（公）高エネルギー加速器科学研究奨励会特別講演会
平成２６年１０月１０日＠アルカディア市ヶ谷（私学会館）

J-PARCの現状とMFL施設運用
池田裕二郎
J-PARCセンター

アウトライン•••••

J-PARC概要
MLF概要
利用の仕組みと状況
中性子利用成果
今後の展望J-PARC の特徴
Japan Proton Accelerator Research Complex①２次粒子による先端研究 MW-クラス陽子加速器③多目的②Intensity Frontier
根源的物理研究から産業界の利用と応用

Materials & Life Science at 3 GeV
Nuclear & Particle Physics at 50 GeV
R&D toward Transmutation at 0.4 GeV

J-PARCの施設配置とビームの流れ
J-PARC 東海村

太平洋

ハドロン実験施設
3GeVシンクロトロン
物質・生命科学実験施設
核変換実験施設

400 MeVライナッ
ク

50GeVシンクロトロン
ニュートリノ
前置検出器
ニュートリノビーム
4

J-PARCの規模、サイズ
人員:
運転委託員:
予算:
建設
運転経費（/年）
利用時間:
利用者:

~450 （JAEA and KEK）
~400
>１，５２４億円（ Phase-I）~１５０億円 in 2014 (180*)
１７８日 in 2014 (200*)
2,200人 in 2013 (4,500*）
Neutron 3,000*
Muon
300*
Hadron600*
Neutrino
500
ADS
100*

* ３−5 年でJ-PARC施設仕様 主要パラメーター
Accelerator
LINAC
LengthAccelerated. Particles
EnergyPeak Current
Pulse Width
Repetition Rate
Freq. of RFX, DTL, and SDTL

350 m
Negative hydrogen
400 MeV
50 mA
0.5 ms
25 Hz
324 MHzRCS (Rapid Cycling Synchrotron) Phase-I goal 1.0 MW
Circumference
348.333 m
Injection Energy
400 MeV
Extraction Energy
3 GeV
Repetition Rate
25 Hz
RF Frequency
0.938 MHz → 1.67 MHz
Harmonic Number2
Number of RF cavities
23
Number of Bending Magnet 24
MR (Main Ring)
Circumference
Injection Energy
Extraction Energy
Repetition Rate
RF Frequency
Harmonic Number
Number of RF cavities

Phase-I Goal 0.75 MW
1567.5 m
3 GeV
30 GeV (50 GeV)
~0.4 Hz1.67 MHz → 1.72 MHz
96

Number of Bending Magnet 96

Materials & Life Science
Experimental Facility(MLF)
Injection Energy
Repetition Rate

3 GeV
25 Hz

Neutron Source
Target Material
Number of Moderators
Life timeModerator Material
Moderator Temperature/Pressure
Number of Neutron Beam Ports

Mercury
3~1 yearSupercritical H220 K / 1.5 MPa
23Muon Source
Target Material
Number of Muon Beam Extraction Ports
Neutron Instruments*
Open for User Program (General Use)
Under Commissioning/Construction
Muon Instruments*
Open for User Program (General Use)

Graphite
418
1/2
2 (1)

Hadron Experimental Facility
Injection Energy
Extraction
Repetition Rate
Target Material
Number of Neutron Beam channel

3 GeVSlow
1/6 HzGold4 (2 under construction)

Neutrino experimental facility
Injection Energy
ExtractionTarget Material
Repetition rate

3GeV
FastGraphite
1/2.4 Hz (1Hz)3 Accelerators
3(+ 1) User facilities~ 40 tJ-PARCElectromagnets

3 GeV synchrotron RCS(25 Hz, 1MW)

400 MeV Linac Energy upgrade
ACS cavities

For 1 MW Power
Linac(400MeV)

MR Collimator
50(30) GeV
synchrotronAddition
The high energy protons are directed MR(0.75 MW)
to the Neutrino Target

物質･生命科学実験施設（MLF）の進捗：利用運転再開
532 kW
ハドロン施設の事故

累積ビーム強度(MWh)300 kW

ビーム強度(kW)
稼働率(%)

300 kW

東日本大震災2月17日よりMLF運転再開

震災後 約10ヶ月の運転停止
8
2014年6月現在

物質・生命科学実験施設(MLF)
with 中性子and ミュオン

ミュオンビームライン
中性子ターゲットステーション

ミュオン実験エリア
Muse

中性子ビームライン

中性子発生水銀ターゲット

中性子実験エリア
JSNS

世界のパルス中性子源

ISIS / RAL
ISIS UK

MLF / J-PARC
+ TS2
2008~

MLF Japan
2008~

SNS / ORNLSNS USA
2006~

1MW
25 Hz

1.4MW
60 Hz

中性子の特徴
1.物質透過性

2.原子配列に敏感

No charge

3.軽い原子に敏感

Crystal structure analysis
4.原子の動きを捉える
Interaction with an atomic nucleus

neutronX-ray

Sensitive to light atoms
5.スピンによる小さな磁石で磁性に敏感
S

slow

N

Effective magnetic material

Too fast

Inelastic scattering中性子の威力の例
Neutron

X-Ray

Plasticparts

Li –ion battery
LiMetalparts

OMnOLi

ラジオグラフィーX-Ray
measurementNeutronmeasurement

Neutron scattering analysis → useful to various research fields
Hen Egg-White Lysozyme

X-raysWatermolecule

Neutrons

Study the entire structure of enzyme

Water in black parts
Examine a water position of plants

J-PARC のパルス中性子の高い性能

J-PARC
Pulse frequency

25Hz

SNS60Hz

Future 1.4 MW

2nd Target 48 kW

12

Now 1 MW

5.４ x 10
Already, world record

Future 1 MW

Now ３００ kW

Neutrons/pulse
Unit: neutrons/(sr・pulse)

ISIS-210 Hz

J-PARC のパルス中性子の高い性能

J-PARC
Pulse frequency

25Hz

SNS60Hz

Future 1.4 MW

2nd Target 48 kW12Now 1 MW

5.４ x 10
Already, world record

Future 1 MW

Now ３００ kW

Neutrons/pulse
Unit: neutrons/(sr・pulse)

ISIS-2
10 Hz

共用装置

７台

専用装置

３台

ＪＡＥＡ装置 ４台
ＫＥＫ装置

７台

物質・生命科学実験施設の状況（2/5）：中性子実験装置整備状況
中性子光学基礎物理
実験装置(KEK) 中性子核反応測定装置
中性子スピン(東工大, JAEA, 北大)
エコー分光器(KEK)※建設中

特殊環境中性子回折装置(KEK,京大,NEDO)

茨城県生命物質
構造解析装置(茨城県)

超高分解能
粉末回折装置(KEK)
ダイナミクス解析装置(DNA)(JAEA：共用)
中性子源特性試
験装置 (JAEA)

超高圧中性子回折装置(東大, JAEA)

4次元空間中性子探査装置(JAEA, KEK,東北大 ：共用)

高分解能型チョッパー分光器(KEK)

冷中性子ディスク
チョッパー型分光器(JAEA)

加速器からの陽子ビーム
中性子源

偏極中性子解析装置（KEK, 東北大）※建設中
物質情報３次元可視化装置（JAEA：共用） ※建設中

ミュオン源

高強度全散乱装置(NEDO, KEK)

大強度型中性子
小中角散乱装置(JAEA：共用)

ソフト界面解析装置(KEK)

試料垂直型偏極中性子
反射率計 (JAEA：共用)

特殊環境微小単結晶
中性子構造解析装置(JAEA：共用)

工学材料回析装置(JAEA)

茨城県材料構造解析装置(茨城県)

218台の中性子実験装置が稼働中

PSI(Swiss)
1.1MW
Continuous

TRIUMF(Canada)
0.1MW
Continuous
GPS Area

ISIS/RAL(U.K.)
0.16MW
Pulsed世界のミュオン実験施設

J-PARC MUSE
1MW
PulsedＭＬＦのミュオン実験施設/ビームラインの現状…towards muon intensity frontier
S-line: S1 branch

Muon Target: Rotating Tgt.

U-line: U1A
D-line: New µSR
SpectrometerMuon Spin Rotation (µSR)…sensitive spin probe for local electronic stateParamagnetic

Ordered (ferromagnetic)μ+Fast fluctuation
Slow fluctuation(or spinglass-like)

However, it is not sensitive to the long-range structure.

Oscillating signal•frequency•relaxation rate
•amplitude

素粒子・原子核物理

標準モデルの先に

標準モデルにおける素粒子の構成

J-PARC は第二世代素粒子の性質に迫ろうとしている

The 12 fundamental fermions and 4 fundamental bosons.

原子核物理の相図とＪ−ＰＡＲＣが探求する領域

Big Bang(primordialuniverse)

Temp.

Quark Gluon
Plasmacoolingby expansion

Hadrons
Baryons

Mesons“gas” -> perfect liquid

Hadron Physics（J-PARC）?
superconductive“liquid drop”

Nucleosysthesis

Neutron starStar?

compression
Strangenessbygravity
Nuclear Physics

compression
by gravity

H, He→ Fe

quark star?

（J-PARC）

0
Fe→ U

Supernova?

Nucleuss quarks
appear?

High Density
Nuclear Matter

Density

Quark Matterr deeplynuclear states

KL→ 

Find out Strangeness’ nuclei

Observation ofKeon rare decay

Find out symmetry
violation
protonneutron

Keon60m

Observation ofnucleus shrinkage
after Kaon
implanted

Many experiments related to fundamental and nuclear
and particle physics are conducted using Kaon beams

電子ニュートリノ出現現象の確立
T2K : 長基線ニュートリノ実験
Ｊ−ＰＡＲＣフロントランナー
E11: T2K experiment

EXCLUDED AT 90%CL

28 e cand evts
4.92±0.44 BG evts expected

7.3s excess over BG
DEFINITE CONCLUSIONSTARTED TO MEASURE CPV phase d!!
OPENED WINDOW TO CPV DISCOVERYニュートリノ実験施設での利用運転再開
宇宙の物質起源の謎解明へ向けた第一歩• 今後さらに10倍以上のデータを取得• 反ニュートリノビームの測定開始

CP対称性の測定

宇宙の物質起源解明の糸口を探る

6 6

加速器駆動核変換システム実現に向けた
ロードマップADS technology without MA fuel(Pb-Bi core, Acclerator, Operation Experience)

PowerADS Plant
30MW-beam, 800MWth・MA transmutationADS Demo⇒MYRRHA~2.4MW-beam, 50~100MWth・Demonstration of ADS

Physics of MA fuel and Target Development

Improve Window Material

J-PARC Transmutation
Experimental Facility
250kW-beam
・Pb-Bi target ・ADS core
Basic tests (Pb-Bi loop, KUCA, etc.)

イオン源

ターゲット

陽子ビーム

未臨界
核燃料体系

隔離弁

ＫＵＣＡ－Ａ架台

ＦＦＡＧ加速器

電磁石

2010

2020

J-PARC

MYRRHA

PurposeElemental Technology（Target、Physics）

System demonstration

Power

Proton:250kW
Core：500W(10Wbeam)

Proton:2.4MW
Core:50～100MWMA

Simulate MA loaded core
(Several tens kg)

Small Amount Irradiation• Lead the worldwide RD&D for transmutation technology incooperation with J-PARC and MYRRHA• Obtain knowledge & experience to realize ADS in 2030th

2030

2050

7Year
7

核変換実験施設建設着手に向けた準備

目的： 低出力で未臨界炉心の物理的特性の探索とADSの運転制御経験を蓄積
施設区分 ： 原子炉（臨界実験施設）
陽子ビーム： 400MeV-10W
熱出力 ： 500W以下

臨界集合体

レーザー光源目的： 大強度陽子ビームでの核破砕ターゲットの技術開発及び材料の研究開発
施設区分 ： 放射線発生装置
陽子ビーム： 400MeV-250kW
ターゲット： 鉛･ビスマス合金

多目的照射エリア

10W

核破砕ターゲット

陽子ビーム
88

２０１３．５．２３ ハドロン施設における事故の対応

ハドロン事故後の対応履歴
対外的主要事項
5.23
5.28
5.30
6.3
8.12
9.26
11.7
12.5
12.6

12.13
12.20
12.24
12.25

1.21
3.7

ハドロン実験施設事故発生
文部科学大臣よりKEK及びJAEAに安全体制緊急総点検を要請
東海村長から要請
茨城県知事から要請
再発防止策の提出
原子力規制委員会へ法令報告第三報を提出
茨城県、東海村へも提出
文科大臣へ措置報告書提出
安全性の調査J-PARCセンターの対応等
5.24

J-PARC事故対策本部立ち上げ
再生タスクフォース（TF)を編成• 二つの作業チーム ：ハード系、ソフト系• 事故原因追及、再発防止検討を開始。
6.中旬 住民説明会（3回）を実施。
センター構成員が6.18 有識者会議の立ち上げ。
一丸となったチーム• 6.21～8.22まで、6回開催。
8.27 有識者会議答申書を受け取る。
• 再生TFの作業、有識者会議の答申を反映して、法令報告及び大臣報告を作成。

原子力規制庁による立入調査
地元自治体による立入調査
原子力規制庁よりリニアックの高出力化変更申請了解。
茨城県原子力安全対策委員会で安全管理体制強化を報告。
茨城県知事への措置報告書提出
東海村長がハドロン施設以外の施設の利用再開了承を表明。
茨城県よりハドロン施設以外の施設の利用再開了承。
ハドロン以外の施設の安全性を確認

10.1 安全管理組織改正を実施。
10.末 住民説明会（3回）を実施。
11.1 安全関係規程、規則改正を実施。
11.～ 安全教育を実施。
安全に関する組織及び意識改革
11.上旬 電源誤動作原因確定。
安全教育後、物質・生命科学実験施設及びニュートリノ実験施設の準備作業に着手。
12.11
加速器施設安全シンポジウム
12.12-13 金標的目視確認。
標的観測後、ハドロン改修作業に本格的に着手。

那珂市議会原子力安全対策特別委員会に現状報告
JAEA東海研究開発センターによる住民懇談会
にて現状報告1.17 リニアック性能試験にて400MeV確認
2.17 物質・生命科学実験施設利用運転再開
5.26 ニュートリノ実験施設運転再開（予定）10物質・生命科学実験施設の利用再開
 2月17日11時41分よりビーム出力110kWで利用運転を再開。
 2月27日以後は出力300kWの運転を実施。
 2月17日から4月6日まで、2013B期の利用運転では、43.5日の期間中、18台の中性子ビームラインにてのべ139件の課題を実施。
 2013B期の来訪者は、のべ372名。
運転再開時の入射ビームプロファイル

11

J-PARC ニュートリノ実験施設の利用再開• 5/26に利用運転再開

1212

利用の状況Ｊ-ＰＡＲＣユーザー来所者統計：実績（1/3）
平成２０年１２月の稼働開始以来、多くのユーザーがＪ－ＰＡＲＣへ訪問している

総数：延べ１３０，０４１人日（H26.3末日現在）人日
35,00032,24230,00027,55529,030東日本大震災（H23.3.11)

25,000

ハドロン事故（H25.5.23)
21,72820,00015,53915,00010,000
5,000

3,947

0H20

H21

H22H23H24

年次別来所者数

H25H2614

No. of Users (persons x days)

J-PARC Users Statistics
10000
9000
80007000

Japanese

6000
5000
4000
3000
2000

Foreigners

10000

Quarterly Period (Dec 2008 – Dec 2013)
other nationalities
Spain
Australia
Indonesia
Switzerland
TaiwanPolandIndia
Germany
RussiaItaly
CanadaFrance
China
U.K.
Korea
U.S.A.

Middle East
MLF (361)
Hadron (208)
Neutrino (491)1077 users from 65 countries
AfricaSouth America
North America
EuropeOceania
Asia050

No. of Users

100

150

0100200

No. of Users

30040015利用の仕組み

Access Modes, Types, & Categories to Use MLF Beamlines
Access modeTypeCategory

一般利用 (中性子)

定期課題募集(年２回)

成果公開
成果非公開

緊急課題

成果公開
成果非公開

一般利用 (ミュオン)

定期課題募集(年２回)

成果公開

プロジェクト利用

定期課題募集(年１回)

成果公開

装置グループ枠

定期課題募集(年１回)

成果公開

茨城県BL産業利用

定期課題募集(年１回)

成果公開
成果非公開

緊急課題（随時）

成果公開
成果非公開

MLF課題審査システム
JAEA-KEK-CROSSと茨城県BLPresident
JAEA

Director General
KEK

J-PARC
Center(JAEA/KEK)

President
CROSS

Collaboration
Committee

Director
J-PARC

Muon Science
Proposal Rev. Comm.

Selection
Committee

Task Forces

All except Contract
Beamlines

Contract Beamlines
Only

All except PublicBeamlines

Public Beamlines Only

Neutron Instrument
Proposal Rev. Comm.

Contract Beamline
Evaluation Comm.

Neutron Science
Proposal Rev. Comm.

Proposal
Evaluation Comm.

Joint Meeting

Muon
Instrument
Proposals(CROSS)

Public Beamlines Only

All except Public Beamlines

MLF Advisory
Board

Muon Instrument
Proposal Rev. Comm.

RegisteredInstitution

Director
CROSS-Tokai

Joint Meeting

Neutron Instrument
Proposals
All except Public Beamlines
Muon Program
Advisory Comm.

Muon Scientific Proposals

Neutron Program
Advisory
Committee

Public Beamlines Only

JAEA Research
CROSS Development
Proposal Advisory
Proposal Evaluation
Committee
Panel
Joint Meeting

Neutron Scientific Proposals
UnifiedAccess Point

ALL Proposals submitted via the J-PARC Users Office

MLF ユーザー数の推移
Total Number of Submitted Proposals for General Use (Non-proprietary)
No. of Proposals

350

Hadron Accident

300
250

Earthquake

200
150
100500

2008B

2009A

2009B

2010A

2010B

2011A

2011B

2012A

2012B

2013A

2013B

2014A

2014B

2014A

2014B

Total Number of Experiment Members in the Proposals
No. of Members

1400
1200

Hadron Accident

1000

Earthquake

800
600
400
2000
2008B

2009A

2009B

2010A

2010B

2011A

2011B

2012A

2012B

2013A

2013B

素粒子・原子核の課題審査システム

Institute of Particle and Nuclear Studies(IPNS) at KEK
Council forIPNS②Elect the PAC
members
Program AdvisoryCommittee(PAC)① Proposal Submission② Evaluation Request③ Evaluation Request④ Evaluation Result⑤ Evaluation Report⑥ Result Announcement③④IPNS
Director

J-PARC
Center⑤⑥①J-PARC
Users

MLFにおける利用課題の実施状況
400
350

Not Approved Proposals (#)

Number of Proposals

Reserved Proposals (#)

300

HadronAccident

Approved Proposals (#)
Conducted Proposals (#)

250
200

2011 Earthquake &Restoration Work

150
100
50
0

Number ofBeamlines

2008

52009A 2009B 2010A 2010B 2011A 2011B 2012A 2012B 2013A 2013B 2014A 2014B

89911121618

Beam Time Period

1818191919

中性子利用成果

最近の成果は非常に高いIFの専門誌に掲載
BL03 (2013 )茨城県BLBL08 (2011)

ミュオンBL、BL21, BL08 (2014）

BL01 (2014)

IF: 10.015
IF: 31.03

IF: 35.7

IF: 19.352

BL21 (2012)

BL14 (2011)

IF: 7.943

IF: 7.943

BL20 (2012)
茨城県BL

IF: 10.677

1LIB in situ measurement: changes in anode(a) every 600 second, (b) every 30 second(a)BL19 SPICA
chargedischarge

回折パターンの変化

charge強度が高くなったので３０秒間隔の測定が可能となり、現象解析精度が向上した。

(b)chargedischarge
chargeM. Yonemura et al., Battery symposium in Japan (2013)
H. Arai et al., ECS (2013)
RISING Newsletter2
http://www.rising.saci.kyoto-u.ac.jp/pdf/newsletter/no12.pdf

新たな超伝導相のスピン変動〜イオンによる超伝導体の発現に向かって〜

 LaFeAsO1−xHx

鉄系超伝導物質

新しい超伝導相の出現

キャリアー濃度

Inelastic neutron scattering of the SC-2
スピン変動が現れる
phase by 4SEASONS (BL01).

 Theoretical calculations indicated that the spin fluctuation is explained as aconsequence of the switching of the two intra-orbital nesting.

複数の軌道が相関し合うことが鍵となるイオンによる超伝導体
3S. Iimura et al., Phys. Rev. B 88, 060501(R) (2013)

Accelerator power increase schedule in 5 years
No major change in the power up schedule
RCS ::1 MW by the end of FY2015MR :: Development of PS, 0.75 MW in FY2018:

LINAC Upgrade

We are here

Issues for MR
・PS・High gradient
Cavity・High repetition
・Shielding

MR New PS4

J-PARC: 世界の研究センター
Materials and life: One of three world centers, in particular, in Asia
Hadron physics: A unique kaon factory in the world
Neutrino physics: As a world leader among the three world centers

ISISGＳＩ
J-PARC

CERN

Center in neutrinos
Center in neutrons

FNAL
SNS

Hadron (kaons)Hadron (antiprotons)

ISIS：Neutron source at Rutherford Appleton Inst., SNS： Spallation Neutron Source at Oak Ridge Nat. Lab.
CERN at Swiss, FNAL：Fermi Nat. Lab., GSI：Heavy ion Inst. at Germany一度Ｊ−ＰＡＲＣへお越しください。
そして、最高のビームを試してください。

ご静聴ありがとうございました。