PRESENT STATUS OF JAEA-TOKAI TANDEM ACCELERATOR
AND BOOSTER
Makoto Matsuda #, Shinichi Abe, Nobuhiro Ishizaki, Hidekazu Tayama, Takamitsu Nakanoya, Hiroshi Kabumoto,
Masahiko Nakamura, Kenichi Kutsukake, Yoshinori Otokawa, Takuhiro Asozu, Akihiko Osa
Nuclear Science Research Institute, Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-1195, Japan

Abstract

The tandem accelerator was operated over a total of 106 days and delivered 18 different ions to the experiments in thefields of nuclear physics, nuclear chemistry, atomic physics, solid state physics and radiation effects in material. The
superconducting booster was operated for a total of 9 days to boost the energies of 4 different beams from the tandem
accelerator. By the big earthquake on March 11, 2011, the activities of the tandem accelerator were suspended for about
six months. However, operation of the accelerator has been resumed in September by the intensive restoration work.
This paper describes the operational status of the accelerators and the major technical developments.

原子力機構-東海タンデム加速器の現状1.

はじめに揺れの割に被害が少なかったのは、絶縁カラム全体が免震機構によって支えられていたおかげである。
タンク外のビームラインについては、大型の振分電磁石やブースターの偏向電磁石が、床のアンカーボルトを破壊して移動した。
本報告では、2011 年度の原子力機構-東海タンデ
ム加速器施設の運転状況および加速器の開発状況と昨年 3 月に発生した東北地方太平洋沖地震による施設の被害状況とその復旧作業の概略について報告する。

原子力機構の東海タンデム加速器施設には 20UR型ペレトロンタンデム加速器と、その後段ブースターである 1/4 波長型超伝導空洞 40 台で構成される重イオン超伝導リニアックが設置されている[1]。
高エネルギー加速器研究機構（KEK）と共同で開発を進めてきた RNB 加速器（通称：TRIAC）は、研究の終了に伴い実験室より撤去を完了した [2]。現在その実験室を非密封 RI や核燃料を標的として利用できる照射室（第 2 照射室）として整備を行ってい
2. 2011 年度の加速器運転状況る。
2011 年度の加速器の運転状況および利用分野をタンデム加速器は地上電位にある 3 台の負イオン源と高電圧端子内の ECR イオン源[3]により H から 図 1 に示す。タンデム加速器の運転日数は震災の影
Bi までの約 50 元素の多様なイオンを 10～500MeV 響で 106 日（約 2500 時間）となり、例年の 5 割ほのエネルギーまで加速することが可能である。また どであった。そのうち超伝導ブースターの運転は 9
タンデム加速器からの重イオンビームを後段の超伝導ブースターで再加速することでビームエネルギーを 2～4 倍に増強することが可能である。このタンデム加速器と超伝導ブースターは加速電圧を連続的に設定でき、任意のエネルギーのビームを高品質で得ることができる。
昨年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震
によって東海タンデム加速器施設は震度 6 弱の揺れに襲われた。加速器は運転中であり、地震計のインターロック作動により自動停止した。施設内の人員は直ちに建屋外に避難し、負傷者の発生はなかった。
タンデム加速器の圧力タンクからの SF6 ガスの漏えいも発生せず、また超伝導ブースターは停止中であったため、冷凍機からの He ガスの放出もなかった。地震により加速管内に SF6 ガスリークの発生や、整備用タンク内ゴンドラのカウンタウェイトのガイドレールの破損、絶縁カラムの支持柱であるカラムポストの多数のひび割れなどが確認された。地震の図 1：2011 年度の加速器の運転状況#
matsuda.makoto@jaea.go.jp____________________________________________- 362 -

日で運転日数の 8.5%であった。震災に伴う機器の ては基本的に弱い。東北地方太平洋沖地震では、東復旧作業に約 100 日を要し、精力的な復旧作業の結 海タンデム加速器施設も震度 6 弱の揺れに襲われ、果、9 月初めには加速器の運転を再開することがで その後も震度 3～5 級の余震を立て続けに受けた。
きた。復旧作業において協力いただいた関係各所お 建家周りの地盤は沈下したものの、加速器本体にはよび筑波大学、東京大学の方々に感謝致します。
深刻な損傷はなかった。加速器タンク内の絶縁カラ加速器の利用形態では、大学等の他の研究機関と ムが免震構造となっていたことが、倒壊を免れた要共同で行う共同研究や機構内単独テーマによる利用因であると考えている。とはいえ、損傷した箇所ののほか、新たに科学技術振興機構（JST）からの受修復・整備が必要であり、インフラなどの復旧など託研究である「高速系革新炉の成立性に影響する核データの新規測定技術開発」研究がおこなわれた。 も含めて運転再開までに約 6 カ月を要した。
またクラスターイオンの加速試験等の加速器開発に 3.1 地震発生時の様子も利用された。利用分野は例年とほぼ同じで核物理、地震発生時、タンデム加速器は 16.1MV で運転中
核化学関係がそれぞれ 3 分の 1 を占め、残りが原であり、実験にビームを供していた。地震発生と同子・固体物理や材料照射、加速器開発となっている。
時に、地震計のインターロックによりペレットチェーンが停止し、加速器は自動停止した。さらに加速管の真空悪化に伴い、圧力タンク直下のガス・コンテイメントバルブ（加速管等が破損した場合に、タンク外の真空ラインに SF6 ガスが流入することを防ぐための耐圧用ゲートバルブ）が閉まった。タンデム加速器で最も心配される事故は、加速器圧力タンク内の SF6 絶縁ガスの漏えいによる酸欠事故である。容積 1200m3 の加速器タンク内には、5.5 気圧に加圧された約 40 トンの SF6 ガスが詰められている。
SF6 ガスは空気よりも重いために、漏えいした場合には、地階のターゲット室等が酸欠になる危険性がある。そのため、地震時には速やかに屋外退避し、
図 2：電圧発生状況と加速イオン種建家内に取り残された人がいないことを確認した。
超伝導リニアック用のヘリウム冷凍機は停止中で
図 2 に 2011 年度のタンデム加速器の電圧発生状あったため、He ガスの漏えいはなかった。冷凍機
況と加速イオン種を示す。イオン種別では材料の照の運転中であれば、停電により He ガスの放出は避射実験等で Xe イオンの利用が最も多く、次いでけられなかったであろう。
18O が核化学、核物理実験等に利用された。近年、
SF6 ガスの漏えいは発生しなかったものの、余震
高電圧端子内の ECR イオン源からのビーム利用がで漏えいが発生する恐れがあったため、早急に貯蔵増加してきており、全体の約半分を占めるようにタンクに SF6 ガスを回収する必要があった。また加なっている。加速電圧は地震やその後の長期の停止
速器タンク内部を点検するためにも、ガスの回収は期間があったにも関わらず最高電圧は 18MV を保持必要であった。しかし、研究所構内の水や電気のイすることができた。12MV 以上の運転が全体の 8 割、ンフラは大きく損傷し、復旧に 1～2 週間を要した。
15MV 以上の運転が約 5 割であり、大型タンデム加また、SF6 ガス関連の配管類や圧縮機等の健全性を速器として有効に活用されている。3MV 付近の低確認する必要もあったため、SF6 ガスを回収し、加電圧での運転は、炭素分子クラスタービームの開発
速器タンク内に入って加速器本体を確認できたのは、試験に利用された。
4 月 8 日となった。
超伝導ブースターの加速運転は 9 日間実施され、
128
Xe 、 130Xe を そ れ ぞ れ 約 550MeV に 、 136Xe を 3.2 被災状況
816MeV に再加速した。2010 年 9 月には、タンデム
地震による加速器の被害状況とその対応状況を以
加 速 器 を 当 施 設 最 高 電 圧 の 18.5MV で 運 転 し 、 下に記述する。
136
Xe26+を 481MeV まで加速した。さらに超伝導ブースター（加速電圧 23.8MV）で再加速することで、 (1) ゴンドラのカウンタウェイトの支持レールの破損
1314MeV のエネルギーのビームが得られた。当施
東海タンデム加速器は縦型の大型タンデムである
設において提供できる重イオンビームのエネルギーが、数 MeV から 1GeV の広範囲にわたっているこ ので、加速器の整備時にはタンク内の整備用ゴンドラを使用する。このゴンドラはバランス型であり、とを実証するものである。
整備用プラットホームの荷重とバランスさせるため
3. 東日本大震災における施設の被害状況 に約 4 トンのカウンタウェイトが備わる。カウンタ
ウェイトは、非整備時には 7 階（地上 35m）の高さとその後の復旧に保持されているが、地震で大きく揺れたことによ
静電加速器は、高電圧端子部をセラミック製の絶 り、そのガイドレールが曲げられ、取り付け部のア縁支柱で支える構造となっているため、地震に対し ンカーボルトが破損した。ゴンドラは加速器点検に- 363 -不可欠であるため優先して修理をした。

験を実施し、メーカーの基準値を満たしたものは、ひびの状態の悪いカラムポストと交換し、再利用し(2) カラム免震機構のベアリングのずれた。ひび割れのあるカラムポストがまだ 13 本残っ
東海タンデム加速器の絶縁カラムは圧力タンクのているが、各段で 1 本以下になるように交換した。
底部に設置されたカラムベースと呼ばれる基礎部分
軽度なひび割れは、それほど深刻なものではないとによって支えられている。そのベースの 6 本の柱は、考えている。当面は、この状態で運転を行うこととベアリングの上に設置されており、横揺れに対するし、新たなカラムポストを入手次第、今後の定期整免震機構となっている。そのベース部はバネとオイ備時に順次交換していく予定である。
ルダンパーを備えた 6 本の支桁（ビーム）により横から保持することで、振動を吸収する構造となって (4) タンク内ビームラインの真空リーク
地震後に、加速管を含むタンク内ビームラインはいる（図 3）。この横支柱には、約±4cm の移動跡が確認された。免震機構になっていなければ、加速 少なくとも数十 torr まで真空が悪化した。当初は本器が倒壊していた可能性は高い。免震機構は横揺れ 体の主加速管の破損を心配したが、幸いにも真空を抑えてくれたものの、ベアリングは、柱の中心か リークはなかった。真空リークは高電圧端子内に設らずれたままで止まっているため、柱の中心位置に 置された ECR イオン源の入射装置部の前段加速用の加速管（図 5）と、イオン源と真空排気装置を接戻す作業を 8 月初旬に 3 日間をかけて実施した。
続する絶縁管の 2 ヶ所で発生していた。ECR イオン源装置の架台の強度が大きな振動に対しては不十分であったようである。これらの前段加速管と絶縁管は予備品に交換した。

図 3：タンデム加速器の免震機構。絶縁カラムはベアリングの上に設置されバネとオイルダンパーを備えた横からの支柱で揺れを抑える。右写真は地震により中心からずれたベアリングである。
(3) カラムポストの破断とひび割れ
東海タンデム加速器の絶縁カラムは、1MV のユニットが 20 段積み重なって構成されている。1MVのユニットは、12 本のカラムポスト（絶縁支柱）で重量を支える（図 4）。カラムポストはセラミックとチタン電極が交互に接着されてできている。地震後の調査で、総数 240 本のカラムポストのうち、33 本にひび割れが確認された。5 本のカラムポストにひび割れがある段もあり、この状態での整備作業は危険であるので、カラムポストの交換を最優先で実施することにした。予備品以外に筑波大、東大からの協力を得て、20 本のカラムポストを準備することができ、交換を行った。完全に破断しているものが 4 本あった。取り外したひび割れカラムポストのうち、比較的健全そうなものは強度（剪断力）試

図 4：カラムポストの交換作業
左：カラムポスト交換のためのフープ外し
右：フープを外した状態。1MV ユニットは 12 本のカラムポストで支えられている。

図 5：リークを発生した ECR イオン源入射部の前段加速管。振動でセラミクスが破壊された(5) 大型偏向電磁石の移動
タンデム加速器のビームを各ターゲット室に振り分けるための重量 35 トンの振分電磁石（図 6）が地震により約 15mm 移動した。架台の移動痕をみると瞬間的には 30～40mm 移動したものと考えられる。真空チェンバーは電磁石に固定されていないた
め、移動によりビームラインを破損することはなかった。また、架台についても床にアンカーボルト等で固定されていないため、アンカーボルトや架台の破損もなかった。この電磁石については、そのまま基準位置へ戻した。
超伝導ブースターのエネルギー分析電磁石（重量14 トン）と振分電磁石（重量 21 トン）は、地震によって架台固定用のアンカーボルトを一部、引き抜いて 30～40mm 移動した。そのため、架台の周辺にアンカーボルトを打ち直し、抑え金具を製作して床への固定を行った。ブースターラインの電磁石では真空チェンバーも共に移動したため、電磁石前後のベローズが押し潰され、そのうち１つが破損して真空リークを起こしていた（図 7）。これは予備のベローズと交換を行っている。また、振分電磁石については、電磁石の位置調整機構のシャフトが引きちぎられて破損したため、一旦、電磁石より取り外して修理を行った。その後にエネルギー分析電磁石、- 364 -

振分電磁石とも基準位置へ戻した。

図 6：ビーム振分電磁石

図 7：ブースターの振分電磁石チャンバーの前後の押し潰されたベローズ

横方向についてはクライオスタットのビームラインフランジに取り付けた冶具の位置を元に、セオドライトを用いて調整を行った。内部の空洞に関しては、クライオスタットの開放が必要なため詳細に調査を行っていないが、He ガスや真空リークが見られないことから大丈夫であろうと判断した。四重極電磁石などのその他のビームライン機器についても再アライメントを行った。11 月に実施したブースターの加速運転の結果は良好であったので、クライオスタット内部の空洞等は健全であると判断している。
(7) タンデム加速器建家および建家周りの損傷
タンデム加速器建家については、傾斜角を算定した結果、基礎は「無被害」と判定された。上部構造については多数の被害を受け、最も被害が激しいのは壁の薄い 2 階の居室部分であると判定され、壁等には複数のひびが入っており、早急に修理する予定である。建家の地下部分は総じて揺れが小さかったようで大きな被害はなかった。建家の上層階は地震時、かなりの振幅があったと思われるが、重要な機器は設置されておらず、また放射線遮蔽のための厚い壁で構築されている為に被害はほとんどなかった。
建家周りの地盤は、100 から 200mm ほど沈下した。
建家の外階段や、別建家との地下連絡通路などにも亀裂が生じ、順次修復する予定である。被災調査の結果に基づき、建家及びその周辺の補修工事を実施することになるが、平成 23 年度は予算の確保が困難であったため、今年度、補正予算を執行し、建家、建家周辺及び地盤沈下の補修工事について年度内の補修工事完了を目指して手続きを進めている。

(6) 超伝導ブースターの再アライメント
超伝導ブースター建家は増築建家であり、地震によりタンデム建家との接合部でブースター側が約10mm 沈下し段差が生じた。平成 22 年（2010 年）にブースタービームラインの位置計測を実施しておビーム利用の開発
り、ブースター建家がタンデム加速器建家との接続 4.
部分に向かって沈降する傾向があることは把握して 4.1 クラスタービーム加速計画
いた。今回の地震で、この傾向を増長したようであ
静電加速器はどのような重いイオンであっても加る。このままではビーム加速が困難であるので、 速できるという他の加速器にはない利点を有する。
ブースタービームラインの再アライメントを実施し したがって C60 のような質量 720amu のクラスターた。加速空洞は 1 台のクライオスタットに 4 台、合 分子イオンでも加速することが可能である。東海タ計で 10 台のクライオスタットに収められている ンデム加速器は折り返し型のタンデム加速器であり（図 8）。約 2 トンの重量のクライオスタットを 高電圧端子内に ECR イオン源を搭載しているので、ジャッキで持ち上げて基準高さまで調整した。持ち このイオン源で直接クラスターイオンを生成し、加上げた量は最上流部のクライオスタットで約 8mm、 速することで、最大 20MeV の高エネルギークラス最下流部のそれでは約 3mm であった。再アライメ タービームが得られる。この場合、荷電変換が必要
ント前後のクライオスタットの高さを図 9 に示す。 ではないので、高強度のクラスタービームを得ることができると期待される。現在、C2、C3 イオンを既存実験室に導き実験を開始したところである。本格的なクラスターイオン加速のために、現在タンデム加速器直下に新たな実験室を整備している[4]。
4.2 デュアルビーム照射システムの開発
1 台の大型静電加速器から異なる 2 種類のイオンビーム（デュアルビーム）を同時に加速し、標的に照射するデュアルビームシステムの開発試験を行った。デュアルビームの加速は、高電圧端子に設置した ECR イオン源からビームを加速することで実現する。ECR イオン源は 2 種以上の元素の多価イオンを同時に生成することが可能であるので、その中から質量電荷比の同じイオンを引き出すことでデュアルビームの加速が可能となるはずである。加速試験
図 9：再アライメント前後のクライオスタット
では質量電荷比の同じ 132Xe11+イオンと 12C+イオンの高さを用い、加速電圧 15MV でビーム加速を行った。実- 365 -際に、この 2 種のイオンが標的上で同じ位置に照射されているかを確認するために、薄い金薄膜のストリップ標的を用いラザフォード後方散乱分析（RBS）測定を行うことで入射ビームを確認した。
ストリップ線を移動させることでビームスポットでの各イオンのプロファイル分布を測定することが出来る。図 10 に石英によるビームビュワーで確認したビーム形状と、金のストリップ線を移動させて得た C と Xe ビームの標的位置でのビームのプロファイル分布を示す。

図 12：Xe による照射効果のリアルタイム測定の結果。照射を重ねるに伴い Bi ピークの形状が変化している。

5.

まとめ

東北地方太平洋沖地震において、東海タンデム加速器は免震機構を備えていたおかげで大きな損壊を
図 10：デュアルビームのビュワーによるビーム免れることができた。加速器や施設の復旧に約半年形状の確認と標的位置での C および Xe イオンを要したが、9 月初旬には利用運転を再開することのプロファイル分布ができ、加速電圧においても震災前の 18MV を保持している。
標的位置で 2mm ほど Xe イオンと C イオンが分2010 年 9 月には、当施設最高電圧の 18.5MV で離していることが確認され、僅かな質量の違いが現Xeを加速し、超伝導ブースターで再加速することれたが、ビーム加速は安定に行うことが出来た。
我々の加速器の光学系では、ビーム位置を同一にす で、1.3GeV のエネルギーのビームも得られている。
ることは困難であるため、ビームをスキャナーで走 今後、利用運転をしながら、徐々に震災前の加速性査し、両イオンが混ざり合った部分を利用すること 能を回復していく予定である。にした。スキャナーによるビームの均一化法の模式
一方、原子力機構としては、福島第一原発事故へ
図と均一化後のビームのプロファイルを図 11 に示の対応を重点化するために、タンデム加速器の予算す。
こ の よ う に 形 成 し た 165MeV の Xe イ オンと が厳しくなることが予測される。東海タンデム加速
15MeV の C イオンとのデュアルビームを Bi-Al2O3 器は、今や日本で唯一の大型静電加速器となった。
標的に同時照射することで、Xe イオンによる重イ タンデム加速器の高輝度かつエネルギー連続可変のオン照射効果を、C イオンをプローブにした RBS 重イオンビーム、さらに RI・核燃料標的の利用と測定によりリアルタイムに測定することに成功した。 いった特徴を活かして、ユニークな研究が今後とも
図 12 にその結果を示す。Xe の照射量が増えるに伴展開できると信じている。大地震に耐えた東海タン
い、Bi の厚みが厚くなっていく様子が見られる。
デム加速器をぜひ有効に活用してもらいたい。

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A382(1996)153-160.
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B204(2003)746-751.
[3] M. Matsuda et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,
A654(2011)45-51.
[4] M. Matsuda et al., Proceedings of the 7th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, August 4-6, 2010,
Himeji, (2010)15-19.

図 11：ビームの均一化のためのスキャナーの配置と、均一化後の標的位置での C および Xe イ
オンのプロファイル分布- 366 -