No.1

zorach2002

magazine_201511

J-PARC

Japan Proton Accelerator Research Complex




















No.1

2015

A U T U M N









http://j-parc.jp


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さまざまなユーザーにビームを 供 給 する 際 に、 実 験 によっ

てぞれぞれ 必 要 なエネルギーが 異 なります。 例 えば、 中 性

子 の 場 合 は1GeV(10 億 電 子 ボルト)~ 3GeV、 素 粒 子 ・

原 子 核 実 験 では、 数 10GeVの 高 いエネルギーが 必 要 です。

J-PARCでは3 種 類 の 加 速 器 を 組 み 合 わせることで、ユー

ザーがそれぞれ 必 要 とするエネルギーとビームの 強 さを 実

現 しています。

このように、 中 性 子 と 素 粒 子 ・ 原 子 核 物 理 の 実 験 を 一 緒 に

行 うことのできる 加 速 器 は、J-PARCだけなのです。

J-PARCセンター 加 速 器 ディビジョン 長

さん


RCS





MR

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LINAC

J-PARCの3つの 加 速 器 のうち、 一 番 最 初 にあるリニアックは、 高 い 電 流 の 粒 子 ( 負 水 素 イオン)を 生 成 ・ 加 速 し、

後 ろの 加 速 器 に 渡 します。 後 段 の 加 速 器 (RCS、MR)では 加 速 する 粒 子 の 数 を 増 やすことができないので、リ

ニアックでどれだけたくさんの 粒 子 を 加 速 できるかがカギとなります。

イオン 源 : 水 素 ガスをプラズマ 化 することで、 負 水 素 イオンを 生 成 します。

2014 年 に 新 型 のイオン 源 に 交 換 することで、 従 来 の 約 2 倍 の 陽 子 数 を 生

成 できるようになり、RCSの 所 期 性 能 である1MW 相 当 の 陽 子 ビームの 加

速 に 成 功 しました。

ACS 加 速 器 :J-PARCが 世 界 で 初 めて 実 用 化 した、 大 強 度 ビームを 加 速

するのに 適 した 構 造 を 持 つ 加 速 器 。 非 常 に 難 しい 構 造 をしているので、

世 界 でもここにしかない 加 速 器 です。

RCS

Rapid-Cycling

Synchrotron

リニアックで 加 速 された 粒 子 ( 負 水 素 イオン)は、RCS 到 達 直 前 に 電 子 を2 個 剥 ぎ 取 られ、 陽 子 になります。こ

の 陽 子 を 同 じ 軌 道 でぐるぐると 回 しながら、 効 率 よくエネルギーを 上 げていく 加 速 器 がRCS(3GeVシンクロト

ロン)です。RCSで 加 速 した 陽 子 は、MLF( 物 質 ・ 生 命 科 学 実 験 施 設 )やMRに 送 られます。

加 速 空 洞 :「 金 属 磁 性 体 コア」を 使 用 することで 高 い 加 速 勾 配 を 実 現 し、

短 い 区 間 で 効 率 よく 高 い 加 速 電 圧 を 得 ています。この 技 術 もJ-PARCの

世 界 最 高 強 度 の 加 速 性 能 を 支 えています。(P6-7、 野 村 さんインタビュー

参 照 )

出 射 部 :RCSの 出 射 部 では、 加 速 した 陽 子 ビームを 精 密 にコントロール

することで、ビームをほとんどロスすることなく、 下 流 のMLF( 写 真 左 奥

側 )やMR( 写 真 中 央 奥 側 )に 送 り 出 しています。( 写 真 右 側 はRCSの 周 回

ライン)

MR

Main Ring

RCSで3GeVまで 加 速 した 陽 子 を、 最 大 50GeVまでエネルギーを 高 める 加 速 器 がMRです。 素 粒 子 原 子 核 実 験

では 数 10GeVのエネルギーが 必 要 なので、 周 長 のより 長 いMRで 陽 子 をさらに 加 速 し、エネルギーを 上 げていま

す。J-PARCはパワーフロンティアといって、ビーム 出 力 が 高 く、たくさんの 二 次 粒 子 を 作 ることができるので、

それらを 使 って 新 しい 物 理 学 の 展 望 を 拓 いています。

偏 向 電 磁 石 ( 青 )と 四 極 電 磁 石 ( 黄 ): 陽 子 の 進 行 方 向 を 曲 げる 偏 向 電 磁 石

と、ビームを 収 束 させるための 四 極 電 磁 石 。 電 磁 石 の 組 み 合 わせを 工 夫 す

ることで、ビームのロスを 抑 える 設 計 を 世 界 で 初 めて 採 用 しています。

出 射 キッカ 電 磁 石 : 陽 子 の 軌 道 を 周 回 軌 道 から 取 り 出 し 軌 道 へと 進 行 方

向 を 変 更 するための 電 磁 石 。MRのこの 電 磁 石 では 約 5マイクロ 秒 の「 速

い 取 り 出 し」で、ニュートリノターゲットにビームの 行 き 先 を 変 更 していま

す。

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日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構

J-PARCセンター 加 速 器 ディビジョン

加 速 器 第 二 セクション 研 究 副 主 幹

さん

■ 加 速 器 なのに、 加 速 している 部 分

は 実 は 少 し

私 が 担 当 しているのはシンクロト

ロンの「 加 速 空 洞 」という 粒 子 を 加

速 する 部 分 です。J-PARCのシンク

ロトロンの 周 長 は、RCSが350m、

MRは1.6km 位 あるのですが、その

中 で 実 際 に 粒 子 を 加 速 している 部 分

は、 実 は 少 しなんです。RCSには

12 台 、MRには9 台 の 加 速 空 洞 が 入

っていて、1 台 の 加 速 空 洞 が 大 体 2

m。この 僅 かな 部 分 で 粒 子 を 加 速 し

ています。

■いかに 効 率 よく 粒 子 を 加 速 させる


短 い 加 速 空 洞 の 中 で、いかに 効 率

よく 粒 子 を 加 速 させるか。 人 類 はま

だ、 電 磁 気 力 以 外 で 粒 子 を 加 速 する

方 法 を 知 りません。そこで、 電 荷 を

持 った 粒 子 がやってきたら、そこに

電 場 をかけて 粒 子 を 加 速 しています。

いかにその 短 い 加 速 空 洞 の 中 に 高 い

加 速 電 圧 を 発 生 させ、 高 い 加 速 勾 配

を 達 成 させるかは 加 速 器 に 取 っては

最 も 重 要 なテーマの 一 つです。

J-PARCに 来 てからはずっとこの 研

究 をやっています。

■ 加 速 勾 配 を 高 めると…

加 速 勾 配 が 高 くなれば、 陽 子 ビー

ムのパワーを 上 げることができま

す。J-PARCでは、 陽 子 ビームを

ターゲットに 当 てて、 出 てくる 二 次

粒 子 でいろんな 研 究 を 行 っています。

加 速 勾 配 を 高 め、 陽 子 ビームのパワ

ーを 上 げると 二 次 粒 子 をたくさん 作

ることができます。その 結 果 、 例 え

ば 今 まで1 年 以 上 もかかった 実 験 も

半 年 でできるようになります。

J-PARCは 現 在 、 通 常 の 陽 子 シンク

ロトロンと 比 較 して2 倍 以 上 の 高 い

加 速 勾 配 を 達 成 することに 成 功 して

います。この 技 術 は 世 界 的 にも 注 目

され、 海 外 の 加 速 器 でも 採 用 され 始

めています。

■ 金 属 磁 性 体 コアと 難 航 した 開 発

開 発 の 段 階 で、J-PARCシンクロ

トロンの 加 速 空 洞 には、 通 常 の 約 2

倍 の 高 い 加 速 勾 配 が 要 求 されていま

した。 通 常 の 加 速 空 洞 ではフェライ

トコアが 使 われていますが、これだ

と 要 求 されている 加 速 勾 配 を 達 成 す

ることは 出 来 ません。そこで、 私 た

ちは 高 い 加 速 勾 配 を 実 現 できる 可 能

性 のある 金 属 磁 性 体 コアを 加 速 空 洞

のコアとして 採 用 し、その 開 発 を 行

いました。この 開 発 は 実 に 大 変 でし

た。いざ 始 めてみると、なかなかう

まくいかない。 試 験 をしても 否 定 的

な 結 果 が 出 てくる。 周 りからは、こ

の 方 式 ではダメなんじゃないかとも

言 われたりもしましたが、 着 実 に 進

めていけば、なんとかなるんじゃな

いかとは 思 っていましたし、なんと

かしなければならないとも 思 ってい

ました。その 後 、 多 くの 人 の 協 力 も

あり、 高 い 加 速 勾 配 を 達 成 すること

のできる 金 属 磁 性 体 コアの 開 発 に 成

功 しました。

■ 実 際 に 使 い 始 めたら…

J-PARCRCSが 稼 働 し 始 めた

2007 年 からは 高 い 加 速 勾 配 で 実 際

に 陽 子 ビームを 加 速 していたのです

が、 何 年 か 運 転 するうちに 重 大 なト

ラブルが 出 てきました。 金 属 磁 性 体

コアが 運 転 を 重 ねるに 従 って 次 々と

物 理 的 に 壊 れていきました。その 時

の 衝 撃 は 非 常 に 大 きかったですね。

この 形 状 のコアでは 解 決 は 無 理 なん

じゃないかという 意 見 も 出 ました。

そう 言 った 状 況 の 中 で 私 は 壊 れてい

るコアと 壊 れていないコアを 徹 底 的

に 比 較 していったんです。 違 いが 何

かをコツコツと 調 べて 行 くうちに、

作 り 方 の 段 階 で、ほんのちょっとし

た 違 いがあることを 見 つけました。

そのちょっとした 違 いによって、 壊

れるか 壊 れないかが 分 かれることが

分 かったんです。 耐 久 性 の 問 題 は、

実 際 に 何 年 間 も 運 転 を 継 続 した 結 果

でしか 判 断 することができません。

ここ 最 近 、ようやくこの 金 属 磁 性 体

コアは 本 当 に 大 丈 夫 なんだと 思 える

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様 になりました。

■KEK 浦 川 教 授

私 はもともと、 動 力 炉 ・ 核 燃 料 開

発 事 業 団 に 就 職 して、 電 子 線 加 速 器

の 研 究 をしていました。しかし、

いろいろあって 電 子 線 加 速 器 の 計 画

は 突 然 中 止 になってしまって、 私 の

将 来 は、もうほとんど 絶 望 的 でし

た。そんな 時 、KEKの 浦 川 順 治 教

授 が 私 を 引 き 取 ってくれたんです。

そこで、 加 速 器 の 勉 強 を 徹 底 的 に

させてもらいました。だから、 私 が

こうして 加 速 器 の 研 究 を 続 けていら

れるのも 浦 川 教 授 とKEKATF(AcceleratorTestFacility)の

皆 さん

のおかげです。 今 でも 非 常 に 感 謝 し

ています。

■ 加 速 器 の 世 界 へのきっかけ

高 校 の 頃 、TVでトリスタンとい

う 大 きな 加 速 器 の 計 画 を 紹 介 してい

て、 原 子 核 や 素 粒 子 物 理 、 加 速 器 を

使 って 宇 宙 の 謎 を 研 究 するのも 面 白

いかなと 思 って、それで 大 学 を 選 ん

で、 気 がつくとなんとなくその 分 野

に 進 んでいました。 特 に 大 きな 動 機

があった 訳 ではありませんが、 面 白

くて 続 けていたら 現 在 に 至 ったと 言

うのが 本 当 のところですね。 最 近 、

科 学 離 れとか 言 われていますが、 本

気 になってやってみたら 面 白 いと 思

いますので、みなさんもやってみた

らどうですかと 伝 えたいですね。

PROFILE

野 村 昌 弘 (のむら まさひろ)















高 エネルギー 加 速 器 研 究 機 構

加 速 器 研 究 施 設 加 速 器 第 二 研 究 系 准 教 授

J-PARCセンター 加 速 器 ディビジョン 加 速 器 第 七 セクション

さん

■ 専 門 について

リニアックの 加 速 空 洞 に 入 るまで

の 部 分 の 増 幅 器 や 電 場 の 制 御 を 担 当

しています。 専 門 的 に 言 うと 低 電 力

高 周 波 制 御 、LLRF 1) の 制 御 です。

加 速 器 では 高 品 質 なビームの 供 給 が

求 められます。そのためには 加 速 空

洞 の 中 の 電 場 、 振 幅 と 位 相 を 一 定 に

保 ち、 安 定 に 維 持 することが 重 要 で

す。また 加 速 空 洞 の 共 振 周 波 数 の 制

御 ということも 大 事 で、ずっと 安 定

な 周 波 数 を 維 持 できる 自 動 チューニ

1)LLRF Low-levelRadioFrequencyの 略 。 低 電

力 高 周 波 制 御 のこと。

ングシステムを 世 界 に 先 駆 けて 導 入

しています。

■ 震 災 からの 復 旧

震 災 がありましたが、あの 日 から

半 年 以 上 、みんな 苦 労 しました。 建

物 には 大 きなダメージがあり、 加 速

器 トンネルにも 地 下 水 が 亀 裂 から 侵

入 してきました。 加 速 器 本 体 も 本 来

の 位 置 からずれて、たくさんの 箇 所

が 破 壊 されました。これらに 対 し 私

たちは、まず 全 ての 機 器 を 点 検 して、

故 障 したものを 修 理 し、そして 全 て

の 機 器 を 再 調 整 しました。また 一 方

では、 復 旧 作 業 のほか、J-PARC 性

能 向 上 のために、いろいろな 機 器 の

改 善 、 新 機 器 や 新 機 能 の 開 発 を 同 時

に 行 なっています。

■クライストロン

クライストロンとは 増 幅 器 のこと

で、 小 さい 入 力 を 非 常 に 大 きな 出 力

にするためのものです。リニアック

の 高 周 波 源 には 周 波 数 324MHzと

972MHzの2 種 類 のクライストロ

ンが 使 用 され、 加 速 に 使 われます。

324MHzの 横 式 クライストロンは

20 台 、972MHzの 縦 式 クライスト

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ロンは25 台 使 用 しています。 縦 式 、

横 式 がありスペックは 若 干 違 います

けど、 本 質 的 な 区 別 はありません。

■ 運 転 と 維 持

J-PARCは、 夏 場 はメンテナンス

の 時 期 で 止 まっていますが、 秋 から

利 用 運 転 が 再 開 されます。 運 転 中 は

24 時 間 ずっとユーザーにビームを

供 給 しなければなりません。そのた

め、ビームが 止 まるなど 何 か 不 具 合

が 出 た 場 合 には、すぐにその 不 具 合

箇 所 を 特 定 して 修 理 します。このよ

うに 加 速 器 の 運 転 状 況 に 応 じて、い

つも 改 善 開 発 を 積 極 的 に 進 めて、 順

調 に 運 転 できるようにしています。

これも 私 たちの 担 当 です。RFチーム

はKEKとJAEAの 各 メンバーから

構 成 されています。みんな 家 族 のよ

うな 存 在 で、 協 力 しながら 研 究 ・ 作

業 を 行 っています。

■「 苦 労 」は 実 は「 楽 しみ」

加 速 器 の 研 究 は、 色 々な 分 野 があ

り 非 常 に 複 雑 です。この 中 で 私 が 特

に 面 白 いと 思 っているのは「 高 周

波 」です。 高 周 波 というのは、ビー

ムを 加 速 するための 電 場 です。 普 段

の 研 究 の 中 で、 例 えば 色 々な 現 象 を

見 て、 足 らない 部 分 やちょっと 不 具

合 がある 部 分 など、どういうふうに

改 善 するか、 簡 単 かつ 有 効 、 完 璧 な

方 法 は 何 かと 考 えて、 一 番 いい 方 法

を 選 んで 実 現 していく。これは 私 に

とっては 苦 労 ではなく、 実 は 楽 しみ

です。

■ 人 との 繋 がりを 大 事 に

私 の 場 合 、 高 校 生 の 時 の 物 理 の 先

生 との 出 会 いがあって、 物 理 に 進 も

うと 決 心 しました。その 後 、 中 国 科

学 技 術 大 学 に 進 み、そこで 加 速 器 の

研 究 をしました。 大 学 卒 業 後 、この

大 学 で7 年 間 教 員 を 勤 め、その 間 に

マスターコースを 修 了 しました。そ

の 時 の 先 生 の 紹 介 で1998 年 に 日 本

に 渡 り、KEK 福 田 茂 樹 教 授 のご 指

導 を 受 け、ドクターコースを 修 了 し

ました。 先 生 達 との 出 会 いがあって、

今 の 私 がいます。 皆 さんにも、 先 生

との 繋 がり、 人 との 繋 がりを 大 事 に

して 欲 しいです。

■ 若 い 皆 さんへのメッセージ

加 速 器 の 研 究 は、 物 理 学 の 新 しい

発 見 に 貢 献 します。 基 礎 物 理 から 応

用 物 理 まで、 物 理 の 世 界 に 興 味 のあ

る 人 は、 是 非 、 加 速 器 の 研 究 に 進 ん

で 欲 しいです。

PROFILE

方 志 高 (Fang Zhigao)










J-PARC(JapanProtonAcceleratorResearchComplex)

では、

大 強 度 の 陽 子 ビームから 生 まれる 世

界 最 高 強 度 の 二 次 粒 子 ( 中 性 子 、ミ

ュオン、ニュートリノ、K 中 間 子 な

ど)のビームを 用 いて、 物 質 ・ 生 命

科 学 から 素 粒 子 ・ 原 子 核 物 理 などの

基 礎 科 学 の 広 範 囲 な 科 学 研 究 のフロ

ンティアを 開 拓 し 続 けています。

J-PARCの 最 先 端 施 設 を 使 ったユニ

ークな 研 究 を、より 多 くの 方 々に 理

解 してもらいたいという 想 いを 込 め

て 季 刊 誌 J-PARCを 創 刊 すること

にしました。

J-PARCを 使 って 宇 宙 、 物 質 、そ

して 生 命 の 起 源 について 考 える 研 究

の 現 場 、また 世 界 をリードする 大 強

度 陽 子 加 速 器 施 設 を 支 える 技 術 開 発

の 現 場 を、 少 しでも 身 近 に 感 じても

らえるよう、 今 後 も 進 化 していく 季

刊 誌 にしていきますので、 皆 様 の 応

援 をお 願 いします!

J-PARCセンター 長

齊 藤 直 人

季 刊 誌 J-PARC

No.1 2015 秋 創 刊 号

発 行 :J-PARCセンター

編 集 :J-PARCセンター 広 報 セクション

〒319-1195 茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 大 字 白 方 2-4

http://j-parc.jp

表 紙 写 真 :リニアック ACS 加 速 器

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