Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-MOOM03

NIRS-930 における加速位相の調整について
ADJUSTMETN OF BEAM PHASE USING PHASE PROBE
AT THE NIRS-930 CYCLOTRON
北條 悟，片桐 健，中尾 政夫，杉浦 彰則，野田 章
Satoru Hojo, Ken Katagiri, Masao Nakao, Akinori Sugiura, Akira Noda
National Institute of Radiological Sciences

Abstract

The NIRS-930 cyclotron of the National Institute of Radiological Sciences (NIRS) has been used for production ofshort-lived radio-pharmaceuticals for PET, research of physics, developments of particle detectors in space, and so on[1].
The NIRS-930 has twelve trim coils for generation of the isochronous fields. Until recently, currents of the twelve trim
coils had been adjusted only by monitoring the output beam intensity. In order to exactly produce the isochronous fields,a phase probe has been installed in the NIRS-930. The trim coil current was optimized to exactly produce theisochronous fields for 34 MeV helium beams by the phase probe. And the beam phase excursion could be reduced
within 10 degrees from ideal phase. The beam intensity at 34 MeV helium beam was increased to 20 µA.

1.

はじめに2.絶対位相の測定と調整

放射線医学総合研究所のサイクロトロン NIRS等時性磁場の形成のみであれば、位相プローブに930 は、RI 生産を主目的として様々な目的で利用さ よる半径方向の相対的な位相の測定のみで充分であれている。主目的である RI 生産においては、高強 る。しかしながら、より効率良く理想的な位相で加度のビームが要求されており、サイクロトロンに関 速をするためには、Dee 電圧に対する絶対的な位相しても、高強度化のための改良開発を行っている。 を測定する必要がある。そのため、各周波数においそのひとつとして、等時性磁場の形成と、ビームの ての信号ライン時間長を測定し、設置位置による角効率的な加速のために、位相プローブを導入した。 度差を考慮し、Dee 電圧ピックアップ信号に対する、位相プローブは、上下 10 対の電極があり、最も内 絶対的なビーム位相の測定を行った。RI 生産用の側の位相プローブを No.1 としている。No.1 電極の ビームで要求強度 20 µA の 34 MeV ヘリウムについ設置されている半径位置は、234-292 mm で、これ て、強度増強を目指し、理想的な加速位相への調整より内側の位相を測ることはできない。最も外側の を行った[1]。このときの位相調整の結果を Figure 1
No.10 電極は、891-949 mm である。NIRS-930 は 12 に、等時性磁場の調整前を青三角、調整後を赤丸に対のトリムコイルがあり、位相プローブが導入され 示す。ここで、理想的な加速位相を縦軸の 0 度としる以前は、ビーム強度が増えるように調整し、最外 ている。等時性磁場を最適化する前は、40 度の位周まで調整を行っていたため、等時性磁場を作成す 相の幅があったのに対して、トリムコイル電流の調ることができていなかった。位相プローブを導入し 整を行い、等時性磁場を最適化した後では、10 度てからは、半径方向の相対的なビームの位相を比較 の位相幅にすることができている。このときのビーし、トリムコイルの電流を調整し、等時性磁場の形 ム強度、効率をそれぞれ Table 1､2 に示す。等時性磁場を最適化した後に取り出し機構の調整や、ハー成を行ってきた。
ビームの高強度化として、具体的な１例として、 モニックコイル、入射ラインのエレメントなどの調
34 MeV Helium がある。ターゲットへのビーム強度要求として、20 µA の要求があり、ターゲットまでの輸送効率は他のビームにおける低い例である 90%として、これを実現するためにも NIRS-930 からの取り出し後の強度では、少なくとも 22 µA が必要となる。この値を目標としてビーム位相および入射の調整を行った。ビーム強度の上限の目安としては、セプタムに当たる電流値がある。NIRS-930 の取出し高圧デフレクタのセプタムは、入口側 200 mm 程度で損失したビーム電流をモニターできるようになっており、ここでの損失が大きくならないようにビームを調整し、取出し強度を増強する必要がある。
Figure 1: The beam phase of 34 MeV helium.

___________________________________________# s_hojo@nirs.go.jp- 254 -

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整を行っている。その結果、取り出しの効率が上が ビーム強度を実現することができた。結果的に入射り、セプタムでのビームロスを減らすことができ、 エネルギーは、5.0 keV から 5.4 keV へと上った。こ取り出される強度を上げることができた。しかしな れにより、中心領域の磁場が C1､C2 トリムコイル
がら、インフレクターの入射効率や加速効率が下 電流の変更により 50 [Gauss]程度上昇する結果とがってしまっている。その原因として考えられるの なった。このときの、ビーム位相分布を Figure 1 のが、位相プローブ No.1 で理想的な位相へと調整す 緑菱形に示す。30 度以上の理想的な位相からの差るため、サイクロトロンの内側のトリムコイルであ があり、等時性磁場からのズレ幅も 40 度と大きる C1､C2 により、中心領域の磁場の調整をおこ かった Pre-optimized と比較し、加速位相の調整を行なっており、これによりインフレクターの入射効率 い、理想的な位相からの差と等時性磁場からのズレや、加速効率が下がった為、再調整が必要となった。 幅をあわせても±10 度と、大きく改善されている。
また、各ビームモニターにおけるビーム電流値をTable 1: The Beam Intensity of 34 MeV Helium
Table 3 に示す。入射の強度を 50 µA まで上げるこBeam monitor
Pre-optimized
Optimized beamとができ、これにより、取出し後の強度を目標とす
[µA]
phase
る 22 µA を確認することができた。各調整条件にて[µA]
各ビームモニターにおけるビーム強度を併せてFigure 2 に示す。等時性磁場の調整と加速位相の最Inflector
31.039.0
適化を行っただけでは、インフレクターから半径Main probe(13.4)
15.7
100 [mm]までの傾きが大きく、入射の効率が低下しているのが明確に見える。また、下流の各モニター
Extraction probe
15.017.0での強度も微増した程度であった。これに対し、位Extracted beam
12.4
14.9
相を最適化して更にこの位相に合わせた入射電圧へと調整し、大幅に強度が増強できている。
Beam loss at
2.22.15
Septum electrode

Table 3: The Beam Intensity of 34 MeV Helium at
Optimized Injection Energy

Main Probe: A Main radial probe set at the radial position of
100 mm. The detected current at the main radial probe
decreases in pre-optimized data, where the main radial probe
was affected by insulation failure in this probe head.
Extraction probe: The beam probe at deflector entrance.

Beam monitor

Table 2: The Transmission Efficiency of Each BeamMonitor at Alpha 34 MeV
Efficiency

Pre-optimized

Optimized
beam phase

Main probe (R=100)/Inflector

43.2%

40.3%

Extraction probe/Inflector

48.4%

43.6%

Extracted beam
/ Extraction probe

82.7%

87.8%

Beam loss at septum
electrode/Extracted beam

17.7%

14.4%

Optimized injection energy[µA]

Inflector

51.3

Main probe

24.6

Extraction probe25.0

Extracted beam

22.3

Beam loss at septum
electrode

2.5

3.入射電圧の調整
中心領域の位相調整の結果、入射の効率が下がってしまい、そのために入射電圧を変更し、再調整を行った。
こ れ までの、入射の電圧の設定は、インフレク
ター電極の構造寸法である磁場偏向軌道半径と、サイクロトロンの中心磁場から求められるが、この中心磁場の値は、概略計算値から設定されたものであった。この設定値から大きく調整を行い、理想的な加速位相へ近づけるように調整し、目標とする

Figure 2: The beam intensity of 34 MeV helium.
また、各ビームモニターにおける効率を Table 4 に示す。インフレクターからの入射効率は 48%となっている。また、取出しの効率も高く、89.2％で、これに伴い、取り出されたビームに対するセプタムでのビーム損失の割合も、11.2%と下げることができ- 255 -

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た。
こ れ までの各調整条件における効率をまとめて
Figure 3 に示す。先にも述べた通り、等時性磁場と加速位相の最適化を行った際には、取出し効率のみが高くなる結果となっており、インフレクターでのビーム強度に対する入射の効率は低下している。入射エネルギーを最適化後の調整においては、入射効率、取出し効率ともに高上させることができている。

Cyclotron radius(150－950mm)

Figure 4: The turn pattern of 34 MeV helium beam when
the pre optimized.

Figure 3: The beam efficiency of 34 MeV helium.
Table 4: The Beam Intensity of 34 MeV Helium at
Optimized Injection Energy
Beam monitor

Optimized injectionenergyMain probe (R=100)/Inflector

48.0%

Extraction probe/Inflector

48.7%

Extracted beam
/ Extraction probe

89.2%

Beam loss at septum electrode/Extracted beam

11.2%

4.調整後のターンパターン

Cyclotron radius(150－950mm)

Figure 5: The turn pattern of 34 MeV helium beam
when the optimized beam phase and injection energy.

5.まとめと今後
入射電圧を含めて中心領域の磁場を調整することにより、理想的な加速位相へと調整を行うことができた。その結果、目標とした取出し強度を実現することができた。今後、入射電圧の初期設定について中心領域のシミュレーションを応用することを含めて検討や、ターンパターンと加速位相との比較を行い、さらに、Garren and Smith method[2]や、加速周波数スキャンによる方法[3]など、他の手法との比較による確認を行う予定である。

入射電圧を変更することによる、加速位相の調整結果において、ディファレンシャル(0.5 mm)プロー
ブにて、ターンパターンの違いを比較した。中心か参考文献
ら 150 mm からのモニターとなっている。
まず、Pre-optimized パラメータでのターンパター [1] S. Hojo, Proceedings of IPAC2014, Dresden, Germany
MOPRI080 pp794-796 (2014).
ンを Figure 4 に示す。このときの位相幅は、39.4 度で、No.1 プローブの位相は、-19.7 度となっていた。 [2] A. A. Garren and L. Smith, International Conference on
Sector-focused Cyclotrons and on Cyclotrons and their
これに対し、入射電圧と加速位相の調整後のターンApplications, Geneva, Switzerland,1963, CERN Yellow
パターンを Figure 5 に示す。このときのビーム位相
Report No. 63–19.
幅は±10 度以内に納まっており、No.1 電極は、-7.8 [3] S. Kurashima, Review of scientific instruments. 81, 033306(2010)
度となっている。中心に近い、150 mm 付近では、ターンセパレーションがはっきりとしており、ターン毎の加速度が大きいことが確認できる。

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