Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP118NIRS サイクロトロン・RI 生成用ビームポートのためのビーム輸送ラインの設計
DESIGN OF BEAM TRANSPORT LINES FOR RADIOISOTOPE PRODUCTIONSYSTEMS IN NIRS CYCLOTRON FACILITY
片桐 健，北條 悟，中尾政夫，杉浦彰則，野田 章，野田耕司
Ken Katagiri∗ , Hojo Satoru, Masao Nakao, Akinori Sugiura, Akira Noda, Koji Noda
National Institute of Radiological Sciences

Abstract
A new beam transport and a irradiation system were designed for radionuclides production with heat damageabletargets. The incident beam is swept along a circle on the irradiation target with fast steering magnets. The width and thesweeping radius of the incident beams were optimized to achieve high production efficiency and avoid the heat damages.
Based on those optimized parameters, beam optics of the new beam transport lines was optimized. To obtain initialconditions for the optical calculations, the beam emittance and the Twiss parameters were measured at the upper streamof the new beam transport lines. In this paper, we present the results of the calculations and the optimized beam transportlines.

はじめにを直接生成でき，その結果として 10/11 C 核種を効率的に捕集できることが判明している.[3] しかしその一方で，放医研は 2 台のサイクロトロン (Thomson-CSF 社製
低い融点 (∼400 deg.) と低い熱伝導率のために，ビーム930 型 AVF サイクロトロン，及び住友重機械工業製 HM加熱による熱のダメージを受け易いという欠点が有る．
18 サイクロトロン) [1, 2] を用いて，物理/生物分野におこのダメージを避ける為には，照射ビームの電流密度をける基礎科学研究の為の共同利用施設を運営すると共4×10−2 µA/mm2 程度に抑える必要がある．一方で十分に，医療用放射性核種の製造により核医学診療に関連な収量を得る為にはビーム電流を下げることは好ましした研究開発を行っている．放医研サイクロトロン施設
くない．これら二つの要求を満たす為に，水平/垂直方は計 7 つの照射ポートにイオンビームを供給し，その向のステアリングマグネットを用いてビームを円状にうち 3 本 (C6, C8, C10) は基礎科学実験のために，残り走査し，適切な照射野を形成する方法を検討した．まの 4 本 (C1, C2, C4, C9) は医療用放射性核種の製造に用たこの照射装置へのビーム輸送ラインの設計を行った．
いられている (Fig. 1)．新たな医療用放射性核種の製造
このビームオプティクスの計算に初期条件として必要ととそれらに関連した実験に備えて，新たなビーム照射なるエミッタンス，Twiss パラメーターは Q-scan 法をポートの整備が検討されている．この照射ポートでは，用いた測定により導出した．これらを元に計算を行い，α 崩壊核種 (At-211) や金属核種 (Cu-67) の製造とそれ照射野の形成に適した光学関数を検討した.[4]らに関連した基礎的な研究 · 実験が計画されている．またこれらに加えて，重粒子線がん治療のための 10/11 C
2 . 照射野の形成
ビーム生成を背景とした 10/11 C 核種を含むメタン分子
10/11(CH4 ) の生成実験が行われる予定である．この実
Figure 2 にサイクロトロン出口から新たに設置を予定
験では，ターゲット材料としてホウ素化水素ナトリウム している照射ポート “Port A”までの断面図を示す．1F(NaBH4 ) を用いることを検討している．このターゲッ のビームトランスポートは既に設置されており，Fig. 1トをプロトン照射することで，揮発性の 10/11 CH4 分子 に示す C4，及び C9 照射ポートへとビームを輸送するために用いられている．本稿ではサイクロトロン出口から “Port A”に至るまでの光学関数を検討する．
',1&IEQ 4SVXW JSV
6EHMSRYGPMHI
4VSHYGXMSR'&IRH (S[RHIK

Q&IRH (S[RHIK2-67']GPSXVSR'
9RSGGYTMIH&IEQ 4SVX'&IEQ 4SVXW JSV*YRHEQIRXEP 4L]WMGW&MSPSK] )\TIVMQIRXW51 51% 51&;MVI 7GERRIV'SQFMRIH
7XIIVIV51&1%&)RXVERGI SJ & 8*&1'518S)\MWXMRK&8Q

1.

'&'Figure 1: NIRS cyclotron facility.
∗ tag410@nirs.go.jp

4SVX %

4SVX &Figure 2: Layout of the beam transport line from the NIRS
930 cyclotron. BM1 and BM2 are the horizontal 2.5-degree
dipole magnet and the vertical 90-degree dipole magnet,
respectively.

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PASJ2014-SUP118y WXIIVIVy WXIIVIV

Beam
Beamx WXIIVIV

Beam

7[ITX

8EVKIX&S\0SWX&IEQ
7[ITX&IEQ
4VSJMPI

QQ M H

Figure 3: Irradiation field formation using fast combined
steering magnets.
Figure 3 にステアリングマグネットにより拡大されたビームとターゲットボックスの模式図を示す．ターゲッ
ト材料はターゲットボックスに封入され，ターゲットボックスは冷却水により冷却される．1 g の NaBH4 ターゲットを 30 MeV のプロトンビームで照射したとき，溶解までの時間はその比熱 (∼90 J/mol/K) から ∼1 s と見積もられる．従って，ステアリングマグネットにより円状に走査したビームを定常な拡大ビームとして考えるために，走査の周波数を 1 Hz よりも十分に高く (∼100 Hz程度) する必要がある．陽子/重粒子線がん治療で用いられるワブラー照射法 (ブロードビーム照射法) [5] では，ビームを円状に走査すると共に散乱体を用いる．しかし，大電流・低エネルギービームを用いる放射性核種製造のためのビームトランスポートでは，その除熱や放射化，或はビームのエネルギー損失が問題となるため，本システムでは散乱体を用いないことにした．

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QQ

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QQ

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0MQMX

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i!% QQrSJJWIX”&)%10SWX&IEQ

beam&IEQDXEVKIX!

'SQFMRIH 7XIIVMRK
1EKRIX

Figure 5: Beam profile for (σbeam , roﬀset ) = (4 mm, 9 mm).
Beam profiles for roﬀset = 5 and 7 mm are also plotted as areference.
ビームスポット幅 σbeam と円状に走査する際のオフセット半径 roﬀset は，次の二つの条件により決定した:(1) ビーム電流密度 ibeam は 4×10−2 µA/mm2 以下であること，(2) 照射効率 εbeam は可能な限り高くすること(放射性核種の収量を増やすため)．このビーム電流密度
ibeam の上限は，NaBH4 ターゲットが溶解しない最も高い電流密度として決められた.[3] また，照射効率 εbeamは，全ビーム電流のうちターゲットを照射出来ている電流の割合として定義した．この照射効率は，Fig. 3 に示す “Lost Beam”の増加と共に低下する．本研究では内径φ30 mm のターゲットボックスについて検討した．
ビームスポット幅 σbeam とオフセット半径 roﬀset を決定するために，0 ≤ σbeam , roﬀset ≤ 15 mm の広いレンジに渡ってビーム電流密度 ibeam と照射効率 εbeamを計算した．その結果を Fig. 4 に示す．φ30 mm のターゲットボックスを用いた場合には，εbeam ≥0.9 の照射効率を得る事は困難であった．(1), (2) の条件を満たす点として，Fig. 4 に星点で示す (σbeam , roﬀset ) = (4 mm,9 mm) を選択した．この星点の条件で得られるビームプ
ロファイルを Fig. 5 に示す．一様性には乏しいが，熱のダメージを受け易いターゲットを用いた放射性核種製造において，収量の向上が実現される好ましいプロファイルであると期待出来る.[4]3.

TWISS パラメーターの測定と光学関数の決定

i!%

iQQ!%
QQ

-VVEHMEXMSR)JJMGMIRG]&IEQ ;MHXL ”&IEQ QQ

Figure 4: Contour map showing the irradiation efficiency
εbeam (black/white) and the current density of the incident
beam ibeam (turquoise/green/orange).

ビームトランスポートのエンベロープ関数の計算 · 最適化を行うために，その入り口における Twiss パラメー
ターとエミッタンスの測定を Q-scan 法により行った．
Figure 2 の点 “B”における水平方向のツイスパラメー
ターとエミッタンスは，四重極電磁石 “QMB”の強度を変更することで行った．同様に点”A”における垂直方向のツイスパラメーターとエミッタンスは，四重極電磁石“QMA”により行った．ビームサイズの測定はこれら二つの四重極電磁石の下流にあるワイヤースキャナーにより行った．Figure 6 に水平方向におけるビームサイズ測定結果を二次関数にフィットした結果を示す．フィッ- 1361 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Results of Twiss parameter and emittance measurements. Measurements were performed for 30-MeVproton beams.
Twiss parametersat the entrance of B.T.
αβ (m)

2σ emittance of30-MeV proton
ε (π mm mrad)

Horizontal

−8.2

11.9

15.2

Vertical−2.7

8.7

12.7

Figure 6: Fitting result of Q-scan measurement for horizontal Twiss parameters.

,SVM^SRXEP )RZIPST”&IEQ! QQrSJJWIX

5*

ティングでは変数 c の誤差が増大したため (σerror /c ∼100%)，その値は測定したビームサイズの最小値から決めた (c = (2σmin )2 )．これらの点 A, B における解析結果からトランスファーマトリックスを用いる事で，ビームトランスポートの入り口における Twiss パラメーター，エミッタンスを導出した．その結果を Table 1 に示す．光
学計算の初期条件には，この Table 1 の値を用いた．また，水平方向ディスパージョン関数の初期条件は，おおよその見積りとして Dx ' −Rext /γ 2 ' −0.9 (m) とした.[6] 但し，Rext ('0.93 m) は取り出し半径，γ (' 1.03,for 30-MeV proton) はローレンツファクターである．その他の初期条件は Dy , Dx0 , Dy0 = 0 (m) と仮定した．四重極電磁石の磁場勾配強度を最適化する為に，ターゲットボックスの位置における束縛条件として次の値を用い√√た: βx εx , βy εy = 4 mm (Fig. 4 より導出された条件),
Dx , Dy = 0 (m).
Figure 7 は，上記束縛条件の元に決められた水平/垂直方向のディスパージョン関数である．ターゲットボックス
位置に於ける束縛条件は十分に満たされていることが確認出来る．このディスパージョン関数とベータ関数，計算により見積もられた運動量広がり ∆p/p ' 1.5 × 10−3 ,[7]及び Table 1 のエミッタンスの値から，ビームエンベロー
プを導出した．その結果を Fig. 8 に示す．ターゲットボッ

Dx
5*

Dy

:IVXMGEP

5*&15(5*&15(5*&1

5*

5(!

QQ

rSJJWIX!

QQ”&IEQ! QQ:IVXMGEP )RZIPST'SQFMRIH
7XIIVIV

Figure 8: Horizontal and vertical envelope functions withkicks produced by the fast combined steering magnets. The
kicked beam axis is shown with a broken line. The kickangle is θ ' 3 mrad.
クス位置におけるビーム形状は Fig. 4 で定めた条件にマッチングしていることが確認できる.[4]4.

結論

30 mm のターゲットボックスと溶解し易い NaBH4 ター
ゲットを用いた 10/11 C 核種生成のために，ステアリングマグネットを用いた照射システムと形成される照射野を検討した．さらに，この照射野を形成する為に最適なビーム光学関数を検討した．これらによって，10/11 C核種の収量の向上が期待できる．より正確なビームエンベロープ関数の導出のために，ビームトランスポート入り口のディスパージョン関数の測定を予定している．

参考文献,SVM^SRXEP

5*5(5*5(5*&1

5*5(Figure 7: Horizontal and vertical dispersion functions forthe new beam transport.

[1] T. Honma, et al., Proc. 18th Int. Conf. on Cyclotrons and theirApplications 2007, Oct. 1-15, 2007, Giardini Naxos, Italy,p137-139.
[2] S. Hojo, et al., in these proceedings.
[3] K. Katagiri, K. Nagatsu, et al., Rev. Sci. Instrum. 85 (2014)
02C305-1.
[4] K. Katagiri, et al., Proc. IPAC2014, 2014, p. 2162.
[5] W.T. Chu, S.B. Curtis, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci 32 (1985)
3321.
[6] M. Seidel, CERN Yellow Reports 2013-001 (2000) 17.
[7] M. Nakao, et al., in these proceedings.

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