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

原研 AVF サイクロトロンにおけるフラットトップ加速のための中心領域の設計
宮脇信正、福田光宏、倉島上松俊、奥村進、中村義輝、奈良孝幸、敬、石堀郁夫、吉田健一、荒川和夫

日本原子力研究所 高崎研究所 〒370-1292 群馬県高崎市綿貫町 1233

概要
1.0 10-4
16°
0.0 100∆E/E

原研 AVF サイクロトロンでは、集束レンズ方式によりビーム径 1μm のマイクロビームを形成するため、フラットトップ加速によるビームエネルギー幅|⊿E/E|≦2×10-4の達成に必要なビーム位相幅±8°以下に制御するための中心領域の設計を行った。TOSCA コードによる 3 次元電場解析を基に加速ハーモニックモード H=1、2、3 のそれぞれについて軌道解析を行い、電極形状及び配置の最適化を行った。その結果、各加速ハーモニックモードに対して|⊿φ|≦8°RF のビーム位相幅を達成する目途を得た。

-1.0 10-4

フラットトップ
加速
基本波加速-2.0 10-4-3.0 10-41

序論-4.0 10-4-10-50510
原研 AVF サイクロトロン（K 値 110）[1]は、３種類の加Phase(rfdegrees)
速ハーモニックモード H=1、2、3 での運転により材料科学・バイオ研究専用のサイクロトロンとして多くのイオン
図 1：基本波加速と基本波に第 5 高調波を重畳した種を幅広いエネルギー範囲にわたって提供している。現在、フラットトップ加速のエネルギー利得分布
バイオ研究に必要なビーム径 1μm のマイクロビームを形成するため、フラットトップ加速によるエネルギー利得の2 設計の基本的考え方
均一化[2]、サイクロトロン磁場の高安定制御によるビーム位相の高安定化[3]、ビーム位相幅制御の高精度化などの技
2.1 従来の中心領域の問題点
術開発を進めている。
マイクロビーム形成には、4 連四重極電磁石を用いたビ
従来の中心領域では、位相スリットのピラーギャップをーム集束法を採用しているが、集束レンズでの色収差の影3mm 程度に設定することにより|⊿φ|≦8°RF に制御可能
響を抑えてビームを 1μm に集束させるためにはビームエであるが、ビーム電流は大幅に減少し、実用的ではなかっネルギー幅を|⊿E/E|≦2×10-4 にする必要がある[4]。そこでた。また、RF シールドカバーと一体になったインフレク
エネルギー利得の均一化によってエネルギー幅の縮小化
ター電極を用いているため、インフレクター電極の位置にを図るフラットトップ加速システムの開発を行っている。 よってはディー電極先端とのギャップが狭く、加速電圧が原研 AVF サイクロトロンのフラットトップ加速システ
50kV 以上になる運転条件では放電が起こることがあった。
ムは、省電力、省スペースの観点から高調波電圧の振幅がシールド部分の RF 加熱によりスパイラル電極に熱が伝わ小さく、波長も短い第 5 高調波を基本波電圧に重畳する方り、高圧電極間の絶縁碍子の絶縁性が劣化して電圧が降下式を用いている。図 1 に基本波加速と第 5 高調波の重畳にし、ビーム電流が不安定になることもあった。さらに加速よるフラットトップ加速のエネルギー利得分布を示す。
ハーモニックモードを変更するためには、インフレクター
エネルギー利得の幅を|⊿E/E|≦2×10-4 にするビーム位とプラーの二つの電極を交換する必要があり、作業時間と相幅は 16°であるため、この範囲を越える位相の粒子は、 して 2 時間を要することから、サイクロトロンの稼働率が位相スリットにより排除する必要がある[5]。しかし、従来上がらない原因となっていた。の中心領域ではビーム位相とビーム軌道の相関関係が明確でないため、ビーム位相幅の制御が不十分であった。そ2.2 新しい中心領域の設計方針
こで H=1、2、3 のそれぞれの粒子の軌道について、ビーム新しい中心領域の設計においては、ビーム位相幅を|⊿φ位相と位相スリットを通過する位置の間に強い相関関係|≦8°RFに制御できること、軌道中心のずれを最小化するを持たせ、高精度のビーム位相幅制御が可能な中心領域のこと、加速電場による鉛直方向の集束力を確保することな電極設計を行った。
どを目標に電極形状及び配置の最適化を行った。インフレクター電極については、スパイラル型電極の電場半径、磁場半径の妥当性と空間的制約を検討した結果、従来と同様のものを採用することにし、ビーム位相制御のための電極

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配置の最適化を行うこととした。インフレクターの RF シールドの分離、アース板への固定化にあたっては、ディー電極及びダミーディー先端電極との幾何学的整合を取りながら、ビーム位相とビーム軌道位置の間に強い相関を生じるように、プラー電極との間に形成される初期加速電場を最適化することにした。位相スリットのピラー形状については、ビーム位相幅制御に最適な形状をビーム軌道から求めることとした。

3

新しい中心領域の設計

インフレクターの RF シールド固定化に伴い、全ての加速ハーモニックモードに対して、インフレクター電極を RFシールドの内部に配置するとともに、プラー電極との間の初期加速位置を共通化する必要がある。ところが、H=3 の場合、H=1 及び 2 のビーム位相幅制御に最適なプラー電極位置ではビーム位相とビーム軌道位置の相関関係が十分でなく、ビーム位相幅制御の精度が悪くなることが分かった。そこで、H=3 のインフレクター電極を 180°回転し、ビームをもう一方のディー電極に入射させることとした。

図 2：TOSCA による電場計算のためのメッシュの一例

CH2 Dee
位相スリット 1

インフレクター電極により、H=1、2 と同様に加速電場生成の自由度を保たせた。また H=3 のフラットトップ加速時のみ、H＝1、2 のプラー電極を H=3 のビーム位相幅制御に最適化した位相ス
リット 3 のピラーに取り替えることとし、ビーム位相幅制御の高精度化を図った。
固定 RF シールドカバー、独立駆動可能なプラー電極、ディー先端電極等の形状・配置を最適化するため、TOSCAコードによる電場解析を行った。計算に用いたメッシュの一例を図 2 に示す。これにより得られた電場分布を用いて軌道解析を行い、フラットトップ加速において高精度なビーム位相幅制御が可能となるように反復して電極形状と配置を変え、最適な解を求めた。図 3 に新しい中心領域の電極配置と H=2 の軌道を示す。

4ビーム軌道解析

4.1

ビーム位相幅TOSCA コードにより求めた電場分布を用いて、各加速ハーモニックモードの軌道解析を行った。1 ターン目に設置された位相スリット 2 における粒子の半径位置と 100 ターン目のディー電極入口加速ギャップ通過時の RF 位相との関係を図 3～5 に示す。解析を行った加速粒子は 70MeV
H+(H=1) （ 図 4 ）、 460MeV40Ar13+(H=2) （ 図 5 ）、150MeV40Ar8+(H=3)（図 6）であり、フラットトップ加速を行っている。初期ビーム位相は 40°RF の範囲で 5°RF 毎に設定し、入射ビームの水平方向のエミッタンスをε=2mm×80mrad=51πmm・mrad と仮定した。中心磁場バンプによるビーム位相のドリフトの影響はほとんどなく、等時性が保証される領域として 100 ターン目の半径位置40cm(H=1)、55cm(H=2)、61cm(H=3)において、ビーム位相と位相スリットでの粒子位置の相関を調べた。
各加速ハーモニックとも位相スリット 2 の位置と 100 ターン後の RF 位相に強い相関関係が得られており、特に、
H=2 については r=28～34mm の範囲でビーム位相幅が 16°RF 以内に収まっており、位相スリット 2 による制御が容易であることがわかった。また、H=1、H=3 についても、位相スリットによる空間的なビーム制限や入射ビームのエミッタンス制限により、ビーム位相幅の制御が可能であることを示している。

位相スリット 2RF シールドカバー

プラー電極

CH1 Dee
図 3：新しい中心領域と H=2 の軌道
従来と同じディー電極に入射する H=1、2 のビームは軌道半径が異なるため、プラー電極の二つのピラーをそれぞれ独立で駆動可能な機構にし、初期加速電場生成の自由度を向上させた。一方、H=3 のプラー電極は、既存の二つのピラーが独立駆動である位相スリット 1 と兼用させること

ディー電極入口での100ターン目のビーム位相 (deg)340

初期ビーム位相

335
330
325
320147152157162167

172177182

187315310305300
295290232527293133
位相スリット2における粒子の半径位置 (mm )図 4：加速ハーモニック H=1 のRF 位相とスリット位置の関係

35

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ディー電極入口での100ターン目のビーム位相 (deg)

300

4.3

初期ビーム位相

295

107

290

112117122127132137

142147

プラー電極の鉛直方向のアパーチャーは 20mm、ディー電極のアパーチャーは 24mm であるため、ビームはこれ以下に集束させる必要がある。インフレクターから出射するビームの鉛直方向のエミッタンスをεz=2mm×80mrad=51πmm・mrad と仮定して軌道計算を行った。その結果、スパイラルセクターによる強集束の効果が小さい 20cm ぐらいまでの中心領域付近では±0.6mm 程度まで振幅が大きくなったが、その後次第に集束し、ディー電極の開口部を問題なく通過できることを確認した。

2852802752702652602552502729313335
位相スリット2における粒子の半径位置 (mm)375

図 5：加速ハーモニック H=2 のRF 位相とスリット位置の関係

ディー電極入口での100ターン目のビーム位相 (deg)

270

260
255
25080859095100105110115120245240235
230225220505254565860
位相スリット2における粒子の半径位置 (mm)

62

参考文献

図 6：加速ハーモニック H=3 のRF 位相とスリット位置の関係

4.2

ビームセンタリング

中心領域における初期加速により生じる軌道中心のずれが大きくなった場合、ビーム軌道の安定性に影響を及ぼすだけでなく、ビーム位相のずれが生じて等時性が保証されなくなり、加速ギャップでのエネルギー利得にも影響を及ぼす可能性がある。軌道中心のずれについて解析を行った結果を図 7 に示す。最もターン数が多く軌道中心のずれが大きい H=1 でも軌道中心の変位量はほぼ±10mm 以内に収まっており、既設ハーモニックコイルによる補正が可能な範囲に収まっている。
20

軌道中心の変位 (mm)15105H=30-5H=2-10H=1-15-200100200300
ターン数400図 7：軌道中心の変位500

まとめ

原研 AVF サイクロトロンにおいて TOSCA コードによる3 次元電場解析とビーム軌道解析によりビーム位相幅制御の高精度化を目指した中心領域の設計を行い、フラットトップ加速に必要なビーム位相幅の制御が可能であることを確認した。
新しい中心領域を用いたフラットトップ加速によってエネルギー高分解能化を図ることによりビームの質が向上し、マイクロビーム形成に大きく貢献できるだけでなく、ビームハローがない大強度のビームの輸送が可能となり、ターゲット上のビーム整形も容易になる。
また、930 型 AVF
サイクロトロンでのシングルターン引出しを実現し、引き出し効率の向上によるデフレクター等の放射化低減やシングルパルスビームの安定供給などが期待される。

初期ビーム位相265

鉛直方向の集束

600[1] K. Arakawa, et al., Proceedings of the 13th International
Conference on Cyclotrons and their Applications,Vancouver, Canada, 119(1992).
[2] S. Kurashima, et al., Proceedings of the 13th Symposium ofAccelerator Science and Technology, Suita, Osaka, October
2003, p.232[3] S. Okumura, et al., Proceedings of the 13th Symposium ofAccelerator Science and Technology, Suita, Osaka, October
2003, p.283[4] M. Oikawa, et al., “Design of a focusing high-energy heavy
ion microbeam system at the JAERI AVF cyclotron”, Nucl.
Instrum. Methods Phys. Res. B 210, 54 (2003)[5] M. Fukuda, et al., “Flat-top acceleration system for thevariable-energy multipurpose AVF cyclotron”, Rev. Sci.
Instrum. 74, 2293 (2003)