に分けて進められている。現在は計画第一期のJ-PARC 加速器の概要 	  	  	
  建設を終了して、実験施設が本格的に稼働を開	 1. はじめに始したところである。
図 2 に J-PARC 加速器施設のレイアウトを示

J-PARC（Japan Proton Accelerator Researchす。現在、J-PARC 施設は、3 台の加速器と３箇

Complex）は、日本原子力研究開発機構（JAEA）

所の実験施設からなっている。加速器の構成はと高エネルギー加速器研究機構（KEK）の共同

ビームエネルギー 400 MeV の H−リニアック、3事業として、2001 年に建設が開始された大型加GeV の 速 い 繰 り 返 し の シ ン ク ロ ト ロ ン

速器計画である。当時、JAEA は 1.5 GeV 大強（ Rapid-Cycling Synchrotron, RCS ）、50 GeV

度リニアックを中心とした中性子科学研究計画の主リングシンクロトロン( Slow-Cycling Main

を、KEK は 3 GeV、および 50 GeV シンクロト

Ring Synchrotron, MR ) である[1,2,3]。一方、ロンを中心とした大型ハドロン計画をそれぞれ実験施設としては、RCS からの陽子ビームを利推進していたが、2001 年 1 月の省庁再編におけ用する物質生命科学実験施設（ Material and

る文部省と科学技術庁の合併とほぼ時期を同じ

Life Science Experimental Facility, MLF ）、

くして、中性子科学研究計画と大型ハドロン計

MR からの陽子ビームを利用するハドロン実験

画との「統合計画」として、J-PARC の建設が施設、およびニュートリノビームラインがある。

スタートすることとなった。

なお、第一期では MR のエネルギーは 30 GeV

J-PARC では、高エネルギーに加速した陽子である。

を標的に衝突させ、核破砕反応で発生する様々

将来、第二期分が予算化された際には、受電な粒子を利用して、素粒子・原子核物理学と物設備にエネルギー蓄積装置を導入して、ＭＲの質・生命科学を中心に、基礎から応用にわたる

ビームエネルギーを 50 GeV に増強することが広範な分野の研究が行われる（図 1）。ビームが検討されている。また、ハドロン実験施設の拡標的に照射したときに発生する粒子を二次粒子

張や、リニアックの下流側に超伝導リニアックと呼ぶが、J-PARC では、二次粒子のうち中性を新たに導入してエネルギーを 600 MeV まで

子、ミュオン、K 中間子、ニュートリノにおい上げ、そのビームを利用する加速器駆動核廃棄て世界最大級のビーム強度の実現を目指してい物処理システム（Accelerator Driven Nuclear

る。そのためには世界最大級のビーム強度を持

Waste Transmutation System, ADS）の基礎研

つ陽子加速器が必要となる。

究施設（核変換実験施設）を建設することも計

J-PARC は、これまでの日本の加速器計画の画されている。

予算としては最大規模であり、建設計画は二期Fig. 1 高 エ ネ ル ギ ー 陽 子 に よ る 核 破 砕 反 応 で発生する２次粒子

3GeV シンクロトロン�
周長�348m�
25 Hz, 1 MW�

Fig. 250 GeV シンクロトロン�
周長�1568 m�
0.3 Hz, 750 kW�

J-PARC 施 設 の レ イ ア ウ ト

図３に 2008 年 1 月に撮影された J-PARC のる。また、単位時間あたりに生成される二次粒航空写真を示す。図３の色つきの線は、各施設

子の数は陽子の数に比例する。したがって、ビがビームコミッショニングを開始した年度を示

ームエネルギーと平均ビーム電流の積で与えらす。J-PARC は建設が終了した上流側の施設かれる平均ビームパワーが、J-PARC のようなら順番にビームコミッショニングを開始しておintensity frontier において性能の指標となる

り、2006 年 11 月のリニアックに始まり、2009のである。

年 4 月のニュートリノビームラインに至るまで、

図 4 に世界の代表的な陽子加速器のビーム強全施設が予定していたスケジュール通りにビー度を示す（衝突型加速器をのぞく）。物質・生命

ムコミッショニングを開始することができた。

科学研究用の加速器のビームエネルギーは 1

そして、2009 年 5 月、ニュートリノビームライ

GeV 前後が多く、素粒子・原子核実験用の加速

ンの放射線施設としての運転時施設検査終了を

器には数 10 GeV 以上のエネルギーが必要とな

もって、J-PARC は本格的な利用運転の段階にる。一つの施設で物質生命科学と素粒子原子核入った。

分野を広くカバーする施設は、J-PARC だけである。

Fig. 3 J-PARC 施 設 の 航 空 写 真

2. J-PARC 加速器の特徴
2.1. Intensity frontier と し て の J-PARC
J-PARC はビームの強度において世界の最先端、
いわゆる intensity frontier を目指す加速器でFig. 4 世 界 の 主 な 陽 子 加 速 器 の ビ ー ム 強 度ある。衝突型加速器において intensity frontierの性能を示す指標はルミノシティであるが、J-PARC のように固定標的にビームを照射して図中にはビームパワー100 kW、および 1 MW

二次粒子を生成する intensity frontier の指標のラインを波線で示した。現在、MW クラスのは一次ビーム（陽子ビーム）の平均ビームパワ

大強度陽子加速器として世界をリードしているーである。陽子ビームによって二次粒子を生成のは、米国オークリッジ国立研究所の核破砕中するためには二次粒子の種類に応じて閾値を越性子源（Spallation Neutron Source, SNS）でえるビームエネルギーが必要となるが、閾値をある。また、スイスポールシェラー研究所（Paul上回るエネルギーがあれば、二次粒子の生成効

Scherrer Institute, PSI）の陽子加速器施設は陽率は陽子ビームのエネルギーに比例して増大す

子サイクロトロンを用いて連続ビームで 1MW

を越える出力を得ている。さらに、このほかに生させる。その結果、ビーム損失が生じた周辺も、核破砕中性子源として大強度陽子加速器をの機器は放射化する。この点がビーム損失が起建設する計画が進んでいる。例えば、中国核破

こっても物質との相互作用が電磁気力に限られ

砕 中 性 子 源 （ Chinese Spallation Neutron

る電子の加速器との大きな違いである。どのよ

Source, CSNS）はビームパワーで 100-200 kW

うな加速器においても、安定運転や性能向上のを、欧州核破砕中性子源（European Spallation

ためには、メンテナンスや新しい機器のインス

Neutron Source, ESS）はビームパワーで 5 MW

トールなどを現場で人間の手を使って行う必要を狙う計画である。

があるが、機器の放射化が激しいと、現場で長一方、素粒子・原子核実験に用いられている

時間の作業を行うことができなくなってしま

加速器としては、現在、米国フェルミ国立加速う。したがって、大強度陽子加速器における最器 研 究 所 （ Fermi National Accelerator

大のビームパワーは、機器の放射化をどこまでLaboratory, FNAL）のメインインジェクター

許すか、すなわち、残留放射能の許容値で決ま（ Main Injector, MI） と 欧 州 原 子 核 研 究 機 構ると言える。

(CERN) のスーパープロトンシンクロトロン

実際、全くビーム損失をすることなく大強度（Super Proton Synchrotron, SPS）が、J-PARC

ビームを実現することは不可能である。そこで、と同様に、ニュートリノ振動実験にビームを供

安定領域からはずれた粒子が失われる場所を局給している。また、米国では、MI のビーム強度

所化し、それ以外の箇所ではできるかぎりビーを 700 kW に増強し、新たに液体シンチレータ

ムが失われることのないよう工夫することが現を用いたニュートリノ検出器を FNAL から 810

実的である。たとえば、RCS と MR には、それ

km 離れた地点に建設する NOvA 計画が予算化

ぞれ入射直線部に横方向（ビームの進行方向にされ、2013 年の実験開始にむけて準備が始まっ

垂直な方向）コリメータが置かれている。これている。

は横方向の物理口径を他の箇所よりも小さくと以上のように、J-PARC は素粒子・原子核分ることにより、ビーム損失につながるビームの野 と 物 質 ・ 生 命 科 学 分 野 の 両 方 で intensity

裾（テール部分）を積極的に切り落とす役割を

frontier を目指す世界的にもユニークな存在で持っている。そうすることで、コリメータ以外あるが、極めて熾烈な国際競争の渦中にもある。

の場所でのビーム損失を防ぐことができる。当2.2. ビ ー ム 損 失 と 空 間 電 荷 効 果
ここでは、大強度陽子加速器を特徴付ける二つ

然、コリメータ部分はビーム損失が大きくなる
ので、あらかじめ十分な放射線シールドを施しておく必要がある。

のキーワード「ビーム損失」と「空間電荷効果」

シンクロトロンにおいて、コリメータ以外にについて述べる。これらは J-PARC にとっても、ビーム損失が問題になる可能性があるのは、入ビーム強度を上げていく中で常に直面する重要射、および出射機器である。そこで、コリメーなテーマである。

タセクションや入出射機器のメンテナンスに

2.2.1. ビーム損失

は、他の箇所よりも残留線量が高くなることを想定して、現場での作業をより短時間で簡便に陽子加速器のビームパワーを制限する最大の要行うことができるよう周到に用意しておくこと

因は、ビーム損失である。陽子ビームの一部がが重要である。たとえば、MR の場合は、万が何らかの理由で安定軌道から外れると、真空ダ一機器が故障した場合に、機器の取り外しや取クトに当たって失われる。ダクトに衝突した陽り付けが短時間で精度良く行えるように、入出

子は、（陽子ビームをターゲットに照射したとき射機器をリニアモーションガイドレールの上にと同様に）核反応によって大量の二次粒子を発据え付けるなどの工夫を行っている[4]。

2.2.2. 空間電荷効果

速する場合に、空間電荷効果が最も顕著に表れ加速器においてビーム強度が大きくなると、るのは、ビームエネルギーが低い入射時である。

個々の粒子間に働くクーロン力によってビーム

また、エミッタンスを上げたり、バンチのピーの収束力に影響が生じる。この効果を空間電荷

ク電流を下げたりすることによって空間電荷効

効果と呼ぶ。ビームを構成する個々の粒子はク果の影響を軽減することができる。

ーロン力によって互いに反発して発散力を受け

2.3. RCS 方 式 と 蓄 積 リ ン グ 方 式ている。また、加速器のビームは荷電粒子群が一方向に進む電流なので、ビーム電流によって

核破砕中性子源に陽子ビームを供給するためにできる磁場は収束力として働く。ビームの速度

シンクロトロンのようなリング加速器を用いるが大きくなると、反発力は一定だが、磁場によ理由の一つは、1 µsec 程度のパルス幅を持ち、る収束力は大きくなるため、一般に粒子の速度

ピークパワーが高い陽子ビームを作るためであが大きいときほど発散力の影響が小さくなる。

る。1 µsec という時間幅は、中性子ビームのエ

シンクロトロンにおいて空間電荷効果を評

ネルギーやド・ブロイ波長を飛行時間法

価するためには、発散力によるベータトロン振（time-of-flight method）による速度の測定から動数（横方向振動の振動数、ベータトロンチュ

求めるのに適している。一方、リニアックではーンと呼ぶ）のずれを指標とすると便利である。

イオン源から得られる単位時間あたりの粒子数

水平、および垂直方向のエミッタンス（ビームは限られている。そこで、周回周波数が 1 µsecのサイズと広がりの積）を εx、および εy、全粒程度のリングに、リニアックから繰り返しビー

子数を N、陽子の古典半径を rp、粒子の速度をムを入射し、できるだけ多くの粒子をリングに

βc、ローレンツファクターを γ とすると、空間電荷効果による垂直方向ベータトロンチューン

貯め込むことによって高いピークパワーを得るのリングであり、取り出しエネルギー3 GeV でのずれ Δνy は次式で与えられる[5]。

Δν y = −

€

Nrp F

1
⎛
⎞
Bf
ε
πε y ⎜⎜1+ x ⎟⎟β 2γ 3ε y ⎠
⎝

ことができる。J-PARC の RCS は周長約 350 mの周回時間は約 1.1 µsec である。

(2-1)

リング型の加速器において膨大な数の陽子を入射・蓄積するためには、陽子とは質量が等しく電荷が逆の H−（負水素イオン）を入射ビー
ムとして用い、リングに入射する際に炭素フォ

これをラスレットのインコヒーレントチューン

イルを通して陽子に変換する方法（荷電変換入シフト（Laslett incoherent tune shift）と呼ぶ。

射）が採用される。入射点にバンプ電磁石によ

ここで、F は形状因子であり真空ダクトに誘起ってバンプ軌道を造ると、周回している陽子とされる鏡像電流の影響を表すが、1 GeV 以下では、ほぼ１になる。B f は、バンチ係数（bunching

入射してくる H−とは一つのバンプ電磁石の中でfactor）と呼ばれ、次式で定義される。

で、入射ビームの軌道を調整すれば、周回してI
B f = av
I peak€(2-2)

ちょうど逆向きに同じ大きさの力を受けるのいる陽子ビームの運動には影響を与えずに、繰
り返し粒子を継ぎ足していくことができる。たここで、I av はリングの平均電流値、I peak はピ

だし、H−の電子束縛エネルギーは 0.775 eV と非ーク値であり、0 から 1 の間の値をとる。なお、

常に小さく、ビームエネルギーやバンプ電磁石(2-1)は垂直方向のチューンシフトを与えるが、€の磁場強度が大きすぎると、Lorentz stripping

水平方向の場合は、x とｙを入れ替えればよい。
2 3
チューンのずれは、 β γ やエミッタンスに反比と呼ばれる効果により入射点より上流で電子が例し、バンチしたビームではピーク電流の大きしまう。したがって、入射する H−のエネルギーさに比例する。RCS や MR で大強度ビームを加€はぎ取られて H0 に変換され、ビームはロスして

はあまり高すぎない方が良く、1.3 GeV 程度がQuadruple Linac, RFQ）、ドリフトチューブリ上限と考えられている。

ニアック（Drift Tube Linac, DTL）、機能分離

J-PARC では、核破砕中性子源へのビーム供型 DTL（Separated-type DTL, SDTL）、環状結給を行う加速器として、H リニアックのビーム

合 空 洞 型 リ ニ ア ッ ク （ Annular Coupledのエネルギーを 400 MeV とし、リング入射後にStructure Linac, ACS）を用いて加速される。

3 GeV まで加速してビームパワーをかせぐ RCS

このように加速方式を変えるのは、電子と異な方式を採用した。これに対して、SNS では、リ

り、H−イオンの速度が光速になかなか近づかなニアックを用いて full energy injection を行う

いことによる。粒子の速度によって、加速のた蓄積リング方式を選択し、ビームエネルギーをめの効率（入力した高周波電力に対する加速エ

1.0 GeV とした。SNS は目的が中性子散乱実験

ネルギー）が異なり、それぞれの速度で最適なに特化した施設であるが、J-PARC は、中性子構造に切り替える必要がある。

−

散乱とともに素粒子・原子核実験を行う複合施

リニアックの主なパラメータを表１に示す。

設である。RCS は、核破砕中性子源への陽子ビ

ビーム時間幅は、繰り返し 25Hz で変化するームの供給とともに、素粒子・原子核実験のた

RCS の電磁石磁場のボトムで受けられる時間でめに必要な高エネルギー陽子ビームを作り出す

制限され、最大 0.5msec としている。エネルギ

MR の入射器の役割を担う。MR への入射ビー

ーは、リニアックの定格としては 400 MeV であムのエネルギーは、前節で述べた空間電荷効果

るが、運転開始当初は 181 MeV でスタートするの影響を軽減するためには、なるべく高いことこととなった。これは、建設の初期段階で、RCSが望ましい。したがって、荷電変換入射で大量の周長とビームダクトの口径を、当初のデザイの陽子を蓄積したのちにそれを加速する RCS

ンよりも周長 10/9 倍、口径 1.5 倍に拡張する変方式が、複合施設である J-PARC には適してい更を行ったことによる。リニアックの建設予算るのである。

の一部をこの変更に必要な経費に充てたのであ

さて、ここまで J-PARC 加速器全体の特徴をる。リニアックのエネルギーは後からでも増強

手短に概観したが、以下では、J-PARC の三つできるが、シンクロトロンの周長やダクトの口の加速器について、個々に見ていくことにする。

径は一度作ってしまったら変更はできない。実際、結果的にこの判断は正しく、このときに周3. リニアック

長とダクト口径を変更したことは、現在の RCSが安定なビーム供給運転を行いながら着実にビ

3.1. リ ニ ア ッ ク の 概 要

ーム強度を上げている大きな要因となっていリニアック（Linac）は、3 段構成となる J-PARCる。

加速器の最上流に位置する加速器であり、RCS

181 MeV での入射は、400 MeV での入射とに入射ビームを供給する。リニアックで加速す

比較して空間電荷の効果が大きくなるため、る粒子は H−である。図 5 にリニアックの構成を

RCS に蓄積できる粒子数は 400 MeV の場合の示す。イオン源で発生した H−イオンは、高周波４ 重 極 型 リ ニ ア ッ ク （ Radio Frequency

60 %程度に制限される。そこで、181 MeV のリ

Fig. 5 リ ニ ア ッ ク の 構 成

re filled with a wax, which is coated with silver powder tochieve electronic conductivity (Fig. 2b). A copper layerof 0.5 mm thickness is formed at each end face by PR cop- Fig. 2a: Groove processing Fig. 2b: Filling with silver
per electroforming (Fig. 2c). After machining the surfaces,
for the water-cooling chan- powder coated wax.
dditional copper deposits are formed by 0.5 mm thick- nel.
ness. After removing the wax and boring the pole-piecepart (Fig. 2d), the coils of the end faces are separated using
イオン源には体積生成型が用いられ、引き出
n end mill of 0.8 ニアックで加速されるピーク電流値の仕様値をmm in diameter (Fig. 2e). The coils in
し電極で H−イオンを 50 keV で引き出す。続く
he beam-axis direction
are thenseparated to 1.0 mm by a RFQ もその30 mAに決め、現在のイオン源やRFQ は比較的長い空洞でも電場を安定化するた
wire-cutting machine(Fig. 1). In this way, the coil inside
仕様で作られている。
めに開発されたパイモード安定化ループを持DT is molded without welding. Finally, the magnet leads
なお、すでに 2008 年度の補正予算においてre connected to the coils with silver brazing (Fig. 2f).
ち、3 MeV まで加速される。続いて３台の DTL
エネルギーを
400 and
MeV
In order to reducepressure drops
the に増強する計画が文科
effects of
で 50 MeV まで、さらに３０台の SDTL で 181	
 Fig. 2d: Cutting of the polerosion, the water velocity
in the coil is limited現在は、
to under2013
2 年度の 400
省から認められている。
MeV まで加速される。
piece part.
m/s. For the same reason,a bending corner inside the waMeV ビームのコミッショニング開始を目指し
er-cooling channel is partly cut. As a result, the measured Fig. 2c: PR electroformed
copperて、機器製作などの準備が進んでいる。
Silverpressure drops are 1.8 and 6.3 kg/cm2 for the water flows surface.
pipebrazingof 1 and 2 Liter/minute, respectively.
Table 1 リ ニ ア ッ ク の 主 な パ ラ メ ー タ

H−Particle
Energy [MeV]
400(181 at present)
Some important properties of the magnets were
Peak current [mA] 50 (30 at present)measured before installing into the DT. Figure 3 shows theRepetition [Hz]25xcitation-current dependences of the field gradients. The(50 at the 2nd phase）
measured data are compared with those 3-D analyzed byPulse width[mA]
0.5 2 %.
MAFIA. Both are in agreement
within approximately

2.2 Q-Magnet and DT

Furthermore, the higher order multipole components in theFig. 2e: Separation
Fig.タ2f:
brazingof た 小 型 四Fig.of 6the DTL
ンSilver
クに内蔵されmagnetic field center measured
by a rotating
coil were suf将来、J-PARCの第二期計画に位置付けられ
coils by end mill.
magnetleads.
極電磁石
iciently small, being less than 0.11% in comparison withている ADS の基礎研究が予算化されたときにhe quadrupole component (Fig. 4). Also, the field center Figure 2: Outline of the manufacturing process for theelectroformed hollow coil.
was deviated onlyは、RCS
by about への入射と併行して、ADS
4 µm from the mechanical へのビーム
RFQ、DTL、SDTL の rf 周波数は 324 MHz供給を行う必要がある。そこで、RCS と ADSである。これは DTL の周波数としては従来よりのそれぞれに 25 Hz のビームを振り分けられる
UD10570
も高いが、加速周波数が高くなることによってように、リニアックの繰り返しの設計値は 50 Hz
バンチ数が増え、同じ電流値に対して空間電荷としている。なお、ADS のためには 400 MeV
効果を軽減できるというメリットがある。さらリニアックの下流に新たに超伝導リニアックにこの周波数であれば高周波源として信頼性の高いクライストロンを使用することができる。
（Super Conducting Linac, SCL）を加えてエネ
ルギーを 600 MeV に上げることになる（図 5）。 ただし、ドリフトチューブの直径が周波数に反比例して小さくなるため、DTL に内蔵する四極
電磁石を小型化する必要がある。J-PARC リニ
3.2. リ ニ ア ッ ク の 主 な 特 徴
アックでは、銅の円筒ブロックからコイルを削RCS の入射器としてのリニアックには、ビーム
り 出 し で 製 作 し 、 周 期 反 転 方 式 （ Periodic
強度の達成とともに、小さいエネルギーのばら
Reverse, PR）電鋳というメッキと研磨を交互につきと低いエミッタンスが要求される。RCS へ行う技術を応用することによりコイル内部を中の入射や加速でのビーム損失を許容範囲内に抑空にすることに成功した。この技術を利用して、えるためには、エネルギーの幅と変動が 400
324 MHz の DTL 内部に組み込むことが可能な
MeV 0.7 MeV 以内（運動量で 0.1 %以下）と
小型四極電磁石を実用化することができた。文する必要がある。したがって、リニアックの高献[6]に示された小型四極電磁石の写真を図 6 に周波システムには振幅・位相制御に高い精度が示す。
求められる。また、RCS では空間電荷効果を軽RFQ と DTL をつなぐ中間エネルギービー
減してビーム強度をかせぐために、入射ビーム
ム輸送系（Medium Energy Beam Transport,を位相空間内に広く分布させるペインティング
MEBT）には、バンチャー空洞２台とチョッパ入射を行うが、そのためには入射ビームのエミ
ー空洞１台が設置されている。バンチャー空洞
ッタンスが 4 π.mm.mrad 以下であることが求は、RFQ と DTL の間の縦方向マッチングに用められる。
いられる。チョッパー空洞は、RFQ で加速されたビームの一部を RCS の加速周波数（181 MeV
入射では 0.94 MHz）と同期した繰り返しで水平方向に蹴り出して取り除くために用いられる。
これによってリニアックのマクロパルス幅（0.5msec）の中に、RCS の RF 周波数と同期したパルス構造を形成することができる。このパルス
構造は、0.5 msec のマクロパルスと、3.09 nsec
周期（324 MHz）のミクロパルスの中間の周期になるので、中間パルス、または中間バンチと呼ばれる。この中間パルス構造を作っておくことにより RCS に入射したビームが RCS の高周波加速システムで RF 捕獲されるときのビーム
損失を避けることができる。さらに、チョッパ
ー空洞のデューティーを変えることによって、中間パルスの一部を間引いてビーム強度を変更することもできる。この方法は、イオン源のビーム強度を変えずにリニアックのビーム強度を自由に選ぶことが出来るので、実際の共同利用
運転や加速器の調整運転でも日常的に使用されている。
SDTL と RCS の間のビーム輸送系（Linac to
3 GeV Beam Transport, L3BT）には、２台のデバンチャー空洞が設置されている。これにより、ビームの運動量広がりを位相広がりに置き換えて RCS 入射に要求される小さい運動量広がりを実現する。
400 MeV へのエネルギー増強のためには、新たに ACS を導入する。DTL や SDTL 型加速構
造は、エネルギーが高くなるとドリフトチュー
ブが長くなり、シャントインピーダンスが低下する。このため、従来、常伝導加速構造の場合は、加速する空洞と高周波エネルギーを伝播する結合空洞を組み合わせたもの（これらを結合
空洞型加速構造と呼ぶ）に切り替えるのが一般的であった。しかし、J-PARC では、電場の軸対称性が高くエミッタンスの劣化が小さいと期待される ACS を採用することとした。ACS は
もともと 1974 年にロシアで提案された方式
で、長く実用化されなかったが、1990 年に KEKが世界に先駆けて開発に成功したものである[3]。400 MeV への増強のためには、計 21 台のACS 空洞を設置する必要がある。現在、2012
年の据え付けを目指して、空洞の量産が進んでいる。図 7 に東海サイトに納入された実機の写真を示す。

Fig. 7 ACS 空 洞

4. RCS4.1. RCS の 概 要
図 8 に RCS および MLF の平面図を示す。RCSは約 350 m の周長を持つ 3 回対称のおむすび型のリングで、3 箇所の長直線部を持つ。直線部にはそれぞれ「入射機器、および横方向コリメー
タ」「取り出し機器」「高周波加速空洞」が置かれている。すでに述べたように、RCS は、MLF
における中性子やミュオンの生成標的に MW 級のビームを供給すると同時に、MR のビーム入射のためのブースターとしても用いられる。
Pulse bending magnet
Collimators

Materials and Life Science
Experimental Facility

Extraction
Injection

Rf cavities
L3BT

3NBT

3-50 BT(to MR)
Muon target
Neutron target

Fig. 8	  RCS お よ び MLF の 平 面 図

リニアックで 181 MeV（400 MeV）まで加速された H−ビームは L3BT を経て RCS まで輸送され、荷電変換フォイルによって陽子に変換されて入射される。入射された陽子は 3 GeV まで加速されて、取り出される。この入射から出射までのサイクルを、25 Hz という速い繰り返しで行う。RCS の主なパラメータを表 2 にまとめる。ハーモニック数とはビームのバンチが存在しうる RF バケツの数で、RCS の場合は最大（実線）、βy（点線）、下図は運動量分散関数を２バンチである。

示す。

Table 2 RCS の 主 な パ ラ メ ー タ
Circumference[m]Superperiodicity
Cycle [Hz]Injection energy [GeV]Extraction energy [GeV]
Harmonic number
Number of bunches
Transition energy [GeV]
RF frequency [MHz]

348.3
3
25
0.181/0.4	
 
3.0
2
2
9.14
0.94/1.23-1.67

4.2. RCS の 主 な 特 徴
4.2.1. ラティス

Fig. 9

RCS の ラ テ ィ ス パ ラ メ ー タ

RCS のラティス（電磁石の配列）は、陽子加速器で一般的に用いられるシンプルな FODO タイプを基本にしている。これは、収束（Ｆ）と発

4.2.2. RCS の入射散（Ｄ）の機能を持つ四極電磁石をドリフトス

RCS へのビーム入射は、多重入射法（multi-turnペース（O）を挟んで交互に配置するもので、アinjection）によって行われる。これはリングをーク部分では O の部分に偏向電磁石が設置され周回する周期よりも長い時間にわたってビームる。

を積み重ねて入射するもので、バンチ当たりの

RCS の場合は周長の 1/3 がスーパーピリオド

ビーム強度を増すために行われる。RCS では多（super period）とよばれる最大の周期的単位で重入射法のなかでも特に荷電変換入射、およびあるが、１つのスーパーピリオドは２つのペインティング入射を採用している。荷電変換

3-DOFO アークモジュールと運動量分散関数

入射は、２章でも述べたように、周回ビームに（dispersion）を 0 とした 3-DOFO 直線モジュー

対して逆符号のビームを入射し、入射点の直前ルからなる。各アークモジュールには、偏向電で荷電変換を行う方法である。これにより、位磁石を抜いたセル（missing-bend cell）が 1 箇

相空間の同じ場所にビームを多重に重ね、リウ所設けられ、運動量分散関数が大きくなる場所

ビルの定理に抵触することなく粒子密度を上げに六極電磁石や縦方向のビームコリメータが設ることができる。RCS では、シフトバンプと呼置されている。六極電磁石は、ビームが持つ運ばれる二極電磁石を用いて周回ビームの軌道に動量の広がりによってビームのベータトロンチ

局所的なバンプを作り、バンプ軌道上にリニア

ューンが変化する効果、いわゆる色収差

ックからの H−ビームとの合流点を設け、そこに（chromaticity）を補正するために用いられる。

荷電変換用の炭素フォイルを置くことにより H−

また、このラティスにおいては、トランジショから電子を剥ぎ取って陽子に変換する。入射ビ

ンエネルギー(次章参照)が出射エネルギーの 3ーム（H−）と周回ビーム（陽子）は一つの電磁倍以上となる 9.14 GeV となっている。このこと

石で逆向きのキックを受けるので、入射ビーム

は、加速中の縦方向のビーム制御を容易にし、の軌道を調整することにより、入射ビームを周

ビーム損失の低減につながる。図 9 に RCS 一周

回ビームの軌道上にのせることができる。一方のラティスパラメータを示す。ここで上図はβxで、ビーム強度があがると空間電荷効果の影響

が大きくなるので、その低減のために、ペイン

RCS の偏向、四極電磁石では、中間のエネル

ティング入射が行われる。これは入射ビームをギーに相当する DC 磁場の上に AC 磁場を重畳

横方向、および縦方向の位相空間内で実効的にしている。偏向電磁石電源 1 台、四極電磁石電

掃引して RCS の有効なアパーチャ、およびアク

源 7 台すべてが共振電源で、各々チョークトラ

セプタンス内でビームを適度に広げて入射する

ンスとコンデンサーを持つ。偏向電磁石は並列方法である。

共振回路系、四極電磁石 7 台はそれぞれ異なる

また、生じるビーム損失を局所化するため

直列共振回路系になっており、8 台の電源がタイに、縦・横両方向のコリメータが設置されていミングを合わせて正弦波で電磁石を励磁する。

る。縦方向コリメータは先に述べたようにアー

特に 3GeV 付近では、電磁石によっては磁極内ク部の missing-bend-cell 部に置かれ、横方向のの飽和の影響が顕著になるため、偏向電磁石のコリメータは入射部の下流側に置かれている。

磁場の変化に対し，7 ファミリーの四極電磁石電4.2.3. 電磁石システム

源それぞれを飽和の程度に応じて電流制御する
ことによって磁場を追随させている。

RCS の主電磁石システムは、偏向電磁石 24 台、四極電磁石 60 台（7 ファミリー）、六極電磁石
18 台（3 ファミリー）からなる。さらに、軌道調整用のステアリング磁石が 54 台設置されている。
大強度のビームを加速するには、空間電荷効
果を軽減するためにビームサイズを広げる必要があるので、電磁石の口径（aperture）も自ずと大きくなる。四極電磁石の中で最も口径の大
きな四極電磁石は、ボア径が 410 mm という大口径である。そのためには電磁石だけでなく、電源も大型のものが必要となる。
また、すべての電磁石の磁場が運動量の変化に同期して 25Hz のサイクルで変化しなければならない。したがって、電磁石のコアやコイルにも、当然、渦電流対策を施さなければならな
い。RCS の偏向、四極、六極電磁石には、コイルにおける渦電流損失を低減するために、従来の無酸素銅中空導体ではなくアルミストランド
線導体を開発して採用している。これは、ステンレス鋼製の冷却水配管の周りに多数のアルミニウム素線を撚って角形に成形した導体である（図 10）。コイルの樹脂含浸や導体絶縁には耐放射線性にすぐれたポリイミド樹脂を用いている。電磁石のコアは厚さ 0.5 mm の珪素鋼板を積層して作られており、さらに偏向電磁石と四極電磁石の磁極端部には渦電流の効果を低減するために細い切り込み溝を施している。

Fig. 10	  ア ル ミ ス ト ラ ン ド 線 の 断 面 図
4.2.4. 高周波加速空洞
陽子は電子と違って静止質量が大きいため、
RCS のエネルギー領域では、加速中の速度の変化に対応して、加速周波数を変える必要がある。
RCS で用いられる周波数は、入射エネルギー
181 MeV で 0.94 MHz、取り出しエネルギー3
GeV で 1.67 MHz となる。従来、陽子やイオンを加速するシンクロトロンでは、加速空洞にフェライトを負荷し、フェライトにバイアス磁場を加えて透磁率を制御することにより、加速に対応して空洞の共振周波数を調整してきた。
J-PARC では、計画の比較的初期の段階（大型ハドロン計画の時代）からフェライトに変わる
磁性材料として磁性合金（Magnetic Alloy, MA）に着目した開発研究を進めてきた[7]。

MA はフェライトと比較して高い飽和磁束密4.2.5. セラミックス真空チェンバー度を持つために、より大きい高周波電力を投入

加速器の真空チェンバー材としては，ステンレ

することができる。また、キュリー温度が 500℃ス綱、アルミ、銅、チタンなどの金属が採用さ以上と、フェライトの 100-200℃に対してかなれる場合が多い。RCS では、電磁石がない部分

り高く、発熱によって特性が変化するリスクもにはチタンが、電磁石が置かれる部分には、ア少ない。これらは、フェライトよりも高い加速

ルミナセラミックス材が用いられている。チタ

電場勾配を実現することができることを意味し

ンはガス放出が少なく、軽量であるという超高ている。従来、フェライトを用いた空洞におけ

真空用ダクト材料としての利点に加え、ステン

る加速電場勾配の限界は、10 kV/m 程度とされレス綱に比べて放射線による放射化が少ないとてきたが、MA を用いた空洞の場合は、短時間いう特徴がある。一方、電磁石部分にセラミッ

では 100 kV/m に相当する磁束密度でも加速効

クスダクトを採用した理由は、25 Hz で変化す率が変わらないことが確認されている。さらに、る磁場によって生じる渦電流の影響を避けるた

MA はＱ値が小さく、広帯域のインピーダンスめである。金属材を採用すると、渦電流によるを持っているため、加速とともに同調周波数を発熱を防ぐためにダクトを冷却する必要があ

制御する必要がない。これは低電力高周波制御る。また、渦電流が作る磁場の多極成分がビー系（Low Level RF, LLRF）をフェライト空洞とムに与える影響も問題になる可能性がある。さ比較して極めて簡素化できることを意味する。

らに、RCS ではセラミックスダクトの外表面にビームの進行方向に沿って電鋳法でストリップ
ライン状の銅板を取り付けている。これはビー
ムが作る高周波電磁場がダクト外に放出されることを防ぐ RF シールドとして機能するとともに、ビームに伴って流れる鏡像電流（imaging
current）を流れやすくして、ビーム不安定性や発熱の要因となる抵抗壁インピーダンス（resistive wall impedance）を下げる役割を果
たす[9]。
セラミックス真空チャンバーは偏向電磁石

Fig. 11	  RCS の 加 速 空 洞や四極電磁石などの主電磁石だけでなく、入射部のバンプ電磁石や入射四極電磁石にも用いら

現在、RCS には MA 空洞 11 台が設置されてれている。入射部の四極電磁石に設置中のセラいる（図 11）。加速電圧は 1 台あたり最大で 45 kV

ミックスダクトを図 12 に示す。入射部の四極電（> 20kV/m）、トータルで約 500 kV の加速電圧

磁石には、周回ビームと入射ビームのそれぞれを得ることができる[8]。一方、大強度ビームにに十分なアパーチャを確保するために複雑な断対しては空間電荷効果の影響を軽減するため、面形状が要求されるが、必要な強度を保ちなが二次高調波電圧を加えてバンチ当たりのピーク

らこのような異形断面も実用化している。

電流を下げる操作を行う必要があるが、RCS のMA 空洞の Q 値は 2 と低く、周波数としては 0.9

4.2.6. RCS のビーム取りだし

MHz から 3.4 MHz 程度をカバーしているため、

RCS からのビームの取り出しは、速い取り出し

1 台の空洞でビームの加速とバンチ形状の操作の両方が可能なシステムになっている。

によって行われる。速い取り出しとは、高速の立ち上がり時間を持つキッカー電磁石を用いて、周回軌道を回っているすべてのバンチ（RCSFig. 13	  MR の 平 面 図
Fig. 12	  RCS 入 射 四 極 電 磁 石 部 の セ ラ ミ ッ ク
ス真空チェンバーの ビ ー ム 輸 送 系 （ 3 GeV to 50 GeV Beamの場合は最大 2 バンチ）を一度のキッカーの励

Transport, 3-50 BT）を通って MR に入射され磁で一気に取り出す方法である。RCS の取り出る。図 14 に RCS と MR バンチ配置を示す。RCS

しシステムは、８台のキッカーとその下流におのハーモニック数は２、MR のハーモニック数

かれた３台のセプタム電磁石から成る。キッカは９である。ただし、後に述べるように、速いーで約 17 mrad 蹴り出されたビームは、その下取り出しキッカーの立ち上がり時間を確保する流に置かれた 3 台の DC セプタム電磁石で 288

ために、空バケツを入れておく必要があり、MR

mrad 曲げられて RCS の外に取り出される。

のバンチ数は８を上限としている。従って、RCS

5. MR
5.1. M R の 概 要から２バンチずつ、最大４回入射されたビームが 30 GeV まで加速され、実験施設に向けて取り出される。
「遅い取り出し（Slow Extraction, SX）」によ

MR は、J-PARC 施設を構成する３つの加速器のって取り出される陽子ビームはハドロン実験施

うち、最下流に位置する最大規模の加速器であ設に送られ、素粒子・原子核実験に用いられる。

る。陽子を 50 GeV まで加速して取り出すこと

一方、「速い取り出し（Fast Extraction, FX）」ができる設計になっているが、現在は加速エネで取り出される陽子ビームはニュートリノビー

ルギー30 GeV で運転している。

ムラインに送られて、ニュートリノビームの生図 13 にＭＲの平面図を示す。ＭＲは約 1.6
km の周長を持つ 3 回対称のリングである。長さ成に用いられる。
表 3 に、MR の主なパラメータを示す。バン

116 m の直線部が 3 箇所あり、各直線部には「入チの数としては 2010 年 6 月までは 6 が標準的

射機器、およびリングコリメータ」、「遅い取りな運転モードであった。これは、速い取り出しだし機器」、「高周波加速空洞、および速い取りキッカーの立ち上がり時間が 1.6 µsec かかるた出し機器」が設置されている。

めである。2010 年夏に、これまで準備してきた

RCS から 25 Hz で取り出される 3 GeV 陽子

新しいキッカーに入れ替える予定である。新しビームは、RCS の取り出し点の下流に置かれたいシステムは、立ち上がりが 1µsec 以下に短縮

パルス偏向電磁石によって MR と MLF に振り分けられる。通常、RCS から取り出されるビー
ムのうち 95%以上は MLF に、それ以外が MRに送られる。MR 行きのビームは、長さ 230 m

されており、2010 年秋以降の運転ではバンチ数
8 が標準になる予定である。ビームパワーに関しては、MR の設計仕様値は取り出しエネルギー

50 GeV で 750 kW である。ただし、現在はビー
ムエネルギー30 GeV で繰り返し時間を短くすることによって仕様値 750 kW を可能な限り早期に達成することを検討している。
€(5-1)
ΔT ΔL Δβ ⎛1 ⎞ ΔpΔp=−= ⎜ α − 2 ⎟
= ηC
T
L
β ⎝
γ ⎠ ppここで、α はモーメンタムコンパクションファクタ−（momentum compaction factor）であり、
ηc はスリップファクター（slip factor）と呼ばれる。いま、スリップファクターの符号に着目す

30 GeV!

ると、符号が負の場合（粒子のエネルギーがあ€る値よりも小さい場合）は、運動量が増加すると速く周回して周期は短くなるが、符号が正のMR場合（粒子のエネルギーがある値よりも大きい!

場合）は、運動量が増加すると速度の増加率よりも軌道長が長くなる効果が優勢になるため周回周期が長くなることがわかる。このスリップファクターの符号が反転する境目のエネルギーがトランジションエネルギー γt であり、(5-1)よりFig. 14	  RCS と MR の バ ン チ 配 置
Table 3	  MR の 主 な パ ラ メ ー タ
Circumference[m]Superperiodicity
Cycle [Hz]Injection energy [GeV]Extraction energy [GeV]
Harmonic number
Number of bunches
Transition energy [GeV]
RF frequency [MHz]1567.53~0.3
3	
 30 (1st phase)9
6 (~June 2010)
8 (Oct. 2010~)
j31.7
1.67-1.72

5.2. M R の 主 な 特 徴
5.2.1. ラティス

1
(5-2)
α
で与えられる。さらに α と運動量分散関数 η(s)の関係を用いると、€
11 η(s)=α = ∫ds(5-3)
γt2
L ρ(s)γt =となる。ここで ρ(s) は、偏向電磁石での曲率半径である。
€
さて、加速過程でトランジションエネルギーを通過する際、縦方向ビーム振動（シンクロトロン振動）の安定位相領域がシフトするため、それに対応して高周波加速電圧の位相をジャンプさせる必要があるが、そのときに生じるビー
ム損失やエミッタンスの増大は大強度ビームほど深刻になる。先に述べたように RCS ではトラ

MR のラティスの大きな特徴は、トランジショ

ンジションエネルギーが取り出しエネルギーのンエネルギーを虚数に選んだことである。通常、3 倍以上となるラティスを採用しているが、取り数 GeV から数 10 GeV 程度のエネルギーを持つ出しエネルギーが 50 GeV の MR では現在の規

強収束の陽子シンクロトロンには、加速途中に模で十分に高いトランジションエネルギーを得

トランジションエネルギーが存在する。粒子がる ラ テ ィ ス 設 計 は 難 し い 。 そ こ で MR で はリングを一周するときの周回時間を T、運動量 p

negative α、すなわちトランジションエネルギの粒子に対する中心閉軌道の軌道長を L とするーが虚数になるラティス構造を採用することにと T=L/βc より、以下の関係が成り立つ。

よって、加速過程でトランジションエネルギー
を通過しない設計にしている。これは、大型陽子加速器としては世界で初めての試みである。

MR のラティスは、RCS と同様、FODO タ
イプを基本にしている。１つのアークは３つのFODO セルからなるアークモジュール８つから構成されている。各アークモジュールの中心に
missing-bend cell を設け、その部分でη(s) が最大に、その他の偏向電磁石部で η(s) が負になる
ようにしている。その結果、(5-3)で与えられる

α をマイナスに、すなわちトランジションエネ
ルギーを虚数にすることができる。また、直線部の運動量分散関数を 0（dispersion free と呼ぶ）にするために、アーク部分の両端で運動量分散関数が 0 になるようにしている（achromat

Fig. 15	
  MR の ラ テ ィ ス パ ラ メ ー タにしている）。これは、アーク部での位相の進み（phase advance）が 2π の整数倍になるようにし、直接、変換器に入力する方式をとることで取ることで与えられるが、MR の場合は、１つ小型化が図られている。ただし、2008 年 5 月ののアークモジュールの位相の進みを 3 π /4 としビームコミッショニング開始当初から主電磁石ているので、1 アーク（8 モジュール）での位相電源の電流リプルに起因するビーム軌道やチュの進みは 6π となる。

ーンの変動が確認され、それが大きな問題にな一方、一つの直線部は、３つの FODO セルっている[10]。現在も夏期停止期間などを利用しとその両側に置かれたマッチングセクションかて、リプルの原因の解析と対策を重点的に続けら 構 成 さ れ て お り 、 長 さ 116m に わ た っ てている状況である。これまでに、電源のフィル

dispersion free になっている。マッチングセク

ター構成の大幅な見直しや、負荷配線の対称化

ションはアーク部との間で光学パラメータ（ノーマルモードとコモンモードの分離）を行（Twiss parameter）のマッチングを取るためにい、コミッショニング開始当初に比べると電流用いられる。

リプルは大幅に改善し、典型的には入射エネル

図 15 に MR 一周のラティスパラメータを示す。
5.2.2. 電磁石システム
MR の主電磁石システムは、96 台の偏向電磁石、
216 台の四極電磁石（11 ファミリー）、72 台のギーで 10-3 台、取り出しエネルギーで 10-4 台になっている[11]。しかし、たとえばハドロン実験
施設への安定なビーム供給のためには、リプルをさらに 1/10 以下に改善する必要がある。
5.2.3. 高周波加速システム

六極電磁石（3 ファミリー）から構成されている。

高周波加速空洞には RCS と同様、MA 空洞が採さらに軌道調整を行うために 186 台のステアリ用されている。陽子ビームを 3 GeV から 30

ング電磁石（水平方向 93 台、垂直方向 93 台）

GeV まで加速する場合のβの変化は３%程度でが設置されている。RCS ほど速い繰り返しではあり、対応する高周波加速空洞の周波数範囲はないものの、数秒周期でパターン運転する必要

1.67 MHz から 1.72MHz である。周波数の変化があるので、いずれの電磁石のヨークも無方向

量としては RCS と比較すると少なく、その分、性珪素鋼板を積層して作られている。

空洞の Q 値を上げることができる（過渡的なビ

主電磁石電源は、変換器のスイッチング素子

ーム負荷によって生じる加速電圧のゆがみを考として IEGT/IGBT を採用したパターン電源で慮すると、Ｑ値は必要以上に下げない方が望まある。三相 22 kV の交流を電源トランスで降圧しい）。ドーナツ型の MA コアを径方向に切断して 2 等分し、切断面間の距離を適当に選ぶことするハロー成分をリングコリメータで取り除く

によって空洞のインダクタンスやＱ値を調整すというシナリオである。

ることができる（カットコア配置）が、MR で一方、リングコリメータ部の下流には、入射はこのカットコアを採用して、Ｑ値を 26 程度に

ダンプラインが設置されている。ダンプキッカ

している。

ー電磁石とダンプセプタム電磁石により、3 GeV

現在、MR には 5 台の空洞が設置されておりの陽子ビームを、容量 3.5 kW を持つ入射ダンプ

加速電圧としては 230 kV 程度を得ることが出

ラインに捨てることができる。このダンプライ来る。また、空間電荷効果の影響を抑制するたンは、2008 年 5 月の MR のビームコミッショニ

めの 2 倍高調波高調波空洞 1 台が 2010 年の秋

ング開始時に使用可能であった当時 MR で唯一以降稼働を開始する予定である。

のダンプラインであり、初期のビーム調整にお5.2.4. 入射・コリメータ

いては重要な役割を果たした。

MR の入射直線部を図 16 に示す。MR の入射直線部は、入射部、リングコリメータ部、入射ダンプ部から構成されている。
MR へのビーム入射には 1 ターン入射法が用いられる。3-50BT を通って入射されたバンチ
は、2 台のセプタム電磁石によってリングの周回軌道と平行近くになるまで軌道を曲げられ、入Fig. 16	
  MR の 入 射 直 線 部

射軌道と周回軌道の交点付近に設置された入射キッカー電磁石によって周回軌道上にのせられる。図に示されている 3 台のバンプ電磁石は、
横方向のサイズが大きい大強度ビームに対してアパーチャを確保する目的でバンプ軌道を作るために用いられる。

5.2.5. 速い取り出し
ニュートリノビームラインへのビーム取り
出しには速い取り出しが用いられる。速い取り

入射キッカーの下流側にはビームコリメー

出しシステムは、5 台のキッカー電磁石とその下タが置かれている。すでに述べたように、コリ流に置かれた 6 式のセプタム電磁石から構成さメータは物理的口径を他の場所よりも狭くするれている。陽子ビームが 30 GeV まで加速されことによって、ビームのハロー成分を削り落とた後、キッカー磁石を励磁して、周回している

し、ビームロスを局所化するために用いられる。

すべてのビームを一周する時間内（~5 µsec）でMR の物理口径は、コリメータをのぞき、位相取り出す。

空間で 81 πmmmrad 以上を確保するよう設計

MR の速い取り出しは、両極性のシステムにされている。それに対して、コリメータの口径なっており、図 13 に示したようにビームをリンを 54 -60 π mmmrad に狭くすることにより、コ

グの内側、または外側のどちらにも蹴り出すこリメータ以外の箇所で生じるビームロスを極力とができる。図 17 に速い取り出しの分岐部を示抑える設計になっている。

す。ビームの進行方向は写真奥から手前である。

ビームコリメータは 3-50BT にも設置されて中央のダクトが周回ビーム、向かって右側はリいる。3-50BT のコリメータで RCS から取り出

ングの内側で、ニュートリノ施設の一次ビームされたビームのハロー成分を取り除き、MR にラインである。左側はリングの外側で、アボー入射された後に空間電荷効果などの影響で発生

トビームラインである。

ニュートリノビームラインに取り出された
陽子ビームは、超伝導磁石を含むアーク部を通ドロン実験施設へのビーム供給に遅い取り出しが用いられるのはこのためである。

って標的に衝突し、パイ中間子を生成する。こ遅い取り出しは、ビーム軌道上に非線形磁場のパイ中間子がミュオンに崩壊するときに発生があるときに、特定のベータトロン振動においするニュートリノが SK に送られる。

てビームが不安定になり振幅が増大することを一方、リングの外側に蹴り出されるビームは利用した取り出し法で、共鳴取りだし

ビームアボートラインに導かれ、容量 7.5 kW の（resonance extraction）とも呼ばれる。非線形

ビームダンプに捨てられる。このビームアボー

磁場が存在する場合、ビームの水平方向、垂直

トラインは、主に加速器の調整運転に用いられ方向のベータトロン振動数（νx,νy）が次の条件

るが、実験施設にビームを供給する運転モード

をみたすと共鳴を起こしてビームは不安定になにおいても、機器に異常が生じた場合にビームる。

を実験施設に取り出すことなく捨てるために用いられる。

kν x + lν y = n(5-4)

ここで、k、l、n は整数である。|k|+|l|=m のとき、m を共鳴の次数を呼ぶ。
MR では、遅い取り出しに３次共鳴が利用さ€れる。MR のアーク部には、遅い取り出しのために３次共鳴を励起する六極電磁石（共鳴六極）
が 8 台設置されている。また、遅い取り出しの直線部には、2 台の静電セプタム、10 台のセプ
タム磁石、4 台のバンプ電磁石が配置されている。ビームが 30 GeV まで加速されると、共鳴六極によって３次共鳴 3 νx =67 を励起し、さらに四極電磁石のうち QFN と呼んでいるアーク部におかれた 48 台のファミリーの磁場強度をFig. 17	
  速 い 取 り 出 し の 分 岐 部

ゆっくり上げて、νx を徐々に励起した３次共鳴線に近づけていく。その結果、リングを周回す

5.2.6. 遅い取り出しる陽子ビームは次第に振動が不安定な領域に入って振幅が増大し、静電セプタムを通過する際

遅い取り出しは、ハドロン実験施設にビームをにその静電場によってリンゴの皮剥きのように供給する。MR から取り出された陽子ビームは

ベータトロン振動の振幅の大きな粒子から周回

ビーム輸送系を通ってハドロン実験施設の最上軌道をはずれていく。周回軌道をはずれた陽子流部に設置された標的と衝突し、K 中間子や πは、下流に位置するセプタム磁石群によってハ中間子などの二次粒子を生成する。ハドロン実

ドロン実験施設に通じるビーム輸送路（スイッ験施設ではこれらの二次粒子を用いて素粒子・チヤードと呼ばれる）に導かれる。４台のバン

原子核実験が行われるが、粒子の識別やエネル

プ電磁石はこの取り出しが最も効率よく行われギーの測定には同時計測法（coincidence 法）がるバンプ軌道を作るために用いられる。また、使われる。その際、同時に検出器に入る粒子の利用実験のためには、取り出されたビーム（ス数が多すぎると同時計測の結果が目的とする物

ピル）の強度を一定にすることが必要である。

理反応の同一事象に起因するものかどうかの判

そのために、2009 年の秋以降は、高速応答を有別が困難になるため、周回する陽子ビームを秒する３台の四極電磁石と DSP を用いた制御系

単位の長い時間をかけて均一なビーム強度で取り出して標的に照射することが重要である。ハからなるスピルフィードバックシステムが稼働している。

ビームラインの整備は順次進んでおり、2010
年夏前の運転では、中性子ビームライン１２本、ミュオンビームライン１本が稼働している。

6. 実験施設

6.2. ハ ド ロ ン 実 験 施 設
6.1. M LF
MLF の全体構造図を図 18 に示す。MLF には、

ハドロン実験施設の構成図を図 19 に示す。陽子ビームが T1 標的に照射して生成される K 中

二次粒子としてのミュオンを利用するミュオン

間子、π 中間子、反陽子などの二次粒子は、各二実験エリアと、中性子を利用する中性子実験エ次ビームラインを通って実験エリアに導き出され、素粒子・原子核実験に用いられる。T1 標的には、二次粒子の発生効率や標的の冷却性能などを考慮して、ニッケル、またはプラチナが用

Neutron Target Station!

いられている。T1 標的の下流には容量 750 kWのビームダンプが置かれ、標的物質と相互作用

Muon Production Target!
Neutron Experimental Area!

しなかった陽子が吸収される。
図 19 に 示 さ れ た ビ ー ム ラ イ ン の う ち 、Muon Experimental Area!

Proton !
Beam!

K1.8BR は 2009 年２月から、K1.8 と KL は 2009

Fig. 18	
  MLF の 模 式 図
リアがあり、物質・生命科学を中心に広い分野の研究が行われる。
RCS から取り出された陽子ビームは、約 300
m のビーム輸送系（3 GeV to Neutron Target

Fig. 19	
  ハ ド ロ ン 実 験 施 設 の 模 式 図

Beam Transport, 3NBT）を通って MLF まで輸送され、まずミュオンを発生する厚さ 20 mm の

年秋から実験を開始している。K1.1BR は 2010

グラファイトターゲットに入射する。これによ

年 10 月からビームコミッショニングを開始すり生成したπ中間子が崩壊して得られるミュオ

る予定である。

ンは四方向に配置される二次ビームラインで取り出され、実験エリアに導かれる。ミュオン生

6.3. ニ ュ ー ト リ ノ ビ ー ム ラ イ ン

成ターゲットを通過した陽子はさらに 30m 下

ニュートリノビームライン（図 20）は、長基線流に設置された水銀ターゲットに入射され、水ニ ュ ー ト リ ノ 振 動 実 験 で あ る T2K

銀原子核の核破砕反応によって中性子を発生す（Tokai-to-Kamioka）実験のためのビームライン

る。発生した中性子は、液体水素で冷却されたである。MR から取り出された陽子ビームは、

モデレータによって中性子散乱実験に利用でき超伝導電磁石を含む一次ビームライン

るエネルギーまで減速された後、合計２３本の（neutrino primary beamline）を通ってターゲ

中性子ビームラインを通って中性子実験エリア

ットステーションに導かれ、グラファイトのタの各種実験装置群に導かれる。

ーゲットに衝突する。これによって生成された大量のπ中間子は電磁ホーン３台によって並行

に収束された後、崩壊トンネル（decay volume）と呼ばれる長さ約 100 m の空間の中を飛行中にミュオンとニュートリノに崩壊する。このニュートリノが、約 295 km 離れた岐阜県飛騨市神岡の地下 1000 m にある水チェレンコフ検出装
置スーパーカミオカンデ（Super-Kamiokande,
SK）に送られる。崩壊トンネルの下流には、ビームダンプが置かれる。
Horn 

TargetFig. 21 ニ ュ ー ト リ ノ ビ ー ム ラ イ ン の 複 合 磁 場型超伝導磁石MR arcsection7. ビ ー ム コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ と 利 用 運
転の現状
Neutrino primary beamline

この章では、J-PARC 加速器のビームコミッシ
Beam dump 

Decay volumeFig. 20	
  ニ ュ ー ト リ ノ ビ ー ム ラ イ ン の 構 成ョニング、および利用運転の現状について述べる。
リニアックは 2006 年 11 月から、RCS は 2007

MR の偏向電磁石では 50 GeV 運転のときに

年 9 月からビームコミッショニングを開始した。

必要となる励磁量が 1.9 T となり、大型シンク

その後、2008 年 5 月から MR と MLF がビームロトロンに用いられる常伝導電磁石としては、

コミッショニングを開始した。最も下流になる

ほぼ限界に近い磁場強度である。ニュートリノ

ハドロン実験施設、ニュートリノビームライン

ビームラインは、ニュートリノビームを SK にのビームコミッショニングはそれぞれ 2009 年 1

向けて送り出す必要があるが、MR から取り出

月、2009 年 4 月に開始された。コミッショニン

された陽子ビームを SK の方角に合わせるには、

グ開始当初は、機器の放射化を防ぐために、調約 100 m の曲率半径で 90という、MR のアー

整はごく低いビーム強度で行った。すなわち

ク部よりもさらに大きい曲率で曲げなければな

RCS および MR は単バンチ運転で、バンチ当たらない。ニュートリノビームラインのアーク部

りの粒子数は定格の 1 %である 4分に超伝導電磁石が採用されているのはこのた(particles per bunch)、繰り返しも連続ではなくめである。ニュートリノビームラインの超伝導

シングルショットを基本とした。その後、ビー

電磁石システムは、二極磁場 2.6 T と四極磁場ム損失や残留線量に注意しながら、徐々にビー

19 T/m を同時に発生することができる二極・四ム強度を上げ、現在に至っている。

極複合磁場型（combined function 型）超伝導電1011 ppb

磁石 28 台と 4.5 K で 2 kW の冷凍能力を持つヘ7.1. Linac/RCS の 現 状リウム冷凍機から構成されている[12]。加速器用

Linac および RCS はスタディの進捗ともに、ビ超伝導磁石で複合磁場型を実現している例は世ーム強度を増やし、2008 年の秋からは MLF が界的にもめずらしい。図 21 にニュートリノビー

試験的な利用運転を開始した。ところが 24 時間

ムラインのアーク部の一部を示す。

の連続運転を開始した直後から、リニアックのRFQ で運転中に放電が多発して連続運転を継続

題も一層明らかになっている。ビーム損失の低できなくなるという問題が顕在化した。そこで

減は 300 kW で 24 時間連続の本格的な利用運転

RFQ における RF コンディショニング方法の見を開始する前に実施すべき重要な課題である。

直しやイオン源から RFQ までの真空排気系の

特に入射部でビーム損失が大きいことが問題だ

大幅な増強を行った。RFQ は常時水素ガスが供が、これは荷電変換フォイルにおける周回陽子

給さるイオン源の直下流に位置し、差動排気系

ビームの散乱が原因と考えられている。そこで、になってはいるものの運転中はイオン源からの2010 年の夏期停止期間中に、荷電変換フォイル

水素ガスの流入が続いている。そこで、差動排を垂直方向のサイズが小さいものに交換する。

気系の強化、イオンポンプの増設、クライオポ

ペインティング入射を行っている間のフォイルンプの導入、in-situ baking による脱ガスの促進での散乱回数を減らすことがねらいである。まなど、真空に関する対策は特に重点的に実施した、RCS の六極電磁石電源はシャットダウンさた[13]。2008 年の共同利用運転開始以降、RFQ

れ た KEK の 12 GeV 陽 子 シ ン ク ロ ト ロ ンの放電問題のために RCS から MLF に供給する（KEK-PS）からリサイクルした DC 電源を使用

ビーム強度は長らく 20 kW（リニアックビーム

しているので、色収差補正が完全に行われていとしてはピーク電流 5 mＡ、パルス幅 0.1 msec）

るのは入射エネルギーだけであり、加速とともに制限されてきたが、真空系の改善とともに放に色収差が大きくなってベータトロンチューン

電頻度は徐々に下がり、2009 年 11 月には 120のずれを引き起こしビーム損失が生じている。

kW の連続運転を開始できるようになった。こ

こちらも、2010 年の夏に六極電磁石電源を新し

れはリニアックビームとしてはピーク電流 15いパターン電源に交換する予定であり、秋の運

mA、パルス幅 0.2 msec である。

転以降は入射から取り出しまでのすべてのビー

図 22 に MLF のコミッショニング開始から

ムエネルギーで色収差補正が可能となる。

2010 年 6 月までに RCS から MLF に供給されたビーム強度の履歴を示す。2009 年 11 月以降
は積分ビームパワーが大幅にのびていることがわかる。共同利用運転開始当初は、２日ないし

3.0!

120 kW!

200!

2.0!

３日の連続運転の後にビーム運転を１日停止し

100!
1.0!

続運転が可能となっている。
RCS は MLF と MR に対して安定な連続ビー
ム供給を行っているが、その一方で、ビーム強度の増強に向けたスタディも継続している。
2009 年 12 月には、MLF に対して試験的に 300
kW で１時間の連続ビーム供給に成功した[14]。
こ れ は RCS ビ ー ム と し て は 21013 ppp(particles per pulse)、リニアックのビームとしてはピーク電流 15 mA、パルス幅 0.5 msec である。この 300 kW 連続運転試験では、今後の課#34: 2010/6/7 -0!
#33: 2010/5/9 -

#32: 2010/4/13 -

#29: 2010/1/17 -

#28: 2009/12/7 -#27: 2009/11/9 -し、2010 年６月の時点では２~３週間程度の連#26: 2009/10/6 -

ともに少しずつ連続ビーム運転の日数を増や0#24, #25 : !
2009/5/27 -ィショニングを実施していたが、RFQ の回復と20 kW!

4 kW!

#22 : 2009/2/10 -

パルスの RF 電力を投入して空洞表面のコンデ#20 : 2008/12/23-
#21 : 2009/1/21-

て、RFQ に溜まったガスを取り除くとともに短Fig. 22	
  MLF に 供 給 さ れ た 積 分 ビ ー ム 強 度
7.2. M R の 現 状
7.2.1. 速い取り出し2009 年の 4 月にニュートリノビームラインのビームコミッショニングが開始されて以来、MRの加速器スタディと並行してニュートリノビー
ムラインの調整を進めてきたが、2010 年 1 月からは T2K グループが本格的な物理運転を開始した。夏期停止期間に入る直前の 6 月末までの間

ダンピング抵抗を用いたビーム結合インピーダにニュートリノターゲットに供給された陽子数ンスの低減とコアの水冷システムを導入するこ1019 である。この間のビームパワーはとにより、ビームパワーの設計仕様値 750 kW

24 時間の連続運転では最大 50 kW で、これはまでは蹴り角のドリフトが生じないデザインに

KEK-PS の 10 倍以上の強度である。また、短時

なっている

は 3.3

間のデモンストレーションとしては、100 kW で
3 分間程度の連続運転にも成功している。図 237.2.2. 遅い取り出しに 100 kW 運転における 1 サイクル（3.52 秒）

現在、MR の遅い取り出しにおける最大の課題の陽子ビームの運動量変化、および DCCT で測は、取り出されたビームのスピル構造をいかに定された周回ビームの強度変化を示す。ニュー

して改善できるかである。MR では５章で述べトリノビームラインに取り出されたパルスあた

た主電磁石電源の電流リプルに起因して、30

りの陽子数は 7.5

1013 ppp で、陽子シンクロト

GeV ビームに対し0.003 という大きなチュー

ロンにおける加速粒子数としては米国ブルック

ン変動が確認されている。このチューン変動のヘ ブ ン 国 立 研 究 所 (Brookhaven National

ために、取り出されたビームスピルにはスパイ
ク状の強度変化が生じ、利用実験において大きな障害となっている。この問題の解決策については、現在も検討が続いているが、2009 年秋以降、3 台の四極電磁石を用いたスピルフィードバ
ックシステムが稼働を開始するとともに[16]、四極電磁石に取り付けられた補助コイルを短絡して磁場リプルを低減する試み等が成果を上げており[17]、スピル構造は着実に改善してきている。

Fig. 23	  速 い 取 り 出 し の 100 kW 運 転 に お け る
周回ビーム強度と運動量変化
Laboratory,BNL) のAGS(

Alternative

Gradient Synchrotron )が持つ世界記録と同等である。入射時のビームロスの総量は 100~200
W で、ロスの場所はリングコリメータにほぼ集中している[15]。
2010 年 6 月現在、100 kW で長時間の連続運転を行っていない理由は、速い取り出しキッカ
ーのフェライトコアが大強度ビームの航路場（wake field）によって発熱し、コアの透磁率がFig. 24	
  遅 い 取 り 出 し の 1.9 kW 運 転 に お け る 周
回ビーム強度と運動量変化

変化することで蹴り角にドリフトが生じるためである。もともと 2010 年夏に速い取り出しキッ

図 24 に遅い取り出しによってビーム強度 1.9

カーを立ち上がりの速い新型キッカーに入れ替

kW の利用運転を行った際の 1 サイクル（6 秒）

える計画であったが、新型キッカーにおいては、の運動量、および周回ビーム強度の時間変化を示す。ビームは加速終了後、1.7 秒間をかけて取J-PARC の全体像と、各加速器のおおまかな特り出される。利用運転では、リプル対策として徴をつかんでいただき、以降の講義の理解に役先に述べたスピルフィードバック、および四極立てていただければ幸いである。

電磁石 117 台の補助コイルショートを併用している。

8. おわりに

JAEA の二川正敏氏、KEK の田中万博氏、
小林隆氏、荻津透氏から図を提供していただいた。謝意を表したい。

J-PARC 加速器のイントロダクションとして、施設の概要と現状を駆け足で述べた。

参 考 文 献[1] “Accelerator Technical Design Report for
J-PARC”, KEK-Report 2002-13 and JAERI-Tech
2003-044.
[2] 「大強度陽子加速器技術」OHO 01.
[3] 山崎良成ほか「J-PARC 加速器」高エネルギー
ニュース, Vol. 24, No. 1 (2005) 11.
[4] T. Koseki et al., “Status of J-PARC Main Ring
Synchrotron”, Proc. PAC07, p. 736.
[5] 町田慎二 「空間電荷効果」OHO 2000.
[6] K. Yoshino et al., “Development of a DTL
Quadrupole Magnet with a New Electroformed
Hollow Coil for the JAERI/KRK Joint Project”,
Proc. LINAC2000, p. 569.
[7] Y. Mori et al., “A New Type of RF Cavity forHigh Intensity Proton Synchrotron Using High
Permeability Magnetic Alloy”, Proc. EPAC98, p.
299.
[8] M. Yoshii et al., “Recent Status and Future Planof J-PARC MA Loaced RF Systems”, Proc.
IPAC10, p. 615.
[9] M. Kinsho et al., Vacuum, Vol. 73, No. 2 (2004)
187.
[10] 小関忠「ビームコミッショニングを開始した
J-PARC MR」高エネルギーニュース, Vol. 27,
No. 2 (2008) 63.
[11] 中村衆ほか「J-PARC MR における電磁石電源の問題点と対策」加速器	
  Vol. 6, No. 4 (2009)292.
[12] 荻津透ほか「J-PARC ニュートリノビームラ
イン超伝導磁石システム」加速器	
  Vol. 6, No.
4 (2009) 335.
[13] K. Hasegawa et al., “Status of the J-PARC RFQ”,
Proc. IPAC10, p. 621.

[14] M. Kinsho “Status and Progress of the J-PARC
3-GeV RCS”, Proc. IPAC10, p. 627.
[15] T. Koseki et al., “Challenges and Solutions for
the J-PARC Commissioning and Early
Operation”, Proc. IPAC10, p. 1304.
[16] M. Tomizawa et al., “Status and Upgrade Plan ofSlow Extraction from the J-PARC Main Ring”,
Proc. IPAC10, p. 3912.
[17] S. Igarashi et al., “Magnetic Field Reduction ofMain Magnets of the J-PARC Main Ring”, Proc.
IPAC10, p. 301.