Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

OPTIMIZATION OF MULTITURN INJECTION AT HIMACSYNCHROTRON
T. H. Uesugi A) B), T. Furukawa A) B), S. Sibuya C), T. Naruse B) D), T. Fujimoto C) and K. Noda B)
A)

Graduate School of Science and Technology, Chiba Univ.
Yayoi-chou 1-33, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba, 263-8522, JAPANB)
National Institute of Radiological Sciences
Anagawa 4-9-1, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba 263-8555, JAPANC)
Accelerator Engineering Corporation
Konakadai 2-13-1, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba, 263-0043, JAPAND)
Graduate School of Engineering, Seikei Univ.
Kichijojikitamachi 3-3-1, Musashino-shi, 180-0001, Tokyo-to, JAPAN
Abstract
In order to obtain high intensity at HIMAC synchrotron, multiturn injection was optimized. We chose effective
working point, and determined optimum parameters of injection. Injection beam transport line was optimized byoptimum parameters. On the other hand, Closed Orbit Distortion correction and optimization of bump orbit was carriedout. As the result, beam intensity was increased by optimization.

HIMACシンクロトロンにおける多重周回入射の最適化
１．はじめに
２．シミュレーションによる最適化

Gain

1993年にがん治療用重粒子線加速器として作られた 放 射 線 医 学 総 合 研 究 所 （ 放 医 研 ） の HIMAC
多重周回ビーム入射の最適化をするために、（Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba）では、HIMACシンクロトロンの入射のシミュレーション
1994年から臨床実験が始まり、現在までに1800名以を行った。
上の患者の治療が行われてきた。また、がん治療の2.1 動作点の選択
みならず、イオン核反応などの基礎物理や、放射線に対する生物学的特性などさまざまな分野の実験・現在のHIMACの動作点は(Qx, Qy)=(3.69, 3.13)であ研究が行われている。ビームの大強度化は、医療用る。1)高い強度を得る、2)整数共鳴を避けるためにであれば治療時間の短縮に、実験用であれば今まで動作点の変更を行った。
必要な強度が得られなかった粒子での実験と両方面水平方向の動作点は多重周回入射において入射効において、非常に有用となる。
率の良いところが選ばれた。図１に動作点Qx=3.68,
本研究では、高い強度を得るために入射の最適化
3.72, 3.75におけるGainの入射ビームβx依存性を示す。
を行った。現在のHIMACシンクロトロンの動作点は(Qx, Qy)=(3.69, 3.13) である。この動作点では強度が増加した場合、空間電荷効果の影響により、垂直方向の動作点は整数値に向かって広がる。この整数
3.75
50
共鳴を避けるため、整数値よりも低い値、2.9以下3.723.68を選んだ。一方、水平方向の動作点は、多重周回40
ビーム入射法で入射効率の良い整数値±1/4に近づ30けた。この動作点のもとで、入射ビーム輸送系とバンプ軌道の最適化を行った。HIMACシンクロトロ
20ンの入射ビーム輸送系およびバンプ電磁石の電流値
は、入射ビームのエミッタンス26π·mm·mradを基に10設計された。しかし、エミッタンスモニターによる0測定の結果、入射ビームのエミッタンスは00.5
11.5
2β (m)
10π·mm·mrad程度ということがわかった。そのため、
x10π·mm·mradでの最適化を行った。本研究では以上の最適化と、その結果について報告する。
図１：Gainの入射ビームβ 依存性による動作点のx比較
613

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Counts (arbitrary unit)（Gain：1ターン毎にリングに入ってくる粒子数を1
ここでは、入射点におけるバンプ軌道とESIセプタとした量）このシミュレーションにおいて、入射ムが一致するところを100%とした。この図から、
ビームエミッタンスは10π·mm·mradとした。Qx=3.75
およそ100%のところでGainが高く、そこからのバのとき、最大Gainは50と高い値が得られた。しかし、 ンプ軌道の増減でGainの減少を招くことがわかる。
リングにはClosed Orbit Distortion (COD)があるため、そのときのβxは0.2m以下の低い値である。入射点でその影響により入射点でバンプ軌道の位置および角βが小さいとき、入射ビーム輸送系内でのβ関数の振度がずれる可能性がある。これを防ぐため、バンプ幅は大きいものとなり、ビーム損失の可能性がでてくる。さらにβxが最適な値からずれてしまった場合、 軌道を作成するときにはCOD込みで作るか、CODGainはQx=3.68のときの値よりも低くなってしまう。 を補正した後にバンプ軌道を形成する必要がある。
Qx=3.72では、最大GainはQx=3.75のときよりは低いものの、安定してQx=3.68のとき以上のGainが保た３．実験結果と議論れる。βxの最適値は0.63mとQx=3.75のときより高く、シミュレーションにより求まった値から、ビーム輸送系内の振幅の点でも扱いやすい。以上のHIMACの入射最適化を行った。
ことから、Qx=3.72に決定した。
HIMACの垂直方向動作点はQy=3.13である。この
3.1 入射ビーム輸送系の最適化
動作点で強度が増加した場合、空間電荷効果の影響シミュレーションにより求まった四極電磁石のパによりチューンシフトは整数値3に向かう。この整数共鳴とストップバンドの影響を避けるために垂直ラメータから、実際の入射ビーム輸送系の最適化を
方 向 の 動 作 点 を 2.88とした。本研究は動作点(Qx,行った。その結果、透過率は85%から95%に増加しQy)=(3.72, 2.88)のもとで行った。
た。図３に非破壊型プロファイルモニター[2]による、周回ビームの垂直方向分布を示す。最適化により入2.2 入射ビーム輸送系の最適化
射点でのtwiss parametersの整合が向上した事がわかエミッタンスモニターから入射ビームエミッタンる。
ス10π·mm·mrad得られた。このエミッタンスのもとで、入射ビーム輸送系の最適化を行った。
1.4入射点におけるtwiss parametersは、水平方向であ1.2れば多重周回入射法において効率の良い値、垂直方向はリングとのマッチングから決定された。多重周
1回ビーム入射法において、αxが0のときに、入射の0.8効率が最もよい。水平方向のβは、バンプ軌道の潰れる時間によって、最適な値が決定される[1]。図１0.6からβの最適値0.63mが得られた。
0.4
ビーム輸送系においてビーム損失の原因は、大きい振幅のベータ関数と、ビーム輸送系内の軌道のず0.2れである。この二点から、軌道が数mmずれてもビーム損失が起きないように、入射ビーム輸送系に0おけるβ関数の振幅を抑えた。
-0.2-302.3 バンプ軌道の最適化-20-100102030y (mm)

図２にGainとバンプ軌道のサイズの関係を示す。
図３：非破壊型プロファイルモニターによる周回ビームの垂直方向分布。点線が最適化前、実線が最適化後である。
444240383634323028406080100120Bump [%]140160

最適化前の周回ビームは半幅が約22mm、エミッタンスでは40π·mm·mradであった。最適化後では、半幅 は お よ そ 13mm と な り 、 エ ミ ッ タ ン ス で は19π·mm·mradと半分以下にすることに成功した。このことから、完全なマッチングが出来たとまではいえないが、入射点のtwiss parametersは改善できたと考えられる。
3.2 バンプ軌道の最適化

図２：Gainとバンプ軌道のサイズとの関係

COD補正の後、バンプ軌道の最適化を行った。最適化を確認するために、最適化前後で時間ごとの入614

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射ビームの残存率を比較した。HIMACの入射時間は350µsであるが、これを50µsずつ区切って入射した。図４に、このときの入射1ms後に残っているビームの値を示す。
after
2.5

beforePartial effisiency

21.51

なり、アクセプタンスを大きくとることができた。
最適化では、偏向電磁石磁場と入射ビーム運動量を整合させ、平衡軌道をリング中心に移動させた。これにより、アクセプタンスは最適化前に比べ減少した。それにもかかわらず、Gainは20から32と50%以上増加し、強度では透過効率の上昇にもより、4.6·1010から8.6·1010pppに増加した。しかし、計算結果のGain42と比べると75%しか得られていない。この原因として以下のことが考えられる。１）ファラデーカップまではビームの透過率は上昇したが、その後のセプタムまたはESIでビーム損失が起きている、２）入射位置および角度のずれにより、入射効率が減少している、３）補正しきれなかったCODによるアクセプタンスの減少がある。原稿

0.550050100150 200 250
Time (µs)

300

beforeafter
simulation

40350

Gain30

図４：50µsごとに入射したビームの1ms後の残存率
マッチングのとれている入射では、入射直後のビームはESIのセプタムに当たってしまうため、そのときの効率は悪く1ms後にはほとんど残らない。
最適化前では、最適化後に比べて全体のビームの値は少ない。しかし、最初の50µsの入射では最適化後のときよりも多い。これは、バンプ軌道がESIのセプタムの位置に届いていないためと考えられる。最適化前ではビームの運動量に比べて、偏向電磁石の曲げ角が強かったため、リングの平衡軌道がダクトの中心よりも内側にあった。入射開始直後からバンプ軌道とセプタムに距離があるため、その隙間の分のビームはセプタムにぶつかることなくリングを周回することができる。なお、このときのリングビームを水平方向の位相空間平面上で表すと、中心に穴があいた状態になっている。その穴の分、強度の上昇は望めない。さらに、300から350µsに入射されたビームは最適化前では残っていなかった。これはCODによるアクセプタンスの減少のためと考えられる。最適化後では、入射開始直後のビームはほとん
ど残っていないが、入射途中で高い値が得られている。さらに、COD補正が行われているため、300から350µsに入射されたビームの一部は、ダクトに当たることなくリングを周回することが出来る。
3.3 Gain比較
最適化後のGainを最適化前の値[3]と計算値と比較した。図５に入射後のGainの比較を示す。最適化前ではビームの運動量に比べて、偏向電磁石の曲げ角が強かった。このため、平衡軌道はリングの内側に201000100200
300
Time (µs)

400500

図6：最適化前後とシミュレーションにおけるgainの比較

４．結論
高い強度を得るために、多重周回入射の最適化を行った。入射効率と整数共鳴から動作点を決定し、そのもとで入射ビーム輸送系とバンプ軌道の最適化を行った。その結果、周回ビームの垂直方向エミッタンスは40から19π·mm·mradと改善された。これにより、強度は4.6·1010から8.6·1010pppに増加させることに成功した。

参考文献[1] S. Yamada and T. Katayama, Injection and Accumulation
Method in the TARN, INS-NUMA-12.
[2] T. Honma et al., Ionization beam-profile monitor at HIMAC,
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
459 (2001) 390-397[3] S. Shibuya et al., A BEAM INTENSITY CONTROLMETHOD FOR ION THERAPY, Proceedings of the 8thEPAC, Paris, France, 2002, pp.2757-2759

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