Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP005

高強度小型サイクロトロンの実現に向けた LEBT の研究

NUMERICAL SIMULATION OF LOW ENERGY BEAM TRANSPORTATION FOR A
HIGH-POWER COMPACT CYCLOTRON山﨑敦博#, A), 松田洋平 A), 伊藤正俊 B) , 足立智 B), 服部幸平 B), 米倉章平 B), 篠塚勉 B), 福田光宏 C),
依田哲彦 C), 神田浩樹 C), 武田佳次朗 C), 原隆文 C), 倉島俊 D), 宮脇信正 D), 涌井崇志 E), 中尾政夫 F)
Nobuhiro Yamasaki#, A), Yohei MatsudaA), Masatoshi ItohB), Satoshi AdachiB), Kohei HattoriB),
Shohei YonekuraB), Tsutomu ShinozukaB), Mitsuhiro FukudaC), Tetsuhiko YoritaC), Hiroki Kanda C),
Keijiro TakedaC), Takafumi HaraC), Satoshi KurashimaD), Nobumasa MiyawakiD),
Takashi WakuiE), Masao NakaoF)
A)
Department of Physics, Konan University
B)
Cyclotron and Radioisotope Center, Tohoku UniversityC)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
D)
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, National Institute for Quantum Radiological Science andTechnology
E)
National Institute of Radiological, National Institutes for Quantum and Radiological Science and TechnologyF)
Heavy Ion Medical Center, Gunma UniversityAbstract

In order to stably supply medical RI to the domestic patients, development of a high-power compact cyclotron
accelerator is awaiting. However, there are some problems to be solved. One of the problems is the effect of the spacecharge, especially for beams the energy of which is low. In this study, we have investigated a method and its feasibility
to transport the beam. With the simulation tool OPAL, transportation of a H- beam from a negative ion source to a
cyclotron in CYRIC was calculated. It was found that a 1mA beam can be injected to the cyclotron by increasing thebeam energy. In order to investigate whether such a beam can be extracted from a ion source without the problem ofdischarge, calculations of the electric field and high-voltage tests in the ion sources placed at RCNP were performed.
Based on the calculation, solutions to the problem were discussed.

1.

はじめに（RCNP）のイオン源は引き出し電圧を 10 kV 台から50 kV まで引き上げる改良をおこなっている。そこで本研究では、RCNP にある SCECR[3]と HIPIS[4]について電場計算をもとに放電対策を施し、実際に高圧化できるか試験を行った。

核医学検査や核医学療法に用いられる医療用 RI の国内安定供給に向けて高強度の小型サイクロトロン加速器の実現が望まれている。この高強度化で問題となるのが空間電荷効果である。空間電荷効果は低エネルギービームに対して強く働くため、低エネル 2. 輸送効率の電流依存性ギービーム輸送系（LEBT）の輸送効率に影響する。 CYRIC の LEBT の概略図を Fig. 1 に示す。イオン
本研究では LEBT の空間電荷効果について検討した。 源から出たビームは 7 台のソレノイド磁石、1 台のまず初めに三次元空間電荷効果を考慮したシミュ 偏向磁石とバンチャーを通過して加速器へと入射さレーションツール OPAL[1]を用い、ビーム電流とエ れる。輸送計算の条件を Table 1 に示す。輸送時のネルギーが LEBT の輸送効率に与える影響について ビームエネルギーは陽子 70 MeV 加速時の値と同じ検討した。東北大学ラジオアイソトープセンター である。計算では輸送効率が最も良くなるようにソ（CYRIC）では昨年度大強度負水素・重水素イオン レノイド磁石の磁場を調整した。計算結果を Fig. 2源[2]が導入された。このイオン源は、1mA 以上の負 に示す。縦軸が輸送効率、横軸がビームの進んだ距イオンを供給することが可能である。そのようなこ 離を表している。オレンジ色の部分がソレノイド磁とから本研究では、今後比較可能な CYRIC の LEBT 石 、 紫 色 の 部 分 が 偏 向 磁 石 、 青 色 の 部 分 が バ ン
における負水素イオンの輸送計算を行った。空間電 チャーの位置を表している。電流値が大きくなると荷効果の問題は、本研究の輸送計算でも示されるが、 空間電荷効果の影響を強く受け、加速器への入射効ビームエネルギーを上げることで緩和される。しか 率が下がる。その理由は、7 m 付近と 8.5 m 付近にあしその実現にはイオン源や中心領域での放電が問題 るバンチャーとインフレクター径がその他の部分よと な る 。 現 在 、 大 阪 大 学 核 物 理 研 究 セ ン タ ー り小さくなっており、空間電荷効果によって広がったビームが削り取られてしまうからである。加速器____________________________________________#
へ入射可能な最大の電流値は 200 μA で頭打ちとm2221001@s.konan-u.ac.jp- 282 -

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PASJ2022 TUP005なった。バンチャー部分ではビーム電流が小さく 3. 輸送効率のエネルギー依存性なっていることによりビームを空間的に圧縮した際空間電荷効果の影響を抑える方法の一つとして、の空間電荷効果の影響は見えにくかった。既存のビームエネルギーを上げることが考えられる。ビー
LEBT は空間電荷効果を考慮して、ソレノイド磁石
ムの輸送効率とエネルギー依存性を調べるために、が配置されているわけではない。イオン源に近い３Table 1 と同じ条件で、エネルギーのみ 50 keV に変つのソレノイド磁石の位置を変化させ電流値が 2 mA
更 し て 計 算 を 行 っ た 結 果 を Fig. 3 に 示 す 。の時の輸送効率が向上するか計算を行った。その結12.4749 keV の時に比べ全ての電流で輸送効率が向上
果、初段のソレノイド磁石で輸送効率をわざと落としている。また約 7 m 付近までは輸送効率がほとん
すことにより最終的な輸送効率は約 2.5 倍になった。
ど落ちていない。これはビームの速度が大きくなり、しかしビームの広がりを根本的に解決するものでは空間電荷効果でビームが広がる前にソレノイド磁石ない。
までビームが輸送されたからである。輸送効率のエ
ネルギー依存性を確認するために電流値を 10 mA に固定して、エネルギーを 30 keV から 100 keV に変化させて行った計算結果を Fig. 4 にまとめる。エネル
ギーと入射効率の関係が 50 keV までほとんど線形になっている。またエネルギーが約 35 keV 以上であれ
ば 1 mA のビームを加速器へ入射可能である。
Solenoid magnet

Deflector magnet

Buncher

Figure 1: Schematic view of LEBT in CYRIC.
Table 1: Calculation Conditions
Particle

H-Energy

12.4749 keVCurrent

1 nA - 10 mA

Emittance

εN=0.1042 mm mrad

Initial distribution

Gaussian distribution

Solenoid

Magnetic field: free parameter

Buncher

The voltage was set to converge the beamat the center of the accelerator.
Solenoid magnet

Figure 3: Transmission efficiency of H- beams. The
extraction voltage is 50 kV.

(σ: 6.6687mm, 6.852×10-5)

Deflector magnet

Buncher

Figure 4: Correlation between the beam energy and thetransmission efficiency.

4.
Figure 2: Transmission efficiency of H- beams as afunction of the distance from the ion source. The extraction
voltage is 12.4749 kV.

イオン源の高圧化における放電対策

空間電荷効果によるビームの広がりを根本的に解消するには高圧化が必要である。しかしその高圧化において、問題となるのが放電である。そこで三次元電磁場計算ソフトを用いて、放電箇所並びに放電対策を推測できるか調べた。大気中の放電を議論す- 283 -

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るために RCNP にある SCECR の六極磁石部分、また真空中での放電を議論するために HIPIS の引き出し電極の電場計算を行なった。そして電場計算をもとに放電対策を施し、実際に高圧化できるか試験を行った。ては、0.5 torr 以下の真空度の元で電極を±2.7 mm の精度で固定すれば 50 kV 印加可能である事が計算から判明した。

4.1 SCECRSCECR の六極磁石部分の断面図を Fig. 5 に示す。
特に電場が強くなっていた箇所は丸で囲んだ六極磁石の螺子付近であった。50 kV 印加した時の電場分布を図の右側に示す。実際に高圧試験を行ったところ、六極磁石の螺子付近で放電が起こっていることが確認された(Fig. 6)。放電対策としては、電場を弱くする、隙間を埋めて電子の加速領域を短くすることが考えられる。該当箇所が大気中であることとビームが当たって絶縁物の絶縁が悪化することがないため、ネジに金属製の覆いをつけ電場勾配を緩め、高圧と設置電位間を絶縁体で埋めた。これらの放電対策を施した結果、六極磁石に 50 kV を印加することに成功した。

Figure 7: The electrode of HIPIS.

Figure 8: Photograph of discharge near the electrode. Thecircle indicates the discharge point.

5.
Figure 5: Cross-sectional view of the central region ofSCECR where the sextupole magnet is installed. Rightside: Electric field around the screw. The supply voltage is50 kV.

Figure 6: Photograph of the discharge near the screw.
4.2 HIPISHIPIS の電極に 50 kV 印加した時の電位を Fig. 7 に示す。丸で囲われている箇所は、電極と接地電位の構造物の間隔が最も狭くなっており、電場が最も強くなっていた。実際に高電圧を印加すると、この辺りで放電が起きた(Fig. 8)。該当箇所の放電対策としまとめ

高強度の小型サイクロトロン加速器の実現に向け、ビーム電流とエネルギーが LEBT の輸送効率に与える影響について検討した。
三次元空間電荷効果を考慮したシミュレーション
ツール OPAL を用い、東北大学 CYRIC の LEBT に対して負水素イオン輸送計算を行った。輸送時のエネルギーが 10 keV の場合、空間電荷効果により、加速器まで輸送できる電流値は 200 μA が限界となった。
既存の LEBT において空間電荷効果の影響を根本的に解消するためには、ビームエネルギーを上げることが有効であることが示された。
既存の装置の高圧化に伴う放電について検討するため、三次元電磁場計算ソフトを用いて大阪大学
RCNP のイオン源（SCECR、HIPIS）の電場計算を行った。電場計算と実際の放電現象を比較することでイオン源、LEBT、中心領域における高圧化の知見を得ることができた。

謝辞

本研究は JSPS 科研費 JP20H04454 および国立研究開発法人科学技術振興機構産学共創プラットフォー
ム 共 同 研 究 推 進 プ ロ グ ラ ム (JST 、 OPERA 、JPMJOP1721)の支援を受けて実施しました。

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参考文献[1] A. Adelmann et al., “The OPAL (Object Oriented Parallel
Accelerator Library) Framework”, Technical Report PSIPR-08-02, Paul Scherrer Institute, 2008-2015.
[2] H. Etoh et al., “Development of High Current Negative Ion
Source for Cyclotrons”, SUMITOMO HEVY INDUSTRIESTECHNICAL REVIEW 189 Apr. 2016, 7-9.
[3] T. Yorita et al., “Development of an 18 GHz
superconducting electron cyclotron resonance ion source atRCNP”, Rev. Sci. Instr. 79 (2008) 02A311.
[4] K. Hatanaka et al., “Performance of the RCNP polarized ionsource”, Nucl. Instr. And Meth. A 384 (1997) 575-582.

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