Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

FLAT-TOP ACCELERATION SYSTEM FOR THE JAERIAVF CYCLOTRON
S. Kurashima1, M. Fukuda, N. Miyawaki, S. Okumura, T. Nara, T. Agematsu, I. Ishibori, K. Yoshida,
K. Arakawa and Y. Nakamura
Advanced Radiation Technology Center, Japan Atomic Energy Research Institute1233 Watanuki, Takasaki, Gunma, 370-1292, JapanAbstract
A flat-top acceleration system for the JAERI AVF cyclotron has been designed to minimize the energy spread
mainly for a microbeam production. The energy spread of the cyclotron beam is required to be reduced to ∆E/E =0.02 % to produce a microbeam with a spot size of 1 µm by focusing the beam with a set of quadrupole magnets. The
flat-top acceleration using fundamental and fifth-harmonic frequencies for an acceleration voltage is an excellent
technique to reduce the energy spread. In this paper, we report the beam development of 260 MeV 20Ne7+ using the flattop acceleration technique and the development of a new buncher system for highly efficient beam injection.

原研 AVF サイクロトロンにおけるフラットトップ加速
１．はじめに
原研 AVF サイクロトロンでは，マイクロアパーチャーを用いたコリメーション方式による生物細胞へのマイクロビーム照射[1]が実用化されているが，マイクロアパーチャーの製作精度やエッジでの散乱のために，得られるビーム径及び照準位置精度は 5〜10 µm が限界である。細胞の狙った部位を正確に照射するためには数µm 以下の照準精度が要求されている。そこで、高精度の四重極レンズを用いた集束方式のマイクロビーム形成技術の開発によりビームスポット径・照準位置精度 1 µm を目指している[2]。サイクロトロンによって加速されたビームをスポット径 1 µm に集束させるためには，四重極レンズでの色収差の影響を考慮すると，ビームのエネルギー幅を ∆E/E ≤ 0.02 % 以下にする必要がある。
しかし，従来のサイクロトロンのエネルギー幅は∆E/E = 0.1 % 程度である。そこで，加速電圧波形を平坦化してビームのエネルギー利得を均一化するフラットトップ加速技術の開発を行っている[3]。さらに，フラットトップ加速により均一なエネルギー利得 が 得 ら れ る ビ ー ム 位 相 幅 ± 8° RF 以 内 に 入 射
ビームを高効率で圧縮するための鋸歯状波型バンチャーの開発も行っている。260 MeV 20Ne7+ のフラットトップビーム加速実験を行い、大型の AVFサイクロトロンでは困難とされていたシングルターン引き出しに成功した。

（加速ハーモニクス 1，2および3）。フラットトップ加速とは，基本波に整数倍の高調波を加えることによりビームのエネルギー利得分布の平坦化を図り，イオンビームのエネルギー幅を小さくする手法である。低消費電力化，省スペース化を実現する第5高調波電圧励振用共振器を開発し，基本波との同時励振に成功した[4]。共振器開発に加えて，ビームパルス時間幅を±8°RF 以下に制限するためのサイクロトロン中心領域電極形状・配置の最適化[5]，磁場・電場の高安定化，高効率ビームバンチャー及びエネルギー幅測定技術の開発などを行っている。フ
ラットトップ加速によりビームのエネルギー幅を∆E/E ≤ 0.02 % にするために必要な開発項目と目標値を表1に示す。なお，磁場及び電場の高安定化に 関 し て は ， そ れ ぞ れ 必 要 な 安 定 度 ∆B/B ≤0.002 %，∆V/V ≤ 0.02 % を既に達成している。
表1：フラットトップ加速によりビームのエネル
ギー幅を ∆E/E ≤ 0.02 % にするために必要な開発項目（共振器開発を除く）

２．フラットトップ加速に必要な技術開発
原研 AVF サイクロトロンでは，11 MHz 〜 22
MHz の高周波を基本波加速電圧として用いている
1E-mail: kura@taka.jaeri.go.jp

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Requirement

Goal

Stability of acceleration voltage∆V/V ≤ 0.02 % for fundamental Voltage∆V/V ≤ 0.1 % for the 5th harmonic Voltage

Stability of cyclotron magneticfield∆B/B ≤ 0.002 %Beam phase width∆φ ≤ ±8°RF

High performance beam
buncher

80 % compression of injected beam within
10°RF

Measurement of the beamenergy spread∆E/E ≤ 0.01 %Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

３．鋸歯状波型ビームバンチャー開発
フラットトップ加速では，目標とするエネルギー幅 ∆E/E ≤ 0.02 % を得るためにビームパルスの時間幅を±8°RF 以下に，さらに入射するビームのエミッタンスを制限する必要がある。この場合，現在使用している正弦波型のビームバンチャーでは圧縮が不十分なため，ビーム強度は従来の半分以下に減少してしまう。そこで，高効率な圧縮が可能な鋸歯状波型ビームバンチャーの開発を行った。従来の鋸歯状波型バンチャーでは，基本波に第2，第3高調波を重畳する方法を用いているが，この方式ではそれぞれの周波数に専用の増幅器，制御回路が必要となるためコストが高く，装置が大型化する上に操作が複雑といったデメリットがあった。これらの問題を解消するために，回路構成を簡略化でき，操作性
図2：ビームバンチャーの電圧波形（上：鋸歯に優れる充放電型の電圧発生回路[6]の設計・製作を状波型，下：正弦波型。RF周波数：12MHz）行った。設計には回路シミュレータ“PSpice”を使用した。PSpice でのシミュレーションに用いた回ろ，従来の正弦波型バンチャーでは，バンチャーを路図を図1に示す。1) スイッチ S1 を開の状態で高使用しない場合に対してサイクロトロン引き出し直圧電源をオンするとシングルギャップのバンチャー
後のファラデーカップでのビーム電流の増加は 3.8電極 C1（対向したメッシュ）に充電が開始される， 倍であったが，鋸歯状波型バンチャーでは 5倍に向2) ある時点でスイッチ S1 を閉じるとバンチャー上させることができた。さらに，両バンチャーを同電極に蓄積されていた電荷はアースに落ちる，3)時に運転することにより 6.3倍に増大させる事にもスイッチ S1 を開けると，バンチャーは再び充電さ成功した。しかし，現時点では，1) 繰り返し周波れる。シミュレーションの結果から，充電路の自由数が変わっても放電時間は変わらないために効果的振動数を小さく，放電路の自由振動数を大きくするな時間幅（位相幅）は加速周波数により異なる，2)ことで直線性の良い鋸歯状波を発生できることが分
バンチャー電極間のギャップは固定なので電極間のかった。スイッチング素子として真空管を用いるが， トランジット時間は加速ハーモニクスにより異なり，バンチャー電極の静電容量は極力小さくして蓄積エバンチャーの効果に差が生じる，といった問題を抱ネルギーを抑え，放電時の真空管における電力消費えている。放電時間に関しては，これ以上短くするを小さくすることが望まれる。バンチャー電極の形事は難しいので，電極デザインを最適化することに状や配置に起因して〜50 pF の静電容量が生じるこより，いずれの加速ハーモニクスにおいても高効率とから，回路設計においては電極の静電容量を 50バンチングを実現することが今後の課題である。
pF として回路の各パラメータの最適化を行った。
実機のパワーテストを行い，オシロスコープと高電４．フラットトップビーム加速実験
圧プローブを用いて計測した鋸歯状波型バンチャー
コリメーション方式による生物細胞へのマイクの電圧波形を図2に示す。集束方式による生体細胞
ロビーム照射に既に利用されている 260 MeV 20Ne7+
へ の マ イ ク ロ ビ ー ム 照 射 を 要 請 さ れ て い る 260
イオンビームについて，フラットトップ加速技術のMeV 20Ne7+ イオンビームで性能試験を行ったとこ開発を進めている。フラットトップ加速の効果を最大限引き出すためには，基本波電圧，第5高調波電バンチャー電極（対向したメッシュ）
圧・位相，ビームパルス幅制御（プラー及び位相ス充電R2L1R1リットの位置調整），ビームバンチャー，トリムコ
211100360uH0.001
イル及びハーモニックコイル磁場などを微調整して放電 L31uH
十分なターンセパレーションが得られるようにパラS1V1 = 02C1V2=1C2メータを最適化する必要がある。フラットトップ加V2V4
TD = 10n
DC = 1k50p10u
TR = 5nAC = 0速の効果を簡易的に確かめるため，厚さ 0.5 mm の
TF = 5n
TRAN =S
PW = 5n
VOFF = 0.0V
PER = 47.3n
R3
VON = 1.0V
シート片状の電極を用いてサイクロトロン引き出し100直前の半径方向の電流分布を測定するデフレクタプ
ローブを開発した。このプローブを用いて調整パラ0スイッチング素子 放電保護抵抗
高圧電源 （実際は真空管）
メータの最適化を行った結果，総ターン数が250を超える大型の AVF サイクロトロンでは初めて引き
図1：PSpice でのシミュレーションに使用した充+ +-放電型鋸歯状波発生回路
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出し前のターンを分離させることに成功した。フラットトップ加速時に測定したデフレクタプローブのパターンを図3に示す。基本波のみの加速の場合にはターンの分離は困難になり，サイクロトロンに入射したシングルバンチが分割されて複数回に分けて取り出されるマルチターン引き出しの状態になるのに対し，第5高調波を重畳したフラットトップ加速の場合にはビームバンチ内でのエネルギー幅が小さくなり，半径方向へのビームの拡がりが激減して，シングルバンチがそのまま取り出される，いわゆるシングルターン引き出しに極めて近い状態が形成されているものと考えられる。そこで，サイクロトロ
ン入射ラインに設置されているパルス型ビームチョッパーによりビームを時間的に制限し，ほぼ１バンチ分のビームのみを入射し，サイクロトロンのビーム輸送ラインに設置されているプラスチックシンチレーションカウンターと TAC を用いてサイクロトロンから取り出されたビームパルスの時間分布を測定した結果，ビームパルスは１バンチしか検出されず，フラットトップ加速によりシングルターン引き出しを実現していることを確認した。
現在は，260 MeV 20Ne7+ フラットトップ加速ビー
ムを試験的に集束方式のマイクロビーム形成装置に輸送し，高精度の 4連四重極電磁石による集束実験を行っている。

フラットトップ OFF

ビーム電流（uA）

0.3(a)

0.25

V1 = 36.502 kV
V5 = 0.0 kV

0.20.15
0.10.05
00106070

フラットトップ ON7060
ビーム電流（nA）

20304050
プローブ位置（mm）(b)

V1 = 36.05 kV
V5 = 1.48 kV

5040302010001020304050
プローブ位置（mm）

6070５．今後の予定
すべてのイオン加速において高効率にバンチングできるように充放電型ビームバンチャー電極デザインの最適化を行う。マイクロスリットと分析電磁石を用いてビームエネルギー幅を測定し[7]，∆E/E ≤0.02 % を実現するフラットトップ加速の最適な調整法を確立する。

図3：デフレクタプローブで計測した260 MeV
20Ne7+ の電流パターン。(a) 基本波での加速，(b)フラットトップ加速

参考文献[1] T. kamiya, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 181,27 (2001)[2] M. Oikawa, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
210, 54 (2003)[3] M. Fukuda, et al., Rev. Sci. Instrum. 74, 2293 (2003)[4] 倉島 俊，他，第14回加速器科学研究発表会報告集，p. 359 – 361（2003）[5] 宮脇信正，他，第14回加速器科学研究発表会報告
集，p. 404 – 406（2003）[6] S. Brandenburg, et al., Proc. 16th Int. Conf. on Cyclotronand their Applications, East Lansing, USA, 373 (2001).
[7] 奥村 進，他，第14回加速器科学研究発表会報告
集，p. 518 - 520（2003）

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