Ｊ−ＰＡＲＣ用リニアックの現状長谷川A),A)

和男 1、大強度陽子加速器リニアックグループ

A,B)

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方2-4
B)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂１−１

概要
日 本 原 子 力 研 究 所 （ 原研）と高エネルギー加速器 研 究 機 構 （ KEK ） は 、 大 強 度 陽 子 加 速 器 計 画（ J‑PARC 計 画 ） を共同で推進している。加速器はリ ニ ア ッ ク 、 3GeV シンクロトロン、および50GeVシンクロトロンから構成され、それぞれについて開発、建設を行っている。
こ こ で は 、J‑PARC計画で用いるリニアックの各構成機器について、その現状を報告する。

１．はじめに大強度陽子加速器を用いた科学技術の展開を図る た め に 、 原 研 と KEK は、「大強度陽子加速器計画 、 愛 称J‑PARC計画（Japan Proton Accelerator
Research Complex ） 」を共同で推進している。施設は原研東海研究所内に建設中であり、ビームは物質科学、生命科学、 核変換実験、素粒子物理や原子核物理に利用される。

２．リニアックの構成
J‑PARC 計画のリニアックの構成および主なパラメータをそれぞれ図１、表１に示す。詳細な設計
パラメータ等は技術検討書[文献１]を参照された
い 。 加 速 粒 子 は 、 次 段 の 3GeV シ ン ク ロ ト ロ ン（ Rapid Cycling Synchrotron, RCS）への荷電変換入射のために負水素イオンであり、平均ビーム
電 流 は 333μA、ピーク電流は50mA、ビームパルス
幅 は 0.5msec で あ る 。 イ オ ン 源 、 RFQ (Radio1

E-mail: hasegawa@linac.tokai.jaeri.go.jp

図１

Frequency Quadrupole) 、 DTL (Drift TubeLinac) 、 SDTL (Separated‑type Drift TubeLinac) 、 ACS (Annular Coupled Structure) の 加速器で構成される。加速構造が変化する部分では、MEBT (Medium Energy Beam Transport) を用いて横方向および縦方向のマッチングを取る。
エ ネ ル ギ ー は 400MeV ま で の 加 速でRCSに入射す
る が 、 将来の第２期計画では超伝導リニアックで更 に 加 速 し 、 超 寿 命 放 射 性 廃 棄 物 の 核変換実験（ Accelerator Driven Nuclear TransmutationSystem, ADS）にビームを利用する計画である。
繰 返 し 周 波 数 は 、 RCS入射時は25Hz、ADSとの同時利用時で50Hzである。

３．リニアックの開発、建設の現状
3.1 イオン源
負 水 素 イ オ ン 源 と し て 、 原研ではセシウム添加型 [2] 、 KEK で は セ シ ウ ム 不 添 加 型 [3]を中心に開発を行っている。セシウム添加型では、磁気フィルターの最適化によりビーム電流向上を図ることで 72mA が 得 ら れ 、 イ オ ン 源 で の 目 標 ビ ー ム 性 能60mA を 達 成 し た。現在はメンテナンス周期を長くするためのフィラメントの長寿命化を中心に、研究開発を進めている。一方、セシウム添加により
ビ ー ム 強度の向上が実証されてはいるが、イオン源 の 引 き 出 し 部 分 や RFQ での放電によるビームの不 安 定 性 も 懸 念 さ れ る 。KEKで行っているセシウ
ム 不 添 加型のイオン源では、プラズマ電極温度やプラズマ電極厚さなどの最適化により、ピーク電J-PARC用リニアックの構成

表１ リニアックの主なパラメータ
Parameter
Output energy (MeV)RFQDTL

SDTL

ACS
400

350

190.8

Frequency (MHz)324324

324

972

Section length (m)

3.1

27.1

91.2

107.2

Number of cells

294

146

160

714

2.5 ~ 2.9

2.5 ~ 3.7

4.12

1

33242

Synchronous phase (deg)

-30

-30

-27-30

Drive power (MW)

0.34

3.3

16.6

32.0

Beam power (MW)

0.15

2.4

7.0

10.5

Total RF power (MW)

0.48

5.7

23.6

42.5

Number of klystrons

13

1621

Accelerating field (MV/m)
Vane voltage (kV)
Number of cavities

82.9(1.8KL)

流 で 34mA 以 上 、 パ ル ス 幅 も 要 求 仕 様 の 8割である
0.4msec を 達 成 し た 。 J‑PARC 用 リニアックでは、このイオン源を用いてコミッショニング、当初の運転を行う予定である。

3.2

RFQ,MEBT[7] 。 今 後 は 、 こ の 結 果 を更に下流のシミュレーションに反映する予定である。
最 終 目 標 と な る ビ ー ム 電 流である50mAの加速に対 応 し た RFQ は 、 こ れ ら の ビ ー ム 試 験 と 並行して開発を行っている。無酸素銅製の４分割構造をレーザー溶接で接合した試作機を製作し、調整を行っている。

3.3

DTL、SDTLDTL は 3‑50MeV 、 SDTL は 50‑190MeV の 領 域 の 加 速を 行 う 。 SDTL は 、 収 束 用 Q磁石を空洞と空洞の間に設置し、空洞内のドリフトチューブに内蔵しない構造である。
DTL は ３ 空 洞で構成し、3‑20MeVまでの最初の空洞 は 、 現 在 KEK の 陽 子 リ ニ ア ッ ク 棟 に お い て 、ビーム加速のための設置、調整を精力的に行ってい る 。 空洞にドリフトチューブやチューナ、カプラ を 取り付け低電力試験を行った。ポストカプラを グ ル ー プ 化 し て 挿 入 量 を 変 化 させ、TM011とポス ト モ ー ド を 揃えることで電場の安定化が図られ、
平 均 加 速 電 場 を±2%以内に抑えた良好な結果を得ることができた[8]。
SDTL は 32 台 の空洞で構成されるが、その内３台ま で の 大電力試験を行った。試験では空洞の定格
電 力 の ３ 倍 以上を問題なく投入し、耐電力性能が非 常 に 高 い こ と が 実 証 さ れ た [9]。３台目以降は端 板 の 真 空 シ ー ル を 、バイトン‑Oリングから金属シールに変えた結果、到達真空度が大幅に改善されることも、この試験で確認された。

RFQ で は イ オ ン 源 か ら の ビ ー ム を 3MeVまで加速す る 。 コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ 開 始 当 初 で は JHF用に開発 さ れ た ピ ー ク 電 流 30mA のRFQを用いる予定である。リニアック上流部のシステムとしての完成度を 高 め る 目 的 で 、 RFQ に 続 く MEBTまでのビーム試
験 を KEK で 行 っ た 。 こ の 試験ではMEBT通過後のエミ ッ タ ン ス 、 RFチョッパーによる高速チョッピン
3.4 ACSグの試験などを行った[4‑7]。
エミッタンス測定では、ダブルスリット型のモニ タ ー を 用 い 、 そ の 結 果 は ３ 次 元 Particle‑in‑cell 法を用いた粒子シミュレーションコードである IMPACT と比較し、実験を定性的に再現できる結果が得られた[4]。
次 段 の RCS に ビ ー ム を 入 射 ・ 蓄 積 し 、 ビーム損失 を 低 減 す る た め に 、 ビ ー ム を 約１MHzでチョッ
プ 、 整 形 す る 必要がある。このために、MEBTには２ 台 の 324MHz の チ ョ ッ パ ー 空 洞 （ RFD）を設置して い る 。 RFD は TE11 モードで励振し、ビームを横に 偏 向 さ せ る 。 当初は空洞の共振周波数とビーム
図 ２ KEK の 陽 子 リ ニ ア ッ ク 棟 地 下 ト ン ネ ルの周波数がずれていたが、カップリングループのに設置されたDTL
改 良 に よ っ て 、 特 性 を 悪 化 せ ず に 改善できた[5]。
上部には、つなぎこむ途中のDTQ用給電
このチョッパーを用いたビーム試験の結果、立上ケーブルが見える。
が り と 立 下 り 時 間 が 10nsecと非常に高速であり、か つ 、 チョッパー動作中での漏れビームが測定限
界 以 下 に抑えられる良好なOn/Off特性であること
が 確 認 さ れ た [6] 。 このシステムは、チョップパルス列をコントロールできる手段として、J‑PARC加速器の運転に有益なものとなる。
MEBT ま で の 試験で得られたエミッタンス情報は、
190 〜 400MeV の 範 囲 は 、 電 場 の 軸 対 称 性 が良く
PARMTEQM や TOUTATIS と い っ た RFQ のビームシミュ
ビ ームの品質劣化が少ないことが期待される環状
レ ー シ ョ ン コ ー ド を用いた計算値と比較検討を行
結 合 型 構 造 （ ACS)を採用した。現在、加工方法をい 、 実 験 デ ー タ を ほ ぼ 再 現 す る 結果が得られた
考慮した空洞形状の最適化、冷却性能の向上、量産 化 へ の 対 応 、 な ど の開発を行っている[10]。初号 機 と し て 、実際の加速空洞より短いバンチャー
空 洞 （ SDTL と ACS の 間 の MEBT に設置する予定）を製 作 中であり、完成後は大電力試験を始め、各種試験を行う予定である。
電 磁 気 的 な 最 適 化 設 計 は 、ACSの量産の検討と並行して実施している。導波管と接続されるブリッジカプラ部分について、電磁場解析結果とアル ミ 製 のコールドモデルでの測定結果を比較し、解析の妥当性と測定方法の問題点の確認を行った[11,12] 。 こ れ ら の 結 果 を 開口部の形状最適化など に 進 め、バンチャー空洞の形状決定に反映する予定である。

ま た 、 ト ラ ブ ル に伴うビームロスにより放射化や破壊を防ぐために、リニアックで加速される50Hz の全ビームを取りこぼしなく監視し、トラブ
ル 原 因 を 究 明 するためのプレレコーディング機能付き監視装置を設計・製作した[18]。
ビームモニターは電流や位相モニター、ビーム位置モニターなど、運転調整に欠くことができないものである。また、ビームロスを速やかに検知してビームを停止するための損失モニターも、保護システムと相まって重要である。これらのモニ
タ ー は 初号機の試験を経て量産に入り、ビームコ
ミ ッ シ ョ ニ ン グ までに整備される予定である[20]。
電力会社との受電点での電圧ひずみは、許容値で あ る ガイドライン以下にすることが要求されて3.5 高周波源
い る 。 リニアックでは高周波用の電源や電磁石電源など、多数の電源機器を用い高調波電流が発生
高 周 波 源 にはモデュレーティングアノード型パする。これらの発生量を評価し、対策として、特ル ス クライストロンを用いる。324MHzのクライス
高 変 電 所 に 設置する受動型の高調波フィルターのトロンは開発が終了し 、量産の段階にある。また、
検 討 を 行 っ て い る [21]。また、DTL用のQ磁石電源電 源 に つ い て は 、 すでに納入されたものを用い、を 100 台 以 上 運 転 す る に あ た り 、 ラインチョーク
KEK に お い て は ビ ー ム 加 速 試 験 や SDTL空洞の大電と同調フィルターの設計と試作を行い、第11次高力 試 験 に、原研では972MHzのクライストロンやRF調波以上をガイドライン以下に抑制可能であるこ
コ ン ポ ー ネ ン ト の 大 電 力 試 験に使用しているとを実証した[22]。
[13,14]。
立 体 回 路 は 電 磁 場 解 析 ソ フ ト HFSSを使って設計４．まとめを 行 い 、その計算値と実測値は、VSWRが最小となる 寸 法 の 差 で数パーセントと良く一致した結果が大 強 度 陽 子 加 速 器 に 用 い るリニアックについて、得 ら れ た[15]。さらに、分配器による振幅と位相そ の 開発と建設の現状を示した。各機器について、
差 を 、 そ れ ぞ れ ±1% 、 ±1 °以内にする測定方法
開発、試験、建設を推進している。
を 確 立 し、この方法を今後の調整に応用していく
リ ニ ア ッ ク 建 家 の 建 設 が 昨年度着工され、2003予定である。
年 6 月 時 点 で は 、 地 下 ト ン ネ ル 部 分 の 掘削や下流加速電場の安定性はビームの品質を決め、ビー部 の 杭 打 ち が 終 了 し 、コンクリート打設の段階にム ロ ス を抑えるための重要な要素となる。このたあ る 。 建家竣工後、リニアック機器の据付、調整
め に は 、全長約300mにわたる各クライストロンスを 経 て 平成18年にビーム加速を開始する予定であテ ー シ ョ ン に 高い安定性を持ってRF基準信号を分る。
配 す る シ ス テ ム が 必 要 で あ り 、 そ の 開発研究を
行 っ て い る [16]。恒温化を図った光ケーブルと、ジ ッ タ ー の 小 さ い E/O,O/E を開発し、要求性能を満たす見通しが得られた。

3.6制御、モニター、周辺機器等

制 御 機 器 と し て 、 VME 機器、シーケンサーなどのハードウェアと、それを実行するソフトウェアの 整 備 を 行 っ て い る 。 KEKでのビーム試験において は 、 EPICS ド ラ イ バ 開 発 な ど を 行い、制御系の評価や改良により実機制御の準備を行っている[17]。
J‑PARC は 大 強 度 ビ ー ム を取り扱うことから、わずかなミスやトラブルが大きな事故にまで波及する可能性があり、これを防止し保護する必要性が、他の加速器以上に要求される。このための安全系として、極めて高い信頼性が要求される人的安全系 PPS （ Personnel Protection System）、機器を保 護 す る 目 的 で マ イ ク ロ 秒 オ ー ダ ー の 高速性を持 っ て ビームを遮断する機器保護系MPS（MachineProtection System ） [19] が 昨 年 度 発 注 さ れ 、 設計検討や試作等を行っている。

参考文献[1] High-intensity Proton Accelerator Project Team,“Accelerator Technical Design Re port for J-PARC”,
JAERI-Tech 2003-044 または KEK Report 2002-13(2003)[2] 小栗英知ほか、本研究会、W P-7[3] 池上清ほか、本研究会、W P-16
[4] 池上雅紀ほか、本研究会、W P-58
[5] S.Wangほか、本研究会、W P-53
[6] 加藤隆夫ほか、本研究会、W P-50
[7] 近藤恭弘ほか、本研究会、TB-2[8] 田中宏和ほか、本研究会、TB-3[9] 内藤富士雄ほか、本研究会、TP-12[10] 林崎則託ほか、本研究会、TB-4[11] 青寛幸ほか、本研究会、W P-38
[12] 秋川藤志ほか、本研究会、W P-39
[13] 川村真人ほか、本研究会、TP-23[14] 山崎正義ほか、本研究会、TP-21[15] 菅沼和明ほか、本研究会、TB-5[16] 小林鉄也ほか、本研究会、TP-22[17] 上窪田紀彦ほか、本研究会、TP-47[18] 榊泰直ほか、本研究会、TC-3[19] 榊泰直ほか、本研究会、TP-56[20] 富沢哲男ほか、本研究会、TP-43[21] 千代悦司ほか、本研究会、TP-60[22] 掘利彦ほか、本研究会、W P-54