The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

原研
A V F サイクロトロン装置の現状報告中村義輝 A)、奈良孝幸 A)、上 松 敬 A)、石堀郁夫 A)、倉 島 俊 へ 福 田 光 宏 A)、
奥 村 進 A)、宮脇信正 A)、吉田健一 A)、荒川和夫 A)、田 島 訓 A)
赤岩勝弘 ' 吉田敏浩 ' 居 城 悟 ' 松村秋彦 ' 荒川芳隆 B)、吉 田 剛 '狩 野 智 ' 伊 原 彰 ' 高野圭介 B)~ 日 本 原 子 力 研 究 所 高 崎 研 究 所 放 射 線 高 度 利 用 セ ン タ ー 〒 3 7 0 - 1 2 9 2 群 馬 県 高 崎 市 綿 貫 町 1233B )ビ ー ム オ ペ レ ー シ ョ ン （株）〒3 7 0 - 1 2 0 7 群 馬 県 高 崎 市 綿 貫 町 1233
これまでで最高の概要3433 h に達した。
さ ら に 図 2 には、最 近 7 年間におけ原 研 AVFサイクロトロン装置は、これ ま で 10 年間以上にわたって安定な運転が継続されており、広範な研究分野に多種多様なイオン種を提供している。最 近 2 年間では、
フラッ卜トップ加速システム導入によるマイクロビーム形成予備試験、偏向機能付きグラジェントコレクターの設
計 • 製作、サイクロトロン中心領域の改造、等々の技術開発や装置改造を行ってきた。また一方ではこの間、マグネテイックチヤンネルケース部での真空リークや同出ロバッフル部での漏水、真空系用シーケンサーの放射線損傷、電源盤内小型補助電源の不良、など様々な故障•不具合等も発生したが、サイクロトロン装置はこれらの困難を克服し、ほぼ計画通りの運転時間を達成している。

1

る 計 画ビーム調整
時間の変化を示す。
前述のように運転時間はほぼ一定値を示しているにも拘 わ ら ず 、調整時間は初期の約 360 h
か ら 、バイオ技術関連研究の進展とも 相 ま っ て 、約 2倍 の 700 h にまで急増している。 この ビ ーム調整時間には、加速モード、Fiscal year
イ オ ン 種 、 エネル
図 2 : 最 近 7 年間における計画ビー
ギ 一 、 ビームコー
ム調整時間の変化。
ス 等 の 切 換 • 変更

サイクロ卜ロン装置の運転と利用に必要な時間が含まれている。これらの結果は、多種多様なイオン種を比較的短時間で、頻繁に切り換えて使用する
原 研 AVF サイクロトロン装置の運転状態を、忠実に反映したものとなっている。ちなみに、前 述 の 4 種類の変更頻度は、いずれも年々増加の傾向を示しており、このうちビー ム コ ー ス の 変 更 回 数 は 昨 年 度 累 計 で は 2 9 0 回にも到達
す る な ど 、 “世 界 で 最 も 多 忙 な サ イ ク ロ ト ロ ン 装 置 ” のCatch phraseを実証する実態となっている。

園_趣o■!

HDHC圃國原 研 AVF サイクロトロン装置 [1ト[3]は、 1991 年 3 月のファーストビームの引き出し以来、特に深刻な故障等の発生もなく極めて順調な運転が継続され、材料科学やバイ技術などの研究利用分野で、幅広く利用されてきている。またこれまで、イオン源の増強、制御系の全面更新、カクテルビーム加速技術の開発、サイクロトロンビームの高安定化 、等々の装置整備や技術開発も併行して進めてきている。
図 1 には利用イオン種の推移を示す。初期には軽イオン(H+と D+)の 割 合 が 全 体 の 40% であったが、最近数年間ではほぼ一定値の_ Xe30%に減少して
Ne圃
MetalArKr團 Cocktailいる。利用イオ□ Nothing
ン種は、カクテル や X e イオンが増加する一方、A r や K r イオンは減少するなど、新 ビ ー ム 開発の進展とも関連して 、年々分散化の傾向が強まっている。
また運転時間は、1993 年以降
では確実に年間3000 h 以 上 （平均 で は 3216 h)
01
91 92 93 94 95 96 97 99 99を堅持している。
fiscal ，嫩
特 に 2 0 0 2 年度
図 1 : 利用イオン種の推移。
では運転時間は2

技術
開発及び
装置改造等

2 . 1 フ ラ ッ ト トップ 加速シ ステム の現 状
サイクロトロンビームを用いた直径 1のマイクロビーム生成のために、2 0 0 2 年 の 3 月にフラットトップ加速( F T ) システムが設置された。 こ の F T システムは 、 RFの基本高周波に 5 倍高調波を重畳させて、加速電圧波形に平坦部を形成するものであり、共振 周 波 数 帯 域 は 55〜 110
MHz、最 大 出 力 は 3 kW の設計となっている [4]。設置後エ一ジングや試験運転等を行い、実用運転に向けた条件整備を進めてきた結果、C h 1 及 び C h 2 のいずれでも、 1.5 kV
程 度 の必要な Flat-top電圧を印加できることが確かめられた。 当面のマイクロビーム形成対象イオン種である
260 MeV, 2()Ne7+を用いた予備実験では、パルス型ビームチ
ョ ッ パ ー で 100 n s 程度にパルス化したビームをサイクロトロンに入射し、F T システム及び位相スリット等の最適86I1

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調整により、ほぼシングルターン引き出しに近い状態が実現されている [5],[6]。なお、F T システムの共振空洞は、サイクロ卜ロン共振器の外筒に設置されていたクライオボンプのポートに取付けたため、設 置 に 先 立 ち 2001 年末にはあらかじめポンプ 2 台 （各 4 m 3/ s ) を移設した。
また、マイクロビーム形成時のサイクロトロンビーム調整では、デフレクタ一入ロにおけるビームの周回パターンを正確に観測する必要があるため、先端検出部がタングステン薄板（厚 さ o.5m m ) か小径グラファイトロッド （直径0.5mm) かのいずれかが選択可能な高分解能のデフレクタ一プローブを製作して、電流検出用タン夕ルブロック型の合わせて実現する計画を進めている。イオン源本体の設計 • 製作に先立ち、後続のビームライン及び分析電磁石等を 設 計 • 製作し、それらを地階のイオン源テストベンチ室に据え付けた。ビームスリットなど若干の診断機器を組み込んだ設置状態を、図 4 に示す。

既 設 品 と 交 換 • 設置した。

2 .2 偏向機能付きグラジェントコレクターの設計と製作
サイクロトロン本体からのビーム引き出し軌道と、ビーム 輸 送 系 基 幹 ビームライン軸とが約 2 度整合していないことから、効率的なビーム輸送や精巧なマイクロビーム形成等の観点から、高精度化が必要となっていた。そのため、これまでステアリング電磁石の増設やビームライン全体の移動、さらにはサイクロトロン本体の旋回など、いくつかの案が検討されたが実現していなかった。
これらの現実的な代替案として、励磁コイルを収納して偏向機能を付加した新型のグラジェントコレクター（グラコレ）を 設 計 • 製作し、鉄片の構造体で構成されていた既設のグラコレと置換した。本体に装着する前の偏向機能付
きグラコレの外観を、図 3 に示す。
なお、この改造に伴って、本体ピット室部分に偏向コイル用電源が必要となり、電気機械室から3 相
420 V で 150 A 容
量 の 電 源 を 新 た 図 3 : 偏 向 機 能 付きグラコレ（設置前 )に供給した。

2 .3 高安定軽イオン源用分析電磁石及びビームラインの設置
現 在 軽イオンの 生 成 に 用 い て いる Multi-cuspイオン源は、約 1 3 年
間 以 上 の 長 期 間 に 渡 り 、すでに約12000 h 運転されている。 この小型
イ オ ン 源 は 、永久磁石を利用した
Hot filament型のものであり、水素及 び 重 水素イオンの生成のみに利用されてきた。しかしながら、現在
長期間 の使用に伴う経年劣化等の進行もあり、生成強度や安定度等の性能低下が問題となっている。このため、新たに高安定軽イオン源を製作して、生成強度や安定度の大幅な改善を図るとともに、既 設 の ECRイオン源である ’’OCTOPUS” との併用領域を拡充するなど、高機能化も

図 4 ：高安定軽イオン源用ビームライン及び分析電磁石2 . 4 サイ クロト ロ ン 中 心 領 域 の 改 造
前述のマイクロビーム形成では、サイクロトロンビームのエ ネ ル ギ ー 幅 （A E /E ) を、2X 10 —4 程度に向上させる必要があり、位相幅制御の高精度化が必須の要件である。この目的で ハ ー モ ニ ッ ク 数 1 , 2 及 び 3 のイオン種における軌道解析を行った結果、特に中心領域にある位相スリット位置の最適化が必要であることが分かった。軌道解析結果
では、ハ ー モ ニ ッ ク 1 及 び 2 では、位相スリッ卜位置及び先端形状はいずれも小規模な変更で済むが、ハ ー モニック
3 については中心領域でのビーム引き出しを、現在より1 8 0 度回転した位置にするのが最適であることが分かった。また、中心領域に配置されているインフレクタ一についても、R F 加熱対策の一環としてシールドケースと電極とを分離するなど、一連の改造を実施した [7]。

3点 検 保 守 整 備 •修理等

通例の年間スケジュールでは、夏 期 に 定 期 点 検 （改造等含む）及 び ビ ー ム テ ス 卜 （4 週 間 及 び 1 週間程度)、秋には 電 源 の 定 期 点 検 （1 週間）、 3 月には比較的小規模な改良 • 手直し等が行われている。表 1 に 最 近 2 年間に発生し

表 1 : 最 近 2 年 間 で 発 生した主な故障。不具合等
時 期

2001/10
2002/04
2002/05
2002/11
2003/01
2003/02
2003/06

故 障 内 容原 因 • 対 処 等
マグネテイックチヤンネル(MC)70 MeV, H+ 約6 pAのビーム衝擊で溶融•
シールドケース部に真空リーク発生 穿孔、 # 3 号機への置換
インフレクタ一高圧導入部電線の劣化
ビーム不安定状態の継続(約 2 週間程度）
耐熱電線の交換
ステアリング電源の極性切換不能
小型制御用電源の不良（電圧低下）
同型式の電源合計64台の交換RF主真空管（4CW50000E) の中古品の真空管に交換（応急措置）
損傷
真空排気系制御シーケンスの異常制御用シーケンサ一の放射線損傷
Local modeでの運転、シーケンサーの交換(第1軽イオン室）
MC出口バッフルスリッ卜部での漏水部を分離して真空引き、応急措置
予備のMo製スリッ卜に交換
小規模な漏水（加速箱内）
純水冷却系循環ポンプのメカニカル モーターとポンプ連結部のゴムプッシング
シール冷却部からの冷却水噴出劣化による振動増加、予備部品に交換

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た 主 な 故 障 • 不具合等の内容を示す。
これらの故障のうち、2001 年 1 0 月に発生したマグネテイックチヤンネル（M C ) シールドケース部の故障に.ついて、以下に簡単に触れる。サイクロトロンは、70MeV，H+の高強度ビーム（引 き 出 し 電 流 で 約 6^A ) で調整運転されていたが、突然本体加速箱の真空圧力が約 1X103 P a にまで急上昇し、本体が緊急停止した。この故障原因を調査したところ、M C の電流導入部からのヘリウムリークテスト結果から、SU S 製シールドケース部に貫通孔が発生した可能性が示唆された。早速本体を開放した後 M C ケース内溝部分を注意深く観察したところ、ビーム入射側端部に小さな陥没痕の存在が認められ、高強度ビームの衝撃による局部的な溶融発生がその原因と予測された。
これらの発生状況の概要を図 5 に示す。このビーム衝撃の原因は、M C 入口バッフルスリット ”IN”が、正規の位置よ り 約 3~4 m m 内側に配置されていたためであり、その後# 3 号機に置換された際に設置位置を修正した。

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画^^

図 5 : マグネティックチャンネルケース部の真空リーク発生状況概要図。

ン種を表 2 に示す。 ここ数年における代表的な内容では、
1 ) 20 MeV, 30 M eV 及 び 80 M eV の H+イ オ ン の 3 種類について、入念な最適化調整運転を行ってビーム強度を増強
4 新ビー厶鬭発等
した、2 ) 優先的なマイクロビーム形成対象イオン種である 260 MeV, 20Ne7+で、イ オ ン 源 を OCTOPUSか ら HECR
最 近 2 年間では、偏向機能付きグラコレへの変更及び中に切り換えるとともに、設計値パラメーターに基づいた再心領域の改造が実施された後、いずれも夏のお盆時期を返調整を行い、約 3 0 倍の飛躍的なビーム強度の増強が図ら上して精力的にビームテス卜が実施され、その後に開始された、 3 ) 新 た に 金 属 イ オ ン の 320 MeV，1G2Ru18+及 び 60
れた実験利用に備えた。
MeV, 3He2+ (100 MeV，4He2+の代替イオン種）が開発されこれまでに原研 AVF サイクロトロンで加速されたイオた、4 ) Cocktail beam (M/Q=4)でのシ
リーズに、4He+及 び 同 位 体 22ル “ の表 2 : 加速イオン種の一覧表。Textはサイクロトロン直後のファラディーカップイオン種が追加された、等々が挙げ( F C ) 電流に対する半径 900 m m での電流の比、Tallは同様にサイクロトロン直られる。
前 の 入 射 系 FC 電流との比を示す。

Ion Energy Intensity Text
species (MeV) (ejiA)(%)
101280
20 …
…
…
iu …
― 8930 一.m — : 7S
45307950
44
555
63
5H+60
5576265770
42580
4,4n4890
1010112980
205.688
25D+15354059502049役）……一 ..m 一……..
M /0 42569
20
5.5
4230
1050
2062
4He2+
100
1032
M/0=21081.6
M/0=4275
l2CU77
220
1欠 !！
320
0.008 M/0=2......うぐ.
44367
M/0=556
0.70
M/0=4100
5力:+
34
4100
l6o i+
58160
1.9
i60 7+
82
1225
41
335
0.1
16o 7+
0.0045 M/0=2430

Tall
(%)
2725
22
1414
14
22
12
12
13
7.7
3.7
16
31
13
7.2
n13
12
1022
1022
10
5.0
22
21
21
13
6Ion Energy Intensity Text
Talispecies (MeV) (ejiA)
(%)
(%)
75
1.5
M/0=56.6fN ぐ
M/0=40.01
125
加Neレ
120
1.6
53
18200
0.8
Scaling
1020NeT+ 260
70
9M
22___
0.28
270
Scaling
1 ~3501.563
23540
10J CDS M/O-2
16$
QM7 iiiiiM ii
19573
13
250.1
195
43
1.2
M/0=236Arlti+ 970
150
2.4
M/0=56.2
175373
15
M/0=4250
0.2
0.7
330
86
22460
0.03
24
63
200
2
61
11
1.4
M/0=5162m
400
0.59
66
28
390
0.012 M/0=4490
cm M/0=4320
0.08
M/0=55.0
1 ド
0.04
400
60
2520
0.06
72
220.0032 M/0=4525sq一 虹 …
nokm
0.2
72ii
[v； 4500.023
493
iy7Ao'l+ 500
M/0 = 2,4 and 5 : a series of cocktail beams
Colored pattern : modified data on
previous table

参考文
献[1 ]Y. Nakamura, T. Nara, T. Agematsu，
I. Ishibori, et al” JAERI-Review
2002-035 (TIARA Annual Report 2001)
pp. 300-302 (2002)[2] Y. Nakamura, T. Nara, T. Agematsu,
I. Ishibori, et al” Proceedings ofInternational Workshop on Accelerator
Operation, Hayama and Tsukuba,
Kanagawa and Ibaraki, Japan (2003)[ 3 ] 中 村 義 輝 、奈 良 孝 幸 、上松敬、石 堀 郁 夫 、傲 ：第 1 2 回 TIARA
研究発表会予稿集、pp33-34 (2003)[4] M. Fukuda, S. Kurashima， S.
Okumura, N. Miyawaki, et al” Rev. Sci.
Instrum., 74, 2, pp. 2293-2299 (2003)[ 5 ] 倉 島 俊 、 福 田 光 宏 、 奥村進、宮 脇 信 正 、游 ：第 1 2 回 TIARA
研究発表会予稿集、pp. 17-18(2003)[ 6 ] 倉 島 俊 、福 田 光 宏 、宮 脇 信
正 、奥 村 進 、 他 ：本加速器科学研
究発表会予稿集、 (2003)[ 7 ] 宮 脇 信 正 、福 田 光 宏 、倉島俊 、奥 村 進 、 怂 ：本加速器科学研
究発表会予稿集、（2003)