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

原 研 T I A R A 施設の概要
中村義輝、福田光宏、高 田 功 、神谷富裕、田 島 訓 、荒川和夫、西堂雅博、小原祥裕
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 1233

概要
原 研 TIARA(Takasaki Ion Accelerators for AdvancedRadiation Application)は、イオンビーム利用の拠点研究施設と して平成 5 年 7 月に完成して以来、主として材料科学やバイオ技術研究などの先端研究分野に多種多様なイオン種を提供してきた。TIARA 施設の加速器は、 これまで約 1 0 年間に渡り順調な運転を継続しており、研究成果の創出に貢献してきている。 ここでは、TIARA 施設の概要とそれぞれの加速器の特徴等、さらには代表的な加速器技術の開発や装置整備等についても記述する。

1 TIARA施設の概要
H A R A 施設は、930 型 AVFサイクロトロン [1]，[2]及 び 3台の静電加速器 [3]，[ 4 ] ( タンデム加速器、 シングルエンド加速器及びイオン注入器)から成る複合型加速器施設である。これら 4 基の加速器から提供されるイオン種の加速エネル ギー範囲を図 1 に示す。利用可能なイオン種は、質量数 1 の 陽 子 か ら 質 量 数 2 0 0 程度の金やビスマスイオンまで の 広範囲に渡って おり、それらの加速エネル
ギ 一 は 20 keV 〜 970
M e V と 約 5 桁にも及んでいる。また、これらの加速器装置では、スキャン （拡大照射） ビーム、パルスビーム、カクテルビーム、大気取り出しビーム、デ ュ ア ル • 卜リブ
ルビーム な ど の 複 合 ビーム、jxmサ イ ズ の 軽 •重イオンマ イ ク ロ ビ ーム 、 クラスタービーム、
質 邐 数 (amu)
等々 の 多 様 な ビ ー ム 利
図 1 : 利用可能イオン種の質量 用の形態が可能となっ数と エ ネ ル ギ ー と の 相関 図 。ている。

2AVFサイクロ卜ロン装置

サイクロトロン装置全体の構成図を図 2 に示す。イオン源 は ECR 型 が 2 台と、軽イオン 用 の Multi-cusp1 台があり、外部入射方式となっている。入射系にはビーム制御機器として、S U S の多孔薄板で作られているアッテネーター（ビー ム 減 衰 率 は 最 大 で 1(T1()程度 ) 、パルス型のチョッパー、2種類（正弦波型及び据歯状波型）のバンチャー等が設置されている。
原 研 AVFサイクロトロンは、住友重機械製の 9 30 型 （K値 110) であり、S F 型の常電導サイクロトロンとしては世界で最大級のものである。サイクロトロンは、セクタ一数が 4 、ディー電極数が 2 、加速ハーモニック数 1 ， 2 及び3 が可能で、R F 共振器には同軸型が採用されている。
ビ ー ム 輸送系は、水 平 ビ ー ム ライン 8 本、垂 直 ビ ー ム ラ

図 2 : サイクロトロン装置の全体構成。
イ ン 4 本から構成されており、合 計 1 6 ヶ所のターゲットポートが準備されている。同様に輸送系には、正弦波型チヨッパー、3 台の磁場偏向型スキャナ一等が配置されており、利用者の実験利用を支援している。
サイクロトロン装置整備における代表的な事項を以下に示す。1999 年 3 月には、HYPERNANOGAN(HECR)が導入され、このためのイオン入射系も付加設置された。設置
直 後 に お け る HECR の外 観 を 図 3 に示す。HECRは主として金属イオンの生成を目的としており、 こ れ ま で Ca，Fe，Ni, Ru 及 び A u イオンなどの開発を行ってきている。
また同時期に、制御機能の高度化や容量の増大などが必要となり、さらに構成機器の交換部品等の入手が困難になってきたこと、などの理由ら計算機システム及び制御プログラムを全面的に更新した。図 4 には更新された制御系の概 要 を 示 す 。M TC以 下 の 階 層 構 成 部 分 は 変 更 せ ず 、Computer等の上部階層は全て更新された。
これまでに発生した種々の故障等については、 1 )1993/12 ：プラー電極の支持用アルミニウムブラケッ卜の変 形 • 損傷、 2 ) 1994/06 : TMP (600 L/s)が破損し、ポンプの回転翼等がビームラインダクトの広範囲に飛散、 3 )1996/09 : ハーモニック切換作業中に、インフレクターステム（約 350k g ) が 約 1.7 m 落下、 4 ) 1998/03 : マグネテ
ィックチャンネル入ロバッフル部から加速箱内に大量（約50 L ) の漏水 、 6 ) 2000/09 ：ECR イオン源の OCTOPUS
本体内部全体及び後方診断ステ一シヨンの一部に冷却水が浸入、等々が代表的な事例である。
次 に 装 置 •技術開発についても、主要数例を以下に示す。
図 3 ：HYPERNANOGAN の外観。

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HNew Control System r

Optical link

図 4 : 更新したサイクロトロン装置制御系の概要。
宇宙用半導体材料の耐放射線性試験などでは、LET依存性等の実験が行われる事が多く、イオン種を変更するような一連のデータ取得には数ケ月を要していた。 このため、Cocktail beam 開発が進められ、1996 年 に は M/Q=5 のシリーズ（15N3+，2GNe4+，4GAr8i a 84Kr17+) が最初に実用化された。その結果、イオン種の切換が数分で可能となり、実験効率の飛躍的な改善が計られた。また、現 在 で は M/Q=4
及 び M/Q=2 のシリーズも追加開発されている。
これまで多くのサイクロトロンでは、運転条件に依ってはビーム強度が時間とともに減少し、時々補正磁場を調整するのが通例であった。このビーム減少の原因は、本体電磁石部分の温度変動に起因する磁場変動であることが初めて見出された。 1 9 9 9 年度には、電磁石の温度安定化を目的として、メインコイル用の断熱ジャケット（図 5 参照）を設置するとともに、分離した卜リムコイルの冷却水系統に、独立の高精度温度制御を導入した。その結果、ビーム
電 流 は 数 1 0 h 後 に お い て も 約 10 %程度の減少に抑制され、電流安定度の大幅な改善が実現された [5]。
さらに収束型のサ イ ク ロ ト ロ

填されている横型円筒形圧力タンク中に収納されており、その中央部には荷電変換のためのガスストリッパーが設置されている。ま た 3 M V シングルエンド加速器は、サブミクロン径のマイクロビーム形成を実現するため 、10 ppmの高い電圧安定度を備えた軽イオン専用の加速器であり、電圧の極性変換により電子の加速も可能となっている。昇電圧には対称型のシェンケル回路を採用しており、R F イオン源、加速部、昇圧部等は全て 0.6 MPa程 度 の SF6を満たした圧力タンク内に設置されている 。 400 k V のイオン注入装置は、フリーマン型イオン源を搭載しており、軽イオンから重イオンまでの広範なイオンを、最 大 400keV まで加速できる。
次 に 3 台の静電加速器及びそれらのビームライン及び夕ーゲットポー卜等の配置を図 6 に示す。ビームラインは、それぞれの加速器単独のビームラインと、デ ュ ア ル （MD1と M D2 ポート）及 び ト リ プ ル （MT1) の複合ビームラインがら構成されている。また、第 1 ターゲット室の T B ラインには、重イオンマイクロビーム装置が、一 方 第 3 ター
ゲッ ト 室 の S B ラインには、軽イオンマイクロビーム装置がそれぞれ設置されている。

ンマイクロビーム 形成の一環として、2001 年度にはフラッ卜卜
ップ加速システム の 導 入 、 2003、
'技 ■ 絲 お が だ ^ ^年度にはビーム
図 5 : 断熱ジャケットの - 部 ( 設 i l位相幅制御の高度化を目的とした中心領域の改造、鋸歯状波型バンチャーの設置等々が実施され、現在ビームテス卜が進行している。

3静電加速器

静電加速器群で、最も高いエネルギー範囲を受け持つのが 3 M V のタンデム加速器であり、
米 国 の NEC 製である。
また、3 M V のシングルエンド加速器及び 400 k V のイオン注入装置は、それぞれ日新ハイボルテ一ジ製及び日新電機製である。これら 3 台の静電加速器は、ビームの複合利用を主眼にして選定されたものであり、得られるビームエネ
ルギ一は、お およそ 20 keV〜 20 MeV の範囲となっている。
3 M V タンデム加速器は、 3 台の負イオン源を備え、得られる最大エネルギーは、H で 6M eV 、H e で 9 MeV、その他の重イオンでは 18M eV 程度である。昇電圧にはペレットチェーンを用いており、加 速 電 圧 は 0.4 〜3.0 M V で連続可変となっている。加速器本体は、0.5 MPaの SF6が充複合ビ一ム棟
図 6 : 静電加速器及びビームライン配置。
加速器の整備では、ほ ぼ 1 万時間運転を目途として加速
管 の 交 換 （3 台について、 1997 年 度 及 び 1998 年度)、イオン注入装置の絶縁碍子更新（2 0 0 0 年度） を行った。 また 2000 年度には、 グラフィックターミナルの故障の頻発や修理の困難さが深刻になってきていたこと、制御系中枢のボードコンピューター部分のサポート体制に懸念が生じてきたこと、などの理由からタンデム加速器の制御系を更新した。更新した制御系の概要を図 7 に示す。更新にあたっては、できるだけ？
凡用品で制御システムを構築し、長期 間 で の 維 持 • 管理を可能にするよう配慮した。
またこれまでに発生した主な故障等については、 1 )1994/08 ：タンデム加速器、ペレトロンチェーン用のプーリー軸に異常摩耗が発生、 2 ) 1997/02 : シングルエンド
加 速器、 リップル調整器の電流導入端子部分が異常過熱
3 ) 1995/11: イオン注入装置、高電圧デッキに電力を供給する絶縁碍子が損傷、等々が挙げられる。
さらに代表的な装置 • 技術開発等の内容を以下に示す。
マイクロビーム形成技術の開発では、前述のように重イオンマイクロビーム装置をタンデム加速器のビームライン

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図 8 : 過 去 11 年間における加速モード、イオン種、エネ
ル ギ ー 及 び ビ ー ム コ ー ス の 切換頻度の推移。

図 7 : 更新されたタンデム加速器制御系の概要に設置した。ビーム光学系の計算や電磁石磁場解析の結果に基づいて、マイクロスリット、発散制限スリット及び精密 Q レンズの最適設計を行った。その結果、 1 pm 径のマイクロビームを形成するとともに、ビーム照準技術との組み合わせにより、任意の位置へのシングルイオンヒット加エ技術も開発した。また、この重イオンマイクロビーム形成技術の展開により、シングルエンド加速器に軽イオンマイクロビーム装置を設計 • 設置し、最小ビーム径 0.25 jimのマイクロビームを達成した [6]。
タンデム加速器で、イオン源及びガスストリッパーの運転条件等を最適化することにより、C，Si, Ag, A u な ど 6
種類の実用強度のクラスターイオンを開発した [7]。 フリ
一マンイオン源のサポートガスに SFVを使用して、B, Si,Nb, Mo,Ta 等の高融点金属イオンを、高強度で安定に生成1996 年度に運転員の増員が行われたことから、2 3 時までの時間外運転が実施され、この時期から運転時間の拡大が計られた。過 去 6 年間における平均年間運転時間は、タンデム加速器、シングルエンド加速器及びイオン注入装置で、そ れ ぞ れ 1986 h、2376 h 及 び 1830h となっている。また、デュアル及びトリプルビームの複合照射の割合は、各加速器 と も 約 20 %となっているが、徐々にトリプルビーム利用が増加する傾向にある。さらに最近では、大気マイクロPIXE 分析技術の開発や各種試料の分析実験等で、軽イオンマイクロビームの利用頻度が増大している。

e2000する技術を開発した。また、シングルエンド加速器で加速さ れ た プ ロ ト ン ビ ー ム を 対 象 に 、 27Al(p，Y)28S i あるいは24Mg(p，Y)25A l の共鳴核反応を利用して、ビームエネルギー値及びエネルギー幅を正確に測定する方法を開発した。

493加速器の運転•利用状況
91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02

TIARA 施設の実験利用は、年 間 を 3 期に分割した形態となっており、実験課題の申請からヒアリング審査•評価等を経て、各実験者に利用時間を割り当てる方式となっている。 また利用運転については、サイクロトロン装置は、月曜日朝から金曜日夕方までの週単位の昼夜連続運転が基本となっている。一方静電加速器は 、 Daily operationが基本であり、08:30〜20:00 までの A モード、及 び 23:00 ま
で の B モード運転の 2 種類での対応となっている。
サイクロトロン装置の運転時間は、最 近 1 0 年間では全て 3000 h 以上を堅持しており、平均年間時間は 3216 h となっている。また、加速器の利用が年々多様化していることから、運転条件の変更頻度が増大しており、これらの状
況 を 図 8 に示す。加速モード、イオン種、エネルギー及びビーム コ ー ス の 切換頻度は、いずれも年々増加の傾向を示しており、特 に ビ ー ム コ ー ス の 切 換 回 数 は 年 間 で 約 290回以上にも達している。これらの状況は、サイクロトロン装置の実験利用が細分化されていることを示唆するものであるが、反面この事実はいわゆる装置の利用効率が徐々に低下していることを意味しており、将来的な施設運用における懸案事項の一つともなっている。
一 方 静 電 加 速 器 3 台 の 年 度 別 運 転 時 間 を 図 9 に示す。

Fiscal
図 9 : 静 電 加 速 器 3 台の年度別運転時間。

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)
P ] 中 村 義 輝 、奈 良 孝 幸 、上 松 敬 、石 堀 郁 夫 、怂:第1 2 回 TIARA研究発表会予稿集、pp33-34 (2003)[3 ] 田 島 訓 、高 田 功 、水 橘 清 、宇 野 定 則 、巡 ：JAERI-Tech 96-029,137p (1996)[ 4 ] 高 田 功 、水 橋 清 、宇 野 定 則 、大 越 清 紀 、巡 : 第 12
回 TIARA研究発表会予稿集、pp35-36 (2003)[5] S. Okumura, S. Kurashima, T. Ishimoto, W. Yokota, et al”
Proc. 13th Sympo. Accel. Sci. Technol., Suita, Osaka, Japan,
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B118, pp. 447-450 (1996)[7] Y. Saitoh, K. Mizuhashi and S. Tajima, JAERI-Review
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