The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003
APF-IH 型 Linac の建設
寿起 A)、服部
畑
和利 A)、上田
土屋
A)
俊幸 A) 、柏木
啓次 A)、高橋
晋太郎 A) 、山田
康之 A) 、山本
和男 A) 、
聰 B) 、E.OsvathC) 、C.UsureluC)
東京工業大学 原子炉工学研究所 〒152-8550 東京都目黒区大岡山 2-12-1
B)
放射線医学総合研究所 加速器物理工学部
〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4 丁目 9 番 1 号
National Institute for Pysics and Nuclear Engineering IFIN-HH
Str. Atomistilor 407, Com. Magurele, jud. Ilfov, P.O.B. MG-6 76900 Romania
C)
概要
1
本加速器(以後 SAMURAI[Ⅳ]
)は電荷対質量比 1/6 以
上の重イオンの加速を目的として建設されている。入射エ
ネルギー30keV/u、出射エネルギー300keV/u を予定してい
る。以下、表1に SAMURAI[Ⅳ]基本パラメータを示す。
本設計で採用した IH(Interdigital-H)構造はビーム加速軸
に垂直に高周波電場を共振させたものである。ドリフトチ
ューブ間のギャップにはπモードの高周波加速電場が集
中する。これにより低・中エネルギー領域においては他の
線形加速器と比較すると5~20倍強の高加速電力効率
を実現する。そのため設計において小型化が可能となる。
表 1 : SAMURAI[Ⅳ]基本パラメータ
Acceleration Particle
P,He+,C2+,O3+,Ne4+,Ar7+,Kr14+,Xe22+,U 40+
Input Energy
30
[keV/amu]
Output Energy
300
[keV/amu]
Number of Cell
32
[cell]
Operation Frequency
100
[MHz]
Cavity Length
1020
[mm]
Cavity Diameter
414
[mm]
Transverse Acceptance
105
[π mm mrad]
Longitudinal Acceptance
35
[°]
他のキャビティーと比較して、特に低β領域で格段に電
力効率の良い IH (Interdigital-H ) 構造及び、低エネルギー領
域からビーム収束を行うことが可能な APF (Alternating
Phase Focusing ) を用いて、SAMURAI[Ⅳ]の設計を行っ
た。APF-IH 型線形加速器は突出した加速電場効率と、小
型化が可能な加速器として知られる一方、空洞共振とビー
ムエンベロープの不安定性という問題を抱えている。近年
の電磁場解析プログラムの発展により、空洞共振について
は解明されつつあるが、未だビーム加速理論については解
明されていない。そこで、現在はビーム安定性に視点を置
いて研究を行っている。
現在は SAMURAI[Ⅳ]の設計は終え、加速器本体の製
作途中である。APF 型線形加速器はドリフトチューブの配
置のみで行う収束要素のため、製作精度によりその性能が
大きく左右される。製作誤差による影響と現在の状況につ
いて報告する。
APF-IH 構造
[1][2]
ビーム収束には APF(Alternating Phase Focus)を採用した。
粒子が加速ギャップを通過するとき、高周波電場から
Transverse 方向には次のような力が働く。
∆ RF =
πeVT sin φ
2 Eβγ 3λ
V は加速電圧、T は transit time factor、E は加速される粒
子のエネルギー、λは高周波の自由空間波長、φは高周波
の位相である。つまり高周波の位相φがプラスならば収束、
またマイナスならば発散の方向へ力が働く。一方
Longitudinal 方向においては位相φがプラスならば発散、ま
たマイナスならば収束となる。そこでこの収束・発散を組
み合わせることにより、Longitudinal 方向及び Transverse 方
向にビーム収束を行う。この方法を APF (Alternating Phase
Focus)という。[3]
2
SAMURAI[Ⅳ]の設計
SAMURAI[Ⅳ]の設計はモデル機による高周波電磁場
特性の測定と粒子軌道計算から行った。その際、最も困難
となったのは APF 法によるビームの収束である。APF 法は
前述の様に各ギャップで Longitudinal 方向と Transverse 方
向に交互に収束または発散を行う。そこで全体的な収束力
としては、他の収束法と比較しても決して強いものとは言
えない。そのため、リニアックの高いアクセプタンスを維
持するためには Longitudinal 方向と Transverse 方向の収束
[4]
力の成分を慎重に決定することが求められた。 目標のア
クセプタンスは、Longitudinal:30[ °]、 Transverse:0.8
[ πmm・mrad ] とした。一般的な繰り返し位相シークエン
スで粒子軌道計算を行った時のアクセプタンス値を以下
の表 2 で表す。
The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003
表 2 : シミュレーションによる APF 法の位相シークエン
スとアクセプタンスの関係
Longitudinal
Acceptance
30°
30°
30°
30°
30°
30°
位相シークエンス
-45,45,-45,45
-30,30,-30,30
-90,45,-45,45, -45
-90,30,-30,30,-30
90, -45,45,-45,45
90,-30,30,-30,30
Transverse
Acceptance
0.51πmm・mrad
0.30πmm・mrad
0.63πmm・mrad
0.46πmm・mrad
0.36πmm・mrad
0.18πmm・mrad
前述の様に一般的な繰り返し位相による APF 法では
SAMURAI[ Ⅳ ] の十分な目標値を満たすことが出来な
かった。そこで各ギャップの加速位相を変えて粒子軌道計
算を行った。具体的には 1000 回以上の粒子軌道計算を行
い、その中で最適なものを設計値とした。設計に用いた加
速位相と 設計図を以下図1に示す。
-90゜ -70゜ -60゜ -60゜ -60゜ 30゜-50゜ 45゜ -30゜ -30゜ -30゜ -30゜ -30゜
90゜ 85゜ 80゜
70゜ 60゜ 0゜ 45゜ 0゜ 30゜ 30゜ 30゜
30゜
-30゜
30゜
-30゜
30゜
-30゜
30゜
30゜
Lon gitudinal Acceptance 35°
Transverse Acceptance 0.84πmm・mrad
図 1:SAMURAI[Ⅳ]の加速位相と設計図
SAMURAI[Ⅳ]の製作と精度
リニアックアクセプタンス [ % ]
前述のように、
APF 法では同期粒子の加速位相により、
加速器のアクセプタンスが大きく変わる。各加速ギャップ
での加速位相の誤差とアクセプタンスへの影響を図2に
示す。
25
20
誤差5度
誤差1度
15
10
5
0
0
5
10
15
20
cell N o.
25
30
図 2:各ギャップでの加速位相誤差の影響
現在は SAMURAI[Ⅳ]はルーマニアでの鍍金前までの
製作を完了した。現在までの測定で、ドリフトチューブ及
び、キャビティー本体のステム位置等の製作誤差は最大で、
0.1mm 程度(セル長の 0.83%)あることが判った。そこで
製作誤差 0.1mm の時のリニアックアクセプタンスへの影
響を図 3 に示す。
リニアックアクセプタンス [% ]
3
10
製作誤差0.1m m
8
6
4
2
0
0
10
20
30
cell No.
図 3:各ギャップでの加速位相誤差の影響
The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003
前述の最大製作誤差 0.1mm は 8 セル目にあったのでの
図 3 から、約 3%のアクセプタンス誤差があると予測でき
る。
4
現在の問題と今後の予定
現在最大の問題点と考えられているのはキャビティー
内の表面粗さと表面の金属の種類が一定でないことであ
る。表面に 0.4mm 程度の窪みが数点あることに加え、金
属が鉄と SUS で構成されているために、銅鍍金が不均一
となることが予想される。そこで、キャビティー全体の Q
値が低下すると共に、その部分からの発熱が心配される。
今 後 は 現 在 の キ ャ ビ テ ィ ー の 鍍 金 の 問 題 を 解 決し
SAMURAI[Ⅳ]を完成させ、東京工業大学原子炉工学研
究所で建設中のビームラインで加速試験を行う。また同時
に APF 法で最も困難かつ重要と思われる、加速位相の最
適化の問題に取り組んでいく予定である。
参考文献
[1] T.Hattori,
et.
al.,
Nucl.
Imstrum.
Methos
B99(1995)807-809.
[2] K.Isokawa, T.Hattori, et. al.,: Nucl. Inst. And Meth.,
A145(1998)287-290
[3] D.A.Swenson,; Proc. 1976 Proton Linear Accelerator
Conference,(1976),pp.234-237
[4] S.Matsui, T.Hattori, et. al., “The Study of Heavy-Ion
Injector IH Linac for Cancer Therapy(Ⅳ) “. Proc. 24th
Linear Accelerator Meeting , 1999, pp. 152-154
ダウンロード

APF-IH 型Linac の建設