13-5　軸対称な電場で陽子ビームを広げずに加速する

−J-PARC 環状結合構造 （ACS） 型加速空洞の開発−

J-PARCリニアックはイオン源で生成した陽子を181 MeVまで加速し、後段のRapid Cycling Synchrotron （RCS）へ25 Hzで入射する直線状の加速器です。J-PARCでは、リニアックから入射した陽子をRCSで更に3 GeVまで加速し、最終的に物質・生命科学実験施設へ1 MWという世界最高レベルの大出力ビームでの運転を目指しています。

J-PARCのような大強度陽子加速器では、ビーム損失により生じる機器の放射化が出力強度を制限する最大の要因であり、ビーム損失の低減は重要な問題です。RCSにおけるビーム損失の原因のひとつに、ビーム中の陽子が互いに電気的に反発し合うことで生じる空間電荷効果があります。この影響は、リニアックから入射する陽子のエネルギーを高めることにより低減することが可能です。そこでJ-PARCでは、リニアックからRCSへの入射エネルギーを現在の181 MeVから400 MeVへ増強することを計画しています。このビーム加速のために開発した加速空洞が環状結合構造（Annular-ring Coupled Structure：ACS）型加速空洞です（図13-8）。

リニアックの加速空洞は陽子のエネルギーに応じて様々な形を使い分けますが、同じエネルギー領域で従来から用いられてきたサイドカップル型加速空洞と比べて、ACS型加速空洞は同等の加速効率と電場の安定性を実現し、かつ、加速電場の軸対称性が良く、加速される陽子をビーム軸に垂直な方向へ蹴り出してしまうような加速電場の成分を非常に小さくすることが可能です （図13-9）。これにより陽子ビームの広がりを抑えることができ、リニアックでのビーム損失を低減しつつ入射エネルギーを増強することが可能となります。

J-PARC用に新たに設計，製作したACS型加速空洞の初号機について大電力試験を行い、設計を満足する加速電場が得られることを確認しました（図13-10）。

本研究の成果は、リニアックのエネルギー増強及びその後の1 MW出力実現に向けた大きな一歩と位置づけられます。現在、25台のACS型加速空洞の製作を完了し、これらの空洞の設置準備を進めているところです。今後、2013年度には設置を完了し、世界で初めてとなるACS型加速空洞によるビーム加速を開始する予定です。

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