Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Measurement of the beam phase structure inside the AVF cyclotron andimprovement of the radial probe
Nobumasa Miyawaki 1 , Susumu Okumura, Satoshi Kurashima, Hirotsugu Kashiwagi, Ken-ichi Yoshida, Yosuke Yuri,
Takahiro Yuyama, Tomohisa Ishizaka, Ikuo Ishibori, Takayuki Nara and Watalu Yokota
Takasaki Advanced Radiation Research Institute, Japan Atomic Energy Agency
1233 Watanuki-machi, Takasaki, Gunma, 370-1292
Abstract
The beam phase structure in the JAEA AVF cyclotron was measured for three acceleration harmonic modes with aradial probe equipped with a plastic scintillator to investigate the relation between the beam phase and the position of
the puller electrode or two pairs of beam-phase-defining slits in the cyclotron central region. A number of simulations
on the beam phase structure were also performed for confirmation of the experimental results. The beam phasestructure measured inside the cyclotron was agreed with the simulation result. The radial probe has been improved forincreasing the detection efficiency of accelerating ions with a short range in the plastic scintillator. The improvement
was confirmed for 75MeV-20Ne4+ beam.

AVFサイクロトロン内部のビーム位相測定とプローブの改良
１．はじめにがわかった。引出し後のビーム位相測定だけでは、FT加速で必要な位相幅をモニターできていない可能[6]性が高いことが示された 。
本稿では、さらにビーム位相制御方法を検討するため、軌道の異なる3つの加速モード(H=1,2,3)に対して、プラー電極位置とビーム位相との関係について、CMPを用いてサイクロトロン内部でのビーム位相測定を行うと共に、シミュレーションとの比較も行った。また従来のCMPでは困難であった、エネル
ギーが低く飛程が短い重イオンの高精度な位相測定を目的としたCMPの改良結果についても報告する。

原子力機構AVFサイクロトロン(K=110)では、微小領域における宇宙用半導体のシングルイベント効
果等の材料科学研究や生物細胞への局所照射による生体機能解明研究などのために、1μm以下のビーム径及び照準位置精度を有する重イオンマイクロビー
ム形成技術の開発を進めている[1]。マイクロビーム形成装置は4連四重極電磁石を用いたビーム集束方式のため、集束電磁石での色収差による影響が現れることから、サイクロトロンから引出されたビームのエネルギー幅を∆E/E≤0.02%(FWHM)にする必要があった [2] 。そこで、フラットトップ(FT)加速システ
２．シミュレーションとビーム位相測定
ム [3]を導入して、均一なエネルギー利得が得られる
サイクロトロンの最初の加速ギャップは、アース加速位相幅を拡大するとともに、ビームバンチの時電位のインフレクター電極用固定RFシールドと可間幅をこの均一なエネルギー利得の位相幅[4]内に制限するために、中心領域の改造を行った[5]。
動式でディー電極と同電位のプラー電極で作られ、中心領域では、2組のスリットとプラー電極を用プラー電極位置を半径方向外側に移動すると加速いてビーム位相幅の制限が行われるが、サイクロトギャップは広がる。サイクロトロンに入射されるロン内部でビーム位相幅を測定する手段が無かった。 ビームは、イオン源の引出し電場で得られた低いエそこで、スリット等の位置に対するビーム位相幅をネルギーのため、最初の加速ギャップでのエネル
サイクロトロン内部で測定するため、半径方向に走ギー利得の割合が他のギャップに比べて相対的に最査する電流計測用プローブの一つに、プラスチックも高い。従って、最初の加速ギャップ通過中に受けシンチレータ、ライトガイド、光ケーブル、光電子る電場強度の時間変化が、その後のビーム加速に大増倍管を付加した新たなプローブ(CMP)を開発した。 きく影響するため、プラー電極位置とビーム位相分CMPを用いてサイクロトロン内部のビーム位相幅を布の関係を知ることは重要である。
サイクロトロン内部のビーム位相分布測定には、計測したところ、これまで測定に用いていたサイク改良前のCMPのプラスチックシンチレータを用いた。
ロトロンから引出し直後のビーム診断ポート(CS0)
サイクロトロンでの加速では、半径外側に向ってエに設置したシンチレーション検出器で得られたビー
ネルギーが高く、入射エネルギーが高いほどより多ム位相幅よりもかなり広がっており、主に引出し機くのシンチレータ光が得られる。そこで、測定位置器によるビーム損失で位相幅が狭くなっていること
1E-mail: miyawaki.nobumasa@jaea.go.jp-400-

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は取り出し半径に近い約840mmに設定し、できるだけ高い検出効率を確保した。シンチレータ光は、光電子増倍管で電気信号に変換されるが、光電子増倍管は磁場の影響を受けるため、サイクロトロン電磁石外部の大気中に設置されている。このため、シンチレータ光は、光ファイバーを経由して約4m輸送される。得られた光電子増倍管からの信号は、200MHz Constant Fraction Discriminator (Model 935
ORTEC 社 製 )(CFD) を 用 い て 、 Picosecond Time
Analyzer (Model 9308-PCI ORTEC社製)のスタート信号として、rf電圧のピックアップ信号は、同様にストップ信号として入力し、信号の時間差をPCで記録した。
シミュレーションは、インフレクター電極出口を出発点として、サイクロトロン中央平面上の軌道計算を行った。軌道計算はインフレクター電極出口の中心位置から±2mm（0.5mm間隔）の点において出射角±80mrad（20mrad間隔）の計81個の粒子で加速可能な範囲で位相を1rf度ずつ変化させて行い、測定位置でのrf加速周期に対する粒子の位相を求めた。
原子力機構AVFサイクロトロンでは、加速電圧の設定にコンスタントオービット法を用いており、同じ加速モードであればビーム条件に関わらず同じ軌道を通るため、評価は同じ加速モードの内の1つのビーム条件を選択すれば良い。そこで、H=1として45MeV-H+ 、H=2として260MeV-20Ne7+ 、H=3として75MeV-20Ne4+の加速条件を選択した。プラー電極位
置毎のシミュレーションとビーム位相測定結果を図1と図2にそれぞれ示す。通常、入射ラインに設置されたビームバンチャーにより直流ビームに速度変調を加えてバンチングを行うが、ここではサイクロトロンのビーム加速位相のアクセプタンスを調べるため、バンチングを行っていない。
H=1のシミュレーション結果を図1(a)に、測定結図1：プラー電極位置毎のシミュレーションによるビーム位相分布。(a)45MeV-H+(H=1)、(b)260MeV-20Ne7+(H=2) 、 (c)75MeV-20Ne4+(H=3) 。
縦軸はビーム強度、横軸はrf位相(相対値)。

図2：プラー電極位置毎のビーム位相測定による ビ ー ム 位 相 分 布 。 (a)45MeV-H+(H=1) 、 (b)260MeV-20Ne7+(H=2) 、 (c)75MeV-20Ne4+(H=3) 。
縦軸はビーム強度、横軸はrf位相(相対値)。

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果を図2(a)にそれぞれ示す。シミュレーションの結果から、加速可能な位相幅は出発点で約90rf度であり、非常に大きな入射ビームに対する加速位相のアクセプタンスを持つことが分かった。この位相幅は測定位置（半径840mm）でも約90rf度のままで変化が無く、プラー電極位置にも相関がなかった。一方、測定結果では、プラー電極位置の増加に伴って位相幅 が 60rf 度 か ら 35rf度 へ と 狭 く な っ た 。 こ れ は シ
ミュレーションではサイクロトロンへの入射ビームが理想的に一様と仮定しているが、実際は蛇行や大きな広がりを持って入射されている可能性があり、RFシールド等の中心領域の構造物と干渉して位相図4：CMP改良後75MeV-20Ne4+(H=3)の条件で幅が狭くなると考えられる。両結果から位相幅を狭くするには、加速可能な位相幅は非常に広いので、プラー電極位置毎のビーム位相測定によるプラー電極位置を半径外側に設定し、さらに位相スビーム位相分布。縦軸はビーム強度、横軸はリットでの制限が必要であることが分かった。
rf位相（相対値）。
H=2のシミュレーション結果を図1(b)に、測定結果を図2(b)にそれぞれ示す。H=1の場合と同様にシい。このため、前節で用いたCMPでは光電子増倍管
ミュレーションでの加速可能な位相範囲は、出発点に到達するシンチレータ光が少なく、検出感度が非で約140rf度とH=1より大きな入射ビームに対する加常に低かった。また、シンチレータのサイズがビー速位相のアクセプタンスを持つことが分かった。一ムに比べて大きいため、ビーム以外の放射線も検出方、図1(b)に示すように測定位置では、位相幅が入してしまい、S/N比が悪かった。一方、ライトガイ
射の半分以下の約40rf度まで狭くなったが、ビームド部もビームの方が小さいために集光に寄与してお強度は高くなった。この現象は、中心領域の幾何学らず、逆に接続部での透過効率を低下させている可的構造とH=2の初期加速電圧の時間変化との関係に能性が高い。そこで、飛程が短く表面付近で発生すより生じると現在考えている。また、測定結果の図2(b)では、図1(b)のように鋭いピークではないが、るシンチレータ光を効率的に収集するために、シン位相幅はほぼ一致し、プラー電極位置と位相分布にチレータの先端形状を矩形から半円筒形に変更する相関関係が認められ、ビーム位相制御にはプラー電と共に大きさをビームサイズ程度として、光輸送中極位置を半径外側に設定すれば良いことがわかった。 心軸で発生するシンチレータ光を増加させ、さらに、H=3のシミュレーション結果を図1(c)に、測定結ライトガイドを用いず、直接シンチレータと光ファ果を図2(c)にそれぞれ示す。H=3では、H=1,2に対しイバーを接続する改良を行った。これにより光の透てサイクロトロンへの入射位置が180度回転した反過効率が約1.4倍に増加した。また、測定回路にお対側のため、プラー電極のピラー形状や動作位置がい て 、 光 電 子 増 倍 管 出 力 へ プ リ ア ン プ (VT120異なる。加速電場に直接影響するH=3のプラー電極のストロークは約2mmで、H=1,2の約9mmより少ない。 ORTEC社製)を付加することで検出信号を増幅し、CFDの閾値を上げることで信号からノイズを除いた。
シミュレーションの入射での加速可能な位相幅は、これらにより、核子当たりのエネルギーが低いH=3プラー電極位置によって異なり、約70～100rf度であった。この原因は、プラー電極を半径外側へ移動の条件の測定においても、図4に示すとおり図2(c)にするとピラーを通過できるビームが減少するためで、 比べ、S/N比の改善が確認できた。
約50rf度から30rf度へとビーム位相幅を制御できることが分かった。図2(c)の測定結果でもほぼ同じで参考文献あり、ビーム位相制御にはH=2と同様にプラー電極[1] M. Fukuda, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B210,
位置を半径外側に設定すれば良いことがわかった。

３．プローブの改良
図2(c)のようにH=3等の核子当たりの引出しエネ
ルギーが低い加速条件や低半径での測定の場合、シンチレータ中での飛程は短く、しかも発光量が少な

図3：CMPの改良前(左)と改良後(下)。ビーム進行方向は図の奥から手前。

33 (2003)[2] M. Oikawa, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B210,54 (2003)[3] S. Kurashima, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
B260, 65 (2007).
[4] M. Fukuda, et al., Rev. Sci. Instrum. 74, 2293 (2003).
[5] N. Miyawaki et al., Proc. 3rd Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 31st Linear
Accelerator Meeting in Japan, 913 (2006).
[6] N. Miyawaki et al., Proc. 4th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan, 604 (2007).

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