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

PASJ2021 THP003

高強度小型サイクロトロンのエネルギー効率向上を目指した要素技術開発
IMPROVEMENT OF ENERGY EFFICIENCY OF HIGH INTENSITY COMPACTCYCLOTRON福田光宏#, A), 依田哲彦 A), 神田浩樹 A), 安田裕介 A), 武田佳次朗 A), 原隆文 A), 大本恭平 A), 森田泰之 A),
荘浚謙 A), 趙航 A), 篠塚勉 B), 伊藤正俊 B), 涌井崇志 C), 倉島俊 D), 宮脇信正 D), 中尾政夫 E), 松田洋平 F)
Mitsuhiro Fukuda #, A), Tetsuhiko YoritaA), Hiroki KandaA), Yuusuke YasudaA), Keijiro TakedaA), Takafumi HaraA),
Kyohei OmotoA), Yasuyuki MoritaA), Tsun Him ChongA), Hang ZhaoA), Tsutomu ShinodukaB), Masatoshi ItohB),
Takashi WakuiC), Satoshi KurashimaD), Nobumasa MiyawakiD), Masao NakaoE), Yohei MatsudaF)
A)
RCNP, Osaka University
B)
CYRIC, Tohoku UniversityC)
NIRS, QSTD)TIARA, QST
E)
GHMC, Gunma UniversityF)
Konan University

Abstract
A cyclotron originally has an excellent energy efficiency, defined by a ratio of beam power to operation power, because
a cyclotron is a compact machine consisting of a minimum number of magnets and RF resonators. We are now designingand developing a high intensity compact cyclotron with energy efficiency of 30 % or more to provide mA-order intense
beams of proton, deuteron, 4He2+, H2+, H-, D-. The key technologies to realize such a high-energy efficiency cyclotron are
production of several tens to 100 mA ion beams by positive and negative ion sources, enhancement of high intensity beamtransmission and injection efficiency from LEBT to a center region of a cyclotron, improvement of a charge stripping
extraction system for a negative intense beam, maximization of energy efficiency of a cyclotron by reducing power
consumption in magnet and RF resonator systems. The high energy-efficiency cyclotron will be applied for mass
production of RIs and secondarily produced intense neutron flux for BNCT and neutron-induced RI production. In thispaper, the conceptual design of a high intensity compact cyclotron to improve energy efficiency is presented.
欧米でのアルファ線核医学治療研究においては，アルファ線の放出個数が多い Ac-225 が用いられており，サイクロトロンは，コンパクト（直径 2～3 ｍ）で比較的安 核燃料物質である 233U／229Th をジェネレータとする製い建設コストでありながら数 10 μA～1 mA 級の高強度陽 造法が主流である。日本においては核燃料物質の取扱子ビームを供給できる小型加速器として，学術的な利用 いに係る規制が厳重であるため Ac-225 の利用がかなりMeV の陽子ビームを用に限らず社会に幅広く普及し，産業機器としても重要な 制約されているものの，15～18226
225
いたRa(p,2n)Ac反応（反応断面積は最大約0.7役割を果たしてきた。特に，PET 検査用 F-18 の製造にバーン）による加速器ベースの製造法の研究も進められ代表されるように，がん検査・治療用短寿命 RI の大量製造におけるニーズは近年増しており，小型サイクロトロン ており，PET 用サイクロトロンを用いた製造法の確立が期待されている。しかしながら，既存の PET 用サイクロトロンの果たすべき役割は大きい。
10 μA 程度である上，ター難治性がんに対して画期的な治療実績を生み出して で得られるビーム強度は数226ゲットとなる
Raは天然RIであり，化学反応性も強い上いるアルファ線核医学治療では，半減期 7.2 時間の AtWHO から警211 を用いた動物実験などが精力的に行われており，大 にアルファ崩壊して肺がんのリスクが高いと
222
告されている気体のラドン（Rn）に崩壊することから，阪大学においては 2021 年度内に医師主導治験が始まろうとしている。アルファ線放出核種である At-211 は，約 将来的な実用化のためには製造技術の高度化も求めら
29 MeV の 4He2+ビームをビスマス・ターゲットに照射して れている。
さらに，京都大学複合原子力科学研究所や南東北病
209
Bi(4He2+, 2n)211At 反応（反応断面積は最大約 1 バー院，大阪医科大学などに導入されている住友重機械工ン）により生成しているが，臨床で求められる GBq 級のAt-211 を製造するためには，数 100 μA 以上の高強度 業（SHI）製のホウ素中性子捕捉療法（BNCT）用 30 MeV
ヘリウムイオンビームが必要とされる。しかしながら，従来， 1 mA の陽子加速専用サイクロトロン（HM30）に代表され高強度のヘリウムイオン加速を実現した加速器は存在せ るように，小型サイクロトロンは高強度中性子源としてもず，既存のサイクロトロンで得られるビーム強度は 30 μA 利用されており，10～20 MeV の低エネルギー領域においては陽子ビームを用いるよりも重水素ビームをリチウム程度に留まっている。
やベリリウム・ターゲットに照射する方が中性子発生量は___________________________________________# mhfukuda@rcnp.osaka-u.ac.jp
大きい。

1.

はじめに- 795 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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そこで本研究では，4He2+，，H2+，D－等のイオンビーム
強度を従来の 10 倍以上の数～数 10 mA まで増強するためのイオン源及びサイクロトロンの要素技術開発に取り組んでいる。加えて，サイクロトロンは，同一の電磁石と加速電極を用いて加速粒子に渦巻き状の軌道を描かせながらほぼ同じタイミングで加速電場を通過させ，一度に全てのエネルギーの粒子を加速するという原理に基づいていることから，電磁石と共振器の消費パワーやエネルギー損失を最小限に留めることによってエネルギー効率を格段に向上させることが可能である。現在稼働中のサイクロトロンの実例では，スイスのポールシェラー研究所（PSI）の 590 MeV 2.2 mA の陽子ビームを加速するリ
ングサイクロトロンのエネルギー効率は約 13％，前述のSHI 製 HM30 では約 12％を達成しており，一般的な線形加速器（エネルギー効率は数％程度）に比べても十分に大きなエネルギー効率を実現している。しかしながら，ビーム強度が大きくなればそれに比例して運転に必要とされる電力も増えることになり，例えば，RI 製造用の中性子を発生させるために 40 MeV 10 mA の D－ビームを加速した場合には出力されるビームパワーは 400 kW にも及び，エネルギー効率を 12％と仮定すると 3.3 MW の入力パワーが必要となってしまう。そこで，ビーム強度増強と共に消費電力削減の対策も講じ，エネルギー効率を従来の 2 倍以上に高めて 30％以上のエネルギー効率を目指した要素技術開発も併せて進めている。

2.

ビームの高強度化とエネルギー効率向上のための課題

サイクロトロンは，磁場で加速粒子を周回させながら固定された電極間隙に発生する高周波電場を用いて加速することができ，コンパクト性とエネルギー効率の点で原理的に優れた特徴を有している。しかしながら，コンパクト性と引き換えに入射領域のアクセプタンスが小さいた
めに空間電荷効果によって拡がったビームを全て受け入れることができず，またビーム取り出しのスペースも限られていてビーム引出機器での大強度ビームの損失・放射化を招き易いという難点を抱えている。従って，本研究では，サイクロトロンにおいて可能な限りコンパクト性を犠牲にせずに，如何に数 mA～数 10 mA のビーム強度を達成するか，という問いに答えるため，次の課題について重点的に取り組んでいる。
• 数 10～100 mA 級のイオンビームの生成• 空間電荷効果を考慮した限られた空間でのビーム輸送と入射• 高強度負イオンビームの荷電変換取り出し• 高強度化とともに消費パワーを減らしてエネルギー効率を 30％以上に高める電磁石及び RF 共振器の開発
これらの問題を解決し，ビームの高強度化とエネルギー効率の向上を同時に実現できるように，以下のような要素技術開発を進めている。
2.14イオン源

He2+や H2+生成用に世界で初めて銅酸化物超伝導体の REBCO 高温超伝導線材を用いた 10 GHz ECR イオン源を試作し，数 10～100 mA 級の正イオンビーム生成を試みる。D－イオン生成においては，セシウムを用いた体積生成型マルチカスプイオン源をベースとして負イオンの高密度化を図り，低エミッタンスの高輝度ビームを生成するため，単孔を用いたビーム引き出しによって20 mA/cm2 以上の電流密度と 1 π mm・mrad 以下の規格化エミッタンスを目指す。
2.2ビーム入射系

低エネルギーの高強度ビームの空間電荷効果を考慮した上でサイクロトロン入射部の横方向と縦方向の位相空間アクセプタンスにビームを完全整合させる。また，中心領域における横・縦両方向の位相空間のカップリングを上手く活用してビームを恣意的に拡散し，空間電荷効果によるビーム品質の劣化を緩和するような入射・初期加速法を試みる。
2.3

ビーム引出系

負イオン取り出しの場合には，荷電変換フォイルとして使用する炭素薄膜中の加速粒子のエネルギー損失よりも，剥離した電子が磁場によって戻ってくることによるパワーロスが大きい。そこで，小口径のコイルなどを用いて薄膜領域の磁場を制御し，さらに電子を薄膜から逃がすような電磁場を形成することによって数 10 mA 級のビーム強度においても炭素薄膜の寿命を格段に延ばす手法の確立を目指す。
2.4

エネルギー効率の向上

サイクロトロンの場合，消費電力の 70％弱を占めているのが電磁石と加速空洞である。エネルギー効率を向上させるためにサイクロトロン電磁石の側ヨークに永久磁石を配置して電磁石の完全電力フリー化を試みる。また，加速空洞の省電力化を図るために，サイクロトロンで初めてサイクロトロンの加速空洞の超伝導化を図るための設計検討を行う。

3.

高強度陽子源の開発

2.45 GHz のマイクロ波源を利用した永久磁石型 ECR陽子源の開発を進めている[1]。Figure 1 に 2.45 GHz
ECR 陽子源の全体写真を示す。軸方向に着磁した台形ブロック状の Nd-Fe 永久磁石を円環状に配置して 1 組の磁石を組み立て，それを軸方向に 2 つ並べて2.45 GHz の電子サイクロトロン共鳴磁場である 875（G）前後の磁場分布を形成する。導波管とプラズマチェンバーのインピーダンスを整合させるため，階段状の形状をした ridged transformer をプラズマチェンバーへの入口部分に設置した。また，プラズマチェンバー内で TE111モードの電場を発生させて電子を最大限加速できるように，ANSYS/HFSS コードを用いて円筒形状のプラズマチェンバーの内径と軸方向の長さの最適化を図った。これにより，1W の入力当たり，8000 V/m 以上の半径方向の電場を形成できることが確認できた。Figure 2 にプラズマチェンバー内の電場分布の一例を示す。イオン化する水素ガスは導波管と並行にプラズマチェンバーの端部近くから導入している。ビームを取り出すための電極は，プラズマチェンバーに直付けされたプラズマ電極，最初の引出電場形成を行う A 電極，負の電圧を印加して加速電位を大きくするための B 電極，グラウンド電位まで戻- 796 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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すための C 電極と D 電極の 5 つの電極から構成される。
取り出したビームの強度を最大化し，且つエミッタンスを最小化するためのそれぞれの電極の位置と電位をIGUN コードを用いたシミュレーション計算により最適化した。その結果，加速電圧 50 kV で，引出ビーム電流
3 mA，ビームエミッタンス（RMS）2.6 π mm・mrad のビー
ム条件が達成しうることを見出した。この設計をベースに，実ビーム生成試験を行っている。

場合の磁場計算を行った。Figure 3 に加速平面上での方位角方向の磁場分布を示す。セクター磁極領域での最大磁場は 8 (kG)程度，平均磁場でも約 6 (kG)の磁場を発生できることがわかる。これにより，加速エネルギーを固定して磁極ギャップを調整すれば，十分に実用になり得ることが推測できる。磁場レベルの微調や，メンテナンスのための加速領域での減磁・消磁法，他の機器への影響など，実用に向けた諸課題を今後検討していくよていである。

Figure 1: 2.45 GHz ECR proton source.
-4 kG

-8 kG

Azimuth (degrees)
Figure 2: Electric field distribution of TE111 mode
generated in the plasma chamber.

Figure 3: Magnetic field distribution in the azimuthal
direction of the RCNP AVF cyclotron magnet using apermanent magnet at side yokes.

4.

謝辞

サイクロトロン電磁石の永久磁石化

加速ビームの高エネルギー化とサイクロトロン本体電本研究は JSPS 科研費 JP20H04454 の助成を受けた
磁石のコンパクト化を狙って超伝導電磁石を採用したサ ものです。
イクロトロンが MSU や INFN-LNS，KVI をはじめとした研究用サイクロトロンだけで無く，陽子線がん治療用サイク 参考文献
ロトロンでも既に実用化されている。高磁場化と消費電 [1] H. Yamamoto et al., “Development of 2.45GHz permanent力の最小化を両立させる点では大きなメリットがあるが，magnet proton source ” , Proceedings of the 9th Annual
超伝導コイルを冷却するための液体ヘリウムが高価だっ
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Toyonaka,
Osaka, Japan, 2012, pp. 1092-1095.
たり，伝導冷却によって極低温まで下げるための冷凍機も電力を消費したりしていることから，運転コストと消費電力はゼロにはできないという難点がある。そこで，イオン源と同様に，サイクロトロン磁石に永久磁石を組み込み，電力フリーな磁場形成を行うための設計検討に着手した。
手始めに，RCNP にある既存の AVF サイクロトロンの側ヨーク部分を永久磁石（NEOMAX-48BX）に置き換えた- 797 -