Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 FSP028

京都大学原子炉実験所 FFAG 加速器施設現状報告
STATUS REPORT OF FFAG ACCELERATOR COMPLEX AT KURRI
石 禎浩 ∗A) , 上杉 智教 A) , 栗山 靖敏 A) , 阪本 雅昭 A) ,阿部 侑馬 B) , 石井 究 B) , 正木 良 B) , 武藤 正文 A) , 森 義治 A)

Yoshihiro Ishi∗ A) , Tomonori UesugiA) , Yasutoshi KuriyamaA) , Masaaki SakamotoA) ,Yuma AbeB) , Kiwamu IshiiB) , Ryo MasakiB) , Masayuki MutoA) , Yoshiharu MoriA)A)
Kyoto University Research Reactor Institute, Kumatori, Osaka, JapanB)
Graduate School of Engineering, Kyoto University, Kyoto, JapanAbstract
At Kyoto University Research Reactor Institute, using the 150 ( 100 ) MeV proton beams from FFAG accelerator,
experiments in various ﬁelds have been carried out: reactor physics, material science and biological science, whichinvestigates the effects of multiple and hybrid irradiation of protons and neutrons to normal cells in BNCT, irradiating
protons to living rats. In this report, current status of beam utilization by these experiments are presented as well as thebeam study results and beam upgrade plans aiming a beam current of micro amperes in future.

1.

はじめに

京都大学原子炉実験所における FFAG 加速器の研究開発は、文部科学省のエネルギー対策特別会計委託事業の課題「FFAG 加速器を用いた加速器駆動未臨界炉に関する技術開発」として 2002 年度より開始された。加速器複合系は当初、イオンベータ（FFAG ベータトロン）・・主リング（FFAGブースター（FFAG シンクロトロン）シンクロトロン）の 3 つのリングから構成されていた[1] 。2009 - 2010 年の期間は、このシステムを用いて京都大学臨界集合体（以下 KUCA）へビームを供給し、世界初の加速器駆動未臨界システム実験（以下 ADS 実験）を実施した [2] 。その後ビーム強度増強の目的で、入射器システムをイオンベータ＋ブースターから 11 MeV H−リナックへ変更し [3] 、150 MeV - 10nA のビームを生成することに成功した。本稿では本施設のビーム利用状況及び問題点、ならびに今後のビーム増強計画について報告する。

2.

Figure 1: The schematic diagram of KURRI FFAG accelerator complex and its beam facilities.
Table 1: KURRI-FFAG Main Parameters
取出しエネルギー
入射エネルギー
ビーム電流
運転繰り返しパルス幅
リング周長k値
動作点
対称性
基本セル

FFAG 加速器複合系概要

KURRI FFAG 加速器複合系およびビーム利用系の構成を図 1 に、主要パラメターを表 1 に示す。主リングへのビーム入射には、カーボンフォイルを用いた H− 荷電変換法が採用されている。加速とともに軌道がシフトすることを利用してビームをフォイルから逃すため、パルス電磁石（電極）が不要な極めてシンプルな入射システムが可能となっている。
制御系計算機システムは主リング系と入射器系から構成される。主リング系では、Linux ベースの PC 上
で EPICS を用いた制御ソフトウェアが用いられている（図 2）。一方、入射器系（イオン源・リナック）では、Windows ベースの PC 上で LabView とリナック製造メーカー（Accyss）提供の専用制御ソフトウェアが共存した形となっている。信頼性・継続性の観点から、今後できる限り、Linux + EPICS のシステムに置き換えていく方∗ ishi@rri.kyoto-u.ac.jp

100 - 150 MeV
11 MeV
10 nA
20 - 30 Hz< 100 ns
34 m
7.8
(νx , νy ) = (3.85,1.2)
12
DFD ラディアル

針である。

3.

ビーム利用

図 3 に過去 3 年間の KURRI-FFAG のマシンタイムの内訳を示す。KURRI-FFAG の主なユーザー実験はこれまでの、ADS 実験・エアロゾル照射実験・材料照射実
験に加え、2014 年度から新たにラットへの照射が実施された。この実験では、KURRI で研究開発中の中性子- 368 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 4: The irradiation to living rats for basic studies ofBNCT. The picture placed upper right is the rat supposed
to be irradiated.

Figure 2: Screen shots of the control system using EPICS
based software on Linux PCs.
捕捉療法（BNCT）に関わる基礎研究として、正常組織への放射線の影響を調査するため、生体ラットの正常細胞への 150 MeV の陽子ビーム照射を行う。この実験に先立ち、Bragg ピークの測定・SOBP の形成確認等の予備実験が行われ、2015 年 2 月にラットへの照射が開始された（図 4）。なお、原子炉の新規制基準への対応のため、KUCA での ADS 実験は 2014 年度は実施されず、次年度以降へ見送られることとなった。

中における、中性子発生ターゲットでのビーム電流測定値の一例である。リナックからの入射ビームのパルス幅を変更することで、ユーザーへの供給電流を調整可能である。入射ビームのパルス幅はイオン源とリナックの間に設置された DC チョッパーのゲート幅で決定される。
図 5 の実験におけるビーム安定度は 9%程度である。現状でユーザーからは「利用可能レベル」と評価されているが、今後は測定電流値を用いたゲート幅のフィードバック制御で、より安定したビーム供給の可能性を検討中である。

Figure 5: The stability of the beam current. The upper plotshows the beam cuurent as a function of time. The lower
one is the histogram of the beam current. The staiity of thebeam current is ∼ 9%.

5.
Figure 3: The machine time breakdown of KURRI-FFAG
facility in recent 3 years.

4.

ビーム安定性

ビームユーザーからの共通する要求として、照射中のビーム強度の安定性があげられる。図 5 は ADS 実験

ビームトリップ

測定結果にビームトリップが深刻な影響を及ぼすユー
ザー実験がある。例えば ADS 実験では、通常１時間程度の照射時間であるが、トリップ後の再スタートが 1 分を超えると、それまで蓄積されたデータが使用不能となるケースがある。表 2 に 2012・2013 年度に行った ADS
実験でのビームトリップの発生頻度を示す。トリップの原因はリナックと主リングの RF に関するものであった。主リングの RF がトリップすると、復旧には 15 分- 369 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 2: The Summary of Beam Trip Events年度

ビーム供給時間要因

トリップ回数再スタート時間

201277

主リング RFリナック RF

100約 15 分-

201371

主リング RF
リナック RF37約 15 分
1 分以内程度要する。主リング RF トラブルのうち、2012 年度に発生した 10 件については、ローレベル RF と初段半導体アンプまでの伝送経路から混入するノイズが原因であったことが判明した。また、2013 年度に発生した３件は終段アンプの冷却水流量低下が原因であった。このため、ローレベル系の半導体アンプ直近への移設、ならびに冷却水配管の増設工事を実施した。一方リナック
RF トリップは、真空管の経年劣化によるもので、実験期間終了後に交換作業を行った。これらの是正措置後、2014 年度以降のビーム供給時にはビームトリップは発生していない。

6.

ビーム増強

2011 年に行った H− 入射方式への変更を始め、数々のアップグレードにより ADS 実験開始当初に比べ 100倍以上のビーム増強を行ってきたが、今後、幅広い分野のユーザーの要求に対応するため、マイクロアンペアクラスのビーム増強を計画している。そのため、主リングにおけるビームロスの低減が必須である。図 6 はバンチモニターの波形をバンチごとに積分し、周回ごとのビーム電荷を加速時間の関数として表したものである。
この図からビーム加速過程の数箇所で顕著なビームロスが観測される。図 7 は入射から取出しまでのチューンの動きを表したものである。これらのデータから、顕著なビームロスはベータトロン共鳴を通過する際に生じているものと考えられる。特に下記の共鳴によるロスを低減させる必要がある。
νx − 2νyνx + νy2νx + 2νy3νx====

151011

ビームロスを低減させる方策として、動作点の最適化・補正磁極による局所的なチューン補正・ドライビングタームの抑制・加速スピードの増加等が検討されている。 現在、２台目の加速空洞の組み込み作業を準備中である。加速電圧上昇による加速スピードのアップに加え、対称な位置に空洞を２台配置することにより、１台の加速空洞に起因する COD が作る奇数次ハーモニクスの抑制が期待される。

7.

Figure 6: Beam losses during acceleration.

まとめKURRI-FFAG 加速器のビームは、原子炉工学・材料工学・放射科学・生命科学等の幅広い分野のユーザーに利用されている。今後はパルス中性子源としての利用もターゲットとし、マイクロアンペア級のビーム供給を目指したアップグレードを計画している。

Figure 7: Foot prints of the tune.

参考文献[1] T. Uesugi, et al. FFAGS FOR THE ERIT AND ADS
PROJECTS AT KURRI , Proceedings of EPAC08, Geneva,
2008.
[2] C.H. Pyeon et al., First Injection of Spallation Neutrons
Generated by High-Energy Protons into the Kyoto University
Critical Assembly , J. Nucl. Scie. Technol. Vol. 46 (2009) ,No. 12 p.1091-1093.
[3] K. Okabe, et al. DEVELOPMENT OF H- INJECTION OF
PROTON-FFAG AT KURRI , Proceedings of IPAC10, Kyoto, 2010.

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