FFAG 加速器ビーム増強 現状と今後の展開

1

京大炉　石 禎浩2015.1.16

目次

2

1. おさらい（施設・装置概要）

2. FFAGビーム利用

3. FFAGビーム増強の現状

4. 将来計画

FFAG – KUCA ADS system schematic diagram ( original ) 2008 - 2010

Ion source

Injector （ion-beta)

Booster

Main ring

Critical Assembly (KUCA)

125 keV 1.5 MeV 11 MeV 100 MeV

TargetH+

3

FFAG – KUCA ADS system schematic diagram ( upgraded ) from 2011

Ion source

Main ring

Critical Assembly (KUCA)

30 keV 11 MeV 100 MeV

TargetH-

LINACH-

H+charge

exchange

4

FFAG – KUCA ADS system schematic diagram ( upgraded ) from 2012

Ion source

Main ring

Critical Assembly (KUCA)

30 keV 11 MeV150 MeV

TargetH-

LINACH-

H+charge

exchange 100 MeV

Irradiation chamber for material experiments

5

FFAG – KUCA ADS system schematic diagram ( added medical port ) 2014

Ion source

Main ring

Critical Assembly (KUCA)

30 keV 11 MeV150 MeV

TargetH-

LINACH-

H+charge

exchange 100 MeV

Irradiation chamber for material experiments

6

150 MeV

Medical irradiation

Rats

7

Machine Parameters

Beam Line from Linac to MR

Q Magnet ×8*, B Magnet(30deg) × 2

linac

FFAG-ERIT ring

FFAG main ring

charge exchange foil

hori. steer vert. steer hori. or vert. steerH- ion source

* added one QM inMay 2011

Layout of accelerator complex in the Innovation Research Lab.

accelerator roomirradiation hall

ERIT-FFAG

11MeV Linac

150MeV FFAG Complex

to KUCA

-1

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30

beta

, eta

( m

), B

_z (

T )

azimuthal ( deg )

beta_xbeta_yeta_x

B_z

Beta functions and B field in the main ring

FD D

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

tune variation

Einj 11MeVEext 100/150MeVfrf 1.6 - 5.2MHz

<R> 4.57 - 5.4mBmax 1.6T -6

-4

-2

0

2

4

6

-6-4-2 0 2 4 6

Beam injection to the main ring

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

87mm

0.5°

H-

H+

main magnet

F-mag D-magD-mag

charge stripping foil

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

"fort.52" using ($1/1000):3"fort.52" using ($1/1000):5

"fort.53" using ($1/1000):(-$7)

foil

βx

path length ( m )

βy

Bzβx (

m ),

βy

( m ),

Bz (

T )

injection point

matching point

Beta functions calculated from backward tracking in the main ring

H- beam line beta functions calculated using SAD

FFAGを用いたユーザー実験

14

施設の利用現状と計画

15

1. ADSの基礎研究

2. 材料照射・空気放射化3. 医学利用

• BNCT基礎研究 ( ラットへの照射）

• BNCTに対する相補的な治療照射

4. パルス中性子源

• TOF 実験

BNCT基礎研究ラットへの照射

to KUCA

材料照射用チェンバー

18

KUCAにおけるADSのための基礎実験

ADS 実験装置

ターゲット

未臨界燃料体系ビーム輸送系

炉心

- FFAG Accelerator : 100 MeV Protons 20 Hz repetition rate 1nA intensity W and Pb-Bi target

- KUCA A-Core :W / Pb-Biターゲット（電流読出可能）

20

Fig. Core configuration of 235U-Poly. Cores (100 MeV protons)

Fig. Neutron spectra (W vs. W+Be)

Fig. In reaction rates (W vs. W+Be)

Y. Takahashi et al., Ann. Nucl. Energy, 54, 162 (2013). T. Yagi et al., Appl. Radiat. Isot., 72, 11 (2013). C. H. Pyeon et al., PHYSOR2014, (2014).

21

Fig. Core configuration of 232Th-Poly. Cores (100 MeV protons)

Fig. Results in Th-HEU-PE with 100 MeV protons

Fig. Results in Th-HEU-PE with 14 MeV neutrons

Cal. Exp.

Core MCNPX 100 MeV Protons

14 MeV Neutrons

Th-HEU-PE 0.5876 0.7346 0.6577

Table Results in keff (3He #3; Area ratio method)

βeff = 8.491E-03; SRAC-CITATION 107-G, 3-D

α = 5065 ± 28 (100 MeV Protons) 5288 ± 13 (14 MeV Neutrons)

C. H. Pyeon et al., Nucl. Sci. Eng., 177, 156 (2014).

22

KUCAでのADS実験では現状を超えるビーム強度は不要

放射線遮蔽が限界

23

照射実験

150 MeV陽子ビームラインに設置された照射チェンバー。冷凍機と引っぱり試験機が装備され陽子ビーム照射中での測定が可能。

陽電子寿命測定、電気抵抗測定において格子欠陥の生成分布に計算との違いがみられた。電気抵抗測定の追実験により確認を継続中。

100 MeV陽子ビームの照射（240nA-h）により表面ぬれ性の改善 がみられた.

26

照射実験ではビーム強度は強いほど良い安定性は現状の性能でOK

27

生物実験

28

Pre-run for Rat Experiments

29

Bragg Peak Measurement

Beam energy and intensity are sufficient for rat experiments

30

生物実験ではラットの照射野が小さいためビーム強度は十分である安定性も問題なし

31

ビームスタディー106 時間照射実験

171 時間

ADS. 実験.

77 時間合計354 時間

ビームスタディー109 hr

照射実験288 時間

ADS. 実験 70 時間合計

468 時間

マシンタイムまとめ2013年度 2012年度

ADS実験中のマシントラブルによるビームトリップ

32

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

12/15/12 12/29/12 01/12/13 01/26/13 02/09/13 02/23/13

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

01/25 02/01 02/08 02/15 02/22 03/01

main rf

LINAC

main rf

LINAC

10 trips / 77h

0 trips / 77h

3 trips / 70h

7trips / 70h

2012

2013

アンプ冷却水流量低下

配管増設

ケーブルノイズ配線補修

真空管トラブル 真空管交換

1分以内の早い

復帰

が要求されて

いる

遅い復帰（10-20分）

早い復帰

遅い復帰（20分）

ビーム安定性（１ランあたり）

33

34

ビーム安定性（１日あたり）

History of beam intensity and energy upgrade in recent years

year Energy (MeV)

intensity rep.rate ( Hz ) injector notes

extraction @CA target

March 2009 100 50pA ~3 pA 30 ion beta

booster -

March 2010 100 100pA 30pA 30 ion beta

boostertransport efficiency upcavity voltage 2.5 ->4kV

March 2011 100 1nA 100pA 20 H- H- injection

kicker system upgrade

March 2012 100 10nA 100pA 20 H- bad focusing on CA target

March 2013 150 10 nA 1nA 20 H-

energy up (150 MeV for irr. exp.) still 100 MeV for ADS exp.

beam tripped often due to rf trouble ( in both linac and main

ring )

March 2014 150 10 nA 1 nA 20 H- reliable supply based on stable

rf

ここまでのまとめ

36

1. KURRI FFAGは150 MeV / 10 nAのビーム増強に成功。

2. 放射線規制上、下記のビームをユーザに供給している。　　ADS実験：100 MeV / 1nA　　照射実験および生物実験：150 MeV / 1nA　　3. KUCAでのADS実験について、放射線遮蔽上ビームパワーは　　上限に到達した。

4. 材料照射実験では、成果が出ているが、ビーム強度はあれば　　あるだけよい。

5. 生物実験では、ラットへの照射に関しては、エネルギー、ビーム　　強度、安定度、ビームスポットについて要求を満足している。　　

空間電荷効果によるチューンシフト

37

Rep. rate：100 ~ 200 HzAverage current：5uA

N 3.12� 1011

r0 1.53� 10�18 protonR0 4.54 m average radius of injection orbit�, � 0.147, 1.011 11 MeV�x, �y (3.7, 1.4)(a, b) ( 20, 15 ) mmBf 1/5F 1.5h 32.5 mm half gap of the vacuum chamberg 37.9 mm half gap of the magnet

増強計画•下記の要因によるビームロスの低減

•フォイルでの多重散乱（速い加速）• RF捕獲からのこぼれ落ち（RFパターン最適化）•ベータトロン共鳴( COD補正、補正磁極、速い加速 )

→ X 10 •繰り返しをあげる20 Hz → 100 Hz

• 2台目の空洞の組込み（2015年）→ X 5

•イオン源増強→ X 2

2015年度終わりまでに1uAのめどをたてる

39

パルス中性子源に向けた取り出しエネルギーでのRF Stacking

大強度ビーム

ピーク電流アップ

高繰り返し

空間電荷効果大

ビームロス

頻度が高すぎて使えない

e.g. TOF困難

RFスタッキングによりパルス毎のビーム強度を上げると同時に頻度を落とす

加速

入射

加速したビームを 外周軌道に積み上げる

取出し

固定磁場なので加速とともに軌道が外に移動

まばらだが一つ一つが大強度のパルス構造を持つビームが取出される

繰り返し頻度の高いパスルビームを入射

時間

ビーム強度

時間

ビーム強度

　小 大空間電荷効果 {

42

flat top

RF stackingの可能性

previous batch

これからのこと•近い将来 ビーム強度増強　1 - ( 5 )uA

• 2台目の空洞インストール （2015）•中期計画

•ビーム強度増強 5 - 10 uA• LINACエネルギー増強 11MeV → 20 ( 30 )MeV• 30 MeV サイクロトロン（BNCT機相当）入射器の可能性検討

•エネルギー増強150 MeV → 700 MeV•中性子発生量激増•リング新設

https://indico.bnl.gov/getFile.py/access?contribId=26&sessionId=4&resId=0&materialId=slides&confId=686

H.Okita FFAG14 BNL NY sep 21 2014

44

45

700MeV FFAG

Wednesday, November 19, 14

これからのこと•近い将来 ビーム強度増強　1 - ( 5 )uA

• 2台目の空洞インストール （2015）•中期計画

•ビーム強度増強 5 - 10 uA• LINACエネルギー増強 11MeV → 20 ( 30 )MeV

•エネルギー増強150 MeV → 300 MeV•電磁石の改造　→　電源、冷却水はそのまま使える• 30 MeV サイクロトロン（BNCT機相当）入射器の可能性検討• pion生成／muon生成 → 核変換• ADS の新展開（ JAEA 400 MeV ）•陽子線がん治療（BNCTでは届かない患部への照射）

https://indico.bnl.gov/getFile.py/access?contribId=26&sessionId=4&resId=0&materialId=slides&confId=686H.Okita FFAG14 BNL NY sep 21 2014

back up

47

48

Background

3

150 MeV FFAG

・Beam commissioning・Development of components

・Proton beam12 MeV ⇒ 150 MeV

・Prototype of proton FFAG for various applications

at Kyushu University

150 MeV FFAG

Hidefumi Okita

49

Motivation

Compact Accelerator Spiral FFAG

・Particle physics ・Medical (BNCT)・Material science 300 MeV

4

A 300 MeV or more over proton beam

※1

※1 : N. J. DiGiacomo, et ai., Phy. Rev. C 33 988 (1986)

150 MeV FFAG ⇒ 300 MeV FFAG

Hidefumi Okita

6

Requirements for the accelerator

・Magnetic field : B < 1.6 [T]

・Injection momentum:151 [MeV/c] (proton 12 MeV)

・Size of accelerator Maximum beam radius = 5.30 [m]

・Excursion < 1.40 [m]

・Extraction momentum:808 [MeV/c] (proton 300 MeV)

・Cell Number : 12 (the same number as 150 MeV FFAG)

150 MeV FFAG

6.4 [m]

5.3 [m]

Hidefumi Okita

7

Requirements for the accelerator

Center of Accelerator

・Magnetic field : B < 1.6 [T]

・Injection momentum :151 [MeV/c] (proton 12 MeV)

・Size of accelerator Maximum beam radius = 5.30 [m]

・Excursion < 1.40 [m]

・Extraction momentum :808 [MeV/c] (proton 300 MeV)

・Cell Number : 12 (the same number as 150 MeV FFAG)

Hidefumi Okita

Field clamp

Geometry of spiral magnet with field clamp

24

yoke

Pole

Coil

The figure in the lower half of magnetic

Hidefumi Okita

まとめ• FFAG現状

•ビーム仕様　150 MeV / 1 nA ( 10 nA ) 20Hz• KUCAでのADS実験、材料（飼料）照射、BNCT基礎研究• 2013年度以降マシン側の事情で実験キャンセルは無し•ビーム強度安定性が向上•ビームトリップ回数減少、回復時間短縮

•今後• 150 MeV 1 - 5uAを目指す• 300 MeV増強も視野に入れる

54

ビームスタディー

F1 radial probe

S2 radial probe / hor. rf shaker / profile monitor

S3 vert. perturbator

S5 movable triangle bunch monitor

F5 radial probe

S6 radial probe

(F6) Faraday cup / screen monitor

S7 bunch monitor

F7 radial probe

S9 radial probe

S11 bunch mon.( array of triangle plates)

S12 bunch monitor

List of monitors

7 ports for radial probes ( blue arrow, ICF70 )4 portable radial probes remote cntrl’d 2 portable radial probes manual cntrl’d 1 unportable radial probe ( green arrow )3 bunch monitors1 faraday cup / 1 screen monitor1 perturbator

-6

-4

-2

0

2

4

6

-6-4-2 0 2 4 6

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10S11

S12

foil

cavity

ext. kicker2

ext. kicker1

F1

F2

F3

F4F5

F6

F7

F8

F9

F10 F11

F12ext. septum

H- Beam

Available Monitors in ADSR-FFAG Ring

56

beam profile on the fluorescent screen

pedestalraw data

after pedestal subtraction

vertical profile

horizontal profile

Beam Profile Measurement

beam position monitor for tune measurement

57

Horizontal RF shaker

58

Real time spectrum analyser

1.1ms

2.7ms4.3ms

20.1ms

short bunch study

acceleration time ( ms )

char

ge /

bunc

h( a

rb. u

nit)

2014.02.27

1e-09

1e-08

1e-07

1e-06

0 5 10 15 20 25

'tom.xy' u ($3+2.2911799900000002E-002)*1000:5

660 ns : 2 turn equivalent bunch length

fast losses : betatron resonances → precise measurement of the tune

slow loss : transverse emittance blow up due to the foil→ emittance growth measurement

longitudinal spill out from the bucket→ test rf pattern considering real k variation

energy struggling

60

fast loss : 1. betatron resonances → precise measurement of the tune

slow loss : 1. transverse emittance blow up due to the foil → emittance growth measurement

2. longitudinal spill out from the bucket → test rf pattern considering real k variation

3. energy struggling

4. matter of bunch monitor signal as a function of frequency → precise intensity measurement during acceleration

investigation to determine the cause of beam losses

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

tune measurement 2014.06.27 - 07.01

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

0.10.2

0.4

0.80.6

1.0 1.32.0

2.52.93.0

4.0

5.0

6.0

7.08.0

9.010.0

13.016.0

19.0

22.023.0

63

もう使っていない

古い機器を取り払う

64

4600

4800

5000

5200

5400

0 10 20 30Loss time (ms)

Prob

e ra

dius

(mm

)

COR=750A

INU

NEZTAZ

4600

4800

5000

5200

5400

0 10 20 30Loss time (ms)

Prob

e ra

dius

(mm

)

COR=900A

INU

NEZTAZ

COD after removal of unused magnets

65

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

Before removal of mags and probecorrector:450AD:1014A

After removal of mags and probecorrector:750AD:980A

66

案 方式 エネルギー(MeV)

平均電流(mA)

ピーク電流(mA)

時間構造ビームパワー(kW)

熱中性子数（n/cm2/s)

装置価格（億円）

1

2

2’

3

4

5

6

LINAC 11 5 50 パルス（10%） 55 1.0E+11 3

LINAC 20 5 50 パルス（10%） 100 4.0E+11 6

LINAC 30 5 50 パルス（10%） 150 7.5E+11 <10

Cyclotron 30 2 -DC

（パルス化も検討中） 60 3.0E+11 5

Cyclotron 100 0.05 -DC

（パルス化も検討中） 5 1.0E+11 35

FFAG 150 0.005 5000パルス

（数100ns, 10 - 100Hz）0.75 2.5E+10 1

FFAG 700 0.005 5000パルス

（数100ns, 10 - 100Hz）3.5 4.8E+11 30