Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

若狭湾エネルギー研究センター シンクロトロンの現状
THE STATUS OF THE SYNCHROTRON OF THE WAKASA WAN ENERGY RESEARCHCENTER
栗田哲郎 ∗A) 、羽鳥聡 ∗A) 、林豊 ∗A) 、長崎真也 ∗A) 、廣戸慎 ∗A) 、小田桐哲也 ∗A) 、島田麻亜久 ∗A)
山田裕章 ∗A) 、山田和彦 ∗A) 、山口文良 ∗A) 、淀瀬雅夫 ∗A) 、清水雅也 ∗A)Tetsuro Kurita∗ A) , Satoshi HatoriA) , Yutaka HayashiA) , Shinya NagasakiA) , Shin HiroroA) , Tetsuya OdagiriA) , Mark ShimadaA)
Hiroaki YamadaA) , Kazuhiko YamadaA) , Fumiyoshi YamaguchiA) , Masao YodoseA) , Masaya ShimizuA)
A)
The Wakasa Wan Energy Research CenterAbstract
The accelerator complex at the Wakasa Wan Energy Research Center (WERC) consists of a 5 MV Schenckel type
tandem accelerator and a 200 MeV proton synchrotron. Using this system, the element analysis,medical, biological andmaterial sciences are performed. We report the operation status, the improvement of the vacuum system and commissioning of new beam feedback system of RF Control.

はじめに

若狭湾エネルギー研究センター加速器施設 (W-MAST)
は、タンデム加速器および、それを入射器としたシンク
ロトロンによって、広範囲のエネルギーのイオンビーム（陽子 : 数 MeV-200 MeV; He, C : 数 MeV/u-55 MeV/u）
を様々な実験に供給している [1] 。シンクロトロンからのビームは、がん治療の基礎研究および材料/生物/細胞への照射実験に利用されている。
2011 年 1 月からタンデム加速器の絶縁コラム交換作
業より長期間の運転の中断が発生したが、2012 年 7 月より運転が再開している。この間に、シンクロトロン入出射ラインのビームダクトのメタルシール化をおこな
い真空度の向上を図った。
また、加速高周波制御系を更新し、様々な機能を付加させる開発を行っている。もっとも大きな改良は、ビームフィードバック制御系である。これまで、フィードバック信号を VCO で周波数に変換してから、DDS の出力に足し合わせていたが、ADC で DSP に読み込み、DDS に直接反映させる方式を開発した。

2.

ぼフル稼働したことになる。そのうち、シンクロトロンからビームが供給された割合は 45 %であった。
2013 年は 3 月から運転を開始しており、タンデム加速器のターミナル電圧も定格の 5 MV が復活した。実験時間の復活が期待できる。
Figure 2 にシンクロトロンからのビームの 2012 年度のテーマ別の統計を示す。例年通り、もっぱら医療および生物の照射実験に使用されている。
2500	  2000	  実験時間 [hour]	  1.

He2+	  220MeV	  1500	  C6+	  <660MeV	  C6+	  660MeV	  H+	  <100MeV	  1000	  H+	  <180MeV	  H+	  200MeV	  500	  タンデム加速器	0	  2005	   2006	   2007	   2008	   2009	   2010	   2011	   2012	  年度	Figure 1: Trend of Experimental Time Categorized by ion
and energy.

運転状況Figure 1 に近年のビーム別の実験時間（加速器の調整/コンディショニングなどの時間を含めず、実験にビームを供給した時間）の推移を示す。
近年、シンクロトロンの入射器であるタンデム加速器の耐電圧性能劣化し、修繕作業のために多くの時間が割かれ、2009 年以降では、それ以前より実験時間が減る傾向にあった。2011 年 1 月から 2012 年 6 月まで、タンデム加速器の絶縁コラムの交換作業のために長期間の運転の中断が発生した。
2012 年度は 7 月から 12 月まで運転が行われた。タ
ンデム加速器の絶縁コラム交換作業のために従来より、少ない運転期間である。実験にビームを供給した総運転時間は 1135 時間であった。 整備の為にビームを供給できた期間は短かったが、 週休 2 日で、夜間は加速器の調整/コンディショニングを行う体制のもと、6 ヶ月間ほ材料照射	10%	  開発	
14%	  医療（基礎/開発)	  32%	生物照射	
44%	  Figure 2: Beam Time Breakdown by Experimental Interests.

∗ tkurita@werc.or.jp- 367 -

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入出射ビームラインの真空度の改善

若狭湾エネルギー研究センター加速器施設のシンク
ロトロンのカーボンビームの加速効率は、真空度に大きく制限されていた。そのため、2009 年度には、２台のイオンポンプ (140 L/s) をクライオポンプ (1400 L/s)に置き換え、入出射部のチャンバーの O-ring の材質をニトリルゴムから耐放射線性バイトンに変更した。さらにベーキングを行うことにより、平均の真空度を 8.6× 10−6 Pa から 8.2 × 10−7 Pa に向上させた [2] 。これにより、20 MeV 入射時のカーボンビームの加速効率が 8%から 39 %に向上した [3] 。
2010 年度には、イオンポンプの更新が行われ、排気量が 140 L/s から 220 L/s に増強された。これによって、平均真空度が 7.5 × 10−7 Pa まで向上した [3] 。
実際にビームを輸送する際にビームラインに接続すると、ビームラインの真空度の影響を受け、シンクロトロンの真空度は 1.3 × 10−6 Pa まで真空度が悪化する。
シンクロトロン本体だけでなく、接続されるビームラインの真空度も向上させる必要がある。
シンクロトロンの入出射ラインの真空度の向上を図るべく以下の対策を行った。

• 超高真空計の設置• 包括的なリークチェックおよびリーク箇所の修繕• ビームラインダクトのメタルシール化
ビームラインダクトのフランジには O-ring シールのISO-KF フランジが使われていた。このフランジの O-ringを EVAC 社のアルミエッジシールに交換した。EVAC 社の仕様では、EVAC 社のチェーンクランプを用いてフランジを接続することになっている。しかし、溶接に伴うフランジのゆがみにより、チェーンクランプでは十分な潰ししろを確保できなかった。そこで、独自のボルトで固定するクランプを開発し（Figure 3）、ビームダクトのメタルシール化に成功した。これにより、入射ラインの真空度が 2.7 × 10−4 Pa から、2.1 × 10−5 Pa まで向上した。
ボルト締めクランプ

ISO-KF フランジ

アルミエッジシール

Figure 3: A Custom Clamp for a Metal Sealing ISO-KF
Frange
出射ラインについては、三台設置されているプロファ
イルモニタすべてに真空リークが発見された。部材調達の都合で、2011 年度の整備期間内には完全にリークを修繕することができなかった。2012 年度は一台の修繕を行ったが、未だリークを修繕しきれていないプロフィアイルモニタが残り、出射ラインの真空度は 3.5 ×10−4 Pa にとどまっている。

Figure 4 に入出射ビームラインのゲートバルブを開閉させた時の、シンクロトロンの入出射部の真空度の変化を示す。入射部のゲートバルブを開いても、シンクロトロンの真空度はほぼ変化しないが、出射部のゲートバルブを開くとシンクロトロンの真空度に影響する。2013年度の整備期間中に、プロファイルモニタのリーク対策を行うことを予定している。

9.10E-­‐06	  8.10E-­‐06	  7.10E-­‐06	  真空度 [Pa]	  3.

6.10E-­‐06	  ビームラインゲートバルブ閉	

5.10E-­‐06	  入射ラインゲートバルブ開	
4.10E-­‐06	  出射ラインゲートバルブ開	

3.10E-­‐06	  2.10E-­‐06	  1.10E-­‐06	  1.00E-­‐07	  入射部真空度	

出射部真空度	Figure 4: Vacuum Influenced by Injection and Extraction
Beam Lines.

4.

加速 RF 制御系の更新とビームフィードバックの改善

2009 年から加速 RF 制御系の更新に取り組んできた [2, 3] 。2011 年にインストールがおこなわれ、2012 年からデバッグをおこなっている。
Figure 5 に加速 RF 制御系の概要を示す。主発振器
DDS が用いられ DSP に制御されている。偏向電磁石に設置してあるサーチコイルで検出された B-Clock 信号
に従い、DSP が DDS の周波数を更新する。ビーム位置検出器によって検出されたビーム位置および位相信号によって生成したフィードバック信号は Voltage ControlOscillator(VCO) を使用して周波数に変換し DDS の出力に加算していた。
従来は、アナログ信号であるフィードバック信号が制御室から本体室まで搬送されており、その間でノイズが重畳する。このため、ビームフィードバックが動作していない捕獲中や出射中に不安定性があった。また、制御のための DSP および DDS がリング内の放射線環境下に設置されており、しばしば DSP のエラーによる停止もしくは動作の異常が発生した。
そこで、まずは DSP および DDS を本体室から制御室に移設し、DSP および制御系 PC の更新とともに、フィードバック信号を本体室の VCO に伝送せず、ADC でデジタル化し DSP において DDS の設定値に加算する方式を開発した。
フィードバック信号による周波数の補正は DDS の設
定時間および DSP の処理速度の制約により、現状 50kHzで行っている。AD 変換を開始してから実際に DDS に周波数は反映されるまでの遅延時間は約 8 μ sec である。
B-Clock によって周波数を更新するのではなく、DSPの内部パターンによる更新も行えるようにした。この場
合、B-Clock による割り込みのオーバーヘッドが無くな- 368 -

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制御室

本体室

任意関数発生器（ビーム位置設定信号）

放射線環境下のためしばしばエラーが発生
DSP

バスリピータPC

B Clock
DAC

DSP

DAC

DDS

ADC

RDDS

ΔR

R−L
R+L

ビーム位置信号更新/移設

L
ΔφPhase
Detector
フィードバック信号
処理モジュール

加速空洞電圧モニタ
同期検波

空洞電圧設定信号

ノイズが重畳する。

6.15-7.1 MHz

61.5-71 MHz

71.5 δ - 81 δ MHzSSBMIXER

10VCO0.5 δ -10 δ MHz

加速高周波

加速空洞

10 δ MHz71MHz

Figure 5: RF Crontrol System and Beam Feedback Circuit.

るので、フィードバック信号の反映は 100 kHz で行えている。
Figure 6 にビームフィードバックを使用していないときの ∆ϕ 信号と ∆R 信号を示す。∆ϕ 信号には振動が発生しており、∆R 信号からビーム位置が加速とともに変化していることがわかる。Figure 7 にビームフィードバックを使用したときの ∆ϕ および ∆R 信号を示す。∆ϕ信号に発生していた振動を抑制しビーム位置を一定に調整できていることがわかる。

∆ phi

20
∆ φ [degree]

151050-5-10-15-200100

200

300

400

500

600

700900∆ R4∆ R [mm]80020-2-4∆ phi200∆ φ [degree]

15100200300400500600700800

900

Time from the Injection in msec

1050Figure 7: ∆ϕ and ∆ R signals when beam feedback is enabled.

-5-10-15-200

100

200300400500600

700

8800900∆ R

ターンと実際に発生する磁場の誤差を適切に補正した周波数更新用の内部パターンの生成方法を検討している。

∆ R [mm]

6420

参考文献

-20100200300400500

600

700

800

900

Time from the Injection in msec

Figure 6: ∆ϕ and ∆ R signals when beam feedback is disabled.

現状、B-Clock によって周波数を上昇させる方式で安定に運用ができている。将来的に内部周波数パターンを用いて 100kHz でフィードバック制御を運用する事を目指している。現状、偏向電磁石に設定している磁場パ[1] S. Hatori et al, Developments and applications of accelerator
system at The Wakasa Wan Energy Research Center Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research B241 (2005)862[2] 栗田哲郎 et al., 若狭湾エネルギー研究センター シンクロ
トロンの現状 第 7 回日本加速器学会年会プロシーディ
ング, 2010[3] 栗田哲郎 et al., 若狭湾エネルギー研究センター シンクロ
トロンの現状 第 8 回日本加速器学会年会プロシーディ
ング, 2011- 369 -