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論文

原子力機構AVFサイクロトロンにおける大面積イオンビームのリアルタイム横方向強度分布計測のための蛍光体の探索

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 江夏 昌志; 山田 尚人

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.420 - 423, 2015/09

高崎量子応用研究所イオン照射研究施設TIARAのAVFサイクロトロンでは、多重極電磁石を用いて大面積で均一な強度分布を有するイオンビームを形成するための技術開発を進めているが、材料照射試験等で要求される高強度(1$$sim$$10nA/cm$$^2$$)でのビーム強度分布が調整時の低強度(約10pA/cm$$^2$$)の分布とは異なる場合があった。これは、通常ビーム調整に利用している蛍光板(三菱化学製DRZ-High)の発光強度が飽和しないようビーム電流を大幅に下げるために用いるアテネータ(多孔金属板)によってビームの位相空間分布が変化することに起因すると考えられる。そこで本研究では、様々なビーム強度においてリアルタイムでの強度分布調整を可能にするため、数10$$sim$$数100cm$$^2$$の大面積での利用が可能な蛍光体を探索した。実験では、10MeV陽子ビームを用いて、フッ化カルシウム結晶やポリエチレンナフタレートフィルム等の発光強度を調べた。その結果、これらの蛍光体がDRZ-Highと比べてより高い強度のビームで利用可能であり、複数の蛍光体を使い分けることによって、$$10^{-3} sim 10^1$$nA/cm$$^2$$の広範な強度においてリアルタイムでのビーム調整が可能となった。

論文

原子力機構TIARA施設の現状

湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 倉島 俊; 吉田 健一; 石坂 知久; 千葉 敦也; 山田 圭介; 横山 彰人; 薄井 絢; 宮脇 信正; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.302 - 304, 2015/09

日本原子力研究開発機構のイオン照射施設TIARAでは4台の加速器により、材料・バイオ技術の研究開発への利用を主として、広範囲のエネルギー及び多様なイオン種のビームを提供している。本発表では2014年度のTIARAの稼働状況、保守・整備及び技術開発を報告する。保守・整備及び技術開発の主要な内容を以下に示す。サイクロトロンの高周波系において、ショート板用接触子に焼損が発生したため、接触子の交換及び焼損箇所の研磨を行うことで復旧させた。原因調査の結果、経年劣化によりフィードバックケーブルが断線しかかっていたため、不必要な高電圧が印加されたことが原因と判明した。サイクロトロン制御システムに関して、サポートが停止されたWindows XPをWindows 7に変更し、これに伴い制御システムを更新するとともに、トレンドグラフのログデータ保存機能、操作画面上の制御対象一括選択機能の付加など、各種機能を向上させた。C$$_{60}$$イオンビームの計測に関して、複雑な二次荷電粒子を生成するC$$_{60}$$イオンビームの正確な電流測定のために、サプレッサー電極の構造を改良することで二次荷電粒子を十分捕集するファラデーカップを開発した。

論文

Formation of a uniform ion beam based on nonlinear focusing and its applications at the JAEA TIARA cyclotron

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 吉田 健一; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.236 - 238, 2015/06

A formation/irradiation technique of large-area uniform ion beams based on nonlinear focusing of multipole magnets has been developed for advanced research and efficient industrial applications at the AVF cyclotron facility of TIARA. The procedure of the uniform-beam formation is established as follows: First, an ion beam extracted from the cyclotron is multiply scattered with a self-supporting thin foil to smooth out the transverse beam intensity distribution into a Gaussian-like one, which is prerequisite to the formation of a highly uniform ion beam. Then, the tail of the distribution is folded into the inside by the nonlinear force of octupole magnets and the distribution is made uniform on a target. We have realized various uniform beams (over 100 cm$$^2$$ in area) of H, C, Ar, and Xe ions with a typical uniformity below 10%. Such large-area uniform beams enabled the suppression of local target heating and efficient low-fluence irradiation, and are applied to a radiation degradation test of space-use solar cells and a study on functional materials to date.

論文

原子力機構TIARAサイクロトロンにおける大面積均一イオンビーム利用のための技術開発

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.862 - 865, 2014/10

高崎量子応用研究所のイオン照射施設TIARAのAVFサイクロトロンでは、多重極電磁石を用いた非線形集束によって形成した均一ビームを照射利用に供するため、効率的なビーム形成技術の開発や利用環境の整備を進めている。照射条件に応じて2次元の大面積均一ビームや細長いリボン状の均一ビームを効率的に形成するため、主としてターゲット直前の2連四重極電磁石や多重極電磁石の磁場を調整するビーム形成手順をビーム光学計算に基づいて確立した。これに基づく実験により、これまでに陽子,ヘリウム,アルゴン,キセノン等の3$$sim$$13MeV/uのビームで100cm$$^2$$を超える均一照射野が得られた。さらに、様々な利用形態に対応できるターゲットチェンバーを整備するとともに、大口径の薄膜窓を設置して大気中での均一照射を可能にした。本ビームは、照射野全体を同時に照射できるという、従来のスキャン方法では困難であった特長を持つことから、それが最大限活用できる機能性材料創製等の新たな量子ビーム応用研究での利用を開始した。

論文

Transformation of the beam intensity distribution and formation of a uniform ion beam by means of nonlinear focusing

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Plasma and Fusion Research (Internet), 9(Sp.3), p.4406106_1 - 4406106_4, 2014/06

The transformation and uniformization of the transverse beam intensity distribution by means of nonlinear focusing were investigated systematically for better understanding of the nonlinear focusing mechanism. In the theoretical analysis, the change in the on-target beam radius was derived when the Gaussian beam is focused with the octupole force. In the particle tracking simulation, the octupole-force dependence of the beam uniformity was revealed. It was also shown that a more uniform distribution was formed by a combination of the octupole and dodecapole forces. The present results are practically helpful for the design and operation of a uniform-beam irradiation system using multipole magnets. In the experiment at the JAEA AVF cyclotron, large-area square-like and elongated ribbon-like uniform intensity distributions were actually achieved for different utilization by adjusting the nonlinear beam optics including two octupole magnets.

論文

原子力機構TIARAにおける多重極電磁石を用いた大面積重イオン均一ビームの形成

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 吉田 健一; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.138 - 142, 2014/06

原子力機構高崎量子応用研究所のイオン照射施設TIARAでは、イオンビーム利用研究に資するため、AVFサイクロトロンにおける重イオンの新たな大面積均一照射を目的に、多重極電磁石を用いた横方向ビーム強度分布の均一化に関する研究開発を行っている。本手法は、8極電磁石等の作る非線形集束力によりガウス型強度分布の裾野を内側へ折り畳むことで均一な強度分布を形成するもので、照射野全体を同時に均一照射できるという特長を持つ。サイクロトロンから引き出されるビームは複雑な横方向強度分布を有するが、均一ビーム形成の前提として、薄膜による多重クーロン散乱を利用したビーム強度分布のガウス様分布化を実現した。また、大面積ビームの面積や均一度の評価の手段にラジオクロミックフィルムが有用であることを、そのイオン照射応答を調べることにより明らかにした。これを用いて、核子あたり4$$sim$$13MeVのアルゴンイオンビームに関して、均一ビームの形成を確認することに成功した。このようなビームは、超低フルエンスの効率的な均一照射を必要とするイオン穿孔膜創製の研究等に利用される予定である。

論文

Analysis of phase bunching in AVF cyclotron

宮脇 信正; 倉島 俊; 柏木 啓次; 奥村 進; 吉田 健一; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 158, 2014/03

A phase bunching effect in the central region of the JAEA AVF cyclotron has been investigated to obtain a narrow beam phase width necessary for extraction of a low energy spread beam. Simulation of a beam trajectory in the central region indicated that phase bunching was generated for the acceleration harmonic number (${it h}$) 2 and 3. The beam phase distribution of a 260 MeV $$^{20}$$Ne$$^{7+}$$ (${it h}$ = 2) beam in the cyclotron was measured in order to experimentally confirm the phase bunching effect. As a result, reduction of the phase distributions from $$pm$$18.9 to $$pm$$4 RF degrees was observed as consistent with the calculation results.

論文

Study on ion irradiation response of Gafchromic films for the intensity distribution measurement of a large-area beam

百合 庸介; 石坂 知久; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 727, p.40 - 45, 2013/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:72.96(Instruments & Instrumentation)

Precise evaluation of the transverse intensity distribution of a large-area ion beam with various ion species at the AVF cyclotron is required for materials and biological researches at JAEA/Takasaki. The response characteristics of radiochromic films, Gafchromic HD-810 and EBT2, were, therefore, investigated using proton and several heavy-ion beams for developing a measurement technique of the transverse beam intensity distribution. The optical density of the films, read by general-purpose flat-bed scanners, increased linearly with the particle fluence of the beam in a low-fluence region. The linear-response range of the fluence was strongly dependent on ion species. The sensitivity of the film in terms of absorbed-dose response decreased for heavy-ion beams. The practical fluence range of the Gafchromic film for an ion beam of arbitrary energy was determined from the measurement result. Using the two types of Gafchromic films, we measured the relative intensity distribution and evaluated the size and uniformity of a large-area ion beam focused with multipole magnets. It was demonstrated that the present technique was useful for the measurement and evaluation of the ion-beam intensity distribution.

論文

Microscopic evaluation of the absolute fluence distribution of a large-area uniform ion beam using the track-etching technique

喜多村 茜; 八巻 徹也; 百合 庸介; 澤田 真一; 湯山 貴裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 314, p.47 - 50, 2013/11

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

The uniform-beam formation/irradiation system has been developed at TIARA. For the evaluation of the beam uniformity, the relative intensity distribution is obtained from the optical density change of a radiochromic film. However, the absolute fluence distribution cannot be estimated easily and precisely by the radiochromic film based on radiation-induced coloration. In this study, we microscopically evaluated the particle fluence distribution using the track-etching technique, which involves irradiation of a polymer with energetic heavy ions and chemical-etching of the resultant tracks. Relative standard deviation (RSD) value for the microscopic fluence distribution of the uniform beam on the PET film was agreed well with that determined by the radiochromic film. The uniform intensity distribution was realized in our uniform-beam formation system microscopically.

論文

Ion-irradiation response of Gafchromic films and their application to the measurement of the transverse beam intensity distribution

百合 庸介; 石坂 知久; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 25th North American Particle Accelerator Conference (NA-PAC '13) (Internet), p.1388 - 1390, 2013/09

Radiochromic films, Gafchromic HD-810 and EBT2, were investigated in terms of their response to energetic proton and heavy-ion beams in order to be applied to a measurement technique of the transverse beam intensity distribution at the cyclotron of JAEA. The optical density of the irradiated films increased linearly with the particle fluence of the beam in a low-fluence region. The linear-response range was strongly dependent on ion species as well as the film type. By analyzing the film response to absorbed dose, it was found that the sensitivity of the film decreased for a beam with higher linear energy transfer. Based on the linear response above, we could successfully evaluate the relative intensity distribution of a large-area ion beam focused with multipole magnets. It was demonstrated that the present technique was useful for the estimation of the size and uniformity of the ion beam.

論文

大面積イオンビームの2次元強度分布測定のためのガフクロミックフィルムの校正

石坂 知久; 今井 浩二*; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.594 - 596, 2013/08

TIARAサイクロトロンでは、多重極電磁石を用いた大面積均一ビーム形成照射技術の開発を進めている。形成されたビームの均一度や面積の評価にラジオクロミックフィルム線量計の一種であるガフクロミックフィルム(米国ISP社製)を用いた2次元相対強度分布計測を利用するため、イオンビーム照射によるフィルムの着色応答を調べた。ガフクロミックフィルムは、X線等を用いた線量分布評価に利用されているが、高解像度で大面積を評価でき取り扱いも容易である等の特長を有することから、イオンビームの強度分布の評価に利用可能と考えた。照射したフィルム(HD810, EBT2)をイメージスキャナで読み取りTIFF画像(16ビットRGB)に変換、RGB各成分に対応する吸光度を求めることでフルエンス応答曲線を作成した。3種類(10MeV $$^{1}$$H, 520MeV $$^{40}$$Ar、及び490MeV $$^{129}$$Xe)のビームに対する応答を調べた。520MeVの$$^{40}$$ArビームをHD810フィルムへ照射した場合、B成分において3$$times$$10$$^{9}$$個/cm$$^{2}$$までのおよそ2桁のレンジのフルエンス範囲に対して吸光度が線形に増加することがわかった。

論文

Use of Gafchromic films to measure the transverse intensity distribution of a large-area ion beam

百合 庸介; 石坂 知久; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進; 喜多村 茜; 八巻 徹也; 澤田 真一

Proceedings of 1st International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2012) (Internet), p.531 - 533, 2013/06

In the TIARA cyclotron, it is required that transversely uniform ion beam formation by multipole magnets should be evaluated with the uniformity performance precisely. One of techniques developed for it is to measure the distribution of the beam intensity handily using Gafchromic radiochromic films. In order to obtain fluence ranges available, ion-beam irradiation experiments for the film calibration were performed for several ion species. The fluence range where the optical density increased linearly was overlapped with that required for irradiation in materials and biological research. Thus, the relative transverse intensity distribution could be measured with the films practically. Another technique using a polymer film with track-etched pores was tried to compare to the Gafchromic film measurement. The relative beam uniformity determined by the Gafchromic film method agreed with the relative standard deviation of the microscopic pore densities determined by the track-etching technique.

論文

Real-time beam profile measurement system using fluorescent screens

湯山 貴裕; 百合 庸介; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 1st International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2012) (Internet), p.246 - 248, 2013/06

A real-time beam profile measurement system was developed for efficient operation of a uniform-beam tuning by multipole magnets. This system consists of CCD cameras, two fluorescent screens (Gd$$_{2}$$O$$_{2}$$S:Tb and Al$$_{2}$$O$$_{3}$$:Cr) and an image analysis program based on LabVIEW. Available fluence rate and relative transverse intensity distribution could be obtained from the fluorescence in this system. The intensity distribution measured by the system agreed well with the relative intensity distribution obtained with a Gafchromic radiochromic film.

論文

Use of gafchromic dosimetry films to measure a large-area ion-beam distribution

石坂 知久; 今井 浩二*; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 157, 2013/01

A research and development (R&D) study is now in progress on the heavy-ion uniform-beam formation using multipole magnets in TIARA. It is important to evaluate the quality of the uniform beam precisely for the R&D study and future applications. We have been, therefore, developing several techniques to measure the two-dimensional intensity distribution of a large-area ion beam expanded on the target. We here employed Gafchromic radiochromic films. The film, whose color turns blue due to radiation exposure, is widely used for dose evaluation in radiation therapy. It has various advantages such as high resolution, large area, relatively low-dose range. We thus expect that it can be applied to ion beams as well. The coloring response was investigated when the HD-810 and EBT2 films are irradiated with ion beams. It was found that the relative intensity distribution of various ion beams can be measured at practical fluence ranges using Gafchromic films.

論文

Status report on technical developments of the JAEA AVF cyclotron

倉島 俊; 柏木 啓次; 宮脇 信正; 奥村 進; 吉田 健一; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 154, 2013/01

原子力機構AVFサイクロトロンではビームの迅速切換や品質の向上などを目指してさまざまな技術開発を行っている。サイクロトロンのアクセプタンスの全領域を明らかにするために、入射ラインに設置されているスキャナ電流とアクセプタンス計測を連動して行う装置の開発を進めた。ビームの位相幅はエネルギー幅を決定する重要なパラメータであり、ビームバンチャーの有無でどのように変化するのかをプラスティックシンチレータを用いて計測した。その結果、ビーム位相の全幅は変化しないが入射ビームの圧縮により半値幅,引き出し効率は改善されることがわかった。新たなビーム迅速切換技術としてスケーリング法の導入を進めている。等時性磁場を短時間で形成するため、位相プローブによる計測システムを自動化した。その結果、数分で等時性磁場を形成し、20分程度でビームを切り換えることに成功した。

論文

Operation of the AVF cyclotron

奥村 進; 石堀 郁夫; 倉島 俊; 吉田 健一; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 宮脇 信正; 柏木 啓次; 百合 庸介; 奈良 孝幸; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 172, 2013/01

東日本大震災のため、2011年度のAVFサイクロトロンの運転は5月9日から開始し、4月に計画されていたすべての実験は中止となった。全運転時間は3,038.4時間であった。4月の中止分を補てんするため、土曜日の運転を8回実施した。例年の整備を実施した。

論文

Large-area uniform ion beam formed by the nonlinear beam optics at the JAEA TIARA cyclotron

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.97 - 100, 2012/12

A nonlinear focusing method has been studied to form an ion beam with a large-area uniform transverse intensity distribution using octupole magnets at the TIARA cyclotron facility for use in materials and biological sciences. The uniform intensity distribution can be formed on the target by folding the tail of a Gaussian distribution with the nonlinear focusing force of octupole magnets in this method. Therefore, the whole of a large-area sample can be irradiated uniformly at a constant fluence rate. The recent progress will be reported on the uniform beam formation in this presentation. Commissioning of the heavy-ion beam transport has been performed to explore beam characteristics and optimize operation parameters. The uniform intensity distribution with a root-mean-square uniformity of 5% has been obtained in 9 cm square using 10-MeV proton beams, so far. Such a large-area proton uniform beam has been used for the radiation degradation test of space solar cells.

論文

Transformation of the transverse beam intensity distribution by sextupole focusing in a transport line

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Journal of the Physical Society of Japan, 81(6), p.064501_1 - 064501_5, 2012/06

 パーセンタイル:100(Physics, Multidisciplinary)

We investigate the transformation of the transverse intensity distribution of a charged-particle beam focused by one or two sextupole magnets in a beam transport line. It is expected, from the equation of transverse motion, that the beam is deflected toward one direction and thus deformed due to the second-order force of the sextupole magnet. Such a sextupole-induced deformation of the beam distribution has been studied analytically in detail. The beam centroid displacement and the change of the beam size are determined using the first-order and second-order moments of the intensity distribution function. In order to verify the theoretical consideration, numerical simulations and experiments were performed at the cyclotron facility of Japan Atomic Energy Agency. We experimentally demonstrate that an ion beam with a uniform transverse distribution can be formed using two sextupole magnets.

論文

Focusing charged particle beams using multipole magnets in a beam transport line

百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奥村 進

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.1062 - 1064, 2012/05

The intensity distribution of a charged-particle beam is transformed by applying the nonlinear focusing force of a multipole magnet. The transformation of the transverse intensity distribution due to the second-order sextupole and third-order octupole focusing force in the beam transport line is explored. As a measure of the distribution transformation induced by the multipole magnets, the beam centroid displacement and the change of the beam size have been analytically derived using the distribution function of the beam. It is numerically verified how the transverse distribution of the beam is transformed by the multipole magnets. As an application of the distribution transformation by nonlinear focusing, a uniform beam can be formed from a Gaussian beam using multipole magnets. The current status and future plan will be shown on the experiment of the uniform-beam formation at the cyclotron facility in Japan Atomic Energy Agency.

論文

Research and development on heavy-ion uniform-beam formation by nonlinear focusing

百合 庸介; 石堀 郁夫; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 奥村 進

JAEA-Review 2011-043, JAEA Takasaki Annual Report 2010, P. 161, 2012/01

In the past few years, the formation of a beam with a uniform transverse intensity distribution by means of nonlinear focusing of multipole magnets was explored using proton beams at the TIARA cyclotron. The successful experimental results have motivated us for further research and development (R&D) on the uniform-beam formation with heavy ions toward applications to material and biological research at TIARA. In order to conduct the R&D systematically with heavy-ion beams, a versatile experimental chamber was designed, fabricated and installed at the end of the LB course. In parallel with various activities to make the chamber available, an experimental beam study was also conducted using a few kinds of heavy ions.

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