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)

STUDY OF SUPER-CONDUCTING MEDICAL FFAG ACCELERATOR
T. Misu, Y. Iwata, N. Miyahara, S. Hojo, A. Sugiura, M. Kanazawa, T. Murakami, S. Yamada
National Institute of Radiological Sciences
4-9-1 Anagawa, Inage, Chiba 263-8555
Abstract

Our conceptual design of a medical FFAG accelerator based on normal conducting magnets lead to a triplecascade acceleration scheme with a ring circumference of about 70m. To carry out further compact-design studies
with a smaller number of cascades, super-conducting magnets have been considered as an alternative to thenormal conducting magnets. Assuming the maximum magnetic field of 6T, our lattice calculation results incompact double-cascade rings with a ring circumference of about 30m. However, such tight lattice configuration
with a strong magnetic field has made some of the magnetic elements, such as RF cores, susceptible to thefringing field.

ＦＦＡＧ加速器の超伝導化による問題点
１．はじめに

２．超伝導ＦＦＡＧラティス（独）放射線医学総合研究所では、炭素線がん治療の普及に向けてＦＦＡＧ(Fixed-Field AlternatingGradient)原理を用いた治療装置の小型化研究を行っている。
ＦＦＡＧ加速器はサイクロトロンのような等時性の制約がないことから、主電磁石を含む各機器の小型化が見込まれている。又、固定磁場型加速器であることから、シンクロトロンのような磁場変化に伴うフィードバックが不要であり、高磁場を作り出すことで加速器全体の小型化が可能であると考えられる。常伝導マグネットだけでなく超伝導化により更なる小型化も期待される。
本研究では医療用FFAG加速器のビーム基本仕様を固定磁場型加速器の特徴を生かし、ラピッド・シンクロトロンよりも一桁程度繰り返しを高く設定することにした（表１参照）。

２．１ カスケード構成
超伝導ＦＦＡＧを使った二段カスケード構成では、前段のブースター・リングを常伝導、後段のメイン・リングを超伝導として、以下の条件下でラティス検索を行っている。

加速粒子
C4+ → C6+水中飛程
25cm以上入射エネルギー 40keV/u (Br=0.086 Tm)
出射エネルギー 400MeV/u (Br=6.34 Tm)
加速粒子数～2x109 pps
繰り返し
200Hz以上
表１： ＦＦＡＧの主なパラメータ
表１のパラメータを前提に常伝導を仮定したラジアル・セクター型ＦＦＡＧの検討を行った結果、周長７０ｍ弱の三段カスケード構成となることをすでに示した[1]。本報告では周長を更に短くしカスケード段数を二段に縮小する目的で主電磁石の超伝導化の可能性と問題点について検討を行った。

・機器の小型化と製作性を考慮して、各カスケードにおける軌道の変位幅を1m以下とする。
・ＲＦ空胴や入出射機器の配置、超伝導コイルの冷却構造などを考慮して、１セルあたりのドリフト空間を１m以上とする。
２．２ 光学計算[2]図１は最大磁場６Tを仮定した場合のF-Dダブレッ
ト ラジアル・セクター型FFAGにおける安定領域をリング半径－field index k平面で示す。この時、軌道変位幅が１ｍ以上となる領域が斜線で示されており、軌道変位幅が１ｍ以下となるパラメータが存在することがわかる。
最大磁場が６T以下では安定領域全体がリング半径の増加する方向にシフトする為、軌道変位幅が１ｍ以下となる解が限られてくる。
図１bでは、図１aにおいて軌道変位幅が１ｍ以下となるパラメータについてのみ１セルあたりのドリフト空間長をプロットした。この図から、１セルあたりのドリフト空間長を１ｍ以上確保する為には、最低１２セル以上のラティスが必要であることがわかる。

531

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)

えた。
最大磁場６Ｔ及びfield index k = 10の磁場分布を形成するように収束（Ｆ）及び発散（Ｄ）極のコイル電流値を調整し必要磁場を生成することが出来た。
しかし、図３に示すようにＦ極のコイルは約１０T、Ｄ極のコイルは１８T程度の高磁場に曝されている事がわかる。このようなマグネット構成では、F極に関してはNb3Snで解決できる可能性もあるが、D極に関してはNbTiSn等の高磁場対応の超伝導線材が必要となる。
現状唯一実用超伝導線材と呼ぶことのできるNbTi
で所期のBL積を実現するならば、最大磁場を低減し周長を2倍程度に広げなければならない。周長が60ｍ程度となると常伝導のFFAGと殆ど同程度となる為、超伝導化のメリットは無いと考えられる。
図１：ラジアル・セクター型ＦＦＡＧ（F-Dダブレット）安定領域（最大磁場６Ｔ）(a)リング半径とセル数の関係。実線及び点線は軌道変位幅が１ｍ及び２ｍを示す。
(b)軌道変位幅１ｍ以下のラティスにおける１セルあたりのドリフト長。
２．３ 超伝導FFAGパラメータ
一般にセル数の増加とともにリング半径が大きくなる傾向があることから、ここでは周長が短いセル数１２を仮定して超伝導ラティスのパラメータを表２のように決定した。
セル数12
Field index ｋ10ラティス
ダブレット
Ｆ磁石見込み角10°Ｏ短直線部見込み角
2.6°
Ｄ磁石見込み角
3.7°
Ｏ長直線部見込み角13.7°
Ｆ磁極偏向角46.3°
Ｄ磁極偏向角
16.3°
4.87/1.80
チューン（水平／垂直）
6T/5.94T
最大磁場 Ｆ／Ｄ
6MeV/u-400MeV/u
エネルギー範囲
表２：ラティスの光学パラメータ
入射・取り出し機器の配置も考え、ＲＦ空胴は最大６台を長直線部に配置する。この場合、ＲＦ電力は１８５ｋＷ程度と見積もることが出来、ＲＦ空胴１台につき４枚（厚さ２５ｍｍ）のファインメットコアを装荷する事にした。

３．超伝導マグネット
ここではコイル製作の容易さ、プレストレスの容易さ、ならびにコイル跳ね上げ部での磁場の乱れの問題等を考慮して、コイル配置が磁場分布の傾きとともにコイル断面積の増加する図２に示す形式を考

図２：最大磁場６T及びｋ=10の磁場分布形成の為のコイル配置。

図３：コイルにおける磁場分布上下のコイルはそれぞれ発散及び収束極に対応。

４．超伝導化の検討結果
図２のような超伝導電磁石ではD磁極において高磁場対応の超伝導線材が必要となる。このような新たな線材開発を前提として更に検討を行った結果、各要素間の磁気的な干渉によるRF空胴のシャント抵抗の低下など超伝導化による小型化の問題点が明らかとなった。
まず、前述した超伝導電磁石モデルを２台用意し、主電磁石間にRF空胴用のファインメットコア（厚さ532

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)25mm）を４枚配置した場合のTOSCAによる磁場計算を行った。図４に示すように、ほぼ全てのコアで飽和磁束密度（１．２T程度）に達してしまう為、RF用のコアとしては使用できないことがわかった。この時主電磁石端部と隣接するコアとの距離は約２０ｃｍであり、主電磁石とコア間にシールド材を配置した場合でも磁場飽和を解消する事ができない。

図５：メディアン上のコア中磁場分布。
主電磁石とコアの配置距離が２０ｃｍから２００ｃｍと変化するに従い磁束密度が低下することがわかる。

５．まとめ
常伝導FFAGの検討結果を踏まえ、周長を更に短くしカスケード段数を二段に縮小する為に主電磁石
図４：主電磁石間に配置されたコア４枚の磁場分布。 の超伝導化による検討を行った。超伝導マグネットに関してはサイズの違うトロイダルコイルを動径方左２枚がF磁極、右2枚がD磁極に近接したコア。矢向に段々状に配置することで必要磁場分布を形成す印で示された部分は飽和状態を示す。
ることにした。しかし、Ｄ磁極のコイルにおいて磁場が最大で１８Ｔ程度となる事から実用超伝導線材
次に、主電磁石の漏洩磁場の影響を軽減する為にＮｂＴｉでは実現不可能であり、高磁場対応の超伝必要なドリフト長を見積もった。主電磁石に最も近導線材の開発が必要となることがわかった。
接したコア１枚と主電磁石１台の配置距離の違いに
次に、主電磁石とＲＦ空胴の磁気的な干渉に関しよる漏洩磁場の影響をＴＯＳＣＡ磁場計算を使っててＴＯＳＣＡを使って解析した結果、表２のラティ解析した結果（図５参照）、コアが主電磁石端部かスではドリフト空間内に配置したファインメットコ
ら８０ｃｍ程度の範囲ではコア内部の磁束密度は飽
ア４枚の全てで飽和磁束密度に達してしまい使用で和し、それ以上では距離に反比例する形で磁束密度きなくなることがわかった。更に、コア内での磁場が減少することがわかった。コアの位置が主電磁石飽和を軽減する為にはドリフト空間を３ｍ程度以上端部から１４０ｃｍ程度離れる場合に飽和磁束密度確保する必要があり、軌道安定性の観点からも困難の半分程度（６０００ガウス）、更に２００ｃｍでである。
約１／４（３０００ガウス）に減少する。仮にコア
医療用の超伝導ＦＦＡＧ加速器に関しては高磁場全面においてコア中磁場が６０００ガウスであると対応の新たな超伝導線材の開発が必要となるだけですると、ファインメットのB-Hカーブ及びコアの静なく、要素間（主電磁石とＲＦ空胴など）の磁気干磁場特性の測定結果から約２０％程度のシャント抵渉による影響も大きいなど、現状では実現性が低い抗の低下に繋がると予想される。この程度のシャンと考えられる。
ト抵抗の低下に抑える為には少なくともドリフト空間を３００ｃｍ以上確保する必要があるが、図１bから軌道安定性を満足し１．５ｍ以上のドリフト空間を有するパラメータは存在しない事がわかっている。コアへの漏洩磁場の影響を軽減する為には周長を２倍程度長くしカスケード段数を増やす事によりドリフト空間を拡張する必要があると考えられる。

参考文献[1] 三須敏幸、岩田佳之、北條悟、杉浦彰則、金澤光隆、
宮原信幸、村上健、山田聰、「がん治療用小型ＦＦＡＧ加速器の開発研究Ｉ」、第２８回リニアック技術研究会(2003)[2] T. Misu, et. al., “Development of Compact FFAG

Accelerator for Heavy Ion Radiotherapy”, Proc.
EPAC2002, Paris, France, p.599 (2002)

533