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

PASJ2022 WEP006

東北大 CYRIC における大強度負イオン加速に向けた
サイクロトロン加速器入射系のビーム軌道計算
SIMULATION OF THE BEAM TRAJECTORY
IN THE CYCLOTRON ACCELERATOR INCIDENT SYSTEM AT CYRIC
FOR HIGH POWER NEGATIVE IONS ACCELERATION
服部幸平 ∗,A) , 伊藤正俊 A) , 足立智 A) , 米倉章平 A) , 篠塚勉 A) , 今間可奈子 A) , 林拓夢 A) , 細谷弦生 A) , 山崎峻平 A) ,松田洋平 B) , 山﨑敦博 B) , 福田光宏 C) , 神田浩樹 C) , 依田哲彦 C) , 中尾政夫 D) , 倉島俊 E) , 宮脇信正 E) , 涌井崇志 F)

Kohei Hattori ∗ , A) , Masatoshi Itoh A) , Satoshi Adachi A) , Shohei Yonekura A) , Tsutomu Shinozuka A) ,Kanako Komma A) , Hiromu Hayashi A) , Genki Hosoya A) , Shumpei Yamazaki A) , Yohei Matsuda B) ,Nobuhiro Yamasaki B) , Mitsuhiro Fukuda C) , Hiroki Kanda C) , Tetsuhiko Yorita C) , Masao Nakao D) ,Satoshi Kurashima E) , Nobumasa Miyawaki E) , Takashi Wakui F)A)
Cyclotron and Radioisotope Center, Tohoku University
B)
Konan University
C)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
D)
Gunma University Heavy Ion Medical CenterE)
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science andTechnology
F)
Institute for Quantum Medical Science, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology

Abstract

We have simulated the beam trajectory of the D− ion in the CYRIC injection system comparing it with the realistic
injection parameters. We discussed how to improve the injection system. The simulation was performed with the IBSimu
which used to determine the initial beam distribution, and the code OPAL, which can track particles with 3D space charge,
was used for beam transport. The magnetic ﬁeld of each element in the injection system was calculated using the FEM.
The simulated results agreed with the observed beam currents up to −450 µA, but the beam diverged at −2.5 mA.
We concluded that this was because the space charge compensation was not taken into account in the OPAL-t mode.
Improvements of each element of the injection system were clariﬁed with reference to the calculations in agreement withthe experiments.

1.

2.

はじめに

東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセン
ター（CYRIC）では大強度の加速器中性子生成に向けて新たに負イオン源を導入した。現在、重水素のエネル
ギー 25 MeV、引き出しビーム電流値 100 µA 以上という目標に向け、マルチイオン源による多種多様なイオンを加速できる環境を維持しつつ大強度の負重水素イオンを効率よく加速するための研究を行っている。
大強度負重水素イオン加速におけるビーム損失の大きな原因として考えられる空間電荷効果は、エネルギーが低くビーム電流が大きい低エネルギービーム輸送時に強く働く。そのため負イオン源からサイクロトロン加速器までのビームの振る舞いを理解し、入射効率の改善を進める必要がある。本研究では、イオン源におけるビー
ムの初期分布を Ion Beam Simulator (IBSimu) [1] を用いた光学計算で決定し、三次元の空間電荷効果を考慮した軌道計算を Object Oriented Parallel Accelerator Library(OPAL) [2] を用いて行った。本稿では、シミュレーショ
ンによる実験値の再現性と CYRIC 低エネルギービーム
輸送系の改善策について報告する。
∗ hattori@cyric.tohoku.ac.jp

イオン光学計算

後述の軌道計算では、ビームの初期分布をガウシアン
として σx , σpx , 相関係数を用いて定義する。そこでこれらの値を決定するために、IBSimu を用いて負イオン源
内部の光学計算を行い、rms エミッタンス ϵrms を含む
Twiss parameters を求めた。プラズマ領域における初期
イオンの状態を決定するプラズマパラメータに関してはサンプルコードを参考に条件を変えて計算したなかで軌道計算が実験をよく再現したもの採用した。負イオン源の内部については Fig. 1 のような構造をしており、二つのレンズ系と GND 電極によりイオンが加速され引き出される。Table 1 に計算結果を示す。

Figure 1: Cross sectional view of 3D optical simulaiton.

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Table 1: Optical Simulation Result
Beam current [µA]
−100
−450
−2570

3.

ϵrms,x [mm mrad]
18.6
27.3
36.8

ϵrms,y [mm mrad]
20.9
27.1
40.0

軌道計算

OPAL を用いて低エネルギービーム輸送系における軌
道計算を行った。ビームラインや直線加速器の粒子軌道計算に用いられる OPAL-t では DC ビームを扱うことができないため、今回はバンチ長 1 m のビームを輸送し、さらにバンチの中心 10 cm を解析対象とすることで DC
ビームを模擬した。
磁場要素については、CYRIC の負イオン入射系には計7 つのグレーザーレンズと 90 度偏向磁石、3 対のステア
リング電磁石がある。サイクロトロン中心付近ではメイ
ンコイルによる磁場の影響を考慮し、ステアリング電磁
石は補正用であるため今回は体系に含めなかった。また
偏向磁石については OPAL で用意されているデフォルトの磁場を使用した。そのほかのグレーザーレンズとメイ
ンコイルについては 有限要素法解析ソフト CST studiosuite [3] を用いて計算を行った。また、サイクロトロンのビーム強度増強のためのビームバンチャー [4] についても電場計算を行い、テストの条件に合わせてビームをバンチングした。インフレクターについては、OPAL-t
では実際のスパイラル状の電極を定義することができな
いので、インフレクター入口の径に合わせて直径 12 mmの円筒状のコリメータとした。
現状の入射系ではビーム電流（ビーム通過率）のみ
ファラデーカップとインフレクター電極で得ることができるので、今回の軌道計算では通過率に注目して再現性を確認した。ここでシミュレーションにおける通過率はイオン源における粒子数で各位置における粒子数を除算した値とし、実験値についてはビームバンチャーのメッシュ構造によるビーム通過率を 90% とし、ビームバン
チャーより後ろで測定した通過率を 0.9 で除算した値を
軌道計算の比較に用いた。

4.

Figure 2: Pass rate of beam along path length and plot processed experimental data (−100 µA at ISFC). The coloredbackground is the area where the magnetic ﬁeld of 0.1 mTor more exists.

Figure 3: Beam trajectory projection (−100 µA at ISFC).
Red lines indicate areas containing 30%, 60% and 90% of
the beam from the inner line.

シミュレーション結果

4.1 ビームの通過率
イオン源ファラデーカップの電流値 −100 µA の計算結果を Fig. 2 と Fig. 3 に示す。 OPAL を用いた軌道計
算は、ファラデーカップとインフレクターにおけるビー
ムの通過率の測定値と概ね一致した。
次 に 、イ オ ン 源 フ ァ ラ デ ー カ ッ プ に お け る 電 流 値−2.57 mA の計算結果と実際の測定値を Fig. 4 に示
す。計算結果では輸送初期においてほとんどの粒子が発散するため、実際の輸送と一致しなかった。OPAL-t で
空間電荷効果を考慮しない軌道計算も行ったが、Fig. 4の一点破線で示すように実際の通過率より良い結果となった。これより空間電荷効果を考慮しない計算と空間電荷効果を考慮した計算の中間の計算が実際の輸送を再現すると考えられた。これは OPAL-t で実際の入射系で働く空間電荷補償を考慮していないことが原因だと考えられる。実際の輸送においては、イオン源やビームパイ

Figure 4: Pass rate of beam along path length and plot
processed experimental data (−2.57 mA at ISFC).

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プ内に存在する残留ガスがビームにより電離した際に陽イオンが生じる。この陽イオンが負イオンビームのポテ
ンシャルにトラップされることによりビームの空間電荷効果は緩和される。−100 µA の場合も空間電荷効果を考慮せずに計算を行ったが、空間電荷効果を考慮した場
合の通過率と差がほとんどなかった。空間電荷効果がわ
ずかしか働いていないため、いずれも測定値と良く一致しており、−100 µA では空間電荷効果が小さいことがわかった。
−100 µA の場合の計算結果から、ビームが大きく失われるのは最初のグレーザーレンズに到達する前の輸送
初期とビームバンチャー位置、輸送終盤の磁場が存在する位置であることが分かった。

4.2 グレーザーレンズの励磁電流に対する通過率の変化
前項では、イオン源ファラデーカップにおけるビーム
電流値 −100 µA の場合は、OPAL を用いた軌道計算が実際のビームの通過率と良く一致した。Figure 2 では、輸送初期におけるビームロスが顕著であり、最初のグ
レーザーレンズの位置を最適化する必要があると考えられる。そこで、OPAL でグレーザーレンズの励磁電流を変えた場合のビームの通過率の変化も実際の輸送を再現することを確かめた。実験では最適化したグレーザー
レンズを用いて輸送した時の通過率を基準に、通過率が−5%, −10%, ... , −50% まで減る励磁電流を記録した。
この励磁電流に対して OPAL で軌道計算、ビームの通過率を調べた結果が Fig. 5 である。グレーザーレンズの定格電流の範囲内で実際の輸送でグレーザーレンズに流す
励磁電流を変えた時のビームの通過率の変化も再現することができた。今後は OPAL を用いてグレーザーレンズの位置、励磁電流の最適化を行う予定である。

Figure 6: Result of trajectory simulation by adjusting
space charge effect using IBSimu (−2.57 mA at ISFC).

でのビーム軌道計算を行った。イオン源ファラデーカッ
プにおける電流値が −2.57 mA では再現に至らなかったが、これは OPAL-t では空間電荷補償が考慮されていな
いことが原因であると考えられる。一方、−450 µA ま
ではビーム輸送の通過率がよく一致しているため、今後も OPAL を用いて計算を行っていく。今回検討した課題
は、輸送初期におけるビームの発散とビームバンチャーのアパーチャーによるロス、偏向後の収束不足である。
これらに関しては OPAL を用いて最初のグレーザーレン
ズの位置の最適化、及びその他のグレーザーレンズの磁場の最適化を行い、通過率を改善する。
また、空間電荷補償についてはガス注入ポートを整備
し、CYRIC の輸送系における実証実験を行い、空間電荷を調整した計算 (Fig. 6) と比較することで、ビーム輸
送における影響の評価と今後の運用を検討する予定である [5]。

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。

参考文献

Figure 5: Pass rate of beam along path length and plot
processed experimental data (−100 µA at ISFC).

5.

まとめ

大強度負重水素イオン加速の実現に向けて、現状の課
題と改善策を検討するために、IBsimu と OPAL を用いてイオン源内部からサイクロトロンのインフレクターま[1] T. Kalvas et al., ”IBSIMU: A three-dimensional simulation
software for charged particle optics”, Rev. Sci. Instrum. 81,
02B703, (2010).
[2] A. Adelmann et al., ”OPAL a Versatile Tool for Charged
Particle Accelerator Simulations”, arXiv e-prints, p.
arXiv:1905.06654, May 2019.
[3] https://www.3ds.com/ja/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/[4] 藤田 正広ほか, ”東北大学サイクロトロン RI センター 930
型 AVF サイクロトロンの現状”, The 14th Symposium on
Accelerator Science and Technology, 2003.
[5] C. A. Valerio lizarraga et al., Negative ion beam spacecharge compensation by residual gas , Physical Review- 519 -

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Special Topics Accelerators and Beams, 2015.

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