246■研究紹介

T2K 実験ニュートリノ生成機器
京都大学大学院理学研究科

市 川

温 子

ichikawa@scphys.kyoto-u.ac.jp
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所

関 口哲 郎，中 平武

tetsuro.sekiguchi@kek.jp, nakadair@neutrino.kek.jp
2010 年 2 月 12 日

これらの標的および電磁ホーンは，米国ブルックヘブン国

1. はじめに立研究所で用いられていたものに基づいたもので，
図 2(上)

T2K 実験のニュートリノビームは，J-PARC 加速器で加速された数十 GeV の陽子ビームを標的に入射し，ハドロン反応により発生するパイ中間子が走行中に弱崩壊して生成するニュートリノを用いる。そのままでは，パイ中間子もニュートリノも四方八方へ飛び散ってしまうため，図 1 ののような形状をしている。
一方，T2K 実験の現状は以下の通りである。
• 標的：直径 26 mm，長さ 91cm のグラファイト• 電磁ホーン：3 台で構成ような電磁ホーンと呼ばれる装置でパイ中間子を前方へ収電流は 320 kA (ただし 2010 年は 250 kA )束する。電磁ホーンはアルミニウム合金の同軸構造をした

最大磁場 2.1T

装置で，数百キロアンペアのパルス電流を流すことにより- 第一ホーン 内部導体の内径 54 mm，厚み 3 mm

外部導体の外径 400 mm

トロイダル磁場を作り出す装置である。

長さ 1.5 m- 第二ホーン 内部導体の最小内径 80 mm，厚み 3 mm

外部導体の直径 1000 mm
長さ 2 m- 第三ホーン 内部導体の最小内径 140 mm，厚み 3 mm

外部導体の直径 1400 mm
長さ 2.5 m
で，図 2(下)にその形状を示す。ずいぶん，変わったもの
図1

電磁ホーンの概念図

2000 年当時に T2K 実験(当時は JHF-神岡ニュートリノ実験と呼ばれていた)が計画された時のニュートリノフラッである。計画するは易しで，実際にやりはじめると，そこT2K 実験の標的，には多くの紆余曲折があった。
ここでは，電磁ホーンの製作，設置について，紆余曲折を含めて紹介する。

クスの見積もりは，以下のような条件でなされた。
• 標的：直径 6.4 mm，長さ 45 cm のサファイア (Al2O3 )• 電磁ホーン：2 台で構成，電流は 250 kA，最大磁場 5 T- 第一ホーン 内部導体の内径 14 mm，厚み 2.5 mm

外部導体の外径 340 mm
長さ 2.2 m- 第二ホーン 内部導体の最小内径 116 mm，厚み 2 mm

外部導体の外径 876 mm
長さ 1.5 m

図 2 (上)実験計画時に参考にしたホーン形状，配置(下) T2K のホーン形状，配置247

1.1 予備知識 - 熱衝撃 -間隔ごとにかかる。また標的全体では，約 20 kW の発熱と標的，電磁ホーンについて紹介する前に，知っておいてなる。

いただきたい点を述べる。J-PARC では， 30GeV のエネル

黒鉛の放射線損傷については，原子炉の材料として多くギーを持った 3.3 ´ 1014 個の陽子が 5 マイクロ秒の間にニューの研究があり，熱伝導率が低下することや，寸法が収縮すトリノビームラインに取り出される。
つまり 1.6 メガジュー

T2K では約 1m の標的が 1 年で 1mmることが示されている。

ルのエネルギーを持ったビームが瞬間的に標的に入射する。

縮むと予想される。また，陽子ビームの照射によって，黒陽子ビームは，標的内でハドロン反応を起こし，大量のエ鉛内部に水素ガスがボイドとして蓄積して強度が劣化するネルギーを落とす。エネルギーを注入された物質は，温度と予想される。これらの放射線損傷は照射時の温度に大き上昇を起こし，通常は膨張する。しかし，膨張に要する時く依っていて，400 度以下の照射では損傷が非常に大きい

間よりも短い時間でエネルギーが注入された場合には，瞬ことが示されている。

間的に物質は圧縮された状況になり強いストレスにさらされる。これが熱衝撃である。図 3 に，鉄の塊に 3.3 ´ 1014 個の陽子ビーム(ただしエネルギー 50GeV での評価１)が入射した場合の温度上昇を示す。熱衝撃ストレスは 3GPa に達し，耐力( 300 MPa )を越えるため，破壊されると予想される。標的も電磁ホーンもこうした熱衝撃に耐えられるものでなければならない。また，1 年間の運転で吸収される放射線量は 10 ギガグレイ以上で，高い放射線耐性も求められる。

標的の冷却方法としては，ヘリウムガスによる冷却を採用した。より一般的な水冷方式と比較して，標的温度を 400度以上に保てること，二次粒子との反応が小さいこと，冷媒圧力が小さいので配管の肉厚を薄くできることなどの利点がある。逆に，水冷方法では，二次粒子との反応熱に伴う瞬間圧力上昇が約 2 MPa に達する，放射化した冷却水の処理などの困難がともなう。ヘリウムガスで冷却するには,毎分 9 Nm 3 の大流量，流速にして 200 m/s が必要となる。
KEK 素核研低温グループの春山氏，笠見氏の協力のもと，民生用コンプレッサを用いた循環系を構築した。

cm

ヘリウム冷却で標的温度を高温に設定したことにより，ヘリウムガス中に含まれる不純物の酸素による酸化消耗が問題となる。酸化消耗の進行速度と，酸化消耗した黒鉛材
cm

1100K

図 3 3.3 ´ 1014 個の 50 GeV 陽子が瞬間的に鉄ブロックに入射した場合に予想される温度上昇分布(左側より陽子ビームが入射)の強度を，炭素材の供給元メーカーに委託した測定から，5年の寿命を確保するには 100 ppm 以下に保つ必要があることが分かった。このため，標的本体は密閉された容器に収納する必要がある。容器の一部は陽子ビームが通過するので，その容器の冷却も必要になる。

2. ニュートリノ生成標的
標的は陽子ビームが照射される受動的な装置であるが，陽子との反応による熱衝撃や放射線損傷に耐えることと，発生する反応熱を冷却する機構が必要とされる。
また，
ニュートリノ実験の標的には電磁ホーンの内部に収められなければならないという空間的な制約がある。T2K 実験の場合に電気的絶縁のためのギャッは電磁ホーンの内径は 54 mm で，プや冷却機構も含めてこの内部におさまらなければならない。
標的本体の材質には等方性黒鉛が用いられている。融点と耐熱性が高いだけでなく，金属などと比較して密度が小さいので陽子との反応による発熱密度が抑えられる。それでも，ビーム照射に伴う瞬間温度上昇は約 200 度が想定される。この発熱による熱応力は約 7 MPa で，黒鉛材の引張強度 (37 MPa) の 2 割に相当するストレスが 3.5 秒のビーム

標的の設計には，電磁ホーンに隣接することからくる制約もある。標的は，陽子ビームを直接受けるシビアな部分のため電磁ホーンよりも障害発生頻度は高いと考えられる。
そのため，電磁ホーンから切り放して交換できるようにすることが望ましいので，片持ちの構造となる。そのため，冷媒ガスの入口と出口も一方にある必要がある。また，電磁ホーンはパルス高電圧がかかるので，標的にも AC 結合で高電圧がかかる。したがって，支持機構やヘリウムガス配管に絶縁が必要である。
標的は，機能としてはただ陽子を待ち構えるだけの装置ではある。しかし，英国 RAL のグループ(C. Densham, M.
Fitton, M. Baldwin, V. Francis, J. Butterworth)の協力の下に設計をすすめるうちに，前述の様々な制約から非常に複雑な内部構造となった。
図 4 に標的の内部構造を示す断面図を，図 5 に第一電磁ホーンにインストールされる直前の標的を示す。

１

当初想定された陽子ビームエネルギーが 50 GeV のため，概念設計時の評価は 50 GeV でなされている。

248

図4

T2K の標的の内部構造の断面図

中央部の濃いグレーの棒状の部分が黒鉛製の標的。標的を格納しているチタン合金製のヘリウム容器ごと，第一電磁ホーンの内部に差し込まれている。標的のグラファイトとチタン合金製容器を同時に冷却するようにヘリウムガスを流すため，標的上流部に穴が交差してあけられていたり，標的と同心状にグラファイトの筒が接着されているなど，非常に複雑な構造になっている。

図6

第一電磁ホーンの構造

導体に電流が流れ，磁場が発生すると，磁場と電流の相互作用によりローレンツ力が発生する。T2K の第一ホーンを例に取ると，内部導体には，内向きに約 20 気圧の圧力が瞬間的にかかる。導体は，この力に耐えられるようにしなければならないが，厚くしてしまうと，物質内でパイ中間子が吸収されてニュートリノの収量が減ってしまう。
また，
J-PARC の大強度パルスビーム下では，内部導体は，1.1 節で述べた熱衝撃によるストレスにさらされる。熱衝撃ストレスをアルミニウム合金の許容応力以下にするためには，内径を 54 mm 以上にしなければならないことが明らかになった。これは元々の計画時に比べ 3.8 倍であり，単純にスケールして同じ電流値で，同じ収束効率を得ようとすると 3.8倍の大きさ，すなわち 8 m 以上のホーンが必要になってしまう。ホーン間の距離も同じようにスケールすると，そも
図5

第一電磁ホーンにインストールされる直前の標的そもホーンが設置されるターゲットステーションに収まらなくなってしまう。余談であるが，J-PARC のニュートリ

3. 電磁ホーンの設計から製作まで

ノビームラインは，前代未聞(?)の，加速器リングの内側へ電磁ホーンは，標的で生成されたパイ中間子を前方へ収蹴り出す配置となっており，崩壊ボリュームも含めたビー束させるために，図 6 のようにアルミニウム合金の同軸構

ムラインの長さは，リングの大きさでリミットされている。

造でトロイダル磁場を作り出す装置である。必要な磁場をそのため，ターゲットステーションを大きくするなど，実得るためには，数百キロアンペアという途方もない電流を際上はあり得なかった。そこで，現実に折り合いをつける流す必要がある。このような直流電流を常伝導状態で流せべく試行錯誤が始まった。ホーンが大きくなってしまう問ば導体がジュール熱で溶けてしまう。そこで，加速器から第一ホー題は，電流を 250 kA から 320 kA に増やすとともに，ビームが来る瞬間に合わせて，パルス電流を流す。確率冷ンを上流側と下流側に分割して，全体で 3 台とすることに却法で W ボソンの発見に貢献したとしてノーベル賞を受賞

よってそれぞれの大きさを抑えるようにした。それでも，した van der Meer の考案した装置である[1]。磁場は，中心当初よりは大きくなってしまっている。ターゲットステー軸からの距離に反比例して弱くなるため，有効にパイ中間ションの大きさはすでに決まってしまっていたため，ホー子を収束するためには，パイ中間子が広がってしまう前にン間の距離は無理やり元の大きさのまま固定して，出来る収束することが重要である。現在よく用いられているホー

限り当初計画のニュートリノ収量を実現すべく 3 台のホーB. Palmer によって考案されたもので[2]，ンの形状，配置は，ンの形状を最適化していった。最適化のパラメータは，そ図 2 のように二つのホーンからなり，第一ホーンの上流側

れぞれのホーンについて内部導体の径，長さ，カーブの形

直線部分でパイ中間子が広がらないよう集めておき，下流状などである。シミュレーションでパイ粒子の飛跡を見なのホーン型部分で方向をある程度整形する。下流側へ少しがらある程度当たりをつけた後は，ブルートフォースにい離して置く第二ホーンではさらに，粒子の方向を平行へ整ろいろなパラメータの組み合わせを試していった。
図 7 は，形するようになっている。第一ホーンの内部導体の径を小いろいろなパラメータについて，得られたニュートリノのさくする，ないし，電流を高くすれば，全体の大きさを抑収量を横軸電流値としてプロットしたものである。大体，えることができる。

600 通りくらいを試したであろうか。

249

さて，ここからは実際に製作するための技術的な設計作業が始まる。電磁ホーンは極度に高い放射線に曝されるため，高分子材料は一切使えない。すべてを金属ないしセラミックスで作る必要がある。ジュール熱や放射線により内部導体には約 20 キロワットの熱が発生するため，外部導体に取り付けたノズルから水を噴射して冷却する必要がある。
冷却配管と外部導体の間は絶縁する必要があるためセラミックを介して接続するのであるが，ろう付けでは振動にたいしてもたないと予想されるため，金属製のシールを介してボルトで接続した。この際，水のある環境でアルミに異種金属が接すると電気腐食が懸念されるため金属製シールの材質にも気を配った。また，繰り返される振動の対策として，ボルトの緩み止めはもちろん，固く作る部分はがっちりと固く，やわらかく作る部分は，十分なやわらかさを保図 7 ホーンの形状や電流値を変えた時のニュートリノ収量の変化それぞれの点がある形状に対応している。

つ必要がある。たとえば，ノズルへ水を供給する 1/4 イン
チの配管は，振動を吸収するために m 字型にした。冷却水は，8 メートル近くの高さから配管を介してノズルに水をこのようにして当初の計画の 95% 程度の収量は見込める供給した後，ホーン下部のドレインタンクに集まったものホーンの形状が決まった。図 8 は，電磁ホーンがある場合を，自吸式ポンプで吸い出す。8 メートルというのは，吸とない場合の，スーパーカミオカンデでのニュートリノフい上げるには微妙な高さ(原理的には 10 メートルまで大丈ラックスを示す。次は，ローレンツ力に耐えられるように夫のはず)であり，また供給側のポンプとのバランスを，高角の形状を丸めて行く必要がある。これも，こんな感じか放射線下でアナログ的に行わなければならない。そこで以なという当たりをつけては有限要素法でストレスを確かめ下のような原理でコントロールすることとした。吸い上げるという試行錯誤であった。ちなみに，許容応力は，アルのパワーを少し強めに設定しておく。吸い上げ過ぎるとドミニウム合金(6061-T6)の繰り返し疲労強度，水などの腐食

レインタンク内の水位が落ちてガスが混入し，吸い上げるによる劣化などを考慮して， 10 回の負荷(T2K 実験約 50パワーが落ちて，結局，バランスの取れたところで落ち着年分)に対する破断確率が 2.5% という基準で決めた。

く。プロの設備屋はみな首をかしげたが，物理屋のセンス8でうまくいくはずと信じて，試験などによって方法を確立していった。電流を供給するバスバーについても，放射線によって発生する熱が問題となるため，ダクトで覆い，ヘリウムを強制的にふきつけることとした。また，電磁ホーンが故障した場合にそなえ，ホーン本体を遠隔操作で交換できる機能をもたせた。こういった詳細設計は，とてもとても物理屋だけの手に負えるものではなかったが，K2K 実験の電磁ホーンを製作した KEK 山野井氏にアドバイスをいただき，また，米国コロラド大学の協力で約 108 回という世界最高の運転パルス数を誇る MiniBooNE 実験のホーンを製作した L. Bartoszek 氏に共同で設計に入ってもらい，さらには実際に製作を行った東芝の協力もあって，なんとか設計を完了した。特に L. Bartosek 氏のボルト 1 本にまで至る深い考察は，有益であるだけでなく，楽しい共同作業であった。(ボルトは，締め付ける対象物よりもやわらかい材質で作るべきだって知ってました？)
図8

スーパーカミオカンデでのニュートリノのフラックス
斜線部分が電磁ホーンのない場合，実線白塗り部分が電磁ホーンを用いた場合。

製作は，内部導体の試作から始まった。アルミニウム合金を溶接でつなぐと，溶接部の強度が落ちるため，Tig 溶接，摩擦撹拌接合，電子ビーム溶接などを検討したが，最終的には，第一電磁ホーンについては，すべてブロックか250

ら削りだし(！)，米国側が製作した第二ホーンは摩擦撹拌15 m )が設置されている。ニュートリノ生成機器は，標的，接合，第三ホーンは Tig 溶接とした。内部導体と外部導体

電磁ホーン，標的の前に設置されるグラファイト製コリメーは下流側で結合され，上流側ではセラミックスのリングをタから構成される。電磁ホーンおよびコリメータは，支持介して絶縁されるのであるが，第三ホーン用には，直径 1.4モジュールと呼ばれる箱形の装置に懸架される状態でヘリメートルのものが必要で，製作可能なメーカーを探すのにウム容器に設置される(図 9)。支持モジュールの内側の空苦労した。コストを下げるため，セラミックスや特殊なボ間には，放射線を遮蔽するための鉄とコンクリートの二種ルトなどを供給品にしたり，その他いろいろ(ここには書け類の遮蔽ブロックが置かれる(図 10)。支持モジュールに懸ない)紆余曲折，苦労はあったが，2006 年春，第一ホーン架された状態では，電磁ホーン下部から支持モジュール上の試作機が完成し，KEK のテスト棟へ設置された。数秒に部までの高さは 8 m に及ぶ。総重量は最大 16 トンである。

一度，パルス電流を通電するのであるが，電流を少しずつ上げるにつれ，ポーン，ポーンとローレンツ力によって内部導体が叩きつけられる音が聞こえ始め， 200 kA を越えるあたりからは，「パーン」という大音響になり，設計値の320 kA では，うるさいというのを越え，耳が痛くなる感じであった２。ジョギングをしている職員の証言により KEKの敷地外にまで音が漏れていることがわかったため，急遽，工事用の防音シートを被せ，85 万回の長期通電試験を行った。気のせいかもしれないが，テスト棟の隣の桜が翌春あまり花をつけなかった。2007 年に，第三ホーンも完成し，
図9第一ホーン試作機と直列につないで 43 万回の長期通電試験

ヘリウム容器の概念図

ターゲットステーション棟の地下 15 m に設置されている。

を行った。2008 年には，第二ホーンが米国から届き通電試験を行った。が，この辺りから，後に大問題となる電源のトラブルが発生しはじめ，われわれを悩ませることになる。
ホーン本体については，ノズルを固定するボルトが弛んで脱落したり，絶縁用セラミックスの部品が欠けるなどの問題が発生したが，大きな問題は見つからなかった。本番機については，ボルトの弛み対策を徹底し，セラミックスも強度の高い高純度のアルミナに変更した。

4. 設置
2008 年 7 月中旬，
いよいよ J-PARC への設置作業が始まった。2009 年 4 月にニュートリノビームを生成するという大命題を達成するため，数ヶ月前から工程を綿密に練り，遅れが生じないように最善の努力を行った。ニュートリノ生成機器の設置場所となるターゲットステーション棟の建築工事が 6 月末にようやく終わり，その後設備関係の工事が激化し，様々な業者が並行して作業を行っていた。建築完図 10

了が遅れていただけでなく，設備関係の工事も場所や時間の取り合いによる工程の遅れが生じ始め，われわれの作業の前に終わっているべき工事がなかなか終わらず，結局ニュートリノ生成装置の設置作業は 12 月中旬から本格化することとなった。4 ヶ月後にはニュートリノビームを出さなければならないという極度のプレッシャーと戦いながら。
ターゲットステーション棟には，ニュートリノ生成機器が収められる大型ヘリウム容器 ( 幅 4 m， 高さ 10 m， 長さJ-PARC の陽子加速器は設計ビームパワーが 750 kW であり，KEK 12GeV-PS の約 100 倍にも及ぶ。大強度ビーム運転が始まれば，ヘリウム容器内部で電磁ホーンの近傍は1Sv/h を超す程残留放射線強度が高くなり，電磁ホーンに近づくことすら不可能なほどになる３。そのような環境下においても電磁ホーンが故障した場合に新しい電磁ホーンと３２もちろん，普段はヘッドフォンで耳を保護する。

支持モジュールに懸架された状態の電磁ホーン

コンクリート遮蔽ブロックの上では人間がアクセスできるほど放射線強度は弱くなっている。

251
交換できるように，クレーンの遠隔操作によりヘリウム容をビームラインと一致させる。電磁ホーンの中心軸は，水器から電磁ホーンや鉄遮蔽ブロックなどを引き出すことで，平から 3.64 下を向いているため，アラインメント調整を始

人間が近づかなくても機器を移動することが可能になってめたばかりの頃は，調整が難航した。また，支持モジューいる。クレーンで引き出された放射化した機器は，ターゲッルに懸架された状態では，電磁ホーンの中心軸から支持モ

トステーション棟内にあるメンテナンスエリアと呼ばれるジュール上部マーカーまでは 6 m もあるため，支持モジューこの操作も遠隔操作である)，スペースに移動され(もちろん，ルがほんのわずか傾いているだけでも下部では 1mm 以上ずマニュピュレータや専用のメンテナンス機器を使って，遮れてしまう。そのような困難も，試行錯誤の末アラインメ

T2K蔽ブロック越しにメンテナンスなどの作業が行われる。

ント技術が向上して解消されていった。実際，調整後の電実験では，こうして高度に放射化したものでも交換・メン

磁ホーンは，水平からの角度で 3.64  0.005， 高さ方向はテナンスを行うことを可能としている。

6 m の高低差に対して 1mm 以内(約 0.017 % )で調整を行う

ニュートリノ生成機器の設置作業の準備作業は，ターゲッことが出来た５。

トステーション棟の地上における設置作業場所のセットアッアラインメント作業が終了後，ヘリウム容器に設置するプから始まった。電磁ホーンのアラインメント調整や支持前に試験通電を行う。調整架台には，支持モジュールを 2モジュールに懸架された状態での試験通電を行うことが出台分設置できるスペースがあるが，そのうちの片方には通来るような架台(以下，調整架台)の設置を行った。他の業電設備が設置されている。設置前に 1 週間程度の長時間通者の作業スケジュールにより，クレーンを思うように使え電を行い，初期不良による故障を洗い出すのが目的である。

ないという状況下で，約 2 ヶ月を要してセットアップが完

本来ならば一日中連続通電を行いたいところだが，日中は了した(図 11)。

他の作業があるため夜間のみの通電を行った。日中も作業を行っているわれわれのみでは通電の監視を行いきれないので，T2K 実験のコラボレータの協力を得て毎夜の通電が可能となった。
試験通電が終わればいよいよヘリウム容器への設置である。コリメータ，3 台の電磁ホーンと計 4 台の機器がある
ため，1 台ずつ組立→アラインメント→試験通電(コリメータ以外)→設置という流れで順次ヘリウム容器に設置していく予定であった。1 台あたりに要する時間は 1 ヶ月弱である。9 月中旬からコリメータの設置作業を始めたので，12月末までには全数設置が終わっているはずであったが，7月から続いていた慢性的なクレーンの取り合い問題によりコリメータのヘリウム容器への設置時期が 12 月中旬までず

図 11

調整架台に設置された電磁ホーンと支持モジュール

ヘリウム容器に設置する前に調整架台においてアラインメント調整を行う。初回の設置の際は，ビームラインレベ
ルで測量を行うことできるため，正確な機器のアラインメントを行えるが，ヘリウム容器内が放射化した後ではビームラインレベルでは直接アラインメントができない。そこで，以下のような方法でアラインメントを行う。
支持モジュー
ル上部にアラインメント用マーカーを設ける。電磁ホーンの中心軸(ビームラインに一致するべき軸)に対してこのマーカーの相対位置関係を精密に測量する。ヘリウム容器に設置後，コンクリート遮蔽ブロックが置かれれば人間がアクセス出来るため，このマーカーを基準にして支持モジュールの位置や高さを調整することにより４電磁ホーンの中心軸４れ込み，深刻な遅れが生じていた。11 月頃には，日中はクレーンがまったく使えない状況が続いていたので，クレーン作業を行う日は夕方から作業を始めて深夜まで(時には明け方まで)作業を行うこともしばしばあった。そのような血のにじむ努力の末にコリメータの設置を行う日を迎えた訳であるが，コリメータの設置作業を開始していよいよ所定の位置に置こうというその瞬間，われわれは思いもよらぬ事実に直面した。ヘリウム容器の中に施工されている冷却水配管が支持モジュールと干渉して，所定の位置まで下ろせないのである。何本も張り巡らされている配管の一部が設計値よりも 5 センチほど高く施工されていたのである。
その他にも似たような干渉問題はいくつかあった。ヘリウ
ム容器の内部は，放射線が外に抜けてこないように極力隙間を減らす設計となっている。機器と容器，機器同士，機支持モジュールの 4 ヶ所の支点には，三次元に移動可能な位置調整台座が置かれている。一旦設置した後も，水平方向に 30 mm，高さ方向に 5 mm の移動が可能である。

５高さ方向の誤差の半分は，使用した長尺の製作精度によっている。

252
器と遮蔽ブロックの隙間は設計上すべて 30 mm しか取って2 月に入り，ヘリウム容器の真空引き試験を行った６。そいない。このような隙間のない空間の中で，配管一本を取っの後は，ニュートリノ生成機器用の冷却水配管の接続作業，ても数センチもずれることは許されないのである。結局，電磁ホーンへの給電用バスバーの接続作業を行い，3 月後容器内部の干渉部分をすべて修正するのに 1 ヶ月を要した。

半には，第一ホーンのヘリウム容器内での通電を行えるま

年が明けて 1 月 10 日，再びコリメータを設置する日を迎でこぎ着けた。4 月 23 日，ビームコミッショニングにおいえた。干渉はすべて直したはずであるが，機器が設置され晴れてニューて陽子ビームが初めて T2K の標的に照射され，るまでは気が抜けない状況であった。作業を開始して約 1トリノビームを生成することに成功した。4 月，5 月に 9 日

時間後，ようやく最初の機器コリメータがヘリウム容器に間のビームコミッショニングを終え，6 月からは第二・第設置された。作業自体は非常にスムーズに行われた。10 日

三ホーンの設置作業が再開された。この時には，経験を積後には第一ホーンの設置が行われ，こちらも問題なく設置んだおかげですべての作業が順調に行われ，7 月上旬に第が完了した(図 12)。

二ホーンが(図 13)，8 月上旬に第三ホーンがヘリウム容器に設置された(図 14)。紆余曲折はあったものの，1 年以上を要してようやくニュートリノ生成機器全数の設置が完了したのである。

図 13

図 12

クレーンに吊られ設置中の第一ホーン(上)と設置完了後の第一ホーン(下)６ヘリウム容器に設置中の第二ホーン

ヘリウム容器は，ディケイボリュームと一体となっており，全体を真空引きした後，ヘリウムを充填する。

253
改良を加えることなくしばらくの間 320 kA で運転していた経緯がある。そのため，つくばでの通電試験の最中に何度か故障のトラブルに見舞われた。2008 年 9 月には，つくばにおいて第二ホーンの長期運転試験を行っていた最中に 2台のうち 1 台の電源が故障し，まったく起動することもできないほどまで深刻なトラブルに陥ってしまった。原因調KEK査に進展のないまま数ヶ月が経ってしまった。そこで，加速器の小関国男氏をはじめとするパルス電源のエキスパー
トに原因調査を依頼したところ，パルス出力の際に発する高調波により回路部品が故障したためであることが判明した。パルス電源内部では，コンデンサに数 kV まで充電した後，瞬時にスイッチを入れてパルス電流を流すが，この際，高圧ケーブルの浮遊容量を充放電する高調波が電源の接地ラインに流れ込み，接地電位を大きく揺さぶるため接地ラインに接続された制御回路などが誤動作するのが原因であった。接地電流を計測したところ，高圧ケーブルから接地ラインには 400 A もの接地電流が流れ込んでいた。根
本的に接地系統に問題があった上に，定格電流以上の過負荷で長期間運転を行ってきたため，故障するのもやむを得ない。接地ラインに流れ込む接地電流を抑えるのは大きな改良を伴い労力を要するため，対処療法として，接地ライ
図 14 ヘリウム容器に設置された第三ホーンンに繋がる制御機器との間にノイズフィルターを追加することにより，ノイズにより制御回路が誤動作する確率を大5. 運転幅に軽減させることができた。安定に運転できるようには

5.1 冷却水循環装置なったが，電源に大きな負荷をかけて長期間運転するのは電磁ホーンの冷却水循環装置は，供給用の循環ポンプと危険であるため，現在は 250 kA で運転を行い，負荷を下げドレインタンクに溜まった水をくみ上げる自吸式ポンプのた状態で使用している。T2K 実験が行われる今後 5 年以上

2 種類のポンプからなる。自吸式ポンプでくみ上げられたもの間，故障のリスクを抱えたまま実験を行うのは大変危

冷却水は，バッファータンクに集められ，再び循環ポンプ険であるため，現在新しい電源の開発・製造を行っている。

により電磁ホーンに供給される。ここで重要なのは，供給新しい電源では，接地系統を抜本的に見直し，原理的に接する冷却水流量とくみ上げる流量が長時間にわたりバラン地電流が流れないような回路を採用した。誤動作や故障のスすることである。3 月上旬には，第一ホーン単体で冷却リスクの非常に小さい新しい電源の完成を待望している。

水循環を始めたが，単体では問題なく冷却水をバランスよ2009 年 3 月に上述したような故障から復帰し，何とか 4く循環させることができた。問題は，電磁ホーンが 2 台，3月のビーム試験に目処がついた。4，5 月のビームコミッショ台と増えた時にバランスよく循環できるかである。それぞニングでは，大きなトラブルもなく安定に運転することがれ単体でバランスよく循環できるように調整を行ったとこできた。9 月には，第二・第三ホーンがヘリウム容器に設ろ，3 台同時でも安定した循環を行うことができた。現在置された状態での通電を行い，こちらも安定に運転できた。

では，1 週間以上連続で冷却水循環を行っているが，バラしかしながら，ヘリウム容器にヘリウムが充填され，ヘリンスを崩すことなく安定な運転ができている。

ウム中での通電を初めて行った 11 月中旬にまた問題が起こった。ヘリウム中でバスバーが放電したのである。バス5.2 電源

バーの高圧側と低圧側の極板間の電位差は 1kV 以下であり，現在 T2K 実験で使用している電磁ホーン用電源は，K2K

ヘリウム中での耐電圧は 3 kV 以上と評価していたので問題実験で使用されたものを再利用している。K2K 実験では，ないであろうと見ていた。実際には，バスバー極板の対地2 台の電源で 2 台の電磁ホーンを運転していたが，T2K 実電位は 3 kV に達するまでなっていた(図 15)。電流増幅に使験では 3 台の電磁ホーンを使用するため，第二・第三ホー用しているパルストランスの二次側での電位がフローティンを直列に接続し 1 台の電源で同時運転できるようにした。

ングになっており固定されていなかったため，トランス一この電源は，元々定格電流が 250 kA のところを特段大きな次側の高電位( 6 kV )に AC 結合で引っ張られて二次側の対254

図 16

トランス二次側バスバーを接地後の電流・電圧波形

6. まとめT2K 実験の計画が始まってからすでに 10 年たった。世界最大強度のニュートリノビームを作り出すために，T2K
実験グループはもちろん，加速器グループ，超伝導グルー

KEK の施設部をはじめとする管理局，プ，放射線グループ，業者などなどの皆さんが限界まで努力し続け，今，プロジェ
クトはここまでこぎつけた。けれど，本当に世界最大強度のビームを実現するにはまだまだ課題は山積しており，担当者はこれからも眠れない夜を多く過ごすことだろう。け320 キロアンペアの電流が初めて流れた時のように，
れど，
図 15

トランス周辺の電流および電圧(上)と放電時の波形(下)パルス出力時に 3 kV 付近まで電圧が上がった後，急に 0 V 付近に電圧が降下している。Ch1：トランス一次側電流(高圧側)，Ch2：節目節目には大きな喜びがあるので，それを目標に一歩々々歩んでいけばきっと何とかなると思う。

同一次側電流(低圧側)，Ch3：トランス二次側電流(高圧側)，Ch4：同二次側電流(低圧側)，Ch5：同二次側電圧(高圧側)，Ch6：同二次側電圧(低圧側)。M1：Ch5 と Ch6 の差分。

参考文献
[1] S. van der Meer, CERN-61-07 (1961).

地電位も上がってしまったのが原因である。今までは空気中で通電していたため耐電圧は 10 kV 以上なのでまったく問題にならなかったが，ヘリウム中で通電して初めて問題が浮き彫りになった。そこで，二次側バスバーを電位固定のため接地することにより，対地電圧を 700 V 程度まで抑えることができた(図 16)。現在は放電の兆候は見られずヘリウム中でも電磁ホーンを安定に運転できている。12 月には，ついに 3 台の電磁ホーンを同時に通電した状態でビームを出し，ダンプ直後のミューオンモニターや，前置検出器で収束の効果が確認された。

[2] R. B. Palmer, CERN-65-32 (1965) 141.