Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 THP020

RCNP AVF サイクロトロンの高強度化を目指した中心領域及び出射系の改良の検討
STUDY OF IMPROVEMENT OF A CENTRAL REGION AND AN EXTRACTIONSYSTEM OF THE RCNP AVF CYCLOTRON
中尾政夫#，福田光宏，依田哲彦，神田浩樹，安田裕介，友野大，森信俊平，斎藤高嶺，畑中吉治，永山啓一，
田村仁志，鎌倉恵太，原周平，Koay Hui Wen，森田泰之，原隆文，武田佳次朗
Masao Nakao #, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yuusuke Yasuda, Dai Tomono,Shunpei Morinobu, Takane Saito, Kichiji Hatanaka, Keiichi Nagayama, Hitoshi Tamura, Keita Kamakura, Shuhei Hara,
Hui Wen Koay, Yasuyuki Morita, Takafumi Hara, Keijiro Takeda
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University,Abstract
High quality and high intensity beam of AVF cyclotron at RCNP is used for both nuclear physics and various appliedresearch. It is needed to increase beam intensity for the needs of nuclear medicine. An improvement of injection line,
inflector, and central region of cyclotron is needed to increase the intensity of accelerated beam of cyclotron, whileextraction system, which limits extraction beam current and causes radio-activation must be improved. Simulation study
utilizing SNOP code is performed for high efficiency beam in the cyclotron with space charge effect. The structure of
extraction system was determined to increase the efficiency of extraction.

1.

はじめにRCNP の AVF サイクロトロンは、原子核などの物理の基礎研究はもとより、半導体のソフトエラー対策の研究、放射性薬剤(アルファ線核医学治療法)の製造などのために利用されてきているが、大強度化するためにアップグレードが計画されている[1, 2]。そのために、入射電圧を 15 kV から 50 kV に向上させて低エミッタンスで大強度のビームを入射し、Dee 電極を現在の 180°のものから90°を 2 台にすることによって加速効率を向上させ、加速中のエミッタンス増大を防ぐとともに、ターンセパレーションを拡大してデフレクターでの出射効率を向上させることを予定している。また、サイクロトロンの上部ヨークリフターを設置し、イオン源を設置しているサイクロトロン上部のコンクリート遮蔽ブロックをかさ上げすることでサイクロトロン内部のメンテナンス性を向上させる工事ならびに、ビーム強度の増大に伴う放射線遮蔽の強化などの工事も同時に行う予定である。
空 間電 荷効果 を考慮 し つ つ、 OPERA-3d[3]などによって計算された電場、磁場からビームの軌道を計算す
る た め に ロ シ ア JINR の Smirnov 氏 ら が 開 発 し た
SNOP[4-6] プ ロ グ ラ ム と 、 ス イ ス PSI で 開 発 さ れ た
OPAL[7]プログラムを使用してシミュレーションを行っている。
今回は主に、効率よく取り出すための出射系の検討について報告する。

2.

コレクターを経てビームラインに接続している。今回の改修で加速効率を上げるために RF 系が 87°のディー電極2 台になるため、現在の出射系はほとんど新規に設計製作する必要がある。Fig. 1 のように、取り出すビームはDee 電極から出た後にプローブを経て 72°のデフレクターに入り、再び Dee 電極に入り、その後 2 台のグラディエントコレクターで収束されて取り出しビームラインに乗ることになる。

(a出射系の変更

現在の AVF の出射系は、ディー電極の反対側に 60°のデフレクター2 台を設置してビームを偏向し、パッシブのマグネティックチャネル(磁気シールド)、グラディエント___________________________________________(bFigure 1: a) Existing and b) New extraction system of AVF
cyclotron at RCNP.

# nakaom@rcnp.osaka-u.ac.jp- 823 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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この配置では、デフレクターの後方にマグネティックチャネルを配置してビームを大きく曲げる必要がない。また、現在のデフレクター2 の電極後半部には電場勾配を発生させるために丸み(高圧電極は凹面、セプタム電極には凸面)が付けられているが、新デフレクター位置に収束要素を設けても効果が低いため採用していない。収束要素はグラディエントコレクターをディー電極の外側に設置する。グラディエントコレクターはサイクロトロンのメイン磁場が半径方向に向かって減少していき、weak focus が半径方向に強い発散力を持っている区間で効果的である。また、この位置にグラディエントコレクターをディー電極とともに引き抜いてメンテナンスを行うこともできる。

3.

グラディエントコレクターによる収束

サイクロトロンから出射されるビームが磁場勾配を通過する際の水平方向の発散を抑えるために、グラディエントコレクターを追加する。グラディエントコレクターのない場合には、Fig. 2 に示したように水平方向のビームサイズは現在のグラディエントコレクター位置で 100 mm 程度になり、さらに出射後最初の偏向電磁石位置で 200 mm となり、ビームダクトの直径を上回ってしまう。そこでグラディエントコレクターで収束することにより、ビームサイズがサイクロトロン出射後最初の偏向電磁石の位置において水平方向 100 mm 鉛直方向 50 mm 以下になることを目標とした。
グラディエントコレクターはデフレクターによって取り出されたビーム軌道が、サイクロトロン磁場の減少率が最大になる半径の部分に設置することが望ましいが、設計時の検討で、設置できる場所の条件は、ディー電極に固定すること、ディー電極とともに引き抜く場合にヨーク等と干渉しないことといった制約のもとで位置を決定した。
Fig. 2 に示すように、グラディエントコレクターの効果により水平方向ビームサイズは偏向電磁石位置で 80 mmになった。一方で、Fig. 3 に示すようにグラディエントコレ
クターは鉛直方向には発散の効果があるので鉛直方向のビームサイズは 45 mm に拡大している。

Figure 3: Vertical beam size variation at each azimuth
angle.

4.

エネルギー・イオン種によるビーム軌道の変化

ここまでは高頻度に利用される、Proton 65 MeV の条
件でのビーム軌道を計算してきたが、ビームのエネルギーやイオン種によって軌道は変化する。取り出す軌道がデフレクター電極の駆動範囲より外にあったり、デフレクターの曲率とビーム軌道の曲率がずれていたりする場
合にはすべてのビームを取り出すことができないので、そのようになっていないかをチェックする必要がある。

Figure 4: Difference of maximum and minimum orbit of
65 MeV Proton and 10 MeV proton and 140 MeV
4He2+from central orbit of 65 MeV Proton orbit.

Figure 2: Horizontal beam size variation at each azimuth
angle.

Fig. 4 に、Proton 65 MeV の中心軌道を 0 として、Proton の 10 MeV, 65 MeV, 4He2+の 140 MeV の 2 mm×3 mrad の初期条件からスタートしたビームの全幅に対応する位置をプロットした。デフレクターの入口では Proton
65 MeV と 4He2+ 140MeV の各条件で同じ位置にビームがあったにもかかわらずデフレクター出口付近では 14mm ほどずれる。さらに、このずれは一定割合で増加していないため、このままではデフレクターを傾けただけではずれを解消できない。高圧電極とセプタム電極の間隔を調整して、デフレクターの入口と出口で電場を変化させる必要がある。このような軌道の差が生じる理由は、励磁レベルの高い条件においてはヒルの磁場が飽和し始めているために、ヒルとバレーの磁場の比が下がり、軌道が- 824 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2018 THP020円に近くなっているためである。

Figure 5: Difference of particle phase from RF Phase when
the reference particle comes to the center of Dee electrode.
(a blue line is ±6° in phase and (b green line is in ±2° inphase.

5.

等時性磁場を調整して RF 位相とバンチの位相を合わせることの重要性

SNOP のシミュレーション上で、Fig. 5 の(a のように、加速 RF 位相とビームの位相の差が常に 10°以内に収まっトロン磁場の等時性磁場からのずれから生じている。実際の運転パラメータのメインコイル、トリムコイルの電流値を入力した OPERA 等で計算した磁場から、BH カーブの誤差を補正したものをシミュレーションに使用しているがこの補正は精度が要求され、200 ターン周回したのちに 2°以下の誤差に留めるためには磁場に 3×10-5 程度の精度が必要である。
ここで Fig. 5 の(b のように位相の差を±2°以内に収めるような磁場を設定すると、実空間におけるビーム分布は Fig. 6 の(b に示すようになり R 方向ビーム幅は 7 mmに縮小する。この幅であればシングルターン取り出しが可能である。
現在も RCNP では、特に品質の高いビームを要求する物理実験では、AVF サイクロトロンの加速位相を位相プローブで見て±2°の範囲に入るようなビーム調整を行っており、その条件で高い出射効率も実現している。

6. まとめと今後の課題
今回の発表では、グラディエントコレクターの必要性、デフレクターの電極位置の可動部など主に出射系の検討について述べたが、5 節で指摘したように、出射系においてシングルターンで高品質のビームが取り出されるためには、デフレクター前に Fig. 6 の(b のようなビームが存在することが必要であり、それは入射と加速の段階によって決まる。よって入射部と加速部の設計を十分に検討しておかなければ高品質・高効率・高電流のビームを生成できない。
今後、空間電荷効果が重要な役割を占める、ビームが低速で運動している領域についても信頼性の高い計算を行っていくことが必要となる。

謝辞(aSNOP の利用に関してロシア JINR の S. B. Vorozhtsov,V.L. Smirnov 両氏に感謝いたします。

参考文献(bFigure 6: Horizontal and vertical beam distribution in frontof the deflector electrodes. In case of (a and (b in fig. 5cases.ていれば、加速効率としては sin(80°) = 0.985 であり、ビームを最外周まで加速すること自体に問題はない。しかしながら、ビームのバンチのサイズは、初期条件では 2mm × 3 mrad であったものが fig. 6 に示したように全幅で20 mm 程度に広がっている。通常デフレクターのギャップ間隔は 5～8 mm であるから、このビームをシングルターンで取り出すことは不可能であり、取り出し効率も低くなる。この加速 RF 位相とビームの位相の差はサイクロ[1] H. Kanda et al., in these proceedings, FROL08.
[2] T. Yorita et al., in these proceedings, FSP030.
[3] OPERA-3d Cobham plc; http://operafea.com/[4] V. L. Smirnov, "Computer Modeling of a Compact
Isochronous Cyclotron", Physics of Particles and Nuclei 46
pp. 940-955 (2015).
[5] S. B. Vorozhtsov, V.L. Smirnov and A. Goto, "Modificationof the central region in the RIKEN AVF cyclotron foracceleration at the H=1 RF harmonic", Proc. ofCYCLOTRONS 2010 p. 138 (Lanzhow, China, 2010).
[6] V.L. Smirnov et al., Quantitative Simulation of NIRS-930
cyclotron, Proc. of IPAC2012 p. 292 (New Orleans, USA,2012).
[7] The Object Oriented Parallel Accelerator Library (OPAL),Paul Scherrer Institut; http://amas.web.psi.ch/- 825 -