Proceedings o f the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

9a-8

The Study of Heavy-Ion Iiyector IH Linac for Cancer Therapy ( II)
T.Hattori, K.Isokawa” K.Sasa, T.Ito, H.Tomizawa, N.Hayashizaki, S.Majima, N.Sakamoto, T.Yoshida,
S.YamadaA) and S.YamakiB)
Research Laboratory for Nuclear Reactors Tokyo Institute of Technology
2-12-1 Oh-okayama, Meguro-ku, Tokyo, 152, Japan
A) National Institute of Radiological Sciences
B) Japan Steel Works, Ltd.

Abstract
We are studing a heavy-ion IH linear accelerator for injector of cancer lierapy. The IH (JHQ) linac
was designed to accelerate C?+ bn from 10 (50) keV/u to 3 (Z) MeV/u with an operation frequency of 95(80) MHz. The half-scale model was made of brass. According to tuning of ridge tuner at flie hjection
side and extraction side and diameter of cavity, we made a success of flat lining of acceleration voltage at
the model test. After adjustment, tie result of model test was like the following. Operation frequency was196.5MHz for IH type cf APF focusing, was 172.3MHz for IHQ ^pe of RFQ focusing. We know fiat thediameters of each real size are about 68cm and 70cm respectively.

ガ ン 治 療 用 入 射 重 イ オ ン 線 形 加 速 器 の 研 究 （n)i .はじめに

2 .入 射 線 形 加 速 器 の 設 計

放医研の癌治療用重イオン加速器が、世界に先駆加速粒子としては、小型ECR イオン源で生成さけて稼働を開始した。その入射用線形加速器システれる C4+ ( q /A = 1 /3 ) を考え、 これを7 0 k eV /u でムは、研究用としては適当であるものの実用機とし入射、 3MeV/u で出射するものとした。そしてこては大型である[1]。

れらの性能を全長約3m のIH 型線形加速器で実現で医療用の実用機には安定性が最も必要とされるが、小型、省電力型なども重要な要素とされ、 これきるように設計および粒子軌道計算を行った。表-1 に設計パラメ一夕を示す。

らの要求を満足する加速構造としては IH 型構造が粒子の収束方法としては、まず①APF収束につ考えられる。 この加速構造は低•中エネルギー領域いて検討し、さらにIH 型加速構造において RFQ収で高い電力効率を有し、 アルバレ型やRFQ型の5 〜束を行うことも考えて、 ドリフトチューブにフィン10倍という実績をもつ。

ガーを取り付けた② IHQ 型についても検討を行っ

そこで小型化に必要とされる高い加速率を実現すた。それぞれの検討結果を以下に述べる。

る入射器として、IH 型線形加速器について検討することにした。そしてこのたび設計が終了し、2 種類の 1 /2 スケールモデルを製作して高周波電場測定を行ったので報告する。

①A P F 収束の場合
ドリフトチューブ設計の自由度を高めるためにAPF収束を採用したため、 ドリフトチューブの外径、内径、全長、ギャップ面の曲率等を変化させる

MHz、入射エネルギーを 50k eV /u 、出射エネルギ

ことによって加速電力効率の向上や、ギャップ間の一を2 .1 5 M eV /u とした& また低エネルギー領域で放電を抑制することが可能となった。

はギヤツプが狭すぎてフィンガー取り付けの余裕が安定性を重視して加速ギャップ間電圧をKilpatrick 限界程度として軌道計算を行った結果、ないため、最初の5 セルはフィンガー無とした。
計算結果より、同期位相を- 3 0 °、エネルギー幅比較的満足できる位相シーケンスとして - 45°, 0°,を約 1 % とした場合、位相 アク セ プ タ ン ス が約45° の組合せが得られた。そして安定位相振動中で30 ° 、 トランスバ ー ス アクセプタンスが約 100 7T-5 5° 〜- 25° の約 30°がエネルギー幅 1%以内に入る

mm •m rad となることが分かった。 これはバンチヤことが分かった。 トランスバースアクセプタンスは一を挿入して、イオン源からの粒子を十分アクセプ557rmmTnrad で、 これはイオン源からのビームを卜できる値である。そして空間電荷効果を考慮した

十分アクセプトできる値である [2]。また空間電荷計算では、 10mA までアクセプタンスが劣化しない効果を考慮した粒子軌道計算において、 ビームはことが分かった。

1mA程度までは加速可能であるが、数mA 以上ではフィンガーギヤツプ間の電界は 231kV /cm となった。 これはKilpatrick 限界の 2.3 倍であるため、発散してしまうことが分かった。

安定性において不安が残るが、周波数と入射エネル② IH Q 型 （R FQ 収 束 ） の 場 合

ギ一を大きぐすれば解決する。 また加速周波数を計算パラメータは、APF収束IH 型加速器の1 /2 スケールモデルと合わせるために、加速周波数を30100MHz、入射エネルギーを 65keV /u 、 出射エネ
ルギ一を 2M eV /u とした場合にはギヤツプ間電圧は148kV となった。 この場合の加速率は若干低下

表-1

I H 型 お よ び I HQ型入射用線形加速機の設計パラメ一夕となるため、十分安定動作する入射器になることがIH

Acceleration Particle (q/A)

IHQ

P,He,C4+^ l/3

Input Eenergy

70

50keV/u

Output Energy

32.15MeV/u

Operation Frequency

9580MHz

Synchronous Phase

して1.94MV/m であるが、Kilpatrick 限界の 1.4 倍■45°,0°,45° -30°

Number of Cell

3434

Cavity Length

288

288 cmCavity Diameter

6870cmFocusing Sequence-45。
，0。
，450

RFQ

Transverse Acceptance55

100 7tmm. mrad

Longitudinal Acceptance

30°30°

予測される。

3 . 1/2スケールモデル空胴による高周波電場特性の測定
各種検討によって得られた設計パラメ一夕をもとに、加速電圧分布を平坦化するために空胴径を3 段階に変化させて[3]、 1 /2 スケールの真鍮製IH 型モデル空胴を製作した。 またこれをRFQ 収束の IHQ型 モ デ ル （実 機 で は 80MHz 、 50keV/u —2.15MeV/u ) にするためにフィンガー取り付け改造を行い、高周波特性を測定した。図1 にIHQ型に改造した1 /2 スケールモデル空胴の写真を示す。
製作したモデル空胴を用いて高周波電場特性を測Transmission

66(50) % by Buncher

Acceleration Voltage/Gap335

Acceleration Rate

3148kV
1.94 MV/m

定した結果、空胴直径の調節と入•出射側のエンドリツジの切り欠きの調整によって加速電圧を平坦化することに成功した。加速電圧平坦化時の APF 収
束 IH 型 の 1/ 2 ス ケ ー ル モ デ ル の 共 振 周 波 数 は

1 9 6.5M H zで、実機空胴では直径68cm である。ま

結果より、IH型とIHQ型ともに実機製作の見通したIHQ型 の 1 / 2 ス ケ ー ル モ デ ル の 共 振 周 波 数 はが得られ、特に旧型については実機製作にすぐに172.3M H zで 、 これは80MHzの実機空胴において取りかかることが可能となった。

は直径70cm である。 図 2 にIHQ型構造時の電圧調整後の加速電圧分布を示す（実線が実測値、点線が設計値）。

4 . まとめ
重イオン癌治療用の小型、省エネルギー型IH線形加速器を設計し、APF収束のIH型 、RFQ収束のIHQ型の1 / 2 スケールモデルを製作した。そしてモデル空胴を用いた高周波電場特性測定において、空胴径の調整と入•出射側エンドリッジの切り欠きの参考文献調整によって、加速電圧の平坦化に成功した。 この

図 1 IHQ型1 / 2 スケールモデル空胴写真

図2，1 ) SYamada, T.Hattori, et d.; Rroc. 1990 fiitn. Gbnf. on
Linear Accelerator, Albuquerque,
NM,USA, LA-12004-C1990, pp.593-595
2) T.Hattori, K.Isokawa, H.Schubert, KSasa, T.Ito,
H.Tomizawa, N .Hayashizaki, T.Yoshda, SMajima,
S.Yamada and SYamaki; Roc. LA. M 21(1996)278280.
3) T .Hattori, MOkamura, Y.Oguri, KSasa, T.Ito,
M.Okada, T .Nakamura, HSchubert,HMorinaga,
D.Dudu, G .Pascovici, Elvanof, SYmaki, Y.Shida,
T.Fujisawa, S .Seki and KFurono, Nucl. finstrum.
Methos B99 (1995) 807-809.

調整後のIH Q 型構造の加速電圧分布