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

PASJ2014-FSP017

原子力機構 TIARA 施設の現状報告
STATUS REPORT OF TIARA FACILITY
石坂知久
Tomohisa Ishizaka
Japan Atomic Energy Agency

Abstract

Four ion accelerators (AVF Cyclotron, 3MV Tandem Accelerator, 3MV Single-ended Accelerator and Ion Implanter)
at TIARA of JAEA are dedicated to researches in the fields of biotechnology and materials science. This paper
describes the operational status of the accelerators and the major technical developments in the 2013 fiscal year.

1.

はじめに

2.

加速器の運転、保守･整備状況

日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所のイ 2.1 運転状況
オン照射施設 TIARA では、AVF サイクロトロン
加速器の運転状況を Table 1 に示す。
（K=110）及び 3 台の静電加速器（3 MV タンデム
サイクロトロンは月曜日の昼から金曜日の夕刻ま加速器、3 MV シングルエンド加速器、400 kV イオ
で連続運転をするが、1 回の実験時間が短いため、ン注入装置）を有し、材料科学及びバイオ技術を柱
週に 10 回程度のイオン種、エネルギーまたはビーとした研究開発にイオンビームを提供している。利
ムコースを変更し、2013 年度は、イオン種・エネル用分野が多岐にわたるため、幅広い LET（Linear
ギー変更回数は 251 回、ビームコース切替回数はEnergy Transfer : 線エネルギー付与）が用いられる
267 回、加速モード変更回数は 76 回とほぼ例年通りことから、TIARA では H から Bi まで様々な元素のであった。静電加速器では、1 日単位で実験が割りイオンを、20 keV から 660 MeV のエネルギー範囲振られ、各日 9 時頃に運転を開始し 23 時までに停で加速している。
止、点検を完了する。加速器及び付帯設備の故障に照射形態も多様であり、AVF サイクロトロンでは、よる実験中止は、サイクロトロンについて、ビーム通常のスポットビーム照射の他に、ラスタースキャ輸送ライン上の高速シャッター弁（FCV）が動作しン方式による 10 cm×10 cm、±5％の均一度の大面なくなった 1 件のみであった。Figure 1 に TIARA の積照射が可能であり、加えて、多重極電磁石を用い加速器及び照射ポートの配置図と FCV トラブル及て広い照射野全体を同時に一定のフルエンス率で照び保守整備箇所等を示す。静電加速器では 1 件もな射できる大面積均一照射システムを開発している。
く 3 台とも運転計画に対して 100％の稼働率を達成
また、直径が約 1 µm のマイクロビーム形成技術をした。
有している。更に、高安定のイオン源の開発、ビーム位相幅のバンチング効果を持つサイクロトロン中心領域の開発、アクセプタンスモニタ開発など、照 Table 1: Statistics for Each Accelerator Operation in
射技術の向上に必要な技術開発を進めている。
Fiscal 2013
静電加速器では、直径 1 µm 以下の重イオンマイクロビーム（3 MV タンデム加速器）及び直径 0.25 C: AVF Cyclotron，T: 3MV Tandem Acceleratorµm の軽イオンマイクロビーム（3MV シングルエン S: 3MV Single-ended Accelerator，I: Ion Implanterド加速器）が、大気マイクロ PIXE（Particle InducedCTSI
X-ray Emission）や PBW（Proton Beam Writing）に利用されている。また、3 台の静電加速器からのイ Beam service time (h)2282.7 1830.1 2088.0 1603.9
オンビームを同時に照射することが可能なビームラ
674.5
218.3
231.5
243.2
インを備えている。更に、C60 イオンの生成・輸送 Machine tuning (h)技術を開発している。
48.413.6018.4
Beam development (h)本報告では、各加速器の 2013 年度の運転状況、
Total operation time (h)3005.6 2062.0 2319.5 1865.5
保守・整備及び技術開発の概要を報告する。
The number ofexperiments___________________________________________

Experiment canceled due
to machine trouble# ishizaka.tomohisa@jaea.go.jp- 372 -548

162

161

141

1000

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運転時間はサイクロトロン 3005.6 時間、タンデム加速器 2062 時間、シングルエンド加速器 2319.5 時間、イオン注入装置 1865.5 時間であった。補正予算による施設整備の工事のため、サイクロトロンでは2 月 1 日以降、静電加速器では 3 月 1 日以降の利用運転を停止したが、土曜日を利用するなど年間運転計画を前倒ししてほぼ例年通りの実験利用時間を確保した。新ビーム開発については、サイクロトロン
で 40 MeV D＋ 及び 385 MeV 40Ar12+を加速した。タンデム加速器では、既設の Cs スパッター負イオン源を用いた電子付着方式による C60 負イオン生成技術を開発し、ビーム強度を従来技術の千倍程度（30nA）まで増強することに成功した。
2.2

23 年が経過してコンプレッサーや真空ポンプの老朽化によるガスの回収能力の低下や配管接続部シール材の劣化によるガス漏洩が懸念されていた SF6 ガス回収装置を更新した。SF6 ガスの純度を高く維持して長期間の安定度を確保するために、オイルを使用しない型とした。シングルエンド加速器では、加速管と制御シーケンサ及び SF6 ガス回収装置のコンプレッサー、電磁バルブ、ロータリーポンプ、制御盤等を交換した。イオン注入装置では、加速電源と加速管及び制御シーケンサを更新した。

定期整備による保守

Ion Source
AVF
Cyclotron
Ion
Implanter

Single-ended
Accelerator

Tandemサイクロトロンでは、7 月中旬から 8 月下旬にかAccelerator
けての定期整備で、サイクロトロン本体のメンテナ
FCVンス、入射系のクライオポンプの点検、電源冷却
HC Rotary Shutter
角ダクト化
ファンの更新を行った。また、ショート板を駆動する際に発生していた真空リークに対処するために、
HCLB
真空を保持したままショート板の駆動ができる差動排気用のポートを設置した。多重極電磁石を用いた
大面積均一照射コース（LB コース）では、より大面積なビームを形成するためビームラインを一部角ダクト化した（Figure 1 参照）。11 月には 1 週間かけてサイクロトロン電源の定期点検を実施した。
静電加速器では約 2 週間の定期整備を 3 回行った。
Figure 1: Layout drawing of the accelerators and
主な保守内容は、タンデム加速器では、コロナニー
irradiation ports of TIARA.
ドルの交換、ペレットチェーンの軸調整、タンクベースの各種フィードスルーの交換、シングルエンド加速器では、RF イオン源の交換、シーケンサ用 3.
サイクロトロンの技術開発
電源の交換、分析電磁石電源の交換、イオン注入装置では、イオン源のオーバーホール、静電レンズの 3.1 アクセプタンス計測のためのエミッタンスの実効拡大清掃である。整備中に制御 PC とシーケンサ間の通信不良や放電による分割抵抗の破損など、比較的軽サイクロトロンへのビーム入射調整の最適化を図
微なトラブルが発生したが、通常運転への影響はな るため、入射ビームエミッタンスとサイクロトロンかった。のアクセプタンスを計測する装置を開発している [1]。
アクセプタンスは、ビームを位相平面上の微小な領
2.3 その他の施設整備
域に区切ってサイクロトロンに入射し、引出部直前
平成 24 年度補正予算により、次の整備を実施し の電流モニタで検出することで測定される。この微た。
小なビームは、2 組のスリットによって入射ビーム
TIARA 全域の放射線モニタを更新した。これに伴 の位置と角度範囲を制限して形成される。しかし、
い、照射室入室のためのインターロック機能を新た 入射ビームのエミッタンスはアクセプタンス全体のに設定する必要があり、安全監視盤 PLC に追加した。 領域をカバーしていないため、これまで計測できた
サ イ ク ロ ト ロ ン で は 、 HC コ ー ス の ロ ー タ リ アクセプタンスは一部のみであった。そこで、アクシャッター（Figure 1 参照）、真空制御機器の一部、 セプタンス全体を計測するため、ビームのエミッタ
サイクロトロン棟の照射室等の監視カメラをそれぞ ンスを実効的に拡大して計測範囲を広げる方法を開れ更新した。ロータリシャッターは、サイクロトロ 発した。本方法ではソレノイドレンズを用いてビーン本体室と各照射室の遮蔽壁中に設置されており、 ムを位相平面上で位置方向に広げ、ステアリング電ビーム輸送と放射線遮蔽の役割がある。特に利用頻 磁石によってそのビームを角度方向に走査すること度の多い HC コースでは設計寿命を超えて使用して によりエミッタンスを実効的に拡大する。様々な形おり、動作不良を起こす前に更新した。真空制御機 状のエミッタンスに対応した走査を行うために、ス器の一部更新では、住友重機械工業社製の UDC 基 テアリング電磁石のビーム偏向角は、実測したエ板等用いた制御から、PLC 機器を用いた制御に変更 ミッタンス形状を基に算出する方法を採用した。本した。
方法の実証試験の結果、エミッタンスを拡大し、ア
静電加速器では、複合ビーム棟の照射室等の監視 クセプタンスの計測範囲を約 12 倍に広げることにカメラを更新した。タンデム加速器では、設置から 成功した。

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3.2

この技術により、昇華温度を一定に保つことで、従サイクロトロン中心領域で生じる位相バンチング 来方法よりも千倍程度のビーム強度を長時間安定に効果の大きさを調べるため、プラスチックシンチ 維持することが可能となった（Figure 2 参照）。ま
レーターを用いたビーム位相分布測定システムを開 た、本技術は一般的な負イオン源をベースとしてい発し、その測定システムの時間分解能を評価した [2]。 るため、既存装置への導入が容易である。
ビーム位相分布測定システムの時間分解能

シンチレーション光を模擬したパルスレーザーを長 4.2 タンデム加速器における C60 クラスターイオン
さ 6 mm のシンチレーター先端の中心から軸方向にの輸送効率の向上
入射し、他端に接着した直径約 5 mm の光ケーブル
負イオンのクラスターは、タンデム加速器の高電を介して信号処理モジュールに送り、その出力信号
圧ターミナルにある荷電変換ガスとの衝突でその多とレーザーのトリガー信号の間の時間差を測定した。
くが解離して失われるため、輸送効率は単原子イオ
また、シンチレーター中の光路差による時間差を計ンのそれと比べて極めて低い。輸送効率は荷電変換算により見積った。これらから評価した当システム
ガス圧に強く依存するため、より高い電流量のクラの時間分解能は 44.3 ps FWHM 以下と、位相バンチスターイオンビームを得るには、荷電変換ガス圧とングを評価するために必要な性能である最高加速周輸送効率の関係を正確に調べる必要がある。そこで、
波数 22 MHz の 1 RF 度に相当する 126 ps より十分
荷電変換ガス圧に対する C60 イオンの輸送効率を小さいことを確認した。また、パルスレーザーの入ターミナル電圧 2.5 MV において測定した。ガス圧射角を軸に対して数度ずらした測定では、光ケーブは加速器の出口付近に設置されたコールドカソードル内の光路差によって時間差の幅が 1.5 倍に広がっゲージでモニタした。その結果、Figure 3 に示すよて時間分解能が低下することから、シンチレーショ
う に 、 C601+ と C602+ に 対 す る 輸 送 効 率 は そ れ ぞ れン光の光ケーブルへの入射角度が小さくなるように2.6%と 1.4%であった。また、C60 の輸送効率に対す光ケーブルと同径のシンチレーターを使用することるガス圧の最適値（C601+: 1.2×10-6 Pa、 C602+: 1.1×が妥当であることが分かった。
10-6 Pa）は炭素クラスターのそれよりも低いことが3.3 大面積均一イオンビーム利用のための技術開 分かった。知見を基に、ターゲットにおいて数十pA の C60＋ビームが利用可能となった。
発多重極電磁石を用いた非線形集束によって形成した均一ビームを照射利用に供するための技術開発を進めている[3]。主としてターゲット直前の 2 連四重極電磁石と多重極電磁石を調整することにより、100 cm2 を超える四角形の均一照射野だけでなく、細長いリボン状のものを効率的に形成する手法を確立した。照射チャンバーは様々な利用形態に対応しており、一部のビームは大気中に取り出して照射できる。従来のスキャン方式では実現困難な、照射野全体を瞬時に均一照射できるという本ビームの特長を最大限に活かした照射利用が可能となった。

4.

静電加速器の技術開発

4.1

スパッターイオン源を用いた電子付着による
C60 負イオン生成法の開発

1000

10080070010600500400300200
10001

Current
Temprature
0Figure 2: C60
temperature.

24ion

6Time [hr]8generation

10and

12C60
Current [nA]

Temperature [℃]

9000.1Sublimation

TIARA では、MeV エネルギーの高速クラスターイオンビームの照射効果に関する研究を行っている。
近年、タンデム加速器による高速フラーレン（C60）ビームの提供を開始したが、従来のセシウムスパッター方式による C60 イオンの生成量は数 pA と極めて少なく、実験の効率化を図る上で、ビーム強度の増加が急務であった。
そこで、タンデム加速器で多く使用されるセシウムスパッター型負イオン源を用いて、C60 の比較的低い昇華温度と高い電子親和力 [4,5] に着目した斬新な負イオン生成方法を開発した。これは、イオンチャンバー内で昇華した C60 に、1,200℃以上に熱せられたアイオナイザーの表面から放出する熱電子をFigure 3: Transport efficiency of C60 ions on the charge
付着させ負イオン化したものを電場で引出すものでexchange gas pressure.
あり、極めてシンプルな負イオン生成方法である。

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参考文献[1] H. Kashiwagi., et al., in these proceedings, SUP070.
[2] N. Miyawaki, et al., in these proceedings, SUP072.
[3] Y. Yuri, et al., in these proceedings, SAP119.
[4] H.S. Chen, et al., J. phys. Chem. 96 (1992) 1016-1018.
[5] M. Lezius, et al., Chem. Phys. Letters 203 (1993) 232-236.

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