Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

ACCELERATION OF 48Ca BEAM AT RIKEN RIBF#, A)

A)

A)

B)

A)

Masayuki Kase ,, Eiji. Ikezawa , Hiroshi Imao , Yukimitsu Ohshiro , Junichi Ohnishi ,A)
A)
A)
A)
A)
Hiroki Okuno , Osamu Kamigaito , Tadashi Kageyama , Masanori Kidera , Hironori Kuboki ,A)
A)
A)
A)
A)
Keiko Kumagai , Misaki Komiyama , Akira Goto , Naruhiko Sakamoto , Kenji Suda ,A)
A)
A)
A)
A)
Takahide Nakagawa , Makoto Nagase , Masato Nakamura , Hiroo Hasebe , Yoshihide Higurashi ,A)
A)
A)
A)
A)
Nobuhisa Fukunishi , Masaki Fujimaki , Takeshi Maie , Kazunari Yamada , Sigeru Yokouchi ,A)A)
A)
Tamaki Watanabe , Hiroshi Watanabe , Yutaka WatanabeA)
B)
C)
RIKEN Nishina Center, CNS, the University of Tokyo, SHI Accelerator Service Ltd.
2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama, 351-0198
Abstract
In order to produce useful RI beams in nuclear physics research on exotic nuclei, a 48C beam has been one of mostimportant primary beams. At RIKEN Accelerator Research Facility, 48Ca beam with an energy around 70 MeV/u has
been used since 1996. After the RIKEN RIBF was completed in 2007, a 48Ca beam can be accelerated up to an energy
as much as several hundreds MeV/n with new two ring cyclotrons. Recently, we succeeded in acceleration of345MeV/u 48Ca beam with an intensity more than 200pnA and several experiments were carried out successfully using
some RI beams produced in the process of projectile fragmentation.

理研RIBFにおける 48Caビームの加速れまでのビーム強度を維持しながら、そのエネル
ギーを大幅にあげることができるようになった。こ理研RIBF[1]	 (RIビームファクトリー)の加速器は、れまでに345MeV/核子のエネルギーの48Caビームを３2006年までに完成し、それ以来これまでに６種類の回加速してきた。	 
ビームの加速に成功してきた。2007年以来、ビーム2008年末に新しい超伝導リングサイクロトロンをBigRIPS(RIビーム生成分離装置)へ供給し様々な（SRC）から170pnAのビームの取り出しに成功し実実験が行われてきた。345MeV/核子のエネルギーの験をはじめたが、BigRIPSの一部装置の放射化の問238
Uビームを用いた実験で、45個の新しい中性子過題で実験期間が制限された。2009年末に再び加速を剰核が発見され報告がなされた[2]。	 
試みたが、SRCの静電デフレクター（EDC）の高電48
238
Ca は 、 U と な ら ん で 理 研 RIBF の 重 要 な 一 次
圧導入部に問題が発生しビームが不安定であった。
ビームのひとつである。図１に2007年から理研RIBF
結局ビーム量を数十pnAに制限した。2010年5月に３で行われた国際課題採択委員会で認められた実験日度目の加速が行われ、345MeV/核子のエネルギーの数275日に対して、一次ビーム種の要求割合を示す。 48
Caビームを230pnAまで取り出すことに成功し、２実に30%あまりが48Caビームに対する要求である。	 
種類の実験が効率よく行われた。	 
238
Uビームは核分裂による広い質量範囲のRIビー
48
Caビームの今回の加速の様子について、問題点
ムの生成が期待されるが、一方 48Caビームは、入射等とともに報告する。	 
核破砕反応によるドリップライン上の中性子過剰核の生成に使われる。
48
Caビームは、理研では1996年にはじめて加速された。入射サイクロトロン（AVF）と理研リングサイクロトロン（RRC）を用いてエネルギーは70MeV/核子で13pnAのビーム強度がやっとであった。その後2002年に入射リニアック（RILAC）にエネルギーブースター（CSM）が設置されRRCにおけるハーモニックス８の加速が可能になり加速モードRILACRRCにより、エネルギーは63MeV/核子と若干下がる
もののこれまでの10倍以上のビーム強度140pnAの加速が可能になった。これらのビームを使ってドリッ
図1. 理研RIBFに対する一次ビーム要求の割プライン上の質量31−43付近の新アイソトープを多合。2007年からの国際PACで認められ数発見してきた。	 
[3, 4]
48
た実験課題総日数275日対する割合。
2007年にRIBF が完成してから、 Caビームのこ

１．はじめに-127-

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図2. 理 研 RIBF の 加 速 器 の レ イ ア ウ
ト。18GHz-ECRイオン源で生成さ れ た Ca イ オ ン は 、 RILACRRC-IRC-SRC の 順 に 加 速 さ れる。チャージストリッピング
は、CS1とCS2の二段階。

１ヶ月にわたって、おおむね20eμAのビームが得られた。寿命とも関係するがまだビームを強くできる状況であった。

２．加速のプロセス	 
2.1 加速モード
48

2.3 重イオンリニアック（RILAC）

Caの加速は、RILAC-RRC-IRC-SRCの周波数可変モードで行われる。図2. に使われる加速器のレイア
ウ ト を 示 す 。 こ の 加 速 モ ー ド で 周 波 数 は 、 18 ~38MHzまで選択可能であるが、最も経験のある周波数値での運転を優先して、最終エネルギーを345MeV/核子と決めた。イオン源から理研RIBFの主加速器SRCまでの加速プロセスを、順を追って説明する。

イオン源からのビームは、鋸歯状波バンチャーを経てFC-RFQ[6]へ予備加速され、その後６台の周波数可変キャビティー [7]で加速される。CSMの６台の共振器は、素通りする。これらの加速でビームは2.7MeV/核子（β~0.08）となる。RFQを含め７台の加速共振器はfo=36.5MHzに励振される。	 
2.4 第一チャージストリッパー（CS1）

2.2 イオン源

RILACを出ると直後でチャージを+10から+16に変2換される。チャージストリッパーは、40μg/cmの厚48Caイオンは、はじめに1998年に「金属イオン源」[8]さの炭素膜で、+16への変換効率は35%である。膜として導入された18GHz-ECRイオン源 [5]で生成されの寿命は約100時間で、ストリッパー通過後分析しる。常伝導ミラーコイルと永久磁石の六極磁石のイたビームのプロファイルは、次第にエネルギーは上オン源である。炭酸カルシウムの状態で購入されたがり（膜は薄くなり）、エネルギー幅は増える。
90%エンリッチの 48Ca	 試料を酸化カルシウムCaOの（膜厚のばらつきが増す）	 粉末にして型にいれ焼結して4mm 5mm 35mmのセラミックロッド状に仕上げたものをイオン源のプ
2.5 理研リングサイクロトロン（RRC）ラズマに挿入する。運転の経過とともにロッドの位1986年に完成したK値540MeV[9]の分離セクター型置を押し込みながら使用する。プラズマはヘリウムリングサイクロトロンで、２台の共振器は、をサポートがストして安定に維持される。
fo=36.5MHzで励振され、一周４つの加速ギャップにCa イ オ ン は 15.9kV の 引 出 電 圧 で 引 き 出 さ れ 、はおよそ250kVの加速電圧（ピーク値）が印加され48
Ca+10 を 分 析 の 後 加 速 器 に 送 ら れ た 。 運 転 期 間 約ている。引き出されるビームエネルギーは、46MeV/-128-

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核子（β~0.30）である。
2.6 第二チャージストリッパー（CS2）
RRCをでるとE1実験室でチャージを+16から+20（裸イオン）に変換される。チャージストリッパー
は、1.5mg/cm2の厚さの炭素膜で、+20への変換効率は96%である。800時間使用後の膜の様子は寿命は多少しわが発生するがほぼ一枚の膜でまかなえた。
2.7 中間段リングサイクロトロン（IRC）
2005 年 に RIBF の 中 で 最 も 早 く 完 成 し た K 値
980MeVの分離セクター型リングサイクロトロン[9, 10]
図 4. 実 験 期 間 中 の ビ ー ム 供 給 率 。 Onで、構造はRRCに類似しているが、FT共振器を有す
Target（青）、加速器停止（赤）、実験事る。２台の共振器は、fo=36.5MHzで励振され、一周情による停止（緑）２つある加速ギャップにはおよそ600kV（ピーク値）の加速電圧がかけられる。引き出されるビームエネセットアップの変更のため約半日のブレークがありルギーは、114MeV/核子（β~0.45）である。
その後２番目の実験が行われた。ほぼ全体にわたってフルビーム要求の際は、200pnAでのビーム供給が2.8 超伝導リングサイクロトロン（SRC）可能であった。ビーム強度の上限は、SRCのデフレRIBFの主加速器で、2006年に完成した６つの超伝クター（EDC）セプタム電極にあたるビーム量で制導セクター電磁石をもつK値2500MeVのリングサイ限をかけている。	 
クロトロン [9, 11]。引き出されるビームエネルギーはセプタム電極に300Wの入熱条件で10%程度のビー345MeV/核子（β~0.68）であり、ビームはRIビーム
ムロスを設定すると結果200pnAとなる。ビームロス生成分離装置（BigRIPS）へ送られる。
は、セプタム電極の温度上昇とEDC付近の大気側に設置した電離箱の信号で判断をした。	 
３．加速性能	 他の加速器で得られている48Caビームは、フランスGANILで60MeV/核子が260pnA[12] 、USA, MSUで3.1 ビーム強度
140MeV/核子が160pnA[13]であり二次ビーム生成効率
ビ ー ム 供 給 期 間 中 (20010.5.14 ~ 2010.6.10) のを考えると理研のビームは、群を抜いている。	 
ビ ー ム 強 度 を 図 3. に 示 す 。 は じ め の 200 時 間 は 、
3.2 ビーム供給率
BigRIPSでの二次ビーム調整のため微小ビームを供給している。その後8日間（200時間）にわたりフルビームでの照射を行っている。400時間にて実験の同じ実験期間中のビーム供給率を図4.に示す。実験期間中平均85%以上の供給率を得られた。図中赤の部分が加速器の事情でビームが停止した時間の割合である。主な停止原因はSRCの高周波（主にSRCの共振器）のトリップと冷却系のトラブルである。
2008、2009年の同じCa加速運転では、加速器停止時間の割合が30%を超えていたのに対し格段に改善されている。
3.3 リングサイクロトロン磁場安定度

図3. 実験中の供給ビーム強度の変化。SRC
出口のファラデーカップ：FC−G０１のでビーム電流（npA）。

長期間でのビーム不安定性の原因として、各リングサイクロトロンの磁場変動があげられる。	 
図5に、RRC、IRCのセクター電磁石メインコイル電流の変化を示す。それぞれ等時性磁場を維持した結果の電流値の変化である。RRCについては、実験期 間 中 電 流 の 調 整 幅 は 、 770ppm （ 磁 場 換 算 で554ppm）の変化が見られ、これが長期間での不安定性の大きな原因の一つになっている。メインコイル
温度が、2000トンに及ぶ磁石ヨークを長時間にわたって暖める熱膨張の結果磁場変動が生まれると考-129-

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イオン源のCa0ロッドの位置調整でビーム強度が変化する。10~20時間周期でロッド調整をするとこの周期でのビーム強度のノコギリ波状の変化が現れる。その他イオン源の調整は加速全体に微妙な影響を与える。
3.5 放射線の影響
今回の 48Caビームの加速がこれまでRIBFで加速運転の中で最もビームパワー(3.3kW)が最大でまた放出放射線も最大であった。BigRIPSターゲット照射中の外部への漏洩線量は、問題にならなかった。
SRC出口でフルビームを止めて調整したときIRC本体室天井上の非管理区域への漏洩が若干(1μSi/h)みられた。今後ビームを増やした場合に問題にあるので遮蔽の強化と大強度での調整には、間引いたビームを用いる等の対策が必要である。	 
またSRC出口のファラデーカップからの放射線で近くの冷却系（流量計）に影響を与えトラブルの要因になった。	 
SRCヘリウム冷凍機システムへの影響は、メインコイルについてはみられなかったが、EDC下流のセクター電磁石内の超伝導トリムコイルについてビームに呼応する温度の変化がみられた。セプタムから放出された荷電粒子による入熱のためと思われる。	 

図5. 実験期間中のリングサイクロトロンのメインコイルの電流値調整の様子。上図がRRC、下図がIRC.

４．今後の計画48えられる。ヨーク温度の変化は約１ヶ月で飽和する傾向があり図5.の曲線にもその傾向が見られる。	 
IRCについてはコイル自体の発熱が低くおさえられ、またコイルとヨークとの熱絶縁に考慮され、室温、冷却水温度も慎重に設計されているので問題は少ない。実際電流の調整範囲は高々40ppm程度（磁場換算で28ppm）である。電流の安定度と同等のレベルである。	 
SRCについては、超伝導のためコイル温度のヨークは無縁であるのでIRC同様電源の変動レベルの動きしか見られない。磁場換算で50ppm程度である。	 	 総じてRRCの磁場変動が他のリングサイクロトロンに比して大きく、またターン数も大きいことからその影響は重大である。今後いかにRRCの磁場変動をおさえるかが課題となる。	 

Caビームは、ユーザーの要求が多いため、これから年一回程度定期的にこの加速モードでの実験は行われる見込みである。その他のビームについては、新入射器[14]が完成すれば、2010年末よりXeビームの加速試験にはいり、新入射器の性能を確かめ、Xeビームを2011年度の新しいビームとしてリストアップする予定である。ビーム強度の増強の見込みがたてば、新入射器を用いたUビームの加速が行われる予定である。	 

参考文献[1] Y.Yano, Nucl Instr. Meth. B261 p1009(2007).
[2] T. Ohnish et al., J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 073201.
[3] O. Kamigaito et al., Proc. PASJ5 (2008) p. 10.
[4] N. Fukunishi et al., Proc. PASJ4-LAM32 (2007) p. 1.
[5] Y. Higurashi et al., Nucl Instr. Meth. A510 (2003) 206-210.
[6] O. Kamigaito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 33(1966)L537.
[7] M. Odera et al. Nucl Instr. Meth. 227 p187(1984).
3.4 その他不安定性の要因[8] H. Hasebe et al., PASJ5-LAM33 (2008) WP046
第一ストリッパーCS1の寿命は約100時間であるが、 [9] A. Goto et al., 18th Int. Conf. on Cyclotrons and theirApplications, Giardini Naxos, Italy, Sep30 – Oct5, 2007.
その間平均的厚さとそのばらつきがゆっくり変化し[10] J. Ohnishi et al., Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons andて、エネルギーロスとエネルギー幅が変化する。エtheir Applications (2004) p. 197.
ネルギーロスはリニアックの調整で補償は可能であ[11] H. Okuno et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 (2007)
1063.
るが、エネルギー幅は補償しようがないのでスト[12] F. Chautard et al., Proc. HIAT09 (2009) p.54
リッパー交換周期を短縮するしかない。何時間周期[13] J. Stetson et al., Proc. Cyclotrons 2007 (2007) p.340.
で交換するのが見直す必要はある。	 
[14] O. Kamigaito et al., Proc. PASJ3-LAM31 (2006) p. 502.
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