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

PASJ2014-SAP119

原子力機構 TIARA サイクロトロンにおける大面積均一イオンビーム利用のための技術開発
TECHNICAL DEVELOPMENT FOR THE UTILIZATION OF
LARGE-AREA UNIFORM ION BEAMS AT THE JAEA TIARA CYCLOTRON
百合庸介, 湯山貴裕, 石坂知久, 石堀郁夫, 奥村進
Yosuke Yuri, Takahiro Yuyama, Tomohisa Ishizaka, Ikuo Ishibori, and Susumu Okumura
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, Japan Atomic Energy Agency

Abstract
A formation/irradiation system of large-area uniform ion beams based on nonlinear focusing has been continuously
developed at the ion accelerator complex TIARA in Japan Atomic Energy Agency. A beam with a uniform transverse
intensity distribution is formed by nonlinearly focusing a Gaussian-like beam with multipole magnets in a properlydesigned beam line. An efficient beam tuning procedure in the high-energy beam transport line of the TIARA AVF
cyclotron has been established toward the smooth utilization of the uniform beam. Applying the last doublet quadrupole
and two octupole magnets, we can diversely change the on-target uniform beam profile at a typical uniformity below
10% from a square-like area over 200 cm2 to a ribbon-like one with a high aspect ratio over 15. Such uniform beams ofseveral ion species of 3~13 MeV/u are now ready for the utilization.

1.

はじめに

原子力機構高崎量子応用研究所のイオン照射研究
施設 TIARA は、材料科学・バイオ技術分野の先端科学研究やその産業応用を主目的として整備された加速器施設である。AVF サイクロトロンと３台の静電加速器からなり、原子力機構の量子ビーム応用研究の拠点のひとつである[1]。
AVF サイクロトロンでは、新たな拡大ビーム照射法として、多重極電磁石を用いてイオンビームの横方向強度分布を大面積均一化する技術開発を進めている[2-5]。この照射法は、多重極電磁石がビームに及ぼす非線形集束力によって強度分布が変換されることに基づいている[6]。適切に設計されたビーム輸送系において、主として８極電磁石を用いてビームを集束することにより、ビーム強度分布の裾野が内側に折りたたまれ、最終的にターゲットにおいて実空間強度分布を均一化することが可能である。
材料科学やバイオ技術分野の照射利用に有用な、均一度 10%以内で 100cm2 程度の大面積の照射野を実現することを目標として開発を進めてきた。本稿
では、開発したシステムの概要に加え、確立した均一ビーム形成手順及びそれに基づいて形成した均一ビームの特性等、利用に向けた最近の開発結果を報告する。

2.

実際には TIARA サイクロトロンから引き出され、拡大されたビームのプロファイルは実空間・位相空間とも通常複雑でガウス分布ではないため、単に多重極電磁石でビームを集束しても均一性の良いビームを形成することはできない。そこで、薄膜散乱体にイオンビームを透過させ、多重クーロン散乱によって、横方向強度分布をガウス分布に近づけた。
薄膜位置における Twiss パラメータ及び薄膜からターゲットまでのベータトロン位相進度を適切に設

均一ビーム形成システム

TIARA のサイクロトロン加速器施設のレイアウト
Figure 1: Schematic layout of the JAEA AVF cyclotron
を Figure 1 に示す。均一ビーム形成のための主な要facility. The gray squares on the beam lines correspond
素は、薄膜散乱体、多重極電磁石及びターゲット
to the beam diagnostic stations (labelled as TS1 andチェンバーである。
TSLB1) equipped with a silt, a wire profile monitor, a
多重極電磁石を用いてビームの横方向強度分布を
phosphor screen, and a Faraday cup. Multipole magnets
均一化するには、その初期分布がガウス分布である
have been installed in one of the beam lines for the
ことが前提条件として必要である[2,3]。しかしながら、
formation of a uniform beam.

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定することにより、可能な限り薄い散乱体で十分にガウス様分布化し、散乱による重イオンビームのエネルギー損失を抑えた[3,7]。
多くの場合、多重散乱されたイオンの価数は変化し、ある分布を持つが、ビームは散乱体の下流にある２台の偏向電磁石によって分析され、特定の価数のイオンのみがターゲットへ導かれる。
ガウス様分布化されたビームは、多重極電磁石により集束されるが、その非線形集束によって生じる横方向２自由度間のベータトロン振動の結合は均一ビーム形成の妨げとなる。この結合を弱めるため、
Figure 2 に示すように、多重極電磁石位置では、水平・鉛直いずれかの方向のビームサイズがもう１方向のそれよりも十分大きくなるようにビーム光学系を設計した。これにより、水平・鉛直方向の均一化を独立に調整することができ実用的である。均一化に必要な８極磁場強度 KOCT 及びターゲットにおいて形成される均一分布の全幅 W は以下のとおりである[2]：1(1)K OCT LOCT  2,
 0 tan (2)W  2  t cos  ,ターゲットには、様々な形態での均一ビームの計測や照射利用が行えるよう、多数のフランジポートを備えた汎用的な真空チェンバーを設置した。20cm角の大面積の薄い試料を最大２２枚搭載することができ、効率的な利用を可能とした。運動エネルギーが 10MeV/u 程度以上のビームについては、大口径の薄膜窓を設置して、大気中にビームを取り出して均一照射することも可能である。

3.

均一ビーム形成手順の確立

Beam envelope (2) [cm]Figure 1 に示すように、サイクロトロンからターゲットまでのビームライン上には、２５台の四重極電磁石が設置されているが、限られたマシンタイム内で、多重極電磁石や偏向・ステアリング電磁石に加えて、これら２５台全ての電磁石を細かく調整することは現実的でない。そこで、効率的なビーム調整のために、ビーム光学系設計、粒子トラッキングシミュレーション及び実験での検証を経て、以下のように調整手順を確立した。
まず、サイクロトロン直後の３連四重極電磁石を用いて、その直後に設置されている薄膜散乱体（直径 30mm）でのビーム形状の調整及び最初のビーム診断ステーション（TS1）でのビームウエスト形成
ここで、LOCT は８極電磁石の磁極長、 はビームのを行う。
二乗平均（rms）エミッタンス、 0 及びt は８極電次に、ガウス様分布化のための薄膜をビームライ磁石の位置及びターゲット位置におけるベータ関数、ンに導入する。必要な散乱角の大きさは 0.7~2mrad
は８極電磁石からターゲットまでのベータトロンであり[8]、イオン種や運動エネルギーに応じて、ア位相進度である。
ルミニウム（=2.7g/cm3、t1.5m）、銅（=9.0g/cm3、
なお、Figure 2 に示すように、ビームラインにはt2m）、タンタル（=16.7g/cm3 、t1m）等を使い６極電磁石も設置されている。８極電磁石を用いた
分 け て い る 。 散 乱 に よ り 、 rms エ ミ ッ タ ン ス は均一化の際にビーム軌道のずれに伴う分布変形を補0.5~5mmmrad から 10~10 数mmmrad へと増大す
正するとともに均一領域を拡大する効果があることる。エミッタンス増大に伴うビーム損失を低減する[3]や６極電磁石のみを用いた均一化が可能であるこため、ビームサイズが大きくなる一部の四重極電磁とを明らかにした[4]。
石では、内部の真空ダクトを断面形状が円形のものから正方形のものへと変更し、実効アパーチャを拡
Sext Oct Quad Oct Sext
Target大した。
２台の偏向電磁石の 5~7cm ほどの狭いギャップを20通し、かつ多重極電磁石による水平・鉛直結合を抑Horizontal (large area)
える Figure 2 のような光学系を実現するため、３連
Vertical (large area)
四重極電磁石に続く２０台の四重極電磁石は、通常Horizontal (ribbon)は設計値で固定し、調整パラメータ数を減らすこと
Vertical (ribbon)10とした。２台目の偏向電磁石直後の診断ステーション（TSLB1）では、設計ビームエンベロープがウエストになっており、TS1 で計測されたプロファイルと相似の形状が再現されること、さらに水平方向を0均一化する１台目の８極電磁石の直後では、水平方
36384042
向ビームサイズが鉛直方向のそれよりも十分大きい
Path length from the cyclotron exit [m]ことを、ワイヤ型のプロファイルモニタによってそFigure 2: Transverse beam envelope around the れぞれ確認する。
ターゲット上でのビーム形状や照射野面積及びそ
multipole magnets and target. The blue and green linesの均一度の調整は、主としてターゲットの数メート
are the horizontal and vertical envelopes, respectively.
The solid lines correspond to the case of a two- ル手前にある最終の２連四重極電磁石とその前後のdimensional large-area beam, and the dashed lines ２台の８極電磁石を用いて行う（Figure 2 参照）。
correspond to the case of a horizontally-elongated ribbon その際、８極電磁石内でのビーム軌道のずれがビー
beam. An rms emittance of 10 mmmrad has been ム形状に大きく影響し、強度分布の均一性を低下させる。ビーム軌道のアライメントが最も重要である
assumed.

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ことがこれまでの開発を通じて分かっている。これ
らの調整は、ターゲット上に設置した大面積の蛍光スクリーンモニタ（三菱化学製 DRZ-High）からの発光を複数のカメラで観測しながらリアルタイムに行う[9]。必要に応じて、ビームラインに設置されたスリットを閉じることで、最終的な均一ビーム形状を調整する。以上の一連のビーム調整は１時間程度で完了する。

4.

均一ビーム

上述の調整手順によって形成した大面積均一ビー
ムは、放射線への曝露によって着色するラジオクロミックフィルムの一種であるガフクロミックフィル
ム（Ashland Inc. 製 HD-810）[10]に照射し、その特性（形状、面積、均一度）を評価した。照射したフィルムは、汎用のフラットベッドスキャナ（EPSON製 ES-10000G 等）を用いて読み取った。16 ビットの RGB 値から、数 100cm2 の広い面積にわたる２次元の吸光度分布が 1mm 以下の高い空間分解能で簡便に得られる。照射による吸光度の増加は、吸光度が小さい低フルエンス領域では、フルエンスに対して十分に線形であることから、吸光度からビームの相対強度分布が直接求められ、面積や均一度の評価が可能である[5]。
形成した大面積均一ビームの２次元相対強度分布の計測例を Figure 3 に示す。ガウス様ビームを８極磁場で集束すると、その裾野がオーバーシュートされ均一領域の周囲に高強度部分が形成されるが、それは上流の診断ステーションに設置されたスリットを用いて除去してある。形成された均一照射野は17cm×13cm であり、その均一度（rms 値）は 7%であった。
また、最終の２連四重極電磁石を調整することに

Figure 3: Relative transverse intensity distribution
obtained from the optical density distribution of a
Gafchromic film, HD-810. The film was irradiated with
a 4.1-MeV/u Xe beam of 5 nA for 10 s. The horizontal
and vertical cross-sectional distributions are shown in theupper and right sides, respectively.

よってターゲット上でのビーム形状を大きく変換することができる（Figure 2 参照）。Figure 4 に示すようにアスペクト比が 15 以上ある、水平方向に扁平なリボン状均一ビームを形成することができた[11]。
このようなビームを用いて、シート状試料を鉛直方向に roll-to-roll 搬送させることで、長尺の試料の連続的な均一照射が可能である。

5.

利用展開開発した大面積均一ビームは、すでに宇宙や材料科学分野の量子ビーム応用研究に提供している。
陽子ビームは、宇宙航空研究開発機構が行う宇宙用太陽電池の耐放射線性評価試験に利用されている。
従来のビーム走査方式による均一照射では、フルエンス率が高くなるとともに試料の劣化度合いが大きくなる場合があり、実宇宙環境により近い一定フルエンス率の放射線場を模擬できる本技術は新たな評価試験手段となっている[12]。
高機能材料開発に関する研究では、重イオンビームの短時間照射や大気中での均一照射を利用して、高性能の燃料電池膜材料として有望なフッ素系高分子フィルムの穿孔化等に関する研究が開始されたところである[13]。

6.

まとめ

原子力機構高崎量子応用研究所の TIARA では、AVF サイクロトロンのイオンビームを、多重極電磁石の非線形集束に基づいて大面積均一化する技術を確立した。薄膜を用いた多重クーロン散乱によるガウス様分布化の条件や効率的な調整手順の確立により、これまでに、陽子、ヘリウム、アルゴン、キセノン等の運動エネルギーが 3~13MeV/u のイオンで100cm2 ないし 200cm2 を超える大面積均一ビームを10%程度以下の均一度で形成することが可能となった。本ビームは、照射野全体を瞬時かつ同時に照射できるという、従来のビーム走査方式では困難であった特長を持つ。この特長を最大限に活用して、量子ビーム応用研究の新たなツールとして利用を展開している。

Figure 4: Relative transverse intensity distribution
obtained from the optical density distribution ofGafchromic film, HD-810. The film was irradiated witha 4.1-MeV/u Xe beam of 1.7 nA for 5 s. The horizontal
and vertical cross-sectional distributions are shown in theupper and right sides, respectively.

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JAEA Takasaki Annual Report 2013.

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