Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEP052

理研 AVF サイクロトロン運転の現状報告
STATUS REPORT ON THE OPERATION OF RIKEN AVF CYCLOTRON福澤聖児 B), 須田健嗣#,A), 後藤彰 A), 大西純一 A), 濱仲誠 B), 石川盛 B), 小林清志 B), 小山亮 B),
仲村武志 B), 西田稔 B), 西村誠 B), 柴田順翔 B), 月居憲俊 B), 矢冨一慎 B), 藤巻正樹 A), 福西暢尚 A),長谷部裕雄 A), 日暮祥英 A), 今尾浩士 A), 上垣外修一 A), 加瀬昌之 A), 木寺正憲 A), 込山美咲 A), 熊谷桂子 A),
真家武士 A), 長友傑 A), 中川孝秀 A), 奥野広樹 A), 大関和貴 A), 坂本成彦 A), 内山暁仁 A), 渡部秀 A),渡邉環 A), 渡邉裕 A), 山田一成 A), 鎌倉恵太 C), 小高康照 C)
B)Seiji Fukuzawa , Kenji SudaA), Akira GotoA), Jun-ichi OhnishiA), Makoto HamanakaB), Shigeru IshikawaB),
Kiyoshi KobayashiB), Ryo KoyamaB), Takeshi NakamuraB), Minoru NishidaB), Makoto NishimuraB), Junsho ShibataB),
Noritoshi TsukioriB), Kazuyoshi YadomiB), Masaki FujimakiA), Nobuhisa FukunishiA), Hiroo HasebeA),
Yoshihide HigurashiA), Hiroshi ImaoA), Osamu KamigaitoA), Masayuki KaseA), Masanori KideraA),
Misaki KomiyamaA), Keiko KumagaiA), Takeshi MaieA), Takashi NagatomoA), Takahide NakagawaA), Hiroki OkunoA),
Kazutaka OzekiA), Naruhiko SakamotoA), Akito UchiyamaA), Shu WatanabeA), Tamaki WatanabeA), Yutaka WatanabeA),
Kazunari YamadaA), Keita KamakuraC), Yasuteru KotakaC)
A)
RIKEN Nishina CenterB)SHI Accelerator Service Ltd.
C)
Center for Nuclear Study, University of Tokyo

Abstract
The RIKEN AVF cyclotron started its operation in 1989. Since then, it has been used not only as an injector of the
RIKEN ring cyclotron but also as a supplier of various ion beams directly to users in its stand-alone operations. In thisreport, we describe both the operational status and improvement works performed in this year (August 2020-July 2021)
aiming at increasing accelerating ability of the AVF cyclotron.
して、ハイパワービームによる機器の損傷を防止する為
1． はじめにに行ったデフレクターへの温度モニターの設置とビーム理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センターの インターロックシステム(AVF-BIS)の導入について紹介
AVF サイクロトロン(以下、AVF)[1]は理研リングサイクロト する。
ロン(RRC)[2]の入射器である。その一方、単独でも低エネルギービームを専用の実験コース(Fig. 1)に供給する。
RRC の入射器として他に RILAC[3]及び RILAC2[4]が存在し、これらが重いイオンを主に加速するのに対し、AVF は例外があるものの質量数 40 以下の比較的軽いイオンの入射を主に担っている。AVF から RRC へと加速されたビームは各実験室へ供給される。RIBF[5, 6]では、さらに後段の超伝導リングサイクロトロン(SRC)[7]で加速し、BigRIPS に供給する。その他、AVF から RRC、中間段リングサイクロトロン(IRC)[8]へと加速されたビー
ムは生物実験に利用されている。
AVF の基本スペックは、K 値 70 MeV、取り出し半径0.714 m、RF 周波数 12~24 MHz、最大励磁時の平均磁束密度 1.7 T である。
利 用 可 能 な イ オ ン 源 は 偏 極 イ オ ン 源 (PIS) 、 Hyper
ECR、18GHz ECR[9]の 3 台である。PIS は偏極重陽子専用であるが、他の二台のイオン源はほぼ全ての軽イオンを供給することができる。特に近年は、固体試料を使用する Li 等の場合は Hyper ECR から、産業利用等で利用される Kr 等は 18 GHz ECR から供給されている。
本稿では 2020 年 8 月から 2021 年 7 月までの AVF の運転状況、不具合とその対応を報告する。さらに改良と___________________________________________# ksuda@ribf.riken.jp

Figure 1: Overview of AVF cyclotron with 3 ion sources,
5 experimental courses, and beam transport line to RRC.

- 760 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEP052

Figure 2: Energy-Mass to charge map of AVF.

Table 1: List of Accelerated Beams from August 2020 toJuly 2021

p 19 MeV を使った実験は C01 から垂直に曲げ下ろすビームライン E7V(昨年までの C12 から改称)で行われた。
2019 年に東京大学原子核科学研究センター(CNS)の実験チームにより本コースにターゲットチャンバーが設置され、2020 年 10 月には RI 製造が開始された。本コースでは照射する試料を容器に入れ水平にセットして真上からビームを照射できる為、ビームの熱で溶解するような試料でもこぼれ落ちる事なく連続照射が可能であるという特徴がある。
14 5+
N 5.54 MeV/u はさらに RRC で 100 MeV/u まで、
4He2+ 4.17 MeV/u 及び 12C4+ 4.93 MeV/u は RRC と SRCでそれぞれ 200 MeV/u、250 MeV/u まで加速されユーザーへ供給された。
Table 1 に該当期間に加速したイオンの核種とエネルギー、加速モード、実験コース及び AVF の取り出し直後のファラデーカップ(FC-C01)で得られたビーム量の最大値を記した。今期は 7Li のビーム量が顕著に向上した。
2021 年 3 月に行われた 7Li3+ 8.3 MeV/u の実験では過去のマシンスタディでの記録である 2370 pnA(2011 年、8.6 MeV/u)から 5667 pnA へと 2.4 倍に増えた。これに関してはイオン源の大強度化によるところが大きい。金属ビームの供給を担う Hyper ECR では、近年引出電極の改造が行われ[10]、ビームの引出効率が高められた。これにより広い M/q の範囲で AVF へ入射するビーム量が倍増した。さらに現在進められているサポートガスの研究の成果として、Li3+を効率的にサポートするガス種を見出し た 。 こ れ ら の 改 良 に よ り イ オ ン 源 下 流 で Li3+ を70000 pnA もの大強度で生成することに成功した。
2.2

運転統計

該当期間では合計 83 件の実験が行われた。用途として最も数が多かったのは RI 製造の 33 件である。Figure 3に粒子別の実験件数の内訳を示した。He が最も多いのは昨年と同様で、24 件中 18 件が RI 製造であった。
過去 12 年間の運転時間の傾向を AVF 単独運転とRRC への入射運転に分け、Fig. 4 と Fig. 5 にそれぞれ示した。図中に実験コース別の供給時間、AVF の調整時間及び供給中の故障対応時間を示してある。調整時間
は AVF のサイクリング開始から、単独運転ではスポット調整完了まで、RRC 入射運転では RRC へのビームトランスポートを開始する時刻までの時間とした。調整時間と2． 運転状況
2.1

加速実績

Figure 2 に AVF でこれまでに加速された核種の質量荷電比(M/q)と核子当たりのエネルギーの関係を示した。
対象期間に加速したものは赤色(AVF 単独運転)と青色(RRC 入射運転)の〇で、初めて加速したビーム(ファーストビーム)は、それぞれ赤色と青色の●でブロットした。対象期間より前の実績は黒色の〇で表している。
フ ァ ー ス ト ビ ー ム は p 19 MeV 、 d 15 MeV/u 、 4He2+4.17 MeV/u、 7Li3+ 8.3 MeV/u、 12C4+ 4.93 MeV/u、 14N5+5.54 MeV/u の 6 種であった。前者の 2 つはここ数年で方法が確立されたハーモニック 1 での加速によるものである。
Figure 3: Number of experiments classified by suppliedions.

- 761 -

Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, JapanPASJ2021 WEP052

Figure 4: Beam service time of AVF stand-alone operation.

Figure 5: Beam service time of AVF operation as aninjector of RRC.

減らすシングルターン引き出し[11]の調整を行った。ターンの混合とは、通常の軌道を通って取り出されたビーム(主成分)に、軌道のずれによりターン数が±1 だけ異なったビームが混ざることである。この混合成分はエネルギーが主成分のそれとは僅かに異なるので、混合を減らすとビームの質が向上する。Deuteron 実験では調整の過程で混合率が 10 %以上に悪化することもあったが、18GHz ECR から豊富に得られるビームをイオン源のスリットと AVF の位相スリットで大幅にカットすることで、最も少ない時で 2.3 %±1.3 %にすることができた。その際に得られた AVF のターンパターンを Fig. 6 に示す。
ターンの混合率はシングルターンモニターシステムを用いて測定した。AVF での加速がハーモニクス 2(=偶数)で行われた為、同一のタイミングで AVF に入射したとすれば主成分と混合成分の時間差は加速周期の 2 倍となる。しかし、連続ビームとなるので結果的に全てのバンチに混合が生じ、各成分を区別することができない。そこで、本システムは次の方法で混合率を測定した。(1)イオン源下流の AVF への入射ラインにおいて、バンチ化される前の直流ビームを加速周期の 10 倍程度の時間だけチョップした。これにより主成分がない状態を作り、(2)AVF から取り出されたビームをファラデーカップ(AVF室内の FC-C21)で止めて、(3)発生するガンマ線をプラスチックシンチレーションカウンターにより計測してビームの時間構造を測定し(Fig. 7)、(4)ビームがチョップされる直前(あるいはチョップ後)の主成分が含まれるバンチから 2 バンチ後(前)のバンチを混合成分と見做し、それと主成分との収量比を求めた。
本システムでは、ファラデーカップを用いるためビームの供給中は測定できない。また、一度チョッパーを動作させてからガンマ線を測定するまでに 30~40 μs の時間を要するので、測定可能な周期は 30 kHz 程度が限度である。ただし、前述の調整時には 20 kHz で測定し、100 nAの deuteron ビームを 10 分間測定して誤差が 1 %であったので、実用的には問題なかった。

Figure 6: Turn pattern of deuteron beam.
供給時間を合計した AVF の総運転時間は、新型コロナウイルスの影響があった昨年の 2705 時間に対し 3818 時間と、一千時間以上も増加した。単独運転の運転時間は昨年の 1848 時間に対し 1839 時間とほぼ同一であった。その一方で RRC 入射運転が 1979 時間で最近 12 年間では最も長かった。これは、5 月から 6 月にかけて 3 年ぶりに RIBF(RRC-SRC)へビームを供給した為であり、12C、deuteron 及び 4He ビームを用いた実験が合計 28 日間行われた[6]。
2.3

シングルターン引き出しによる RIBF への高品質なビームの供給

RIBF 実験では、ユーザーより高品質なビームを供給するよう要請があった。また、加速器側としても下流のリングサイクロトロン(RRC、SRC)におけるビームのロスを軽減することが望ましい為、AVF 出側でのターンの混合を

Figure 7: Time spectra of deuteron beams measured by thesingle turn monitor system. A: mixture of different turns,
B: component of an adjacent turn, C: background.
2.4

マシントラブル

対象期間中は AVF の故障による実験の中断は少なく、ほとんどのトラブルは立ち上げ時に発生した。それらを以下に挙げる。
(1) AVF 本体の真空悪化- 762 -

Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, JapanPASJ2021 WEP052

今年 1 月、コールドスタートでの磁場設定後、サブチャンバーの真空悪化が起きた。その日の調査ではトリムコ
イル(サーキュラーコイル)C8 の励磁状態に真空が反応している事が分かったが、2 時間半の調査のうちに真空悪化が収まってしまい、再現しなくなった。後日、トリムコイ
ルとハーモニックコイルのフィードスルー部分(Fig. 8)、上下各 26 か所のヘリウムリークテストが行われ、C8 下側の1 か所のみ 10−8 Pa・m3/s のリークが見つかった。C8では 2013 年に上側フィードスルーの部分からリークが発生して O リングを交換した実績がある。しかし今回は下側コイルからのリークであって、増し締めや O リングの交換を行うには AVF 本体の真空チャンバーを引き上げる必要があり、またリーク量が比較的小さい為、これを行うのは見送った。

Figure 8: Feedthrough part of trim coil.
その後、2 月には Dee 電極 No.2 の静電容量を調整するコンペンセーターを駆動させた際にも、メインチャンバーの真空度が 10−5 Pa から 10−3 Pa まで悪化することが判明した。駆動軸の O リングからリークが生じていると考えられるが、不幸中の幸いにも RF を励振してコンペンセーターが共振をとる駆動範囲では比較的真空を保っていて、ビーム供給に影響を与えることはなかった。この件に関しては 2018 年 2 月に同様の症状で O リングを交換した実績があり、修理を検討中である。
(2) マグネティックチャンネルの不具合
昨年の加速器学会において、マグネティックチャンネルが運転中に外部インターロックで数回トリップしたトラブルについて報告した[12]。本体内部でのレイヤーショートを疑ったが、昨年 9 月の調査で、ホローコンダクタが密集した部分の中の二本を電気的につなぐ小型のブスバーのボルトが緩んでいた事がわかった。この部分が接触不良となって発熱し、80 ℃を超えてサーマルスイッチが働いていた為、ボルトの増し締めを行った。
(3) ECR 系冷却水ポンプの不調
今年 6 月、RRC-SRC へのビーム供給中に 18GHz
ECR の冷却水系統の熱交換器の市水側ポンプが不調となった。モーター電流が 17 A に対し約 3 A の幅で激しく振動しており、ポンプの周辺で異音を確認した。 実験終了後にポンプの交換を行って復旧した。
(4) その他
p 30 MeV の調整中に 42.8 kV の高電圧を印加していたデフレクターのリーク電流が 1.5 mA まで上がり電圧を維持できなくなった為、急遽大気開放して電極の清掃を行った。
AVF 下流 E7B コースの Q 磁石(QT7B1a)が電流設定を 0.01 A 操作すると実際の電流が 6 A も変わってしまう誤動作があり、電源の DAC 基板を交換した。
6 対ある位相プローブの電極の読み出し信号が切り換わらなくなり、これらを切り替えるリレー盤内の DC 15V 電源を交換した。
18 GHz ECR の出側のファラデーカップ FC-I10 を OUTに駆動させると周辺のビームトランスポートの真空度が10-5 Pa から一桁悪化し下流のゲートバルブが閉まった。
ファラデーカップのベローズにアルコールをかけると更に真空が悪化したことから、この部分のリークであることが判明し、待機品と交換した。

3.

ハイパワービームに対する保護システム

3.1

ビームインターロックシステム(AVF-BIS)

近年、AVF のビーム量の増強と高エネルギー化がなされた結果、ハイパワービームのロスにより加速器自体が損傷する可能性が高まり、それを防ぐ対策が必要になった。そこで、RIBF のリングサイクロトロン群、RILAC
及び RILAC2 で既に導入されているビームインターロックシステム(BIS)が、昨年 AVF にも導入された[13]。BISの主な機能は、予期せぬビームの変動を検知してイオン源直下流のビームチョッパーやファラデーカップで加速器に入射するビームを止める事である。
これらのトリガーとなるのが、バッフルに当たったビームの電流値をログアンプで変換して得られたアナログ信号や、電磁石電源の ON/OFF・トリップ状態を示すデジタル信号である。AVF-BIS は、インターロック用の入力情報として 25 個のデジタル信号と 24 個のアナログ信号を受け付け、5 個のデジタル信号を出力して必要な機器を動作させることでビームを停止させる。信号線は各機器から、PLC ユニットで構成される信号中継盤(STATIONと呼ぶ)につなぎ込んでいる。ユーザーインターフェース
は CSS(Control System Studio)にて独自の物を作成した(Fig. 9)。

- 763 -

Figure 9: The setting window for AVF-BIS.

Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEP052

このシステムは現在 RIBF で使用されている BIS の後継機として開発されたプロトタイプでもある。
3.2

デフレクターの温度モニター

ビームロスによるデフレクターセプタムの溶融を防ぐ為、熱電対により温度監視を行い、異常な温度上昇が検知されたときに AVF-BIS によりビームを停止させるようにした。Figure 10 に示すように、熱電対はビームロスが最も大きいデフレクターセプタムの入口部分に設置した。同図において手前がビームの周回側で、セプタムと電極の間からビームが取り出される。セプタムの材質は銅で、入口部分の厚さは 0.3 mm、高さは 12 mm で、ビームロスを分散させるため、ビーム方向に長さ 20 mm の切り欠きがつけられている。未使用のセプタムを機械加工し、切り欠き先端部の上下に熱電対を各 1 個取り付けた。
Figure 11 は、セプタムの先端部に 300 W のビームロス（ビーム径φ2 mm と仮定）が起きた場合の温度の時間応答を ANSYS により計算した結果を示している。左右の縦軸は、それぞれビームがロスした部分の温度(Tmax)及び熱電対の取付位置における温度を示している。この計算結果から換算すると、ビームロスが 370 W 以上の場合、セプタム先端部は１秒以内に銅の融点(1085 ℃)を超えて溶融することが分かる。一方、熱電対の位置における

Figure 10: Tip of the deflector septum to which thermocouples were attached.

温度上昇は Tmax の 1/10 程度で、時間的な遅れがあることが分かる。このため、熱電対の測定周期である 0.1 秒間における温度の上昇が設定値(現在 1 ℃)を超えた場
合に AVF-BIS への出力を行い、セプタムが溶融する前にビームを停止することとした。このような短時間での保護に加えて、長時間の運転によっても徐々に温度が上昇する場合があるため、時間にかかわらず温度上昇が40 ℃を超えた場合にもインターロックを動作させるようにした。

4.

まとめ

2020 年 8 月から 2021 年 7 月までの AVF の運転時間
は 3818 時間で、AVF を理由とした実験中断は 9.6 時間であった。
ビームインターロックシステムやデフレクターの温度モニターといった、RIBF のリングサイクロトロン群等で使用されている手法が AVF にも採用され、ハイパワービームに対する保護機能が向上した。

参考文献[1] A. Goto et al., “Injector AVF cyclotron at RIKEN”,
Proceedings of Cyclotrons 1989, 1991, pp. 51-54.
[2] H. Kamitsubo, “Progress in RIKEN Ring Cyclotron Project”,
Proceedings of Cyclotrons 1986, 1987, pp. 17-23.
[3] M. Odera et al., “Variable frequency heavy-ion linac,
RILAC: I. Design, construction and operation of its
accelerating structure”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
227, 1984, pp. 187-195.
[4] K. Yamada et al., “Beam commissioning and operation ofnew linac injector for RIKEN RI beam factory”, Proceedingsof IPAC 2012, 2012, pp. 1071-1073.
[5] Y. Yano, “The RIKEN RI Beam Factory Project: A status
report”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 261, 2007, pp.
1009-1013.
[6] T. Nakamura et al., “Status report of the operation of RIBF
ring cyclotrons”, Proceedings of the 18th PASJ Meeting,
TUP052, 2021.
[7] H. Okuno et al., “The Superconducting Ring Cyclotron in
RIKEN”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 2007, pp. 10631068.
[8] J. Ohnishi et al., “Construction status of the RIKEN intermediate-stage ring cyclotron (IRC)”, Proceedings ofCyclotrons 2004, 2005, pp. 197-199.
[9] T. Nakagawa et al., “Intense beam production from RIKEN
18 GHz ECRIS and liquid He free SC-ECRISs”, Rev. Sci.
Instrum. 73, 2002, 513.
[10] Y. Ohshiro et al., “Improvement of beam extraction system
in Hyper ECR ion source”, CNS Annual Report 2019, 2020,
pp. 53-54.
[11] N. Sakamoto et al., “Acceleration of Polarized DeuteronBeams with RIBF Cyclotrons”, Proceedings of Cyclotrons
2016, 2017, pp. 145-148.
[12] M. Nishida et al., “Status report on the operation of RIKEN
AVF cyclotron”, Proceedings of the 17th PASJ Meeting,2020, pp. 921-924.
[13] M. Komiyama et al., “Start of operation of AVF-BIS and its
performance evaluation as a successor system to BIS”,
RIKEN Accel. Prog. Rep. 54, 2021 (to be published).

Figure 11: Time response of temperatures on the septum
for a beam loss of 300 W calculated by ANSYS.

- 764 -