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)

Fast Extraction of Electron-Cooled Ion Beam at HIMAC
Toshiyuki Shirai1,A), Kouta Mizushima A), Satoshi Ojima A), Takuji Furukawa A), Yoshiyuki Iwata A)
Mitsutaka Kanazawa A), Kouji NodaA), Shinji ShibuyaB), Kota TorikaiC)
Kazuo KobayashiD), Takeshi NakamuraD)A)
National Institute of Radiological Sciences, 4-9-1 Anagawa, Inage, Chiba 263-8555, JapanB)
Accelerator Engineering Corporation, 2-12-1 Konakadai, Inage, Chiba 263-8555, JapanC)
Gunma University, Heavy Ion Medical Center, Maebashi 371-8511, JapanD)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute, 1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Hyogo, 679-5198, JapanAbstract
The fast beam extraction has been studied at HIMAC synchrotron for the short bunch ion beam generation. The
electron cooling is used for the emittance reduction due to the small aperture of the extraction line. The beam of C6+,170 MeV/n was successfully extracted and transported to the experimental room. The measured pulse length and theextraction efficiency were 20 nsec (1σ) and 80 %, respectively. The extracted particle number was 109, which waslimited by the cooled beam instability. It was found that the transverse feedback was effective to increase the cooledbeam intensity.

HIMAC

における電子ビーム冷却されたイオンビームの速い取り出し１．はじめにムではなく、繰り返しが10 Hz～1 kHzのバンチビームが供給されるため、その生物学的効果を調べるこHIMAC における重粒子線がん治療は、 1994 年の とが求められている。
開始以来 、2007年段階で登録患者数が3000名を超 HIMAC ではこれまで、電子ビーム冷却と位相回え、良好な治療成果が得られている。その結果を受 転をもちいた短バンチビームの生成や、 Fast
け近年では、重粒子線によるがん治療の普及も進み Kicker をもちいた速い取り出し など基礎技術の開つつある。こうした治療と平行して、HIMACでは、 発をおこなってきたが、今年度からは、照射に向け重粒子照射の高精度化を目指し、3次元スキャニン
C , 170 MeV/n の速い取り出しの試験を開始しグなどの照射技術の開発もおこなわれている 。加 て、たので、ここで報告する。
速器側から見ると、こうした治療照射は、シンクロトロンからの遅いビーム取出し技術にもとづいているが、HIMACでは速いビーム取り出しをもちいた、短バンチビームの照射系への供給にも取り組んでいる。
短バンチビームの生物照射への応用には、大きく分けて２つの目的がある。１つは、粒子線によるパルスラジオリシスである。がん細胞の破壊は粒子が直接がん細胞を破壊する直接作用と、がん細胞周辺の構成分子に衝突しそのとき生じるラジカルによる間接作用にわけられる。そのため粒子線によるラジカルの生成消滅のメカニズムを知ることは粒子線がん治療に対して重要なことであり、パルスラジオリ
図1 HIMAC下シンクロトロンシスは、その有力な手段になる可能性がある。
２つめは、短バンチビームの生物学的効果である。 ２．HIMACにおける速い取り出し
KEKにおける粒子線治療が終了して以降、現在、国内のほとんどの粒子線がん治療用加速器は、サイク HIMAC下シンクロトロンのレイアウトを図1に示
ロトロンまたはシンクロトロンからの連続ビームを す。現在の取り出しビームラインは、遅い取り出し利用している。しかし、将来的には、装置の小型化 を想定したものであり、取り出し用静電セプタムののために、早い繰り返しのシンクロトロン や、 ギャップも通常13 mmである。このままでは、マルレーザー加速 などの新しい加速器技術が利用され チターン入射したビームをすべて取り出すことは困る可能性がある。こうした加速器からは、連続ビー 難であるため、図2の取り出しシーケンスにあるよ
[1]

[5]

[6]

6+

[2]

Injection Line

Electron Cooler

Kicker Magnet

BMP1

BMP2

BMP3
BMP4

Extraction Line

[3]

[4]

1

E-mail: t_shirai@nirs.go.jp-385-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)

うに、入射ビームを、電子ビーム冷却装置をもちいて冷却し、横方向エミッタンスを小さくした後に加速して、キッカー電磁石で取り出している。また、イオン種によって、入射ビーム強度が足らない場合は、最初の過程で冷却蓄積(Cooling Stacking)をおこなって、ビーム強度の増大をはかる予定である。それぞれの機器のシンクロトロン内での位置は、図1に示しているとおりで、シンクロトロンおよびキッカー電磁石のパラメータは、表1に示されている。
Multi-turnInjection

Electron
Beam
Cooling

RFAccel.

Bump＋Kicker
Fast Extraction

Cooling Stacking

図2 速い取り出しシーケンス
表1 シンクロトロンとキッカー電磁石の速い取出し実験時のパラメータ

Synchrotron
Ion species
Circumference
Tune (νx/νy)

３．入射ビームの電子ビーム冷却

炭素ビームの入射エネルギーは、6 MeV/nであり、それに対応する電子ビーム冷却装置のパラメータを表2に示す。電子ビーム電流は50 mA、断熱膨張係数は3.3で実験をおこなっている。この条件で、横方向冷却時間を測定した結果が図4である。縦軸は、水平・鉛直方向のビームサイズ（1σ）を示している。
この結果は、BETACOOLよるシミュレーション結果とも、ほぼ一致している。この結果から冷却時間は8秒間程度であることがわかる。この時間が、入射から加速開始、または冷却蓄積のための再入射までの時間を決めている。
表2 電子ビーム冷却パラメータ
Electron energy
Electron current
Expansion factor
Electron-beam diameter
Effective cooler length
Field strength at gun section
Field strength at cooling section

12C6+129 m
3.73/3.11
0.26 MHz (6 MeV/n)
1.23 MHz (170 MeV/n)
4RF Harmonics
Fast Kicker Magnet
LengthDuration / Rise time
Charging Voltage
BL
Kick for 170 MeV/n10Horizontal
Vertical8Beam Radius (1σ)

Revolution Frequency

3.324 keV
50 mA
3.364 mm1m
0.167 T
0.05 T

0.548 m2 µsec / 80 nsec
50 kV
6.5 x 10-3 Tm
1.7 mradで計算した取り出しOpticsは、図3の通りである。キッカーの蹴り角は、C , 170 MeV/n を想定している。キッカー電磁石だけでは、1.7 mradしか蹴れないため、遅い取り出し同様に、速い取り出しでもバンプ軌道を形成している。電子ビーム冷却によって、入射時の横方向エミッタンスを減少させているため、静電セプタム近くまで、ビームロスなくバンプ軌道を寄せることが可能となり、比較的小型のキッカー電磁石でも200 MeV/n 程度のビームを取り出すことが可能となっている。

6420MAD86+024681012Time (sec)

図4 電子ビーム冷却中の横方向ビームサイズ

４．速いビーム取り出し実験

速い取り出しのビーム計測をおこなうために、3つのビームモニターを使用した。
・ DC-CT ： 周回ビームの粒子数の計測
・ 静電電極 ： 周回ビームの波形計測
・ Fast CT ： 取り出しビームの波形・粒子数計測
このFast CTは、Bergoz Fast CT (In-flange type) であり、ビームライン下流の物理汎用実験室に設置して、計測をおこなった。
図5は、一連のビーム入射・冷却・加速・取り出しのシーケンスを示したDC-CT波形である。入射後、17秒間冷却した後に、170 MeV/n まで加速して、取り出しをおこなっている。このときの条件は、表1,表2で示したとおりである。入射粒子数は、1 x 10個程度であるが、ビーム冷却中にその大部分が失われ、加速後に残った粒子数は、 1 x 10 個程度であった。バンプ電磁石は加速終了後にONとなっているが、その際にはビームが失われず、キッカー電[7]ESD

Kicker Orbit
Bump Orbit

109

図3 ビーム取り出しのオプティクス-386-

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)

磁石がONになった瞬間に、蓄積ビーム電流がほぼ0になっているのがわかる。
次に、シンクロトロン内部の静電ピックアップ電極で計測した周回ビームのビーム波形と、物理汎用実験室のFast CTで計測した取り出しビームの波形を比較したのが図6である。上がFCT出力、下がリングの静電ピックアップ電極の出力である。両者の測定は、よく一致しており、パルス幅は25 nsec (1σ)
であった。

５．まとめと今後

今回の実験で、 HIMAC シンクロトロンから、の C ビームをキッカーによって取り出して、物理汎用実験室まで輸送することに成功した。Fast CTによる計測により、4バンチでパルス幅20 nsec、取り出し効率80 %を得た。今後は、取出し効率の改善や、4バンチ取り出しから1バンチ取り出しへの変更、加速後の位相回転などに取り組む予定である。
さらに重要な課題として、冷却時の粒子数減少と冷却時間の短縮化に取り組む必要がある。後者については、少なくともHIMACの1サイクルである3.3秒以下にする必要があり、冷却電子電流を増加させることを検討している。前者については、
ビーム不安定性が主要因と考えられ、 Transverse
Beam Feedbackを冷却と併用する試験を始めている。図8はフィードバックをOFFにしたときと(a)、ONにしたとき(b)の冷却蓄積中のDC-CT出力を示したものである。フィードバックOFFでは、1 x 10個だった蓄積粒子数が、フィードバックによって、8 x 10 個まで増加することがわかった。
170MeV/n

加速6+

[8]

入射

出射9

図5 ビーム入射・冷却・加速・取り出しを示したDC-CT波形9(b)5 x 109 /div

50 mV/div(a)FCT

4 sec/div

4 sec/div

図8 Transverse Beam Feedback がOFF (a) / ON (b)の場合の冷却蓄積の状況。信号はDC-CTの出力。

Pickup in Ring

200 nsec/div

501004080306020401020

Extraction Efficienty (%)

Pulse Width (1 σ, nsec)

図6 取り出されたビーム波形
参考文献
図7は、RF電圧を変化させたときの、FCTで計測 [1] Y. Hirao et al., “Heavy ion synchrotron for medical use した取り出しビームのパルス幅と、取り出し効率を
HIMAC project at NIRS-JAPAN”, Nucl. Phys. A, 538
示している。取り出し効率は、FCTの出力とDC-CT(1992) 541.の出力の比から計算している。パルス幅は、20 nsec [2] K. Noda et al., “New Treatment Facility for Heavy-Ion
Cancer Therapy at HIMAC”, Nucl. Instr. and Meth. B,~ 25 nsec (1σ) 、取り出し効率は80 % ~ 90 % が得ら(2008) 2182.
れた。ただし、RF電圧に対する明確な依存性は見 [3] K.266Endoet al., “Magnet and RF System of Small Pulse
られなかった。
Synchrotron for Radiotherapy”, Proc. of EPAC2004,

002.5

33.5

44.5

RF Voltage (kV)55.5

図7 取り出しビームのパルス幅と取り出し効率のRF電圧依存性

Lucerne, (2004) 2661.
[4] E. L. Clark et al., “Measurements of Energetic Proton
Transport through Magnetized Plasma from Intense Laser
Interactions with Solids”, Phys. Rev. Lett., 84 (2000) 670.
[5] K. Noda et al., “Production of short-pulsed beam for ionbeam pulse radiolysis”, Nucl. Instr. and Meth. B, 240(2005) 18.
[6] K. Torikai et al., “Manipulation of a Cooled Beam for
Future Heavy Ion Therapy”, Nucl. Instr. and Meth. B, 266(2008) 2190.
[7] Bergoz, URL:http://www.bergoz.com/products/FCT/d-fct.html.
[8] T. Nakamura, K. Kobayashi, “FPGA Based Bunchby-bunch Feedback Signal Processor”, Proc. ofICALEPCS, (2005) P3_022.
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