The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

原研 AVF サイクロトロンにおけるフラットトップ加速システムの開発
倉島俊，福田光宏，宮脇信正，奥村進，奈良孝幸

上松敬，石堀郁夫，吉田健一，中村義輝，荒川和夫

日本原子力研究所高崎研究所放射線高度利用センター〒370-1292 群馬県高崎市綿貫町 1233

概要
原研 AVF サイクロトロンでは，高エネルギーマイクロビーム形成に必要なビームエネルギー幅の縮小化を目指して第 5 高調波を用いたフラットトップ加速システムの開発を行っている。計算コード“MAFIA”を用いた電磁場解析により，加速周波数全域（11 ～ 22 MHz）において，基本波の 5 倍の周波数を励振できる共振器の開発を行った。260
MeV 20Ne7+ イオンビームの加速周波数である 17.475 MHzの 5 倍波 87.375 MHz においてハイパワー試験を行い，安定した加速電圧を得ることができた。260 MeV 20Ne7+ イオンビームの加速試験では，フラットトップ加速の必要条件であるシングルターン引出に極めて近い条件で加速を行うことに成功した。

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はじめに

原研 AVF サイクロトロンは，材料科学・バイオ技術専用のサイクロトロンとして世界で初めて建設され，イオン種・エネルギーを短時間で切り替えるカクテルビーム加速技術，大面積均一照射技術，パルスビーム生成技術，イオン源技術などを開発し，イオンビーム利用研究を先導する最先端の加速器技術を生み出してきた。世界のサイクロ
トロンに共通の課題であったビーム電流の時間変動対策にも取り組み，サイクロトロン電磁石の鉄心定温化により極めて安定したビームを提供することに成功した[1]。バイオ技術分野においては，微細孔（マイクロアパーチャ）を用いたコリメート方式によりビームスポット径約 10 µmの数百 MeV 級重イオンマイクロビーム形成技術と自動照準高速シングルイオンヒット技術[2]が生物細胞への局部照射など生体機能解明研究に応用されている。さらに，ビームスポット径の高分解能化と照準位置の高精度化を図り，最先端のバイオ・材料研究に資するサブミクロンビーム形成を実現するため，サイクロトロン加速器技術の高度化を進めている。従来のサイクロトロンより加速電場及び磁場の安定性とビームのエネルギー分解能を 1 桁以上向上させ，4 連四重極レンズを用いたビーム集束方式によりス
ポット径 1 µm 以下の数百 MeV 級重イオンサブミクロンビーム形成の実現を目指している[3]。本報告では，サブミクロンビーム形成に必要なサイクロトロン加速器技術開発として第 5 高調波用共振器の開発に関する主な成果について述べる。

2

フラットトップ加速システムの開発

イオンビームをスポット径 1 µm 以下に集束させるためには，四重極レンズで生じる色収差の影響を考慮すると，ビームのエネルギー幅を ∆E/E ≤ 0.02 % にする必要がある。ところが，従来のサイクロトロンでは加速電圧波形として正弦波を用いるため，加速されるタイミングの違いによってエネルギー利得に差が生じ，引き出されたビームのエネルギー幅は 0.1 % 程度である。そこで，基本波にその整数倍の周波数を持った高調波を重ね合わせることにより加速電圧の平坦化（フラットトップ化）を図る手法を採用し，基本波電圧を発生させる共振器に第 5 高調波を重畳させるための共振空洞を連結させて，エネルギー幅を縮小化するフラットトップ加速技術を開発した[4]。これまでに開発されたフラットトップ加速システムは，ある特定のイオン種・エネルギーのみを加速の対象とする場合が多かったが，原研 AVF サイクロトロンでは，バイオ・材料研究に必要とされる幅広い加速イオン種・エネルギーに対応するため，周波数可変型第 5 高調波共振空洞の開発を行った。
図 1 にサイクロトロン共振器の概念図を示す。基本波用共振器は同軸ショート板駆動型であり，基本波の共振周波数範囲は，11 ～ 22 MHz である。第 5 高調波用の共振空洞は，基本波用共振器外筒のクライオポンプ取り付けポートを流用して設置された。このポートは，共振器外筒に対し斜め下 45 度の角度で設けられているため，床面との間の空間が限られている。そこで，共振空洞の設計にあたっては，計算コード “MAFIA[5]” を用いた電磁場解析により低消費電力，省スペース化が実現するように形状及び構造に工夫を凝らした。基本波用共振器と第 5 高調波用共振空洞は平板電極（図中 C5）により静電的にカップリングしている。第 5 高調波用共振空洞も同軸型であり，ショート板を移動することにより高調波の共振周波数を変化させることができるが，限られた空間内ではショート板のみの駆動で 55～110 MHz という幅広い共振周波数範囲をカバ

基本波入力（L カップル）

基本波ショート板
ディー電極
C5L5加速電圧ピックアップ。

。
Cf 第5高調波入力（ C カップル）
C5 : カップリング電極
L5 : 高調波ショート板位置

図1

サイクロトロン共振器の概念図

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

表 1 フラットトップ加速システムの諸元5005055 ～ 110 MHz

カップリング電極（C5）のサイズ

130 mm × 150 mm

カップリング電極（C5）のギャップ可変範囲

6 ～ 50 mm

ショート板の駆動範囲

250 mm

同軸部の内筒外径70 mm

同軸部の外筒内径300 mm

チューナー補正範囲 △f/f

最大 2 %

トランジスタアンプの最大出力3 kW (50Ω)

電圧安定度

±5×10

位相安定度

C5400403003020020100

ショート板駆動範囲

0-4500.1 deg

図360708090100
第 5高調波共振周波数（MHz）

10C5 のギャップ（mm）

共振周波数範囲

L5 の長さ（mm）

L50110

第 5 高調波用共振空洞のパラメータの相関

L5 の原点は共振空洞取り付けポート面に一致する。低い周波数では，ショート板は外側に，カップリング電極は内側に設定されるが，高い周波数ではショート板は内側に，カップリング電極は結合が弱くなるように外側に設定される。ディー電極に効率よく電圧を発生させるためにはカップリング電極の結合を強くすることが望ましいが，高い周波数ではショート板が内側リミットの位置 150 mm まで移動してもカップリングが強すぎて共振点が上がらないため，電極のギャップを広げてカップリングを弱くする必要がある。
図 2 基本波用共振器の外筒に取り付けられた第 5 高調波用の共振空洞。
ーすることは難しい。そこで，カップリング電極 C5 と基本波用共振器内筒とのギャップ，つまりカップリング容量を可変型とすることにより 55～110 MHz の幅広い周波数範囲で共振させることに成功した[6]。
消費電力を小さくするためには，第 5 高調波用共振空洞の同軸部の径を大きくして電流経路の抵抗値を下げる事が望まれる。しかし，第 5 高調波用共振空洞を伝送線路として取り扱った場合，内筒径を大きくして特性インピーダンスを下げてしまうと，取り付けポート境界での位置角（位相）の進みが遅くなり，結果としてショート板の駆動距離が長くなるものと考えられる。そこで，計算から求まる共振器の Q 値がショート板の駆動距離の許容範囲内で大きくなるような同軸サイズを採用した。表 1 に，MAFIAによる計算により最終的に決定されたフラットトップ加速システムの諸元を示す。
2002 年 3 月には，サイクロトロン本体への新しい共振空洞の据付工事が完了した。図 2 に，第 5 高調波用共振空洞の外観を示す。第 5 高調波の共振周波数を最低の 55MHzとなるようにショート板位置を設定した時のショート板支持具と床面のクリアランスは 90 mm 程度である。図 3に，ネットワークアナライザによる静特性試験から求めた高調波用共振器のパラメータの相関を示す。図中，斜線部
はショート板が駆動できる領域（L5 の長さ）を示しており，

3ハイパワー試験

静特性試験で得られた励振パラメータを元にハイパワー試験を行った。共振周波数は，バイオ研究ユーザからマイクロビーム形成の要望がある 260 MeV 20Ne7+ イオンビームの加速周波数である 17.475 MHz の 5 倍波 87.375 MHzとした。当初は第 5 高調波のみで励振を行っていたが，放電が多発し，安定に運転することが困難であった。後日，

図 4 基本波（周波数 17.475 MHz，電圧 25kV）に第5 高調波（87.375 MHz，下の波形）を重ね合わせて得られたフラットトップ電圧波形（上の波形）。

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電圧（任意単位）ディー電極の表面を観察したところ，これまでには確認さ4 ビーム加速試験れなかった無数の放電痕が確認された。これは，基本波と現在，260 MeV 20Ne7+ イオンビームのフラットトップ加は全く異なる周波数，電圧（2～3 kV）で運転したために速試験を進めており，ビームのエネルギー幅を縮小化する発生したマルチパクタリングによる放電痕であると思わ
基本波と第 5 高調波電圧の比や位相差などの最適化を目指れる。そこで，マルチパクタリングを避けるため，基本波した加速試験を行っている。930 型 AVF サイクロトロンと同時に第 5 高調波を励振して印加電圧を上げたところ安における基本波のみの加速では，引出直前のターンセパレ定して運転することが可能となった。図 4 に，加速電圧のーションの大きさに比べて半径方向のビームの拡がりがピックアップ電極で得られたフラットトップ電圧波形を大きく，マルチターン引出が常であったが，フラットトッ示す。
プ加速によって半径方向のビームの拡がりが小さくなり，ディー電極加速ギャップに沿った電圧分布がほとんど引出のマルチターン数が大幅に減少してシングルターン一定ならば図 4 に示すようなフラットトップ電圧波形を用いて加速を行えばよいが，原研 AVF サイクロトロンでは， 引出に極めて近い条件を作ることに成功した。今後は，ビ第 5 高調波の電圧分布は周波数に依存して大きく変化する。 ーム加速試験を続けると共に，マイクロスリットを用いたビームエネルギー測定技術を開発し，ビームエネルギー幅
図 5 に，ベクトル電圧計により測定した第 5 高調波の電圧の縮小化を行う予定である。
分布を示す。低周波数側である 59.2 MHz ではディー電極先端部に対するビーム引出半径 92.3 mm 付近の電圧の落
参考文献
ち込みは約１割であるが，高周波数側である 105.2 MHzにおいては電圧が約 5 割まで落ち込んでしまう。ビームの[1] S. Okumura, et al., “Temperature control of a cyclotron
平衡軌道半径は加速回転数の平方根に比例して増加し，電magnet for stabilization of the JAERI AVF cyclotron beam”,
圧が落ち込む大きな半径での加速回転数が増えるため，第Proc. 16th Int. Conf. on Cyclotron and their Applications,
5 高調波電圧値を高めに設定する必要がある。そこで，フEast Lansing, USA, 330 (2001).
ラットトップ加速によりビームのエネルギー幅 ∆E/E ≤[2] T. kamiya, et al., “Development of an automated single cell0.02 % を実現するため，得られた電圧分布に基づいた軌道
irradiation system combined with a high-energy heavy ion
計算により，加速ハーモニクスと加速周波数に応じた最適microbeam system”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
な第 5 高調波電圧値の解析を進めている。
181, 27 (2001)[3] M. Oikawa, et al., “Design of a focusing high-energy heavy
1.2ion microbeam system at the JAERI AVF cyclotron”, Nucl.
Instrum. Methods Phys. Res. B 210, 54 (2003)
1[4] M. Fukuda, et al., “Flat-top acceleration system for thevariable-energy multipurpose AVF cyclotron”, Rev. Sci.
0.8
Instrum. 74, 2293 (2003)[5]
The MAFIA collaboration, User’s Guide MAFIA Version 4,0.6
CST GmbH, Lauteschlägrerstraße 38, D-64289, Darmstadt,
Germany.
0.4
59.2 MHz[6]
S. Kurashima, et al., “Design of the flat-top resonator for the80.7 MHz
95.9 MHz
0.2
JAERI AVF cyclotron”, Proc. 13th Symp. on Accelerator
105.2 MHz
Science and Technology, Suita, Japan, 232 (2001).
00200
400
600
800
1000
サイクロトロン中心からの距離（mm）
図 5 ディー電極の加速ギャップに沿って測定した第 5 高調波の電圧分布。測定には，ベクトル電圧計を用いた。