MR｜J-PARC｜大強度陽子加速器施設｜J-PARC

メインリングシンクロトロン(MR)

RCSからの3GeVビームを受け、1.4秒で30GeVに加速し、一挙に取り出す速い取り出しモードでニュートリノビームラインへ、または2秒間で徐々に取り出す遅い取り出しモードでハドロンビームラインへ取り出して下流の実験施設へ送り出します。円形加速器と呼ばれるシンクロトロンですが、実際の形状は角の丸まった三角形に近いものとなっています。これは丸い部分(アーク部と呼ばれる)を大きく120度で3つに切りわけ、切った部分を引き伸ばして直線状の部分(直線部と呼ばれる)を作り出しているためです。アーク部は基本的にビームを曲げるため「だけ」に存在しています。直線部では「入射」「ビーム整形」「加速」「出射」のための機器が並んでいます。

入射時間とバンチ形状

シンクロトロンでは、周回バンチを１ヶ所の狭い場所に置かれた加速空洞に与える高周波電場で加速します。バンチが1周回って来た時に再び電場の同じ位相で加速するためには、加速用高周波の周波数は、周回する粒子の周波数(1秒間に何回空洞を通過するか)と同じか、その整数倍(通常hで表すのでh倍)である必要があります。周波数を整数倍にして高い加速周波数を採用すると、今度はリング1周あたりに加速可能な場所がh個存在することになります。この場所は、バンチを収納できる空間ということで「バケツ」と呼ばれ、またhは、調和振動子のアナロジーでハーモニック数(harmonic number, harmonics)と呼んでいます。RCSはh=2で、MRはh=9です。

RCSからのMR向けの3GeV陽子ビームは、バケツ2個に同じ量だけ詰め込まれた2個のバンチがRCSのサイクル40msごとに一気に(2個ずつ)やって来ます。MRと合流する入射部には「キッカー電磁石」などが置かれており、キッカー電磁石では2つのバンチが来た瞬間にパルス電流を流しバンチの飛行方向を周回方向にその名の通りキックします。120msの間にRCSから4回入射されます(図の1,2,3,4の組)が、先に入射したバンチは既に3GeVの運動エネルギーでリング内をずっとグルグル回っていることに注意してください。例えば1番の2つの黄色いバンチが入射し、40ms後に次の2番の青い2バンチが入射する時、キッカー電磁石は1番の2個目のバンチが通過した瞬間に磁場を隙間の300ns以内に立ち上げる必要があります。なお、9バケツ目はビームが来ない「空きバンチ」のため、磁場の立ち下がりは立ち上がりよりは多少遅くても良い事も読み取れるでしょう。

なお、この図から周長とhの比は一定であることは明らかです。h=2のシンクロトロンからh=9のシンクロトロンへ入射するためには、周長の比が2:9の関係にある必要があるわけです。

主電磁石と運転パターン

シンクロトロンでは周長のかなりの部分を占めるのが電磁石(とビームダクト)です。MRでは、エネルギーが3GeVから30GeVまで変化する陽子ビームの軌道を一定に保つための電磁石を「主電磁石」と呼んでいます。96台の偏向電磁石と216台の四極電磁石、72台の六極電磁石などで構成されています。全て(超伝導ではないという意味で)常伝導電磁石で、3000A程度の電流を無酸素銅のコイルに流し必要な磁場(1.5テスラ程度)を得ています。コイルには中央に強制冷却用の純水を通す穴が空いているので、ホローコンダクタ(hollow conductor)、通称「ホロコン」と呼ばれています。

主偏向電磁石：「左手の法則で曲げる」
アーク部にのみあります。磁極長5.85m、偏向角3.75度で、計96台で360度曲げ、全体で円をかたち作っています。
四極電磁石：「収束と発散を同時に行う」
磁極長と大きさが異なる、11種類(ファミリ)の四極電磁石が計216台も置かれています。クーロン力で発散しようとする陽子バンチを磁場で収束させます。四重極磁場は、中央の磁場はゼロで、水平方向に収束力を生む極性の場合、中央から水平にずれた位置の磁場は位置に(符号付で)比例するという性質があり、+側、-側共に粒子に対しゼロへ戻そうとする収束力が働きます。興味深い点は、四重極磁場は180度回転対称であり、そのため垂直方向のずれに対しては同時にずれに比例した発散力が働いてしまうという事です。伝統的に水平方向に収束する磁石をFで、逆符号で発散する磁石をDで表記しますが、不思議なことに磁石をF D F Dと交互に配置すると(詳細は省略しますが)正味の力は収束力となり、ビームの発散が抑えられるのです。よって、リング1周には多数の四極電磁石がFDFDFDFD...と配置されています。
六極電磁石：「運動量収差の補正」
2種類あり、アーク部の直線部に3台ずつ置かれています。光学における色収差補正に相当する電磁石です。
ステアリング電磁石 : 「ちょっとだけ曲げる」
微力だが微調整のきく偏向電磁石です。主偏向電磁石、四極電磁石の電源は強磁場を作り出すために大電流が出せますが、そのため細かな磁場の微調整が苦手です。それらの調整、また磁石の設置位置が理想的な軌道からどうしてもずれてしまっている誤差の吸収など、微調整のために各四強電磁石のそばに計200台ほど設置されています。

MRでは2種類の運転モードで数秒単位のサイクル運転を行っています。1つは加速した陽子を一挙に取り出す速い取り出しモード(FX)でニュートリノビームラインへ、もう1つは加速した陽子を2秒間で徐々に取り出す遅い取り出しモード(SX)でハドロンビームラインへ出射します。両モードとも、120msの入射期間では3GeV用の磁場、1.4秒間の加速期間は運動量の増加に合わせ(シンクロさせ)徐々に磁場を強くし30GeVに対応する磁場まで上げます。その後FX運転モードでは即出射され、SX運転モードでは2秒間エネルギー30GeVを維持しつつ徐々に出射します。その後ビームがいなくなった隙間の時間に磁場を3GeV用に戻す戻りの時間を経て、次のサイクルになります。現在の運転周期はFX運転は2.48秒、SX運転は5.4秒です。

FX運転用電流パターンとビーム電流(陽子数は少し昔の実績)

SX運転用電流パターンとビーム電流(陽子数は少し昔の実績)

加速空洞

加速器の心臓部とも称される、加速空洞です。シンクロトロンの長い長いリングは、加速空洞を何度も(30万回程度も!!)通過させるため「だけ」に存在すると言っても過言ではありません。空洞はその形状から「ギャップ」と呼ばれ、そのギャップのところにかかる高周波電場で陽子を加速します。MRの加速空洞は直線部Cの上流側に9機設置されていますが、1機あたりの加速空洞数は4ギャップないし5ギャップです。
J-PARCシンクロトロンの加速空洞は磁性コアに特徴があります。

入出射電磁石

RCSから来たビームをリングに入れる部分を入射部、各実験施設へ取り出す部分を出射部と呼び、入出射のための特別な電磁石群をまとめて入出射電磁石と呼んでいます。その内訳は

キッカー電磁石
セプタム電磁石

です(遅い取り出し部分ではセプタム電磁石のみ)。キッカー電磁石は、ビームがやって来た瞬間に磁場を出してビームバンチを(横方向に)蹴る役目があります。速い取り出しの場合では、しかし蹴られたバンチは運動エネルギーが非常に高いので、まだ十分に周回軌道から離れておらず、フラつくだけにとどまります。そこで少し下流でフラつきが水平方向に最大に達する場所に、セプタム電磁石という特殊な電磁石を置きます。セプタム電磁石とは、狭い隔壁(セプタム)で区切られた区画にだけ磁場が存在する事ができる、特殊な磁極形状をしています。普段の周回時は磁場のない空間を飛行するので軌道が曲げられず、蹴られたビームだけが磁場のある空間に飛び込み曲げられます。こうして、周回軌道から離れることに成功します。

入射の場合は先にセプタム電磁石で入射軌道が曲げられ、さらに下流でキッカー電磁石で入射角を完全にゼロにして周回軌道に乗せます。エネルギーが3GeVと低いので使える技です。

速い取り出し部では、30GeVの高いエネルギーのビームを曲げるのでキッカー電磁石だけで5台のチャンバーに10台の磁極が並び、さらに下流にはセプタム電磁石が8磁極も並んでようやくニュートリノビームラインの方向へ曲げる事ができます。

遅い取り出し部分では、同様に30GeVの陽子ビームに対し「静電セプタム電磁石」(ElectroStatic Septum, ESS)と呼ばれるセプタムで周回軌道の一部を削り出すようにキック力を与えます。あたかも大根の桂剥きのように、あるいは木材に対するカンナのように。そののち、下流で静磁場セプタム電磁石磁極8つで角度をさらに与え、ハドロンビームラインへ取り出しています。

ビームモニタ

陽子ビームが周回軌道を正しく回っているか診断するための機器群です。

位置検出モニタ(Beam Position Monitor, BPM)
ビームの重心を静電的に検出します。
形状診断モニタ(Beam Profile Monitor)
ビームの形状を検出します。MRPM、FWなどがあります。
損失検出モニタ(Beam Loss Monitor, BLM)
ビームが軌道を外れて最終的にビームダクトに衝突(または突き抜け)し失われると発生する二次粒子を検出し、損失量を計測します。
ビーム電流モニタ各種(DCCT, FCT, WCTなど)
飛行する荷電粒子は電流そのものであるので、その電流(正確には壁電流)量を様々な時間スケールで測定し粒子数を数えたり、1つのバンチ内の粒子分布を計測しビーム診断に利用します。原理的には交流電流を磁場によってメーター側の回路で測定するCTなのです。

真空

周回軌道上に余分な気体分子が存在すると、周回軌道を飛行する陽子が気体分子に衝突し軌道が逸らされる可能性が高まります。そこで、リングを形作るパイプ(ビームダクト)の中は超高真空に保たれています。建設当初は圧力が少し高めでしたが、排気を10年続けた結果、時間とともにビームダクト内表面からのガス放出量が減り、現在アーク部では大体4×10^-8パスカル程度、直線部の入出射機器の場所で局所的に高く、大体10^-6から最大1×10^-5パスカル程度です。構成要素としては、

Pipe, beam duct
Bellows
Pump : ion pump
Gauge : B-A gauge (hot cathode Ionization Gauge), CCG(Cold Cathod Gauge), Convectron Gauge (for low vacuum)
GV : sector gate valve

制御系

全ての機器は電気で動き、また時間を合わせて動作させる必要があります。電磁石電源や加速空洞へタイミング信号を送り、ビームモニタからの信号を受け取り加工・計算して軌道を確認するなど、全てコンピュータと電子回路によって制御されています。その全体を一括りに制御系と呼んでいます。説明内容が膨大なため割愛します。