Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

STATUS REPORT ON JAERI-AVF CYCLOTRON SYSTEM
T. NaraA), T. Agematsu A), I. Ishibori A), S. Kurashima A), K. Yoshida A),
M. Fukuda A), S. Okumura A), N. Miyawaki A), Y. Nakamura A)
A)
Advanced Radiation Technology Center, JAERI
1233 Watanuki-cho, Takasaki-shi, Gunma, 370-1291, JAPANK. Akaiwa B), To. Yoshida B), S. Ishiro B), Y. Arakawa B), Tu. Yoshida B),S. Kanou B), A. Ihara B), K. Takano B)B)
Beam Operation Service, Co., Ltd.
Abstract
The JAERI-AVF cyclotron system has been smoothly operated since the first beam extraction in March 1991. The
annual operation time is an average of 3200 hours through recent ten years.
The cyclotron system needs frequent alterations of operation conditions, because many kinds of ion species arerequired for the research in materials science and biotechnology and because the beam time is within several hours.
In order to form the micro-beam with a beam spot size of 1µm in diameter a flat-top acceleration system, and a new
cyclotron centre region, have been developed.

原研ＡＶＦサイクロトロン装置の現状報告
１．はじめに
原研AVFサイクロトロン装置は、これまで13年間以上にわたって安定な運転が継続されており、広範な研究分野に多種多様なイオン種を提供している。
近年では、フラットトップ加速システム導入、鋸歯状波型ビームバンチャーの追加、サイクロトロン中心領域の改造、等々の技術開発や装置改造を行い、マイクロビーム形成実験を精力的に実施している。
また一方ではこの間、TMP回転翼の破損や冷却系機器からの漏水、機器コントロール用シーケンサーの放射線損傷、電源盤内小型補助電源の不良、など様々な故障・不具合等も発生したが、サイクロトロン装置はこれらの困難を克服し、ほぼ計画通りの運転を継続している。

２．サイクロトロン装置の運転と利用
原研AVFサイクロトロン装置（図１）は、1991年3月のファーストビームの引き出し[1]以来、順調な運転が継続されている。サイクロトロン装置の利用運400
350300250Harmonic number
Particle
EnergyBeam course

150
10050
92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03

年

図２

原研AVFサイクロトロン装置

転は、月曜日の朝から金曜日夕方までの週単位の昼夜連続運転を基本としている。実験利用は、年間を3期に分割した形態となっており、2004年度における利用比率は、およそ37:38:25となっている。
2.1 運転利用状況

2000

図１度

切換回数の推移

2003年度の運転・利用等については、これまでと同様、ほぼ順調な運転が継続された。年間での加速モード、イオン種、エネルギー、ビームコースの変更回数はこれまで年々増加傾向を示していたが、特に昨年度では図２のように飛躍的な増加を示した[2]。
それぞれの切換頻度については、加速モード変更は87回、イオン種変更が179回、エネルギー変更が267回、ビームコース変更が369回となっており、我々は 世界で最も多忙なサイクロトロン装置 を自認
し て い る 。 こ こ 10 年 間 の 平 均 年 間 運 転 時 間 は209

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3,200hrを超えており、今年５月中旬にはファース
トビームの引き出し以降の積算運転時間が40,000時間に達した。

走査しながら透過ビーム強度分布を計測した結果、分解能は 0.1％以下であることを確認した。

３．技術開発ならびに装置改造等

2

3.1 マイクロビーム形成のためのビーム調整
1(E'‑E)/E (%)±0.5%
マイクロビーム形成では、サイクロトロンビーム補正有りのエネルギー幅（⊿E/E）を、従来の0.1％から2×010‑4 以下に向上させる必要がある。このため、基本波に第５高調波を重畳したフラットトップ加速シス
テムを用いて、エネルギー利得を均一化してイオン±1%‑1を加速する必要があり、すでに重畳した状態でのビーム加速に成功している[3]。また、１ターン目の補正無し
ビーム軌道位置とビーム位相の間に有意な相関関係‑2が生じるように中心領域の改造[4]も実施した。さらにビーム位相幅を制限した状態ではサイクロトロン
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2からのビーム強度が激減してしまうため、鋸歯状波Bρ(T‑m)型ビームバンチャーを開発し高効率に時間的に圧縮
図３ 分析電磁石でのエネルギー測定値に対すすることで必要なビーム強度を得た。これらの技術
る補正効果（B:磁場、ρ:軌道半径(1m)）
開発やビーム調整を精力的に実施することで、サイクロトロンからのビームを、従来の、0.1％のエネルギー幅が生じていたマルチターン引き出し状態からシングルターン引き出しを達成し、マイクロビー
４．点検保守整備・修理等ム形成可能なエネルギー幅に向上させる目途を得た。

3.2 ビームエネルギー計測技術の開発

4.1 イオン源の開発

原研AVFサイクロトロン装置には、主にH+,D+生成
サイクロトロンのビームエネルギーは、ビーム電用のMulti‑cusp型イオン源、重イオン生成用のECR流を最優先にした最適化のため、予定通りの値（公イオン源（OCTOPUS）および、金属イオン生成用の称値）とは必ずしも一致していない。核反応実験等
HECRイオン源の３台のイオン源が設置されている。
においては精度1％以内のエネルギー絶対値が要求
これらイオン源から引き出されるビームは時間的にされている。このため、飛行時間法(TOF法)を用い不安定であり、発熱やコイル電源の変動がその原因たビームエネルギー計測技術の開発を行い、その計と考えられている。そこで全ての磁石を永久磁石で測システムを既に完成させている。今回さらに、短時間でかつ簡便にビームエネルギーを計測するため、 構成し、ビーム強度の高安定を目指したコンパクトなECRイオン源を開発し、現在試運転を実施してい磁場分布補正による分析電磁石でのエネルギー高精る[6]。
度測定法を考案した[5]。結果を、図３に示す。補正
前は、分析電磁石の測定値(E )はTOF法の測定値(E)4.2 電源室空調・換気装置の改造
より、1〜2％低めとなっていたが、補正後は1％程
これまで電源盤からの高温排熱はそのまま室内に度高めで収まっており、全体のばらつきも±1％か放散させていたため、電源室の室温が上昇し、電源ら±0.5％と、小さくなった。
類の不安定性を招く深刻な問題を引き起こしていた。
3.3 ビームエネルギー幅計測技術の開発
このため、各電源盤の排気口近傍まで電源室換気空調用のダクトを延長し、高温の排気を室内にほとん既存の分析電磁石を用いて、高精度のビームエネど漏出しない構造に改造した。その結果、発熱量のルギー幅計測システムを開発した[5]。これは分析電
大きな運転条件では約10℃の室温上昇抑制効果が認
磁石の上流側にマイクロスリット、下流側にも同様められた。のマイクロスリット、アルミナモニタ、微少ビーム強度モニタを設置して、上流のスリットでオブジェクトサイズを制御するとともに、分析電磁石通過後のエネルギー分散したイメージサイズをマイクロスリットと微少ビーム強度モニタで測定するシステム
である。
フラットトップ加速ビームを用いて、ビームエネルギー幅計測テストを実施した。両マイクロスリッ
トギャップ1mmで、下流側マイクロスリット位置を4.3 TMP回転翼の破損
加速器運転前の点検時に、ビームトランスポート系のTMP(600L/s)が異常停止しているのを発見した。
内部観察を行ったところ94年6月にも発生した回転翼の破損が認められた。今回については幸いにも回転翼上部にある保護用メッシュ（□3mm）に損傷はなく、大きな破損物はビームラインには飛散してい210

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なかった。TMPの真空フランジ用ボルトの大部分が緩んでいて簡単に手で回せる状態にあったことや、架台取り付けボルトも同様であったことから、異常振動がボルト緩みを増幅しTMP回転翼の破損に繋がったものと判断した。このためTMPの据え付け架台を剛性の高いものに交換して振動発生要因を除去するとともに、振動を絶縁するためビームラインとTMP間にベローズを挿入する等、真空排気機器の振動対策も実施した。

表１ 原研AVFサイクロトロン装置で加速されたイオン種
Beam

Text

Tall

species (MeV) (eμA)

Ion

(%)

(%)

10203045505560657080
90
10202535

6.2
30
555754.41011
5.615408089787964636878
4272482980
8876

27252214141422121213
7.7
3.7
16312341

3.4

80164050602520305075

208.2
3.6
5.5
10206496840

69428681

9.7
18131210227.5806659.2100108752203206756100100160225335

101.62.01.00.037
43210ＨＨ+

4.4 シーケンサートラブル
軽イオンの高強度ビームを輸送中、ビームライン近傍にある真空機器の制御が不能となるトラブルが続発した。調査の結果、真空制御用シーケンサーの異常が原因であり、再立ち上げでは復帰せず、制御プログラムの再インストールを行うことで正常に復旧することが分かった。この原因は、シーケンサーの放射線照射に伴うソフトエラーの発生と予測された。また、TMPコントロールユニットおよびビームスキャナー電源等もビーム輸送中に停止するという現象も起きているが、これらは電源の一時的なOFF操作により正常に動作した。今後何らかの放射線対策（遮蔽、移設etc.）を強化する計画である。

5．新ビーム開発
中心領域の改造にともないこれまで蓄積されているサイクロトロンの運転パラメータを変更することが必要となった。このため、今までに加速されたほぼすべてのイオン種を対象に順次、マシンタイムの終了後ならびに休日等を利用して加速・ビームテストを継続的に実施し、新たに最適化した運転パラメータを作成することで実験利用執行に万全を期した。
また、ほぼ毎週月曜日には、ポジトロン放出核種(52Fe)生成の実験利用で、100MeV, 4He2+（H=1）を供給してきた。しかしながら、RI生成量には大差がな
いこと、実験利用頻度の高い加速モード２に移行することで、変更回数を削減できること。ビームエネルギーが低下することで機器放射化や、放射線に伴うソフトエラー出現確率の低減にも繋がること、等の 理 由 か ら 新 た に 80MeV, 4He2+ の 新 ビ ー ム 開 発 を行った。このほか、核融合炉材料構成材料の放射化断面積測定の要望に応え、41MeV, 2D+ も新ビーム開発した。表１に原研AVFサイクロトロン装置で加速された合計66種類のイオン種一覧を示す。

+D+

D+3
He2+
4He+

44He2+

He2+

12 3+C12 5+
C
12 6+
C
14 3+
N
15 3+
N
16 4+
O
16 5+
O
16 6+
O
16 7+

O

Energy1211.5

M/Q=4

M/Q=2
M/Q=47722

M/Q=2430.70

M/Q=554
1.9
1.00.1

M/Q=4

34
58
82
41

10
5.0
22
21
21
13
6

Beam

Text

Tall

species (MeV) (eμA)

Ion

Energy

(%)

(%)

16 8+

O
20
Ne4+
20
5+
Ne
20
Ne6+
20
Ne6+
20

Ne7+

20

8+

Ne
Ne10+
22
Ne6+
36
Ar8+
36
Ar10+
36
Ar18+
20

40

Ar8+

Ar10+
Ar11+
40
Ar13+
40
Ca9+
56
Fe11+
56
Fe15+
58
Ni15+
82
Kr20+
84Kr17+
84
Kr18+
84
Kr20+
84
Kr21+
102

Ru18+
129
Xe23+
197
Au31+

430
75
125
120200
260
270
350
540
165
195
195
970
150
175
250
330
460
200
200
400
390
490
320
400
520
525
320
450
500

0.005

M/Q=2

1.5

M/Q=50.01

M/Q=4

1.6

53

0.80

Scaling

9.8
0.28

Scaling

1.563

5M/Q=20.007

M/Q=42.573
43

105cps

M/Q=2

2.4
3.0

M/Q=50.2

M/Q=40.7
2.086
76
61

1.4

M/Q=50.045

66

0.012

M/Q=410 cps

6M/Q=40.08

M/Q=50.04
0.06

60
75

0.0032

M/Q=40.013

5072490.038

131.26.2
15730.59

0.2

181022142670

10 cps0.1

6.6

2224111628

5.02223.9
143.8

M/Q = 2,4 and 5:Cocktail beams
Color notation

H=1

H=2

H=3

Text：サイクロトロン半径900 mmの電流に対するサイクロトロン引き出し直後のFCでの電流との比。
Tall：サイクロトロンに入射する電流に対するサイクロトロン引き出し直後のFCでの電流との比。

参考文献[1] K. Arakawa, et al., Proceedings of the 13th International
Conference on Cyclotrons and their Applications,
Vancouver, Canada, pp 119(1992)[2] 中村義輝、奈良孝幸、上松敬、石堀郁夫、他：第13回TIARA 研究発表会予稿集、pp32-33 (2004)[3] 倉島俊、福田光宏、宮脇信正、奥村進、他：第1回加速器学会報告集、(2004)[4] 宮脇信正、福田光宏、倉島俊、奥村進、他：第14 回
加速器科学研究発表会報告集、pp404-406 (2003)[5] 奥村進、福田光宏、倉島俊、宮脇信正、他：第13 回
TIARA 研究発表会予稿集、pp117-118 (2004)[6] 吉田健一、奈良孝幸、齋藤勇一、横田渉：第1回加速器学会報告集、(2004)

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