Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-05]

The Study of Heavy-Ion Injector IH Linac for Cancer Therapy (V)(Construction of Prototype APF-IH Linac and acceleration test)

T. Hattori*, S. Matsui,A), N. Hayashizaki, T. Yoshida, T. Hata, Y. Takahashi, K. Kashiwagi, S. Okada, K. Yamamoto,T. Sugita, M. OkamuraB), H. Tomizawa C), S.Yamada D), D. DuduE) , E.OsvathE)
Research Laboratory for Nuclear Reactors Tokyo Institute of Technology
2-12-1 Oh-okayama, Meguro-ku, Tokyo, 152-8550, JapanA) Hamamatsu Photonics, LtdB) The Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Saitama 351-0198, JapanC) Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/Spring-8),
Koto 1-1-1, Mikazuki-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198, JapanD) National Institute of Radiological Sciences, Inage Chiba 263-8555, JapanE) National Institute of R&D physics and Nuclear Engineering

Abstract
We are studying a heavy-ion IH linear accelerator for injector of cancer therapy synchrotron. The compact IH linac
accelerates C4+ ion from 65keV/u to 6MeV/u with APF (Alternating Phase Focus) structure was designed for practical use.
In this approach, prototype linac which tests whether it can accelerate enough beam current from low energy adopting
APF structure was designed. We made real scale model cavity of this linac by numerical orbit calculation and measured
its RF characteristics. Using the results of these measurements, conclusive design of this linac is determined. The linac isunder construction.

ガン治療用入射重イオン

IH 型線形加速器の研究（ V）（APF-IH 型プロト機の製作と加速試験）
1. はじめに高加速率の入射器を実現できる。

重イオンガン治療用シンクロトロン入射器は放射線医学総合研究所 [1]や兵庫県の施設の例のようにビームの収束には APF(Alternating Phase Focus) 構造の採用を検討した。

RFQ 線形加速器プラス Alvarez 型加速器の 2 台の長数値計算シミュレーションの結果では, C 4+イオン大な線形加速器システムとなっており , 研究用としを 65keV/u から 6MeV/u まで収束に APF を用いてもては適当であるが, 医療用の実用機として普及する十分に加速できると言う予想がついた。

ためには小型, 省電力が重要な要素とされ, 1 台で小速空洞は 3.1m と予想され, 現行の重イオンガン治型の入射器が理想的である。 そこで, 小型化に必要療装置の線形加速器系と比較して大幅に小型化できとされる高い加速率を実現する入射器として IH 型る可能性がある。[2]~[7]線形加速器を検討し, 幾つかの開発研究を行っている。

実際の加そこで今回は最終的な入射器へのアプローチの研究の第 1 段階として, 医療実用機として重要な安定性を確実なものとするために , 低エネルギーから2. APF-IH 型入射器の検討

APF で十分な量のビームを加速できるかをテストす

IH 構造は低・中エネルギー領域において、Alvarez型や RFQ 型の 5〜20倍の電力効率をもつという特長

る APF 研究用のプロトタイプモデルの設計, 製作を行い, 加速特性を研究することにした。

があるため、従来型と同じ程度の RF パワーを投入

第 2 段階として, さらに実際に C 4＋イオンを 3 分することで高電圧を発生することができ , 小型 ,の 1 のエネルギー 2MeV/u まで加速する 2MeV テス*T.Hattori,03-5734-3055, thattori@nr.titech.ac.jp

ト機を製作し, 加速テストを考えている。

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3. APF-IH 型プロト機の設計製作

場測定が完了した。各パラメータに設計値とは若干軌道計算シミュレーションにより得られたドのずれが生じたが, 実機組立後の共振周波数 , 電圧

リフトチューブテーブルを基に 1/1 スケールの真鍮分布，DT テーブルを用いて再度軌道計算シミュレ製モデル空洞を製作し , その高周波特性を測定し ,ーションを行った結果，共振周波数のずれはあるが,一定電界, 加速電圧傾斜型の分布に調整した。

アクセプタンスに関しては設計とほぼ同等の値が得測定された電場分布を基に電圧分布を計算し、再度軌道計算をおこない, APF 研究用プロト機の最終パラメータを決定した。軌道計算の結果 , アクセプられることが判明した。その結果を表-2 に示す。
電圧分布は設計値に比較的良く一致していることが分かった。図-1 に電圧分布の測定値を示す。

タン ス は Transverse 方 向 で 230 π mm ･ mrad,Longitudinal 方向は-90°から-40°までの 50°となり,

表-2 実機と設計の各パラメータ空洞長は 53cm, 径は 63cm, Acceleration Rate は2.6MV/m と成った。 表-1 にデザインパラメータを示す。

表-1 APF 研究用プロト機のパラメータ

Input Energy

12.5keV/u

Output Energy

100keV/uOperation Frequency

70MHz

Synchronous Phase

200

1/16

-90,-30,30,30,-30,-30,

Number of Cell

16

Cavity Length

530 mmCavity Diameter

630 mmFocusing Sequence-30,-30,30,30

Transverse Acceptance

230πmm･mradLongitudinal Acceptance50°

Acceleration Voltage /gap

95〜197kV

Acceleration rate

2.6MV/m150

実機電圧 [kv]Acceleration Particle q/A

設計値
実機測定値
周波数
70MHz
65.3MHz
入射エネルギー
12.5keV/u
10.88keV/u
出射エネルギー
100keV/u84.2keV/uLongitudinal アクセプタンス
50°40°Transverseアクセプタンス
230πmm・mrad250πmm・mrad

10050

実機電圧B
設計電圧

0050100150200250300350

加速軸方向長さ[mm]図-1 加速空胴の測定値と設計値の電圧分布

APF-IH 型プロト機の組立後の空胴内部の写真をプロト機の空胴は SUS 製で内面に 50µm の銅メッキを施した。ドリフトチューブは銅製で冷却水に根元が接触して冷却されている。製作後組み立て，電図-2 に示す。

参考文献
[1] S.Yamada, T.Hattori, et. al. ; Proc. 1990 Intn.Conf.
on Linear Accelerator, Albuquerque NM, USA, LA12004-C1990,pp.593-595[2] T.Hattori, K.Isokawa, K.Sasa, T.Ito, H.Tomizawa,
N.Hayashizaki, T.Yoshida, S.Majima, S.Yamada andS.Yamaki:Proc.21stLinearAccelerator
Meeting,21(1996) 278-280.
[3] T.Hattori, K.Isokawa, K.Sasa, T.Ito, H.Tomizawa,
N.Hayashizaki, T.Yoshida, S.Majima, N.Sakamoto,S.Yamada and S.Yamaki : Proc.22nd Linear Accelerator
Meeting,22(1997) 22-24.

図-2 プロト機組立後の空胴内部の写真[4] T.Hattori, K.Isokawa, S.Matsui, K.Sasa, T.Ito,H.Tomizawa, N.Hayashizaki, T.Yoshida, N.Sakamoto,S.Yamada S.Yamaki,E.Osvath, D.Dudu and H.Schubert :Proc.23rd Linear Accelerator Meeting,23(1998) 352-354.

2mm のアルミ球による高周波特性から加速空胴のシャントインピーダンスはは 362MΩ /m と測定された。

これはこれまでの IH 型空胴の経験係数[8]か[5] K.Isokawa, T.Hattori, S.Majima and S.Yamada :Proc.21st Linear Accelerator Meeting,21(1996) 281-283

ら算出されるシャントインピーダンス 382MΩ /m に近い値であった。

[6] K.Isokawa, T.Hattori, S.Majima and S.Yamada :Proc.22nd Linear Accelerator Meeting,22(1997) 302-304

4. 加速試験と将来計画[7] K.Isokawa, T.Hattori,
S.Majima and S.Yamada
Meth.,A145(1998) 287-290

加速空胴、イオン源、分析電磁石等をセットし, 現在真空テスト中である。

加速試験装置を図-3 に示す。

[8] T.Hattori, K.Sasa, M.Okamura, T.Ito, H.Tomizawa,
T.Katayose, N.Hayashizaki, T.Yoshida, K.Isokawa,M.Aoki, N.Fujita and M.Okada: Fusion Engineering andDesign 32-33(1996)359-363.

また、小型入射器へのアプローチの第 2 段階として 2MeV/u まで加速する試作機を検討しており, 現在軌道計算をすすめている。

Prototype APF-IH Linac
ファラデイカップElectric Q

加速管

ＰＩＧイオン源

T.Ito, N.Hayashizaki,: Nucl. Inst. andファラデイカップ
ソレノイドレンズ
ゲートバルブ

加速試験セットアップ

図-3 加速試験装置