12．ニュートリノ二次ビームライン

高エネルギー加速器研究機構
多

田

将

目

次

ニュートリノ二次ビームライン
１

はじめに … …………………………………………………………………………………………………

12－１

２

二次ビームラインの概要 … ………………………………………………………………………………

12－１

ターゲットステーション … ………………………………………………………………………………
３．１ サーヴィスピットとヘリウム容器… ………………………………………………………………
３．２ ヘリウム容器内鉄遮蔽体… …………………………………………………………………………
３．３ ヘリウム容器側部・底部鉄遮蔽体…………………………………………………………………
３．４ ディケイヴォリューム・コリメーター … …………………………………………………………
３．５ 機械室… ………………………………………………………………………………………………
３．６ 保管庫… ………………………………………………………………………………………………
３．７ メインテナンスエリア… ……………………………………………………………………………

12－１
12－２
12－５
12－５
12－５
12－６
12－６
12－７

３

４

ディケイヴォリューム……………………………………………………………………………………

12－８

ビームダンプと第3 設備棟…………………………………………………………………………………
５．１ ビームダンプコア… …………………………………………………………………………………
５．２ ヘリウム容器と遮蔽体… ……………………………………………………………………………
５．３ ミューオンモニター… ………………………………………………………………………………
５．４ ニュートリノ第3設備棟の設備… …………………………………………………………………

12－10
12－10
12－11
12－12
12－12

５

６

ビーム窓……………………………………………………………………………………………………

12－13

７

電磁ホーン…………………………………………………………………………………………………
７．１ 電磁ホーン本体… ……………………………………………………………………………………
７．２ 電磁ホーン電源… ……………………………………………………………………………………
７．３ 電磁ホーン冷却水システム… ………………………………………………………………………
７．４ 水素再結合器とフラッシングシステム… …………………………………………………………
７．５ バッフル… ……………………………………………………………………………………………

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８

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９

ヘリウム循環システム……………………………………………………………………………………
９．１ ターゲット冷却系統… ………………………………………………………………………………
９．２ ビーム窓冷却系統… …………………………………………………………………………………
９．３ ヘリウム容器循環系統… ……………………………………………………………………………
９．４ 電磁ホーン冷却水気相循環システム ………………………………………………………………
９．５ ガス分析システム… …………………………………………………………………………………
９．６ ヘリウム供給システム… ……………………………………………………………………………

12－20
12－20
12－20
12－21
12－22
12－22
12－22

10 排水システム… ……………………………………………………………………………………………
10．１ ターゲットステーション側…………………………………………………………………………
10．２ ニュートリノ第3設備棟側… ………………………………………………………………………
10．３ 工水浄化システム……………………………………………………………………………………

12－22
12－22
12－23
12－23

11 リモートメインテナンスシステム… ……………………………………………………………………
11．１ 電磁ホーン……………………………………………………………………………………………
11．２ ターゲット交換システム……………………………………………………………………………
11．３ ビーム窓交換システム………………………………………………………………………………

12－23
12－24
12－29
12－31

12

12－34

冷却水システム……………………………………………………………………………………………
８．１ 冷却水システム概要… ………………………………………………………………………………
８．２ 大強度化… ……………………………………………………………………………………………
８．３ 脱酸素装置と黒皮問題… ……………………………………………………………………………

おわりに… …………………………………………………………………………………………………

き、その上でヘリウムを大気圧+5 kPa まで充填

ニュートリノ二次ビームライン

する。
この巨大な気密容器は、J-PARC メインリング

1. はじめにのビームラインの高さ、即ち地下に埋め込まれて

J-PARC のニュートリノ実験施設は、3 つの部

いるが、後述する冷却水の運転や、内部機器のメ分から構成されている。メインリングから陽子ビインテナンス等のため、上流端部と下流端部のとームを受け、神岡方向へとビームの向きを変えた

ころだけ地上まで繋がる建屋に収まる形となっ

上、ターゲットまでビームを導く一次ビームライている。前者の建屋をターゲットステーション、ン。陽子ビームをターゲットに打ち込むことで、後者の建屋をニュートリノ第 3 設備棟と呼ぶ。タ

ニュートリノを生成する二次ビームライン。そしーゲットステーション側、即ち上流端部のみ、蓋て、生成したニュートリノを、神岡に向けて飛ばを開けられるようになっており、そこに、ターゲ

す前に、その方向・量・性質（エネルギーなど）ットを中心としたニュートリノ生成装置を収納を調べるニュートリノモニターである。このう

し、これらを交換できるようになっている。このち、本稿では、二次ビームラインについて説明す

交換システムについても後述（11.）する。
Fig.1 に、二次ビームラインの側面図を示す。

る。
ニュートリノは、陽子をターゲットに撃ち込

赤で示した部分が上流端部のヘリウム容器、緑でみ、その際に生じた π 中間子が、ニュートリノと示した部分が下流端部のビームダンプ部、それら

ミューオンに崩壊することで得られる。このたを繋ぐ青で示した部分がディケイヴォリューム

め、ニュートリノ二次ビームラインは、ターゲッである。

トを中心としたニュートリノ生成装置と、反応し切れなかった陽子などを止めるビームダンプ、そしてその両者を結び、π 中間子がニュートリノへと崩壊する空間を提供するディケイヴォリュー
ムから構成されている。
これらの二次ビームラインの構成要素は、かつての K2K 実験でのニュートリノビームラインを基に開発されたが、それとは桁違いに大きなビー

Fig. 1 二次ビームライン側面図

ム強度で運転される J-PARC で使われるため、完
全に新たに検討・設計・開発されたものである。

2. 二次ビームラインの概要

3. ターゲットステーション
ニュートリノ生成装置を収納する、ニュートリ

二次ビームラインの中心となるニュートリノ

ノビームラインの核とも言うべき建屋がターゲ

生成装置は、ビームが空気を反応させて生じる窒ットステーションである。Fig.2 に、ターゲット

素酸化物による腐食を防ぐため、ヘリウムを充填

ステーションのカットモデルと、上面図を示す。

した気密容器（以下、ヘリウム容器）に収められターゲットステーションは、地下が、コンクリーている。ビームダンプも別のヘリウム容器に収め

ト壁で仕切られた、ビームラインに沿った 3 列のられ、両ヘリウム容器を繋ぐ全長 94 m のディケ
イヴォリュームも合わせ、全長 120 m、容積 1,500

空間に分かれている。中央に Fig.2 に示されているヘリウム容器が設置されており、その上部だ

m3 に及ぶ巨大な一体型の気密容器を構成していけ、ビーム停止時には人間がアクセス出来るようる。ビーム運転に際しては、これを一旦真空に引になっており、その部分をサーヴィスピットと呼
ぶ。

12－ 1

サーヴィスピット、メインテナンスエリア、保管庫は、建物としては上方が開口した状態となっており、そこに可動式のコンクリート遮蔽体を設置し、ビーム運転を行う。メインテナンス期には、
このコンクリート遮蔽体を互いに積み上げる形
で必要な部分を開口する。ビーム運転時にはこの
コンクリート遮蔽体で完全に塞いだ上、コンクリ
ート遮蔽体最上面をコーキングし、更にその上に一体物の気密シートを被せて、放射線だけでな
く、地下から上がって来る放射化空気を遮断する
ようにしている。保管庫とメインテナンスエリアには扉はなく、アクセスするためにはこのコンクリート遮蔽体を移動させて開口部をつくるしかない。コンクリート遮蔽体は、ビーム運転時には、
サーヴィスピット上方は 3 段（厚み計 4.5 m）、保管庫とメインテナンスエリア上方は 2 段（同 3.0m）、それぞれ設置している。
3.1. サーヴィスピットとヘリウム容器
ターゲットステーションの中心がサーヴィス
ピットである。この底には、ヘリウム容器が埋め込まれている。この部分のヘリウム容器の高さは11 m である。Fig.3 にヘリウム容器のカットモデ
ルを示す。ヘリウム容器の内側には、ターゲットと、ターゲットで生成した π 中間子を収束させてニュートリノをビーム状にする電磁ホーンが収

Fig. 2 ターゲットステーション

納されている。電磁ホーンはトロイダル形の電磁

その南側（ビーム上流から見て左側）は地下 2階建ての部屋となっており、その両室に、地下の空調システム、冷却水システム、ヘリウム循環シ
ステム等が収められている。この両室を機械室と呼ぶ。このうち、地下 1 階機械室の扉から、サーヴィスピットに入る。
サーヴィスピットの北側（ビーム上流から見て右側）は高さ 13 m の空洞となっており、ここに使用済みの各種機器を保管する。ここを保管庫と呼ぶ。保管庫のうち、上流部はコンクリート壁で仕切られて別室となっており、ここでは高放射化物を取り扱うための各種機器（マニピュレイター
等）が設置されている。ここをメインテナンスエ
リアと呼ぶ。

Fig. 3 ヘリウム容器

12－ 2

石で、3 台直列に設置され、上流側から、第 1 電
磁ホーン、第 2 電磁ホーン、第 3 電磁ホーンと呼ぶ。ターゲットは、第 1 電磁ホーンに、同軸に差し込む形で取り付けられている。
電磁ホーンは、後述（11.1）するように、箱状の構造物に懸架する形で設置され、その中（電磁ホーンの上方）に、高さ方向の厚さ 2.3 m の鉄遮蔽体と、同じく 1 m のコンクリート遮蔽体が設置される。このコンクリート遮蔽体の上からであれ
ば、ビーム運転停止中には、人間がアクセス出来る。このため、ヘリウム容器は、その上部が、人Fig. 4 プレートコイル

間が作業可能な空間となっており、ターゲット冷却システムのヘリウム配管、電磁ホーン冷却シス
テムの冷却水配管、電磁ホーンに電流を流すバス
バー等は、鉄遮蔽体とコンクリート遮蔽体を貫通してこの上部空間に通されており、ターゲットや
電磁ホーン交換の際には、これらをこの上部空間
にて手作業で取り外し／取り付けするようになっている。そして、これらの配管／バスバーは、を預けている。そのため、下部はそれに耐え得る強度を持つことに加え、ビーム運転中の熱伸びを抑えるため、冷却も必要となる。伸びると電磁ホーンとターゲットの高さが変化するためである。
ヘリウム容器下部（側面、底面、前面、背面）には、プレートコイルと呼ばれる冷却チャネルが熔

ヘリウム容器上部側面の気密フィードスルーを通じてヘリウム容器外側に繋がっている。ヘリウ
ム容器上部は、これらのフィードスルーを取り付けるフランジが多数設けられている。また、その上面は、全長方向に 3 分割された全幅に亘る 3 枚の蓋で閉じられており、ヘリウム容器への人や機器の出入りは、その蓋を開けて行う。ヘリウム容器上部の最下部には建屋と繋がる梁が熔接され、耐震荷重を受け持つ。
ヘリウム容器下部は、ビーム窓（6.）の部分を除いてフランジ等はなく、その左右（上記の梁の下）に鉄遮蔽体を設置した後、梁の上にコンクリート製の床を設置している。この床の上が、人間が作業するサーヴィスピットに当たる。サーヴィ
スピットには、ターゲット冷却システムと電磁ホーン冷却システムの一部（放射線に強いものだけ）、電磁ホーンへ供給する電流のトランスなどが設置されている。このサーヴィスピット上の機器はビーム停止時にメインテナンス可能である。
ヘリウム容器下部の最上部（上部との接続部）に、電磁ホーン、ヘリウム容器内の鉄遮蔽体、ヘリウム容器内のコンクリート遮蔽体がその荷重

12－ 3Fig. 5 ヘリウム容器の熱解析例

接されている。これは、熱交換器を半割りにしたもので、これを冷却したい鋼板に熔接し、そこに冷却水を流すことで、対象の鋼板に直接冷却水を触れさせて冷却するものである（Fig.4）。本稿でこの後度々登場するように、二次ビームラインでは多用されている冷却構造である。このプレート
コイルに、ビーム強度に応じた流量の冷却水を流すことで、ヘリウム容器の熱伸びによる電磁ホーン並びにターゲットの高さの変化は、1 mm 以内に抑えられている。また、熱変形によってヘリウ
ム容器にかかる応力が許容応力以下となるようにも配慮しなければならない。そのため、プレー
トコイルの設計に当たっては、ビーム運転時に発生する熱を MARS によって計算し、その熱とプ
レートコイルの熱伝達をモデルに入力してANSYS による解析を行った。Fig.5 は、その解析例である。尚、プレートコイルは、側面と前面と背面はヘリウム容器外側に、底面は内側に、それぞれ取り付けられている。
更に、このヘリウム容器は、一旦真空に引いてからヘリウムを充填するため、大気からの圧力に耐え得る強度も必要とされる。そのため、真空引きの際の強度解析も行い、設計に活かしている（Fig.6）。加えて、電磁ホーンや鉄遮蔽体といった荷 重 を 加 えた 上 で の 、地 震 解 析 も行 っ て い る

Fig. 7 ヘリウム容器の強度解析（地震）（Fig.7）。地震解析は、最大 650 Gal の加速応答スペクトルを入力した動解析を行った。以上のことを考慮して設計したため、現在までのビーム運
転では予想通りの挙動を示しているほか、2011年の東北大震災の際にも、全く損傷なく、ヘリウ
ムの漏洩などの異常も一切なかった。
ヘリウム容器は、下部（側面、底面、前面、背面）は厚さ 100 mm の炭素鋼、上部は厚さ 50 mmの炭素鋼の、熔接構造によってつくられている。
上面の蓋は、残留放射線量を低減するためにアルミニウム合金製で、厚さ 150 mm である。ヘリウ
ム容器の重量は 300 t を超えている。この巨大な構造物を、所定の工期で設置するため、製造にはブロック工法を用いた。J-PARC は、建設当時は、港側からの仮設道路を用い、常陸那珂港からは、一般道を通らなくても搬入が可能となっていた。

Fig. 6 ヘリウム容器の強度解析（真空引き）

しかしその仮設道路上の仮設橋の耐荷重を考慮し、1 ブロック 60 t 以下となるよう、また、仮設

12－ 4

道路の幅を超えないよう、ヘリウム容器を 6 つのブロックに分割した。各ブロックはプレートコイ
ルも含めて工場で完成させ、工事現場に搬入・据付した後、ブロック同士を熔接して接続する、とFig.8 は、ヘリウム容器上部ブロックの搬入と下部ブロックの据付の様子である。
3.2. ヘリウム容器内鉄遮蔽体いう方法を採った。この作業は、ターゲットステ

ヘリウム容器には、前述の通り、ビーム運転中

ーションの建屋の地下部分が完成した直後、地上にターゲットと電磁ホーンから上がってくる放部の工事が開始される前に、そのための工期を取

射線を遮蔽するための鉄遮蔽体が、これらの上方って行われた。ブロックを、ターゲットステーシに設置されている（Fig.3）。この鉄遮蔽体は、電ョンに横付けした移動式クレーンを用いて、建屋

磁ホーンを交換する際に先に取り出す必要があ

内に据え付けるためである。移動式クレーンはるために、20 体に分割されている。最大のものは

650 t 吊り、搬入・据付・熔接・試験には、後述

1 体 36 t で、合計重量 600 t である。これらは全のディケイヴォリューム最上流部も含めて、4 かてダクタイル鋳鉄製である。ビーム運転中に発生月の工期を要した。ヘリウム容器とディケイヴォ

する熱を取り除くため、内部には冷却水配管が埋

リューム上流部を繋いだ真空引き／リーク試験

め込まれている。この配管を入れた状態で鋳造す

では、真空到達度 7 Pa、リークディテクターを用るには、配管が溶けてしまわないよう、鋳造メイ

いたヘリウム噴き付け試験で 10-9 Pa m3/s 以下のカー独自の特別な技術が用いられた（冷やし金を漏れと、好成績だった。

入れるなど）。
3.3. ヘリウム容器側部・底部鉄遮蔽体
ヘリウム容器側部と底部にも、ビーム運転によって発生する放射線を遮蔽するための鉄遮蔽体が設置されている。これは、建屋の壁や底板と合わせて、建屋境界の放射線量が J-PARC 基準値以下（法令よりも更に低く設定されている）となる
ような厚みとなっている。底部には、200 mm 厚の鉄遮蔽体が 2 層（ヘリウム容器底板と合わせて計 500 mm）の鉄遮蔽体が設置されている。側部には、300 mm 厚と 250 mm 厚の鋼板を組み合わせて、北側（保管庫側）で 1,500 mm（ヘリウム
容器側板と合わせて計 1,600 mm）、南側（機械室側）で 1,800 mm（同計 1,900 mm）の遮蔽厚を確保している。
3.4. ディケイヴォリューム・コリメーター
ヘリウム容器下流部は、前述のように、ディケ
イヴォリュームと繋がっているが、ディケイヴォ
リュームへ過度の熱を落とさないようにするため、ターゲットステーション側に遮蔽体を置き、そこである程度の熱を吸収する構造となっている。これをディケイヴォリューム・コリメーター

Fig. 8 ヘリウム容器ブロックの搬入と据付と呼ぶ。これは、ヘリウム容器内最下流部（第 312－ 5（10.1）がある。冷却水システム、排水システム、
ヘリウム循環システムについては後述する。
空調システムは、空調と循環・排気を兼ねている。この運転モードには、ビーム運転中の実験モ
ードと、ビーム運転停止中に人間が立ち入る場合の排気モード、そして休止モードがある。実験モードは、地上に地下の空気を送らないよう、地上へと繋がるダンパーを閉じた状態で地下の空気を循環させる。その間、機械室やサーヴィスピッ
トで生じた熱を除熱し、機器の温度を一定に保つ。前述の空冷式の鉄遮蔽体を除熱しているのは、この空調システムである。休止モードは、この実験モードに於いて、除熱を行わないモードである。正月・盆休みなどに使われる。排気モード
では、外気を取り入れ、地下で循環し、排気する。
空調も稼働させて地下の温度を一定に保つ。
ターゲットステーション地上には地下とは別系統の排気システムがあり、ビーム運転中も含Fig. 9 ディケイヴォリューム・コリメーター

め、常時排気している。地上・地下とも、排気は、
電磁ホーンの後方）に設置した鋼板と、ヘリウム

へパフィルターを通し、排気モニターでその放射容器外（下流側）に設置した鋼板とから構成され能濃度を常時監視した後、排気スタックを通じてている。前者は水冷式で、ディケイヴォリューム

排気されている。

入口と同じ形の角穴を中央に配し、両面にプレー

機械室には階段を通じて地上からアクセス出

トコイルを熔接した、厚さ 180 mm の鋼板をビー来るようになっている。但し、階段室からはイン

ム方向直列に 3 枚設置してある（Fig.9）。後者はターロック区域になっており、ビーム運転中には空冷式で、ディケイヴォリューム本体の鋼板（後立ち入ることが出来ない。階段室入口には、他の述）を上下左右に取り囲むようにして、厚さ 100 ~J-PARC のインターロック区域と同じく、二重扉

300 mm の鋼板を組み合わせて、ビーム方向の合で構成される入域管理室が設けられており、パー計厚さ 3,800 mm となるように設置してある。3.3

ソナル・プロテクション・システムの下、決めらのヘリウム容器側部・底部の鉄遮蔽体と、ヘリウれた手順で入域するようになっている。

ム容器外のディケイヴォリューム・コリメータ

また、機械室の上方には一部開口部があり、ビーー、合わせて、ヘリウム容器の周辺（外側）に設

ム運転中にはコンクリート遮蔽体を設置するが、置された鉄遮蔽体の総重量は 3,000 t に達する。

メインテナンス期にはこれを移動させて開口し、各種機器を搬入することが出来る。

3.5. 機械室
サーヴィスピット南側にある機械室は地下 2 階

3.6. 保管庫

構造で、地下 1 階にヘリウム循環システム（9.）

サーヴィスピット北側にある保管庫には、使用と電磁ホーン冷却水システム（7.3）、機械室とサ済みの各種機器が保管してある。その中で最大のーヴィスピットと保管庫／メインテナンスエリ

ものは、過去に交換した電磁ホーンである。電磁アの空調システムがあり、地下 2 階に電磁ホーン

ホーンは、キャスクに収納した状態で、保管庫東以外の冷却水システム（8.1）と排水システム側に保管する。電磁ホーンの交換やキャスクにつ12－ 6

3.7. メインテナンスエリア
ターゲットステーション北東角にある空間がメインテナンスエリアである。名前の通り、高放射化物をメインテナンスするための場所である。
このメインテナンスエリアは、機器を置くホットエリアと、操作を行う人間が入るコールドエリアとに分かれている。両エリアは 1 m 厚のコンクリート壁で仕切られ、人間の視線の高さに鉛グラス製の窓が設けられている（Fig.12）。
ホットエリアには、油圧式のリフトテーブル（定格荷重 5 t）と、マニピュレイターが設置されFig. 10 保管庫内の電磁ホーン用キャスクており、どちらもコールドエリアから操作する。

いては 11.1 で述べる。保管庫には最大 9 台の電磁ホーン用キャスクを収納可能で、ビーム運転で使用する電磁ホーンは前述の通り 3 台なので、3回交換出来るだけの空間があることになる。それ以降は、そのキャスク入り電磁ホーンを、別の保管建屋に移す必要がある。Fig.10 は、保管庫に収納されたキャスクの様子である。灰色の箱がキャスクで、黄色い柱状のものは、キャスク転倒防止のガイドである。
また、保管庫西側には、鉄遮蔽体仮置架台と呼ばれる構造物がある（Fig.11）。これは、11.1 で述べる電磁ホーン交換の際に、その上方にあるヘリウム容器内鉄遮蔽体（3.2）を仮置きするための架台である。写真の緑の部分が仮置架台、灰色の物体が鉄遮蔽体である。

そのほか、メインテナンスには空圧工具を使うことも多く、そのための空圧配管が 8 系統分予め配置されている。高放射化物作業の際には、事前準備の際に、それらの空圧配管のホットエリア側に空圧工具を接続しておいて、作業時には、コールドエリア側から、そのときに使いたい工具が繋がっている空圧配管にエアコンプレッサーからの配管を接続することで、工具を選択する。ホット
エリア側の工具を持つのはマニピュレイターであるが、そのマニピュレイターで工具を脱着しな
くてよいようにする措置である。空気を流すためのヴァルヴ開閉も、コールドエリアで行う。
メインテナンスエリアでの作業は、扱う機器ごとに様々であるが、基本的には以下の通りである。その作業で用いる機器や工具を、事前に（高放射化物を持ってくる前に）ホットエリア側に設置する。マニピュレイターで操作するものは、マFig. 11 鉄遮蔽体仮置架台
Fig. 12 鉛グラス窓から見たホットエリア

12－ 7

ニピュレイターで掴み易いように持ち手をつける。鉛グラス窓から見えない領域も多いので、ネットワークカメラも多数設置する。その後、高放射化物をホットエリアに持ってくる。必要に応じて、ホットエリアの上方をコンクリート遮蔽体で覆い、遮蔽する（電磁ホーンやターゲットの交換時には必須）。それから作業となるが、作業中に追加で必要となる工具などは、上方のコンクリー
ト遮蔽体の隙間から降ろすことになる。

4. ディケイヴォリューム
陽子ビームがターゲットに撃ち込まれることで生成する π 中間子がニュートリノとミューオンへと崩壊する、その空間がディケイヴォリューム
である。J-PARC ニュートリノビームラインでは、

Fig. 13 オフアクシス角

その長さは 94 m で、内面幅は上流側 1/3 まででた。しかし、実際の実験で良い結果が得られてい1.2 m から 3.0 m まで広がり、以降は 3.0 m のま
ま、内面高さは 1.7 m から 5.1 m まで下流に向けて広がっている。高さ方向が長いのは、縦方向にビームの角度を変えても対応出来るようにしたもので、オフアクシス角 2.5 度を中心に、±0.5
度変えても対応出来るようになっている。
オフアクシス角とは、スーパーカミオカンデの方角と、ビーム中心の方向との間の角度のことである。J-PARC ニュートリノビームラインでは、
この角度を 0 度としない、つまり、ビームを中心から外してスーパーカミオカンデに撃ち込んでいる。その理由は、ニュートリノ振動を最適化するためである。ニュートリノ振動の様子は、ニュートリノのエネルギーによって変わる。一方、ニュートリノのエネルギーは、ビーム中心が最大（J-PARC で 2 GeV）で、中心から外れるに従ってエネルギーが下がっていく。J-PARC からスー
パーカミオカンデまでの 295 km の距離で、ミューニュートリノから電子ニュートリノへの変化の割合が最大となるのは、中心から 2.5 度ずれた
ところである（エネルギー中央値 0.7 GeV、
Fig.13）。そこで、J-PARC ニュートリノビームラ
インでは、2.5 度ずらした状態でスーパーカミオ
カンデにビームを撃ち込み、実験結果によっては±0.5 度の範囲でその角度を変えられるようにしるので、実験開始（2010 年 1 月）以来、ずっと
2.5 度のまま、これを変えずに実験を続けている。
尚、この角度を変えるときには、一次ビームライ
ン側ではビームの向きを変えるだけだが、二次ビームライン側では、電磁ホーン自体をその角度に合わせてつくり直す必要がある。また、このビー
ム方向は、スーパーカミオカンデとハイパーカミ
オカンデを結んだ線の垂直二等分線上に向いているので、スーパーカミオカンデに対するオフア
クシス角と、ハイパーカミオカンデに対するそれとは、常に同じになる。
ディケイヴォリュームは、内面を構成する鋼製の矩形断面パイプを、コンクリート壁が取り囲むような形になっている。この鋼製パイプは水冷式で、内面には、冷却水がビーム方向に流れるよう配置された 40 列のプレートコイルが取り付けられている（Fig.14）。天板と底板が各 8 列、側板が各 12 列である。厚みは、ディケイヴォリュー
ム・コリメーター（3.4）の内側に位置する最上流部の 13 m だけ 200 mm で、残りは 16 mm である。最上流部にはビーム運転によって大きな熱が落ちるからである。この鋼製パイプ部分は、自身を冷却するとともに、その周囲のコンクリート壁を冷却する役割も担っている。コンクリート壁はディケイヴォリューム全長に亘っており、その厚

12－ 8

（Fig.15）。その条件を満たすために、40 列のプレートコイルには、1.2 m/s の流速（流量にして 48
L/min.）の 30℃の冷却水を流すこととなった。プ
レートコイルが損傷して漏水した場合、その系統のヴァルヴを閉じてその列を封鎖するが、均等に封鎖した場合には、半分（20 列）を封鎖しても、
出力 2 MW までの運転が可能となるように設計されている。この措置は、一旦ビームを通すと、修理どころか立ち入ることも不可能となるディ
ケイヴォリュームならではの設計思想に基づくものである。ディケイヴォリュームだけでなく、前述のヘリウム容器のプレートコイル（3.1）も、ディケイヴォリューム・コリメーター（水冷部分）のプレートコイル（3.4）も、同様に、全て定格流量で通水して 4 MW、均等に半分通水して 2 MWまで耐えられるように配置してある。
建設に当たっては、ディケイヴォリュームの上
流部の上に RCS から MLF へとビームを運ぶ
3NBT ビームラインが交差するために、ニュート
リノビームラインとしては最も早い、2004 ~Fig. 14 ディケイヴォリューム内面
みは 6 m である。設計に当たっては、ビーム運転
時の、コンクリート部分も含めた熱解析を行い、出力 4 MW のビーム運転時に於いても、コンクリ
ートの最高温度が 120 度を超えないようにした

Fig. 16 建設途中のディケイヴォリューム

Fig. 15 ディケイヴォリュームの熱解析例

12－ 9

2005 年度にこの部分の建設が行われた。最初に底部の 6 m 厚のコンクリート部分が打設され、その上に鋼製パイプ部分が設置された。同部分は、工場にて、ビーム軸方向の長さ 1.8 m の輪切り状態として製造した上、それを現場に設置していき、熔接により接合したものである。Fig.16 は、輪切りを並べ終わり、熔接直前の状態の写真である。その後、側部のコンクリート部分を打設し、続いて上部のコンクリート部分を打設した。コン
クリート打設後、内面のプレートコイル同士を配管で接続した。輪切りになっているため、その接続部は配管も接続しなければならないためであFig. 17 コアモデュール

る。Fig.14 で表面から飛び出した半円状の配管がする。その大強度ビームを受け止めるため、コアその接続部である。尚、このプレートコイルの列
は、ディケイヴォリュームの中央で折り返している。その理由は、後述する冷却水システム（8.）の設備が、ターゲットステーションとニュートリ
ノ第 3 設備棟とに分かれているためで、上流側をターゲットステーションの冷却水システムが、下流側を第 3 設備棟のシステムが、それぞれ冷却を受け持っている。
この上流部が完成した後、ターゲットステーシ
ョンが建設され、上流部に、ディケイヴォリュー
ム最上流部とヘリウム容器が接続された。更にその後、ディケイヴォリューム下流部とニュートリ
ノ第 3 設備棟が建設され、上流部に、下流部とビームダンプ側のヘリウム容器が接続された。ディケイヴォリューム下流部の鋼製パイプ（輪切り）とコンクリート壁の建設方法は上流部と同じである。

はグラファイトで出来ている。密度が軽い物質のほうが、ビーム軸方向に広い範囲に熱が落ちるからである。コアは、ビーム軸方向の長さ 3.174 m、
全高 4.69 m、全幅 1.94 m だが、これを一体で製造出来ないので、98 のブロックに分けて製造し、組み上げた。ブロックはビーム軸方向に 7 つを 1組とし、これに 1 枚の冷却板を取り付けたものを
コアモデュールと呼んで、基本単位とした。この
コアモデュールを左右に組み合わせると、1 段分となり、これを上下に 7 段積み上げてコアの完成である。左右で分割したのは、熱伸びを吸収するためである。ビーム中心に空隙が出来ないようにするため、コアモデュールのビーム中心側は波形になっており、左右で噛み合うようになっている。Fig.17 がそのコアモデュールの写真である。
奥側がビーム中心で、グラファイトブロックが波形になっているのが判る。正面の銀色の部分が冷5. ビームダンプと第 3 設備棟

却板である。

5.1. ビームダンプコア

ム雰囲気中に含まれる酸素によってグラファイ

コアが耐えられるビーム強度の上限は、ヘリウ

ディケイヴォリューム最下流部には、ニュート
リノとミューオン以外の粒子を止めるビームダ
ンプが設置されている。ミューオンも、大部分がここで止められる。
ビームダンプのうち、最も上流にあり、ビームが直撃するのが、ビームダンプコアである。その大部分はターゲットで反応し切れなかった陽子ビームで、元々の陽子ビームの 20%がここに到達

トが損傷する、その損傷が抑えられる温度まで、ということで決まっている。我々はその温度を500℃と設定し、その温度以下に保つよう、冷却板を設計した。冷却板は、鋼製の冷却水配管を鋳込んだ、アルミニウム合金製の鋳造品である。この冷却板とグラファイトブロックとの接触状態
が、ブロックの温度、延いてはビーム運転の上限を決めるため、両者の締結方法は、多くの R&D

12－ 10を通じて決定した。小型の試験モデュールを試作界であると考えている。実際のビーム運転にてコして接触圧と熱伝達の関係を調べた上、その接触

アの温度を測定したところ、500 kW までは熱解圧を実現する締結方法の R&D には、実物と同じ析の結果よりも低めになっている。これはブロッ

試験モデュールを使用した。その結果、多数の皿

クと冷却板との間の熱伝達を保守的に見積もっ発条を用いた締結方法を採用している。そして、たからで、より大きなビーム強度でもこの傾向がこの冷却板を、耐震構造の架台に締結すること

続けば、3 MW 以上のビーム運転にも耐えられるで、コアは固定されている。組み上がったコアと、可能性がある。

それを設置する際の写真を Fig.18 に示す。この条
件で熱解析を行ったところ、3 MW のビームで最5.2. ヘリウム容器と遮蔽体

高温度が 500℃となる結果が得られた。これが限ビームダンプ側にも、ビームダンプコアを収めるヘリウム容器があり、ディケイヴォリュームと接続して一体の気密容器となっている。但しこちらは開閉出来る構造になっておらず、このヘリウ
ム容器と後述する遮蔽体が設置されている空間（ダンプピットと呼ぶ）にも、人間はアクセス出来ない。
ヘリウム容器は、200 mm 厚の炭素鋼板の熔接構造をしており、その側面・上面・底面・背面には、やはりプレートコイルによって冷却されている。このうち、側面・上面・底面のプレートコイ
ルは計 40 列で、ディケイヴォリューム下流端のプレートコイルと接続され、同系統となっている。ディケイヴォリュームのプレートコイルに繋がる冷却水配管は、ディケイヴォリューム最下流
端部で一旦外に出た後、ヘリウム容器の外面のプ
レートコイルと接続されている。ヘリウム容器のフィードスルー部は、コアと内部鉄遮蔽体（後述）とディケイヴォリューム／ヘリウム容器の底板の冷却水配管、コアの温度を測る熱電対の配線、万が一の漏水の際の水抜き配管などが貫通している。
ビームダンプコア周辺にも多数の遮蔽体が設置されている。先ず、ヘリウム容器内、ビームダ
ンプコアの上流側に、コアのグラファイト部分以
外（冷却板など）をビームから隠すように、上下左右に「口」字形に鉄遮蔽体が設置されている。
これは 200 mm 厚の鋼板（片面にプレートコイルを取り付けた水冷式）を 2 枚重ね合わせて計 400
mm 厚としたもので、ビーム軸方向の長さは 1.5m である。ビームダンプコアの後方にも、ビーム

Fig. 18 完成したビームダンプコアと設置

軸方向の厚み 200 mm の鋼板（両面にプレートコ

12－ 11

イルを取り付けた水冷式）が 2 枚設置されている。
ビームから見た正面の大きさは、ヘリウム容器内部をほぼ完全に覆っている。ヘリウム容器外側には、ヘリウム容器背後に、200 mm の鋼板 3 枚と300 mm の鋼板 4 枚が設置され、ヘリウム容器背面、ヘリウム容器内部遮蔽体と合わせ、計 2.4ｍの遮蔽厚がある。その背後には 1 m 厚のコンクリート壁があり、後述（5.3）のミューオンディテク
ターの部屋（ミューオンピット）がある。ヘリウ
ム容器側部には、300 mm 厚の鋼板が設置されている。上方と下方には、それぞれ 200 mm 厚の鋼板が設置されている。これらヘリウム容器外の遮蔽体（鋼板）は、空冷式である。これらの外側に当たる、建屋の底面・側面・上面のコンクリート
躯体の厚みは、5 m である。
5.3. ミューオンモニター
ダンプピットの下流側、1 m 厚のコンクリート
壁を隔てた空間は、ミューオンピットと呼ばれる。ここまで到達するのはミューオンとニュート
リノだけで、ここにはミューオンモニターが設置されている。ミューオンピットには、ビーム停止
時には、ニュートリノ第 3 設備棟の階段を通じて人間が入ることが出来る。
ミューオンモニターは、イオンチェンバー（Fig.19 上）とシリコンディテクター（Fig.19 下）の 2 種類の検出器から成っており、ビーム運転中、
ミューオンを測定することで、常時ビーム中心を
モニタリングしている。一次ビームラインの陽子
ビームモニターで測定したビーム中心と、このミューオンモニターで測定したビーム中心とを結Fig. 19 ミューオンモニター

んだ線が、ニュートリノビームの方向なので、ビーム運転中にビームが常に正しい方向を向いてており、ビーム運転中には入域出来ない。地上はいるかどうかを知る、極めて重要なモニターであビーム運転中も入域可能である。
地下 2 階は、前述（5.3）のミューオンピット

る。

で、ミューオンモニターが設置されている。地下

5.4. ニュートリノ第 3 設備棟の設備

1 階には、ビームダンプコア、ヘリウム容器、ヘニュートリノ第 3 設備棟は、二次ビームライン

リウム容器内遮蔽体、ディケイヴォリューム下流

下流側を運転するための設備が入った建屋であ部の冷却水システムと、それらの排水システム、る。地上 1 階、地下 2 階の構造で、地下はそこに並びに、地下系統の空調システムが設置されてい降りる階段室からインターロックエリアとなっる。地上には、地上の空調システムと、排水シス
テムが設置されている。地下 1 階に機器を搬入す

12－ 12

るための開口部があり、ビーム運転中はコンクリ

ム容器を開けて作業を行う際には、逆に第 3 設備

ート遮蔽体によって閉じられているが、ビーム停

棟機械室のポンプを用いて、ビームダンプ側から止中の搬入時にはこれを開口して搬入する。その空気を吸ってやり、ターゲットステーションのヘ

ためのクレーンも設置されている。冷却水システ

リウム容器側では蓋の外から新鮮な空気が入っムについては 8.1 で、排水システムについてはてくるような流れをつくってやる。

10.2 で、それぞれ述べる。
空調システムは、ターゲットステーション（3.5）

6. ビーム窓と同様、ビーム運転中は、地下の空気は循環させヘリウム容器にはヘリウムが充填され、その上る（実験モード）。地下は、ダンプピット、ミュ流の一次ビームラインのビームダクトは真空でーオンピット、機械室を別系統で循環させていあるから、その間に仕切りが必要である。それがる。ビーム停止中に排気モードとなるのもターゲビーム窓である。ニュートリノビームラインのビットステーションと同様である。地上が常時排気ーム窓は、0.3 mm 厚のチタン合金（Ti-6Al-4V）となっているのも、全ての排気はヘパフィルターで出来ていて、圧力差に耐えるよう、ビーム上流を通った後に、排気モニターで放射能濃度を測定

側（一次ビームライン側）に膨らんだ半球殻形をしてから、排気スタックからのみ排気する、といしている。また、常時ビームが直撃するため、ヘうのも同様である。

リウムを流して冷却している。そのヘリウムの流

また、地下機械室には、ヘリウム雰囲気を測定路を確保するために、ビーム窓は二重になっていするシステムと、エアフラッシングシステムがある。その 2 枚のビーム窓の間をヘリウムが流れる。

る。5.1 で述べたように、ビームダンプコアの健

ビーム窓は常時ビームが直撃するため、それに全性は、温度とヘリウム雰囲気中の酸素濃度によ

よって損傷し、交換が必要となる。1 号機のビーって決まるので、その濃度を測定する必要があ

ム窓は 2009 年から使い始め、2017 年に交換した。

る。このため、ヘリウム容器内のヘリウムをサン

現在はそのときに交換した 2 号機がビームライン

プルし、酸素濃度や露点を測定し、またヘリウムに設置されている。交換に関しては 11.3 で述べ容器内に戻す、測定系と呼ばれる循環系統がある。
ビーム窓は全て英国の Rutherford Appleton

る。
エアフラッシングシステムとは、ディケイヴォ

Laboratory（以下、RAL）が開発・製造し、J-PARC

リューム内に空気を送り込むシステムである。こ

側で運用・交換等を行っている。現在、3 号機のれは、ビーム停止後、ターゲットステーションのビーム窓が RAL で製造されているが、3 号機以降

ヘリウム容器を開けて、容器内で作業をする際は、大強度ビーム運転に合わせて、厚みが 0.4 mmに、そのトリチウム濃度を下げるためのものであとなっている。

る。ビーム運転が停止し、ヘリウム容器／ディケ
イヴォリュームのヘリウムを空気に置換した後も、ヘリウム容器の鉄板内に吸収されたトリチウ
ムが、徐々に湧き出してくる。そのため、ヘリウ

7. 電磁ホーン7.1. 電磁ホーン本体

ム容器内の換気をよくしないと、トリチウム濃度

ターゲットと並んでニュートリノ生成装置をが高くなってしまうためだ。空気置換が終わった

構成し、二次ビームラインの、そしてニュートリ

あと、蓋を開けるまでに、通常は 1 か月ほど、ニノビームラインの心臓部となるのが、電磁ホーン

ュートリノ第 3 設備棟機械室のエアコンプレッサである。ターゲットに関しては別稿で述べている

ーを用いて、ビームダンプ側から乾燥空気を送ので、本稿では、ニュートリノ生成装置のエンジ

り、ターゲットステーション側から空気を抜くこンとも呼ぶべき電磁ホーンについて、簡単に説明とで、エアフラッシングを行う。その後、ヘリウする。

12－ 13

電磁ホーンの役割は、ターゲットに陽子が撃ちに内側に向かって取り付けたノズルから、内部導込まれることによって生じた π 中間子を集束さ体に向かって、冷却水を噴射することで、電磁ホせ、ビーム状にすることである。電磁ホーンがな

ーンを冷却している。ノズルは、周方向に 4 基、ければ、ニュートリノ「ビーム」とはならない。

それがビーム軸方向に 4 列、計 16 基が取り付け神岡に到達するニュートリノも極僅かとなり、実られている。この噴射により、電磁ホーン内部は

験は成立しない。極めて重要な装置である。

水煙状態となっているので、外部導体はそれによ

電磁ホーンは、二重円筒のトロイダル形の電磁って冷却される。この方式により、後述（7.3）の石で、内側（内部導体と呼ぶ）の前後がラッパ状

冷却水システムの能力と合わせ、ビーム強度 1.8に広がっているため、その形から、「ホーン」とMW まで問題なく冷却可能である。

呼ばれている。J-PARC の電磁ホーンは、内部導3.1 で述べたように、電磁ホーンは 3 台直列に体と外部導体（こちらは単純な円筒形）を、上流設置され、ビーム上流側から順に、第 1 電磁ホー側を絶縁碍子で、下流側を導電性のガスケット

ン、第 2 電磁ホーン、第 3 電磁ホーン、と呼ばれで、それぞれ接続している。上流側には、内外導ている。ビームの広がりに伴い、この順に大きく体それぞれに電流導入板が接続され、それを通じなっている。第 1 電磁ホーンの外部導体の直径はて電流を流す。この電流の向きは、7.2 で述べる

380 mm だが、第 3 電磁ホーンのそれは 1,400 mm

電源側で切り替えることが出来る。内部導体側かである。このため導体の製造方法も異なり、例えら流して外部導体側に返すと、正の電荷を持つもば内部導体だと、第 1 電磁ホーンは削り出しで一の、即ち π+中間子が収束される（π-中間子は周囲体物としてつくるが、第 2 電磁ホーンと第 3 電磁に飛び散る）。これをフォワード（FWD）カレン

ホーンは 3 つの部品として削り出した後、摩擦接トと呼んでいる。一方、電流を逆向きにして、外合によって繋げている。

部導体側から内部導体側へと流してやると、負の電磁ホーンはビーム運転によって高度に放射電荷を持つもの、即ち π-中間子が収束される。こ化するので、耐放射線性の素材しか使えない。導

れをリヴァース（REV）カレントと呼んでいる。

体部分には導電性と強度を考慮してアルミニウ

陽子ビームがターゲットに撃ち込まれたとき、π+

ム合金、支持架台には重量と残留放射線量を低減

中間子も、π-中間子も、同時に生成している。我々するためにアルミニウム合金、冷却水配管等にはは、電磁ホーンに流す電流の向きを選ぶことで、

ステンレス鋼、絶縁碍子にはセラミック（酸化アπ+中間子を集束させるか、π-中間子を集束させる

ルミニウム）をそれぞれ用いている。また、そのか、即ち、ニュートリノで実験を行うか（FWD）、

一部の部品が壊れた場合でも、人間が近付けない

反ニュートリノで実験を行うか（REV）、を選ぶ

ためにそれだけを交換することは出来ず、電磁ホことが出来る。

ーン丸ごと交換することとなる。そのため、組み

電磁ホーンに流す電流はピーク電流で 320 kA

立てには慎重を期する必要がある。組み立て後、と膨大なものである。これを連続的に流すのは、交換前には、地上で充分な（1,000,000 パルス以電源能力的にも熱負荷的にも困難であるため、ビ上）通電試験を行う。

ームが来る瞬間だけ流すパルス駆動式としてい電磁ホーンに電流を供給するのはバスバーで、る。それでも発生する熱は大きいため、冷却する

内外導体共に上流側に接続された電流導入板に必要がある。電磁ホーンの内部導体は、それと反接続される。電磁ホーンの円周方向に均一に電流応してπ中間子の収量が減ってしまうのを抑えを流すため、電流導入板は 4 方向に開く花弁のよるため、出来るだけ薄くつくってある。第 1 電磁

うな形をしており、それぞれにバスバーが接続さ

ホーンの最も薄いところで 3 mm の厚みである。

れる。従って、バスバーは 4 枚×内外導体分で、そのため、内部導体のほうが発熱が大きく、より

計 8 枚、取り付けられている。バスバー1 枚に流

積極的に冷却する必要がある。そこで、外部導体

れる電流は 80 kA である。このバスバーは、絶縁

12－ 14

ある。3 号機以降は、第 1 電磁ホーンと第 2 電磁
ホーンに関しては、内外導体を日本国内で製造し、これをコロラド大学に送り、コロラド大学にて組み立てることとしている。第 3 電磁ホーンに関しては全て日本国内で製造している。
7.2. 電磁ホーン電源
前述のように、電磁ホーンはパルス駆動である
ため、それに電流を供給する電源もパルス電源である。電源で直接 320 kA もの電流を発生させるのは困難なので、電源では 32 kA の電流を発生させ、パルストランスでそれを 320 kA にして電磁Fig. 20 第 2 電磁ホーン 3 号機

ホーンに流している。電源はターゲットステーシ

碍子によって強固に締結されているが、この大電る建屋（その電源室）に設置し、そこからターゲ

ョンに隣接するニュートリノ第 2 設備棟と呼ばれ流ではローレンツ力によって変形し、非常に大きットステーションまで電流ケイブルを引いて、タな音を発生させる。地上の通電試験では近いのでーゲットステーション内で地上から地下への貫鼓膜が破れそうな大きな音だが、ビームラインに通部を通してサーヴィスピットまで持っていき、あるときですら、3.で述べたあの膨大な量の遮蔽

サーヴィスピット（ヘリウム容器の北側）に設置

体を突き抜けて、地上まで音が聴こえるほどであしたパルストランスの 1 次側に接続する。ケイブ

る。
バスバーはヘリウムを流して冷却するが、第 2電磁ホーンの、内外導体とバスバーを繋ぐ電流導入板だけは、ターゲット直後にあるために、ビームによる発熱が大きいので、3 号機以降は水冷式としている。これは、バスバーに溝を彫り、そこ

ルは電源（或いはパルストランス）1 台当たり 8本である。パルストランスの 2 次側には 1 台当た
り 8 枚のバスバーが接続され、ヘリウム容器のバ
スバーフィードスルーまで接続される。バスバー
フィードスルーの内側は、また 8 枚のバスバーがに冷却水配管を埋め込み、摩擦接合によって表面をアルミニウム合金製の部品で閉じるものである。これにより、電磁ホーンはバスバーや電流導入板も含めて 750 kW を超えるビーム強度での運転が可能となった。
電磁ホーンは、2009 年から 2013 年までは 1 号機が使われ、2013 年から 2014 年にかけて、2 号機へと、3 台全ての交換が行われた。
2 号機は 2014年から 2021 年まで使われ、2021 年から 2022 年にかけて、3 号機へと、第 1 電磁ホーンと第 2 電
磁ホーンの交換が行われた。このため、現在、ビームラインには、第 1 電磁ホーンと第 2 電磁ホーンは 3 号機、第 3 電磁ホーンは 2 号機が入っている。1 号機と 2 号機は、第 1 電磁ホーンと第 3 電
磁ホーンは日本国内で製造し、第 2 電磁ホーンは米国で製造した。米国側の担当はコロラド大学で12－ 15

Fig. 21 パルストランスとバスバー

接続され、最終的に電磁ホーン本体に接続されまた、電磁ホーン電源から出てすぐのところる。8 枚のバスバーは、4 枚ずつビーム方向正面に、電源切替器があり、電流の向きを FWD かから見て左右に分かれ、電磁ホーンを懸架する箱

REV か切り替えられるようになっている。前述の状の構造物（支持モデュール）の側壁に沿って、通り、この切り替えは、ニュートリノで実験を行

ヘリウム容器内を下りていく。

うか、反ニュートリノで実験を行うかの切り替え

バスバーのフィードスルーは、ヘリウム気密をを意味する。切り替えは、ケイブルに接続された保持することと絶縁を保つことの両立が求めら

電極を、手作業で締結接続の組み合わせを変えるれる難しい機器である。建設当初から、絶縁材にことで行う。

G10 を使いバスバーとの間をエポキシ系接着剤で充填するフィードスルーを使ってきたが、長年

7.3. 電磁ホーン冷却水システムの使用で経年劣化し、少しずつリーク量も増えて7.1 で述べた導体を冷やす冷却水は、電磁ホー

いった。そこで、2021 年から、米国の Fermi

ン冷却水システムから供給される。このシステム

National Accelerator Laboratory（FANL）と共は、ターゲットステーション地下 1 階機械室にあ同開発した新型フィードスルーに置き換えた。こるバッファータンクから、その隣にある循環ポン

れは、バスバーの隙間に、絶縁材と充填材を兼ねプを通じて送水され、機械室内の分岐ヘッダーでたシリコン系材料を流し込んで固めるもので、バ各電磁ホーンへの配管に分かれ、サーヴィスピッ

スバーも、フィードスルー部だけ 9 枚構成としてトからヘリウム容器内に入り、電磁ホーンに向か

ローレンツ力を低く抑えている。

う。内部導体に噴射された冷却水は、外部導体下

電磁ホーン電源は、それぞれ、2 系統のコンデ

端最下流部に設けられた排水口から、外部導体直ンサーバンクを持つ。電源の充電部はこのコンデ下にあるドレインタンクに集まる。そのドレイン

ンサーバンクに交互に充電し、出力部が交互に放タンクから、サーヴィスピットに設置された自吸電することで電流を流す。充電が終わったバンク式ポンプによって、ヘリウム容器外、サーヴィス

を放電、その間にもう片方のバンクを充電、を繰

ピットまで吸い上げられる。その揚程は 6 m に及り返すのである。32 kA の電流を流す際の出力電ぶ。その後、冷却水は機械室のバッファータンク

圧は、負荷である第 1 ~ 3 電磁ホーンによって多まで戻る。また、このような運用のため、冷却水

少の違いはあるが、5.4 ~ 5.8 kV である。

には気相部分があるが（電磁ホーン本体の内外導トランスは、320 kA もの大電流を流すために、体の間が大容量の気相である）、この部分には、

1 台 7 t もの巨大なものである。バスバーを完全気相の放射化を低減するため、ヘリウムを充填しに浮かすと接地電圧が制御出来ないので、トランている。気相の総容量は、6 m3 ほどである。
バッファータンクには、2 次冷却水との間で熱ス出力部に中点接地回路を設け、往きと還りのバ交換を行う熱交換器と、トリチウム以外の成分をスバーで電圧が対称になるようにしている。
これらのシステムは、加速器の周期が 2.4 秒だ

取り除くイオン交換樹脂にも接続されている。電った 2021 年までは、第 1 電磁ホーン用に 1 系統

磁ホーンは通電している導体に直接冷却水を噴（電源とパルストランス各 1 台）、第 2 電磁ホーン射しているので、その導電率は低く抑える必要がと第 3 電磁ホーン用に 1 系統（同）だった。第 2あり、そのためにイオン交換樹脂で導電成分を取電磁ホーンと第 3 電磁ホーンは直列に接続されてり除いている。また、次節 7.4 で述べるように、いた。しかし、2023 年からの 1.3 秒周期運転に向2023 年から脱酸素装置も接続した。

けて、2020 年度に 3 台目の電源とパルストラン

これらのシステムのうち、能動機器である循環スを調達し、2021 年度にそれらを設置し、各電ポンプと自吸式ポンプは、不意の故障に備えて、磁ホーンに 1 台の電源と 1 台のパルストランスを二重化が進められている。循環ポンプは既に二重接続する、3 台独立系統とした。

化しており、自吸式ポンプに関しても設置は終わ

12－ 16

っており、2023 年度から運用する予定である。

電磁ホーン側へ流すか、その逆方向に流すか、を

また、電動機では自吸式ポンプだけがサーヴィス

選択出来る。サーヴィスピットの配管を変更すれピットにあるが、その制御器は機械室側に置き、

ば、並列循環も可能である。

高い放射線によって故障や誤作動を起こし難く

循環にはメカニカルシールブロアを用いておしている。ヴァルヴ類も、サーヴィスピットに設り、循環流量は、流量 30 m3/h である。2024 年

置しているものは、空気圧で作動する空圧ヴァル

度に、これを二重化する予定で、故障の際にヴァヴを用いている。

ルヴの切り替えだけで運転を継続出来るように

熱交換器は、内面に放射物が附着して放射化しする。

ていくことが観測されているため、二重化した上触媒には、パラディウムを用いており、それをで個別に鉄遮蔽体で覆っている。二重化している

含有したペレットを、容器に詰めている。この触理由は、片方が高放射化した場合、もう片方に切

媒容器は循環ブロアの直後にあり、そこにヘリウ

り換えて運転を継続し、高放射化したほうを冷まム気相を押し込んでから、各電磁ホーンに送るよ

してから交換するためである。

うになっている。触媒は 60℃で最適な状態となる

イオン交換樹脂は、それを収納するデミナ―をため、容器にヒーターを巻き、断熱処理をし、温5 基接続し、イオン交換能力が落ちると切り替え度制御でヒーターを ON/OFF するようになってるという運用をしている。イオン交換能力が落ちいるが、実際のビーム運転時には、ブロアによるるときは、即ち放射性物質を吸着しているので、圧縮熱と再結合の反応熱だけで 60℃に達しておデミナ―自体も高放射化している。そのため、切り、ヒーターはほとんど OFF の状態になっていり替えた後は冷ましてから交換することになる。

る。

そのために 5 基用意しているのだ。それぞれのデFig.22 に水素再結合器の写真を示す。正面の銀

ミナ―は個別に鉄遮蔽体で覆っている。ビーム停色の円筒が触媒容器（銀色の部分は断熱材）で、止時に、機械室内で最も放射線量が高いのが、こ

下奥の緑色の機器がブロアである。

のデミナ―である。
7.4. 水素再結合器とフラッシングシステム
電磁ホーンの冷却水の一部が、ビームによって水素と酸素に分解される。水素は爆発性気体であるため、危険である。そのため、この水素を酸素と再結合させ、水に戻すシステムが、電磁ホーン
冷却水システムには付け加えられている。これは、電磁ホーン本体とバッファータンクの気相部分のヘリウムを強制的に循環させ、その途中で触媒を収めた容器に通すことで再結合させるものだ。各電磁ホーンの内外導体の間の空間には、
元々ヘリウムを充填するための配管が接続されていたが、2 号機からはこれを往きと還りの 2 本とし、循環出来るようにした。その配管は各電磁ホーンごとにヘリウム容器外のサーヴィスピッ
トまで延ばし、そこで接続している。循環経路は、
3 台の電磁ホーン直列としており、ヴァルヴを切り替えることにより、第 1 電磁ホーン側から第 3

12－ 17

Fig. 22 水素再結合器

この再結合器がなければ、500 kW のビーム運ように位置する電磁ホーンに向かったときに、電転でも、水素濃度は 24 時間以内に爆発限界（4%）

磁ホーンを保護するものだ。バッフルは、ビームに達する。とても有用な機器であるが、それでも方向の長さ 1 m のグラファイトのブロックに、タ同ビーム強度で、1 週間で 3,000 ppm ほど水素濃ーゲット直径より大きく電磁ホーン内部導体内度が上がる。その理由は、ガス分析により明らか

径より小さな穴を開け、ターゲットと第 1 電磁ホで、酸素濃度がほぼ 0 になっているからだ。酸素ーンの直前に置かれている。水冷式である。電磁は水素より遥かに溶解度が高いために、同時に発ホーン同様、鋼製の箱状構造物（支持モデュール）

生しても、先に水に溶けてしまう。そのため、現下部に取り付けられた状態で、その箱ごとヘリウ

時点では、フラッシングシステムにより、2 週間

ム容器内に懸架している。

に一度、気相部分をフラッシングしている。
フラッシングシステムは、この気相の循環シス
テムに接続されているもので、バッファータンク
の気相側からターゲットステーション屋外に設

8. 冷却水システム
8.1. 冷却水システム概要

置したボンベからのヘリウムを流し、電磁ホーン

本章では、電磁ホーン冷却水以外の冷却水シスを通じて、地下機械室に設置した総容量 6 m3 のテムについて述べる。Fig.23 に、二次ビームライ

排気バッファータンクに貯めるものである。手順

ンの冷却水システムの系統図を示す。J-PARC 標

としては、予め排気バッファータンクを附属の真準では、ビームラインの機器の冷却水システム

空ポンプで真空引きしておいてから、その排気バは、熱交換器を 2 台介した 3 段式としている。こッファータンクと気相循環システムの間にあるれは、熱交換器がひとつ破れても、ビームライン

流量調整ヴァルヴを操作して、排気バッファータ

機器を直接冷却する水が外に漏れないようにす

ンクにヘリウムを引き込むものである。気相循環るためだ。二次ビームラインでもその標準に従っ

ラインが負圧にならぬよう、ボンベから新鮮なヘている。

リウムを供給するのである。このフラッシングシ

冷却水システムは、ターゲットステーションにステムの操作は、ヴァルヴの操作から真空ポンプ

2 系統、ニュートリノ第 3 設備棟に 1 系統ある。

の操作まで、全て地上から行える。ビーム運転中

ビームラインにある冷却水による冷却対象機器にも操作出来るように設計したが、今のところ、は、ターゲットステーションでは、バッフル、タ毎週ある加速器メインテナンス日にビーム運転

ーゲット冷却用ヘリウムの第 1 熱交換器、電磁ホが停止した際に行っている。

ーン、ヘリウム容器、ディケイヴォリューム上流

水素の再結合が完全でないのは、前述のように部、ヘリウム容器内鉄遮蔽体、ディケイヴォリュ

酸素が水中に溶け込むからである。そこで、電磁ーム・コリメーター、である。第 3 設備棟側では、ホーン冷却水システムに、新たに脱酸素装置を接ビームダンプコア、ビームダンプ用ヘリウム容続した。これは、冷却水中の酸素を脱気して、それを冷却水システムの気相部分に戻す装置である。2022 年度に完成したので、2023 年度から運用する予定である。
7.5. バッフル
電磁ホーンではないが、第 1 電磁ホーンの直前に設置されているバッフルについても触れておく。これは、ビーム軌道がずれて、ターゲット以
外の方向に向かったときに、即ちそれを取り囲む

12－ 18Fig. 23 冷却水システム系統図

器、ディケイヴォリューム下流部、ヘリウム容器

8.2. 大強度化

内鉄遮蔽体、である。このうち、バッフル、ター

これらの冷却水系統のうち、鉄管系統は、出力

ゲット冷却用ヘリウムの熱交換器、電磁ホーン

750 kW のビーム運転に合わせて設計された。但は、7.3 で述べた電磁ホーン冷却水システムが 1
次冷却水システムとなる。一方、それ以外の系統
は、ターゲットステーションと第 3 設備棟にそれ
ぞれ 1 次冷却水システムを持つが、これらは炭素鋼を直接冷却するプレートコイル式であるため、し、前述の通り（例えば 4.ディケイヴォリューム
のプレートコイルの説明を見よ）、機器本体は、冷却水流量と除熱量を増やしさえすれば、より高いビーム出力まで耐えられるようにつくられている。J-PARC のメインリングが出力 1.3 MW の配管も全て炭素鋼で出来ており、鉄管系冷却水とビーム運転を行う計画に合わせ、ニュートリノビ呼んでいる。このため、ターゲットステーション

ームラインの二次ビームラインでも、冷却水流量

では、電磁ホーン冷却水系統と鉄管系系統、第 3
設備棟では、鉄管系統、が存在することになる。
これら 3 つの系統は、3 つの熱交換器を通して、それぞれの 2 次冷却水系統に繋がる。電磁ホーン
系統の 2 次冷却水は、9.で述べる 3 系統のヘリウと除熱量をそれに見合うだけ増強することとした。つまり、ポンプと熱交換器を大容量のものに交換するのである。また、チラーと冷却塔も増強する。
出力 750 kW に合わせて設計したとは言え、失ムコンプレッサーのアフタークーラーにも繋が敗がないように、そして長期運転による能力低下

り、これらを冷却している。そして更に熱交換器なども考慮して、余裕を持たせて設計してあっを介して 3 次冷却水系統に繋がり、チラーによって最終的な冷却を行っている。電磁ホーン系統の2 次冷却水は最低 12℃まで冷却出来るが、現在は20℃程度で運用している。
ターゲットステーションの鉄管系統の 2 次冷却水は、9.で述べる 3 系統のヘリウムコンプレッサ
ー本体とターゲット冷却用ヘリウムの第 2 熱交換器にも繋がり、これらを冷却している。コンプレッサー本体は炭素鋼製だからである。そして更に熱交換器を介して 3 次冷却水系統に繋がり、冷却塔によって最終的な冷却を行っている。ターゲッ
トステーションの鉄管系統の 1 次冷却水は 32℃、2 次冷却水は 31℃、3 次冷却水は 30℃で運用している。また、2 次冷却水系統の一部と 3 次冷却水
系統はターゲットステーションに隣接するニュートリノ第 2 設備棟内に設置されている。
第 3 設備棟の鉄管系統は、2 台の熱交換器を介して 3 次冷却水系統に繋がり、冷却塔によって最終的な冷却を行っている。第 3 設備棟の鉄管系統の 1 次冷却水は 32℃、2 次冷却水は 31℃、3 次冷
却水は 30℃で運用している。

た。そのため、500 kW 運転時の温度変化等から算出した実際の能力を外挿すると、現行の冷却水システムでも、ターゲットステーション側で 980
kW、ニュートリノ第 3 設備棟側で 1,020 kW までのビーム運転が可能であると評価出来た。今回の増強でも、その程度の余裕は見込むこととし、
1.3 MW 運転時の定格流量と除熱量を算出した。
鉄管系統の熱負荷はビーム強度に比例するとし、
電磁ホーン系統は新型ターゲット／電磁ホーンの 1.3 MW 時の熱負荷、更に 2 次冷却水系統に新型ターゲット用冷却システムが接続されること、などを考慮して、必要な冷却水流量と除熱量を算出した。それを基に設備設計業者に設計を依頼
し、増強すべきポンプと熱交換器を選定した。ターゲットステーションの鉄管系統の 1 次冷却水の流量は現行の 1,300 L/min.から 2,200 L/min.へ、
熱交換器の除熱量は現行の 439 kW から 765 kW
へ、第 3 設備棟の鉄管系統の 1 次冷却水の流量は
現行の 1,350 L/min.から 2,330 L/min.へ、熱交換器の除熱量は 386 kW から 668 kW へ、それぞれ増強される。2 次冷却水系統や 3 次冷却水系統もそれに合わせて増強される。
ポンプと熱交換器は長納期品なので、先行して既に調達済みである。設計も完了しているので、

12－ 19

次回の長期シャットダウンの 2025 年度にこれら分でないため、根本的に異なる対処方法を検討すを現行機と交換し、冷却水システムの増強を完成ることとした。ひとつは、マグネティックストレ

させる予定である。

イナーの採用で、強磁性体の不純物の除去には効果を発揮する。試験的に導入したものの運用実績

8.3. 脱酸素装置と黒皮問題が良好だったので、2025 年度の大改修の際に、ディケイヴォリュームは、炭素鋼で出来てい本格的なものを取り付ける予定である。もうひとる。ヘリウム容器等もそれに合わせたため、全てつは、発生のメカニズムなど根本原因の追究であ

炭素鋼で出来ている。そのため、鉄管系統は、冷る。そのため、冷却水成分の化学分析を本格的に却水中に鉄酸化物が混入している。色は赤色では開始したところである。この成分が、ビーム運転

なく黒色なので、赤錆とも異なる。この起源は、によってどのように変化していくのか、などを詳

当初、炭素鋼配管の黒皮が剥がれてきているので

細に調査している。

はないかと推測していた。二次ビームラインでは、炭素鋼でつくられた部分で塗装が出来ない箇
所は、錆防止のため、製鋼時に表面に生じる酸化被膜（黒皮、ミルスケール）を、そのままにして

9. ヘリウム循環システム
9.1. ターゲット冷却系統

いる。こういった経緯から、我々はこれを「黒皮本稿にてこれまで見てきたように、ターゲット問題」と呼んでいる。しかし、この所謂黒皮は、ステーションの機器ではヘリウムが多用されてその発生量がビーム強度に比例することから、ビいる。それぞれ使用目的は異なるが、それを、ヘーム由来の何らかのメカニズムで発生している

リウム循環システムごとに見ていくこととする。

のではないか、と近年では考えるようになった。

ターゲット冷却用ヘリウム循環システムにつ実際、ビーム運転を停止すると、この量が激減す

いては、別稿「ターゲット」のところで説明するる。しかし、以下本稿では、便宜上、黒皮と呼ぶので、本稿では省略する。

こととする。

9.2. ビーム窓冷却系統

一方、冷却水中の酸素濃度が高いと、炭素鋼が腐食することから、鉄管系統には脱酸素装置が組6.で述べたように、ビーム窓は、二重構造にしみ込まれており、冷却水中の酸素濃度を低く保った上、その 2 枚のビーム窓の間にヘリウムを流すている。ところが、ビーム運転と共に、この脱酸ことで冷却している。このために独立したヘリウ

素装置に黒皮が附着し、その能力を低下させる。

ム循環システムが運用されている。中心となるヘ

それを防ぐためにフィルターにて黒皮を除去しリウムコンプレッサーは地下 1 階機械室に設置さてはいるが、充分ではなく、2 年に一度の割合でれているが、ターゲット冷却系統やヘリウム容器

脱酸素装置の心臓部である脱気膜を交換してい循環系統と同じく、ウイング式コンプレッサーる。また、この黒皮は、ポンプや熱交換器にも附で、円筒の中を羽のついた軸が往復運動する仕組

着してその能力を低下させる。ポンプは数年に一みである。定格流量は 20 m3/h で、圧力は大気圧度オーヴァーホールして内部に附着した黒皮をより極僅か低めに設定してある。その理由は、ビ除去しているし、熱交換器は丸ごと交換していーム窓の構造にある。6.の通り、ビーム窓は厚さる。熱交換器は、2009 年の運転開始以来、これ0.3 mm の半球殻状で、上流側に向かって膨らむまでに、ターゲットステーション側で 2 回、ニュ

形で設置されている。このため、常に上流側の圧ートリノ第 3 設備棟側で 1 回、それぞれ交換している。
この黒皮問題への対策として、これまではフィルターを増やすことで対処してきたが、それが充力が低いか、或いは同じ圧力であるように運用しなければならない。逆圧は絶対にかけてはならない。そのため、2 枚のビーム窓の間の圧力は、下流側、つまりヘリウム容器の圧力（大気圧+5 kPa）
よりも低めである必要がある。また、ヘリウムを

12－ 20充填する際には、一旦真空に引くが、その引き方て、架台に補強を入れることで、振動を抑えて対にも手順があり、上流側が真空であることを必ず処している。コンプレッサーの振動は、ビーム運確認してからこれを行う必要がある。また、ヘリ転停止中に頻繁に測定するようにしている。今後

ウム容器の真空引きの際には、先にビーム窓を真は、防振台をより大型のものに変えるなど、一層空に引いておく必要がある。ビーム窓冷却系統をの振動低減策を実施していく予定である。

真空引きするために、専用のスクロールポンプが設置されている。

このヘリウム循環システムには、もうひとつ重要な役割がある。それは電磁ホーンのバスバーのビーム窓の熱解析の結果、本系統は、1.3 MW冷却である。バスバーは、自身のジュール熱に加ビーム運転時にも充分な能力であることが判っ

え、ビームライン中心附近では、ビームによる熱ている。

も発生する。そこで、このヘリウムの吹き出し口
を、3 台の電磁ホーンのバスバーを囲むバスバー

9.3. ヘリウム容器循環系統

ダクトに接続し、ヘリウム容器内上部からヘリウ

ヘリウム容器はディケイヴォリュームも合わ

ムを流し、電磁ホーン導体部の電流導入板附近でせ総容量容積 1,500 m3 にも及ぶが（2.）、そこに吹き出すことで、バスバーを冷却している。熱負充填するヘリウムは、1 時間に 1 置換以上の循環荷が最大となる第 2 電磁ホーンではそれに加えてを行っている。そのためのヘリウムコンプレッサ

水冷も併用していることは前述（7.1）の通りであーが地下 1 階機械室に設置されている。やはりウる。還りは、ヘリウム容器下流側からサーヴィス

イング式コンプレッサーだが、その羽が内蔵されピットを通って機械室のヘリウムコンプレッサ

たシリンダーが 4 基あり、それを巨大な電動機とーに戻る。ヘリウムコンプレッサーには、吐出口

クランクシャフトで稼働させる、大掛かりなもの

側にフィルター、吸入口側にストレイナーがあるである。定格流量は 1,800 m3/h に達する。シリンが、ビーム運転により、特にストレイナー側に放ダー内の羽は往復運動をし、それが他のヘリウム射化物が蓄積し、高い放射線量となる。このため、

コンプレッサーより巨大で、しかも 4 基が同時にストレイナーは前後をヴァルヴで封止して配管稼働しているので、他の系統のコンプレッサーにごと交換出来るようにしてある。内部のストレイ

比べて、遥かに振動が大きい。防振台の上に設置

ナーを作業者が見ないようにする措置である。

されてはいるが、それでも充分に振動を吸収出来

ヘリウム容器は、一旦真空に引いてからヘリウ

ず、過去には、架台に亀裂が入ったり、潤滑油配ムを充填するため、このヘリウム循環システムに管が破断したりしたこともあった。現在は、振動も専用の真空ポンプが接続されている。これは、測定とそれに基づく動解析で得た結果に基づいロータリーポンプにメカニカルブースターポンプ（ルーツポンプ）を組み合わせたもので、それを 1 組として、1 組定格 1,000 m3/h の排気能力のものを 3 組使用して真空に引く。真空引きの際には、排気中に大量の結露水が出てくるので、排気側にはこれを分離する汽水分離タンクを通してから、排気を排気スタック（3.5）まで送る。分離
した水は、排水システム（10.1）を通して排水する。100 Pa 程度まで真空に引いてから、ヘリウム容器の各フランジに対して、ヘリウムリークディ
テクターによるリーク試験を実施し、10-7 Pa m3/s
程度以下のリークであることを確認してから、ヘFig. 24 ヘリウム容器系統用コンプレッサー

12－ 21

リウムを充填する。充填圧は大気圧+5 kPa である。ターゲット系統では、グラファイトの損耗をる。

気にかけていることから、酸素濃度と、酸素とのこのヘリウム循環システムはターゲットステ

反応の結果生じたであろう一酸化炭素と二酸化ーション側にあるため、94 m のディケイヴォリ

炭素の濃度に注目している。ビーム窓系統とヘリュームを隔てたビームダンプ側では、ヘリウムはウム容器系統では、漏れによる外気の侵入がない

淀むことになる。ビームダンプコアはグラファイ

かを気にしているので、大気と同じ成分、即ち酸ト製であり、その耐ビーム強度は、温度と酸素濃

素と窒素の濃度に注目している。電磁ホーン冷却度で決まる（5.1）ので、この部分の酸素濃度を常水気相系統では、水素の発生を気にしているの時監視している（5.4）。現在のところ酸素濃度はで、水素濃度に注目している。これらの濃度の毎低く抑えられているが、今後これが上昇するよう週の変化に注目し、通常とは異なる変化をした場になってきた場合には、ビームダンプ側でもヘリ合には、その対処を行う（電磁ホーン冷却水気相

ウムを循環させることも検討している。そのた系統であれば、前述のフラッシングなど）。

め、ビームダンプ側ヘリウム容器から、ヘリウム循環用の配管だけは最初から敷設しており、ニュ

9.6. ヘリウム供給システム

ートリノ第 3 設備棟地下機械室まで通じ、そこでこれらヘリウム循環システムそれぞれに、ヘリ封止している。将来的に必要であればこの配管にウムを供給するシステムがある。どれも地上からヘリウムコンプレッサーを接続して循環させる

供給するが、ターゲット系統とビーム窓系統はタ

可能性もある。

ーゲットステーション屋内から、ヘリウム容器系
統と電磁ホーン冷却水気相系統は屋外から、それ9.4. 電磁ホーン冷却水気相循環システム

ぞれ供給する。

電磁ホーン冷却水の気相には、ビーム運転によ

また、ヘリウム容器系統以外は、市販のヘリウ

り、冷却水の分解によって生じた水素が溜まるこ

ムボンベを接続して供給するものであるが、ヘリとを 7.4 で述べた。これもターゲットステーショ

ウム容器系統だけは、その容量が膨大であるたン内のヘリウム循環システムのひとつである。詳め、ヘリウムトレイラーから供給する。ターゲッ

細については 7.4 を御覧頂きたい。

トステーション屋外、建屋壁北東角には、ヘリウ
ムトレイラーを接続する供給口が設けられ、ヘリ

9.5. ガス分析システム

ウム充填の際には、供給業者のトレイラーに来てこれらヘリウム循環システムに於いて、ビーム

もらい、そこに接続して充填を行う。充填が終わ

運転中にその中の不純物がどう変化するかを、れば、供給業者がトレイラーを持って帰る。供給

我々は注意深く監視している。そのためのガスクは数時間で完了する。

ロマトグラフが、ターゲットステーション地上に設置されている。各ヘリウム循環系統にはサンプル配管が設けられており、それが地上のガスクロ
マトグラフにまで繋がっている。J-PARC では、

10. 排水システム
10.1. ターゲットステーション側

週に一度、加速器メインテナンスの日が設けら

二次ビームラインの冷却水は、直接ビームが当れ、この日はビーム運転が停止するので、それにたる領域を通るため、ビーム運転により放射化す

合わせて、4 つのヘリウム循環系統のガス分析をる。そのため、法令と J-PARC 内規則に従った手行う。

順で排水する必要がある。そのための排水システ

我々のガスクロマトグラフで測定出来るのは、ムを備えている。

水素、酸素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素であ二次ビームラインの冷却水は、配管の高低差・る。それぞれの系統で注目している成分は異な経路等から、完全に水抜きすることは出来ない。
また、鉄管系統は、空気を入れると錆びることか

12－ 22

ら、空気を入れたくない。そこで、循環運転をしクローリー車への接続口が、両棟に設けられていながら外部から水を入れて置換するという方法る。現在のところの運用では、第 3 設備棟の最初を採る。この置換を 1 回行うと、放射能濃度は 1/eと 2 回目の置換分（最初が最もトリチウム濃度がとなる。これを繰り返すことで冷却水の放射能濃高い）だけ引き取ってもらい、それ以外は我々で度を下げ、人間がメインテナンス可能な状態とす

希釈して排水する、という運用をしている。

る。また、冷却水システムに於いて、頻繁にメイ
ンテナンスを行う場所は決まっているため（ポン10.3. 工水浄化システム
以上で述べた排水の希釈には、工業用水（以下、プ周辺や脱酸素装置）、その部分だけを切り離し工水）が使われている。この工水は、飲料用にもて置換することも可能なようになっている。
ターゲットステーションでは、置換した排水使える水道水（上水）と異なり、その品質はあま

は、先ず、地下 2 階のバッファータンク（容量 8

り良くない。特に、河川由来の泥が多く残ったまm3）に集められる。ここから、ターゲットステー

まである。これは、J-PARC 内の他の施設でも問ションに隣接するニュートリノ第 2 設備棟の機械題となっているが、ニュートリノ実験施設は特に室のバッファータンク（容量 80 m3）に送水され、希釈で使う工水の量が多いので、大きな問題とな

ここで、トリチウム以外の成分をイオン交換樹脂っている。具体的には、希釈タンクの底にこの泥に通水することで除去する。また、排水が中性でが蓄積していき、数年に一度は希釈タンクを清掃ない場合には、ここで中和する。それから同じ機

しなければならない。そこで回収した泥は、放射械室内の希釈タンク（容量 84 m3 が 2 基）に送水

化水に触れているから、放射化物扱いとなる。つし、トリチウム濃度が J-PARC 排水基準値以下とまり、放射化した泥を生産していることになり、なるよう、水で希釈し、濃度を測定して合格した

これは倫理的にも大きな問題である。そこで、後、排水する。

様々な改善案を検討した結果、第 2 設備棟に入る

また、1.3 MW ビーム運転に対応するため、排まえの工水から泥を取り除く、工水浄化システム

水設備も増量した。具体的には、第 2 設備棟建屋を建設することとなった。このシステムで取り除を増築し、そこに大容量の希釈タンク（容量 400いた泥は、放射化水と混ぜられる前なので、一般

m3 が 2 基）を設置することで実現している。こ物として廃棄出来る。

れにより、1.3 MW のビーム出力で年間 100 日間

第 2 設備棟増築部の新規の希釈タンクは、高さ7 m にも及び、その中に入っての清掃作業は安全の運転を行っても、その排水を処理出来る。

性に問題がある。そこで、このタンクを使用する

10.2. ニュートリノ第 3 設備棟側

前にこの工水浄化システムを完成し、泥を入れなニュートリノ第 3 設備棟の排水システムもターいようにすることが重要だった。そのため、工水ゲットステーションと同様であるが、ひとつの建浄化システムは 2021 ~ 2022 年度の 2 年間で完成

屋内で完結しているところがターゲットステー

させ、2023 年度から運用を開始出来た。

ションとは異なる。機器からの排水を最初に受けるバッファータンクは地下 1 階機械室内にあり、

11. リモートメインテナンスシステム

そこから地上の機械室にある希釈タンクでトリ

これまで本稿で見てきたように、ターゲットス

チウム以外の成分の除去と希釈を行い、排水す

テーション内には、高度に放射化するにも拘わらる。

ず、交換を必要とする機器が多数ある。これらは、

また、ニュートリノ第 2 設備棟、第 3 設備棟共遠隔操作によって取り扱い、作業者の被曝を低減に、希釈前の排水を日本原子力研究開発機構側にするようにしている。ターゲットステーション

引き取ってもらい、そちらで希釈して排水するこは、これらの機器のリモートメインテナンスを行とも出来るようになっている。そのための、タンう場所でもある。

12－ 23

ターゲットステーションでのリモートメインに、最初から 2 台の電動機を動かしてその動力をテナンスの基本は、ビームラインにある機器を取

プラネタリーギアで合成する構造としている。こ

り出し、メインテナンスエリアに持って行って、うすることで、片方の電動機が故障した際には、そこでメインテナンス（或いは交換）を行うこと

半分の速度で稼働させることが出来る。

である。このため、各対象機器ごとに、それを遠また、放射化物を慎重に扱うために、各動作の隔操作でビームラインから取り出してメインテ

速度は一般的なクレーンよりも遥かに遅く設定

ナンスエリアまで持って行ったりビームライン

してある。速度はどの動作も 3 段階の速度調整がに再設置したりするハンドリング装置や、メイン

出来るが、巻上で最低速度の場合、5 mm/s といテナンスエリアで遠隔操作する機器を、それぞれ

う遅さである。
クレーンの定格重量は 43 t であり、フックには開発している。本章ではそれを各機器ごとに見ていくこととする。

後述する各種ハンドリング装置が取り付けられまた、ビームラインからメインテナンスエリア

る。また、フック部には、各種ハンドリング装置への移動の全ての基本となるのがクレーンであの動力／信号ケイブル接続コネクターや、AC 100

る。ターゲットステーションのクレーンは、高放V の電源コンセントが設けられており、カメラ等

射化物のハンドリングに適した特別仕様となっの機器の電力も供給出来る。

ている。先ず、3 次元座標とフックの回転角が常時表示され、自動運転モードでは、その指示した

11.1. 電磁ホーン

座標まで自動で移動することも可能である。操作

電磁ホーンは、リモートメインテナンス対象機

員は、ターゲットステーション内で遮蔽されたク器では最大で、その交換作業も最も大掛かりであ

レーン操作室内にいながら、それらの座標が表示る。しかし、前述（7.1）のように、2013 ~ 2014

される制御卓で操作が出来る。

年と 2021 ~ 2022 年に、計 5 回の交換作業を行っ

次に、クレーンの制御機器が、全て、そのクレており、それ以外にもビームラインからメインテーン制御室に設置されていることも大きな特徴

ナンスエリアまでの往復も複数回行っており、最である。通常のクレーンでは、電動機へのケイブも経験豊富なリモート作業でもある。

ルを短くするため、制御機器を収めた制御盤が、電磁ホーンは、支持モデュールと呼ばれる箱型

ガーダーの上に載せられている。しかし、この場の鋼製構造物に懸架された状態でヘリウム容器

合、何らかのトラブルで制御機器が故障した場に設置されている（Fig.25）。ビームラインとメイ

合、ガーダーの上まで行って修理しなければなら

ンテナンスエリアを往復する移動作業では、このない。これだと、高放射化物を吊っている最中に支持モデュールごとハンドリングする。支持モデ

故障した場合など、その修理作業が極めて困難とュールの頂部の四隅には、全ての荷重を預けるアなる。そこで、制御盤をクレーン制御室に置き、ームと呼ばれる構造がある。ビームライン（ヘリそこから長いケイブルで各電動機へ動力を供給

ウム容器）に設置され、上方に遮蔽体を設置したしている。これなら、修理も、安全なクレーン制状態でも、このアームは遮蔽体の上に位置し、人御室で行える。

間がアクセス出来るようなっている。アームの上

そして、走行、横行、巻上、回転といった全て

面には、ハンドリング時には、ツイストロック（後の動作について、電動機を二重化している。これ述）の穴のあるブロックが取り付けられ、ここでにより、高放射化物を吊った状態で電動機が故障

電磁ホーン／支持モデュールを持ち上げる。ビー

した場合でも、もう一方の系統に切り替えて操作

ムラインにあるときには、この部分をヘリウム容を継続することが出来る。切り替えは制御室で行器に締結して固定する。アームの下面には、円錐える。但し、巻上に関しては、電動機を切り替え状の穴が開いており、ヘリウム容器側に設置される際にクラッチを切ると落下の危険があるためたレヴェリングブロックの頂部の半球の上に載

12－ 24ヘリウム容器に直接荷重をかけるので、それらの荷重が支持モデュールにかかることはない。
電磁ホーンと支持モデュールの結合は、支持モ
デュール頂部から、長いシャフトを回すことで脱着出来る。ここで脱着するものは、電磁ホーンの荷重を支えるシャフト（4 本）、バスバー、冷却水
並びにヘリウム配管、温度センサーのコネクター、である。バスバーは、シャフトを回すことで、締め付けと、逆の緩めが出来る脱着装置を開発し、使用している。配管は全て Swagelok で、そのナットを回すためのレンチとなるシャフトが、配管と同軸で被さるように常時設置されている（ビーム運転時も外さない）。

Fig. 25 電磁ホーンと支持モデュール
り、荷重を支える。レヴェリングブロックは、前後左右に動くリニアガイドの上に載り、高さも調整出来るので、電磁ホーンの位置の微調が出来る。支持モデュールの箱の中には、鉄遮蔽体とコンクリート遮蔽体が設置され、電磁ホーンやター
ゲットから上がってくる放射線を遮蔽するようになっている。このコンクリート遮蔽体の上からであれば、人間は作業可能である。尚、鉄遮蔽体とコンクリート遮蔽体はそれぞれ専用の受台で12－ 25

Fig. 26 ハンドリング装置に吊られた第 1 電磁
ホーンと支持モデュール

電磁ホーンを支持モデュールごとハンドリン
グするのが、電磁ホーンハンドリング装置であは、3 台の電磁ホーンそれぞれの位置にドッキン
グ出来るようになっている。

る。これは天井クレーンに取り付けて使用する。

5) メインテナンスエリア側で電磁ホーンを受下端の 4 箇所にツイストロックがついており、こけ入れる準備をする。リフトテーブル上の、電磁れで支持モデュールのアームを掴む。ツイストロ

ホーンの 4 本の脚が来る部分に、専用の荷重計をックは、吊荷側に楕円形の穴を設け、吊具側に楕4 台設置する。これは、リフトテーブルで電磁ホ

円断面のロックピンを設け、穴に差し込んでからーンの荷重を受ける際に、均等に荷重がかかってロックピンを 90 度回転させることでロックし、いることを確認するためのものである。メインテ

吊荷を持ち上げるもので、海上コンテナのハンド

ナンスエリア頂部に、コンクリート遮蔽体で電磁リングの標準装備である。電磁ホーンは 3 台ともホーンが載り、かつ放射線を遮蔽する構造を組み大きさが異なり、支持モデュールもそれに合わせ上げる。コンクリート遮蔽体の上の 4 箇所には、てビーム軸方向の長さが異なるので、このツイス

前述のヘリウム容器内のレヴェリングブロック

トロック部は、それに合わせて、ビーム軸方向にと同じものを設置し、この上に支持モデュールの3 段階で長さが変えられるようになっている。まアームが載るようにする。そして、その上方に、た、側面四隅に各 2 方向、上下合わせて計 16 台

メインテナンスエリア用のガイドセルを設置す（ローラーの数は 32 個）のガイドローラーが取りる。

付けられており、後述のガイドセルのレールと噛

6) 電磁ホーンの移動経路、特に電磁ホーンと他み合って、電磁ホーンを正確な位置へとガイドすの機器との隙間が見える位置に、ネットワークカる。電磁ホーンハンドリング装置にハンドリング

メラを設置する。電磁ホーン交換作業で使うネッされた支持モデュールと第 1 電磁ホーンを Fig.26

トワークカメラは 40 台である。

に示す。白いのがクレーンのフック部、赤い機器

7) 電磁ホーンハンドリング装置だけを使い、空がハンドリング装置、灰色の箱が支持モデュー

荷で、リハーサルを行う。電磁ホーンが東西南北ル、その下が第 1 電磁ホーンである。

上下に移動する距離、方向転換する座標などは、

電磁ホーンの交換手順は以下の通りである。

予め全て設定しているが、それが合っているか、

1) 交換対象の電磁ホーンの直上のコンクリー

このリハーサルで確認する。また、ヘリウム容器

ト遮蔽体とヘリウム容器の蓋を開ける。

内で、ハンドリング装置と電磁ホーン／支持モデ

2) ヘリウム容器内の、支持モデュール上方の各種配管並びにバスバーを取り外す。

ュールを結合し、地切りする程度に持ち上げて、傾きを調べる。必要に応じてカウンターウェイト3) 電磁ホーンの前後の隙間から、テフロンシーを取り付けて傾きを調整する。支持モデュールにトを垂らす。このテフロンシートは、万が一、電懸架された状態の電磁ホーンは非常に長い（第 3磁ホーンが隣接する機器に寄っていったとして

電磁ホーンで 7 m 以上）ので、少し傾いただけでも、それと衝突しないための措置である。

下部では大きく位置がずれ、隣接する機器に接触

4) ヘリウム容器に、ガイドセルをドッキングすする恐れがある。そこで、支持モデュール頂部にる。このガイドセルは、内面四隅に計 8 本のレー無線式の傾斜計を取り付け、この移動作業中に傾ルを持った全高 6 m にも及ぶ構造物で、電磁ホーきを常時監視している。カウンターウェイトは支ンの取り出し／再設置の際、正しい位置を出すた

持モデュール頂部に取り付けるもので、これによめのものである。前述のハンドリング装置側のガり傾きを補正する。

イドローラーとガイドセルのレールとの間の隙

8) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取り間は±1 mm で（±2 mm も選択出来る）、クレー付け、ヘリウム容器内のコンクリート遮蔽体を取ンの座標センサーで cm、このガイドセルで mm

り出し、地上へと移動させる。この移動時は、全の位置精度を出すようになっている。ガイドセルての作業員はクレーン制御室に退避する。遮蔽体

12－ 26

ハンドリング装置は、コンクリート遮蔽体と鉄遮出し、メインテナンスエリアへと移動させる。こ蔽体をハンドリングするリモート装置である。やの移動時は、全ての作業員はクレーン制御室に退はりツイストロックでハンドリングするが、電磁避する。Fig.28 に、ハンドリング装置に吊られたホーンハンドリング装置のツイストロックが海

電磁ホーン／支持モデュールが、メインテナンス

上コンテナのそれと同じ寸法なのに対して、こちエリアに設置される様子を示す。青い機器がメイ

らはもっと大型である。また、電磁ホーンの 4 本

ンテナンスエリア用のガイドセルである。

に対してこちらは 2 本である。

11) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取り

9) 引き続き、ヘリウム容器内の鉄遮蔽体を取り付け、メインテナンスエリア用コンクリート遮蔽

出し、保管西側の鉄遮蔽体仮置架台（3.6）へと移体を地上からメインテナンスエリアの電磁ホー動させる。この移動時は、全ての作業員はクレーン上方に移動させる。この移動時は、全ての作業

ン制御室に退避する。電磁ホーン上方の鉄遮蔽体

員はクレーン制御室に退避する。このコンクリー

は、第 1／第 2 電磁ホーンで 3 台、第 3 電磁ホート遮蔽体はヘリウム容器内部で電磁ホーン上方

ンで 5 台ある。この作業は、第 1／2 電磁ホーンに設置されるコンクリート遮蔽体と同じ形であは 1 日で終わるが、第 3 電磁ホーンは 2 日かかる。

る。これを設置することで、メインテナンスエリ

Fig.27 に、遮蔽体ハンドリング装置が鉄遮蔽体をアでも、電磁ホーン上方から人間が作業出来る。

ハンドリングしている様子を示す。灰色の物体が12) メインテナンスエリアにて、電磁ホーン上

鉄遮蔽体、赤と黒の機器が遮蔽体ハンドリング装方のコンクリート遮蔽体の上から、シャフトを回置で、黒い部分はガイドである。その先端部がヘすことで、バスバー、配管、温度センサーを外す。

リウム容器側の受台と噛み合い、遮蔽体を正しい

その後、リフトテーブルを上昇させ、電磁ホーン

位置に設置する。

の荷重を荷重計で支えた上で、電磁ホーンと支持

10) クレーンに電磁ホーンハンドリング装置

モデュールを結合する荷重シャフトを支持モデを取り付け、ヘリウム容器内の電磁ホーンを取り

ュール頂部から回し、この結合を外す。リフトテ

Fig. 28 メインテナンスエリアへの電磁ホーンの設置

Fig. 27 ハンドリング装置に吊られた鉄遮蔽体

12－ 27

ーブルを下げ、電磁ホーンが支持モデュールと完

キャスク下部筐体の上に天板を置くと、電磁ホー

全に切り離されたことを確認する。

ン は キ ャ スク の 中 に 収納 さ れ た 状態 と な る 。

13) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取Fig.29 に、キャスク天板に吊られた電磁ホーン

り付け、メインテナンスエリア用コンクリート遮が、キャスク内に収納される様子を示す。「上」

蔽体をメインテナンスエリアから地上へと移動と書いてある厚い灰色の鋼板がキャスク天板で、させる。この移動時は、全ての作業員はクレーンそれに吊られているのが電磁ホーン、その下の灰制御室に退避する。

色の箱状のものがキャスク下部筐体である。天板

14) クレーンに電磁ホーンハンドリング装置を取り付け、支持モデュールだけをメインテナン

から下に延びている 2 本の円柱は、天板と下部筐体が正しく噛み合うためのガイドである。
18) 保管庫に作業員が入り、キャスク天板と下スエリアからヘリウム容器へと移動させる。
15) クレーンに電磁ホーン用キャスクハンド部筐体をロックする。このためのツイストロック

リング装置を取り付け、電磁ホーンキャスク（3.6）

がキャスクにはついており、キャスク天板の上かの天板だけを吊って、メインテナンスエリアの電ら操作出来る。その後、電磁ホーン用キャスクハ

磁ホーン上方に設置する。ハンドリング装置は外ンドリング装置をクレーンから外す。

さない。キャスク下部筐体は保管庫に置いたまま

19) メインテナンスエリアのリフトテーブルにする。キャスク天板は追加遮蔽板付きだと 300の上に、新品の電磁ホーンを設置する。これは新mm の厚み（鋼板）なので、これがあるとその下品なので作業員が直接作業を行える。
20) クレーンに電磁ホーンハンドリング装置

方に電磁ホーンがあっても天板上で人間が作業出来る。

を取り付け、ヘリウム容器内の支持モデュールを

16) リフトテーブルを上昇させ、キャスク天板

取り出し、メインテナンスエリアへと移動させに電磁ホーンを結合させる。この結合は、キャスる。この移動時は、全ての作業員はクレーン制御

ク天板の上から操作する 4 箇所のツイストロック

室に退避する。

によって行う。ピンは下側（電磁ホーン側）にあ21) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取り、電磁ホーンの上面には、このためのツイスト

り付け、メインテナンスエリア用コンクリート遮

ロックの穴がついている。

蔽体を地上からメインテナンスエリアの電磁ホ17) 電磁ホーン用キャスク天板を、電磁ホーンを吊ったまま、メインテナンスエリアから保管庫ーン上方に移動させる。この移動時は、全ての作
業員はクレーン制御室に退避する。

へと移動させる。この移動時は、全ての作業員は

22) リフトテーブルを上昇させ、電磁ホーンをクレーン制御室に退避する。保管庫で待っている

支持モデュールとの結合位置まで上げる。メイン
テナンスエリアにて、電磁ホーン上方のコンクリ
ート遮蔽体の上に立ち、電磁ホーンと支持モデュ
ールを結合する荷重シャフトを支持モデュール
頂部から回し、電磁ホーンを支持モデュールに結合する。リフトテーブルを下降させ、電磁ホーンの荷重が支持モデュール側へと移ったことを確認する。シャフトを回すことで、バスバー、配管、
温度センサーを結合する。
23) 電気試験、配管の気密試験等を行い、電磁ホーンと支持モデュールの間の各種結合が問題ないことを確認する。

Fig. 29 電磁ホーンのキャスクへの収納12－ 2824) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取避する。
28) ヘリウム容器用ガイドセル、並びにテフロ

り付け、メインテナンスエリア用コンクリート遮蔽体をメインテナンスエリアから地上へと移動

ンシートを撤去する。
29) ヘリウム容器内にて電磁ホーンの測量をさせる。この移動時は、全ての作業員はクレーン制御室に退避する。

行う。基準点は支持モデュール頂部なので、コン

25) クレーンに電磁ホーンハンドリング装置

クリート遮蔽体の上に露出している。支持モデュを取り付け、電磁ホーンと支持モデュールをメイ

ールのアームが載っているレヴェリングブロッ

ンテナンスエリアからヘリウム容器へと移動さクを調整して、電磁ホーンの位置を 0.1 mm の精

せ、ビームラインに設置する。Fig.30 に、ヘリウ度で規定座標に合わせる。その後、アーム上面か

ム容器（ビームライン）に設置される電磁ホーン

らツイストロック穴ブロックを取り外し、その上を示す。青い構造物はヘリウム容器用ガイドセル

面をヘリウム容器に固定する。
30) 支持モデュール上方のバスバーと各種配である。電磁ホーンハンドリング装置（赤）と噛み合っていることが判る。

管を元の通りに結合する。その後、気密試験を行26) クレーンに遮蔽体ハンドリング装置を取り付け、ヘリウム容器内鉄遮蔽体を保管西側の鉄う。気密試験が合格すれば冷却水配管は通水試験を行い、漏れがないことを確認する。

遮蔽体仮置架台から取り出し、ヘリウム容器へと

31) ヘリウム容器の蓋が開いた状態で電磁ホ移動させる。この移動時は、全ての作業員はクレーンの通電試験を行い、問題がないことを確認すーン制御室に退避する。

る。

27) 引き続き、ヘリウム容器内コンクリート遮32) ヘリウム容器の蓋を閉め、ヘリウム容器／

蔽体を地上からヘリウム容器へと移動させる。こディケイヴォリュームを真空引きし、リーク試験の移動時は、全ての作業員はクレーン制御室に退を行う。それに合格すれば、ヘリウムを充填する。
33) ヘリウム雰囲気で、電磁ホーンの通電試験を行い、問題がないことを確認する。
これらの作業は時間をかけて慎重に行うため、
例えば電磁ホーンをヘリウム容器から取り出してメインテナンスエリアに移動させる、などの遠隔操作での移動作業は、その一仕事で一日かかる。配管を外したり元に戻したりする作業や、ヘリウム容器内のコンクリート遮蔽体を移動させたり元に戻したり、その気密処理を行ったりする作業、更には各種準備作業を含めると、電磁ホーンの交換は、半年はかかる大作業である。
尚、交換した電磁ホーンの残留放射線量は、最大の部分（第 1 電磁ホーン 2 号機下流側、ターゲット付）で、300 mm 離れて 600 mSv/h だった。
11.2. ターゲット交換システム
ターゲットはこれまで 2 度交換しているが、何れも、第 1 電磁ホーンごと交換している。この場
合、電磁ホーンの交換作業に同じで、新品のター

Fig. 30 ヘリウム容器に設置される電磁ホーン

ゲットも、新品の電磁ホーンに、人間の手で直接

12－ 29

規定の位置に設置すると、電磁ホーンの手前にターゲット交換装置とその上の新品のターゲット、
電磁ホーンの下にターゲット用キャスク、という配置になる。
3) ターゲット交換装置のエアジャッキと子リフトを調整し、同装置を電磁ホーンに接触させ、専用の結合ボルトで定位置にドッキングさせる。
ボルトは専用のエア工具で締結する。
4) ターゲット交換装置の上面には、ビーム軸方
Fig. 31 ターゲット交換装置

向に動くリニアガイドと、それに垂直方向に動く

取り付けられる。しかし、ターゲットだけ壊れる

そのリニアガイドの上に、2 つのターゲット台がことも有り得るので、第 1 電磁ホーンから、ターあり、片方は空で、片方には新品のターゲットがゲットだけを交換するシステムを開発した。その載っている。空のターゲット台を、ビーム軸方向

核となるターゲット交換装置は、RAL が開発しのリニアガイド上をマニピュレイターを使ってた。このターゲット交換装置は、新品のターゲッ

走らせ、使用済みターゲットと接触させ、結合ボトを載せた状態で電磁ホーンにドッキングさせ、ルトで定位置にドッキングさせる。ボルトはエア使用済みのターゲットを電磁ホーンから取り外工具で締結する。

リニアガイドとがあり、それらが交差している。

し、新品のターゲットを電磁ホーンに挿入して固

5) ターゲットと電磁ホーンを結合しているボ

定するものである。ターゲット交換装置は 2 基のルトをエア工具で緩める。また、ターゲット冷却

エアジャッキで高さと傾きを調整出来るが、電磁用ヘリウム配管のフランジは、チェインクランプ

ホーンへのドッキングや、エアジャッキ部分以外

によって固定されているので、これも緩める。このターゲット交換装置の各種操作はマニピュレ

うすることで、ターゲットは交換装置のターゲッ

イターで行う。また、各種ボルトの締結や取り外ト台だけに固定された状態となる。

しは、マニピュレイターで持ったエア工具にて行6) 使用済みターゲットが固定されたターゲッ

う。Fig.31 はターゲット交換装置の写真である。

ト台を、ビーム軸方向のリニアガイド上をマニピ

銀色のテーブルのようなものがターゲット交換ュレイターを使って走らせ、手前の、横方向のリ装置で、上にターゲットが載っている。左奥にはニアガイドのところまで持ってくる。

第 1 電磁ホーンが見える。ターゲット交換装置は

7) 使用済みターゲットが固定されたターゲッ

電磁ホーンとドッキングした状態である。また、

ト台を、横方向のリニアガイド上をマニピュレイ

2 本のマニピュレイターも写っている。

ターを使って走らせ、正面から避ける。

ターゲット交換の手順は以下の通りである。

8) 新品のターゲットが固定されたターゲット

1) メインテナンスエリアのリフトテーブルの台を、横方向のリニアガイド上をマニピュレイタ

上に、ターゲット用キャスクとターゲット交換装ーを使って走らせ、ビーム軸方向のリニアガイド

置を設置する。両者とも、専用の子リフトの上にとの交差点まで持ってくる。そのまま、ビーム軸載せ、独立して高さを調整出来るようにしてお方向のリニアガイドをマニピュレイターを使っく。ターゲット交換装置には新品のターゲットをて走らせ、ターゲットを電磁ホーンに挿入する。

載せておく。また、交換作業で使用するエア工具

それから結合ボルトでターゲットを電磁ホーンなどの各種工具もホットエリアに入れておく。

に締結する。また、ターゲット冷却用ヘリウム配2) 11.1 で示した手順で、電磁ホーンを支持モデ

管のフランジもチェインクランプを締めること

ュールごとメインテナンスエリアに持ってくる。

12－ 30で結合する。ボルトやチェインクランプはエア工

11.3. ビーム窓交換システム

具で締結する。

6.で述べたビーム窓も、常時ビームを浴びてい

9) ターゲットとターゲット台を固定している

るために高放射化物であり、リモートハンドリン

ボルトを緩める。こうすることで、ターゲットはグの対象機器である。ビーム窓は、これまでに、

電磁ホーンだけに固定された状態となる。

2017 年に一度だけ交換した。

10) ターゲット交換装置と電磁ホーンを切り離す。
11) ターゲットの気密試験を行う。これに合格

ビーム窓は、ビームライン側とヘリウム容器側の両方で気密を取る必要があるため、その両面にピローシールフランジを備えた構造となっていしたら、電磁ホーンごと、11.1 で示した手順でメる（Fig.32）。ピローシールフランジは、ステンレ

インテナンスエリアからヘリウム容器へと移動

ス製の、二重円状の突起を持つ鏡面を、相手側のし、設置する。

ステンレス製鏡面フランジに接触させて気密を

12) メインテナンスエリアにて、ターゲット用

取る、メタルタッチ式のフランジである。二重円

キャスクの子リフトを上昇させ、ターゲット交換状の突起を持つ鏡面フランジ側は、ベローズによ装置と同じ高さにする。

って伸縮するようになっている。ベローズ内側に13) ターゲット交換装置のエアジャッキと子窒素などの気体で圧力をかけると、ベローズが伸リフトを調整し、同装置をキャスクに接触させ、びて、相手側の鏡面フランジに押し付けられる。

専用の結合ボルトで定位置にドッキングさせる。

逆にその気体を抜き、真空引きすると、ベローズ

ボルトは専用のエア工具で締結する。

が縮んで、相手フランジとの間に隙間が出来て、14) 使用済みターゲットが固定されたターゲ

これを取り出すことが出来る、という構造であット台を、横方向のリニアガイド上とビーム軸方る。二重円状の突起の間は、真空引き出来る吸気向のリニアガイド上をマニピュレイターを使っ口が設けられており、ピローシール稼働中はこのて走らせ、キャスクの中にターゲットを挿入す

部分を排気して中程度の真空とすることで、最もる。その後、ボルトで締結する。キャスクは、電内側を高真空に保つことが出来る。ビーム窓はこ

磁ホーンのターゲット固定部分と同じ構造をしのピローシールと一体になっているので、簡単にており、電磁ホーンに挿入・固定するのと同様に言うと、ピローを縮めて使用済みビーム窓を取り行える。

出し、新品のビーム窓を入れてピローを伸ばして

15) ターゲットとターゲット台を固定していやればよい。

るボルトを緩める。こうすることで、ターゲット

問題は、このビーム窓の位置である。サーヴィ

はキャスクだけに固定された状態となる。
16) ターゲット交換装置とキャスクを切り離す。
17) キャスクの蓋をマニピュレイターで閉じ（観音開きになっている）、ボルトで固定する。ボ
ルトは専用のエア工具で締結する。
18) キャスクを保管庫に移動する。
ターゲット交換試験は、これまでにターゲットと電磁ホーンのモックアップを使用して、部分的には行ってきた。今後は、総合リハーサルや、習熟訓練を行い、実際のターゲット交換に備える。

Fig. 32 ビーム窓

12－ 31

スピットの床面から 4 m 下にあるだけでなく、そ設置出来る、ビーム窓ハンドリング装置を開発しこからビーム窓を取り出す隙間は、200 ~ 300

た。Fig.33 がその姿だが、全高 7.5 m にも及び、mm しかない。ピローシールは鏡面の表面が命なかつ薄い。左右の白い柱はガイドだが、内外両面ので、一切接触させることなく、この隙間を上下がガイドとして機能する。外側は、建屋側に設置させる必要がある。また、サーヴィスピットの床するガイドピンにこの装置が正しく着地するた面も、このヘリウム容器上流の部分は狭いので、めのガイドで、内側は、ハンドリングポイントがクレーンのフック部が入って行かない。

真っ直ぐに上下するためのガイドである。ハンド

そのような条件でもビーム窓を取り出し／再リングポイントは、判り難いが、写真の赤い部分
で、その直下に水色の遮蔽体を吊っている。ハンドリングポイントは、遮蔽体とビーム窓を吊った状態で、ハンドリング装置に内蔵されたウィンチ
で上下する。ビーム窓は、この遮蔽体の頂部に懸架されたシャフトで吊られる形で、遮蔽体ごと上下する。シャフトを回転させると、ビーム窓をロック／アンロック出来る。
また、ピローシールの相手側のミラーフランジに埃が附着すると、その気密性能が落ちるので、使用済みビーム窓を取り出した後に汚れている
場合には、新品を入れる前に洗浄する必要がある。そのため、フランジの状態を観察する薄型カ
メラシステムと、アルコールを噴射して洗浄する
洗浄装置を開発した。
ビーム窓交換手順を以下に述べる。
1) 一次ビームライン側を大気圧にする。
2) メインテナンスエリアに、ビーム窓上方遮蔽体（後述）の仮置架台と、ビーム窓ハンドリング装置のガイドピンを設置する。また、ガイドピン
直下のリフトテーブル上にビーム窓用キャスクを設置する。
3) ビーム窓の上方のサーヴィスピットに、ハンドリング装置が噛み合うガイドピンを設置する。
ピンと言っても、高さは 1 m ある。
4) ピローシール以外の配管（冷却用ヘリウム配管）を外す。これらの配管は、ビーム窓から 4 m
上方まで延びており、サーヴィスピット床面で取り外すことが出来る。ビーム窓直上でもSwagelok となっているので取り外すことは出来る。
5) クレーンにビーム窓ハンドリング装置を取り付け、ビーム窓上方のガイドピンにドッキングさせる。

Fig. 33 ビーム窓ハンドリング装置

12－ 32

6) ビーム窓上方には、高さ 4 m の遮蔽体（鋼製の外枠にコンクリートを充填したもの）が設置れた場所から、カメラ映像を観ながら、ウィンチを上限まで巻き上げる。
17) クレーンを操作してビーム窓をメインテされている。この遮蔽体をハンドリングポイントに固定する。

ナンスエリアまで移動させる。何処まで近づいて

7) ハンドリング装置のウィンチを上限まで巻
き上げ、ビーム窓上方遮蔽体を持ち上げる。

よいかは、空間放射線量を測定しながら決める。
メインテナンスエリアのガイドピンにハンドリ

8) 作業員はサーヴィスピットから退避し、ターング装置を着地させる。

ゲットステーション内の、この位置から少し離れ

18) メインテナンスエリアのコールドエリアた場所から、クレーンを操作してビーム窓上方遮に作業員が入り、鉛グラス窓とカメラ映像を観な

蔽体をメインテナンスエリアに移動させ、2)でそがら、ハンドリング装置のウィンチを、ビーム窓

こに設置した仮置架台に遮蔽体を置く。遮蔽体とがキャスクに収納されるまで巻き下げる。キャス

ハンドリングポイントを切り離す（遮蔽体上部はそれほど放射化していないので、手作業可能）。
9) ハンドリング装置のハンドリングポイントに、交換作業用の遮蔽体（Fig.33 の青い遮蔽体）とそれに懸架されたリモートシャフトを取り付ける。
10) ハンドリング装置をビーム窓上方のガイ
ドピンにドッキングさせる。
11) 遮蔽体の上面がサーヴィスピット床面近くになるまで、ハンドリング装置のウィンチを巻き下げる。
12) 作業員がビーム窓上方のサーヴィスピッ
トに移動する。この状態では遮蔽体があるために放射線量は低い。遮蔽体の横からカメラを降ろし、ビーム窓上部を観察する。その状態で、更にウィンチを、リモートシャフト下端がビーム窓上部のハンドリングポイントに接触するまで巻き下げる。
13) リモートシャフトを回転させ、リモートシ
ャフトをロックさせる。カメラでロックしたことを確認する。
14) ピローの圧力を抜き、更に真空引きをして、ピローを縮める。その状態で配管上部のヴァルヴを閉じ、真空を保持する。ヴァルヴより真空ポンプ側の配管を取り外す。
15) カメラ映像を観ながら、ビーム窓が地切りする程度までハンドリング装置のウィンチを巻き上げる。
16) 作業員はサーヴィスピットから退避し、ターゲットステーション内の、この位置から少し離12－ 33Fig. 34 新品のビーム窓設置の様子

クは上方が開放された蓋なしである。

リング装置のウィンチを用いてビーム窓を定位

19) ビーム窓上部の接合部で、マニピュレイタ

置まで降ろす。新品のビーム窓なので、作業員はーと工具を用いて、配管を取り外す。その後、リ近くで見ながら作業出来る。Fig.34 に、新品のビ

モートシャフトを回転させてビーム窓をアンローム窓を設置する様子を示す。下がビームライン

ックする。ハンドリング装置は地上に持っていのカメラ映像である。
23) ピローシールの配管を接続し、窒素で規定

く。
20) 薄型カメラシステムを降ろして、ピローの値まで圧力をかけることで、ピローを伸ばし、フ

相手側の鏡面フランジを観察する。必要であれ

ランジ面を接触させる。Fig.35 に、ピローの伸縮

ば、洗浄装置を降ろして、フランジを洗浄する。

の様子を示す。上が縮んだ状態、下が伸ばした状2017 年の交換時には、汚れが見られなかったの態である。
24) 一次ビームライン側を真空引きし、リークで、洗浄は行わなかった。
21) ハンドリング装置に懸架されたリモートシャフトの下端に新品のビーム窓を取り付ける。

試験を行う。これに合格したら、交換は完了である。
25) ビーム窓をキャスクごとメインテナンス

新品のビーム窓には、新品の配管が取り付けられている。このとき、ピローは、真空引きの上、配管上端のヴァルヴを封止することで、縮めた状態を維持しておく。

エリアから取り出し、保管庫に収納する。

12. おわりに22) クレーンを操作して新品のビーム窓をサ

以上、ターゲットステーションの二次ビームラ

ーヴィスピットまで移動させ、クレーンとハンド

インについて概観してきた。本稿で紹介したもの
は、電磁ホーンを除き、とても地味な「インフラ」
で、華やかな検出器とは対照的である。多くの物理学者には見向きもされないものである。しかし、こういった泥臭いインフラがなければ、ビー
ム運転など出来ず、実験も出来ないことを、少しは御理解頂けると幸いである。

Fig. 35 ピローの伸縮の様子

12－ 34