RCNP AVFサイクロトロンのアップグレード計画

大阪大学 核物理研究センター〇安田裕介、福田光宏、依田哲彦、神田浩樹、友野 大、 中尾政夫、
畑中吉治、齋藤高嶺、森信俊平、田村仁志、永山啓一、鎌倉恵太、原 周平、 郭慧雯、 山野下莉那、森田泰之

1

INDEX
1. はじめに/大阪大学RCNPの紹介
2. アップグレードへの背景
3. イオン源強化(H29高輝度量子ビーム供給システム整備)

4. AVF アップグレードとオーバーホール(H30年度アップグレード計画)

5. 工事とスケジュール
6. まとめ2

はじめに/大阪大学RCNP加速器施設の紹介
RI beam separator(EN course)
K400 ring cyclotron

K140 AVF
cyclotron

白色中性子照射 (WN course)
中性子TOF(N0 course)

RI生成(F/K course)
・α線内用療法実用化研究
・短寿命RI供給プラットフォーム
GR+LAS spectrometers(WS course)

MuSIC (WSS couse)(研究用RIの供給と技術支援)

DCミューオン源

中性子生成 (Eコース建設予定)
・次世代BNCT研究

3ビームタイム利用状況
2013～2016年
イオン種、コース別コース
原子核物理実験が大半、一部教育用マシンタイム

ENN
ES
EN
N0

白色中性子照射 [proton]

WN
WSS

MuSIC (DCミューオン源) [proton]

グラフ タイトル
WS

イオン種

K

POL-D

RI生成 [proton, α]

J
POL-P

・α線内用療法実用化研究

H

22Ne,24Mg,36,40Ar

G

16,18OF

・短寿命RI供給

0h

12,13C

480h

960h

1440h

1920h

2400h

2880h

2013

2014

2015

使用コース v.s. 時間

6-Li

3360h

3840h

2016

4320h

時間

核物理、RI生成

Alpha
3-He
Deuteron

原子核物理、白色中性子、ミューオン生成、RI生成

Proton0h

1200h

イオン種 v.s. 時間

2400h
2013

3600h
20144800h
2015

6000h
2016

7200h

8400h

9600h

時間
4

アップグレードの背景
ビーム品質向上への動機••••

AVFオーバーホールの必要性

ビームトランスミッションの向上
ビームエミッタンスの低減
proton/α beam の電流量増強
重イオンの電流増強• 老朽化対策・AVF内部の改修が必要
トリムコイル・バレイコイルの更新など

アップグレード＆オーバーホール工事の実施• イオン源からのビーム
ビーム量増強、低エミッタンス化• AVF入射までのビーム診断改善• イオン源開発環境の改善• AVF本体の内部アクセス性の改善効果が期待できる分野/研究• 半導体デバイスの誤動作・放射線耐性評価の推進• 短寿命RIの大量生成(α線内用療法による進行がん治療の実用化研究)• ミューオンスピン共鳴分析• ビーム品質の向上 高分解能で電流増（核物理実験へ）

5イオン源～AVF入射ライン(現状)

HIPECR
forintense p
2.45GHz1mA at 15kV引出

Typical transmission through AVFcyclotron :5 - 7 %.
emittance:
イオン源ライン 100～200 π mm-mrad
AVF引き出し後～20 π mm-mrad

HIPIS
for
polarized p, dproton ～数十μA

SCECR
for
heavy ions18GHz
100～200pμA(Carbon)

Neomafious
forLight ionsp, d, He, Li …
10GHz
proton ～400μA

Buncher1
充放電型

AVFへ入射6

イオン源 / H29高輝度量子ビーム供給システム整備• 引き出し電圧 15kV ⇒ 50kV
• Duoplasmatron追加• AVF入射まで50kV入射対応化(配置変更)• 診断機器の追加(エミッタンスモニタ)• オフラインテストライン
HIPECR

SCECR

Duoplasmatronfor intense p, He

新規設置

米国NEC社製

H+ 10mA at 30kV引出
He+ 2mA at 30kV引出Emittanceε = 10π mm-mrad 以下@50kV

HIPIS
Neomafious

配置変更
エミッタンスモニタ追加

7

AVF cyclotron アップグレードとオーバーホール
H30年度アップグレード計画

8AVF Dee/共振器の更新 2Dee化により加速効率の向上を図る

共振器ハーモニクスとRF周波数の関係
1 x 180deg. Dee
AVF ハーモニクス
Ring h=6 運転
Ring h=10 運転
１周あたりのゲイン
ΔE/qV
AVF_RF 範囲

2 x 90deg. Dee

h=1h=1h=2h=310～18.65 MHz

10～18.65 MHz

20.00～37.3 MHz

30.00～55.95 MHz

6.0～10.40 MHz

6.0～10.40 MHz

12.00～20.80 MHz

18.00～31.20 MHz

22.8(逆位相運転)

4(同位相運転)2.8(逆位相運転)

6.0～17.33 MHz

6.0～18.65 MHz

12.00～37.3 MHz18.00～55.95 MHz※ RCNPの主力 proton 65MeV(AVF)-392MeV(Ring) は 16.8MHz(AVF)

目標とする
周波数レンジ

18～37.3 MHz9Operation Parameters of Upgraded K140 AVF Cyclotron

Magnet of 3-sector type

●Characteristics- Variable energy and multi-particle- Standard acceleration harmonic
number : h = 22

3.5
M/Q
4.44 4.0 3.0 2.5

M/Q = 2
M/Q = 1.5

1.5
M/Q = 1

B (T)【Specifications】
・Energy of ions with M/Q≦5proton≦ 80 MeV
D+, 4He2+≦ 35 MeV/n3He2+≦ 180 MeV
Heavy Ion
≦ 140×(Q/A)2・RF
16～36 MHz（ｆ_particle = 5～18 MHz）
・Dee electrode two ～90°dees
・Acc. harmonics 1, 2, 3
・Average field≦ 1.7 T

10.5

fRF = 16 to 36 MHz
h=2h=30510h=1
15f_particle (MHz)2025共振器の計算

7000

45.0
40.0

Q of F1
3910
4251
4566
5054
5561
5819
5889
5899

5000

30.0
25.0

4000

20.0

3000

15.0

2000

10.0

基本波周波数 [MHz]5.0

Q valueshort position
基本波周波数[mm][MHz]1038.6
50
35.3
100
32.2
200
27.8
400
22.5
600
19.3
800
17.1
900
16.335.0
基本波周波数 [ MHz]

Opera による共振器計算。
ショート板位置と周波数、Q値の関係6000

1000

Q of F1

0.00500
short panel position [mm]01000

このモデルだと16～36MHzはカバーする。さらに• 共振器とメインコイルの位置関係• 電圧分布• 電流密度 etc…
検討中
0

short panelposition [mm]11

AVF入射領域

50kV入射対応のための改造• インフレクター作り替え (入射半径拡大)
プラー

Dee電極

Dee電極

現在のスパイラルインフレクタ
電極に～4kV印加

1目盛10mm

入射軌道の検討 (新インフレクターとプラー)
入射時の位相差が20度のビームを比較 赤：０度

青：－２０度

詳細は、M.Nakao et al. TUP022「RCNP AVFサイクロトロンの中心領域の改良の検討」
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上ヨークリフトアップ

ヨークリフターの復活と改造
ヨークリフター油圧機構部••••

運転開始からこれまで使用していない次のトリムコイル・バレイコイルの作業に必要稼働範囲 600mm に (現状325mm)今後の内部アクセス性が向上
メンテナンス時に中心部に手が入れられる
1974年 磁場測定中のAVF中心部真空槽の側面が外れている状態
13トリムコイル/バレイコイル
バレイコイル
トリムコイル
これまでトラブルは起こしていないが、冷却水を流しているた
め、いずれはトラブルを起こす可能性が高い

バレイコイル
真空槽内で水漏れを起こしている。現在は、冷却水をながさず冷却水パイプを真空引きしている•••

トリムコイル・バレイコイル作り替え
アース板作り替え
真空箱作り替え
真空システム更新
ディフュージョンポンプ
⇒クライオポンプ1972年 製作中のトリム・バレイコイル
トリムコイル

アース板裏面にコイルが取り付けられている
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天井のかさ上げ
ヨークリフトアップの空間確保• AVFサイクロトロン本体室の天井ブロックを600mm上げる。AVF上ヨークを上げる空間を確保する。

ブロック (1m x 1m x 約12m )1972年 AVF本体室ブロック積み作業
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AVF天井の工事天井工事のために、現在のイオン源は一旦全て撤去が必要。
H29年度イオン源整備分は、H30年度工事の後で設置する。

現在の AVF本体室上側

1972年 AVF本体室上側

イオン源はプレハブの中

現在のイオン源室内
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AVF軸入射の改良 診断機器追加/配置見直し• 60cm空くので、新たにチェンバーを追加し、診断機を追加(これまで、軸縦穴のためにスペース制限が大きかった）• グレーザー、バンチャーなど位置を最適化

PPEMの測定画像

ペッパーポット
エミッタンスモニタ
MCP+蛍光板
Y.Morita et al., TUP079「RCNPにおけるペッパー
ポット型エミッタンス測定装置のリアルタイム化」

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付属施設
• 放射線遮蔽機能強化
ビーム増強に備えて一部シールドを増強
シールド扉の改修• クレーンの増設• 冷却水機能強化
冷却塔の更新、イオン源冷却水ライン増強
AVF実験室建屋
AVF本体室建屋

AVF本体用クレーン

AVF棟は築45年
シールド扉
AVF冷却塔 ３基
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スケジュール（仮）平成29年度
平成30年度 後半～

高輝度量子ビーム供給システム整備
AVF平成30年度アップグレード 設計
AVF平成30年度アップグレード工事開始
約１年間マシン停止
クレーン増設・イオン源、軸入射部撤去・天井かさ上げ・ヨークリフター復活・
AVF内部改修・イオン源設置
平行して付属設備工事

平成31年度

後半～ 試験運転
試験的にビーム供給

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まとめ / H29-31の機能強化• 高強度、低エミッタンス化を目指したイオン源からAVF入射までの改良と2Dee化、内部オーバーホール、付属設備の更新。
• 平成30年度後半から約1年間のマシンタイム停止と改修工事

・Duoplasmatron追加
・引き出し電圧50kVに増強

・診断機器追加
・配置最適化・中心部50kV入射対応
・ヨークリフター・トリムコイル、バレイコイル更新
・真空箱、アース板、真空排気システム更新
・共振器変更・放射線遮蔽機能強化・冷却水機能強化・クレーン増設・AVF天井かさ上げ
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