2021.03 第 21号

■●

広報誌「FAS だより」第 21 号の発行に当って■賛助会員の皆様にはますますご清栄のこととお喜び申し上げます。
日頃より、当財団に対する格別のご協力をいただき、心より厚く御礼申し上げます。

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広報誌「FAS だより」も公益財団法人に移行してから第 21 号を発行することになりました。

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昨年は、コロナ禍のなかで止む無く事業を取り止めたり、オンラインによる会議等が普及した
ことにより十分な助成等ができませんでした。

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今号では、「J-PARC 加速器の現状と将来」、また「「HK 実験と J-PARC ニュートリノ実験施設」と題しお二人からご寄稿いただいております。
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また賛助会員の皆様で、広報誌「FAS だより」に投稿したい高エネルギー加速器に関する記事等がございましたら是非投稿ください。お待ちしております。
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当財団では、ホームページや広報誌「FAS だより」などで加速器科学に関する知識の普及啓発活動を行っておりますが、是非ご覧いただき、より良いものにするために皆様のご意見をお寄せください。
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賛助会員のバナー広告掲載について
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< 連絡先

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info@heas.jp 又はTEL/FAX029-879-0471>
公益財団法人 高エネルギー加速器科学研究奨励会
事務局

FAS だより

第 21 号

目次
2021 年 3 月

1．J-PARC 加速器の現状と将来................................................................................................................................. 1
佐藤健一郎（KEK 加速器研究施設）
2．HK 実験と J-PARC ニュートリノ実験施設 ......................................................................................................... 8
多田 将（KEK 素粒子原子核研究所／ J-PARC センター）
3．第 37 回高エネルギー加速器セミナー（OHOʼ 20）開催報告 ........................................................................ 13
小林幸則（KEK 加速器研究施設）
4．KEK 加速器科学インターンシップ報告 ........................................................................................................... 14加藤大典（福井大学工学部機械システム工学科原子力安全工学コース）
5．賛助会員一覧 ........................................................................................................................................................ 16
6．役員の変更 ............................................................................................................................................................ 17

し物質・生命科学の研究に使用する。中性子源

J-PARC 加速器の現状と将来の定格ビームパワーは 1 MW であるが、ビー
ム入射によって生じる水銀圧力波の伝搬・キャ

高エネルギー加速器研究機構

ビテーション生成に伴うターゲット容器へのダ

加速器研究施設

メージにより、現在受け入れビームパワーを下佐藤健一郎

げて運転している。ダメージを緩和するために

1. “複合実験施設”としての J-PARC

水銀流内へのヘリウムマイクロバブル注入等の対策を講じながら徐々にパワーを上げ、2020

大強度陽子加速器施設 J-PARC（Japan Proton

年度までに 600 kW を受け入れており、2021 年

Accelerator Research Complex）は茨城県・東海

度には 700 kW、2024 年度までに 1 MW の利用

村の日本原子力研究開発機構（JAEA）・原子力運転を予定している。また、将来計画として第科学研究所内、65 万平方メートルもの広大な2 ターゲットステーションの新設、ミューオン

敷地に設置され、高エネルギー加速器研究機構

ビームラインの整備、それに伴うリニアックお（KEK）と JAEA の共同で運用されている（図 1）。

よび RCS のビーム供給能力 1.5 MW への引き施 設 は 400 MeV 線 形 加 速 器（ リ ニ ア ッ ク ）、上げを検討している。

3 GeV シンクロトロン（RCS）及び 30 GeV 主

NU 施設では MR からの 30 GeV ビームを炭

リングシンクロトロン（MR）の 3 つの加速器

素ターゲットに照射しニュートリノビームを生施設と、物質・生命科学実験施設（MLF）、ニュー

成し、J-PARC から 295 km 先のスーパーカミオ

トリノ実験施設（NU）及びハドロン実験施設

カンデ（SK）施設でニュートリノを観測する（HD）の 3 つの実験施設で構成されており、加T2K 実験を実施している [1]。MR の設計定格速器を利用した核変換実験施設の検討も進めて

ビームパワーは 750 kW で現在約 515 kW で運いる。

用している。現在 MR では、検出器のイベン

MLF では RCS からの 3 GeV ビームを固体炭

ト収量の大幅な増加を目指しビーム供給能力を

素ターゲットと水銀ターゲット（中性子源）に1.3 MW まで引き上げる計画を進めている。ま照射し、ミューオンおよび中性子ビームを生成た検出能力を大幅に増強した次世代検出器であ図 1 J-PARC 施設全景

－1－

るハイパーカミオカンデ（HK）検出器建設の間の RF チョッパーシステムで間引き RCS に予算処置が 2019 年度より開始されている。

入射する。運転周期は RCS に合わせて 25 Hz

HD 施設では MR から遅い取り出し方式（SX）である。

で 30 GeV（COMET 実験では 8 GeV を利用）
ビー

2006 年に SDTL までの構成で、ビームエネ

ムを二次粒子生成用の固定金ターゲットに照射

ルギー 181 MeV、定格ピーク電流 30 mA で運し、生成した K 中間子やπ中間子等の二次粒転が開始された。その後 2014 年に ACS（図 3）

子を複数の実験エリアに輸送し様々な実験をを導入し、さらにイオン源および RFQ を更新行っている。今後、HD 実験ホールの大幅な拡し、2020 年 7 月までに RCS 出力換算 1 MW 相当、張が検討されている。現在の固定金ターゲット

定格ビーム電流 50 mA（イオン源電流 60 mA）

では熱的に 100 kW 以上のビーム供給は不可能を達成し入射器としての準備が整った。当初はであるため、より冷却能力の高い回転ターゲッ

1 か月周期でイオン源の交換を行っていたが、トの導入が検討されている。

運転実績を積み重ねることにより交換周期を

このように J-PARC では二次粒子を利用し、徐々に伸ばし、現在ではおおむね 3 か月周期で物質生命科学の研究から原子核・素粒子、ニューの交換を実施し、効率的な運用を実現している。

トリノ実験まで多種多様な実験が進められてお現在は MLF 中性子源からの制限で、RCS 出力り、実験施設の将来計画が検討・推進されてい換算 600 kW 相当に合わせて、マクロパルス幅る。加速施設においても 2008 年の MR 運転開を定格値 0.5 ms に対して 0.32 ms と短くして運始で全施設の運用が開始されてから 12 年を経転している。

て、各実験施設からの新たな要求をもとに出力

リニアックでは、将来の J-PARC のビーム増増強に向けた計画が進んでいる。以降では加速強に備えて、ビーム電流を 60 mA、マクロパル

器施設の現状とともに将来計画について説明す

ス幅を 0.6 ms に増強する可能性を探っている。

る。

実機を用いた 60 mA ビームスタディー、テス
トスタンドや計算機シミュレーションによって

2.

加速器施設の現状と将来計画

主要機器の問題点・課題の洗い出し、要素技術の開発を進めている。

2.1.

リニアック

リニアックは全長 250 m であり、地下 10 mのトンネルに設置されている。イオン源で生成される 50 keV 負水素イオンを、高周波四重極
リニアック（Radio Frequency Quadrupole: RFQ）
1 台で 3 MeV、ドリフトチューブリニアック（Drift Tube Linac: DTL）3 台 で 50 MeV、 機 能
分離型ドリフトチューブリニアック（Separatedtype DTL: SDTL）16 台 で 191 MeV、 環 結 合型 リ ニ ア ッ ク（Annular-ring Coupled Structure
Linac: ACS）21 台で 400 MeV と段階的に加速
し RCS に入射する（図 2）。リニアックを駆動する高周波源には、RFQ から SDTL までが 324
MHz、ACS が 972 MHz のクライストロンを使用している。マクロパルス（Macro pulse）を
RCS の加速 RF 周波数に合わせて RFQ － DTL

図 2 リニアックの加速器構成とビームバンチ構造－2－

2014 年リニアックへの ACS 導入により入射ビー
ムはエネルギー 400 MeV、ピーク電流 50 mAと当初の設計値へと引き上げられ、順調に出力を増強し現在の出力は 600 kW である（図 5）。
さらに利用運転の合間に 1 MW ビーム試験を実施し、0.2% 程度という極めて少ないビーム
ロスで、2 日間の 25 Hz 連続運転を実現している。RCS における大強度陽子ビームのビーム
力学的研究とビームロスの低減に関して、当時の RCS のビーム調整リーダーであった JAEA

図 3 2014 年に導入した ACS 加速空洞研究主幹（現 KEK 教授）發知英明氏に平成 30
年度の西川賞が贈られている [2]。
2.2.

RCS

ビ ー ム 力 学 の 観 点 か ら は MLF へ の 1 MW

リニアックで加速された 400 MeV 負水素ビー

ビーム供給はすでに実現可能であると言える

ムは周長 348 m の RCS に入射される（図 4）。

が、年間を通して安定的に供給するとなると冷負水素は入射点に設置した炭素膜によって 2 電

却水の冷却能力不足が露呈しており、困難な子を剥ぎ取られて陽子に変換され、最長 0.5 ms

状況にある。ビームロス低減化の観点から RF

間多重入射される（荷電変換入射）。RCS では

加速装置の加速電圧増強、2 倍高調波の導入を

ハーモニック数 h=2 の 2 バンチ運転であり、陽行っており、また周回ビームによる影響（ビー

子は約 20 ms で光速の 97 % に達する 3 GeV に

ムローディング）もあるため、電力使用量、発まで加速される。その後、MR 運転周期に依存

熱が当初の想定より大きくなっているためであするが、最大でおよそ 97% の粒子は MLF へ、る。このため特に外気温が高くなる夏場に冷却残りの粒子は MR に出射される。RCS の運転

水温度の制限値を超過してしまい運転できなく

周期は 25 Hz である。

なる事態になる。冷却能力の増強を検討してい2008 年 12 月の運転開始時の入射エネルギー

るが、完成するまでの間、夏場にはビーム出力

は 181 MeV で RCS 出力はわずか 4 kW 程度でを抑えた運転が議論されており、MLF 中性子

あった。その後 2011 年の東日本大震災による源の増強計画と歩調を合わせた運転を計画して中断があったが徐々に出力を引き上げていった。

いる。

図 4 RCS の機器配置図

図 5 RCS 出力の推移－3－

RCS で も リ ニ ア ッ ク 同 様、 将 来 の MLF 第

ナンスの観点から妥当なレベルに抑えられてい2 ターゲットステーション設置に向け 1.5 MWる。FX 取り出し時における FX セプタム近傍

ビーム加速を検討しており、大強度ビームに適のロスは、ビーム取り出し機器であるセプタム

した RF 加速システム、キッカー電磁石のイン電磁石近傍に設置されている 4 極電磁石の垂直ピーダンス低減、パルス電源への高速半導体ス

アパーチャー不足によるもので、将来アパー

イッチの利用など各種要素技術開発を行っていチャーを広げて対処する予定である。
SX 運転では現在ビーム強度 6.5 × 1013 ppp

る。

（proton per pulse）、5.2 s 周期運転で 60 kW の定
2.3.

MR

常運転を達成している（図 9）。達成時の取り周長 1568 m の MR は図 6 に示すように RCS

出し効率は極めて高く約 99.5% である。HD 施と同様 3 回対称形状である。MR のハーモニッ

設では現在固定金ターゲットを使用しており、

ク 数 は h=9 で、RCS か ら 25 Hz で 連 続 し て 4

照射ビームパワーに対する健全性を確認しなが発計 8 バンチが入射され、入射後 1.4 s かけてら徐々にパワーを増強している。

光速の 99.95% 相当 30 GeV にまで加速される。

図 10 に MR のアップグレードプランを示して

MR では 2 種類の取り出し方式で NU 施設およいる。MR では運転周期を短縮してビーム供給

び HD 施設にビームを供給する。

能力を 1.3 MW へと引き上げる予定である [3]。

NU 施設には、8 バンチビームを高速キッカー

1.3 MW 時の想定入射ビーム強度は RCS 出力換

電磁石でそのままリング内側に蹴り出し NU 施設に供給する（Fast extraction: FX 運転）。この
運転周期は現在 2.48 s である。他方 HD 施設には、30 GeV 到達後リング内でデバンチさせ（ビーム時間構造を平坦にする）、静電セプタム
等のビーム取り出し機器で 2 s 程度かけてゆっ
く り HD 施 設 に 取 り 出 す（Slow extraction: SX
運転）。この運転周期は現在 5.2 s である。図 7は 2008 年以降の MR 出力の推移を示している。
FX 運 転 で は 順 調 に ビ ー ム 出 力 を 増 強 し、2020 年 3 月に 515 kW の安定供給を達成してい る。515 kW を 供 給 し た 際 の Direct-current

図 6 MR の機器配置図と NU および HD 施設の位置関係

current transformer（DCCT）で測定したビーム
強度、および Beam loss monitor（BLM）で観測した MR 全周のビームロス分布を図 8 に示している。入射時および加速開始のタイミングで若干のビームロスが発生しているが、その大部分はコリメータ近傍で発生している。コリメー
タ機器はビームコア外縁部（65 π mm mrad 以上の粒子）の粒子を金属ブロックに当て計画的にロスさせることによりビームロスを局在化させ、その他のエリアへの影響を低減させる。コリメータによる局在化は正常に働いており、コリメータ部以外の残留線量は機器メンテ

図 7 MR 出力の推移－4－

図 8 MR FX 運転時のビーム強度、 磁場パターンとビー

図 9 MR SX 運転時のビーム強度、 磁場パターンとビー

ムロス分布。 BLM number=213 － 216、 1 － 20 のム ロ ス 分 布。 BLM number=213 － 216、 1 － 20、検出器の増幅度はその他のものと比べて 1/8 に調

69 － 92 の検出器の増幅度はその他のものと比べ整している。

て 1/8 に調整している。

図 10 MR のアップグレードプラン－5－

算で 1 MW であり、上流加速器施設ではすでに達成可能なレベルにある。
運転周期の短縮には電磁石電源の高繰り返し
化、RF 加速機器の増設（加速 RF および 2 倍
高調波 RF）が必要であり、MR 加速器グルー
プでは運転周期短縮のために様々な検討、要素技術開発を行ってきた。
インダクタンス負荷の電磁石を高繰り返しで電流励起すると電圧変動が激しくなり電力系統を大きくゆらしてしまう。現行の電源システム
では運転周期短縮が難しいため、大型のコンデンサーバンクを利用した電圧変動を抑えた電源
システムが開発されてきた（図 11）。
MR ではこの新電源の導入のため 2021 年 7
月から約 1 年の長期メンテナンス期間に入る。
この停止期間中にコリメータ機器を増設し、許容ビームロスパワーは現在の 2 kW から 3.5 kWへと増強される。また、
入・出射機器のキッカー
図 11 新規開発された電源システム

電磁石、セプタム電磁石システムも運転周期の短縮に合わせてアップグレードが進められる。
2022 年からは周期を 1.32 s に短縮し早期に当初目標の 750 kW を達成する予定である。同時に RF 加速装置のアップグレードを進め、徐々に加速ビーム強度を増強し、周期をさらに 1.16
s に短縮することで 2028 年に 1.3 MW を達成する計画である。
SX 運転においても電磁石新電源および RF
加速装置の増設に伴い、2022 年より運転周期
を 4.2 s に 向 け て 短 縮 し、 ま た ビ ー ム 強 度 を
7.0 × 1013 ppp に増強することで 80 kW でのビーム供給を目指している。さらにデバンチ時に起こるビームの不安定化を抑制するための VHF

図 12 開 発中の BPM 用入力インピーダンス調整機能付
き低歪信号アテネータ回路

空洞の導入、微小散乱体である Diﬀuser によるビーム小角度散乱および Si 結晶のチャネリン
グ効果を利用したビーム粒子偏向により SX 時のビームロスを低減させ、2026 年以降 95 kWの供給を目指している。
ビームモニタ、インターロック、制御機器などの周辺機器も運用開始から 12 年を経ているため、MR 出力増強プランに対する新たな仕様をもとに機器の更新を行う。特にビーム位－6－置検出器（BPM）装置には、大強度ビーム調

参考資料

整のために詳細なビーム位置測定が求められ[1] 本巻掲載の多田氏の記事ている。BPM の信号処理装置は、低歪で高精[2] FAS だより 2019.06 第 18 号 .

度なアナログ・デジタル変換と FPGA（Field[3] Susumu Igarashi et. al., “Accelerator Design for

Programable Gate Array）を用いた高速信号処理

1.3 MW Beam Power Operation of the J-PARCを行う新システムへと、今後数年をかけて更新

Main Ring”, Prog. Theor. Exp. Phys., Vol. 2021,

する予定である。図 12 は開発中の低歪のフロ

Issue 2, Feb. 2021 (to be published).

ントエンドアテネータ回路である。
3.

まとめ
J-PARC ではすべての加速器・実験施設が稼働を始めてから 13 年目を迎える。MLF では
第 2 ターゲットステーションの検討が進んでおり、リニアックおよび RCS ではビーム供給能
力を RCS 出力換算 1.5 MW、設計時定格の 1.5倍に引き上げる検討が進んでいる。MR では運転周期を縮めることにより設計時定格 750 kW から 1.3 MW へと引き上げる計画が進んでおり、
ニュートリノ検出器は SK から HK へと検出能力が引き上げられる予定である。また、HD 施
設へは 100 kW 超供給の実現と HD 実験ホールの拡張が検討されている。
J-PARC は複合実験施設としての研究分野の多様性から、国内外問わず、様々な分野の研究者に利用されており、さらに今後拡張される実験施設によって工業や医療、基礎物理へのさらなる貢献を果たそうとしている。加速器施設では将来に向け様々な機器のアップグレードの検討・開発が進められている。またその達成のた
め、最先端要素技術の研究・開発を推進しており、大強度陽子加速器科学の世界的な研究拠点の一つとして主導的な役割を果たしている。
4.

謝辞
本稿執筆にあたり、JAEA の小栗英知氏、山本風海氏にはリニアックと RCS 施設の現状と将来計画について伺い、貴重な資料を提供いた
だきました。ここに深く感謝いたします。

－7－

HK 実験とJ-PARC ニュートリノ
実験施設

1.1.

実験の目的

最高のニュートリノ検出器であるが、それを更に大型化した新世代の水チェレンコフ・ニュー
トリノ検出器が HK である。有効質量で言う素粒子原子核研究所／ J-PARC センター田

HK とニュートリノ振動実験

完成から四半世紀経った今でも、SK は世界

高エネルギー加速器研究機構

多1.

と、SK の 22,500 t に対して、HK は 190,000 t と、将

10 倍の規模である。この感度が 1 桁高い検出器によって、これまで発見出来なかった物理現象

ニュートリノが時間と共にその種類を変えるの発見を目指し、ニュートリノ物理学、延いてニュートリノ振動理論は、1962 年に提唱されは素粒子物理学の更なる進歩を目指している。

たが、それが実際の現象として捕らえられたのHK で行われる実験には、大統一理論の検証

は、1990 年代後半のスーパーカミオカンデ（以に繋がる陽子崩壊の観測や、宇宙からのニュー

下、SK）における大気ニュートリノの観測でトリノの観測によるニュートリノ天文学など、ある。その後、人工的に生成したニュートリノ

重要な実験があるが、本稿で特に取り上げたいを用い、このニュートリノ振動現象をより詳のはやはりニュートリノ振動実験である。これ

細に調べる実験が行われた。最初は筑波の高までの実験によって、ニュートリノの混合角やエネルギー加速器研究機構（以下、KEK）内質量の自乗差などは測定されたが、質量の順番でニュートリノを生成し SK へと撃ち込む K2K

やそれぞれの質量そのものは未解明のままであ

実験（1999 ~ 2004 年）が行われ、ミューニュー

る。その解明に大きく近づくと期待されている

トリノの消失を基にニュートリノ振動を研究のが、この HK 実験である。そして、もうひとしたが、2010 年からは KEK と日本原子力研究

つの重要な研究テーマは、物質の起源に関わる開発機構と共同で建設された J-PARC でニューCP 対称性の破れを、ニュートリノ振動に対しトリノを生成し SK へと撃ち込む T2K 実験へて発見することである。これは、現在の T2Kと移行し、現在に至っている。T2K 実験では、実験に於いてもその兆候が見られており、HK生成したミューニュートリノの消失に加え、そが稼働し、それに合わせて J-PARC 側でもビーれが変化した電子ニュートリノを捕らえること

ム強度が上がった暁には、その発見が射程内にも世界で初めて成功しており（初事象は 2010

入ることが期待されている。

年 5 月）、より詳細なニュートリノ振動の研究
1.2.

を実現している。

実験の方法

そ し て、2020 年 よ り、SK の 近 傍 に よ り 大

こ の 実 験 で は、 茨 城 県 の 東 海 村 に あ る型の新型検出器ハイパーカミオカンデ（以下、J-PARC でミューニュートリノを人工的に生成HK）の建設が開始され、これと J-PARC とでし、それを 295 km 離れた岐阜県の神岡町にあ新世代のニュートリノ振動実験が行われることる SK と HK に撃ち込み、その変化を調べるとなった（2027 年の実験開始を目指している）。

ことにある。この飛行の間（時間にして 1 ms）

本稿では、この HK 実験に関わる実験施設のうにミューニュートリノの一部は電子ニュートリ

ち、J-PARC 側の施設について解説する。

ノとタウニュートリノに変化するが、SK/HK
で観測されるのは、電子ニュートリノと変化しなかったミューニュートリノだけである。この変化の様子を調べることで、ニュートリノ振動－8－に関わる様々な物理量を調べることが出来る。

て軌道と形状を整えられ、超伝導電磁石へと送

また、J-PARC では、ミューニュートリノだけられる。超伝導電磁石は 1 台で偏向と収束を兼でなく、後述する方法で反ミューニュートリノ

ねたもので、これを 28 台使ってビーム軌道をも SK/HK に撃ち込むことが出来るので、ミュー

90 度変える。その後、10 台の常伝導電磁石にニュートリノが電子ニュートリノに変化する様

よって再び整えられた後、標的に撃ち込まれる。

子も、反ミューニュートリノが反電子ニュート

このとき、常伝導電磁石は、陽子ビームを水平リノに変化する様子も、どちらも調べることがから 3.64 度の角度で下向きに振り下ろす役割出来る。そして、このことが、我々の実験の最も担う。これは、295 km という SK/HK までの大の目標である CP 対称性の破れを調べる際の距離が、地球の丸さが影響するほどであるため、肝となる。

下向きに撃たねばならないのと、ニュートリノ
のビーム軸を SK/HK の方向より 2.5 度だけず

2.

J-PARC ニュートリノビームライン

らすためである。ニュートリノビームには角度によるエネルギー分布があり、中心軸上が最大

2.1.

概要

の 1 GeV だが、295 km の距離でニュートリノ

J-PARC は 3 段の加速器（Linac、RCS、Main

振動の効果が最大限表われるのは軸から 2.5 度Ring）と、3 つの実験施設（ニュートリノ実験

ずれた位置（エネルギー 0.6 GeV）であり、ま施設、ハドロン実験施設、物質・生命科学実験

たこの角度でのエネルギー分布は中心軸に比べ施設）から成る。本稿で取り扱うニュートリてずっとシャープである。そのため、ニュートノ振動実験は、このうちニュートリノ実験施

リノビームの軸を SK/HK 方向から 2.5 度ずら設で行われる。同施設では、Main Ring（以下、して撃つ。尚、ビーム軸は、SK と HK の中間

MR）で 30 GeV まで加速された陽子を標的にを通っており、そのどちらから見ても 2.5 度傾

撃ち込み、ニュートリノを生成し、それを 295

くように設定されているので、ビームラインはkm 離れた神岡まで飛ばす。

そのままでよい。

ニュートリノ実験施設は、大きく分けて 3 つ

1 次ビームラインには、陽子ビームのモニの部分から成る。先ず、MR から受け取った陽ターも設置されている。電流モニター 5 台、ポ子を神岡の方向に向ける 1 次ビームライン。次ジションモニター 21 台、
プロファイルモニターに、陽子を標的に撃ち込み、ニュートリノを生

19 台（加えて 2 次ビームラインのターゲット

成する 2 次ビームライン。そして、神岡に向け直前に 1 台）、ロスモニター 50 台である。これて飛ばす前に、ニュートリノの状態を調べる

らから得られるデータによってビーム軌道の制

ニュートリノモニター（前置検出器）である。

御が行われる。

加速器については佐藤氏が本誌別稿で述べら
2.3.

れているので、本稿ではニュートリノ実験施設

2 次ビームライン

ニュートリノ生成の原理は以下の通りであについて述べる。

る。陽子が標的に衝突すると様々な粒子が生成
2.2.

1 次ビームライン

されるが、その中のパイ中間子は、短寿命でMR からニュートリノビームラインへのビー

ミューオンとミューニュートリノに崩壊する。

ムの取り出しは、北方向を向いている。一方、

このとき、ミューニュートリノに崩壊するπ+ と、

J-PARC から見て SK/HK は西方向である。その反ミューニュートリノに崩壊するπ– とが同時ため、1 次ビームラインには、ビームを 90 度に生成される。標的近傍に電磁ホーンと呼ばれ曲げる役割がある。先ず、MR から取り出されるトロイダル形の電磁石を適切に設置すると、た陽子ビームは、11 台の常伝導電磁石によっその磁場によってπ+ 若しくはπ– が前方（神岡－9－方向）に向かって収束される。どちらを収束さ

オンモニターが設置されており、陽子ビームモせるかは、磁場の向き、即ち、電磁ホーンに流ニターと合わせ、実験中にビームが目的の方向

す電流の向きによって選択出来る。このようにに向いていることを担保している。

して、電磁ホーンに流す電流の向きを切り替え2.4.

るだけで、SK/HK にミューニュートリノを飛ニュートリノモニター

ばすか、反ミューニュートリノを飛ばすかを切標的から 284 m 離れた位置に、ニュートリノ

り替えられる。標的は直径 26 mm 長さ 900 mm

モニター棟と呼ばれる建屋（深さ 34 m の竪穴）の黒鉛で、電磁ホーンはアルミニウム合金で、があり、この中に複数のニュートリノ検出器がそれぞれ出来ており、電磁ホーンは標的直下流設置されている。それらは、ビーム軸上にあるに 3 台直列で配置されている。

オンアクシス検出器と、SK 方向（つまりビー

標的と電磁ホーンの下流側に、パイ中間子

ム軸から 2.5 度オフセットした方向）にあるオが崩壊するための崩壊領域（Decay Volume）がフアクシス検出器とに分けられる。オンアクシ

100 m ほど続き、その下流端部に、ニュートリ

ス検出器は、シンチレーターを用いた INGRID

ノとミューオン以外の粒子（主に未反応の陽子）検出器で、実験中のニュートリノビームの安定を吸収するためのビームダンプがある。標的、性を測定している。オフアクシス検出器は、主電磁ホーン、ビームダンプのコアなどは、崩壊にシンチレーターを用いた複数の検出器の集合

3

領域と一体になった総容積 1,500 m の気密容体で、これらには巨大な電磁石を用いて磁場が器の中に収められ、その容器は大気圧とほぼ同、かけられている。検出器は、π0 検出器（P0D）

じ圧力のヘリウムで満たされる（Fig.1）。この内、

タイムプロジェクションチャンバー（TPC）、

特に標的と電磁ホーンが入った箇所をヘリウム

シンチレイタートラッカー（FGD）、
カロリメー

容器と呼ぶ。ヘリウム容器の最上流部、1 次ビー
ムラインとの間は、厚さ 0.3 mm の 2 枚のチタン膜から成るビーム窓によって仕切られている。
ターゲットとビーム窓は、ヘリウムによって冷却される。また、ヘリウム容器／崩壊領域内のヘリウムも循環させており、これには電磁ホーンに電流を供給するバスバーを冷却する目的もある。これら 3 つのヘリウム循環系統のために、3 つの独立したヘリウムコンプレッサーと循環システムがある。
電磁ホーン、ヘリウム容器／崩壊領域、その内部の遮蔽体、ビームダンプなどは、水によって冷却される。電磁ホーンとそれ以外の冷却水
系統は分けられて、それぞれ独立した冷却水シ
ステムとなっている。電磁ホーン以外の冷却水システム（「鉄管系冷却水」と呼ぶ）は、更に、崩壊領域の中間地点で、上流側（標的／電磁ホーン側）と、下流側（ビームダンプ側）に分けられている。
また、ビームダンプの下流に、ニュートリノ
と同時に生成するミューオンを測定するミュー

Fig. 1 J-PARC ニュートリノビームライン－ 10 －ター（ECAL）、ミューオン飛程検出器（SMRD）

3.3.

から構成されている。

陽子ビームモニター

陽子ビームモニターの内、プロファイルモニ
ターだけは、フォイルに直接ビームを当てる方

3.

ニュートリノビームラインの大強度化式を使っている。そのため、ビーム強度が大幅に上がると、そこでのビームロスが大きくなる。

3.1.

1.3 MW 運転に向けてそこで、よりビームロスの少ない 2 種類の新型

本稿執筆時点で、MR のビーム強度は 500 kW

モニターを開発している。ひとつはフォイルのである。HK 実験でライヴァルに打ち勝って目代わりにワイヤーを使ったモニター（WSEM）

的の成果を上げるために、我々はこの強度を 1.3

で、もうひとつはガスを用いたモニター（BIF）

MW まで上げることを計画している。MR 側のである。現在、これらの試作機を現行のビーム

改良については別稿の通りであるが、本稿では、ラインに組み込んで試験を行っている。

その大強度ビーム運転に向けた、ニュートリノ
3.4.

実験施設側の改良について述べる。

標的

1.3 MW 運転に際して、MR 側では、1 パル

1.3 MW 運転に於いて標的にかかる負荷は、

ス当たりの陽子数を増やすことに加え、1 パル

熱衝撃と熱負荷であるが、前者は現設計でも耐スの繰り返し周期を半分にすることになっていえ得るため、改良は、冷却システム除熱能力のる。そのため、ニュートリノ実験施設側でも、向上が主たるものとなる。冷却用ヘリウムの質

ビーム強度の上昇に対応するだけでなく、繰り量流量を増やすため、その圧力を 0.5 MPa まで

返し時間が短くなることにも対応しなければな上げる。標的本体は従来の設計でよいが、ヘリらない。それぞれの機器ごとに、ビーム強度

ウムの流路となる標的容器を高耐圧のものに設（それに応じて発生する熱など）と繰り返し時計変更する。また、ヘリウムコンプレッサーを間のどちらが制限になるのかが異なり、それに高圧・大容量のものに変え、熱交換器なども除応じた改良をしなければならない。それぞれ 1.3

熱量に対応した新型に変える。それに伴い配管

MW 運転に対応させるための改良がどのよう系統も一新する。

なものかを、以下に述べる。
3.5.
3.2.

電磁石

3.5.1.

電磁ホーン
電磁ホーン本体とバスバー

ビーム強度が上がっても、陽子のエネルギー

電磁ホーン本体並びに冷却水システムは、2は 30 GeV のままなので、基本的に 1 次ビーム

MW の熱負荷に耐え得るように設計されていラインの電磁石については変更する必要はな

るため、設計変更は必要ない。但し、3 台のうい。ビーム形状の変化にも、電磁石の電流パラ

ち中央の 1 台（第 2 電磁ホーン）のフランジ並

メーターを変えることで対応出来る。但し、最びに電流を供給するバスバー（ヘリウム冷却式）

下流部の常伝導電磁石（ビームを振り下げる電にだけは、従来設計の許容値以上の熱負荷がか

磁石のひとつ）は、その下流端からビーム窓まかるので、これを水冷式とする。その新型水での間の区間（陽子ビームモニターや真空機器

冷式バスバー／フランジは、既に新規第 2 電磁が設置されている）の改良に必要な空間を確保

ホーンに組み込まれて試験が行われており、大するため、より短い電磁石に置き換えることに強度ビーム運転前に現行機と入れ替えられて稼なっている。これは標的からの高い放射線に対働することになっている。

処するための改良なので、大強度ビーム運転化

3.5.2.

の一環である。

電源

電磁ホーン電源は、標的にビームが撃ち込まれた瞬間だけ電磁ホーンに電流を流すパルス電－ 11 －

源である。そのため、大強度ビーム運転の際にである（従来型の TPC と FGD はそのまま一緒は、その繰り返し周期の短縮が問題になる。現に稼働させる）。現在、それらの開発を行って在の配置では、2 台の電源で 3 台の電磁ホーン

おり、2022 年秋の稼働を目指している。

（第 1 電磁ホーンと、第 2・3 電磁ホーン）を駆3.9.

動しているが、そのままで周期を半分にすると中間検出器

電源の負荷が大きくなるため、電源を更に 1 台

HK 実験では、従来のニュートリノモニター

増やし、1 台の電源で 1 台の電磁ホーンを駆動に加え、その下流数 km 以内に、新たにもうひさせる配置にする。また、この新型配置では、

とつのニュートリノ検出器を設置することを

電流を 250 kA から 320 kA にまで増やして運転

計画している。これは SK/HK と同じ水チェレ

することが出来、その場合には、同じビーム強ン コ フ 検 出 器 で、Intermediate Water Cerenkov

度で SK/HK で捕らえられるニュートリノの数

Detector（IWCD）と呼んでいる。現在、設置が 10 % 増える。

場所の選定や基本設計などを進めている。

3.6.

4.

鉄管系冷却水結語

ヘリウム容器、崩壊領域、遮蔽体、ビームダ

こ れ ら の 改 良 は、2020 年 か ら 2026 年 頃 にンプ等は、交換や改造が出来ないため、もとも亘って行う計画であり、HK が完成して稼働すと、4 MW のビーム運転にも耐えられるよう、る 2027 年には、
我々 J-PARC 側も 1.3 MW のビー

冷却配管を多めに配置している。そのため、そム強度で運転することを目指している。本稿執こに流す冷却水の流量を増やすだけで 1.3 MW

筆 時 点 で T2K 実 験 は 3.6 × 1021 POT（Protons

運転に対応出来る。そこで、冷却水システムのon Target）の累積陽子数で 108 個の電子ニュー

うち、ポンプと熱交換器を大容量のものに置きトリノと 16 個の反電子ニュートリノの出現を換え、冷却塔とチラーを追加することが、大強SK で捕らえ、それによって CP 対称性の破れ

度化に向けての改良点となる。

の兆候を掴んだ。
今後、ビーム強度を上げたビー
ムラインによって、SK を用いた T2K 実験では

3.7.

排水システム更に 2 × 1022 POT の陽子数で 500 個程度の電ビーム運転によって、冷却水中には様々な放子ニュートリノと 100 個程度の反電子ニュー

射性同位体が生じるが、そのうち、トリチウム

トリノを、そして HK 実験では 2.7 × 1022 POT

だけはイオン交換樹脂によって取り除くことがの陽子数で 1,600 個程度の電子ニュートリノと出来ず、希釈して排水するしかない。そこで、

1,200 個程度の反電子ニュートリノを、それぞ希釈のためのタンクを有した排水設備が必要でれ捕らえることを目標にしている。
これにより、あるが、現行の排水設備では、1.3 MW 運転時

5 σ以上の感度で CP 対称性の破れを発見出来には不充分である。そのため、排水設備のあるると期待している。

建屋を増築した上、充分な容量を持つ希釈タン

これまで、K2K 実験や T2K 実験は、先人たクを増設する必要がある。そのための増築・増ちの偉大な業績と、我々 J-PARC ／ KEK ／東設工事は現在進行中で、2021 年度中に完成す

京大学宇宙線研究所／ T2K グループの全てのる予定である。

関係者の弛まぬ努力とによって、常に熾烈な国際競争に勝ち抜き、世界をリードする成果を挙

3.8.

ニュートリノモニター

げてきた。HK という先進的な新型検出器と、

これまでの TPC と FGD の性能を向上させた、

J-PARC の大強度化によって、次なる実験でもHigh-Angle TPC、Super FGD、Time-of-Flight

世界をリードし続け、そして、人類社会に貢献

counter の 3 つの検出器を新たに設置する予定

し続けたい。
－ 12 －

,第 37 回 高エネルギー加速器セミナー（OHO 20）開催報告
高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設

小林幸則

高エネルギー加速器セミナー（OHO セミナー）は、1984 年以来将来の高エネルギー加速器をになう若手研究者の育成と、一般企業の研究者の加速器科学への理解を深めることを目的として、毎年開催されています。日本の加速器科学分野の第一線で活躍中の各分野の専門家が、その年のテーマ毎に最先端の加速器科学を基礎から講義しています。
今年は、9 月 8 日～ 11 日までの 4 日間にわたり「ビーム診断の基礎」と題して、開催されました。企業、研究所、技術者、大学などの研究者、大学院生、大学生などから参加申し込みがありましたが、今回はオンラインによるリモート方式での開催という事もあり、例年に比べて約 2 倍となる 170 名もの方が全国から参加しました。
COVID-19 感染症対策ガイドラインに従い、オンラインによるリモート形式での開催という初めての試みでしたが、通信トラブルを含め大きな問題もなく無事に終了する事が出来ました。
最終日まで活気ある講義が展開され「とても良いセミナーでした」と連絡を下さる方がいらっしゃいました。オンラインによるアンケートでも参加された方から大変好意的なご意見や、来年以降の前向きなリクエストなどをいただきました。
本講義で使用されたテキストは以下のリンクよりご覧いただけます。
http://accwww2.kek.jp/oho/oho20/poster.html－ 13 －

令和 2 年 11 月 30 日

KEK 加速器科学インターンシップ報告書
加藤 大典＊１
指導教員 諏訪田 剛 教授＊２
＊１
福井大学工学部機械システム工学科原子力安全工学コース＊２
高エネルギー加速器研究機構 KEK■ 実習内容●KEK 加速器施設の見学◆

 EK 内の世界最先端の研究施設を数多く見学させていただきました。その中でも特に印象Kに残ったのが超伝導加速器の加速空洞であり、空洞内の液体ヘリウムの回収や加速原理など自分の知らなかった様々なことを学ぶことができたため、とても有意義な時間が過ごせ
ました。

●
◆

周波数特性とビーム位置特性の計測
この実験ではテストベンチや実機であるリニアックの電子ビームで壁電流モニタを用いる
ことにより得られる周波数の特性とビーム位置の測定を行った。

●

本実験の目的として、以下の３項目があげられる。
１．周波数特性を調べる。
２．壁電流モニタでビーム位置が正確にわかるのかを調べる。
３．ビーム位置だけでなく電流強度も図れるのかを調べる。
－ 14 －

■ 実験結果◆

テストベンチにおいて行ったパルス幅および周波数を変化させたときの出力応答を下図に示す。

この結果からパルス幅と周波数は対照的なカーブを描く結果が得ることができ、これは原理道理の結果が得られたといえる。

また、上図にリニアック実機およびテストベンチにおけるビーム位置モニタの測定結果を示す。縦軸は出力電圧の変化を規格化したもので横軸はモニタを垂直方向に変化させたときの値を示している。この結果から周波数が高ければ高いほど出力変化は大きく、パル
ス幅が短ければ短いほど出力変化が大きいことが分かった。これもコイルを含む壁電流モ
ニタ内の回路に流れる原理と一致することが分かった。

■ 感想◆

 この度、KEK の加速器科学インターンシップに初めて参加させていただいて、普段大学の講義や実験では得られることのできない多くの教養を身につけさせていただきました。
自分の所属している大学には加速器の講義や研究室もないため、全てが初めての経験でとても有意義な時間を過ごさせていただきました。今後、大学院に進学し、大学院では加速器の研究を本格的に始めていくため今回の実習で学んだことを大学院の研究に少しでも生かすことができたらと思います。
また、自分は将来博士号を習得したいと考えているためこのような研究機関で将来的には働くことができたらと、今後のビジョンも明確になりました。諏訪田先生をはじめとする沢山の方にフォローしていただき大変感謝しております。短い間でしたが誠にありがとうございました。

－ 15 －

（公財）高エネルギ－加速器科学研究奨励会賛助会員一覧
2021 年 3 月 1 日現在

会

員

名

会

員

1

エーザイ（株）31

日本高周波（株）

2

S.P. エンジニアリング（株）

32

日本電磁工業（株）

名

3 （株）大阪真空機器製作所

33 （株）野村鍍金4

34

浜松ホトニクス（株）

5 （株）関電工

35

日立金属（株）6

金属技研（株）

36 （株）日立製作所

7

工藤電機（株）37

ＶＡＴ（株）

8 （株）ケーバック

38

富士通（株）

9

小池酸素工業（株）

39

武州ガス（株）10

神津精機（株）40 （有）双葉工業

11

コカ・コーライーストジャパン（株）

41 （株）マイテック

川崎設備工業（株）

12 （株）ジェック東理社

42 （株）前川製作所

13

秀和電気（株）43

三菱重工機械システム（株）

14

日本製鉄（株）44

三菱電機（株）15

セイコー・イージーアンドジー（株）

45

三菱電機システムサービス（株）

16

大陽日酸（株）

17 （株）多摩川電子
18ツジ電子（株）

19 （株）電研精機研究所
20

東京ニュークリア・サービス（株）

21

東芝エネルギーシステムズ（株）

22

キヤノン電子管デバイス（株）

23 （株）トヤマ
24

豊田通商（株）25

長瀬ランダウア（株）

26

ニチコン（株）27

ニチコン草津（株）

28

日新パルス電子（株）

29 （株）日本アクシス
30 （株）NAT－ 16 －

役員（理事）の変更について
上坂理事の辞任に伴い、長谷川和男氏が昨年 12 月に開催された評議員会において後任の理事として選任されました。
長谷川和男理事

量子科学技術研究開発機構 六ケ所核融合研究所
核融合炉材料研究開発部次長
 任期は選任された日から 2020 年度の最終のものに関する定時評議員会の終結の時まで（2021 年 5 月中旬予定）までとなります。

役員（理事）名簿
役

職

代表理事

氏

名

たか さき

ふみひこ

髙 﨑 史彦高エネルギー加速器研究機構

名誉教授

か み や

ゆき ひで

高エネルギー加速器研究機構

理事

かつひこ

浅野技術士事務所代表

業務執行理事

神谷

理 事

浅野

理 事

長谷川

理 事

杉山

理 事

幅

任期

2021 年 1 月 27 日現在

幸秀

あ さ の

克彦

は せ が わ

すぎやま

はば

所

か ず お

和男
じゅん

純

属

量子科学技術研究開発機構 六ヶ所核融合研究所
核融合炉材料研究開発部次長（一財）総合科学研究機構 中性子科学センター
サイエンス・コーディネーター

じゅんじ

高エネルギー加速器研究機構

淳二

理事

平成 30 年度（2018 年度）の最終のものに関する定時評議員会の終結時（令和元年（2019 年）年 5 月 14 日）から令和 2 年度（2020 年度）の最終のものに関する定時評議員会の終結の時（令和 3 年（2021 年）5 月中旬）までとする。

役員（監事）名簿
役

職

氏
き む ら

監

事

木村

監

事

古屋

※１
※２

ふ る や

名

所

よし たか

嘉孝

属

※1

高エネルギ－加速器研究機構 顧問※2高エネルギー加速器研究機構

たかあき

貴章

2021 年 1 月 27 日現在

任期

名誉教授

平成 30 年度の最終のものに関する定時評議員会の終結時（2019 年 5 月 14 日）から
2022 年度の最終のものに関する定時評議員会の終結の時（2023 年 5 月中旬）までとする。
任期 2019 年度の最終のものに関する定時評議員会の終結時（2020 年 5 月 22 日）から
2023 年度の最終のものに関する定時評議員会の終結の時（2024 年 5 月中旬）までとする。

－ 17 －