J L C 計画について *浦川順治、陳 栄浩、峠 暢一、肥後寿泰、横谷 馨
高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設
新竹 積
理化学研究所・播磨研究所
電子・陽電子リニア・コライダー(LC)は、二つの線形加速器を対向させて運転することによって非常に高いエネルギーの電子・陽電子衝突を可能にする加速器である。現在、素粒子物理学の実験的研究の新領域を開拓して行くことを目的として、LC の開発は世界各地で進められている。ここでは、日本の LC、すなわち JLC 計
画の実現を目指して KEK を中心として行われている LC 関係の加速器技術の開発状況について概説する。

1. はじめに

表１：現在までに存在が実験的に検証されている基本
粒子

JLC 計画とは重心系エネルギー 250 GeV 程度から
最終的には 1 TeV 程度までの電子陽電子衝突実験を行うためのリニアコライダー (LC) の建設を目指すものである[1, 2]。この報文では、加速器開発研究に関係されている、あるいは興味をお持ちの読者の方々に、JLC に向けたLC開発の状況をお伝えるすることを試みる。まず、最近の素粒子物理学の進展を踏まえ、何故重心系エネルギー 500 GeV 程度以上の電子・陽電子衝突加速器が必要とされるのかを述べ、その技術解として何故 LC を考えなければならないのか、その技術的課題は何かを説明する。ついで、JLC の設計
思想について簡単に触れ、現在 KEK を中心とする日本の研究機関・大学・企業で行われている R&D の状
況を概説する。最後に、様々の国際・国内協力の概況と今後の展望について述べる。
2. 素粒子（高エネルギー）物理学の進展
子（
最近の素粒子（高エネルギー）物理学の進展と近未来の研究課題、そして JLC 計画の提案された経緯については文献 [3]に解説されている。物質を構成する
基本粒子はスピン1/2 をもつ6 種類のレプトンと 6 種
類のクォークからなり（表1）、その間の相互作用はい
くつかのゲージボゾンと呼ばれるスピン1を持つ粒子が媒介すると考えられている。
レプトンやクォークの* 本報告は，「わが国における LC 開発研究の状況」と題して加速器同好会通信第 8 号（2001 年 10 月）に発表した報文に加筆訂正を加えたものである。

Spin 1/2 Particles
Lepton

e
νe

µ
νµ

τ
ντ

Quark

u
d

c
s

t
b

Spin 1 Particles(Also called Gauge Bosons)PhotonZ/W Particles
Gluonγ
Z 0, W +, W g

相互作用のうち、「電磁相互作用」と「弱い相互作用」については、ワインバーグ・サラム 模型と呼ばれる理論でこれまでの様々な実験結果を非常によく説明できることが知られている。また、これに「強い相互作用」を加えた「大統一理論」もなんらかの形で成り立つはずであろう、ということも学
界の全世界的なコンセンサスである。
現時点での素粒子（高エネルギー）物理学の中
心課題には、最近話題になった中性B中間子の崩壊
における CP 対称性の破れとその由来、および、
ニュートリノ（中性微子）に有限の質量があるらしいことなどがあるが、それに加えて特に大きい問題として以下の二つを挙げることができる：

1.

クォーク、レプトン、ゲージボゾンなどほとんどの粒子が有限の質量をもつ事実を、「繰り込み可能なゲージ理論の枠組み」のなかで破綻なく記述するために、ワインバーグ・サラム模型では「ヒッグス機構」と呼ばれる操作を導入した。その帰結
として「ヒッグス粒子」（シンボル H で通常表記される）と呼ばれるスピン 0 (ゼロ)の粒子の存在が予言される。しかし、ヒッグス粒子はまだ実験的に検出されていない。
2. 「力の大統一」については、いくつかのシナリオが想定されてきたが、いずれの予測に従っても現在検出されている以外の様々の粒子が存在するであろうことが予言されている。しかし、そのどれも実験的に検出されたものは、まだない。今までのところ実験的に確定しているのは「云々の質量領域にはしかじかの性質を持つような粒子は存在しない」というネガティブな知見の集積のみである。したがって、どの「大統一」シナリオが自然界を真に支配しているのか、実験的に確定できている訳ではない。
こうして、ヒッグス粒子の存否あるいは質量、大統一理論の帰趨については 1970 〜 80 年代には文字
通り手探りの状態がしばらく続いてきた。これを打開し始めたのが、1980 年代後半から 1990 年代にかけての欧州 CERN での LEP（重心系エネルギー 100〜 200GeV の周長約27km の電子・陽電子衝突用貯蔵
リング型加速器）[7]での精密測定実験、そして並行して行われた超対称性模型の理論的進展である。それによると、「電弱相互作用」や「強い相互作用」の「結合定数」（相互作用の強さの指標）のエネルギー依存
性の振る舞いから、力の大統一に関しては超対称性模型によるシナリオが非常に有望であることが示唆されている。
「弱い相互作用」を媒介する Z 粒子、W
粒子の質量は同じく LEP で非常に精密に測定されているが、これらから推論する（推論の中身の詳細は省略する）とヒッグス粒子の質量は 150 GeV 程度であろう、という強い状況証拠が得られている。超対称性模型とは、スピンが 0、1 など整数と 1/2 など半整数の粒子群の間の対称性を考えるモデルである。
もしこれが正しいとすると、現在はまだ検出されていない粒子が数 100 GeV 程度の質量領域に多数存在することが予言される。
もとよりこれらは証明された事実ではなく、「これまでの実験と理論研究の総合として非常に強く示唆

図１：重心系 300 GeV の電子・陽電子衝突において、Z粒子とH（ヒッグス）粒子が対生成ののち崩壊する様子のシミュレーション図。文献 [6] より引用。

される予測」（の一つ）と位置づけるべき事柄である。しかし、今後の研究の方向について重要な指針の一つを与えるものであると言うことはできる。たとえば、このような展開を電子・陽電子衝突反応で実験的に研究するとすれば、ヒッグス(H)粒子の検出については
e+e– → Z H,の生成過程を追求すべきであり（図１）、そのために必要な重心系エネルギーは Z 粒子とヒッグス粒子の質量の和、すなわち 250 GeV 程度以上であることが分かる。超対称性模型で予言される新粒子群、あるいは別の各種模型で予言される新粒子についても、数 100 GeV 以上の重心系エネルギーでの電子・陽電子衝突反応でその一部が検出される公算が高いと考えられている。
以上のような議論に基づき、仮に電子・陽電子衝突反応で今後の素粒子（高エネルギー）物理の研究を進めるとすれば、まず重心系エネルギー 250 GeV
ないし 500 GeV 程度で出発し、将来的には 1 TeV 程度まで運転領域を広めることができるような加速器を開発することが非常に望ましいとされているのである。なお、素粒子物理学におけるこの辺りの研究
指針の系統的検討は、東大、KEK を中心とする日本グループが世界に先駆けて行ったものであることを指摘しておきたい[1]。

3. LC(
リニアコライダーLC(リニアコライダー
リニアコライダー)) の 必 要 性
大型の電子・陽電子衝突型の加速器を TRISTAN やLEP のような貯蔵リング（図 2(A)に模式図）で建設する場合、最大の問題となるのはシンクロトロン放射によるビームエネルギーの損失を加速空洞を用いて高周
波 (RF) 電力によって補填しなければならない点である。
ここで、ビームエネルギーを E （重心系エネルギーのちょうど半分である）、
リングの曲率半径を R とすると、周回当たりのビーム一エネルギー損失（従って、必要なエネルギー補填量）はエネルギー補填量 〜 E4/R、のように振る舞う。一方、加速器の全長は R に比例す
るから、その総建設または運転コストは、
コスト 〜 AR + BE4/R、のように振る舞うであろう。ここで、A や B はある定数である。A、B の具体的数値は個別の加速器設計に依存するが、最適化を行った場合のコストは簡単な微分方程式を解いてコスト 〜 E2，のようになるであろうことが想像できる。したがって前節で論じたように次期電子・陽電子加速器の初期エネルギーで まず LEP の 2 倍強まで到達できることを目指すなら、リングの周長ないしコストは 4 倍であり、エネルギー 4 倍ならば周長・コストは 16 倍！が必要になる。

(A)て 500 GeV 以上を目指し、加速器トンネル総延長として 30 km 程度以下に収まるものが考えられている。
このように 21 世紀の素粒子（高エネルギー）物
理の実験的研究の非常に重要な一翼を担うリニアコ
ライダーであるが、いくつかの大きな技術的課題を抱えている。その一部を挙げると：

R(B)

ElectronPositronElectronPositron

L(C)

ElectronPositron

図２：(A) 貯蔵リングと (B)リニアコライダーの概念比較図。(C)は SLC の概念図。

そこで貯蔵リング形式を止めて、二つの対向する線形加速器を使って電子・陽電子を衝突させるのがリニアコライダー(LC)である（図 2(B)）。ビームの加速勾配を一定にした場合には必要な加速器総延長 L は最終ビームエネルギー E に比例し、コスト
もまた、
コスト 〜 Eのように振る舞うと考えられる[4]。従って数値的評価は厳密に行う必要はあるものの、あるエネル
ギー以上ではリニアコライダーの方がコスト効率において貯蔵リングに勝ると考えられる。実際、電子・陽電子衝突で LEP を大幅に上回るエネルギーの加速器を建設する際には LC に移行すべきである、というのが世界の研究者の一致した見解といってよい。
LC の概念に基づく最初の加速器としては 米国
SLAC で 1980 年代後半から1990年代半ば過ぎまで稼働したSLC（重心系エネルギー約 100 GeV) がある[5]。これは一本のみの線形加速器で電子と陽電子を加速し、線形加速器の出口で電子・陽電子を左右に分離してから大回りにビーム輸送したのち衝突させたものである（図 2(C)参照）。ただし、曲線ラインでビーム輸送する際の放射光によるエネルギー損失の問題があり、50 GeV を大幅に上回るエネル
ギーのビーム運転には適さない。現在、次世代 LCの開発はすべて図 2(B) のようなトポロジーを前提として日本、米国、欧州の複数の研究機関で進められており、いずれも初期重心系エネルギーECM にし

1. 重心系エネルギー ECM が増大するに従って電子・陽電子衝突の反応断面積は 1/ECM2 のように急速に減少する。これを補うように対向する粒子衝
突の頻度（ルミノシティと呼ばれる）を ECM2 に比例して増やさなければならない。
2. そのような大きなルミノシティを、線形加速器の運転環境下で実現しなければならない。一般に貯蔵リングでのビーム衝突の繰り返しは 10
kHz から 100 kHz のオーダーであるが、線形加速器に基づくリニアコライダーでは高々 100 Hz

JLC Schematic Diagram

0.5 km11 km

0.5 km

11 km

4 km

2nd IPElectron Main Linac

Positron Main Linac

BC2

BC2

IP

FFS, Collimator

Collimator, FFS

8GeV Pre-linac BC1Spin Rotator

BC1

8GeV Pre-linac

Detector
1.98 GeV Damping Ring

1.98 GeV Damping Ring
E-Gun

Spin Rotator

10 GeV Linac

Pre-damping Ring

1.98GeV Linac

E-Gun
1.98GeV Linac e+ Target~ 27 km
1.0 TeV Configuration

図 3：JLC 加速器系の概略図．

In case of ECM = 500 GeV# of klystrons / linac# of modulators / linac# of acc. structures / linac# of 8-klys + 24-struc / linac
RF power sources

Acc. Structures
Beam

1872
1872 / N
5616
234
25m

8x7 PPM Klystrons

56.3m

56.3m

56.3m

168.9m in total

8x7 PPM Klystrons

56.3m

56.3m

56.3m

168.9m in total

8x7 PPM Klystrons

56.3m

56.3m

56.3m

168.9m in total

図 4：JLC 加速器のための主線形加速器の構成概念図(X バンドの場合）。クライストロン 8 本のパッケージが 7 個集まった RF クラスターによって、168 本の加速管（敷設延長約 176 m)をドライブする。１クラスターでの全加速電圧は平均約 7.2 GeV となる（含各種オーバーヘッド）。

で頭打ちとなるのにもかかわらずである。
3. したがって、リニアコライダーで使用するビーム
は、大強度のものとならざるを得ない。かつ、ビーム衝突点で貯蔵リングの場合のそれに比べて数百
ないし数千分の一程度まで小さく絞り込み、低い
衝突繰り返しに打ち勝って高ルミノシティを実現しなければならない。
4. 上記項目3を可能とするために、リニアコライダーで加速するビームには極めてエミッタンスの小さいもの（エミッタンスは、ビームを構成するバン
チの大きさの指標である）を使い、加速途中でのビームエミッタンスの増大を回避する対策を講じなければならない。
5. 現行の貯蔵リングと同程度の総電力消費（100 〜
200 MW）で運転を賄うため、線形加速器の電力効率の向上には格別の努力が必要である。加速管内に蓄積しなければならないパワーの観点からは、波長の短い、より高い周波数の高周波を用いるのが有利である。しかしながらその場合、より厳しい工作精度や設置精度の実現が必要になってくる。

4. JLC の 基 本 設 計
LCで単位時間にある物理現象が発生する回数はその現象の衝突断面積と LC のルミノシティの積である。
前者は人間にとってどうすることもできないものであるが、後者は最適化が可能であり、LC の性能を表す最も重要なパラメータである。ルミノシティLは
基本的には
L = (バンチ衝突頻度) × (バンチ内粒子数)2/ (衝突中のビーム断面積)と書ける。電子・陽電子はそれぞれ 1010 個前後が一つの塊（バンチと呼ぶ）になり、このバンチが約 100 個つながったもの（トレインと呼ぶ）を１つのマイクロ波のパルスで加速する。これが100Hz程度の周波数で繰返される。ルミノシティを高くするには、繰返し
数・バンチ数・バンチ内粒子数を多くすること、および衝突点でビームを小さくすることが必要になる。
前節に述べたように、円形加速器から線形加速器に移る理由は磁場中でのシンクロトロン放射を避けるなどである。
ためであるが、実は LC でもこれが問題になる。衝突
これらを含めた技術的諸課題と解決策の検討結果 点で相手のビームが作る磁場は非常に強く、これにについては、文献[2, 6] が詳述している。図 3 に JLC よって電子・陽電子がエネルギーを失うためである。
の概観図（重心系エネルギー最大 1 TeV までの場合） この現象をビームシュトラールンク（Beamstrahlung）を示す。敷地、予算などの理由で最終到達エネルギー と呼ぶ。このため、重心系エネルギー 300GeV 程度以をこれよりも低く設定する場合には、それに従って主 上の LC では無闇にバンチ内粒子数を多くしたり、衝
線形加速器の総延長を短縮したもので対応する。
突点でビームを小さくしたりできない。
ビームシュト
図3が示すように、電子および陽電子のビームはそ ラールンクの許容上限を決めると、ルミノシティは、
れぞれ独立した入射器領域で生成される。
ビームの横方向低エミッタンス化のために、
ダンピングリングとL ∝ (電力効率) × (消費電力) /よばれる小型の貯蔵リングが導入されている。JLC 実(鉛直方向エミッタンス)機では更に、ビームの縦方向エミッタンス（バンチ長とほぼ等価の概念である）の縮小のため、バンチ・コと書換えられる。電力効率とは、消費電力のうちビーンプレッサと呼ばれるビームラインが挿入され、ビームのエネルギーになるものの割合である。
鉛直方向エ
ムはそれを経たのち主線形加速器に入射される。
ミッタンスとは、上下方向のビームの質であり、ダンJLC のための主線形加速器では加速高周波としてピングリングで、できる限り小さなものを作る。消費11.424 GHz のX-バンド周波数（図4に模式図）と5.712
電力には実際上の上限があるので、
ルミノシティを高GHz の C- バンド周波数の場合の双方が検討されていくするポイントは、次の二点に集約される。
るが、X- バンドの場合の加速勾配はピーク 55 MV/mである。これは、KEK で現在運転中の 400m 入射器●
電力効率のよい線形加速器を作る。これは２の要や SLAC の 2 マイル加速器での 〜 17MV/m の約 3 倍
素に分けられる：強である。
❍ 電力効率を上げやすいビーム構造（バンチ内粒子数、バンチ間距離、バンチ数）を採用する。

それに見合ったマイクロ波を効率よく発生する。
●
ダンピングリングで作った小さなエミッタンスが線形加速器での各種の誤差で増加しないようにする。つまり、誤差の許容値の大きな加速器を設計する。

192、バンチ間隔 1.4 ns（42cm）、繰返し周波数 150[100] Hz2. このビーム構造の電子を（途中の損失をいくらか考慮して）電子銃で作り、2GeV まで加速してダン
ピングリングに入れ、エミッタンス 3×10-6 rad m（水平）・2×10-8rad m（鉛直）のビームにする。
3. 陽電子は、10GeV 線形加速器で加速した別の電子を標的に当てて発生させ、別のダンピングリング
で同じエミッタンスのビームにする。
4. どちらのバンチもダンピングリング出口では長さ5mm 程度である。これを、第１バンチ圧縮器(BC1)
により 0.5mm に圧縮し、Pre-linac で 10GeV まで加速する。
5. 第 2 バンチ圧縮器(BC2)でバンチ長を 0.11mm (110µm) に縮小する。
6. 主線形加速器で 250 [500] GeV まで加速する。加速
勾配は 50 〜 60 MeV/m。線形加速器一本の長さは6.3 [12.9] km前後。加速中のビームサイズは水平方
向 10 〜 20 µm、鉛直方向 1 〜 2µm。
7. コリメータ・最終収束系 (FFS) を通して小さく絞
り、電子・陽電子を衝突させる。衝突点でのビームの大きさは、水平方向0.24[0.22]µm、鉛直方向0.003[0.002] µm、長さ 100 µm程度（いずれも標準偏差）。
ビームシュトラールンクによって失うエネルギーは約 4 %。
8. ルミノシティは約 2.5 [2.5] × 1034 cm-2s-1。

❍

これらの点は基本的には加速マイクロ波周波数の選択にはほとんど依らないが、実際的な観点からは●●低周波の方が技術的に容易である。
高周波の方が加速勾配が高く、限られた敷地の長さで、より高いエネルギーに到達できる。

の差がある。JLC では、X-band (11.424GHz)および Cband (5.712GHz)の研究を並行して行なっている。技術的に可能であるなら前者が有利なので、後者は、前者が難しいと判断された場合の選択肢と考えている。上記の最適化条件と共に、当然のことながら、●●建設費用を最小にする
故障の少ない設計にするも考慮する。現在考えられている X-band の場合のシナリオは以下のようなものである[6]。
（数値は重心系
エネルギー500GeVの場合、[ ] 内は1TeVの場合。図３
および図 4 を参照。）

主線形加速器は JLC 全施設の中でもっとも巨大な
10

1. バンチ内粒子数 0.75×10 、トレイン内バンチ数
Beam Diagnostics
Wire scanner beam size monitor

Water cooling & Air condition facility

double kicker extraction

1.54 GeV Damping ring

Water cooling & Air condition facility

Magnet power supply

Modulator
Control room

Klystron

50.4m

27.6m

53.4m

714MHz RF source

Damped cavity Wiggler magnet
L0

Thermionic Gun

L1

L2

L3

L4

Lec1

L5

L6

L7

80MeV Preinjector

L8

L9

L10

L11

L12

Lec2

L13

L14

L15

L16

1.54GeV S-band LINAC

DC power supply for modulator

120m
JLC-ATF, Mar ’98 H. Hayano

図 5：KEK の試験加速器 ATF の配置図。

(A)Modulators and Klystrons

Gun Buncher

L1 L2 L3 L4

L5 L6 L7 L8 L9 L10L11L12+ ∆f unit

L13L14L15L16- ∆f unit(B)
Momentum Deviation [%]ものである。
これは次のような装置から構成されている。まず、通常の商用電力（重心系 500 GeV 用には約120MW が必要）をモジュレータで電圧 500kV のパルスにし、クライストロンによってピーク電力 75MW、長さ1.59µsのマイクロ波パルスに変換する。８本のクライストロンの出力を合成し、後に述べるDLDSシス
テムにより、ピーク電力 600MW、長さ 0.4µs のマイク
ロ波に加工する。これを長さ 0.9m の加速管 24 本に分配する。これによって 75MeV/m の加速勾配が実現する。ビームを通すとビームの持ち去る電力のために、
この勾配は 50 〜 60 MV/m まで下がる。
衝突点での鉛直方向のサイズが水平方向より圧倒
的に小さいのは、
ビームシュトラールンクを緩和するためであり、このため、線形加速器の鉛直方向設置許容誤差は非常に小さい。加速管の設置許容誤差は約15µm、その間に置かれる収束用の４極磁石の許容誤差は約2µmである。これらは技術的限界に近いが、可能と考えられている。

without ECS

0.6
0.4
0.2

with ECS

0
-0.2
-0.4
-0.6
0

2

4

6
8
Bunch Number

10

図6：ATF でのマルチバンチ・ビームローディング (ECS) 補

5. ATF ((試試験加速器）：ビーム源、
入射器、ダ、入、ダ
ンピングリングに関する研究

償実験。(A)：二つの加速管に +/- 4MHz だけ周波数の異なる
高周波電力を導入する。(B)：ECS 運転を行った方がバンチ 4から 11 にかけて間のエネルギー差異が小さくなっている。

KEK では ATF （Accelerator Test Facility - 試験加速器、図 5）を 1993 年から建設し[7]、そこを主な拠点としてリニアコライダーで必要になる電子源、入射加速器（S- バンド線形加速器）、ダンピングリングなどについて精力的に研究を続けてきた。ATF は当初
KEK を中心とする日本国内の研究機関主体の計画として出発したが、米国 SLAC、LBNL、ロシア BINP
Protvino、韓国 Postech、中国 IHEP、欧州 CERN などとの国際協力体勢も整備して今日に至っている。加速器システムとしての ATF は、マルチバンチビームを生成可能な電子源、1.54 GeV の S-バンド線形加速器、
1.54 GeV ダンピングリングなどで構成されている。
5.1. ビーム源
マルチバンチ・ビームを生成できる電子源の比較的標準的なものとして、熱陰極電子銃とサブハーモ
ニックバンチャーの開発が進められてきた。
ATF では1994 年にその試運転と 80 MeV 加速後のビーム診断に成功している。このシステムで必要とされることは、電子銃のグリッドを制御するためのパルサーである。ここでは、立ち上がり、および立ち下がりが 0.5
ns 以下で、かつピーク電圧が数 100V のマルチパルサーが要求される。また各パルスの電圧安定度が0.5% 以下でなければならないし、各パルス間の間隔
は 2.8ns であるのでかなり技術的に難しいが、これまでにこのマルチパルサーはほぼ実現したと言える。
バンチャー系を使用しない方式として、光陰極を用いた RF 電子銃がある。まず、RF 空洞の一方に光陰極を用いて、2.856GHz、7MW 以上の RF を入力すると、空洞内に100MV/m程度の交番電場が作られる。次に、電子が加速できる位相に合わせて、モードロック
レーザーからの光パルス（数ピコ秒幅でパルス間の間
隔は 2.8ns）を光陰極に照射すると、電子のマルチバンチが得られる。1992 年にはRF電子銃単体の試験で175 バンチからなる電子ビームの生成観測に成功している。ATF ではまた、この夏（2001 年）に RF 電子銃
を線形加速器に接続して単バンチビームの生成試験を行ない、リングへのビーム輸送効率がほぼ 100% であることを確認した。現在、RF電子銃の主な課題は、光陰極の寿命をいかにして伸ばすかにある。
5.2. 入射加速器系
この方面の各種研究も ATF で行われている。一般にマルチバンチビームを加速する線形加速器において

は、ビームローディング効果によって後続バンチになるに従って加速電界が減少する。
そのためこのままでは20バンチのうちに最大1.5%のエネルギーの拡がりが発生する。
その解決策を一般にビームローディング補償と呼んでいるが、ATF ではその基礎実証試験を
1994 年に行い、多バンチ運転時のビームエネルギー
広がりを 0.3% 以内に収めることに成功している。その原理図と結果を図 6 に示す。
5 . 3 . ダンピングリング
ダンピングリングに入射された電子ビームは放射減衰により水平方向及び垂直方向の規格化エミッタン
スが 3.0×10-6 rad.m、および 3.0×10-8 rad.m 以下になるまでリング内を回ったのち取り出される。
垂直方向の
-11
エミッタンスは〜 10 rad.m で、このような超低エ
ミッタンスは種々の補正を行なわない限り得ることができない。
たとえすべての電磁石など個別部品を精度よく製作設置することができても、システムとして性能を十分に出せるかはリング全体の調整に依存している。
ダンピングリングの最終性能を発揮させるには最先端のビーム診断技術と自動制御技術を駆使することになる。そのために必要な各種技術を ATF で開発し
ている。

(A)
Polarizer

CCD

Double slit
f=600mm
Lens

Synchrotron light
D

a

L0

Band passfilter

7m

y

L
1.3m

Interferogram(B)

加速空洞周波数ではバンチ間隔およびバンチ長を考慮し、S バンド周波数の 1/4 の 714MHz を採用した。
JLCでの多バンチ運転は、この高周波加速系にも制約を加える。バンチ間の相互作用により、バンチが不安
定になり集団振動やビームブレークアップなどの現象が起こる恐れがあるからである。それを防ぐために、空洞の共鳴高調波に関して外部Q値を100程度に落とす必要がある。そのために高周波単空洞は HOM 減衰
ポートを4本取り付けたものになっている。またビー
ムローディングが大きいので一連のバンチ列の取り出
しや入射の過程において空洞が電流変化を感じないよ
うに、ビーム取り出しと入射点を決めている。
当然ながら、極小エミッタンスのビームを実現する際には、そうしたビームを診断することが出来なけ
ればならない。
リング中のビームの横方向のサイズを測るには通常シンクロトロン放射をスクリーンに投射する。しかし、ATFのダンピングリングではダンプしたビームは非常に小さく、光学系の回折限界を下回っている。そこで、放射光に平行する二つのスリットを通過させ、その結果作られる干渉縞の濃淡を見ること
によって光源（ビーム）の大きさを割り出す新しいタ
イプのビームモニターを採用した（図7）。こうした新しいアイディアに基づく検出器を使い、また、リングから引き出したビームについてはワイヤスキャン方式（図 8）の測定器を使って、ビームサイズを測り、エミッタンスを算出している。この結果、単バンチ運転
において、横方向エミッタンスで目標値を達成したことを 2000 年度末に確認した。ビームの横方向規格化
エミッタンスについて、
ATF で達成された値を世界中の各グループで現在開発中の LC での要求仕様と共に、図 9 に示す。
ダンピングリングのもう一つの課題は、達成されたエミッタンスを損なわないように安定したバンチ取
φ50 µm Tungsten Wire

35

Guide Stage

Tension screw

400

731.1

0
10

Pulse Motor Stage
500

Ceramic Support

56

20

16

MagneScale

図 7：(A) ダンピングリング中のシンクロトロン（SR）放射(A) Wire scanner chamber(B) Wire mountを用いた干渉計タイプのビームサイズモニターの模式図。
干渉縞の濃淡差が大きいほど、もとのビームサイズは小さ

図8：ワイヤスキャン方式によるビームサイズモニタ。ダンい。(B)観測された干渉縞の例。

ピングリングから引き出したビームに適用する。

4

Normalized beam emittance inLinear Colliders

作した。このキッカー磁石の発生磁場は、立ち上がり
および立ち下がり時間 60 ns 以下、フラットトップ時
間約 60 ns で、5 mrad 程度の偏向力をビームに与えることが出来る。
ATF からの電子ビームが設計仕様を十分満たすものになると水平方向に 10µm、鉛直方向 1µm 以下にビームを絞ることが可能になる。
この電子ビームを利用してレーザーコンプトン散乱による準単色ガンマ線生成の実験が可能となるので、その開発が大学などとの共同実験として進められている。

10

Vertical Emittance [nrad-m]

SLC

1000

100
ATF
TESLA(500)JLC/NLC
CLIC1000
CLIC3000

10
0.1

1

CLIC500

5.4 その他TESLA(800)

10

100

Horizontal Emittance [ µrad-m]

図9：ATF で達成された横方向規格化エミッタンスの値（X方向とY-方向の値を2次元プロット的に示した）。現在世界の各グループで開発中の LC での要求値も同時に示す。

り出しを行うことである。
ビーム軌道の不安定性の主原因である取り出しキッカーのパルス波形におけるジッターを十分に抑えることは大変難しい。そこで、
水平方向のベータトロン振動の半波長を隔てて同時に励磁する２台のキッカー磁石を使い、ジッター分を相殺する方式が考案された。この研究開発のために、取り出し装置としてキッカー磁石を2台と電源1台を製

ATF では様々なビーム診断装置の開発が進められている。最近はダンピングリングにレーザーワイヤ
ビームサイズ測定装置を設置した。
レーザー逆コンプトン散乱で発生するガンマ線強度をレーザーワイヤの位置をミクロンステップで動かして測定することにより、10 ミクロン程度の垂直ビームサイズ測定に成功した。これにより、リング内ビームの垂直エミッタン
スが 10-11 rad m 程度であることを確認している。
2.8 ns 間隔でのバンチトレイン内の各バンチの位置
やビームサイズ測定技術開発は、今年度の最も重要な課題になっている。ここで述べられたすべての研究開
発は、十数名以上の大学院生の教育を兼ねながら国際協力で進められている。研究成果、活動状況、運転記

図 10：X バンド RF 系の基本構成図。図中、ビームは左から右に向かって進行する。このビームの到着タイミングに合わせて該当する加速管内に加速電界を生成するよう、クライストロンからの RF 電力を導波管を通して供給するのである。

73MW Output Power, 1.4µs Pulse Length and 54% Efficiency

録などは web サイト[8]にて一般公開している。

0

0

-100

-20

-200

-40

-300

-60

6.1. PPM クライストロン-400

重心系エネルギーで1TeVをJLC計画で実現するには出力電力 75MW、パルス長 1.5µs、繰り返し 100Hzのクライ ストロンが線形加速器当たり約3300本必要である。広く一般に使用されているソレノイ ド収束型のクライストロンでは電磁石に消費される電力がク
ライストロンからの平均出力電力とほぼ同程度になってしまうためにエネルギー交換効率が損なわれる。そこで、KEK では東芝と共同で平成 11 年度から 2 年間計画で永久磁石を収束 系に使用したPPM (Periodic Permanent Magnet)クライストロンの開発を行ってきた[10, 11]。
計画ではまず 1 号機で 50MW の出力と 50% 以上の

図 11:PPM 収束方式による X- バンドクライストロン 1 号機
（右側）と 2 号機（左側）。

Output Power (MW)Output Power (MW)

現在考えているXバンドRF電力発生源の基本概念
は図 4 で紹介したが、さらに図 10 に個別部品の実装状況を示す[9]。

Beam Voltage (kV)

6 . X - バンド技術開発-80

BeamVoltage (kV)

-500

-100
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Time (µs)

図 12：PPM 収束方式による X- バンドクライストロンの試
験波形。コレクタ電流と出力電力を示す。

効率をパルス長 1.5µs で実現し、 その後 2 号機で出力75M Ｗ、効率 55% の JLC 仕様を達成することを目標とした。これらは日本では初めて製作された大電力
PPM クライストロンだったので、特に磁気回路の設計や製作技術の習得が開発の最重要課題であった。それらは住友特殊金属と磁気回路の試作品をいくつか製作したり、
神津精機で磁場測定装置を製作するなどの過程で少しずつ解決されていった。また、高調波モードの発振を抑えるために、管のチューブや空洞のほとんどはステンレスなどの表面抵抗の大きい材料を使用してる。
これら異種金属間のろう付け技術も東芝とい
くつかの実験を行うことでマスターされてきた。永久磁石収束は初めての試みだったので、東芝では初めてコレクター をクライストロンの主胴体から分離し、コレクターに到達するビーム量を測定できるようにした。
図 11 に PPM クライストロン 1 号機（右側）と 2 号機（左側）の写真 を示す。PPM クライストロン 1 号
機は平成 12 年初夏から試験が始まり、56MW の出力
電力を 50% の効率と 1.5µs のパルス長で実現し、目標を達成した。ビーム透過率もほぼ 100% であり、磁気回路設計の正しさが証明された。
高調波モードの発振もまったく観測されなかった。2号機は平成12年春から現在まで試験中であり、最大で75.1MWの出力電力と 56% の効率をマークしている。長パルス試験では73.2MW の出力電力と 54% の効率を 1.4µs のパルス長で達成した。図 12 にその時のパルス波形を示す。現在はもっと高い電力と長いパルス長に向けて試験を行Reference line
Phase switch
Modulator

Klystron#1

Klystron#2

3dB coupler
Delayline

structures

Beam direction

structures

図 13：DLDS による RF 電力分配の原理図。

いつつある。この 2 年計画の成功をもとに、さらに改良を加えた 3 号機を現在試験中である。
6.2. DLDS パルス分配システム
クライストロンから発生するRF電力のパルス長は加速管に電力を満たしビームを加速するに必要な量より数倍長いのが一般的である。
したがってパルスの全部の部分を有効に利用するためには、
なんらかの時間
的「圧縮」を行い、パルスは必要な長さに縮められる
が電力は数倍に増大する工夫をする必要がある。その代表的なパルス圧縮装置がSLEDと呼ばれるものであるが、これはパルスの前半部分を遅延回路に入れ、それをパルスの後半部分と掛け合わせことでパルス圧縮を行う。しかし、この方法では圧縮効率が70%に止まり、JLC で必要とされる 85% の効率は実現できない。
そこで、8本のPPMクライストロンからの出力を合成してできた 600MW のパルス電力を４つ の RF 加速
管群に分配する装置として、KEK では DLDS (DelayLine Distribution System) パルス分配システムを開発している[11]。このシステムを理解するために最も簡単な2本のクライストロンの出力を3dB方向性結合器で掛け合わせて 2つの RF 加速 管に電力を供給する場合を考えることにする（図 13 参照）。
3dB方向性結合器からの一方の出力ポートは遅延回路となる口径の大きい円形導波管を通して線形加速器の遙か上流（パルス長の半分に光速を掛けた距離）にある加速管に繋がっている。
別の出力ポートはそのま
ま3dB方向性結合器のすぐ近くにある加速管と繋がっている。 さて 3dB 方向性結合器で合成された RF パル
スの時系列で最初の半分は長い円形導波管を通して上流の加速管に送ってやる。そのタイミングはこの RF
パルスがちょうど 加速管を満たしたところでビームが加速管を通過するように調整しておく。3dB方向性

図 14：DLDS の低電力試験装置と、実験に参加した内外研究者。

結合器で合成されたRFパルスの残りの半分はすぐ近くの加速管に電力を供給する。すると、それが加速管をいっぱいに満たしたところで先程加速されたビームがこの加速 管を通過することになり、再び加速される。
こうすることでクライストロンから出力されたパルス電力のすべての部分を有効にビームの加速に使用することができる。RFパルスが遅延回路である円形導波管に滞在する時間はSLEDの半分なので、遅延回路での電力損失も半分に減ることになる。
実際に導管内でどの伝搬モードを採択するかを決める実験は，SLAC とロシアの BINP 研究所と共同で
平成 11 − 12 年 に ATF の線形加速器用トンネルを利用して行なった。円形導波管の製作は日立電線 が、フランジの加工と装着は石川島播磨が行なった。図 14はその時の様子を示した写真である。伝送損失、シス
テム構築の容易さなどを総合的に判断のうえ、現在は

図 15： 主線形加速器内の，X- バンド DLDS 導波管群（天井付近）と加速管群（床上の架台に設置）の実装状況予測図。

1 DLDS あたり 4 本の導波管を使用するシングルモー スイッチで開閉される一次回路を多数並列に設置し、ドDLDS と呼ぶ方法を主に開発している。図15に，主 これらが共同でドライブする二次回路（1-ターン回路
線形加速器トンネル内での実装状況予測図を示す。 である）に発生する高電圧パルスで、4 本ないし最大DLDS導波管は天井近く、加速管群は床上の架台に設 8 本のクライストロンを駆動する。IGBT 保護など回置されている。
路設計の詳細検討、絶縁能力の確認などを経て 2002
年度中にプロトタイプ試験を行っていく予定である。
6.3. IGBT 半導体モジュレーター
6.4. 加速管
JLC計画で使用されるクライストロン電源には高信
頼化、高効率化、低価格化が要求されている。スイッ
チングデバイスとして一般に使用されているサイラト
ロンは 約１万時間の寿命しかなく、これでは約１年半ですべてのモジュレーターのサイラトロ ンは交換
しなければならず、実際的ではない。そこで、KEKでは以上の要求を満たす半導体スイッチングモジュールを使用した新方式のモジュレーターを、企業と共同開発している[11]。この電源はモジュール化した小電力のパルス電源（半導体スイッチングモ ジュール）を多リニアーコライダーの主線型加速器に用いる X バ
ンド加速管開発の重要なポイントには、
1. ビームが発生させる高次モードにより後続ビームの性質を悪化させないこと、
2. 高い加速電界を実現すること、の二つが挙げられる[2, 6]。
第一の要件、「ビームが誘起する高次モード(HOM)

数接続し、各モジュール電源のスイッチを直接オン、 による電磁場（ウェーク場とも呼んでいる）の発生をオフしてパ ルスを作り、それらを電圧加算合成しす 低減する」については、単一バンチ中で問題になる短ることによって大電力パルスを発生する方式を取って 距離ウェーク場と多バンチ間に働く長距離ウェーク場
いる。
の両方を考慮しなければならない。KEK では米国
この方式は従来のラインタイプの電源に比べて小 SLAC との共同研究のもとに、高調波を離調しかつ積
型化、高信頼性が得られるだけでなく、半導体スイッ 極的に減衰もさせる、Damped-Detuned 型（減衰-離調
チングモジュールの位相を任意に制御することで好き 型）X- バンド加速管の開発を進めてきた。図 17 にな波形を作ることができるなどの利点がある。また、 Damped-Detuned 型加速管の一部 cut-away 図を示す。
モジ ュール化の採用により、量産化が容易で将来の このように加速管を構成するセル（一つ一つの加速空低価格化が可能である。
洞）において、まず加速モードに対応する共鳴周波数
現在開発中の JLC 用モジュレーターの概観図を図 をすべてX-バンドの標準周波数 11.424 GHz に合わせ
16 に示す。ここではは線形誘導タイプ（Linear Induc- る一方、第一高調波（約 15 GHz である）の共鳴周波tion Type) と呼ばれる回路形式を採用している。IGBT 数はセル番号に従って変化するようにアレンジする（離調）。こうすることで、高調波が加速管全体において強い共鳴状態を持たないようにする。同時に、高調
波エネルギーを加速セル部分から「スロット」を介し
PPM Klystronsて積極的に吸い出し、吸収体に捨てるようにする（減IGBT switching circuits
衰）。
Cores
これらを実現するためには、各セルで基本波、高調
波とも 1 MHz のオーダーで制御する必要がある。これに対応して過去数年にわたり SLAC で高精度な3次元計算コードが、KEK 周りではダイヤモンド工具を用いた超精密加工による銅ディスクの製作（切削精度
は 1 µm のオーダー、表面粗度は約 50 nm）と拡散接
Secondary (Line)合を用いた加速管の組立技術が開発された（図 18 をMax field 13MV/m
参照）。これまでのところ、何回かのビーム試験を経
図16：IGBT スイッチ素子によるクライストロンモジュレーてウェーク場の減衰については十分 JLC の要求仕様
タ回路の概観図。

Matching
Post

100

WR62
Flange| WT | [V / pC / m / mm]

WR90 Flange

Tapered Waveguide
HOM Manifold

Beam
Accelerator Cavity
Coupler
Cavity

100
10

10

1
0.1

1

0

5

10

15

20

0.1

0.01

Mitred
Bend

0

50

100

150

t [ns]
図17：KEK / SLAC で共同開発した加速管の上流部分の

図19：KEK / SLAC で共同開発した加速管のビーム試験
結果。SLAC ASSET 装置での実験による。横方向ウェー

模式図（一部断面を見せている）。入力カプラー、HOM
出力ポートなどが見える。

を満たす加速管を作ることができることを実証している（図 190 参照）。
加速電界に関しては、ビームローディングなしの状態で 75 MV/m 程度の軸上加速電界を発生することが目標である。この場合多バンチ加速運転時には、実効加速勾配 55 MV/m となり、これは従来の典型的な
S- バンド線形加速器での加速勾配の約 3 倍に対応する。こうした設計概念の根拠には、1990 年代初めか
ら半ばにかけての短尺加速管(20 - 30 cm 程度）の試
験において100 MV/m の加速勾配を実現できたことが挙げられる。
しかしながら、2000 年初めになって大加速勾配運
転時の放電による加速管内壁面の損傷が無視できない
ことが明らかになってきた[12]。これはX-バンドの大ク場強度の実測値を、
先行バンチ通過後の時間の関数として示している。黒丸：測定値，実線：計算．ウェーク
場減衰の目標は、「1 V/pC/m/mm 以下」である。

電力 RF 源がほぼ安定に動作するようになり、加速管
長期運転の自動化が進んで始めて系統的な研究が行われるようになったことの一つの帰結でもある（最近の試験は SLAC の NLCTA 施設で繰り返し 60 Hz、パルス長 100 〜 240ns の条件で行われている）。問題の兆
候は、軸上勾配 50 - 70 MV/m で 1000 時間程度の試験運転を行ううちに、放電によって加速管内表面に無視できない程度損傷が発生する、というものである。その結果、加速セルの共鳴周波数が徐々にずれていき、長期間での安定運転を保証することはこのままでは難しいと思われる。
そこで、KEK JLC 加速器チームとしてはKEK 内外の研究者との共同研究の輪を広めると同時に、国際
ワークショップ[13]をSLAC と共催するなどして情報収集と研究戦略の構築に努めてきた。
検討項目には以下のような諸点が挙げられる[14]：-放電を起こし難い、もしくは放電箇所へのエネル
ギー集中投下の度合いの小さい加速管電気設計、- 銅表面の洗浄技術の改善、- 大電力エージングのアルゴリズムの改善。

図 18：1999-2000 年にかけて KEK-SLAC 共同開発で製作した X バンド加速管試作機。長さ 1.8m。

とくに放電箇所でのエネルギー投下率の問題は早い時点で指摘され、管内群速度 Vg への依存性が注目された。これは、放電エネルギーの投下率は Vg の二乗に比例する、という等価回路分析に依る。この結果、従7. C-band 技 術 開 発
80

80

80

60

60

60

60

40

40

40

40

20

20

20

20

Unloaded Gradient (MV/m)

70 MV/m

(A)

(B)

0
0

400

800

0
1200 0

(C)

(D)

0
400

800

0

7.1. C バンド技術開発：第１期から第 2 期 へ
バンド技術開発：

200

400

0
0

100

Time with RF On at 60 Hz (hours)

図20：KEK / SLAC で共同開発した加速管の高電界試験結果の例。SLAC NLCTA 施設での実験による。横軸は60 Hz 繰り返し相当で測った運転時間。縦軸は達成された軸上加速電界。4 通りの試作加速管のデータを示す：(A)Vg/c = 12 %、1.8 m 管、1200 時間、(B)Vg/c = 5 %、0.5 m 管、1000 時間、(C)Vg/c = 5 %、1 ｍ管、450 時間、(D)Vg/c = 3 %、0.5m 管、200 時間。

来の <Vg/c> 〜 0.12 ではなく、<Vg/c> 〜 0.05 ないし
0.03 の加速管が日米で複数個試作され、2000 - 2001 年の間に精力的に試験されている。図 20 に試験加速管の高電界運転履歴の一部を示す。とくに最近の <Vg/c> 〜 0.03 管は優れた試験成績をあげている（図 20(D)）。
なお、図 20(D) の例では、放電箇所はカプラー付近に集中していることが知られている。
カプラー近傍の電気設計にまだ改善の余地があるものと推測される。
さらに、加速勾配の許容最大値を上げるためには、銅表面の浄化処理が重要な役割を果たすと考えられており、埼玉大電気電子システム工学科グループ、KEK 超電導グループなどとの共同研究も進められている。総
じて、Xバンド加速管の高電界問題は原理的には十分解決可能なもの、というのが担当グループの認識であるが、完全な技術解の確立とその実験的検証には少な
くとも 2 年程度の時間が必要と考えられている。C バ
ンド加速管についても類似の問題が発生しうる。Cバ
ンドの場合には目標とする加速勾配が 40 MV/m とやや低いので、問題の程度が軽い可能性は高いが、後述のSCSS に向けた開発の途上で実証的なデータの蓄積が進むことが強く期待される。

C バンドグループは 1996 年春より R&D を開始
し、ー昨年（2000 年春）までにシステムに必要な構成要素のうち、
パルスコンプレッサーの大電力モデルを除くすべての部分の開発を終了した[15]。これらを表
2 にまとめた。表の中で、第 1 期と第 2 期とに分けて書いているが、その位置づけは以下の通りである。
第 1 期：1996 〜 1999 年度、各コンポーネントの開発、
基本性能の確認、クライストロンの寿命試験。
第2期：2000年〜 低コスト化、量産化に関わるR&D、および１ GeV 程度の試験加速器による総合試
験。
今後とりわけ重要なのは、SPring-8 敷地に建設するSASE-FEL のための線形加速器にCバンド技術を適用する計画と、その活動を通してCバンドの実装技術の成熟を目指すことである。
これらについては後に詳述
する。
7.2.

第 1 期技術開発のまとめ

1996 から 1999 年度にかけて、C バンド加速器を構成する構成要素の開発を行った。
以下にその概要を解説する。web サイト[16] にさらに詳しい解説および過去の公刊論文が掲載されているので、そちらも参照していただきたい。
クライストロン
1996 年より C バンド・クライストロンの開発を継続的に開発している。東芝（株）との協力を中軸に据えている点はXバンドと同様である。これまでにソレノイド収束の50MW出力クラス・Cバンドクライスト
ロンは3本製造し、いずれも所定の性能を満足し完成の域にある。これはカタログ品として購入可能である。
現在は、システムの簡素化とコストの低減のために 、 周 期 永 久 磁 石 収 束 の ク ラ イ ス ト ロ ン （P P M
Klystron）の開発も行っている。2000 年度に開発製造した C-band PPM-Klystron は RF 出力 37 MW を達成した。若干の寄生発振が見られたが、電子銃から出たビームを 99% 以上の透過率でコレクターに輸送でき表 2：C バンド R&D 第 1 期の成果と第 2 期の課題

項 目
（500-GeV 向け開発）

第 1 期 R&D の成果（1996~1999）

第 2 期 R&D の課題（SCSS 計画と併用）

クライストロン◎ No.1,2,3 号機
すべて 50 MW 出力達成、
パルス幅 2.5 µsec 、50 pps。
3 号機、効率 47%を達成
収束磁石電力 4.6 kW
寿命試験 2 号機 5000 時間超。
現在 3 号機、寿命試験中。
◎PPM Klystron1 号機は出力
37 MW。寄生発振を伴っているため対策中。

クライストロン電源

RF パルス・コンプレッサ

速管

50 MW 出力波形（E3746 No.3）◎PPM Klystron No.2、2002 年開発予定。

◎ Smart Modulator
1 号機クライストロンの寿命試験に連続使用中、
電力効率 52.4%、350 kV、
2.5 µsec 幅の高電圧パルスを安定に供給。

◎ Smart Modulator 2 号機

◎コールドモデル試験結果
ゲイン 3.25、効率 65%◎ 安定化技術、運転技術開発◎ High Power 試験は2001 年に実施予定。

加◎量産化、低価格化◎ チョークモード型加速管特性試験を SLAC にて行い、所定の減衰特性を確認。

・インバータ電源の国産化
・密閉型設計（全油中絶縁、冷却）・コストの低減・電力効率を 60%以上に・固体スイッチ開発は人員、資金不足により当面、見送り・クライストロン位相変調による、立ち上がり部の利用方式を確立
・低熱膨張材（インバー）による空胴周波数の安定化技術開発中◎ 量産化に向けて設計詳細の見直し
・Wake-field の最適化
・セル加工工程の見直し（低価格化）
・製造のスピードアップ◎ 大電力試験は 2002 年に実施予定。

アラインメント技術◎HOM-Free 型 RF-BPM
分解能 ＜ 1 µm
原点精度 ＜ 10 µmを達成。

RF-BPM◎ Q-BPM, Structure BPM, Undulator BPM, として SCSS に実装･ 量産化、信号処理回路の低価格化･ マルチバンチ化

る PPM 収束系が設計できていることや、PPM スタッ
クの製造方法としてHIP (Hot Isotatic Pressing)を使用して熱膨張率の異なる磁性 SUS の磁極と無酸素銅との積層構造を製造する技術を確立できたことが重要である[17]
寄生発振の原因は、ビームコレクターからの反射
電子がドリフトチューブを逆走して信号を帰還させているためであることが分かっており[18]、逆送電子を押さえる磁場の最適化を行い 2 号機を設計中である。

加速菅
我々は C バンド加速管 1 号機を 1998 年に開発し、SLAC-ASSET施設にてビームを用いwake-fieldの測定を行い、choke-mode cavity が HOM を設計概念どおりに減衰させていることを確認した。Cバンド加速管の大電力試験は、SCSS 計画の一環として 2002 年にSPring-8 内にて行う予定である。
7.3. 第 2 期 技 術 開 発 と S C S S 計 画

クライストロン用モジュレータ電源
実機のリニアコライダーは全長が30kmにも及ぶた1997 年にインバータ充電方式を国内でいち早く取 めに、その事前準備に必要なマシンの実証試験には、り入れたクライストロン・モジュレータ電源(Smart その規模で 1/10 スケール程度の試験加速器を建設しModulator 1 号機)の開発に成功した。これによりモ て総合運転をするのが妥当と考えられる。しかし、そジュレータが小型化、簡素化された。
の場合には500 GeVの実機に対して、試験加速器でも現在、さらに小型化した密閉型モジュレータを開 50 GeV という規模となり試験器建設のための予算獲発中である。これは PFN、サイラトロン、保護回路を 得は容易ではない。
そこで最低でも 1 GeV程度の試験
一つの油タンクに収めた設計となっている（図 21） 加速器を建設してビーム試験を行いながら、平行して[19]。
コンポーネントの信頼性向上とコスト低減のためのR&D を強力に推進するという方針が現実的と思われ
R F パルスコンプレッサーる。
2000 年の春にこうした 1 GeV の C- バンド試験加速
Cバンドでは3連結空胴をエネルギー貯蔵に用いた 器を提案した同時期に、理化学研究所、播磨研究所
独自のパルスコンプレッサーを提案しており、1996 （SPring-8）より Cバンド加速器をSASE-FEL に適用す
年にコールドモデル試験により、
マルチバンチ運転に ることへの打診があった[21]。検討の結果、必要となる平坦な圧縮出力パルスの生成に成功した。
その後、予算不足のため大電力試験が先送りとなって 1. C バンド加速器が SASE-FEL に必要な低エミッタ
きた。現在、低熱膨張率を有するスーパーインバー材
ンスのビームを安定に加速可能であること、料を用いた RF 空胴を開発中であり、これを用いて 2. アンジュレータを含めた装置全体を70m 程度の建2002 年に大電力試験を行う予定である[20]。
屋に収めることが可能であること、
3. Soft X-rayまでの波長をカバーできること（周期長15mmの真空封止型アンジュレータ、ビームエネル
ギー 1 GeV により、波長 3.6 nm の Soft-X-ray が得られる）

図 21：密閉型クライストロンモジュレータ。

ということが分かり、この方向での計画立案を早速開始した。これは KEK の C バンドグループが開発した高電界のCバンド加速器と、理化学研究所グループが開発した短周期の真空封止型アンジュレータとを組み合わせて、真空紫外から軟 X 線に及ぶ領域の FEL を
比較的小規模の加速器で実現するものである。最終的にビームエネルギー１ GeV、発振波長 3.6 nm を目指す。
2001 年 4 月には、この SCSS 計画の予算が全５ヵ年計画でSPring-8の既存建屋に建設するものとして正式

図 22：SCSS 計画のビームライン模式図。

に承認された（プロジェクト名称「SCSS」はSPring8 Compact SASE Source の略である）。これまでにKEK と SPring-8 との間でこれを含む研究協力の覚
え書きが取り交わされ、これに基づいて KEK から
Cバンド開発担当者[22]が併任職として理研播磨研究所および SPring-8 に出向き本格的な開発設計を開始している。この加速器によって、真空紫外から軟 X 線までの広い範囲の強力なレーザー光を発生可能であり、ユーザー利用のために開放される予定である。図 22 に SCSS のビームラインを示す[ 2 3 ] 。C バンド加速器では、単バンチに対して40MV/ ｍという非常に高い加速電場が得られるため、Cバンド加速ユニット4台（全長30ｍ）で、ビー
ムエネルギー１ GeV を得ることができる、というメリットがある。
このビームを周期長 15 mm の真空封止型アンジュ
レータに通すことにより、波長3.6 nmの単色の放射光がえられ、これが全長 22.5m という非常に長いアン
ジュレータの中で増幅されて、強力なレーザー光となって下流側へ放射される。SCSS にて予測されるピーク輝度は、図 23 に示すように従来の第 3 世代放射光源にて長尺のアンジュレータから得られる現在最も高い輝度の放射光よりさらに６桁以上も高い輝度が得られる。なお、TELA プロジェクトの TTF 試験加速器でも類似のSASE-FELの試験が行われている。そこでは 2000 年春に 80 nm での発振に成功しており、現在、さらに短波長での発振に必要な改造を行っている。波長が短くなるにつれて、高い電子密度と低エ
ミッタンスが必要とされるため、その実現には高い技

図 23：SCSS スペクトル輝度。

術レベルが要求される。とくに図 23 の 0.1 〜 1 nm 領
域のLCLS、TESLAそしてJLCと示したX線FELの実
現に必要な電子ビームを発生する技術はまだ確立していない。ANL の LEUTL、DESY の TTF、そして当方の SCSS は、将来 X 線 FEL を実現するための技術を習得する試験加速器という意味合いが強いが、SCSS では軟 X 線利用も行う予定である。
今回の SASE-FEL に必要となる低エミッタンス
ビームは 500 kV のパルス高電圧を使用する熱電子銃と、これを短いバンチに集群させるサブハーモニック
バンチャー、Lバンド加速菅によって発生させる予定である。通常よく使用される光電陰極を用いた RF 電

子銃はこれに用いるレーザー光源の安定性に課題が残るために今回は採用を見送った。将来、極短パルスの安定な固体レーザーが市場で安定に供給されるようになった時点で、
光電陰極の採用を再検討する必要があろう。
SASE-FEL を充分に飽和モードで運転するためには、
アンジュレータの中で非常に高い電子密度を必要とするために、バンチ長を全幅0.15 mmにまで圧縮する。
このために２段階の磁場シーケインによるバンチ
コンプレッサー(BC1、BC2) を使用する。ここで困った問題として、
シーケイン磁石の中で電子の軌道が曲がる際に発生する放射光のうち、バンチ長程度の長波長の成分がコヒーレントな干渉効果によって強力な電界を発生し、これが電子軌道を歪めてしまう効果（CSR: Coherent Synchrotron Radiation）がある。そこ
で、この対策としてBS2ではダブルシーケイン構造を採用している。現在、CSRの正確なシミュレーションを行い、磁石配置の詳細設計を行っている。なおこの種の問題は、
当然リニアコライダーにても重要な問題であり、SASE-FEL の研究成果が生かされるであろう。マシンの詳細については、論文[23]を参照していただきたい。
前述のように、この SCSS 計画を実行することが、
リニアコライダー向けに開発してきたCバンド加速器
としての重要な実証試験となることが期待される。しかし一方、
リニアコライダーの建設で最も大きな問題となることが予想されるハードウエアのコストと信頼性の問題を解決するためには、
積極的な要素開発も継続して行わなくてはならない。ここでは KEK が引き続き中心的な役割を担うと考えられる。

る。
最近の組織上の進展としては、2001 年度から大学からのメンバーを含む「LC 推進委員会」が定期的にKEK で開催されていることが挙げられる。ここでは、
ATF や主線形加速器の開発に加えて、敷地およびトンネルなど一般設備への要求仕様の検討と整理、系統的なコスト評価、アジア・太平洋領域[24]あるいは世界規模での国際協力のあり方などについての検討が進められている。基本的な目標は、日本の科学技術基本計
画[25]、過去の高エネルギー委員会将来計画小委員会の答申、高エネルギー委員会アクションプラン[3]などの精神を踏まえて関係各方面のご理解を得たうえで、2000 年代終わりまでに国際協力に基づく素粒子研究センターとしてのJLC施設の建設に着手することである。
中でも、今後 2-3 年の内に JLC の詳細設計作業を行うための基礎調査費拠出を受けるべくそれに向けた努力を行っていくことは、KEK での LC 推進のなかでも重要な優先事項になっている。このため、JLC 建
設候補地が満たすべき要件の検討、計算総予算額の見積りなどと並行して、国際協力の在り方に関する検討
グループなどの作業が急ピッチで進められている。
開発に参加していただいている企業各社との関わりにおいては、大量生産に向けた生産技術の工業化が非常に重要な研究分野となって行くであろう。生産コ
ストの低減が近未来に最重要の課題となることは疑いの余地がない。ここでは
1. 研究所・大学・企業間のタスクフォースを形成し、
2. コストモデルを関係者で共有する、
3. 諸々の技術情報も共有する、と共に
4. なんらかの競争原理の導入も考える、

8 . 今 後 の L C 開発推進と展望などをも視野に入れるべきと思われる。
8.1. JLC の開発と推進体制
8.2. LC をめぐる国際情勢
JLC のための個別の開発要目については、すでに触れた通りである。大きな課題としては、X-バンド開発の観点からはLC 実現に向けて技術を確立するためにクライストロン、DLDS、加速管群の一セットを建設し実証運転することが必要と考えられている。同様のシステム検証が C- バンド開発の分野でも行われる必要があり、SCSS 建設を通しての成果が期待される。
これらを数年間で完成するための総合的な予算、人的資源の調達については、現在 KEK 部内で方針構築と計画推進体制の再整備が進められているところであ

国外の状況と展望についても少し触れておく。ECM= 500 GeV 〜 1 TeV の電子・陽電子 LC の必要性については世界的なコンセンサスが存在し、LC 開発が世界各地で進められていることは第3章で触れたとおりである。これを受けて具体的には、
NLC：SLAC、LBNL、LLNL、FNAL を中心とする米国研究所。JLC と同様、常温の銅加速管による主線形加速器[26]。

TESLA：ドイツDESY を中心とする欧州。超電導空洞による主線形加速器[27]。
CLIC：CERN を中心とする欧州。2- ビーム加速方式[28]。

う。特に、各国企業のの間での競争原理の導入、知的財産の所有権の尊重や、情報の共有といった課題は、
いずれはすぐれて国際的な舞台で解いていかなければならないことになると考えられる。
参考文献の開発が進行中である。技術的難度、膨大な所要予算の両方の観点から、次期 LC は建設するとすればそれは世界に一つだけのものになり、かつその建設・運転については大規模な国際協力が必要不可欠と考えられている。これに照応して、開発のレベルでは米欧グ
ループと日本の JLC グループの間に様々な形の共同研究が進められている。たとえば、ATF に米欧の研究者が頻繁に来訪して実験に参加したり、X- バンド技術の開発に関しては KEK と SLAC の間に基礎技術開発に関する覚え書きが取り交わされて定期的なワークショップが開かれている[6]。X- バンド加速管の開発における KEK-SLAC の協力関係は特に緊密である。
C-バンドのモジュレータ開発については韓国 PosTechのメンバーが寄与した。また、この報文では紹介しなかったが、TESLA で開発している超電導空洞の高電界運転開発において、KEK 超電導グループの先端的ノウハウが活かされつつある。更に、LC の開発に携
わる加速器関係者が集まる世界規模のワークショップ
は 1980 年代から 2 年に一回程度の頻度で開かれており、世界の LC 関係の加速器研究者間には長年の研究交流を通してある種の同胞意識ないしファミリー意識が持たれている。
しかしながら、「プロジェクト」（の卵）として見た
場合、あるいは実際にどこに LC を建設できることになるか、などの観点から見ると、現時点では世界規模の政治的競争、
緊張関係といったものが明らかに存在する。煎じ詰めれば、いま流行の「グローバル化と地域社会の繁栄をどのように釣り合わせるか」の問題を地でいくような状況である。
そうした状況を多くの関係者が踏まえてのことと思われるが、最近、米国、
ヨーロッパ、アジアのそれぞれの領域で LC 推進のための地域委員会が設置されはじめると同時に、ICFA(International Committee for Future Accelerators) ほかの場で、グローバルな協力体制に関する意見交換の動きが活発になってきている。
こうした中、われわれに求められているのは産業界の方々とともに国際競争に勝ち抜く技術を手中に収める努力を鋭意続けることと同時に、健全な国際バランス感覚も持ち続けることである、といってよかろ

[1]

[2]

JLC Group, “JLC-I”, KEK-report-92-16, December, 1992.
http://www-jlc.kek.jp/teigen_nado-j.html のリンクから閲
覧可能．
JLC Study Group, “JLC Design Study”, KEK-report-97-1,
April, 1997. ftp://lcdev.kek.jp/pub/DesignStudy/ より閲覧
可能．

[3]

http://lcdev.kek.jp/JLC/overview/01.cover.html,
ftp://ftp.kek.jp/kek/HEPSC/,
http://www-jlc.kek.jp/teigen_nado-j.html で JLC 計のパン
フレット，諸委員会の答申などが閲覧可能．

[4]

M. Tigner, Nuovo Cimento 37, 1228 (1965)ÅAU.Amaldi,
Phys. Lett. 61B, 313 (1976).

[5]

P.Raimondi, et al., invited talk (THZF101) at EPAC 2000,
Vienna (2000). N.Phinney, invited talk (MO102) at Linac[6]

2000, Monterey (2000).
N.Toge, et al., ed, “International Study Group Progress Re-[7]port”. http://lcdev.kek.jp/ISG/ より閲覧可能．
“ATF Design and Study Report”, KEK-Internal 95-4. http://
lcdev.kek.jp/ATF/Pub/KEK-I-95-4.pdf で閲覧可能．最近の動向については J. Urakawa, “Present Status of KEKAT F ” , 第 1 3 回加速器科学研究会( 2 0 0 1 ) 、h t t p : / /

[8]
[9]

atfweb.kek.jp/atf/Reports/ATF99new.pdf と [8]を参照 .
http://atfweb.kek.jp
X- バンド開発の一般情報については http://lcdev.kek.jp
を参照 . 最近の報文は http://lcdev.kek.jp/Conf で閲覧可
能 . K.Takata, “R&D for X-band Linacs for JLC: Present
Status”, 第 13 回加速器科学研究会 (2001).

[10] S. Matsumoto, “Development of PPM-Focused X-band Pulse
Klystron”, 第 13 回加速器科学研究会 (2001).
[11] Y.H.Chin, “Status of X-band Power Source Development for
JLC”, 第 18 回 International Conf. on High Energy Accelerators (2001), “X-band RF Power Source Development for
JLC”, 第 13 回加速器科学研究会(2001).
[12] C.Adolphsen, et al., “RF Processing of X-band Accelerator
Structures at the NLCTA”, Linac 2000 (2000).
[13] http://www-project.slac.stanford.edu/lc/wkshp/RFBreakdwn/
struct_breakdown_wrkshp.htm[14] C.Adolphsen, et al., “Processing Studies of X-band Accelerator Structures at the NLCTA”, PAC2001(2001). T. Higo,“Development of X-band Accelerator Structure towards
Stable, High-Gradient Operation”, 第 13 回加速器科学研究会 (2001).
[15] T. Shintake, “Phase-I R&D Summary and Phase-II Proposal
on C-band Linac for 500 GeV e+e- Linear Collider”, Proc.

25th Linear Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July 1214, 200.
[16] http://c-band.kek.jp[17] H. Matsumoto, ÅgHigh Power Test of the First C-band (5712
MHz) 50 MW PPM KlystronÅh, PAC2001.
[18] Z. Fang et al., “Simulation of returning electrons from a
klystron collector”, Proc. 20th Int. Linac Conference(LINAC200), Monterey, CA, USA, Aug. 2000.
[19] H. Baba, “Closed-Type Modulator for 50 MW C-band
Klystron”, 2001 Lineac Meeting in Japan [Japanese].
[20] M. Yoshida, “RF Pulse Compressor using Low Thermal Expansion Invar Material”, 2001 Linac Meeting in Japan [Japanese].
[21] 北村秀男主任研究員および上坪 SPring-8 所長（当時）による .
[22] 松本浩が担当している . また、2002 年 4 月より新竹積が KEK から理研に移り、計画推進にあたっている .
[23] T. Shintake, “The SPring-8 Compact SASE Source (SCSS)”,SPIE2001.
[24] Asian Committee for Future Accelerators (ACFA) 傘下のLC に向けた物理・測定器ワークグループの活動については http://acfahep.kek.jp/ を参照 .
[25] 科学技術基本計画の資料は文部科学省のサイトより閲
覧可能 . http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/kagaku/
kihonkei/kihonkei.htm[26] N.Phinney, ed., “2001 Report on the Next Linear Collider”,
SLAC-R-571 (2001), T. Raubenheimer, ed., “Zeroth-Order
Design Report fot the Next Linear Collider”, SLAC-Report474 (1996), http://www-project.slac.stanford.edu/lc/nlc.html
および — [6].
[27] R. Brinkman et al., ed, “TESLA Technical Design Report”(2001), http://tesla.desy.de/new_pages/TDR_CD/start.html
および http://tesla.desy.de/[28] http://cern.web.cern.ch/CERN/Divisions/PS/CLIC/ を、参照.