Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

STATUS OF J-PARC ACCELERATORS
J-PARC Accelerator DivisionHigh Energy Accelerator Research Organization / Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-1195, Japan

Abstract
The recent operation status of the J-PARC accelerators is reported in this paper. The discharge problem of the RFQ
linac has been steadily recovered and the beam of 120 kW power has been supplied to the common use of MLF.
Although the accelerators can deliver the beam power more than 300 kW to MLF, the operational power is limited fromthe point of stable operation of the target system for neutron production. MR started user runs by the fast extraction withtuning toward higher beam intensity. The hadron experimental facility has also been tuning the data acquisition systemwith adjusting beam lines using a slowly extracted beam.

J-PARC 加速器の状況
Trouble Time (hours) & Source

1.1

Ion Source
BLM
MEBT
RFQ
DTL
SDTL
HVDC
Vac.
Mag.
OthersBLM
KMPS
OthersBLM
Others
BLM
QM
BM
Inj.
Ext.
OthersE40
1. 利用運転35
いち早く｢共用」に入った MLF 利用運転での状況 30をまとめる。RFQ Linac の回復をみて昨 10 月より利 25用運転を本格的に再開し、RCS から 120 kW のビー 20ムを供給している。12 月 10 日には 320 kW 運転を 1 15時間継続し、加速器としては定常運転上問題のない 10ことを確認した。ただし 300 kW 以上での運転では、 5中性子発生用ターゲットの信頼性（所謂、「穴が開 0く」pitting[ 1 ]の危険性）から、予備ターゲットが整備されるまでのここ 1~2 年は、100 ~ 200 kW 程度の運転を行うことにしている。

LINAC

Availability （稼働率）

Run Hours

95350
300

90250
200

Availability (%)

150
10027282930 32
Run #3385

Availability (%)

400

Trouble Hours

100Run Hours

MRfor each Run20Statics [ Run #27 (Nov. 2009) -- #34 (Jun. 2010)]
4503NBT

図 2 ．機器別故障時間の累計

昨 10 月からの加速器としての稼働率を図 1 に示す。中性子発生用ターゲット系の不具合により、Run 30 & 31 では利用運転はなかった。

500RCS

151050268034 Total

RFQ
SDTL
HVDC
KMPS
MR-BLM2830
Run #3234

図 3 ． 主 な 機 器 の Run 毎 の 故 障 時 間

図 １ ． 各 Run 毎 の MLF 利 用 運 転 時 間 と 稼 働 率際だった特徴として以下が挙げられる。
（１）
KMPS (RCS 取り出しキッカー用電源）稼働
図 2 にはビーム運転停止時間の機器別集計を示す。
率の大幅な改善。これは予備電源を確保し、サイラまた主な機器の各 Run 毎の推移を図 3 に示す。
トロンの Conditioning をカタログに頼らず、自ら考-8-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

えながら学習を通して適切な方法を見つけ出したこ
2008 年 9 月から物質・生命科学実験施設とによる。
（ MLF ）へビーム供給試験を開始したところ、（２） Run 34 での SDTL (Separated-type Drift Tube
RFQ のトリップ回数が増加し、空洞の設計電界強度Linac)の故障の急増。これは同軸導波管の中心導体の維持が困難になる問題が顕在化した。この問題が接続部の放電による。運転開始以来 5 年程度経過しビームパワーや稼働時間向上への障害となってきたており、振動等による、接触部の経年劣化と推定しため、その対策を施すとともに、放電頻度緩和のたている。清掃及び取り替え作業での観察から、小さめに設計電界強度よりも低めで運転し、当初の性能い放電がこれ以前から頻発していたと理解しており、 までの回復に努めてきた。特に真空系は、イオンポ放電トリップ後の安易な自動復帰で済ませることなンプやクライオポンプなどの追加、LEBT の差動真く、注意深く対応することと、適切なモニター系の空排気化、粗引き真空ポンプのオイルフリー化、整備が必要であろう。これは他機器にも通じることベーキングでの脱ガスなど、重点的対策を施した。
である。
また、定期的な RF コンディショニングを入れ、予（３） Run 33 以降での RFQ-Linac のトリップの急定外の運転停止を避けるサイクルを採用した。
増。Conditioning の間隔を従来の 1 週間未満から 3	  2009 年 6 月と 10 月には、3GeV シンクロトロン週間以上に広げた結果、イオン源ガス流入が継続しから MLF への 20kW （リニアックからは、ピーク真空レベルの底上げ等により放電回数が増大したと電流 5mA、パルス幅 100μs で 1.2kW を供給）の共評価している。Run 34 でも 1 日 10 回程度のトリッ用を行い、実用運転できるまでに回復した。空洞のプであり、実運転上は問題なしと見ているが、適時耐電界強度やパルス幅の性能回復が進み、11 月には、の Conditioning の実施など、今後の注意深い対応がピーク電流値を 15mA、パルス幅 200μs にそれぞれ必要である。（ 2 章参照。）
向上し 120kW での MLF 共用運転を開始し、それ以（４） HVDC （ ク ラ イ ス ト ロ ン 用 高 電 圧 DC 電
来 RFQ による計画外停止がなく 120kW での安定供源 ） の 超 安 定 な 運 転 。 他 の LINAC 施設では本電給を行ってきた。更なるハイパワーを実現するため、源の不安定さが稼働率を悪くしている。
12 月にパルス幅を 500μs まで延ばし、ビーム電力（ 5 ） BLM(Beam Loss Monitor)のインターロックは 300kW で 1 時間の MLF 供給運転に成功するなど、大強度への調整過程にあることから、ちょっとした RFQ の性能は着実に回復してきた。
徐々にコンディショニングの間隔を延ばし、連続ロスの兆候でも把握できるよう意図的に敏感に設定運転の日数を、4月は 7 日＆ 10 日、5 月は 13 日＆している。例えば、MR ではビーム強度の増大に対11日、6月は4日＆19 日として、連続運転を実証応して発報も増加していることが分かる。
し、2 〜 3 週間の連続運転の見通しを得た。図 5 に
6 月の Run での１日あたりのトリップ回数を示す。
1.2 着実なビーム供給
運転日数につれて徐々に回数が増えてくる傾向が認	  MLF 利用運転（所謂共用）開始後の運転日毎の供 められる。適宜コンディショニングを行い、連続運給ビーム・パワー（青色の棒、kWh、左軸）と累積 転で貯まった成分を除去しながら運転を継続する必要がある。
ビーム量（点、MWh 換算、右軸））を図４に示す。
RFQ-Linac の抜本的手当による 2009 年秋以降の着実な回復が明瞭である。

図 5 ． RFQ での１日あたりのトリップ回数
青：自動復帰、赤：運転員が復帰、緑：合計回数3.

図４． MLF へのビーム供給量（二川正敏氏提供）

2.

RCS 320 kW 運転

3GeV シンクロトロン(RCS)は,リニアック回復前は 20kW、回復後は 120kW のビームパワーで MLFの供用運転を行う一方、50GeV シンクロトロ(MR)へも最大 300kW 相当のビームを供給している。現在

RFQ-Linac の回復-9-

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までに達成した RCS のパラメータと設計値を表 3-1にまとめる。

えられる。現在のところ、3 週間の供用運転終了後、約 6 時間後の真空チャンバー表面での最大残留放射線量は、約 1.5 mSv/h である。荷電変換フォイルの形状を最適化することで、このビームロスを低減させることを計画している。さらに、MLF と MR それぞれに最適化したビームを供給することが、今後の課題である。

表 3-1 ： RCS の 設 計 値 と 現 状 の ま と め
Parameter

Unit

DesignAchieved todata

Injection energy

MeV400181

Output energy

GeV

33

Number of bunches

22Hz2525

Output power

kW

1000

120*

Particles/bunch

4.2x1013

5.0 x1012*

Injection scheme

Transverse &longitudinal

Transverse &longitudinal<0.005~0.025<1<1 with BBA

0 ~ 20ms
w/AC p.s.

at injection
w/DC p.s.
~(painting)

CODmm

Chromaticity
Stability ofextracted beam orbitmm<Beam emittance(un-normalized infull)

πmmmrad54 for MR,

1 atQX3

81 for MLF

P-BLM signals (connected to MPS)

_ black ：300kWoperation

Repetition

Tune excursion
during acceleration

(3)

(1)

(4)

(2)
_ green ：RUN#27:120kw_ red：RUN#28:120kw

collimator

Arc -1

Extraction Arc-2

RFArc -3

Injection

H0dump

図 6 ． RCS で の ビ ー ム ロ ス 分 布
緑： 120kW (RUN#27)、赤： 120kW (RUN#28)、
黒： 300kW4.

0.5 atQX3

MR 速い取り出し運転

2009 年の 4 月にニュートリノ・ビームラインのビーム・コミッショニングが開始されて以来、MRの加速器スタディと並行してニュートリノ・ビームラインの調整を進めて来たが、2010 年 1 月からはT2K グループが本格的な物理運転を開始した［ 2 ］。
夏期停止期間に入る直前の 6 月末までの間にニュートリノ・ターゲットに供給された陽子数は 3.3 1019である。この間のビーム・パワーは 24 時間の連続運転では最大 50 kW でこれは KEK-PS の 10 倍以上の強度である。また、短時間のデモンストレーションとしては、100 kW で 3 分間程度の連続運転にも成功している。図 7 に 100 kW 運転における 1 サイクル（ 3.52 秒）の運動量変化、および DCCT で測定された周回ビームの強度変化を示す。ニュートリノ・ビームラインに取り出されたパルスあたりの陽子数は 7.5 1013 ppp で、シンクロトロンにおける加速粒子数としては BNL の AGS が持つ世界記録と同等である。入射時のビーム・ロスの総量は 100~200W で、ロスの場所はリング・コリメータにほぼ集中している。
現在まで 100 kW で長時間の連続運転を行っていない理由は、速い取り出しキッカーのフェライト・コアが大強度ビームの wake によって発熱し、コアの透磁率が変化することで蹴り角にドリフトが生じるためである。もともと 2010 年夏に速い取り出しキッカーを立ち上がりの速い新型キッカーに入れ替える計画であるが、新型キッカーにおいては、ダンピング抵抗を用いたビーム結合インピーダンスの低減とコアの水冷システムを導入することにより、ビーム・パワーの設計仕様値 750 kW まではドリフトが生じないデザインになっている。

~30[x]/30[y]for 120kW

measured*Consecutive 300 kW (for 1 hour) operations at 25 Hz
were well demonstrated.
図 6 に MLF 供用運転時と大強度試験運転時のRCS 全周に亘る典型的なビームロスの分布を示す。
MLF 供用運転時のビームパワーは 120kW で、大強度試験時のビームパワー300kW であった。主なビー
ムロスポイントは、(1)コリメータ部、(2)アーク部、(3)出射部、及び、(4)入射部であった。コリメータ部
に関しては、加速器の設計思想が、ビームロスをコリメータに局在化させ、その他の部分のロスを極力低減させるということであるため、この部分のビームロスが大きいのは設計通りである。アーク部のロスは、現在クロマティシティ補正を入射エネルギーのみで行っているために発生したと考えられる。このロスを低減させるために、今夏の定期メンテナンス時に六極電磁石電源を入れ替え、全エネルギー領域でのクロマティシティ補正が可能となる。出射部のロスに関しては、ビーム試験を重ねた結果、ロスビームが直接ロスモニターをヒットしていたことが原因であり、大きなロスで無いことが判明した。これは、残留線量がほとんど観測されないこともその判断根拠である。最後に、入射部のビームロスは、想定よりも大きな値である。今後 RCS からの出力ビーム強度を増加させるためには、入射部のビームロスの低減が最重要課題である。このロスの大きな原因の一つとして、荷電変換フォイルでの散乱が考-10-

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6.

平成 20 (2008) 年度にエネルギー増強計画が認可され、400MeV までの加速を行う環状結合型空洞（ Annular Coupled Structure, ACS ）モジュールの製作を開始した［ 5 ］。製作期間の短縮のため、工程の合理化とともに多数の空洞製作を並行に進め、平成24 (2012) 年夏の据付を目指して量産を進めている。
加工面でいくつかの問題点はあったものの、現状は順調に推移しており、ロウ付けが完了したものから順次組み立てに移行し、今秋には量産初号期の大電力試験を開始する予定である。	  現場作業として、7 月〜 9 月の夏期シャットダウン期間を利用し、導波管やケーブルの敷設を行っている。また、クライストロン電源やクライストロン・ステーションの組み立ても順次進めている（図9 ）。

図 7 ．速い取り出しの 100 kW 運転における周回ビーム強度と運動量変化

5.

LINAC エネルギー増強計画

MR 遅い取り出し運転

MR における遅い取り出しには、3 次共鳴法が用いられる。現在、MR の遅い取り出しにおける最大の課題は、取り出されたビームのスピル構造を改善することである。MR では主電磁石電源の電流リプルに起因して、30 GeV ビームに対し 0.003 という大きなチューン変動が確認されている。このチューン変動のために、取り出されたビーム・スピルにはスパイク状の強度変化が生じ、利用実験において大きな障害となっている。この問題の解決策については、現在も検討が続いているが、2009 年秋以降は 3台の四極電磁石を用いたスピル・フィードバック・システムが稼働を開始するとともに［ 3 ］、四極電磁石に取り付けられた補助コイルを短絡して磁場リプルを低減する試み等が成果を上げており［ 4 ］、スピル構造は着実に改善してきている。
図 8 に遅い取り出しによってビーム強度 1.9 kWのユーザー運転を行った際の 1 サイクル（ 6 秒）の運動量、および周回ビーム強度の時間変化を示す。
ビームは加速終了後、約 2 秒間をかけて取り出される。ユーザー運転では、リプル対策として先に述べたスピル・フィードバック、および四極電磁石 117台の補助コイル・ショートを併用している。

図 9 ．据付の進むクライストロン・ステーション

参考文献[1] M. Futakawa et al., “Pitting damage by pressure waves in amercury target”, J. Nucl. Material 343 (2005), pp. 70-80.
[2] T. Koseki et al., “Challenges and Solutions for J-PARC
Commissioning and Early Operation”, Proc. IPAC10, Kyoto,Japan, 2010, p. 1304.
[3] M. Tomizawa et al., “Beam Commissioning of J-PARC
Slow Extraction”, THLH01 in these proceeindgs[4] S. Igarashi et al., “Magnetic Field Ripple Reduction ofMain Magnets of the J-PARC Main Ring Using Trim Coil”,Porc. IPAC10, Kyoto, Japan, p. 301.
[5] Ao et al., “J-PARC LINAC ACS 加速空洞”, WEPS074 inthese proceeindgs

図 8 ．遅い取り出しの 1.9 kW 運転における周回ビーム強度と運動量変化-11-