Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

J-PARC リニアックの現状
PRESENT STATS OF THE J-PARC LINAC
小栗英知
Hidetomo Oguri
J-PARC center

Abstract
J-PARC linac is being operated without any serious trouble in the past year. Since January 2013, the beam current
extracted from the linac increased from 17 to 19 mA in order to increase the beam power delivered to the experimental
facilities. The filament equipped to the ion source was broken after 1100 h operation. By the unusual quick maintenance,
the beam operation was restarted with beam stop time of about 8 h. Because the trip rate of the klystron for DTL#2
increased, we replaced the klystron with spare in Feb. 2013. The linac power upgrade program is in progress. The newRF-driven H¯ ion source has satisfied the requirements, both in current and in emittance. The fabrication of the newRFQ for 50 mA acceleration was completed, and the beam test will be started using the RFQ test stand. The fabricationof the ACS cavities and the 972 MHz klystrons has been finished. The pre-conditioning of all klystrons will beaccomplished before the ACS gets ready. There are some issues for the present beam chopper system to be used for the50 mA operation. An upgrade program of the RF chopper system is in progress. Bunch shape monitors were installed at
the beam line and the commissioning was started in 2012. We successfully obtained the bunch profile of the H¯ beam at
the end of the SDTL cavities.
でそのような事態は発生せずに済んだ。2012 年の夏
期メンテナンスに併せて、建家の復旧工事を再開し、J-PARC 施設は、リニアック、RCS（Rapid Cycling 現在では建家内のすべてのクレーンが使用可能になSynchrotron）及び MR（Main Ring synchrotron）の 3 るなど、建家の機能は震災から 2 年経ってようやくつの加速器施設と、物質生命科学実験施設（MLF）、 震災前の状態に戻った。
リニアックでは、ビームパワーの増強を行う予定
ハドロン実験施設（HD）及びニュートリノ実験施設（NU）の 3 つの実験施設で構成される。J-PARC である。これは J-PARC の最終目標であるビームパ施設は、2011 年の東日本大震災の被害により一時運 ワー1MW 化の一環として行うものであり、リニ
アックのエネルギーを 400MeV に、電流を 50mA
転を中止したが、同年 12 月より運転を再開した[1]。
J-PARC リニアックの震災復旧工事は、限られた にそれぞれ増強する予定である。本学会では、ここ予算と運転再開を可能なかぎり早期に行いたいとい 1 年間のリニアックの運転状況及び主なトラブル事う事情から、2011 年は加速器運転に必要な最低限の 例と、ビーム増強計画の進捗状況について報告する。

1.

はじめに工事のみ行った。そのため、クレーン、床下空隙部及び建家外周道路等の補修は後回しとなった。運転中にもっとも懸念されたのは、クライストロンが故障し交換が必要になったとき、クレーンが使用できないため交換作業に多大な時間を要することであった。しかし幸いにも 2012 年の夏期メンテナンスま2.

リニアックの運転状況

2012 年夏期メンテナンス終了後の 9 月から 2013年 5 月までのリニアックの機器別停止時間を Figure
1 に示す。この期間で停止時間の最も長かった機器
はクライストロン高圧電源 1 号機（図中ではFigure 1: Beam stop time due to linac components (from Sep. 2012 to May 2013).
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oguri.hidetomo@jaea.go.jp- 313 -

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HVDC01 と表記）であり、約 32 時間であった。これは、後述するように 2013 年 3 月に本電源の構成機器である電圧調整盤で不具合が発生し、その対策に 17 時間程度要したことに因る。2 番目に停止時間が長かったのはドリフトチューブリニアック 1 号機（図中では DTL01 と表記）であった。これは、ドリフトチューブ内に収納している四重極電磁石用の電源で数回不具合が発生し、その修理に要した時間がほとんどを占める。次に長かったのは高周波四重極（RFQ）リニアックであるが、これは 2009 年に放電が頻発するトラブルを起こして以来、常に上位に位置している。ただし、タンク内の真空圧力の改善やコンディショニングを頻繁に行うなどの措置が功を奏し、停止時間は年々減少している。
2.1

イオン源

現在稼働中のイオン源は、LaB6（六ホウ化ランタン）製フィラメントを使用したアーク放電型負水素イオン源である。フィラメントの寿命を考慮してビーム運転は約 50 日（1,200 時間）を 1 単位とし、イオン源からは 19mA のビーム電流で運転を行っていた。ビームユーザからの強い要望を受け、2013 年
1 月からは、ビーム電流を 22mA に上げた。ビーム電流を増やすためにアーク放電パワーを約 15%上げたことが原因で、運転開始後約 1,100 時間にフィラメントが断線した。そのときのフィラメント電流の経時変化を Figure 2（赤色プロット）に示す。フィ
ラメント減少率比較のため、ビーム電流 17mA で1200 時間以上運転した時の電流も合わせてプロットした（青色）。Figure 2 を見ると断線の約 10 時間前に電流が急減していることが分かる。当日はこの急変を断線の予兆と判断し、フィラメント交換の準備を整えていたため、交換作業を素早く行うことができ、断線から約 8 時間後にビーム運転を再開できた。これまでフィラメント断線に関するデータがほとんど無かったためフィラメント寿命評価は損耗量から外挿して行うしかなかったが、今回の事象で定量的な寿命評価が可能となった[2]。

2.2

SDTL 空洞

震災後の運転において、機能分離型ドリフト
チューブリニアック（SDTL）の 5B 号機で設計運転電力付近の RF パワーを空洞に投入できない症状が発生した。2012 年の夏期メンテナンス直前の 7 月 2日に測定した SDTL5A 及び 5B 号機における VSWRとクライストロン出力パワーの関係を Figure 3 に示す。震災前は、SDTL5B（赤プロット）は SDTL5A（緑プロット）と同傾向であったため、投入電力は設計値である 0.80MW で運転を行っていた。しかし震災後は、SDTL5B の 0.80MW における VSWR が運転を続けるとともに次第に大きくなった。そのため、SDTL5B の VSWR が SDTL5A と同程度になる1.08MW までパワーを上げて運転せざるを得なくなった。シミュレーションや夏期メンテナンス時に実施した空洞内面調査結果から、この症状の原因は空洞内で発生しているマルチパクタである可能性が高いことが判明した。症状改善のために、50℃程度の温水を使用したベーキングや、真空ポンプの増強及びオイルフリー化などの真空圧力改善対策を行った。さらにビーム運転前の空洞コンディショニングを慎重に行った結果、設計値までは回復しなかったが 0.87MW の出力パワーで運転可能となった。現在、定期的に SDTL5B の VSWR を測定しているが、やや悪化の傾向が見られるものの、運転時のパワーを上げるほどの悪化には至っていない [3]。

Figure 3: VSWR as a function of klystron output power at
SDTL05A and 05B before 2012 summer shutdown.
2.3

Figure 2: Trend of the filament current. (red: 1118h(broken), blue: 1200h over (not broken) ).

クライストロン

2012 年夏期メンテナンス以降のビーム利用運転にて、クライストロン電源の特定号機で高圧停止の頻度が高くなり、加速器の稼働率が低下した。原因調査を行ったところ、アノード短絡によって生じる電磁 ／ 輻 射 ノ イ ズ 等 に よ り ト リ ガ 分 配 用 NIM モジュールが誤動作していることが判明した。誤動作対策として、モジュール基板のアースライン強化や、入出力回路にローパスフィルタを挿入するなどの措置を行い、現在、運転を続けながら経過観察を行っている。これに加え、アノード短絡箇所を特定する- 314 -

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ために DTL2 号機用クライストロンの交換作業を、 3.1 初段加速部2013 年 2 月に実施した。その結果、短絡箇所はクラビーム増強計画用のイオン源として、高周波駆動イストロン電子銃部のアノード－ボディ間で生じて 型負水素イオン源の開発を行っている。現在テストいることが判明し、従来考えられていた変調器側で 中のイオン源の構造図を Figure 5 に示す。本機は、はないことを確認した[4]。
実機イオン源をベースにさまざまな改良を施してい2013 年 3 月に、クライストロン高圧電源 1 号機が る。ソースプラズマは 30MHz-RF を連続的に印加し、交流過電流により頻繁にダウンする現象が発生した。 2MHz-RF をパルス的に重畳して生成している。ビー
同年 3 月 18 日に電源を停止し原因調査を行ったと ムの大電流化に有効なセシウムは、圧空バルブ開にころ、電圧調整盤（AVR） のサイリスタ誤点弧に よ り プ ラ ズ マ 生 成 室 内 に 導 入 さ れ る 。 無 酸 素 銅
よって過電流が発生していることが判明した。誤点 （OFC）製プラズマ生成室を使用したプロトタイプ
弧はサイリスタのゲート回路へのノイズ侵入による で既に目標である 60mA 以上のビーム電流を引き出ものと推定されたため、ゲート回路に種々のノイズ すことに成功しており、現在、プラズマ生成室をス対策を施すことで当該電源を正常状態に復帰させる テンレス鋼（SUS）製に変更して実験を行っている。
ことができた[5]。
材質を変更した理由は、交換部品で一体化したプラリニアックでは、中央制御棟からの光タイミング ズマ真空容器をメンテナンス時に短時間で交換する信号をクライストロンギャラリで受信し、これを各 ためには、薄肉加工を施したステンレス鋼製プラズステーションに分配している。現状のシステムは、 マ生成室を使用して軽量化する必要があるからであ
光信号を一旦電気信号に変換し、FANOUT モジュー る。これまでのところ、SUS 製プラズマ生成室は、ルにて電気的に分岐したあとに再度、光信号に変換 OFC 製と比べてビーム電流の RF パワー効率は若干して各ステーションに分配するという非効率的な構 下がるものの、ビーム電流の変動幅が小さい、セシ成となっている。そこで 2013 年の夏期メンテナン ウム添加時間及び添加量が少ないなどの特徴を示し[7]
ス時に、光アンプと光カプラを使用したシステムを ている 。
新たに導入し、システムの簡素化により信頼性を向上を図る予定である[6]。

3.

リニアックビーム増強計画

リニアックでは、ビームパワーの増強を行う予定である。具体的にはビーム電流を現状の設計値である 30mA から 50mA に、またビームエネルギーを現状の 181MeV から 400MeV にそれぞれ増強する。現状及びビームパワー増強後のリニアックのレイアウ
トを Figure 4 に示す。ビーム電流の増強を行うために、初段加速部（イオン源及び RFQ）を新しく設計/製作を行い、現行機と交換する。またエネルギーの増強を行うために SDTL の下流の現存のビームラインを撤去して、ここに環結合形（ACS: Annular-ring
Coupled Structure）加速空洞を新設する。

Figure 4: Schematic configuration of the present (upper)and upgraded (lower) J-PARC linac.

Figure 5: Cross-sectional view of the upgraded J-PARC
ion source.
RFQ については、現在稼働中のものは 30mA 設計であるため、50mA 加速に対応した RFQ を新たに製作した。今回の製作においては、稼働中の RFQ で2009 年に発生した放電多発事象からの教訓を活かし、空洞内の真空排気に有利な構造である真空ロー付け接合により空洞を製作し、かつ、高電界がかかる表面の面荒さの改善のために化学研磨を導入した。また、乾式加工を導入することで、製作工程の合理化を行った[8]。新 RFQ は 2013 年 3 月に製作を終了し、Figure 6 に示す専用のテストスタンドにてビーム性能試験を行う計画である。本テストスタンドは、高周波負水素イオン源と新 RFQ で構成され、ビーム加速を行い RFQ の種々の特性を測定する。併せて長時間連続運転など負イオン源を含めた初段加速部の実用化に必要な試験も実施する予定である。本テストスタンドは、既に加速器機器の据付や、電流モ- 315 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

ニタ及び位相モニタ等で構成されるビームモニタリ
ングシステムの構築 [9]を終了している。また稼働中のリニアックと同等の加速器制御系を導入し、実験を効率良くまた安全に実施できる環境整備も終了している[10]。

3.3

ACS 加速空洞

リニアックのビームエネルギーを 400MeV に増強するために、ACS 加速空洞 25 台を新たに設置する。
ACS 空洞及びこれを駆動するための 972MHz クライ
ストロンは現在製作を終え、J-PARC 内で保管中である（Figure 8）。

Figure 6: RFQ test stand for the beam acceleration test ofnew RFQ.
3.2

ビームチョッパ

RFQ からのマクロパルスビームは、RFQ 下流に設置している高周波チョッパ空洞によってその一部が蹴り出され、くし形構造を持つビームに整形されRCS に入射される。また、蹴り出されたビームは、高周波チョッパ空洞から約 70cm 離れた場所に位置するスクレーパにて除去される（Figure 7 左）。現
在稼働中のチョッパ空洞に 50mA のビームを通すと、ビームがチョッパの電極やビームパイプに衝突することがシミュレーション結果から判明している。そのため、現在、電極間隔を 4mm、パイプ径を 10mmそれぞれ拡張した新たなチョッパ空洞を製作中である。また電極間隔の拡張等により約 100kW の RF パワーが必要となるため、ピーク電力 120kW の半導体アンプも併せて製作中である[11]。現在、炭素複合 Figure 8: ACS cavities (upper) and 972MHz klystrons
材を用いたスクレーパを使用しているが、Figure 7 (lower) waiting for the installation.の右側に示すとおり現在の 20 mA 程度のビーム電流2010 年末に最初の ACS 空洞量産機である 4 号機においても既に表面の損耗が観察されている。その（21 台の内、上流から 4 番目に位置するもの）が完ため、50 mA 運転に耐えられるスクレーパ材の開発 成し、2011 年初頭に大電力試験を開始した。しかしが必要である。現在、スクレーパ材料の選定や伝熱 試験終了直後に震災が発生し、空洞を収める地下シミュレーションによる温度分布評価等を実施し、 ピットが破損したため、残りの空洞の試験を中断す最適なスクレーパ材料の検討を行っている[12]。
る事態となった。2013 年春にようやく復旧工事が終了し、試験を再開した（Figure 8）。再開後は 2 台の空洞について試験を行い、いずれも定格以上の電力を投入することができた。1 台目は ACS 加速空洞 1号機で、これは量産開始前に製作し、一度、大電力を投入していたため、初期のエージング時に見られる大きな圧力上昇なく電力を投入できた。2 台目は11 号機について行い、コンディショニングに約 60時間程度要した。この所要時間は、前述の 1 号機及び震災直前に行った 4 号機と同程度であることから、他の空洞も 60 時間程度の時間でコンディショニン
[13]
Figure 7: Conceptual layout of the RF chopper system グが完了すると予想できる 。
(left) and photograph of used scraper surface (right).

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3.4

バンチシェイプモニタ

参考文献

現在稼働中のリニアックは 324MHz を使用してい [1] K. Hasegawa, “J-PARC 加速器の現状”, Proceedings of
the 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofるのに対し、ACS 加速空洞は 972MHz を使用する。
Japan, 2012
このため、ACS 加速空洞にビーム入射する際には、[2] K. Ohkoshi et al., “J-PARC イ オ ン 源 の 運 転 状 況 ”,位相（縦）方向のマッチングが重要である。そこで、
SUP038, in these proceedings
J-PARC ではロシア原子力研究所 INR（ Institute of [3] T. Ito et al., “J-PARC SDTL 空洞内マルチパクタ対策”,
Nuclear Research）と共同で縦方向のビームプロファ
SUP048, in these proceedings
イルを測定するためのバンチシェイプモニタの開発 [4] T. Hori et al., “J-PARC リニアック クライストロン高圧
電源停止頻度の改善”, SUP053, in these proceedingsを進めている。本モニタは 2009 年に設計を開始し、[5] M. Kawamura et al., “J-PARC リニアック用クライスト
2010 年から 2011 年の 2 年間で 3 台を製作した。当ロ ン 電 源 シ ス テ ム の 現 状 2013”, SAP061, in these
初の予定では 2011 年夏期メンテナンス中に 1 台設proceedings
置し、その後ビーム計測を開始する予定であったが、 [6] K. Futatsukawa et al., “J-PARC リニアック RF チョッパ
用 の 高 周 波 源 シ ス テ ム の 改 造 ”, SUP092, in these
震災復旧の作業中であったためこの計画を見送り、proceedings
す べ て の モ ニ タ を 2012 年 に 設 置 し た 。 現 在 、[7] I. Koizumi et al., “J-PARC 用セシウム添加高周波駆動負181MeV のビームを使用して稼働試験を実施中であ水素イオン源の開発状況”, SAP032, in these proceedings
る（Figure 9) [14]。
[8] T. Morishita et al., “Fabrication of the RFQ-III for the JPARC Linac Current Upgrade”, Proceedings of IPAC2013,
Shanghai, China, 2013[9] T. Miyao et al., “J-PARC RFQ テストスタンド用ビームモニタリングシステム”, SUP066, in these proceedings[10] S. Fukuta et al., “J-PARC RF イオン源＆RFQ III テストスタンドの制御系の構築”, SUP085, in these proceedings[11] K. Hirano et al., “J-PARC リニアックチョッパシステムの開発”, SUP016, in these proceedings[12] T. Sugimura et al., “J-PARC LINAC 3MeV ビームスクレーパーの開発”, SUP017, in these proceedings[13] J. Tamura et al., “J-PARC リニアックのエネルギー増強に向けた ACS 空洞大電力試験の再開”, SAP016, inthese proceedings[14] A. Miura et al., “J-PARC リニアック用バンチシェイプモニタの開発”, SAP088, in these proceedings

Figure 9: Example of bunch shape monitor measurement.

まとめJ-PARC リニアックでは現在、ビーム利用運転を行うとともに、J-PARC の最終目標であるビームパ
ワー1MW 達成のためのビーム増強を計画している。
ここ 1 年間のビーム利用運転においては、クライストロン高圧電源のトラブルによりビーム運転が 17時間程度停止した重故障が一度発生した以外は、加速器の稼働率に大きな影響を及ぼすトラブルは発生していない。2009 年に放電問題を起こした RFQ についても、最近は 1 日当たりのトリップ回数が 10回以下であり、安定に動作している。
ビーム増強計画については、更新用の初段加速部、及び新設する ACS 加速空洞の製作を 2013 年春に終了している。初段加速部については、専用のテストスタンドを使用してビーム加速試験等を行い、ビームラインに据え付ける前に、バグ出し及び必要に応じて改良等を行っていく予定である。

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