The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

原研ＡＶＦサイクロトロン装置の現状報告
中村義輝 A)、奈良孝幸 A)、上松 敬 A)、石堀郁夫 A)、倉島 俊 A)、福田光宏 A)、
奥村 進 A)、宮脇信正 A)、吉田健一 A) 、荒川和夫 A)、田島 訓 A)
赤岩勝弘 B)、吉田敏浩 B)、居城 悟 B)、松村秋彦 B)、荒川芳隆 B)、吉田 剛 B)、
狩野 智 B)、伊原 彰 B)、高野圭介 B)
A)

日本原子力研究所 高崎研究所B)

放射線高度利用センター 〒370-1292

群馬県高崎市綿貫町 1233

ビームオペレーション（株） 〒370-1207 群馬県高崎市綿貫町 1233

概要

Time for scheduled beam tuning (h)でで最高の 3433 h にSpace develop.
PETIS: Positron Emitting
Tracer Imaging System
800
Fusion react.
達した。さらに図２Seeds
原研 AVF サイクロトロン装置は、これまで 10 年間以上
Microbeam
Bio technologyには、最近７年間にPETIS
700にわたって安定な運転が継続されており、広範な研究分野
RI production
おける計画ビーム調
Radiat. chem.に多種多様なイオン種を提供している。最近２年間では、
Basic research
整時間の変化を示す。 600
Visitor's use
フラットトップ加速システム導入によるマイクロビーム
前述のように運転時形成予備試験、偏向機能付きグラジエントコレクターの設間はほぼ一定値を示500計・製作、サイクロトロン中心領域の改造、等々の技術開しているにも拘わら発や装置改造を行ってきた。また一方ではこの間、マグネ
400
ず、調整時間は初期
ティックチャンネルケース部での真空リークや同出口バの約 360 h から、バッフル部での漏水、真空系用シーケンサーの放射線損傷、300
イオ技術関連研究の電源盤内小型補助電源の不良、など様々な故障・不具合等進展とも相まって、も発生したが、サイクロトロン装置はこれらの困難を克服
200
約 2 倍の 700 h にまし、ほぼ計画通りの運転時間を達成している。
で急増している。こ100のビーム調整時間に1 サイクロトロン装置の運転と利用
は、加速モード、イ096979899000102
オン種、エネルギー、
原研 AVF サイクロトロン装置[1]-[3]は、1991 年３月のフ
Fiscalyear
ビームコース等の切ァーストビームの引き出し以来、特に深刻な故障等の発生換・変更に必要な時 図２：最近７年間における計画ビーもなく極めて順調な運転が継続され、材料科学やバイ技術ム調整時間の変化。
間が含まれている。などの研究利用分野で、幅広く利用されてきている。また
これらの結果は、多これまで、イオン源の増強、制御系の全面更新、カクテルビーム加速技術の開発、サイクロトロンビームの高安定化、 種多様なイオン種を比較的短時間で、頻繁に切り換えて使用する原研 AVF サイクロトロン装置の運転状態を、忠実に等々の装置整備や技術開発も併行して進めてきている。
反映したものとなっている。ちなみに、前述の４種類の変
図１には利用イオン種の推移を示す。初期には軽イオン
更頻度は、いずれも年々増加の傾向を示しており、このう(H+と D+)の割合が全体の 40％であったが、最近数年間ではちビームコースの変更回数は昨年度累計では 290 回にも到
ほぼ一定値のXeOH達するなど、“世界で最も多忙なサイクロトロン装置”の30 ％ に減 少し て
Metal
Ne
D
CocktailAr
He
Catch phrase を実証する実態となっている。
いる。利用イオン
3500

C

Kr

Nothing

3000

Operation time (h)

2500

2000

1500

1000

500

091 92 93 94 95 96 97 99 99 00 01 02

Fiscal year

図１：利用イオン種の推移。

種は、カクテルやXe イオンが増加する一方、Ar やKr イオンは減少するなど、新ビー
ム 開 発の 進展 とも関連して、年々分 散 化の 傾向 が強まっている。
ま た 運転 時間は、1993 年以降
で は 確実 に年 間3000 h 以上（平均では 3216 h）を堅持している。特に2002 年度では運転 時 間は これ ま

2

技術開発及び装置改造等

2.1

フラットトップ加速システムの現状

サイクロトロンビームを用いた直径 1 µm のマイクロビーム生成のために、2002 年の３月にフラットトップ加速（FT）システムが設置された。この FT システムは、RF の基本高周波に５倍高調波を重畳させて、加速電圧波形に平坦部を形成するものであり、共振周波数帯域は 55～110MHz、最大出力は 3 kW の設計となっている[4]。設置後エージングや試験運転等を行い、実用運転に向けた条件整備を進めてきた結果、Ch 1 及び Ch 2 のいずれでも、1.5 kV程度の必要な Flat-top 電圧を印加できることが確かめられた。当面のマイクロビーム形成対象イオン種である
20 7+
260 MeV, Ne を用いた予備実験では、パルス型ビームチョッパーで 100 ns 程度にパルス化したビームをサイクロトロンに入射し、FT システム及び位相スリット等の最適調整

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により、ほぼシングルターン引き出しに近い状態が実現されている[5],[6]。なお、FT システムの共振空洞は、サイクロトロン共振器の外筒に設置されていたクライオポンプのポートに取付けたため、設置に先立ち 2001 年末にはあ3
らかじめポンプ２台（各４m /s）を移設した。
また、マイクロビーム形成時のサイクロトロンビーム調整では、デフレクター入口におけるビームの周回パターンを正確に観測する必要があるため、先端検出部がタングステン薄板（厚さ 0.5mm）か小径グラファイトロッド（直径0.5mm）かのいずれかが選択可能な高分解能のデフレクタープローブを製作して、電流検出用タンタルブロック型の既設品と交換・設置した。

計・製作し、それらを地階のイオン源テストベンチ室に据え付けた。ビームスリットなど若干の診断機器を組み込んだ設置状態を、図４に示す。

2.2 偏向機能付きグラジエントコレクターの設計と製作
サイクロトロン本体からのビーム引き出し軌道と、ビーム輸送系基幹ビームライン軸とが約２度整合していないことから、効率的なビーム輸送や精巧なマイクロビーム形成等の観点から、高精度化が必要となっていた。そのため、これまでステアリング電磁石の増設やビームライン全体の移動、さらにはサイクロトロン本体の旋回など、いくつかの案が検討されたが実現していなかった。
これらの現実的な代替案として、励磁コイルを収納して偏向機能を付加した新型のグラジエントコレクター（グラコレ）を設計・製作し、鉄片の構造体で構成されていた既設のグラコレと置換した。本体に装着する前の偏向機能付きグラコレの外観を、図３に示す。なお、この改造に伴って、本体ピット室部分に偏向コイル用電源が必要となり、電気機械室から 3 相 420 V で150 A 容量の電源を新たに供給した。
図３：偏向機能付きグラコレ（設置前）

2.3 高安定軽イオン源用分析電磁石及びビームラインの設置

図４：高安定軽イオン源用ビームライン及び分析電磁石

2.4 サイクロトロン中心領域の改造
前述のマイクロビーム形成では、サイクロトロンビーム-4のエネルギー幅（∆E/E）を、2×10 程度に向上させる必要があり、位相幅制御の高精度化が必須の要件である。この目的でハーモニック数１，２及び３のイオン種における軌道解析を行った結果、特に中心領域にある位相スリット位置の最適化が必要であることが分かった。軌道解析結果
では、ハーモニック１及び２では、位相スリット位置及び先端形状はいずれも小規模な変更で済むが、ハーモニック３については中心領域でのビーム引き出しを、現在より180 度回転した位置にするのが最適であることが分かった。
また、中心領域に配置されているインフレクターについても、RF 加熱対策の一環としてシールドケースと電極とを分離するなど、一連の改造を実施した[7]。

3

点検保守整備・修理等通例の年間スケジュールでは、夏期に定期点検（改造等含む）及びビームテスト（４週間及び１週間程度）、秋に現在軽イオンの生成に用いている Multi-cusp イオン源は、は電源の定期点検（１週間）、３月には比較的小規模な改約 13 年間以上の長期間に渡り、すでに約 12000 h 運転されている。この小型イオン源は、永久
表１：最近２年間で発生した主な故障・不具合等
磁石を利用した Hot filament 型のも時期
故 障 内 容原 因・対 処 等のであり、水素及び重水素イオンのマグネティックチャンネル(MC)+約6 µAのビーム衝撃で溶融・70
MeV,H生成のみに利用されてきた。しかし 2001/10
シールドケース部に真空リーク発生穿孔、＃３号機への置換ながら、現在長期間の使用に伴う経インフレクター高圧導入部電線の劣化
年劣化等の進行もあり、生成強度や 2002/04 ビーム不安定状態の継続（約２週間程度）
耐熱電線の交換
安定度等の性能低下が問題となっステアリング電源の極性切換不能 小型制御用電源の不良（電圧低下）ている。このため、新たに高安定軽 2002/05
同型式の電源合計64台の交換イオン源を製作して、生成強度や安RF主真空管（4CW50000E）の中古品の真空管に交換（応急措置）定度の大幅な改善を図るとともに、 2002/11 損傷
既 設 の ECR イ オ ン 源 で あ
真空排気系制御シーケンスの異常 制御用シーケンサーの放射線損傷
る”OCTOPUS”との併用領域を拡充 2003/01 （第１軽イオン室）
Local modeでの運転、シーケンサ－の交換するなど、高機能化も合わせて実現
漏水部を分離して真空引き、応急措置
MC出口バッフルスリット部での2003/02する計画を進めている。イオン源本
予備のMo製スリットに交換
小規模な漏水（加速箱内）
体の設計・製作に先立ち、後続のビ 2003/06 純水冷却系循環ポンプのメカニカル モーターとポンプ連結部のゴムブッシング
シール冷却部からの冷却水噴出劣化による振動増加、予備部品に交換
ームライン及び分析電磁石等を設

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良・手直し等が行われている。表１に最近２年間に発生した主な故障・不具合等の内容を示す。
これらの故障のうち、2001 年 10 月に発生したマグネティックチャンネル（MC）シールドケース部の故障につい+て、以下に簡単に触れる。サイクロトロンは、70 MeV, Hの高強度ビーム（引き出し電流で約 6 µA）で調整運転され3ていたが、突然本体加速箱の真空圧力が約 1×10 Pa にまで急上昇し、本体が緊急停止した。この故障原因を調査したところ、MC の電流導入部からのヘリウムリークテスト結果から、SUS 製シールドケース部に貫通孔が発生した可能性が示唆された。早速本体を開放した後 MC ケース内溝部分を注意深く観察したところ、ビーム入射側端部に小さな陥没痕の存在が認められ、高強度ビームの衝撃による局部的な溶融発生がその原因と予測された。
これらの発生状況の概要を図５に示す。このビーム衝撃の原因は、MC 入口バッフルスリット”IN”が、正規の位置より約 3~4 mm 内側に配置されていたためであり、その後＃３号機に置換された際に設置位置を修正した。

Vacuum : 1.5 x 10-5 Pa
Shield case2-3 mm
5 mm

InsideOutside★

Leakage

INMID
OUT

Magnetic channel

Most outerbeam

Extraction
beam

Entrance baffle slit

Atomosphere

図５：マグネティックチャンネルケース部の真空リーク
発生状況概要図。

これまでに原研 AVF サイクロトロンで加速されたイオン種を表２に示す。ここ数年における代表的な内容では、
１）20 MeV, 30 MeV 及び 80 MeV の H+イオンの３種類について、入念な最適化調整運転を行ってビーム強度を増強した、２）優先的なマイクロビーム形成対象イオン種である
4 新ビーム開発等
20 7+
260 MeV, Ne で、イオン源を OCTOPUS から HECR に切
最近２年間では、偏向機能付きグラコレへの変更及び中り換えるとともに、設計値パラメーターに基づいた再調整
心領域の改造が実施された後、いずれも夏のお盆時期を返を行い、約 30 倍の飛躍的なビーム強度の増強が図られた、
102 18+上して精力的にビームテストが実施され、その後に開始さRu 及び 60 MeV,３）新たに金属イオンの 320 MeV,32+42+れた実験利用に備えた。
He （100 MeV, He の代替イオン種）が開発された、４）Cocktail beam (M/Q=4)でのシリーズ
表２：加速イオン種の一覧表。Text はサイクロトロン直後のファラディーカップ
4 +22 6+に、 He 及び同位体 Ne のイオン（FC）電流に対する半径 900 mm での電流の比、Tall は同様にサイクロトロン直種が追加された、等々が挙げられる。
前の入射系 FC 電流との比を示す。
Ion
Energy Intensity
species (MeV) (eµA)
10122011.5306.24530505+555H605657705804.490
10101120
5.6+2515D
35
40
50
2032+60
8.2
He4+25
3.6He
20
5.5
30
102+
450
20He
100
10108
1.6
12 3+75
2C
12 5+
220
1C
12 6+
320
0.008
C
14 3+
67
4
N
15 3+
56
0.70
N
16 4+
100
5
O
16 5+
100
4
O
16 6+
160
1.9
O
16 7+225
1O
16 7+
335
0.1
O
16 8+
430
0.0045
O

Text
(%)
80
89
78
79
44
63
57
62
42
72
48
2980
88
59
49
68
M/Q=4694262
32
M/Q=2M/Q=477
M/Q=243
M/Q=5M/Q=434
588241M/Q=2Tall(%)
2725
2214141422121213
7.7
3.7
1631
13
7.2
18
13121022102210
5.0
2221
21
136IonEnergy Intensity
species (MeV) (eµA)
204+
75
1.5
Ne
205+
125
0.01
Ne
206+
120
1.6
Ne
206+
200
0.8
Ne
207+
260
9.8
Ne
207+
270
0.28
Ne
208+
350
1.5
Ne
20
10+
5540
Ne10 cps
226+
165
0.007
Ne
368+
195
2.5
Ar
3610+
195
0.1
Ar
3618+
5970
Ar
10 cps
150
2.4
408+
Ar
175
34010+
250
0.2
Ar
40
11+
330
0.7
Ar
40
13+460
0.03
Ar
40
9+
200
2
Ca
56 11+200
1.4
Fe
56 15+
400
0.59
Fe58 15+
390
0.012
Ni
8220+
7490
Kr
10 cps
8417+
320
0.08
Kr
84
18+
4000.04
Kr
8420+
520
0.06
Kr
8421+
525
0.0032
Kr
102
18+
320
0.013
Ru
129
23+
450
0.2
Xe
197
31+
500
0.023
Au

Text
(%)
M/Q=5
M/Q=453
Scaling70
Scaling63
M/Q=2
M/Q=473
43
M/Q=2
M/Q=573
M/Q=486
63
61
M/Q=566
M/Q=4
M/Q=4M/Q=560
72
M/Q=450
72
49

Tall
(%)
6.6

参考文献

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22正、奥村 進、他：本加速器科学研
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11[7] 宮脇 信正、福田 光宏、倉島3
M/Q = 2, 4 and 5 : a series of cocktail beams 俊、奥村 進、他：本加速器科学研
究発表会予稿集、(2003)
Colored pattern : modified data on
previous table