ＦＡＳだより

第９号

目次
平成２６年１１月

1.

第３１回

高エネルギー加速器セミナーOHOʻ14 開催報告（加速器研究施設「リニアコライダーの基礎と先端加速器技術」

3.

国際線形加速器会議参加（加速器研究施設

5丸田朋史） ···························································································

6

セリビア国・ベオグラード

International Workshop on Future Linear Colliders2014(LCWS-2014) ······························································· 13
佐波 俊哉）１０月５日~１０月１３日

リングHiggs Factoryの研究（加速器研究施設

船越

セリビア国・ベオグラード義裕）

中国 ····················································································································································· 17

高ルミノシティ加速器実験におけるビームバックグラウンドの見積りと検出器保護対策に関する研究（素粒子原子核研究所

9.

志高）·································································································

浩孝）１０月４日~１０月１１日

１０月８日~１０月１３日

8.

方International Workshop on Future Linear Colliders2014(LCWS-2014) ······························································· 10（放射線科学センター

7.

2

スイス・ジュネーブ

（加速器研究施設 仲井

6.

富士雄） ························

スイス・ジュネーブ

８月３１日~９月５日

5.

内藤

スイス・ジュネーブ・モスクワ

国際線形加速器会議参加（加速器研究施設
８月３１日~９月５日

4.

３号館セミナホールに於いて国際線形加速器会議参加及びモスクワ・INR 訪問（加速器研究施設
８月３１日~９月１０日幸則） ····· １（９月９日~１２日）

高エネルギー加速器研究機構

2.

小林

中山

浩幸）１０月８日~１０月１０日

中国・北京 ·········· 20

超高ルミノシティ衝突型加速器における力学口径研究会参加 ··················································································· 23（加速器研究施設 大西幸喜）１０月９日~１０月１２日

中国

10. ICFA主催高輝度電子・陽電子衝突型円型加速器でのビッグスファクトリー国際会議参加 ············· 30（加速器研究施設 森田欣之）１０月９日~１０月１２日

中国

11. ICFA 主催高輝度電子・陽電子衝突型円型加速器でのビッグスファクトリー国際会議参加 ············ 35（加速器研究施設 加古永治）１０月９日~１０月１２日

12. 国際加速器アラインメント研究会参加（加速器研究施設

中国増澤美佳） ······················································· 38

１０月１３日~１０月１７日 中国

13. 国際ワークショップPCaPAC2014参加、及びGSI重イオン研究所訪問 ······························································· 42（加速器研究施設 上窪田紀彦）１０月１４日~１０月１７日

ドイツ

14. PCaPAC2014への出席 「Current development status of STARS」の発表 ·················································· 45（物質構造科学研究所
15. 第４回

編集後記小菅 隆）１０月１３日~１０月１９日

ドイツ・フランクフルト

特別講演会報告 ············································································································································································ 49

第３１回高エネルギー加速器セミナー(OHO‘14)開催
高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設小林幸則

1984 年に第 1 回が開催されてから第 31 回目となります高エネルギー加速器セミナー(OHO‘14)
を、9 月 9 日から 9 月 12 日の 4 日間に渡り開催
いたしました。
今回のセミナーのテーマは「リニアコライダーの基礎と先端加速器技術」でした。「超伝導リニ
アコライダー」をテーマにしたセミナーは、8 年
前の 2006 年にも開催されておりましたが、国際リニアコライダー（ILC）計画に関しましては、
特に昨年 2013 年に「技術報告書（TDR：Technical
Design Report）」が完成したこともありますので、基礎的な内容はもちろん、この 8 年間の加速器の技術的な進展も含めて、わかりやすい講義をして頂けるよう講師陣にお願いしました。
12 名の講師陣による講義では、まず ILC で展開される物理から始まり、その加速器の概要、ビームダイナミックスについて理論的な解説がなされました。続いて、加速器を構成する各要素技術である、電子・陽電子ビーム源、超伝導空洞とその周辺技術、表面処理、磁気遮蔽、大電力および低電力高周波源、クライオジェニックス、さらに加速器を設置する施設や運転するために必要な設備について、基礎から先端技術までわかりやすく解説されました。セミナーでは伝統的に講義テキストが事前に用意されており、セミナー開始
当日に配布されます。講義は基本的にはそのテキストに沿ったスライドで行われますが、中にはテキストには盛り込めなかったホットな最先端のデータも紹介され、その熱のこもった講義に受講者は熱心に聞きいっておられました。それぞれの講義の終わりには大変鋭い質疑応答がなされていました。
セミナー2 日目には見学会を行いました。今年
は移動手段の都合で 24 名（学生優先）に人数制限をさせて頂きましたが、先端加速器開発施設（ATF 棟）、超伝導空洞開発施設（STF 棟）、コン
パクト ERL 開発施設（ERL 開発棟）における、世界最先端加速器開発現場を見学しました。超伝導クライオモジュールや電子銃など、講義で解説された装置を間近に参加者の真剣なまなざしが印象的でした。セミナー3 日目の夜話（講義ではなく先輩方の経験談を伺う）では、超伝導空洞開発に尽力されてこられた講師を企業からお呼びし、「企業における超伝導空洞よもやま話」と題して、講演をして頂きました。世界初の装置製作の苦労話や失敗談をまじえての貴重なお話を聞くことができました。
今年の OHO セミナーも大変意義のあるセミナ
ーとなりました。

集合写真(KEK３号館玄関前)

講義の様子(KEK３号館セミナーホール)－1－電子ビームを平面内で全周に向けて放射し、空国際線形加速器会議参加及びモスクワ・INR 訪問

洞も全て回転対称に設け、速度変調や電力の取り出しも全て回転対称の空洞で行う。入出力は空洞の全周に接続した同軸管で行う、というこれまでの考え方と全く異なる発想で考案されたクライ高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
内藤富士雄

ストロンである。
ビーム収束の原理（磁場形状）や、電磁場の取り出し手法など斬新であった。シミュレーションの段階で、試作は今後だと思うが、非常に楽しみなアイデアである。
1.4. LINAC４見学

1. 国際線形加速器会議出席

施設見学で CERN の LINAC− 4 を訪れた。
Cell-Coupled DTL (CCDTL)の実物を見ることが1.1. 会議概要
たくさんある加速器の国際会議の中で、私が自主的に参加しているのはこの線形加速器の国際会議のみである。参加者が 300~400 名で、プレナ
リーセッションのみで構成された中規模の会議

最大の目的であった。J− PARC の Separated
DTL と同じく収束磁石をドリフトチューブ内蔵ではなく、空洞間に取り出して設置する形式である。CCDTL では、１空洞は３ギャップで空洞間で、馴染みの研究者が多いのも理由である。
以下に今回の会議で印象に残った（私にとって有益であった）項目をまとめた。
1.2. 超伝導空洞
超伝導空洞の特性改善について、冷やし方と窒素混入を用いることで特性が改善できるという報告があった[1]。私のように仕事では超伝導に全く関与していない立場の者にとって、非常に興味を惹く内容であった。
前者は以前から知られていた話らしいが、後者は最近偶然に発見され空洞の Q 値が急に良くなる事象とのこと。まだ理論的にもはっきりしてい図 1. 架台上に設置された CCDTL。
各タンク中央の加速ギャップで２分割される。
空洞間は傍に出っ張って見える結合セルで高周波的に一体化される。

ないようだ。今後の研究が楽しみである。特に超伝導空洞の利用が各方面で進んでいるので、非常に重要な研究でもある。
1.3. ２次元のクライストロン
最も興味深かったのが、ポスター・オーラルで発表された円盤状のクライストロンである[2]。同様に興味を持った参加者が多数おり、ポスターも盛況でなかなか説明を聞けないくらいの人だか

図 2. CCDTL の中（模式図）りであった。

－2－

を結合セルでつなぐ形式になっている。３空洞が２つの結合セルで一体化される。図１に架台上に

2. ロシア科学アカデミー・Institute for
Nuclear Research (INR) 訪問

すでに設置されている CCDTL の写真を示す。図2.1. 共同研究の経緯と目的

２は断面図である。
一方、SDTL は各空洞に５ギャップで、空洞はRF 的に各々独立している。互いに長所・短所はあるが、目的を同じくした別形式の空洞は個人的に非常に興味があった。今後始まるビーム加速試
験を楽しみに待ちたい。

1990 年代の後半、KEK で次期陽子線形加速器の開発[3]が行われていた時から INR との共同研究が開始された。最初は SDTL の共同開発の検討（ロシアで製作する）であった。結果的には試作のみで、量産をロシアでやることにはならなかったが、INR の研究者を KEK に招聘し、空洞の RF

1.5. 全体の感想
陽子線系加速器を擁する大型施設は、SNS が完成し、今後は ESS の設計、建設が続く。そのため、多くの線系加速器の関係者が SNS や CERN から
ESS に異動していることが確認できた。
中国は前回の会議（2012 年、於：エルサレム）
では C-ADS の若いメンバーが大挙して参加して勢いを示していたが、今回は皆落ち着いていて着実な進展を感じさせていた。ただ、CSNS については知り合いの中国の研究者から加速器トンネ
ル内の漏水がひどくて工事が遅れている事を教えてもらったのだが、発表にその話は出て来なか

設計を共同で行った。更に 2000 年代になってから、昨年度 J-PARC に設置された Annular-ring
Coupled Structure (ACS) の設計に加わってもらい、非常に大きな寄与をしてもらった。
今回の訪問の目的は、共同開発した ACS 空洞
でビーム加速に成功した事を報告することであった。次に INR にある Disk and Washer (DAW)型 600MeV 陽子線形加速器を視察することであった。これは世界で唯一の DAW 型陽子線系加速器の営業マシーンである。
2.2. 陽子加速器った。発表内容を種々の事情で限定したのであろうが、自分ならば話していると思った。良し悪しの判断は立場で大きく変わるが。
韓国の陽子リニアック（KOMAC）は着実に進展しており、昨年からビーム供給が始まったことが報告された。
ここは製作初期段階から J− PARCと連絡を取り合い、情報交換をしていたので、運転が順調に進んでいるのは我々にとっても非常に喜ばしいことである。
次回の会議は 2016 年にアメリカのミシガン州
立大学の FRIB である。
（定年後に J− PARC から
FRIB に移った）山崎良成氏が次回の開催を宣言
して会議は終了した。

DAW 構造は複数ある結合空洞型線形加速器の中で最大の結合度を持つ構造であり、ソ連で発明された。INR の DAW 型線形加速器は発明者とその弟子達によって、米国のロスアラモス国立研究所のサイド・カップル型構造の線形加速器に対抗すべく製作された 600MeV の加速器である。図 3に 300~600MeV の部分の DAW 線形加速器の写真を示す。
導波管型の橋絡結合器を用いており、当時の西側諸国とは全く異なるアプローチで設計・製作されている。文献では知っていても実際に間近でみると、よくぞこれだけのリニアックを 1980 年代に製作したと驚くばかりである。RF 源はマルチビーム・クライストロンを使っており、機械式の導波管切り替え器、位相調整器を備えている。
最近は予算不足で、年間で 1〜3 ヶ月間のみの運転（しかもエネルギーは 300MeV）で実験をしているとのことであった。

－3－

ことが、うれしい誤算であった。今後の私の課題とさせていただいた。
講演後に（半分はリップサービスとしても）日
本がキチンとやっているのが分かったと言ってもらえたので、J-PARC が堅実に進捗している事が理解されたと思う。
2.5. モスクワのこと

図 3. DAW 型線形加速器（表示されている日時は日本時間）
2.3. ACS の結果報告
JAEA の青さんが、ACS 空洞の設置と立ち上げ
及び運転の状況を９月８日に報告した。聴衆は加速器部門の職員１０数名であり、加速器部門長でINR はトロイツクというつくば市に良く似た学園都市の中にある。（ただし広さは何倍もあるようだが。）モスクワの中心から南方にあり、地下
鉄で 20 分位、さらにバスで 20 分位かかる。現在はここもモスクワに含まれている。研究所の職員用官舎と小さなマーケットがあるだけの場所であったが、最近はモスクワに通う人達の大型アパートが多数作られつつある。
最後の日にモスクワ市内を半日ほど案内してもらった。クレムリンの周囲は人で溢れており、赤の広場も催し物でいっぱいであった。その中にレーニン廟は埋もれたようにあった。

あるアレクサンダー・フェッシェンコ氏の居室で行われ、専門的な議論があった。

3. 参考文献

最後に価格を聞かれたが、正直に答えた。意外なことに納得していたようであった。（値が高い、と驚かれることが多かったのであるが、さすがに性能の良さから、価格が安くないことを予想[1] D. Gonnella, M. Liepe,“Cool Down and Flux Trapping Studies on SRF
Cavities”
LINAC 2014, to be publicsed.

したらしい。
）
2.4. J-PARC の状況報告
私は J-PARC 加速器全体の報告を翌９月９日に行った。講堂を用いて開催され、出席者は加速器部門だけでなく素粒子・原子核部門の研究者も参[2] Massimo Dal Formo,“Design of Novel RF source to Reduce the BeamSpace-Charge”
LINAC 2014, to be publicsed.

属の T2K グループメンバーも含まれていた。講[3] JHF Project Office,“JHF ACCELERATOR DESIGN STUDYREPORT”

義は質疑も含めて 50 分程度であった。

KEK Report 97-16, (1998)

加し、総勢 40 名程度であった。そこには INR 所

質疑は J-PARC の今後のビームパワーについて
や、設計費が付いた ADS の事などについて行われた。私に取ってはおまけのような形で説明した
ADS であったが、ADS に詳しい方が複数名参加
して下さり、施設の環境問題、使用するリニアッ
クのエネルギーの妥当性等、（私自身の知識不足から回答出来ない）質問を多数出していただいた－4－に関して、他の研究施設と研究成果と研究情報を

国際線形加速器会議参加

議論、交流した。

高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設方

志高

1.5. 参考資料 (論文の概要)

Abstract
The low-level RF (LLRF) control systems havebeen successfully developed and improved for1.1. 国際線形加速器会議参加

the J-PARC LINAC. In January 2014 the2014 年 8 月 31 日出発、9 月 1~5 日国際線形加速

output proton energy of the J-PARC LINAC

器会議に出席、9 月 6 日帰国（9 月 7 日日本着）。

was upgraded to 400 MeV. In the past 8 yearsof the J-PARC LINAC operation, no heavy

1.2. 申請理由

troubles occurred in the RF control systems.

今年の９月上旬にジュネーブで開催される国際

Every year we made improvements on the RF

線形加速器会議（LINAC2014）でポスター発表

control systems, according to the operation

をする機会が得られました。

experiences. In this paper, the present status of

私が所属している大強度陽子加速器施設(J-PARC)の線形加速器（LINAC）において, ビー

the J-PARC 400-MeV LINAC RF control
systems will be described in details.

ムのエネルギー400MeV 及び電流 50mA の増強計画で重要な役目を果たす高周波制御システムにCONCLUSION

関する最新成果と現状を発表予定しています。具

The improvements of the timing distribution

体的内容として、RF timing system、hardware ofsystem, the hardware of the feedback control

feedback system、と auto－tuning system など

system, and the auto-tuning system, have beenの研究開発と改善を発表します。

successfully carried out for the J-PARC LINAC.

しかし、今年度は複数の加速器の国際学会が重Owing to these improvements, the operation ofなったため、外国出張旅費が不足しています。与

the

えられた機会を活かし、KEK の活動を国際会議

successfully and smoothly carried out, and aの場で世界に周知し、更に研究交流を今後も続けvery good stability of the RF system and theていくために、是非、支援をお願いします。

accelerating fields for beam operation has been

ご検討よろしくお願いします。

972-MHz

ACS

cavities

has

been

successfully achieved for the J-PARC LINAC
400MeV upgrade.

1.3. 助成金
研究助成額 280,000 円をいただきました。

1.4. 用務の概要(研究課題との関連、成果)The 27th Linear Accelerator Conference(LINAC14)に参加し、論文「PRESENT STATUS
OF J-PARC LINAC LLRF SYSTEMS」を発表した。また、LINAC 加速器研究、特に RF system－5－

を口頭でアピールする時間に割り当てられた。ま国際線形加速器会議参加た３日目の午後はアウティング、最終日の午後は
CERN のツアーがあった。
私が会議に出席中に感じたのは、特に超伝導空洞に関連したトピックスが多いとの印象である。

高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
丸田朋史
国際線形加速器会議（LINAC14）がスイスのジュ
ネ ー ブ に あ る Centre International deConferences Geneve （CICG）にて、2014 年 8月 31 日から 9 月 5 日の 6 日間にわたり開催された。私はこの会議に出席するための旅費を助成し陽子加速器においても、従来よりも低エネルギーから超伝導空洞を採用するために、QWR・HWR、スポーク空洞等の R&D が精力的に進められている。また超伝導材質についても、Q 値向上には真空高温炉で窒素をドープさせたり、Nb3Sn が有望であるとの発表があり、高い電場勾配達成・低い
電力損失のための研究も活発に行われていると印象をもった。

2. 発表された内容ていただいた。本報告書では、第１章でこの会議の概要、第２章でこの会議の発表のうち、特に私が興味を持ったもの、第３章で私の発表内容について、そして第４章でまとめる。

主催研究所が CERN ということもあり、オー
プニングセッションでは、主に CERN で進行中の２つのプロジェクトに関する発表があった。ここではその２つの内容について主に報告する。1

1. 会議の概要

つ目の発表は S. Stapnes 氏による線形衝突型加

この会議は 2 年に 1 度開催されており、今回は 27回目にあたる。主催は CERN である。この国際会議は名前のとおり線形加速器に関連した分野に特化している。線形加速器の分野では最大規模の国際会議であり、線形加速器に関連するすべての分野を網羅している。そのため世界中の線形加速器施設から研究者が一同に集まり、加速器の運転現状、R&D の進捗状況、新規プロジェクトの概要等について発表されるとともに、その発表内
容について積極的な議論が行われた。会議の出席
者は 476 名と、前回・前々回と比較して約 80 名多かった。また地域別の参加者の割合は、ヨーロッパ 44%、北アメリカ 28%、アジア 27%、中東2%である。ヨーロッパで開催ということもあり、
ヨーロッパからの出席者が半数近くを占めた。会議の構成は８時半から１５時までが口頭発表、それ以降の１５時から１８時までがポスターセッ
ションである。ポスターセッションのうち、最初の 1 時間はポスタープレゼンテーションに割り当てられており、プログラム委員会が特に優秀だと認めたポスターについて、５分間自分のポスター

速器についての発表である。この発表では、ILCと CLIC プロジェクトの概要と進捗について報告された。CERN における CLIC の位置づけは、
ILC の次世代器の候補という扱いのようである。
そのため重心系における衝突エネルギーは、ILC
が 0.5 – 1 TeV であるのに対し、CLIC は 0.5 – 3
TeV を目指している。興味深いのは加速空洞の選択で、ILC が L バンド（1.3 GHz）の超伝導空洞であるのに対し、CLIC は X バンド（12 GHz）の常伝導空洞で 100 MeV/m を目指しており、２つのプロジェクトで採用する空洞が対照的である。発表では、試作した６台のＸバンド空洞についての性能評価の結果が示されており、いずれも良好な結果を示していた。一方 ILC の空洞について は 、 現 在 ヨ ー ロ ッ パ で 建 設 中 の European
XFEL に採用され、現在マスプロダクションの最中であり、統計的な性能評価等の結果が報告されている等、かなり技術的としてこなれて来た印象を受けた。
もうひとつのオープニングセッションの発表
では LINAC4 の状況について、A. Lombardi 氏に－6－よる報告であった。LINAC4 は LHC のルミノシてた口頭発表が BINP の A. Tribendis 氏からあっティアップグレード計画の一部として建設された。この加速器は CERN とロシアの２つの研究ている。現在使用中の LINAC2 と比べ、ビームエ

所（VNIITF と BINP）の国際協力により、製作

ネルギーを 50 MeV から 160 MeV に高めることから据え付けまでをロシア側で担当している。据で次段加速器のブースター加速器における空間

え付けは途中まで完了し、要求位置精度を満たす

電荷効果の影響によるチューンシフトを低減し、レベルで順調に進捗していると報告された。

さらに加速粒子を負電荷水素イオン（H− ）に変
え、荷電変換入射時にペインティング入射するこ

3. 発表内容とで、ビーム強度の向上を図っている。運転開始
は 2015 年を予定しており、それまでは建設とビーム調整を平行して実施する予定となっている。

3.1. J-PARC リニアックのビームコミッショニ
ングの状況（TUPP094）

LINAC4 はイオン源から取り出された 45 keV の

この発表では、J-PARC リニアックのビームコミ

H− を 3 MeV RFQ、50 MeV DTL、100 MeV

ッショニングの進捗について報告した。J-PARC

CCDTL、160 MeVπモードストラクチャーで加リニアックでは、ビームパワーの増強計画の一環

速する。Lombardi 氏の発表では、DTL 途中の 12と し て 、 2013 年 に 既 存 加 速 器 の 下 流 に 、MeV までについてビーム調整試験の状況についAnnular-ring Coupled Structure（ACS）型加速て報告された。縦・横方向のビームプロファイル器を増設した。これによりビームエネルギーをの測定結果とシミュレーションがよく一致して

181 MeV から 400 MeV に向上した。増設後のリいることを示し、ビームの振舞いを良く理解してニアックの構成は Fig.1 に示したとおり、50 keV

いるとの主張していた。ただピーク電流が 10mA

負電荷水素イオン源、3 MeV Radio Frequencyと、設計の４分の 1 程度なので、今後ピーク電流

Quadrupole (RFQ)、50 MeV Drift Tube Linacが増加した場合にどの程度シミュレーションで(DTL)、191 MeV Separate-type DTL (SDTL)、再現できるか注意する必要があると感じた。また
現在の問題点として RFQ のビーム透過率が 75%

400 MeV Annular-ring Coupled Structure(ACS)である。RF 周波数は RFQ から SDTL までとかなり低いことを上げており、LEBT におけるが 324 MHz、ACS は 3 倍の 972 MHz である。

マッチングに苦労している様子である。また透過ACS 増設の目的は、次段加速器である 3 GeV

率改善のため、新たなイオン源を開発中であるとRapid Cycling Synchrotron（RCS）における空の報告があった。
コミッショニングと平行して、下流部の建設を同時並行して進めており、それについては
CCDTL の製作とコンディショニングに焦点を当

Fig. 1 J-PARC リニアック全体図

Fig. 2 ACS 入射部の横方向ビームプロファ
イル。赤線はガウス関数でフィットした結果。
緑線は RMS をガウス関数のσに代入しプロットしたものである。

－7－

間電荷効果の低減である。エネルギーを 181 MeVス関数でフィッティング、緑線は二乗平均平方根

から 400 MeV にすることにより、ラスレットの(RMS)を計算し、それをガウス関数のσに代入

チューンシフト を３分の 1 程度に抑制できる。

し、プロットした結果である。ガウス関数のフィ

つまり 181 MeV ではピーク電流 15 mA で利用運ッティングがコアの分布の影響を強くうける一転していたが、400 MeV では設計値の 50 mA で方、RMS はハロー部分についても影響される。

もそれと同等のチューンシフト量となる。

したがって、ハローが少なければ、赤線と緑線がACS 増設後初めてのコミッショニングは 2013

ほぼ一致するが、ハローが増加するに従い、赤線

年 12 月 16 日から 1 月 30 日まで実施した。このより緑線が太くなるので、この２つの線を比較す

コミッショニングの目的は大きく分けて３つあることにより、ハローの量を比較できる。図１でり、400 MeV 加速の達成、15 mA 利用運転のパは赤線と緑線がほぼ一致しているのに対し、図２

ラメータ作成、25 mA 大強度試験用運転パラメー

では緑線が赤線と比較して太くなっており、ACS

タの作成である。12 月 17 日から位相スキャン法

でハローが発生していることが分かる。この原因

による加速空洞の調整を開始した。調整は比較的

は縦方向のミスマッチが空間電荷効果のカップ

順調に進捗し、2014 年 1 月 17 日に 400 MeV をリングにより横方向にハローが発生したと考え達成した。1 月 18 日から本格的に 15 mA のビーられる。このハローの低減には BSM の真空系をム調整を開始した。この調整で最大の課題は、改善し BSM を使った縦方向マッチングの実施がACS 入射ビームの縦方向調整である。この調整の必要である。

ため、我々は、SDTL と ACS 間のビーム輸送系

発表では、BSM の真空改善の状況、ビームロ

で縦方向のマッチングを計画し、そのためバンチスについての質問があった。また発表とは直接関ャー空洞２台とバンチシェープモニター（BSM）

係無いが、今年夏にイオン源から RFQ までの交を設置する予定だった。しかし、BSM が測定中換作業を実施しており、その状況についての質問に真空度が極端悪化することが分かり、真空系のが寄せられた。

改善無しには使用が困難であることが判明した
ため、このコミッショニングでの使用を断念し3.2. ACS 加速器の縦方向測定（THPP090）た。そのため、バンチャーの振幅はシミュレーシ

この論文では、2013 年末からの縦方向の測定結ョンにより求めた。Fig. 2 と 3 は ACS 入射部と果について報告している先に示した通り、ACS 空

出射部の横方向ビームプロファイルである。黒点

洞増設後の初めてのコミッショニングを 2013 年

が測定結果であり 10-4 で一様な分布になっている末に実施した。各空洞の調整は SDTL と同様の位が、これはノイズである。赤線は測定結果をガウ

相スキャン法により調整したが、この方法が我々の要求精度を満たしているか確認する必要があった。そこで我々は、位相スキャン完了後に縦方向の測定を実施した。この論文では、その測定結果について報告した。測定は ACS 全空洞の運転
位相を一律に変えることにより、ACS へのビームの入射位相を変え、その際のビームの透過率と、
ACS から出射されるビーム運動量の変化を測定した。透過率の測定結果より、ACS の位相方向のアクセプタンスを求め、シミュレーションと比較することで、加速空洞が設計通りに調整できたか

Fig. 3 ACS 出射部の横方向ビームプロファ
イル。赤線と緑線は図１と同じ。

確認できる。Fig. 4 に透過率の測定結果を示す。
ビームがアクセプタンスから外れると、横方向の－8－を調べるため、つまり ACS より上流の加速空洞が設計通り調整できたか調べるために測定した。
Fig. 5 に測定結果とシミュレーションを示す。シミュレーションは、設計通りのエネルギー（190.8
MeV）と、設計から±0.5 MeV ずれた場合の出射エネルギーの相関である。エネルギーによって分布の様子が変わるため、分布を測定することで入射エネルギーが分かる。実験では、アーク部の分散関数（η）が 0.55 m の場所に設置されているビーム一位置モニター（BPM）で位相を変えた場
合の位置の変化を測定した。Fig. 5 の黒い点がそFig. 4 ACS へのビームの入射位相のずれとビーム透過率の関係。

の結果を示している。入射エネルギーが設計値の場合と良く一致していることが分かる。この結果
より、入射エネルギーはほぼ設計通りであり、ACS より上流部分は、設計通りに調整されていることが分かった。
発表では、空間電荷効果を考えた場合のアクセ
プタンスについての質問や、加速空洞の調整方法についての質問が寄せられた。

4. まとめ
第一章で述べたとおり、国際線形加速器会議には、世界中の線形加速器施設から研究者が一同に集まり、自由闊達な議論が行われる。また各研究

Fig. 5 ACS へのビームの入射位相のずれと、出射ビームの運動量変化（Δp/p）の関係

所で進行中のプロジェクトについて、最新の結果が報告される等、加速器におけるトレンドや最新技術の情報を得るために、非常に重要な機会である。また、私が発表した内容について、SNS 等のミスマッチにより、ビームが途中でロスする。そ研究者から有益なアドバイスをいただいた。今夏

こで透過率が 50%の時にビームバンチがアクセ

J-PARC リニアックでは、フロントエンド部を交プタンスの端にいると仮定することで、アクセプ

換し、最大ピーク電流を 30 mA から 50 mA に向

タンスの幅を求めた。その結果アクセプタンスの上させる。これにより設計ビーム電力を達成する

幅は 92 度と、シミュレーションの幅 90 度とほぼ計画となっている。この会議で得た知見をもと一致し、加速空洞がほぼ設計通りに調整されていに、設計ビーム電力を安定的に供給できるようにることが分かった。もうひとつの ACS 出射ビー

取り組む所存である。

ムの運動量変動は、ACS 入射ビームのエネルギー－9－結構大変であった。また、最終日のみ、国立劇場

International Workshop on Future
Linear Colliders 2014 (LCWS14)

で各ワーキンググループのまとめの報告が行わなれた。
セルビア共和国はかつてのユーゴスラビア連
邦共和国の一部であったが、ユーゴスラビア連邦

高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
仲井浩孝

解体後、ボスニア・ヘルツェゴビナやコソボ、ク
ロアチアなどの民族紛争の嵐を経て、現在に至っている。しかしながら、今回ワークショップで訪れたベオグラードは、その過去のイメージとは異なり、路面電車や連結バスの行き交う、落ち着い

1. はじめにた佇まいのヨーロッパの街であった。路面電車や今回、公益財団法人高エネルギー加速器科学研究る。運転手に直接現金で支払うこともできるが、奨励会からの研究助成を受けて、セルビア共和国

その場合の運賃は IC カードによる運賃よりも高の首都ベオグラードで 2014 年 10 月 6 日から 10

くなるとのことであった。物価は日本の半分程度日まで開催された「将来の線形加速器に関する国

で、食事も全体的に美味しいものが多かった。因際ワークショップ」 (International Workshop on

みに、ベオグラードの国際空港は「ベオグラー

Future Linear Colliders 2014; LCWS14) に参加

ド・ニコラ・テスラ空港」という名称で、磁束密したので、その内容を報告する。ただし、筆者の度の単位にその名を残しているテスラがセルビ

担当は超流動ヘリウムによる低温冷却システム

ア人であることを知らしめている。

バスの運賃は IC カードによる支払いが基本であと超伝導加速空洞や超伝導電磁石を冷却状態に

ワークショップの開会式では、セルビア共和国保つためのクライオモジュールであるので、学術

大統領 Tomislav NIKOLIĆ 氏を始め、ベオグラ

的な内容はこの 2 つに関する発表のみについて記

ード大学学長 Vladimir BUMBAŠIREVIĆ 教授

載する。

および Vinča Institute of Nuclear Sciences 所
長 Borislav GRUBOR 博士の歓迎の挨拶があり

2. ワークショップ報告(Fig. 1)、このワークショップに対するセルビアの意気込みが感じられた。また、ワークショップ初

2.1. ワークショップの概要

日の夕方に催されたレセプションは、ベオグラー

LCWS14 の具体的な内容については、ワークショ
ッ

プ

の

ホ

ー

ム

ペ

ー

ジ

(http://lcws14.vinca.rs/welcome/) に詳しいので、そちらを参照していただきたい。ワークショップのホストは、ベオグラード大学の Vinča Instituteof Nuclear Sciences である。会場はベオグラード
大 学 で は な く 、 ベ オ グ ラ ー ド の 新 市 街 (Novi
Beograd) にあるハイアット・リージェンシー・
ホテルとクラウン・プラザ・ホテルである。プレナリーセッションはハイアット・リージェンシー
で、パラレルセッションはハイアット・リージェ
ンシー・ホテルとクラウン・プラザ・ホテルの両方で行われた。この 2 つのホテルは若干離れているので、パラレルセッション間を移動する場合は－ 10 －

Fig. 1 セルビア共和国大統領の歓迎の挨拶

ド市庁舎になっている旧宮殿で行われ、ベオグラ

モジュール中央部に設置した超伝導四極電磁石ード副市長の挨拶があった。

は FNAL で製作したものである。この超伝導四極電磁石は 2K 超流動ヘリウム供給配管からの熱伝

2.2. クライオモジュール

導によって冷却する。また、超伝導加速空洞 4 台

SLAC に建設が計画されている LCLS-II のクライを設置した、ILC クライオモジュール半分の長さ

オモジュールと低温冷却システムは、ILC の設計のクライオモジュール（STF CM-2a）も製作し、に若干の変更を加えたものとなっている。XFELILC と同じ接続方法でこれら 2 台のクライオモジと同様の設計で製作される超伝導加速空洞は、

ュールを連結して STF 棟のトンネル内に設置しILC と同じように 2 K で運転する。また、1 台のた（Fig. 2）。CM-2a に設置されている超伝導加速

クライオモジュールの中に 8 台の超伝導加速空洞

空洞は、空洞の CW 運転に対応できるかどうかをと 1 台の超伝導四極電磁石を設置するのも ILC

確認するために、超流動ヘリウム供給配管を ILC

Type-B のクライオモジュールと同様であるが、の設計よりも太いものにしている。CW 運転時のILC では超伝導四極電磁石がクライオモジュール

空洞からの熱負荷を模擬するために、電気ヒータの中央に設置されるのに対し、LCLS-II ではクラーを空洞のヘリウム容器に取付けてある。さらイオモジュールの端に設置される点が異なってに、CM-2a の下流側端部には、ILC-TDR に示さいる。さらに、KEK の STF 棟で研究が行われた

れているように、超流動ヘリウムの液面計を設置

S1-Global の結果、コスト削減の 1 つとしてとししてある。今年の 10 月から、これらのクライオて提案された 5 K 熱放射遮蔽の省略が実践されてモジュールの最初の冷却試験を行っている。（N.

いる。ただし、超伝導加速空洞に接続する入力結Nakai）

合器からの熱負荷を軽減するため、5 K のサーマ
ルアンカーは残してある。2 K の超流動ヘリウム

2.3. グリーン ILC

による低温冷却システムも、基本的には巨大科学の常として、ILC でも膨大なエネルギー

CERN-LHC や ILC のヘリウム低温冷却システム（電力）を消費する。しかしながら、今後は省エと同様の設計になっている。
（T. Peterson）

ネルギー化を図り、かつ、再生可能エネルギーあKEK では、ILC の Technical Design Report

るいは持続可能なエネルギーを利用することが(ILC-TDR) に基づいた ILC Type-B のクライオ求められる。ILC-TDR には、Table 1 に示すようモジュール（STF CM-1）を製作した。クライオに、ILC の消費電力の推定値が記載されており、Fig. 2

STF 棟に設置されたクライオモジュール（STF CM-1 と CM-2a）－ 11 －

Table 1

ILC (500 GeV) の消費電力推定値（単位：MW）[ILC-TRD より転載]

重心系エネルギーが 500 GeV の場合の総消費電などのエネルギー回収に用いることができる。

力は 164 MW となっている。この内、超伝導加速（T. Saeki）

空洞や超伝導電磁石を冷却するための低温冷却システムの消費電力は 37.9 MW であり、ILC 全

3. まとめ

体の消費電力の 23 %を占め、2 番目に大きな電力

今回の LCWS14 では低温冷却システムについて消費となっている。したがって、省エネルギーのの具体的なセッションはなかったが、ILC 以外のために、低温冷却システムでもシステム全体の最大型超伝導加速器の低温冷却システムやクライ

適化や効率の良い冷却装置の導入が求められる。

オモジュールなどの設計や、グリーン ILC の概念

ILC-TDR では全ての冷却は液体ヘリウムのみでなど、多角的な考え方を学び、様々な関連情報を行うことになっているが、クライオモジュールや収集することができた。これらをこれから具体的

低温配管の予冷には液体窒素を使用することにな設計を始める ILC の低温冷却システムやクラより消費電力を低減できるとの試算がある。まイオモジュールの詳細設計に反映し、省エネルギ

た、エネルギー貯蔵あるいは再生可能エネルギーーかつ低コストの ILC 用低温冷却システムやクを用いたエネルギー回収の媒体としての液体窒

ライオモジュールを製作することができると期素の利用も提案されている。ILC の近くに設置し待している。

た風力や太陽光あるいは地熱発電装置で窒素の液化を行い、また、液化した窒素で様々な装置や謝辞

素子の冷却を行う。さらに、液体窒素が気化してLCWS14 に参加するに当たり、渡航費および宿泊

高圧のガスとなるため、この高圧ガスで発電機を費の研究助成をしていただいた公益財団法人高回して発電するなどのアイデアが示されている。

エネルギー加速器科学研究奨励会に御礼申し上

さらに、風力は、直接窒素ガスの圧縮・液化に使げる。また、ワークショップへの参加およびこの用することもできる。
（D. Perret-Gallix）

助成の申請に関して、高エネルギー加速器研究機

低温冷却システムの中で、消費電力の一番大き

構リニアコライダー計画推進室長・山本明教授、い機器はヘリウム圧縮機であるが、水を冷媒とし加速器研究施設施設長・生出勝宣教授および加速た吸着冷凍機を使用してヘリウム圧縮機からの器研究施設加速器第六研究系主幹・山口誠哉教授

排熱を利用し、ヘリウム圧縮機全体の消費電力をには、特別のご配慮をいただいた。各位に感謝す減らす研究も行われている。この水を冷媒としたる。

吸着冷凍機は比較的低い温度領域を高温源とすることができるため、ヘリウム圧縮機からの排熱－ 12 －

る。ILC の現状なども含め、放射線遮蔽設計の視International Workshop
Linear Colliders (LCWS14)

on

Future点から述べることにより会議の紹介としたい。内容の若干の偏りについてはご容赦願います。

2. ILC めぐる状況と放射線遮蔽設計
ILC の概要については本誌をご覧の方はすでにご高エネルギー加速器研究機構
放射線科学センター
佐波俊哉

存じと思われるが、高エネルギー加速器科学研究奨励会が共催している OHO セミナーが 2014 年に ILC をテーマとして行われており、大変詳しい
情報がまとめられているので、以下にリンクを掲載します (http://www.heas.jp/index.shtml)。
ILC の全体像を図 1 に示す。KEK にある加速

1. はじめにInternational Workshop on Future Linear
Colliders (LCWS14)について紹介いたします。
LCWS14 の会場はセルビアのベオグラードで、2014 年 10 月 5 日から 10 日の日程で行われました。参加者は 84 の研究機関、23 の国からの 193
名で、発表は参加者総数を上回る 243 件でした。
ほとんどの発表資料は会議のホームページ(http://lcws14.vinca.rs/welcome/)から取得可能な
ので、より詳しい情報を求められる場合は参照ください。会議のプロシーディングも 2015 年 3 月
締切でまとめられる予定です。なお、次回は Asian
Linear Collider Workshop として 2015 年 4 月に東京とつくばで開催される予定とのことです。
筆者は 2014 年の 6 月より ILC の放射線遮蔽設計に係わり、LCWS への参加は今回初めてであ器を例に乱暴に述べれば、地下 100m に KEK の電子陽電子加速器と KEKB リング相当の加速器を設置し、そこからのビームを約 11 km 長の電子用と陽電子用の超伝導線形加速器(STF の約 1000
台並べたものに相当)で 250 GeV まで加速し、ビームを整形して(ATF の FF ラインに相当、ただし全長は約 1km)、衝突させる加速器である。筆者
は電子陽電子加速器と KEKB リングの放射線遮
蔽設計の経験があるが、STF、ATF については経験がない。そこで、CERN、SLAC の放射線遮蔽のスタッフと KEK のシニアスタッフの協力を仰ぎ、放射線遮蔽のための国際チームを組織して検討に当たっています。
この会議が開催された 2014 年 10 月現在の ILCをめぐる状況ですが、2012 年に Technical Design
Report (TDR)がまとめられ、2013 年には日本国

図 1. ILC の全体構成図(TDR より引用)－ 13 －

内の設計対象サイトとして岩手県から宮城県に要な要因であると考えている。また、主リニアッ

またがる北上山地が選定されたのを受けて、特にクから下流に目を移すとビーム輸送システム、電サイトを特定していなかった TDR の内容を、実子源、陽電子生成ターゲット、ビームダンプなど、際にサイトと組み合わせた場合の設計について

TDR で設計はされているが、実際にサイトに設置検討が進められています。具体的サイトに TDR

し、施設の形状を決めるためには重要な機器があの設計を組み合わせた場合に、建設費の抑制や設る。これらはコストの面ではかまぼこ形トンネル

計の合理化がはかれる変更を行う場合は Change

ほどのインパクトはないと思われるが、放射線遮

request を出し、加速器設計チームで情報を共有

蔽設計にとっては施設全体の設計方針を左右す

して検討を進めていく仕組みも作られており、する大変重要な部分である。今回の会議で、これらでに 2 つの Change request が提出されていますの部分の検討状況を直接聞き、発表者と直接意見(http://ilc.desy.de/cm)。

交換ができたことは今後の設計において大変有

また、文部科学省では「国際リニアコライダー（ILC）に関する有識者会議」を設け日本学術会議用であった。

からの提言における諸事項につき専門的見地か

3. かまぼこ形トンネルの遮蔽設計

ら議論が行われています (http://www.mext.go.

かまぼこ形トンネルの遮蔽設計についての議論

jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/038/index.htm)。

は ILC の Conventional Facility and Siting(CFS)グループのセッションとして 3 日目の朝にこの段階において放射線遮蔽設計に求められ行われた。出席者は 20 名ほどで CFS のメンバーていることは、ILC 建設コストの尐なくない部分の他には、Accelerator Design and Integrationを占める施設設計の詳細化に必要な遮蔽壁や基(ADI)のメンバー、Technical Board(TB)のメンバ

幹設備の機能に対する情報です。特に施設の大部ーであった。筆者より加速空洞、モジュールの形分を占める主リニアックを納めるかまぼこ形ト状と材質を組み込んだ 3 次元モンテカルロシミュ

ンネル(図 2)の中央に設置される予定の遮蔽壁にレーションによる通常運転状態での線量率、誘導

ついては、コストの面から最適化が求められてい放射能の推定、ビーム異常があった場合のサービます。その他に放射線遮蔽の観点からは、主リニ

ストンネル側の線量率推定について報告を行っ

アックを納めるトンネルの外壁厚み、空気の取りた後、その内容について議論が行われた。

扱い、等もかまぼこ形トンネルの成否を決める重ILC の主リニアックトンネルの遮蔽設計について常に論点になるのは、そのビーム損失の特異さである。主リニアックは地球の丸みに沿った直線
で、完成形では口径の大きい加速空洞が並んでいるだけのところに、ダンピングリングで得られた
非常に小さいビームが通る事になっている。通常状態では TDR の最大ビーム出力 13.64 MW に対し、10,000,000 の 1 である mW オーダーのビー
ム損失が見積もられている。これは現在の技術で当然実現できるとされており、一方で今までの加速器の設計に使われてきた値と比べ、非常に高い最大定格であるとともに、非常に低い損失率であ

図 2. かまぼこ形トンネルの断面図 右側が加速器トンネルで左側がクライストロンや電源を納めるサービストンネル。中央にはこの 2つを仕切るコンクリート製の隔壁があるる。実際に加速器チームからは最も大きな「ビーム」損失は、ビームによるものでなく空洞の暗電流によるものであるとされており、生成放射能の－ 14 －

推定はこの値をもちいて行っている。現在は無限参加し、検討過程について理解を深めることがで時間運転した場合の値を推定しているが、今後運きた。参加した主なセッションは、ビーム輸送シ

転時間と休止時間の見積もりをもとに実生成量

ステムの設計に係わるもの、コリメータの設定にを推定する段階にある。

係わるもの、衝突後引き出しラインのビーム損失

一方、サービストンネルの線量率は暗電流によに係わるもの、クライオモジュールの暗電流の測るものは、そのエネルギーが低いことも有り、十定値に係わるもの、陽電子生成ターゲットの配置分に低い。この厚みを決めるのは通常時のに係わるもの、ダンピングリングのトンネル形状

10,000,000 倍のパワーが失われる「かも知れなに係わるもの、である。どのセッションも、大変い」機器異常時の線量率推定である。この異常時参考になる報告があったが、KEK からの参加者のビーム損失量の総量と事象の進展については、が議論をリードし、また、詳細かつ実際的な検討

翌日の ADI セッションにおいて Nikolai Solyak

を進めていることを知ることができた。これま氏による検討状況が報告された。まだ、検討の中で、同じ研究所にいながら担当加速器が違うこと途であり、具体的な値を与える状況ではないもの

から業務にかかわる議論をすることが無かったの、加速器の組み合わせと実際の運転状況、期待ので、大変よいきっかけになったものと思う。

できる機器を考慮に入れた、加速器の規模とパワコリメータから、L*、引き出しラインにおけるーに見合った非常にしっかりした検討内容であチューニングの設定、ビーム損失の見積もりにおるという印象を受けた。今後の検討の進展に期待

いては、KEK の奥木氏、SLAC の Glen White 氏、したい。

Yuri Nosochkov 氏の発表が大変参考になった。現

残念ながら今回の会議では、ビーム損失の推定

在 Change request として提出されている L*の変検討の報告の前日に CFS の議論があったために、更の影響について、理解することができた。なか

定量的な機器異常時のシナリオに基づいた線量でも奥木氏の発表内容は大変充実しており、実際率の議論ができなかった。参加者からはビームを的でも有り、このような検討が行われているので十分にとめることができれば、遮蔽壁のコスト最あれば、主リニアックで直面しているような検討

適化が可能であるとの意見が相次いだ。一方で主事項は早い段階で放射線遮蔽の検討に入れられリニアックを納めるトンネルの外壁厚み、空気のるのではないかという感触を得た。会議後に筆者取り扱い、などの点についてはほとんど議論になの素人質問にもおつきあいいただき感謝していらなかった。これは筆者の力不足によるものである。

る。

空洞の暗電流と放射線の関係については

今回の議論を受けて CFS グループでは遮蔽壁

Fermilab の Elvin HARMS 氏の発表と、これにを薄くできるとの感触を得て Change request に係わる KEK の山本康史氏との意見交換が大変参進 む 道 筋 を 進 め て い く よ う で あ る 。 Change

考になった。空洞の特性の系統測定が DESY や

request ではこれに至る検討とインパクトについFermilab、KEK で行われている中で、放射線のて慎重に検討されることから、現在十分でない情視点からの測定量の定量化と影響の推定という報についても確認の上、最適化がはかられるもの

部分で、協力ができそうな部分があることが共有と期待できる。このような変更を積み重ねることできた。暗電流は前述の通り主リニアックの遮蔽により、加速器としての全体的な設計が整えられ設計の根幹をなすものであるので、実際についてていく過程に係わることは大変興味深い。

常に気を配り、必要であれば設計に反映することが必要であると感じた。

4. ビーム損失と設計に係るセッション

陽電子生成ターゲットとその周辺の機器配置発表を行ったセッションの他は、Plenary セッシと遮蔽構造について、TDR 後の Conventional ションとビーム損失に係わる部分のセッションにステムの配置の最適化について、EDMS の情報を

－ 15 －

東北大学の佐貫氏よりいただき、これを運営している DESY の Benno List 氏と現状の認識について議論できた。3D のトンネル配置図ではなく建築図面を用意して放射線遮蔽設計を進めていく
必要性とこれを実現するための具体的方策について、直接協議できたのは、情報の共有とこれまでのアジア、ヨーロッパ、アメリカの 3 極での検討資産の活用という意味で遅ればせながら意味のあることになると確信する。

謝辞
今回の会議参加において渡航費と宿泊費の援助をいただいた高エネルギー加速器科学研究奨励
会に感謝いたします。また、一週間の会議参加について格段の配慮をいただきました、山本明リニ
アコライダー計画推進室長、山口誠哉加速器第 6研究系主幹、伴秀一共通基盤研究施設長、佐々木慎一放射線科学センター長及び放射線管理室員各位に感謝いたします。

－ 16 －

リング Higgs Factory の研究や議論が並行して行われ、興味あるテーマの報告や議論に参加できず不満が残るケー

高エネルギー加速器研究機構

スが多かったような印象がある。

加速器研究施設

筆者は、ワーキンググループ３の船越義裕

convener の仕事を引き受けたが、このワー2014 年 10 月 9 日から 12 日に中国高能研

キンググループは、「interaction regionの近くのホテル（Wanda Realm）で開催されand machine-detector interface」を扱う

た「Workshop on High Luminosity Circular

ものであり、ビームの衝突点付近の設計や

e+e- Colliders – Higgs Factory」に高エ加速器と検出器の間の整合性などを検討す

ネルギー加速器科学奨励会より助成金を頂るものであった。このワーキンググループ

き参加した。このワークショップは中国やでどういう人にどういう話をしてもらうか

CERN で計画されている主にリング型衝突加の計画を立てることも convener の仕事で速器を用いた Higgs Factory（ヒッグス粒あり、またワークショップでの講演の進行子を大量に作ってその性質を調べる）につや最後にまとめを行うことも仕事の一部でいて議論し、検討を行うことを目的に行わあった。具体的には、以下のような報告（講れた。中国高能研,CERN の他、BNL, SLAC,演）が行われた。

FNAL, LBL, DESY, INFN, Cornell 大,BINP,(1) CEPC IR optics : Yiwei Wang (IHEP)KEK 等から 98 名が参加し、真剣な議論が行(2) Status of the FCC-ee interaction

われた。KEK からは大見和史氏、大西幸喜

region design : Roman Martin (CERN)氏、杉本寛氏、森田欣之氏、中山浩幸氏、(3) Crab waist interaction region : Anton

及び筆者の 6 名が参加した。このワークシ

Bogomyagkov (BINP)

ョップの URL は以下の通りである。

(4) Choice of L* I: SR and other issues

http://hf2014.ihep.ac.cn(Joint with WG4) : Michael Sullivan

ワークショップの初日に行われたプレ(SLAC)

ナリーセッションでは、Higgs Factory を(5) Choice of L* II: IR optics and dynamic

中心とする衝突型加速器による物理研究のaperture : Eugene Levichev (BINP)

意義や CERN や中国で検討されているリン(6) Choice of L* III: requirement from

グを用いた Higgs Factory の検討の現状な

detector : Gang Li (IHEP)

どについて報告があった。初日の夕方から(7) Lost particles in the IR and Touschek

パラレルセッションに入った。このパラレ

effects : Manuela Boscolo (INF)

ルセッションでは９つのテーマごとにワー(8) Detector beam background simulations

キンググループに分かれて報告や議論を行

for CEPC : Hongbo Zhu (IHEP)

ったが、二つのワークンググループの報告(9) SuperKEKB background simulations :－ 17 －

Hiroyuki Nakayama (KEK)る yy を指標に取った。

(10) Beam-beam limit vs. number of IPs

y

J

xy x

(1)

J

yy y

and energy I: beam-beam simulation :ここで、 y は垂直方向のベータトロン振動

Kazuhito Ohmi (KEK)

数の変化、Jx, Jy は水平及び垂直方向のアク(11) Beam-beam limit vs. number of IPs

ション変数である。以下では、右辺の第一and energy II: scaling law : Ming Xiao

項は小さいとして無視し、第二項のみを考(IHEP)える。この yy は非線形の８極成分にあたる。

(12) Long-range beam-beam interaction

この報告では、衝突点付近の非線形性の発with the bunch train operation : David

生源として以下の３つを考えた。

Rice (Cornell U.)（１） 主に衝突点と最初の４極電磁石のこれらの内、(1)~(3)は衝突点付近の加速器

間のドリフトスペースから生じるの設計一般に関する報告であり、またKinematics 項（ k）(4)~(6)はその中で特に重要な、衝突点から（２） 主に最初の４極電磁石のフリンジ

最初の 4 極電磁石までの距離（L*）の設計から生じる非線形性（ f）

値を決めるためにいろいろな観点から検討（３） 衝突点付近の chromaticity を局所を行った結果が報告された。(6)~(9)は衝突的に補正するために用いられる６点付近のビームロスや放射光のため検出器

極電磁石からの非線形性（ sp）にバックグラウンドノイズが乗ってしまう

これら三種類の yy の項について、まず世界問題に関する検討結果の報告である。これのいろいろな加速器についての比較が示さも、場合によっては深刻な問題になる。

れた。例えば、SuperKEKB の LER では k が(10)~(12)は二つのビームの相互作用によ

1.26×106 m-1,る問題（ビームビーム効果）を検討した発-0.65×106 m-1 となり、４極電磁石のフリン表であった。これはいずれも非常に重要なジからの寄与が大きいとされている。因み問題であり、発表に続いて活発な議論がなに、 k は、L*に比例し、 f は L*の３乗に比され、将来の Higgs Factory の設計にも重例し、 sp は L*の２乗に比例するとされてい要な示唆を与えたものと思う。この中で興る。CERN のリング Higgs Factory の計画で味深いと思った BINP の Eugene Levichev

ある TLEP の場合は、これらの項が L*の関氏による(5)の講演について、簡単に紹介す数として Table１のように評価される。こる。この講演は、衝突点付近で発生する非の表に見られるように、TLEP の場合は、６線形成分の評価を衝突点から最初の 4 極電極電磁石による非線形性が最も危険である。

磁石までの距離（L*）の関数として評価し非線形性が大きい場合の最大の問題は、たものである。全ての非線形成分を評価す

dynamic aperture が減少して、ビーム寿命ることは難しいので、以下の式で定義されやビーム入射に困難をもたらすことである。

－ 18 －

fが 5.1×106 m-1,

spがLevichev 氏は、この dynamic aperture 減

筆者自身は、ワーキンググループ９

少の問題をトラッキングシミュレーション（Instrumentation and Control）において、を用いて、研究中である。６極電磁石の非「Lessons learned from the B-Factories

線形性については、６極電磁石をペアで設and implications for a high-luminosity

置して、そのペアの間で非線形をキャンセ

circular e+e- Higgs factory」と題した３ルする方法が取られるが、６極電磁石の長０分の講演を行った。ここでは、KEKB におさが有限であることに起因して高次の項がける以下の経験について話をした。
（１）電キャンセルされずに残る。これに対しては、

子雲の効果の診断や対策、（２）ビーム位置より弱い６極電磁石の別のペアを近くに設モニタ(BPM)を用いた光学系の補正や BPM

置することにより、非線形をかなり減らす

自身に関する問題で、例えばビーム用いたことができるとされている。

電極のゲイン校正や４極電磁石や６極電磁

このように、衝突点付近の光学上の非石との相対位置（オフセット）の補正の問

線形性の問題、従って dynamic aperture の題、BPM のケーブルが日光による加温で誤観点からは、L*は小さい方が望ましい。まった値を出した時のルミノシティへの影響

た、(4)の講演では検出器に影響を与えるの問題、（３）衝突を維持するための衝突点

SR（放射光）の観点からも L*は小さい方が付近の軌道フィードバックシステムの経験、

望ましいことが示された。しかし、(6)の講（４）ルミノシティ調整の方法や連続入射演では、検出器の観点からは L*は大きい方に関する経験、等である。これらの経験のが望ましいことが示された。今後、TLEP やいくつかは、将来のリング Higgs Factory

CEPC の設計ではこれらの問題を考慮して、でも有用であると期待される。講演後、軌最適な L*の値を決めることが必要である。

道フィードバックシステムやルミノシティ
調整に関する熱心な質問が出た。また、筆sp者は個人的な事情で参加できなかったが、

(m-1)

(m-1)

このワークショップの直後に、中国高能研

0.08

0.009

-8

のリング Higgs Factory の計画である CEPC

1

0.11

0.025

-16

に関するレビューが開催され、ここでも

2

0.20

0.21

-64

KEKB のルミノシティ調整の方法について議

3

0.71

0.71

-144

論が行われたと聞いている。

∝L*

∝L*3

∝L*2

L* (m)

k

×10-6

f

(m-1)
0.7

×10-6

×10-6

Table 1. TLEP のパラメータを用いた衝突点付近の非線形性の評価（

*

y

=1mm,

K2=0.16m-1）－ 19 －

き，光学調整の自由度が増した。また，KEKB で

高ルミノシティ加速器実験におけるビーム
バックグラウンドの見積りと検出器保護対策に関する研究は衝突点を通り抜けたビームが下流側最終収束電磁石の中心から離れた点を通過し，そこで軌道が曲げられていた。これによってディスパージョンが発生し，それを抑えられなければエミッタンス

高エネルギー加速器研究機構の増大につながる。SuperKEKB では各リング専
用の最終収束磁石を持つことで，こういった無用

素粒子原子核研究所

なベンドを回避している。また，後述するバックグラウンドの抑制にもつながっている。

中山浩幸
大きな交差角への変更に従い，衝突点付近の設計
は KEKB と比べて大きく様変わりした。まず，最1. イントロダクション
我々は，現行の KEKB 加速器をアップグレー
ドし，低エミッタンスビームを用いて約 40 倍

終収束電磁石よりも内側でビームパイプが二股に分かれるため，ビームパイプ径は 20mm よりも小さくなければ，他方のビームがコイルの外を通の高ルミノシティを目指す SuperKEKB 加速器

るような電磁石の設計が成り立たない。また，水の建設準備を進めている。SuperKEKB では，ル

平方向に交差するため，ビームパイプが占める容

ミノシティの向上に伴い検出器バックグラウン

積が大きくなり，検出器とビームパイプの間の隙

ドも大幅に増える。衝突点付近の設計の際には，間が減って，ケーブル配線や冷却配管のスペース

これらのバックグラウンドの詳細を理解し，検の取り合いが厳しくなっている。さらに，その狭出器の性能を著しく損ねない程度に抑える必要いスペースの中で，増大するバックグラウンドにがある。

備えて，バックグラウンドを止めるシールドを置く場所も確保する必要がある。また，細い径で十分な強度を実現するため，サポート機構について

2．衝突点設計も注意深く設計する必要がある。
3. ビームバックグラウンド
SuperKEKB で想定されるバックグラウンド源には以下のようなものがある。
(1) タウシェック散乱：
同一バンチ内のビーム粒子が衝突して運動量が増加または減尐する。軌道を外れた粒子が衝突点付近でビームパイプに当たってシャワーを生SuperKEKB のビーム交差角は KEKB の 22mrad よ

成し，検出器へ届くとバックグラウンドとなる。

り大幅に大きい 83mrad となった。KEKB では最散乱確率はビームサイズに反比例するため，
KEKB に比べてタウシェック散乱は大幅に増え

終収束磁石を電子リング・陽電子リングで共有していたが，SuperKEKB では交差角を大きくしたことで各リング専用の最終収束磁石を置くことがで－ 20 －

る。

対策としては，軌道を外れた粒子をリング各部(3)

シンクロトロン放射に配置した可動コリメータで可能な限り落とし，衝突点付近まで到達させないことが鍵になビームが磁場によって曲げられる際に放射光る。詳細なスタディの結果、衝突点直前の直線を出す。衝突点手前の最終収束電磁石で発生した放射光(数～数 10keV)がビームパイプのベリ

部に複数の可動コリメータを導入することで、衝突点のロスを 100 分の 1 程度（1GHz 以下）にまで抑えることができることがわかった。検出器に最も近いコリメータは衝突点から約 20m に

リム部を貫通して内装の検出器(PXD/SVD)に当たると、バックグラウンドとなる。

設置され、チップスキャッタリングによる二次シャワーの影響に留意する必要がある。KEKB
では水平コリメータはリング内側にのみ設置されたが、SuperKEKB ではリングの外側からもコ
リメートする必要があるため、放射光による発熱を抑える冷却機構が組み込まれる。
(2) ビームガス散乱：
ビーム粒子が残留ガスに衝突し，クーロン散乱により角度が変わるか，制動放射によってエネ
ルギーが減尐する。後者は大したことはないが、前者はナノビームにおいて非常に危険なバック衝突点付近のビームパイプ形状に工夫がある。

グラウンド源である。最終収束電磁石での垂直ベータ関数が非常に大きく、衝突点付近ビーム

上流側のビームパイプは衝突点に近づくに連れて半径が 10mm4.5mm に小さくなるテーパ

パイプ径が小さいことから、ビームガス・クー
ロン散乱によるビーム寿命は KEKB の時よりも構造になっており、ビーム軌道と平行に飛んで大幅に短くなる（10 時間→30 分）。最終収束電磁石の内部で 100GHz 以上のビームロスがあっとはない。テーパ部分の斜面には鋸歯状の段差てはたまらないので、垂直コリメータを導入す

リリウム部に到達しにくい。

きた放射光が直接ベリリウム部分に当たるこがついており、斜面で一回散乱した放射光もベることになるが、置き場所の選択が難しい。通常、可動コリメータはベータ関数の大きなところに置くとビームコアとハローを分離しやすい
が、ベータ関数に比例して大きくなる Transverse
Mode coupling instability がこのケースでは問題になってくる。詳細なスタディの結果、許される解は、「ベータ関数が比較的小さい(~100m)場
所に、ビームとの距離が非常に狭い(~2mm)コリ
メータを置く」であることがわかった。コリメ
ータ幅の許容範囲は小さく、50m の制度が要求される。

(4) Radiative Bhabha 散乱
ルミノシティに比例する。衝突点で電子と陽電子が Radiative Bhabha 散乱すると，ビーム軸方向に光子が出る。この光子がずっと下流の偏極電磁石の鉄に当たって巨大双極子共鳴反応
によって中性子が発生し，検出器付近まで戻って来たものがエンドキャップ検出器のバックグラウンドとなる。また，高いエネルギーの光子を出し、エネルギーが 2GeV 以下になったビーム粒子（電子・陽電子）の一部は、軌道を外れて検出器内部でロスする。粒子のロスレート－ 21 －

元のビームエネルギーに換算して各リング約1GHz で、この値は検出器ソレノイド磁場とビ(3) 長期運転による検出器ダメージ蓄積（ガンーム軌道の角度でほぼ決まり、削減は事実上不可能である。 SuperKEKB が設計ルミノシティ

やカロリメータ結晶へのダメージ等）を達成した際には、Radiative Bhabha 散乱が最も大きなバックグラウンド源となる。

これまでの検出器シミュレーションの結果、10年間の SuperKEKB 運転において、現在の検出(5) 2 光子過程器バックグラウンドはほぼ許容値以下に抑えられている。唯一、TOP 検出器の PMT の光電

マ・中性子によるシリコンを使った検出器

面の寿命は数年しか持たないが、最近開発された新型 PMT では寿命が大幅に伸びるため、運同じくルミノシティに比例する。
e+e-e+e-e+e-過程で生成した電子陽電子対

転開始後数年以内に新型と交換する予定であは、ソレノイド磁場に巻き付く軌道を描き、3MeV 以上の場合は最内層の PXD 検出器に到る。

達する。ビームパイプで多重散乱して軌道がずれると、PXD に多数回ヒットする事があり、注５．終わりに意が必要である。

本研究の成果は、2014 年 10 月に北京で行われた国際学会 The 55th ICFA Advanced Beam

４．検出器シミュレーション

Dynamics Workshop on High Luminosity Circulare+e- Colliders – Higgs Factory 2014 において発表

我々は、加速設計に用いられるトラッキングコ
ード SAD と、検出器シミュレーションで用いされた。

られる GEANT4 を併用して、バックグラウン

以上

ドの影響を見積もっている。具体的には、散乱した粒子がビームパイプの内壁に当たるまでSAD でトラッキングを行い、SAD が出力した粒子の位置と運動量を Geant4 の初期粒子として入力して検出器シミュレーションを行っている。
ビームバックグラウンドが検出器に与える影
響は、大きく分けて以下の様なものがある。
(1) バックグラウンド信号増加による測定精度の悪化（運動量測定、粒子識別など）(2) バックグラウンド信号増加による不感時間の増加（PXD の読み出し帯域不足、中性子による FPGA エラーのリセットなど）－ 22 －

した光のエネルギーを損失する。円形型では失っ

超高ルミノシティ衝突型加速器における力学口径研究会参加

たエネルギーを補いつつ加速する必要があるために高エネルギーまで加速することはたやすい
ことではない。従って、飛行軌道を曲げない直線型加速器の方が高いエネルギーまで到達しようとすると原理的に有利である。しかしながら、衝高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設大西幸喜

突させる頻度では、ビームが何周も同じところを回ってくるので円形型加速器の方が有利である
ことが容易に想像される。この研究会では、円形型加速器についての研究に焦点を絞っている。その理由の一つとして、最近、欧州原子核研究機構

1.

序（CERN）の LHC 加速器実験で観測された「ヒッ「 Advanced Beam Dynamics on High Luminosity

グス粒子」と思しき粒子の質量が 125 GeV と比較

Circular e+e- Colliders – Higgs Factory (HF2014)」と的軽かったことが挙げられる。ヒッグス粒子を生呼ばれる国際会議が、中国北京において平成２６

成するには、重心系のエネルギーで 240 GeV の加

年 10 月 9 日より 10 月 12 日の 4 日間にわたり開速器が必要であることがわかった。そのエネルギ催された。これは、将来の加速器を考える国際委

ー領域に到達する衝突型円形加速器の可能性を員会（ICFA）によって主催された会議である。

検討し始めているところである。具体的に検討さICFA が主催する会議では、発表者は会期中に研れているものとして、CERN の FCC と中国の究内容に即したプロシーディングの提出が厳し

CEPC と呼ばれる加速器が挙げられる。

く義務付けられている。本研究の詳細かつ専門的

ヒッグス粒子は、物質に質量を与える機構を備な内容は出版予定のプロシーディングに書かれえていると考えられている。物体が運動する時にている。プロシーディングの研究内容を交えて国ヒッグス粒子が抵抗として働き重さを感じるが、際会議で得た研究成果の報告をしたいと思う。

等速運動の場合にはヒッグス粒子は感じず、加速

世の中には、医療用加速器、放射光利用光源、度のある場合のみヒッグス粒子を感じるという素粒子実験用の衝突型加速器などがある。本研究特徴がある。従って、所謂エーテルのような抵抗

対象は、衝突型加速器である。衝突型加速器実験とは異なり、等速運動する物体は減速しない。こでは、自然界の基本的な物質（これ以上構成要素のようなヒッグス粒子が発見されたと言っても、に分けられない素粒子）とは何か、また素粒子に未解明な領域が多く残っている。従って、現在ヒ

働く力の性質とは何かという人類普遍の根源的ッグス粒子を研究することは素粒子物理学の最な疑問を解明する学問である。これらの事が解明

重要課題となっている。ヒッグス粒子を大量に生できれば、「宇宙の始まり」を理解し「将来の宇成する加速器は、ヒッグス・ファクトリーと呼ば宙」を予測することが可能と思われる。

れる。高エネルギー加速器研究機構で建設中であ衝突型加速器で注目されるパラメータは、加速る SuperKEKB 加速器[1]における最先端水準のする荷電粒子のエネルギーと、それらを互いに反「技術の結晶」は円形のヒッグス・ファクトリー

対方向から衝突させる頻度である。加速器の形状に応用できるので、ベンチマークとして的な分類によれば、加速器は円形型と直線型に分SuperKEKB 加速器は世界中から注目されてい類される。加速器で加速される多数の荷電粒子のる。

集まりをビームと呼ぶこととする。ビームを構成「新しい物理」の兆候を発見しようとする場合、する荷電粒子の飛行軌道をプリズムの役割を果前述したように直接高いエネルギーの加速器をす偏向磁石で曲げようとすると、光を放って放出

建設するという手段の他に、後に述べる衝突頻度－ 23 －

の高い加速器を建設するという２つのアプローる。また、ビーム電流は KEKB 加速器の 2 倍の 3.6

チがある。後者に分類される SuperKEKB 加速器

A を設計値としている。以上より、KEKB 加速器

は、次世代の B ファクトリーである。B ファクトの到達した 40 倍のルミノシティが設計上達成でリーとは B 中間子を大量に生成し、B 中間子に含きる加速器パラメータとなっている。

まれる b クオークが、“間接的に高いエネルギー

SuperKEKB 加速器は２つの円形加速器からな状態”に遷移して崩壊する事象を調べ「新しい物っている。一つは電子を蓄積し、もう一つは陽電理」の兆候を発見しようとするものである。間接子を蓄積し、互いに反対方向に何周も周回させ的な高いエネルギー状態は、非常に稀な現象なのる。山手線で言えば外回りが電子ビームであり、で、大量の B 中間子を作り出す必要がある。物理

内回りが陽電子ビームである。山手線と異なると事象の数（N）は、反応断面積（σ）と衝突頻度（L）

ころは、２つの円の大きさが全く同じというとこと実験期間（T）をかけ合わせたものである。

ろである。従って、２つの円を水平方向に尐しずらした配置となっている。このため、内外入れ替わる場所が２箇所でき、そのうちの一箇所は上下(1-1)に素通りさせ、もう一箇所で電子と陽電子を衝突
反応断面積 σ は自然界の法則によって決まってい（交差）させる。ここに、巨大な測定器を設置し、るので事象数を大きくしようとすると人間の努衝突反応で発生する粒子を観測し物理現象を解力によって衝突頻度 L を大きくするしか手立てが明する。

ない。L はルミノシティと呼ばれ加速器の性能を2.

示すパラメータの一つである。従って、SuperKEKB 加速器では、KEKB 加速器の 40 倍のルミノシティに相当する 8x1035 cm-2s-1 という超高ルミノシティを達成することが課題となる。
ルミノシティは、重要な 3 つのパラメータによって表される。

ビーム光学設計

陽電子ビームを蓄積する円形加速器（リング）を
LER 、電子ビームを蓄積するリングを HER と呼ぶ。B ファクトリーで必要な重心系エネルギーを得るためには、LER のビームエネルギーは 4
GeV、HER は 7 GeV である。電子と陽電子は線形加速入射器（リナック）によって、リングと同
じエネルギーで供給される。ビームはリングの中(1-2)

を水が流れるように流れているわけではない。高

ここで、I はビーム電流、ξy は垂直方向のビー
ムビーム・パラメータ、βy*は、衝突点垂直ベータ関数と呼ばれる。ビームビーム・パラメータは衝突するビームとビームの相互作用の強さを示す。
KEKB 加速器では 0.09 程度が達成されており、SuperKEKB 加速器でも同程度の値が達成されると仮定している。式(1-2)より、ルミノシティを高くするためには、衝突点垂直ベータ関数を小さくし、ビーム電流を大きくすれば良いことがわかる。衝突点垂直ベータ関数は、衝突点で垂直方向にビームを如何に小さく絞るかを示し被写界深度に相当する。SuperKEKB 加速器では、超伝導４極磁石を用いて KEKB 加速器の 1/20 にあたる
300 μm まで垂直にビームを絞ることが可能であ

周波加速空洞を用いて加速する性質上、安定なポテンシャルは離散的になるので、ビームは、安定
ポテンシャルの周りで固まりとなる。この固まりのことを「バンチ」と呼ぶ。バンチには大きさがある。水平方向の広がり、または垂直方向の広がりを「ビームサイズ」と呼び、進行方向の広がりを「バンチ長」と呼ぶ。バンチに含まれる粒子数には上限がある。1 つの円形加速器で電子バンチと陽電子バンチを蓄積し衝突させることは可能であるが、全部で衝突点と同数のバンチしか基本的に蓄積できない（でないと、多くの望まない場所で衝突してしまいビームは不安定になる）。円
形加速器を 2 つ作ることで、前述の制限は無くなる。従って、多数バンチを蓄積することが容易と－ 24 －

なりアンペアー級の大電流を蓄積することを可能としている。
ビームを互いに正面衝突させる場合、垂直方向のベータ関数を 300 μm まで絞ると、バンチ長も(2-3)

同程度に短くしないとルミノシティは幾何学的に大損し、式(1-2)のようにルミノシティは高くな

ここで、γ はローレンツ因子、ρ は偏向磁石の曲率らない。このことは「砂時計効果」として知られ半径、αx と βx は Twiss パラメータ、ηx は分散関数ている。しかしながら、このレベルまでバンチ長である。SuperKEKB 加速器でエミッタンスを小さを短くすると SuperKEKB 加速器の場合、コヒー

くするには、偏向磁石でエネルギーの違いによっ

レントな放射光によりビームが不安定になるこて軌道が分散する割合を出来るだけ小さくするとがわかっている。この事態を打開するためにビーム光学系が必要となる。そのためには、偏向「ナノビーム」と呼ばれる方式がイタリアの P.

磁石の長さを長くする（曲率半径を大きくする）、

Raimondi らによって提唱された[2]。この方式で凸レンズおよび凹レンズの役割をする収束・発散

は、衝突点水平方向のビームサイズを小さくし、4 極磁石の磁場強度を強くする（分散関数の調節）

大きな交差角を持たせて、細長いビームを斜めになどの努力を行う。
一方、垂直ビームビーム・パラメータは、衝突させて、進行方向の重なり合う領域を実際のバンチ長よりも圧倒的に小さくする。このアイデアによると、バンチ長は KEKB 加速器と同程度(2-4)

である 6 mm と長くても良いことになる。
重なり合う領域に相当する見かけのバンチ長は、と表されるので、垂直ベータ関数を小さくする
分、垂直エミッタンス（εy）も小さくしないとビームビーム・パラメータは設計値に到達しない。
必要な垂直エミッタンスは水平エミッタンスの(2-1)

約 0.3 %である。従って、加速器の制作誤差およ*と表される。ここで、ζx は水平方向のビームサイ

びビームビーム相互作用等で垂直エミッタンス

ズ、φx は２つの衝突するビームのなす水平交差角が悪化する要因を含めて達成しなければならなの半分で 41.5 mrad である。ナノビーム方式におい εy は約 10 pm と非常に難しいものである。

いて、砂時計効果を避けるためには以下の条件を3.

満たす必要がある。

ビームを安定にリングで蓄積するためには、ビー
ムの寿命は、ある程度長くなければならない。

(2-2)

SuperKEKB 加速器では低エミッタンスであるた

従って、垂直ベータ関数を 300 μm まで絞るためには、式(2-1)より、水平ビームサイズを 12 μm 以
下にする必要がある。ビームサイズは、「エミッタンス」と呼ばれるパラメータと水平ベータ関数の積の平方根として表されるので、エミッタンス
を 3 nm~5 nm、衝突点水平ベータ関数を約 30 mmに絞る。エミッタンス（εx）はビームの品質を表すパラメータである。エミッタンスは、モード結合がない場合、次式で表現される。

力学口径

めに Touschek 寿命がビームの寿命を決める大きな要因となる。Touschek 寿命とは、バンチ内粒子の水平方向の衝突によって、僅かな横方向の運動量変化が、ローレンツ因子によって進行方向の運動量が大きく変化し、力学的な安定領域から逸脱し失われることによって決まる寿命である。
Touschek 寿命を長くするためには、力学的に安定な領域、つまり力学口径を大きくすることが考えられる。

－ 25 －

力学口径は、ビーム光学系の非線形効果によっ

その間の転送行列が-I’となるように配置する。まて制限を受ける。まず、衝突点でビームを小さくた、6 極ペアーを入れ子には配置しない。こうす

絞るための最終収束磁石での非線形効果が問題ることによって、ペアーのうち片方の 6 極磁石にとなる。その指標としてよって受ける非線形キックは、他方の 6 極磁石によってキャンセルされるので、力学口径を大きく(3-1)

取れることが期待できる。

ここで、Jy0 は初期垂直振幅（アクション）、K は
最終収束磁石の磁場強度、L*は衝突点から最終収束磁石までの距離、A(μy)は普遍関数である。式(3-1)は、衝突点垂直ベータ関数が小さい程、また最終収束磁石が衝突点から離れるにつれて力学
口径が小さくなることを意味する。表１に、関係するパラメータを示す。KEKB 加速器の Jy0/A(μy)
は 4.2μm なので、それと比べると SuperKEKB 加
速器は約 200 倍も小さいことがわかる。
表 1 力学口径の指標となるパラメータ
項目

LER

HER

単位

βy*

270

300

μm

K

-5.1

-3.1

1/m2

L*

0.76

1.22

m

Jy0/A(μy)

0.032

0.018

μm

図 1 LER における局所的色収差補正。
局所的色収差補正は、垂直方向用（Y-LCC）と水平方向用（X-LCC）の２種類が衝突点を挟んで両側に配置されている。最終収束磁石と局所的色収差補正とのベータトロン位相差は π ないし 2πと調節され色収差を効率よく補正している。図 1

次に、最終収束磁石でビームを絞ることによって、大きな「色収差」が発生する。この大きな色および図 2 に局所的色収差補正のビーム光学設計を示す。

収差を補正するために、非線形磁場である 6 極磁石の強さが強くなり問題となる。色収差とは、凸レンズや凹レンズの収束・発散磁石で運動量の異なる粒子について焦点距離が変化する割合を意味する。SuperKEKB において色収差は、LER で-105（水平）、-776（垂直）、ΗΕR で-171（水平）、-1081（垂直）である。これは KEKB 加速器の 10倍に相当する。これらの色収差のうち約 80 %が衝
突点（IP）付近の最終収束磁石で発生している。
これを有効に補正するためには、なるべく最終収
束磁石の近くで色収差を補正することである。
SuperKEKB 加速器では、「局所的色収差補正」を導入する。局所的色収差補正では、「ノンインターリーブド 6 極色収差補正」を採用している。
ノンインターリーブドでは、2 台の 6 極磁石を、－ 26 －

図 2 HER における局所的色収差補正。

円形加速器のアーク部においても、力学口径をを内接する楕円でフィットし、楕円の面積からそ大きく取りたいのでノンインターリーブド 6 極色

れぞれ、Touschek 寿命を計算し、2 つの平均値を収差補正を採用している。

最終的な Touschek 寿命としている。これらの図か

4.

ら、ほぼ 600 秒の Touschek 寿命が得られており、力学口径の最適化

力学口径を推定する方法として、解析的な手法や摂動論は適用することが難しい。なぜならば、加速器には、最終収束磁石、6 極磁石などの非線形

これは SuperKEKB 加速器の目標値であり、入射器がビームを供給する能力と測定器に与えるバックグラウンドからの要求を満たす。

要素が必ず存在するからである。従って、力学口径の評価は、数値計算に頼らざるを得ない。ここでは、SAD と呼ばれる計算機コードを使用している。粒子の力学的状態を表す 6 個の正準変数、x、
px、y、py、z、δ を用いて粒子の軌道を追跡するトラッキングと呼ばれる手法を使う。トラッキン
グ・シミレーションでは、放射減衰を入れずにシンクロトロン振動を入れる。
力学口径を最適化するためには、54 ペアーの 6極磁石、2 ないし 3 台の 8 極磁石、10 ないし 12
ペアーの歪 6 極磁石の磁場強度を調節して最適化する。このように、多くの変数を一度に最適化する必要があるために 2 段階に分けて最適化を行

図 4 HER における力学口径と Touschek 寿命。

5.

う。第 1 段階では、6 極磁石を用いて色収差補正を行う。第 2 段階では、全ての変数を用いて、Touschek 寿命を評価関数とした downhill-simplex法によって最適化を行う。図 3 および図 4 に、力学口径と Touschek 寿命を示す。図に示す横軸は運動量方向の安定領域であり、縦軸は水平方向の安定領域である。垂直初期振幅の水平初期振幅の比率はエミッタンス比に固定されている。２本あるビームビーム相互作用における力学口
径

前章までは、製作誤差およびビームビーム相互作
用のない場合の力学口径について述べてきたが、特にナノビーム方式ではビームビーム相互作用
が力学口径に与える影響は大きいと予測される。
水平方向に振幅を持つ粒子は、大きな交差角があるために進行方向に衝突点から離れた場所で相手ビームと衝突する。ビーム軸に沿った衝突点からのずれ Δz によるベータ関数は、

プロットは初期位相の異なる場合を示す。これら(5-1)と表される。従って、水平振幅を持つ粒子は大きなベータ関数のところで相手ビームよりキックを受ける可能性がある。この現象は、前述した砂
時計効果と同様のものである。ビームビーム・キックを受けた場合の垂直方向の振幅は、(5-2)

図 3 LER における力学口径と Touschek 寿命。

ここで、θbb,y は、ビームビーム相互作用によるキック角を表す。垂直振幅が増加して力学的に安定領域から逸脱すれば、粒子は失われ力学口径が減尐する。例えば、30ζx の水平振幅を持つ粒子の場－ 27 －

合、進行方向のずれは 3.6 mm となり、その場所での垂直ベータ関数は 48 mm となる。これは衝突点垂直ベータ関数の約 180 倍に相当する。
ビームビーム相互作用による Touschek 寿命は、HER では 10 %の減尐に過ぎないが、LER では影響が大きい。その理由は、ビームのエネルギーが低い上にバンチ内粒子数が大きいためである。図
5 に LER におけるビームビーム相互作用のある力
学口径を示す。

ものである。垂直ベータ関数が最小になる設計上の衝突点の場所をウエストと呼ぶ。水平方向の振幅に合わせてウエストをずらすことができればビームビーム相互作用による力学口径の減尐を回復することができる。ウエストをずらす方法として、衝突点の両側に 6 極磁石を配置して非線形磁場を利用する。6 極磁石では、水平方向の変位に比例した 4 極磁場（レンズ）を作って衝突点でのウエスト（焦点距離）をずらす。写像を用いた
理想的なクラブ・ウエストについてはビームビー
ム相互作用のもとでの力学口径が回復すること
が数値シミレーションによって確認されている。

s [m]

図 6 クラブ・ウエスト方式を採用した LER のビーム光学系。
図 5 LER におけるビームビーム相互作用のもとでの力学口径。横軸は水平、縦軸垂直方向。
図 5 で、初期運動量のずれが 0 の場合における水平方向と垂直方向の力学的に安定な領域を白色で示している。黒色は力学的に不安定な領域である。図 3 と比較して、ビームビーム相互作用がない場合約 40ζx の水平振幅を持つ粒子が安定であるが、ビームビーム相互作用のもとでは 10ζxの水平振幅までの安定領域しかない。Touschek
寿命で言えば 100 秒程度に寿命が短くなっている。現在、ワーキング・ポイントを変えて再最適化を行っても 230 秒程度の Touschek 寿命までしか達成されていない。これを解決する方法の一つとして次章でのべる「クラブ・ウエスト」方式[3]
がある。

6.

クラブ・ウエスト方式

クラブ・ウエスト方式では、ビームの水平方向の広がりによる砂時計効果を緩和することができる。そのため、垂直方向のビームビーム・キック
を抑えることができ力学口径が回復するという次に、具体的に LER のビーム光学系にクラブ・
ウエスト方式を組み込む。図 6 にビーム光学系を示す。2 台のクラブ・ウエスト用 6 極磁石を分散関数が 0 である直線部に設置した。6 極磁石と衝突点とのベータトロン位相差は、水平方向で π、
垂直方向で π/2 の整数倍になるようにする。さらに 6 極磁石での垂直ベータ関数を大きく、水平ベータ関数を小さくする。図 7 に、ビームビーム相
互作用のもとでの水平方向の力学口径を示す。横軸はクラブ・ウエスト用 6 極磁石の磁場強度である。確かに、クラブ・ウエスト用 6 極磁石の磁場強度を上げていくと力学的に安定な領域が回復していることがわかる。しかしながら、別の制限
で力学的安定領域が制限されていることもわかる。ビームビーム相互作用がなければ、水平方向の力学的安定領域は約 40ζx はある。クラブ・ウエ
スト用 6 極磁石の磁場強度を上げていくにつれて、安定領域が減尐している。従って、ビームビ
ーム相互作用がない場合でも、クラブ・ウエスト
方式では力学口径が減尐していることが問題となる。例えば、6 極磁石の磁場強度を 11 m-2 とした場合、力学口径のはずれでは水平方向の運動は－ 28 －

安定であるが垂直方向の運動が不安定になっていることがわかった。これは、衝突点を挟む 2 台の６極磁石の間の写像が線形性を保っていればクラブ・ウエスト用 6 極磁石の非線形キックは互
いにキャンセルされて問題とならないが、現実的には最終収束磁石による強い非線形があるためにキックがキャンセルされずに大きな問題となることを示している。

器を改造して建設されている。従って、出来るだ
け多くのものを再利用することに大きな労力をかけている。特に、既存のアーク部をほとんど再利用して低エミッタンス化を行っている。リング
単体での設計が成熟してからも、ビームビーム相
互作用のもとでの LER における力学口径の問題は未解決である。
ナノビーム方式は、もともとイタリアのフラス
カッティ研究所の加速器グループから出てきたアイデアである。また、イタリア・グループと
KEK との共同研究が継続して行われてきた中で様々なことを検討し成熟させてきた。クラブ・ウ
エスト方式の弱点を克服するアイデアはロシアのノボシビルスク・グループから提案された。この一連の研究活動には、国内のみならず海外の研究者との交流は必要不可欠である。今後も新しいアイデアを捻出し検討を続けていく予定である。

8.

図 7 クラブ・ウエスト用 6 極磁石の磁場強度とビームビーム相互作用のもとでの学口径の関係。

この効果を緩和するために、弱い 6 極磁石をク
ラブ・ウエスト用 6 極磁石の近くに配置して非線形性をキャンセルするという方法がある。この方法は、ここでは検証されていないが試す予定である。

7.

研究成果と研究の展望

SuperKEKB 加速器の基本的な方針が、ナノビー
ム方式に決まったのは 2009 年 12 月のことである。超高ルミノシティを達成するためには、今のところナノビーム方式を除いて可能性は低い。しかしなが、衝突点ベータ関数を、今まで経験したことのないレベルまで小さくする難しさや、超低エミッタンスを実現できるかの検証など、様々な困難を克服してきたという経緯がある。２つのリングの設計は、それぞれ独立に行われてきた。特に衝突点の設計は、ナノビーム方式に特化したものである。SuperKEKB 加速器は、KEKB 加速

謝辞

この研究は、SuperKEKB 加速器グループによってサポートされており、関係する全ての人々に感謝します。特に、ビーム光学グループの人々、理論的見地からアドバイスしていただいた大見氏と船越氏に感謝します。また、当該国際会議に招待してくださった国際会議組織委員会の皆様、ならびに会議で活発な意見交換を行った研究者の皆様に感謝いたします。最後に、当該国際会議に出席するために助成してくださった加速器奨励会ならびにサポートされている企業の皆様に感謝いたします。

参考文献[1] Y. Ohnishi et al., Prog. Theor. Exp. Phys.
2013 03A011 (2013).
[2] “SuperB Conceptual Design Report”,
INFN/AE-07/2, SLAC-R-865, LAL 07-15,
March 2007.
[3] P. Raimondi
February 2007.

－ 29 －etal.,

LNF-07-003-IR,

HF2014 REPORT OF WORKING GROUP 5:
SUPERCONDUCTING RF*
Sergey Belomestnykh#,1,2 and Yoshiyuki Morita§,3
Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, U.S.A.
2)
Stony Brook University, Stony Brook,NY 11794, U.S.A.
3)
KEK, Tsukuba,Ibaraki 305-0801, Japan

1)

Abstract
This report summarizes presentations and discussions
that took place during two sessions of the Working
Group 5 (WG5) of the HF2014 workshop. In WG5 wereviewed Superconducting RF (SRF) systems of FCC-eeand CEPC and considered SRF structures, peripheral
components and other issues relevant to the future
circular colliders. In particular, we discussed the validityof cavity parameters and cavity design (frequency,
voltage, input RF power, coupling, and HOM damping
scheme), high power couplers, HOM dampers, frequency
tuners, operating experience and other issues. As theresult of WG5, we have come up with a list of important
issues that have to be addressed in future studies.

INTRODUCTION
The two proposed future high luminosity energy
frontier e+e-circular colliders, Circular Electron-Positron
Collider (CEPC) in China and Future Circular Collider(FCC-ee) at CERN,would operate as Higgs Factories aswell as at other energies of interest (Z, W, top quark) for
precision measurements and search for rare processes.
Circumference of these machines will be in the range of
50 to 100 km. Radio-frequency systems of thesecolliderswill utilize superconducting RF structures andwill have to compensate energy loss of several GeV due
to synchrotron radiation with an RF power limit set to~100 MW. As a result, these systems will have a large
number of SRF cavities equipped with high-power RF
input couplers and with strong damping of higher ordermodes (HOMs). Working Group 5 of the 55th ICFA
Advanced Beam Dynamics Workshop onHigh
Luminosity Circular e+e- Colliders – Higgs Factory(HF2014) was dedicated to discuss topics relevant to the
SRF systems.In this report we summarize the discussions
and outline important R&D issues.

SRF SYSTEM PARAMETERS AND
REQUIREMENTS
Both CEPC and FCC-ee would use large
superconducting RF systems as the energy loss tosynchrotron radiation is very high and the systems would
have to compensate power loss of ~50 MW per beam.
___________________________________________*Work is partly supported by Brookhaven Science Associates, LLC
under contract No. DE-AC02-98CH10886 with the US DOE.
#
sbelomestnykh@bnl.gov§
yoshiyuki.morita@kek.jp

Table 1: Key parameters of the CEPC and FCC-ee SRF
systems
Parameter

CEPC

FCC-eeBeam energy

120 GeV

120 GeV(175 GeV)

Energy loss per
turn

3.11 GeV

1.67 GeV(7.5 GeV)

Synchrotron
radiation
power

103.4 MW

100 MW

Bunch charge

60.56 nC

59.2 nC(13 nC)

Bunch length

2.65 mm

N/A

Beam current(two beams)

33.2 mA

60 mA(13.2 mA)

RF voltage

6.87 GeV

2.7 GeV(11.2 GeV)

RF frequency

650 MHz

400 MHz

Number ofcavities

384

568

Number ofcells per cavity

5

5

Eacc

15.5 MV/m

2.53 MV/m(10.5 MV/m)

Q02·1010 at 2 K

2·1010 at 2 K

Number ofcryomodules

96

71

RF power per
cavity260 kW

176 kW

HOM power
per cavity

3.5 kW

N/A

As a result, requirements to the RF input power couplers
are quite demanding. The systems need SRF cavities withstrong HOM damping to avoid multi-bunch instabilities
and reduce parasitic beam power loss to HOMs. Theseand some other considerations lead to selecting relatively
low operating RF frequencies. Table 1 lists key
parameters of the two colliders relevant to the SRF－ 30 －

system considerations. To make the comparison easier, welist only the beam parameters at 120 GeV for bothmachines (Higgs Factory regime) and at 175 GeV for
FCC-ee (Top Factory regime). More details can be foundin references [1]-[2].

CEPC SRF system [1]
The CEPC SRF system will be distributed through alleight straight sections of CEPC. In the baseline
configuration, each cavity isdriven by an individual RF
powersource. The total installed RF power will reach
124 MW. Eight 18-kW plants will comprise the CEPC
cryogenic system, similar to LHC. The system design
optimization led to choosing the SRF parameters listed inTable 1. The RF frequency, 650 MHz, has synergy withother projects, such as ADS and PIP-II.
Within a reasonable CW accelerating gradient range,
the number of cavities in the collider ring is limited by an
input coupler power of 260 kW. While in the future theproject might benefit from alternative cavity materials(Nb/Cu or Nb3Sn), the CEPC specifications are beyond
the state-of-the-art of these materials at present. Therefore
bulk niobium cavities operating at 2 K were chosen as thebaseline design. The quality factor of 2·1010 can bereached without advanced cavity treatment techniques.
However, niobium doping and magnetic flux expulsion
will be studied and might lead to a cost reduction.
Very dense beam frequency spectrum and short bunch
length require strong HOM damping of the SRF
structures with quality factors in a range from 103 to 104.
An average HOM power loss is calculated to be 3.5 kW
per five-cell SRF cavity with 80% of the power at
frequencies above the cavity beam pipe cut-off, as
illustrated in Figure 1. As a result, in addition to hooktype couplers, ferrite beam pipe absorbers will be
installed to deal with the high-frequency portion of HOM
spectrum. Waveguide HOM damping scheme is also
under consideration.

FCC-ee SRF system considerations [2]
An SRF frequency of 400 MHz was chosen for the
FCC-ee as a staring point. Upon careful optimization it
may change in a frequency range between 200 MHz and
800 MHz, but will have to be a harmonic of 40 MHz. Asan accelerating gradient was chosen to be quite moderate
at 10.5 MV/m, the preferred SRF cavity fabrication
technology is thin film niobium on a copper substrate. In
addition to cost savings, this would allow scaling to large
cavity size (low frequency) if necessary. Three FCC RF
R&D areas were identified with the following topics:
x Superconducting RF
o Cavity technology
o Power couplerso Cavity optimizationo Cryomodules
x Large RF Systems
o Availability
o Reliabilityo Maintainability
o Operational aspects
x Energy Efficiency
o Efficient power sources
o Lowering cryogenic loado Energy recovery?
In addition to pushing R&D of Nb/Cu coating
techniques, Nb3Sn research recently produced promising
results. New treatment techniques (nitrogen doping) will
be looked at as well. The SRF R&D for FCC blends wellinto a wider R&D program at CERN, which includes
developments for LHC, HL-LHC, HIE-ISOLDE, SPL and
ERL-TF.
CERN is also pursuing a very high efficiency klystrondevelopment. Recent studies make an efficiency of 90%
look possible. Another option would be a multi-beam
IOT. ESS has revived this research recently in a joint
effort with CERN.

SRF CAVITY OPTIONSThere are no SRF structures developed specifically for
either CEPC or FCC-ee yet. Both teams just starting thisprocess and consider some existing structures as possible
prototypes for their future designs. In particular, SRF
cavities under development at BNL and JLab might beconsidered as such prototypes and were discussed at theworkshop.

BNL3 cavity as an option for CEPC/FCC [3]A 704 MHz five-cell SRF cavity, BNL3, was designed
at BNL for high current linacs (SPL, eRHIC). One of thecavity’s salient features is a compact and efficient HOM
damping scheme with three HOM coupler ports on eachbeam pipe of the cavity, as shown in Figure 2.

Figure 1: CEPC SRF cavity HOM power spectrum [1].
Large amount of HOM power traveling through thecryogenic environment will introduce an additional heatload. Careful evaluation and design optimisation will
have to be carried out to minimize this parasitic heat load.

－ 31 －

Figure 2: BNL3 cavity [3].
The strong HOM damping offered by this cavity makes
it an attractive option as a prototype for future e+ecolliders. Two versions of HOM couplers are underdevelopment. One version employs a high-pass lumpelement filter; the other is based on a dual ridge
waveguide. Each of the couplers will be capable ofhandling ~1 kW of the HOM power. Two Nb cavities
have been fabricated with one of them reaching~20 MV/m.

Alternative structures at JLab [4]JLab is traditionally developing SRF structures withwaveguide type HOM couplers. Recently, the focus ofthese efforts was directed toward the future electron-ion
collider MEIC. The MEIC SRF systems face challenges
similar to the future e+e- colliders. The SRF structures
will have to support high beam currents;deliverhighaccelerating voltage in a limited available space; provide
large amount of RF power needed to compensate
synchrotron radiation losses. The baseline design
frequency is 750 MHz, while 1500 MHz is underconsideration.
An “on-cell” damper concept, depicted in Figure 3, wasshown to meet stringent HOM damping requirements of
MEIC. However, there are still many technical challenges
associated with this design.

Figure 3: MEIC cavity concept with an “on-cell” HOM
damper (courtesy of JLab).
Previously, two five-cell cavities were developed at
JLab for high-current ERL applications: a 1500 MHz
cavity for 100-mA beam current and an Ampere-class
750 MHz cavity. Both cavities feature waveguide HOM
couplers attached to their beam pipes. Prototype cavities
of both designs were built and tested, demonstrating very
good performance. Figure 4 shows a photograph of the
750 MHz cavity.

Figure 4: 750 MHz Ampere-class ERL cavity (courtesy of
JLab).

HOM DAMPER HARDWARE [5]There are a large variety of HOM damper designs for
SRF cavities. However, very few of those are designed tohandle high average HOM power and even fewer
demonstrated this in operation. Designs of the HOM
dampers, existing and under development were reviewed
in WG5 with an emphasis on applicability to futureenergy frontier circular colliders.
Three main design types were presented. Those types
are beam pipe absorbers, rectangular waveguide HOM
couplers and loop/antenna HOM couplers to a coaxial
line.Then, pros and cons of different HOM damper types
were discussed.
The beam pipe absorbers are arguably the mostefficient in HOM damping and likely will be required toabsorb very high frequency portion of the HOM power,
which propagates along the beam pipe.Room temperature
HOM loads demonstrated capacity to absorb several kW
of HOM power at CESR and KEKB.Drawbacks of thebeam pipe absorbers are: i) most absorber materials arebrittle, can create particulates that contaminate SRF
cavities; ii) parasitic beam-absorber interaction issignificant and contributes to the overall HOM power;iii) the main disadvantage for large SRF systems is thatthe HOM loads occupy real estate along the beam axis
and thus reduce the SRF system fill factor.
The waveguide couplers can provide very efficient
damping in a broad frequency range and don’tcompromise the fill factor. In theory, these couplers
should be able to handle high HOM power, but this has
not been demonstrated in operation yet.The disadvantage
of using waveguides is that their large size significantly
complicates the cavity and cryomodule designs. This
damping scheme is worked on at Jefferson Lab primarily.
The coaxial loop/antenna HOM couplers requiremeans of rejecting the fundamental mode. Rejection
filters can be very narrowband and difficult to tune. The
LHC HOM couplers were designed for ~1 kW HOM
power levels, but operate at lower HOM power levels sofar. High-pass filters can be used instead of narrowband
rejection filters. The high-pass filters, if properly
designed, should be easy to tune.A couple of promising
designsare under development at BNL for the BNL3
cavity as mentioned in the previous section.Yet another－ 32 －

~1 kW HOM coupler design, which might be suitable forthe future colliders, is being worked on for the HL-LHC
compact crab cavities.

HIGH POWER COUPLERS [6]A high power RF input coupler is one of the mostcritical components of an SRF system. Design of an input
coupler strongly depends on a cryomodule structure.
Essential considerations for input couplers are:RF power
capability( PRF = Ibeam ·Vacc· cosI ); coupler type (coaxial
or waveguide); ceramics window type (disk or
cylindrical); number of windows (single or double);
coupling with cavity (fixed or adjustable); cooling method(air, He-gas, N2-gas or water); and bias voltage (useful orneedless).Important technical issues are: ceramics
window (material, purity); metalizing of ceramics; copper
plating (thickness, RRR, adhesion, pits, uniformity);TiN
coating (thickness, uniformity); joining by brazing;welding by TIG, laser or E-beam;RF properties; thermal
characteristics; mechanical analysis; multipacting
simulation; cleaning procedure; and assembly in clean
room.
TRISTAN-type high power couplers were reviewed.
The coupler was originally designed for TRISTAN
508 MHz SRF cavities by S. Noguchi, E. Kako, et al. It
has a coaxial disk ceramic window with a choke structure.
Couplers of this type are used for cavities at manylaboratories around the worldin a wide range of
frequencies between 500 to 1300 MHz. An RF power up
to 380 kW was demonstrated inCW operation and up to
2 MW in pulsed regime. High power couplers developedat CEA-Saclay, CERN and BNL were also reviewed.
At CEPC, the BEPC-II 500 MHz SRF cavity coupler istaken as the baseline for the CEPC main ring SRF
cavities. The KEK cERL main linac power coupler istaken as the baseline for the CEPC booster SRF cavities.
Parameters of the input couplers in a frequency range
between 650 and 802 MHz weresummarized in a table[6]. Main RF parameters were considered for the input
couplers of CEPC and FCC, such as the RF frequency,
required RF power, range of external Q factors, etc.
Coaxial CW high power input couplers with a single
warm RF window have been developed in a frequency
range of 500 to 1300 MHz at a power level higher than
100 kW in many laboratories around the world. Design
studies of high power couplers at400 MHz, 176 kW CW
for FCC and at 650 MHz, 260 kW CW for CEPC should
be started as soon as possible. Fabrication of the
prototype high power couplers and RF conditioning at atest stand should be carried out at an early stage.

OTHER ISSUES [7]Three other issues were presented. Those are
frequency tuners, operating experience and performancerecovery.

Frequency tuners
A frequency tuner is an important system for cavity
operation to tune the cavity to its operating frequency,
detune to compensate the beam loading and help tostabilize its RF amplitude and phase. The frequency tuner
designs have well advanced for a variety of requirements.
Presently there are many excellent tuner designs fromwhichone can select an appropriate design.Mass
production and reliability issues have to be taken into
considerations during thetuner design selection. In thistalk several tuner design examples were presented.
Four tuner systems from an early stage of the SRF
technology development were reviewed. The CESR tuner
had a flex hinge system without backlash. The CEBAF
tuner had a drive shaft system with a stepping motor
driver exterior to the cryomodule. The LEP tuner utilized
thermal expansion and contraction of three Ni bars forcoarse tuning with a magnetostrictive effect utilized for afine tuner. The TRISTAN tuner applied a lever systemwith a piezoactuator for fine tuning. This mechanism wasalso used for the KEKB 509MHz, single cell cavity.
Furthermore it will be used for the SuperKEKB operation.
The S1-Global cavity string test for the ILCat thesuperconducting RF test facility (STF) of KEK hasthreetuner systems. Those are a blade tuner developed by
INFN Milan, a double lever system developed by DESY
based on the Saclay tuner and a slide jack systemdeveloped by KEK. All components of the first two
systems are located in a cold section while the driver ofthe KEK tuner is located in a warm section.
Other tuner examples are a double lever and eccentric
shafts system recently developed by Saclay and a scissor
jack system for the CEBAF upgrade cryomodule.
Among those tuner designs, the lever andpiezoactuator system has been in service for a long timeand proved to be a reliable system. The KEK 509 MHz
tuner system has reallylong life. Location of the tuner
driver is an important consideration. A cold location
makes a tuner system compact, while a warm and exterior
to the cryomodule location makes the maintenance easy.

Operating experience
Operating experience gained elsewhere provides very
useful information for designing a new SRF system. As
an example, operating experience at KEKB waspresented. KEKB is a high luminosity, electron-positron
double-ring asymmetric B-factory. Eight single cell SRF
cavities, operating at 509 MHz, were operated in its highenergy ring. Three main issues were presented. Those arecavity RF trip rate, cavity troubles, and performancedegradation.
The cavity trips were mainly caused by high voltage
breakdown in the cavity or in the high power coupler. The
trip rate was 0.5 trips per day for eight cavities during the
1.4 A operation. In order to keep the trip rate low,maintenance work is important. RF processing of the
input power coupler with voltage biasing was emphasized
as an effective maintenance tool. There were several
vacuum leak troubles. Some of the leaked cavities were

－ 33 －

re-assembled at indium seal joints without further surface
treatments.
KEKB cavities still provided an accelerating voltage of
2MV after 10 years of operation. However the cavity’sQ
factors degraded from 2·109 to several 108 with strong
field emission. Further degradation wouldmake theoperation difficult.

two very different regimes: LEP-like vs. B-factorylike.
x General SRF/cryogenic system optimization.
x Efficiency of RF power sources.
Ideally, these studies will be executed in collaborations,
utilizing synergy with other projects and labs

ACKNOWLEDGMENT

Performance recovery
Performance recovery methods are desired and needed
for long-term operation.Therecovery should beaccomplished with a low risk, low cost and in a shortperiod of time.KEK has developed a horizontal highpressure water rinsing that can be applied directly to acavity in the cryomodule. Two KEKB cavities
successfully recovered theirQ factors after horizontal highpressure rinsing.

The authors would like to thank the WG5 presenters
Frank Zimmermann (CERN), Jiyuan Zhai (IHEP),
Wencan Xu (BNL) and Eiji Kako (KEK) for delivering
talks and participating in the working group. Erk Jensenof CERN, Robert Rimmer and Haipeng Wang ofJefferson Lab are acknowledged for providing materials
for the workshop.

SUMMARY[1] J. Zhai, “CEPC SRF system,” these proceedings,
HF2014, Beijing, China, (2014).
[2] F. Zimmermann and E. Jensen, “ Future Circular
Collider study: FCC-ee SC RF system,” theseproceedings, HF2014, Beijing, China, (2014).
[3] Wencan Xu, “704 MHz BNL3 cavity as an option for
CEPC/FCC,”these proceedings, HF2014, Beijing,
China, (2014).
[4] R. Rimmer and H. Wang (Jefferson Lab), private
communications.
[5] S. Belomestnykh,“HOM
damperhardwareconsiderations for future energy frontier circularcolliders,”these proceedings, HF2014, Beijing,
China, (2014).
[6] E. Kako, “High power couplers for Higgs
Factory,”these proceedings, HF2014, Beijing, China,(2014).
[7] Y. Morita, “Other issues,”these proceedings,
HF2014, Beijing, China, (2014).

In WG5, we have considered parameters of the SRF
systems for CEPC and FCC-ee, requirements andchallenges. Also, we discussed SRF cavity designs, HOM
dampers, RF input couplers, frequency tuners andoperational experience, performance degradation andrecovery.
There are a number of important issues that have to beaddressed in future studies. Among those are:x HOM studies, including: trapped modes; efficient
HOM coupler designs; propagation of the very
high frequency portion of HOM power, its
absorption, and associated parasitic heat load.
x SRF cavity design: frequency; number of cells per
cavity; optimal operating temperature; nitrogen
doping at low frequencies; new materials.
x Design of high power RF input couplers.
x Does FCC-ee at Higgs and Z energies require twodifferent SRF systems? It appears that these are

REFERENCES－ 34 －

れており、本研究では、超伝導空洞に高周波電力

ヒッグスファクトリーにおける超伝導空洞用大電力高周波入力結合器の研究を供給するための入力結合器について検討を行った。Fig.1 に、FCC と CepC における加速器の基本パラメーターと超伝導空洞用入力結合器の高周波パラメーターのまとめを示す。ここで、開発すべき入力結合器の仕様として、要求される高高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
加古 永治
ヒッグスファクトリー国際会議（HF2014）が２０１４年１１月９日より１２日まで中国・北京
市八宝山の万達ホテルにて開催され、高エネルギ
ー加速器科学研究奨励会からの助成によりこの会議に出席し、ヒッグスファクトリー用超伝導空洞システムに関するセッションに参加して、入力結合器についての研究発表を行ったのでその内容を報告する。

周波電力は FCC では周波数 802MHz, 連続運転
（CW）, 125kW であり、CepC では 650MHz, CW,
260kW となる。

2. 大電力入力結合器の開発状況
大電力（100kW 程度）の連続運転で使用される入力結合器としては、トリスタン型室温部水冷式単一高周波窓を有する入力結合器が、周波数範囲として 500 MHz ~ 1300 MHz で数多く利用されており信頼性の高い運転実績を持っている。このトリスタン型高周波窓は、チョーク構造を持った同軸型アルミナ製セラミック円板を用いており、マルチパクティングを抑制するために真空側
セラミック表面には 10nm 程度の窒化チタン（TiN）膜がコーティングされている。この高周波

1. はじめに将来のヒッグスファクトリーとして、ヨーロッ
パでは CERN を中心に FCC（Future Circular
Collider）計画が提案され、中国では IHEP を中
心に CepC（Circular electron positron Collider）
計画が提案され、それぞれの加速器計画の設計検討が進められている。FCC と CepC の両加速器では、超伝導加速空洞システムを用いた設計が行わ

窓は 508MHz トリスタン超伝導空洞用として開発 さ れ た 後 、 KEKB

(508MHz),

HIPPI(704MHz), SNS (805MHz), ADS (972MHz),cERL (1300MHz) などの超伝導空洞システムにおいて広範囲に応用されている。FCC と CepC において検討されている 650 ~ 805 MHz の周波数帯においては、Fig.2 に示すように各種仕様にて、同様な入力結合器の開発が行われている。

Fig. 1 FCC と CepC の加速器の基本パラメーターと入力結合器の高周波パラメーター－ 35 －

Fig. 2 開発が行われている大電力入力結合器

3. ヒッグスファクトリーでの入力結合器
入力結合器の設計を行う場合において、重要となる検討事項を次に示す。
1.

要求される入射高周波電力（＝ビーム電力）

2.

空洞との結合タイプ： 同軸、導波管

3.

セラミック窓タイプ： 円筒型、円板型

4.

高周波窓の数： 単一、二重

5.

空洞との結合定数： 固定、可変6.

冷却方法： 空冷、水冷、He・N2 ガス冷却

7.

バイアス電圧： 必要、不要

Fig. 3 ヒッグスファクトリーのための超伝導空洞用入力結合器の検討事項のまとめなどについて、適切な選択を行う必要がある。
また、技術的な検討課題としては、
1.

セラミック窓の材質、純度2.

セラミックのメタライズ処理

3.

銅メッキの厚み、RRR、密着性、均一性、傷4.

TiN コーティングの厚み、均一性

5.

ろう付けによる接合技術

RF window with water cooling）をもつ連続

6.

TIG、レーザー、電子ビームによる接合技術

運転（CW）での大電力高周波入力結合器に

7.

高周波特性の最適形状計算

8.

発熱特性の計算

MHz、高周波電力として 100 kW 以上の性能

9.

機械的特性の解析を有する同様な入力結合器が、世界各地の研4. まとめ

室温部水冷式単一高周波窓（Single warm

ついては、周波数範囲として 500 – 1300

10. マルチパクティングのシミュレーション究所における加速器計画の中で現在開発が11. 製造後の清浄化処理進められている。
12. クリーンルーム内での清浄組立工程

ヒッグスファクトリー用超伝導空洞で用いられる入力結合器の基本仕様として、FCC でなどがあり、十分な知識と成熟した技術を確認しは 802MHz, CW, 125kW 、 CepC で はたうえで、製作が行われるべきである。
ヒッグスファクトリーとして FCC と CepC に650MHz, CW, 260kW の性能を有するもの

おいて検討された超伝導空洞用入力結合器のまが要求され、その入力結合器の設計研究が早とめを Fig.3 に示す。空洞との結合定数に大きく期に開始されるべきである。

関係するビーム電流や運転加速電界などの主要

超伝導空洞の開発と並行して、プロトタイプ
入力結合器の製作、および、テストスタンド

な加速器パラメーターが両加速器計画において最適設計があまり進んでいないため、入力結合器

での大電力高周波試験（RF conditioning）はの結合度を可変にする必要があるのか、固定にす重要な研究課題であり、早い段階で実施されべきかを、今のところ判断できない。しかしながるべきである。

ら、これまでの運転経験・実績から、同軸アンテ
ナタイプで、トリスタン型室温部水冷式単一高周波円板セラミック窓を有し、バイアス電圧印加可謝辞

能で、外導体をガス冷却する構造の入力結合器を本報告をまとめるにあたり、現在開発中の大電基本として、まず設計を開始することが推奨され

力入力結合器に関する重要な資料を提供頂いた、る。今後さらに詳細な設計検討が行われ、プロト

CEA-Saclay の Guillaume Devanz 氏、CERN のタイプ製作へと進んでいくことが期待される。

Eric Montesinos 氏、BNL の Wencan Xu 氏、お－ 36 －

よび、IHEP-Beijing の Huang Tongming 氏について、各氏の多大なご協力に感謝いたします。
また、本会議において研究発表する機会を与えて頂いた高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設長の生出勝宣教授、および、森田欣之教授に感謝いたします。
さらに、本国際会議への出席に関して助成を頂いた高エネルギー加速器科学研究奨励会に、深く感謝いたします。

－ 37 －

国際加速器アラインメント研究会参加

高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設増澤美佳
International
Workshopon
Accelerator
Alignment (IWAA)は、世界中の加速器のアライ

FIG. 1 参加者国別割合

メントに従事しているもの（近年は物理グル− プも参加するようになった）、および関連技術をやっている会社からの関係者が集まり、加速器アラ

1. プログラムイメントに関して報告、議論する場となってい参加登録者が会議開催直前まで確定しなかった

る。２年に１度の割合で北米大陸、ヨーロッパ大こともありワークショップのプログラムの公開

陸、アジア圏で持回り開催をしており、過去にはが会議初日直前になったことは今後の会議運営

1995 年に KEK で、2002 年に SPring-8 で、2008

について委員として反省すべきところである。ま

年には KEK でこの研究会を開催した。今回 2014

た同様の理由から例年の会議のようにプログラ

年はアジア圏としては初めて日本から出て中国

ムがカテゴリーに分類されていなかったこともでの開催になった。PM2.5 等の影響もあり会議開参加者から問題点として指摘されたので今後の催を危ぶむ声もあったが、結果的に例年とほぼ同会議運営に於いて反映させて行きたい。IWAA は程度の参加者が集まり活気のあるワークショッ

1989 年に SLAC の Robert

プとなったことは喜ばしいことである。Fig. 1 にMichel Mayoud、DESY の Franz Loffler の３氏

今回の参加国を示す。約半数は開催国中国からのにより発足したもので、今回はその２５周年とい参加で特にポストドッククラスの若い研究者のう節目の年に当たる。IWAA 誕生２５周年を記念発表が印象に残った。精密測量分野での若い力のして会議の冒頭で Ruland 氏より IWAA の創設に台頭を感じる。また現在最も多くの研究機関の加至る歴史について紹介があり、また祝辞が述べら

速器精密アラインメントに使用されているレー

れた。Fig.2 は初回参加メンバーの写真である。

Ruland、CERN の

ザートラッカーは Leica、Faro、API の３社で100%のシェアを閉めているのが現状であるが、今回中国では自国でレーザートラッカー製作にとりかかり始めたことがわかった。まだまだ測定
精度としては３社の製品に比べて数十倍劣ってはいるが彼らの本気度を考えると同等品を作り上げる時期もそう遠くないのではないかと想像する。レーザートラッカーを製作するにあたり、Faro の前身の SMX 社製のレーザートラッカーを分解して勉強したとのことである。我々にはとても高価なトラッカーを分解してしまう勇気と発想はない。今後の開発進捗状況に注目していきた

FIG.2 1989 年初回 IWAA の参加者。前列左端がR. Ruland 氏。

い。

－ 38 －

プログラムは主に各加速器研究施設からのネルが沈んでいるのがわかる。この部分が LHC

Status report 関係の発表と開発的要素を含んだトンネルと立体交差するところで、その影響が明トピックスの発表で構成されていた。CERN、らかになった。この他にも局所的なレベル変動がSLAC、Fermilab、アルゴンヌ、IHEP、SPring-8 、見えるが、Fig.4 にあるようなスムージングで対J-PARC をはじめ、CEBAF 12GeV 加速器、中国応したとのことである。このようなトンネル変動

合肥放射光、台湾放射光、ドイツ GSI FAIR、スは実は SuperKEKB 主リングでも見られており、

エーデン MAX IV、スペイン ALBA、ヨルダン

こ れ に つ い て の 発 表 を 行 っ た 。 Fig.5 にSESAMI 放射光、ブラジル LNLS、タイ放射光施SuperKEKB 主リングで行ったレベル測量の結果

設等の様々な加速器施設からの Status report がを示す。これは 2013 年の 10 月の測量結果と 2014

あった。開発的要素を含んだ発表としては、CLIC

年の 6 月の測量結果の差を衝突点からの距離（周からナノメートルレベルの精度を追求したアラ長に沿って）を横軸に示したものである。また図

イメント方法、APS からクライオスタットの冷却中の 3M、6M、9M、12M は地上部の機械棟新設

中の動きをモニタするためのシステムについて、工事箇所に対応している。また PF-AR とあるの等多方面に及んだ。

は PF-AR（Photon Factory Advanced Ring）への直接入射路工事箇所に対応している。８ヶ月間

2. トンネル変動についての発表のトンネル変動は場所によっては数ミリを越え

今回 SuperKEKB 建設時における主リングトンて SPS 同様、SuperKEKB 稼働前の精密アライメ

ネル変動について発表を行った。これに先立ち午

ント時にはなんらかのスムージングが必要であ前のセッションでは CERN SPS に於けるトンネ

る。またその際にはトンネル変動が収束していな

ルレベル変動についての発表があったのでここければ変動と修正アライメント作業との「いたちでその一部を紹介する。Fig.3 に SPS トンネルレごっこ」となってしまう。このトンネル変動の収ベルを示す。全長 6.9km に及ぶサーベイの結果

束状況は我々にとって大きな懸念である。

5500m から 7000m にかけて大きく２箇所でトン

FIG.3 SPS トンネルレベル測量の結果。

－ 39 －

FIG.4 SPS スムージングの結果。

FIG.5 SuperKEKB 主リングに沿ったトンネルレベル変動。

－ 40 －

3. まとめ
現在ナノビームサイズの衝突を目標とする
SuperKEKB 主リングの建設が進んでおり、近々に2000 台にも上る電磁石の最終精密アライメント
作業を開始する。我々のトンネルは３０年以上前のトリスタン建設時に作られたもので、KEKB で再利用され、今回の SuperKEKB では再々利用となる。また 2011 年には東日本大震災を経験しておりトンネルのあちこちで老朽化やダメージ（特にトンネル継ぎ目のエキスパンションジョイン
ト部にて顕著）が見られる。その上、工期の関係から地上部では機械棟建設、新ビームライン建設
等の大規模工事が同時進行しているのが現状である。従って、トンネル内で精密測量・精密アライメントを行うにはとても厳しい環境であると言わざるを得ない。
今回この会議に参加することで、他の研究所の測量・アライメントの現状と新しい測量技術開発
状況についての情報を得ることが出来た。また測量・アライメント分野の識者の皆様よりSuperKEKB 建設についての多数の助言を頂くことが出来た。これらは今後の研究を進めて行く上で大変参考になる。
今回この会議に参加するにあたり高エネルギ
ー加速器科学研究奨励会より助成をして頂いた。
ここに改めて感謝致します。

－ 41 －

ソフトウェア開発環境 (JUnit, Git, Jenkins and国際ワークショップ PCaPAC2014 参加
および GSI 重イオン研究所訪問

Redmine) の実習であった。
私はソフトウェア開発環境実習に参加した。その場に用意した local server に自分の PC を接続
して Eclipse を install し、参加者で Java アプリ
を開発、Project 管理や version control, 文書管理

高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
上窪田 紀彦高エネルギー加速器科学研究奨励会の国際交流助成を受け、2014 年 10 月に国際ワークショッ
プ PCaPAC2014 に参加し、また GSI 重イオン研究所を訪問しました。以下に報告します。

を実践する、という詰め込んだ内容であった。
1.3. 本会議 on Oct.15,16,17
本会議で特に目立ったのは、データ収集に特化した database (noSQL など）や Storage (Hadoop
や Cassandra) の応用報告である。Tutorial の(d) 、H.Ehrlichmann (DESY)の Invited talk、
L.Catani (INFN)の!CHAOS、さらに SP-ring8 の石井氏や J-PARC 菊澤氏と、多数の報告があった。
PCaPAC らしい報告としては、Trieste の小型

1. PCaPAC2014 参加

コントローラ BBB の応用例があった。全体では大規模化システムに対応する報告も多くなり、

1.1. 国際ワークショップ PCaPAC
PCaPAC は、1996 年の DESY の PCaPAC、及ICALEPCS との差がなくなりつつある。
Open Source の ZeroMQ は、message-base のび同年の KEK の IWSCMSA が発端となって 2 年

ネットワーク通信ライブラリで、手軽さと使い勝毎に開催される国際ワークショップである。今回

手の良さから加速器での応用例も多い（私が知るの PCaPAC2014 は、ドイツの Karlsruhe で 10
月 14 日から 17 日という日程で開催された。ホス
トは KIT (Karlsruhe Institute of Technology)
で、会議 Chairman は、W. Mexner 氏である。
加速器制御分野では奇数年開催の ICALEPCS

範囲では ESRF, CERN, SP-ring8、など）。Invited
talk で ZeroMQ の創始者が登場した。アカデミッ
クな会議に似合わぬ T シャツの P.Hintjens 氏に目を奪われた（私はこういう人は大好きである）。
氏は講演後も会議に帯同し、我々を喜ばせた。

が最重要で最大規模の国際会議であるが、偶数年今回の PCaPAC は約 100 名の参加者が集まっの PCaPAC は ICALEPCS では埋もれてしまう中

たが例年に比べると尐なめで、GSI と DESY の参小規模加速器の制御・データ収集系や、PC-base

加者が目立った（1.5 に裏事情）。日本からはの低コストシステムが議論の中心となる。また、

J-PARC と KEK で 私 を 含 め 5 名 、 ほ か に

若 手 技 術 者 の 育 成 を 意 識 し て 初 日 を Tutorial
Day としている。

SP-ring8、佐賀放射光、からの参加があった。私は poster 発表１件（“Integration of Independent

1.2. Tutorial Day on Oct.14
Tutorial は 6 種類用意された。うち 5 つはおな
じみの加速器施設スタッフが準備したもので: (a)加 速 器 制 御 Framework で あ る TANGO (byRadiation Monitoring System with Main
Accelerator Control”）を行ったほか、J-PARC 関
連発表のバックアップを行った。
1.4. ANKA 見学 on Oct.16

ESRF)、(b) EPICS の tool CSS (by DESY)、以下は最近の流行技術である (c) Web2c (by DESY)、(d) noSQL (by INFN)、(e) FPGA (by KIT)、であ

KIT は放射光実験施設 ANKA を運用している。
16 日にはその見学が組まれた。ANKA 制御室はコンパクトで、端末よりもオシロやＴＶが幅を利る。6 つ目は会社によるセミナーで、(f) 効率的な

－ 42 －

かせるやや旧世代に見える（Fig.1）。また、ANKA

課題がある。J-PARC の制御系は更新を検討する

では、加速器が EPICS、Beam Line が TANGO

時期であり、建設を開始した GSI の FAIR 加速器と、通常は相容れない 2 種の Framework が共存の制御技術の選択は、J-PARC にも重要な情報とする珍しいケースである。この背景には、両者になる。今回、Karlsruhe からの帰路に GSI が位精通した COSYLab のスタッフの常駐がある。

置すること、GSI 加速器制御の Ralph Baer 氏がPCaPAC IPC メンバーで顔なじみであったことから、絶好の機会と考え GSI を訪問した。
1 日のみの限られた時間だったため、私の興味が Front-end、Application 開発環境、FAIR 制御
系準備状況、等と事前に伝えた。
2.2. Front-end (1) : SCU

Fig. 1 ANKA Control room
1.5. IPC プログラム委員の活動
PCaPAC では、若手参加者で特に優秀な人を選び、Isamu Abe Prize を出している。IPC で議論し、今回は GSI の Mathias Kreider 氏に決定

Fig. 2 SCU developed by GSIした。なお、Isamu Abe（阿部勇）は 2002 年に急逝した KEK 職員で、今も若手を encourage

J-PARC 制御系では、Front-end のうち単純なする賞名として関係者の記憶に留まっている。

I/O 信号には、VME board や PLC module を使

今回の頭痛の種は、米国の参加者が DOE のサ用している。担当の Matthias Thieme に話を聞ポートが受けられず、極端に尐なかったことでい た 。 GSI の 単 純 I/O は 既 存 加 速 器 で はある（約 30 名の参加がキャンセルされた模様）。

Field-bus (MIL1553)が中心だったが、その更新

次回開催予定の ANL の IPC メンバーも参加でおよび FAIR での新規利用を想定した新システ

きず、2016 年の開催地がアナウンスできない異ム「SCU (Scalable Control Unit)」を開発した。

常事態であった。なお、次々回の 2018 年はアジ

SCU は、CPU module は Com-Express ベース、アの順番で、
KEK が本命として期待されている。

それに多種類の I/O module を適時組み合わせる。CPU module には WhiteRabbit-Timing 用

2. GSI 重イオン研究所訪問

SFP（光素子）が標準で組み込まれており、
J-PARC のように別途 Timing module (VME や

2.1. GSI と J-PARC

NIM) を用意する必要が無い。

GSI 重イオン研究所と J-PARC の加速器は、両者とも Hadron 加速器であること、遅い Cycle（~秒）の加速器を持つこと、ビーム行き先が複数選択可能な Timing 系を持つこと、など共通の技術

Front-end 機材を Commercial 製品でなく独自開発品で保守していくには内部マンパワーが必要であるが、GSI は問題無いようだ。SCU は、
GSI 内部事情に整合するよう良く検討されていると感じた（Fig.2）。

－ 43 －

2.5. FAIR 制御系準備状況

2.3. Front-end (2) : Beam-Diag. DAQ
ビーム診断機器の信号は高機能な計測器が必

最後は Baer 氏自らが FAIR の建設現場を案内

要で、機器ごとに特殊な仕様になりやすい。Tobias

し、来るべき未来を熱く語ってくれた。FAIR の

Hoffmann は、VME や PCIe から MicroTCA を

建設現場は更地であった。その広大さは、J-PARC

標準 platform とする動きが進んでいることを説

建設前の原研敷地を思い起こさせた。

明した。MicroTCA は DESY が強くサポートし当面の焦点は、FAIR の一部となる CRYRingており、特殊な要求には地元の会社(S 社)で boardの建設である。この Ring で FAIR 向けの制御シを新規開発している。高速 AD には FMC が使用

ステムを試行的に構築し、初期の問題を洗い出されている。

す、という考えであった。

Tobias はまた、CERN で開発された FESA

Baer 氏の尽力で、適切な GSI の加速器スタッ(Front-end Software Architecture)を GSI に導入フと面会し、彼らの「生活現場」で生々しい議論した経緯を述べた。FESA によるソフト仕様の標が出来た。GSI のスタッフに深く感謝したい。

準化で、hardware platform の種類にかかわらず
ビーム診断機器の設計開発が出来、複数の加速

3．まとめ器・platform を持つ GSI では有意義である。

今回のドイツ滞在中は穏やかな天候に恵まれた。一方、成田出発時は台風 19 号(10/13)、出張

2.4. Application 開発環境の終盤はドイツ鉄道のスト(10/18,19)やルフトハ

加速器の運転パラメータ設定・管理は、複数のンザ航空のスト(10/20)に見舞われた。私は移動日

加速器やビーム行き先が錯綜する FAIR では非常程に余裕があり、幸運もあって難を逃れたが、週に複雑になる。この点を、Jutta Fitzek に尋ねた。

末の PCaPAC からの帰路にドイツ鉄道が動かず

GSI は CER で開発された LSA (LHC Software

青ざめた人は多かっただろう。

Architecture)に注目し、CERN と共同で GSI

PCaPAC2014 では、各加速器施設の制御担当者(FAIR)向けの改修を行った。この過程で、CERNと最近の動向の議論が出来たほか、ヨーロッパのと GSI の多数の加速器が抽象化され、共通・個別

研究所の若手技術者と交流をはかることが出来パラメータの抽出が行われた。この結果、あらゆ

た。GSI とは、加速器制御分野では過去にほとん

る加速器のパラメータ設定は、統合アプリ１つかど交流が無かった（核物理分野では GSI と日本はら可能となる。

強いつながりがある）が、今回の訪問で交流が進実装面では、アプリは Java GUI（Swing 使用）、

むことを期待したい。

中間層の LSA は Database (Oracle)を持ち、LSA

以上のように、今回の国際交流助成による出張は Front-end 層(FESA)と Corba または ZeroMQ

は、大変実りのあるものとなりました。ここに感で指令を出す、という構成になっている。

謝いたします。

Tobias と Jutta の話から、GSI と CERN の両

この報告には加速器制御やデータ収集の専門

制御チームの強いつながりが窺える。あるいは、略語が多数含まれ、他分野の方には読みにくいと

CERN で研究が進んだ各層の標準化が、GSI でも思われますが、紙面の都合もありご容赦下さい。

成果を出しつつある、とも読める。J-PARC（特に MR）ではこのような研究は尐なく、結果として多種多様な上位アプリが平行して存在し、長期的な保守に苦しむ傾向が出ている。急な方向転換は難しいが、GSI や CERN の動向は今後も注目していきたい。

－ 44 －

ます。また、今回のカテゴリーとしては次のよう

PCaPAC 2014 報告

なものがアナウンスされていました。

高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所
小菅 隆



Control systems (Status reports, Control
system frameworks (EPICS, Tango,
Tine), Network design, Reliability andlongevity of control systems)

2014 年 10 月 14 日 か ら 17 日 ま で 、10thInternational

WorkshoponPersonal

User interfaces and Data Displays(mobile systems, web services and other)Computers and Particle Accelerator Controls
(PCaPAC 2014)がドイツの Karlsruhe にて開催さCyber security (Gateways, Internet
connectivity and other)

れ、出席してきました。今回のワークショップ出

席に対しまして高エネルギー加速器科学研究奨励Hardware technologies (DSP, FPGA and会から助成を得られました事を深く感謝し、本ワ

devices, Accelerator specificークショップ PCaPAC2014 出席に関して報告を

development, Timing System PC busses

させていただきたいと思います。

and other)

off-the-shelf systems, (real-time)

1. PCaPAC の概要
International

WorkshopModern Data Acquisition (commercial

on

operating systems. embedded systems,

Personal

PLC´s, IOC´s and other)Computers and Particle Accelerator Controls
(PCaPAC)は 1996 年にドイツのハンブルグにあるManagement of Software projects

DESY において開催されて以来、以下のように開(Development processes, Quality

催されています。

Assurance, In time development and1996 年：Hamburg, Germany

other)


1999 年：Tsukuba, Japan

Databases (Control DBs, extremely
large databases, noSQL DBs and other)

2000 年：Hamburg, Germany
2002 年：Frascati, Italy

な お 、 今 回 の PCaPAC で は 100 件 程 度 の2005 年：Hayama, Japan

Abstract が提出されたようです。

2006 年：Newport News, USA
2008 年：Ljubulijana, Slovenia

2. 今回のワークショップの様子

2010 年：Saskatoon, Canada

今回のそれぞれの発表は大変興味深いものでし2012 年：Kolkata, India

た。これらの発表に関しては既に PrePress が2014 年：Karlsruhe, Germany

http://www.anka.kit.edu/2810.php にアップロー

PCaPAC はパーソナルコンピュータ(以下 PC)を中心とした加速器に関連する制御に関するワークショップで、発表内容は PC をベースとした加速器の制御システムに関する事をはじめ、組み込み用のシステムなども含む多岐にわたるものになり

ド さ れ て い ま す 。 ま た 、 Joint Accelerator
Conferences Website (JACoW)の Web サ イ ト
http://www.jacow.org にも掲載される予定です。
発表の詳細に関してはそちらをご参照いただく事として、ここでは私に関する事柄について報告したいと思います。

－ 45 －

2.1 Tutorial Day

を行うというものです。大変光栄な事に私のポス

ワークショップとしては 10 月 15 日からの開催

ターも Poster in Pills セッションに選ばれました。

だったのですが、14 日には Tutorial Day として、大変うれしかったのですが、一方ではポスターのTango Introduction, CSS Introduction, Software

他に数枚のパワーポイントも準備しなければなら

Development

ず、四苦八苦する羽目になりました。

Environment,

Introduction

Hardware Programming(FPGA), Introduction

Poster in Pills セ ッ シ ョ ン は こ れ ま で のnoSQL Databases, Introduction Web2c Toolkit

PCaPAC ではポスターセッションの前に行われ、の複数のチュートリアルが企画されました。この「私のポスターを見に来てねー」と宣伝する場だ

うち私は Web2c Toolkit のチュートリアルに参加ったのですが、何故か今回はポスターの後に設定しました。Web2c Toolkit はドイツの DESY で開されていました。1 回目の Poster in Pills セッシ

発された、Web をベースとしたグラフィカルユー

ョンでは間に合わなかったのですが、2 回目から

ザインターフェースを作成する事が出来るソフト

は Poster in Pills の Session Chair の提案でポスウエアで、今後私の所属する高エネルギー加速器

ターセッションの前に行われる事になりました。

研究機構 Photon Factory (以下、KEK-PF)での応用に期待が持てます。

2.4 Session Chair
これも大変光栄な事なのですが、Session Chair

2.2 ポスター発表を承りました。実はこれが私には大変重荷で、とポスターセッションは 15 日と 17 日の 2 回に分にかく終わるまでは必死でした。担当したセッシ

けて行われましたが、私の発表は 15 日の午後に割ョンは Software Management と言う事であらか

り振られました。なお、今回は「STARS: Current

じめ Abstract が出ていたので、兎に角予習をする

Development Status」の題目でポスター発表を行事にしました。出発前には Plenary Talk 1 件を含いました。STARS は KEK-PF に於いて開発され

む合計 4 件の Abstract を一生懸命読み込み、色々た、非常にシンプルなメッセージ配信システムで、と考えを巡らせました。飛行機の中でも読もうと制御システム等での利用など幅広い応用が可能でしたのですが、ちょっと読みだすと眠くなって撃す。KEK-PF では共通のビームライン制御システ

沈、現地に着いてからの夜にかけたのですが、やムのためのソフトウエアとしてこの STARS を採はり同様に・・・。結局準備不十分のままに勝負用しています。今回での発表では現在の導入状況する事になりました。

や新しく開発が進んでいる部分についての報告をドキドキしながら臨んだのですが、結局発表内容

行いました。特に前述の Web2c については昨年も興味深いものが多く、殆ど私から質問する必要

DESY とのコラボレーションにより、STARS 用イも無く、逆に質問を制限して時間オーバーの心配

ンターフェースの開発が進行しています。ここでをする事となりました。そして、セッションを何は実際のテスト動作画面等を示しながら、報告をとか乗り切り、私は燃え尽きました。

行いました。

2.5 Isamu Abe Prize

2.3 Poster in Pills

PCaPAC には Isamu Abe Prize という賞があり

PCaPAC で行われる Poster in Pills セッションます。この賞はかつて PC を使った加速器制御やとは、ポスター発表の中から幾つかの発表がピッ

PCaPAC そのものにも尽力され、そして 2002 年

クアップされ、それに選ばれた発表者は、ポスタに急逝された阿部勇氏(当時高エネルギー加速器

ー発表とは別に質疑応答無しで 3 分間の口頭発表

研究機構技術部次長)の意思を継ぐために設けら－ 46 －

れた章で、この分野の新人の中から顕著な功績をおさめ、そして優秀な発表を行った発表者に送られる賞です。
今回は GSI(ドイツ)の Mathias Kreider 氏が「 New Developments on the FAIR Timing
Master」の発表で受賞(写真 1)されました。

写真 2: Karlsruhe 駅、結局シャトルバスのターミ
ナルは見つけられなかった。
帰りの日は予定より早起き、DESY(ドイツ)の方に教えていただいた Web を見ると、どうやら我々の乗る電車は止まっていないようです。
「最悪の場
合、Baden-Baden まで行けばシャトルバスがある
かな」などと覚悟しながら駅に向かうと、どうや
写真 1: Isamu Abe Prize 授賞式の様子、Mathias

ら我々の乗る電車は動いているようです。結局はKreider 氏が受賞。

何の問題も無く空港にたどり着きました。後から聞いた話ですが、同時期にドイツの別の場所に渡3. その他の出来事

航されていた方はとても大変な思いをされたとの事です。

3.1 ストライキ
今回の渡航では Frankfurt まで飛行機で、その3.1 クレジットカード

先 Karlsruhe までは電車を使う事となりました。

ワークショップ最終日の未明、突然日本からの電行きは特に問題が無かったのですが、ワークショ

話で目が覚めました。電話はクレジット会社からップ最終日に、「明日電車がストライキで止まるらのものでした。何回か「カードをゴールドカード

しい」との情報が・・・。空港までのシャトルバにしませんか」などと言うコマーシャルの電話がスがあるとの情報も貰ったのですが、良く分かりあったことがあり、今回もそうかなと思い、始めませんでした。ワークショップ終了後 Karlsruhe

私は不機嫌になりました。しかし、その後フラン

駅(写真 2)の周りを探したのですが、シャトルバス

スの航空会社のチケットをネットで買おうとしてが出そうなターミナルも見当たらず、結局その日

リジェクトされた事象がある旨を伝えられ、まっはギブアップして夕食をとりホテルに帰りました。

たく身に覚えが無い私は真っ青になりました。慌

なお、私と同行していた方は海外渡航歴が殆ど無ててカードを止めていただき、被害は特にありまい方で、相当ドキドキされたようです。もうちょせんでした。支払等は別会社のクレジットカード

っと安心させてあげられれば良かったなと、反省も持っていたので何とか乗り切る事が出来ました。

しております。

ホテルでの朝食の時（あまり星の数は多くなかったのですが、朝食は付いていました）、同行していた方と、同じホテルに泊まっていた DESY の方にその話を、そしてこちらに来てからカードで買い－ 47 －

物はしていない事を話したらびっくりされました。
帰国してから聞いた話ですが、同行していた方も、その話をホテルでした DESY の方も、その後同様の事があったそうです。同行した方は、日本ではそのカードを使った事もなく、ドイツ国内でも特に怪しいところで買い物をしたことは無いとの事でした。とても怖い話でした。

4. おわりに
今回の波乱万丈なドイツ渡航で、技術的・学術的な報告の部分が少なくなってしましました。しかし実際には、今回 PCaPAC 2014 に参加する事でPC 等を使用した制御システムの現状や新しいテクノロジーに関して広く情報を収集する事が出来ました。
以上のように今回助成をいただき PCaPAC に参加する事で非常に有意義な結果を得る事が出来ました。改めて高エネルギー加速器科学研究奨励会にお礼を申しあげたいと思います。

－ 48 －

第4回
１．開催日時
２．場

所

３．題

目

特別講演会開催報告

平成２６年１０月１０日（金）１４：００～１７：００・・・・・約２０名の参加
アルカディア市ヶ谷（私学会館）
住所 東京都千代田区九段北４－２－２５）
ＴＥＬ ０３－３２６１－９９２１（代表）

１）J-PARCの現状とMLF施設運用
講演者 池田裕二郎（J-PARCセンター長）
講演の概要
日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で建設し運営する大強度陽子加速器施設、J-PARC、を概観する。
中性子、ミュオン、K 中間子、ニュートリノなどの 2 次粒子を用いる複数実験施設の特徴と目標とするサイエンスを紹介する。
中でも、多くの利用者が訪れる中性子とミュオンを使った物性研究の拠点となる
物質・生命科学実験施設、MLF、の中性子性能、ビームライン構成など世界の他の施設との比較による優位性、等を紹介する。
さらに、MLF 施設の利用の仕組みとともに、最近のサイエンス課題の動向と産業界からの利用需要について我が国の科学技術推進への貢献の観点で言及する。

池田裕二郎（J-PARC センター長）－ 49 －

２）J-PARC/MLF における産業利用
講演者 林 眞琴 （茨城県企画部 技監） 専門分野 構造強度信頼性
講演の概要 「中性子の産業利用」
日本国内には原子炉中性子源 JRR-3 とパルス中性子源 J-PARC/MLF がある。
２００６年に整備された JRR-3 における施設共用制度、ならびに、文部科学省が設けたトライアルユース制度をきっかけに中性子の産業利用が大きく拡大を始めた。
２００６年に供用を開始した世界最先端の実験施設である J-PARC/MLF においても産業界の中性子の利用は着実に増加している。装置グループの利用や
JAEA プロジェクトならびに KEK の S 型課題を除いて、J-PARC/MLF での 2008から 2014A までの期間に採択された課題数は 1,099 件(3.11 大震災で全く運転されなかった 2011A を除く)であるが、そのうち産業界の利用は 31.5%を占める。
本講演では茨城県が J-PARC/MLF に設置した２台の中性子実験装置の概要と中性子の産業利用の現状について紹介する。

林 眞琴 （茨城県企画部 技監）

・講演の詳細につきましては、奨励会ホームページ（http://www.heas.jp/）をご覧ください。

－ 50 －

■ 編 集 後 記■● 賛助会員の皆様方には益々ご清栄のこととお慶び申し上げます。
日頃より、当公益財団法人に対する格別のご協力を頂き、心から厚く御礼申し上げます。
● 広報誌「ＦＡＳだより」も公益財団法人に移行してから第９号を発行することになりました。
● 投稿等が少なく、年３回の発行予定が年々少なくなりつつあります。
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有りましたら是非お知らせ下さい。
投稿をお待ちしております。
● 研究報告等を見やすくするために、広報誌「ＦＡＳだより」も第７号からモノ黒印刷
から全面カラー印刷に変更いたしました。
● 本文中に掲載しておりますが、皆様のご協力で、平成２６年度「高エネルギー加速器セミナー ＯＨＯ‘１４」・「第４回 特別講演会」とも、無事に終了する事ができました。ありがとうございました。
平成２７年度も同様にセミナー及び講演会を開催する予定です。
多くの皆様のご参加をお待ちしております。
● 当公益財団法人では、多くの皆様に「公益財団法人 高エネルギー加速器科学
研究奨励会」をお知りいただくために、平成２５年１月にパンフレットを、２月にホームベージをリニュアールいたしました。
● 「ホームベージ」・広報誌「ＦＡＳだより」等をご覧いただき、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。お待ちしております。
● 賛助会員のバナー広告掲載について
当公益財団法人のホームページ上に賛助会員様のバナー広告を掲載しております。
バナー広告掲載を希望される賛助会員様は、ぜひご利用ください。（無料）＜連絡先：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－ 51 －