結晶構造に変化する様子を、まわりにリング状の磁性体コアを置き、に同期して粒子の運動量が変わることでフェライト（酸化鉄を主体としたセラ

すると、アモルファスから 10 ナノメー大きさで磁場を掛けながら熱処理できるミュ−オンを打ち込んで観察することが全体を金属でカバーした構造です。加速細いビームパイプの中を粒子が回ることミック）が使われていましたが、フェラトルくらい微細な結晶構造に変わりま設備を作らなければなりません。

できます。このような施設は日本にはギャップがコンデンサー、コアがコイルができます。このようになるようにバンイト空洞では共振の幅が狭いので加速にす。の役割をし、コンデンサーとコイルの共チが 1 周する周期と加速空洞の周波数合わせて共振周波数の位置を変える必要

ファインメットはフェライトより強い磁

震災直後の 2011 年の夏に、昔の東京で得られた知見をもとに大型コアの製造

振で加速ギャップに高い電場が生じまを合わせて、バンチが加速空洞を通るとがある上に、温度によっても性質が変わ場で使うことができるなど、優れた性質

大学原子核研究所（現 KEK・高エネルに進みました。

す。交流ですから加速ギャップの電場はきに電場が加速方向になるようにしているため、必要な周波数で性能を得るにはを持っています。また金属の結晶には磁ギー加速器研究機構の前身のひとつ）の荷電粒子を加速する向きになったり、減ます。電子は軽いのですぐに光速近くま職人的な調整が必要です。

化容易軸と言って、磁界が向きやすい方

サイクロトロンで使っていた電磁石を借最初の電磁石を使った熱処理はハドロン速する向きになったりします。荷電粒子で加速できるため、周波数はほぼ一定で向軸があるのですが、加速空洞の磁場のりて、中にオーブンを入れて実験しまし

実験施設、2 つめの電磁石ではニュートリが塊を作り、加速電場があるときに空洞済みます。しかし陽子は重いのでなかな

幅広い周波数で高い性能が得られる磁性方向と結晶の磁化容易軸を揃えてやれた。1 回の熱処理で 1 枚の磁性体が作ノの実験施設を借り、熱処理中の酸化をを通過することですべての粒子を加速しか光速に近付きません。陽子の加速に合体があれば、このような調整なしにボタます。

わせて加速空洞の周波数を上げていく必

ンひとつで誰でも操作できる加速空洞が要があります。

作れます。それが金属磁性体です。

「共振」で加速する「空洞」――J-PARC だから可能になった作業です。J-PARC には高温 µSR という実験を行える MLF 施設があり、ファ

J-PARC しかありませんでした。そこ

高輝度化を目指す LHC では、入射器の大幅なアップグレードを予定しています。PS ブース――電子より重い、陽子や重粒子を光速まで加速する磁場を掛けながらの熱処理工程は微妙な――加速空洞のカギを握る磁性体

ター加速システムのリニューアルは、LHC 入射器アップグレード（LIU）プログラム内の主要――手作りでスタートしたプロジェクトの 1 つです。長年にわたり、低 / 中エネルギー円形加速器の RF システムは、狭帯金属磁性体コア開発域のフェライト装填空洞を使用していました。これにはエネルギーの増加による粒子の回転光速近くまで加速器で電子を加速するの空洞の中には磁気を通しやすい性質を持と、陽子や重粒子（様々な原子核のイオつ物質、磁性体を置きます。空洞に加えン）を加速するのでは必要なエネルギーられた電気エネルギーは電磁誘導によりが大きく違います。陽子は電子よりはる磁性体の中の磁場から加速ギャップの電かに重く、重粒子はさらに重いからです。

場に形を変えます。そして再び電場から電子は数十 MeV（メガ電子ボルト）の磁場へと形を変えるのですが、条件がそ

Mauro Paoluzzi

運動エネルギーを与えるとほとんど光速

ろうと加えられたエネルギーが蓄えられになりますが、陽子はおよそ 1000 倍て、より高い交流電圧を加速ギャップにCERN PS ブースター用新高周波システム
プロジェクトリーダーの数十 GeV（ギガ電子ボルト、10 億出すことができます。これが共振です。
J-PARC 製 金属磁性体コア1号

周波数上昇に追随する高価な調整システムと複雑な電子機器が必要でした。新しい PSブー
スターの RF システムは全く異なるアプローチをしています。ファインメット® 複合磁性材料の特有の特性を利用してすることで、調整システムを必要としない広帯域周波数応答を示す空洞を設計することができます。単一の空洞で、PS ブースター（1MHz〜18MHz）に必要な@CERNすべての全周波数範囲帯をカバーすることができます。さらに、ファインメット® 空洞では、半導体パワーアンプとマルチハーモニックRF の使用、空洞を小型の空洞に分割して実装することが可能となり、性能・信頼性・使いやすさの点で大幅な改善が期待できます。

磁場を掛けながら熱処理するこ

ファインメットコア製造工程とで結晶の磁化容易軸が揃う

アモルファス

多様な研究者が多様な科学を切り拓く

磁石
熱処理

巻取り加工

磁石
――ヨーロッパの研究機関、CERN に

また CERN では、陽子よりはるかに重施設ではファインメットの他アモルファも導入

い鉛原子核も加速器で加速しています

スを使った空洞も使われています。

が、この鉛のビームを作り出す LEIR と巻磁心ファインメットコア

高性能な磁性材料の秘密

ス イ ス の ジ ュ ネ ー ブ 郊 外、 フ ラ ン ス

いう加速器にも FT3L より 1 世代前の――多様な研究者が、との国境にある欧州原子核研究機構

ファインメット空洞を使用しています。

（CERN）にはたくさんの加速器がありPS ブースターと LEIR を合わせると、ますが、ここでも J-PARC との共同研

CERN での加速器実験のほとんどはど研究は自分の興味も大事なので、役に立究でファインメット空洞を導入していまこかでファインメット空洞で加速したつかどうかは二の次でも良いのですが、す。PS ブースターという加速器は従来、ビームを使用していることになりそうでこれまで取り組んできたことはニュート3 種類のフェライト空洞を使用していますから、責任は重大です。

リノや LHC の高輝度化、反物質の研究、したが、これを 2019 年までに 1 種類の FT3L 空洞で置き換える計画を進め

高周波印加時磁場なしのコア

更にがん治療のような社会貢献にも繋――がん治療にも役立つ加速器がっています。

日本でも加速器を使ったがん治療が行わ

私はもともと素粒子が専門でしたが、加既に FT3L 空洞を導入しているものもれています。千葉県の放射線医学総合研

速器の研究者と交流する中で、これは自あります。ブースターから送られてきた究所にある HIMAC は、実は初めてファ分に向いているかなと思いました。加速ビームを加速する役割を持つ PS というインメット空洞を試験させていただいた

器は 1 人では作れません。J-PARC 加加速器に FT3L 空洞を導入しビームの加速器です。ファインメットを使用した速器の研究者も素粒子の専門家ばかりで品質を向上させようとしています。またことで磁性体の微調整が不要になり、最はなく、物性や工学、電気やソフトウェ反陽子を減速して反物質の製造などに初の加速試験でいきなり加速に成功しまアなど様々な分野の人が集まり、協力し使われる ELENA、オーストリアにあるした。炭素線治療は炭素原子核を加速しています。

MedAustron というがん治療用の加速てがんに照射します。がん患者の身体を器にも FT3L 空洞が使われています。

切ったりせず、体内でがん細胞を破壊す

また CERN との共同研究も 15 年ぐらることができます。陽子線や炭素線治療い続いていますが、お互いの得意分野がています。

磁壁の動きが大きく損失と発熱が多い

磁場なし

多様な科学を切り拓く

磁場あり

磁壁の動きが小さく損失と発熱が少ない

高周波印加時
磁場ありのコア「FT3L」

異なることが、うまく協力できて波長が合う理由だと思います。シンクロトロン
防ぐための窒素ガスは、低温施設からもアを実現しました。FT3L を使った加速らうことができました。そして高温 µSR

空洞は幅広い周波数で容易に扱えるだけ加速空洞を短くできれば、シンクロトロと、様々な設備や研究者、技術者の協力でなく、フェライトでは不可能な高性能ン全体を小さくできます。これは国土がが金属磁性体 FT3L コアの実現には欠かも実現しました。加速空洞の加速能力（電狭い日本にとって、決定的に重要です。

面白いことを見つけることが大事です。

せませんでした。様々な研究施設が集まっ場の強さ）を、加速勾配と言います。フェJ-PARC RCS のように大きなビームパ研究していれば辛い時期もありますが、ている複合実験施設、J-PARC だからこ

ライトを使った加速空洞では 1m あた

イプの加速器では高い加速電圧が得にく

そういうときこそ前を向いて笑顔で。苦そ可能になった研究と言えるでしょう。

り十数 kV 程度でしたが、FT3L を使用いのですが、RCS は金属磁性体空洞をしんで下を向いてやるより、楽しみながする J-PARC MR 加速器の加速空洞で使うことで 350m のコンパクトな加速ら研究する方が良いです。その人に合っ――フェライトの 2 倍の加速勾配をは約 2 倍の加速勾配を実現しています。

器を実現しました。フェライト空洞ではた研究スタイル、その人だから切り拓け       実現した金属磁性体 FT3L コア

J-PARC の MR 加速器は FT3L 金属磁

400m から 500m の周長が必要です。

る分野があって多様な研究者がいるのが性体空洞を使う事で世界最強クラスの性
こうして新しい金属磁性体 FT3L 大型コですから、波長が合わないと加速できません（笑）。

良いのではないかなと思います。

能を実現しました。
CERN の加速器構成図©CERN

ファインメット空洞導入済み：LEIR, PS, ELENA
導入予定：

BOOSTER, AD

2017 No.10
表紙／加速空洞の CG イメージ

季刊誌 J-PARC No.10

2018 年 02 月発行（年 4 回発行） 発行／ J-PARC センター

編集／ 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

企画・編集／森田 大介（Mac.H Graphicarts） ライティング／大貫 剛

CG 制作／宮崎 剛（デジタルスタジオジャパン） デザイン／マックグラフィックアーツ

http://j-parc.jp