Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

原子力機原機構 TIARA におけるる多重極
極電磁石をを用いた大大面積重イ
イオン均一
一ビーム
ムの形成
FORMA
ATION OF LARGE-A
AREA HEA
AVY-ION UNIFORM
UM BEAMSUSING MUULTIPOLE
E MAGNEETS IN TIA
ARA, JAEA
A
百合庸介, 湯山貴裕,
湯石 坂知久, 吉田
田健一, 石堀郁郁夫, 奥村進
進
Yosuuke Yuri, Takaahiro Yuyamaa, Tomohisa Isshizaka, Ken-ichi Yoshida, Ikuo Ishiborii, Susumu Okuumura
Takasaki Advancedd Radiation Reesearch Instituute, Japan Atoomic Energy AAgency

Abstract
A researchh and developpment study relatedrto the uniformizatio
on of the transverse beam iintensity distrribution usingg
multipole maagnets is ongooing for a neww uniform irraadiation method of proton and heavy-ionn beams at ann azimuthally-varying-fieldd cyclotron faacility of TIA
ARA in Japann Atomic Energy Agency. In this meththod, a uniforrm transversee
intensity disttribution can beb formed by folding the taail of a Gaussian initial disttribution into the inside witth a nonlinearr
focusing forcce of multipoole magnets. First,
Fa Gausssian-like inten
nsity distributtion was geneerated from a complicatedd
distribution oof the beam acccelerated by the cyclotron through multtiple Coulombb scattering ussing a thin foill at a low losssof beam eneergy. The ressponse of Gaafchromic raddiochromic fillms to variou
us ion beamss was investigated for theeevaluation of the size andd uniformity in a large-areea beam. Large-area (>1000 cm2) uniforrm distributions have beenn
ms of 4 ~ 13 MeV/u, as weell as for protton beams of 10 MeV. Heaavy-ion uniforrm beams willl
attained for aargon ion beam
be applied too research and production off functional mmaterials.

1.

はじめめに

2.

均一ビーム形成シス
ステム

原子力機機構高崎研の イオン照射研
研究施設 TIIARA
TIIARA サイクロトロン加速速器とビーム
ムラインのレレ
では、AVF サイクロトロンのイオン
ンビームを大大面積 イアアウトを Figu
ure 1 に示す。
。サイクロト
トロン直後ののために、多重重極電磁石をを用い 直線線ラインに、ガウス様分布布化のためのの散乱体薄膜膜でかつ均一に照射するた布の均一化にに関する研究
究開発 が設設置されており、散乱によより価数の変変化した重イ
た横方向ビーム強度分布法は、８極電電磁石等の作作る非 オンンは下流の偏向電磁石によより分析されれる。６極おおを進めている[1-3]。本手法
ス型強度分布
布の裾野を内内側へ線形集束力によりガウス強度分布を形形成するもの
ので、折り畳むことで均一な強同時に均一照照射できると いう
大面積の照射野全体を同つ。既存技術術であるビーーム散乱法（（ター特長を持つゲットの直前で薄膜の多多重クーロンン散乱により ビー比べ、より良良い均一性ででかつムを拡大する手法）に比である。またた、ラスターー型や広い面積で照射が可能で査法（周期変変化する双極極磁場ワブラー型のビーム走査走査する手法法）に対してては、でビームを２次元的に走スの照射が容容易に行える こと
短時間や超低フルエンス
電流ビーム照照射時の試料料の局が優位な点である。大電や損傷を抑ええられるといいう利点もあるる。
所的な加熱や均一ビームの形成におおいては、ササイクロトロ ンかが複雑な強度度分布を有すするこら引き出されるビームがこで、薄膜にによる多重ク ーロとが問題であった。そこ
ビーム形成のの前提としてて必要ン散乱を用いて、均一ビウス様分布化化を行った。 また、なビーム強度分布のガウや均一度を簡簡便に評価すする手形成したビームの面積やックフィルム
ムを採用し、 その法としてラジオクロミッ
ure 1: Schemaatic layout off the AVF cyyclotron and応答を明らかかにした。100MeV の陽子子ビー Figu
イオン照射応m lines in TIARA. The ccyclotron (K==110 MeV),
ム[4]及び 4~~13MeV/u のアルゴンイオオンビームににおい beam
pped with fo
our ion sourcces through a low-energyて 100cm2 なないしそれ以以上の大面積積の均一ビーームが equip
m transport, can accelerat
ate ions (fromm proton to実現できたことをラジオオクロミック
クフィルムをを用い beamm. There are
は、重イオンン均一ビーム
ム形成 osmiium) up to a magnetic rigiidity of 1.5 Tmて確認した [5]。本稿では
15 taarget ports forr beam utilizattion.の進捗を報告告する。に係る最近の技術開発の- 138 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

よび８極の多多重極電磁石石（各２台）は Figure 1 の左下のビームラインに設置置されているる。ビーム均均一化
で、６極電磁磁石にはビーーム中には８極電磁石が必要でれを補正するる効果等があある[1-3]。
心軌道のずれ均一化にに必要な８極極磁場強度 KOCT およびびターゲットにおいいて形成されれる均一分布
布の全幅 W はは以下の通りである[1]：1(1)K OCT LOCT ≈ 2,εββ0 tan φファァイルは通常複雑であり、、ガウス分布布ではない。
そこ
こで、横方向強度分布をガガウス分布にに近づけるた
ため、イオンビームを薄膜に透透過させるこことによる多多クーロン散乱効効果を利用しした。
重ク
十分に厚いあ十るいは高密度度の薄膜を用用いればガウ
ス様様分布化は容容易であるがが、均一化のの対象である
MeV
V/u 級の重イオンビームででは、多重散散乱によるエエネルルギー損失が顕著である。
。過度な散乱
乱によりエネ
ネ
ルギ
ギー幅が増大したビームのの均一化は運運動量分散やや色収収差の影響を受ける恐れががある。利用用上の観点かか(2)
W ≈ 2π εβ t cos φ ,らもも可能な限りビームの強度度やエネルギギーの損失をを
ここで、LOOCT は８極電電磁石の磁極長長、 εはビーームの 抑ええることが望ましい。そこ
こで、測定しした位相空間間平均二乗（ rms）エミッッタンス、 β0 及び βt は８ 極電 分布
布を用いたトラッキングシ
シミュレーシションによりット位置におおけるベータ 関数、 効果
磁石の位置及びターゲッ
果的なガウス様様分布化の条条件を探索しした。
φは８極電磁磁石からターーゲットまででのベータト ロン
ビームエンベビ
ロープが極小小でない位置置に薄膜を置置位相進度である。多重極極電磁石によよる集束で生生じる き、なおかつ薄膜からターゲゲットまでののベータトロ
タトロン振動動の結合は均均一化 ン位
水平・鉛直方向のベータ位相進度を 1880 度の整数倍倍からずらししたビーム光
光
極電磁石位置
置では、ある 方向 学系を阻害するため、多重極系を設定することで、散乱乱によるガウ
ウス様分布化化れよりも十分分大き の効のビームサイズがもう１方向のそれ効果を高められれることが分分かった[2,6]。イオン種やや学系を組み、結合を弱めめてい 電流
くなるようにビーム光学流にもよるが、、0.5~5π mm
m.mrad の rmss エミッタンンる。
スをを有するサイイクロトロン
ンからのビーームに対し、
Figu
ure 1 に示した
た散乱体の設設置位置（β~5m、|~α|∼5）3. サイククロトロン
ンビームののガウス様分分布 でのの、ガウス様分布化に必要要な多重クーーロン散乱のの平均
均散乱角は0.
.7~2mradでああった。平均
均散乱角は使使化
用すする散乱体の厚さと放射長長の比で決ままるが、より多重極電磁石を用いてて横方向強度度分布を均一
一分布
放射射長の短い高密度で薄い箔箔ほどエネルルギー損失をを提条件としてて初期分布ががガウへと変換するには、前提抑ええられることが SRIM[7] 等を用いたたシミュレー
ー[1]である必要ががある 。Figuure 2
ス分布のように滑らかでショョンにより分かった。そこ
こで、例えば
ば、13MeV/uu、サイクロト
トロンから引引き出の計測例に示すように、のアアルゴンイオンビームに対対しては、取取り扱いのししオンビームのの横方向位相 空間分布ややプロされたイオ易ささを考慮し、厚厚さ 1μm の Ta 薄膜を用用いることとしたた。この薄膜によるビーム
ムのエネルギギー損失は計計
算上上わずか 1.3%%である。こののようにビーーム光学系をを調整整することにより、より薄薄い薄膜でもも散乱効果をを高めめられるため、結果としててエネルギーー損失を抑ええ

Figure 2: Hoorizontal phaase-space distrribution of a 13MeV/u Ar beam, meaasured with a slit-wire--typemonitor installeed in the firsst straight secction
emittance mafter the cyyclotron (beffore the scatttering foil). The
horizontal aand vertical rms emittan
nces were 1.0πmm.mrad andd 0.49π mm.m
mrad, respectiv
vely.

Figu
ure 3: Charge state distribuution of Ar ion
n beams withthree different en
nergies. The lines and maarks (squares,gles) correspoond to the theeories[8,9] andcirclles, and triang
expeerimental observation, resppectively. Thee 3.8-MeV/u,
9.6-MeV/u, andd 13-MeV/u beams werre multiplyscatttered with 1.5-μm-thick A
Al, 2-μm-thickk Cu, and 3μm--thick Ti foils,, respectively..

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られる。散乱乱後のビームムのエミッタンスは 10~110 数
π mm.mrad であり、元の分布に見らられる非対称称性を様分布化すると、数～10 倍程十分に取り除きガウス様ッタンスを拡拡大する必要要があること が分度にエミッかった。
化した重イオオンは下流ににある散乱により価数が変化る。Figure 3 に示すよう に、偏向電磁石で分析される
ムの価数分布布は、平衡電電荷分計測したアルゴンビームによく一致してている。通常
常は、割合のの最も布理論[8,9]に大きい価数を選んでターーゲットまでで輸送する。
MeV/u アルゴ
ゴンビームののター多重散乱 させた 13M
ゲ ット 上で の ２次 元相対 強度 分布の 測定 結 果をFigure 4 に示示す。Figure 2 に見られたたような非対対称性はなくなり、十分にガウウス様分布化化されている 。こるラジオクロ
ロミックフィ ルムの強度分布は次に述べるである。
を用いて得られたもので

4.

ラジオ
オクロミッ
ックフィル
ルムを用いたた強度分布
布計測積、飛程の短いイオンにもも十分適用可可能な感受層層面積の薄薄さ等様々な特徴がある。
。ガフクロミミックフィル
ル
ムはは粒子線治療の照射野や線線量分布の確確認に広く用用いらられており、数 10~ 数 1100MeV/u の陽子や炭素の素ビーームに対する特性は比較的的よく調べらられているがが、炭素素よりも重いイイオンや 1~110MeV/u 領域域のビームにに対すする照射応答の研究例は少少ない。そこ
こで、ガフクロミ
ミックフィルム HD-810 （線量域：100~400Gy）及及び EBT2（線量E域： 0.01~100Gy ）についいて、 10MeV
V
陽子
子、13MeV/u アルゴン、 3.5MeV/u キセノンビー
キー
ムにに対する吸光度の照射応答答を調べ[11,122]、その線エエネル
ルギー付与（LLET）依存性性を解析した[5]。
照射したフィ照
ルムの着色はは汎用のフララットベッド
ドスキキャナ（Canonn LiDE50 等））で読み取りり画像化し、16 ビットのビRG
GB 値へと数数値化した。吸吸光度 dX は
RGB
B 強度 IX より次の関係式かから求めた：⎛ 216 − 1 ⎞(3)d X = log
g10 ⎜⎟,⎝ IX ⎠ただだし、X は R、G、B 強度ののいずれかでである。

大面積のイオンビーム
ムの面積や均均一度を簡便便かつとして、放射射線の曝露ににより高精度に評価する手段とックフィルム
ムの一種でああるガ着色するラジオクロミッ
フクロミックフィルム（Ashland Incc.）[10]に着目 した。の高い空間分分解能、20cm×25cm まででの大1mm 以下のFigure 4: On-target relative
rtrannsverse intennsity
distribution oof the beam inn Fig. 2 scatteered with a 1--μmthick Ta fooil. The 2D cross-sectional distributioon isshown in thhe upper paneel. The perip
pheral part off thebeam was coollimated rounndly by a vaccuum pipe annd anapparatus. Inn the lower panel, the 1D distributioon isshown alongg the horizonntal axis. The dashed line is aGaussian fittting. The 1-sigma radius of the profile iis 77mm.

Figu
ure 5: Respo
onse curves off the Gafchrom
mic film HD810 for three diffferent ion beeams as a funnction of theve layer of tthe film. Thee films were
dosee in the activ
scannned with the LiDE50 (Cannon).

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Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

フィルムの応答はイオオン種に大ききく依存し、 利用 からら求めた 13MeV/u アルゴン
ンイオンビーームの横方向向
重イオンほどど低フルエンンス側 相対対強度分布を示す。多重ククーロン散乱
乱によりガウ可能な線形応答領域は重した。これははフィルムの 感受層にお ける ス様様分布化した後、８極電磁磁石で集束しした。中心付付へと変位しLET の違いいによるものと考えられるる。そこで、 LET 近ののおよそ 120ccm2（水平方方向 13cm×鉛鉛直方向 9cmm）を考慮し線量に対するイイオン種依存存性をより詳詳細に の領領域が均一化され、吸光度度分布から求求めた rms 均
Figure 5 に３種類のイオオンビームにに対す 一度度は 7%であっった。分布外外周の高強度度部分はガウ解析した。Fる HD-810 の吸光度応答答曲線を線量量の関数としして示 ス様様分布の裾野が８極電磁石石の集束によよりオーバーーす。吸光度が線形応答す
する線量域はは、いずれも 部分 シュュートされて形形成されたもものである。
が、応比較のため、比異なる手法でで均一度を評評価した。ポポ
的には HD--810 の仕様（10~400Gy）と重なるが答曲線は重イオンほど右右側へシフトトしており、 依然 リエ
エチレンテレフタレートフフィルムに重重イオン均一一しているよううに見える。 実際 ビーームを照射し、化学エッチチングによりり表面に形成成としてイオン種に依存しFigure 6 に示すように、、線形応答領領域における フィ されれる穿孔の密度分布を算出出した[16,12]。その均一度
度あたりの吸光光度の増分） は高 はガガフクロミックフィルムのの相対強度分分布から求めめ
ルムの感度（単位線量あLET ビームムほど小さい。
。イオンビーームにおけるるこの た均均一度とよく一致しておりり、ガフクロロミックフィような感度の LET 依存性
性はこれまででも報告されれてい ルム
ムが均一ビームの評価に有有効であるここと及びより粒子線治療の 線量分布評 価において は、 微視視的にも均一なフルエンスス分布が実現現されている
る [13,14] 。粒LET が高くなるブラッグピーク近傍傍でのラジオオクロ こととが確かめられれた。
低下はクエンンチ効果としして知同様に、
同3.8MeV/u 及び 9..6MeV/u のエエネルギーののミックフィルムの感度低い場合、試料料中に アルルゴンイオンビームにおいいても 10%程度以下の均程均られている[[15]。これは、LET が高いおける個々のイオンの軌軌跡のごく近近傍では、局局所的 一度度で 100cm2 程度の均一照程照射野を形成成することににィルムの着色色が飽和する ため、 成功功した。に線量が非常に高くフィの大部分が着着色に寄与ししなく付与されたエネルギーの望なるためと 考えられる 。本実験に より、ガフ クロ 6. まとめと今後の展望
ルムの感度のの LET 依存性性を広い範囲
囲で明ミックフィル
原子力機構
原
TIARA では、、多重極電磁磁石の非線形形
らかした。

5.

大面積
積均一ビー
ームの評価

ビームの横方向サイズズや強度分布
布の均一性をを評価布が得られれればよい。ガガフク
するためは相対強度分布
答は、Figure 5 に示したたようロミックフィルムの応答十分小さい低低線量（低フフルエに、吸光度が 1 よりも十であることかから、吸光度度からンス）域では常に線形でが容易に直接接求められ、 面積ビームの相対強度分布が評価が可能でである。
や均一度の評Figure 7 にガフクロミ
ミックフィル
ルムの吸光度度分布

d EBT2 filmss as aFigure 6: Sennsitivity of thhe HD-810 andfunction of LET. The films
fwere scanneds
withh theLiDE50. Thhe response ofo EBT2 wass linear withh ion
irradiation oonly in the grreen channel. For HD-8100, thesensitivities of the red, green, and blueb
channelss areapproximately proportionnal to (LET)-0..26, (LET)-0.24, and(LET)-0.21 in the present caase, respectiveely.

Figu
ure 7: Relative transverrse intensity distributionn
obtaained from thee optical denssity distributio
on of an HD810 film. The fillm was irradiiated with a 13-MeV/u1Arrbeam
m of 0.1 μA forf 0.5 s, andd scanned withh the LiDE50
at a spatial resolu
ution of 127 ddpi. The 2D crross-sectional
distrribution is shhown in the uupper panel. In the lowerr
paneel, the 1D disstribution is shhown along thet horizontal
axiss. The peaks appearing at booth ends in the lower panel
corrrespond to maarks put on tthe film for indicating
ithecenttral axial posittion.

- 141 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

集束により、AVF サイクロトロンで生成した MeV/u [5] Y. Yuri, T. Ishizaka, T. Yuyama, I. Ishibori, and S.
Okumura, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 727 (2013)
級の陽子及びアルゴンイオンビームの大面積均一化
40.
を実現した。
[6] Y. Yuri, J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 125002.
陽子ビームは、従来のビーム走査方式に比べ、よ [7] http://www.srim.org/り実宇宙環境に近い一定フルエンスの放射線場を模 [8] G. R. Lynch and O. I. Dahl, Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res. B 58 (1991) 6.
擬できることから、宇宙航空研究開発機構の耐放射線性宇宙用太陽電池の開発に係る照射試験に提供さ [9] Y. Baudinet-Robinet, Nucl. Instrum. Methods 190 (1981)
197.
れている[17]。重イオン均一ビームはイオン穿孔膜等 [10] http://gafchromic.com/の機能性材料の創製に利用される予定である。ビー [11] T. Ishizaka, K. Imai, Y. Yuri, T. Yuyama, I. Ishibori, and S.
ム走査方式とは異なり、本手法で細長い“リボン状”
Okumura, Proc. 9th Annual Meeting of Particle Accelerator
Society of Japan, 2012, p. 594.の均一ビームを形成することで、長尺の薄膜試料をroll-to-roll 装置で効率的に均一照射することが可能 [12] Y. Yuri, T. Yuyama, T. Ishizaka, I. Ishibori, S. Okumura, A.
Kitamura (Ogawa), T. Yamaki, and S. Sawada, Proc. 1stで、産業利用への展開が期待されている。現在は、International Beam Instrumentation Conference, IBIC2012,
長時間にわたって安定に均一照射できるよう、ビー
Tsukuba, Japan, 2012, p. 531.
ム強度変動の主要因である ECR イオン源を安定に [13] A. E. Buenfil, C. Ruiz-Trejo, I. Gamboa-deBuen, P. Avilés,O. Avila, C. Olvera, R. Robledo, M. Rodríguez-Ponce, H.
運転するための技術開発を進めている。

参考文献[1] Y. Yuri, N. Miyawaki, T. Kamiya, W. Yokota, K. Arakawa,and M. Fukuda, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10 (2007)
104001.
[2] Y. Yuri, T. Ishizaka, T. Yuyama, I. Ishibori, S. Okumura
and K. Yoshida, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 642(2011) 10.
[3] Y. Yuri, T. Yuyama, T. Ishizaka, I. Ishibori, and S.
Okumura, J. Phys. Soc. Jpn. 81 (2012) 064501.
[4] Y. Yuri, T. Yuyama, T. Ishizaka, I. Ishibori, and S.
Okumura, Proc. 3rd International Particle Accelerator
Conference, IPAC2012, New Orleans, USA, 2012, p. 1062.

Mercado-Uribe, M. Rodríguez-Villafuerte, and M. E.
Brandan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res B 197 (2002)
317.
[14] T. Kojima, H. Sunaga, H. Takizawa, H. Hanaya, and H.
Tachibana, Rad. Phys. Chem. 68 (2003) 975.
[15] D. Kirby, S. Green, H. Palmans, R. Hugtenburg, C.
Wojnecki and D. Parker, Phys. Med. Biol. 55 (2010) 417.
[16] A. Kitamura (Ogawa), T. Yamaki, Y. Yuri, S. Sawada, andT. Yuyama, to be published in Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res. Sect. B.
[17] M. Imaizumi, Y. Yuri, P. R. Bolton, S. Sato, and T.
Ohshima, Proc. 38th IEEE Photovoltaic Specialists
Conference (2012) 2831.

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