高エネルギー加速器科学研究奨励会

第 9 回特別講演会

KEK 応用超伝導加速器センターが目指す加速器の産業利用

2019.10.11 アルカディア市ヶ谷高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設
山口誠哉
1

センター設立の背景• 加速器の産業等への利用応用が世界的に増大してきている．
• 大強度のビームが必要 → 超伝導加速器• KEKは超伝導加速器の長い経験．
• 加速器の応用を推進する．（KEKの中目，中計，ロードマップ）• 2019.4.1に加速器研究施設を改組し，応用超伝導加速器センターを設置．
TRISTAN超伝導加速システム(世界初の大規模超伝導加速システム)

KEKB
SuperKEKB
STF
2cERL

センターの体制
教員

センター長
道園 真一郎

18人

技術職員

5人

STF
cERL
CFF
COI
AR東ATF

超伝導空洞グループ
グループリーダー 加古 永治
cERL
STF
COI
AR東

超伝導加速器利用推進グループ
グループリーダー 阪井 寛志

ナノビーム開発グループ
グループリーダー 照沼 信浩
CFF超伝導空洞製造グループ
3
グループリーダー 文殊四郎 秀昭

センターの関連施設
COI
STF
ATF
精密試験棟
AR東cERL
CFF

4

加速器の用途
基礎科学の研究
素粒子・原子核の研究
物質・生命科学の研究
応用
医療（がん治療等）
産業（半導体リソグラフィー）
環境浄化（排煙・排水浄化）
国土強靭化（老朽インフラの診断・長寿命化）
原子力（核廃棄物の処理，核融合炉材料の照射損傷試験）
その他（年代測定，ほか）

日本の加速器（放射線発生装置）の台数
1,800

総数

1,600

サイクロトロン
シンクロトロンリニアック
ベータトロン
ヴァンデグラフ
コッククロフト
マイクロトロン
その他
合計

1,400

台数

1,200

リニアック

1,000
800
600

サイクロトロン

400
200
0
200
2 0002 1002 2002 3002 4002 5002 6002 7002 8002 901
2 0012 1012 201
2 3012 401
2 501
2 601
2 7018

増加率：34 台 / 年（総数）

年

1%
3%

2%
4%

7%

9%

14%

機種別
内訳
（2018）

リニアック
サイクロトロン 10%
静電
シンクロトロン
マイクロトロン
その他
76%

医療研究
企業
教育
その他

機関別
内訳
（2018）
75%

出典：日本アイソトープ協会「放射線利用統計」，放射線障害防止法の規定によりエネルギー1 MeV未満のものは除く．

1%
1%

イオン注入・表面改質
産業
非原子力研究放射線療法
核医学検査薬製剤
ハドロン療法放射光
素粒子・原子核研究

1%
1%

33%

世界の加速器総数

46%

約15,000台（2000年）

7%10%World wide inventory of accelerators, in total 15,000. The data have been collectedby W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, June 31, 2000)
7基礎科学の研究のための加速器
Energy frontier
Intensity frontier
Luminosity frontier
Brightness frontier

8Energy frontier
2012年，ヒッグス粒子発見

CEPC

LHC
13 TeV
直径〜30 km
直径9FCCkm

LHC
CLIC

FCC

CEPC

ILC

CLIC

ILC

9

Livingston Chart
1930 〜 1980

ビームエネルギーは10年で約50倍に．

近年，傾きがややにぶってきた．
飽和？

Intensity frontier

ESS

ISIS

FLNR

FAIR
GANIL

CADS RISP

RIBF
J-PARC

CSNS

陽子加速器
重イオン加速器

11ARIELFNAL MIFRIB
RHIC
SNS陽子加速器

大強度化

J-PARC（KEK&JAEA）

測定時間の短縮

MR
30 GeVRCS
3 GeV

Hadron Exp.
Facility

3NBT

新発見

Linac
400 MeV

大強度 → 機器の放射化 → 保守の障害と環境への影響
大強度加速器は，ビームロスとの戦い．

L3BT

3-50BT

Material and LifeScience Exp.
Facility (MLF)

Neutrino Exp.
Facility
Kamioka

重イオン加速器

RIBF（理研）
Nhの生成断面積= 22 fb
1 イベント/200 日→ 大強度化が必須→ リニアックの超伝導化→ 超重元素（>118）の発見
12

理研&KEK&MHI

Luminosity frontier
世界の電子陽電子衝突型加速器のルミノシティー

SuperKEKBはKEKBの40倍を目指す
2008年

世界最高記録（2010）

小林益川博士
ノーベル賞受賞(CP対称性の破れ)2018年
1.23 陽電子ダンピングリング運転開始
3.19 Phase2 運転開始
4.26 Belle IIが初衝突を観測
6.28 初衝突記念式典
2019年
3.11 Phase 3運転開始

14Brightness frontier（放射光）施設数が多い
先端性（高輝度）と汎用性が求められる．

DIAMOND

MAX-IVEuroXFEL

SOLEIL ESRFSESAME

VLEPP-3

HELS

CLS

SACLA

SSRF

PF/KEK-LS

SPring8

CESR

LCLS-IIAPS

NSLS-IITPSSIRIUS

リング型放射光源
自由電子レーザー型放射光源

AS15

リング型放射光源
シンクロトロン放射

挿入光原（アンジュレーター，ウィグラー）PF, SPring8, APS, ESRF, MAX-IV

自由電子レーザー型放射光源

SACLA, Euro-XFEL, LCLS-II

加速器の応用
医療

放射線（粒子線）治療
核医学検査薬製剤
ホウ素中性子捕獲療法(BNCT)

産業

イオン注入，半導体リソグラフィー用光源

環境

汚染水，排煙の浄化

国土強靱化

老朽インフラ（橋梁・道路・トンネル）の診断，長寿命化

安全

危険物探知

原子力

核変換（ADS）
核融合炉材料照射試験
慣性核融合炉用ドライバー

その他

年代測定，宇宙開発ほか
17放射線（粒子線）治療用加速器
手術療法

化学療法 放射線療法

電磁放射線

ガンマ線
X線

粒子放射線（荷電粒子）
放射線

電子線

リニアック（1,144）

陽子線

シンクロトロン（18），サイクロトロン（160）

重粒子線

シンクロトロン（6）粒子放射線（非荷電粒子）
中性子線(BNCT)

サイクロトロン，リニアック

・括弧内は2018年現在の台数
・1930年代は，コッククロフト，1970年代までは，ベータトロンも使われた．
18

医療用リニアック
1,144台（2018 年）

秋田大学医学部の医療用加速器（VARIAN製）

19

S-band, 5-20 MeV
電子銃

αマグネット
加速管
ターゲット

電子線，X 線回転ガントリー付きリニアック20

高エネルギー（100-200 MeV），短時間（< 500 ms），高線量（60-200 Gy/s）
2122

16方位同時X線照射用リニアック

Credit: SLAC/Stanford University23

重粒子線治療施設

ドイツ
ドイツ
マールブルク治療センター
GSI（終了）
ドイツ
フランス
ハイデルベルク大学
IMP
ARCHADE
イタリア
重粒子治療センター
上海
サウジアラビアTATA

韓国原子力医学院
韓国延世大学
群馬大学
QST

台湾

メイヨークリニック
バークレー
コロラド テキサス大学

神奈川県がんセンター
大阪重粒子線センター
兵庫県立粒子線医療センター
九州国際重粒子線がん治療センター
山形大学

運転中
建設，計画中24

HIMAC（QST）
RFQ
DTL

シンクロトロン
直径 37 m（群馬大学は20 m）

25

TULIP-Turning Linac for Protontherapy
Beam production and transport system

Beam application system≤ 232 MeV+/-110 ° 70 MeV
LEBT

750 MHzSCDTLCERN RFQ

RFQ, DTL
HIMAC
100 MHz群馬大学 200 MHz

S. Benedetti, A. Grudiev, A.Latina, High Gradient LINACS for Protontherapy
PhysRevAccelBeams 20 040101 2017
Introduction

Methods

Results
26Conclusions

New Trends in Proton, Carbon Therapy Linacs

S. Benedetti, CERN

27

ADAM-LIGHT
全長 25 m5 MeV

37.5 MeV

750 MHz230 MeV

3 GHz
28

ホウ素中性子捕捉療法
Boron Neutron Capture Therapy
1．がん患者に10Bを含む薬剤を投与し，がん細胞に送達する．
2．中性子を10Bに衝突させ，核反応により発生するアルファ粒子と7Li線により，がん細胞のみ選択的に破壊する．
原子炉では多くの実績があるが,• 病院に設置不能• 低稼働率加速器ベースのBNCTが必要．
KEKは，2011年，リニアックベースのBNCT開発に着手．
ほぼ，要求性能を達成．
29

ターゲット

8 MeV
5 mA
IS

Be

p

モデレーターnnepi

熱外中性子束=109 n/cm2/s

RFQ

DTL

クライストロン

【特徴】

iBNCT

空洞は，ほぼJ-PARCリニアックのコピー．
ただし，2 空洞を1クライストロンで駆動，Duty が J-PARC より約 1 桁高い．
→ 共振周波数・チューナー・冷却水温度の制御を統合して実現．
→ 世界で最もインテリジェントなRF制御システムか．
先行するサイクロトロン方式に比べて，低放射化．被ばく低減，停止期間短縮，デコミ費用削減．
30

R. Katayama (KEK)
Schematic Figure ofSuperconducting BNCT System

EECR Ion
SourceLEBTSuperconducting
RFQ (SC-RFQ)

Beryllium
TargetFig.1 Proposal Layout of Superconducting BNCT System of KEK (The image is cited from [1] and partially changed.)Specification of SC-RFQ

Operated Frequency: 162.5 MHz
Accelerated Particle: Deuteron or Proton
CW Current: >20 mA
Particle Energy: 5 MeV
Operation Temperature: 4.2 K
Accelerated Length: < 5 m
Material: Niobium
Transmission Rate: > 99%

Fig2. Superconducting RFQ (81 MHz)
operated at INFN-LNL [2]Reference: [1] Optimization of Neutron Collimator in The Thermal Column of Kartini Research Reactor for in vitro and in vivo
Trials Facility of Boron Neutron Capture Therapy using MCNP-X Simulator [2] Superconducting RFQ’s ready For Ion BeamOperation at INFN-LNL, G. Bisoffi et.al, Proceedings of EPAC 2002, Paris, France31核医学検査薬（99mTc）の製剤
・核医学検査薬の利用は年間100万件．
・その内，60 % が 99mTc．親核種，99Mo の製剤が必要.
・99Mo:100% 海外から輸入.原子炉で製造．
・供給が不安定．

X-ray

99mTc

・加速器ベースの製剤が求められている．
・100Mo(γ, n)99Mo が最も有望．
SRF Linac

e-・cERLで原理実証試験を実施.
99mTc

功験成試実証理原究）
研
月
9年6 との共同
102
業（企32W

γ100Mo99Mo

医療用RIの製造

加速器で医療用RI（特にα粒子放出核種）の製造を．
Ra-223, Ac-225, Bi-213, At-211
33

半導体リソグラフィー用加速器
半導体リソグラフィー用の光源
微細化→ 短波長化EUV光（λ=13.5 nm）

EUV光源：LPP（ 〜250 W） → FEL（10 kW）
エネルギー 800 MeV
電流 CW 10 mA

ERL（Energy Recovery Linac）
で培われた技術を転用し，EUVFEL加速器の実証試験．
開発要素：電子銃，超伝導空洞，ビーム制御，etc．

ERL• 一旦加速されたビームを周回させ，減速させてから捨てる．大きなビームダンプが不要．
• 良質（低エミッタンス）なビーム．
34

環境浄化（排水処理）

目的

排水の浄化（微生物等有毒廃棄物の殺菌）方法

汚染水に電子ビームを照射： e- + H2O →水（4mm程度の厚さ）の供給システムがポイント．

現状

ロシア・韓国・日本などで 500 kW クラスのものが実用化または，実証試験中．

課題

安定性，経済性（大規模プラント：60 MW）遮蔽，コストダウン
1 MeV，1 A，1 MWの安定な加速器が必要．
小型かつ大強度→ 超伝導加速器（4 Kで駆動）
35

→ 殺菌

環境浄化（排煙処理）

目的・排煙の脱硫，脱硝（大気の浄化）・肥料の生産

方法 NOx硫酸

硫安 (NH4)2SO4

SOx

硝酸硝安 NH4NO3

電子ビーム + アンモニア

現状

数百keV，数百mA，数百kW（低エネルギー大強度加速器），ポーランド

課題などでパイロットプラントが稼働中．
安定性，経済性（大出力化）
1 MeV，1 A，1 MWの安定な加速器が必要．
36老朽化したインフラの診断
背景・インフラ（ 橋，トンネルなど）の老朽化は急速に進行中．
・強度の非破壊検査・可視化が求められている．
18%
2013

57%

2023

43%

20%

33%
2033

2013

67%

80%

82%

高齢（50歳以上）橋梁の割合

34%
2023

PC鋼材の腐食50% 2033 50%

66%

高齢（50歳以上）トンネルの割合

37

方法
・車載型加速器で中性子/X線を発生，老朽化所を見つける（反射/透過）．

陽子

Be

理研

中性子電子

Y. Otake

W

東大

38

X線

M. Uesakaインフラの改質（アスファルトの長寿命化）
背景・劣化したアスファルトの修理には莫大な費用がかかる．
・長寿命化が求められている．
方法
・スファルトに電子ビームを照射し，硬化させる．

アスファルトの劣化
FNAL

・必要な線量は，約 200 kGy
・10 MeV, 50 mA，500 kW．
・課題：小型冷凍機（クライオクーラー+伝導冷却）,
大電流電子銃, SRF 空洞.
原理実証試験
・cERLでアスファルトの試験片に電子線を照射.
39

アスファルトの劣化

エネルギー ≤ 1MeVの放射線の産業利用• 強度増強• ラジアルタイヤ• ポリエチレン• 炭化ケイ素繊維• 滅菌• 医療用品• PETボトル• 新素材• （食品照射）40

ADS（加速器駆動核変換システム）
原子炉で発生する高レベル核廃棄物の処理方法① 地層処分．
② 高速炉で長半減期の核種を短半減期の核種に変換する．
③ ADSで長半減期の核種を短半減期の核種に変換する．
大強度（1 GeV, 30 mA CW，30 MW） の陽子加速器(J-PARC Linac は 0.6 MW)

高度なSRF（HQHG超伝導空洞，クライオモジュール，カプラー）技術，ビーム制御技術が必要．
ベルギー（MYRRHA），中国（C-ADS）が第7回プロト機を開発中．
J-PARCでも検討中．

高エネルギー加速器科学奨励会研究特別講演会
辻本

41

和文氏 (JAEA) の資料より

核融合炉材料照射損傷試験用加速器
実験炉

実証炉

D-T 燃焼発電
高速中性子による照射損傷の試験が必須．
-> IFMIF
International Fusion Material Irradiation Facility• IFMIF : 40 MeV X 125 mA CW x 2 = 10 MW• LIPAc (IFMIFの試験加速器) : 9 MeV X 125 mA CW = 1.125 MW• QST，F4E (EU）の共同事業．KEKも協力.

175 MHz
HWR

d-IS42現在地

Home > 六ヶ所核融合研究所 > 世界最高強度の重陽子ビーム加速に成功

世界最高強度の重陽子ビーム加速に成功
成〜〜日欧合同チームが加速器開発の未到のマイルストーンを達成〜〜日欧合同チームが加速器開発の未到のマイルストーンを達

掲載日：2019年8月6日更新

発表のポイント
日欧合同チームは、世界最長の高周波四重極線形加速器(RFQ) 1)を用いて、世界最高強度の重陽子ビーム加速（125ミリアンペア、エネルギー500万電子ボ
ルト、従来の記録2）は45ミリアンペア、エネルギー200万電子ボルト）に成功し、前人未到のマイルストーンを達成。
本結果は、核融合炉で生じる高速中性子が炉の材料に与える影響を調べるために必要な大強度中性子源のみならず、医療や農業、工業分野への幅広い中性子応用利用の実現に見通しを与える。
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長 平野俊夫。以下「量研」という。）は、欧州核融合エネルギー合同事業体（フュージョンフォーエネルギー。以下「F4E」という。）とともに、イタリア国立核物理学研究所（INFN）、スペインエネルギー・環境技術研究センター（CIEMAT）、フランス原子力・代替エネルギー庁（CEA）サクレー研究所の協力の下、大強度の核融合中性子源の実現に向け高周波四重極線形加速器（RFQ）1)を開発し、このたび重陽子ビーム加速の実証試験により、前人未到のマイルストーン（電流125ミリアンペア、エネルギー500万電子ボルト）に達する重陽子ビームの加速に成功しました。重陽子とは、水素の原子核である陽子に中性子１個が結合した粒子です。
この実証試験は、核融合エネルギーの早期実現を目指す幅広いアプローチ（BA）活動3)の下で行われる、国際核融合材料照射施設の工学実証・工学設計活動（IFMIF/EVEDA）事業4)の一環として行われたものです。
これまで、RFQを用いて500万電子ボルトで125ミリアンペアという極めて大強度の重陽子ビームの加速を行った実績は世界になく、このために、世界最大電流の重水素イオンを生成する入射器、世界最長のRFQ及びそのRFQに世界最大パワーを注入する高周波加速器システムを新たに開発しました。特に大電流ビームの加速においては、大電流のビーム自身のプラス電荷でビームが拡がらないように集束させ、かつ、徐々に所定の速度に加速することが鍵です。今回、日欧合同チーム
は、RFQの前段にある入射器で、大強度重陽子ビームを速度のバラツキが少ない状態で集束させRFQへ入射でき、RFQ内に重陽子イオンビームの密度に応じた大電力高周波電場を立てることで、RFQで重陽子イオンビームを安定に集束・加速することに成功し、今回の成果を得ることができました。
本成果は、核融合原型炉の炉内中性子環境を模擬し、原型炉建設への移行判断に必要な材料データの取得を行うための中性子源A-FNS5)の実現へ向け、大きなステップとなるもので、さらに、これで得られる大強度かつ連続の中性子を用いて、がん治療や検査薬のための医療用アイソトープ製造、農業、半導体製造などの工業分野への応用、医学・科学研究応用など、幅広い利用に道を開くものと期待されます。

課題：入力カプラー，ビームロス対策，ほか
開発の背景と目的
43

核融合エネルギーの実現に向けた原型炉開発では、核融合反応で発生する高速中性子（エネルギー：1,400万電子ボルト）の照射による構造材料の特性変化の把握

その他
• 分析
• 質量分析（AMS）• 励起X線分析（PIXE）• イオンビームによる物質分析（RBS，ERDA）• 高分解能イオンビーム表面分析• 重イオン照射加工• 放射線耐性試験• 年代測定以上は，静電加速器を使用．
• 超伝導リニアックによるバイオエタノール，セルロースナノファイバーの製造， 産総研と共同研究
AMS Accelerator Mass Spectrometry

RBS

PIXE Particle Induced X-ray Emission

ERDA Elastic Recoil Detection Analysis

44Rutherford Backscattering Spectrometry

衛星搭載用加速器
月面資源探索n → PGAp → PIXE

宇宙デブリ除去45

小型中性子源・中性子科学（物性，基礎物理，産業利用等）のためのツール．
・高機動性が特徴．「試験は小型加速器で，本格実験はJ-PARCで」中性子発生量（1/s）
1011

1012

KUANS

RANS

1013

1014

1015

1016

1017
J-PARC

NUANS
HUANS

BNCT46

国内の主な小型中性子源
RANS

RANS2

HUNS

NUANS

KUANS

iBNCT

中型加速粒子ppe-pppp

加速器

RFQ, DTL

RFQ

Dynamitron

RFQ

RFQ, DTL?

エネルギー [MeV]

72.49

45

2.8

3.5

8

13

平均電流 [μA]100100< 140

15,000

100

5,000

1000

パワー [W]

700

250

1,000

42,000350

40,00013,000

30 - 120

1,000

10-50020 - 120< 20080

パルス幅 [μs] 10〜180

S-banddisk-loaded

0.01-3CW繰返し [Hz]20-200

< 200

ターゲット

9Be

7Li

Pb

9Be

9Be

9Be

9Be

中性子発生量 [/s]

1012

1011

1.6x1012

1012

1011

1014

4x1013

用途

研究・応用

研究・応用

研究・応用

研究・BNCT

研究・応用

BNCT

研究・応用

47

小型中性子源の課題•加速器の設計（小型，低コスト，省エネ）•標的，減速材，反射体の設計•遮蔽（特に車載型の場合）

48

常伝導加速器と超伝導加速器の比較
常伝導

超伝導コメント

材料

無酸素銅
Cu

高純度ニオブNb

超伝導空洞の組み立て，運転は要クリーン環境．
材料費：無酸素銅 1円/g，ニオブ 70 円/g．

加速粒子

電子・イオン

電子・イオン

CW(連続波)の加速器では，損失の大きい常伝導空洞は使えず，超伝導空洞が使われる．

大きい

小さい

超伝導空洞は，空洞の電力損失は小さいが，低温電力損失

周波数

最大加速勾配アライメント
許容誤差（Q〜104）（Q〜1010-11） にするための冷凍機が必要．

0.1〜10 GHz 0.5〜1.5 GHz

直線加速器の場合，加速勾配が同じであれば，全体の長さは常伝導の方が短くできる．

100〜200

50〜100加速勾配を制限する主な因子：常伝導空洞では，絶MV/m

MV/m

縁破壊，超伝導空洞では，磁場による局所的な発熱〜100 μm〜300 μm

超伝導空洞は，周波数が低く，寸法が大きいため，アライメントの許容誤差が大きい．
49

Average Beam Current [mA]

1000

LIPAc

A-FNS, DONES (IFMIF)

100

Asphalt
Mo-99
10ADS

10iBNCTMWEUV-FEL1M

W

1100
0.1RANS101kW

kWkW0.01
110100Beam Energy [MeV]
50

1000

normalsuper本センターと関連組織との関係/1.-1.+$02(+!-)
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(大学加速器連携協議会
http://www2.kek.jp/accl/KEK̲University/index.html

設立趣旨（1）情報共有
加速器施設カタログの発行（2）相互扶助
モジュール類の配布（3）人材育成
インターンシップ，加速器実習の案内（4）加速器科学の新展開に関する検討

協議会開催
2017.4.14 準備会開催
2017.7.31 第1回協議会開催（北大）
2018.8.8 第2回協議会開催（長岡技科大）2019.8.3 第3回協議会開催（京都大）
加速器のすゝめ（講演会，見学会）
対象：大学・高専教職員，学生，高校教諭，企業，自治体職員など
2018.3.21 筑波大学

九大

北大

山形大

東北大CYRIC
東北大電子光長岡技科大東大 KEK
筑波大
早稲田
京大化研
理科大
日大
阪大RCNP 立命館
名大
東工大
兵庫県立
分子研
広大
東京都市大
神戸大
阪大産研
京大
大阪府大
OIST
奈良女子大
群馬大

2018.7.12 長岡技科大2019.10.5 群馬大学
2019.7.31現在，全国の43大学・大学共同利用機関加速器施設が参加
52

1．コンソーシアムの役割
・加速器応用のニーズ・シーズの調査・分析
・研究開発戦略の策定・展開・連携の促進
・情報収集・情報発信
2．コンソーシアムの構成
・企業
・大学加速器施設
・研究機関
・応用超伝導加速器センター

https://www.kek.jp/srfconsor/
53会員向けセミナー等を年数回程度行なう．
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教育用小型加速器
小型電子加速器（エネルギー約 20 MeV）を建設し，ビーム運転まで行なう．対象は，学生・研究者・企業等の技術者．
1. 講義・シミュレーション

クライストロン

2. 実習（RF特性測定）

模擬負荷

3. 建設・運転

バンチャー

電子銃

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加速管（Sバンド，2 m）

Faraday Cup産業用加速器に求められる性能・大強度・高効率・小型・低価格・低放射線56産業用加速器の世界的動向

R. W. Hamm, An Exploration of Proton and Electron Accelerator Business Opportunities57まとめ加 速 器
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応用超伝導加速器センターをよろしくお願いします．

ご静聴ありがとうございました．

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