RCNP AVFサイクロトロン施設
アップグレードの現状
神田浩樹(大阪大学 核物理研究センター)
福田光宏、畑中吉治、森信俊平、齋藤高嶺、嶋達志、依田哲彦、鈴木智和、友野大、中尾政夫、阿野真治、安田裕介、永山啓一、鎌倉恵太、原周平、
Koay Hui Wen、森田泰之、武田佳次朗、原隆文

2018/8/10

PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡

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Contents• RCNPサイクロトロン施設• アップグレードの概要• イオン源の整備• AVFサイクロトロンの整備• 施設の機能強化• ユーザーとの連携• まとめ
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RCNPサイクロトロン施設
RI Beam

リングサイクロトロン
東実験室

原子核物理
準単色中性子核データ
西実験室

AVFサイクロトロン

MuSIC
Grand Raiden

白色中性子
ミューオン科学

精密核物理

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半導体ソフト
エラー試験

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Present K140 AVF Cyclotron
Proton10～80MeV

1973

Completed1991

Mainly used as an injector of the ring cyclotron

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Present K140 AVF Cyclotron
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
Ion Sources•External ion source : Atomic beam type polarized ion source,
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PASJ15/FROL08and@ ハイブ長岡
Room-temperature
superconducting ECR ion sources

Present K400 Ring Cyclotron
1991 Completed

Proton 100～420MeV

Bypassbeam line

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Present K400 Ring Cyclotron
1991 Completed

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, 10
500 kV250 kW/cavity

Flat-topping cavity•Single gap type
•FT harmonics
2018/8/10•Frequency: 1: 3
PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡: 90 ~ 156 MHz

Bypassbeam line7

2017年度から２０１９年度の加速器アップグレードの概要• 加速器停止期間：２０１9年1月から約１年間を予定– ２カ月程度のマシンスタディ後に徐々にユーザー利用を開始（早ければ２０２０年３月頃を予定）• 目的– 施設、装置の老朽化部の更新による安定なビーム供給– 加速器システムの「高輝度化」による、高品質ビームの高強度化→ 核物理、医理連携、産学共創の拠点としてのRCNPの機能強化
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8加速器アップグレードの方向性“高輝度化”（ビーム強度増強＆低エミッタンス化）※AVFサイクロトロンを重点的にアップグレードし、高強度・高品質ビームの供給を目指す•

二次粒子ビーム供給機能の強化： 陽子ビームの高強度化(1μA → 10 μA)•– ミューオン（MuSIC＠WSSコース）– 白色中性子（WNコース）– 準単色中性子（N0コース）
短寿命ＲＩ供給機能の強化： 4Heビームの高強度化––•

短寿命RI供給プラットフォーム（科研費研究のサポート）
アルファ線内用療法の実用化研究（医理連携事業）

超高分解能実験機能の強化：

軽イオンビームの高品質化– 高品質・ハローフリービーム（WSコース）– 高偏極度ビーム（WSコース、N0コース）•重イオンビーム供給機能の強化： 中低エネルギー重イオン– 不安定核ビーム（ENコース）– ＣＡＧＲＡ＋Grand-RAIDEN（WSコース）など
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9H29年度高輝度量子ビーム供給システム整備• 引き出し電圧 15kV ⇒ 50kV
• Duoplasmatron追加• AVF入射まで50kV入射対応化(配置変更)• 診断機器の追加(エミッタンスモニタ)• オフラインテストライン

Duoplasmatronfor intense p, He
米国NEC社製

新規設置

2JA022264

H+ 10mA at 30kV引出 ⇒ 50 kV に改造
He+ 2mA at 30kV引出Emittanceεunnormalized ≦ 10π mm-mrad @50kV

SCECR

HIPECR
Neomafios

配置変更
エミッタンスモニタ追加(AVF室の天井の60 cmのかさ上げによる垂直部の延長）
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HIPIS10LEBT設計：森田（WEP039）

軸入射ラインの配置案

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新規製作の診断機器用チェンバー挿入箇所（チェンバー概要：300x300x600h程度の四角、入射軸に平行な４面それぞれにJISの250くらいのVGフランジ）
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AVF Dee/共振器の更新
2Dee化により加速効率の向上を図る

共振器ハーモニクスとRF周波数の関係
180deg. Dee
AVF harmonics
Particle frequency

h=1
6.0～17.33
MHz

Ring RF frequency
h=630～52 MHz

Ring RF frequency
h=1030～60.0 MHz

Energy gain ratio
ΔE/(QVdee)

2

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Two 90deg. Dee

h=1

h=2

18.0～37.3 MHz

9.00～18.65 MHz

6.00～12.43 MHz 18～37.3 MHz

54～60 MHz

30.00～55.95 MHz30.00～37.3 MHz

45～60 MHz

30～60 MHz

42.8

2.8

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h=3

目標とする
周波数レンジ※ RCNPの主力 proton 65MeV(AVF)-392MeV(Ring) は 16.8MHz(AVF)12機器配置案•••部屋の壁、既設の機器等との干渉を考慮しつつ配置を検討中
プローブや共振器、デフレクタ等の可動部については駆動方法や支持方法を既設の機器を参考に実際の粒子の加速に必要な電場・磁場 クライオポンプを得るようFEM計算・粒子軌道計算にて Dee 電極、共振器設計を決定する

３５度
北真空系

デフレクタ入口プローブ
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Dee電極、共振器の設計•

電流密度分布••RFに対する要請： > 33.6 MHz (最も需要の多いリング入射用 65 MeV 陽子の周回周波数の２倍の値（ハーモニクス ２））, >50 kV, C or L coupling
電気的要請： < 40 A/cm
機械的要請： 他の機器、既存のコイル等と干渉しない※ディー電圧＝60kVに換算した分布
ショート板の位置を最も電磁石に寄せて配置→波長を最短に共振周波数: 34.562 MHz
C結合でRFを供給

ショート板表面での電流密度：
40 A/cm @ 60 keV on Dee edge
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ANSYS HFSS
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Dee電極、共振器の設計 (L結合の例）※ディー電圧＝60kVに換算した分布鳥観図（動画）southf RF= 35.936 MHz=X ShortPlate 1900
=mm( ShortPlatePos 0mm)

L 結合でRFを供給

ShortPlate
J surface= 40( A / cm)

・Loop coupler中心軸： X=1720mm
・Loopサイズ： 15cm×15cm（Loop中心軸長）
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ANSYS HFSS
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OPALによる粒子軌道計算• RFと等時性AVF磁場(陽子 65 MeV用)を入力• 60 keVの陽子をインフレクタを模した位置より出射→ Well Centered ではないが、加速を受けつつ64.8 MeVにまで周回する

ANSYS HFSS

OPAL

TOSCA

引き出し部の設計：中尾（THP020）
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施設機能強化クレーン機能強化・AVFサイクロトロン及びイオン源の保守性強化
放射線遮蔽機能強化
・ビーム強度増強に伴うAVFサイクロトロン棟及びリングサイクロトロン棟の遮蔽能力強化

医理連携・産学共創によるRI利用研究の推進
・ ビーム強度増強によるRIの多量製造

2次冷却水設備強化
・ビーム強度増強に伴う冷却能力の強化

RI排水設備機能強化
・RI排水路の安全対策

・ 専用小型加速器スケルトンサイクロトロンの開発
・ 大量RI自動精製装置等の開発など
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ユーザーとの連携：
加速器アップグレードで必要な作業
加速器
ビームライン
放射線管理

イオン源

AVFサイクロトロン

低エネルギービーム輸送

制御・モニター•新イオン源の導入•既存イオン源の改造•引き出し電圧の高圧化•既知の問題点の改善•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•入射部の設計•2 Dee 化に伴う新しい高周波共振器の設計•ビーム取り出し用電極の設計•トリムコイル、バレーコイルの設計•各種プローブ、真空ポンプ等の配置•既知の問題点の改善•引き出し電圧の高圧化•垂直入射部の延長•偏極度への影響見積•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•既知の問題点の改善•OSのアップグレード

中エネルギービーム輸送

高エネルギービーム輸送

東実験室の有効活用•AVFサイクロトロン大強度化に伴う、大エミッタンスビームの輸送•実験コースごとのビームの最適化

ビーム輸送の調整を効率化する
モニター機器アップグレード作業の効率化のための変更

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化•放射化物保管•管理区域の除外

2018/8/10•新しいビーム種、強度に対応した遮蔽計算•Cコースのビームパルサー•EコースのBNCTテストビームライン•Kコース、FコースのRI製造•WNコースの白色中性子源•高速エミッタンスモニターの開発•ビュアー位置の見直し

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更•ユーザーのニーズの調査•空気通過による排気口における放出放射能の評価•ユーザーによる変更申請用遮蔽計算を可能にするためのマニュアル化

PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡•西実験室の混雑を解消•利用が増大している白色中性子ビーム、MuSICの効率的な運用•東実験室の既存機器との共存

変更申請•変更内容のとりまとめ•文章化と申請•放射線障害予防規定の改定

18ユーザーとの連携：作業分担
加速器グループ
ユーザー
放射線管理室イオン源

AVFサイクロトロン

低エネルギービーム輸送

制御・モニター•新イオン源の導入•既存イオン源の改造•引き出し電圧の高圧化•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•既知の問題点の改善•入射部の設計•2 Dee 化に伴う新しい高周波共振器の設計•ビーム取り出し用電極の設計•トリムコイル、バレーコイルの設計•各種プローブ、真空ポンプ等の配置•既知の問題点の改善•引き出し電圧の高圧化•垂直入射部の延長•偏極度への影響見積•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•既知の問題点の改善•OSのアップグレード

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

アップグレード作業の効率化のための変更

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化中エネルギービーム輸送•空気通過による排気口における放出放射能の評価•作業手順を考慮した管理区域設定の検討•放射化物移動の位置と手順の検討•Cコースビームパルサー•WNコースの白色中性子源•AVFサイクロトロン大強度化に伴う、大エミッタンスビームの輸送•ビュアー位置の見直し

高エネルギービーム輸送

ビーム輸送の調整を効率化するモ
ニター機器

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化

東実験室の有効活用•EコースのBNCTテストビームライン•Kコース、FコースのRI製造•西実験室の混雑を解消•利用が増大している白色中性子ビーム、MuSICの効率的な運用•東実験室の既存機器との共存

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

変更申請•実験コースごとのビームの最適化•ビュアー位置の見直し

アップグレード作業の効率化のための変更•放射化物保管•管理区域の除外

2018/8/10•高速エミッタンスモニターの開発

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化•新しいビーム種、強度に対応した遮蔽計算•ユーザーのニーズの調査•ユーザーによる変更申請用遮蔽計算を可能にするためのマニュアル化

PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡•変更内容のとりまとめ•文章化と申請•放射線障害予防規定の改定

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ユーザーとの連携：作業分担
加速器グループ
ユーザー
放射線管理室イオン源

AVFサイクロトロン

低エネルギービーム輸送

制御・モニター•新イオン源の導入•既存イオン源の改造•引き出し電圧の高圧化•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•既知の問題点の改善•入射部の設計•2 Dee 化に伴う新しい高周波共振器の設計•ビーム取り出し用電極の設計•トリムコイル、バレーコイルの設計•各種プローブ、真空ポンプ等の配置•既知の問題点の改善•引き出し電圧の高圧化•垂直入射部の延長•偏極度への影響見積•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤
去手順の検討•既知の問題点の改善•OSのアップグレード

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

アップグレード作業の効率化のための変更

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化中エネルギービーム輸送•空気通過による排気口における放出放射能の評価•作業手順を考慮した管理区域設定の検討•放射化物移動の位置と手順の検討•Cコースビームパルサー•WNコースの白色中性子源•AVFサイクロトロン大強度化に伴う、大エミッタンスビームの輸送•ビュアー位置の見直し

高エネルギービーム輸送

ビーム輸送の調整を効率化するモ
ニター機器

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化

東実験室の有効活用•EコースのBNCTテストビームライン•Kコース、FコースのRI製造•西実験室の混雑を解消•利用が増大している白色中性子ビーム、MuSICの効率的な運用•東実験室の既存機器との共存

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

変更申請•実験コースごとのビームの最適化•ビュアー位置の見直し

アップグレード作業の効率化のための変更•放射化物保管•管理区域の除外2018/8/10•高速エミッタンスモニターの開発

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化•新しいビーム種、強度に対応した遮蔽計算•ユーザーのニーズの調査•ユーザーによる変更申請用遮蔽計算を可能にするためのマニュアル化

PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡•変更内容のとりまとめ•文章化と申請•放射線障害予防規定の改定

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ユーザーとの連携：
タスクフォース（作業部会）
ビーム輸送
変更申請・
遮蔽計算

低エネルギービーム輸送

中エネルギービーム輸送

高エネルギービーム輸送

ビーム輸送の調整を効率化するモニター機器•引き出し電圧の高圧化•垂直入射部の延長•偏極度への影響見積•AVFサイクロトロンの改造のための一時撤去手順の検討•AVFサイクロトロン大強度化に伴う、大エミッタンスビームの輸送•ビュアー位置の見直し•実験コースごとのビームの最適化•ビュアー位置の見直し

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

アップグレード作業の効率化のための変更

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化•空気通過による排気口における放出放射能の評価•作業手順を考慮した管理区域設定の検討•放射化物移動の位置と手順の検討•Cコースビームパルサー•WNコースの白色中性子源•EコースのBNCTテストビームライン•Kコース、FコースのRI製造

アップグレード作業の効率化のための変更

ビーム強度増大に伴う遮蔽強化

実験の制限を少なくするためのビーム利用法の変更

変更申請•放射化物保管•管理区域の除外•新しいビーム種、強度に対応した遮蔽計算•ユーザーのニーズの調査•ユーザーによる変更申請用遮蔽計算を可能にするためのマニュアル化•高速エミッタンスモニターの開発•変更内容のとりまとめ•文章化と申請•放射線障害予防規定の改定

東実験室活用

東実験室の有効活用•西実験室の混雑を解消•利用が増大している白色中性子ビー
ム、MuSICの効率的な運用•東実験室の既存機器との共存

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PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡

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作業スケジュール（案）2018年度
1Q

2Q

3Q

２０１９年度
2Q

3Q

設計

撤去、保管、テストベンチ構築

テスト設計

製作

設計

クレーン更新

イオン源

4Q

1Q

２０２０年度
4Q

1Q

2Q据付、調整

AVFサイクロトロン
建屋（遮蔽、冷却水、電気、排水）

据付、調整

コミッショニング

工事

変更申請
工事開始前申請

その他（ビームラインの改造、モニター機器等）
共同利用
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検討・設計
共同利用実施運転再開前申請

製作

テスト

据付、調整

共同利用停止期間

PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡

コミッショニングの済んだビームを用いて共同利用
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まとめ / H29～31年度のアップグレード• 高強度、低エミッタンス化を目指したイオン源からAVF入射までの改良と2Dee化、内部オーバーホール、付属設備の更新。
• ２０１９年１月から約1年間のマシンタイム停止と改修工事• ユーザーとの協働→ 核物理、核医学、産学共創の拠点としての機能強化* Duoplasmatron追加* すべてのイオン源を引き出し電圧50kVに増強* 配置の最適化
・診断機器追加
・配置最適化・中心部50kV入射対応、引き出し部の改造
・ヨークリフター・トリムコイル、バレイコイル更新
・真空箱、アース板、真空排気システム更新
・Dee電極変更、共振器変更
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PASJ15/FROL08 @ ハイブ長岡

・放射線遮蔽強化
・冷却水機能強化・クレーン増設・AVF天井かさ上げ

着々と進行中23