The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

J-PARC 加速器
山崎良成
日 本 原 子 力 研 究 所 〒 319-1195 茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 白 方 白 根 2-4

概要J-PARC 計 画 は 400 M e V のリニアック、エネルギー 3
G eV で ビ ー ム 出 力 1 M W の速い繰り返しのシンクロトロ> (rapid-cycling synchrotron, RCS), 50 GeV 主リング(mainring, MR)の加速器群とそのビームを使う実験施設群からなっている。施設は、現 在 平 成 1 8 年度完成を目指して建設中である。J-PARC加速器のために、その高いビーム出力を実現すべく、多くの新しい技術を考案した。例えば、磁 性 合 金 (magnetic alloy, MA) を装着した空洞を懂
え る 高 周 波 加 速 系 、 71モ ー ド 安 定 化 ル ー プ （jr-modestabilizing loops, P IS L ) を装着した RFQ リニアック、高周波チョッパーなどである。 これらの新技術の最近の開発状況および加速器建設状況を報告する。

1

序原研と KEKが東海に共同で建設している大強度陽子加速 器 施 設 [1-7]は、咋 年 か ら “J-PARC” 計 画 （JapanProtonAccelerator Research Complex) と呼称されることとなつた。建 設 予 算 が 既 に つ い て い る 計 画 第 1 期 は 、平 成 1 3
年から建設が開始され、 1 9 年 に 終 了 す る 6 年計画であり、400-MeVの 線 形 加 速 器 、 3-GeVの速い繰り返しのシンクロ ト ロ ン (Rapid-Cycling Synchrotron, R C S ) 、50-GeVのシンクロトロン (Main Ring, MR)か ら な る （図 1 参照）。

圖

図 1 : 施設の完成予想図
リニア ッ ク においては、 ピ ー ク 電 流 50 m A でパルス
幅 500 \ i s の負水素イオンビームを 、 400 M e V まで加速し、繰 り 返 し 25 H z で R C S に入射する。入射においては、従来一般的である断熱捕獲法では入射時のビーム損失が避けられないため、予めリニア ック で、ビームの44%分だけ間引き (chopping)しておく方法が採られる。 リニアッ ク 自身は、最 大 50 H z で運転可能にしておき、第 2 期で 加 速 器 駆 動 核 廃 棄 物 処 理 シ ス テ ム (Accelerator-Drivennuclear waste transmutation System, ADS)の基礎研究の予算が認可された時には、残りの 25 Hzが使えるようにしてある。
こうして RCSでは平均 333 |iA のビームが 3 GeVまで加速され、 ビーム出力 1 MWになったところで、速い取り出しで、物 質 生 命 科 学 実 験 施 設 (Materials and Life Science
Experimental Facility, M L F ) にビームが送られる。そこでは、 ミュー粒子生成標的、 中性子生成標的をビームが串刺しに輸送され 、 10 %がミュー粒子の生成に使用される。
一 方 、RCSから取り出されたビームの内、 3.5秒毎に 、 4回続けて MRにビームが入射される。そこで、加速された後、原子核素粒子実験施設 (Nuclear and Fundamental Particle
Experimental Facility, N P F ) に、遅い取り出しで 1.6秒間、ビームが供給される。そこではケイ粒子稀崩壊実験やハイパー核実験等が予定されている。
一方、MRのビームは速い取り出しでニュートリノ生成にも使用され、そのニュー卜リノは 300 km離れた SUPERKAMIOKANDE検 出 器 に 送 ら れ て 、長基線実験が行われる。 こ の 部 分 は 第 1 期 に含まれていなかったが、平 成 1
6 年 度 か ら 4 年で建設する計画が、文部科学省から財務省に予算要求された。ただし、MRのエネルギー については、第 1 期ではフライホイールシステムが未整備のため、40 GeVで運転される。
J-PARC加 速 器 の 特 徴 に つ い て は 文 献 [6]に、設計についてはTechnical Design Report (TDR) [7]に詳しいので、設計の中で特筆すべきことだけを次節で述べ、その後、最近の J-PARC加速器研究開発結果および建設状況を報告する。
予算については、平 成 1 5 年 度までは、 当初予算に補正予算を加えることにより、 ほぼスケジュール通りという結果となっている（
図 2 ) 。来年度分についても、文部科学省から財務省への当初予算の要求だけでは、 1 年遅れとなっており、今後の補正予算のつき方がスケジュ一ルに大きく影響する。平 成 1 5 年度までの契約は従ってほぼスケジュール通りであるが、 リニアックの高エネルギ一部（190_400 MeV)については、加速器の主要部分の開札状況を勘案して契約されることとなる。加速器建設は、現時点までは当初のスケジュール通りであるが、今後につ いては、予 算 が 1 年遅れになるにしても、加速器の建設は半年遅れに止めるよう調整中である。 ただし、MRについては半年遅れは避けられない。それは、MRおよび NPFの建設予定地に中世の塩田遺跡が発見されたためである。現在考古学的発掘調査中であるが、 こ れ に 1年程度の期間を要する。建築等はほぼ遅れを生じないよう工程を組み直すことができたが、加速器機器搬入スケジュール、性能検査スケジュール等の関係から、 ビーム試験開始は半年遅れとなる見込みである。
リ ニ ア ッ ク お よ び RCSの 建 築 は そ れ ぞ れ 平 成 1 3 年
度 、 1 4 年度に契約され、 と も に 平 成 1 6 年度竣工の予定である。一方、MRは 4 エ区に分割されており、それぞれ各年に契約されるが、 1 7 年度中には竣工される予定である。現在の建築状況を図 3 に示す。

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Year

2001

2002

2C03

2004

Linac Bldg
Linac Accel

2C07

2006

2005

2008
〜 100PowBrO \% 1%
I o nstructK i

2009

Ir stal 丨
atio「 ieam Test
〜 100 %

Pov. ir 0 l% 1：

3GeVBIdg

Insialla 丨。「 i Bear Test

Constr jction
3GeV Accel
3GeV BT
3GeV Exp BldgInstaliat

Constri 汁ion=v

ieam T&i

InstatlaticTest

Power C % 1欠1CT

3GeVExpFac
50GeV Bldg
Construct 〕nIr tallation- ieam Tes

50GeV Accel
50GeVExp Bldg
50GeV Exp Fac

Cons ruction

Installati r

Bear Test'estPerio f Open t(Start Usage

図2 ：当初のJ-PARC建設スケジュール。会計年度で表わしてある。

図 3 ：現 在 の 施 設 の 航 空 写 真

2J-PARC加速器の特色

J-PARC加速器の加速器としての特色は全くその多目的性から 生じていると いっても過言ではない。す な わ ち 、
数 GeVエ ネ ル ギ ー 領域と 数 10 GeVエ ネ ル ギ ー 領域の両方でMW級のビ ー ム 出 力 を 実 現 す る と い う こ と で あ る 。 そこでは、 MLFに 3 GeVで 1 MWの ビ ー ム を 供 給 す る RCSが、同時に50 GeV MRの入射器ともなっているのである。
一方、米国の SNS (Spallation Neutron Source) 計画は、中性子源 という単一目的の施設であるため、 リングでは加速 し な い 蓄 積 リ ン グ （Accuiymlator Ring, AR) とリニアックの組み合わせという方式も可能であった。
しかし、J-PARCにおいて RCS方式を選んだ理由が、その多目的性にあったにしても、RCS方式自身 AR方式と比較して以下のような長所を有しているのである。 まず第 1に、RCSで ビ ー ム エ ネ ル ギ ー を高くするこ とにより、 同じビーム出力に対してビーム電流が少なくてすむことがあげられる。 入射エネルギー が高くなると 、入射に必要な磁場 によるローレンツカが強くなり、負水素イオンの電子が剥ぎ取ら れやすくなる 。そのため 、入射ビームのエ ネ ル ギ ー は せ い ぜ い 1.3 GeV程 度 に 限 ら れ 、事 実 上 JPARCのような 3 GeVのARは不可能である。第 2 に、入射時のビーム損失率に余裕が出るということがあげられる。 一 般 に 、 ビーム入射時のビーム損失は避けられず、そのために生じた加速器機器の残留放射能がある一定水準を越えると、人間が立ち寄 れなくなり、機器の修理が不可能になる。 したがって、残留放射能をその水準以下に抑える必要があり、そ の た め に 、許されるビーム損失量に限界が出、最 終的にビーム 出力を決めてしまう。 ところが、残留放射能生成断面積はビームエネルギーにほぼ 比 例 す る の で 、入 射 エ ネ ル ギ ー が AR より低くてすむ
RCSでは、入射時に許されるビーム損失量が多いのである。
一 方 、大 出 力 の 高エネ ルギー RCS方式の実現には多くの問題を解決する必要がある。 中でも、以下の項目は特に重要である。 まず第 1 に、速く加速するためには高電場勾配の高周波加速空洞の、それも大きなシステムが必要である。 この要請は、磁 性 合 金 （magnetic alloy, MA) 空洞 の 開 発 に よ っ て 初 め て 可 能 と な っ た [8]。第 2 には、磁石 [9]も真空チェンバーもともに速く変化する磁場による渦電流の発生を極力抑制する構造にしなければならない。第 3 には、低エネルギー入射での空間電荷効果を軽減するために、大きなビーム口径の磁石を使用せねばならず、中でも入射系の設計、製作は多くの困難がある。第4には、多ぐの磁石ファミリ一間の磁場振幅および位相を正確に制御する必要がある。
RCS自身の課題に加え、 リニアックのビームにも 、RCSへの入射器として厳しいビーム性能が求められる。すなわち、精確な運動量 (J-PARCではAp/p < 0 . 1 %)および低エミッ夕ンス(J-PARCでは4ti mm mrad)が求められるのである。 これらは、入射時のビーム損失を 1 %以下に止める必要性から要求されているので、 いわゆる rmsエミッタンス
ではなく 、 99 %エミッタンスである。 また、RCSのビー
ム口径が大きいにも関わらずこのような小さなエミッ夕ンスが要求されるのは、小さなエミッ夕ンスのビームで大きな口径にまんべんなくビームを分布させるためである。 こ れ ら の 高 品 質 な ビ ー ム を 供 給 す る た め に 、 まずRFQ(Radio-Frequency Quadrupole)リニアックに 7Cモード安定化ループ（
兀-mode stabilizing loop, PISL) [10,11 ]を考案した。 ま た 、横 方 向 振 動 数 に 融 通 性 を 持 た せ る た め 、DTL(Drift-Tube Linac)のドリフ卜チューブ内に装着された4 重極磁石は、永 久 磁 石 で は な く 、電磁石を使用することとした。一般に、低エミッ夕ンスで大電流のビームを、エミッ夕ンス増大なぐ輸送していくためには、 ビーム進行方向にも横方向にも頻繁にかつ強い収束力を必要とし、そのためには加速周波数はなるべく高いことが望ましい。 これは、高周 波 技 術 上 も 、放電限界や高周波機器のサイズの観点から望ましい方向である。 しかしながら、そ の結果 、加速 管のサイズが 小さくなり、 ドリフトチューブも小さくなることから、その中に装着される磁石を電磁石 にすることは非常に難しくなる。そ れに 対 し 、電鋳法とワイヤーカッティング技術を組み合わせて、非常に小さく、空 間効率の よい、水冷管路を備えたコイルを開発した [12]。
リ ン グ の 運 動 量 コ ン パ ク シ ョ ン 因 子 （MomentumCompaction Factor) についていえば、RCSは非常に小さい値 、MRは負の値としてある [13]。 したがって、加速途中で卜ランジションを横切ることはない設計となっており、 トランジションを横切る際に不可避なビーム損失が起こらないようになっている。MRについていえば、 ビー
ム損失を 1%以下に抑えながら、大電流の遅いビーム取り出しを行うのが最も解決困難な課題であったが、0 .1 mm

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003のワイヤーからなる靜電セプタムを開発することによりめどを得つつある [14]。

3リニァック

J-PARCリニアックは、体積生成型負水素イオン源 、 50keV の 低 エ ネ ル ギ ー ビ ー ム 輸 送 系 （low-energy beamtransport, LEBT) 、 エ ネ ル ギ ー が 3 MeVで加速周波数が 324
MHz のRFQ リニア ツク、 50-MeV で324 MHz のDTL、 190
MeVで 324 MHzの分離型 DTL (Separated DTL, SDTL) お
よ び 400 MeVで 972 MHzの高 エ ネ ル ギ ー リニア ツクから成り立っている。SDTLとは、 4 重極磁石がタンクの外にある DTLの こ と で あ る [15]。 高 エ ネ ル ギ ー リ ニ ア ツクには環結合型構造（
Annular-Ring Coupled Structure, ACS)
[1 6 ,1 7 ] を開発している。高 エ ネ ル ギ ー リニアック以外の
殆 ど すベて の加速器機 器は 14年度末までに製造契約が終了している。 高 エ ネ ル ギ ー リニア ツ ク については、以下のような方針で契約される。
RCSの 空間電荷効果について、更に十分な余裕度を確
保 す る た め 、RCSのビーム口径を当初の計画より大きくした。すなわち、エミツ夕ンスの値にして当初の設計の 1.5倍とした。これで、ラスレツト • チューン • シフト （Lasslettetune shift) が -0 .1 6 という小さな値となった。その上 、RCSに将来必要となりうる機器の装着が可能となるよう、その 全 周 を 10/9倍 し た 。 これに充てる予算を手当てするため、 ま ず 高 エ ネ ル ギ ー •リニ アツク以外 のすべての加 速器 機 器の契 約を行い、そ の 残 額 で 高 エ ネ ル ギ ー • リニアツクを建設することとした。それは、 リニアツクのエネルギ一が 400 MeVより低くても、RCSへビームを入射することができ、かつリニアツクのエネルギーは後に増強す ること が可能であるが、 リングの口径は一端作ってしまうと増強不可能であるからである。 当然、低いエネルギ一での入射はビーム強度を低くしてしまうので、 リニアツクのエネルギーを当初の 400 MeV とするべく努力を続けている。
計 3 台 の DTLについ て は 、すべての部品が完成納入され、計 32台の SDTLのうち、 12台の部品が完成している。
このうち、3台の SDTLとDTLの5 セル試験_ の大電力試験が終了 している。DTLの 1号 機 （20 M e V ) は、組立が終了し、チューナー位置およびポスト結合器の位置調整も終了した。 この調整の結果、要求性能の 1 %の電場一様性が 既 に 得 ら れ て い る [18, 19]。最 近 、大電力投入試験が行 わ れ 、高 周 波 パ ル ス 幅 6 0 0 叫、繰り返し 50 Hzの要求性 能 で 、 ピーク電力は要求 性能の 1.2倍 の 1.2 MW を達成し、現在長時間耐久試験中である。
RFQリニア ッ ク お よ び 中 間 エ ネ ル ギ ー • ビーム輸送系(medium energy beam transport, MEBT) のビ一ム試験は今 年 の 3 月まで、 ほぼ 1年近く KEKで続けられていた。上述の DTL第 1 タンクは、その後トンネルに装着され、 ビーム試験のために高周波大電力を投入しているものである。 ビーム試験の詳細は第 6 節で述べる。

図4:

4

KEKでのビーム試験のために装着された
DTL 第 1 タンク

3 GEV RCS

RCSの加速器機器 についてはほ ぼ半分が 14年度末までに製造契約が終了している。す な わ ち 、すべての偏向電磁石 (BM)、す べ て の 4 重極電磁石 (QM)、 これらの電源の内2/3相当 、 これらのためのセラミックス真空チェンバーのすベて、すべてのキッカーおよびその電源である。今年度の発注はしたがって、残りの電磁石電源、バンプ電磁石お よびその電源などの入射系、高周波空洞、高周波源の残りなどである。特 に 、バンプ電 源は、入射時の荷電変換薄膜の温度上昇を低減するために、 ビームの薄膜通過回数を極力減らす必要があり、入射終了後直ちに磁場を下げねばならない。そ の上 、入射系が大口径の電磁石に対応せねばならないので、非常に大掛かりな電源になってしまう。
ところで、BM 、QMの渦電流低減のために、以下の手だてを行っている。 まず、 コイ ル に は ア ル ミ •ス ト ラ ンド線を使用して、渦電流による温度上昇および熱損失の低 減 と 、 回路 網の Q 値の劣化を抑制している。 次に、鉄芯には、厚さ 0.5 mmの積層シリコン綱を使用し、芯縁および縁板には細い溝を加工してある。 さらに、磁場の集中と飽和を避けるため、 ロゴスキー様の外縁処理を施してある。渦電流効果の低減に関しては、計算機による解析に加え、BM および QMの試験機を製作しての実験を通じ、最適化を行ってきた。 このような渦電流低減による交流損失の低減は、電磁石系の安定な運転にとって特に重要である。電磁石系は BM の 1個を含め全体で 8個の回路網から成り立っており、その間の位相安定性の確保には回路網の Q値を出来るだけ高く保持する必要があるからである。
しかしながら、 アルミ•ス トラ ン ド 線 へ の ポ リ ミ ド 樹
脂含浸は非常な困難を伴う。エポキシ樹脂ではなく放射損傷の比較的少ないポリミド樹脂を使う必要があるが、ポリミド樹脂は非常に流れにくい性質を持っているからである。多くの試験の結果、真空含浸したうえに圧入して、最終的には図 5 に示すごとく、ポリミド含浸ア ルミ •ストランド線コイルの製作に成功した。

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図5 : ポリミド樹脂を含浸してコイルに成形されたストランド線の断面図

550-G E V MR

50 GeV MRについては、高周波系、入出射系以外の殆どの加速器機器は既に発注されている。96台の長さ 5.85 mのBM の内、最 初 の 1号機が納入され、磁場分布測定および励磁試験が行われた（
図6 ) 。
第 2 節で述べたように、MA空洞は以下のような画期的な 性 質 を 持 っ て い る が 故 に 、両 リ ン グ と も MA 空洞を使用する。 まず、従来のフェライ卜 空洞に比較 して、 10倍
近 い 高 電 場 勾 配 を 生 成 す る こ と が で き る 。 こ. のMA空洞なくし ては、高ビーム出力 RCSは不可能であったと言っても過 言で は な い 。 さらに、そ の 極 め て 低 い Q値のために （場合によっては 1以下も可能）、周波数同調系の必要がなく 、 高周波制御系が著しく簡素化できる。 しかしな
がら、 このQ値が極めて低いにも関わらず、分流抵抗尺が実 用 に な る ほ ど 高 い と い う こ と は 、 R/Qが極めて高いことを意味し、 空洞での蓄積エネルギーが極めて低いこととなる。そ の 上 、 Q値 が 低 い の で あ る か ら 、極めて広帯域のビーム負荷補償系が必要となる。 これは言わば、空洞 がほとんど純粋抵抗に近く、 ビームの作る逆電場をそのままの形で相殺する必要があるということである。その結果、非常に広帯域の大電力高周波源を開発する必要がある。 不必要に広帯域の系にすることを避けるため、リングの特性に応じて Q値 と 共 振 周 波 数 を 最 適 化 す る 。
そ れ に は 、MA コアを切断してギャップを設けるのであるが、RCSにはQ = 2.9 にするために、 1.5 mmのギャップを、MRにはQ = 1 0 にするために 、 10 mmのギャップを設ける必要がある。
図7 に加速空洞、大電力高周波増幅器を含む MR用の高周波系の試験機を示す 。 500 kW、デューティー 50 % というフルスペックで 49 時間の耐久試験が行われた。 ここでは、MAコア一は直接水冷されている。
3 GeV RCS用高周波系においてはしかし、そのギャップを 1 mm程度にする必要があるため、高い精度のコア一の 加 工 が 必 要 で あ る 。 コ ア 一 と い っ て も 、元 来 MA のテープに 樹脂を含浸したものであり、その精度の高い加工は容易ではない。 た だ 一 つ 超 音 速 の ウ オ ー タ ー • ジェッ
卜加工が、有望で あるが、成形コア一の密度が一様でないため、そ の加工精度には限界があり、実用化には多くの困難があった。

図 6 ：MR用BM の初号機

図 7 ：MR 用 加 速 空 洞 と 最 終 段 増 幅 器

6リ ニ ア ッ ク 初 段 の ビ _厶 試 験

現在 KEKでリニアック最上流部が完成し、そのビーム
試 験 を 行 っ て い る [20, 21]。 現 在 完 成 し て い る シ ス テ ム
は、負 水 素 イ オ ン 源 、LEBT、 3 MeV RFQリニアック、MEBT、DTL第 1 タンクである。DTL第 1 タンクのビーム試験に取り掛かるべく、第 2 節に述べたごとく、その大電力試験 を行っている。 ここで装着されている RFQは大型
ハ ド ロ ン （Japan Hadron Facility, JHF) [22]計画用に製作されたものであるので、 フルスペックの 1 MW用 （リニアッ ク • ピーク電流50 m A ) ではなく、JHFの仕様 30 mA用である（J-PARC用フルスペックの RFQは現在開発中である）。MEBTの出口で 28.5 mAのピーク電流に対し、水平エミッ夕ンスおよび垂直エミッタンスとしてそれぞれ0.252 71 mm mrad および 0.214 k mm mrad (規格化 !*, m.

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003s . ) が 得 ら れ て お り 、 当初の仕様を完全に満足する結果が得られている。
MEBT に 装 着 さ れ た ビ ー ム • チ ョ ッ パ ー の ビ ー ム 試 験も 行 わ れ た [20]。 こ れ は 、 JHF 、 J-PARC用 に 考 案 さ れ た
極めて速い立ち上がり、 立ち下がりの高周波チョッパー
で あ り 、 ビ ーム 試験 の 結 果、 所 期 の 10 ns のビ ーム 立ち 上が り 、 立 ち 下 が り が 実 現 さ れ 、 ビーム損失の低減から来る 仕様を満足する 結果が SNSに 先 駆 け 得 ら れ て い る 。

図8 ： MEBTに 装 着 さ れ た 高 周 波 チ ョ ッ パ ー 。 左図は 2個の 偏 向 チ ョ ッ パ ー 空 洞 を 示 す 。 右図は偏向電場電極の近接 図 で あ る 。 こ こ で 、 ビーム は左か ら右へ 通過す る 。と こ ろ で 、 す べ て の ビ ー ム を 3 MeV の MEBTで 偏 向 させ る と、 ビームのストッパーがとてももたないので、 予め低 エ ネ ルギ ーの LEBTで か な り の 分 は 止 め て お く よ う にし て い る 。 こ の プ リ チ ョ パ ー [7] は MA を 使 用 し た 小 型 イン ダ ク シ ョ ン • リ ニ ア ッ ク で あ り 、 RFQへ の 入射エ ネ ルギ 一 よ り 9 keV だ け エ ネ ル ギ ー を 低 く す る 。 こ こ で は 、RFQが ビ ー ム • エ ネ ル ギ ー の 濾 過 効 果 を 持 つ よ う 、 RFQ 自身も 特 殊 な 設 計 と し て あ り 、 エネルギーの低くなったビームは透過してこない。 このプリチョッパー系もビーム試験を終了しているが、 このプリチョッパー系だけでは、ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー が 低 す ぎ て 、 速 度 が 遅 い た め 、 速い
チョッビング機能を果たすことが出来ない。 そ こで 、 プ
リチョッパーとチョッパーの組み合わせが必要であるので 、 そ の 組 み 合 わ せ 試験 を 現在 計画 中 で ある 。 そ こ で は 、両者のタイミングの取り方が課題となる。

7まとめ上 述 し た よ う に 、400 MeVの リ ニ ア ッ ク 、 3GeVORCS 、50 GeVの MRか ら な る J-PA RC 加速器は、 多 く の 新 し く 考
案、 開 発 され た 技 術 を もとに 建 設 が 進 め られ て い る。 開発は順調に進んでおり、 加速器機器の製造も今までのとこ ろ 予 定 通 り 進 ん で い る 。 RCS か ら の 最 初 の ビ ー ム は 平
成 19年 3 月に MLF に 導 か れ る と 同 時 に 、 MR へ も 入 射 す る
予 定 で あ っ た が 、 塩 田 遺 跡 の 発 掘 も あ り 、 半年程度遅れる見通しである。

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