An Energy spread minimization system for microbeam generation in the JAERI AVF cyclotron

原研AVFサイクロトロンにおけるマイクロビーム生成のためのエネルギー幅最小化システム

福田 光宏; 倉島 俊; 宮脇 信正; 奥村 進; 神谷 富裕; 及川 将一*; 中村 義輝; 奈良 孝幸; 上松 敬; 石堀 郁夫; 吉田 健一; 横田 渉; 荒川 和夫; 熊田 幸生*; 福本 康志*; 斉藤 勝彦*

Fukuda, Mitsuhiro; Kurashima, Satoshi; Miyawaki, Nobumasa; Okumura, Susumu; Kamiya, Tomihiro; Oikawa, Masakazu*; Nakamura, Yoshiteru; Nara, Takayuki; Agematsu, Takashi; Ishibori, Ikuo; Yoshida, Kenichi; Yokota, Wataru; Arakawa, Kazuo; Kumata, Yukio*; Fukumoto, Yasushi*; Saito, Katsuhiko*

数百MeVの重イオンマイクロビームはバイオ研究に必要とされる重要なプローブである。原研AVFサイクロトロンでは、生体機能解明研究に適した260MeV Neマイクロビームのシングルイオンヒット技術の開発を行っている。ビーム径1mのマイクロビームを生成するためには、集束レンズでの色収差の影響を最小限に抑えるようにビームのエネルギー幅をE/E=0.02%にする必要がある。サイクロトロンビームのエネルギー幅は加速電圧波形と位相アクセプタンスに依存し、正弦波を用いた従来の加速法では0.1%が通例である。第5高調波電圧を基本波電圧に重畳することによりエネルギー利得の均一化に必要なフラットトップ電圧波形を作ることができ、エネルギー幅の最小化が実現される。そこで、既設の基本波共振空洞に連結し、基本波周波数の5倍の周波数帯域(55-110MHz)の第5高調波を発生させるための同軸型共振空洞を設計・製作した。パワー試験において、ディー電極の端部に設置した加速電圧ピックアップ電極からの信号をモニターすることにより、第5高調波電圧が基本波電圧に正常に重畳されていることを確認した。

A heavy ion microbeam with energy of hundreds MeV is a significantly useful probe for research in biotechnology. A single-ion hitting technique using a 260 MeV Ne microbeam is being developed at the JAERI AVF cyclotron facility for biofunction elucidation. Production of a microbeam with a spot size of one micro-meter in diameter requires reducing the energy spread of the beam to 0.02 % to minimize an effect of chromatic aberrations in focusing lenses. The typical energy spread of the cyclotron beam is around 0.1 % in an ordinary acceleration mode using a sinusoidal voltage waveform. The energy spread can be reduced by superimposing the fifth-harmonic voltage waveform on the fundamental one to generate a flattop waveform for uniform energy gain. We have designed an additional coaxial cavity to generate the fifth-harmonic voltage, coupled to the main resonator of one-fourth wavelength coaxial type. In a power test we successfully observed the fifth-harmonic voltage waveform by picking up an acceleration voltage signal.