Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP028

連続運用可能な MeV 領域の陽子生成装置の開発
LONG TERM OPERATION OF TABLE-TOP MeV PROTON GENERATOR
依田 哲彦#, A)，森田 康之 A) B)，神田 浩樹 A)，高久 圭二 C)，嶋 達志 A)，福田 光宏 A)
Tetsuhiko Yorita#, A)，Yasuyuki Morita A) B)，Hiroki KandaA)，Keiji TakahisaC)，Tatsushi ShimaA)，Mitsuhiro FukudaA)A)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka UniversityB)
RIKEN Nishina CenterC)
Kobe Tokiwa University

Abstract
Table-top size proton generator of several MeV might be expected instead of cyclotrons or electrostatic accelerators
like Van de Graaff for some detector calibration use or short lifetime RI production. For that purpose, we focused on thefusion reaction 3He+DP+4He. The protons that are obtained from this reaction have the energy of 14.67 MeV.
Moreover, the reaction occurs with 3He having the energy of only several dozens of keV, according to the reaction crosssection [1]. Several experimental feasibility tests at RCNP have been carried out and protons with the energy of 14.67MeV were successfully obtained in the atmosphere with 3He beams and deuterated polyethylene target [1-6]. Further
study has been performed and we have succeeded to get mono-energetic proton in atmosphere side via polyimide film
window protected by thin metal foil this time. We were also trying to make deuteron gas target on Ti evaporation on thethin metal foil to obtain long term stable target.にはイオン源の引出電圧を 50 kV に増強した。イオン源のビーム電流と加速電圧の関係が Child-Langmuir 則に十数 MeV の陽子ビームは、検出器の校正や、18F や 従うならば、この改造により 3He のビーム電流自身が 637Cu 等の短寿命 RI の生成に利用される。この陽子ビー 倍程度増強される。また、3He2+の加速エネルギーがムをサイクロトロンなどの加速器を使うよりも、より手軽に 30~40 keV から 100 keV と高くなることで、3He+D 反応の得る方法として核融合反応 3He+Dp+4He (D:重陽 断面積が 2 桁程度増える[1]。これらの効果により、イオン子,p:陽子)[1]を利用することを検討してきた。この核融合 源の加速電圧増強により 3 桁ほど MeV 陽子の生成が増反応の結果放出される 14.67 MeV の陽子により、研究室 強されると見込まれる。
以下に示す通り、NANOGAN の高電圧化によって、レベルで気軽に使用できる導入コストが低い卓上型の小大強度ビームの実現を目指した。
型陽子源の実現が期待される。本研究では最終的に• NANOGAN の高電圧化
PET 関 連 の 研 究 に 耐 え う る 量 の RI 製 造 を
RCNP ではいくつか 3He2+イオンビームを生成可能な3He+Dp+4He 反応により実施できる装置の実現を目
イオン源があるが、サイズなコンパクトな
10 GHz の永久指し、イオン源の大強度化や標的構造の最適化を進め磁石型ECR
イオン源
NANOGAN（PANTECHNIC社製）ている。の高電圧化を、今回実施した。RCNPにおけるビームテ
これまでの研究において、3He+DP+4He 反応自体が確かに起こるかどうかの確認実験[2]及び、陽子ビーム ストでは、4He2+,20 kV で約 400 µA のビーム生成が確を大気中に取り出しできるか実験を行った[3]。この大気 認できている。NANOGAN 用のテストベンチは偏向電磁への陽子取り出し実験では Al 製フランジをビーム軸上 石１台、四重極電磁石２台の LEBT 及び反応用のチェンに設置し、そのフランジ中央は削り込みにより 0.3 mm 厚、 バーで構成されており(Fig. 1)、特定の価数のイオンのみ
φ 20 の 窓 構 造 と し 、 真 空 側 に 設 置 し た deuterated 標的に輸送可能である。なお、ビーム輸送の最適化やイpolyethylene 標的で起きた核融合反応からの陽子を窓 オン源本体の運転最適パラメータの導出はベイズ推定の大気側で測定した。このとき得られた陽子には、大きな による機械学習により進めている[6]。
この NANOGAN を 50 kV で運転するため、架台の絶エ ネ ル ギ ー 損 失 が 見 ら れ 、 ま た 、 標 的 の Deuterated
縁機構で放電が起こりやすい場所周辺にポリイミドシートPolyethylene が熱により変形した様子が確認された。
上記の結果を踏まえて、大強度の陽子ビーム生成を による絶縁強化を施した。また RF 導波管の DC Block
目指して、イオン源の改良、大気への窓構造の改良、及 の絶縁材の半径を約２倍にする改造も実施した(Fig. 2)。
び、Deuterated Polyethylene 以外の重水素標的構造の その結果、特に DC Block の改造が功を奏し、カタログ値
20 kV より大きい 50 kV での安定な加速が実現した。
検討開発を行ってきた[4, 5]。

1.

はじめに

2.

3He イオン源の大強度化

3.

陽子の強度を高めるための方策の一つとして、3Heビームの大強度化と高エネルギー化を実施した。具体的___________________________________________# yorita@rcnp.osaka-u.ac.jp

陽子取り出し窓の最適化

これまでの実験[3]により、反応の結果生成した陽子を0.3 t の Al 窓を通して大気側に取り出せることが分かった
が、Al 窓に対して直角に出てこない陽子のエネルギーロ- 783 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Tiワイヤ
バッフルNi箔3He
カプトン

D ガスノズル-V

Figure 3: Left is the conceptual figure of deuteron target
using Ti evaporation on metal foil. The Ti can adsorb
deuteron. This figure is cited from [4, 5]. Ti evaporation
can be done by electrically heated Ti wire. Right figure
shows the target.
Figure 1: Schematic view of proton generator using
NANOGAN. Only 3He2+ can be introduced into thereaction chamber at the end of this system with using
dipole magnet and quadrupole magnets.
スの効果が大きいことも分かった。このエネルギーロスを低減しエネルギーの高い陽子の収率を高めるため、大気に取り出す窓の物質量をさらに少なくしつつ、且つイオン源からの大電流ビームで破損しない窓構造を検討してきた[4, 5]。Figure 3 のとおり、大気との境目をカプトン膜としカプトンのビームによる破損を避けるため、数十ミクロンの金属箔で保護する構造とした。今回、金属箔としては Ni 箔を利用した。Ni 箔はチェンバーから電気的に浮かせて電流読み出しができる構造としているが、熱の逃げ場が制限されるために、大電流照射では破損してしまうことがわかっている[4, 5]。将来的には水冷機構を導入するが、今回は Ni 箔の熱破損を避けるため、ある程度、熱が逃げやすいよう読み出し線を、1 mm の銅線とした。

• 陽子取り出し実験
この窓がうまく機能するか確認するため、陽子の取り出し実験を実施した。ここでは Fig. 4 のように Deuterated
Polyethylene を Ni 箔に設置し重水素標的とすることで、3He+DP+4He 反応実験を実施した。過去の実験の経験上、 Deuterated Polyethylene は熱変形の問題がある
ため 3He2+のエネルギーを 20 kV,照射電流を 20 euA に制限して実験を実施した。カプトンから出てくる陽子の測定は大気側に設置した Plastic Scintillator により行った（Fig. 5 上図）。Figure 5 の下図は測定結果である。赤線
は 3He2+ビームを重水素標的に照射した場合、青線は偏向電磁石の値を調整して 3He2+ビームを標的から外した場合の、それぞれの測定結果を示している。どちらも20 分間の測定によるものである。実験の結果、低強度であるが大気側でほぼ単色の陽子が得られることが確認され た 。 な お 、 Fig. 4 の 右 図 は 実 験 後 の Deuterated
Polyethylene の様子である。炭素の付着、もしくは炭化が見られるものの、低強度照射のおかげで実験を通して熱変形は生じなかった。

4.

重水素標的

大強度の陽子ビーム生成を目指すにあたり、重陽子標的について、Deuterated Polyethylene を使用する場合、熱変形の問題があることがわかっている[3]。長期運用可能な装置を実現するために、Deuterated Polyethylene を使用しない重陽子標的として、Ti を金属箔に蒸着して、Figure 2: The 10 GHz permanent magnet ECR
NANOGAN (PANTECHNIK): It has two extraction
electrodes. It is possible to apply 15 kV between theseelectrodes, and it is also possible to apply 35 kV between
first extraction electrode and plasma electrode.

Figure 4: Left figure shows a deuterated polyethylene foil
on Ni foil. Right shows the polyethylene after 3He
irradiation.

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そこに重陽子ガスを吸着させる方式を検討している。Ti蒸着は Fig. 3 で示すように、Ti ゲッターポンプの要領で標的部近傍に Ti ワイヤを配置し、電流で加熱するものとする。Ti が蒸着された金属箔表面近傍に重水素ガスを導入することで、重水素標的が金属箔表面に吸着され重水素標的を形成することが期待される。Ti の代りに Niを水素吸着に利用することも可能である。

Figure 7: Schematic view of evaporation system with 2mm Ti wire.
4.2

Figure 5: Top figure shows the proton detector consists
with plastic scintillator and photomultiplier. Bottom showsthe energy spectra measured by the detector.
4.1

Ti 膜生成試験１

まず Ti の膜が期待通りに生成するかの確認を実施した。Ti 膜ができた場合、チタンサブリメーションポンプのように何らかのポンプ効果が真空度の変化に現れることを期待して、Ni 箔近傍で Ti ワイヤを加熱する試験を実施した。Figure 6 の左図は 0.5 mm の Ti ワイヤを設置した様子である。真空度が 1.1e-4 Pa になった時点で通電により加熱してみたところ、2~3 A の電流にて、ものの数分で溶融断線してしまった。Figure 6 の右図に断線したワイヤを示す。また、Fig. 6 右図の矢印は断線直後の熱いワイヤが銅に触れた際に Ti を蒸着したと思われる痕跡である。

Ti 膜生成試験２

0.5 mm のワイヤでは断線してしまうということで、続いて 2 mm の Ti ワイヤを使用して同様の試験を実施した。
Figure 7 は 2 mm のワイヤを設置した様子である。通電の際は真空度が悪化しすぎないように注意をしながら 15 分程度かけて最大 30 A まで通電した。通電中、ワイヤを設置した真空チェンバーが温まっており、ワイヤが加熱されていることが確認された。また、試験後に真空層内を確認すると Ni 箔を固定している樹脂ネジが溶融しているのが確認された。Figure 8 の矢印は通電終了直後に一瞬真空悪化したピークを指示しており、この現象は何らかのポンプ効果に対応する可能性がある。ただし、通電前後の真空度はどちらも 1.4e-4 Pa と変化がなく、Ti 膜の形成を間接的に見ることはできなかった。もっとも、ベースの真空度がさほど良くないため、Ti 膜によるポンプ効果を見ることはそもそも難しいということはあるので、別の確認方式を考える必要がある。なお、目視で Ti 膜を確認することも試みたが、このテストの際に利用した Ni 箔はビーム照射テストに利用したものをそのまま使ったため、ビームによる変色か Ti 膜による変色かわからない状況であったので、まっさらの Ni 箔や銅箔などで再度試験をする予定である。
0.01

0.001

0.0001
0:00

Figure 6: Left figure shows the evaporation system with
0.5 mm Ti wire. Right shows the wire broken after
energization with 2 A.

0:30

1:00

1:30

2:00

2:30

3:00

3:30

Figure 8: Vacuum transition when the 2 mm Ti wireenergized up to 30 A. Vertical axis shows the vacuum inPa.

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5.

まとめ3He+DP+4He 核融合反応を利用した、コンパクトな大強度の陽子ビーム生成装置の実現を目指して、イオン源の改良、大気への窓構造の改良、及び重水素標的構造の検討開発を行った。今回、コンパクトな ECR イオン源 NANOGAN の加速電圧の高電圧化を実施し 50 kVの加速が実現した。核融合反応の結果生成する陽子の取り出し窓の改良も実施され、単色エネルギーの陽子の取り出しにも成功した。連続運用可能な陽子源実現のた
め Ti 蒸着膜に重水素ガスを吸着させるタイプの標的を開発検討し、そのための Ti 膜生成の予備試験を実施した。膜の生成については直接的な証拠は得られなかったが、今後、D2 ガスを導入して、 3He+DP+4He 反応実験を実施し間接的に D 標的が形成されたかを確認していく。

参考文献[1] M. Nocente et al., Nucl. Fusion 50 (2010) 055001.
[2] T. Yorita et al., AIP Conference Proceedings 2011, 090021(2018).
[3] T. Yorita et al., Rev. Sci. Instrum. 91, 033307 (2020).
[4] T. Yorita et al., Proc. of PASJ2020, THPP50.
[5] T. Yorita et al., Proc. of PASJ2021, WEP003.
[6] Y Morita et al., Journal of Physics: Conference Series 2244
(2022) 012105.

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