RCNP AVFサイクロトロン
コミッショニングの進展
大阪大学 核物理研究センター
神田 浩樹，福田 光宏，依田 哲彦，安田 裕介，畑中 吉治，齋藤 高嶺，田村 仁志，
森信 俊平，永山 啓一，吉田 英智，阿野 真治，友野 大，鎌野 寛之，青井 考，嶋 達志，井手口 栄治，大田 晋輔，小林 信之，古野 達也，今城 想平，村田 求基，山本 康崇，
鈴木 智和，今 教禎，森田 泰之，武田 佳次朗，原 隆文，荘 浚謙，Zhao Hang，橘高 正樹，松井 昇大朗，井村 友紀，渡辺 薫
群馬大学 重粒子医学センター
中尾 政夫
2023/8/30

PASJ20/WEOB1 @ 日本大学理工学部舟橋校舎

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Contents• RCNPサイクロトロン施設• AVFサイクロトロンアップグレードの概要• ビームコミッショニングの状況• まとめ
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RCNPサイクロトロン施設

2023/8/30

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RCNPサイクロトロン施設
準単色中性子

核データリングサイクロトロン

RI Beam

不安定核物理Grand Raiden

加速器運転制御室

精密核物理
アスタチン
製造装置

MuSIC

AVFサイクロトロン

白色中性子

ミューオン科学半導体ソフト
エラー試験

UPGRADE 工事完了

Present K140 AVF Cyclotron (Before Upgrade)

2023/8/30

Proton 10～80MeV

1973

Completed1991

Mainly used as an injector of the ring cyclotron

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Present K140 AVF Cyclotron (Before Upgrade)
1973

CompletedProton 10～80MeV

Magnet1991 Mainly used as an injector of the ring cyclotron•Pole diameter: 3300 mm•Pole gap
: 206 ~ 347 mm•Averaged field: 1.6 T
•Extraction radius: 1000 mm•Trim coils: 16 pairs•Valley coils: 3 ~ 5 pairs•Weight: 400 tons
Acceleration system•Dee: Single type with 180 degree spanning angle•Resonator: Coaxial type with a movable short•Frequency: 6 ~ 19 MHz•Max. acceleration voltage : 60 kV•Acceleration harmonics: 1, 3•Extraction system: Electrostatic deflector, weak-focusing magnetic channel

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Ion Sources•External ion source : Atomic beam type polarized ion source,
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Room-temperatureand superconducting ECR ion sources

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Present K400 Ring Cyclotron
1991 Completed

Proton 100～420MeV

Bypassbeam line

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Present K400 Ring Cyclotron
1991 Completed

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Proton 100～420MeV

Magnet•Sector magnets:•Pole gap:
•Maximum magnetic field :•Trim coils:•Injection radius:•Extraction radius:•Weight:

660 mm1.75 T
36 pairs
2m4m
2200 tons

Acceleration system•Single gap type cavity:•Frequency:•Acceleration harmonics :•Max. acceleration voltage :•RF power:

330 ~ 52 MHz
6, 10500 kV250 kW/cavity

Flat-topping cavity•Single gap type: 1
•FT harmonics: 3
PASJ20/WEOB1 @ 日本大学理工学部舟橋校舎•Frequency: 90 ~ 156 MHz

Bypassbeam line8核物理研究センター加速器施設の歩み
1962年 日本学術会議が核物理研究所の設置を勧告
1971年 全国共同利用センターとして発足
1973年 AVFサイクロトロン(K=140MeV）完成
1976年 共同利用実験開始
1985年 サイクロトロンカスケード計画を立案
1987年 リングサイクロトロン施設建設開始
1991年 リングサイクロトロン(K=400MeV)完成
2004～2005年 AVFサイクロトロンやビームライン等を部分的に更新・増設
2013～2014年 AVFサイクロトロン，リングサイクロトロン等を部分的に更新

2019年度

建屋・設備の部分的な改修

2020年度AVFサイクロトロンの解体・更新

2021年度AVFサイクロトロンの機器調整

2022年度

ビームコミッショニング（共同利用・共同研究実験を試験的に開始）

2023年度
2023/8/30

共同利用・共同研究実験を本格的に再開（ビームコミッショニングを並行して実施）
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AVFサイクロトロンアップグレードの概要

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アップグレードの目的●短寿命ＲＩ供給機能の強化

AVFサイクロトロン
単独利用

入射器

高強度化
高品質化

リングサイクロトロン

最大～5μA→10倍以上

・陽子・重陽子ビームの高強度化→ 短寿命RI供給プラットフォーム
・ヘリウムビームの高強度化→アルファ線核医学治療（大阪大学病院：医師主導治験）
最大1.1μA→10μA以上●二次粒子ビーム供給機能の強化
・陽子ビームの高強度化→ミューオン（MuSIC）→白色中性子→準単色中性子●超高分解能実験機能の強化

エネルギー幅
ΔE/E～10-4・軽イオンビームの高品質化→高品質・ハローフリービーム→高偏極度ビーム●重イオンビーム供給機能の強化

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・中低エネルギー重イオン→不安定核ビーム
PASJ20/WEOB1 @ 日本大学理工学部舟橋校舎→ＣＡＧＲＡ＋Grand-RAIDEN11

ＡＶＦサイクロトロン本体アップグレードの基本仕様●更新後の基本仕様
・K値・引出半径・最大平均磁場・加速ギャップ開き角・RF周波数・加速ハーモニクス（従来） Single Dee電極
電極開き角180°（更新後） Double Dee電極： 140 MeV（従来と同じ）： 100 cm（従来と同じ）： 1.65 T（従来と同じ）： 87°（従来180°）： 17～36 MHｚ（従来の2倍）： 1，2，3，6 （従来 1，3）

Ｈ粒子

Energy(MeV/n)

Energy gain（従来比）

1proton58 ～ 100

1.4倍

proton14 ～ 70

2.0倍

Heavy Ion

14 ～ 27

2.0倍

3Heavy Ion

6 ～ 26

1.4倍

6Heavy Ion

2～72.0倍2・イオン源加速電圧： ～50kV・バンチャー： 高調波重畳型 ＋ 充放電型※Sub-harmonic bunching・中心領域： Inflector, phase slit, RF shield etc.
・引出領域
： Deflector ＋ Gradient corrector
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アップグレード前のAVFサイクロトロン

1973年完成→原子核物理学実験の共同研究に利用
2019年に停止⇒ アップグレード工事へ• 50年弱の間稼働し老朽化• 原子核物理学研究専用としての設計
 高いエネルギー精度
 多くのイオン種の加速
 一次ビームの利用に適したビーム強度」
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アップグレード完了

2021年3月 住友重機械工業による工事完成⇒ 阪大による機材の復旧、コミッショニング
2022年4月21日 First Beam
• 元の性能はそのままに、新しい用途に向けた性能の向上
 高いエネルギー精度
 多くのイオン種の加速
 二次粒子生成、RI製造に対応できる高いビーム強度
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ビームコミッショニングの状況

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これまでのビームコミッショニングの経緯• 2022年– 3月16日 運転再開のための変更申請承認– 3月31日 AVFサイクロトロン中心領域でビーム入射を確認– 4月20日 AVFサイクロトロンから取り出したビームを確認（陽子65MeV）– 5月10日 施設検査に合格（65MeV proton ～90nA＋Pulser 1/9間引き）– 5月中旬 ビームコミッショニングを本格的に開始し、共同研究実験へ65MeV陽子を供給– 5月下旬 高分解能実験のコミッショニングを開始– 7月下旬 At-211製造のコミッショニングを開始– 10月頭
教育用ビームタイムにビーム供給（陽子65MeV）– 10月上旬 リングサイクロトロンの運転を再開（陽子392MeV）– 11月下旬～12月上旬
半導体デバイス照射試験を実施（陽子392MeV、～1μA）– 12月上旬 高分解能調整，MuSICコミッショニング• 2023年– 3月13日 ビーム使用方法変更のための変更申請承認– 4月上旬 共同利用実験を本格的に開始（E481、E552 p 65 MeV, 392 MeV）、At-211製造– 5月 共同利用実験（E481、E552）、At-211製造– 6月 共同利用実験（E583 4He2+ 400MeV）、At-211製造（4He2+ 28.5MeV、7～8μA）– 7月 共同利用実験（E580p、E559、E585）、共同研究実験、教育用BT

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加速可能ビームの広がり• AVFアップグレード完了後より、かつて加速していたエネル
ギー、未経験のエネルギーでの加速を行えるようにコミッ
ショニングを進めている

RF周波数帯域に応じてパワーフィーダー同軸管の長さを変更– 2022年度• p 65 MeV (AVF)• p 65 MeV (AVF) → 392 MeV (Ring)• 4He2+ 28.5 MeV (AVF)– 2023年度の追加• p 40 MeV (AVF) → 230 MeV (Ring)• 4He2+ 67 MeV (AVF) → 400 MeV (Ring)• 4He2+ 100 MeV (AVF)＋1000mm×2本• 各種のエネルギーに対応したRF周波数の励振を可能に

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陽子ビーム 65 MeV の分解能調整••••

AVFサイクロトロンのみの性能の確認
Achromatic transportation
グランドライデンを分解能測定に使用
分解能測定の簡便化と自動調整の試み

グランドライデン焦点面検出器の通過位置＝エネルギー– グランドライデンの分解能測定操作をワンクリックに→加速器オペレーターのみで作業可能– 機械学習による分解能調整のための学習用データの取得→機械学習によりスリットの通過量を確保しつつエネルギー幅の狭くなる調整パラメー
ターを見出した• 分解能の参考値としては2015年に 23 keV(FWHM)という値が得られていたので、同程度のレベルになったといえる
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18.7 keV(FWHM)［E481&E552実験終了時点］
ΔE～13keV(FWHM), ～1nA
ΔE/E～0.02%［加速器調整後］ΔE～19keV(FWHM), ～24nA
ΔE/E～0.03%
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4He2+ 400MeVの分解能調整• リングサイクロトロンの性能の確認• Achromatic transportation• 分解能の参考値としては2015年に 175～270 keV (FWHM)という値が得られていたので、同程度のレベルになったといえるE583 Garg［6月20日調整時］
ΔE＝140～210 keV FWHM
（ΔE/E＝0.4～0.5% FWHM）

2023/8/30【参考】E495 Garg［2018/11/10調整時］
ΔE＝175～270 keV FWHM
（ΔE/E＝0.4～0.7% FWHM）

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At-211製造用ビームラインと照射装置• M実験室 Fコース
• ビームコースを刷新。スキャニング電磁石を導入• ターゲットチェンバーを更新
Qレンズ

ビューポートスキャニング電磁石
ターゲットチェンバー
ターゲットチェンバー

水平位置から15°傾けた標的に4He2+ビームを照射→熱の分散
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211Atの大量製造に向けたビーム強度増強
••
•
•
•

人への投与（医師主導治験）のための大量製造に向けた準備を行っている。 GBq オーダーの製造量が必要
半減期が7.2時間と短寿命であることから、大量製造のためには長時間照射ではなく大強度ビームが必要
4He2+ 28.5 MeV

RF加速周波数 35.197MHz，加速モードh=6イオン源 加速電圧14.5kV ＠NEOMAFIOS
ビーム電流値 ～7.8μA ＠ターゲット

211At via 209Bi (α, 2n) 211At 収量
At-211収量 (GBq)•2> GBq forhumantreatment

1.5
10.5
00510

照射時間 (hours)
1 µΑ

5 µΑ

10 µΑ

20 µΑ

※～6μAのSpot照射で溶融2HzでWobbling scanning照射2023/8/30

PASJ20/WEOB1 @ 日本大学理工学部舟橋校舎～7μAのWobbling scanning後
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まとめ• 大阪大学核物理研究センターのK140 AVFサイクロトロンのアップグレード作業完了（2021年）後、機器のコミッショニング、ビームコミッショニングとビーム利用を進めている• 利用可能なイオンは現状では1H+と4He2+で、それぞれの利用者の希望に応じて加速エネルギーの種類を増やしてきた• Achromatic transportation におけるビームの分解能調整– 分解能測定の簡便化、機械学習の導入準備– AVF、リングサイクロトロンともにアップグレード作業前と同程度かそれをやや超えるレベルに達している• 211At（半減期 7時間）製造のための4He2+ビームは、人への投与に向けた大量製造（> 数百 MBq）のためビーム強度が重要– 現在約 7.8 μAにて製造可能に
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BACKUP

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位相スリットとメインプローブのRF対策を強化
メインプローブのステムの直下の空間を無くしてアース板に接地位相スリットのシャフトの直下の空間を無くしてアース板に接地位相スリットのステム
位相プローブダミーディー電極

ディー電極

インフレクター
RFシールド位相スリットピラー

中心領域のRFシールドを強化
従来の中心RFシールド

RFシールド
ディー電極
（北側）

入射ビーム
ディー電極
（南側）

インフレクター
ディー電極（南側）

ディー電極
（南側）

上下のギャップを狭めてRFの侵入を低減

位相スリットディー電極（北側）

１ターン目のビームダミーディー電極外周部のRFシールドを強化

ディー電極（北側）入口

RFシールド板

RFシールド板

ディー電極（北側）出口

RFシールド板
RFシールド板

ディー電極（南側）入口

ディー電極（南側）出口