177■研究紹介

J-PARC リニアックにおける 181MeV 加速の達成
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設

池 上

雅 紀

masanori.ikegami@kek.jp
2007 年 3 月 12 日

1. はじめに2007 年 1 月 24 日，J-PARC リニアックにおいて目標エネ

2. J-PARC リニアック
2-1. 概要

ルギーである 181MeV の加速に成功した．J-PARC（Japan

J-PARC リニアックのビームコミッショニングについてProton Accelerator Research Complex）は，高エネルギー

述べる前に，まず，J-PARC リニアックにおいて求められ加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究開発機構（JAEA）ているビーム性能とその背景について簡単に整理しておきが共同で茨城県東海村に建設している大強度陽子加速器施たい．

設である．J-PARC 第一期計画の加速器は 181MeV のリニ

J-PARC のリニアックは，図 5 に示すように 3 MeV の

ア ッ ク ， 3GeV の 速 い 繰 り 返 し の シ ン ク ロ ト ロ ン

RFQ（Radio-Frequency Quadrupole）リニアック， 50 MeV（ Rapid-Cycling Synchrotron, RCS ）， 50GeV の主リングのドリフトチューブリニアック（Drift-Tube Linac, DTL），（Main Ring, MR）から成り，リニアックの出力ビームエネ

181MeV の 機 能 分 離 型 ド リ フ ト チ ュ ー ブ リ ニ ア ッ ク

ルギーについては，第二期に移行する前に環結合型結合空（Separate-type DTL, SDTL）の三つのタイプの加速構造を

洞リニアック（Annular-Coupled Structure linac, ACS）を組み合わせて，イオン源で発生した 50 keV の負水素イオン

追加し，400 MeV に向上させることが計画されている[1,2]．

ビームを 181MeV まで加速する [1,2]． RFQ は長さおよそ

図 1 は J-PARC のレイアウトを示した図であり，図 2 は最

3 m の空洞 1 台，DTL は長さおよそ 9 m の空洞 3 台からな

近撮影された J-PARC サイトの航空写真である．

る．また，SDTL は長さがおよそ 1.4 m から 2.6 m の空洞 30

計画第一期の加速器の建設は 2001 年から開始され，2008

台からなっている．各空洞の運転周波数は 324 MHz であり，

年 3 月に終了する予定である．図 3，図 4 に示すように，

高周波電力は最大出力 3 MW のクライストロン 19 本によRCS はすでに建屋が完成し機器のインストールも完了しつって供給される．

つある．MR の建設も最終段階に入り，建設が完了したセ

このように複数のタイプの加速構造を組み合わせてビー

クションから機器のインストールが始まっている．J-PARC

ムを加速するのは，いうまでもなく，電子や陽電子の場合

リニアックは 2006 年 3 月に建屋が完成し，7 月から 8 月にと異なり，負水素イオンの速度がすぐに光速に近づかない

かけての機器の最終アライメント，9 月から 11 月にかけてためである．加速する粒子の β が異なると電力効率のよいの高周波空洞の高電力コンディショニングを経て，11 月 20加速構造が異なるため，J-PARC リニアックでは上記のよ日にリニアック単独のビームコミッショニングを開始した．

うな三つのタイプの加速構造を組み合わせた構成を採用し今回のビームコミッショニングは 2007 年 6 月末までおこなている．

われる予定であり，夏期のシャットダウンを経て，下流のRCS までを含めたビームコミッショニングとして 9 月下旬に再開される予定である．また，リニアックの初段部分については，東海村の J-PARC サイトへのインストールに先立ち，2002 年から 2004 年にかけて高エネルギー加速器研
究機構のつくばキャンパスでビームコミッショニングをおこなっている[3-7]．

このことはまた，負水素イオンの加速においては各加速空洞に供給する高周波電場の位相と振幅をとくに精密に調整する必要があることを意味している．一般にリニアック
では荷電粒子は高周波空洞の中の加速ギャップで電場を受けて加速される．加速ギャップには高周波の電場がかかっているので，粒子が次の加速ギャップに到達したときに再び加速される位相に乗るように，加速ギャップの間隔が調

J-PARC 加速器の特色やつくばキャンパスにおけるビー

節されていなければならない．粒子の速度が光速に近づい

ムコミッショニングについては過去の高エネルギーニューてしまえばこの間隔は一様でよいが，上述の負水素イオン

ス[1]で詳しく報告されているので，本稿では概要を述べるのように加速に応じて β が大きく変化していくときには，にとどめ，J-PARC サイトで現在おこなわれているリニア

それに応じてギャップ間隔も調節する必要がある．ギャッックのビームコミッショニングに重点をおいて報告する．

178

図 1. J-PARC 加速器のレイアウト

図 2. J-PARC サイトの航空写真（2006 年 11 月撮影）

179

図 3. J-PARC 加速器の建設状況（外観）

図 4. J-PARC 加速器の建設状況（内部）180

図 5. J-PARC リニアックのレイアウト
プ間隔とビームの β の間に不整合があると，ビームのエネ

射したミクロバンチはおよそ 250 回リングの中を周回する

ルギーに不要な振動が誘起され，ビームの質の劣化を招くことになる．すなわち，リニアックのビームを RCS に入射こととなる．

する際には，先に入射したミクロバンチの上に次々と重畳

たとえば，J-PARC リニアックに 3 台ある DTL の第 1 空

していく形でミクロバンチを入射しなければならない．し洞においては，長さがおよそ 9 m の空洞の内部に 76 の加速

かし，古典力学においてよく知られているように，すでにギャップがあり，そのギャップ間隔は最上流の 7.4 cm から周回しているビームの軌道に同種の粒子の入射ビームの軌

最下流の 18.6 cm まで，一つずつ異なる値に調整されている．

道を重ね合わせようとした場合，その重畳の度合いはリウ

このギャップ間隔に整合した β の変化をビームに与える，

ビウの定理（Liouville’s theorem）によって限界が定められすなわち加速をおこなうためには，設計値通りの加速電場てしまう．J-PARC で採用している荷電変換入射では，リを各ギャップに印可する必要があり，そのために精密な高ニアックで負水素イオンを加速し，RCS への入射の際に荷周波電場の位相と振幅の調整が要求されるのである．

電変換フォイルを用いて陽子に変換することにより，リウ
ビウの定理に起因する限界に制限されずに限られた位相空

2-2. ビーム強度とバンチ構造
J-PARC リニアックの第一期計画の設計ピークビーム電間の中にミクロバンチを効率よく重畳していくことを可能にするのである．

流は 30 mA ，パルス幅は 500 μ sec ，ビームパルスの繰り返

上記のようにリニアックのビームを RCS に入射すると，しは 25 Hz であり，後述のチョッピングを考慮しないときのRCS の全周にわたってビームが分布してしまう（厳密には，

平均ビーム電流は 375 μA ，平均ビームパワーは 67.9 kW にRCS の加速空洞を用いた断熱捕獲法と呼ばれる手法によっなる．

て後述のリングバンチを形成することができるが，バンチ

J-PARC のリニアックで，陽子ではなく負水素イオンを加速するのは，下流の RCS への入射時に荷電変換入射と呼ばれる入射方法を採用しているためである．リニアックのの間隙に取り残される粒子の密度を十分低いレベルにまで抑えることが難しい）．一方，RCS からビームを取り出す
際には，RCS 軌道上に設置されたキッカー電磁石でパルス

加速空洞の運転周波数は 324 MHz であるため，パルス幅

的に磁場を発生させ，ビームを横方向に蹴り出す必要があ500 μ sec のビーム（マクロバンチ）の中に，およそ 3 nsec 間る．このとき，全周にわたってビームが分布していると，隔の微細なバンチ構造（ミクロバンチ）をもっている．一キッカー電磁石の立ち上がり，立ち下がり時の過渡状態で，方，入射エネルギーである 181MeV 付近では，RCS 中のビ

一部のビームが中途半端に蹴られ正しく取り出されない．

ームの周回周波数は 0.5 MHz 程度なので，リニアックから正しく取り出されなかったビームはビーム損失の原因となの 1 マクロバンチのビームを入射している間に，最初に入り，加速器本体の放射化を引き起こす．このようなビーム

181

図 6. 高周波チョッパーの概要
写真で，上下から突き出している角柱のようなものが電極，左右から突き出しているパイプがビームパイプ．

損失による加速器本体の放射化は，J-PARC のような大強チョッパーシステムでは，ビームのリング周回周波数の 2度加速器施設では，機器のメンテナンスを著しく困難にす

倍に同期したおよそ 1MHz の繰り返しをもつ中間バンチ構る．そのため，加速器の性能向上のためには，いかにビー造が形成されるため，2 個のリングバンチが RCS 中に形成

ム損失を低く抑えるかが本質的に重要な課題となる．

される（入射過程において，奇数番目の中間バンチが一方

この問題を克服するために，J-PARC では高周波チョッのリングバンチに，偶数番目の中間バンチがもう一方のリパーと呼ばれるシステムを採用している[7,8]．図 6 に示す

ングバンチに重畳されていく）．このリングバンチの間隙をように，高周波チョッパーはビームを横方向に蹴り出す電

ぬってキッカー電磁石の立ち上げ，立ち下げをおこなうこ場を発生する高周波偏向空洞（チョッパー空洞）と高周波とにより，ビームの損失を大幅に低減したビームの取り出

偏向空洞で蹴り出されたビームを取り除くスクレーパからしを可能にするのである．

なる．高周波偏向空洞は，チョッピングの過程で中途半端に蹴られるミクロバンチを極力減らすため，10 nsec という極めて速い立ち上がり，立ち下がり特性をもつように設計されている．この高周波チョッパーを用いて，マクロバン
チを構成するミクロバンチのうちおよそ 46% をエネルギ
ーが低いうちに間引いておくことによって，図 7 に示すような中間バンチ構造が形成される．リニアックのビームがビームのリング周回周波数の整数倍に同期した中間バンチ構造をもつことにより，RCS に入射した際に全周にビームが分布するのではなく，整数個の大きなバンチ構造（リングバンチ）を形作るようにすることができる．J-PARC の

図 7. リニアックのビームバンチ構造（左）とRCS のビームバンチ構造（右）182
上記の目的のための高周波チョッパーシステムは，RFQ

エネルギーの粒子は加速するような動作点（高周波空洞のと DTL をつなぐ長さ 3 m のビームトランスポートライン

同期位相）を選択することにより，縦方向の収束作用を働（Medium Energy Beam Transport, MEBT）に設置されていかせることができる．このような収束作用を働かせた場合，る．また，リニアックと RCS をつなぐビームトランスポー

設計エネルギーで，かつ設計位相に入射したビームは入射トライン（ Linac to 3-GeV synchrotron Beam Transport,

した位相平面上の点（安定不動点）に留まるが，位相方向

L3BT）には，高周波偏向空洞の立ち上がり，立ち下がり時

あるいはエネルギー方向にオフセットを加えた位置に入射に中途半端に蹴られた粒子を取り除くために，ハロースク

されたビームは，高周波空洞のもつ収束作用によって安定

レーパが設置されている[9,10]．

不動点の周りを周回し始める．この縦方向位相平面におけ

このチョッパーによるビームの間引きを考慮に入れると，る安定不動点の周りの周回をシンクロトロン振動と呼ぶ．

リニアックの設計平均ビーム電流はおよそ 200 μA ，平均ビ

シンクロトロン振動をおこなうビームは高周波空洞に印加ームパワーはおよそ 36.7 kW になる．

された高調波成分の効果や，加速電場自身の非線形性，空チョッパーは RCS における大強度ビームの加速を可能とするための鍵となる機器の一つであり，その性能試験は
現在おこなわれているリニアックのビーム試験における大きなテーマの一つである．

2-3. エミッタンスと運動量広がり
J-PARC のような大強度加速器施設では，空間電荷効果，
すなわちビームを構成する個々の粒子間に働くクーロン力の効果が最終的なビームの品質やビーム損失に大きな影響

間電荷力のもつ非線形性によって，振動数にばらつきが生じ，やがて位相平面の広い範囲を埋め尽くすようになる．

J-PARC では，わずかにビームエネルギーを設計エネルギ
ー（安定不動点のビームエネルギー）からずらして入射することによってシンクロトロン振動を誘起し，縦方向の空間分布密度を下げることが計画されている．このようなオフセット入射を制御しておこなうためには，リニアックから入射するビームのエネルギーのばらつきが十分小さい必要がある．

をもたらす．J-PARC や米国の SNS（Spallation Neutron

上記のようなペインティング入射とオフセット入射を実Source）に代表される次世代の大強度加速器の実現に向け現するために，リニアックの出力ビームの横方向エミッタて精力的におこなわれてきた数多くの研究の結果から，空ンス（非正規化エミッタンス）を 6π mm imrad 以下，運動間電荷効果そのものや，空間電荷効果が周期的な外場と絡量分散を 0.2% 以下（中心運動量のジッターを含む）にする

み合って引き起こす種々の共鳴現象がビームのエミッタン

ことが求められている．これらは，機器の設置誤差や種々ス（位相空間においてビームが占める体積）の増大を引きの運転パラメータの安定性など，現実的なエラーを考慮し起こし，ひいてはビーム損失の原因となると考えられていた際に到達しうる限界に近い値であり，極めて精密な運転る[11]．この空間電荷効果を軽減するため，リニアックから

パラメータのチューニングなくしては，その実現はおぼつ

RCS への入射に際して，J-PARC ではペインティングといかない．J-PARC リニアックのビームコミッショニングにわれる入射手法が採用される[12]．ペインティング入射におおいては，機器のメンテナンス性を維持するためにビーム

いては，入射過程完了後のビームの空間密度が小さくなる

損失を極めて低く抑えることに加えて，上記の条件を満たよう個々の中間バンチの入射位置が制御される．ビームのすための極めて精密な運転パラメータのチューニングが要

空間分布に疎密があると密な部分の空間電荷効果が顕著に求されている．

なるため，ビームを広い範囲に一様に分布させなければならない．このペインティング入射を効率よくおこなうため

3. ビームコミッショニングの経過には，リニアックから入射されるビームの横方向（ビームの進行方向に垂直な方向）のエミッタンスを小さくする必要がある．
一方で，空間電荷効果を抑制するためには，縦方向（ビームの進行方向）についてもビームの空間密度を小さくする必要がある．J-PARC では，縦方向の位相平面（粒子のエネルギーとその地点への到達時刻（位相）で張る位相平面）において，ビームの分布をできるだけ広い範囲に一様に分布させるためにオフセット入射という入射方法が計画されている[13]．一般に高周波空洞を用いた加速器では，設計エネルギーよりも高いエネルギーの粒子は減速し，低い

J-PARC 加速器のビームコミッショニングは，各加速器の完成に合わせて段階的におこなう計画になっている．リ
ニアックのビームコミッショニングは 2006 年 11 月に開始され，2007 年 6 月末まで続ける予定である．その間，RCS
は機器の最終アライメントとオフビームコミッショニング（ビームを用いない試運転）をおこなっている．2007 年 9月から 2008 年 3 月にかけて RCS のビームコミッショニン
グをおこない，2008 年 5 月から MR のビームコミッショニングを開始する計画である．現在おこなわれているリニア
ックのビームコミッショニングでは，下流の RCS で機器の

183

図 8. ビームダンプのレイアウトとダンプ容量設置が進められていることから，図 8 に示すように四つあ

ナンスに支障をきたす．そのため，DTL 以降は最下流の 0るビームダンプのうち二つだけが利用可能である．現在，

度ダンプまでビームストッパーが設けられていない．また，利用可能なビームダンプは 0 度ダンプと 30 度ダンプの二つ

前述のように，イオン加速器においては個々の加速空洞にであり，ダンプ容量はそれぞれ 0.6 kW と 0.1kW である．

供給する高周波電場の位相と振幅を正しく調整しないとビ

このダンプ容量が今回のビームコミッショニングで加速でームが正しく加速されないため，上流から 1 台ずつ加速空

きるビームパワーの上限となる．

洞の位相と振幅を調整していく必要がある．したがって，

リニアックのビームコミッショニングは 2 週間の連続運第 1DTL 空洞（DTL1）へのビーム入射試験は，DTL1 で加転を 1 サイクルとし，途中にメンテナンスのための休止期速された 19.7 MeV のビームを 300 m 下流のビームダンプ

間を挟みながら 2007 年 6 月末までに 9 サイクルのビーム試まで導きながらおこなう必要があった．本来， 181MeV ま験を予定している．本稿執筆時点（2007 年 3 月初旬）で最で加速したビームを輸送するよう設計されたビームライン

初の 4 サイクルが終了しているため，本稿は今回のビームに約十分の一のエネルギーのビームを 300 m 近く通すこと

コミッショニングのほぼ半ばでの経過報告となる．

になるため，ビーム輸送を確立するまでにどの程度の労力

J-PARC リニアックのビームコミッショニングはまだシステムとしての基本的な動作確認の域を脱していないが，
それでもこれまでのビームコミッショニングの中でわれわれにとってハイライトと呼ぶべき場面が二つあった．一つは初めてビームを DTL に入射したときであり，もう一つは
初めて 181MeV 加速を達成したときである．

3-1. DTL へのビームの入射
DTL へのビームの入射は 2006 年 12 月に第 2 サイクルでおこなわれた．それまでのビーム試験は MEBT に設置されを要するか，皆，予想だにつかなかった．収束のための四重極電磁石は 19.7 MeV のビーム輸送に最適化した値に設定したが，DTL1 で正しく加速がおこなわれないことには収束力が強すぎてビームは失われてしまう．DTL1 の振幅と位相が正しくなければビームが加速されないため，ビー
ムを入射したら速やかに振幅と位相をスキャンしてビームが透過する設定を探さなければならない．また，正しくビームが加速されたとしても，四重極電磁石のミスアライメ
ントによってビームが大きく蛇行し，ビームが途中で失われる可能性もある．

たビームストッパーでビームを止めておこなわれたが，

DTL1 以降 0 度ダンプまでに 25 台のビーム電流モニター

DTL にビームを入射するにあたって，初めて 300 m 下流のがある．ビーム軌道を補正するステアリング電磁石をいつ

0 度ダンプまでビームを輸送する必要が生じたのである．

でも操作できるように準備して，25 台の電流モニターの波

ビームラインの途中にビームストッパーを設置するとビー形を 4 台のディスプレイいっぱいに表示しながらビームシ

ムストッパー本体が放射化するため，周りの機器のメンテ

ャッターを開けた．DTL1 の位相を 10 度，20 度と振っていき，ビームを入射した数分後には 0 度ダンプまでのビーム

184

図 9. DTL にビームを初めて入射した際のビーム電流波形
上段左端が SDTL 出口から 20m ほど下流の電流モニター，上段右端が 0 度ダンプラインの電流モニターにあたる．
各波形の右下の数字がピーク電流の値（mA）．

輸送を確認することができた．われわれも驚いたことに，

この日，4 台のディスプレイいっぱいに表示されたビー

ステアリング電磁石をまったく使うことなく， 300 m のビム電流波形を見たときの感慨はうまく言い表せない．図 9ーム輸送においてほぼ 100% の透過効率を達成できたのではそのときのビーム電流波形の一部である．まだソフトウ

ある．

ェアの操作に不慣れで縦軸の調節がうまくできず，ビーム

J-PARC 加速器は，海岸沿いというアライメントの観点からいうと非常に厳しい立地条件の下に建設されている．サイトの地下深く（図 2 にも海岸線を見ることができる）に泥岩層があるが，その上は厚い砂の層に覆われており，波形がとても小さく表示されているのもご愛嬌である．この日のランは，筆者がリニアックのアライメントシナリオの立案に関わったこともあり，とくに感慨深いものがあった．

その砂の層の中には地下水脈があることが確認されている．
とくにリニアックの建屋は地下水脈を遮断するように配置

3-2. 181MeV 加速

されており，建設当初から床レベルが地下水位の変動の影

181MeV 加速へのトライは 2007 年 1 月に第 3 サイクルの響を受けることが懸念されていた．そのため，アライメン

中でおこなわれた．第 2 サイクルの最後に第 3DTL 空洞

ト期間中の床レベルの変動に細心の注意を払いながら，機（DTL3）までの調整を終え， 50 MeV までの加速は確立し器のアライメントをおこなう必要があった．J-PARC リニていた． 181MeV 加速へのトライは，上述の DTL1 へのビ

アックでは，機器の設置開始から最終アライメント完了まームの入射とはだいぶ趣の異なるものとなった．実は，で，ほぼ 1 年を要している．精密な測距機能を備えたトー

181MeV 加速は 1 月 19 日に一度挑戦したがうまくいかず，

タルステーションやレーザートラッカーなど最新の測量機準備をやり直して 1 月 23 日に再挑戦することとなったので

器を駆使して機器のアライメントをおこなうとともに，床ある．このサイクルは 1 月 24 日までの予定であったため，レベルの確認測量をアライメント期間中幾度となくおこな

ラン最終日の前日でのトライということになる．このサイった．高精度の水管傾斜計（連通管）と伸張ワイヤーを用

クルのランの目標は「次のサイクルで原子力安全技術セン

いた床変動の常時モニタリングは現在もおこなっている

ターの運転時検査を受検するための条件を満たす」ことで[14,15] ． ス テ ア リ ン グ 電 磁 石 を ま っ た く 使 う こ と な くあり，そのために必要な事前の線量測定などの時間を考え

300 m のビーム輸送を確立できたことは，われわれのこのると，その日のうちに 181MeV 加速を達成する必要があっような努力の結実であるといってよいと思う．

た．

185
SDTL は，30 台の SDTL 空洞からなるが，隣り合う 2 台の空洞が 1 台のクライストロンで駆動されており，振幅と位相の調整はこの 2 台を 1 組としておこなう．振幅と位相の調整は，下流にある二つのビーム位相モニターでビームのエネルギーを測定しながらクライストロンの振幅と位相をスキャンすることによっておこなわれる[16]．急遽方針転換したこともあって，ソフトウェアの準備が間に合わず，
マニュアルで振幅と位相をスキャンすることになった．その日の午前 10 時頃から調整を開始したが，1 台のクライス
トロンの調整におよそ 1 時間かかる．休憩もそこそこに調整を続け，明けて翌 24 日の午前 0 時 53 分にようやく181MeV 加速を達成した．図 10 はそのとき測定したビーム

図 10. 181MeV 加速時のビームエネルギー

エネルギーである．このときのピーク電流は 5 mA ，パルス

2 台のビーム位相モニターを用いた飛行時間法による測定結果．

幅は 20 μ sec ，繰り返しは 2.5 Hz であった．ビームパワーでいうと，およそ 45 W ということになる．23 日の深夜には，

24 日にはパルス幅を 50 μ sec にのばしてビームパワー

181MeV 達成の瞬間を分かち合おうと駆けつける人も多数

120 W の運転をおこなうとともに，30 度ダンプへ初めてビいたが，次の日のランもあるため，お祝いもそこそこに，ームを入射する試験をおこなった．平行してビーム加速中

その日のランは切り上げた．

の線量測定をおこない，運転中の漏洩線量が申請値を下回

DTL への初入射の際は，構えた割にあっさりとビームがるレベルであることが確認できた．SDTL の調整時には二通ってしまい少し拍子抜けした感もあったが，今回は試験

つのビーム位相モニターを用いた飛行時間法

が深夜に及んだこともあり，疲労の入り交じった独特の緊（Time-Of-Flight method）でビームのエネルギーを測定し張感の中での達成となった．図 11 は一眠りしたあと 24 日ていたが，30 度ダンプへの入射時に偏向電磁石でビームをの朝に中央制御棟で記念撮影した写真である．

曲げることによって，エネルギーが 181MeV 付近であるこ図 11. 181MeV 達成時の記念撮影（2007 年 1 月 24 日）

186

図 12. 30 度ダンプへの入射試験
ビーム電流モニターによる測定ビーム波形．

とを再確認することができた．図 12 は 30 度ダンプへのビーム輸送試験をおこなったときのビーム電流波形を示したものである．ビーム電流は Slow Current Transformer（SCT）と呼ばれる電流モニターで測定されている．

4. ビームコミッショニングの今後
第 4 サイクルでは，運転時検査の受検の他に 181MeV 加
速での高周波チョッパー駆動試験とシングルショット運転

この結果をもって，2 月の第 4 サイクルで原子力安全技の試験をおこなった．図 13 は高周波チョッパーによって生術センターの運転時検査を受検し，無事合格することがで成された中間バンチの波形を示したものである．高周波チきた．これで J-PARC リニアックは晴れて公式に放射線利ョッパーの運転は，前述のように，下流の RCS における定用施設として完成したと認められ，「調整運転」を完了して常運転時のビーム損失を低減するためにとくに重要なもの

今後は「運転」をおこなうことになる．J-PARC リニアッである．一方，シングルショット運転は下流の RCS や MR

クの場合，単独のビーム利用施設をもたないため「運転」といっても利用者に対するビーム供与を意味しないが，わ
れわれのプロジェクトにとって，この合格は形式的なもの
以上の大きな意味をもっている．J-PARC では，リニアックに続いて RCS，MR と段階的に施設を完成させ，ビーム
コミッショニングをおこなうことが計画されているが，その節目節目で放射線利用施設としての「変更申請」をおこなうことになる．この変更申請のためには，変更前の申請に対して施設検査を合格していることが前提条件となる．
すなわち，RCS を追加申請するためには，リニアックの検査に合格していることが必要であり，MR を追加申請するためには，RCS の検査に合格していなければならない．今回のリニアックの合格は，当初の予定よりも 2 ヶ月ほど早図 13. チョッパー運転時のビーム電流波形

く得ることができたが，機器の故障などの不測の事態が後続の加速器の申請スケジュール，ひいては建設スケジュールに影響を与えるというリスクを早期に取り除けたという意味で大きな意義をもっている．

上から，SCT1, SCT2, SCT3, SCT4 と呼ばれるビーム電流モニタ
ーで測定したビーム電流．SCT4 で中間バンチ構造が形成されていることがわかる．各ビーム電流モニターの位置は，図 6 を参照の
こと．

187
のコミッショニング初期のビーム損失を低減する上で重要スクを極力排した堅固でインテリジェントな制御システムな意味をもつ．リニアックは通常一定の繰り返しでマクロを構築することも重要になる．

バンチの加速をおこなうが，シングルショット運転ではビ

一方で，前述の運動量分散の条件を満たすためのデバンームリクエストのあったタイミングでのみマクロバンチがチャー空洞[16]や，エミッタンスの条件を満たすためのハロ加速される．ビームコミッショニングのごく初期においてースクレーパ[10]など，RCS の入射条件を満たすための鍵

は，未調整のパラメータがあることに起因するビーム損失となる機器の調整も残っている．さらに，その先には，RCS

を避けることができない．しかし，下流の RCS や MR のビと MR のコミッショニングが待っている．2008 年度以降にームコミッショニングにおいては，ビームエネルギーが高予定されているビーム供与の開始までに克服しなければな

いため，たとえコミッショニングのごく初期にしか起こららない課題はまだまだ山積しているが，最後に J-PARC リ

ないビーム損失であっても，それによって一度機器が放射ニアックで現在到達しているモニターの精度と機器の再現

化されてしまうと長期にわたって残留放射能が残ることも性を象徴する実験データをあげて，この報告の締めくくり懸念される．ビーム損失の影響を軽減するため「コミッシとしたい．

ョニングの初期にはビームのピーク強度を極端に小さくする」という考え方もあるが，RCS や MR のビーム診断機器
は大強度ビームの診断に最適化されているため，それではチューニングに必要なビーム診断が難しくなる．そのため，シングルショット運転のような運転モードを用いて，ビームの繰り返しを極限まで下げ，コミッショニング初期におけるビーム損失の影響をできる限り小さくするという戦略が取られるのである．このような運転モードは，限られたショットのビームから最大限のデータを取得するよう設計されたビーム診断系と連携することにより， RCS および

MR のコミッショニングにおいて，大きな威力を発揮すると期待される．J-PARC リニアックでは運転を開始してまだ間もないが，少しずつ制御システムが整うとともに運転経験も徐々に蓄積され，このような多彩な運転モードも実現できるようになった．今後も，下流からのビーム要求により迅速に，より柔軟に対応できるようシステムを高度化

図 14 は DTL3 に供給する高周波電場の位相と振幅をチューニングしたときの実験データである．再三繰り返してきたように，陽子リニアックにおいては，高周波空洞の位相と振幅を精度よくチューニングすることがビームの質を高める上の生命線であり，位相と振幅のチューニングスキー
ムが思惑通りに機能するかどうかが，越えなければならな
い最初の大きな山となる．とくに DTL はひとつの空洞の中に含まれる加速ギャップの数が多いことから，チューニン
グの過程でビームが複雑な挙動を示す．また，ビーム診断系を設置するスペースも極端に限られることから，とり得るチューニングスキームも限定され，バックアップスキー
ムを用意することが難しい．図 14 では，クライストロンの振幅を固定して位相をスキャンしながら，DTL3 出口でのエネルギーを飛行時間法で測定している．このときのエネ
ルギーの位相依存性が，図 14 上での一つの曲線になる．こしていく必要がある．

J-PARC リニアックでは，設計値のビームエネルギーである 181MeV を達成したが，ビームパワーで考えるとまだ120 W で，設計値の 0.2% にも満たない．チョッピング後の設計値と比較しても 0.33% である． 181MeV という定格エネルギーは達成したが，ビームパワーという尺度で測ると，まだ「なんとか無事にスタートが切れた」といったところであろう．今後は，チューニングの精度を上げながら，ビームパワーの向上を目指すことになる．前述のように，

J-PARC のような大強度陽子加速器施設では，損失するビームの割合を極めて低く抑えることがビームパワーの増強には不可欠であり，そのためには精度の高いチューニング
が要求される．現状では，ビーム加速後の残留放射能は問
題ないレベルであるが，このレベルを保ちながらビームパ
ワーを 300 倍にすることを目指さなければならない．精度

図 14.

DTL3 の位相スキャン曲線の高いチューニングを実現するためにはビームモニターの各曲線が，クライストロン電圧をある値に保ったときの，出力エ

精度を高めるとともに，高周波空洞をはじめとするハード

ネルギーのクライストロン位相に対する依存性を示している．マ

ウェアが高い再現性をもって安定に動作する必要がある．

ーカーが飛行時間法による出力エネルギーの測定値，曲線がビー

それと同時に，制御系を成熟させ，ヒューマンエラーのリ

ム力学シミュレーションの結果を示す．

188の実験では，五つのクライストロン振幅について同様な測度の高さには本当に助けられています．現場でアライメン

定をおこなっており，測定値がマーカーで，ビーム力学シ

ト作業をおこなわれた空洞グループの方々，ビーム輸送系

ミュレーションの結果が曲線で示されている．図 14 を見る

グループの方々，また関係した企業の方々のご努力に，こと，細かいところで微妙なずれが見られるものの，最終的の場を借りて敬意を表します．

なチューニングの目標が位相で 1 度，振幅で 1% であるこ

本来，ここでコミッショニングチームのメンバーを列挙とを考慮すれば，測定値とシミュレーションは非常によくすべきところなのかもしれませんが，ここでは敢えてそれ合っている．これだけ測定とシミュレーションが一致してはしないでおこうと思います．それは，シフト表の上でコいれば，測定で得られた曲線の形から十分な精度で適切なミッショニングチームにアサインされていなくても，コミクライストロンの位相と振幅を決定することができる．ビ

ッショニングに積極的に参加されている方が大勢おられるームの振る舞いがシミュレーションとよく合うということからです．「コミッショニングチームはここからここまで」

は，ハードウェアが設計通りによい精度でできていることと明確に線引きできないところが，むしろ J-PARC リニアを意味しているのと同時に，ビームモニターがビームの挙

ックのコミッショニングが健全におこなわれていることの動を正確に捉えていることをも意味している．また，この証なのかもしれません．

データは 1 時間程度の時間をかけて取得されたものであるが，それにも関わらずシミュレーションとよく合うということは，加速器が安定に運転されておりクライストロンの位相や振幅の設定の再現性がよいことを示している．実際，
つくばキャンパスでのビームコミッショニングの際に同様のデータをとったときには，お世辞にもきれいな曲線が描

最後に，陰に日向に現場の人たちを支え，また筆者のような若輩に本稿を執筆する機会を与えてくださった KEKの神谷幸秀施設長，小林仁主幹，山崎良成教授（J-PARC
センター副センター長）に，この場を借りて感謝の意を表します．

けるという訳にはいかなかった．そのときと比較すれば，長足の進歩である．

J-PARC リニアックのビームコミッショニングはまだまだ多くの課題を残しているが，これまでに大きな山をいく

参考文献

つか越えることができた．いくつか山を越えるうちに少し[1] 山 崎 良 成 , 長 谷 川 和 男 , 鈴 木 寛 光 , 冨 澤 正 人 ,ずつ明るい視界が開けてきたようにも思う．ビーム試験の“J-PARC 加速器”, 高エネルギーニュース Vol. 24, No. 1,

たびに「どれだけ自分が J-PARC リニアックという巨大なpp. 13-24.

システムを熟知しているかが試されている」と感じると同時に，本当に得難い経験をさせてもらっていると心から感じている． J-PARC 加速器のビームコミッショニングは

RCS，MR とまだまだ続く．一日も早く「RCS での加速成[2] Y. Yamazaki ed., “Accelerator Technical Design Reportfor High-Intensity Proton Accelerator Project, J-PARC”,
KEK Report 2002-13 and JAERI-Tech 2003-44.

功」，「MR での加速成功」の報告がおこなわれる日が来る[3] A. Ueno et al., “Beam Test of a Front-End System for

ことを願うと同時に，より多くの人たち，とくに若い世代

the JAERI-KEK Joint (JKJ) Project”, Procs. 2002 Inter-の人たちの J-PARC 加速器ビームコミッショニングへのnational Linac Conference, p. 356 (2002).

増々の参加を期待したい．

[4] M. Ikegami et al., “Beam Commissioning of the
J-PARC Medium Energy Beam Transport at KEK”, Procs.

謝辞
図 11 にたくさんの人が写っていることからもわかるよ
うに，J-PARC リニアックのビームコミッショニングは各
ハードウェア担当グループ，制御グループ，安全グループ，
運転監視員の皆さんをはじめ，数多くの方々に支えられておこなわれています．J-PARC リニアックのグループは，

KEK のスタッフと JAEA のスタッフの混成部隊です．各メ2003 Particle Accelerator Conference, p. 1509 (2003).
[5] F. Naito et al., “Results of the High-Power Conditioning
and the First Acceleration of the DTL-1 for J-PARC”,
Procs. 2004 International Linac Conference, p. 300 (2004).
[6] Y. Kondo et al., “Beam Dynamics and Commissioningof the J-PARC Linac”, AIP Conference Proceedings 773, p.
79 (2004).

ンバーが所属の壁を意識せず，スムーズに連携できるのは[7] T. Kato et al., “Beam Study with RF Choppers in the

J-PARC のマネジメントに関わる多くの方々のご尽力のおMEBT of the J-PARC Proton Linac”, Procs. 2003 Particle

かげです．また，本文中でも触れましたが，ビームコミッ

Accelerator Conference, p. 1455 (2003).

ショニングにおいて，リニアックの機器のアライメント精189[8] S. Fu et al., “RF-Chopper for JHF linac”, Nucl. Instr.
Meth. A, 440, p. 296 (2000).
[9] M. Ikegami et al., “A Simulation Study on Chopper
Transient Effects in J-PARC Linac”, Procs. 2004 International Linac Conference, p. 342 (2004).
[10] T. Ohkawa et al., “Present Status of the L3BT for
J-PARC”, Procs. 2006 European Particle Accelerator Conference, p. 1756 (2006).
[11] たとえば，T. P. Wangler et al., “Particle-core modelfor transverse dynamics of beam halo”, Phys. Rev. ST Accel. Beams, 1, 084201 (1998).
[12] F. Noda et al., “The Status of Optics Design andBeam Dynamics Study in J-PARC RCS”, Procs. 2005 Particle Accelerator Conference, p. 2759 (2005).
[13] M. Yamamoto, “Longitudinal Beam Dynamics on 3
GeV PS in JAERI-KEK Joint Project”, Procs. 2002 European Particle Accelerator Conference, p. 1073 (2002).
[14] M. Ikegami et al., “J-PARC Linac Alignment”, Procs.
2004 International Linac Conference, p. 474 (2004).
[15] T. Morishita et al., “An Alignment of J-PARC Linac”,
Procs. 2003 Particle Accelerator Conference, p. 2851
(2003).
[16] M. Ikegami et al., “RF Tuning Scheme for J-PARC
DTL and SDTL”, Procs. 2004 International Linac Conference, p. 414 (2004).