RIビームラインと生成ターゲット
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター
吉田光一
OHO ’23

内容• はじめに• RIビームの生成、分離、収集• RIビームの生成• RIビームの収集、分離• RIビームの同定• RIビーム用生成ターゲット• RIビーム生成用ターゲットの特徴• RIBFのRIビーム生成ターゲット

• まとめ

はじめに

• 原子核とは、陽子と中性子が核力で結びついた集合体
陽子数、中性子数の組み合わせで、性質決まる。
約7,000個存在する。
■

陽子数

安定核（寿命∞）251個■（寿命＞46億年）35個
それ以外、有限の寿命で、放射線を出して崩壊不安定核、Radio Isotope RI
これまで約3300個見つかっている。
既知のRI■
BigRIPSで発見したRI ■（157個）・安定核の核反応で生成

中性子数

核図表

RIビーム• RIビームとは、RI（不安定核）をビームとしたもの。

• RIを加速器で加速、RIビームとする。
• 加速器で加速された安定核ビームから核反応によりRIを生成、これを収集、分離してビームとする。

• 理化学研究所RIKEN RIビームファクトリー（RIBF)
後者のRIビームライン：超伝導RIビーム生成装置 BigRIPS
He～Uの重イオン 345 MeV/u
1pµA, (300pnA U)
RILAC

RILAC II AVF
RRC

SRC

fRC
IRC

BigRIPS

超伝導RIビーム分離生成装置BigRIPS
 大アクセプタンス•

ウランの飛行核分裂片の広がり（RIBFエネルギーで ±50 mr, ±5%）をほぼカバー 超伝導を使った大口径の四重極電磁石
Parameters:∆θ = ±40 mr∆φ = ±50 mr∆p/p = ±3 %Bρ = 9 Tm
L = 78.2 m•

ポールチップ径= 17 cm, ポールチップ磁場 = 2.4—2.5 T•

全運動エネルギーを測定しなくても、粒子識別可能

 2段構成のセパレータ
 第2ステージの分解能が高い

STQ1—14:Superconducting
Q triplets
D1—D6:Dipoles (30 deg.)
F1—F7: Focuses

第１ステージ

From SRC

Two-stage
separator
Wedge
Wedge

1st stage

2nd stage

生成 & 分離

粒子同定・2段階分離

第2ステージRIビームの生成

100MeV/uを超える重イオンビーム原子核がターゲット原子核と核反応を起こしてRIが生成。
238Uの飛行核分裂
入射核破砕反応
238U

ビーム

ターゲット（９Be）衝突した所がはぎとられる

9Be

破砕片が脱励起

ビーム原子核よりも小さい、多種多様なRIが破砕片として生成

238U

核破砕で励起核分裂
核分裂片としてRIが生成

クーロン励起核分裂
Pb
345 MeV/u

AProjectile

Afragments

Small spread

角度： ~10 mr
運動量： ~1 %345 MeV/uU-beamLarge spread~100 mr~10 %入射ビームの運動量が大きい（重イオン、高エネルギー）ので、破砕片/核分裂片はビーム速度とほぼ同じ速度で前方に集中する。→ ビームとして利用できる。

RIビームの分離

48Caビームから18Cを作る• ターゲット• 入射核破砕反応により48Caより軽いRIが生成。
• 生成したRIの速度Vは、ビームの速度とほぼ同じ。

• STQ1-D1-STQ2で磁気剛性を分析、F1へ
磁気剛性=運動量Z=A𝑚𝑚𝑢𝑢 𝛾𝛾𝛾𝛾𝑐𝑐
𝐴𝐴∝ なので𝑍𝑍𝑍𝑍• D1で反応しなかった安定核ビームを磁気剛性の違いで分離し、ビームダンプで止める。
• F1では、RIがA/Zによって分離する。

• A/Z=3のRI（15B, 18C, 21Nなど）はスリットを通過しエネルギー減衰板に入る。
荷電粒子のエネルギー損失(Bethe-Blochの式）

𝑑𝑑𝑑𝑑
4𝜋𝜋 𝑛𝑛Z2 𝑒𝑒 2−=𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑚𝑚𝑒𝑒 𝑐𝑐 2 𝛽𝛽2 4𝜋𝜋𝜖𝜖022𝑚𝑚𝑒𝑒 𝑐𝑐 2 𝛽𝛽22𝑙𝑙𝑙𝑙−𝛽𝛽𝐼𝐼 1 − 𝛽𝛽2• RIのZ2に比例するエネルギー損失。
• 通過後、Zによって異なるエネルギー、磁気剛性になる。

• STQ3-D2-STQ4で再び磁気剛性を分析、F2へ• Zの違いによりさらに分離、18Cが選び出される。

エネルギー減衰板

2𝑑𝑑𝑑𝑑
4𝜋𝜋 𝑛𝑛𝑧𝑧 2 𝑒𝑒 22𝑚𝑚𝑒𝑒 𝑐𝑐 2 𝛽𝛽2
荷電粒子のエネルギー損失 −𝑙𝑙𝑙𝑙− 𝛽𝛽2=222
𝐼𝐼 1 − 𝛽𝛽𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑚𝑚𝑒𝑒 𝑐𝑐 𝛽𝛽 4𝜋𝜋𝜖𝜖0粒子のエネルギー（運動量）が小→エネルギー損失 大
粒子のエネルギー（運動量）が大→エネルギー損失 小F1 分散のある焦点：運動量の違いが位置の違いになる。

減衰板なし

分散を保っておくとビームラインの調整が楽。

平板

クサビ形

中心運動量の変化分のBρスケーリングで済む。

RIビームの同定
 RIの同定：TOF-Bρ-∆E 法
TOF, Bρ, ∆E  Z, A/Q
TOF: Time of flight
Bρ: Magnetic rigidity∆E: Energy loss

Bethe-Bloch formulaBρ （粒子軌道再構築）

1st stage
TargetWedge
Beamdump

F3,F5,F7でPPACで測定した粒子の位置より、F3-F7間の粒子軌道を再構築して、Bρを求める。

PPACx2Isomer tagging:Ge

PPAC
x2WedgeBρ35, β 35

2nd

∆E: MUSIC, Si

Bρ57, β 57

stage

TOF: βPlastic scinti.

PPAC
x2

9U+Be 2.9 mm
Bρ 01 = 7.990 Tm
F1 deg Al 2.18mm

RIビーム生成用ターゲットの特徴• ターゲットの材質• ターゲットの厚さ• ターゲット中でのビーム発熱＊ターゲットは真空中に置かれる。（ビームを余計なものに当てない。）

ターゲットの材質• 入射核破砕反応用

入射核破砕反応の断面積：ターゲット原子核の種類にほとんどよらない。
→ビームに対する影響（エネルギー損失、多重散乱）を考えると軽い原子核が有利。 ベリリウム、炭素が主に使われる。

• 238Uの飛行核分裂• 核破砕―核分裂
核破砕反応と同じく、軽い原子核のターゲット• クーロン励起―核分裂原子核の周りの強いクーロン場を利用するため、陽子数Zの大きなターゲッ
ト
金Au(Z=79)、鉛Pb(Z=82)が多いが、RIビーム生成向けにはタングステンW(Z=74)（高融点）

ベリリウム（もしくは炭素）を主に、238Uのクーロン励起核分裂向けにタングステンを用意すれば、よい。

生成ターゲットの厚さ• 厚い方がRIの生成率大きい。
• ターゲット中での反応点の違いでRIのエネルギー広がる。

• エネルギー損失（安定核ビーム）＞エネルギー損失（生成したRI)なので、ターゲット入ってすぐ反応 RI エネルギー 大
ターゲット出口付近で反応 RI エネルギー 小• 反応による運動量の広がりにターゲット中の反応点による広がりが加わる。

• 厚いターゲットでは多重散乱によってビーム広がる。
• ターゲット通過後のRIビームの磁気剛性と、未反応安定核ビームの磁気剛性が一致しないようにする。

ターゲット

安定核

RI

安定核RI

⇒生成に使う安定核ビームと生成するRIビームとの関係で適切な厚さを選択する必要がある。
• 経験的には安定核ビームの飛程の30-50%を使うことが多い。
238U 345MeV/u
Be 飛程13mm 4～6 mm厚さ
48Ca 345MeV/u Be 飛程52mm 15～30mm厚さ

安定核

いろいろな厚さのターゲットをビームタイム途中で切り替えて使う必要がある。

安定核

ビームによる発熱量• RIビームの生成ターゲット• 大強度～1 particle µAの重イオンビーム（238Uまで）の照射• ビームサイズφ１ｍｍ• ビームのエネルギー損失による発熱 18kW
（238U 345 MeV/u, 1pµA, ベリリウム4mm厚さ）⇒熱密度 5.7kW/mm3
ベリリウム 密度ρ=1.85g/cm3、比熱cp=1.82 W/Kg
ビームスポットから熱が逃げないとすると、1ms で1700℃の温度上昇。（融点1287℃）→除熱ムリ。

スポット径φ1mm

固定ターゲット

ターゲットを回転させて、熱密度を下げる。
半径150mm程度で回転させると、熱密度を1/1000に下げられる。
回転スピードは熱拡散に比べて十分早くすれば、円周上にほぼ均一に熱を広げられる。
回転ターゲット伝導冷却と輻射冷却熱の移動：伝導、対流、輻射
熱伝導方程式

定常状態、円筒座標で解くと、𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑟𝑟/𝑟𝑟0
𝑇𝑇 ｒ = 𝑇𝑇0 + 𝑇𝑇0 − 𝑇𝑇1𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑟𝑟1 /𝑟𝑟0T12𝜋𝜋λ𝐿𝐿 𝑇𝑇0 − 𝑇𝑇1𝑄𝑄
ｒ=T0𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑟𝑟1 /𝑟𝑟0

238U 345MeV/u

1pµA
Beam𝜌𝜌: 密度熱輻射𝜕𝜕𝑇𝑇𝜌𝜌𝑐𝑐𝑝𝑝= λ∇2 𝑇𝑇 + 𝑞𝑞
𝜕𝜕𝑡𝑡
𝑐𝑐𝑝𝑝 : 比熱 λ:熱伝導率 q:発熱量
輻射r0=120mm、 r0=150mm、λ=200W/m K(ベリリウム）、L=4mm、T0=20℃、Q=18kWとするとT1=820℃（ベリリウム融点1287℃）

4mm厚ベリリウム

発熱 18kW

受熱板

ステファン・ボルツマンの法則
𝐸𝐸 = 𝜀𝜀𝜀𝜀𝑇𝑇 4 (W/m2)
ε:輻射率
σ:ステファン・ボルツマン係数
5.67x10-14 (W/m2 K4)
T:絶対温度（K)
円周状に広げたビームスポットから18kWの熱を輻射で逃がす。
輻射面積（ビームスポット面積）
S=2πｘ150mm x 1mm x 2面
= 1885 mm2
ε=0.8 (炭素）E=18kWをいれると、

T = 3800 K（炭素:昇華点 3915 K
実際には、熱伝導で輻射面積受熱板広がる。2倍になるとT=3200K）

BigRIPSの生成ターゲット• 伝導冷却式の水冷回転円盤ターゲット• RIBFの12C-238Uビーム 345MeVu、1pµAに対応（目標）• RIビーム生成効率の高いベリリウムをターゲットに採用• 2つの回転ターゲットユニットで最大15種類のターゲット厚さの選択に対応。
• ターゲットチェンバーの側面フランジに主要な機構を搭載。専用台車を使って、容易にビームラインから取り出してメンテナンス可能。

access tunnel

回転ターゲット

プロファイルモニタ
ファラディカップtargetchamber1m

ターゲットラダー（固定式ターゲット）

BigRIPS回転ターゲット詳細
回転ターゲットユニット

ターゲット本体• ロータリージョイント
回転軸への冷却水導入。回転軸に炭素板をばねで押し付けて水をシール。（真空はもたない。）• モーター
IPMモータ、センサレスで回転数制御 100-1000rpm• 磁性流体シール
回転軸の真空シール、軸周りの磁性流体で真空シール。

サイズ
材質
厚さ

φ30cm
Be, (W)
10-15-20 mm
5-7-10 mm
2-3-4 mm

 Be : 20,15,10 mm thickターゲット温度測定機構
Target chamber (upper view)

Be 15mm, 48Ca 420pnA, 100rpm
1.3kW heat -> Beam spot 84℃(1) Fiber

赤外線カメラAVIO TVS-8500(放射線に弱い。短時間使用。）

Beam(2) CCD(3) IR, Telescope

サファイアガラス窓

Rotating target

2m up

12m distance

温度の校正：
輻射率、光路の減衰を補正
ヒーター、ベリリウム板、熱電対をターゲットラダーにマウントし温度校正

ANSYSによる回転ターゲットの除熱計算

回転ターゲットの詳細構造を取り込んだ伝熱計算：ANSYS
回転運動のモデル化:
ターゲットではなく、ビーム（発熱源）を回す。
時間依存の伝熱計算
ビームスポット

WorkBench Mechanical

断面構造

φ1mm → 1mm角で近似

水路熱伝達率:：6 kW/m2 K
平滑管の熱伝達率の経験式より。
V=1.5m/s, P=0.4MPa, T=24℃

ベリリウム：温度依存性を持った熱伝導率
表面からの輻射も考慮（輻射率 0.5）

接触熱伝達率:：3 kW/m2 K
経験式（橘の式）より。
M6ネジ8本による締結圧から計算

水路構造

ANSYS計算結果• 238U 345MeV/u 1pµAを4mm厚さベリリウムに照射
入熱量 18kW, ターゲット回転数300rpm
ターゲット側
700℃

ビーム
スポット
1230℃

104 ℃

スポット直前
1030℃
スポット前後1230 – 1030 = 200 ℃

冷却板側
160℃
ターゲットー冷却板
水路壁ー冷却水

700 – 160 = 540 ℃

104 – 24 = 80 ℃

実測値との比較• 78Kr 345MeV/u 280pnAビームを Be 10mm、 300rpmに照射
ビーム

ビーム

カメラ観測温度：48℃
輻射率、光路の減衰の補正: 106℃相当
ビームスポット温度は良く再現。

ビームスポット温度：101℃⇒熱伝達率などのパラメータはおおむね妥当。

除熱能力評価• 各種厚さのターゲットで、238U 345
MeV/u 照射のビームスポット温度を計算。
• 2-3-4 mmターゲットは融点を超えない。
• 厚い5-7-10mmは600pnAで融点こえる。

• 設計目標1pµAを少し下回る。

• 現在のRIBFのビーム強度目標238U
300pnA 他1pµAには十分• 4mmを超える厚さは2つの回転ターゲットを重ねて使う。

• 現在のターゲットの改良点• 回転数を増やす。
300rpm→1000rpmで、スポット前後の温度差200℃は1/3に。
• ターゲットと冷却円盤の熱接触の改善
銀箔などを間に挟む。現状温度差540℃と計算されているので、効果大運用状況• 回転ターゲットシステム2006年にBigRIPSとともに、完成。
当初はもっぱら固定ターゲットを使用。
• 2015年以降、SRCのビーム強度増加に伴って、回転ターゲットの使用が本格化。
• 2018年に1-2-3、4-6-8 mm厚さのベリリウムターゲットを追加整備。これによって、ベリリウム1～11mmまで1mmステップで選択可。⇒この組
み合わせで70Zn, 78Kr, 124Xe, 238Uビームに使用。
• これまでに使用した最大ビーム強度とその時のターゲットへの入熱量
48Ca 500 pnA
2.1 kW
70Zn 800 pnA
3 kW
78Kr 600 pnA
2 kW
124Xe 160 pnA
1.2 kW238U
100 pnA
2.1 kW• これまで回転ターゲットに大きなトラブルなし。順調に使用。
（周辺機器（真空ポンプなど。）にはいくつか故障発生。放射線ダメージ起源か。）

まとめ• RIビームの生成・分離をBigRIPSを例に紹介。

• 大口径のビームライン• 磁気剛性の分析2回、間にエネルギー減衰板をいれて、RI選択• RIビーム生成用ターゲットの特徴を紹介。

• ベリリウム、タングステン製• 厚さ容易に変えられる。
• ビームによる発熱が大きいので、除熱が重要。

• BigRIPSの生成ターゲットに詳細構造を紹介。

• ベリリウム製の水冷式回転ターゲット• 除熱能力 238U 1pµAに対応できるのは、厚さ4mmまで。
それ以上は、2台に分散。
• ターゲット本体と冷却板の熱接触の改善を試みたい。

謝辞• BigRIPSの回転ターゲットシステムは、2006年までに、理研の久保敏幸氏と、吉田敦氏によって、開発、建設されました。両名に深く感謝します。
• BigRIPSの回転ターゲットシステムは理研仁科センターの柳澤善行さんをはじめとするBigRIPSチームの皆さんで、運用、維持されています。皆さんの日々のご尽力に、深く感謝します。