Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THOL05

3D スポットスキャニングを可能とする速い繰り返し粒子線ドライバー用
誘導加速シンクロトロン
A Compact Hadron Driver for Cancer Therapies using Continuous Energy Sweep Scanning
高山健#, A, B, C, D), 門馬卓海 A, C) , 安達利一 A, B) , 川久保忠通 A), Takumi MonmaA, C), Toshikazu AdachiA, B), and Tadamichi KawakuboA)Ken Takayama
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)C)Tokyo Institute of Technology
D)
Tokyo City University#, A, B, C, D)

Abstract
To realize a slow extraction technique in a fast-cycling synchrotron, which allows energy sweep beam scanning, a zero
momentum-dispersion D(s) region and a high flat D(s) region are necessary. The proposed design meets bothrequirements. The lattice has two-fold symmetry with a circumference of 52.8 m, a 2-m dispersion-free straight section,
and a 3-m-long large flat dispersion straight section. Assuming a 1.5-T bending magnet, the ring can deliver heavy ions(200 MeV/au) at 10 Hz. A beam fraction is dropped from the barrier bucket at the desired timing, and the increasing
negative momentum deviation of this beam fraction becomes large enough for the fraction to fall in the electrostatic
septum extraction gap, which is placed at the large D(s) region. The programmed energy sweep extraction enables
scanning beam irradiation on a cancer site in depth without an energy degrader, avoiding the production of secondary
particles and the degradation of emittance. Details of the lattice parameters and computer simulations for slow
extraction are discussed.

1.

はじめにトロンでバリアーバケットに捕捉した粒子の一部をこれまで速い繰り返しシンクロトロンで、エネル 意図的に安定領域から零すのは容易である。加速電ギースイープが可能な取り出し手法は実現していな 圧のパルス生成・消滅タイミングはターン毎に制御い。米国の粒子線セラピーを商売とするベンチャー 出来るので、このタイミングを時間の関数としてずビジネスが口頭発表[1]にて BNL と共同開発している らす事によって、粒子の一部に加速電圧不足を引き炭素線加速器で可能だと言及した事はあったが、実 起こす事ができる。加速電圧不足の粒子は必然的にバリアーバケットから零れ、位相空間内を負の運動態は何も知られていない。
速い繰り返しシンクロトロンで「エネルギース 量域へドリフトする。この結果、その様な粒子の平イープ取り出し」が可能であれば、呼吸と同期して 衡軌道は取り出し域で最大となる。この平衡軌道が動く臓器などへの 3D のスポットスキャニングが実 ワイヤーセプタム位置を越えると、印加された静電現できる筈である。10 - 30 Hz で稼働する速い繰り 場からの力を受け、偏向を受ける。取り出し後半部
返しシンクロトロンではリング周回時間程度の短時 に位置する取り出し用電磁石によって、更なる偏向間（数 100 ナノ秒以下）で加速器リング内に存在す を受け、リング外へ取り出される。
次節から、これらの簡単な説明を行う。
るビームを一度に取りだすのが普通である。その様な運転モードで稼働する速いシンクロトロンから望エネルギースイープと深さ方向のスむエネルギー幅に渡って、連続的に、数十ミリ秒の 2.
キャニング時間範囲内で、取り出しビームのスピル強度が制御された格好で 1 加速サイクル内に取り出し得る案が進行軸に垂直面内でのビームスポットスキャンニ
最近著者らによって提案された[2]。
ングはこれまでにも多くの提案と実績があるので、従来の高周波を使った加速手法では簡単ではない。
ここでは取り上げない。遅い繰り返しシンクロトロ
著者等に良い考えはない。ここでは誘導加速シンク
ンではフラットトップに達した磁場強度を階段状にロトロン[3]に採用されている誘導加速電圧パルスによってビームを加速・閉じ込め方式を今回の目的に 下げながらビームを取り出す手法が実証されている[4]。これは主電磁石のパターン電源のデリケートなどう使うかを簡単に紹介する。
使用する加速器は今回の目的に不可欠な理想的な 制御と高周波減速との組み合わせで実行される。不運動量分散関数を持ったラッティスを前提とする。 連続ながら「エネルギースイープ取り出し」に他なそこでは誘導加速装置、入射機器を置く領域は運動 らない。スイープの要する時間は秒程度であり、速量分散関数はゼロ、静電セプタムを使った取り出し い繰り返しシンクロトロンと 2 桁程度のスイープ時域は一様で大きな分散関数を持つ。エネルギース 間幅の差がある。
イープの原理は比較的簡単である。縦方向ビームハ
ここで述べる「エネルギースイープ取り出し手ンドリングの大きな自由度を持つ誘導加速シンクロ法」は図 1 に見られる様に、ガン部位の最深部から___________________________________________# takayama@post.kek.jp
最浅部までを 1 加速サイクル内にブラッグピーク位- 100 -

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表置のスイープでカバーするものである。

加速器・ビーム仕様

Figure 1: Extraction in a single acceleration
cycle and Change of Bragg peak positions.

3.

理想的な加速器リングラッティス

加速器自身は誘導加速シンクロトロンを前提にしているので、大型の入射器はない。ECR イオン源とレーザーアブレーションイオン源が 200 kV の高圧プラットホームに収まっているだけである。取り出された完全電離炭素イオンは静電入射キッカーによって 1 ターン入射が行われる。リングは周長 52.8m、2 種類の FODOF セルからなる 2 階対称ラッティスで構成される。2 m 長の完全な運動量分散ゼロ域と 3 m 長の一様平坦な運動量分散関数（6 m）域をそれぞれ 2 か所持ち、入射部・加速部とエネルギースイープ用の取り出し部として用いられる。又、速い取り出しを可能にする/2 のベータートロン位相進みを持つ直線部を有する。図 2 は加速器全体構成である。表は加速器仕様とビームパラメーターを表す。

図 3 にラッティス関数を示す。

Figure 3: Lattice Functions for 1 Super-periodicity.

4.

Figure 2: Compact Hadron Driver for Cancer
Therapies based on Induction Synchrotron.

加速と取り出し緒言に述べた様に、加速、閉じ込めは誘導パルス電圧で行う。バリアー電圧で閉じ込めたイオンパルスの取り出し開始時までは、粒子バンチの全域を覆う様なタイミングで加速電圧を発生しておくが、取り出し時間帯になったら 1 ターンで、加速電圧パルスの生成タイミングを変化させてやる。具体的には加速電圧パルスの立下りのタイミングと図 4 の右側のバリアー電圧パルスの立ち上がり時間タイミング近傍に移す。こうすると閉じ込められた粒子集団のテール域に存在する粒子の加速電圧が不足する。図4 に示す様に、何れ、バリアーバケットから脱落す- 101 -

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し始める。この操作はバリアーの高さを意図的に下げた事と等価である。シンクロトロン運動により、負の運動量ズレを持つ粒子は時間と共にバンチテール側に継続的にドリフト移動して来るので、一部はやはりバリアーバケットから脱落する。

バリアーバケットから脱落した粒子の運動量ズレが-1%になると、静電セムタムを置いた場所での変位は-6 cm となり、100 kV 以上の高圧を印加したセプタムワイヤーと電極の間に入る。その後は図 6 示す様な軌道を描き加速器リング外に出て行く。

Figure 6: Schematic view of extraction.
Figure 4: Barrier bucket and acceleration
voltage pulse with its reset voltage pulse(upper). Tracks of particles that have left thetrapping region encircled by a broken line(lower).
以上の運動の様子をシミュレーションで追うのは比較的簡単である。25 msec から取り出しを開始し、約 4 msec 後の位相空間上の粒子分布示している。
予想通りの振る舞いである。

以上のプロセスによりビームは連続的にエネルギーを変えて、取り出される。ビームスピル強度制
御は単純に VAC パルスの移動速度を制御するだけで行う。論文 2 に詳述している。エネルギーの異なるスピルを同じ軌道を維持して標的まで伝送させるには静電セプタムを含め、取り出しラインの電磁石も、加速器リングの主電磁石で同じ励磁パターンが要求される。以上についても論文 2 の参照を期待する。

結論
エネルギースイープ取り出しが可能な速い繰り返
し粒子線ドライバーが提示された。加速器として成立する上での鍵となる技術に関して議論された。

参考文献

Figure 5: Phase plot of macro particles with
Vbb and Vac (note the vertical scale).

[1] J. P. Lidestri, S.G. Peggs, D. Trbojevic, and D.J. Brenner,,“RCMS Status and Future Plans“, presented at Asian
Forum for Accelerators and Detectors, in Melbourne, Jan.
15-16, 2014.
[2] Leo Kwee Wah, T. Adachi, T. Kawakubo, T. Monma, D.
Tanuja, and K.Takayama, “A Compact Hadron Driver for
Cancer Therapies using Continuous Energy SweepScanning”, submitted to Phys. Rev. ST-AB (2015).
[3] K. Takayama T. Yoshimoto, M. Barata, Leo Kwee Wah, Liu
Xingguang, T. Iwashita, S. Harada, T. Adachi, T. Arai, D.
Arakawa, H. Asao, E. Kadokura, T. Kawakubo, H.
Nakanishi, Y. Okada, K. Okamura, K. Okazaki, A. Takagi, S.
Takano, and M. Wake, Phys. Rev. ST-AB 17, 010101 1-6(2014), K.Takayama and R.J.Briggs, Induction Accelerators(Springer, Heidelberg, 2011) Chapter 11 and 12.
[4] K.Hiramato, talk at Workshop on Hadron Beam Therapy ofCancer, 27th April, 2009, Erice, Italy.

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