Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 FSP002

J-PARC 加速器の現状
STATUS OF J-PARC ACCELERATORS長谷川 和男#, A)、金正 倫計 A)、小栗 英知 A)、山本 風海 A)、林 直樹 A)、山崎 良雄 A)、
内藤 富士雄 B)、堀 洋一郎 B)、山本 昇 B)、 小関 忠 B)
Kazuo Hasegawa #, A), Michikazu KinshoA), Hidetomo OguriA), Kazami YamamotoA), Naoki HayashiA),
Yoshio YamazakiA), Fujio NaitoB), Yoichiro HoriB), Noboru YamamotoB) and Tadashi KosekiB)
A)
J-PARC Center, JAEA, B) J-PARC Center, KEKAbstract
After the summer shutdown in 2016, the J-PARC restarted user operation late in October for the neutrino experiments(NU) and early in November for the materials and life science experimental facility (MLF). The beam power for the NU
was 420 kW in May 2016, but increased to 470 kW in February 2017 thanks to the change and optimization of operationparameters. For the hadron experimental facility (HD), we started beam tuning in April 2017, but suspended by a failureof the electro static septum. After the treatment, we delivered beam at the power of 37 kW. We delivered beam at 150
kW for the MLF. In the fiscal year of 2016, the linac, the 3 GeV synchrotron (RCS) and the MLF were stable and theavailability was high at 93 %. On the contrary, the main ring had several failures and the availabilities were 77% and 84%
for NU and HD, respectively.

1.

はじめにJ-PARC 施 設 は 、 リ ニ ア ッ ク 、 RCS (Rapid CyclingSynchrotron)、MR (Main Ring synchrotron)、RCS からの3 GeV ビームを利用する物質生命科学実験施設（MLF）、
MR からの 30 GeV ビームを利用するハドロン実験施設（HD）およびニュートリノ実験施設（NU）から構成される。
2016 年夏季シャットダウン後、加速器の立ち上げや調整を経て、10 月下旬に NU、11 月上旬に MLF の利用運転を再開した。前回の年会では、2016 年夏季シャットダウンまでの状況を報告[1]しており、ここでは、その後の進展や状況について報告する。

2.

運転状況

MLF と MR の利用運転開始時からのビーム出力の履
歴を Figure 1、および Figure 2 に示す。MLF では出力の累計も示しており、運転開始から約 4,500 MWh となる。
いずれにも、2011 年 3 月に起きた東日本大震災と、2013
年 5 月に起きたハドロン実験施設での放射性物質漏えい事故による計画外の長期停止の部分を示している。
MLF では、利用運転の出力を着実に向上し、2015 年 1月には 1MW 相当（シングルショット）の加速を達成したが、2015 年の 4 月と 11 月の２回、500 kW の利用運転時に中性子生成標的容器の不具合により停止し、その後、スペアの標的で 200-150 kW で利用運転を行っている。
詳細は 2.3 に示すが、この入射器としてのリニアックとRCS は非常に安定に運転できている。MR でのビームパワーも着実に向上してきており、NU 向けの速い繰返し(Fast Extraction：FX）では最大 470 kW (2.4 x1014 ppp)、
また、HD 向けの遅い繰返し(Slow Extraction: SX）では、最大 44 kW(5.1 x1013 ppp)で、それぞれ利用運転に供してきた。

Figure 1: History of beam power and accumulated power
for the MLF (by courtesy of the MLF).

___________________________________________# hasegawa.kazuo@jaea.go.jp- 1317 -Figure 2: Beam power history for the Main Ring.

Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 FSP002

RCS でも通常の保守作業に加え、2016 年 4 月に発生したコリメータの真空リークへの対応を行った。事象発生
リニアックでは、昨年も報告した通り、2011 年の時は、早期の復旧を目指してリークしたコリメータを撤去
震災以降、何台かの SDTL 空洞で不安定な状態（定して直管ダクトに交換して運転してきたが、2016 年夏期メ格の高周波電力付近で反射が大きくなる）となった。
ンテナンス時には、放射化による線量を抑制するために、これは、ベローズが破損し清浄でない空気が空洞内 Figure 4 に示す固定式吸収体と遮蔽体から構成されるに入ったためと推測しており、2015 年の夏季停止期 コリメータに交換した。最終的な RCS の大出力化には、間に試験的に１台（SDTL#05B）の内部の拭き取り 故障したものと同様に、可動式吸収体と遮蔽体からなる洗浄を行ったところ、反射が減るという良好な結果 コリメータが必要である。このため、真空リークを起こしたを得た[1]。これを受けて、同様に不安定な SDTL の 原因の究明を行い、その結果を反映した改良機を製作
05A, 06A, 06B の 3 台の拭き取り洗浄作業を行った。 することにしている[4]。
その結果、05A には多少不安定領域は残ったものの運転上は支障がなく、また、残りの空洞はほぼ完全に不安定領域が消失する良好な結果を得た[2]。これ
らの結果と経験から、2017 年夏にも実施することにした。
リニアックでの 2016 年夏の大きな作業の一つが、RFQと DTL の間のマッチングセクション（Medium Energy
Beam Transport-1: MEBT-1）に設置しているビームチョッパー部の改造であった。Figure 3 に改造後の写真と、改造の概念を示す。それまでには、１台の高周波源で２台のチョッパー空洞を直列に励振しており、高周波のリンギングで中間パルスの先頭に「切れ」が十分でない部分が発生していた。これを解決するために、高周波源を１台増設し、空洞毎に励振する方式に変更した。この結果リンギングは消失し、良好にビームが切れるチョッピング特 Figure 4: A fixed collimator with shield blocks installed in性を得ることができた[3]。
summer 2016.
2.1

2016 年夏期停止期間での主な作業

RCS では、ビーム出射に用いているパルスキッカがインピーダンスソースとなり、チューンやクロマティシティ等のパラメータに依存してビーム不安定性を起こす要因の一つとなっていた。加速初期から中盤のエミッタンス増大を低減するパラメータを選択すると、加速後半にビーム不安定性をエンハンスしてしまうことが観測されていた。
そこで解決策として、2016 年夏の作業で６極電磁石電源をバイポーラ化した。この結果、加速後半で逆極性とすることで不安定性を抑制し、加速初期から終盤まで安定に加速できる条件を見出すことができた[5]。
MR では、高繰返し化によるビーム増強計画の一環として、従来の金属磁性体（FT3M）より高い加速勾配を可能とする FT3L を使った空洞に、2014 年夏から 3 年計画で入れ替えを行ってきた。2016 年夏には全 RF 空洞の入れ替えが計画通りに完了し、2016 年秋から新 RF システ
ムで運転を行っている。その結果、共振周波数の多少の減少傾向が見られるものの、損傷等の兆候もなく安定に加速運転に使用されている[6]。
Table 1: Status and Plan of MR-RF Cavities

Figure 3: Photograph of the MEBT-1 (top) and scheme of
the chopper system improvement (bottom). There are twochopper cavities in the center. In the photo, two black
coaxial RF feeder lines from the top are shown for
individual driving.

- 1318 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of JapanAugust 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 FSP002

2.2

2016 年秋から 2017 年 3 月までの運転経過

夏期停止後、10 月下旬からの利用運転に向け上流部からビーム調整を開始した。リニアックは 10 月 3 日、RCSは 10 月 18 日、MR は 10 月 24 日からビーム調整を開始した。当初、10 月 28 日から NU 利用であったが、NU に供給しながらビームによる真空脱ガスを促進するために10 月 27 日に開始を前倒しした。
MLF は、11 月 1 日から調整運転を開始し、変更に伴う施設検査を受検した後、11 月 7 日から利用運転を開始した。このときの出力は 155 kW である。このパワーは、標的のピッティング損傷を避けるためのレベルとして設定された。通常の運転では RCS は２バンチであるが、標的に許されたパワーの範囲でも、ユーザがより成果を出しやすいビームとして、時間的に短い１バンチで供給することにした。TOF で高い時間分解能を要する実験や、ミュオン実験のユーザから歓迎されている。一方で、本来加速するもう１バンチのビームは、RFQ の下流のスクレーパーに捨てており、その部分の熱負荷が高くなることから、温度や損傷の監視を行いながら運転を行っている。
MLF は 12 月 21 日の朝まで、NU は 12 月 26 日の朝まで利用運転を行い、その後加速器スタディを 12 月 28日の朝まで行い、年末の停止に入った。
年末年始の保守停止後、1 月 6 日にビーム運転を開始した。ここでは、速やかに利用運転に移行することとして、1 月 8 日には NU（450 kW）、13 日に MLF（146 kW）の利用運転を開始した。加速器は順調に運転していたが、1 月 19 日に NU 実験施設のヘリウムコンプレッサーの故障により NU 利用運転は停止した。これが復旧したのは 2 月 3 日であった。その間、MLF の利用運転を継続するとともに、MR ではスタディを行い、より最適なパラメータを探索したことで、復帰後は 470 kW の利用運転が可能となった。
2.3

Figure 5: Operation statistics for the MLF (top) and for theMR (bottom) users.

2016 年度の運転時間、稼働率、停止要因

2016 年度（前年度で締めた 2016 年 4 月 4 日から、2017 年 3 月 31 日 24 時まで）の運転統計を Table 2 及び Figure 5 に示す。 総運転時間 6,271 時間（加速器の立ち上げや調整等も含む。Figure 5 の各円グラフの総合計時間に当たる）中のユーザへの供給時間は、MLF は3,483 時間で施設の利用時間に対する稼働率 93％、NUは 2,726 時間で 77％、HD は 515 時間で 84％であった。

Figure 6: Downtime statistics in hours by components inJFY 2016.

内機器での冷却水流量の低下が発生しており、これが課題であった。毎週計画的に予定されているメンテナン
ス日にトンネルに入域し、機器の流量を調整しているが、流量の減少がメンテナンス日まで持たずに計画外で調整することも何度か発生した。１回の調整に数時間を要しているため、これを解決することが稼働率の確保に必要であった。そこで、ポンプの追加設置による系統の分離や、冷却水の入れ替えなどで汚濁を低減した結果、より安定な流量を確保することができるようになった[7]。
RCS は、「Others」に仕分けたコリメータの真空リーク事
機器ごとのダウンタイムを Figure 6 に示す。リニアック
象で数日間停止したのを除けば、全体的に安定であっは昨年度より相当に安定になったが、高圧電源（HVDC）や冷却水システムに懸念が残っている。特に、トンネル た。
MR は何回か数日にわたる停止があった。「BM」は昨
Table 2: Operation Time Summary in JFY2016- 1319 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 FSP002

年も報告した[1]が、3 月の偏向磁石の故障によるもので、復帰は 4 月 8 日であったことから 2016 年度の停止時間の分を計上している。「Others」の大きなファクターは、5月 3 日に起きた屋外の電磁石電源用トランスへ小動物とみられる物体の侵入であり、その対応に約６日を要したものであった。「Injection」の主なものは、新セプタム電磁石電源のノイズによる故障[8]によるもので、こうした高繰返しを目指した新しいシステムの初期故障が特徴的で、その対処後の稼働率は改善している。
一方実験施設側では、MLF や HD は非常に安定であった一方、NU では稼働率低下の要因として 7％と高い寄与があった。その大きなものは、前述のヘリウムコンプレッサーの故障であった。
2.4

2017 年度（2017 年 4 月～6 月）の運転状況

Figure 7: Inside view of the ESS1.

年度切り替えに近い 3 月 30 日のメンテナンス日を境に Run 番号を#73 から#74 に更新したが、実質的には利用運転は（メンテナンスでの停止を除き）継続した。
MR では、4 月 12 日の半日メンテナンス日を利用してFX から SX への切り替えを行い、調整の結果、44 kW でHD にビームを供給することができた。Run#74 の運転は予定通り 4 月 19 日の朝に終了し、夏までの運転に備えてイオン源の交換を行い、リニアックと RCS のスタディの後、4 月 26 日夜から MLF と MR（SX）への供給を予定していた。
MLF へは予定通りに利用運転を再開したものの、MRでは立ち上げ調整中に大きなビームロスが発生し、その直後、2 台ある静電セプタムの内の上流側（ESS1）に高圧が印加できなくなる事象が発生した。翌日内部を確認したところ、リボン６本が断線し、うち１本の端部が対向する電極に接触していた。Figure 7 に ESS1 の内部写真を示す。リボンは U 字型の電極の端部に垂直方向に張られているが、何本かが断線し垂れている様子が見える。
この対応として、つくばで調整していたチタン製（放射化を抑制するため）の静電セプタム（Ti-ESS） を東海に搬送し、立ち上げることにしたが、暗電流が増加して定格の電圧まで印加できなかった。そこで下流の ESS2 を使って一台で運転することに決定した。ESS2 を ESS1 の位置に移動し、高圧の印加試験などの後、5 月 24 日にビーム調整を開始し、6 月 1 日から HD の利用運転を 37kW で再開した。
原因として、ESS に軌道を寄せるバンプ軌道確認中にビーム不安定性が生じてビームサイズが増大し、ビームコアがリボンをヒットしたと推測している。再発防止として、ビーム不安定性を防ぐため、バンプ起動の調整は低電流で、かつ、不安定性が起きにくい条件で行うとともに、軌道確認後にバンプ軌道をすぐに立ち下げるといった対策をとることにした。さらにハード的には、切れたリボンが対向する電極に接触することを避けるためのバッフルの設置、断線を検知するための金属ロッドの設置を検討している。
一方 MLF 向けでは、150 kW のシングルバンチ運転を継続し、長時間停止するような故障やトラブルはなく、93％という高い稼働率で 7 月 2 日朝に利用運転を終了した。

3.

まとめ

2016 年度と 2017 年度 6 月までの運転では、MLF 向
けはビームパワーが最終目標である 1 MW より低い（150～200 kW）ものの、長時間の停止に至る故障やトラブルは無く、93％程度の稼働率を達成した。
更に、2017 年 4 月 19 日から 7 月 6 日までの Run#75
は、J-PARC が運転を開始して以来、最長の 77 日間であり、イオン源も途中での交換なしで連続運転時間の記録を更新した[9]。リニアックのピーク電流が、定格の50mA に対して現在は 40mA であることから、電流増加時の寿命の経験を積む必要があるが、3 ヶ月の連続運転が視野に入る成果が得られた。
MR-FX ではビームパワーを着実に向上してきたが、MR と NU 実験施設での故障により、年度での稼働率は80%を切ってしまった。稼働率の向上は両施設の課題であるが、一つ一つ原因を究明し解決してきたことで、最近の稼働率は改善してきている。
MF-SX では、2016 年 6 月の利用運転は Table 2 に示したように 84％の稼働率であったが、2017 年 4 月の ESSのトラブルにより、当初予定していた約 2 ヶ月半の運転が、1 ヶ月ほど短縮された。ビーム出力も 50 kW 近くを予定していたが、ESS が 1 台となったことで 37 kW に減少することになった。夏季メンテナンス期間での対応で復帰することを目指している。
J-PARC 加速器は、運転を開始してから 10 年近く経過してきており、タイミングや制御系、リニアックの電源などで更新時期に近づいてきているのもある。2017 年夏のメンテナンスでは、稼働率の更なる向上をめざし、リニアッ
クでは、SDTL 空洞の内部洗浄、クライストロン電源のバイアス電源の更新、冷却水流量低下の改善など、RCS
では、新たな可動式吸収体を持つコリメータの据付、放射化したスクロールポンプの専用保守設備の増設などを実施している。
MR では、繰り返しを速くして大強度化を目指すための対応を行っている。前述の FT3L を用いた RF 空洞もその一つであるが、コンデンサを用いたエネルギー貯蔵型の主電磁石電源の開発や製作[10,11]が重要なポイン- 1320 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 FSP002

トになる。
こうした夏季のメンテナンスや性能向上の作業の後、各機器を立ち上げ、10 月半ばからの利用運転再開に備える予定である。

謝辞
本報告は、各加速器施設の責任者や加速器セクションリーダーが代表として行っているが、J-PARC 加速器の運転や性能向上は、当然、多くの方々に支えられており、ここに感謝を申し上げる次第である。

参考文献[1] K. Hasegawa et al., “Status of J-PARC Accelerators”,
PASJ2016, pp. 1409-1412, FSP028, 2016.
[2] T. Ito et al., “Multipactor Problem of J-PARC SDTL”, Proc.
of IPAC2017, pp.4184-4186, Copenhagen, Denmark,
THPIK039, 2017.
[3] Y. Liu et al., “Progresses of J-PARC Linac Commissioning”,
in these proceedings, WEP029.
[4] K. Okabe et al., “A Failure Investigation of the Beam
Collimator System in the J-PARC 3 GeV Rapid Cycling
Synchrotron”, in these proceedings, WEP021.
[5] H. Hotchi et al., “Recent Progress of J-PARC RCS BeamCommissioning: Efforts for Realizing a High-Intensity Low
Emittance Beam”, in these proceedings, WEOL04.
[6] K. Hasegawa et al., “Status Report of the RF Cavity with
FT3L MA Cores and Development of a Vacuum Capacitor”,
in these proceedings, WEP040.
[7] K. Suganuma et al., “Present Status of Water Cooling Systemat J-PARC Linac 2017”, in these proceedings, WEP025.
[8] T. Shibata et al., “The Development of New Injection
Septum Magnet for Upgrading of J-PARC MR(3)”, in theseproceedings, TUOM06.
[9] K. Ohkoshi et al., “Operation Status of the J-PARC H- IonSource”, in these proceedings, TUP106.
[10] T. Shimokawa et al., “First New Power Supply of Main
Magnet for J-PARC Main Ring Upgrade”, in theseproceedings, TUOM07.
[11] Y. Morita et al., “Development of Capacitor Bank of JPARC MR Main Magnet Power Supply for High Repetition
Rate Operation”, in these proceedings, WEP076.

- 1321 -