I H型 加 速 空 胴 に 関 す る 研 究山本和男1,A)、服൉ 俊幸A)、岡村 昌宏B)、片山 武司B) 、山田
林崎 ֩託A)、柏木 啓次A) 、‫ݗ‬橋 康之A)、畑 寿֬A)A)
東京工業大学 原子炉工学研究所〒152-8550 東京ற目‫ݪ‬区大岡山2-12-1
B)
理化学研究所〒351-0198 埼玉県和光市広沢2-1C)
放射線医学総合研究所〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川4-9-1

聡C)

概要
加速器を用いたガン治療施০の普及のためには、より省஢力で小型の加速器が必要となる。そこで、従来の入射器に変わる新しい加速空胴として加速効率が格段に‫ݗ‬いIH型加速空胴の研究開発を行っている。IH型加速空胴は、同じドリフトチューブ型加速空胴のアルバレ型とは஢磁場の発生モードが異なり、これのために空胴ӕ析の研究は行われてこなかった。
しかし、最‫ؼ‬のコンピューターの進歩により、今回、஢磁場ӕ析ソフトにより加速空胴内の஢場分布・共振周波数を求め、その値を用いた軌道‫ڐ‬算プログラ
ムを開発した。また、マトリックス法により০‫ڐ‬した加速空胴の製作状況についても報告する。

１．はじめに‫ؼ‬年、放射線医学総合研究所（HIMAC)や兵庫県立粒子線医療センターにみられるように、いままでは原子核z素粒子分野で活๥してきた加速器を用いた医療用加速器施০が普及している。しかし、より一般的な医療装置としての幅広い普及のために、加速器の低஢力化・小型化が必অの条件となる。そこで、われわれはシンクロトロン入射器として、加速効率の‫ݗ‬いIH型 加速空胴に 収束要素を 必要としな いAPF(AlternatingPhaseFocus) 構造 を取り 入れ た
APF-IH型線形加速器の研究を行っているが、いままで加速空胴内で発生する஢場分布はその空胴の೪対称性、セル数の多さからモデルを製作し஢場測定するしか知りようがなかった。しかし、ここ数年のコンピューターの進歩によりいままで単純な空胴構造でしか行えなかった数値ӕ析が可能となり、ここにOPERA3Dを用いた஢磁場ӕ析を行い、実際に製作したモデル空胴を用いた஢場測定結果との比Ԕを行った。（比Ԕに用いた加速空胴は、C4+イオンを加速する全ସ約1.3ｍ、空胴径約0.6ｍ、セル数22、運転周波数100MHz、核子あたり40keVから2MeVまで加速可能に০‫ڐ‬された加速空胴の1/2スケールである
図1参照）。 そして、この஢磁場ӕ析により求められた加速空胴内の஢磁場分布を用いて粒子の軌道‫ڐ‬算プログラムの開発を行った。
1

E-mail: 02d19092@nr.titech.ac.jp

Fig1. Layout of a reference cavity

２ .஢ 磁 場 ӕ 析2.1

஢磁場ӕ析

஢磁場ӕ析ソフトとして、今回はOPERA-3Dを使用した。OPERA3DではPre-processorにより求めたい対象構造物を製作し、メッシュを切り有限要素法により‫ڐ‬算させ、post-processorにより‫ڐ‬算結果を評価する。ここで、対称構造物は最初に２次元で平面図を書き、それを奥行きに引き伸ばして3次元を描くために、ドリフトチューブを支えるステムの形状を円柱から四Ԓ柱に置き換えて作成した。メッシュ間隔はドリフトチューブ間が５等分以上、ドリフトチューブの内径が１０等分以上になるように切った。
Fig2. Layout of the cavity

after the optimization with OPERA3D

2.2

モデル空胴測定ｙ

2MeV/uまで加速可能なAPF-IH型線形加速器の1/2スケールモ デルを製作 した。その 共振周波数 は200MHzを予定している。モデルによる஢場測定には摂動法を用い、ステッピングモータにより直径1mmのアルミ球を順次ギャップに送り込み、そのときの共振周波数のずれをネットワークアナライザにより測定し、各ギャップでの஢場強度を求めた。

ｚｘ

Fig5.FigureofdipolecomponentsofEyinOutputregionｙｚ

Fig3. Photograph of the measurement

2.3比Ԕ
1/2スケール空胴の共振周波数は、数値ӕ析によるものは187MHz、モデル測定によるものは206MHzと約1割の誤差が発生した。また、図4に示した஢圧分布の比Ԕにより、シミュレーションによる஢圧分布のほうが入射側付‫ؼ‬で‫ݗ‬く、その代わり出射൉分で低くなっていることがわかる。この両者の原因は、ドリフトチューブを支えるステムに依存しており、今回OPERA3Dに用いたステム形状は図2に示すように実際の円柱ではなく四Ԓ柱で代用しているため、ギャップ間隔の狭い入射側付‫ؼ‬で஢気容量Cが増加したため஢圧が集中し、また共振周波数が低下したと考えられる。したがって、今後はステム形状を円柱に‫ؼ‬づける必要がある。

Fig4.ComparisonofVoltagedistribution

Fig6. Figure of EMOD in Input region
一方 、図 5に 出射 側に ある 20番 目の ドリ フ トチューブに入る直前のTransverse方向の஢場のy成分を示す。ギャップ間隔の広くなる出射側では、ドリフトチューブସとステム径の比率により、ステムによるdipole成分が加速ࡃ‫ؼ‬傍஢場に影‫؜‬を与えることがわかった。今回はステムを円柱から四Ԓ柱にしたせいもあるが、さらに‫ݗ‬エネルギーまで加速する場合を想定すると、この影‫؜‬を考慮に入れる必要がある。また、逆にドリフトチューブ間の狭い入射側付‫ؼ‬には஢場のドリフトチューブ内へのしみこみが見られた。図6にドリフトチューブ内にしみこむ஢
場（強度）を示す。従来のIH型加速空胴の軌道‫ڐ‬算はマトリックス‫ڐ‬算で行われてきた。一般的な定஢場型ドリフトチューブ加速器内の粒子の運動を‫ڐ‬算する場合、その加速域は前段加速が行われたのちで、஢場のドリフトチューブへのしみこみの影‫؜‬が、またステムによるdipole成分の影‫؜‬が関係ないぐらい十分のドリフトチューブସがあった。しかし、これにAPF構造を取り入れ、前段加速が必要としない低エネルギー領域からの加速になると、これらの加速ࡃ‫ؼ‬傍の஢場に与える影‫؜‬が無視できなくなることがわかる。

３ .粒 子 軌 道 ‫ ڐ‬算 プ ロ グ ラ ム の 開 発஢磁場ӕ析とモデル஢場測定結果との比Ԕにより、今後 低 エ ネル ギ ー 入 射か ら ‫ ݗ‬エ ネル ギ ー （ β<=0.15）まで加速する定஢場IH型加速空胴を製作する場合、ドリフトチューブ間の狭い低エネルギー側
では஢場のドリフトチューブ内へのしみこみが、また、ドリフトチューブ間の広い出射側付‫ؼ‬ではステムが加速ࡃ‫ؼ‬傍の஢場に与える影‫؜‬が無視できないことが懸念される。今現在IH型Linacの粒子軌道‫ڐ‬
算プログラムはマトリックス‫ڐ‬算により行われているが、஢磁場ӕ析ソフトにより３次元マップで஢場ベクトルの値を求めることができるので、この値を使った軌道‫ڐ‬算プログラムの開発を行っている。
まず、஢磁場ӕ析ソフトOPERA3Dにより求められる஢場強度は相対的であるので、০‫ڐ‬値の出射エネルギーまで加速するようにこれらの値を決める。
そして、加速ࡃ上に傾き０で入射するビーム群(360度)を入れてLongitudinalAcceptanceを求め、同期粒子（と思われる)のTransverseAcceptanceを求めるプログラムを作成した。なお、医療用入射器として使用することを考えているので、いまのところ空間஢荷効果は考慮に入れていない。

４ .加 速 器 製 作 の 現 在 状 況粒子軌道‫ڐ‬算をマトリックス‫ڐ‬算により行い০‫ڐ‬を行ったC4+イオンを40keV/uから2MeV/uまで加速可能なAPF-IH型線形加速器の製作を行っている。表に
この加速器の特性を示す。この加速器は空洞径560、全ସ1280内に、஢場調整用のリッジと、セル数22のドリフトチューブとステムから構成される。ドリフ
Fig7.Photographofthemanufacturingcavity
トチューブトステムの材ࡐは無酸素௷でそれらはおFig8.PhotographofDrifttubeandstem互いに‫ؿ‬ロウ付けされている。空胴は上タンク、下タンクで中間板を挟む三枚おろし構造で、ステンレ
５ .ま と め と 今 後 の 予 定
スで加工した後に0.1mm௷メッキを行う。ドリフト
チューブのアライメントは、径方向は中心にロッド
OPERAを用いた数値軌道‫ڐ‬算により低エネルギーを通し、ࡃ方向にはギャップସのスペーサーを挟みからの加速ではマトリックス‫ڐ‬算による粒子軌道‫ڐ‬込み行う。なお、表中のアクセプタンス値はともに、 算では誤差が生じる可能性が無視できないと危惧さマトリックス‫ڐ‬算による算出した値である。
れる。そこで、今後はマトリックス‫ڐ‬算により製作した加速器と、新たに開発するプログラムとを比ԔTable1MainParameteroftheLINACしてこの問題に対応していく予定である。
Acceleration Particle
q/A > 1/3
Input Energy
42 keV/u
Output Energy
2.0 MeV/u
Operation Frequency
102.7 MHz
Synchronous Phase-30 , -30 ,+30 ,+30
Number of Cell
22Cavity Length
1280 mm
Diameter of Cavity
560 mmFocusing Sequence-30 , -30 ,+30 ,+30
Transverse Acceptance
99.5π mmmrad
Longitudinal Acceptance
30Transmission
65% by Buncher
Acceleration Voltage/Gap
120-560 kV

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