東莞の施設、当初設計の2倍の出力を達成
広東省東莞市にある中国破砕中性子源（CSNS）は、当初設計で定められた水準の2倍に当たる200キロワットのビーム出力で研究者への供用を開始した。中国科学院高エネルギー物理研究所は10月24日、約1カ月にわたる加速器の調整を経て、10月20日にこの節目に到達したと発表した。
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この成果により、利用者に開放されている11基の中性子装置を備えた施設の能力が直ちに向上する。また、第2期建設計画「CSNS-II」でビーム出力を500キロワットまで引き上げるために必要な機器や運転方法の検証にもなる。
同研究所によると、加速器の専門家らは出力を高めながらビーム損失を抑えた。ビームから外れた粒子は周辺機器にエネルギーを与え、安定運転を難しくする可能性があるため、粒子を本来の軌道にとどめることが重要だ。
今回の作業は加速器にとどまらない。200キロワットでの運転を想定した冷却設計を採用する新型ターゲット「T8」を設置し、9月25日に試験した。保守チームは、研究者が材料を調べるために使う装置の点検整備も行った。
電池、合金、生体材料などを研究する科学者にとって、実際の価値は実験に届く中性子にある。より強い線源なら有用な測定データをより短時間で集められ、より小さな試料や細部の観察が必要な研究を支えられる。施設は当初出力の2倍に達したが、第2期の最終目標を実現するには、さらなる加速器建設が必要だ。
陽子ビームが研究ツールになる仕組み
CSNSは陽子を加速し、ターゲットに照射して中性子を発生させる。陽子がターゲットに衝突すると、核破砕と呼ばれる過程を通じて中性子が放出される。装置は中性子を試料へ導き、その散乱を測定する。
科学者は散乱した中性子の方向、エネルギー、運動量の変化を調べ、原子の配列や動きを解明する。簡単に言えば、中性子は通常の顕微鏡では見えないほど小さな構造を調べる探針として働く。
ビーム出力は、陽子ビームが毎秒届けるエネルギーを表す。出力を高めれば線源がより多くの中性子を発生させ、研究者が集められる情報量が増える。ただし、個々の実験にとっての利点は、使用する装置や試料、測定方法にも左右される。
研究者が期待する成果
中国科学院高エネルギー物理研究所の副所長で、増強計画の総責任者を務める王勝氏は、第2期の建設が2024年3月に始まった際、期待される科学的成果について説明した。
「第2期の完成後は、線源が同時により多くの中性子を発生できるようになる。つまり、実験時間を短縮し、実験の分解能を高めることができ、より小さな試料の測定や、より速い動的過程の研究が可能になる」と王氏は述べた。
測定時間が短くなれば、より多くの研究計画に装置を使える。分解能が向上すれば、これまで重なって見分けられなかった細部を区別できる。また、測定の高速化により、材料内部で起きる変化を追跡しやすくなる。
この施設はすでに、リチウムイオン電池、太陽電池、航空宇宙部品、磁性材料、超伝導体、薄膜、高強度合金などの研究を支えている。CSNSの利用実験・応用を統括する張君栄氏は、第2期の着工式で施設の研究分野を説明する際、これらの領域を挙げた。
こうした研究テーマを通じて、加速器は実用的な課題と結び付いている。電池の研究では使用中の材料変化を調べられる一方、合金や航空宇宙部品の研究では内部構造と性能の関係を解明できる。増強計画は、生命科学、創薬、触媒設計の研究拡大も目指している。
夏季停止期間を建設に活用
CSNS-IIチームは、計画済みの研究への影響を抑えながら機器を設置するため、毎年の夏季停止期間を活用している。既存の科学施設を運転しながら、建設、機器試験、加速器調整を進める必要があり、厳しい工程となる。
今回の停止期間には、作業員が線形加速器の前段部、全ての固体変調器、そして速循環シンクロトロンの3基目となる磁性合金空洞に機器を設置し、試験を行った。変調器は制御された電気パルスを供給し、空洞はビーム加速に必要なエネルギーを与える。
線形加速器は粒子を直線経路に沿って送り出し、その後、粒子はシンクロトロンに入り、周回しながらさらにエネルギーを得る。両方の部分にある機器が連携して動作し、必要な状態のビームをターゲットに届けなければならない。
同研究所によると、CSNS-IIで計画されている加速器機器は、超伝導部を除いて設置が完了した。残る超伝導部は、線形加速器のビームエネルギーを3億電子ボルト（300 MeV）まで高めるために必要な設備の一部だ。
高密度ビームを制御する
出力の上昇に伴い、加速器の調整は難しくなった。機器設定の変更がビーム内の力や周囲との相互作用に影響し、粒子群が不安定化する状況を生み出した。
課題の一つは空間電荷で、同じ電荷を持つ粒子同士が電気的に反発する現象だ。もう一つはビームと加速器構造との相互作用で、ビームインピーダンス効果と呼ばれる。こうした作用が重なるとビームが乱れ、経路上で失われる粒子が増える可能性がある。
加速器チームは、アップグレードした線形加速器の主要部分を調整した。これには高周波四重極（RFQ）や中エネルギービーム輸送部（MEBT）が含まれる。これらの部分は、次の段階に進む前にビームを整形、加速し、誘導する。
同研究所によると、運転モードを大幅に変更したことで、ビームの集団的不安定性を解消した。また、ビーム密度指数は、国際的に報告されている同種の加速器の最高水準を上回ったという。発表では、この指数の数値やビーム損失の減少幅は明らかにされていない。
報告された損失の低減は、出力目標の達成に加えて有意義な成果となる。より厳しい条件のビームを運転しながら、より多くの粒子を制御下に保つ方法をチームが実証したためだ。
新型ターゲットと装置の保守
T8ターゲットは、加速された陽子が衝突して中性子を放出する場所に設置されている。冷却設計は200キロワットでの運転に対応しており、新たな温度監視装置がターゲット板の状態を追跡する。
ビーム出力が上がるほど、熱管理は難しくなる。T8の測定データは、CSNS-IIで必要となる、より高出力のターゲットの設計に生かされる。施設が500キロワットを目指して進む前に、技術者が運転経験を積む機会にもなる。
利用者に開放されている11基の装置も、夏季に保守を受けた。散乱槽、チョッパー、検出器、試料環境装置を対象とした作業で、いずれも実験の実施方法や測定結果に影響する。
チョッパーは、中性子パルスのうち装置を通過する部分を制御する。検出器は散乱した中性子を記録し、試料環境装置を使えば、異なる温度など、設定した条件の下で材料を調べられる。こうしたシステムを整備することで、施設の実験部門はより強い線源を活用する準備が整う。
500キロワット計画で能力を拡大
中国科学院高エネルギー物理研究所は、プロジェクト着工発表でCSNS-IIの規模を示した。着工式は2024年3月30日に東莞市で開かれ、建設期間は5年9カ月とされた。
公式計画では、ビーム出力を100キロワットから500キロワットへ引き上げ、中性子分光器を11基から20基に増やす。また、高エネルギー陽子を使う実験用を含め、実験端末を2カ所追加する計画も盛り込まれている。建設計画には、利用者向け実験室のほか、新たな装置や端末も含まれる。
分光器を11基から20基に増やす計画は9基の追加に当たり、約82％の増加となる。出力目標は当初設計の100キロワットの5倍だ。200キロワットに達した現在、施設は最終目標出力の40％で運転している。ただし、建設の進捗はこの一つの指標だけで決まるものではない。
最新の発表では、プロジェクトは建設の約半分まで進んだとされる。建築工事は9月末に完了し、2ケルビンで約1キロワットの冷却能力を持つヘリウム冷凍機が10月15日に設置された。2ケルビンは約マイナス271度で、超伝導加速器システムに用いられる温度だ。
増強計画の主な日程
CSNSは当初の建設計画を終え、利用運転と並行して拡張を進めている。主な日程をたどると、今回の節目が長期的な取り組みの中でどのような位置付けにあるかが分かる。
- 2011年：23億元を投じるCSNSの建設が始まった。
- 2018年8月：施設が運用を開始した。
- 2024年3月30日：東莞市でCSNS-IIの着工式が開かれ、建設期間は5年9カ月と発表された。
- 今回の増強作業中の9月25日：T8ターゲットを設置し、試験を実施した。
- 9月末：第2期の建築工事が完了した。
- 10月15日：2ケルビンでの運転に向けたヘリウム冷凍機を設置した。
- 10月20日：約1カ月にわたるビーム調整を経て、施設が200キロワットの節目に達した。
- 10月24日：高エネルギー物理研究所が、出力を高めた状態での利用運転を発表した。
同研究所が示した次の加速器工程は、線形加速器のビームエネルギーを300 MeVまで引き上げることだ。今回の試運転で得られた経験は、この作業とその後の出力向上に生かされる。
加速器以外にも高まる需要
同研究所が2024年の着工発表で公表したところによると、CSNSは2018年の運用開始以降、登録利用者が6,000人を超え、完了した実験プロジェクトは1,500件以上に達した。これらは着工発表時点の施設の状況を示す数値だ。
同研究所によると、完了したプロジェクトのうち100件以上には、香港、マカオ、台湾、海外からの利用者が参加した。利用者層はエネルギー、物理、材料、工学の分野にまたがり、装置の利用機会と、より幅広い実験条件の両方が求められている。
利用実験・応用を担当する張君栄氏は、着工式で拡張の必要性について次のように述べた。
「利用者の需要増に対応するため、CSNSの増強が急務だ」と張氏は述べた。
第2期は、二つの連動する形でその需要に応える。ビームの高出力化によって測定を短縮できる場合がある一方、装置の追加によって研究者が実験を行う場所や方法の選択肢が増える。利用者にとっては、より強い線源と、中性子を成果に結び付ける十分な実験能力の両方がそろうことが重要となる。
要点
- CSNSは10月20日に200キロワットに達し、当初設計出力の2倍で利用運転を開始した。
- 機器の調整と運転モードの変更により、出力を高めながらビーム損失が減少したと同研究所は説明している。
- 新型T8ターゲットの設置と、利用者向け11基すべての装置の保守により、高出力運転を支える。
- CSNS-IIは、実験端末の追加とともに、出力500キロワット、中性子分光器を11基から20基に増やすことを目指す。
- 超伝導加速器部は未設置で、次の工程には線形加速器のエネルギーを300 MeVに高める作業が含まれる。
- 増強は、測定の高速化、より小さな試料の測定、より幅広い研究分野への対応を目指している。
