大強度陽子加速器施設

J-PARCJapan Proton Accelerator Research Complex

最大にして最強。

大強度ビームの最前線!!

J-PARCとは

J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) は、素粒子物理、原子核物理、物質科学、生命科学、原子力など幅広い分野の最先端研究を行うための陽子加速器群と実験施設群の呼称です。J-PARCの最大の特徴は、

J-PARCは加速器を用いた最先端の研究施設

世界最高クラスの強度をもつ陽子ビームで生成する中性子、ミュオン、K中間子、ニュートリノなどの多彩な二次粒子ビーム利用にあります。高エネル
ギー加速器研究機構 (KEK) と日本原子力研究所【現 日本原子力研究開発機構 (JAEA)】が共同で提案し、8年の歳月と総工費1524億円をかけ、2008年にJAEA東海の原子力科学研究所内に第一期施設が完成しました。

J-PARCの加速器は、線形加速器（リニアック）と円形加速器（シンクロトロン）2台の計3台で構成されています。

3つの加速器群1

加速器1：LINAC (Linear Accelerator)
水素ガスから水素化物イオン (陽子1個と電子2個からなる陰イオンで、負水素イオン、H− (エイチマイナス) と呼ばれます)を発生させ、全長約330mの（2013年5月までは181MeV）まで加速し、線形加速器リニアックで400MeV次の加速器へ送ります。粒子の速度は光速の71%になります。左の写真はビームエネルギーを設計値の400MeVに上げるため、新たに設置したACS型加速空洞です。

LINAC
2加速器2：RCS (Rapid-Cycling Synchrotron)
RCSは一周約350mの円形の加速器で、加速器の種類としてはシンクロトロンと呼ばれます。リニアックから来たH−は炭素の薄膜をくぐる時に2個の電子が剥ぎ取られ陽子となります。陽子ビームは1万回以上回る間に3GeVまで加速され、光速の97.1%に達し出射されます。陽子ビームの大部分は物質・生命科学実験施設へ送られ実験に利用されます。一部は次の加速器へ送られます。

RAPID-CYCLING SYNCHROTRON30GeV
出射s z)
1n H
58 72M.
(110%41103隙間300ns

1

加速器3：MR (Main Ring)
MRは一周約1570mのシンクロトロンで、約2 〜 6 秒ごとにRCSから2個ずつ4回に分けて8個の陽子ビームバンチ（約3.3×1013 個の陽子の塊）を受け取ります。MRではそのビームバンチを約30万周させ30 GeVまで加速し、二つの実験施設へ出射します。この時陽子の速度は光速の99.95%となります。

%

24ns

MR8バンチ

3GeV
入射350

RCS2バンチ)s z
8n MH
59 67.
(1MAIN RING

光速：光が真空中を進む速度は秒速約30万kmです。
MeV、GeVとは：eV（電子ボルト）はエネルギーの単位の一つで、電子または陽子1個などの素電荷をもつ粒子を1ボルトの電位差で加速した時に得（メガ）は百万、G（ギガ）は十億を表します。
られる運動エネルギーが 1eVです。M9181213速い取り出し

高周波電圧を用いて荷電粒子を加速する装置で、加速器の心臓とも呼ばれます。
空洞と高周波増幅器などから構成されます。

67 10 11

陽子ビームの周回軌道を決める磁場をつくる各種の電磁石やそれらの電源などです。

真空システム全周

中央制御室：写真に見える多数の端末装置には、巨大な加速器の各装置や陽子ビームの状態が表示されています。
加速器を最適な状態で運転するため、これらの端末装置から機器に指令を送ります。

5

ビームの通り道を真空に保つためのパイプや真空ポンプなどです。

ビーム診断システム

真空システム：加速器を構成する電磁石などの機器は金属製のパイプ(ビームダクト)が貫通しており、さらにそれらをビームダクトで繋ぎ、一周1567.5mの極めて細長いドーナツリングを構成しています。
この中を陽子ビームが飛行するとき、空気などの残ビームアボートライン：左から ニュートリノライン、 留分子は飛行の妨げとなるため、点在する真空ポンプによって排気し1兆分の1気圧前後の超高真空に保メインリング、ビームアボートラインちます。加速器は1つの巨大な真空容器なのです。

109全周

冷却水システム：電磁石や高周波加速空洞へ供給される電力は、最終的に熱となりそのままでは装置を高温にします。その熱の除去のため、純水を用いた冷却システムが3カ所の機械棟に整備されています。

電源棟：電磁石電源や、加速空洞電源、制御機器等が置かれています。地下トンネルの加速器の各機器まで高電圧・大電流の電力を供給し、またビーム制御のための微弱なモニタ信号をトンネル内から受け取ります。当初D1〜D3の3棟だけでしたが、増強計画のためD4〜D6の3棟が新たに建設されました。

11D215101.50× 10 13

陽子数 5.67×1013(30 GeV)

304.025202.0(3 GeV)
入射00

加速15105123

入射からの時間 [s]401D4加速器制御システム◉放射線安全管理システム

13

加速器の頭脳とも呼ばれ、加速器全てのコンポーネントをコントロールします。

冷却水システム8

電磁石、電源、高周波加速装置などを冷却するための純水及び循環ポンプなどから構成されています。

安全監視システム

3-50BTビーム輸送路：写真向かって奥側やや上方の隔壁の向こうに位置するRCSからMRにビームを約220mにわたって輸送します。

66ニュートリノ一次ビームライン：ニュートリノビーム
ラインの超伝導電磁石

4D142

遅い取り出しセプタム磁石内部：セプタム（隔壁）構造を持つ電磁石で厚さ1.5 mmの銅板隔壁に3000 Aの電流を流し、隔壁の右側に発生する磁場によって、飛び込んできた陽子ビームを蹴り出します。

全周

速器トンネル内からの汚染を外に持ち出せないようにゲート（写真）で管理する等を行っています。J-PARCの加速器では、放射線安全システムと下に述べる

PPSはそれぞれ加速器の機器自体を制御する加速器制御システムとは独立したシステムとなっており、操作はそれぞれのシステムから行います。

※図で電磁石等の機器の形状・数量は省略されています。

地上部

放射線安全管理システムは放射線量を監視する、人の被曝線量を管理する、加25◉人員安全保護システム (Personnel Protection System, PPS)
加速器トンネルには放射線を発生する装置や大電流の電磁石等の装置があり、この区域の出入口を扉等で区切って管理しています。PPS は人が加速器トンネビームによって生じる放射線及び放射能の影響から人々を保護します。

ル内に入域している時にはビーム運転ができないように、又逆にビーム運転をしているときには人が入域できないように管理します。さらに万一ビーム運転

放射線管理システム

中に扉が開く等が起こればビーム運転を停止させます。このようにビーム運転

地上部

放射線及び放射能を持つ物質を閉じ込め、加速器トンネルからの出入り及び個人線量の管理と加速器周辺の放射線量を監視します。と人の安全を集中管理しているシステムです。
入射キッカー電磁石：ビーム輸送路から斜めに入射されて来たビームを、MRの周回軌道にあわせるために横向きに磁場で蹴り入れます。

ビームコリメータ：ビームの周辺に分布している、密度の低い粒子の雲（ビームハロー）を削り取ります。ビームハローはビームロスを発生させ、加速器本体を放射化する原因となるため、決められた場所で取り除く必要があります。

放射線モニタ：加速器の制御のために運転中に発生する放射線を測定するモニタです。MRでは地上に4カ所設置しています。

ビーム位置モニタ、ビームプロファイルモニタ：左はビームの重心位置を10〜100μm程度の位置分解能で測定するビーム位置モニタの一例です。ビームが通る位置から撮影した写真です。真空ダクトの内側に4つの電極があり、ビームが通過する時に生じる電気信号から演算により重心が求まります。
MRには4種類の電極形状の位置モニタが約200台分配されています。右は、ビームの密度分布形状を測定するビームプロファイルモニタのための多層グラフェン・リボン・ターゲットです。

曲線部に並ぶ電磁石群：電荷を帯びた粒子が磁場中で曲がる性質を利用し、偏向電磁石96台、四極電磁石216台を用いて陽子ビームを正確な軌道で安定に周回させます。

放射線管理区域へ入退域するためのゲートシステム

エネルギー[GeV]換算磁場MR へビームを入射したり、実験施設へ取り出します。

5D51.0

入射からの時間 [s]し117D60.5

出7 103

速い取出し用セプタム電磁石：ラテン語で隔壁を意味する「セプタム」構造をもつ電磁石が周回ラインの両側に並び、陽子バンチを左右に蹴り出します。

137006.0205り

6安全監視システム：加速器は放射線発生装置であるため入退域が厳密に管理、監視されています。

高周波加速装置群：大強度陽子ビームはここを約30万回通過することで運動エネルギー 30 GeVを獲得します。写真は世界最大級の数の陽子を加速できる、世界最高の加速勾配を持つ新型空洞と高周波増幅器です。

12

ハドロン実験施設に向けてビームを送るときには「大根の桂むき」のように少しずつ時間をかけてビームを取り出すので「遅い取り出し」と呼ばれます。右図のようにリングに入射したビームを3 GeV13から30 GeVまで1.4秒かけて加速し、2秒間に5.7×10 個の陽子をできるだけ滑らかに取り出します。ハドロン実験施設では陽子ビームを金属標的にぶつけた時に取り出される素粒子を用いて原子核や素粒子の様々な実験を行います。遅い取り出し時のMRの運転周期は5.2秒です。取り出すビームの量をより一定に揃え、損失を抑えてビーム強度を増強する計画が進行中です。

加速1.0(3 GeV)
入射

遅い取り出し3025

取ビーム入出射システム

D33 11 12

RCS から MR へ、また MR からニュートリノ実験施設やハドロン実験ホールへビームを輸送します。

8102.0い

ビーム輸送システム

ハドロンビームライン：MRから取り出されたビームは写真中央のビームラインを通ってハドロン実験ホールに輸送されます。

(30 GeV)

陽子数 2.61×1014

遅加速器の目とも呼ばれ、ビームの強度、軌道や振動などの様子を調べ、最適な運転が行われているか診断します。

9× 1014

エネルギー[GeV]換算磁場2ニュートリノ施設に向けてビームを送るときにはリングを周回するビームを一気に取り出すので「速い取り出し」と呼ばれます。右図は加速器内の陽子数とエネルギーの時間変化を表したグラフです。まずRCSから2個ずつ4回、計8個のビームバンチが入射され、14陽子の総数は2.6×10 個に積み上がります。そのまま加速器リング内を1.4秒周回する間に加速空洞からエネルギーをもらい加速し、30 GeVの運動エネルギーを獲得します。その後1マイクロ秒という短い時間で取り出しキッカー電磁石を励磁すると、列車が線路のポイントを切り替えて進行方向を変えるように、周回していた陽子全部が取り出されます。この陽子ビームをニュートリノ実験施設内のターゲットにぶつけ、ニュートリノビームを生成し、295 km離れたスーパーカミオカンデに向かって出射します。この速い取り出し時の運転周期は2.48秒です。粒子数を増やし運転周期を短くする
ビーム強度増強計画が進行中です。

速い取り出し電磁石システム

MR加速器の運転モード

陽子数 [個]高周波加速システム

D1– 6

全周

陽子数 [個]J-PARC MRを構成するもの

9181213

速い取り出し高周波電圧を用いて荷電粒子を加速する装置で、加速器の心臓とも呼ばれます。
空洞と高周波増幅器などから構成されます。

67 10 11

陽子ビームの周回軌道を決める磁場をつくる各種の電磁石やそれらの電源などです。

真空システム全周

中央制御室：写真に見える多数の端末装置には、巨大な加速器の各装置や陽子ビームの状態が表示されています。
加速器を最適な状態で運転するため、これらの端末装置から機器に指令を送ります。

5

ビームの通り道を真空に保つためのパイプや真空ポンプなどです。

ビーム診断システム

真空システム：加速器を構成する電磁石などの機器は金属製のパイプ(ビームダクト)が貫通しており、さらにそれらをビームダクトで繋ぎ、一周1567.5mの極めて細長いドーナツリングを構成しています。
この中を陽子ビームが飛行するとき、空気などの残ビームアボートライン：左から ニュートリノライン、 留分子は飛行の妨げとなるため、点在する真空ポンプによって排気し1兆分の1気圧前後の超高真空に保メインリング、ビームアボートライン
ちます。加速器は1つの巨大な真空容器なのです。

109全周

冷却水システム：電磁石や高周波加速空洞へ供給される電力は、最終的に熱となりそのままでは装置を高温にします。その熱の除去のため、純水を用いた冷却システムが3カ所の機械棟に整備されています。

電源棟：電磁石電源や、加速空洞電源、制御機器等が置かれています。地下トンネルの加速器の各機器まで高電圧・大電流の電力を供給し、またビーム制御のための微弱なモニタ信号をトンネル内から受け取ります。当初D1〜D3の3棟だけでしたが、増強計画のためD4〜D6の3棟が新たに建設されました。

11D215101.50× 10 13

陽子数 5.67×1013(30 GeV)

304.0

25
202.0(3 GeV)
入射00

加速15105123

入射からの時間 [s]

40

1D4

加速器制御システム◉放射線安全管理システム

13

加速器の頭脳とも呼ばれ、加速器全てのコンポーネントをコントロールします。

冷却水システム8

電磁石、電源、高周波加速装置などを冷却するための純水及び循環ポンプなどから構成されています。

安全監視システム

3-50BTビーム輸送路：写真向かって奥側やや上方の隔壁の向こうに位置するRCSからMRにビームを約220mにわたって輸送します。

66ニュートリノ一次ビームライン：ニュートリノビーム
ラインの超伝導電磁石

4D142遅い取り出しセプタム磁石内部：セプタム（隔壁）構造を持つ電磁石で厚さ1.5 mmの銅板隔壁に3000 Aの電流を流し、隔壁の右側に発生する磁場によって、飛び込んできた陽子ビームを蹴り出します。

全周

速器トンネル内からの汚染を外に持ち出せないようにゲート（写真）で管理する等を行っています。J-PARCの加速器では、放射線安全システムと下に述べる

PPSはそれぞれ加速器の機器自体を制御する加速器制御システムとは独立したシステムとなっており、操作はそれぞれのシステムから行います。

※図で電磁石等の機器の形状・数量は省略されています。

地上部

放射線安全管理システムは放射線量を監視する、人の被曝線量を管理する、加25◉人員安全保護システム (Personnel Protection System, PPS)
加速器トンネルには放射線を発生する装置や大電流の電磁石等の装置があり、この区域の出入口を扉等で区切って管理しています。PPS は人が加速器トンネビームによって生じる放射線及び放射能の影響から人々を保護します。

ル内に入域している時にはビーム運転ができないように、又逆にビーム運転をしているときには人が入域できないように管理します。さらに万一ビーム運転

放射線管理システム

中に扉が開く等が起こればビーム運転を停止させます。このようにビーム運転

地上部

放射線及び放射能を持つ物質を閉じ込め、加速器トンネルからの出入り及び個人線量の管理と加速器周辺の放射線量を監視します。と人の安全を集中管理しているシステムです。
入射キッカー電磁石：ビーム輸送路から斜めに入射されて来たビームを、MRの周回軌道にあわせるために横向きに磁場で蹴り入れます。

ビームコリメータ：ビームの周辺に分布している、密度の低い粒子の雲（ビームハロー）を削り取ります。ビームハローはビームロスを発生させ、加速器本体を放射化する原因となるため、決められた場所で取り除く必要があります。

放射線モニタ：加速器の制御のために運転中に発生する放射線を測定するモニタです。MRでは地上に4カ所設置しています。

ビーム位置モニタ、ビームプロファイルモニタ：左はビームの重心位置を10〜100μm程度の位置分解能で測定するビーム位置モニタの一例です。ビームが通る位置から撮影した写真です。真空ダクトの内側に4つの電極があり、ビームが通過する時に生じる電気信号から演算により重心が求まります。
MRには4種類の電極形状の位置モニタが約200台分配されています。右は、ビームの密度分布形状を測定するビームプロファイルモニタのための多層グラフェン・リボン・ターゲットです。

曲線部に並ぶ電磁石群：電荷を帯びた粒子が磁場中で曲がる性質を利用し、偏向電磁石96台、四極電磁石216台を用いて陽子ビームを正確な軌道で安定に周回させます。

放射線管理区域へ入退域するためのゲートシステム

エネルギー[GeV]換算磁場MR へビームを入射したり、実験施設へ取り出します。

5D51.0

入射からの時間 [s]し117D60.5

出7 103速い取出し用セプタム電磁石：ラテン語で隔壁を意味する「セプタム」構造をもつ電磁石が周回ラインの両側に並び、陽子バンチを左右に蹴り出します。

137006.0205り6安全監視システム：加速器は放射線発生装置であるため入退域が厳密に管理、監視されています。

高周波加速装置群：大強度陽子ビームはここを約30万回通過することで運動エネルギー 30 GeVを獲得します。写真は世界最大級の数の陽子を加速できる、世界最高の加速勾配を持つ新型空洞と高周波増幅器です。

12

ハドロン実験施設に向けてビームを送るときには「大根の桂むき」のように少しずつ時間をかけてビームを取り出すので「遅い取り出し」と呼ばれます。右図のようにリングに入射したビームを3 GeV13から30 GeVまで1.4秒かけて加速し、2秒間に5.7×10 個の陽子をできるだけ滑らかに取り出します。ハドロン実験施設では陽子ビームを金属標的にぶつけた時に取り出される素粒子を用いて原子核や素粒子の様々な実験を行います。遅い取り出し時のMRの運転周期は5.2秒です。取り出すビームの量をより一定に揃え、損失を抑えてビーム強度を増強する計画が進行中です。

加速1.0(3 GeV)
入射

遅い取り出し3025

取ビーム入出射システム

D33 11 12

RCS から MR へ、また MR からニュートリノ実験施設やハドロン実験ホールへビームを輸送します。

8102.0い

ビーム輸送システム

ハドロンビームライン：MRから取り出されたビームは写真中央のビームラインを通ってハドロン実験ホールに輸送されます。

(30 GeV)

陽子数 2.61×1014

遅加速器の目とも呼ばれ、ビームの強度、軌道や振動などの様子を調べ、最適な運転が行われているか診断します。

9× 1014

エネルギー[GeV]換算磁場2ニュートリノ施設に向けてビームを送るときにはリングを周回するビームを一気に取り出すので「速い取り出し」と呼ばれます。右図は加速器内の陽子数とエネルギーの時間変化を表したグラフです。まずRCSから2個ずつ4回、計8個のビームバンチが入射され、14陽子の総数は2.6×10 個に積み上がります。そのまま加速器リング内を1.4秒周回する間に加速空洞からエネルギーをもらい加速し、30 GeVの運動エネルギーを獲得します。その後1マイクロ秒という短い時間で取り出しキッカー電磁石を励磁すると、列車が線路のポイントを切り替えて進行方向を変えるように、周回していた陽子全部が取り出されます。この陽子ビームをニュートリノ実験施設内のターゲットにぶつけ、ニュートリノビームを生成し、295 km離れたスーパーカミオカンデに向かって出射します。この速い取り出し時の運転周期は2.48秒です。粒子数を増やし運転周期を短くする
ビーム強度増強計画が進行中です。

速い取り出し電磁石システム

MR加速器の運転モード

陽子数 [個]高周波加速システム

D1– 6

全周

陽子数 [個]J-PARC MRを構成するもの

MRのあゆみ
600

MR

500

Beam Power [kW]2008年 5月 ビーム運転開始
2008年 12月 30 GeVへの加速に成功
2011年 3月 東日本大震災により被災
2011年 12月 復旧しビーム試験開始
2012年 1月 利用運転再開

速い取り出し遅い取り出し

400
300
200
100
2012/1

速い取り出し運転
2009年 4月 MRからニュートリノビームラインへビームを出射して試験を開始
2010年 2月 スーパーカミオカンデで最初のニュートリノ事象を観測
2018年 5月 利用運転で 500 kWのビーム強度を達成
2018年 5月 ニュートリノターゲットでの積算陽子数 3×1021個を達成

2014/1

2016/1

2018/1

ビーム強度のトレンド

遅い取り出し運転
2009年 1月 MRからハドロンビームラインへビームを出射して試験開始
2009年 10月 共同利用運転を開始
2013年 5月 ハドロン実験施設における放射性物質漏えいにより運転停止
2015年 4月 安全を確認し利用運転再開
2018年 1月 50 kWでの利用運転を開始

2020/1− 全陽子数− ニュートリノモード− 反ニュートリノモード

ニュートリノターゲットに出射した陽子数
9000

積算陽子数 [kW·日]2010/1

積算陽子数 [×1E20個]

06000

3000

0H26まで

H27

H28

H29

H30

HDターゲットに出射した陽子数MRを利用した実験
T2K 長基線ニュートリノ振動実験

ハドロン実験

MRから速い取り出しモードで取り出された大強度陽子ビームを使い、大強度ニュートリノビームを作り出します。ビームは地球内部を飛行し、295 km離れた岐阜県飛騨市神岡町のスーパーカミオカンデでニュートリノ事象が観測されます。

MRから遅い取り出しモードで取り出された大強度陽子ビームを200mのビームラインでハドロン実験ホールに輸送し、二次粒子生成標的に照射してK中間子、π中間子、ミューオンなどの大世界初！

電子型ニュートリノ出現現象を捉える

2013年5月までに取得した全データを解析した結果、ミュー型ニュートリノが飛行中に電子型ニュートリノに変化する「電子型ニュートリノ出現現象」が確実に存在することを、世界で初めて示すことができました。
スーパーカミオカンデ

強度ビームを作り出し、様々な原子核・素粒子物理学の実験を行います。

宇宙の歴史を遡る
ハドロン実験施設は、物質を構成する究極の要素が何であるか、どのような力がそれらを結びつけているかといった、物質の根源の謎を最先端の測定装置で極微のスケールで探究する施設です。

J-PARC

野口五郎岳

前置検出器

2,924m

池ノ山

1,360m

海抜0m

295km

ニュートリノ

ニュートリノの「CP対称性の破れ」解明への挑戦
ニュートリノと反ニュートリノの違いについて検証を進めるた
め、2014年から反ニュートリノビームを用いた実験を開始しました。2016年に世界で初めて両者に違いがあることを90%の信頼度で示し、さらに2017年に2σ(95.4%)の信頼度まで高めています。今後、さらに実験を進め、3σ(99.7%)の信頼度で検証することを目指しています。

「ハドロン」とは素粒子・原子核物理の用語で「強い相互作用で結合した複合粒子」という意味です。

ビーム強度増強計画～インテンシティーフロンティアをめざして～
現在MRでは運転周期2.48秒でビーム強度500 kWを達成しています。運転周期を1.32秒にすることによって、所期設計強度750 kW、さらには 1MWを超えるビーム強度へ増強する計画を進めています。この計画では、新しい電磁石電源の開発、RF加速空洞の増強、コリメータの増強、入出射機器、ビームモニタ、制御系の開発・更新を進めています。
運転周期を短くするには、磁場の立ち上げ・立ち下げをより高速に行う必要があります。このことは、より大きな電力を発生する電磁石電源を必要とすることを意味しますが、電力会社から受電するピーク電力に制約があり従来の電源では実現することができませんでした。このためコンデンサバンクを用いることで、受電電力を平坦化する全く新しい方式の電源が開発されました。新電源では出力のリップルも低減され、取り出しビームの品質も向上することが期待されています。
加速時間を短くするには、より高い加速電圧が必要です。そのため加速空洞ユニットを増強します。また、より多くの粒子を加速するには空間電荷の抑制が必要になり、そのための2次高調波空洞が導入されます。

5mF コンデンサ
より速いサイクルで動く新電源システムのため新規開発された、(左)コンデンサバンクと(右)コンデンサユニットです。

1運転周期あたりのビームの粒子数 N [個]、エネルギーK [eV]、電気素量 e [C]、運転周期 T [s]の時、ビーム強度 P [W]はP=N×e×K÷Tで求まります。
2次高調波空洞が第２搬入棟で組み立てられています

J-PARCセンター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方２−４TEL 029-284-4578
http://j-parc.jp
高エネルギー加速器研究機構
日本原子力研究開発機構

発行：
大学共同利用機関法人
高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂１−１

TEL 029-864-1171
http://www.kek.jp
ver. 201908