2021 年度実施状況報告書

LHC入射器アップグレードにおける広帯域空洞を用いた国際共同研究

研究課題

研究課題/領域番号	19KK0078
研究機関	大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
研究代表者	大森千広大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (50213872)
研究分担者	長谷川豪志大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 研究機関講師 (20553605) 森田裕一大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (60712700) 田村文彦国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (90370428) 杉山泰之大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (90789611)
研究期間 (年度)	2019-10-07 – 2024-03-31
キーワード	陽子加速器 / CERN / 耐放射線 / LHC高輝度化 / 中性子線 / 窒化ガリウム半導体 / 広帯域空洞
研究実績の概要	2020年度に続き2021年度もコロナウイルスによる制限のため、日欧間での人的な交流が制限された。一方で、共同研究の主な対象であるCERNブースター加速器においては我々の貢献した広帯域空洞により加速電圧が8kVから20kV以上に向上しビーム調整が順調に進み、先日からLHC向けのビーム供給も始まっている。このブースター加速器はLHCへとつながる入射器群の初段に位置し、この加速器のビーム品質がLHCのルミノシティに関係してくる。 J-PARCにおいて進めていた窒化ガリウム半導体アンプの中性子混合場における照射試験が終了し、18kGy、2x10^14n/cm2の高線量でも特性に変化がないことを実証することができた。これはブースター加速器の後段に位置するPS加速器とJ-PARC RCS加速器両者の性能向上につながる開発研究である。また、半導体試験と同時にCERNとJ-PARC両者の加速器で大量に使われている金属磁性体への照射試験も実施しており、変化がないことを確認した。これはCERN PSに設置した空洞の5年以上の線量に相当する。この磁性体への照射試験は今後も継続する予定である。J-PARCでの照射試験ではCERNから提供された放射線計測器が用いられ、イオン化ドーズと同時に中性子量も測定した。なお、同時にSuperKEKBや国際核融合炉ITERのための材料照射試験にも活用され、それぞれの材料の磁気特性等に関する耐放射線性に関するデータを取得した。 CERNで開発されたシンクロトロンにおけるビーム力学計算コード、BlonDの導入が進んた。計算に使用できるPCを購入し、J-PARCとCERN加速器両者に役立っている。また、共同研究の成果は、2022年6月にタイのバンコクで行われる加速器分野最大の国際会議であるIPACにおいて口頭発表が行われる予定である。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由研究実績で示したように日欧両方において広帯域空洞を用いた加速器研究とLHC高輝度化に向けたブースター加速器の加速システムの調整は順調に進んでいると言える。一方で本研究の中心課題である日欧の加速器間の人的な交流が2021年度中もできなかった点もあり、(2)おおむね順調に進展しているを選択した。一方でJ-PARCの若手研究者による大出力半導体増幅器の研究はCERNの支援を得て、今年度急速に進んでいる。この成果は前述のIPAC国際会議でポスター発表される予定である。また、CERN製のビーム力学計算コードも利用者が増えているだけでなく、ビーム負荷効果や空間電荷効果、高次のハーモニック成分の影響などより高度な利用が行われ始めた。 CERN製の放射線計測器は中性子量と総電離線量の両者を測定することが可能であり、本共同研究のテーマである窒化ガリウム半導体アンプや加速空洞用磁性体コアの高線量照射試験に活用された。同時にSuper KEKB加速器や国際核融合炉ITERで使用される材料も照射エリアに設置し、それらの材料の耐放射線性能の測定にも貢献することができた。本研究で導入された放射線計測技術は加速器以外の分野も含め幅広い研究に活用できることも示すことができた。
今後の研究の推進方策	CERNではほぼコロナ以前に近い形で研究活動が再開されている。日本でも徐々に、海外との交流が再開されつつあり、2022年度には人的な交流が再開できる可能性が高い。研究者の所属する研究機関の制限緩和に従い、徐々にCERNとの人的な交流を進める予定である。今年6月に行われるIPAC22国際会議にはCERNの研究者も多数参加するため、ビームスタディに日本から研究者を派遣するための情報収集やJ-PARCや日本の他の加速器へのCERN製放射線計測器の導入について打ち合わせを行う。この会議には2名の参加を予定し、参加費を含め70万円を経費として見込んでいる。CERNとの人的な交流については4名を予定しているが、滞在費はCERN側が負担するものとし、100万円を旅費として考えている。一昨年計画されていたCERN主催の高周波に関する加速器スクールはまだ具体的なアナウンスはされていないが、今年度実施された場合2名の参加を予定している。物件費については磁性材料の測定のための治具等およびJ-PARCでの放射線計測に関連する物品購入、高出力の半導体増幅器実現に必要な高周波結合器の開発に使用する。J-PARCではビーム増強の準備が進み、T2Kニュートリノ実験が再開される。これに伴い磁性体コアへの放射線照射試験はこれまでより高い線量での試験が可能となる。
次年度使用額が生じた理由	2021年度も2020年度と同様にCOVID19のため、外国出張ができなかった。しかし、欧州方面では徐々に制限が緩和されている。このため、2022年度には直接CERNへの出張や関連する国際会議に出席して国際共同研究の成果発表ができるものとし、繰り越しを行った。タイのバンコクで行われる国際会議での成果発表では2名の参加を予定している。また、延期となっているCERN主催の加速器スクールについても派遣できると期待している。