Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP004

60 MeV 電子ライナックを用いた光核反応による RI 製造のための照射γ線のプロファイル測定
PROFILE MEASUREMENTS OF GAMMA–RAY FOR RADIOACTIVE ISOTOPEPRODUCTION VIA PHOTONUCLEAR REACTION USING A 60 MEV ELECTRON
LINAC
髙橋 健#, A), 柏木 茂 A), 日出 富士雄 A), 武藤 俊哉 A), 南部 健一 A), 長澤 育郎 A), 東谷 千比呂 A),
小林 恵理子 A), 濱 広幸 A)#, A)
Ken Takahashi, Shigeru Kashiwagi A), Fujio Hinode A), Toshiya Muto A), Kenichi Nanbu A),
Ikuro Nagasawa A), Chihiro Tokoku A), Eriko Kobayashi A), and Hiroyuki Hama A)
A)
Research Center for Electron Photon Science (ELPH), Tohoku University

Abstract
Radioactive isotopes have been produced via photonuclear reaction using a 60 MeV high-power electron linac forresearch fields of nuclear chemistry and radioactive analysis at Research Center for Electron Photon Science, Tohoku
University. For a photonuclear reaction, Bremsstrahlung gamma ray is created by electron beam irradiating a 2 mm
thickness platinum or tungsten target. The electron beam with the beam energy of 60 MeV and the average current morethan 100 A is extracted from the vacuum through a Titanium thin foil. It is crucial to understand the beam property suchas beam emittance and Twiss parameters at the electron - gamma ray converter to optimize a gamma ray profile to satisfy
user experimental requirement. The emittance measurement employing a quadrupole scanning method and the gamma
ray profile measurements using imaging plates have been studied. The current status of these measurements is reported.
する必要があり、加速器の運転パラメータや電子ビームプロファイルを把握することが重要である。
東北大学電子光理学研究センターでは大強度電子 今回、Q-Scan 法を用いた電子ビームのエミッタンス57ライナックを用いて光核反応による RI 製造を行って 測定と、Ni 箔へのγ線照射により生成した Ni の放いる。最大 60 MeV まで加速した平均電流 100 μA 以 射能強度分布測定からγ線プロファイルの測定を上の電子ビームを薄い Ti 箔に通して大気へ取り出す。 行った。
ビーム軌道上に白金やタングステン板等のγ線生成
60 MeV 大強度電子ライナック用コンバータを挿入し、生成された制動放射γ線と 2.
試料の光核反応で放射性同位体を製造する。試料と80 kV 電子銃の高圧パルスユニットでカソードかコンバータの距離の最適化や様々なサイズの試料へ ら 300 pps で引き出した電子ビームをプリバンチャー、の照射に対応していくためには、照射位置でのγ線 バンチャーで集群する。S-band 25 MW クライストロ
プロファイルを目的の光核反応同位体製造に最適化 ン 2 台と 1 m 加速管 8 本で 60 MeV まで加速して、ビーム偏向部で 90°進行方向を曲げて照射室へビームを輸送する(Figure 1)。利用運転時のエネルギーは最大 60 MeV でピーク電流 100 mA パルス幅 4 μs となっている[1]。

1.

はじめに

Figure 1: 60 MeV electron linac.
___________________________________________# ken_takahashi@lns.tohoku.ac.jp

3.

エミッタンス計測

3.1

Q-scan 法

ビームエミッタンス測定には、四極電磁石でのビームの輸送において、測定点での RMS ビームサイズが四極電磁石の収束力 k に依存することを利用した Q-scan 法を用いた[2, 3, 4]。
今、初期のビームエミッタンスと Twiss parameterをε, β0, α0, γ0、自由空間の転送行列を S、収束力 k の四極電磁石の転送行列を Q(k)とすると、全体の転送行列 T は T ( k ) = SQ (k ) と表せる。

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Figure 2: Experimental apparatus of Q-Scan @ SM2 (left)
Q-Scan @ SM5 (right).

Figure 3: Measured beam sizes squared and fitted σ2(k)Q-Scan @ SM2 (Top) Q-Scan @ SM5 (Bottom).

測定点までの Twiss parameter の転送行列は

3.32− 2T11T12
 β   T11α  = − T T   11 21 T11T22 + T12 T21
 γ   T21 2− 2T21T22


T22 2   β 0 − T12 T22  α 0 
T22 2   γ 0 

ビーム加速部下流の診断部にある四極電磁石と 50μm 厚のアルミナ蛍光板のスクリーンモニタ SM2 でQ-Scan 法を用いてエミッタンスの測定を行った。四極電磁石は 3 台あり発散、収束、発散の順番で設置されている(Figure 2)。今回は水平、垂直方向ともに最下流の四極電磁石 TQ3 の k 値を変えて、1.5 m 先の蛍光板でビームサイズが最小となる k 値付近の計11 点でサイズを測定した。測定したビームサイズの自乗とフィッテングで求めたσ2(k)を Figure3 に示す。
エミッタンスはそれぞれ 0.722 (水平)、0.729 mmmrad (垂直)と求まった(Table 1)。

(1)

で表せ、測定点でのビームサイズσはσ = εβ= ε ( β 0 T11 2 ( k ) − 2α 0 T11 ( k )T12 ( k ) + γ 0 T12 2 (k )(2)と表される。今、測定点までの距離は決まっていて電磁石の収束力 k は設定可能である。ここである kiの時に測定されたビームサイズをσi とすると

χ2 =

 (σii−ε ( β0T112 (ki ) − 2α0T11(ki )T12 (ki ) + γ 0T122 (ki ) 2(3)を最小にするβ0, α0, γ0 を求めることでビームエミッタンスεを決定する。
3.2

エミッタンス計測@SM2

加速管 A8 出口での Twiss parameter

利用運転時のコンバータまでのビーム軌道エンベロップを確認するため、(1)を用いて A8 出口でのTwiss parameter を求めた。

3.4

エミッタンス測定@SM5

ビーム偏向部下流の四極電磁石と 1 mm 厚のアルミナ蛍光板のスクリーンモニタ SM5 でも同様に QScan 法でのエミッタンス測定を行った。四極電磁石は発散、収束の順で設置されている(Figure 2)。水平方向は電磁石 QM3D の k 値を変化させて約 4 m 先の蛍光板でビームサイズが最小となる点を含む 6 点でサイズを測定した。垂直方向の測定は電磁石 QM3Fの k 値を変えてビームサイズが最小となる k 値付近の 7 点でサイズを測定した。測定したビームサイズの自乗とフィッテングで求めたσ2(k)を Figure 3 に示
す 。エミッタンスはそれぞれ 0.927 (水平)、0.712
mm mrad (垂直)と求まった(Table 1)。

4.

通常利用運転時の輸送オプティクス

試料の位置での光核反応に制動放射γ線を最適化するにあたって、γ線生成用コンバータに入射する

Table 1: Estimated Electron Beam Emittance and Twiss Parameters at Accelerating Structure 8 Exit
εx [mm mrad]εy [mm mrad]

βx [m]

βy [m]αxαy

by Q-Scan @ SM20.722

0.799

9.71

8.44-2.65-2.78by Q-Scan @ SM5

0.937

0.712

20.8314

2.15-30.9- 396 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 4: Expected envelops of e- beam trajectories for the normal operation from the accelerating structure exit to thetungsten target.
電子ビームのエミッタンスや Twiss parameter は重要な情報である。
SM2 と SM5 の二箇所でそれぞれから求めた加速管出口でのエミッタンスと Twiss parameter をもとに、通常利用運転時の電磁石パラメータでのそれぞれ軌道エンベロップの確認を行った(Figure 4)。今、加速管出口からの距離を s として、s の位置までの電磁石の転送行列を T(s)としたとき、任意の場所でのベータ関数は、β (s) = β0T112 (s) − 2α0T11(s)T12 (s) + γ 0T122 (s)(4)と表せる。
水平方向の軌道エンベロップは絶対値に違いはあるが同様のオプティクスでビームが輸送されることが分かり、利用運転での電子ビームの軌道エンベロップを再現していると思われる。
垂直方向の軌道エンベロップは二箇所のエミッタンス測定では一致しなかった。SM2 を用いたエミッタンス測定の結果からは、偏向部出口で垂直方向にビームが極端に大きくなっているが、偏向部出口にあるスクリーンモニタ SM4 で測定したビームプロファイルはσy = 4.6 mm で、エミッタンス測定から計算されるσy = 17.7 mm (βy = 391 m)と大きく異なる。
また、SM5 の測定を用いると加速管 A8 出口でベータ関数が非常に大きくなってしまう。
このようにビーム偏向部を介して垂直方向のTwiss parameter に違いが見られることから偏向部とその前後に何らかの垂直方向の収束力があることが考えられ、今後オプティクスの調査を行った上で二箇所でのエミッタンス測定の結果が一致するかどうかの確認を行う。

5.

γ線プロァイルの測定

5.1

57

Ni でのγ線プロファイル復元

現在の電子光理学研究センター大強度電子ライ
ナックは RI 製造や放射性同位元素を用いた研究での利用が主である。今回、制動放射γ線を用いた光核反応の最適化を行うための基礎的データ収集を目的として利用者の協力を得てプロファイルの測定を行った。厚み 10 μm の Ni 箔に制動放射γ線を照射して生成される放射性同位元素 57Ni の分布をイメージングプレートで測定することによってγ線のプロファイルを測定する [5]。
5.2 測定セットアップ
測定のセットアップを Figure 5 に示す。制動放射γ線を生成するコンバータの厚みは通常の利用運転と条件を同じにするためにタングステン 1 mm 厚を 2枚用いて計 2 mm とした。プロファイルの取得場所は 3 か所で、コンバータ上、実際の試料が置かれる位置(コンバータの下流 3 cm)、γ線の広がりを見るための試料の場所から 3 cm 下流(コンバータの下流 6cm)とした。設置した Ni 箔の厚みは 10 ミクロンである。
5.3 照射する電子ビーム利用運転では照射試料の大きさが直径 10 mm である。コンバータの場所に設置した調整用 BeO 板での発光を直径 10 mm 程度に調整した電子ビームとコン

Figure 5: Experimental apparatus for irradiating Ni thinfilms.

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Figure 6: Restored profiles of 57Ni by imaging plates.

Figure 8: An expected electron beam size (FWHM) andmeasured γ-ray beam sizes (FHWM) along the beamaxes for a normal linac operation.

バータ直前での Q-Scan を想定したビームプロファイ
ルで照射を行った。ビームの繰り返しは、今回のセットアップでのコンバータ冷却性能を考慮して
100 pps とした。イメージングプレートで測定した
57
Ni のプロファイルを Figure 6 にそれぞれ示す。
ID01, ID12 にはイメージングプレート BAS-IP SR
2025 E を、ID20, ID27, ID30, ID37 には BAS-IP MS
2040 E を使用した。

BeO 板で直径 10 mm 程度に揃えた電子ビームで縦横比の揃ったγ線を生成できていることを確認できた。
電子ビームの軌道エンベロップから予想されるタングステンの位置でのビーム半値幅は 8.6 mm(水平)、12.1 mm(垂直)で、測定から想定されるγ線の発生点での半値幅と矛盾し、また縦横比も揃っていない。
このγ線プロファイル測定の結果からもビーム偏向部のオプティクス確認が必要であることが分かった。

5.4 利用運転時のγ線プロファイル

5.557

利用運転パラメータで照射した ID20 の Ni 放射能強度分布とその射影を Figure 7 に示す。ID20 とID30 について分布のピークでプロファイルを切り出して半値幅を求めた。それぞれ水平、垂直方向の順に試料の位置で 12.1 mm、11.4 mm 、試料の 3 cm 下流で 17.1 mm、16.6 mm であった(Figure 8)。調整のNi プロファイルでの Q-Scan

Figure 6 のコンバータ上の Ni 箔(ID01, ID12)でのNi 強度分布は Q-scan のプロファイルを反映していることは確認できたが GEANT でのシミュレーションの結果から、コンバータ上の Ni 箔で 57Ni が生成される主な要因は電子ビームではなく約 10 cm 上 流にあるビーム引き出し用の 50 μm 厚 Ti 箔と約 5 cm 上流にあるビームプロファイル調整用の 0.5 mm 厚 BeO板で生成された制動放射γ線が主であることが分かった[6]。今後シミュレーションとの比較からタングステン直前での電子ビームのプロファイルを復元できるかどうか検討する。
57

6.

Figure 7: γ–ray profile of the normal operation at a target
position by imaging plate.

57

まとめ

東北大学電子光理学研究センターでは大強度電子ライナックを用いた光核反応による RI 製造を行っている。照射位置でのγ線プロファイルを光核反応同位体製造に最適化するため、加速器のエミッタンス測定と制動放射γ線のプロファイル測定を行った。
Q-Scan 法でのエミッタンス測定の結果から、加速後の電子ビームのエミッタンスはεx = 0.722 mm mrad、εy = 0.799 mm mrad と測定された。垂直方向の電子ビーム軌道エンベロップが二箇所のエミッタンス測定の結果で矛盾することから、今後ビーム偏向部の- 398 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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オプティクスを調査して再度エミッタンス測定を行う。
通常利用運転時のビーム輸送と照射セットアップを模擬することでタングステンからの制動放射γ線のプロファイルとサイズの広がりを確認した。イ
メージングプレートで復元した照射位置でのγ線プロファイルのサイズは半値幅で、12.1 (水平)、11.4mm (垂直)であった。
今後、イメージングプレートのプロファイルからの生成した 57Ni の放射能の強度を見積もり、γ線プロファイルの実験とシミュレーションの比較、シミュレーションの評価を行い、基礎的なデータ収集を行うことで電子ライナックを用いた RI 製造の最適化を図っていく。
今回実験や解析を行う上で協力を頂いた同センター光量子反応研究部門の方々に深く感謝します。

参考文献[1] Shigeru Kashiwagi, “大強度電子加速器と RI 製造”,東北大学電子光理学研究センター研究会「大強度電子ビー
ムとその応用利用」, Mar. 16-17, 2015.
[2] H. Braun, “Emittance Diagnostics”, CAS Beam diagnostic
Dourdan, 2.6.2008.
[3] M. Minty, “Diagnostics II”, CERN Accelerator School, Sept
2004.
[4] D. Brandt, “Introduction to Accelerators”, CAS Platja d’Aro
2006.
[5] Hidetoshi Kikunaga, “制動放射線照射で製造できる RI”,
東北大学電子光理学研究センター研究会「大強度電子ビームとその応用利用」, Mar. 16-17, 2015.
[6] Kyo Tsukada, Private communication.

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