Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 FSP031

J-PARC 3 GeV シンクロトロンでの大強度運転の状況
STATUS OF J-PARC 3 GEV RAPID CYCLING SYNCHROTRON UNDER THE HIGH
POWER OPERATION
山本風海#, A), 金正倫計 A)
Kazami Yamamoto #, A), Michikazu KinshoA)A)
J-PARC center, JAEA

Abstract
The J-PARC 3-GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) aims to deliver 1 MW proton beam to the materials and life
science experimental facility (MLF) and the main ring synchrotron. While the energy and the peak current of J-PARClinac had been increased in 2013 and 2014, preparations of RCS for 1 MW operation were also arranged. As a result ofthe injection energy upgrade in 2013, we confirmed that the space charge effect during acceleration process was welleased and the beam loss was drastically reduced. After increment of the peak current from the linac, we tried 1 MWequivalent operation. This first trial revealed that the power supply of the RF cavity was insufficient to accelerate 1MW-equivalent beam. The RF system was improved at the end of 2014, and 1 MW-equivalent beam operation wasachieved in January, 2015. The beam power for MLF users was also increased to 500 kW in April. In this paper, we
report the improvement and status of RCS for high power operation.

1.

はじめに

J-PARC 3 GeV シ ン ク ロ ト ロ ン (3 GeV Rapid
Cycling Synchrotron, RCS)は物質生命科学実験施設（materials and life science experimental facility ,MLF）および主リング(Main Ring, MR)に最大 1MW 相当のビームを供給する目的で建設された[1]。J-PARC では2014 年夏季にイオン源の増強を行い、リニアックは設計性能のピーク電流 50 mA での運転が可能となった[2]。RCS でも夏の保守作業期間に大強度ビームを受け入れるための準備作業を進め、作業後に設計最大出力である 1 MW 相当の出力を達成すべく調整を開始した。調整の初期段階において、800kW 相当を超えた加速粒子数での運転時に高周波加速空胴の電源出力が不足し、バケツが維持できずほとんどのビームが失われる事が判明した。そのため、空胴共振点を変更し必要な電流値を下げる、電源出力の余裕分を使用しインターロックの値を見直す、等の対処を行い、年明けの調整運転時に 1 MW 相当の試験運転に成功した。また、供用運転としても段階的にビーム出力を増加していき、物質生命科学実験施設(MLF)に向けて 500 kW の出力での連続運転を達成した。本稿では、このような大強度運転を達成するために RCS で実施した作業内容と、大強度運転条件の下での加速器の状況について報告する。

2.

大強度出力運転のための増強

J-PARC 加速器は、当初設計ではリニアックで 50mA のピーク電流を 400 MeV まで加速し RCS へ入射する設計となっていた。しかし予算及び技術開発の問題から、ビーム調整が始められた 2007 年からは上記設計値でなく加速エネルギーは 181 MeV、___________________________________________# kazami@post.j-parc.jp

ピーク電流は 30 mA で運転を開始した[3]。リニアックの当初設計への回復は、2013 年および 2014 年度の夏季保守期間中に行われた。具体的には、2013 年
度の夏季保守期間に新たな加速空胴を導入することで加速エネルギーを 400 MeV まで増強し、2014 年度の夏季保守期間にイオン源と前段加速部であるRFQ を 50 mA ピーク対応の設計の物に換装する工程が組まれた[4]。実際には、2013 年 5 月にハドロン実験施設において放射性物質漏えい事故を引き起こしてしまい[5]（国際原子力事象評価尺度の評価はレベル 1 で、「事故」ではなく「事象」に分類されるが、ここでは自戒の意味から「事故」と表記する）、エネルギー増強作業は一時中断となった。そして、
これまで想定していなかった放射線漏洩事故に発展しうるリスクの見直しを図り [6][7] 、その検討の結果を受けた対策が一段落した処で、当初予定していた作業を再開した。
RCS では 400 MeV 入射に向けた大きな改造として、入射時に入射ペインティング軌道を作るシフトバンプおよび水平ペイントバンプの電磁石用電源の増強工事が行われた[8]。181 MeV 入射時におけるバンプ電源は、半導体の IGBT モジュールを用いたアセンブリの多重化回路構成によるチョッパ方式を採用していた。しかし 400 MeV への増強に伴って、シフトバンプ電源に関しては回路方式をコンデンサの充放電を利用した転流方式へ変更した。この方式では、入射バンプ波形の立上げ開始時、フラットトップ開始時、そして、フラットトップが終了した立下げ開始時にのみ、コンデンサの充放電のスイッチ操作を行うため、原則的に3 回のスイッチ操作でバンプ波形を形成できる。そのため、スイッチングに起因する電流リップルノイズを大幅に低減することができた。一方、ペイントバンプ電源は台形波形や 50mm.mrad、150mm.mrad などのペインティングエリアに対応したペインティング軌道を形成する必- 377 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 FSP031

要があるため、任意の波形形成が可能な IGBT によるチョッパ方式を引き続き採用した。これら新しいバンプ電源のうち、シフトバンプ電源に関しては調整運転中に以下二点の不具合が判明したが、解消されないまま 2014
年 2 月から運用が開始された。
１）
出力電流を一定に保つためのフラットトップ用ユニット部分が長時間の運転に耐えられずに故障し使用できず、本来一定に保たれねばならない磁場が時間とともに減少してしまったこと。
２）
電源の冷却が不十分なため温度異常が多発し，トリップが頻発したこと
これらのうち１）に関しては、入射中の入射位置が動かないように入射用のパルス電磁石で軌道補正をすることで対応した[9]。２）に関しては，仮設の空冷ファンを電源周辺に多数設置することで温度上昇を防ぎ，次の長期メンテナンスである 2014 年の夏まで運転を継続することができた。最終的には、2014 年夏の保守作業によってフラットトップ用ユニットの修理が完了し、磁場のフラットトップが維持できるようになるとともに，本設のファンを電源筐体に取り付けることで仮設ファンでの冷却よりも効率的に電源内の温度を下げられるようになった[10]。
運転停止後の残留線量に関しては、入射フォイルと入射および周回ビームとの相互作用で発生した二次粒子による放射化がフォイル真空容器で進んでいた[11][12]。図 1 に、300 kW で供用運転し、停止 4 時間経過後の線量を示す。RCS ではコリメータで加速中に広がったハローを回収している[13]ため、これらコリメータ（図 1 中拡大部分）とダンプを除くと、入射部に高放射化機器が集中している。この入射部の残留線量を低減するためには、フォイルと周回ビームの衝突回数を減らす必要があり、そのためにはペインティングエリアを広げなければならない。
しかし、入射バンプ電磁石のエッジ収束によるベータ関数変調の影響で、ペイントエリアを広げると急激にロスが増加していた[14]。そこで、ベータ関数変調を補正する補正四極電磁石の製作と設置も行なわれた。

Figure 1: Residual dose distribution of J-PARC 3 GeV synchrotron. This figure shows the dose rates at the surfaces ofthe magnets and vacuum chambers (red) or at the 30 cm distance from the surfaces (Blue) after accelerator operation.
These data were acquired after continuous operation at 300 kW for one week and 4 hours cooling.

- 378 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 FSP031

生し、以降 MLF への供給は中断され、5 月中は MRのニュートリノへ向けた早い取り出しの運転のみが、6 月は MR のハドロン実験施設へ向けた遅い取り出
3.1 大出力運転調整
しの運転のみが 7 月 1 日まで行われた。MR 向けの入射エネルギー400 MeV での RCS のコミッショ 運転のデューティは 10%以下であり、特にハドロン
ニングは，400 MeV リニアックの調整が終わった 実験用の運転では繰り返しが 6 秒と遅くビーム強度2014 年 1 月末より開始された。ビーム調整によって、 も小さいため、MLF に向けて運転していた時と比べ当初の想定通り入射エネルギー増加によるビームロ ると 2 桁以上加速粒子数が少なくなっている。そのスの低減が確認でき[15]、1 MW 運転に向けての課題 ため、運転停止時には図に示した主だったロス発生の一つがクリアされた。さらに、2014 年夏季保守期 点での線量はすべて 1/10 程度まで減少した。
間でのリニアックフロントエンドの増強およびその 図 3 に 2014 年度および 2015 年度前半の MLF 向け後の調整で、2014 年の 10 月半ばには RCS での 1 の運転時間およびトリップの状況を示す。2014 年度
MW 試験に必要なピーク電流 50 mA のビームが入射 は、立ち上げ時間等を除くと加速器は合計 4145 時できる状態になり、それから 1 MW へ向けたビーム 間運転され、そのうち 3258 時間が MLF の運転に利調整を開始した。この調整期間では、770 kW 相当 用された。立ち上げ後の調整運転および利用運転中の粒子数まではほとんどロス無く加速する事が出来 のトラブルによる運転停止は 681 時間であり、稼働たが、820 kW 相当まで粒子数を増やすと、加速中 率は 83.6%であった。トラブルのうち、RCS に起因盤の 10 ms 付近で空胴電源(真空管増幅器に直流電 する停止時間は 261 時間で、停止回数はビームロス力を供給している陽極電源)がトリップしてビームが モニタによる機器保護システムのインターロック、全てロスしてしまった。この原因について調査を進 大強度調整中の RF 空胴の電流超過インターロック、めたところ，高周波空胴を駆動するのに必要なア 取り出しキッカー電磁石のミスファイヤーがほとん
ノード電流が出力とともに増加し，その増加量が想 どを占めるが、停止時間は偏向電磁石が 114 時間、定より大きかったため，電流超過インターロックに バンプ電磁石が 70 時間、RF 空胴が 36 時間で上位なったことが判明した[16]。そのため、電流超過のイ となった。2015 年度前半は MLF 向けの加速器の運ンターロック設定値を上げ、さらに RF 空胴のコン 転時間は 781 時間で、運転停止時間の総計は 46 時
デンサを外してアノード電流を低減できる空胴共振 間であった。運転時間が短いのは、前述の通り中性点に変更して再度 1 MW の運転に挑戦し、1 MW 相 子ターゲットで水漏れが発生し運転できなくなった
当の粒子の加速に成功した[17]。
ためである。加速器としての稼働率は 94％であり、このうち RCS に起因する停止時間は 15 時間程度で3.2 連続供用運転状況あった。停止回数はビームロスモニタと取り出し単発では 1 MW 相当の粒子の加速に成功したが、 キッカー電磁石がほとんどであったが、停止時間と連続運転を行うためにはさらなるロスの低減が必要 しては補正電磁石、キッカー電磁石、ロスモニタのであり、実際の供用運転は 300 kW から徐々に出力 順であった。
を上昇していった。図 2 に一日当たりの加速粒子数と主なロス発生点での線量の推移を示す。リニアッ 3.3 作業時の被ばく量
クの加速エネルギーの増強およびピーク電流の増強
表 1 に、2014 年夏の保守期間中に RCS 内で作業後しばらくは、増強前と変わらず 300 kW 相当での した作業者の被ばく線量の分布を示す。
運転が継続された。これは、MLF の中性子ターゲッ
トの大強度化対応の確認が済んでおらず、ターゲッ
Table 1: 2014 年度夏季保守作業時の被ばく線量トの保護の観点から強度を抑えた運転をする必要があったためである。MLF 側で大強度ビームの受け入被ばく線量（mSv）
人数（人）
れ準備が 2015 年 1 月に完了し、出力を増強しよう
0.01-0.05
31としたところ、今度は MLF のミュオン二次ビームラインで使用する電磁石の電源で火災が発生し、そ0.06-0.110の対応で 1 か月超運転が停止となった[18]。その後、
0.11-0.2
8
2 月末から 300 kW で運転を再開し、3 月半ばに 400kW、さらに 4 月半ばには 500 kW まで出力を増強す0.214る事に成功した。この際、500 kW での運転を行う前に、新たに設置した補正四極電磁石によって入射RCS に設置されたアラーム線量計の最小検知線量
バンプ電磁石のエッジ収束によるベータ関数変調のである 0.01 mSv 以上の被ばくを受けた作業者は合計補正とペイントエリアの拡幅を行った。その結果、
53 名おり、集団線量は 3.7 mSv であった。0.1 mSv
400 kW 運転を一か月継続した後では 10 mSv/h を超以上の被ばくを受けた人は 12 名で、すべて入射部えていたフォイル真空容器の線量率（図中四角点）周辺での作業によるものであった。最大被ばく線量を、パワーを上げたにも拘らず減少させることに成は 0.31 mSv であり、これはフォイル真空容器とつな功した[19]。この結果を受けて、5 月半ばに 600 kW
がっているセラミックダクトの着脱作業時、それもまで出力を増加して夏まで運転する予定であったが、大半はリーク試験時に被ばくした物であった。2015
4 月末に MLF の中性子ターゲットで冷却水漏れが発3.

RCS 運転状況- 379 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 FSP031

Figure 2: Histories of the residual dose values at major loss points and the numbers of accelerated particles.

Figure 3: The circular charts of accelerator availabilities.

- 380 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 FSP031

年度に関しては、7 月 24 日の時点で作業者の最大被ばく線量は 0.07 mSv となっている。作業としては使用済みフォイル回収等のフォイル保守作業である。
500 kW での運転後の線量分布も、300 kW 運転時（図 1）と同様に入射部以外は残留線量がそれほど高くなく、有意な被ばくが発生する作業は入射部に集中している。ペイントエリアの拡幅によって線量の減少に成功したが、今後作業時の被ばくをさらに低減するための検討を行う予定である。

4.

まとめと今後J-PARC は 2013 年と 2014 年の夏季停止期間にリニアックおよび RCS の増強を行い、1 MW の運転を行う準備を整えた。2014 年秋以降のビーム調整により、1 MW 達成のためには RF 空胴システムの改良が必要である事が判明した。年末に一時的な処置を行うことで、2015 年初頭に 1 MW 相当の粒子の加速取り出しに成功した。供用運転としては 500 kW で安定な連続運転を達成した。しかしながら、1 MW出力運転では、なお加速途中で通常運転の数十倍のロスがアーク部分散関数のピーク付近で発生しており、このパワーで連続運転を行うためには空胴運転パラメータのさらなる調整が必要である。現状は空胴アノード電流出力に裕度がないので、電源の容量を増強する改造を 2015 年度の夏季保守作業期間に進めている。また、フォイル容器の放射化抑制も重要な課題である。この問題については、ペインティ
ングエリアを拡幅させることで周回ビームのフォイル衝突回数の低減に成功したが、リニアックビームのピーク電流が上がっても入射ビームのエミッタンスを現状に保つ必要がある。そのため入射ビームラインへのプロファイルモニタの追加、ハローを削るためのスクレーパシステムの改良を 2015 年度の夏季保守作業期間に進めている。さらにハードウェア側の対策として、入射部の作業手順の見直し、遮蔽体等の設計、保守性を高めた機器への改造を今後進めていく必要があり、現在入射バンプ電磁石の改造を含めて検討を進めている。

System in J-PARC Rapid Cycring Synchrotron”, Proc. ofthe 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, PASJ2014-SAP096 (2014).
[8] N. Hayashi et al., “Progress of Injection Energy Upgrade
Project for J-PARC RCS”, Proc. of IPAC’13, THPWO032(2013).
[9] T. Ueno et al., “Status of the horizontal paint bump power
supply of the J-PARC RCS”, Proc. of the 11th AnnualMeeting of Particle Accelerator Society of Japan,
PASJ2014-SUP058 (2014).
[10] K. Horino et al., “Report of the temperature problem of thenew horizontal shift bump power supply at the J-PARC
RCS”, Proc. of the 11th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, PASJ2014-SUP060 (2014).
[11] K. Yamamoto et al., “Residual Dose with 400 MeV
Injection Energy at J-PARC Rapid Cycling Synchrotron”,
Proc. of IPAC’14, TUXA01 (2014).
[12] E. Yamakawa et al., “Measurements and PHITS Monte
Carlo estimations of residual activities induced by the 181
MeV proton beam in the injection area at J-PARC RCSring”, Proc. of the 2nd international symposium on scienceat J-PARC, in printing.
[13] K. Yamamoto et al., “Performance of the beam collimation
system in the Japan Proton Accelerator Research Complex
Rapid Cycling Synchrotron”, Progress in Nuclear Scienceand Technology, 4, (2014) pp243-246.
[14] H. Hotchi et al., “Numerical study for beam loss occurring
for wide-ranging transverse injection painting and its
mitigation scenario in the J-PARC 3-GeV RCS”, NIM, Sect.
A778, 102-114 (2015).
[15] H. Hotchi et al., “Commissioning the 400 MeV Linac at JPARC and High Intensity Operation of the J-PARC RCS”,
Proc. of IPAC’14, TUXA01 (2014).
[16] H. Hotchi, “Lessons from 1-MW Proton RCS BeamTuning”, Proc. of the 54th ICFA Advanced Beam
Dynamics Workshop, HB2014, MOXLR02 (2014).
[17] H. Hotchi, “Recent progress of J-PARC RCS beamcommissioning”, in these proceedings.
[18] “J-PARC 物質・生命科学実験施設 (MLF) 第 2 実験
ホールにおける火災に関する報告書 (最終報) の提出等について (お知らせ)”, プレス発表, http:// http://jparc.jp/ja/topics/20150219press.html[19] M. Yoshimoto et al., “Residual dose measurement andactivation of the injection area in the J-PARC RCS”, inthese proceedings.

参考文献[1] Y. Yamazaki ed., “Accelerator Technical Design Report for
High-Intensity Proton Accelerator Project, J-PARC”, KEKReport 2002-13 and JAERI-Tech 2003-44.
[2] 森下卓俊他，“ J-PARC リニアックのアップグレード”，加速器，12，1，22-30（2015），高エネルギーニュース，33（4），270-278（2015）.
[3] K. Hasegawa, “Commissioning of the J-PARC Linac”, Proc.
of PAC’07, THYAB02 (2007).
[4] H. Oguri, “Power Upgrade of J-PARC Linac”, Proc. ofIPAC’13, WEYB101 (2013).
[5] T. Koseki et al., “Present Status of J-PARC - After theShutdown Due to the Radioactive Material Leak Accident-”,
Proc. of IPAC’14, THPME061 (2014).
[6] N. Kamikubota et al., “New Surveillance System toEnhance Safety of J-PARC Accelerators”, Proc. of the 11th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
PASJ2014-MOOL11 (2014).
[7] K. Yamamoto et al., “Increment of the Machine Protection- 381 -