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

先進小型加速器事業
山田聰（独）放射線医学総合研究所 〒263-8555 千葉市稲毛区穴川 4-9-1

概要
先進小型加速器事業は平成 13 年度（2001 年度）に開始された。事業の目的は、まだ実用化されていない新しい技術を用いた小型の加速器の要素技術を開発することにより、加速器を用いた治療・診断および物質・材料科学、生命科学等への加速利用の促進を図ることにある。事業は放医研を含む合計９つの大学・研究機関の共同研究として実施されており、平成 17 年度末までに、主要な要素技術開発を終了させる計画である。
開発を行う加速器としては小型陽子･重イオンシンクロトロンおよび小型硬 X 線放射光源の２つに大別される。小型陽子・重イオンシンクロトロンは、薄膜に 100TW 級大強度短パルスレーザーを照射することにより発生する比較的高いエネルギー（数 MeV/u 程度）の陽子又は重イオンビームを直流リングへ入射・蓄積、電子ビームで冷却した後、高磁場パルス・シンクロトロンで 300 MeV/u 程度のエネルギーまで加速することを最終目標としている。
小型硬Ｘ線放射光源は、電子ビームとレーザーとの散乱により数 10 keV 程度のエネルギーをもつ硬Ｘ線領域の放射光を非常にコンパクトな装置で発生させるものであり、Ｘバンド線形加速器と大強度のレーザーを蓄積するスーパーキャビティが主要な開発目標である。

1

はじめに

放医研では平成６年（1994 年）から、高エネルギーの炭素線を用いたがん治療の臨床試験を行っており、平成１５年（2003 年）２月末までに肺がん、頭頚部腫瘍、前立腺がん、骨・軟部肉腫などを中心に 1,500 を越える臨床例を蓄積しつつある。この結果は外部の専門家で構成される重粒子ネットワーク会議での評価を経て、ホームページなどを通じて公開されている。これまでの臨床試験の結果、炭素線は X 線や陽子線が効果的でないとされる腺がんや肉腫などにも効果があること、通常 X 線や陽子線では２０回を越える分割照射が必要とされている肺がんや肝臓がんに対し、数回の分割照射でも十分な治療効果を上げていることなどが示されてきた。このような成果を踏まえて、放医研では炭素線治療を高度先進医療に認定してもらうよう申請を行っており、間もなく認可が下りる予定である。
このような炭素線治療を一般に普及させるには、炭素線治療装置の小型化、低価格化が必要であり、放医研としてはこれまで装置の安定化、高精度化に関する研究と並んで治療装置小型化の研究を行ってきた。装置の小型化研究は短期的な要求に応えるための従来技術の直接的な延長研究と、比較的長期的な視野に立って更なる小型化を目指す研究とに大別される。このうち、従来技術をそのまま使用するものについては、現状の HIMAC における炭素線治療で使用している炭素ビームの仕様をほぼ達成するという条件で、図１のような設計例を提案しており、平成１７年度（2005 年度）以降の建設に対応すべく具体的な R&D が進行中である。[1]図１．小型炭素線治療装置
一方、長期的視野に立った研究として、平成 13 年度（2001年度）から先進小型加速器事業が文部科学省の電源開発促進対策特別会計の委託事業として開始されている。[2] 本
事業は平成 10 年（1998 年）に当時の科学技術庁政策研究所に設置された「加速器科学先端動向調査委員会」による関係機関への幅広い調査結果に基づいて、同研究所を中心に立案・計画されてきたものである。
開始時における事業の目的は、未だ実用化に至っていな
い新しい技術を用いた小型陽子・重イオンシンクロトロンおよび小型硬 X 線放射光源を実証製作することにより、加速器を用いた治療・診断および物質・材料科学、生命科学等への加速器利用の促進を図ることとされ、医学への応用が強調されていることから、事業の実施段階になって放医研が取りまとめを行うこととなった。その後予算の制約上、実証器の製作は困難であるとの判断から要素技術の開発へと計画が縮小され、現在に至っている。

2実施体制

事業の実施にあたっては、放医研が取りまとめ機関として一括して事業を受託し、実際に研究を実施する研究実施機関と放医研が共同研究を行うことによって事業を推進するというやや変則的な体制を採ることとした。事業を実施・支援するための組織として放医研内に先進小型加速器事業推進室を置き、事務局としての機能をもたせると共に、各研究実施機関の研究担当者が客員研究員等の形でここに所属し、放医研職員の身分を持って財産管理など行政的な責任を果たす一方で、分担研究を遂行することが可能となるような体制とした。また若手研究者の育成も重要な目標と位置付け、ポスドクを放医研が採用して各機関へ派遣することを可能とした。研究費を使用した物品購入だけでなく、国内外への研究者の派遣や招聘なども、比較的容易に行える体制が実現した。

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共同研究に参加する機関は表１に示すように、放医研を含めて合計９機関に及んでおり、そのうち４機関が大学またはその付置研究所、施設である。研究の遂行に関しては、各研究実施機関の研究責任者と外部委員で構成される先進小型加速器開発委員会を設け、予算配分やポスドクの採用など研究開発の基本方針を決定できる体制を整備した。
本事業が開始される直前に、放医研がそれまでの国立直轄研から独立行政法人に移行していたことも、このような体制の構築に有利に働いたものと思われる。

ンは広いエネルギー分布をもつため、シンクロトロンの運動量アクセプタンスに収まるエネルギー幅を切り取るだ
けではビーム強度が不足する。そこで”ディバンチャー”として機能する高周波加速空胴と、電子ビーム冷却法を用いてビームの運動量幅を圧縮するビーム冷却用リング（内側リング）をイオン源とパルス・シンクロトロンの間に追加することが考えられている。全体の構成案を図２に、また目標性能を表２に示す。この設計例ではシンクロトロンの出力エネルギーは 300 MeV/u であり、図１のものと直接比較はできないが、大幅な小型化が実現できる見込みである。

表１．先進小型加速器事業のテーマと開発分担機関
開発テーマ
Ⅰ．小型陽子･重ｲｵﾝｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ
ａ．100TW 級ﾚｰｻﾞｰｲｵﾝ源
ﾀｰｹﾞｯﾄ最適化
ｂ．ビーム蓄積･冷却装置
ｃ．小型ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝﾘﾝｸﾞ
ｄ．ＦＦＡＧ加速器Ⅱ．小型硬Ｘ線放射光源
A.大強度短パルス放射光源
ａ．ﾚｰｻﾞｰﾌﾟﾗｽﾞﾏｶｿｰﾄﾞ

ｂ．X ﾊﾞﾝﾄﾞ電子線形加速器
B.高フラックス放射光源
ａ．レーザー蓄積装置
ｂ．高品質電子ビーム源

開発分担機関原研 関西研東大 原子力工学研究施設
広大 先端物質科学研究科
京大 化学研究所
ＫＥＫ
放医研

東大 原子力工学研究施設
阪大 ﾚｰｻﾞｰ核融合研究ｾﾝﾀｰ
産総研
東大 原子力工学研究施設
ＫＥＫ
ＫＥＫ
東大 原子力工学研究施設
SP r in g-8

以下では、これまでに行われてきた要素技術開発の状況を小型陽子・重イオンシンクロトロンと小型硬 X 線源に分けて概観する。

3

小型陽子・重イオンシンクロトロン

3.1.

全体構成案

粒子線によるがん治療を行うための加速器を小型化するために、イオン源・入射器としてレーザーイオン源を、また主加速器としてパルス高磁場シンクロトロンを用いることを想定した研究開発を行っている。100TW 級の大強度レーザーの照射により発生する高エネルギー多価イオ

表２．小型炭素イオン加速装置目標性能
主要機器
主要性能
12 6+イオンCエネルギー2 MeV/u
レーザー
ビーム強度109 pps
イオン源±5%
エネルギー幅
位相回転後±1%
冷却リング
エネルギー幅±1% → ±0.1%
最大エネルギー
300 MeV/u
最大磁場
４T
周長
16.5 mパルス
加速時間5ms
シンクロトロン
繰り返し
5 Hz
エネルギー±0.1%アクセプタンス

3.2.

レーザーイオン源

現在、原研関西研、東大原子力工学研究施設と広島大学のレーザー装置を用いてイオン発生実験を行っている。このうち東大での実験に用いた装置を図３に示す。なお、この実験には東大の他、原研関西研、広大、京大のグループが放医研所属のポスドクと共に参加している。レーザーは、
波長 800nm、ピークパワー3TW(=150mJ/50fs)で、これを 6×1018W/cm2 に集光してターゲットに垂直に入射させた。
メインパルスとプリパルス(ペデスタル)の強度比は 1:10-5程度であった。ターゲットとして、Ta の 5µm 厚のフォイルを使用した。測定結果を図４にシミュレーションの結果と合わせて示す。

Electron Beam Cooler
Dipole Ma gn ets

Carbon Beam (300MeV/u)

RF Ca vity
100TW Laser Ion Sou rce

In du ction Accelerator

Inner Ring
RF Cavity

Pha se Rota tion
RF Cavit y
100TW Laser

Target Ch amber~ 6m

Ou ter Ring
RF Cavity~ 5m

図２．小型炭素イオン加速器全体構成案

図３：実験配置。

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3.3

ビーム蓄積・冷却リング

連続スペクトルであるレーザーイオン源のビームを運動量アクセプタンスの小さいシンクロトロンで加速するために、先ずレーザーにより生成されたイオンビームから分析電磁石を用いて中心値±5%のエネルギー範囲を切り取る。この際、必要なビーム強度を確保するために短パルスレーザーと位相同期した高周波電場を用いて縦方向位相空間における回転を起こし、エネルギー幅を±1%まで圧

3.3

小型陽子・重イオン・シンクロトロン

陽子と重イオンリングのラティス構造を１超周期について図５に示す。リングは４超周期で構成され、8 箇所の長直線部に入出射機器、加速空洞、ビームモニター、補正電磁石などを配置する。重イオンリングでは陽子リングと同じ加速空洞を 2 箇所の長直線部に 1 台ずつ設置する予定である。偏向磁場の最大値は陽子リングと重イオンリングに対してそれぞれ 3T および 4T、最大励磁電流は 200 kAと 270 kA である。
リングの主要パラメターを表３に示す。
[6]

QF

QD

B

QF

B
300.6m0.1m
50.15m
7.5 ρ=0.72m

0.1m
0.2m

QF
QF

Proton ring
R=1.8m

QD
300.6m

ρ=1.35m

5レーザーイオン源で高エネルギーのイオンが発生する機構として、一般的にはレーザーパルスの輻射圧により、まずレーザープラズマ中の軽い電子が加速を受けてターゲット表面から飛び出し、その際の電荷分離によるクーロン場によってターゲット表面のイオンが加速されると解釈されていた。[3]図４には、このモデルに基くシミュレーションもあわせて示したが、イオンのエネルギーが低すぎて、今回の実験結果を説明できない。
今回の実験のようにプリパルスレベルが比較的大きい場合、ターゲットはメインパルスの到来以前に裏面まで完全にプラズマ化していることが予想される。この部分にメインパルスが入射すると、レーザー光は、中心部のプラズマ中をプラズマ密度分布に起因する屈折率分布によりガイドされながら通過し、チャンネル中に電子プラズマ波(航跡場)を生じて、前方に高速電子を掃き出す。この電流によって超強磁場(～104T)とプラズマ中に大きなプラス電荷を残す。磁場は、数百フェムト秒からピコ秒の程度持続し、帰還電流がプラス電荷を打ち消すことを妨げるように作用するため、レーザーパルスがフェムト秒でも充分な加速時間が得られる。図４中 b にこのような臨界密度以下のプラズマスラブによる加速機構[4]に基いて原研のグループが行ったシミュレーション結果を示す。実験結果と比較的よく一致していることが分かる。
現在、原研関西研究所において本格的にイオン発生実験を行うための準備として、測定系の整備、補助レーザー（10TW）の整備などを行っている。またこれと並行して東京大学、広島大学ではプリパルスが高エネルギーのイオンや電子の発生に及ぼす影響など、ターゲットの最適化に関する研究を系統的に進めて行く予定である。

10

図４：前方でのプロトンのエネルギースペクトルの測定値とシミュレーション結果の比較。(a)は実験結果、(b) 、(c)はそれぞれ臨界密度以下のプラズマスラブおよび高密度プラズマシートを用いたシミュレーション結果。定性的には臨界密度以下のプラズマスラブによる加速機構が実験結果をよく再現する。

縮する。このための位相回転空胴の設計・製作は既に完了
して今秋から実際にレーザーイオン源と組み合わせて性能確認を行う予定である。
ホットイオンビームの電子ビーム冷却に関しては、冷却時間の短縮方法を確立するために、ドイツハイデルベルグのマックスプランク原子核研究所の TSR を用いた原理検証実験を推進している。これまでの電子ビーム冷却法では、電子の速度をイオンの速度分布の中心値に一致するように設定しておくのが一般的である。この方法では 1%の運動量幅を持つ炭素イオンを 0.1%の運動量幅まで冷却するには 2.8 秒を要することが TSR の実験を通して得られた。
この時間を短縮するためにイオンの速度を掃引する方法と電子の速度を掃引する方法が試験された。イオン速度の掃引には誘導加速器が用いられ、上記と同じ条件で 0.6 秒という冷却時間が得られた。電子速度を掃引する方法では、運動量幅 1%のイオンに対して 0.35 秒という冷却時間が得られている。
実際の冷却時間はイオンビームの空間的なサイズによって大きく変化すると考えられるため、実際にレーザーイオン源で生成されたイオンビームに対して位相回転及び電子ビーム冷却を適用してエネルギー幅を縮減するスキームを系統的に研究するために、イオン蓄積・冷却リング
S-LSR を京大・化研内に設置するための機器製作が開始されている。[5]Carbon ring

R=2.62m

QDQD

図５ 陽子リング（左）と重イオンリング（右）。
ピーク磁場３T の陽子シンクロトロン用パルス偏向電磁石について、偏向電磁石１台とパルス電源の製作を終了し動的磁場測定を行った。動的３次元磁場シミュレーションとの比較では、磁場分布は計算結果と一致していることが確認された。偏向電磁石のコイル配置や鉄心の飽和によって生じる 6 極成分は、偏向電磁石に取り付ける補正コイル
では十分に補正できないため、独立した 6 極電磁石の配置が必要となる。図６に磁場測定の結果を計算結果と並べて示しておく。

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パルス励磁をすることによりコイル導体に発生する渦電流や表皮効果の影響を低減するために銅の細線を束ねたストランドケーブルを使用してエポキシ樹脂含浸コイルを製作した。ストランド間の熱伝導が悪いため、繰り返し１Hz で 10 m sec 幅擬似正弦波半パルス運転でコイルの温度上昇は約 80℃である。
表３ 陽子・重イオンリングのパラメータ。
陽子リング
重イオンリング
最大エネルギー
200 MeV
300 MeV/u
入射エネルギー
2 MeV
2 MeV/u
平均ビーム電流20nA
0.2nA（1Hz 運転時）
周長11.9 m
16.47 m
軌道半径0.72 m
1.35 m2.25 / 1.25
ベータトロン振動数 2.25 / 1.25
（水平/垂直）遷移エネルギー
2.29 GeV
2.08 GeV/u
偏向電磁石
ピーク電流
200 kA270 kA最大磁場
3T
4T
4 極電磁石
ピーク電流
15 kA
35 kA
最大磁場勾配25.85 / 26.88 T/m 33.53 / 41.87 T/m（QF/QD）
高周波加速系
加速時間
5 msec5 msec
周波数
1.6 – 14.3 MHz
1.2 – 11.9 MHz
ハーモニック数 1
1
加速電圧
13 kV
26 kV
加速空洞数
12繰り返し
5 Hz
5 Hz
1.02

Radial0degT

1.05

D3D76 without FEM3D-cond., By0dTmsNorm1.01

1

By (normalized)

By (normalized)

1

0.95

0.5ms
1.0ms
1.5ms
2.0ms
2.5ms

0.9

3.0ms
3.5ms
4.0ms
4.5ms
5.0ms

0.99

0.98

0.97

0.5ms

3.0ms

1.0ms

3.5ms

1.5ms

4.0ms

2.0ms

4.5ms

2.5ms

5.0ms

0.96

0.85
-0.04

-0.02

0

0.02

x (m)

0.04

0.95
-40-30-20-10010203040x (mm)

図６ 電磁石中心における規格化した半径方向磁場分布、動的３次元磁場計算結果（左）と磁場測定結果（右）。
高周波加速空胴としては磁性合金コアを用いた２セル空胴を、また高周波加速電源には高周波電力増幅管をプッシュプル接続する方式を採用することにした。現在、このうちの１セル分を試作し、共振器としての特性の測定を行っている他、制御系等についてシミュレーション計算を含む詳細検討を行っている。[7]3.4FFAG 加速器

固定磁場型加速器であるＦＦＡＧの利点は、シンクロトロンでは実現不可能な高繰り返し加速が可能であることから、ビーム要求タイミングに合わせてビームの ON/OFFを行えるため患者の呼吸に同期した照射に適しており、今後発展が期待される三次元スポットスキャニングによる照射法への応用も有望である。また、シンクロトロンに比べて高磁場での運転が容易であり、加速器全体の小型化も可能である。
イオン源エネルギーから（炭素の４価イオン）、核子当り 400 MeV の最終エネルギーまで（炭素の６価イオン）二段の常伝導ＦＦＡＧ加速器でカスケード加速しようとすると、各リングの粒子軌道の変位幅が広くなり、電磁石及び加速空胴の動径方向サイズが大きくなるなど、製作性及び性能面でのデメリットを生ずる。これを防ぐために三段カスケードとすると、各リングの軌道変位をそれぞれ 800mm 程度以下に縮小することができ、電磁石並びに加速空胴の製作上の問題が緩和されることが判った。
これらの設計作業と並行して高周波加速空胴の R&D を進めている。空胴内に装荷する磁性材料には高透磁率磁性体材料ファインメットを利用して、同調不要の空胴の開発、中でも磁性材料としての性能を劣化させることなく効率的に冷却する方法の開発を目指し、小型コアを用いた試験を行い、実用化の目処を立てた。[8]4小型放射光源の開発

小型放射光源は小型であるという特長を活かして冠状動脈造影など医学への応用を目指す大強度短パルス放射光源と、準連続ビームの特性を活かして蛋白質の構造解析など幅広い応用を目指す高フラックス小型硬Ｘ線放射光源とに分けて要素技術の開発が行われている。

4.1

大強度短パルス放射光源

血管造影に用いられるＸ線はヨウ素のＫ吸収端である33keV の前後のエネルギーをもつことが要求される。このような高エネルギーＸ線を発生させるために、大強度のレーザーパルスと高エネルギー電子の正面衝突による逆コンプトン散乱を利用する。レーザー源として 2J/pulse、パルス幅 10ns、波長 1,064nm の Q スイッチ Nd:YAG レーザーを使用する。電子エネルギーは 45 MeV 以上であることが要求され、このために X バンド熱カソード高周波電子銃を電子ビーム源として、電子加速器にはＸバンド線型加速器を図７のように組み合わせた装置を試作し、性能テストを行うことを本計画の目標としている。[9],[10]電子ビームとしては 20pC/bunch の強度をもつビームバンチを 1μs の間 87.5ps 間隔で生成するマルチバンチ方式とし、これを 50Hz で繰り返す。
Ｘバンドの加速管は 1 本しか使わない予定
なので、これで電子を 45 MeV まで加速するには実行加速効率として 50 MV/m を越える値を実現する必要がある。
衝突点でのビームサイズが大きくなると X 線強度が下がることから、実現可能で、かつ許容可能なビームサイズの目標値をレーザー、電子ビーム共に 0.1mm（rms 値）とし、これを実現するためのＸバンド線型加速器、ビーム輸送系を含めたビーム光学的検討を終え、部品の製作を進めている。またフォトカソード高周波電子銃の開発が間に合わないことを想定し、Ｘバンド熱高周波電子銃の開発を始めている。

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X-bandPower SourceTiming
SystemAlpha Magnet

Bending Magnet
Laser Dump
Mirror

Q-Magnet

Collision Point
Beam Dump

L ens

Q-Switch
Nd:YAG Laser

X-band Accelerat ing Structure
Thermionic cathodeX-band RF-gun

こ の よ う な 要 素 技 術 の 開 発 が 順 調 に 進 め ば 、 1014
photons/sec 以上の準単色硬 X 線がテーブルトップ規模の装置で生成できる可能性が見えてくる。図９に検討中の電子蓄積リングの配置図を示しておく。

Thin mirror(i n vacuume)

Hard X-ray(33keV)

Laser light(1064 nm)

図７：大強度短パルス放射光源の要素技術開発用テストス
タンド
図９：小型電子蓄積リング概念図

4.2

高フラックス小型硬Ｘ線放射光源

本課題では、硬 X 線の生成原理は前述の大強度短パルス放射光源と同様に大強度レーザーと電子線の逆コンプトン散乱を用いる予定だが、違いは準連続的な X 線の発生により高フラックス化を目指しているところである。
電子ビームはフォトカソード RF 電子銃、S バンド電子線型加速器、蓄積リングの組合せで 45 MeV 程度の低エネルギー電子ビームを衝突点で最終的には 30μm まで絞り込む。これを実現するにはまず良質の電子ビームを生成する必要があり、フォトカソード RF 電子銃を試作し性能試験を行っている。現在までに得られたビームパルスを図８に示す。

5謝辞

本稿は、これまで各研究分担機関において得られた成果を基にまとめたものである。資料を提供して頂いた大道博行氏（原研関西研）、上坂 充氏（東大・原施）、小方 厚氏（広大）、野田 章氏（京大・化研）、遠藤有聲氏（KEK）、北川米喜氏（阪大・レーザー核融合センター）、小山和義氏（産総研）、浦川順治氏（KEK）、花木博文氏（SPring-8）に感謝します。
現在までのところ予算上の制約もあり、当初の計画を大幅に縮小せざるを得ない中で、何とか成果を出しつつあるのはひとえに各研究分担機関の努力の賜物と言って良い。
研究を支えて頂いている多くの方々に感謝します。

参考文献

図８：試作したフォトカソード RF 電子銃で得られたビーム性能。
レーザーの高パワー密度化のために、レーザー蓄積装置を開発している。現在までに CW グリーンレーザー（532nm）を用いて、40 mm のファブリ・ペロー型共振器内に入射パワーの 2,000 倍以上のレーザーパワー蓄積に成功している。実際に蓄積されているパワーそのものは 200 W とまだ小さいが、基本的な CW レーザー蓄積技術の開発をほぼ完成したものと考え、現在は X 線生成効率の高い短パルスレーザー蓄積の検証実験を開始している。これまでに、レーザーパルス蓄積増幅利得が 1,000 倍程度は可能であるとの見通しを得ており、今後はミラーの反射率を 99.9%に上げ、ピエゾによるフィードバック回路を組み込むなど、実用化のための試験を行う予定である。
電子ビームと蓄積されたレーザーの衝突点は周長約 10m の小型電子蓄積リングの直線部に置かれる。現在までにほぼラティス構造を決定し、詳細なシミュレーション計算を行っている。

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