ILC通信 Vol.57 pdf

ILC 実現に弾み ~日本製の超伝導空洞ILC の要求仕様を達成~

KEK STF での超伝導加速器開発グループのメンバー

 昨年11 月25 日、国際リニアコライダー(ILC)実現にむけた最重要課題のひとつである「高性能な空洞の量産」に向けて弾みがつく、うれしい記録が達成された。

 高エネルギー加速器研究機構(KEK)の超伝導RF 試験施設(STF)で行われた、ILC 用の超伝導加速空洞の縦型クライオスタットでの性能試験(縦測定)で、ILCで要求されている要求仕様を満たす記録が国内で初めて達成されたのである。記録を達成した加速空洞は「MHI-013」。日本の企業が製造した9セル加速空洞の13 号機だ。「この空洞は、ILCで要求されている仕様である加速電界31.5MV/m、Q 値>1 × 1010 および加速電界35MV/m、Q 値>0.8 × 1010 を国内で初めてクリアしたことが確認されました。最大の加速電界は36.2MV/m を記録しました」と語るのは、KEK の若手加速器研究者である渡邉謙氏である。

 渡邉氏の言う数字は門外漢にはまるで暗号のようだが、この「加速電界とQ値」は高性能の加速空洞開発におけるカギとなる重要な2つのパラメータなのだ。

 加速電界とは、一定の長さで得ることができる加速エネルギーのこと。「MV/m」は、「1 メートル当たり1 メガ(100万)電子ボルトの加速エネルギー」を表す。この数字は加速器全体の長さと大きく関係する。例えば、加速電界10MV/m の空洞A と5MV/m の空洞B があるとする。A が1 メートル加速すると、加速されたビームは10 メガ電子ボルトのエネルギーを持つことになる。A の半分の加速電界であるB は、決して10 メガ電子ボルトのエネルギーに達することが出来ないわけではなく、2 メートル加速すればA と同じエネルギーになる、というわけだ。加速器の長さが短くなることは、コストの低減も意味するため、とても重要な要因となる。

 実際に、約10 年前に最高性能を誇ったのが欧州合同原子核研究機関(CERN)の電子・陽電子衝突型加速器「LEP(Large Electron Positron Collider)」。現在稼働中の大型ハドロンコライダーの前身で、 周長27 キロメートルの大型円形加速器だった。LEP の空洞の加速電界は6MV/m であった。ILC の加速空洞のスペックは、その5 倍以上の31.5MV/m だ。

 一方のQ 値。耳慣れないこの言葉は、英語では「Quality factor」で、Q はその頭文字。一定の加速電界を実現するためにどれだけの電力を使ったか、を表す指標である。いわば空洞の燃費のようなものといえよう。「表面欠陥や電界放出※1 電子などがない空洞内が非常に清浄な状態であると31.5MV/m の加速電界を発生させるのに、計算上約100Wの電力が必要となります。この場合のQ 値が大体1 × 1010 です」(渡邉氏)。このQ 値が大きいほど、高性能の加速空洞だということになる。「例えば、空洞内部の洗浄が不十分で化学的残留物があったり、埃などの汚染物質の混入があった場合、同じ加速電界を発生させるためにより多くの電力が必要となります。その場合、加速空洞に要求される仕様を満たすことは出来ません」(渡邉氏)。いくら電界が上がっても、投入しなければならない電力量が大きい場合は、ILC 空洞を名乗ることができないというわけだ。

 空洞の内部は電解研磨等、一連の表面処理が施され、鏡のようにピカピカに磨き上げられる。加速空洞の性能試験は、これらの表面処理方法が効果的か確認する意味もある。「実用化にあたっては、1回の試験で性能を出す必要があります。今回の試験には、表面処理方法の再現性を評価するということも含まれていますので、1 回目の試験で性能が出ても出なくとも、2回の試験を行います」。

 MHI-013 と同時期に試験を行った加速空洞「MHI-012」は、1 回目の縦測定で、加速電界38MV/m という好記録を出した。しかし、Q 値がILC の要求にはわずかに届かなかった。12 月上旬、MHI-012 の2回目の表面処理・縦測定が実施され、日本製9セル空洞で初めて40MV/m の加速電界を超える性能を達成。Q 値もILC の仕様をクリアした。「最終状態では40.7MV/m まで加速電界が立つことを確認し ました。さらに投入電力を増やせば加速電界は上がるはずでしたが、この空洞は縦測定終了後に高輝度光子ビームプロジェクト※ 2 のためビームラインへの組み込みが予定されており、仕様を十分に満たしたため、40.7MV/m の時点で測定を終了しています」(渡邉氏)。

 ILC で使われる超伝導空洞は16000 台以上。そのため、世界各国で性能を満たす空洞を製造する実力を持つ必要がある。KEK のトリスタン加速器は、超伝導空洞を使った大型加速器の基礎を作った実績を持つ。その技術が、欧州のLEP 加速器やXFEL 加速器、米ジェファーソン研究所のSNS 加速器(核破砕中性子源)などの大型加速器に応用されて、世界的に技術力が向上してきたのだ。欧米では、これらの加速器の研究開発の成果もあり、すでにILC の仕様を満たす加速空洞が製造されている。この点では日本は欧米に一歩遅れを取っていたのだが、空洞を製造する企業と連携を強化することで、今回の純国産での性能達成にこぎつけた。3 月末には、KEK に加速空洞の量産化研究開発を行う施設が完成する。これまでに培われた世界の経験を基盤にしつつ、日本は、独自の強みを活かして超伝導空洞の大量安定製造における国際的なリーダーシップを目指し、品質管理や生産性の向上、コスト評価を含めた量産技術の確立に向けた活動を開始する。

※ 1 強い電界により、電子が真空中に放出されること。
※ 2 「小型高輝度光子ビーム発生装置開発プロジェクト」とは、ILC 用の超伝導空洞の技術をX 線発生装置に活用し、従来よりも輝度が高い装置を開発するプロジェクト。施設の大幅な小型化を測ることができるため、今までの大型の加速器施設でのみ行うことのできた研究を、各研究所や企業、病院などで行うことが可能になる。


最近の話題
韓国の学生来訪

KEK を訪れた韓国の学生ら。左端は、KEK の宮本彰也氏

 1 月24 日、韓国慶北大学の学生4名がKEK を訪れ、ILC の研究者である宮本彰也氏と対談した。学生らは、慶北大学の実施する「グローバルチャレンジャー」という学生派遣プログラムで日本を訪問したもの。このプログラムは学生たちが研究主題や訪問国、日程などの計画を立案して大学に申請。審査に合格した研究課題に対して、渡航費用等の必要経費が支援される。
 今回KEK を訪れたのは、物理学専攻2 年生のさん、金讚美さん、金智惠さんと、新素材工学科3 年生の朴徑美さんの4 人のグループ。「進展するべき基礎科学、終わりに向かっているのか」を研究主題に、日本における基礎科学の発展に関して研究を進めるKEK の他に、筑波大学、東京大学、数物連携宇宙研究機構を訪問した。
 さんは「日本は韓国と文化的にとても似ていると思います。日本からはノーベル賞受賞者が数多く出ているのに、なぜ韓国からは出ないのかを不思議に思い、日本を訪問国に選びました」と、流暢な日本語で訪問理由を語った。今回訪問した学生全員が加速器というものを初めて目にした。「とにかく『すごい』のひと言です。このような精密な装置をつかって研究が進められていることを知ってとても驚きました」と全員が口を揃える。慶北大学は、ILC の測定器開発にも参加しており、学生らはちょうどKEK で作業中であった慶北大学の研究者から話を聞くこともできた。
 学生らは5 日間日本に滞在し、帰国後に研究報告をまとめる予定だ。


お知らせ
講演会 宇宙の謎に挑む 日本の貢献
「はやぶさ」から「国際リニアコライダー」まで

 主催:先端加速器科学技術推進協議会、東北加速器基礎科学研究会
 後援:宇宙航空研究開発機構、KEK、岩手県、岩手県商工会議所連合会、奥州市、奥州商工会議所
 日時:2011 年2 月27 日(日)12:30 ~ 15:30(開場:12:00)
 場所:奥州市文化会館Z ホール 大ホール(岩手県奥州市水沢区佐倉河字石橋41)
 

アクセス
  ・東北新幹線水沢江刺駅より〜車で10分
  ・東北本線水沢駅より〜車で10分
  ・東北自動車道水沢I.C. より〜車で10分
  ・水沢区コミュニティバス(Z バス)羽田・黒石線〜
   (胆江営業所0197-35-2185)
  http://www.oshu-bunka.or.jp/zhall/access/access.html#02

参加費:無料/ 定員900 名(事前参加申込が必要です)
プログラム
 講演
  『世界初 小惑星探査機「はやぶさ」60 億km 宇宙往還の旅』
   宇宙航空研究開発機構 教授 川口淳一郎
  『巨大加速器で探る宇宙の起源~ ILC 計画』
   東北大学大学院理学研究科 教授 山本均 

①氏名・フリガナ、②所属名[学校名]、③肩書き[学年]、④住所、⑤電話番号を記載のうえ、FAX、電子メールのいずれかの方法で下記までお申し込みください。

〈お申込・お問合せ〉社団法人 東北経済連合会内 東北加速器基礎科学研究会
〒980-0021 仙台市青葉区中央2-9-10(セントレ東北11 階)
TEL:022-799-2103 / FAX:022-262-7062 / E-mail :t-arihara@tokeiren.or.jp







2011年1月の滞在者 KEK には、毎月世界各地から学生や研究者が訪れ、共同研究を行っています。ILC の技術開発のために訪れた滞在者はこちら