Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPH002

理研 RIBF におけるリングサイクロトロンの運転報告
STATUS REPORT OF THE OPERATION OF RIBF RING CYCLOTRONS
月居憲俊#, A), 大関和貴 B), 福澤聖児 A), 濱仲誠 A), 石川盛 A), 小林清志 A), 小山亮 A), 仲村武志 A), 西田稔 A),
西村誠 A), 柴田順翔 A) ,矢冨一慎 A), 段塚知志 B), 藤巻正樹 B), 藤縄雅 B), 福西暢尚 B), 長谷部裕雄 B),
日暮祥英 B), 池沢英二 B), 今尾浩士 B), 上垣外修一 B), 金井保之 B), 加瀬昌之 B), 木寺正憲 B), 込山美咲 B),
熊谷桂子 B), 真家武士 B), 長瀬誠 B), 長友傑 B), 中川孝秀 B), 中村仁音 B), 大西純一 B), 奥野広樹 B),
坂本成彦 B), 須田健嗣 B), 内山暁仁 B), 渡部秀 B), 渡邉環 B), 渡邉裕 B), 山田一成 B), 山澤秀行 B)
Noritoshi Tsukiori#, A), Kazutaka OzekiB), Seiji FukuzawaA), Makoto HamanakaA), Shigeru IshikawaA),
Kiyoshi KobayashiA), Ryo KoyamaA), Takeshi NakamuraA), Minoru NishidaA), Makoto NishimuraA), Junsho ShibataA),
Kazuyoshi YadomiA), Tomoyuki DantsukaB), Masaki FujimakiB), Tadashi FujinawaB), Nobuhisa FukunishiB),
Hiroo HasebeB), Yoshihide HigurashiB), Eiji IkezawaB), Hiroshi ImaoB), Osamu KamigaitoB), Yasuyuki KanaiB),
Masayuki KaseB), Masanori KideraB), Misaki KomiyamaB), Keiko KumagaiB), Takeshi MaieB), Makoto NagaseB),
Takashi NagatomoB), Takahide NakagawaB), Masato NakamuraB), Jun-ichi OhnishiB), Hiroki OkunoB),
Naruhiko SakamotoB), Kenji SudaB), Akito UchiyamaB), Shu WatanabeB), Tamaki WatanabeB),
Yutaka WatanabeB), Kazunari YamadaB), Hideyuki YamasawaB)A)
SHI Accelerator Service Ltd.
B)
RIKEN Nishina Center

Abstract
The operating status of the ring cyclotrons (RRC, fRC, IRC, SRC) of RIKEN RIBF is reported for the period from July
2018 to July 2019. We engage in corresponding improvement, tuning, and maintenance for beam intensity upgrade andstable beam delivery. In this contribution, performance upgrades of the accelerated beams so far, operating statistics andthe troubles occurred in this period are reported.

1.

はじめに

理化学研究所仁科加速器科学研究センターの RIビームファクトリー(RIBF)[1]における複合加速器システ
ムは、3 台の入射器(RILAC[2]、RILAC2[3]、AVF サイクロトロン[4])及び 4 台のリングサイクロトロン(RRC:理研リングサイクロトロン、K = 540 MeV[5]、fRC:固定周波数リングサイクロトロン、K = 700 MeV[6, 7]、IRC:中間段リング
サイクロトロン、K = 980 MeV[8]、SRC:超伝導リングサイ
クロトロン、K = 2600 MeV[9])から構成される。
これらの加速器を適宜組み合わせて多段加速される
途 中 で 、重 イ オ ン は 固体膜 、 あ る い は 気 体 を用 いた
チャージストリッパーにより荷電変換される。これにより、水素(H2+)からウランまでの全イオンを核子当たりのエネ
ルギー345 MeV/u (A/Z ~ 2 の場合は 400 MeV/u)まで加速することができる。
リングサイクロトロンからのビームは、大別して 2 つの実験施設に供給される。1 つは RIBF 実験棟の超伝導 RIビーム生成分離装置(BigRIPS)とその下流の実験装置群(ZeroDegree、SAMURAI、SHARAQ、Rare RI-Ring、PALIS)である。他方は RIBF 建設以前からある旧施設(RARF)内の実験室(E2、E3、E5、E6)である。前者はSRC、後者は RRC または IRC の取り出しビームを使って実験が行われる[10]。

本稿では、2018 年 7 月 23 日から 2019 年 7 月 17 日までの 1 年における 4 台のリングサイクロトロンの運転状
況について報告する。

2.

加速モード

加速器の組み合わせ(加速モード[11])は、RIBF における実験では 3 種類ある。
1 つ目のモードは固定周波数モードであり、RILAC2、あるいは RILAC を入射器として、RRC、fRC、IRC、SRCによりカスケード加速を行う。fRC の前後において荷電変換を行い、238U、124Xe、70Zn 等のイオンを 345 MeV/u まで加速する。
2 つ目のモードは可変周波数モードであり、RILAC を入射器として、RRC の前後において荷電変換を行い、IRC、SRC を使用して、40Ar、48Ca、70Zn、86Kr 等のイオンを最高 400 MeV/u(40Ar18+の場合)まで加速する。
3 つ目のモードは軽イオンモードであり、AVF サイクロ
トロンを入射器として、RRC、SRC を使用して、H2+、D、4He、14N、16O 等のイオンを最高 400 MeV/u まで加速する。
これとは別に、AVF サイクロトロンを入射器として、RRC、IRC を使用して、40Ar のイオンを 160 MeV/u まで加速した後、旧施設内 E5B に戻して使用する戻しビーム
モードも近年整備され、生物照射実験にビームを供給している。

_________________________________# tsukiori@riken.jp- 1193 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPH002

Table 1: Operating Status of RIBF3.

運転状況

3.1

運転時間

•期間中の運転時間統計を Table 1 に示す。核種、エネルギー、実験室等で分類し、ビーム可用度 (availability)を記している。ビーム可用度とは、ビーム利用者がマシンタイム(MT)、あるいはマシンスタディ(MS)中に実際に照射できた時間(actual time)を要求時間(scheduled time)で割ったものであり、加速器安定運用の指標である。ただし、MS は加速器自体の調整も含めて時間を割り当ててあるので、停止時間はないものとしている。加速器側の調整時間の短縮等で、スケジュールされた時間以上にユーザーにビームを供給した場合などには、照射時間が要求時間を超過してビーム可用度が 100%を超えることがある。また、生物照射実験、材料照射実験に関して、ユーザー事由で早めに終了した場合は、可用度 100%としている。
RARF 側での実照射時間は計 435.6 時間、停止時間は 2.0 時間、可用度は 100.8%であり、従来通りの安定したビームを供給した。また、Table 1 の記載以外にも 51Vビームによる 119 番元素合成実験が断続的に実施されたが、実験者との取り決めにより詳細の公表は差し控える。
RIBF 側では、計 3 回の MT が行われ、計 1721.7 時間ビームを供給し、可用度は 77.6%であった。
238
U 345 MeV/u ビーム加速では、最大で 72 pnA のビームを供給した。これは、主として RRC 後段に配置されているガスストリッパーへの窒素ガスジェットシステムの導入とオリフィス大口径化[12]によるアクセプタンスの増加により通過効率が改善した事による。一方で、後述の通りトラブルが多発し、ビーム可用度は 67.8%に止まった。
124
Xe 345 MeV/u ビーム加速では、前回 2016 年 4 月の MT 時の SRC からの取出しビーム強度 102 pnA と比較すると実に 1.7 倍の 173 pnA を取り出している。これは主として後述の RRC 共振器改造による加速電圧向上の結果である。
3.2•••••••

トラブル

この 1 年間に発生した主なトラブルを記載する。

•- 1194 -10/19 SRC の静電デフレクター(EDC)で放電が多発しリーク電流が増大した為、SRC を大気開放し予備 EDC と交換して復旧した。交換時に同予備機のセプタム冷却配管フィードスルー部に真空リークが見つかり、真空シーラント(VACSEAL)塗布の応急処置を行った。
10/27 SRC の静電インフレクター(EIC)にリーク電流が流れ、印加電圧が 35 kV まで低下した。直近のビームプロファイル診断装置(PF-SEIC)を駆動した瞬間に発生したので、SRC を大気開放し内部点検した所、EIC の冷却配管と PF-SEIC が干渉した形跡があり、削れた金属片が高圧電極板に付着していた。付着物を取り除くと共に、PF-SEIC を OUT側に固定する再発防止応急処置を施した。
11/15 RRC 入射ビームラインの二極電磁石電源(AVF-D1)がトリップした。トランジスターバンク内の警報ヒューズ交換で復旧した。
12/1 IRC メインコイル系純水冷却ポンプがインバーター異常で停止し、関係電磁石電源がトリップした。インバーター異常がリセットできない為、インバーター本体交換により復旧した。
12/12 IRC-EDC の電圧降下によりビームが取り出せなくなった。同電源直結のロガーでは電圧が99→50 kV に降下しているのに対し、EPICS 制御システム上では変化していないので制御システムのトラブルと判断し、電源制御系のリセットを行なった所、復旧した。
12/21 RRC のトリムコイル電源(TA1245)本体でLOCAL/REMOTE の切り替えが出来なくなった。同切り替えスイッチを交換して復旧した。
1/29 SRC の取り出し磁気チャンネル(MDC2)の入射側バッフル右側(内周側)に損傷が見つかった。
アクセスのために第 3 共振器(RES3)を後退した上で修理作業を実施し復旧した。
2/10 ドリフトチューブライナック(DTL)の制御シス
テムに通信異常が発生した為、調査した所、 シーケンサーの各 I/O インターフェースユニットが受電されていなかった。 24 V スイッチング電源の故障が判明し、交換により復旧した。
3/25 SRC 常伝導トリムコイル電源系統の純水ポンプが故障し関係電磁石電源がトリップした。当該ポ

Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPH002

••
•
•

•

•

ンプはベアリング交換で復旧した。
3/30 SRC のヘリウム冷凍機(T1)がトリップした影響で、関連超伝導電磁石電源がトリップ(低速放電)した。T1 トリップのトリガー信号は回転速度低下であったが、回転数のデータには異常がなかったた
め、回転速度を読み取る計測器が誤信号を発したと推定している。
4/10 SRC のフラットトップ(FT)用トタンジスターア
ンプが度々トリップしたため、予備機に交換して復旧した。
4/20 RILAC2 コースの四極電磁石電源(QTB31a)が IGBT 過負荷、ダイオード加熱のインターロックでトリップした。予備電源に交換して復旧した。
5/24 fRC-EDC の印加電圧に対するビームの挙動が不安定な為、fRC を大気開放し内部点検した
所、EDC の高圧導入部が曲がっていたので、修正し復旧した。
6/7 ビーム調整中に SRC-EDC の放電が頻発しリークカレントが流れた。電圧上げ下げ等による通常のコンディショニングでは状態が改善しない為、SRC を大気開放し点検した所、セプタム電極に穴が開いていたので、予備のセプタムと交換し復旧した。
6/17 IRC からのビーム量が顕著に変動した上に、IRC の共振器 NW で電圧低下が頻発した為、現場確認すると、トランジスターアンプ本体ファンより異音が発生し、フロントパネルの出力メーターの針の振れも確認された。予備機と交換して復旧した。

また、2018 年 10 月から 12 月に実施した 238U ビーム
加速 MT では、fDC 下流に設置してある回転荷電変換膜がビーム調整中に異常停止した。この異常停止はビーム供給を開始した後も度々発生し、最終的に磁性流体シールを交換することによって安定して動作するようになった。
この他、RRC 共振器改造(4 章参照)後から、同ステム(Fig. 1)の冷却系統からの漏水によって共振器の真空悪化が度々発生している(概ね−4〜−3 乗 Pa 台まで真空悪化)。真空悪化発生の度に冷却配管の系統別にリーク調査を実施した後、溶接修理実施で復旧している。調査を含め復旧作業には概ね 4 日を要している。Table 2 にその履歴をまとめる。

主たる原因は建設以来 30 年を過ぎた RRC にあり、不足気味であった RRC の加速電圧の向上こそがビーム強度増強の鍵であった。
2017 年まで 238U ビームは RILAC2 を入射器として使う固定周波数モードで加速しており、RRC の共振器は設計上の周波数下限(後述)を下回る 18.25 MHz で運転していた。この周波数で共振させる為に、周波数調整機構であるムーバブルボックスと、ディー電極間の距離を約20 mm まで近付けて容量成分を稼いでいた為、シャントインピーダンスが極端に低く、なおかつ放電が頻発し、加速電圧を 85 kV 以上に上げられなかった。
その為、共振器の外箱とムーバブルボックスをそのまま残し、中身であるステムとディー電極を一新する改造を行うことにより、18.25 MHz 運転時の加速電圧向上を実現させることとした。Figure 1 に改造前後の共振器内部の模式図を示す。

Figure 1: Side view of the resonator of RRC. The left andright panels show before and after modification.
RRC の共振器は半波長型ダブルギャップ式であるが、改造後は直線状のステムに切り欠きを入れることで、従来は 20~46 MHz であった周波数範囲を全体的に低周波数側へシフトさせた。近年、39 MHz 以上の高い周波数では加速していないので、改造後の周波数範囲を16~38 MHz となるようにした。
改造工事は 2018 年 2 月から 3 月にかけて行われ、4月に入ってから、ネットワークアナライザーにより低電力RF 試験を行った。その結果、ほぼ想定通りの周波数範囲と Q 値が得られたことが確認できた。Figure 2 に改造後の共振器内部の写真を示す。

Table 2: Vacuum Deterioration of RRC Cavities Caused byCooling Water Leak from its Stem
Date

RRC Cavity

Relevant cooling system

9/17

#2

Lower stem #51

11/16

#1

Lower stem #42, 43

1/17

#1

Upper stem #45

4.

RRC 共振器の改造

RIBF 運転で最重要視される 238U ビーム加速において、ビーム電流が近年はほぼ頭打ちとなっていた。その- 1195 -Figure 2: Modified resonator for RRC.

Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPH002

改造された共振器は昨年 5 月より MT に使用され、現時点で 18.25 MHz から 32.6 MHz まで 7 種類の周波数で運転されている。2018 年 10 月から 12 月までの 238U
ビーム加速 MT では 18.25 MHz 運転時に両共振器共に115 kV 超の加速電圧で運転しており、シャントインピーダンスが向上し、放電による電圧低下や真空管の高圧電源トリップ(HV down)頻度も著しく低下した。この改造
前後の 2017 年と 2018 年の同時期に実施した 238U-MTにおける 18.25 MHz 運転について、加速電圧の比較をFig. 3 に、電圧低下と HV Down の頻度の比較をそれぞれ Fig. 4 と Fig. 5 に示す。

Figure 5: Comparison of frequency of HV down. (Upperpanel) U-MT in 2017. (Lower panel) U-MT in 2018.

Figure 3: Comparison of acceleration voltage of DEE
between operations in 2017 and 2018. (Upper panel) RRCRF#1. (Lower panel) RRC-RF#2.

また、2019 年前半の全 MT 終了後に励振試験を実施し、両共振器共に改造前の実に約 2 倍の 160 kV の電圧を記録した。
この様に共振器改造によって大幅な性能向上が達成できたが、3 項で述べた通りステムの冷却系統からの漏水に伴う真空悪化が問題となっている。これは純銅製の大型部品を製作する際の溶接の難しさに起因している。
今までは真空悪化が発生する度に、溶接修理等で凌いではきたが、今夏期メンテナンス時に本格的な点検、調査、修理を実施し、2019 年後半の 238U ビーム加速に向けて万全を期す。

5.

まとめ

2018 年 7 月 23 日から 2019 年 7 月 17 日までの総運転時間は 2157 時間、可用度は 81.3%であった。
238
U ビーム加速において、最大供給強度は 72 pnA、また 124Xe ビーム加速では、前回の 1.7 倍の最大供給強度 173 pnA を記録した。加速器の機器装置の老朽化に対処しつつ、大強度化に向けた改造を行い、更なるビーム強度増強とトラブルレスなビーム加速を目指している。

参考文献

Figure 4: Comparison of frequency of voltage breakdown.
(Upper panel) U-MT in 2017. (Lower panel) U-MT in2018.

[1] Y. Yano, The RIKEN RI beam factory project: A status
report, Nucl. Instrum. & Methods B261 (2007), pp. 10091013.
[2] M. Odera et al., Variable frequency heavy-ion linac, RILAC:
I. Design, construction and operation of its acceleratingstructure, Nucl. Instrum. & Methods 227 (1984), pp. 187-195.
[3] K. Yamada et al., Beam commissioning and operation of newlinac injector for RIKEN RI beam factory, IPAC12, New
Orleans, May 2012, TUOBA02, pp. 1071-1073.
[4] A. Goto et al., Injector AVF cyclotron at RIKEN,
Cyclotrons’89, Berlin, Germany, 1989, pp. 51-54.
[5] H. Kamitsubo, Progress in RIKEN Ring Cyclotron Project,
Cyclotrons’86, Tokyo, Oct. 1986, pp. 17-23.
[6] N. Inabe et al., Fixed-frequency ring cyclotron (fRC) in
RIBF, Cyclotrons’04, Tokyo, Oct. 2004, 18P15, pp. 200-202.
[7] T. Mitsumoto et al., CONSTRUCTION OF THE FRC
SECTOR MAGNET FOR RIKEN RI BEAM FACTORY,ibid, 20P12, pp. 384-386.
[8] J. Ohnishi et al., Construction status of the RIKEN
intermediate-stage ring cyclotron (IRC), Cyclotrons’04,- 1196 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPH002

Tokyo, Oct. 2004, 18P14, pp. 197-199.
[9] H. Okuno et al., The Superconducting Ring Cyclotron in
RIKEN, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 (2007), pp. 10631068.
[10] http://www.nishina.riken.jp/RIBF/accelerator/overview.html[11] N. Sakamoto et al., High intensity heavy-ion-beam operationof RIKEN RIBF, Proceedings of PASJ9, WEPL02 (2012),
pp. 7-11.
[12] M. Nishimura et al., Status report of the operation of RIBF
ring cyclotrons, Proceedings of PASJ17, FSP028 (2017), pp.
1395-1399.

- 1197 -