JAEA-Technology-2008-024.pdf:14.07MB - 日本原子力研究開発機構

JAEA-Technology 2008-024 


K110 AVF サイクロトロン建設総合報告書 

日本原子力研究開発機構 高崎量子応用研究所放射線高度利用施設部 

荒川和夫、横田渉、上松敬、中村義輝、石堀郁夫、 

倉島俊、宮脇信正、奥村進、神谷富裕、奈良孝幸、福田光宏 * 

(2008 年 1 月 25 日受理) 

高崎研究所(現高崎量子応用研究所)では、イオンビームを用いた放射線高度利用研究を推 

進するため、4 基のイオン加速器群から構成されるイオン照射研究施設 (Takasaki Ion 

Accelerators for Advanced Radiation Application: TIARA) の建設・整備を 1988 年より 2 期に分け 

て開始した。その第 1 期に、K110 AVF サイクロトロンと 3MV タンデム加速器が建設され、1991 

年に完成した。1992 年より 3MV シングルエンド加速器と 400kV イオン注入装置の建設・整備 

が開始され、1993 年に完成した。 

JAEA のサイクロトロンは、これまで主として核物理の研究用として開発・発展してきた AVF 

サイクロトロンを世界で初めて材料・バイオ技術研究専用加速器として建設されたものであり、 

TIARA の中核加速器である。サイクロトロン施設は、3 台の外部イオン源、イオン入射系、K110 

AVF サイクロトロン、外部ビーム輸送系及び制御システムから構成されており、1991 年 3 月に 

50MeV 4 He 2+ でファーストビームの引き出しに成功した。 

本報告書は、K110 AVF サイクロトロンシステムと建設時に行った性能試験結果についてま 

とめたものである。 

高崎量子応用研究所:〒370-1292 群馬県高崎市綿貫町 1233 

*大阪大学核物理研究センター 

i


JAEA- Technology 2008-024 

Construction and Commissioning of K110 AVF Cyclotron 

Kazuo ARAKAWA, Watalu YOKOTA, Takashi AGEMATSU, Yoshiteru NAKAMURA, 

Ikuo ISHIBORI, Satoshi KURASHIMA, Nobumasa MIYAWAKI, Susumu OKUMURA, 

Tomihiro KAMIYA, Takayuki NARA and Mitsuhiro FUKUDA * 

Department of Advanced Radiation Technology 

Takasaki Advanced Radiation Research Institute 

Japan Atomic Energy Agency 

Watanuki-machi, Takasaki-shi, Gunma-ken 

(Received January 25, 2008) 

The TIARA facilities (Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application: 

TIARA) was constructed at Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment (presently, Takasaki 

Advanced Radiation Research Institute) under the 6-year program from 1988 in order to promote 

effective use of ion beams. The first phase of the construction including a K110 AVF cyclotron and a 

3MV tandem accelerator was complete in 1991, and the second phase including a 3MV single-ended 

accelerator and 400kV implanter in 1993. 

Large AVF cyclotrons have been used mostly for fundamental nuclear physics and medical 

applications of radiation therapy and radioisotope production so far. The JAEA K110 AVF cyclotron is 

the first one dedicated to R&D in materials science and other irradiation purpose. 

This cyclotron facility consists of three external ion sources, an injection line, a K110 AVF cyclotron, 

eight main beam transport lines, and a control system. The first beam, 50MeV 4 He 2+ , was extracted from 

the cyclotron in March 1991. 

This report describes an outline of the K110 AVF cyclotron system and results of performance tests. 

Keywords: AVF Cyclotron, Magnet System, RF System, Injection System, Beam Transport System, 

Utility, Control System, Vacuum System, Cooling System, Power Supply System 

*Research Center for Nuclear Physics, Osaka University 

ii


目次 

1. はじめに ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 

2. AVF サイクロトロンの原理----------------------------------------------------------------------------------3 

3. 主要性能及び全体構成 ------------------------------------------------------------------------------------- 6 

3.1 設計変更と新たな機能付加 ---------------------------------------------------------------------------6 

3.2 全体性能(仕様) ----------------------------------------------------------------------------------------- 6 

3.3 全体構成 ---------------------------------------------------------------------------------------------------9 

4. サイクロトロン本体-----------------------------------------------------------------------------------------10 

4.1 概要及び基本構成 --------------------------------------------------------------------------------------10 

4.2 電磁石系--------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 

4.3 共振器系 --------------------------------------------------------------------------------------------------17 

4.4 垂直入射及び中心領域----------------------------------------------------------------------------------22 

4.5 外部ビーム引き出し系----------------------------------------------------------------------------------28 

4.6 ビーム診断機器-------------------------------------------------------------------------------------------31 

5. イオン源系-----------------------------------------------------------------------------------------------------33 

5.1 ECR イオン源--------------------------------------------------------------------------------------------33 

5.2 マルチカスプイオン源--------------------------------------------------------------------------------- 37 

5.3 H-ECR イオン源-----------------------------------------------------------------------------------------39 

6. イオン入射系------------------------------------------------------------------------------------------------- 42 

6.1 イオン光学計算-------------------------------------------------------------------------------------------42 

6.2 全体構成--------------------------------------------------------------------------------------------------- 44 

6.3 電磁石系---------------------------------------------------------------------------------------------------44 

6.4 ビーム診断系--------------------------------------------------------------------------------------------- 46 

6.5 パルス型ビームチョッパー----------------------------------------------------------------------------48 

6.6 ビームバンチャー ------------------------------------------------------------------------------------- 49 

6.7 ダクト------------------------------------------------------------------------------------------------------50 

7. 外部ビーム輸送系--------------------------------------------------------------------------------------------51 

7.1 イオン光学計算-------------------------------------------------------------------------------------------51 

7.2 全体構成 ----------------------------------------------------------------------------------------------53 

7.3 電磁石系 --------------------------------------------------------------------------------------------------54 

7.4 ビーム診断系----------------------------------------------------------------------------------------------58 

7.5 ロータリーシャッター --------------------------------------------------------------------------------63 

7.6 ビームダクト・真空箱 ----------------------------------------------------------------------------------65 

7.7 ビームスキャナー(BS)---------------------------------------------------------------------------------65 

7.8 正弦波型ビームチョッパー --------------------------------------------------------------------------67 

8. 真空排気系 ---------------------------------------------------------------------------------------------------70 

8.1 サイクロトロン本体系 -------------------------------------------------------------------------------71 

iii


8.2 イオン源系------------------------------------------------------------------------------------------------72 

8.3 イオン入射系 --------------------------------------------------------------------------------------------74 

8.4 外部ビーム輸送系 -----------------------------------------------------------------------------------76 

9. 制御システム ------------------------------------------------------------------------------------------------78 

9.1 システムの概要(~1998 年度)------------------------------------------------------------------------78 

9.2 システムの構成 -----------------------------------------------------------------------------------------79 

9.3 SCU ---------------------------------------------------------------------------------------------------------79 

9.4 GCU --------------------------------------------------------------------------------------------------------80 

9.5 UDC --------------------------------------------------------------------------------------------------------81 

9.6 通信システム --------------------------------------------------------------------------------------------82 

9.7 運転・学習機能 -----------------------------------------------------------------------------------------82 

9.8 コントロール・コンソール ----------------------------------------------------------------------------83 

9.9 ローカル・コントローラー ----------------------------------------------------------------------------84 

9.10 コントロールラック ----------------------------------------------------------------------------------84 

9.11 加速器インターロック--------------------------------------------------------------------------------85 

9.12 更新制御システム(1998 年度~)--------------------------------------------------------------------85 

10. ユーティリティー ----------------------------------------------------------------------------------------91 

10.1 電源系 ---------------------------------------------------------------------------------------------------91 

10.2 冷却系 --------------------------------------------------------------------------------------------------96 

10.3 ガス・圧縮空気系 -------------------------------------------------------------------------------------100 

11. 付帯設備 ---------------------------------------------------------------------------------------------------101 

11.1 自動化設備 -------------------------------------------------------------------------------------------101 

11.2 グラフィックパネル --------------------------------------------------------------------------------103 

12. 安全設備 -------------------------------------------------------------------------------------------------105 

12.1 安全表示設備 ----------------------------------------------------------------------------------------105 

12.2 インターロック系 -----------------------------------------------------------------------------------105 

12.3 自動表示系 -------------------------------------------------------------------------------------------107 

12.4 建屋安全系グラフィックパネル -----------------------------------------------------------------108 

12.5 安全監視用 CCTV ----------------------------------------------------------------------------------108 

12.6 放射線モニター --------------------------------------------------------------------------------------108 

13. 性能試験 ---------------------------------------------------------------------------------------------------109 

13.1 本体磁場測定 ----------------------------------------------------------------------------------------109 

13.2 共振器の性能 ----------------------------------------------------------------------------------------116 

13.3 ECR(OCTOPUS)イオン源性能 --------------------------------------------------------------------123 

13.4 マルチカスプイオン源性能 -----------------------------------------------------------------------125 

13.5 H-ECR(HYPERNANOGAN)イオン源性能 ----------------------------------------------------125 

13.6 イオン入射系ビーム輸送 -------------------------------------------------------------------------126 

13.7 ビーム試験 --------------------------------------------------------------------------------------------127 

iv


13.8 シングルパルスの生成 ----------------------------------------------------------------------------131 

14. おわりに -------------------------------------------------------------------------------------------------134 

謝辞 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 136 

参考文献 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 137 

付録建設・整備の経緯---------------------------------------------------------------------------------------- 139 

v


Contents 

1. Introduction --------------------------------------------------------------------------------------------------------1 

2. Principle of AVF Cyclotron --------------------------------------------------------------------------------------3 

3. Outline of AVF Cyclotron Facility ------------------------------------------------------------------------------6 

3.1 Design Modification of Cyclotron System ----------------------------------------------------------------6 

3.2 Principal Specifications of Cyclotron System -------------------------------------------------------------6 

3.3 General Constitution of Cyclotron Facility ----------------------------------------------------------------9 

4. Cyclotron -------------------------------------------------------------------------------------------------------10 

4.1 Outline of Cyclotron ----------------------------------------------------------------------------------------10 

4.2 Magnet System ----------------------------------------------------------------------------------------------12 

4.3 RF System ----------------------------------------------------------------------------------------------------17 

4.4 Axial Injection and Central Region -----------------------------------------------------------------------22 

4.5 Extraction System -------------------------------------------------------------------------------------------28 

4.6 Beam Probes -------------------------------------------------------------------------------------------------31 

5.Ion Source System -----------------------------------------------------------------------------------------------33 

5.1 ECR Ion Source ---------------------------------------------------------------------------------------------33 

5.2 Multi-cusp Ion Source --------------------------------------------------------------------------------------37 

5.3 H-ECR Ion Source ------------------------------------------------------------------------------------------39 

6.Injection Line System -------------------------------------------------------------------------------------------42 

6.1 Beam Optics -------------------------------------------------------------------------------------------------42 

6.2 Constitution --------------------------------------------------------------------------------------------------44 

6.3 Magnets -------------------------------------------------------------------------------------------------------44 

6.4 Beam Monitors ----------------------------------------------------------------------------------------------46 

6.5 Pulsed-type Beam Chopper --------------------------------------------------------------------------------48 

6.6 Beam Buncher -----------------------------------------------------------------------------------------------49 

6.7 Beam Ducts --------------------------------------------------------------------------------------------------50 

7.Beam Transport System -----------------------------------------------------------------------------------------51 

7.1 Beam Optics -------------------------------------------------------------------------------------------------51 

7.2 Constitution --------------------------------------------------------------------------------------------------53 

7.3 Magnets -------------------------------------------------------------------------------------------------------54 

7.4 Beam Monitors ----------------------------------------------------------------------------------------------58 

7.5 Rotary Shutter -----------------------------------------------------------------------------------------------63 

7.6 Beam Duct and Chamber -----------------------------------------------------------------------------------65 

7.7 Beam Scanner(BS)----------------------------------------------------------------------------------------65 

7.8 Sinusoidal-type Beam Chopper ----------------------------------------------------------------------------67 

8.Vacuum System --------------------------------------------------------------------------------------------------70 

vi


8.1 Cyclotron -----------------------------------------------------------------------------------------------------71 

8.2 Ion Source System ----------------------------------------------------------------------------------------72 

8.3 Injection System ---------------------------------------------------------------------------------------------74 

8.4 Beam Transport System ----------------------------------------------------------------------------------76 

9.Control System ---------------------------------------------------------------------------------------------------78 

9.1 Outline of System -------------------------------------------------------------------------------------------78 

9.2 System Architecture -----------------------------------------------------------------------------------------79 

9.3 SCU (System Control Unit) --------------------------------------------------------------------------------79 

9.4 GCU (Group Control Unit) --------------------------------------------------------------------------------80 

9.5 UDC (Universal Device Controller) ----------------------------------------------------------------------81 

9.6 Communication System ------------------------------------------------------------------------------------82 

9.7 Operation and Knowledge Based Operation Assist System --------------------------------------------82 

9.8 Control Console ---------------------------------------------------------------------------------------------83 

9.9 Local Controller ---------------------------------------------------------------------------------------------84 

9.10 Control Rack -----------------------------------------------------------------------------------------------84 

9.11 Safety Interlock System -----------------------------------------------------------------------------------85 

9.12 Renewal of Control System ------------------------------------------------------------------------------85 

10.Utilities ----------------------------------------------------------------------------------------------------------91 

10.1 Power Supply System -------------------------------------------------------------------------------------91 

10.2 Cooling System --------------------------------------------------------------------------------------------96 

10.3 Nitrogen Gas and Compressed Air Supply System --------------------------------------------------100 

11.Accessory Equipments ---------------------------------------------------------------------------------------101 

11.1 Remote Control System ---------------------------------------------------------------------------------101 

11.2 Graphic Display Panel for Accelerator Status --------------------------------------------------------103 

12.Safety System -------------------------------------------------------------------------------------------------105 

12.1 Safety Equipments ---------------------------------------------------------------------------------------105 

12.2 Interlock System ------------------------------------------------------------------------------------------105 

12.3 Automatic Alarm Indicator ------------------------------------------------------------------------------107 

12.4 Graphic Display Panel for Facility Safety Status -----------------------------------------------------108 

12.5 CCTV System ---------------------------------------------------------------------------------------------108 

12.6 Radiation Monitors ---------------------------------------------------------------------------------------108 

13.Performance Test for Cyclotron System -------------------------------------------------------------------109 

13.1 Measurement of Magnetic Field on Cyclotron ------------------------------------------------------109 

13.2 Characteristics of RF Resonator ------------------------------------------------------------------------116 

13.3 Performance of ECR (OCTOPUS) ---------------------------------------------------------------------123 

13.4 Performance of Multi-cusp Ion Source ----------------------------------------------------------------125 

13.5 Performance of H-ECR (HYPERNANOGAN) -------------------------------------------------------125 

13.6 Beam Transmission from Ion Sources to Cyclotron ------------------------------------------------126 

vii


13.7 Beam Acceleration Tests on Cyclotron ----------------------------------------------------------------127 

13.8 Extraction Tests for Single Pulse using Beam Chopping System ----------------------------------131 

14.Conclusion -----------------------------------------------------------------------------------------------------134 

Acknowledgements -----------------------------------------------------------------------------------------------136 

References ----------------------------------------------------------------------------------------------------------137 

Appendix: Chronological Table of Construction-------------------------------------------------------------139 

viii


表リスト 

Table 3.1 引出電圧 10kV、エミッタンス 200πmm・mrad でのイオン生成能力 --------------7 

Table 3.2 サイクロトロンにおける主なイオン種の引出電流----------------------------------------8 

Table 4.1 トリムコイルの諸元-----------------------------------------------------------------------------15 

Table 4.2 ハーモニック(H)コイルの巻数、最大電流---------------------------------------------------16 

Table 4.3 グレーザーレンズの諸元 ----------------------------------------------------------------------24 

Table 4.4 インフレクター電極の電場半径と磁場半径 ----------------------------------------------25 

Table 6.1 加速ハーモニック(H)モード毎の運転パラメーター ------------------------------------50 

Table 7.1 ロータリーシャッターの全長と設置場所 -------------------------------------------------64 

Table 7.2 ビームスキャナーの主な諸元 ----------------------------------------------------------------66 

Table 10.1 イオン源、イオン入射系の電源の構成と基本性能 ---------------------------------------91 

Table 10.2 サイクロトロン本体系の電源の構成と基本性能 ----------------------------------------92 

Table 10.3 外部ビーム輸送系の電源の構成と基本性能 ----------------------------------------------94 

Table 10.4 冷却系統の熱容量と圧力損失 ----------------------------------------------------------------98 

Table 10.5 イオン交換樹脂の量 ----------------------------------------------------------------------------99 

Table 13.1 マグネチックチャンネルコイルの励磁電流(0A、650A、1300A)による 

メインコイル磁場強度変化------------------------------------------------------------------115 

Table 13.2 Constant Orbit 法で求めたエネルギーとディー電圧 -----------------------------------122 

Table 13.3 ECR イオン源におけるイオン生成電流 ---------------------------------------------------123 

Table 13.4 マルチカスプイオン源によるイオン生成電流 ------------------------------------------125 

Table 13.5 H-ECR イオン源におけるイオン生成試験結果 -----------------------------------------126 

Table 13.6 ECR イオン源からサイクロトロンまでのビーム透過効率 ---------------------------126 

Table 13.7 マルチカスプイオン源からサイクロトロンまでの H + イオンビームの透過効率-126 

Table 13.8 主なイオン種の加速と引き出し効率 ------------------------------------------------------127 

Table 13.9 粒子加速試験で得た mv 2 /Q とデフレクター入口位置における電場の関係 -------130 

Table 13.10 シングルパルス生成試験結果 ---------------------------------------------------------------133 

図リスト 

Fig.1.1 TIARA に建設された AVF サイクロトロン ----------------------------------------------------2 

Fig.2.1 磁場中の荷電粒子の運動 --------------------------------------------------------------------------3 

Fig.2.2 AVF サイクロトロンの主な構成機器 -----------------------------------------------------------3 

Fig.2.3 4 セクター型 AVF サイクロトロンの方位角方向の磁場分布 ------------------------------5 

Fig.4.1 サイクロトロンの概略 ---------------------------------------------------------------------------10 

Fig.4.2 サイクロトロンの内部平面図 -------------------------------------------------------------------10 

Fig.4.3 サイクロトロン電磁石の概略とハーモニックコイルの配置------------------------------13 

Fig.4.4 スパイラルセクターの写真 ----------------------------------------------------------------------14 

ix


Fig.4.5 トリムコイルの写真 ------------------------------------------------------------------------------14 

Fig.4.6 スパイラルセクターの形状 ----------------------------------------------------------------------15 

Fig.4.7 加速エネルギーと必要磁場強度、周波数の関係 --------------------------------------------16 

Fig.4.8 モデル共振器の写真 ------------------------------------------------------------------------------18 

Fig.4.9 1/4 モデル共振器の概略 --------------------------------------------------------------------------18 

Fig.4.10 1/4 モデル共振器の周波数特性 -----------------------------------------------------------------19 

Fig.4.11 1/4 モデル共振器の Q 値 --------------------------------------------------------------------------19 

Fig.4.12 1/4 モデル共振器のシャントインピーダンス ----------------------------------------------19 

Fig.4.13 λ/4 同軸ショート板方式の共振器の構造 ----------------------------------------------------20 

Fig.4.14 共振器の外観写真 ---------------------------------------------------------------------------------21 

Fig.4.15 ショート板コンタクトフィンガーの写真-----------------------------------------------------21 

Fig.4.16 コンペンセータの写真 ---------------------------------------------------------------------------21 

Fig.4.17 垂直入射系の概略 ---------------------------------------------------------------------------------23 

Fig.4.18 インフレクター電極--------------------------------------------------------------------------------23 

Fig.4.19 中心領域の概略図 ---------------------------------------------------------------------------------23 

Fig.4.20 中心領域の写真 ------------------------------------------------------------------------------------23 

Fig.4.21 インフレクター電極 ------------------------------------------------------------------------------24 

Fig.4.22 プラー電極図と写真 ------------------------------------------------------------------------------26 

Fig.4.23 位相スリット(Ⅰ)ピラー(左)、位相スリット(Ⅱ)ピラー(右)の写真 ----------------26 

Fig.4.24 改造後の中心領域の写真(下アース板方向)-------------------------------------------------28 

Fig.4.25 改造後の中心領域の写真(上アース板方向)-------------------------------------------------28 

Fig.4.26 H=1、2 の中心領域概略図 -----------------------------------------------------------------------28 

Fig.4.27 H=3 の中心領域概略図 --------------------------------------------------------------------------28 

Fig.4.28 デフレクターの写真及びデフレクター入口部の高圧電極とセプタム電極 

の断面 ------------------------------------------------------------------------------------------------29 

Fig.4.29 マグネチックチャンネルの写真 --------------------------------------------------------------30 

Fig.4.30 グラジエントコレクターの写真 --------------------------------------------------------------31 

Fig.4.31 メインプローブの写真 --------------------------------------------------------------------------31 

Fig.4.32 マグネチックチャンネル入口プローブの写真 --------------------------------------------32 

Fig.4.33 位相プローブの形状と寸法 --------------------------------------------------------------------32 

Fig.4.34 位相プローブの写真 ------------------------------------------------------------------------------32 

Fig.5.1 電子サイクロトロン共鳴領域と磁力線 -------------------------------------------------------34 

Fig.5.2 磁場配位と最小磁場 ------------------------------------------------------------------------------34 

Fig.5.3 ECR(OCTOPUS)イオン源の概略図 ------------------------------------------------------------35 

Fig.5.4 ECR(OCTOPUS)イオン源の写真 ---------------------------------------------------------------35 

Fig.5.5 マルチカスプイオン源の外観と構造 ----------------------------------------------------------37 

Fig.5.6 H-ECR(HYPERNANOGAN)イオン源の概略図 ----------------------------------------------39 

Fig.5.7 H-ECR(HYPERNANOGAN)イオン源の写真 -------------------------------------------------40 

x


Fig.6.1 イオン入射系のレイアウト ----------------------------------------------------------------------43 

Fig.6.2 ECR イオン源からのイオン入射系のビームエンベロープ -------------------------------43 

Fig.6.3 IIM の外観平面図 ----------------------------------------------------------------------------------45 

Fig.6.4 3 線式プロファイルモニターの写真とワイヤー部の概略図 -----------------------------46 

Fig.6.5 ファラデーカップの写真 -------------------------------------------------------------------------47 

Fig.6.6 エミッタンスモニターの概略図 ----------------------------------------------------------------48 

Fig.6.7 エミッタンモニターの写真-----------------------------------------------------------------------48 

Fig.6.8 パルス型ビームチョッパー電極の写真 -------------------------------------------------------49 

Fig.6.9 ビームバンチャー電極の写真 -------------------------------------------------------------------49 

Fig.7.1 外部ビーム輸送系の概略 -------------------------------------------------------------------------52 

Fig.7.2 HE コースのビームエンベロープ --------------------------------------------------------------53 

Fig.7.3 ビーム輸送系基幹ラインとスイッチング電磁石(TSM) ------------------------------------54 

Fig.7.4 ビームスリットの写真 ---------------------------------------------------------------------------59 

Fig.7.5 3 線式プロファイルモニターの写真 -----------------------------------------------------------60 

Fig.7.6 ファラデーカップの写真 -------------------------------------------------------------------------61 

Fig.7.7 アルミナモニターの写真 -------------------------------------------------------------------------62 

Fig.7.8 ロータリーシャッターの写真 -------------------------------------------------------------------63 

Fig.7.9 モーター駆動式ロータリーシャッターの概略-----------------------------------------------64 

Fig.7.10 ビームスキャニング方式の概念 ----------------------------------------------------------------65 

Fig.7.11 ビームスキャナー(BS3)の写真 ------------------------------------------------------------------67 

Fig.7.12 正弦波型ビームチョッパーの外観と電源筐体 ----------------------------------------------67 

Fig.7.13 正弦波型ビームチョッパーの構造概略 -------------------------------------------------------69 

Fig.8.1 真空排気系全体構成及び真空セクション分割-----------------------------------------------70 

Fig.8.2 サイクロトロン本体の真空排気系統図 -------------------------------------------------------73 

Fig.8.3 ECR イオン源の真空排気系統図 ---------------------------------------------------------------74 

Fig.8.4 マルチカスプイオン源の真空排気系統図 ----------------------------------------------------74 

Fig.8.5 H-ECR イオン源の真空排気系統図 ------------------------------------------------------------74 

Fig.8.6 イオン入射系の真空セクション(VIA)系統図 -----------------------------------------------75 

Fig.8.7 ビーム輸送系の真空セクション(VSM)系統図 ----------------------------------------------77 

Fig.8.8 可搬式 TMP ユニット系統図 ---------------------------------------------------------------------77 

Fig.8.9 第 1 軽イオン室内の可搬式 TMP ユニット ----------------------------------------------------77 

Fig.9.1 サイクロトロン制御システムの構成 ----------------------------------------------------------78 

Fig.9.2 コントロール・コンソールと制御室 -----------------------------------------------------------83 

Fig.9.3 更新制御系の構成図 ------------------------------------------------------------------------------86 

Fig.9.4 新 MTC ボード --------------------------------------------------------------------------------------87 

Fig.9.5 VME エクスパンダーに装着された MTC ------------------------------------------------------87 

Fig.9.6 更新コントロール・コンソール -----------------------------------------------------------------87 

Fig.9.7 外部ビーム輸送系のパラメーター選択画面例 ----------------------------------------------88 

xi


Fig.9.8 物理的意味を持たせて調整支援機能を充実させた調整画面例 -------------------------90 

Fig.10.1 イオン照射研究施設受電系統及びサイクロトロン本体 420V 系電源系統図-----------95 

Fig.10.2 冷却水系統図 ---------------------------------------------------------------------------------------97 

Fig.10.3 イオン交換樹脂塔部分の系統図 ----------------------------------------------------------------98 

Fig.11.1 デフレクター搬送システムの写真 -----------------------------------------------------------101 

Fig.11.2 インフレクター電極交換システムの写真----------------------------------------------------102 

Fig.11.3 プラー電極引き抜きシステム全体とプラー電極引き抜きの様子----------------------103 

Fig.11.4 グラフィックパネル -----------------------------------------------------------------------------104 

Fig.12.1 サイクロトロン運転のインターロック条件 -----------------------------------------------107 

Fig.13.1 サイクロトロン電磁石のサイクリック励磁パターン-------------------------------------109 

Fig.13.2 半径方向の平均磁場分布 -----------------------------------------------------------------------110 

Fig.13.3 引き出し半径 923mmにおける励磁曲線 -----------------------------------------------------110 

Fig.13.4 各励磁電流におけるファーストハーモニック磁場成分の動径分布 ------------------111 

Fig.13.5 メインコイル励磁電流 585A のときの各トリムコイルによる磁場分布---------------111 

Fig.13.6 メインコイル励磁電流 120A、トリムコイル励磁電流の極性を反転 

したときの磁場分布 -----------------------------------------------------------------------------112 


したときの磁場分布 -----------------------------------------------------------------------------112 

Fig.13.8 メインコイル 850A におけるハーモニックコイル 50A で得られる 

1st ハーモニック成分の動径分布 -----------------------------------------------------------113 

Fig.13.9 75MeV H + の等時性磁場を作るための最適コイル電流値を用いて 

作った磁場分布と実測磁場分布の比較 ---------------------------------------------------113 

Fig.13.10 垂直入射穴内の軸方向のグレーザーレンズの磁場分布 -------------------------------114 

Fig.13.11 マグネチックチャンネルの励磁電流とメインコイル磁場の変化量の関係---------114 

Fig.13.12 グラジエントコレクター磁場測定の座標系 ----------------------------------------------115 

Fig.13.13 グラジエントコレクターの磁場分布--------------------------------------------------------115 

Fig.13.14 グラジエントコレクター内のグラジエント磁場 ----------------------------------------116 

Fig.13.15 測定系のブロック図 ----------------------------------------------------------------------------116 

Fig.13.16 ショート板位置と周波数の関係 -------------------------------------------------------------117 

Fig.13.17 Q 値の共振周波数依存性 ----------------------------------------------------------------------118 

Fig.13.18 シャントインピーダンスの共振周波数依存性 -------------------------------------------118 

Fig.13.19 共振周波数スペクトル -------------------------------------------------------------------------119 

Fig.13.20 コンペンセータによる補償周波数範囲 ----------------------------------------------------119 

Fig.13.21 ピックアップ電圧とディー電圧の比の共振周波数依存性 ----------------------------120 

Fig.13.22 ディー電極上の電圧比 -------------------------------------------------------------------------120 

Fig.13.23 ループキャパシタンスとループインピーダンスの関係 -------------------------------120 

Fig.13.24 ディー電圧とアンプパワー(黒塗)及び負荷パワー(白抜き)の関係 -----------------121 

Fig.13.25 ディー電圧のリップル比 ----------------------------------------------------------------------121 

xii


Fig.13.26 ECR(OCTOPUS)イオン源によるイオン生成試験結果 ----------------------------------124 

Fig.13.27 ECR イオン源で生成した 40 Ar 8+ の位相空間分布 -----------------------------------------125 

Fig.13.28 H + 生成におけるアーク電圧・電流依存性 -------------------------------------------------125 

Fig.13.29 イオンビームにより誘起された位相プローブのピックアップシグナル------------127 

Fig.13.30 RF 周波数を変えたときの 45MeV H + の位相の変化 -------------------------------------128 

Fig.13.31 運転により得た mv 2 /Q とデフレクター入口における電場強度の関係---------------129 

Fig.13.32 70MeV H + 引き出し時のデフレクター入口位置と平均電場の関係--------------------129 

Fig.13.33 位相空間内の粒子分布 -------------------------------------------------------------------------130 

Fig.13.34 バンチャー効率の実測例 ----------------------------------------------------------------------131 

Fig.13.35 ビームチョッピングプロセスの概略図 ----------------------------------------------------132 

Fig.13.36 50MeV He 2+ のビームパルスの分布 ---------------------------------------------------------132 

xiii

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1.はじめに 

日本原子力研究所高崎研究所(現日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所:以降、高崎研) 

は、我が国における放射線化学の研究開発拠点として昭和 38 年に設置され、コバルトガンマ線の 

大型照射施設と大出力の電子加速器を用い、高分子の合成や改質などの放射線化学工業利用、原 

子力関連技術、環境保全、食品照射など広く放射線利用技術の研究開発を進めてきた。 

1987 年より、これまでの電子線、ガンマ線を用いた放射線利用技術における研究開発のポテン 

シャルをベースに、放射線利用分野における先端科学技術の発展に寄与するために、イオンビー 

ムを利用した研究開発へと展開を図った。特に、高速イオンビームがもつ高密度の電離・励起、 

粒子の制御・操作性、物質との相互作用の多様性、透過能力などの放射線としての特質を活かし、 

宇宙環境材料の開発、核融合炉材料の開発、バイオ技術の開発、新機能性材料の開発、及びラジ 

オ・アイソトープ(RI)の製造・利用技術の開発を柱とした放射線高度利用研究を開始することと 

した。放射線高度利用研究を推進するため、高エネルギーイオン照射装置として K110AVF サイ 

クロトロン、中エネルギー重イオン照射装置として 3MV タンデム加速器、中エネルギー軽イオ 

ン照射装置として 3MV シングルエンド加速器、低エネルギーイオン照射装置として 400kV イオ 

ン注入装置を導入した。これらの加速器群は、材料・バイオ技術研究専用のイオン照射施設とし 

て世界で始めて建設されたもので、TIARA(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation 

Application:イオン照射研究施設)と呼ばれている。 

一様磁場中を周回運動している荷電粒子の周期は、そのエネルギーに依らず一定であるという 

「等時性の原理」をカリフォルニア大学の E. O. Lawrence が 1929 年に見出した。彼は1kV の電 

極電圧の試作機により 80keV まで陽子を加速することにより、最初のサイクロトロン共鳴を観測 

し 1) 、1932 年に試作 2 号機で 1.2MeV のビームの加速に成功して「サイクロトロン」と名づけた。 

この弱集束のサイクロトロンは普通型あるいは古典サイクロトロンと呼ばれ、世界で約 50 台作ら 

れ、核物理や RI の製造などに使われた。この古典サイクロトロンは弱集束であるため、陽子の加 

速エネルギーは相対論的質量増加により、40MeV が限界であることを 1937 年に H.Bethe が報告 

した。 

一方、1938 年に L. Thomas はサイクロトロンの等時性と集束性を厳密に取り扱い、加速限界を 

超えるためには磁場を周回軌道方向に沿って変化させる方式を提案した 2) 。1952 年に E.D. Courant、 

M.S. Livingston、H. Snyder らによって強集束原理 3) が見い出され、L. Thomas が提案した方式を 

利用した最初の扇型磁極(SF: Sector Focusing)サイクロトロンが 1958 年にオランダの Delft ら 

によって作られ、13MeV の陽子加速に成功した。続いて、1960 年には J. Richardson が 50MeV 陽 

子の加速に成功した。この型のサイクロトロンはアイソクロナス(IC: Isochronous、等時性)ある 

いは AVF(Azimuthally Varying Field:周回変動磁場型)サイクロトロンと呼ばれ、大ビーム電流、 

エネルギー可変などの特長を持っており、原子核・素粒子の研究に大きく貢献するとともに、RI 

製造及び医学分野での利用に用いられてきた。 

バイオ・材料科学分野におけるイオンビーム利用では、様々な試料に合わせてイオン種・エネ 

ルギーが幅広く選択できるとともに、照射条件に応じてビーム強度・サイズ・照射面積、ビーム 

パルス幅・間隔などが多様に変えられ、かつ高安定・高品位ビームの提供が要求される。しかし、 

AVF サイクロトロンは、原子核・素粒子などの基礎科学の研究の手段として開発・発展してきた 

ため、高頻度かつ短時間でのイオン種・エネルギーの変更が難しく、バイオ・材料科学分野の実 

- 1 -


験には使いやすいものではなかった。そこで、TIARA では、多目的の研究に利用するための種々 

の性能向上と新たな機能を付加した AVF サイクロトロンシステムの構築を目指した。さらに、建 

設後も、バイオ・材料科学研究を遂行するためのカクテルビーム加速技術等のユニークな加速器・ 

ビーム技術の開発に取り組んできた。 

建設された AVF サイクロトロンについては年報(1992)で概要を報告 4) しているが、本報告は 

機器の構成や性能などをより詳細にまとめたものである。Fig.1.1 に TIARA で建設された AVF サ 

イクロトロン本体の写真を示す。 

Fig.1.1 TIARA に建設された AVF サイクロトロン 

- 2 -


2.AVF サイクロトロンの原理 

サイクロトロンは、静磁場中において円運動する荷電粒 

子(サイクロトロンではイオンを対象とする)を周期的に 

加速する装置である。その原理を以下に記す。 

質量 m (kg)、電荷 q (C) のイオンが速度 v (m/s) で磁束 

密度 B (T) の静磁場中を移動する場合、イオンは 

uur r ur 

F = qv× B…(1) 

で表されるローレンツ力を受ける。この力は速度 v と直角 

の方向に働くため、速度 v と磁束密度 B が直交する場合、 

これを向心力: 

2 

mv 

F = …(2) 

r 

としてイオンは平面内で半径 r (m) の円運動をする 

(Fig.2.1)。半径 r は、(1)、(2)式より以下のように求まる。 

mv 

r = …(3) 

qB 

これをラーマ半径と言う。ここで、 

2π 

r 

v= = 2π 

rf …(4)、 

T 

T:回転周期 (s)、f : 回転周波数 (Hz)を(3)式に代入すると、 

磁束密度 B (T) 

電荷 q = eQ (C) 

e: 素電荷 

Q: 価数 

qB 

f = …(5) 

2π 

m 

が導き出せる。これをサイクロトロン周波 

数という。式から明らかなように、静磁場 

マグネチック 

チャンネル 

グラジエント 

コレクター 

中を円運動するイオンの回転周期は速度と 

イオンビーム 

は無関係であり、磁場の強さ B とイオンのデフレクター 

質量電荷比 q/m で決まる。 

サイクロトロンは、上記の性質を利用し 

てイオンの加速を行う。Fig.2.2 にサイクロ 

下磁極 

セクター 

トロンの主な構成機器を示す。一番大きな 

ディー電極 

構成物は磁場を発生させるための電磁石で 

あるが、図解のために Fig.2.2 では下磁極の 

みを示してある。外部イオン源で生成され 

たイオンはサイクロトロンの中心部に鉛直 

イオン源 

下方から入射され、螺旋状のインフレクタ 

ー電極の間隙に沿って水平面内に導かれて、 

入射エネルギーで決まるラーマ半径で回転 

Fig.2.2 AVF サイクロトロンの主な構成機器 

を始める。磁場中には交流電場を発生させるための電極(ディー電極)を設置し、これに(5)式 

- 3 - 

v 

m (kg) 

速度 v (m/s) 

B 

q 

F 

r 

r: ラーマ半径ラーマ半径 (m) 

F: ローレンツ力ローレンツ力 (N) 

Fig.2.1 磁場中の荷電粒子の運動

で表される周波数(もしくはその整数倍)の電圧を印加、タイミングを合わせることでイオンは 

ディー電極とダミーディー電極の間隙を通過する度に加速されることになる。加速電場としては、 

5~30 MHz、100 kV 以下の高周波電場が一般的に用いられる。ラーマ半径は速度に比例するので、 

粒子は螺旋状にその回転半径を増しながら加速される。速度は近似的にエネルギー(印加電圧× 

荷電数×回転数)の平方根に比例するので、実際の軌道の間隔は半径が増えるに連れて狭くなる。 

引き出し半径に到達したイオンは、デフレクター、マグネチックチャンネルなどの引き出し機器 

を通過して外部に取り出される。 

サイクロトロンで加速された粒子の運動量と磁場の関係は、(6)式で表される。 

p 

BRext 

= …(6) 

eQ 

ここで、B は引出部磁場(T)、Rext は引出半径(m)、p は粒子の運動量、Q は粒子の電荷数を表す。 

この式は、粒子の運動エネルギーを用いて相対論的に(7)式で表せる。 

BR 

ext 

2 

E + 2E0E 

6 

= × 10 (T・m) …(7) 

Qc 

ここで、E:粒子の運動エネルギー(MeV)、E0:粒子の静止質量(MeV)、c:光速度(=2.997925×10 8 

m/s)である。重イオンの場合、サイクロトロンで加速するエネルギー程度では相対論的効果が小 

さいことから、非相対論的に表した(8)式が有用である。 

ME 

BRext 

= 0.1440 (T・m) …(8) 

Q 

M は粒子の質量数である。ここで、サイクロトロンの加速能力を表すパラメーターとしてしば 

しば用いられる K 値を説明するため、この式を次のように変形して表現する。 

E ⎛ Q ⎞ 

= K ⎜ ⎟ 

M ⎝M ⎠ …(9) 

2 


K 値は Bending Limit と呼ばれに(BRext) 2 比例する量であり、サイクロトロンの電磁石の性能で 

決まる固有のパラメーターである。この式から分かるように、サイクロトロンで重イオンを加速 

する場合、質量数と電荷数の比 M/Q が一定の粒子は全て質量数当たりの最大加速エネルギーE/M 

は同じである。 

サイクロトロンの性能を考える上で、もう一つの重要な要素として加速途中のビームの集束が 

挙げられる。一様な磁場中では磁場と垂直な方向に力が働いているが、磁場と同じ方向、つまり 

上下方向には何の集束力もない。そこで、上下方向に集束力を与えるために半径方向に向かって 

徐々に磁場を弱める弱集束型サイクロトンが最初に考案された。本来ならば、相対論的効果によ 

る質量増加をに合わせて半径の増加とともに磁場を強くするべきである。弱集束方式では回転周 

期が次第に大きくなって、加速電圧とのタイミングが徐々にずれていくので、減速領域に入る前 

に取り出す必要がある。このため、加速できる最大エネルギーは H + で 40 MeV 程度であった。 

その後、強集束の原理が考案され、イオンの回転方向(方位角方向)に周期的な磁場の強弱をつ 

けることで集束力を得ることができるようになり、相対論的効果を補って半径方向に磁場を強く 

することが可能となった。これにより、イオンは同じタイミング(isochronism:等時性)で加速さ 

れ、強集束力が弱まるエネルギー領域まで加速されることになった。この方式は、AVF サイクロ 

- 4 -


トロンと呼ばれ、今では最も一般的な 

3 

サイクロトロンとなっている。Fig.2.3 

上磁極 

(Fig.2.2 も参照)に示すように、セク 

2.5 

Hill 

ターと呼ばれる鉄材を磁極表面に付け 

2 

平均磁束密度 

てギャップ長を変え、それらを等間隔 

1.5 

セクタ 

に配置することで方位角方向に磁場の 

1 

Valley 

強弱をつけることができる。設置する 

セクターの数によって、3 セクター型、 

0.5 

下磁極 

4 セクター型と呼ばれる。セクターの 

0 

高さ、スパイラルの形状によって集束 

方位角(度) 

力が決まるので、2 次元あるいは 3 次 Fig.2.3 4 セクター型 AVF サイクロトロンの方位角 

元の電磁場解析コードによる詳細な磁 

場分布計算、それを基にしたイオンの 

方向の磁場分布 

閉軌道計算結果から電磁石のデザインを決める必要がある。 

磁束密度(T) 

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 

AVF サイクロトロンの発展型として、Valley 部分の鉄材を取り除き、セクター部分の電磁石を 

完全に分離したリングサイクロトロンが挙げられる。これは、AVF 型よりも強い集束力を得るこ 

とができるので、より高いエネルギーまでイオンを加速できる。スイスの Paul Scherrer Institute 

は、6 セクター型のリングサイクロトロンで H + を 590 MeV まで加速している。 

- 5 -

3.主要性能及び全体構成 

3.1 設計変更と新たな機能付加 

導入した AVF サイクロトロン(以降、サイクロトロン)は、住友重機械工業株式会社製 930 型 

である。原型機種は、CGR-MeV 社(フランス)で開発され、既にグルノーブル原子核研究所(フ 

ランス)、ルーバン大学(ベルギー)、IRE 放射線研究所(ベルギー)及び放射線医学総合研究所 

(日本)に設置されていたものと同じモデルであるが、TIARA では研究目的に適合させるために、 

次のような設計変更を行なった。 

1) より高エネルギーまで重イオンを加速するために、電磁石の平均磁場強度を増強し、K 値を 

100MeV から 110MeV に変更した。 

2) 90MeV H + で 10μA の安定な加速を実現するために、加速電圧(ディー電圧)を 50kV から 

60kV に増強した。これに伴い、高周波(RF)共振器の周波数変更方式をムーバブルパネル 

方式から同軸ショート板方式に設計変更した。設計変更に当たっては、1/4 モデル共振器を 

製作・特性試験を行い、その結果を反映させて実機を設計した。 

3) 多種類のイオンを加速するために、重イオン源として ECR イオン源を採用した。ECR イオ 

ン源は外部イオン源方式となるため、軽イオン源も外部イオン源方式を採用し、サイクロト 

ロンの中心領域の構造を外部イオン入射方式に設計変更した。 

これにより、リングサイクロトロンの入射器用サイクロトロンを除き、多目的利用のサイ 

クロトロンで PIG 等の内部イオン源を持たず、全て外部イオン源方式を採用した最初のサイ 

クロトロンシステムを構築した。外部イオン源方式に統一することで、イオン源をサイクロ 

トロン本体室とは別の部屋に設置することが可能となり、サイクロトロンの運転中でもイオ 

ン源へのアクセスを可能とすることにより、イオン種の切り替えや保守作業等の効率の向上 

を図った。 

4) 多種類のイオンをより広範囲のエネルギーまで加速するために、加速ハーモニックモード 

H=1(基本波)、H=2(第 2 高調波)、H=3(第 3 高調波)で運転できるように、それぞれのハ 

ーモニックモードに対応したインフレクター電極、プラー電極を設計した。 

5) 運転員の放射線被曝の軽減と加速モード切り替えの迅速化を図るため、インフレクター電極、 

プラー電極及びデフレクター電極の交換装置を設置した。 

6) バイオ・材料科学研究を推進するために、大面積均一照射、シングルパルスビーム照射、微 

小ビーム電流制御等の新たな機能を付加するとともに、運転の省力化、稼働率の向上、安全性 

の向上と、制御システムの拡張性と柔軟性に配慮した設計とした。 

3.2 全体性能(仕様) 

3.2.1 加速性能 

1) K 値 110MeV 


2) 加速粒子 1≦M/Q≦6.5 但し、質量数 M、荷電数 Q 

3) 加速エネルギー範囲 

軽イオン H + 10 ~ 90MeV (設計値 5~90MeV) 

D + 10 ~ 50MeV (設計値 5~53MeV) 

4 He 2+ 20 ~ 100MeV (設計値 10~108MeV) 

- 6 -

4) 重イオン 2.5×M ~ 110×(Q 2 /M) (MeV) 

3.2.2 イオン源及びイオン入射系ビーム性能 

1) マルチカスプイオン源の生成電流(引出電圧 20kV における値) 

H + 1emA 

D + 600eμA 

2) ECR イオン源 OCTOPUS の生成電流(Table 3.1 参照、単位:eμA) 

Table 3.1 引出電圧 10kV、エミッタンス 200πmm・mrad でのイオン生成能力 

(カッコ内は設計性能) 

電荷数 He C N O Ne Ar Kr Xe 

1 40(80) 200(100) 100(200) 70(150) 

2 290(200) 40(80) 200(100) 100(200) 70(150) 

3 200(100) 100(200) 60(120) 100(200) 

4 50(60) 90(170) 60(120) 100(200) 

5 6(12) 80(150) 100(200) 

6 15(25) 80(150) 50(100) 100(200) 4(8) 

7 1.2(2) 10(20) 20(40) 80(160) 4(8) 

8 15(30) 80(160) 20(40) 4(8) 

9 1(2) 70(140) 20(40) 4(8) 

10 20(40) 4(8) 

11 15(30) 4(8) 

12 5(10) 4(8) 

13 1(2) 20(40) 5(10) 

14 0.2(0.5) 5(10) 

15 10(20) 5(10) 

16 10(20) 5(10) 

17 7(15) 4(8) 

18 4(8) 

19 2(4) 4(8) 

20 1(1) 4(8) 

21 4(8) 

22 3.5(7) 

23 3(6) 

3) ビームバンチャーバンチング効率 2.5 倍 

3.2.3 サイクロトロンのビーム性能 

1) 引き出し電流値(Table 3.2 参照) 


- 7 -

Table 3.2 サイクロトロンにおける主なイオン種の引出電流(目標値) 

イオン種エネルギー(MeV) 電流値(eμA) 

2) 引出電流値の安定度 

H + 90 

10 

70 

30 

45 

30 

20 

30 

10 

10 

D + 50 

20 

35 

40 

20 

40 

10 

10 

4 2+ 

He 100 

10 

70 

20 

50 

20 

30 

10 

20 

5 

O 6+ 245 6 

Ar 13+ 460 10enA 

Ar 8+ 175 3enA 

Kr 20+ 520 4enA 

Kr 17+ 375 145enA 

10enA から 1eμA の電流値において 2 時間の安定度 ±5% 

3) エネルギー幅 

ハーモニクス H=1 におけるエネルギー幅 0.5%(FWHM) 

4) エミッタンス 

AVF サイクロトロン出口のエミッタンス(80%) 

水平方向 : 15.9πmm・mrad 

垂直方向 : 15.9πmm・mrad 

3.2.4 ターゲット上のビーム性能 


1) ビームサイズ 

・ビームスキャナーを使用しない場合 φ5~φ20mm(連続可変) 

・ビームスキャナーを使用する場合 φ5~φ10mm(連続可変) 

2) 大面積均一照射 

照射方式ラスター方式のビームスキャナー(BS)、走査はx方向、y方向それぞ 

れ独立に可能 

- 8 -

走査範囲 ①BS1 (LX コース) 10~20mm 連続可変 

②BS2 (LD コース) 20~100mm 連続可変 

③BS3 (HY コース) 20~50mm 連続可変 

フルエンス均一度 ±10%以下 

3) シングルパルス照射 

イオン入射系に設置するパルス(P)型ビームチョッパーと、外部ビーム輸送系に設置す 

る正弦波(S)型ビームチョッパーの組み合わせにより、サイクロトロンから引き出した加 

速粒子群の内から以下のパルス間隔に間引いて周期的に1パルスを照射する。 

パルス間隔:1μs~1ms の連続可変 

3.3 全体構成 

本装置は、以下の構成からなる。 

1) サイクロトロン本体系 

垂直入射方式 930 型 AVF サイクロトロン 

2) イオン源系 

外部イオン源方式(ECR イオン源及びマルチカスプイオン源) 

3) イオン入射系 

サイクロトロン下部から中心軸に沿って鉛直上方にイオンを入射 

4) 外部ビーム輸送系 

5) 真空排気系 

6) 制御システム 

7) ユーティリティー 

8) 付帯設備 

9) 安全設備 


- 9 -

4.1 概要及び基本構成 

4.1.1 ビーム光学的概要 

4.サイクロトロン本体 

サイクロトロンの概略を Fig.4.1 に示す。外部イオン源で生成されたイオンはイオン入射系によ 

り、サイクロトロン下部ヨーク 

中心軸に沿って鉛直入射される。 

サイクロトロン本体系 

電磁石 

入射イオンは、サイクロトロン 

下部ヨーク内の入射穴に設置さ 

れた 4 個のグレーザーレンズと 

インフレクター 

電磁石 

サイクロトロン中心プラグの作 


電磁石 

り出す軸対称磁場により集束さ 

れ、スパイラル型のインフレク 

デフレクター 

ター電極に導かれる。インフレ 


外部ビーム輸送系 

電磁石 

イオン入射 

イ 

オ 

ン 

入 

射 

系イオン源系 

クター電極に入射したイオンは、 

静電場により水平方向に偏向さ 

れながらサイクロトロンの加速 

平面へ導かれ、インフレクター 

イオン源 

電極の出口に対向して配置され 

たプラー電極により加速軌道に 

乗せられる。 

Fig.4.1 サイクロトロンの概略 

共振器(CH2) 



コンペンセータ 

マグネチック 

チャンネル 

マグネチックチャンネル 

入口プローブ 


グラジエントコレクター 


位相プローブ 

デフレクター入口プローブ 

Fig.4.2 サイクロトロンの内部平面図 

- 10 - 

メインプローブ 

ヨーク 

インフレクター電極 


共振器(CH1)

Fig.4.2 にサイクロトロン内部の平面図を示す 4) 。加速軌道に乗ったイオンは磁場の中で所定の 

エネルギーまで加速され、デフレクター、マグネチックチャンネル、グラジエントコレクター等 

により構成される引出し機器によりサイクロトロンから引き出される。 

サイクロトロンから引出されたイオンビームは、ステアリング電磁石や四重極電磁石により 

形状やビーム軌道が整えられ、外部ビーム輸送系に導かれる。 

4.1.2 基本構成 

サイクロトロン本体は、以下の主要装置、機器から構成されている。 

1) 主電磁石:等時性及び集束用磁場を形成 

1)-1 H 型ヨーク 

1)-2 ポール 

1)-3 スパイラルセクター 

1)-4 メインコイル 

1)-5 トリムコイル 

1)-6 ハーモニックコイル 

1)-7 中心プラグ 

2) 加速箱:ビームを損失無く加速するための真空空間を確保 

3) 共振器:ビームの加速周波数に整合した高周波電場を発生 

3)-1 ディー電極、ダミーディー電極、アース板 

3)-2 異径部 

3)-3 内筒及び外筒 

3)-4 ショート板 

3)-5 コンペンセータ 

3)-6 RF アンプ、ループカプラー、ピックアップ電極 

4) 垂直入射系:入射したビームを効率よく集束させ、加速平面に偏向させるとともに、中心 

領域内でビームの位相をそろえる 

4)-1 グレーザーレンズ 

4)-2 インフレクター電極 

4)-3 プラー電極 

4)-4 位相スリット 

4)-5 ステアリング電磁石 

5) 外部引き出し系:静電偏向、磁気偏向・集束によりビームをサイクロトロン本体から外に 

引き出す 

5)-1 デフレクター 

5)-2 マグネチックチャンネル 


- 11 -

5)-3 グラジエントコレクター 

6) ビーム診断機器 

6)-1 メインプローブ 

6)-2 マグネチックチャンネル入口プローブ 

6)-3 デフレクター入口プローブ 

6)-4 位相プローブ 

7) 真空機器 

7)-1 クライオポンプ 

7)-2 ターボ分子ポンプ 

7)-3 ロータリーポンプ 

7)-4 ぺニングゲージ 

4.1.3 諸元 

型式 AVF サイクロトロン 

加速性能 K値 110MeV 

セクター数 4 

加速周波数 10.6MHz~22MHz 

加速ハーモニックモード H=1、2、3 の 3 種 


電極数 2 

スパン角 86° 

最大ディー電圧 60 kV(CW) 

引き出し効率 90MeV H + で 80%以上 

安定度 

磁場 ±1 × 10 -5 以下 

ディー電圧 ±1 × 10 -3 以下 

RF 周波数 ±1 × 10 -6 以下 

ディー間相対位相差 ±0.5 °以下 

真空度 6.7 ×10 -5 Pa 以下(ビーム非加速時) 

4.2 電磁石系 

サイクロトロン主電磁石の概略を Fig.4.3 に示す。 

4.2.1 諸元 

最大平均磁場 1.64 T (引き出し半径) 

最大セクター磁場 2.04 T 

セクター数 4 


スパイラル角 53° 

ポール直径 2156mm (ポール厚み 260.5mm) 

- 12 -

上ヨーク 

側ヨーク 

下ヨーク 

166 

Φ2990 

Φ2156 

Φ2100 

110 

990 3210 990 

5190 

スパイラルセクター 

側ヨーク 

ハーモニックコイル 

ビーム 

ポールギャップ 405mm 

セクターギャップ 166mm 

鉄芯重量 220ton 

偏向限界 110MeV 

集束限界 95MeV 


217.5 

ポール 


4.2.2 メインコイル 

導体構造ホローコンダクター型 

導体材質無酸素銅 

導体配列 2 段×24 列×5 パンケーキ(ダブル巻)/コイルターン数 480 

ターン/2 コイル(上下に1コイルずつ) 

最大電流 900A 

起磁力 432,000 AT 

880 840 880 

1600 



Fig.4.3 サイクロトロン電磁石の概略とハーモニックコイルの配置(単位:mm) 

- 13 - 

2600 

2310

最大発熱量 197kW 

冷却水量 5.7 L/min/1水路、全体 114L/min 

水路圧損 12kgf/cm 2 

冷却水温度上昇 25℃ 

導体寸法 □18.4 × 17 (穴 φ8.5) 

仕上寸法内径 2166±5mm 

外径 3060±20mm 

高さ 205±10mm 

重量約 9ton/2 コイル 

絶縁耐力 B種 


4.2.3 ポールアセンブリー 

ポールアセンブリーは、1 対のポール、4 対のスパイラル形のセクター、4 対のハーモニックコ 

イル及びトリムコイルから構成されている。上下 1 対のポールにより加速ギャップに磁場を発生 

させ、ポール上に軸対称な位置に配置した 4 対のスパイラルセクター(Fig.4.3 及び Fig.4.4 参照) 

により、加速ビームの縦方向の集束力を確保している。さらに、セクター上に同心円状に並べら 

れた 12 対のトリムコイル(Fig.4.5 参照)とメインコイルにより等時性磁場の磁場勾配を形成し 

ている。また、ポール中心部のプラグにより、中心領域の平均磁場を高めて(中心バンプ磁場) 

低エネルギー領域のビームの縦方向の集束性を確保する構造となっている。上下 4 対の入射用ハ 

ーモニックコイル及び引き出し用ハーモニックコイルをバレー部に各々軸対称に配置している 

(Fig.4.3 参照)。これにより、入射用ハーモニックコイルでは軌道中心のセンタリングを行い、 

引き出し用ハーモニックコイルではデフレクターにより引き出す直前のビームのターンセパレー 

ションの調整を行う。また、ポール構成部はアース板で囲み、ビーム加速空間の高真空領域と仕 

切られ、この仕切った低真空領域はビーム加速空間とは別系統で真空排気されている。 

Fig.4.4 スパイラルセクターの写真 Fig.4.5 トリムコイルの写真 

- 14 -

コイ 

ル名 

352.7 

384mm 

585.2 

R512.7 R512.7 

68.2 

Fig.4.6 スパイラルセクターの形状 

巻数内径 

(mm) 

R566.2 R566.2 

Table 4.1 トリムコイルの諸元 

外径 

(mm) 

1) スパイラルセクター 

材質熱間圧延低炭素鋼の鍛造品、 

炭素含有量 0.03 重量%以下 

重量ポール約 6200kg/1 個 

セクター約 390kg/1 個 

スパイラルセクターの概略寸法・形状を 

Fig.4.6 に示す。 

2) トリムコイル(上下 12 対) 


寸法 □8.3mm×8.3mm 

(穴寸法φ5.2mm) 

トリムコイルの巻数、大きさなどの主な諸元 

を表 Table 4.1 に示す。 

最大電流 

(A) 

冷却水量 

(L/m) 

水路圧損 

(kgf/cm 2 ) 

温度上昇 

(℃) 

C1 5 190±5 309±5 600 6.6 12 2.3 

C2 6 320±5 459±5 700 5.3 12 13 

C3 6 470±5 609±5 300 4.7 12 3.3 

C4 7 640±5 799±5 300 3.9 12 5.7 

C5 8 810±5 989±5 150 3.3 12 2.2 

C6 7 1000±5 1159±5 200 3.2 12 4.3 

C7 7 1190±5 1349±5 200 2.9 12 5.4 

C8 7 1360±5 1519±5 200 2.7 12 6.5 

C9 6 1530±5 1669±5 300 4.1 12 4.7 

C10 4* 1700±5 625 4.5 12 10.8 

C11 6* 1919±5 800 4.3 12 32.3 

C12 4 1940±5 2040±5 200 3.0 12 5.3 

*C10 と C11 コイルは、一体モールド 

3) 入射用及び引出用ハーモニックコイル 

個数上下各 4 対 

R1050 R1050 



導体寸法径φ5mm×厚み 1mm 

ボビン材質 SUS304 

透磁率素材で 1.05 以下(溶接部では 1.1 以下) 

ハーモニック(H)コイルの巻数、最大電流等は、Table 4.2 参照。 

- 15 -

Table 4.2 ハーモニック(H)コイルの巻数、最大電流 

コイル名巻数最大電流冷却水量水路圧損 

(A) (L/m) (kgf/cm 2 ) 

温度上昇 

(℃) 

入射用 H コイル 27 50 0.7 12 5 

引出用 H コイル 62 50 0.3 12 39 

4.2.4 加速能力 

(9)式で示したように、サイクロトロンの加速性能は、発生磁束密度 B と引き出し半径 Rex 

の積の 2 乗で決まり、これを K値と言う。イオンのエネルギーは、非相対論では以下の(10)式で 

表され、 K 値の他にもイオンの質量電荷比に大きく依存する。 

( ) 2 

300 

2 2 

Br Q Q 

E = × = K (MeV) …(10) 

2u 

M M 

ここで、u は原子質量単位 931.48 (MeV/c 2 )、M は質量数である。TIARA のサイクロトロンは、 

最大平均磁場 1.64 (T)、引き出し半径 0.923 (m) なので、K 値は 110 になり、加速ハーモニック 

モード、加速エネルギーと必要磁場強度の関係は Fig.4.7 に示すようになる。ただし、H + の高エネ 

ルギー部は相対論的効果が大きいので、相対論的な取り扱いをしている。グラフの磁場の上限は、 

K 値による制限であり、加速できるエネルギーの上限は、H + は集束リミット(Focusing Limit)で決 

まり、ヘリウムイオンや重イオンは偏向リミット(Bending Limit)で決まる。エネルギーの下限 

は後で述べる RF 周波数の最小値で決まる。磁場による下限は原理的には存在しないが、実際に 

は後(4.3.2 項)で述べるディー電圧により制限される。 

0.2 0.3 0.5 

0.15 

0.2 

0.1 0.2 0.3 0.5 

0.1 0.2 0.3 0.5 

加速イオンのQ/A 

加速イオンのQ/A 

核子当たりのエネルギー(MeV/u) 

1 2 3 4 5 10 20 30 50 90 

0.25 

0.33 


1.0 1.0 

3rd Harm. 

0.67 

2nd Harm. 

1 2 3 4 5 6 7 10 

加速粒子の周波数(MHz) 

1st Harm. 

Fig.4.7 加速エネルギーと必要磁場強度、周波数の関係 

- 16 - 

20 

0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1.0 

磁場(T) 磁場(T)

超伝導 ECR イオン源の開発により、生成可能なイオンの価数は従来に比べて飛躍的に向上し 

ているので、イオン源を更新することにより Q/M 値を大きくすることができるため、サイクロト 

ロンの性能を容易に上げることができる。なお、相対論の効果が大きくなる H + では、最大エネル 

ギーは 90 MeV である。 

4.3 共振器系 

4.3.1 共振器の設計 

高い電圧を得るために、加速電極を共振回路の電圧発生部分、即ち集中定数回路の容量部分(C) 

に発生する電圧 Ec と消費電力 P の関係は式(11)で表わせる。 

2 

ωCEc 

P = …(11) 

Q 

ここで、ω:角周波数(=2πf)、C:容量、Q:Q 値 (Quality factor)である。この式から、加速電 

極において、入力電力に比して大きな電圧を得るためには、Q 値の大きな共振系を作ることが必 

要であることがわかる。Q 値は共振器の質の良さを表すもので、様々な表現があり、 

又は 

Q = 共振電圧|Ec| / 印加電圧 E = リアクタンス分 / 抵抗分 

= ωLI 2 / rI 2 = 皮相電力(VI)/ 回路の損失(W) … (12) 

ωCE 

CE 

Q = = 2π 

P P/ f 

2 2 

c c 


=2π(蓄積されるエネルギー/1 サイクル毎に失われるエネルギー) … (13) 

で表される 5) Z 

Δω=ω Δω=ω Δω=ω 2 - ω 1 

。従って、Q 値と周波数の関係は、Q=ω0/Δω となる。ここでΔωは共振特性(電圧周波数特性)のピーク 

の半値幅(FWHM)であり、Q 値が高いということはΔωが 

小さいこと、即ち鋭いピークとなり、これを一定範囲内で確 

保するためには、周波数の安定度が重要である。 

発振器と共振系とのカップリング(インピーダンスの整合) 

ω の方法には、インダクタンス結合(L カップリング)とキャ 

ω 2 ω 0 ω 1 

パシタンス(C カップリング)があるが、発振器からの高周 

波電力を効率よく伝送することが重要である。L カップリン 

グの強さは、共振器同軸に対するループの角度で決まるので、 

ループを回してカップリングを調整しているサイクロトロンもある。本装置では、ループを回す 

代わりに並列にコンデンサーを入れてそのキャパシタンスを変えることにより、ループ部を調整 

する方式とした。 

発振器には、自励方式と電力増幅方式がある。自励式は、機構が簡単で、周波数の変更も容易 

- 17 -

である。周波数可変の方 

法として、ステム部分の 

長さを変え、体積を変え 

てインダクタンスを変え 

る Movable Short(ショー 

ト板)方式とステムと周 

囲導体間の距離を変えて 

インダクタンスを変える 

Movable Panel(パネル) 

方式がある。本装置では、 

90MeV H + を 10eμA ま 

で安定に加速するために、 

Fig.4.8 モデル共振器の写真 

ステム部分の電流分布の 

均一性と消費電力の観点 

からショート板方式を採用した。ショート板方式の採用に当たっては、1/4 モデル共振器を製 

作し、その特性試験を行い、その結果を反映させて実機の共振器を設計した。 

220 220 

ダミーディー 

41.7° 

41.7° 

13.5 

135 

ディー電極ディー電極外筒内筒 


Φ75 

Φ250 

カップリングループ 

下アース板下アース板 

上アース板上アース板 

90 

352.5 750 

Fig.4.9 1/4 モデル共振器の概略(単位:mm) 

ショート板ショート板 

Fig.4.8 にモデル共振器の写真を、Fig.4.9 に形状の概略を示す。材質はタフピッチ銅(C1100) 

とし、Q 値も測定できるようした。同軸型の共振器は内筒外径φ75mm(実機φ300mm)、外筒内 

径φ250mm(実機φ1000mm)となっている。増幅用四極管との結合は、ループカップリングを 

用い、真空管のダミーとして 50pF のコンデンサーを取り付けた。 

Fig.4.10 に 1/4 モデル共振器を用いて測定した共振周波数とショート板位置の関係を示す。 

88MHz を実現するためには、ショート板位置をサイクロトロン中心より 493mm まで動くことが 

必要で、88MHz~44MHz(実機 22~11MHz)をカバーするにはストロークが 300mm(実機 1200mm) 

必要であることがわかった。 

Fig.4.11 に 1/4 モデル共振器の Q 値を示す。Q 値は計算のほぼ 2/3 以上が得られており、特に大 

- 18 -

90 

きな問題は無く、増幅器のパ 

ワーを増やすことで対応でき 

80 

ることが明らかとなった。 

Fig.4.12に1/4モデル共振器 

70 

のシャントインピーダンス 

60 

測定結果 

計算結果 

(Rs=QLω)を示す。Fig.4.12 は、 

測定した Q 値と計算により算 

50 

出した Lω(L はインダクタ 

40 

ンス)を用い、Rs をプロット 

した。Rs が求められれば、必 

500 600 700 800 要なパワーとディー電圧 

ショート板位置(mm) 

(VDee)の関係は、 

Fig.4.10 1/4 モデル共振器の周波数特性 

2 

1 VDee 

Power = ⋅ …(14) 

2 Rs 

で決めることができる。 

この他に、コンペンセータの特性、高調波の共振、カップリングループと電圧比及び真空管の 

動作解析を行ったが、いずれの特性にも大きな問題が無く、実現可能であることが分かった。 

Q値 

周波数(MHz) 

4000 

3000 

2000 

計算値の2/3 

測定結果 

40 50 60 70 80 90 

周波数(MHz) 


シャント・インピーダンス(kΩ) 

100 

50 

0 

40 50 60 70 80 90 

周波数 (MHz) 

Fig.4.11 1/4 モデル共振器の Q 値 Fig.4.12 1/4 モデル共振器のシャントイン 

ピーダンス 

4.3.2 共振器概要 

本サイクロトロンでは、共振方式としてλ/4 同軸ショート板方式(λは定在波の波長を表わす) 

を採用した。この方式における共振器内の電圧分布は、ディー電極先端で腹、ショート板位置で 

節になる 1/4 波長定在波になっており、電流分布はその逆である。軸対称構造を持つ同軸型共振 

- 19 -

器は、ステム上の電流密度が均一に分布し、電流通路が短いので電力損失が少ないという利点が 

あり、そのために Q 値がパネル方式に比べより大きく、アンプの出力は大幅に減少できる。Fig.4.13 

に共振器の概略構造を、Fig.4.14 に写真示す。二つのディー電極及び共振器は、厚み 10mm の無 

酸素銅(Oxygen Free Copper: OFC)で作られており、異径部により内筒に連結されている。内筒、 

異径部、ディー電極の連結部分の後端部は外筒後部鏡板にて支持され、前端ではセラミックロッ 

ドにより支持され、同心度調整が可能となっている。共振器の長さは約 2000mm、ショート板の 

ストロークは 1350mm で 10.6MHz~22MHz の周波数領域をカバーしている。ショート板と内筒・ 

外筒の接続には、Be-Cu 製のコンタクトフィンガーが使われており、ベローを用いて圧縮空気で 

内筒の外側と外筒の内側に接触させている(Fig.4.15 参照)。 

実際のショート板の設定位置の精度には限界があり、また温度変化等による共振空洞の変形が 

もたらす同調点のズレを補正するため、共振周波数の微調整システムが必要である。本装置では 

共振周波数の自動同調を行うために、ディー電極の外側(円弧側)に銅の電極(コンペンセータ: 

静電型の周波数補償用チューナー)を設け、ディー電極とコンペンセータとのギャップを 8mm~ 

50mm の範囲で変えることにより、系のキャパシタンスを変化させて同調を保つ方式を採用して 

いる(Fig.4.16 参照)。このギャップは、ディー電圧のピックアップ信号を基に得られるインピー 

ダンス整合の度合いから、モーターコントロールにより自動的に駆動し、調整される。周波数の 

最大微調範囲は、基本波周波数の 1.6%である。共振器の下部には 4000L/s のクライオポンプ 2 台 

が接続され、銅パイプ製の高周波(RF)遮蔽用メッシュがポンプ上部に設置されている。 


スパイラル 

セクター 

カップリング 

ループ 

ポールポール異径部 

セラミックロッド 


RFアンプ 

ショート板 

Fig.4.13 λ/4 同軸ショート板方式の共振器の構造 

- 20 - 

内筒外筒


Fig.4.14 共振器の外観写真 Fig.4.15 ショート板コンタクトフ 

ィンガーの写真(圧空駆 

動により、内筒の外側と 

外筒の内側に圧着) 

サイクロトロンの加速電極(ディー電極)に高電圧を発生させるためにパワーの供給源である 

アンプを同軸共振器に L(インダクタンス)型にカップルさせて高周波電場を共振器内につくる。 

すなわち、メインアンプのプレート電極側につながれたループ部を内筒と外筒の間の空間に設置 

し、プレート電圧をループ部の起電力としてループ部に流れる電流によりカップリング部内に発 

生する交流磁界を介して共振器内に高調波電場をつくる。それにより内筒に電流が生じてディー 

電極で電圧が最大となるような定在波を発生させている。カップリングの強さは共振器同軸に対 

するループの角度で決まるが、本設計ではル 

ープを回す代わりにループに並列にコンデン 

サーを入れ、そのキャパシタンスを変えるこ 

とによりループ部のカップリングを調整する 

手法を採用した。ディー電極に発生させる電 

圧は、加速イオン種(M/Q)と最終的に欲しい 

エネルギーによるが、本設計におけるディー 

電圧の範囲は 6~60kV である。また、共振周 

波数の微調整は、コンペンセータのギャップ 

を変えて、系のキャパシタンスを変化させる 

ことにより行う。本設計ではシンセサイザー 

の設定周波数とディー電圧の周波数が一致す 

るようにフィードバック回路を通してモーター 

Fig.4.16 コンペンセータの写真でコンペンセータのギャップを自動的に調整 

できるようにしている。 

- 21 -


4.3.3 諸元 

周波数範囲 10.6MHz~22.0MHz 

周波数安定度 ±10 -6 

周波数補正範囲Δf/f 1.6% 

周波数微調方式容量パネル駆動 

最大ディー電圧 60kV 

位相安定度

構成されている。入射されたイオンビームは、グレーザーレンズで集束され、インフレクター電 

極(Fig.4.18 参照)でサイクロトロンの中心平面に偏向され、プラー電極により引き出され最適 

加速位相に乗せられる。中心領域の概略図及び写真を Fig.4.19 と Fig.4.20 に示す。インフレクタ 

ー電極及びプラー電極は、各加速ハーモニックモードに合わせて、異なった形状のものが使用さ 

れる。インフレクター電極はサイクロトロンの上ヨーク中心軸を通してサイクロトロン中心平面 

に挿入され、プラー電極は共振器の中心軸上から挿入される。プラー電極により引き出されたビ 

ームは、ディー電極とダミーディー電極の内側にそれぞれ設置された位相スリット(Ⅰ)、と位相 

スリット(Ⅱ)により、空間的に制限されることにより時間的に位相が制御される。 



1600mm 

ポール 

ヨーク 

Fig.4.17 垂直入射系の概略 

ディ-電極 

位相スリットⅠ 

位相スリットⅡ 

ビーム 

63mmΦ 

ディ-電極ディ-電極 

ビーム 

中心プラグ 

レンズD 

ステアリング 

電磁石 

レンズC 

レンズB 


グレーザー 

レンズA レンズA 


プラー電極 

Fig.4.18 インフレクター電極(上ヨークから挿入さ 

れ、電極先端部細い管の下側からイオン 

が入射される) 

Fig.4.19 中心領域の概略図 Fig.4.20 中心領域の写真 

- 23 - 

メインプローブ

4.4.2 グレーザーレンズ 

グレーザーレンズの配置を Fig.4.17 に示した。グレーザーレンズは軸対称円筒形磁気レンズで、 

レンズ全体が磁気シールドされ、レンズ内側中央部にヨークの小さな開口部を持つため、この部 

分に強い磁場を集中させることができる構造を有している。4 個のグレーザーレンズがヨーク中 

心孔に配置され、これにより外部イオン源で生成したビームを効率よく、かつ適切にスパイラル 

インフレクター電極に入射することができる。各グレーザーレンズの主な諸元を Table 4.3 に示す。 

アクティブギャップ(mm) 

アパーチャー径(mm) 

起磁力(AT) 

軸方向中心磁場(T) 

4.4.3 ステアリング電磁石 

コイル数 2 

起磁力 3A×267Turn 

最大磁場 8.0×10 -2 T 


Table 4.3 グレーザーレンズの諸元 

レンズ A レンズ B レンズ C レンズ D 

109 

70 

150A×196Turn 

0.26 

105 

70 

100A×196Turn 

0.19 

108.5 

70 

250A×196Turn 

0.43 

60 

40 

300A×196Turn 

0.60 

4.4.4 インフレクター電極 

インフレクター電極形状には、ミラー型、ハイパーボロイド型、及びスパイラル型がある。本 

サイクロトロンでは、形状パラメーターに自由度があり、かつ電極が小型にできるという利点を 

有するスパイラル型を選択した。形状を決めるパラメーターとしては、磁場による回転半径 Rm 

と電場による回転半径 Re の二つがある。Rm は以下の式(15)で表される 6) 

。 

uMv0 0.144 M 

Rm = = Vinj 

(mm)…(15) 

QeBZ BZ Q 

ここで、Bz: z 方向の磁場(T)、M:イオンの質量 

数、Q:イオンの電荷数、Vinj:入射電圧(V)である。 

また、電場による回転半径は、 

2Vinj Re 

= (mm) …(16) 

Einf 

で表せる。ここで、Einf はインフレクターの電場 

(V/mm)である。Table 4.4 に各ハーモニクスにお 

けるインフレクター電極の電場半径と磁場半径を示 

す。 

Fig.4.21 にインフレクター電極の写真を示す。イ 

ンフレクター電極は、ビームの螺旋軌道に沿って精 

密に加工され、間接水冷構造となっている。この電 

極は RF シールドのために、銅板カバーで覆われて 

Fig.4.21 インフレクター電極 

- 24 -

おり、各加速ハーモニックモードに対応して 3 種類がある。電極は、ビーム条件に合わせ、上下 

方向(Z 方向)、回転方向(θ方向)に可動であり、また電極脱着のために半径方向(R 方向)に 

も動かせる機構を有している。インフレクター本体は、現場操作盤により自動で引き抜き・挿入 

ができる機構となっている(11.1.2 参照)。インフレクターの諸元を以下に示す。 

型式スパイラル型静電偏向方式 

電極 H=1、2、3 の 3 種類 

最大印加電圧 ±5 kV-DC 

電極間ギャップ 6mm 

駆動方式パルスモーター 

駆動方向 Z 方向(垂直)、R 方向(半径方向)、θ方向(回転) 

Table 4.4 インフレクター電極の電場半径と磁場半径 

H=1 H=2 H=3 

K 値* 

0.845 

0.9 

0.68 

電場半径 Re (mm) 

22 

28.8 

26 

磁場半径 Rm (mm) 

13 

16 

19 

*K=Re/2Rm 


4.4.5 プラー電極 

サイクロトロンに入射したビームは、インフレクターとディー電極先端部に取り付けられたプ 

ラー電極間の電場により最初の加速が行われる。このため、プラーの形状及び位置は、その後の 

ビームの振る舞いに大きく影響する。ビームがディーの電場により加速されるとき、1 ターン当 

たりのエネルギーゲインが最大となるような RF の位相を選ぶのが良い。2 ディー方式の場合、1 

ターン当たりのエネルギーゲインは、次式(17)で表せられる。 

Hθ ⎛ Hθ 

⎞ 

Δ E = 4QVdsin sin⎜Φ 

0 + ⎟ …(17) 

2 ⎝ 2 ⎠ 

ここで Q:電荷数、Vd:ディー電圧、H:加速ハーモニック数、θ:ディー電極の開き角(86°)、 

Φ0:ディー電極入射時の RF 位相、である。 

最初の加速ギャップでのエネルギーゲインをできるだけ大きくするために、プラー電極の位置 

を調整して、RF 位相を最適化する。例えば H=2 の場合、プラーギャップでの RF 位相はピーク位 

置ではなく、20~30°ズレたところで入射させ、ディー電極 CH1 の出口でピークに乗るように 

Transit time(通過時間)を最適化している。 

プラー電極は、先端電極部、電極支持部、駆動部から構成されており、先端電極部はハーモニ 

ック数 1、2、3 で異なった形状である。先端電極部の概略図と写真を Fig.4.22 に示す。プラー本 

体は、現場操作盤にて自動で引き抜き、挿入ができるが、電極の交換は手作業で行う(11.1.3 参 

照)。プラー電極の主な諸元を以下に示す。 

電極数 H=1、2、3 の 3 種類 

プラー内ビームスペース 24mm 


駆動方向サイクロトロン半径方向(ディー電極 CH1 の中心軸方向) 

- 25 -

プラー電極位置決めキー冷却管 

Fig.4.22 プラー電極図と写真 

4.4.6 位相スリット 

二組の位相スリットが設置されており、中心領域の位相アクセプタンスを 0°~30°で調整可 

能となっている。位相スリット(Ⅰ)は 2 ケのピラー(P1 と P2)を有し、両ピラーの位置とギ 

ャップは単独に調整でき、設定精度は±0.2mm 以内である。ピラーの支持部は銅管で水冷されて 

いる。位相スリット(Ⅱ)も、2 ケのピラー(P1 と P2)を有し、両ピラーの一体駆動と片側ピラ 

ーの単独駆動によるギャップ調整が可能となっており、設定精度は±0.2mm 以内である。位相ス 

リット(Ⅱ)は、マグネチックチャンネル入口部の方向から挿入されている。位相スリットの写 

真を Fig.4.23 に示す。 

Fig.4.23 位相スリット(Ⅰ)ピラー(左)、位相スリット(Ⅱ)ピラー(右)の写真 

4.4.7 中心領域の改造 


4.4.1 項に記載した当初設計の中心領域について、2003 年に改造を行った。その理由は、1) バ 

イオ・材料科学研究から要請されているマイクロビーム形成に応えるためのエネルギー幅の狭い 

- 26 -


高品位ビーム加速の実現、2) RF 加熱に起因すると考えられるインフレクター電圧の不安定現象 

問題への対策、3) 50kV を超える高い加速電圧時の放電による一時的な電圧降下問題への対策、 

及び 4) 加速ハーモニック数変更作業の簡素化、である。 

サイクロトロンで加速したビームのエネルギー幅ΔE/E は~10 -3 オーダーであるため、磁気レン 

ズ集束方式によりマイクロビームを形成するときは色収差の問題が生じる。4 連四重極電磁石を 

用いてビーム径 1μmφを形成するためには、エネルギー幅ΔE/E 2×10 -4 が必要である。このエネ 

ルギー幅を達成するため、第 5 高調波を用いたフラットトップ加速システムの開発を行い、ビー 

ム位相幅を 13.6°以内に収める必要があった 7) 。しかし、これまでの中心領域では、各位相スリ 

ット位置でのビーム軌道と位相の相関関係から、位相スリットのギャップを小さくすることによ 

り、ビーム位相幅をある程度制限することは可能であるが、この場合ビーム強度は激減するため、 

その後のビーム調整が困難であった。このため、高精度にビーム位相幅をスリットで制限でき、 

かつある程度のビーム強度が得られる中心領域を設計し、改造を行った。 

新中心領域の設計では、ビーム軌道と加速位相に強い相関を持たせるために、インフレクター 

角度と位置、RF シールド形状とプラー電極が作る初期加速電場等を 3 次元電磁場計算コードによ 

って電場分布を作成し、これを基に軌道計算コードを用いた解析を繰り返すことにより、最適化 

を行った。その結果、サイクロトロンへの入射条件として、メディアンプレーン(Midium Plane: 

中心平面)上のインフレクター出口で±1mm、±40mrad の広がりを持った粒子について、加速ハー 

モニックモード毎に位相スリット(Ⅱ)の位置で上記の位相幅内に制限できる見通しを得たので、 

諸問題を考慮した上で次のような改造を行った。 

1) インフレクター電極と一体になっていた RF シールドを分離して、上部アース板へ固定した。 

全加速ハーモニックモードのインフレクター電極のパラメーターは変更しておらず、4.4.4 の 

通りである。 

2) RF シールドの固定化に伴い、加速ハーモニックモード 1、2(H=1、2)の初期加速位置を共 

通化した。従って H=1、2 と同一のプラー電極を用いることとしたが、ビームは軌道半径が 

異なるため、プラー電極の二つのピラーをそれぞれ独立で駆動可能な機構を採用した。 

3) 加速ハーモニックモード 3 (H=3)のインフレクター電極は、これまでの挿入位置では固定 RF 

シールドと干渉するため、電極位置を 180°回転した。これにより CH2 ディー電極の内側に 

ある位相スリット(Ⅰ)をプラー電極として、サイクロトロン内へビームを加速する。 

4) 2) と 3) の結果、加速ハーモニックモード変更時のプラー電極の交換が不要となった。また 

H=3 では、H=1、2 でプラー電極として用いていたピラーを、位相スリット(Ⅲ)として使 

用する。 

5) プラー電極ピラー、ディー電極先端ピラー、位相スリット(Ⅱ)ピラーの形状を変更した。 

中心領域改造後の写真を Fig.4.24 と Fig.4.25 に、設計時のビーム軌道を含む中心領域の概略図 

を H=1、2 について Fig.4.26、H=3 について Fig.4.27 に示す。 

- 27 -

CH1 ディー電極 

位置出し冶具 

CH2 ディー電極 

位相スリット(Ⅱ) 

Fig.4.24 改造後の中心領域の写真(下アー 

ス板方向) 

Fig.4.26 H=1、2 の中心領域概略図 


RF シールドカバ 


Fig.4.25 改造後の中心領域の写真(上アース 

板方向) 

Fig.4.27 H=3 の中心領域概略図 

4.5 外部ビーム引き出し系 

4.5.1 構成 

サイクロトロンで加速されたイオンビームを外部に取り出すための“外部ビーム引き出し系” 

は、デフレクター、マグネチックチャンネル、グラジエントコレクターから構成されており、そ 

の配置を Fig.4.2 に示した。 

サイクロトロンからビームを取り出す半径は、通常、半径方向の磁場分布が最大になる位置が 

良い。この位置において半径方向ベータトロン振動数νr=1 となり、共鳴現象が生じる。さらに 

半径が大きくなると、半径方向の集束力が弱まり、引出しには適さない。すでに述べたように、 

ビームを効率よく引き出すためには、ターンセパレーションが大きい方が良い。そこで、引き出 

し半径近傍にハーモニックコイルを設置してファーストハーモニック成分を作り、νr=1 の共鳴 

によりビームの中心を歳差運動で特定方向にシフトさせ、これによりターンセパレーションを改 

- 28 -

善する方法が採用されている。 

4.5.2 デフレクター 

デフレクターは、半径の大きい側にある電極に負の高電圧を印加し、イオンビームをサイクロ 

トロン加速軌道から逸らして、外部にビームを取り出すためのもので、Fig.4.28 に写真と電極の 

断面図を示す。デフレクターの電極部は、引出ビーム軌道を調整するために 2 分割されたセプタ 

ム電極及び高圧電極等により構成されており、いずれも無酸素銅でできている。電極の入口・出 

口の位置、両電極間のギャップ、及び 2 分割されたセプタム電極の中間位置は加速粒子の種類・ 

エネルギーに合わせて、遠隔操作で調整できる。セプタム電極入口の厚みは 0.1mm で楔型に切り 

欠かれており、引出前のビームをできるだけ遮らないように配慮されている。デフレクター電極 

の設定位置精度は 0.1mm であり、水冷構造となっている。ビームによる発熱が最も問題となるデ 

フレクターの入口セプタムスリット近傍は熱電対により、セプタムスリットの温度をモニターで 

きるよう配慮されている。 

一般に、サイクロトロンでは、引出半径付近でのビームのターンセパレーションが小さいこと 

やビームが半径方向に拡がっていることなどにより、デフレクターのセプタム電極にビームが当 

たるため、放射化量が大きくなる。デフレクターの主要な諸元を以下に示す。 

型式静電電場偏向方式 

スパン角 53.5° 

負荷電圧 -60kV 

駆動対象軸 5 軸(入口位置、中間位置、出口位置、入口ギャップ、出口ギャップ) 

位置調整量入口位置 -10~+5mm 

中間位置 -10~+10mm 

出口位置 -12~+12mm 

入口ギャップ -1~+5mm 

出口ギャップ -1~+5mm 

電極駆動曲率可変方式 

駆動源パルスモーター 

高圧電極 

デフレクター入口プローブ 


セプタム電極 

高圧電極 


ギャップ 

セプタム電極 

半径小 

Fig.4.28 デフレクターの写真及びデフレクター入口部の高圧電極とセプタム電極の断面 

- 29 -

4.5.3 マグネチックチャンネル 

マグネチックチャンネルは複数個のコイルから構成されており、デフレクターの下流に配置さ 

れ、サイクロトロン主電磁石の絶対磁場強度を低くしてビーム軌道半径を大きくし、さらにビー 

ム軌道をポールの外側に押しやるとともに、サイクロトロン本体電磁石からのフリンジング磁場 

をならしてビームの水平方向の拡がりを押さえるためのものである。Fig.4.29 に写真を示す。マ 

グネチックチャンネルのコイルは、真空気密 

のステンレスの箱で密閉されており、ビーム 

が通過する入口位置及び出口位置は、加速粒 

子に合わせて遠隔操作で微調でき、位置設定 

精度は±0.2mm である。また、この位置調整 

を容易にするために、入口と出口にはビーム 

位置を検出するディテクターが設置されてい 

る。このディテクターは、テンレス箱の入口/ 

出口にビームが直接当ることによる損傷を防 

止するためのプロテクターとしての役目も果 

たしている。コイル及びディテクターは、水 

冷構造を有している。90MeV H + Fig.4.29 マグネチックチャンネルの写真 

を引き出すた 

めのデフレクター電圧を可能な限り下げることが、安定な運転を行なうために有効である。より 

低いデフレクター電圧でサイクロトロンからのビーム引き出し軌道を確保するために、マグネチ 

ックチャンネルコイルの通電量を増やし、コイルでの発生磁場を増やすことが有効である。そこ 

で、通電量の増加に伴うコイルの発熱分を冷却するためのチラーを設置し、マグネチックチャン 

ネル磁場を 0.35T から 0.43T に増強させた。マグネチックチャンネルの主な諸元を以下に示す。 

型式低磁場偏向方式 

スパン角 20° 

逆磁場 0.35T 

駆動位置駆動対象入口位置及び出口位置 

駆動源パルスモーター 

位置調整量 

入口部 -12~+12mm 

出口部 -12~+12mm 

差動排気機能付 


ビームダクト保護機能付(モリブデン製の保護板をダクトの両側に挿入) 

4.5.4 グラジエントコレクター 

グラジエントコレクターは、マグネチックチャンネルの下流に配置され、テーパー形状の磁極 

を用いてサイクロトロン本体電磁石からのフリンジング磁場分布勾配と逆向きの高い磁場勾配を 

形成して、ビームを水平方向に集束させるためのものである。Fig.4.30 に写真を示す。入口と出 

口の位置は、パルスモーター駆動により調整可能である。入口にはバッフルスリットが取り付け 

られ、デフレクターやマグネチックチャンネルの調整に役立てている。 

- 30 -

Fig.4.30 グラジエントコレクターの写真 


Fig.4.31 メインプローブの写真 

4.6 ビーム診断機器 

4.6.1 構成 

サイクロトロン本体には、メインプローブ、デフレクター入口プローブ、マグネチックチャン 

ネル入口プローブ及び位相プローブが加速箱内部に設置されており、その配置を Fig.4.2 に示した。 

4.6.2 メインプローブ 

メインプローブは、側ヨークの孔から挿入され、サイクロトロン内で加速されたビーム電流を 

半径 40mm~1190mm(ストローク 1150mm)間で計測するものである。メインプローブヘッドは、 

インテグラルヘッドと 3 フィンガー形状のディファレンシャルヘッドで構成されている。遮断で 

きるビームパワーは 3kW で、位置設定精度は±0.2mm 以内である。Fig.4.31 にメインプローブの 

写真を示す。 

遮断可能ビームパワー最大 3kW 

検出ビーム範囲サイクロトロン半径 40mm~930mm 

インテグラルヘッドサプレーッサー板付(2 次電子捕獲用) 

駆動源パルスモーター+ボールネジ 

4.6.3 デフレクター入口プローブ 

サイクロトロン内の加速ビーム軌道から逸れ、デフレクターに入射されるビーム及び引き出し 

前のビームを計測するもので、遮断できるビームパワーは 3kW で、位置設定精度は±0.2mm 以内 

である。Fig.4.28 にデフレクター入口プローブの写真を示す。 

ヘッド構成水冷タンタルブロック(インテグラル検出用) 

φ0.1mm タングステン線(ターンセパレーション検出用) 

ストローク 76mm 

インテグラルヘッドサプレーッサー板付(2 次電子捕獲用) 

駆動源パルスモーター+ボールネジ 

- 31 -

4.6.4 マグネチックチャンネル入口プローブ 

マグネチックチャンネルの入口でビーム電流をモニターするもので、遮断できるビームパワー 

Fig.4.32 マグネチックチャンネル入 

口プローブの写真 


は 3kW、位置設定精度は±0.2mm 以内である。 

Fig.4.32 にマグネチックチャンネル入口プローブ 

の写真を示す。 

ヘッド構成タンタルブロック 


駆動源パルスモーター+ボー 

ルネジ 

遮断可能ビームパワー 3kW 

冷却水冷 

4.6.5 位相プローブ 

位相プローブは、サイクロトロ 

ン半径方向に並べられた上下 10 58mm 58mm 

58mm 

対の平行平板電極で、サイクロト 

ロン半径 236mm から 893mm の間 

r 

の相対的な位相を測定することが 

できる(配置位置は Fig.4.2 参照)。 

♯1 ♯2 ♯3 ♯4 ♯5 ♯6 ♯7 ♯8 ♯9 ♯10 

Fig.4.33 に電極の形状、寸法を、 

Fig.4.34 に取り付け写真を示す。 

電極は、厚み 2.5mm の無酸素銅で作られ 

ており、上下の電極間ギャップは 30mm で 

ある。Fig.4.33 に示したように、10 対の電 

極の半径方向の大きさはいずれも 58mm で、 

ビーム進行方向(幅)の大きさは、より内 

側の 3 つは 40mm、中央の 4 つは 60mm、 

外側の 3 つは 93mm である。各電極で観測 

されるビームの相対的時間差が最小となる 

ように各トリムコイルの電流値を微調する 

ことにより、等時性磁場を生成することが 

できる。 

Fig.4.33 位相プローブの形状と寸法 

Fig.4.34 位相プローブの写真 

40mm 

- 32 - 

60mm 

93mm


5.イオン源系 

1970 年代後半から 1980 年代にかけて、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロ 

ン共鳴)イオン源は、小型軽量化が進むと同時に、加速器で加速しうる多価重イオンの電流強度 

が得られるようになり、イオン源としての信頼性や保守性も著しく向上した。これまで、サイク 

ロトロンのイオン源としては PIG (Penning Ionization Gauge)等の内部イオン源が広く使用されて 

きたが、1980 年代半ばから世界のサイクロトロンで ECR イオン源に置き換えられつつあった。 

ECR イオン源を導入することにより、Q/M 値の大きな重イオンが得られるようになり、サイクロ 

トロンで加速できる荷電粒子種は飛躍的に拡大されるとともに、エネルギーゲインも大幅に増大 

され、より高エネルギーの重イオンの加速が可能となる。特に、TIARA では、多種類のイオンと 

幅広いエネルギー範囲が実験側から要請されており、これに応えるために ECR イオン源を導入し 

た。 

ECR イオン源は、内部イオン源として使用されてきた PIG イオン源に比べ、形状が複雑で著し 

く大きく、また多くの機器・部品から構成されているため、サイクロトロンの外部に設置するこ 

とが必要である。そこで、全てのイオン源を外部イオン源方式とし、軽イオン源としてマルチカ 

スプ(Multi-cusp)イオン源を採用した。 

5.1 ECR イオン源 

5.1.1 原理 

プラズマ中のプラズマ密度n、中性気体の密度を n0 とすると、多価イオンを生成するための条 

件は n/n0≫1 であることが必要である。ここで完全に電離された重イオンを含むイオン群を生成 

するためには電子温度 Te が 30keV 以上で、電子密度 ne とイオンの電子プラズマ中での閉じ込め 

時間 τ との積は neτ=10 10 cm -3 ・s の条件が必要とされる 8) 。 

ECRイオン源は、低温のイオンを高温のプラズマ電子中に拡散通過させることにより電離過程 

が支配的になるようなイオンと電子間の neτ を得るもので、コールドなイオンをホットな電子に 

より一個又は数個ずつ電子を剥ぎ取る逐次電離により多価電荷を得るものである 9) 。 

静磁場と垂直に高周波電場が働くとき、その振動数がサイクロトロン振動数と一致した場合に、 

電子サイクロトロン共鳴が起こる。このときの周波数と磁場の強さの関係は、 

eB 

ω = …(18) 

m 

ω:マイクロ波の角周波数、e:電子の電荷、B:磁場の強さ、m:電子の質量 

であることが良く知られている。電子サイクロトロン共振に対応する磁界面が存在すると、電子 

のエネルギーが増幅する。電子の到達エネルギーは、高周波電場の大きさと磁場勾配により制限 

され、実験的には電子温度は高周波パワーに対し、線型近似的に増大することが知られている 10) 。 

また、高周波の振動数を増やせば、プラズマ密度を増やすことができるが、共鳴条件を維持する 

ためには磁場の絶対値も増やすことが必要となる。一方、多価イオンの生成には、イオンの閉じ 

込め時間を長くする必要があるため、閉じ込めのための磁場配位と共振空洞形状を工夫して、プ 

ラズマの損失を少なくさせる。 

- 33 -

例えば、10GHzの高周波(マイクロ波)を用いた場合、プラズマの電子密度は ne=10 12 cm -3 程 

度であり、neτ=10 10 cm -3 ・s とするためには τ=10 -2 s が必要である。イオンの閉じ込め時間 10ms 

を実現するために、多重極磁場と Z 方向磁場との合成により、最小磁場配位(Minimum-B)が用 

いられる。 

電子サイクロトロン 

共鳴領域電子サイクロトロ 

ン 

共鳴領域 

磁力線 

磁場強度(X10 磁場強度(kG) -1 磁場強度(X10 磁場強度(kG) T) -1 T) 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

最小磁場配位 

(minimum-B) 

0.2 

0 10 20 

距離(cm) 

Fig.5.1 電子サイクロトロン共鳴 Fig.5.2 磁場配位と最小磁場 

領域と磁力線 

B ECR 

Fig.5.1 に ECR イオン源の電子サイクロトロン共鳴領域と磁力線の関係を、また Fig.5.2 に磁場 

配位の一例を示す。共振空洞内に電子サイクロトロン共振に対応する磁界面を作り、この面に電 

子を繰り返し通過させ、電子のエネルギー増幅を繰り返させるために、ソレノイドレンズによる 

ミラー磁場を形成し、この磁場中において軸方向からマイクロ波放電によりイオンと電子を生成 

する。生成された電子はミラー磁場の磁力線に巻きつき、回転運動を行う。 

5.1.2 構成 

1) ECR イオン源(OCTOPUS:I.B.A 社製) 

2) ガス供給システム及びガスボンベ 

3) マイクロ波電源 

4) ミラー磁場形成用ソレノイドコイル電源及び引出用高圧電源 

5) ローカル制御操作盤 


7) イオン源ケージ 

8) X 線シールド 


5.1.3 基本仕様・諸元 

Fig.5.3 に ECR イオン源(OCTOPUS)の概略図を示す。ECR イオン源は、第 1 ステージには低 

出力で高周波のマイクロ波、第 2 ステージには相対的に高出力で低周波のマイクロ波が導入され 

る。両ステージの到達電子温度を独立に調整できる。共振空洞内に多重極磁石を配しているので、 

共振胴容積が大きい。Fig.5.4 に ECR(OCTOPUS)イオン源の写真を示す。 

- 34 - 

30

10 


① ②③ 

④ 

Fig.5.3 ECR(OCTOPUS)イオン源の概略図 

Fig.5.4 ECR(OCTOPUS)イオン源の写真 

1) メイン(第 2)ステージ 

ミラー磁場形成 

ソレノイドコイル 1 組 2 個 

ソレノイド間距離 600mm 

ソレノイドコイル内径 180mm 

ヨーク純鉄 

多重極磁場 

磁極数 8 

材質サマリウムコバルト永久磁石(SmCo5) 

- 35 -

配置共振空洞内 

ECR 周波数 6.4GHz 

ECR磁場強度 0.2290T 

最大マイクロ波パワー 3kW 

通常使用マイクロ波パワー 0.6kW~1.5kW 

マイクロ波入射軸方向 

2) 入射(第 1)ステージ 

ソレノイドコイル 1組 2 個 


最大マイクロ波パワー 0.3kW 

通常使用 RF パワー 0.08kW~0.2kW 

3)引出電極 

調整量 0~30mm(ビーム軸方向に電動で遠隔操作) 

電極穴径 φ13mm(単孔) 

電圧 1~20kV 連続可変、安定度±3×10 -4 以下 

4) グレーザーレンズ 

ポール長 186mm 

最大 2 乗平均磁場 0.527 T 

コイル最大電流 500A 


5) 金属イオン生成オプション 

金属イオン発生装置加熱炉による金属を蒸発させる方式及びワイヤロッド方式 

金属試料導入位置第 2 ステージの多重極間 

6) ガス供給システム 

ガス導入系統数第1ステージ 2 系統、第 2 ステージ 1系統 

ガス流量制御法遠隔制御 

流量調整法及び調整精度マスフローコントローラーでフルスケールの±1% 

流量調整範囲第1ステージ 0~1cc/min、第 2 ステージ 0~5cc/min 

配管耐圧真空及び 5 気圧程度 

安全対策ガス漏洩検知警報設備の設置、緊急遮断弁の設置、及びガス 

除害装置(SiH4、H2S、BF3 共通) 

7) 制御 

現場操作盤機器毎に ON/OFF、パラメーター設定、ステータス表示、イ 

ンターロック表示とそれに伴う READY/NOTREADY 管理 

8) 電源 

ソレノイドコイル用電源 

第 1 ステージ用(コイル番号は Fig.5.3 参照) 

・①コイル用 24V – 200A (電流安定度±1×10 -3 ) 

・②コイル用 12V – 200A (電流安定度±1×10 -3 ) 

第 2 ステージ用(コイル番号は Fig.5.3 参照) 

・③コイル用 75V – 500A (電流安定度±1×10 -3 ) 

- 36 -

・④コイル用 75V – 500A (電流安定度±1×10 -3 ) 

グレーザーレンズ用電源 45V – 500A (電流安定度±1×10 -3 ) 

高電圧電源 

・イオン源電源 20kV – 10mA (電圧安定度±3×10 -4 ) 

・引出電極電源 10kV – 5mA (電圧安定度±1×10 -3 ) 

9) X 線シールド 

遮蔽材 3mm 厚鉛板 

5.2 マルチカスプイオン源 

5.2.1 原理 

マルチカスプイオン源の外観写真と構造を Fig.5.5 に示す。カソードであるフィラメントはアー 

クチェンバー(アノード電位)の内部に装着されており、アークチェンバーの周囲を囲むように 

46 個の永久磁石ピースを配置して、アークチェンバー内にマルチカスプ磁場を構築している。こ 

Puller Drive-Motor Permanent Magnet 

Movable 

Puller 

Insulator Tungsten Filament 

(Cathode) 

Plasma Chamber 

(Anode) 

Puller Voltage 

3kV, 3mA 

10 cm 

H + H + 

Cross Sectional View 


Fig.5.5 マルチカスプイオン源の外観と構造 

- 37 - 

S 

S 

N 

Current Feed 

Gas Feed 

Extraction High 

Voltage Supply 

30kV, 20mA 

Arc Supply 

300V, 15A 

Filament Supply 

10V, 100A

のマルチカスプ磁場によりアーク放電で発生した電子を効率よく閉じ込め、高密度プラズマの生 

成が可能である。 

5.2.2 構成 

1) マルチカスプイオン源 

2) ガス供給システム及びガスボンベ 

3) 制御操作盤 



1) マルチカスプイオン源 

チェンバー寸法直径 100mm、長さ 150mm 

カスプ磁場永久磁石材質 SmCo5、磁石数 46 個 

フィラメント材質 φ0.75mm タングステン線 3 本ツイスト 

フィラメント電圧 0-15V 

フィラメント電流 0-100A 

アーク電圧 0-400V 

アーク電流 0-15A 

生成イオン種 H + 、D + 、He 2+ 

2) ビームエネルギー 3~30keV (1価イオン) 

3) プラー電極 

駆動方向ビーム軸方向 

駆動ストローク 70mm 

電極構成プラー電極+アース電極 

最大プラー電圧 -3kV 

ギャップ耐電圧 30kV 




ガス導入系統数 3 系統独立遠隔操作可能 

ガス流量制御遠隔制御 

流量調整法及び調整精度マスフローコントローラーでフルスケールの±1% 

流量調整範囲 0~5cc/min 


安全対策ガス漏洩検知警報設備の設置、緊急遮断弁の設置、及びガス除害 

装置(ECR と共通) 

6) 制御 

現場操作盤機器毎に ON/OFF、パラメーター設定、ステータス表示、インター 

ロック表示とそれに伴う READY/NOTREADY 管理 

7) 電源 


- 38 -

・フィラメント電源 10V、100A、 DC 

・アーク電源 300V、15A、 DC 

グレーザーレンズ用電源 45V – 500A (電流安定度±1×10 -3 ) 

高電圧電源 

・プラー電極電源 3kV – 3mA (電圧安定度±3×10 -4 ) 

・引出電極電源 30kV – 20mA (電圧安定度±1×10 -3 ) 

5.3 H-ECR イオン源 

サイクロトロンにおいて金属イオンを加速するために、H-ECR(HYPERNANOGAN-ECR、 

PANTECHNIK 社製)イオン源を増設した。本イオン源は、引出電圧 20kV において Ar 14+ 10μA 

を生成する能力を有し、固体試料用オーブン(Furnace)及びスパッタリング方式により質量電荷 

比(M/Q)6.5 以下の金属イオンを生成することができる。 

5.3.1 構成 

1) H-ECR イオン源 


3) ステアリング電磁石 

4) ガス供給系 


6) 電源 


Fig.5.6 に H-ECR イオン源の概略図を、また Fig.5.7 に H-ECR イオン源の写真を示す。 

ビーム 

引出電極 

アルミナ 

ソレノイドコイル 


6極磁石 

金属イオン生成用加熱オーブン 

金属イオン生成用加熱オーブン 

Fig.5.6 H-ECR(HYPERNANOGAN)イオン源の概略図 

- 39 -

1) イオン源本体 

Fig.5.7 H-ECR(HYPERNANOGAN)イオン源の写真 

ソレノイドコイル数 2個(ミラー磁場形成用) 

多重極磁場 

磁極数 6 

材質ネオジ鉄永久磁石(FeNdB) 


ECR 磁場強度 0.5188T 

最大 RF パワー 2kW 

通常使用 RF パワー 0.1kw~2.0kW 

RF入射軸方向 

2) 引出電圧 1~20kV 連続可変、安定度±5×10 -4 以下 



最大 2 乗平均磁場 0.527 T 

コイル最大電流 500A 

4) 金属イオン生成オプション 

金属イオン発生装置固体試料用加熱オーブン及び金属ロッド導入装置 

5) ステアリング電磁石 

最大磁場 0.017T 

最大偏向角 3° 




ガス導入系統数 2系統 

ガス種類メインガス 5 種類、サポートガス 2 種類、パージガス(N2) 

ガス流量制御遠隔制御 

- 40 -


流量調整法精密ニードルバルブ 

流量調整範囲 1×10 -5 ~1×10 -1 cc/min 


7) 制御 

現場操作盤機器毎に ON/OFF、パラメーター設定、ステータス表示、インタ 

ーロック表示とそれに伴う READY/NOTREADY 管理 

8) 電源 

ソレノイドコイル用電源 48V – 1100A (電流安定度±1×10 -4 ) 2 台 

ステアリング電磁石電源 13.4V – 7.5A (電流安定度±1×10 -3 ) 

引出電極電源 10mA – 20kV (電圧安定度±5×10 -4 ) 

バイアス電圧電源 5mA – 1kV (電圧安定度±5×10 -4 ) 

9) ケージ 

感電防止用にケージを設置し、扉の開の状態では高電圧を印加できないようにインターロ 

ック機構を備え、高電圧印加中は赤色回転灯を点灯させている。 

- 41 -


6.イオン入射系 

ECR イオン源とマルチカスプイオン源は、サイクロトロンの外部に設置することが必要である 

ため、イオン源で発生させたイオンビームをサイクロトロン内部に輸送するためのイオン入射系 

を設置した。また、1999 年 3 月に H-ECR イオン源用の入射ラインを増設した。 

6.1 イオン光学計算 

イオン入射系のイオン光学計算には、計算コード“TRANSPORT”を用いて行った 11) 。ECR イ 

オン源で発生したビームのエミッタンスは、約 200πmm・mrad であると報告 12,13,14) されているが、 

OCTOPUS イオン源のエミッタンスは明らかでなかった。また、イオン源で生成したイオンを効 

率よく輸送するためにより大きなエミッタンスでも十分輸送可能である設計が望ましく、さらに 

強いミラー磁場近傍における引出レンズシステムのパラメーターの設計を最適化することが本質 

的に困難であることから、ECR イオン源からのビームのエミッタンスは、グレーザーレンズ 

(MGL)の集束点(ビームサイズφ10mm)で 400πmm・mrad として設計した。一方、マルチカ 

スプイオン源のエミッタンスは 300πmm・mrad と仮定して設計した。 

外部イオン入射システムにおいて、ビーム集束要素として四重極レンズを使用したとき、サイ 

クロトロンヨーク入射直前でビームエミッタンスのエリプスが同じ形で無い場合は、ヨーク入射 

後のビームの振る舞いが複雑となる。そのため、それまでに建設された外部イオン入射システム 

では、垂直偏向前に4連四重極電磁石で水平・垂直ともに同じ大きさのウェストを作り、そのま 

まヨーク入射直前までビームを輸送する「マッチングセクション」が設けられた。しかし、本設 

計ではソレノイド電磁石のみでビームを輸送するため、垂直・水平ともに同じサイズとなること 

から、マッチングセクションは設置しなかった。 

イオン入射系のレイアウトを Fig.6.1 に示す。ECR 又は H-ECR イオン源で生成されたイオンは、 

分析電磁石(EAM 又は HAM)及びインフレクション電磁石(IIM)を通過した後、垂直輸送ラインを 

通ってサイクロトロンの垂直軸入射系によりサイクロトロン内へ入射される。マルチカスプイオ 

ン源で生成される軽イオンは、インフレクション電磁石を通過後、ECR イオン源からの同じ輸送 

系で輸送される。 

イオン光学計算は、1)ECR イオン源引出孔からビームスリット SLI1までの分析セクション、 

2)スリット SLI1 から SLI2 までの ECR 用輸送セクション、3)マルチカスプイオン源引出孔から 

SLI2 までのマルチカスプ用輸送セクション、4)H-ECR イオン源引出孔から SLI2 までの H-ECR 

用輸送セクション、5)SLI2 から SLI4 までの垂直セクション、6)SLI4 からインフレクター電極 

間の軸入射セクション、に分割して計算した 15) 。計算の初期条件は、ビーム径 5.5mm、ビーム分 

散 50mrad、引出し電圧 10kV、Q/M=2 として設定した。 

Fig.6.2 に ECR イオン源からサイクロトロンヨーク入り口までについての光学計算したビーム 

エンベロープの1例を示す。ECR イオン源の分析電磁石は、内部のクリアランスを 88mm にする 

ことで、400πmm・mrad のビームを通過させることができる。 

- 42 -

AVFサイクロトロン 

IS5 

ISD5 

Pチョッパー 

X 

Y 

80 

60 

40 

20 

20 

40 

60 

80 

IBM 

90°偏向 

電磁石 

SLI4 

バンチャー 

ISD4 

IBM 

ISD3 

チェンバー及びダクトの内壁 

チェンバー及びダクトの内壁 


ISD2 

HAM 

分析電磁石 

ISDH1 

ISDH2 

SLI2 

ISD1 

IIM 

インフレクション電磁石 

H-ECRイオン源 

マルチカスプイオン源 

ISDM 

ISDE2 

ISDE1 

Fig.6.1 イオン入射系のレイアウト 

SLI1 

EAM 

分析電磁石 

ECRイオン源 

pチョッパーの 

バッフルスリットバンチャー 

pチョッパーの 

バッフルスリットバンチャー 

EAM ISDE1 ISDE2 IIM ISD1 ISD2 ISD3 IBM ISD4 ISD5 

Fig.6.2 ECR イオン源からのイオン入射系のビームエンベロープ 

- 43 -


1) 電磁石系 

2) ビーム診断系 

3) ダクト 


5) ビームバンチャー 

6) パルス型ビームチョッパー 


6.3.1 ソレノイドレンズ (ISD) 

台数 10 

最大2乗平均磁場 0.263T 


ボア径 φ160mm 

起磁力 58000AT 

最大消費電力 5.9kW 

冷却水圧力損失 6.0kgf/cm 2 

冷却水量 5.1L/min 

6.3.2 ステアリング電磁石 (IST) 

台数 9 

最大偏向角 3°(水平・垂直方向とも) 

磁気剛性 3.3×10 -2 T・m 

最大磁場 1.73×10 -2 T 



マグネットギャップ 160mm 

起磁力 3634AT/コイル 

最大消費電力 53.4W 

冷却方式空冷 

6.3.3 90°分析電磁石 (EAM) 

偏向角 90° 

磁気剛性 6.4×10 -2 T・m 


曲率半径 400mm 


面角(入口、出口) 29.7° 


起磁力 16000AT/2 コイル 

最大消費電力 1.66kW/2 コイル 

- 44 -



真空箱 SUS 

6.3.4 90°分析電磁石 (HAM) 

偏向角 90° 

磁気剛性 6.8×10 -2 T・m 



面角 29.1° 






真空箱 SUS 

6.3.5 90°偏向電磁石 (IBM) 

偏向角 90° 

磁気剛性 3.3×10 -2 T・m 

最大磁場 8.25 ×10 -2 T 


面角(入口、出口) 30.4° 



最大消費電力 877W/2 コイル 




6.3.6 インフレクション電磁石 (IIM)(Fig.6.3 参照) 

偏向角 15°、30°、60° 



磁気剛性 0.033T・m 

最大磁場 4.76 ×10 

サイクロトロン 

-2 T 

内接円半径 400mm 



最大消費電力 640W/2 コイル 


冷却水量 1.8L/min Fig.6.3 IIMの外観平面図 

- 45 - 



ECRイオン源 

ECRイオン源

6.4 ビーム診断系 

6.4.1 ビームスリット 

1) 標準型 

台数 9 

駆動方式パルスモーター+ボールネジ 


駆動速度 1.25mm/s 

位置分解能 0.005mm/パルス 

設定精度 0.1mm 

最大ビームエネルギー 20keV(H + ) 

測定可能ビーム径 φ80mm 

検出電流範囲 1nA~10mA 


冷却水冷 

材質タンタル 

2) 大口径型(ビーム電流調整用) 

台数 1 




位置分解 0.005mm/パル 

ス 


最大ビームエネルギー 20keV(H + ) 



冷却水冷 

材質タンタル 

6.4.2 3 線式プロファイルモニター(Fig.6.4 参照) 

台数 7 

ビーム方向ビーム方向 

駆動方式エアシリンダー 

ビームの中心 

ビームの中心 


駆動速度約 2 秒/ストローク 

Y Z 



Y 

材質 φ0.1mm タングス 

テンワイヤー 

ワイヤー 

(金メッキ) Fig.6.4 3 線式プロファイルモニター 

検出信号電流の写真とワイヤー部の概略図 

- 46 -

6.4.3 ファラデーカップ(Fig.6.5 参照) 

台数 8 




検出電流範囲 1nA~10mA (2 次 

電子捕獲電極付、サ 

プレッサー電圧 

500V) 

最大ビームエネルギー 

20keV(プロトン) 


Fig.6.5 ファラデーカップの写真材質タンタル 

冷却方式水冷 

6.4.4 エミッタンスモニター 

エミッタンスモニター(1 台設置)の概略を Fig.6.6 に、写真を Fig.6.7 に示す。 

1) 駆動部 





設定精度 

2) 検出部 

0.1mm 

スリット部形状ギャップ 0.1mm × 長さ 51mm 

スリット部材質タンタル 

スリット部冷却水冷 

ディテクター部形状幅 30mm の間に 0.5mm 間隔で長さ 51mm のワイヤー48 本 

設置 

ディテクター部材質 φ0.1mm タングステンワイヤー(金メッキ) 

スリット・ディテクター間距離 230.5mm 

最大測定可能エミッタンス 400πmm・mrad 

検出器位置分解能 0.2mm 

測定位置範囲 ±18mm 

角度測定範囲 ±51.0mrad 

角度分解能 2.17mrad 


スリット部及びディテクター部を同時駆動して測定する。 

- 47 -

上限 

零点 

下限 

71.28mm 62.12mm 

エミッタンスモニタースリット 


上限 

ビーム方向 

零点 

下限 

71.28mm 62.12mm 

エミッタンスモニターディテクター 

Fig.6.6 エミッタンスモニターの概略図 

Fig.6.7 エミッタンスモニターの写真 16) (左:スリット部、右:ディテクター部) 

6.5 パルス型ビームチョッパー 

パルス型ビームチョッパー(P チョッパー)は、イオン源からの直流ビームを幅がサイクロト 

ロンの加速 RF の数周期、間隔が 1μs~1ms のビームパルスを形成するもので、Fig.6.8 に電極写 

真を示す。この P チョッパーとサイクロトロンの下流の外部ビーム輸送系に設置された正弦波型 

ビームチョッパー(7.8 項参照)との組み合わせで、単一パルスを形成することができる。また、 

シングルイオンヒット用にターゲットを通過したイオンを検出した信号を利用して、高速にビー 

ムを遮断(キック)することが可能である。P チョッパーの主な諸元を以下に示す。 

- 48 -

諸元 

型式平行平板型 

電極長 130mm 

電極ギャップ 80mm 

ドリフト長 570mm 

スリットギャップ 24mm 

電圧 500V、1kV、1.5kV 

電圧波形パルス形(矩形波) 

パルス間隔 1μs~1ms(ステップ 

可変) 

立ち上り立下り時間 200ns 

位相調整量 500ns 

Fig.6.8 パルス型ビームチョッパー位相分解能 5ns 

電極の写真 16) 

電極 

6.6 ビームバンチャー 

サイクロトロンの RF 電場による加速では、必然的にビームがパルス化され、その際にインフ 

レクター出口において RF 加速位相に合致しないビームは切り捨てられる。そこで、ビームバン 

チャーにより、サイクロトロン入射前にイオン源からの直流ビームを RF 加速周波数に同期した 

パルスビームにバンチングして、加速効率を上げる。ビームバンチャーの主な諸元を以下に示す。 

また、ビームバンチャーの写真を Fig.6.9 に示す。 

諸元 

バンチング方式 2 ギャップクライストロン型、λ/2 モード 

設置位置サイクロトロンメディアンプレーンから 1581.61mm 

高周波波形正弦波(基本波のみ) 

高周波電圧 10V-250V 

高周波周波数 11~22MHz 

ギャップ間距離 29mm 

電極内径 φ30mm 

位相位置調整量 0~360° 

位相分解能 1° 

バンチング効率 2.5~3 倍 


また、サイクロトロンの加速ハーモニック毎の運 

転パラメーターを Table 6.1 に示す。 

- 49 - 

Fig.6.9 ビームバンチャー電極の写真


Table 6.1 加速ハーモニック(H)モード毎の運転パラメーター 

H Rm(mm) 理想的なギャップ電圧効率バンチャー電圧/入バンチャーによる 

距離 b(mm) 

射電圧(%) エネルギー幅(%) 

1 13 

40.8 

0.899 

1.25 

±2.25 

2 16 

25.1 

0.970 

0.72 

±1.39 

3 19 

19.9 

0.753 

0.73 

±1.10 

Table 6.1 において、Rm は(15)式で示したインフレクター電極における中心磁場による軌道半径 

(mm)である。速度 v0 のイオンが 2 ギャップを通過するとき RF 位相が TRF/2 だけ進むので、そ 

のときのギャップ間距離は次式で示せる。H はハーモニックモードを示す。 

πuMv0 πRm 

l = = 

…(19) 

eQBz H H 

上記式から分かるように、ギャップ間距離は各ハーモニックモードにより異なるが、各ハーモ 

ニックモード毎にバンチャーを交換することは現実的でないので、あるギャップ間距離を決める 

ことが必要である。本設計では、理想的なギャップ間距離( b)の平均として 29mm とした。また、 

バンチャーで生じるエネルギー幅によるインフレクター出口でのビームの縦方向発散角(θ)は 

H=1、2、3 でそれぞれ 23mrad、14mrad 及び 10mrad である。 

6.7 ダクト 

材質 SUS304 (必要に応じて磁気シールド板設置) 

サイズ 6 インチ管(外径φ152.4mm、内径φ146.4mm) 

接続フランジ ICF203 

- 50 -


7.外部ビーム輸送系 

7.1 イオン光学計算 

サイクロトロンにより多種のイオンを幅広いエネルギー範囲で加速したビームを高い透過効率 

で輸送できること、及びビーム制御が容易であることを考慮してイオン光学設計を実施した 17) 。 

イオン光学計算には、K.L.Brown 等によって開発された“TRANSPORT” を用いた 11) 。外部ビ 

ーム輸送系(以下、ビーム輸送系)の設計では、次の 3 点を配慮した。1) 可能な限りテレスコピ 

ック(Telescopic)な光学系を持つユニットに分割してビーム調整を容易にする。 2) サイクロトロ 

ンからのビームは運動量のばらつきが大きいため、複数の電磁石の組み合わせにより分散を打ち 

消すアクロマチック(Achromatic)な光学系とする。 3) ビームがビームダクトや電磁石系に触れ 

ないよう可能な限りアクセプタンスを大きくする。 

ビーム光学計算の前提としたサイクロトロン出口におけるビームの初期状態は、以下の通りで 

ある。 

水平方向ビーム全幅 Xmax=50mm 

, 

X max =5.5mrad 

ビームの最大傾き 

エミッタンス εx=15.9πmm・mrad 

垂直方向ビーム全幅 Ymax=18mm 

ビームの最大傾き , 

Y max =10mrad 

エミッタンス εy=15.9πmm・mrad 

磁気剛性(Bρ) 1.53 T・m 

運動量の拡がり(ΔP/P) 0.25% 

Fig.7.1 にビーム輸送系の全体概要を示す。設計では、ビーム輸送系のウェストポイント間を 1 

ユニットとし取り扱い、以下のような方法により各イオン室へビームを輸送することとした。 

1) サイクロトロン出口からソースポイント(TSO)までのユニットでは、3 連四重極電磁石 

により TSO にφ5mm 以下のウェストポイントを形成する。 

2) TSO から TS1 までのユニットでは、2 つの 2 連四重極電磁石によるダブルテレスコピック 

な系を形成する。 

3) 第1軽イオン室へは、LA コースにより直線的に TSO からダブルテレスコピックでビーム 

を輸送する。第1軽イオン室で偏向電磁石(BM3)により分岐し、ISOL のイオン源に輸 

送する。また、偏向電磁石(BM1、BM2)で分岐して LX コースにより地階の第 2 軽イオ 

ン室に輸送する。この LX コースには、20× 20mm 2 の面積を均一に照射可能なビームスキ 

ャナー(BS1)を設置する。 

4) 分析電磁石(TAM)により約 80°偏向したビームは、スイッチング電磁石(TSM)に導か 

れる。このとき、TS1 から TS2 までのユニットはダブルテレスコピックであり、かつ角度 

分散を0とする。 

5) 第 3 軽イオン室へは TSM で-68°、-55°及び-40°に振り分けられ、それぞれ LB、LC 及び 

LD コースに輸送される。LD コースには 100×100mm 2 の面積を均一に照射するためのビー 

ムスキャナー(BS3)を設置する。 

- 51 -

LA 

LB 

BM3 

TRLA 

TRLB 

TRLC 

LC 

LD 

TDQ1 

CTQ0 

TS1 TS0 

TTQ1 

TAM 

TDQ2 

TSQ1 

TTQ2 

TSQ2 

TSM 

TRLD 

TDQHC1 

TRHD 

TTQHC1 

TRHA 

TRHC 

TRHB 

HA 

HB 

TDQHC2 

TDQHE1 TDQHE2 TRHE TDQHE3 

BM1 

BM4 BM5 

BM6 

LA HA HB 

HE 

BM2 

LX 


HX 

TAMHE 

HD 

Fig.7.1 外部ビーム輸送系の概略 

- 52 - 

HY 

HC 

HZ 

HE

6) 第1重イオン室へは、TSM で 74°及び 59°に振り分けられ、HA 及び HB コースに輸送す 

る。HA 及び HB コースは、第 1 重イオン室内で偏向電磁石(BM4、BM5)により分岐し、 

HX 及び HY コースにより第 2 重イオン室にビームを輸送し、鉛直照射を実現する。HB コ 

ースは、運動量分散の少ないアクロマチックな系とする。また、HX コースは、可能な限 

り小さいサイズの平行ビームとする。HY コースには、50×50mm 2 の面積を均一に照射可能 

なビームスキャナー(BS2)を設置する。 

7) 第 3 重イオン室へは、TSM で 12°及び-3°に振り分けて、HC 及び HD コースによりビー 

ムを輸送する。第 3 重イオン室内で、HC コースの途中から分析電磁石(TAMHE)で 55° 

偏向させ、HE コースにより第 4 重イオン室に輸送する。 

8) 第 4 重イオン室内で偏向電磁石(BM6)により分岐し、HE コースにより地階の第 5 重イ 

オン室にビームを輸送し、鉛直照射を実現する。HE コースは、運動量分散の少ないアク 

ロマチックな系とする。 

Fig.7.2 にイオン光学計算の1例として HE コースのビームエンベロープを示す。 

CTQ0 


TDQ1 TDQ1 

TDQ2 

TTQ1 

TAM 

TSQ1 

TTQ2 

TSQ2 

TSM 

TDQHC1 

TTQHC 

TDQHC2 

TAMHE 

TDQHE1 

Fig.7.2 HE コースのビームエンベロープ 

ビーム振り分け室内に設置されている外部ビーム輸送系の写真を Fig.7.3 に示す。 

ビーム輸送系の主要な構成機器を以下に示す。 

1)電磁石系 

2)ビーム診断系 

3)ロータリーシャッター 

4)真空排気系 

5)ダクト及び真空箱 

6)架台 


- 53 - 

TDQHE2 

TDQHE3

7) ビームスキャナー 

8) 正弦波型ビームチョッパー 


Fig.7.3 ビーム輸送系基幹ラインとスイッチング電磁石(TSM) 


偏向電磁石・分析電磁石には、任意の電磁石の磁場の読み出せるように NMR フラックスメー 

ターの検出部を備え、10ch の切替えアンプでモニターする。NMR フラックスメーターの読み出 

し精度は 1×10 -5 T (0.1Gauss) 以下である。 

7.3.1 四重極電磁石 

電磁石数 85 

最大磁場勾配 0.1T/cm 

磁場安定度 ±1×10 -4 以下 

ボア半径 115mm 


ポール幅 95mm 



冷却方法直接冷却(ホローコンダクター) 

- 54 -


冷却水量 3L/min 

本体重量 450kg 


7.3.2 分析電磁石 

1) 80°分析電磁石(TAM) 

分析電磁石のビームの出入口のポールエッジは、ロゴスキー曲線を階段状で近似し、シールド 

板を取り付けている。さらに、エッジフォーカシングとし、面角は軌道計算に基づいて決定した。 

偏向角 80° 



磁場安定度 ±1×10 -5 以下 

磁場均一度 2×10 -4 以下 




入射面角 +31.5° 

出射面角 +31.5° 


最大消費電力 35kW/2 コイル 


冷却水流量 40L/min 


2) 55°分析電磁石(TAMHE) 

分析電磁石のビームの出入口のポールエッジは、ロゴスキー曲線を階段状で近似し、シールド 


偏向角 55° 



磁場安定度 ±1×10 -5 以下 





入射面角 +14.6° 

出射面角 +14.6° 




- 55 -



7.3.3 偏向電磁石 

偏向電磁石のビームの出入口のポールエッジは、ロゴスキー曲線を階段状で近似し、シールド 


1) 45°偏向電磁石(BM1,BM2) 

偏向角 45° 



磁場安定度 ±1×10 -4 以下 





入射面角 +10.5° 

出射面角 -10.5° 






2) 25°偏向電磁石(BM3) 

偏向角 25° 




磁場安定度 ±1×10 -4 以下 





入射面角 -3° 

出射面角 -3° 






- 56 -

3) 90°偏向電磁石(BM4, BM5, BM6) 

偏向角 90° 



磁場安定度 ±1×10 -4 以下 





入射面角 +26.8° 

出射面角 +26.8° 






7.3.4 スイッチング電磁石 (TSM) 

スイッチング電磁石のビームの出入口のポールエッジは、ロゴスキー曲線を階段状で近似し、 

シールド板を取り付けている。 

偏向角 -68°、-55°、-40°、-3°、12°、59°、74° 



磁場安定度 ±1×10 -5 以下 

磁場均一度 5×10 -5 上鉄芯上昇機構 

以下 

7.3.5 ステアリング電磁石 (ST) 

1) 取出部ステアリング電磁石 

・水平方向 

最大偏向角 2° 









・垂直方向 

最大偏向角 0.5° 

- 57 -

最大磁場 4.45×10 -2 T 






2) ステアリング電磁石 9 式 

最大偏向角 1°(水平・垂直方向とも) 


最大磁場 0.0688T 




最大消費電力 12kW 





7.4 ビーム診断系 

7.4.1 ビームスリット (Fig.7.4 参照) 

1) φ40 系 14 式 



駆動ストローク 50mm(測定範囲-5.00mm~+30.36mm) 

分解能 0.005mm/パルス 

位置検出パルス数による 


最大ビームエネルギー 90MeV(H + ) 


材質無酸素銅 

厚み 5mm、幅 30mm×76mm 

冷却方式水冷(冷却板厚み 14mm) 

2) φ80 系 10 式 

駆動方式パルスモーター + ボールネジ 





- 58 -



最大ビームエネルギー 90MeV (H + ) 



厚み 5mm 

幅 54mm×112mm 


(冷却板厚み 

14mm) Fig.7.4 ビームスリットの写真 

3) φ130 系 1式 

設置位置 LD2-1ビーム診断ステーション 







最大ビームエネルギー 90MeV (H + ) 



厚み 12mm 

幅 75mm×175mm 

冷却方式水冷(冷却板厚み 16mm) 

4) バッフル付 1式 

設置位置 CS0-1ビーム診断ステーション 

駆動方式パルスモーター + ボールネジ 




バッフル材質無酸素銅 

バッフル穴径 φ15mm 



7.4.2 3 線式プロファイルモニター 

3 線式プロファイルモニターには設置場所により、測定可能ビーム径が φ40mm と φ80mm の 

2 種類がある。Fig.7.5 にφ40mm 型の写真を示す。 

- 59 -

Fig.7.5 3 線式プロファイルモニターの写真 

1) φ40 系 15 式 






検出方式 3 線式 

検出信号電流 

材質 φ0.1mm タングステンワイヤー(Au メッキ) 

2) φ80 系 12 式 





検出方式 3 線式 

検出信号電流 

材質 φ0.1mm タングステンワイヤー(Au メッキ) 

7.4.3 ファラデーカップ 

ファラデーカップには設置場所により、測定可能ビーム径がφ40mm とφ80mm の 2 種類があ 

る。Fig.7.6 にφ40mm 型の写真を示す。 

1) φ40 系 15 式 




カップ形状内径φ40mm、深さ 59mm 

- 60 -

検出電流範囲 1enA~100eμA (2 次電子捕獲電極付、-500V 印加) 

電流検出精度フルスケールの±1% 



2) φ80 系 12 式 




カップ形状内径φ80mm、深さ 59mm 

検出電流範囲 1enA~100eμA (2 次電子捕獲電極付、-500V 印加) 

電流検出精度フルスケールの±1% 



7.4.4 エミッタンスモニター 

Fig.7.6 ファラデーカップの写真 

エミッタンスモニターの基本的な構造と概観は、イオン入射系用と同じであり、スリットとデ 

ィテクターは同時駆動となっている(Fig.6.7 参照)。 

・駆動部 







・検出部 

スリット形状ギャップ 0.25mm、長さ 58mm 

- 61 -

スリット材質無酸素銅 


ディテクターワイヤー間隔 0.7mm 

ディテクターワイヤー数 48 本 

ディテクターワイヤー材質 φ0.1mm 金メッキタングステンワイヤー 

スリット・ディテクター間距離 1600mm 

位置測定範囲(X,Y) ±13mm 

角度測定範囲 ±10.5mrad 

角度分解能 0.44mrad 

7.4.5 アルミナモニター 

アルミナモニターには、設置場所により測定可能ビーム径がφ40mm とφ80mm の 2 種類があ 

る。Fig.7.7 にφ80mm 型の外観写真を示す。 

1) φ40 系 15 式 

Fig.7.7 アルミナモニターの写真 





検出 ITV カメラによる目視観測 

材質厚み 2mm アルミナセラミックス板 

2) φ80 系 10 式 






検出 ITV カメラによる目視観測 

- 62 -

材質厚み 2mm アルミナセラミックス板 

7.4.6 カレントモニター 

・駆動部 


駆動速度 60~200 rpm 

・検出部 


検出方式ワイヤー回転方式 

材質 φ0.5mm 金メッキタングステンワイヤー 

7.5 ロータリーシャッター 

ロータリーシャッター(RS)は、鉄+ポリエチレンの遮蔽体、駆動装置及び差動排気装置から 

構成されており、ビーム 

ダクトが遮蔽壁を貫通し 

ている場所に設置され、 

ビームが輸送されないイ 

オン室の放射線遮蔽を目 

的としている。各イオン 

室の使用可能なビーム条 

件で決まる遮蔽能力を適 

合させるため、Table 7.1 

に示したように全長が異 

なる 5 種類 9 台を設置し 

ている。 

ロータリーシャッター 

貫通部間隙には、鉄玉、 

鉄板、及び砂鉄を用いて 

Fig.7.8 ロータリーシャッターの写真放射線遮蔽を行っている。 

Fig.7.8 にロータリーシャ 

ッターの外観写真を示す。以下に主な構造体の材質、排気システムを示す。また、ロータリーシ 

ャッターの寸法と設置場所を Table 7.1 に示す。 

呼径 100A 

駆動方式ロータリーアクチュエーター 

主遮蔽体鉄+ボロン入りポリエチレン 

副遮蔽体鉄球+砂鉄 


差動排気 6 式(RP ユニット) 

340L/min 3 式 

160L/min 3 式 

- 63 -

ビームダクト 

Table 7.1. ロータリーシャッターの全長と設置場所 

タイプ全長寸法 (単位:mm) 台数設置場所(Fig.7.1 参照) 

圧空駆動式 

ロータリーシャッタ 

ーケース 

回転シャフト 


2300 1 TRLA 

2200 4 TRLB、TRLD、TRHC、TRHD 

2150 1 TRLC 

2050 1 TRHA 

1600 1 TRHE 

モーター駆動式 2050 1 TRHB 

9 台設置されているロータリーシャッターには、施設建設当時設置した圧空駆動式と、その後 

改良したモーター駆動式がある。圧空駆動方式は、圧空を利用してシリンダーを駆動させ回転力 

を発生させており、真空シールはキャップシールを採用している。モーター駆動式はパルスモー 

ターを駆動源にラジアル軸受けを用い、さらに真空シールに磁性流体シール機構を採用し、設計 

上の動作回数が 10,000 回を可能とした。モーター駆動式ロータリーシャッターの概略構造を 

Fig.7.9 に示す。 

固定シャッター(鉄) 

上流側回転シャッター 

(鉄) 

下流側回転シャッター 

(鉄) 

ロータリーシャッターベース 

Fig.7.9 モーター駆動式ロータリーシャッターの概略 

ポリエチレン回転シャッター 

磁性流体シール 

パルスモーター 

ラジアル軸受 

内歯車 


補助排気装置は、ロータリーシャッターの閉状態でのアウトガスを常時排気することで開動作 

時のビームダクト真空度への影響を最小限に抑え、イオンポンプ停止を避ける目的で設置してい 

る。 

- 64 -

7.6 ビームダクト・真空箱 

7.6.1 ビームダクト 

材質アルミニウム合金(A6063 系) 

サイズ 4 インチ管 

フランジ ICF203(材質:SUS304) 

一部のフランジは、アルミニウム合金チタン蒸着フランジ使用 

7.6.2 絶縁リング 

耐圧 10kV 

7.6.3 真空箱 

設置場所各コースの最下流及び中間実験ポート直前 

フランジ ICF203(材質:SUS304) 

ビーム診断ステーション 29式 

真空ポンプ用ポート 21式 

ビームスキャナー用ビームポート 3 式 

7.7 ビームスキャナー(BS) 

ビームスキャナーは、ラスター方式によりビームを走査することにより大面積を均一に照射す 

るためのものであり、ビームコースの末端部上流に装着されている。Fig.7.10 にビームスキャニ 

ング方式の概念図を示す。また、ビームスキャナーの主な諸元を Table 7.2 に示す。 

磁場(X) 磁場(X) 

X方向電磁石 


時間 

磁場(Y) 磁場(Y) 

Y方向電磁石 

時間 

Fig.7.10 ビームスキャニング方式の概念 

- 65 - 

Y 

X 

照射領域

LD コースに設置されている BS3 についての写真を Fig.7.11 に示す。BS3 を用いて、イオン種、 

エネルギー、ビーム形状、スキャニング幅を変えて 100×100mm 2 の面積で照射して三酢酸セルロ 

ース(Cellulose Triacetate :CTA)フィルム線量計を用いて粒子フルエンス分布の均一度を測定した。 

その結果、フルエンス分布の均一度±15%程度であることが判明し、この均一度の劣化の原因で 

あるビームを走査する電磁石の三角波電流電源波形の出力歪の改良を行なった結果、均一度は 

±4%以下に改善された 18) 。 

機器名称 

Table 7.2 ビームスキャナーの主な諸元 

BS1(LX コース) BS2(HY コース) BS3(LD コース) 

X 軸用 Y 軸用 X 軸用 Y 軸用 X 軸用 Y 軸用 

設置場所第 2 軽イオン室内第 2 重イオン室内第 3 軽イオン室内 

照射方向垂直方向垂直方向水平方向 

最大有効照 

射面積 

20×20 mm 2 50×50 mm 2 100×100 mm 2 

ポール長 300mm 300mm 300mm 300mm 600mm 600mm 

ドリフト長 2058.5mm 1558.5mm 2560mm 3006mm 3967mm 3167mm 

インダク 

タンス 

30.1mH 30.1mH 30.1mH 30.1mH 26.7mH 26.7mH 

冷却自然空冷自然空冷自然空冷自然空冷自然空冷自然空冷 

出力周波数 50Hz 0.5、1、2.5、 50Hz 0.5、1、2.5、 50Hz 0.5、1、2.5、 

5Hz 

5Hz 

5Hz 

出力電流 

ピーク値 

±92A ±122A ±180A ±151A ±171A ±216A 

電源冷却 

水量 


30L/min 40L/min 50L/min 

改造・X-Y 電源出力接続先を 

入れ替え。 

・2000 年に電源波形を改 

造 

- 66 - 

・1994 年に電源波形の改 

造 

・2000 年に出力周波数を 

0.25、0.5、1、2.5Hz に変 

更


Fig.7.11 ビームスキャナー(BS3)の写真 

7.8 正弦波型ビームチョッパー 

正弦波型ビームチョッパーは、サイクロトロンから引き出される連続したビームパルスを間引 

いて 1/3~1/7 にする装置である。イオン入射系に設置されているパルス型(P)ビームチョッパ 

ー(6.5 項参照)との組み合わせで、パルス間隔が 1μs~1ms の単一パルスを形成することがで 

きる。Fig.7.12 に正弦波型ビームチョッパーの全体外観写真を、Fig.7.13 に概略構造を示す。 

Fig.7.12 正弦波型ビームチョッパーの外観と電源筐体 

- 67 -


1)ビームチョッパー本体 

型式平行平板電極型 

偏向方式高周波電場偏向方式(垂直方向偏向) 

電極長さ 1200mm 

電極ギャップ 80mm 

ドリフト長 800mm (電極端からスリットまでの距離) 

スリットギャップ 24mm (ギャップ可変) 

周波数範囲 1~3MHz(使用周波数に応じて整合コイルを交換) 

間引き割合 1/3、1/4、1/5、1/6、1/7 

全長 2220mm 

内径 φ600mm 

電極間隔 40mm(印加時)/60mm(停止時の避難位置) 

印加電圧 1kVp-p~40kVp-p (ステップ可変) 

電圧波形正弦波 

位相調整量 100ns(サイクロトロン RF に対する相対値) 

位相分解能 1ns 

2)ビームチョッパー電源 

電源方式プッシュプル回路 

使用前段球東芝製型番:7F37R 

使用後段球ジーメンス製型番:RS2012CJ 

受電容量 AC200V×φ3×50Hz、45kVA 


3)バッフル用スリット(CS0-1 ビーム診断ステーションに設置) 

・駆動部 

駆動方式パルスモーター+ネジ 

駆動速度 1.25 mm/s 

位置分解能 0.005 mm/パルス 


・検出部 

許容ビーム径 φ80mm 



測定範囲 SX_L、SX_R、SY_U、SY_L 共に 

-10.00 mm~+46.53 mm 

- 68 -

ビーム 

スリット 

スリット 


2220 

電極 

除き窓 

1200 

600 600 

電極 

電極板駆動装置 

Fig.7.13 正弦波型ビームチョッパーの構造概略 

- 69 - 

フィールドスルー 

385 

800 

CS0

8.真空排気系 

TIARA のサイクロトロンシステムの真空排気系については、既に詳細に報告 19) されているので、 

ここでは概要について述べることとするが、その後増設された H-ECR を追記した。 


CYCLTRON 

VCYC 

H-ECR 

VHECR 

V ID ID ID 

サイクロトロン本体系サイクロトロン本体系サイクロトロン本体系 V P 

BU 

PC 

SL 

GV GV GV 

ビーム輸送系 

イオン入射系 

SC 

DQ 

DS DS DS 

VIE 

VBCS 

VLA0 VLA0 VLA0 VLA0 VLA0 

AM AM AM 

VIC 

TQ TQ TQ 

GV GV GV 

VTS1 

F CV 

TP 


VMC 

RS 

LE1 

HA1 

BM 

IM IM IM 

VHA0 

マルチカスプ 

イオン源イオン源イオン源 

VHA1 

BM 

VIB 

ST 

LA1 

HX1 

SQ 

BS 

SM SM SM 

VSM 

HB1 

VHB1 

VLA1 

- 70 - 

イオン源系イオン源系イオン源系 

VIA 

VHB0 

VLB0 

LX1 

VECR 

VHC0 

HY1 

ECR 

VHE0 

LC0 

VLB1 

LB1 

AM : Analyzing magnet 

BM : Bending magnet 

B S : Beam scanner 

BU : Beam bencher 

DQ : Doublet quadrupole magnet 

D S : Beam diagnostic station 

FCV : Fast closing valve 

GV : Gate valve 

I M : Inflection magnet 

P C : Pulsed type chopper 

R S : Rotary beam shutter 

SC : Sin wave chopper 

S L : Solenoid magnet 

SM : Switching magnet 

S Q : Singlet quadruploe magnet 

T P : Target port 

T Q : Triplet quadrupole magnet 

V P : Vacuum pump 

HE2 

HE1 

VHD0 

VHC1 

VLC0 

VLD0 

LB2 

HD1 

HZ1 

HC1 

VHD1 

LD1 

HD2 

Fig.8.1 真空排気系全体構成及び真空セクション分割 

真空排気系全体構成及び真空セクション分割

真空排気系の全系を Fig.8.1 に示す。真空排気系は、サイクロトロン本体系、ECR イオン源系、 

H-ECR イオン源系、マルチカスプイオン源系、イオン入射系、外部ビーム輸送系の 6 つのブロッ 

クで合計 27 の真空セクションから構成されている。各セクションは、オールメタルのゲートバル 

ブにより分割されており、独立に制御可能となっている。各セクションは、真空箱あるいは真空 

ダクト、真空ポンプ、真空計、窒素及び大気導入ポート等から構成されている。各真空セクショ 

ンには、ピラニーゲージとコールドカソードゲージのペアで構成されるワイドレンジ真空計が設 

置されており、大気圧から規定圧力まで測定及び真空排気系のシーケンスコントロールが行える。 

サイクロトロン本体、イオン源、イオン入射系は、主真空ポンプとしてクライオポンプ(CRYO) 

あるいは磁気浮上型ターボ分子ポンプ(TMP)及びロータリーポンプ(RP)が使用され、常設の補 

助排気系を備えている。一方、外部ビーム輸送系は、主真空ポンプとしてスッパッター型のイオ 

ンポンプ(IP)を採用している。 

8.1 サイクロトロン本体系 

サイクロトロン本体系の真空排気系統を Fig.8.2 に示す。サイクロトロンを真空排気する部分は、 

高圧力領域と低圧力領域の二つに分けられている。低圧力領域はビーム加速空間と共振器内部で 

あり、6.7×10 -5 Pa 以下に保持される(但し、ショート板の背部は 6.7×10 -5 Pa)。高圧力領域は、ポ 

ールアセンブリー部とアース板とで囲まれた部分で、1.3Pa の真空度に保持される。アース板の 

差圧による変形を防ぐために、両領域の差圧が一定値を超えないように運転できるシステムとな 

っている。 

メインプローブ等各種付帯機器は高真空を保持したままで脱着できるように、真空ロック部を 

排気する真空系統を備えている。 

8.1.1 真空ポンプ 

真空ポンプは、以下の構成となっている。 

・主排気用当初、CRYO(CCP1~4)排気速度 4000L/s 各共振器外筒に各 2 台設置、FT 

空胴の設置に伴い、2 台のクライオポンプを外して、新たにクライオパネ 

ルを加速箱内に設置 

・本体粗引き用 RP(CRP_2) 排気速度 5000L/min 

TMP(CTP) 排気速度 2000L/s 及び RP(CRP_1)1300L/min 

・低真空部排気用 RP(CRP_3) 排気速度 240L/min 

・補助真空排気用 RP(CRP_4、5) 排気速度 47L/min 及び 160L/min 

8.1.2 真空計 

・電離真空計加速箱の対向する位置に設置、磁気シールド付(現在は撤去) 

・真空ゲージピラニー、コールドカソード(加速箱に設置) 

・真空計 TPG300(ワイドレンジ) BALZERS 製圧力測定範囲 10 -8 ~10 5 Pa 

・ピラニー真空計 TMP の背圧監視、低真空部ロータリーポンプの起動/停止インターロック 

・圧力スイッチ本体大気圧確認用 

8.1.3 バルブ 


- 71 -

・大口径バルブ粗引き用 TMP の吸い込み口用 :VAT 製型番 14048-CE44 

使用圧力 5.7~7.5 ×10 -12 Pa、リーク量 7.5 ×10 -12 Pa・m 3 /s 

接続フランジ ICF305 

・小口径空圧式アングル弁排気ライン切り替え用 :大亜真空製型番 UVSA-50LK-99 

使用圧力 5.7~7.5 ×10 -12 Pa、リーク量 7.5 ×10 -12 Pa・m 3 /s 

口径:KF50 

・ショックアブソーバ低真空部の急激な圧力増加の回避用 

8.2 イオン源系 

Fig.8.1 に示したとおり、イオン源系の真空セクションは、ECR イオン源、マルチカスプイオン 

源及び H-ECR の 3 セクションから構成されている。 

8.2.1 ECR イオン源 

ECR イオン源真空排気系の系統図を Fig.8.3 に示す。 

・真空ポンプ TMP(ETP1~3)排気速度 1000L/s TMP 1 台、2700L/s TMP 2 台 

RP(ERP1)3000L/min 1 台 

・真空ゲージピラニー、コールドカソードゲージ 

・真空計 TPG300(ワイドレンジ)BALZERS 製圧力測定範囲 10 -8 ~10 5 Pa 

・ゲートバルブ Series14 DN200 1 台 VAT 製 

DN250 2 台 

※真空ポンプ 2700L/s TMP 2 台は、当初の 2000L/s から更新し、2005 年 11 月より使用開始した。 

8.2.2 マルチカスプイオン源 

マルチカスプイオン源系の真空排気系統図を Fig.8.4 に示す。 

・真空ポンプ TMP(MTP1)排気速度 1000L/s 1 台 BOC エドワーズ製 

RP (MRP1) 375L/min 1台エドワーズ製 



・ゲートバルブ Series14、 DN200 1 台 VAT 製 

8.2.3 H-ECR イオン源 


H-ECR イオン源系の真空排気系統図を Fig.8.5 に示す。 

・真空ポンプ TMP(HETP0、1)50L/s 1 台大阪真空製、730L/s TMP 1 台日本真空製 

RP(HERP0、1) 250L/min 2 台アルカテル製 



- 72 -

PI PI PI 

CEV_5 

Deflector 

Deflector 

probe 

VG VG VG 

CEV_6 CIFTMP (160L/s) 

N2 

(160L/s) (160L/s) Inflector 

CVS-2 

Regulator 

VS VS VS 

PG PG PG 

CPS-2 

Air 

CTV PS PS PS 

CCP_1 ( 4000 L/s) 

CGV_1 

CLV_8 

Pirani gauge 

Cold-cathode gauge 

CC CC CC 

Ionization gauge 

IG IG IG 

CRP_5 

(250L/m) 

Pressure switch 

PS PS PS 

Vacuum switch 

VS VS VS 

Pressure gauge 

PG PG PG 

№ 2 

RESONATOR 

Outer cylinder 

CCG_PE 

IG CIG 

VS PI 

CCG_PI1 

CCG_PE 

CVS-1 IG IG CIG 

VS VS PI PI 

CCG_PI1 

CVS-1 

CLV_6 

Vacuum gauge 

CLV_4 

CLV_3 

VG VG VG 

№ 1 RESONATOR 

CC CC CC 

CVS-3 


CLV_7 

VS VS VS 

CPS-3 

PS PS PS 

Inner cylinder 

High vacuum region:6.5m3 High vacuum region:6.5m 

Dee 

3 

High vacuum region:6.5m3 Dee 

CGV_2 

Puller 

Shorting plate 

Low vacuum 

region 

CEV_7 

- 73 - 

JIS 200A 

PS PS PS PS 

CPS-1 

JIS 200A 

CCP_4 

( 4000 L/s) 

Shock absorber 

CMV 

CCV 

Cryogenic Cryogenic pump 

VG VG VG 

PI PI PI 

CCG_PI2 

Turbo-molecular Turbo-molecular pump 

CEV_3 

CTP 

(2000L/s) (2000L/s) 

CEV_4 

CCP_3 

(4000L/s) (4000L/s) 

CCP_2 

( 4000 L/s) 

CEV_1 

CEV_2 

Rotary Rotary pump 

Pneumatic Pneumatic drive valve 

CLV_5 

CLV_3 

CLV_1 

CLV_2 

Main probe 

Electro Electro magnetic drive valve 

CRP_1 

CRP_3 

CRP_4 

( 1300 L/m) ( 5000 L/m) ( 47L/m) 

CRP_2 

(250L/m) 

Manual Manual drive valve 

Flexible connection 

Filtering device 

Fig.8.2 サイクロトロン本体の真空排気系統図 

サイクロトロン本体の真空排気系統図

VECR 

連成ゲージ 

ピラニゲージコールドカソードゲージ 

ゲートバルブ 

P I Cc Cc Cc 

引出ステージ 

2ndステージ 1stステージ 

ビーム 

ターボ分子 

ポンプ 

2700 L/s 

ロータリーポンプ 


ポンプ 

2700 L/s 

圧空リークバルブ 

圧空バルブ 


ポンプ 

1000 L/s 


VMC 


ピラニゲージコールド・カソードゲージ 

ゲートバルブ P I Cc 

MS 1 




マルチカスプ 

イオン源 

ビーム 

ターボ分子ポンプ 

1000L/s 

電磁バルブ 

Fig.8.3 ECR イオン源の真空排気系統図 Fig.8.4 マルチカスプイオン源の真空 

排気系統図 

8.3 イオン入射系 

VH-ECR 

コールド・カソードゲージ 


ぺニングゲージ 


Cc P 

I 

Cc 

ビーム 

圧空リークバ 

ルブ 


2nd ステージ 1st ステージ 


ターボ分 

子ポンプ 

(730L/s) 


ロータリー 

ポンプ 


ターボ分 

子ポンプ 

(50L/s) 


Fig.8.5 H-ECR イオン源の真空排気系統図 

Fig.8.1 に示したようにイオン入射系は、4 セクションに分けられ、各セクションに 1 式の同じ 

- 74 -

構成の排気システムを備えており、その一例を Fig.8.6 に示す。 



・主排気ポンプ CRYO(CRP) 排気速度 1600L/s 5 台(アネルバ製) 

・補助排気ポンプ TMP 600L/s 1 台(増設分)、270L/s 3 台、300L/s 1 台 

(BOC エドワーズ製) 

RP 375L/min 3 台(増設分1台)、 250L/min 4 台 

162L/min 1 台(アルカテル製) 

※増設イオン源入射系をカスプイオン源入射系に接続し、2005 年 3 月に工事を行った。 

8.3.2 真空計 

・真空ゲージピラニー、コールドカソード 


各セクションに 1 台設置 

8.3.3 バルブ 

・オールメタルバルブ Series48、 DN150 VAT 製 

P I 

ペニングゲージ 

Cc 

コールドカソードゲージ 



空気 

8.3.4 増設 H-ECR 用入射系 

窒素ガス 


VIA 

クライオポンプ 

Fig.8.6 イオン入射系の真空セクション(VIA)系統図 

H-ECR イオン源の増設に伴い設置した。 

・真空ゲージピラニー、コールドカソード 2 式 

P s 



- 75 - 

ビーム 


手動バルブ 

電磁リークバルブ 

ゲートバルブ



・主排気ポンプ CRYO(CRP) 排気速度 1600L/s 1 台(アネルバ製)通常は停止 

・補助排気ポンプ RP (M2015SD)アルカテル、TMP (UTM500)ULVAC 各 2 台 

・ICF203 フランジ付成型ベローズ 

・ICF203 ゲート弁(圧空式:UVSA-150G 3 台手動式:UVS-150GC)1 台大阪真空(株) 

・真空排気ステーション(材質:SUS 製) 

・ダクト材質 SUS(6 インチ)、長さ 2m(UFC203 フランジ付 3 本) 

8.4 外部ビーム輸送系 

外部ビーム輸送系は、全長約 200m におよび 18 のセクションが設けられており、セクション 

毎に一式の排気システムを備えている。真空セクションの一例として、スイッチング電磁石系の 

真空セクション系統図を Fig.8.7 に示す。 

18 セクションの真空排気系は、いずれも主真空ポンプとしてスパッター型のイオンポンプを採 

用しており、基幹ビームラインの 3 ケ所(VBCS, VTS1, VSM)には粗引きが可能な補助排気系が 

常設されている。他の 15 セクションは、真空立ち上げのために Fig.8.8 及び Fig.8.9 に示した可搬 

式の真空排気セットを装備している。 



1) 固定 TMP ユニットビーム振り分け室内に設置 

・磁気浮上型ターボ分子ポンプ排気速度 600L/s 2 台、300L/s 3 台(BOC エドワーズ製) 

・ロータリーポンプ排気速度 375L/min 2 台、300L/min 2 台、250L/min 1 台 

(アルカテル製) 

2) 可搬式 TMP ユニット 

・磁気浮上型ターボ分子ポンプ排気速度 270L/s 5 台(BOC ｴﾄﾞﾜｰｽﾞ製)、340L/s 7 台 

(ライボルト製) 

・ロータリーポンプ排気速度 375l/min 1 台、275L/min 7 台、250L/min 4 台 

(アルカテル製) 

3) イオンポンプ排気速度 500L/s 2 台、60L/s 32 台(日本真空製) 

8.4.2 真空計 

・真空ゲージピラニー、コールドカソード 


各セクションに 1 個設置 

8.4.3 バルブ 

・オールメタルゲートバルブ(ブイテックス製、型式 S112) 8 個 

・ゲートバルブ(VAT 製 Series10、DN100) 17 個、(VAT 製 Series48、DN100)1 個 

・高速シャッターバルブ(ブイテックス製、型式 S634) 8 個 

※ゲートバルブは、ブイテックス(岸川特殊バルブ)から VAT 製 Series10、DN100 に逐次置き 

- 76 -

換えている。 

VSM 



LBコース 


ポンプ 


LCコース 

LDコース 


(300L/s) (300L/s) 

イオンポンプ 

(60L/s) 

ビーム 

Cc Cc 

PI PI 

A 

S M 

スイッチング 

電磁石 



(500L/s) (500L/s) 

Cc PI PI 


(600L/s) 



Fig.8.7 ビーム輸送系の真空セクション(VSM)系統図 

ビームダクト 







空気 

窒素ガス 

HAコース 


HBコース 

HCコース 


(60L/s) 

Fig.8.8 可搬式 TMP ユニット系統図 Fig.8.9 第1軽イオン室内の可搬式 TMP ユニット 

- 77 -

9.1 システムの概要(~1998 年度) 

9.制御システム 

サイクロトロンの運転制御用計算機は、数百のパラメーターを設定・調整と、数千のデーター 

を監視・制御している。多様な制御ニーズに柔軟に対応できるシステムとするため、Fig.9.1 に示 

すように System Control Unit(SCU)、Group Control Unit(GCU)、Universal Device Controller(UDC)の 

3 階層で構成した分散制御方式を採用した。本システムの利点は、次の通りである。 

1) SCU により、1 ヶ所で全ての機器を集中管理することで、加速器の運転の省力化を図ること 

ができる。また、マンマシンインターフェースを司り、運転操作の一元化を図っている。 

2) GCU が加速器のサブシステムを担当することで、ローカルコンソールを使用してサブシステ 

ム単位で独立運転が可能である。 

3) 加速器を構成する機器に UDC を組み込み、各機器単体での操作を容易にするとともに、機器 

インターフェースの標準化を図ることにより、機器の追加/変更に柔軟に対応できる。 

4) 信号多重通信システムを採用することにより、配線・配線加工数の大幅削減を図るとともに、 

光信号通信を採用し、加速器系で問題となる高周波装置からのノイズの影響を無くすことが 

できる。 

制御卓 2式 

・グラフィック表示 

・グラフィック表示 

・タッチスクリーン 

・ロータリーエンコーダ 

UDC 

SCU 

μVAX-3500 

DEC 

GCU♯1 GCU♯2 

MTC MTC 

UDC 


I/F for devices 

rtVAX-1000 

DEC 

UDC 

UDC 

Optical Link 

UDC 

UDC 

I/O Boards and Interface for Control 

Power Supplies and Control Devices 

Fig.9.1 サイクロトロン制御システムの構成 

- 78 - 

UDC 

Ethernet 

rtVAX-1000 

DEC 

UDC

9.2 システムの構成 

SCU (System Control Unit):全系を統括 

GCU (Group Control Unit):各サブシステムを統括 

UDC(Universal Device Controller):各機器の監視、制御 

ディストリビューター(インターロック系) 

コントロールラック 

学習機能用プロセッサ 

伝送信号系 

SCU、GCU、UDC を高速シリアルラインで結合した 3 階層からなるハイアラキーシステムで構 

成している。 

9.3 SCU 

SCU は、加速器全体の集中管理及びオペレータの操作・監視のためのマンマシンインターフェ 

ースを持ち、複数台の GCU を統括管理している。主な機能としては、1) 加速器全体の起動/停 

止、ビーム条件の切り換えの運転操作、2) 加速器の粒子の種類やエネルギーにより異なる運転パ 

ラメーター群のデータベースとしての管理と再運転時の設定、3) 故障発生時の故障項目の詳細及 

び故障機器の状態変化の表示、4) 加速器の各機器の種類、最大定格、精度等の管理、5) SCU 及 

び GCU のプログラム開発、である。 

9.3.1 構成 

CPU Micro VAX3500 拡張メモリー8MB 

ディスク RA70 280MB 

カートリッジテープ TK70 296MB 

シリアルインターフェース 8ライン非同期(CXY08) 

VRAM インターフェース 

パラレルインターフェース DMA形 

LAN インターフェース Ethernet インターフェース 

BUS インターフェース BUS EXTENDER 

OS 日本語 μ-VMS 

言語 C言語 


9.3.2 機能 

1) マンマシンインターフェース 

①表示オープニング画面、ステータス画面、パラメーター画面、ビ 

ームステータス画面、トラブル情報、トラブルトレンド情報、 

メンテナンスプラン、データトレンド、エミッタンス、プロ 

ファイルモニター 

②操作 

・機器の起動/停止シーケンス加速ビームの切換、立上げ可/不可の判定、 

立上げ(正常時/異常時)、立下げ(正常時/異常時) 

- 79 -

・パラメーター調整パラメーターの選択、エンコーダーハンドラー(×8)、 

Ten Key ハンドラー 

・パラメーターファイル管理 Save、Load、Delete、 List、Back up 

・画面選択ツリー構造、Root. Up、Down、Back 

・ユーザータスクの起動/停止 

③編集 

2) 統括制御 

運転モード 

Ready の判定 

ON、OFF、WAIT 指令 

Fault 発生時の停止シーケンス 

異常時からの復帰 

3) 通信 

GCU との通信 

GCU プログラムのダウンロード 

GCU シーケンスのダウンロード、アップロード、ファイル管理 

GCU の時間の同期 

UDC パラメーターのダウンロード 

データベース 

4) その他 

運転状況のロギング 

パラメーターファイルのバックアップ 

9.4 GCU 

GCU は、イオン源、RF 系、ビーム輸送系などのサブシステム単位で制御を担当しており、シ 

ーケンス制御で各サブシステムの立ち上げ・停止を実行している。このため、シーケンスの記述 

が容易なインタプリタ言語(OPELA)を採用した。主な機能としては、1) サブシステムのシー 

ケンス制御、2) 多重通信システム(Message-Tree)を介しての各 UDC との通信、3) サブシステ 

ム構成機器間のインターロック、4) 機器の異常を常時監視し、異常時にはフェールセーフシーケ 

ンスの実行、5) ローカルコンソールの接続によるサブシステムの独自調整・運転、である。 

9.4.1 構成 

CPU rt-VAX 1000 拡張メモリー8MB 

シリアルインターフェース 

LAN インターフェース Ethernet インターフェース 

OS VAXELN 

言語 OPELA 


- 80 -

BUS インターフェース BUS EXTENDER 

9.4.2 機能 

1) SCU との通信 

コマンドの解釈、実行 

実測値の整理、送信 

2) グループのシーケンス制御 

シーケンスの種類 ON シーケンス、OFF シーケンス、WAIT ON シーケンス 

WAIT OFF シーケンス、FAULT ON シーケンス 

FAULT OFF シーケンス 

3) 各ブロックの Ready 条件 Interlock 条件のチェック 

4) FAULT 発生時の処理トレンド、処理シーケンス 

5) 実測値の周期的(100ms)なサンプリング 

Status、パラメーター 

6) 指定されたパラメーターに対する高速サンプリング 

7) 制御プログラム複数の UDC を介したコントロール(ビーム診断機器等) 

8) ローカルコンソールとの対話 

9) UDC との交信 

10)ビーム診断系のデーター収集 

操作機能、モニター機能、シーケンスステップ動作 

9.5 UDC 

UDC は 8bit 1 チップマイクロコンピューターで、各機器の監視、制御を行っている。 

9.5.1 構成 

CPU i8344 

クロック 12MHz 

メモリー 256KROM、128KROM、128KRAM 

I/O DI32、DO32、DI016、LI48、LO128、iSBX bus(1CH) 

構造 100×220mm 2 、DIN41612 コネクター 

OS UDC44 モニター 

通信 SDLC準拠、375kbps 

9.5.2 機能 

1) Device の Ready 条件と Interlock 条件のチェック 

2) Device のシーケンス制御 

3) ローカルコントロール 

4) Stability チェック 


Slow、Up/Down、位置決め 

- 81 -

5) GCU との通信 

9.6 通信システム 

9.6.1 Ethernet 

SCU と GCU の通信は Ethernet で行い、LAN(Local Area Network)を採用している。 

伝送媒体同軸ケーブル 

アクセス方式 ISO8802 

伝送速度 10Mbps 

9.6.2 Message-Tree (MT) 

MTは、GCU 側インターフェースカード Message Tree Controller (MTC)、中継分岐装置 Message 

Tree Brancher(MTB)、及び UDC から構成されている。MTC 上にはインテル社製の CPU と GCU 

及び MTC の CPU で共有されるメモリーが登録されており、共有メモリーに書き込まれたデータ 

ーは MTC が通信するためのフォーマットに直し、光信号に変換した後に MTB に送信している。 

MTB はこの信号を全ての UDC に分配している。 

伝送媒体光ファイバーケーブル 

伝送方式 SDLC サブセット 

伝送速度 375Kbps 

接続できる UDC 数 50UDC/1MTC 

構成機器 

MTC ボード 

MTB ボード 

MTB 筐体 

収納キャビネット 

光コネクター付ファイバーケーブル 


9.7 運転・学習機能 

9.7.1 運転 

運転は 3 通りのモードが可能であり、運転の停止シーケンスは起動シーケンスの逆シーケンス 

となっている。 

1) 機器の単独運転 

冷却系と真空排気系以外の電磁石電源、加速/引出系電源、駆動装置等は、コントロール・コ 

ンソールから単独運転が可能であり、起動/停止に際してのシーケンス順序が規定されている機 

器については、ハードウェア・インターロックをとっている。 

2) シーケンス運転 

オペレータの監視を必要としないで自動的にシーケンス運転して良い部分については、予め 

ソフトウェア又はハードウェアで決められた順序で運転している。シーケンスはグループ単位、 

ブロック単位にまとめ、各々独立又は同時運転が可能である。 

3) 同時シーケンス運転 

上記のシーケンス運転をまとめて、全系を同時にシーケンス運転が可能である。 

- 82 -


9.7.2 パラメーター調整 

パラメーターは、CRT のタッチパネルで選択し、ロータリーエンコーダーにより調整する。同 

時に 8 個のパラメーターが調整でき、パラメーターのサンプリング周期は 100ms で、選択された 

パラメーターは 0.25 秒周期で現在値と変動幅を表示し、選択されていないパラメーターの表示周 

期は1秒である。また、運転状態により設定変更をしてはならないパラメーターは、選択できな 

いようにしている。 

9.7.3 学習機能 

新しい加速条件の運転パラメーターは、実績のある運転パラメーターから粒子、チャージ数、 

イオン源、ハーモニック数の同じ幾つかの運転パラメーターを用いて、エネルギーに基づいて補 

間演算を行い、設定することができる。自動運転開発ツール、オペレータガイダンス開発ツール 

としてエキスパートシステム構築用ソフトウェア OPS83 を装備している。学習機能のソフトウェ 

ア開発及び SCU のハードディスク故障時の GCU へのプログラムロード用 CPU として 32bit ミニ 

コンピューター(μ-VAXⅡ:DEC 社製)を使用した。運転/調整手順のガイダンスのために、1)運転 

シーケンスのトレンド収集及びトレンドの解析機能、2) 次に操作すべきパラメーターの候補の選 

択する機能、3) SCU との間で調整シーケンスデーターを通信する機能、4) 次に操作すべきパラ 

メーターを選択するためのルールを追加する機能、を有している。この機能を実行する範囲は、 

インフレクター入口からデフレクターの出口までである。 

9.8 コントロール・コンソール 

Fig.9.2 にコントロール・コンソールの写真を示す。コントロール・コンソールは制御室に設置 

Fig.9.2 コントロール・コンソールと制御室 

- 83 -

されており、サイクロトロンシステム全体を遠隔運転制御するとともに、システムの状態を表示 

している。制御操作は、基本的に CRT 表示とタッチパネル方式であるが、ファイルの検索及び日 

誌編集時にはキーボードを併用している。操作パネルの画面は階層構造で、CRT は操作、調整、 

表示の機能に分けて配置されている。必要なパラメーターは、グラフィックディスプレイに図式 

アナログあるいはデジタル表示が行え、ロータリーエンコーダーにより速やかに調整できる。 

9.8.1 デジタル表示部構成 

20 インチ CRT OMEGA300 

タッチパネル E270-19 

14インチ CRT FA3405ATK 

タッチパネル E270-13DC 

8CHインターフェース MODEL 808-RS 

ロータリーエンコーダー MODEL OME-100 

UDC 

非常停止スイッチ 

ブザー 

9.8.2 アナログ表示部構成 

NMR EFM-300AXT 

オシロスコープテクトロニクス 2465B 

ガウスメーター BELL 810HR2 

TV モニター VM-1720 


9.8.3 出力部 

ビデオプリンタープリンター、アダプター、切り替え器、ケーブル、AC アダプター 

漢字プリンター 

9.9 ローカル・コントローラー 

電源室とイオン源室に設置しており、グループ単位で操作が可能である。 

ターミナル VT320-D 

端末ケーブル 

モデム MDM-23C50A 

光ファイバーケーブル 

光コネクター 

9.10 コントロールラック 

コントロールラックは、現場機器と計算機システムとの中間に位置し、ローカルパネル、UDC, 

制御、増幅回路、変換回路、リレー回路及びこれらを収納しているキャビネットである。全部で 

42 ユニットから構成されており、制御室、電源室、イオン源室、ケーブル中継室、本体ピット室、 

ビーム振分室、第 1 軽イオン室、第 3 軽イオン室、第 1 重イオン室、第 3 重イオン室、第 4 重イ 

- 84 -

オン室に設置されている。 


9.11 加速器インターロック 

機器の運転状態を常時監視しながら異常が発生した場合は、ビームの停止、関連機器の停止を 

行なって機器の損傷を最小限とするためにハードウェアとソフトウェアの 2 重構造とした。ハー 

ドウェアによるインターロックは、機器の破壊に直結する重要なもの、又はローカル運転時に必 

要なものをリレー等により行っており、ソフトウェアでは各 UDC を介して一定周期毎に集めら 

れたステータス信号を GCU で一括チェックしている。パラメーターの設定に関するものは SCU 

においてチェックしている。 

各機器のステータス信号は、現場機器近傍の中継ユニットを経由して電源室内のディストリビ 

ューターに集められ、このディストリビューターにより行き先別に整理されている。 

9.11.1 建屋安全系 

建屋安全関係のインターロック機構のうち、サイクロトロンの運転条件に関わる信号の入出力 

を行う。 

9.11.2 電流値制限 

放射線遮蔽上の制限により、各イオン室で使用することができる粒子、エネルギー及びその電 

流値をそれぞれ制限する。 

イオン種、エネルギー、ビームコース、ファラデーカップ毎に定義されたビーム電流制限値を 

読み込み、各ファラデーカップで検出されたビーム電流値の変動平均をとり、これが制限値の 

105%を超えた場合は警告する。警告を発して 1 分を経過した場合、あるいは制限値の 150%を超 

えた場合は異常メッセージを出力し、イオン入射系のファラデーカップ(IS5)を閉じ、サイクロ 

トロンへのビームの入射を遮断する。 

9.11.3 インターロック機構動作時 

運転中の本体室又は当該イオン室内で作業スイッチ等建屋安全系のインターロック機構が動作 

した場合、速やかにサイクロトロン又はビームを停止する。 

9.12 更新制御システム(1998 年度~) 

サイクロトロンの建設時に設置した計算機は、H-ECR イオン源・イオン入射系の増設など制御 

システムの負荷の増大と計算機のパワー不足及び老朽化によるトラブルの頻発、さらに計算機・ 

コントロール・コンソール用ディスプレイ(タッチパネル)、計算機用シリアルインターフェース 

及び高速グラフィック表示用インターフェースなどの製造中止により、維持が困難となった。そ 

こで、1998 年度に計算機と一部の制御用ソフトウェアを更新し、1999 年度にシステム全系の制御 

ソフトウェアを追加し、総合運転制御が可能となった。制御システム全体構成と更新範囲を Fig.9.3 

に示す。既存の MTC インターフェース下位のハードウェア及び UDC のソフトウェア等を残し、 

上位のハードウェア(計算機システム、タッチパネルなどのインターフェース)及びソフトウェ 

アを更新した。 

- 85 -

UDC 

SCU♯1-1 SCU♯1-2 SCU♯2-1 SCU♯2-2 

UDC 

HUB 

GCU♯1 GCU♯2 

イオン源、入射系、 

イオン源、入射系、 

外部ビーム 

サイクロトロン本体系用 

サイクロトロン本体系用 

輸送系用 

MTC MTC MTC 

Optical Link 

UDC 

UDC 

UDC 

UDC 

UDC 

UDC 

I/O Boards and Interface for Control 

Power Supplies and Control Devices 

Fig.9.3 更新制御系の構成図 

UDC 

UDC 

GCU♯3 

H-ECR 

イオン源用イオン源用 

システムのハードウェアは SCU4 台、GCU2 台で構築し、100BASE の HUB で接続している。 

SCU 及び GCU は今後の互換性という観点から OA 用パソコンを採用した。計算機制御システム 

1セットは、SCU(タッチパネル付)2 台及び操作 BOX から構成している。操作 BOX は、エンコ 

ーダー6 個、安全停止スイッチ、非常停止スイッチ、アナログメーター1式から構成している。 

全系運転、イオン源単独運転ができるように同一機能のコントロールセットを 2 台配置し、同 

一卓において 1 名で全システムの運転・操作・監視が可能である。 

9.12.1 制御用計算機 


OA 用パソコン 

OS WindowsNT Workstation 

CPU Pentium 450MHz、メモリー128MB 

HDD 6.4GB、 CD-ROM ドライブ付 

カラーディスプレイ 21 インチカラー(タッチパネル付、SCU 用) 

17インチカラー(GCU 用) 

HUB 100BASE-T 

MTC VME 仕様 (Fig.9.4、Fig.9.5 参照) 

主要開発言語 In Touch、Delphi 

- 86 - 

UDC 

UDC


Fig.9.4 新 MTC ボード Fig.9.5 VME エクスパンダーに装着された 

MTC 

9.12.2 操作 BOX 

操作 BOX には、以下のものが組み込まれている。 

・ロータリーエンコーダー 

・安全停止スイッチ 

・非常停止スイッチ 

・フォルトリセットスイッチ 

・ブザーリセットスイッチ 

・コンソールロックスイッチ 

・ブザー 

・電流モニター用アナログメーター 

9.12.3 コントロール・コンソール 

更新したコントロール・コンソ 

ールの写真を Fig.9.6 に示す。制御 

操作は、基本的に CRT 表示とマウ 

ス方式として、タッチパネルとキ 

ーボードを併用し、操作・調整・ 

モニターの機能に CRT、画面レイ 

アウトを配置して操作性の向上を 

実現している。さらに、カラーCRT 

とタッチパネル等の組み合わせと 

色分けにより、情報の種類や重要 

度を区別するとともに、必要なパ 

ラメーターはグラフィックディス 

プレイに図式アナログあるいはデ 

ジタル表示が行え、ロータリーエ Fig.9.6 更新コントロール・コンソール 

- 87 -


ンコーダーなどにより速やかに調整及び監視ができる。Fig.9.7 に 1 例として外部ビーム輸送系の 

パラメーター選択画面の一つを示した。 

Fig.9.7 外部ビーム輸送系のパラメーター選択画面例 

9.12.4 ソフトウェア 

ソフトウェアの構築に当たっては、プログラムの構造の明確化、プログラム・プロセス間のデ 

ーターの受け渡し方法とタイミングに関しての規則を明確化し、この原則・規則を厳密に適用す 

るとともに、デバイスやパラメーターは既設制御システムと同じ名称・記号を用い、パラメータ 

ーのアクセスはその名称・記号によって行うことができる。パラメーターの授受は理論値又は物 

理値を持って行い、単位系は原則として国際単位系を使用した。Fig.9.8 に物理的意味を持たせて 

調整支援機能を充実させた調整画面の例を示した。 

OS は Windows NT を使用し、基本開発ツールは In Touch を使用した。 

1) SCU のシステム機能 

・ビーム条件選択と運転パラメーターの読み込み 

ビーム条件を選択すると、そのビームを生成、加速、輸送するための磁場、電場等の加速器 

システムの最適パラメーターをデータベースから読み込み、UDC を介して機器に設定し、 

表示。 

・パラメーターの調整 

生成されたビームの量や位置の微調整は、ロータリーエンコーダーを使用して実行。 

- 88 -

・運転パラメーターファイル管理 

調整されたパラメーターは、そのときのビーム条件と関連付けてデータベースに保存、後で 

再利用が可能。 

・システムのグラフィック表示 

イオン源のガス供給系や、真空排気システムの状態についてグラフィックで表示。 

・UDC 通信状態 

GCU と通信する UDC の状態(オンライン/オフライン、リモート/ローカル)の一覧表示。 

・放射線管理用 VAX6000 との通信 

放射線管理用計算機と一定周期で加速器システムやビームの状況を通知。 

・グラフィックパネル表示 

制御室内の加速器システム状態表示用グラフィックパネルに加速器システムやビーム状況の 

通知と表示。 

・音声モジュール制御 

制御室内に設置されている音声モジュールシステムに対して、加速器システムやビームの状 

況を通知し、設備内の放送システムを使って状況を通知。 

・ビーム電流制限処理 

9.11.2 の電流値制限で述べたように、イオン種、エネルギー、ビームコース、ファラデーカ 

ップ毎に定義されたビーム電流制限値と各ファラデーカップで検出されたビーム電流値の 

変動平均をとり、制限値の 105%以上で警告。警告を発して 1 分を経過、あるいは制限値の 

150%を超えた場合は異常メッセージを出力し、IS5 のファラデーカップを閉鎖。 

・GCU との通信 

オペレータの指令を 100BASE のネットワークを使って GCU に送信、GCU から機器のステ 

ータスやパラメーター情報を受信して表示。 

2) GCU システムの機能 

・UDC との通信 


UDC と 100ms 毎にリアルタイム通信を行い、機器の情報収集や SCU からの指令を送信。 

・機器固有パラメーターの管理 

加速器システムの偏差異常パラメーター等、ビーム条件に依存しない機器固有のパラメータ 

ーの管理と機器への設定。 

・SCU との通信 

UDC との通信で得た情報を SCU に送信、SCU からの指令を UDC を介して機器に伝達。 

9.12.5 通信 

パラメーターのサンプリング周期は、100ms 以内で、コントロール・コンソールへの表示周期 

は、250ms 以内でデジタル又はアナログ表示される。SCU と GCU は、各々必要な精度で同期の 

取れた時計を内蔵し、時系列が重要なデーターは時刻を添えて転送できる。 

- 89 -


Fig.9.8 物理的意味を持たせて調整支援機能を充実させた調整画面例 

- 90 -

10.ユーティリティー 

10.1 電源系 

10.1.1 全体構成 

サイクロトロン用電源は、3 相 3 線式 420V、3 相 3 線式 210V、単層 3 線式 210/105V であり、 

イオンビーム研究棟の電気機械室経由で、サイクロトロン電源室、イオン源室、純水冷却設備室、 

サイクロトロン制御室の分電盤に供給されている。消費電力の大きいサイクロトロン本体及びビ 

ーム輸送系には AC420V(3φ)が、イオン源・入射系と純水冷却設備には AC210V(3φ)を使 

用している。詳細については既に報告 20) されているので、ここでは概要にについて述べる。Fig.10.1 

に幹線受電系統概略図を示す。 

電源は、イオン源用電源、イオン入射系用電源、サイクロトロン用電源、外部ビーム輸送系用 

電源に分類される。各電源のうち、電磁石等には定電流電源、イオン源や共振器系には主として 

高電圧電源、駆動系などには定電圧電源が使用されている。電磁石電源は、低リップル型の安定 

化電源を採用し、発生する電磁ノイズ干渉(EMI)を低減するため、SCR 内蔵型ではなく可飽和 

リアクトル及びパワートランジスタを用いた方式とした。外部ビーム輸送系の電磁石は、電源の 

共用を図り、マグネット電源と負荷切替器により給電する方式とした。また、各電源筺体内には 

煙感知器を設置し、電源のインターロックとした。 

なお、TIARA 施設のために、中央変電設備には非常用系の EG 電源が付設されているが、給電 

される主要装置は放射線や人身の安全確保に必要な放射線監視装置、インターロック・安全表示 

設備、入退室管理装置、換気装置、エレベータ等であり、使用電力が大きいサイクロトロン装置 

には給電されていない。 

10.1.2 イオン源、イオン入射系用電源 

Table 10.1 にイオン源及びイオン入射系の電源の構成と基本性能を示す。 

電源名 

(設置台数) 

分析電磁石(EAM) 

(1 台) 

分析電磁石(HAM) 

(1 台) 

ステアリング電磁 

(IST)(7 台) 

ソレノイドコイル 

(ISD)(10 台) 

インフレクション 

電磁石(IIM) 

(1 台) 

Table 10.1 イオン源、イオン入射系の電源の構成と基本性能 

出力 

電流 


出力 

電圧 

安定度 

(8 h 当たり) 

125A 24.2V ±1×10 -5 

(12.5A-125A) 

125A 16.0V ±1×10 -5 

(12.5A-125A) 

7.5A 13.4V ±1×10 -4 

(0.75A-7.5A) 

252A 41.2V ±1×10 -4 

(25.2A-252A) 

90A 18.4V ±1×10 -5 

(9A-90A) 

- 91 - 

リップル制御方法 

1×10 -4 P-P 

(12.5A-125A) 

1×10 -4 P-P 

(12.5A-125A) 

1×10 -3 P-P 

(0.75A-7.5A) 

1×10 -3 P-P 

(25.2A-252A) 

1×10 -4 P-P 

(9A-90A) 

トランジスタ方式 

消磁機能付 


消磁機能付 


極性切換付 



極性切換付

偏向電磁石(IBM) 

(1 台) 

10.1.3 サイクロトロン本体系用電源 

47A 26V ±1×10 -5 

(4.7A-47A) 

1×10 -4 P-P 

(4.7A-47A) 

Table 10.2 にサイクロトロン本体系の電源の構成と基本性能を示す。 

電源名 

(設置台数) 

メインコイル 

(1 台) 

Table 10.2 サイクロトロン本体系の電源の構成と基本性能 

出力 

電流 


出力 

電圧 

安定度 

(8 h 当たり) 

900A 288.5V ±1×10 -5 

(90A-900A) 

マグネチックチャ 1300A 69.6V ±1×10 

ンネル 

(1 台) 

-4 

(130A-1300A) 

トリムコイル C1 600A 8.3V ±2×10 -4 

トリムコイル C2 700A 10.6V 

(60A-600A) 

±2×10 -4 


(70A-700A) 

±2×10 -4 


(30A-300A) 

±2×10 -4 


(30A-300A) 

±2×10 -4 


(15A-150A) 

±2×10 -4 


(20A-200A) 

±2×10 -4 


(20A-200A) 

±2×10 -4 


(20A-200A) 

±2×10 -4 


(30A-300A) 

±2×10 -4 


(62.5A-625A) 

±2×10 -4 


(80A-800A) 

±2×10 -4 

(20A-200A) 

- 92 - 


リップル制御方法 

1×10 -4 P-P 

(90A-900A) 

1×10 -3 P-P 

(130A-1300A) 

1×10 -3 P-P 

(60A-600A) 

1×10 -3 P-P 

(70A-700A) 

1×10 -3 P-P 

(30A-300A) 

1×10 -3 P-P 

(30A-300A) 

1×10 -3 P-P 

(15A-150A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

1×10 -3 P-P 

(30A-300A) 

1×10 -3 P-P 

(62.5A-625A) 

1×10 -3 P-P 

(80A-800A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

可飽和リアク 

トル+トランジ 

スタ方式 

可飽和リアク 

トル+トランジ 

スタ方式 

トランジスタ 

方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式

入射ハーモニック 

コイル 

(2 台) 

引出ハーモニック 

コイル 

(2 台) 


レンズ GL1 


レンズ GL2 


レンズ GL3 


レンズ GL4 

四重極電磁石 

(3 台) 

ステアリング 

電磁石 

(2 台) 

RF メインアンププ 

レート 

プリアンプコント 

ロールグリッド 

プリアンプスクリ 

ーングリッド 

メインアンプコン 

トロールグリッド 

メインアンプスク 

リーングリッド 


インフレクター 

(2 台) 

50A 10.7V ±2×10 -4 

(5A-50A) 

50A 23.1V ±2×10 -4 

(5A-50A) 

200A 20.9V ±2×10 -4 

(20A-200A) 

200A 20.9V ±2×10 -4 

(20A-200A) 

250A 25.9V ±2×10 -4 

(25A-250A) 

420A 23.2V ±2×10 -4 

(42A-420A) 

213A 37V ±1×10 -4 

(21.3A-213A) 

105A 65V ±1×10 -4 

(12A×2) 

24A 


(10.5A-105A) 

12kV (電圧) 

非安定化 

50mA -100V ±1×10 -3 

(5mA-50mA) 

120mA 400V ±1×10 -3 

(12mA-120mA) 

200mA -500V ±1×10 -3 

(20mA-200mA) 

1.0A 1500V 1×10 -3 

(0.1A-1.0A) 

1×10 -3 P-P 

(5A-50A) 

1×10 -3 P-P 

(5A-50A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

1×10 -3 P-P 

(20A-200A) 

1×10 -3 P-P 

(25A-250A) 

1×10 -3 P-P 

(42A-420A) 

1×10 -3 P-P 

(21.3A-213A) 

1×10 -3 P-P 

(10.5A-105A) 

(電圧) 

1% 

1×10 -3 P-P 

(5mA-50mA) 

1×10 -3 P-P 

(12mA-120mA) 

1×10 -3 P-P 

(20mA-200mA) 

1×10 -3 P-P 

(0.1A-1.0A) 

25mA -80kV 0.05%+5V 0.02%+2Vrms 

1mA 10kV 0.05%+5V 0.02%+2Vrms 

- 93 - 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 


方式 

摺動変圧器 


方式 


方式

10.1.4 外部ビーム輸送系用電源 


Table 10.3 に外部ビーム輸送系用電源の構成と基本性能を示す。 

Table 10.3 外部ビーム輸送系の電源の構成と基本性能 

電源名出力出力安定度リップル制御方法 

電流電圧 (8 h 当たり) 

四重極電磁石 213A 37V ±1×10 

(28 台) 

-4 

1×10 

(21A-213A) 

-3 P-P トランジスタ方式 

(21A-213A) 

80°分析電磁石 290A 160V ±1×10 

(TAM) 

-5 

1×10 

(29A-290A) 

-4 P-P 可飽和リアクトル+ト 

(29A-290A) ランジスタ方式 

スイッチング 525A 155V ±1×10 

電磁石(TSM) 

-5 

1×10 

(52.5A-525A) 


(52.5A-525A) ランジスタ方式 

55°分析電磁石 290A 125V ±1×10 

(TAMHE) 

-5 

1×10 

(29A-290A) 



45°偏向電磁石 325A 205V ±1×10 

(BM1,BM2) 

-4 

1×10 

(32.5A-325A) 



25°偏向電磁石 280A 150V ±1×10 

(BM3) 

-4 

1×10 

(28.0A-280A) 



90°偏向電磁石 325A 205V ±1×10 -4 

1×10 

(32.5A-325A) 


取出部 ST 電磁石 


水平方向 545A 15V ±1×10 

垂直方向 406A 6V 

-4 

(54.5A-545A) 

±1×10 -4 

1×10 

(40.6A-406A) 

-3 P-P 

(54.5A-545A) 

±1×10 -3 

可飽和リアクトル+ト 

ランジスタ方式 

(40.6A-406A) 

ST 電磁石 190A 35V ±1×10 -4 

±1×10 

(19A-190A) 

-3 

可飽和リアクトル+ト 


- 94 -

非常電源 

3Φ3W 6.6kV 500kVA 50Hz 

商用電源 

3Φ3W 66kV 7500kVA 50Hz 

VCB 

CTT 

VCB 

LBS 

LBS 

VCB 

VCB 

VCB 

VCB 

VCB 

VS-DT 

200kVA 

420/3Φ 420/3Φ 

3W 210V 

M M 

LBS 

LBS 

3Φ3W 3Φ3W 

300kVA 

6600/420 


1Φ3W 1Φ3W ターボ冷凍機 

200kVA 

6600/420-105 

1Φ3W 1Φ3W 

200kVA 

6600/420-105 

3Φ3W 3Φ3W 

500kVA 

6600/210V 

3Φ3W 3Φ3W 

750kVA 

6600/210V 

3Φ3W 3Φ3W 

1500kVA 1500kVA 

6600/420V 6600/420V 

3Φ3W 

1500kVA 

6600/420V 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

MCB 

I系統 

AC420V 

H系統 

AC210/105V 

G系統 

AC210V 

F系統 

AC105V 

E系統 

AC105V 

D系統 

AC210V 

C系統 

AC210V 

B系統 

AC420V 

A系統 

AC420V 

- 95 - 

純水冷却設備室 

分電盤 

サイクロトロン制御室 

分電盤 

イオン源室 

分電盤 

サイクロトロン電源室 

分電盤 

VCB:真空遮断器 

LBS:高圧交流負荷開閉器 

MCB:電磁開閉器 

VS-DT:双方向投入型真空開閉器 

CYC-POW-40 

MCB 

125A 

MCB 

200A 

MCB 

500A 

CYC-POW-10 CYC-POW-20 CYC-POW-30 

C8コイル 

CCC8 

C7コイル 

CCC7 

C6コイル 

CCC6 

C5コイル 

CCC5 

C4コイル 

CCC4 

C3コイル 

CCC3 

C2コイル 

CCC2 

C1コイル 

CCC1 

マグチャン 

CMC 

主コイル 

CMM 

Fig.10.1 イオン照射研究施設受電系統及びサイクロトロン本体420V系電源系統図 

イオン照射研究施設受電系統及びサイクロトロン本体420V系電源系統図

10.2 冷却系 

イオン源系、イオン入射系、サイクロトロン本体系、外部ビーム輸送系及びそれらの電源系等に 

設置される機器・装置のうち、発熱除去あるいは定温保持が必要となるものについては、十分な 

冷却あるいは正確な温度制御を行うことが必要である。 

サイクロトロンシステムの冷却系は、純水系と市水系の 2 系統から構成されている。純水系は 

さらにイオン源・イオン入射系、サイクロトロン本体系及び外部ビーム輸送系の 3 系統に分割さ 

れており、冷却水温度の可変範囲 25~30℃で、設定精度±1℃である。市水系は、主に真空排気系 

の冷却に使用しており、供給温度 15℃~20℃、交換熱量 19,000kcal/h、通水量 55 L/min である。 

冷却系の主要・基幹配管は SUS を採用しているが、各種コイル、ビーム診断機器、RF 系等の 

各負荷を直接冷却する部分には銅管が使用されている。また、サイクロトロン本体ヨーク部分、 

各電磁石及びビーム診断機器の冷却管連結部などについては、金属製可とう性管や高耐圧ゴムホ 

ース、あるいはシンフレックスチューブが用いられている。 

純水は、電磁石のコイル導体あるいは高電圧印加部分において絶縁体としての役目を果たすこ 

とから、導電率 1μS/cm(30℃)を確保することが必要であり、純水製造装置のイオン交換樹脂 

は混床式及び非再生式を採用した。 

10.2.1 全体構成 

Fig.10.2 に冷却系の系統図を示す。冷却系は以下の主要な機器・装置から構成されている。ま 

た、各系統の熱容量等を Table 10.4 に示す。流量は、イオン源・イオン入射系で 134 L/min、サイ 

クロトロン本体系で 841 L/min、真空系で 55 L/min、外部ビーム輸送系で 1697 L/min である。 

1) 熱交換器 

2) イオン交換樹脂塔 

3) 純水製造装置 

4) 送水ポンプ 

5) バルブ類 

6) 圧力計 

7) 温度計及びサーマルスイッチ 

8) 導電率計 

9) 流量計及びフロースイッチ 

10) 純水及び冷却水補給槽 

11) 水温制御装置 



- 96 -

流量計 

圧力ゲージ 

サーモメーター 

F 

F 

イオン交換樹脂塔 

純水 

P 

P 

T 

T 

膨張タンク 

膨張タンク 

導電率計 

循環ポンプ 

C 

T 

P 

熱交換器 

冷却塔 

44.8℃ 

F T P 

イオン源、イオン源、イオン源、 

入射系 

F 

T 

イオン交換 

樹脂塔 

147 /m 

P T 

T 

P 

32℃ 

119Mcal/h 

30±1℃ 

P P 

T 

P 

F T P 

C 

T TTT 

43.3℃ 

T 

P 

7℃ 

P T 

F T P 

冷却塔 



本体 

T F FFF 

イオン交換イオン交換イオン交換 

樹脂塔 

925 /m 

P T 

32℃ 

669Mcal/h 

30±1℃ 

P P 

T 

P 

F T P 

C 

- 97 - 

T TTT 

34.0℃ 

T 

P 

7℃ 

P T 

F FFF T P 

ビーム輸送系 

T F 

イオン交換イオン交換イオン交換 

樹脂塔 

1867 /m 

P T 

32℃ 

F FFF 

405Mcal/h 

30±1℃ 

P P 

T 

P 

F T P 

P 

C 

T 

P T 

7℃ 

19.8℃ 

チラー 

真空ポンプ系 

T F 

55 /m 

P P 

16Mcal/h 

15℃ 



P 

T 

クロスバルブ 

F FFF 

P 

T 

冷却水槽 

Fig.10.2 冷却水系統図

Table 10.4 冷却系統の熱容量と圧力損失 

系統名熱容量(kW) 圧力損失 

(kgf/cm 2 ポンプ圧力 

) (kgf/cm 2 ) 

基幹配管の 

サイズ 

イオン源・イオン入射系 139 6.0 9.5 40A 

サイクロトロン本体系 778 12.0 15.0 125A 

外部ビーム輸送系 471 6.0 9.0 150A 

真空系 19 2.0 5.0 25A 

10.2.2 各部仕様 

1) 熱交換器 

Fig.10.2 に示したように、熱交換器の 2 次系は、冷却塔からの循環ラインと冷却水槽からのラ 

インの 2 系統が必要であることから 2 段式とした。また、熱交換器は堅牢でコンパクトな構造で 

あり、熱効率も良好な SUS 製プレート式を採用している。 

2) イオン交換樹脂塔 

純水の導電率を 1μS/cm に保つために、主幹系統の全循環水量の約 1/10 を分流し、常時イオン 

交換樹脂塔を通して冷却水を精製する。樹脂は、放射性金属イオンの蓄積が考えられることから 

非再生式とし、放射性廃棄物として取り扱う。このため、イオン交換樹脂について、可能な限り 

有効に使い、廃棄樹脂量の低減を図ることが重要であることから、必要樹脂量を 2 分の1ずつ 2 

塔に分割し、樹脂の破過特性を考慮してこれを直列接続して通水する方式を採用した。Fig.10.3 

にイオン交換樹脂塔部分の系統図を示す。2 塔のイオン塔はそれぞれ 4 ヶ所のバルブの切り換え 

により通水順序を変更することができる。また、イオン交換樹脂量は、各配管等からのイオン溶 

出量、系統の通水流量、イオン交換樹脂の使用時間等から決めた。純水の接液面積は、SUS 材が 

カートリッジ 

フィルター 

P 

P 

差圧計 

PΔ 

P 

P 


基幹ライン 

S 

S 

Fig.10.3 イオン交換樹脂塔部分の系統図 

- 98 - 

P 

P 

基幹ライン 

圧力計 

サンプリング 

ポート 

S 

F


274.5m 2 、銅材が 688 m 2 と銅の方が多く、この銅のうち約 7 割が外部ビーム輸送系で占められて 

いる。イオン交換樹脂の算出量等を Table 10.5 に示す。イオン交換樹脂は、アニオン用(オルガ 

ノ製:IRN-77)とカチオン用(IRN-78)を等量混合して使用している。 

Table 10.5 イオン交換樹脂の量 

冷却系系統名接液面積 

(m 2 全イオン負荷 

) (eq/year) 

必要樹脂量 

(L) 

線速度 

(m/h) 

イオン源・イオン入射系 53.5 30 60 15.9 

サイクロトロン本体系 256 144 270 25.7 

外部ビーム輸送系 653 368 680 20.3 

3) 送水ポンプ 

1次側純水系統の送水ポンプは、接続部が SUS 製で、軸受け部での水密機能が確実なメカニカ 

ルシール方式を採用している。ポンプ起動条件は、熱交換器の 2 次側流量とし、停止条件は1次 

側流量と負荷側の入口水温としている。 

4) バルブ類 

バルブには自動バルブと手動バルブがあるが、原則として SUS 製を採用し、SUS 製のものが無 

い場合には金属イオンの水中への溶出を減らすため防錆処理したものを使用している。自動バル 

ブは圧縮空気で作動させ、停電時にはバルブが「閉鎖」する方式とした。手動バルブは、循環ポ 

ンプ、熱交換器、3 方弁等のメンテナンス用に設置している。 

5) 圧力計 

熱交換器の各系統出入口、イオン交換樹脂塔の出入口、循環ポンプ吸入及び吐出側等に直読式 

の圧力計を設置している。 

6) 温度計及びサーマルスイッチ 

温度管理を適切に行うため、系統の 26 ヶ所に温度計を設置した。このうち、3 系等の基幹ライ 

ンの送り側には測温抵抗体のデジタル温度計を採用し、この信号を用いて 3 方弁の開度を制御し、 

系統の温度制御を行っている。他の温度計は、SUS 製ケース入りの棒状直読式ガラス温度計であ 

る。サーマルスイッチは個別の冷却対象機器に設け、後述のフロースイッチと組み合わせて、イ 

ンターロック回路の構成に使用している。 

7) 導電率計 

基幹循環ライン 3 系統に設置し、常時導電率をモニターしている。導電率の測定範囲は 0.1~ 

100μS/cm であり、警報機能を有している。 

8) 流量計及びフロースイッチ 

各負荷機器には流量計及びフロースイッチを付加し、循環水ラインの戻り側に設置している。 

接点付流量計を主幹 4 系統ラインと熱交換器 2 次側冷却水及び冷水ラインの 6 ヶ所に設置し、系 

- 99 -


統循環ポンプの起動・停止などのインターロックに使用している。 

9) 純水及び冷却水補給槽 

冷却系は密閉循環回路となっているが、水温の変化に起因する体積変化及び系統水量の自動給 

水等の目的から、高架の補給槽を設置している。これにより、1) 配管中の水温上昇による膨張を 

吸収し、配管内圧力を一定に保持する、2) 配管系統からの水の漏洩あるいは減少時に自動補給を 

行なう、3) 配管中に混入した空気あるいは発生ガス等を除去する、ことができる。この補給槽は、 

純水冷却系統の1次側及び 2 次側の市水冷却系に、それぞれ容量 1.5 m 3 のもの計 2 基を設置して 

いる。なお、純水系統の水槽は、水質を維持するために窒素ガス雰囲気に保持されている。 

10) 水温制御装置 

主幹系統純水の温度制御は、熱交換器入口側の冷却水を 3 方弁によりその出口側にバイパスさ 

せ、このバイパス流量を調節する方式となっている。3 方弁は圧縮空気駆動式で、弁体はダイヤ 

フラムである。 


本装置は純水補給槽に純水を供給するもので、市販型の樹脂量 35 L の FRP 製イオン交換樹脂 

塔 2 基を直列接続して使用しており、純水製造容量は 500 L/h である。この装置の市水入口側に 

は活性炭フィルターを、純水出口側には 1μm フィルターを設置している。 

12) 冷却水槽 

イオンビーム研究棟地階に 1000 m 3 の大容量冷却水槽を設置し、この水槽で生成される冷水を 

棟内の冷房及び発熱機器の冷却に使用している。設計仕様値では、熱交換機 2 次側への入口冷水 

温度は 12℃となっており、サイクロトロン装置の冷却では屋上に設置されている冷却塔の補完的 

機能を分担している。 

10.3 ガス・圧縮空気系 

10.3.1 窒素ガス系 

窒素ガスは、真空機器の置換ガスとして使用しており、液体窒素貯蔵施設から供給され、送出 

圧力は 2 kgf/cm 2 で、真空機器近傍で減圧して使用している。窒素ガスを供給する必要容積の積算 

値は 11.5 m 3 であり、このうちサイクロトロン本体が 6.8 m 3 である。 

10.3.2 圧縮空気系 

圧縮空気は、各種圧空式バルブ、ロータリーシャッター、ファラデーカップ及びプロファイル 

モニターなどのビーム診断機器の駆動シリンダー、冷却系統の 3 方弁等で使用しており、供給側 

圧力約 7 kgf/cm 2 である。設置されている圧空式作動機器の全容量は、イオン源・イオン入射系で 

47 NL(Normal Liter)、サイクロトロン本体系で 43 NL、ビーム輸送系で 192 NL、冷却系で 5 NL 

が見込まれた。 

- 100 -


11.付帯設備 

付帯設備として、サイクロトロンの運転保守における作業者の放射線被曝の低減化、作業の効 

率化、人身の安全確保のための自動化設備、あるいは機器・装置の状態を表示するグラフィック 

パネルを設置している。 

11.1 自動化設備 

サイクロトロンの保守・管理における放射線被曝の低減化を目的として、保守頻度が高くかつ 

放射線のレベルの高いエリアでの作業時間の短縮化を図るとともに、高放射化が想定されるデフ 

レクター、インフレクター及びプラーを対象として、自動引き抜き又は遠隔操作可能な搬送装置 

を設けた。また、取り外された電極部はいずれも本体ピット室区域の放射能冷却室に保管し、一 

定期間冷却して線量当量率が作業可能レベルまで減衰した後に保守する方針とした。 

11.1.1 デフレクター搬送システム 

デフレクター(DEF)はサイクロトロン 

の構成機器のうちもっとも放射化が大きい 

部分であり、保守・修理作業時等の放射線 

被曝を低減化するために、遠隔操作による 

搬送装置を設置している。自動化による作 

業工程は、1) デフレクター自身の後退・前 

進、2) デフレクター台車の後退・前進、3) 

ターンテーブルでの旋回、である。ターン 

テーブルにより放射能冷却室への落とし込 

み口で所定の方向に旋回したデフレクター (a) デフレクターは台車で所定位置まで走行 

し電極の向きを 90 度回転 

(b) クレーンにて吊り上げられ遠隔操作で (c) 放射能冷却室内の静置架台上で一定期間冷却 

放射能冷却室へ移動 (架台下部からの外観) 

Fig.11.1 デフレクター搬送システムの写真 

- 101 -

は、天井走行クレーンを用いてガイドフレームに沿って放射能冷却室内に吊り降ろされる。一連 

の作業の様子を Fig.11.1 の(a)~(c)に示す。 

11.1.2 インフレクター電極交換システム 


インフレクター(INF)電極は、加速ハーモニック数変更毎に交換することが必要であり、こ 

の交換作業は複雑な手順でかつ時間を要するため、交換作業時の安全確保と迅速化を図るために 

交換システムを設置した。一連の電極交換作業のうち、人手作業としては上ヨーク上での先端電 

極交換作業のみである。インフレクター本体の脱着は、現場作業盤にて、各機器の起動・停止を 

確認しながら原則として複数者で操作する。Fig.11.2 にインフレクター電極交換システム外観と 

電極交換部の写真を示す。 


Fig.11.2 インフレクター電極交換システム 

の写真(左:全景、右:電極交換部) 

11.1.3 プラー電極交換システム 

プラー先端電極についても加速ハーモニック数変更毎に交換することが必要であり、この交換 

作業は複雑かつ時間を要するため、交換作業時の安全確保と迅速化を図るために交換システムを 

設置した。交換作業における人手作業としては、インフレクター電極と同様に電極交換作業のみ 

である。プラー本体の脱着は、1 階床上の現場作業盤にて、各機器の起動・停止状態を確認しな 

がら、決められた手順にしたがって操作する。Fig.11.3(左)にプラー電極自動引き抜きシステム 

全体を、Fig.11.3(右)に電極の引き抜き完了時の状態の写真を示す。写真中央部に上下平行平板 

構造のプラー電極支持ステムと電極先端が見える。 

- 102 -

Fig.11.3 プラー電極引き抜きシステム全体(左)とプラー電極引き抜きの様子(右) 

11.2 グラフィックパネル 

サイクロトロン全系ステータス表示用グラフィックパネルを、天井から懸架する方式で制御室 

に設置した。Fig.11.4 にグラフィックパネルの写真を示す。 

表示内容を以下に示す。 

1) 電磁石系電源起動及び異常表示 

2) 高圧電源起動及び異常表示 

3) ファラデーカップ開表示 

4) 真空排気系運転表示 

5) ロータリーシャッター開表示 


6) ビームスキャナー運転及び異常表示 

7) ビームバンチャー運転及び異常表示 

8) ビームチョッパー運転及び異常表示 

9) デジタル表示 

・ECR 引出電圧・H-ECR 引出電圧 

・マルチカスプイオン源引出電圧・サイクロトロン真空度 

・サイクロトロンメインコイル電流・サイクロトロン CH2 ディー電圧 

・サイクロトロン CH1 ディー電圧・サイクロトロン DEF 電圧 

・サイクロトロン INF 電圧・メイン磁場 

・粒子種・RF 周波数 

・エネルギー・加速ハーモニック数 

・ビーム電流・ビームコース 

- 103 -


Fig.11.4 グラフィックパネル 

- 104 -

12.安全設備 

12.1 安全表示設備 

12.1.1 非常停止スイッチ 

サイクロトロンを安全に停止するためには一定のシーケンスで停止させる必要があるが、運転 

中に緊急・異常事態が発生した場合、真空排気系と冷却系を除くサイクロトロンの全系を直ちに 

停止させるために、制御コンソール部分に非常停止スイッチを設置している。 

12.1.2 警報用ブザー 

ビームを加速あるいは輸送する前に警報を発するため、以下の場所に警報ブザーを設置してい 

る。 

・サイクロトロン本体室 

・サイクロトロンピット室 

・ビーム振り分け室 

・各イオン室 

・本体室地下通路 

12.1.3 音声モジュールによる放送 

対象となるイオン室等へのビーム輸送前に、ページング装置により音声モジュール放送を行う。 

・出力 LINE OUT、SPEAKER OUT 

・発生時間最大 40 秒 


12.2 インターロック系 

12.2.1 インターロックの構成 

サイクロトロンのインターロックは、以下の基本的要素から構成されている。 

1)サイクロトロン非常停止スイッチ、安全停止スイッチ 

2) サイクロトロン本体室、ケーブル中継室、イオン室の遮蔽扉・安全扉、扉緊急開スイッチ 

3) サイクロトロン本体室、ケーブル中継室、イオン室の作業安全スイッチ 

4) 換気、ハロン消火設備の信号 

5) ロータリーシャッター(RS)の開閉 

6) ファラデーカップ(FC)の開閉 

7) 入室者の有無 

8) 放射線モニター 

12.2.2 インターロック構築の基本的な考え方 

サイクロトロン棟内で作業をする人の放射線被曝を防止するために、ハード的及びソフト的な 

2 重のインターロック機構を構築している。インターロックの構築に当たっては、サイクロトロ 

ン装置や制御システムは必ず故障する、あるいは運転員は誤操作するということを前提として、 

システムにおいて誤操作や誤動作による障害が発生した場合、常に安全側にインターロックが動 

作する、即ちフェイルセーフ (Failsafe) となるように設計されている。インターロックを構成す 

- 105 -


る場合の基本的な要件は、以下の通りである。 

1) 当該室内に人がいないこと。 

2) 当該室出入り用の遮蔽・安全ドアが閉じていること。 

3) 放射線遮蔽壁の外側の作業エリアにおける放射線レベルが管理基準値以下であること。 

4) 関連区域の換気が動作していること。 

5) 安全作業スイッチが動作していないこと。 

12.2.3 運転状態の定義 

「サイクロトロンの運転」とは、ディー電圧が「ON」(ディー電極に高電圧が印加されている) 

の状態と定義する。したがって、「サイクロトロンの停止」とは、ディー電圧が「OFF」の状態と 

なる。「調整運転」とは、サイクロトロンが運転状態であって、外部ビーム輸送系のビーム診断ス 

テーション TS1 (Fig.7.1 参照) 以降の全てのファラデーカップ(FC)が「閉」及び全てのロータリー 

シャッターが「閉」の状態をいう。「照射」とは、サイクロトロンが運転状態であって外部ビーム 

輸送系の TS1 の FC が「開」、あるいは選択されているコースの RS が「開」、または選択されて 

いるコースの RS の上流の FC が「開」の状態をいう。「RF メンテナンスモード」とは、サイクロ 

トロンのメインプローブが「中心位置」、イオン入射系の偏向電磁石(IBM)が「OFF」、イオン入射 

系ビーム診断ステーション IS5(Fig.6.1 参照)の FC が「閉」、及び建屋安全系要素の状態が正常 

である場合のみ可能となる運転モードであり、サイクロトロン本体室の扉が「開」の状態で、デ 

ィー電圧を「ON」にすることができる。 

12.2.4 インターロックの条件 

サイクロトロン運転のインターロック条件を Fig.12.1 に示した。ここに示された全ての条件が 

成立しない限り運転することができず、また、運転中でインターロック条件が不成立となった場 

合は瞬時に停止される。 

Fig.12.1 に示したインターロック条件の他に、各イオン室内には「ビーム電流制限値」を設定 

している。これは、放射線防護の観点から遮蔽設計に関わる最大中性子発生量を超えるビーム電 

流値での運転を不可能とするための措置であり、各 FC 位置において加速粒子の種類及びエネル 

ギーに応じてビーム電流制限値を設けている。ビーム電流制限値を超えて運転した場合は、イン 

ターロックが動作してサイクロトロンへのビームの入射を遮断する。 

安全停止スイッチは、運転員が緊急にサイクロトロンを停止することが必要と判断した場合に 

使用するもので、このスイッチを操作するとサイクロトロンは直ちに停止し、IS5 の FC が閉とな 

る。 

- 106 -

制御室内のインターロック項目状態 

・安全停止スイッチ OFF 

・非常停止スイッチ OFF 

サイクロトロン室のインターロック項目状態 

・サイクロトロン室扉閉 

・ケーブル中継室扉閉 

・扉緊急開スイッチ OFF 

・安全作業スイッチ OFF 

・入室者の検知不在 

・換気動作 

調整モード時のインタロック項目状態 

・サイクロトロン直後のFC 閉 

・RS前の全てのFC 閉 

・全てのRS 閉 

「調整」モード 


照射モード時のインタロック項目状態 

・当該室全ての扉閉 

・全扉緊急開スイッチ OFF 

・全安全作業スイッチ OFF 

・入出者の検知不在 

・換気動作 

ビーム輸送コース選択時の 

当該室のインターロック項目状態 

・RS前の全FC 閉 

・全RS 閉 

「照射」モード 

Fig.12.1 サイクロトロン運転のインターロック条件 

12.3 自動表示系 

サイクロトロン本体室入口(地階及び1階)近傍には、サイクロトロンの運転状態を示す自動 

表示装置を、また、各イオン室、ケーブル中継室の出入口近傍にはビーム輸送・照射に係る状態 

を示す自動表示装置を設置した。サイクロトロン本体室に設置した自動表示装置は、「運転」、「停 

止」、「入室禁止」及び「入室可」を表示しており、一方イオン室等では、「照射」、「運転」、「停止」、 

「入室禁止」及び「入室可」の表示内容となっている。 

- 107 -

12.4 建屋安全系グラフィックパネル 

建屋安全系グラフィックパネルは、主に人身の安全確保に関連する種々の機器・装置を対象と 

して、各室の入退室に関わる状態の信号を表示するとともに、これらの信号はインターロックを 

構成する要素となっている。 

本パネルに表示される信号は、以下のとおりである。 

1) ガンマ線モニターの管理レベル(設定値) 

2) 中性子モニターの管理レベル(設定値) 

3) 作業スイッチ信号 

4) 入室者の有無 

5) 換気装置の運転状態 

6) 緊急扉開スイッチの動作信号 

7) ハロゲン消火装置の動作信号 

8) ロータリーシャッター開閉信号 

9) サイクロトロン運転中信号 

10) イオン室内ビーム照射信号 

12.5 安全監視用 CCTV 


安全システムの補助装置として、サイクロトロン運転開始前あるいはビーム輸送する前に、当 

該室内に人がいないことの目視確認、あるいは機器に異常がないことの安全確認のために、施設 

内に合計 26 台を設置している。主要なカメラは、遠隔操作で制御室内から上下、左右の首振りと 

ズーム及びフォーカス調整可能で、制御室内の天井懸架方式のカラーモニター画面に、最大 9 分 

割して 9 ケ所の画像を同時にモニターできる。 

12.6 放射線モニター 

放射線モニターは、サイクロトロン棟内の照射施設に関わる放射線レベルの測定、監視及び照 

射室内作業等の安全確保のために設置しており、サイクロトロン本体室・イオン室内に設置した 

直接運転に関連するプロセスモニターと、廊下や作業エリアを常時監視するエリアモニターとに 

大別される。プロセスモニター用放射線モニターは、当該室内に入室する時のインターロックと、 

加速器の運転状態やビーム輸送状態などの間接的な情報把握にも使用される。 

サイクロトロン本体室、本体ピット室、ビーム振り分け室、各イオン室内にはプロセスモニタ 

ーとして、それぞれ中性子用とガンマ線用モニター検出器1対が設置されている。サイクロトロ 

ン棟内全体としては、ガンマ線モニター18 台、中性子線モニター14 台の合計 32 台、4 台のダス 

トモニター及び 2 台のガスモニター、さらにエックス線モニター1 台が設置されている。 

検出された放射線測定値は、放射線管理用コンピューターで常時データー収集・記録されてい 

るが、制御室内の放射線監視盤の打点式アナログ記録計でも紙上記録される。また、測定値が設 

定された警報レベル値を越えた場合は警報を発生するとともに、イオン室等入口扉開放及びサイ 

クロトロン運転可能条件等を構成するインターロック信号も出力する。 

- 108 -


13.性能試験 

13.1 本体磁場測定 

13.1.1 磁場測定方法 

主電磁石は Fig.4.3 に示した 

ように、H 型構造で重さ 220 ト 

最大電流 

最終設定値X101% 

ンの鉄ヨークから構成されてい 

最終設定値X99% 

る。このため、残留磁場の影響 

を最小にして磁場を精度良く再 

出 

力 

最終設定値 

現するために、サイクリック励 

磁を行う。サイクロトロン主電 

磁石のサイクリック励磁パター 

電 

流 

3分 3分 3分 3分 

ンを Fig.13.1 に示す。その手順 

は、1) 主コイル定格電流 900A 

50A 

で最大磁場レベルまで励磁する。 

2) コイル電流を 50A に下げ、 

励磁レベルを低くする。3) 必要 

時間 

な励磁レベルより 1%高くなる Fig.13.1 サイクロトロン電磁石のサイクリック 

よう主コイル電流を調整する。 

4) 必要な励磁レべルより 1%低 

励磁パターン 

くなるように主コイル電流を調整する。 5) 主コイル電流を必要な電流にセットする。この一連 

のサイクリック励磁を 30 分かけて行った後に、サーキュラートリムコイル及びハーモニックコイ 

ルの電流値をプレセット値にセットする。 

中心平面での磁場強度分布は、主コイル、トリムコイル、及びハーモニックコイルについて、 

半径(r)及び方位角(θ)を変えて測定した。使用したホール素子は Siemens SBV601-S1 で、長 

さ 50mm、幅 34mm、厚み 20mm の PMMA (Polymethyl-methacrylate)製の治具に取り付けた。治具 

内部の温度は、制御装置で 50℃一定に保持した。このホール素子の温度係数は、0.007%/℃であ 

る。治具は、半径方向(r)を 20mm ステップ、方位角方向(θ)を 1.8°ステップで移動させて 

測定した。移動はステッピングモーターにより行い、位置はエンコーダーで読み取った。移動時 

の位置設定精度は、Δr が±0.2mm、Δθは±0.034°である。 

13.1.2 メインコイル磁場 

Fig.13.2 に励磁電流 120A から 850A までの間で変えたときのサイクロトロン半径方向の相対磁 

場分布 (rは半径、r0 は半径 500mm)を示す。また、Fig.13.3 に引き出し半径 923mm 

における励磁レベル 10 点を測定して得られた励磁曲線を示す。引き出し半径における最大平均磁 

場強度は、900A で 1.64T である。ファーストハーモニック成分は、Fig.13.4 に示したように、全 

測定範囲において 4×10 -4 Br ()/ Br ( 0) 

T 以下であった。このファーストハーモニック磁場は、13.1.4 項に示すハ 

ーモニックコイル磁場を調整することによって補正可能である。 

- 109 -

平均磁場 (T) 

相対磁場強度 

B(r)/B(r 0 ) 

1.1 

1.0 

0.9 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 


0 500 

半径(mm) 

1000 

0.2 

0 200 400 600 800 1000 

メインコイル励磁電流メインコイル励磁電流 (A) 

引出半径 

923mm 

Fig.13.3 引き出し半径 923 mm における励磁曲線 

120A 

285A 

340A 

400A 

470A 

585A 

675A 

760A 

850A 

Fig.13.2 半径方向の平均磁場分布(半径 r=500mm で規格化) 

- 110 -

8 

6 

4 

2 

磁場強度 (×10-4 10 

磁場強度 (×10 T ) -4 10 

T ) 

0 

0 200 400 600 800 1000 

半径 (mm) 

850A 

720A 

400A 

120A 

Fig.13.4 各励磁電流におけるファーストハーモニック磁場成分の動径分布 

13.1.3 トリムコイル磁場 

トリムコイル磁場測定は、メインコイル磁場 3 点(120A、585A、850A)に対し、内側のトリ 

ムコイルから 1 つずつ励磁して、磁場を重畳しながら順次測定していく方法で行った。Fig.13.5 

にメインコイル励磁電流 585A のときの各トリムコイル(C)の平均磁場分布を示す。各トリムコイ 

ルの励磁電流は C1:500A、C2:600A、C3:300A、C4:300A、C:5150A、C6:100A、C7:100A、C8:100A、 

C9:300A、C10:625A、C11:600A、C12:200A である。また、Fig.13.6 と Fig.13.7 にメインコイル電 

流 120A 及び 850A における、各トリムコイルの励磁電流の極性を反転させた場合の平均磁場分布 

について示した。各トリムコイルの励磁電流は C1:-500A、C2:-300A、C3:-300A、C4:-300A、C5:-150A、 

C6:-200A、C7:-200A、C8:-200A、C9:-300A、C10:-300A、C11:-800A、C12:-200A である。メイン 

コイル磁場が飽和している領域では、トリムコイル磁場の大きさはメインコイルによるベース磁 

磁場強度 (×10-2 磁場強度 (×10 T) -2 T) 

4 

3 

2 

1 

0 

C1 

C2 


C3 

C4 

C5 

C6 C7 C8 

半径 (mm) 

C10 

C9 

0 200 400 600 800 

C11 

C12 

1000 

Fig.13.5 メインコイル励磁電流 585A のときの各トリムコイルによる磁場分布 

- 111 -

磁場強度(×10-2 磁場強度(×10 T) -2 磁場強度(×10 T) -2 T) 

磁場強度(×10-2 磁場強度(×10 T) -2 T) 

1 

0 

-1 

-2 

-3 

-4 

-5 

-6 

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 

0 200 400 600 

半径(mm) 

800 1000 

場に強く依存しており、850A のベース磁場でのトリムコイル磁場強度は、120A のときに比べ約 

50%に減少している。 

C12 

C11 


したときの磁場分布 

0.5 

0 

-1 

-2 

-3 


C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 

C12 

C11 

0 200 400 600 800 1000 

半径(mm) 


したときの磁場分布 

- 112 -

13.1.4 ハーモニックコイル磁場 

Fig.4.3 に示したように、ハ 

ーモニックコイルは中心領域 

と引き出し領域の上下バレー 

部分にそれぞれ 2 対設置され 

ており、2 対のハーモニック 

コイルは互いに逆極性で励磁 

されている。中心領域のハー 

モニックコイルは、主に入射 

イオン軌道のセンタリングに 

用いられ、引き出し領域のハ 

ーモニックコイルはビーム引 

き出しのためのターンセパレ 

ーション等軌道修正に用いら 

れる。Fig.13.8 に、メインコ 

イル 850A におけるハーモニ 

ックコイルで作られる 1st ハ 

ーモニック成分の動径分布を示す。図中の(Ⅰ)は中心領域、(Ⅱ)は引き出し領域のハーモニッ 

クコイルによる動径分布を示し、それぞれのコイルには 50A を通電している。Fig.13.8 に示した 

メインコイル 850A(1.635T)の時に、ハーモニックコイルで作られる 1st ハーモニック成分は半 

径 r=200mm、860mm でそれぞれ 1.7×10 -3 T、2.7×10 -3 4 

3 (Ⅰ) (Ⅱ) 

2 

1 

0 

0 200 400 600 800 1000 

半径 (mm) 

Fig.13.8 メインコイル 850A におけるハーモニックコイル 

50A で得られる 1st ハーモニック成分の動径分布 

T である。 

磁場強度 (×10-3 磁場強度 (×10 T) -3 T) 

13.1.5 等時性磁場 

実際にビームを加速・引き出すために必要な等時性磁場が設計とおりに作られているかを確認 

するために、75MeV H + 

1.40 

の場合についてメインコ 

1.38 

計算値 

イル電流 585A のときの 

1.36 

実測値 

計算より求めた磁場分布 

と実測した磁場分布との 

1.34 

比較を行った。磁場測定 

1.32 

により求められたメイン 

イル磁場分布、トリムコ 

1.30 

イル磁場分布を用いて等 

1.28 

時性磁場を作るための最 

1.26 

適コイル電流値を求めて 

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 作った磁場分布と、実際 

半径(mm) 

にそれらの電流を通電し 

Fig.13.9 75MeV H て測定した磁場分布を 

Fig.13.9 に示す。引き出 

し半径(923mm)より小 

+ の等時性磁場を作るための最適コイル 

電流値を用いて作った磁場分布と実測磁場分布の 

比較 

磁束密度 (T) 


- 113 -

さい半径では、計算で求めた磁場分布と実測した磁場分布が 1.0×10 -3 T 以内で再現している。 

13.1.6 垂直入射グレーザーレンズ磁場 

イオン源からビームが入射する 

サイクロトロンの中心軸に沿った 

垂直穴について、Z=0~1500mm 

(Z=0 は加速平面上)の範囲を、 

ΔZ=10mm の間隔で Z 軸方向の磁 

場成分を測定した。メインコイル 

850A、585A、120A の各励磁電流 

でグレーザーレンズの電流を最大 

電流、最大電流の 1/2、通電なし 

の 3 点で各々4 個のレンズを同時 

励磁して測定した。Fig.13.10 にメ 

インコイル 850Aのときの各グレ 

ーザーレンズ励磁電流最大値のと 

きの垂直入射穴内の磁場分布を示 

す。横軸はサイクロトロンの加速 

中心平面からの距離を、縦軸は磁 

場強度を示す。 

磁場強度 (T) 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0. 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 

加速平面からの距離加速平面からの距離 (cm) 

Fig.13.10 垂直入射穴内の軸方向のグレーザー 

レンズの磁場分布 

13.1.7 マグネチックチャンネル磁場 

マグネチックチャンネルについては、メインコイルの励磁電流 850A、585A、120Aでマグネ 

チックチャンネルコイルの励磁電 

1.6 

1.4 

I main :850A 

流 0A、650A、1300A の場合につ 

いてビームが通過するコイル中心 

1.2 

付近での磁場を測定した。測定結 

1.0 

0.8 

I main :585A 

果を Fig.13.11 に示す。また、Table 

13.1 に各励磁電流による磁場の減 

0.6 

少量(0A との差)を示す。メイン 

0.4 I main :120A 

コイルのいずれの励磁電流におい 

0.2 

ても、マグネチックチャンネルの 

励磁電流に比例して磁場強度を下 

0 650 1300 

励磁電流 (A) 

げることができ、ビーム軌道を大 

きく外側に逸らすことができる。 

Fig.13.11 マグネチックチャンネルの励磁電流と Fig.13.11 の横軸はマグネチックチ 

メインコイル磁場の変化量の関係 

ャンネルの励磁電流(A)で、縦 

軸は磁場強度(T)を示している。 

磁場強度 ((T) 


- 114 -

13.1.8 グラジエントコレクター磁場 

グラジエントコレクター磁場を測定したときの座標系を Fig.13.12 に示す。グラジエントコレク 

ター磁場は、グラジエントコレクターの内部及び入口・出口部近傍のメディアンプレーン上でメ 

インコイル 850A、585A、120A の励磁電流で z 方向の磁場成分を測定した。 

Fig.13.13 にメインコイル 850A のときのグラジ 

エントコレクターの 2 次元磁場強度分布を示す。y 

軸はディー電極の中心軸であり、x 軸はy軸との 

直交線である。y方向については、-1149mm、 

スパイラルセクター 


-1183mm、-1217mm、1251mm の 4 点について示 

している。 

グラジエントコレクターの内部においては、x 

サイクロトロン中心 

軸に沿ってほぼ一定の磁場が形成されている。 

ビーム 


一方、グラジエントコレクターのy方向の位置 


に応じてほぼ線型的に磁場強度が変化し、x 軸の Fig.13.12 グラジエントコレクター磁場 

-540mm~-750mm 間で(dBz/dy)=一定のグラジエン 

ト磁場作られている。Fig.13.14 に x 方向-650 

mm におけるy方向の磁 

測定の座標系 

場分布を示した。図から 

明らかなように、-y 方向 

0.8 



からの距離(mm) 

の数値が大きくなる程、 

0.6 

-1251 

即ち、サイクロトロン中 

心から離れる程磁場強度 

0.4 

-1217 

が大きくなっており、こ 

れによりビームの水平方 

0.2 

-1183 

向の集束力を得ている。 

0 

-1149 

Fig.13.14 の場合の磁場勾 

-215 

-375 

配は 4.4T/m である。 

-535 

-695 

-895 

磁場強度 (T) 


Table 13.1 マグネチックチャンネルコイルの励磁電流(0A、650A、1300A)による 

メインコイル磁場強度変化(メインコイル励磁電流 850A、 585A、 120A) 

マグチックチャンネ Imain=850A 

ルコイル励磁電流(A) ΔB(×10 -1 Imain=585A 

T) ΔB(×10 -1 Imain=120A 

T) ΔB(×10 -1 T) 

0 0 0 0 

650 -2.1633 -2176.1 -2.1734 

1300 -4.2935 -4.3156 - 

1 

3 

5 

7 

9 

-x -x 

11 

13 

X方向距離(mm) 

X方向距離(mm) 

15 

17 

Fig.13.13 グラジエントコレクターの磁場分布 

(主コイル励磁電流 850A) 

- 115 - 

yy 

ディー電極中心軸 

ディー電極中心軸 

-y -y 

y(mm) y(mm) 

xx

13.2 共振器の性能 

共振器の性能試験では、ショート板位置をコントローラーの電圧値により設定し、共振周波数 

をネットワークアナライザーで測定した。このときコンペンセータはディー電極とのギャップが 

最小となる位置(キャパシタンスが最大となる位置)に設定した。この条件で以下の性能試験を 

実施した。Fig.13.15(a)は Q 値及びシャントインピーダンス計測の場合、Fig.13.15(b)はピックアッ 

プ校正の場合についての測定系のブロック図を示した。 


ディー 

ピックアップ 

6 

磁場強度 (×10 

磁場強度(kgauss) 

-1 磁場強度 (×10 T) 

磁場強度(kgauss) 

-1T) 5 

4 

3 

2 

1 

0 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

真空管 

グラジエントコレクタ磁場分布 

1 2 3 4 

-1149 -1183 -1217 -1251 

(a) (b) 


y方向距離(mm) 

y(mm) 

RF IN ネットワーク 

アナライザ 

RF OUT 


Fig.13.14 グラジエントコレクター内のグラジエント磁場 

(x=-650mm、メインコイル 850A) 

Fig.13.15 測定系のブッロク図 

- 116 - 

真空管 


ディー 

ピックアップ 


INPUT 2 ベクトルボルト 

メータ 

INPUT 1 

信号発生器

13.2.1 共振周波数とショート板位置関係 

Fig.13.16 に実測したショート 

板設定位置と共振周波数の関係 

を示す。CH1はデフレクター側、 

CH2 はグラエントコレクター 

側の共振器を示す。同じショー 

ト板位置で CH1 の方が CH2 に 

比べて 140~170kHz 小さいが、 

問題となる大きさではない。ま 

た、ショート板の全ストローク 

1350mm に対して、設定できる 

共振周波数範囲は、10.5 ~ 

22.2MHz である。 

Fig.13.16 ショート板位置と周波数の関係 

13.2.2 Q 値 

Q 値の共振周波数依存性を Fig.13.17 に示す。CH1 と CH2 に若干の差はあるが、これはキャビ 

ティーが長い間空気に曝されていたために銅表面が酸化し、ショート板のコンタクトフィンガー 

と外筒及び内筒との接触が良くないために測定むらがでたものである。コンタクトフィンガーを 

押し付けたままショート板を移動して接触具合を良くすると改善する。得られた Q 値は、 

f0=11MHz のとき 7500、f0=22MHz のとき 4500 である。いずれも 1/4 モデルテストでの結果と良 

い一致を示した。 

13.2.3 シャントインピーダンス 

ディー電極先端付近(r=500mm)に既知のキャパシタンス(ΔC=10pF)を付加することによる共 

振周波数のズレからシャントインピーダンス Rs を求めた。すなわち、共振器全体を L(インダク 

タンス)、C(キャパシタンス)、Rs の並列共振回路と考えると、共振する角周波数ω0 は(20)式で 

表わされる。 

1 

ω 0 = …(20) 

LC 

したがって、ΔC を付加した場合の角周波数ωは、(21)式で表される。 

, 1 

ω = 

…(21) 

LC ( +ΔC) 

(20)式と(21)式の関係から、(22)式が得られる。 

⎛ω0⎞ ⎜ 1 , 

ω 

⎟ − 

Lω0 

= 

⎝ ⎠ 

ΔCω 

2 

0 



…(22) 

24 

22 

20 

18 

16 

14 

12 

10 

- 117 - 

0 1000 2000 

0 1000 2000 

ショート板位置ショート板位置 (V) 

CH1 

CH2

(22)式から、シャントインピーダンス Rs は、次式により求められる。 

Rs=QLω0、 … (23) 

(23)式において、シャントインピーダンスを求めるときの Q 値は 13.2.2 項で求めた値を使用し 

た。Fig.13.18 に CH2 のシャントインピーダンスの共振周波数依存性を示す。f0=10.5MHz で 

Rs=270kΩ、f0=22.2MHz で Rs=88kΩ である。 

Q 値 

シャントインピーダンス (kΩ) 

8000 

7000 

6000 

5000 

4000 

10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 20 22 22 24 24 

300 

200 

100 



CH1 

CH2 

Fig.13.17 Q 値の共振周波数依存性 

0 

10 12 14 16 18 20 22 24 


Fig.13.18 シャントインピーダンスの共振周波数依存性 

13.2.4 高調波特性 

Fig.13.19 に計測した共振周波数スペクトルを示す。メインの共振周波数以外にショート板の 

位置に依存した高調波成分が f=30MHz、60~70MHz 及び 120MHz に存在している。これらは、 

ループカップリング部と並列につないだループキャパシタンスを変えると共振周波数がシフトす 

ることから、カップリングループ部の共振成分と考えられる。ループ部の共振周波数がもとの RF 

の整数倍になるとループでのパワーロスが非常に大きくなり、場合によってはアンプを壊すこと 

- 118 -

になるので、注意が必要であることが分かった。 

Amplitude 

Amplitude 

f 0 =18MHz 

f 0 =12MHz 

10 20 30 50 100 (MHz) 10 20 30 50 100 (MHz) 

f 0 =15.9MHz 

f 0 =22MHz 

10 20 30 50 100 (MHz) 10 20 30 50 100 (MHz) 

13.2.5 補償周波数域 

コンペンセータ(キャパシティブチュ 

ーナ)により補償される周波数域を 

Fig.13.20 に示す。Fig.13.20 は、CH2 の最 

高共振周波数と最低共振周波数について 

のギャップと補償周波数の関係を示した 

もので、コンペンセータとディー電極の 

ギャップは 8~50mm の間で変えて測定 

した。f0=22MHz のときの補償範囲はΔ 

f=380kHz である。ショート板位置設定 

の精度と再現性は共に 50kHz 程度である 

ことから、このコンペンセータの補償範 

囲で十分に同調が可能である。 


Fig.13.19 共振周波数スペクトル 

Δf (kHz) 

300 

300 

200 

200 

100 

100 

f f0=22.237MHz 0=22.237MHz 

0=22.237MHz 

0=22.237MHz 

10 20 30 40 50 

コンペンセータとディー電極間のギャップコンペンセータとディー電極間のギャップ (mm) 

13.2.6 ディー電圧ピックアップの校正 

ローレベル信号を用いて、ディー電圧のピックアップ信号レベルの周波数特性を校正するため、 

0 

- 119 - 

f =10.5857MHz 

Fig.13.20 コンペンセータによる補償 

周波数範囲 

0

ネットワークアナライザーからのシグナルをメインプレート部に容量結合させて入力し、ピック 

アップ電極及びディー電極の半径 r=450mm のエッジにセットしたプローブの出力シグナルをベ 

クトル電圧計で測定した。Fig.13.21 にピックアップ電圧とディー電圧の比の共振周波数依存性を 

示す。ピックアップ比は、f0=10.4MHz で約 1400、f0=22MHz で約 1000 である。この周波数依存 

性のデーターからディー電圧モニターの校正を行った。 

ピックアップ比 

1500 

1400 

1300 

1200 

1100 

1000 

900 

10 12 14 16 18 20 22 24 


CH1 

ピックアップ比 

1500 

1400 

1300 

1200 

1100 

1000 

CH2 

900 

10 12 14 16 18 20 22 24 


Fig.13.21 ピックアップ電圧とディー電圧の比の共振周波数依存性 

13.2.7 ディー電極上のディー電圧分布 

ディー電極の加速ギャップエッジの 3 ケ所 (r=450、650、930mm) にベクトル電圧計のプロー 

ブを取り付け、半径方向のディー電圧分布を測定した。測定した電圧比を Fig.13.22 に示す。 

r=930mm での電圧は r=450mm での電圧の約 95%であり、ディー電圧の大幅な変化は見られない。 

ディー電圧比 V (930) /V (450) 

1.0 

0.9 

0.8 

10 12 14 16 18 20 22 

周波数 MHz) 


24 

ループインピーダンス(Ω) 

ループインピーダンス(Ω) 

4000 

3000 

2000 

1000 

22MHz 

19MHz 

21MHz 20MHz 

17MHz 15MHz 

0 50 150 250 350 

ループキャパシタンス (pF) 

13MHz 

11MHz 

Fig.13.22 ディー電極上の電圧比 Fig.13.23 ループキャパシタンスとループ 

インピーダンスの関係 

13.2.8 カップリング部インピーダンス 

ループカップリング部にシグナルを入力し、共振周波数毎にループキャパシタンスを変えてメ 

- 120 -

インアンプの負荷インピーダンスの変化を調べた。Fig.13.23 にループキャパシタンスとループイ 

ンピーダンスの相関を共振周波数毎に調べた結果を示す。共振周波数が大きくなるにつれ、ルー 

プインピーダンスは上がっている。ループインピーダンスは、カップリング部でのパワー損失に 

関係しており、ループインピーダンスが大きいほどパワー損失が少なくなる。従って、ループキ 

ャパシタンスは大きく設定してループインピーダンスが大きくなるようにするのが良いが、 

13.2.4 高調波特性の項で述べたように、ループ部での高調波が共振周波数の整数倍とならないよ 

うにすることが必要で、実際の設定値はパワーテストの結果を見て決めた。 

13.2.9 ディー電圧発生 

パワー試験は 10.6MHz~22MHz の周波数領域において実施し、90MeV H + の加速周波数である 

21.14MHz で最大ディー電圧 60kV が達成された。メインアンプのプレート電圧は 0.96~8.3kV、 

プレート電流は約 3A であるので、アンプのパワーは 3~25kW、スクリーングリッドに流れる電 

流は 300mA 以下である。プリアンプのプレート電流は 300mA、スクリーン電流は 6mA 以下で、 

いずれも定格値より十分下回る値であった。Fig.13.24 にディー電圧とアンプパワー、負荷パワー 

の関係を示す。図の各周波数の上段の点はプレートに入力したパワーであり、下段が負荷に伝わ 

ったパワーである。低い周波数(11MHz)では、ループキャパシタンスの効きが弱く、インピー 

ダンスが小さいためにループ部でのパワーロスが比較的大きい。 

ディー電圧の電圧リップルと位相リップルを検波器を用いて測定した。電圧リップルの測定結 

果を Fig.13.25 に示す。電圧リップルは1×10 -3 より小さく、また位相のリップルは 0.3°以下であ 

った。また、電圧安定度と位相安定度は全周波数領域においてそれぞれ±1×10-3 以下、±0.5°以 

下であり、必要性能を満たしている。 

パワー (kW) 

40 

30 

20 

10 

11MHz 

13MHz 

22MHz 

16MHz 

19MHz 

0 

30 40 50 60 70 

ディー電圧 (kV) 


リップル比 

0.0003 

0.0002 

0.0001 

CH2 

CH1 

0.0000 

10 12 14 16 18 20 22 


Fig.13.24 ディー電圧とアンプパワー(黒塗) Fig.13.25 ディー電圧のリップル比 

及び負荷パワー(白抜き)の関係 

13.2.10 ディー電圧の見積り 

ディー電圧は磁場や RF 周波数と異なり、総ターン数や中心領域のビーム軌道等に依存するた 

め一義的に定式化できる量ではないが、加速に必要なディー電圧を見積もるための方法としては 

次の 3 通りがある。 

- 121 -

(1)Constant Orbit 法 

(2)引出部ターンセパレーションの評価 

(3)中心領域の軌道計算 

これらは、独立して取り扱わず、3 つを過不足なく満たすようなディー電圧を設定することが 

重要である。また、技術的には電圧上限は放電の発生が限度となり、約 100kV/cm が限界とされ 

ている。 

1)Constant Orbit 法 

サイクロトロンでは多種類のイオンを幅広いエネルギー範囲で加速するために、4.1.3 諸元で述 

べたように加速ハーモニックモード H=1、2、3 による運転が可能である。多種類のイオンの加速 

エネルギーを変えるためのサイクロトロン運転パラメーターは、統一的な考えで算出・管理する 

ことが合理的であることから、TIARA では Constant Orbit 法を採用した。 

2 つのディー電極を有するサイクロトロンでイオンが加速されるとき、1ターン当たりのエネ 

ルギーゲインは次式で示される 6) 。 

Hθ ⎛ Hθ 

⎞ 

Δ E = 4QeVdsin sin⎜Φ 

0 + ⎟ 

2 ⎝ 2 ⎠ …(24) 

ここで、Q:電荷数、Vd:ディー電圧(ピーク値)、H:加速ハーモニック数、θ:ディー電極開 

き角(86°)、Φ0:ディー電極入射時の RF 位相である。従って、Constant Orbit 法では回転数 N 

がイオンの種類、エネルギーによらず一定とするので、等時性が保持されている条件ではイオン 

の加速エネルギーは次式で表せる。 

Hθ ⎛ Hθ 

⎞ 

E = N⋅Δ E = 4NQeVdsin sin⎜Φ 

0 + ⎟ 

2 ⎝ 2 ⎠ …(25) 

この Constant Orbit 法を採用することにより、同じ加速ハーモニックモードではイオン種及びエ 

ネルギーが異なっても、ビームの加速回転軌道を常に一定とすることができる。このため、加速 

回転軌道を一定とするために必要である加速エネルギー毎のディー電圧を容易に求めることがで 

きる。Table 13.2 に各加速ハーモニック数における基準パラメーターを示す。実際には、ディー電 

圧を厳密に校正していないため、ターン数は目安である。 

Table 13.2 Constant Orbit 法で求めたエネルギーとディー電圧 

H イオン種エネルギーディー電圧 Vd Φ0 ΔE ターン数 

1 H + 90MeV 60kV +45° 0.164MeV 550 

2 

3 


40 Ar 13+ 460MeV 34kV 0° 1.739MeV 265 

40 Ar 8+ 175MeV 34kV -45° 0.833MeV 210 

2)ターンセパレーションによる電圧評価 

非相対論的取り扱いでのイオンの運動量(p)は、 

pMeV ( / c) = 2mT= 300QBr 

…(26) 

で表わされる。ここで T は運動エネルギー(MeV)、m はイオン質量(MeV/c 2 )、B は磁場(T)、r は 

半径(m)を示す。両辺を微分すると次式が導かれる。 

- 122 -

2m 

⎛∂B ⎞ 

⋅Δ T = 300Q⎜ 

r+ B⎟Δr 2 T 

⎝ ∂r 

⎠ 

2 

(300 Q) ⎛∂B ⎞ 

∴Δ T = Br⎜ r+ B⎟Δr m ⎝ ∂r 

⎠ 

…(27) 

…(28) 

ここで、 40 Ar 8+ 175MeV の場合のメインプローブのプロファイルデータから、r=220mm、Δ 

r=12mm、B=1.635T、 ∂B/ ∂ r = 0とすると、ΔT 

は 1.01(MeV)となり、Vd は 0.041MV となる。 

仮に、ディー電圧の ACTUAL 値の Vd=0.0364MV からターンセパレーションを評価すると、 

ΔT=0.90MeV であるので、Δr=9.9mm となる。 

13.3 ECR (OCTOPUS) イオン源性能 


Table 13.3 に ECR イオン源によるイオン生成の試験結果を示す。 

Table 13.3 ECR イオン源におけるイオン生成電流(単位:eμA) 

電荷数 He C N O Ne Ar Kr Xe 

1 83 170 370 140 

2 325 121 128 300 147 

3 70 140 190 136 113 

4 50 97 92 102 

5 7 93 116 

6 18 120 58 78 

7 10 20 95 4 

8 115 35 10 

9 85 44 17 

10 47 19 

11 13 38 18 

12 4 19 

13 1 31 19 

14 0.2 18 

15 17 

16 17 

17 13 

18 12 

19 10 

20 8 

21 4.8 

22 3.5 

23 1.5 

- 123 -

Fig.13.26 に Kr と Ar について、OCTOPUS イオン源の性能試験結果を示す。Kr の場合には Kr 17+ 

を、Ar の場合には Ar 8+ を最適調整したときの多価イオン分布を示す。また、Fig.13.26 には、ルー 

バン大学のサイクロトロンに設置されている OCTOPUS 1 号機の試験結果も併せて示した 21) 。ル 

ーバン大学の1号機は、TIARA が採用した 2 号機の共振空洞、多重極磁石等の構造及び寸法と同 

じであるが、1 号機のメインステージ(第 2 ステージ)の RF 周波数は 8.5GHz であり、ECR 磁場 

強度は 0.3043T である。一方、TIARA の 2 号機の RF 周波数は 6.4GHz であり、ECR 磁場強度は 

0.2291T である。Fig.13.26 に示したように 8.5GHz の場合、最適調整した価数のイオンより多価の 

イオンがより多く生成している。一方、最適調整イオンより低価数のイオンは 6.4GHz イオン源 

の方が多く生成しており、RF 周波数の違いにより説明される。 

ECR イオン源では、発生した高エネルギーの電子の制動放射により X 線が発生することが良く 

知られている。OCTOPUS 2 号機の ECR イオン源では O 6+ 生成時で 2nd ステージに 700W のパワ 

ーを入れたとき 2nd ステージ表面から 1mの位置で 37μSv/h が発生したが、X 線の強度は遮蔽材 

の種類と 2nd ステージの RF パワーに依存している。そこで、主な X 線発生源となる 2nd ステー 

ジチェンバーの周囲に鉛板を厚み 50mm となるよう積層して設置するとともに、コイル間ギャッ 

プや TMP の取り付け部には鉛板を厚み 22mm となるように積層して設置した。しかし、構造上 

の問題から鉛板で完全に遮蔽することは困難であり、イオン源周囲には鉄及び鉛板によるフェン 

スを設け、立ち入り制限するとともに、X 線モニターを設置した。 

イオン電流強度(相対) 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

11 13 15 17 18 

電荷数 


Kr 

イオン電流強度(相対) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0 

Ar 

6 7 8 

電荷数 

9 11 

Fig.13.26 ECR(OCTOPUS)イオン源によるイオン生成試験結果 19) 

■は 6.4GHzイオン源(TIARA)の結果 

■は 8.5GHz イオン源(ルーバン大)の結果 

Fig.13.27 に OCTOPUS 2 号機の ECR イオン源で生成した 40 Ar 8+ についてのエミッタンスの測定 

例を示す。Fig.13.27 は ECR イオン源の引出電圧 9.5kV で測定したもので、80%エミッタンスで、 

垂直方向 113πmm・mrad、水平方向 145πmm・mrad であった。このエミッタンスの値は、文献 

値の 200πmm・mrad 12,13,14) に比べ小さく、またイオン入射系のイオン光学計算では 400πmm・ 

mrad まで輸送可能な設計としており、問題ないことが確認された。 

- 124 -

18mm 

18mm 

-18mm 

-18mm 

-18mm 

-51mrad -51mrad 51mrad 51mrad -51mrad 

-51mrad 

51mrad 51mrad 

Fig.13.27 ECR イオン源で生成した 40 Ar 8+ の位相空間分布(右:垂直方向、左:水平方向) 

13.4 マルチカスプイオン源性能 

マルチカスプイオン源の調整パラメーターは、アーク電圧、アーク電流、ガス流量、プラー電 

圧及びプラー位置のみである。このイオン源のプラー電極の形状は、当初直径 6.5mm の単孔を採 

用したが、ビームの拡がりが大きく、ビーム損失が非常に大きいことが判明した。そこで、直径 

1.8mm の孔 9 個の多孔型プラー電極に変更した。これにより、20kV の引出電圧において H + で 

1.1mA、D + で 1.0mA の引出電流を達成した(Table 13.4 参照)。この多孔型プラー電極は、イオンビ 

ームによるスパッタリングの影響が大きいため、He 2+ イオン生成の場合にはマルチカスプイオン 

源を使用せず、ECR イオン源で生成することと 

した。Fig.13.28 に H + H イオン生成量に対するアー 

5 

ク電流とアーク電圧の関係を示す。 

4 

510 

3 

209 

2 

1 60 

+ itensity (μ A) 

Table 13.4 マルチカスプイオン源 

によるイオン生成電流 

引出電圧 H + D + 

20.0kV 1.1mA 1.0mA 

アーク電流(A) 

0 

0 50 100 150 200 

アーク電圧(V) 

Fig.13.28 H + 生成におけるアーク 

電圧・電流依存性 

13.5 H-ECR (HYPERNANOGAN) イオン源性能 


10.0kV 0.81mA 0.76mA 

3.0kV 0.44mA 0.37mA 

H-ECR イオン源は、金属イオンを生成するために固体試料用加熱オーブンと金属ロッド導入装 

置を装備している。また、メインガス 5 種類、サポートガス 2 種類、パージガス(N2)も装備して 

いる。Table 13.5 に H-ECR イオン源によるイオン生成試験結果を示す。H-ECR の RF 周波数は 

14.5GHz であり、ECR (OCTOPUS)イオン源の 6.4GHz より高い。このため、相対的に多価重イオ 

- 125 -

ンの生成割合が大きく、Ar 14+ 及び Xe 24+ で顕著な差が見られる。また、MIVOC (Metal Ions from 

Volatile Compounds )法により、常温で一定以上の蒸気圧を持つ有機金属化合物であるフェロセン 

Fe(C5H5)2 を用いて、鉄(Fe)イオンを生成している。 

Table 13.5 H-ECR イオン源におけるイオン生成試験結果 

イオン種ビーム電流(eμA) 備考 

O 6+ 1000 

Ar 8+ 550 

Ar 14+ 10 

Xe 24+ 27 

Pb 25+ 14 金属オーブン使用 

13.6 イオン入射系ビーム輸送 

実ビーム試験により、このイオン光学系のビーム透過効率を調べた結果を Table 13.6 及び 

Table13.7 に示す。Table 13.6 は ECR イオン源を使用した場合について示したもので、イオン透 

過効率はイオン種とビーム電流にほとんど依存していない。 

一方、マルチカスプイオン源を用いた場合は、引出電圧とビーム電流によりイオン透過効率が 

大幅に異なっている。ビーム電流が大きい場合、ビームラインのアクセプタンス以上にビームの 

拡がりが大きくなるためにビーム電流値が低下している。ビーム電流が少ない場合では、引出電 

圧に依らず 90%以上の透過効率を確保している。 

Table 13.6 ECR イオン源からサイクロトロンまでのビーム透過効率 

イオン種引出電圧 ES2 での電流 ES2 IS1 IS3 IS5 

(kV) 値(eμA) 

Ar 8+ 10 58 0.91 0.83 0.83 0.78 

He 2+ 

8.5 

255 0.94 0.92 0.92 0.84 

22 0.91 0.91 0.91 0.86 

Table 13.7 マルチカスプイオン源からサイクロトロンまでの H + イオンビームの透過効率 

引出電圧(kV) IS1 での電流値 

(eμA) 

IS1 IS3 IS5 

12.5 16 1.00 0.99 0.96 

8.7 

3.1 


1.6 1.00 1.00 0.94 

760 1.00 0.84 0.58 

96 1.00 0.79 0.68 

500 1.00 0.60 0.48 

- 126 -

13.7 ビーム試験 

13.7.1 ビーム加速 

サイクロトロンの建設時に実施した性能試験の結果を Table 13.8 に示す。Table 13.8 に示した引 

出効率(%)は、サイクロトロンから引き出される前の半径 900mm におけるメインプローブの 

電流値 Ip とデフレクター後のマグネチックチャンネル入り口プローブ電流値 Im の比(Im/Ip)×100 を 

示した。また、透過効率(%)は、イオン源分析電磁石直後のビーム電流値 It とサイクロトロン 

から引き出された直後のファラデーカップの電流値 Ic の比(Ic/It)×100 を示した。 

イオ 

ン種 

H + 

Table 13.8 主なイオン種の加速と引き出し効率 

エネルギー H 周波数入射電圧引出電流値引出効率透過効率 

(MeV) 

(MHz) (kV) (eμA) (%) (%) 

10 2 14.97 3.10 10 54 3.8 

45 1 15.46 8.67 30 85 4.0 

90 1 21.14 16.11 10 53 2.0 

35 2 19.70 11.00 41 71 4.6 

50 1 11.76 9.53 21 63 7.2 

4 2+ 

He 20 2 10.67 3.40 5.5 55 11 

100 1 11.81 10.15 10 51 6.4 

40 8+ 

Ar 175 3 15.14 10.06 3.0 60 5.7 

40 13+ 

Ar 460 2 16.24 11.71 0.011 26 2.8 

84 20+ 

Kr 520 2 11.98 8.81 0.045 72 20 

36 8+ 

Ar 195 3 16.82 10.24 2.4 50 10 

D + 


13.7.2 位相プローブによる等時性磁場の補正 

Table 13.2 で示したように、K110 AVF サイ 

クロトロンにおけるイオンの総回転数(ター 

ン数)は H=1 のとき 550 ターン、H=2 のとき 

265 ターン、H=3 のとき 210 ターンである。 

ターン数が多いため、等時性磁場からのわず 

かなズレにより、ビーム軌道とビーム位相が 

大きく影響される。磁場のズレとビーム位相 

の変化の関係は、 

B 

φ 2πN 

B 

Δ 

Δ = …(29) 

表わされる。例えば、磁場を理想的な等時性 

からΔB/B=1×10 -4 Fig.13.29 イオンビームにより誘起された 

だけ増加あるいは減少 

位相プローブのピックアップ 

することにより、引き出し位置でのビーム位 

シグナル 

相のドリフト量は 20°にもなる。このため、 

等時性磁場をきちんと生成するためにトリムコイルを用いた磁場調整が不可欠である。 

- 127 -

メインコイル及びトリムコイルの磁場測 

定データーから計算により求めたコイル電 

流値を設定して発生させた実際の磁場では、 

完全な等時性磁場を作ることが難しく、若 

干のズレを生じている。Fig.4.33 に示した 

位相プローブを用いて、イオンビームが平 

行平板型電極間を通過するときに生じるピ 

ックアップシグナルをモニターしながらト 

リムコイルの励磁電流を操作することによ 

り、10 対の電極で生じるピックアップシグ 

ナルの時間を合わせる、すなわちビームの 

位相を合わせることにより、等時性磁場を 

作ることができる。Fig.13.29 にイオンビー 

ムにより誘起されたピックアップシグナル 

の一例を示す。図に示した電圧信号は 40dB 

の高速増幅器と可変減衰器を用いて調整したもので、2 番目の電極からのピックアップシグナル 

との相対的な位相差をデジタルストレージオシロスコープにより測定した。各トリムコイルに関 

する励磁電流の補正は、等時性磁場からの磁場のズレが最小となるように、最小二乗法により行 

った。位相のズレは、2~3 回調整を繰り返すことにより±5°以内に調整することができる。 

次に、位相プローブを用いて調整した等時性磁場がきちんと形成されているかどうかをチェッ 

クした。理想的な等時性磁場から一定量の磁場を増減することにより、引き出し位置でのビーム 

位相に差が発生することを利用して、ここでは磁場(ΔB/B)を増減する代わりに、より設定の 

再現性のよい加速周波数の一定量の増減(Δf/f)により引き出し領域におけるビーム位相の差を 

計測した。 

まず、位相プローブのピックアップシグナルを計測しながらトリムコイルにより位相差がゼロ 

となるように本体磁場を調整し、磁場の変わりに加速周波数をΔf/f=2×10 -4 から 5×10 -4 の間で変え 

て位相の変化を計測した。Fig.13.30 にΔf/f=±2.6×10 -4 変えたときの 45MeV H + の位相変化を示す。 

サイクロトロンの中心バンプ磁場の影響が無い半径 20cm のところから、等時性磁場として計算 

した結果を実線で示しており、実験値と 2°以内の良い一致を示している。この結果から、1×10 -4 60 

40 

⊿f/f=-2.6X10 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

0 20 40 60 80 100 

半径 (cm) 

T 

以内で等時性磁場が形成されており、また位相プローブの測定結果は信頼できることが明らかと 

なった。 

-4 

⊿f/f=+2.6X10-4 60 

40 

⊿f/f=-2.6X10 

20 

⊿f/f=0 

0 

-20 

-40 

-60 

0 20 40 60 80 100 

半径 (cm) 

-4 

⊿f/f=+2.6X10-4 ⊿f/f=0 

Fig.13.30 RF 周波数を変えたときの 45MeV H + 

の位相の変化。実線は計算結果、 

○印は実験値 

位相Φ(度) 位相Φ(度) 


13.7.3 デフレクター電場の評価 22) 

既に述べたように、サイクロトロンの引出系は静電デフレクター、マグネチックチャンネル及 

びグラジエントコレクターから構成されている。この領域では半径方向の磁場勾配が非常に大き 

く、ビーム挙動の詳細な解析は容易でない。デフレクターの電場分布も高圧電極とセプタム電極 

の位置関係と機械的なギャップに関連して変化するために、単純ではない。デフレクターの電場 

は等価磁場減衰として次式で表わされる 23) 。 

ε 

Δ B = 

…(30) 

300× 

β 

- 128 -

ここで、ΔB の単位は T、εはデフレクターの電場で kV/cm、βは v/c である。従って、デフレ 

クターの入り口近傍の電場は、次式で表せる。 

3 2 

10 mv ΔB 

ε = × × …(31) 

cρQ B 

0 0 

ここで、B0 はデフレクター電極入口の曲率半径 ρ0 における方位角方向に沿った平均磁場であ 

る。磁場減衰比ΔB/B と曲率半径が一定の場合、電場は mv 2 /Q に比例する。Fig.13.31 と Table 13.9 

に mv 2 /Q に及ぼすデフレクター入口での粒子の電場依存性について、各種粒子での運転結果を示 

す。いずれの粒子、エネルギーにおいても電場はほぼ mv 2 /Q に比例しているが、90MeV H + のこの 

比例関係から外れた条件でビームが引き出されていることが分かった。これはサイクロトロンの 

実運転では、デフレクター電極における放電やリーク電流の影響を少なくし、90MeV H + を安定に 

引き出すために、より低い電場を用い他の粒子に比べ外側の位置(大きな半径)でビームを引き 

出していることが分かる。 

ε (kV/cm) 

200 

150 

100 

40 Ar 13+ 460MeV 460MeV 460MeV 

H + H 70MeV 

+ H 70MeV 

+ 70MeV 

H + H 45MeV 

+ H 45MeV 

+ 45MeV 

H + H 90MeV 

+ H 90MeV 

+ 90MeV 

D + D 50MeV 4He2+ 100MeV 

+ D 50MeV 4He2+ 100MeV 

+ 50MeV 4He2+ 100MeV 

50 

0 

0 20 40 60 80 100 

mV2 H 

/ Q (MeV) 

+ 84 20+ Kr 520MeV 

D 40Ar8+ 175MeV 

10MeV 

+ D 

10MeV 

+ 4 

35MeV He2+ 50MeV 

50 

0 

0 20 40 60 80 100 

mV2 H 

/ Q (MeV) 

+ 84 20+ Kr 520MeV 

D 40Ar8+ 175MeV 

10MeV 

+ D 

10MeV 

+ 4 


50 

0 

0 20 40 60 80 100 

mV2 H 

/ Q (MeV) 

+ 84 20+ Kr 520MeV 

D 40Ar8+ 175MeV 

10MeV 

+ D 

10MeV 

+ 4 



ε (kV/cm) 

140 

120 

100 

80 

60 

900 902.5 905 907.5 910 912.5 

デフレクター位置デフレクター位置デフレクター位置 (mm) 

Fig.13.31 運転により得た mv 2 /Q と Fig.13.32 70MeV H + 引き出し時のデフレク 

デフレクター入口におけター入口位置と平均電場の関係 

る電場強度の関係 ○は計算値、■は実測値 

Fig.13.32 に 70MeV H + におけるデフレクターの入口位置と電場の関係に関して実測値と計算値 

を示す。平均電場はデフレクター電極の入口位置、中間位置、及び出口位置の平均値を示してい 

る。電場強度の計算値は、インフレクターの出口から中心粒子をトレースしてデフレクター入口 

での粒子の位置と運動量を求め、電極の位置とギャップは実測値を用い、さらに電場を出口ギャ 

ップの中心位置に粒子が来るように決めた。計算値は実際の電場より約 5%高い。 

- 129 -

Table 13.9 粒子加速試験で得た mv 2 /Q とデフレクター入り口位置における電場の関係 

ε(kV/cm) ion mv 2 /Q 

(MeV) 

Q B (T) H 

19 

20 

21 

49 

54 

62 

67 

93 

95 

114 

115 

140 

160 

He 

D 

H 

Ar 

He 

Kr 

D 

Ar 

H 

He 

D 

H 

H 

13.7.4 エミッタンス測定 


10 

10 

10 

175 

50 

520 

35 

460 

45 

100 

50 

90 

70 

サイクロトロンから引き出されたビームが位相空間で占める面積を 7.4.4 項で述べたエミッタ 

ンスモニターを用いて測定した。エミッタンスモニターは、2 セットのビームスリットと水平及 

び垂直方向の位置認識可能なマルチワイヤー電極から構成されている。スリットは厚み 12mm の 

銅板、電極は直径 0.1mm のタングステンワイヤー48 本で作られている。175MeV 40 Ar 8+ でエミッ 

タンスを測定したときの位相空間内粒子分布を Fig.13.33 に示す。 

実測した 80%エミッタンスは、水平方向 14.0πmm・mrad、垂直方向 9.9πmm・mrad であり、 

設計時の目標値の 15.9πmm・mrad より小さいことが明らかとなった。 

7mm 7mm 

-7mm -7mm 

-10.3mrad 10.3mrad -10.3mrad 

10.3mrad 

Fig.13.33 位相空間内の粒子分布(175MeV 40 Ar 8+ ;左図は水平方向、右図は垂直方向) 

13.7.5 ビームバンチャー性能 

6.6 項で述べたように、バンチャーはサイクロトロンの中心水平平面より上流の 1581.6 mm の 

位置に設置されている。バンチャーは λ/2 モードの 2 ギャップクライストロン型であり、高電圧 

電極は二つの接地電極の間に設置されている。Table 6.1 に示したように、電極の理想的なギャプ 

- 130 - 

2 

1 

1 

8 

2 

20 

1 

13 

1 

2 

1 

1 

1 

0.5 

0.7 

0.5 

1.6 

1.1 

1.6 

1.3 

1.6 

1.1 

1.6 

1.6 

1.5 

1.3 

2 

2 

2 

3 

2 

2 

2 

2 

1 

1 

1 

1 

1

ビーム電流相対強度 


は加速モードにより異なり、H=1 のとき 40.8mm、 

H=2 のとき 25.1mm、H=3 のとき 19.9mm であるが、 

本設計ではギャップを 29mm とし、全イオンに対し 

てバンチング効率 2.5~3が平均して得られるように 

した。バンチング効率は、サイクロトロンの半径 

200mm でメインプローブを用い、バンチャーの ON、 

OFF による電流値の変化を測定して求めた。 

Fig.13.34 にメインプローブで計測した 45MeV H + の 

電流値の変化を示す。実測したバンチング効率は、 

H=1 のとき 2.7 倍(45MeV H + で計測)、H=2 のとき 2.7 

倍 (460MeV 40 Ar 13+ で計測)、H=3 のとき 2.5 倍 

Fig.13.34 バンチャー効率の実測例 (175MeV 40 Ar 8+ (%) 

50 

バンチャーON バンチャーOFF 

25 

0 

0 10 20 30 40 

時間(分) 時間(分) 

で計測)が得られた。 

13.8 シングルパルスの生成 

サイクロトロンでは、1μs~1ms 間隔のビームパルスを幅広いイオン種及びエネルギー範囲に 

わたって作り出すことを目的に、ビームチョッピング系を開発した。ビームチョッピング系は、 

イオン入射系のサイクロトロンヨーク入口直前に設置したパルス電圧型(P)チョッパーとサイク 

ロトロン出口後のビーム輸送系に設置した正弦波電圧型(S)チョッパーの組み合わせからなり、い 

ずれの電極も平行平板型である。 

Fig.13.35 にシングルパルスを形成する原理を示す。P チョッパーはイオン源からの直流ビーム 

を、幅がサイクロトロンの加速 RF の数周期、間隔が 1μs~1ms のビームパルスを形成し、S-チ 

ョッパーは各パルス群の中から 1 バンチを取り出す。Pチョッパー電極を通過したパルスビーム 

(Fig.13.35 b)の幅はサイクロトロンの加速 RF の数周期分であり、これが加速に伴いバンチング 

されてサイクロトロンからマルチターン引出によりパルス群として引き出される。S チョッパー 

電極に印加する正弦波電圧をサイクロトロンの RF 周期と同期させることにより、このパルス群 

から正弦波電圧がゼロになったときのタイミングのパルスのみを通過させ、他のパルスは電圧に 

より偏向させられバッフルスリットで遮断される。 

性能試験では、He 2+ を用いて各チョッパーの単体試験と両チョッパーの組み合わせによるシン 

グルイオン生成試験を行った。Pチョッパーについては、ビームプロファイルモニターによりビ 

ームの偏向を実測し、チョッパー電圧とチョップされたビーム電流波形をオシロスコープで観察 

した。その結果、チョッパー電圧に対するビーム偏向の大きさは設計通りであり、ビームパルス 

幅は設計よりもサイクロトロン RF 周期の約 2 倍程度広いことが分かった。 

サイクロトロンで加速した 50MeV He 2+ ビームをアルミナターゲットに当て発生したガンマ線 

を用いてビームパルスのタイムスペクトルを計測し、サイクロトロンからビームを引き出す際の 

マルチターン数と S チョッパーのビーム偏向能力を調べた。マルチターン数はサイクロトロンの 

調整により大きく変化するが、位相スリットを開放した状態で最小 4~6 個を達成した。S チョッ 

パーの偏向能力は設計通りで、両チョッパーの組み合わせにより単一パルスの形成に成功した。 

その結果 Fig.13.36 に示す。Fig.13.36 では 50MeV 4 He 2+ のビームパルス群からのガンマ線のスペク 

トルを示しており、(a)は予めサイクロトロンの等時性磁場を精密に調整し、イオン入射系の P チ 

ョッパーのみを動作させたときのサイクロトロンから引き出されたパルス群のガンマ線のスペク 

- 131 -

トルである。この状態では、サイクロトロンから引き出されるビームの数が多すぎ、S チョッパ 

ーの間引き率以上のため単一パルスを形成できない。そこで、(a)で作成した等時性磁場からΔ 

B/B=1×10 -4 だけベース磁場をシフトさせてサイクロトロンからビームを引き出した場合のビーム 

パルス群を(b)に示した。これにより、引き出されるビームパルス数が大幅に減少し、この条件で 

S チョッパーを動作させた場合、(c)に示したように単一パルスを形成することができる 24) 。ま 

た、 40 Ar 8+ と H + のシングルパルス生成試験の結果を表 Table 13.10 に示す。 

P-チョッパー電圧 

P-チョッパー電圧 

ビーム電流 




S-チョッパー電圧 

S-チョッパー電圧 

c) サイクロトロン加速バンチ 

Fig.13.36 50MeV He 2+ のビームパルスの分 

布。(a)等時性磁場条件において P 

チョッパーのみ作動の場合、(b) 

等時性磁場からΔB/B=1×10 -4 f) Sチョッパー電極通過後のビームパルス 

だ 

けベース磁場をシフトさせた場 

合、(c)上記(b)のの条件で S チョ 

Fig.13.35 ビームチョッピングプロセスのッパも動作させて単一パルス形 

概略図成した場合を示す。 



0 

0 

a) Pチョッパー電圧波形 

時間 

b) Pチョッパー電極通過後のビーム電流 

d) サイクロトロンで加速後のビームパルス 

e) Sチョッパー電圧波形 


- 132 -

粒子種 


Table 13.10 シングルパルス生成試験結果 

40 Ar 8+ H + 

エネルギー(MeV) 175 70 

パルス間隔(μs) 

3.3 

2.11 

4.75 

1.27 

パルス幅 ― 1.95ns 

電荷量(C/pulse) 7×10 -14 2×10 -15 

検出器 SSD シンチレーター 

- 133 -


14.おわりに 

1963 年度に我が国における放射線化学の研究開発拠点として高崎研が設置され、コバルト-60 

ガンマ線の大型照射施設や大出力の電子加速器などを用いて、広く放射線利用技術の研究開発を 

進めてきた。1980 年代前半から電子線加速器やコバルトガンマー線照射施設が民間企業に普及し 

たこと、及び第 7 回原子力長期計画策定においイオンビームによる放射線利用技術のより一層の 

高度化を図るという方針が出されたことから、環境と調和した新産業の創出と先端医療への貢献 

を目指した、農業、工業、環境、医療分野におけるイオンビームを利用した研究開発へ展開を図 

ることとした。しかし、これまで高崎研にはイオン加速器の実績が全く無く、また経験者も居な 

いという環境の中での K110 のサイクロトロンの建設は無謀であるとさえ思われた。 

しかし、高崎研のポテンシャルを結集し、これまで核物理の研究用として開発されてきたサイ 

クロトロンを、“材料・バイオ技術研究のための新たな機能を持つサイクロトロンの建設”という 

挑戦が 1984 年末から始められた。 

1986 年に実施したサイクロトロンの設計研究では、材料・バイオ技術分野の研究開発に対応す 

るために、豊富なイオン種を幅広いエネルギー範囲で加速し、かつビーム切り換えを容易にする 

こと、さらに、宇宙用半導体素子のシングルイベント耐性評価試験等の研究を視野に、多種の重 

イオン加速を目標として実施した。重イオン加速をに不可欠な ECR イオン源の導入を検討し、イ 

オン入射システムと外部イオン源方式とするサイクロトロンの中心領域を検討した。当時、我が 

国のサイクロトロンでは軽イオン加速が中心であり、設計の段階から他施設のサイクロトロンと 

の差別化を図った。 

さらに、イオンビームの特長を最も活かせる利用法として、マイクロビーム形成法を、また重 

イオンを用いた放射線化学反応の研究用としてシングルパルスの形成・照射法を検討するととも 

に、材料・バイオ試料への均一照射を目指した大面積均一照射法を検討した。これらの設計研究 

の成果はいずれも実現され、TIARA のサイクロトロン施設のユニークな特徴として、材料・バイ 

オ技術の研究開発の発展・展開に大きく貢献することができた。 

また、TIARA では、サイクロトロンのパワーケーブルや放射線の強いエリアにおける電線・ケ 

ーブルには高崎研で開発した耐放射線性・難燃性ケーブルを採用するとともに、サイクロトロン 

に使用する全グリース、油、高分子材料について見直すなど、これまで培ってきた材料の研究開 

発の成果を積極的に取り入れた。さらに、高エネルギー軽イオンを用いた RI 製造の研究開発が行 

われることから、施設の放射化対策・放射線劣化対策として、デフレクター等の放射化の激しい 

機器・装置の遠隔操作による搬送システム・交換システムの導入と放射化した機器を冷却する放 

射化物冷却室を設けた。一方、サイクロトロン本体室等に設置する TMP コントローラーなどの 

各種機器の耐放射線性についてのデーターがほとんど無いことから、コバルトガンマ線や中性子 

線による照射実験を行い、その耐放射線性を評価した。さらに、建設後は施設内の比較的放射線 

レベルが高い場所に設置した主要機器にアラニン線量計を装着し、定期的に積算線量を計測して 

きた。これらの計測結果は、今後の加速器施設における耐放射線性の貴重なデーターとなろう。 

施設が完成し、実際にユーザーにビームを提供が始まると、当初予想していたよりもはるかに 

短い時間での照射とイオン種・エネルギーの頻繁な変更が要請された。ところが、従来のサイク 

ロトロン技術では、イオン種・エネルギーの変更には 2~3 時間必要であり、多種類のイオンを広 

いエネルギー範囲で加速できるという優れた特長を持つにもかかわらず、使い勝手が悪く、バイ 

- 134 -


オ・材料研究に効率よく利用するには大きな制約があった。 

さらに、サイクロトロンは運転開始直後や運転条件切り替のための本体電磁石の再励磁後には、 

ビーム強度の変動が数十時間に及ぶことが知られていた。その原因として、磁場強度の極微小変 

動が推測されてきたが、サイクロトロンは磁場勾配を有するために NMR の使用が困難であるこ 

とから、40 年以上にわたって磁場変動原因の追及と対策が行われてこなかった。このため、短時 

間の繰り返し照射とイオン種・エネルギーの頻繁な変更が要請される材料・バイオ技術の研究利 

用においては、運転条件変更毎に生じるビーム強度の不安定による照射実験の精度と信頼性の低 

下と、実験利用途中でのビーム強度減少に対する運転パラメーターの頻繁な再調整による実験効 

率の低下という問題を生じた。 

そこで、ビーム強度減少の原因究明を行い、サイクロトロンの全運転パラメーターの精査・解 

析から運転条件とその履歴が関係していることを突き止め、運転条件毎に 220 トンの電磁石鉄芯 

温度が時々刻々と変化していることを明らかにした。そこで、電磁石鉄芯の温度変化と磁場の変 

化の相関を確認するため、ビーム強度補正用トリムコイル(磁場微調用)の励磁電流量から磁場 

補正量を算出し、その解析から温度変化と磁場変動が相関していることの確証を得て原因を特定 

した。次に、強い勾配を有するサイクロトロンの磁場の変化量を正確に把握するため、磁場補正 

コイル付き NMR プローブを開発し、磁場の変化量が 10 -5 /hr のオーダーであることを初めて実測 

25) した。さらに、電磁石鉄芯各部の温度と磁場変化及びビーム位相の時間的変化の解析、並びに 

温度上昇量と平衡温度に到達する時定数の解析から、メインコイルが主たる熱源であることを突 

き止めた。サイクロトロンの電磁石鉄芯の形状は 3 次元的に大変複雑であり、伝熱メカニズムを 

明らかにすることが容易でないため、電磁石全体にわたる 30 箇所の温度測定を行い、そのデータ 

ーから熱解析モデルを構築し、解析コード(Nastran)を用いたシミュレーションを行った。その結 

果をもとに、温度変化防止のための遮熱・冷却システムを国内外で初めて設計・製作した。さら 

に、その有効性について実証試験を行い、磁場変動ΔB/B を 1×10 -5 以下に抑制することに成功し 

た 26) 。 

イオン種・エネルギーの短時間切り替え技術として、イオン源の分析電磁石に比べサイクロト 

ロンの質量分解能の方が格段に高いということを利用し、「カクテルビーム加速技術」を開発した。 

これは、加速イオンの M/Q 比がほぼ同じイオンは、その種類によらずに同時に加速できるとい 

うサイクロトロンの基本原理を応用したものである。ECR イオン源で生成した M/Q 値がほぼ同 

じで複数の異なるイオン種が混在(カクテルイオン)する場合、分析電磁石で分離できず、その 

ままサイクロトロンへ同時に入射される。入射されたカクテルイオンの M/Q 値には僅かに差があ 

るため、その差分だけ加速周波数が異なることを利用して、加速周波数の微調により 30 秒~数分 

以内で加速イオン種を次々に切り替えて引き出す技術を開発した 27) 。さらに、サイクロトロンの 

質量分解能を広げるために、加速電圧を下げ、回転数を増やして分離する加速電圧調整法を開発 

するとともに、ECR イオン源のガス供給系の配管内残存ガスを短時間に排気し、ガス種を十~十 

数分で切替える技術を開発した。ガス種短時間切り替え法は、単一イオン種を AVF サイクロトロ 

ンに導入し、サイクロトロンで入射イオン種の M/Q に合致した周波数に変更するもので、質量分 

解能の限界から異種イオンが混在して引き出されるという問題を解決した 28) 。以上により、M/Q 

≒2(7 イオン種), M/Q≒4(6 イオン種), M/Q≒5(6 イオン種)のカクテルイオンを実用化し、 

サイクロトロンにおける加速イオン種・エネルギーの短時間切り替えを実現し、人工衛星に搭載 

する電子部品の宇宙放射線によるシングルイベント耐性評価地上試験や、バイオ・材料研究の効 

- 135 -


率的遂行の要請に的確に応えることができた。 

以上述べたように、サイクロトロンにおいて、世界に先駆けて磁場の高安定化技術を開発し、 

これまでのサイクロトロンでは不可能であったイオン種・エネルギーの短時間・高頻度切り替え 

を実現した。特に、磁場安定化の技術は、陽子線治療用サイクロトロンのビーム安定化対策に活 

かされるとともに、国内外に先駆けてサイクロトロンは極めて安定な加速器に成り得ることを実 

証した。さらに、現在もサイクロトロンにおけるエネルギー幅の狭い高品位ビーム加速と高安定 

化のための研究開発の地道な努力が続けられており、その成果は着実に進展し、位置精度 1μm 

でのシングルイオン照射の実現などの新たなサイクロトロン技術が生み出されている。 

サイクロトロンの高安定化とカクテルビーム加速による高速イオン種・エネルギー切り換え技 

術は、原子力学会関東・甲越支部の「技術貢献賞」(2005 年)を受賞した。 

謝辞 

サイクロトロンシステムの設計、建設・整備にあたって、計画当初から関与され、建設にあた 

っても指導をいただいた田中隆一氏(元日本原子力研究所高崎研究所)と、ECR イオン源及びイ 

オン入射系の検討で大変お世話になった峰原英介氏に感謝します。また、サイクロトロンの設計 

研究から実施設計、建設・整備で尽力いただいた住友重機械工業株式会社量子機器事業部設計 

部の佐藤岳実氏、立川敏樹氏、佐野正美氏、熊田幸生氏、福本康志氏、星加敬三氏、金倉純氏、 

福田忠幸氏、橘正則氏、及び林義弘氏(元住友重機械工業株式会社)、石井宏一氏(元住友重 

機械工業株式会社)に感謝します。また外部ビーム輸送系の建設・整備に尽力いただいた(株) 

日立製作所、日立工場電力設計部核装置設計の鳥居恒夫氏、渡辺洋之氏、鈴木啓之氏、外岡経行 

氏に感謝します。 

建屋及びユーティリティー全体の検討で大変お世話になった故渡辺博正氏(元日本原子力研究 

所高崎研究所)、建屋の遮蔽設計・放射化の見積りでお世話になった田中進氏(元日本原子力研 

究所高崎研究所)に感謝します。純水冷却系の設計・施工に当たって尽力いただいた大沼直義(日 

揮株式会社)に感謝します。 

施設建設に当たり、上坪宏道氏(当時理研主任研究員)には加速器施設専門部会の部会長とし 

て、唐沢孝氏(当時理研副主任研究員)には客員研究員として、清水昭氏(当時阪大助教授) 

には研究嘱託としてご指導いただいたことを感謝します。また、建設・整備に当たって、ご協力 

をいただいた多くの関係者の皆様に感謝します。 

本報告書を作成するに当たって、Fig.7.1 を作成していただいた吉田剛氏(ビームオペレーシ 

ョン株式会社)に感謝します。 

- 136 -


参考文献 

1) E. O. Lawrence, M. S. Livingston, Phys. Rev., 40, (1932) p.19. 

2) L.H. Thomas, Phys. Rev., 54, (1938) p.580. 

3) E. D. Courant, M.S. Livingston, H. Snyder, Phys. Rev., 88, (1952) p.1190. 

4) K. Arakawa, Y. Nakamura, W. Yokota, M. Fukuda, T. Nara, T. Agematsu, S. Okumura, I. Ishibori, T. 

Kamiya, R. Tanaka, T. Tachikawa, K. Hoshika, M. Tachibana, Y. Kumata, Y. Hayashi, K. Ishii, M. 

Sano, T. Torii, K. Suzuki, J. Sagawa, T. Tonooka, JAERI-M93-047, (1992) p.1. 

5) RCNP AVF サイクロトロン発振器検討報告書 

6) 高エネルギーイオン照射装置(930 型)の概念設計最終報告書、住友重機械工業(株)、(1987) 

p.80. 

7) M. Fukuda, S. Kurashima, S. Okumura, N. Miyawai, T. Agematsu, Y. Nakamura, T. Nara, I. Ishibori, 

K. Yoshida, W. Yokota, K. Arakawa, Y. Kumata, Y. Fukumoto, K. Saito, Rev. Sci. Instrum., 74, 

(2003) p.2293. 

8) R.Geller, B.Jacquot, M.Pontonnier, Rev. Sci. Instrum., 56, (1985) p.1505. 

9) R. Geller, IEEE Trans. Nucl. Sci., NS26, (1979) p.2120. 

10) P.Briand, R.Geller, B.Jacquot, C.Jacquot, Nucl. Instrum. Methods., 131, (1975) p.407. 

11) K. L. Brown, et al., SLAC-91, (1977). 

12) D. J. Clark , IEEE Trans. Nucl. Sci., NS23, (1979) p.1166. 

13) G. Bellmo, “Proc. of 11th Int. Conf. on Cyclotron and Their Applications”, (1986) p.503. 

14) R. K. Bhandari et al., “Proc. 9th Conf. on Cyclotron and Their Applications”, (1981) p.261. 

15) T. Kamiya, W. Yokota, K. Arakawa, E. Minehara, “Proc. of 6th Symp. on Accel. Sci. and Technol.”, 

(Tokyo, Oct. 25-28, 1987) p.281. 

16) 住友重機械工業株式会社「日本原子力研究所高崎研究所高エネルギーイオン照射装置機械 

系取扱説明書」から転載. 

17) 神谷富裕、横田渉、荒川和夫:”イオンビーム光学計算に基づく AVF サイクロトロンビ 

ーム輸送系の設計”、JAERI-M 88-064 (1988). 

18) 上松敬、奥村進、荒川和夫:”サイクロトロンにおけるビーム走査法を用いた均一照射 

システム”、JAERI-M 94-071 (1994). 

19) 中村義輝、石堀郁夫、奥村進、奈良孝幸、横田渉、福田光宏、上松敬、荒川和夫、水 

橋清、佐野正美、星加敬三、佐藤岳実、鳥居恒夫、渡辺洋之:”JAERI TIARA Annual Report” 、 

JAERI-M 94-007 (1994). 

20) 中村義輝、横田渉、奥村進、福田光宏、奈良孝幸、上松敬、石堀郁夫、荒川和夫、星 

敬三、佐藤岳実:”原研 AVF サイクロトロン装置の電源系”、JAERI-M 94-054, (1994). 

21) C. Dupont, Y.Jongen, K. Arakawa, W.Yokota, T.Satoh, T.Tachikawa, Rev. Sci. Instrum, 61, (1990) 

p.265. 

22) M. Fukuda, K. Arakawa, Y. Nakamura, W. Yokota, T. Nara, T. Agematsu, S. Okumura, I. Ishibori, T. 

Karasawa, “Proc. of 13th Int. Conf. on Cyclotron and Their Application”, Vancouver, (1992) p.423. 

23) Richardson, J. R., “Progress in Nuclear Techniques and Instrumentation”, North-Holland Physics 

Publishing, 11, (1965) p. 75. 

- 137 -


24) W. Yokota, M. Fukuda, S. Okumura, K. Arakawa, Y. Nakamura, T. Nara, T. Agematsu, I, Ishibori, 

Rev. Sci. Instrum. 68, (1997) p.1714. 

25) S. Okumura, K. Arakawa, M. Fukuda, Y. Nakamura, W. Yokota, T. Ishimoto, S. Kurashima, I. 

Ishibori, T. Nara, T. Agematsu, T. Nakajima, Nukleonika, 48, (2003) p.S35. 

26) S. Okumura, K. Arakawa, M. Fukuda, Y. Nakamura, W. Yokota, T. Ishimoto, S. Kurashima, I. 

Ishibori, T. Nara, T. Agematsu, M. Sano and T. Tachikawa, Rev. Sci. Instrum, 76, (2005) p. 033301. 

27) W. Yokota, M. Fukuda, S. Okumura, K. Arakawa, H. Tamura, I. Ishibori, T. Agematsu, T. Nara and Y. 

Nakamura, “Proc. of 12th Symp. on Accelerator Sci. Tech.”, (1999) p.127. 

28) I. Ishibori, M. Fukuda, S. Okumura, K. Arakawa, H. Tamura, W. Yokota, T. Agematsu, T. Nara and Y. 

Nakamura, “Proc. of 12th Symp. on Accelerator Sci. Tech.”, (1999) p.453. 

- 138 -

建設・整備の経緯 


付録 

TIARA のイオン照射施設の建設・整備の経緯については、これまでに数多く報告されているの 

で、本報告では AVF サイクロトロンの建設・整備の経緯を年表として記述することとした。 

1984 年: 高崎研究所の研究計画を検討する副理事長を委員長とする高崎研究所アドホック 

委員会が設置、「高崎研究所にイオン加速器を設置し、宇宙・核融合炉材料、新素 

材及びバイオ技術の開発への新たな研究開発への展開」を答申 

1984 年末: 上記答申を受けて高崎研究所内に 8 つのワーキンググループが作られ、この中で F 

グループが加速器を、H グループが建屋・安全の検討を担当 

1985 年 2 月: 理化学研究所のサイクロトロンを調査 

1985 年 4 月: 加速器施設建設整備で 61 年度概算予算を要求 

1985 年 7 月: 放射線ハイテク研究計画検討会を設置(委員長;所長、他委員 8 名) 

この中に、3 ワーキンググループを設置(A:研究計画検討、B:研究施設検討、 

C:業務計画検討) 

1985 年 10 月:東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンターの 680AVF サイクロトロ 

ン (CGR-MeV-SHI) 、株式会社第一ラジオアイソトープ研究所の 

MC-40(SCANDITORONIX)、日本メジフィジックス株式会社の 480 及び 750AVF 

サイクロトロン(CGR-MeV-SHI)を調査 

1985 年 12 月:「サイクロトロン設計研究費」が認可 

1986 年 1 月: 放射線高度利用研究委員会設置 

大阪大学核物理研究センターのサイクロトロンを調査 

1986 年 4 月: 開発部照射施設課内にイオン技術係設置、放射線ハイテク準備室発足 

加速器施設専門部会、極限材料専門部会、バイオ技術専門部会が発足 

1986 年 5 月: 機能材料専門部会が発足 

1986 年 6 月: サイクロトロンの設計研究を発注 

1986 年 7 月: 建設予定地の地質調査 

1986 年 10 月:第 11 回サイクロトロン国際会議(東京)に参加 

1987 年 3 月: サイクロトロン設計研究の報告会 

1987 年 5 月: 放射線高度利用研究推進室が発足 

放射線医学総合研究所の 930AVF サイクロトロンを調査 

1987 年 7 月: 建屋実施設計、所内安全審査を開始 

1987 年 9 月: サイクロトロンを発注 

1988 年 3 月: サイクロトロンを住友商事株式会社と契約 

1988 年7月: 共振器の設計変更と 1/4 モデル試験 

1988 年 8 月: ECR イオン源及びマルチカスプイオン源を発注 

建屋起工式、サイクロトロン棟及び複合ビーム棟着工 

1989 年 3 月: ECR イオン源及びマルチカスプイオン源工場立会い検査(I.B.A.社、ベルギー) 

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1989 年 9 月: イオンビーム研究棟着工 

1989 年 11 月: RF テスト開始 

1990 年 3 月: サイクロトロン本体の工場立会い総合試験・検査 

1990 年 5 月: 現場ハウス設置、サイクロトロン建設起工式 

1990 年 6 月: 外部ビーム輸送系機器、イオン入射系機器、サイクロトロン本体搬入・据え付 

け開始 

1990 年 7 月: サイクロトロン及びビーム診断機器の芯出し立会い検査 

1990 年 8 月: 電源据付開始 

1990 年 9 月: S型ビームチョッパー、ロータリーシャッター、制御系制御卓搬入、純水冷却 

設備室機器据付開始 

1990 年 10 月:軽イオン室内に機器搬入開始、ロータリーシャッター駆動テスト立会い、45° 

偏向電磁石芯出し立会い検査。本設電源受電開始 

1990 年 11 月:イオン源・イオン入射系ビーム診断機器駆動テスト開始、25°、55°偏向 

電磁石芯出し立会い検査、イオン入射系診断ステーションリークテスト 

1990 年 12 月:ガス導入系、位相プローブ立会い検査 

1991 年 1 月: サイクロトロン本体電磁石等各種電磁石の通電試験開始、各種電源通電試験立 

会い検査開始 

1991 年 2 月: サイクロトロン「放射線装置室等設置届」届出 

イオン源室を放射線管理区域に指定 

高周波利用設備変更許可を申請 

建屋系インターロック試験 

マルチカスプイオン源試運転開始、イオン入射系イオン輸送試験開始 

1991 年 3 月: 関東電気通信監理局電界強度測定試験、高周波装置使用許可 

サイクロトロン系インターロック総合試験 

サイクロトロン本体室、ピット室、放射化物冷却室、ビーム振り分け室、ケーブ 

ル中継室を放射線管理区域に指定 

消防検査 

科学技術庁による施設検査 

1991 年 3 月 17 日:ファーストビーム引き出しに成功(50MeV 4 He 2+ 30enA) 

1991 年 4 月: 第 1 種及び第 2 種管理区域指定 

放射線高度利用推進室-イオン工学計画課 

-イオンビーム施設課サイクロトロン係 

静電加速器係発足 

ビーム加速試験( 4 He 2+ :50MeV、20MeV) 

1991 年 5 月: デフレクター電極手直し、位相プローブ調整(間隙 40mm⇒30mm)、プラー電極 

自動交換装置手直し 

ビーム加速試験(10MeV H + 、175MeV Ar 8+ ) 

1991 年 6 月: 制御系総合動作試験立会い検査 

石碑「閃き」除幕式 


ビーム加速試験(460MeV Ar 13+ ) 

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1991 年 7 月: ビーム加速試験(520MeV Kr 20+ 、10MeV D + ) 

1991 年 8 月: ビームスキャナー試験 

デフレクターの高圧電極とセプタム電極間距離 8mm から 14mm へ変更 

1991 年 9 月: ビーム加速試験(50MeV 4 He 2+ 20eμA、 20MeV 4 He 2+ 5eμA、100MeV 4 He 2+ 10eμA 

35MeV D + 40eμA) 

1991 年 10 月:ビーム加速試験(50MeV D + 20eμA、45MeV H + 30eμA、90MeV H + 10eμA) 

エミッタンス測定試験 

1991 年 10 月末:サイクロトロン検収終了 

以上のような経過をたどり、サイクロトロンは極めて順調に建設整備が進められ、予定通りに 

完成した。完成を記念して、11 月に日本原子力研究所主催の「イオンビームの新展開と応用に関 

する国際会議」が高崎市内で開催された。 

11 月に住友重機械工業株式会社から日本原子力研究所にサイクロトロンが引き渡され、職員に 

よる運転訓練と性能試験が始められ、1992 年 1 月には 175MeV 40 Ar 8+ で最初の実験利用にビーム 

を提供した。また、同年 6 月には実験利用運転で 1000 時間を達成し、9 月より 24 時間運転を開 

始し、現在に至っている。 

- 141 -

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JAEA-Technology-2008-024.pdf:14.07MB - 日本原子力研究開発機構

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