九州大学加速器・ビーム応用科学センター

FFAG加速器

装置紹介

150 MeV FFAG加速器

FFAG加速器の原理は大河千弘氏によって1953 年に世界で最初に提案されました。FFAG加速器は、サイクロトロンとシンクロトロンの両方の利点をもった加速器であり、サイクロトンのように時間的に変化しない磁場を用いて、シンクロトロンのようにビームに対して強い集束力を働かせることができます。

FFAG加速器は、1950 年代後半から1960 年代にかけて実験的に小型の電子加速器が試作されて以来、技術的な難しさから本格的な開発は行われませんでした。当時の計算機の性能では数値計算により磁場分布を正確に予測できず電磁石の設計が難しかったことに加えて、ビームを加速するために用いられる高周波加速空洞と呼ばれる装置の性能が十分ではなく、FFAG加速器の利点を生かすことができなかったことが主な原因です。

近年の飛躍的な計算機の発達の結果、コンピューターシミュレーションによって磁場分布の高精度な予測が可能になったことに加えて、材料科学の発展により優れた磁気的性能を持ったMagnetic Alloy(MA)が開発され、FFAG加速器の利点を生かすことができる高性能な加速空洞が開発されました。

これらの成果を踏まえ、高エネルギー加速器研究機構において世界初の陽子FFAG加速器の原理検証用加速器(Proof of Principle = PoP FFAG) シンクロトロンが開発されました。さらに、PoP FFAGの成功を受けて、FFAG加速器の実用分野における利用を目的とした実用機実証モデルである150 MeV FFAG加速器の開発が開発されました。この加速器は、陽子を12 MeV から150 MeV まで加速する性能を有するため「150 MeV FFAG加速器」と名付けられました。その後、150 MeV FFAG加速器は九州大学加速器・ビーム応用科学センターに移設され、FFAG加速器を陽子線癌治療や加速器駆動原子炉等へ応用するための基礎技術を確立することに加え、教育および原子核科学、医療応用、基礎科学などにおけるビーム応用研究を推進するために研究開発が進められています。

入射器サイクロトロン

150 MeV FFAG加速器の内側に設置されている小型のAVF型サイクロトロンは、150 MeV FFAG加速器に陽子ビームを供給する装置であり、入射器と呼ばれます。陽子ビームはサイクロトロンの内部にあるPIG型イオン源で生成された後、一定周波数の高周波加速電場で10 MeVまで加速されます。最大エネルギーまで加速されたビームは静電デフレクターを通りサイクロトロンの外へ取り出され、入射ビーム輸送ラインへ導かれた後、150 MeV FFAG加速器へ入射されます。

150 MeV FFAG加速器
入射器サイクロトロン
150 MeV FFAG加速器と入射器サイクロトロンの機器配置図

150 MeV FFAG加速器の設計パラメータ

タイプ Radialセクター型 (CFD triplet)
セル数 12
ビームエネルギー 12〜150 MeV (陽子)
周回周波数 1.5〜4.2 MHz
平均軌道半径 4.47〜5.20 m
運転周波数 100 Hz
取り出し平均電流 1.5 nA

入射器サイクロトロンの基本パラメータ

タイプ AVFサイクロトロン
ビームエネルギー 10 MeV
RF周波数 47 MHz (第2高調波加速)
イオン源 PIG型負イオン源 (LaB6)
ビーム取出し半径 0.3 m / 静電デフレクター
取出し平均電流 1 µA (100 Hz運転時)

最近の成果: 論文、レポート、発表リスト

発表

  • 足立 恭介, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 和賀 雄飛, 伊藤 彰洋, 高松 恒輝, 池田 伸夫, 森 義治, 新加速方式:ハーモニートロン実現を目指す垂直FFA加速器の原理実証(2), 日本原子力学会 2022年春の年会, 2022.03.
  • 伊藤 彰洋, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 和賀 雄飛, 足立 恭介, 高松 恒輝, 池田 伸夫, 森 義治, 新加速方式:ハーモニートロン実現を目指す垂直FFA加速器の原理実証 (2)磁性体合金を用いた垂直FFA加速器の高周波加速空洞の設計研究, 日本原子力学会 2021年秋の大会, 2021.09.
  • 足立 恭介, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 和賀 雄飛, 伊藤 彰洋, 高松 恒輝, 池田 伸夫, 森 義治, 新加速方式:ハーモニートロン実現を目指す垂直FFA加速器の原理実証 (1)垂直FFA原理検証機におけるビーム加速の研究, 日本原子力学会 2021年秋の大会, 2021.09.
  • Y. Waga, K. Adachi, A. Ito, K. Takamatsu, H. Arima, Y. Yonemura, N. Ikeda, Y. Mori, Magnet remodeling of the 150 MeV FFA accelerator at Kyushu University for beam optics improvement, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2021 (FFA ’21), 2021.09.
  • A. Ito, Y. Waga, K. Adachi, K. Takamatsu, H. Arima, Y. Yonemura, N. Ikeda, Y. Mori, Design study of MA-loaded RF cavity for the electron model of vFFA accelerator, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2021 (FFA ’21), 2021.09.
  • K. Adachi, Y. Waga, A. Ito, K. Takamatsu, H. Arima, Y. Yonemura, N. Ikeda, Y. Mori, Beam dynamics study of the vFFA electron model at Kyushu University, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2021 (FFA ’21), 2021.09.
  • Y. Yonemura, Status of FFA accelerator in Kyushu University, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2021 (FFA ’21), 2021.09.
  • 和賀 雄飛, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 足立 恭介, 伊藤 彰洋, 池田 伸夫, 森 義治 , 九大150 MeV FFA(Fixed Field Alternating gradient)加速器におけるビーム光学改善のための電磁石改造に関する研究 , 第18回 日本加速器学会年会, 2021.08.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 渡辺 賢一, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 市川 雄一, 郷慎太郎, 西畑 洸希, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2021, 第18回 日本加速器学会年会, 2021.08.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 藤田 訓裕, 郷慎太郎, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2020, 第17回 日本加速器学会年会, 2020.09.
  • 足立 恭介, 和賀 雄飛, 伊藤 彰洋,  臼井 琢巳, 小堀 樹己, 有馬 秀彦, 米村 裕次郎, 池田 伸夫, 森 義治, 垂直FFA加速器のマルチコイルを用いた電磁石設計に関する研究, 日本原子力学会2020年秋の大会, 2020.09.
  • Y. Waga, Y. Adachi, A. Ito, T. Usui, T. Kobori, H. Arima, Y. Yonemura, N. Ikeda, Y. Mori, Study of a control method for vertical focusing force by using stair-like additional poles in the FFA, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2020 (FFA ’20), 2020.12.
  • Y. Yonemura, Status of FFA accelerator in Kyushu University, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2020 (FFA ’20), 2020.12.
  • K. Adachi, Y. Waga, A. Ito, T. Usui, T. Kobori, H. Arima, Y. Yonemura, N. Ikeda, Y. Mori, Study of beam dynamics of a vertical FFA with multi-coil type electromagnet, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators 2020 (FFA ’20), 2020.12.
  • 足立 恭介, 和賀 雄飛, 伊藤 彰洋, 臼井 琢巳, 小堀 樹己, 有馬 秀彦,  米村 祐次郎, 池田 伸夫, 森 義治, 垂直FFA加速器におけるマルチコイル型を用いた電磁石設計研究, 日本原子力学会九州支部第39回研究発表講演会, 2020.12.
  • K. Adachi, Y. Waga, Y. Yonemura, H. Arima, N. Ikeda, Y. Mori, Electron model of Vertical FFA, International Workshop on Fixed Field alternating gradient Accelerators (FFA’19), 2019.11.
  • 足立 恭介, 池田 伸夫, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 和賀 雄飛, 森 義治, 固定磁場強集束加速器におけるスキュー磁場を考慮した軌道解析手法に関する研究, 日本原子力学会2019年秋の大会, 2019.09.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 藤田 訓裕, 郷慎太郎, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2019, 第16回 日本加速器学会年会, 2019.08.
  • 和賀 雄飛, 池田 伸夫, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 上田 光貴, 足立 恭介, 松浦 浩巳, 森 義治, FFAG加速器の垂直方向の集束力補正機構に関する研究, 日本原子力学会2019年春の年会, 2019.03.

論文、レポート

  • 和賀 雄飛, 有馬 秀彦, 米村 祐次郎, 足立 恭介, 伊藤 彰洋, 池田 伸夫, 森 義治, 九大150 MeV FFA(Fixed Field Alternating gradient)加速器におけるビーム光学改善のための電磁石改造に関する研究, 第18回日本加速器学会年会, 271-272, 2021.10.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 渡辺 賢一, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 市川 雄一, 郷慎太郎, 西畑 洸希, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2021, 第18回日本加速器学会年会, 399-400, 2021.10.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 藤田 訓裕, 郷慎太郎, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2020, 第17回日本加速器学会年会, 942-943, 2020.09.
  • H. Okita, A. Taniguchi, Y. Kuriyama, T. Uesugi, Y. Ishi, Y. Mori, M. Muto, Y. Ono, N. Ikeda, Y. Yonemura, A. Sato, M. Kinsho, Y. Miyake, M. Yoshimoto, K. Okabe, Experimental study of multiplex energy recovery internal target ring, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Volume 953, 2020.02.
  • H. Okita, A. Taniguchi, Y. Kuriyama, T. Uesugi, Y. Ishi, Y. Mori, M. Muto, Y. Ono, N. Ikeda, Y. Yonemura, A. Sato, M. Miyake, M. Yoshimoto, K. Okabe, BEAM OPTICS STUDY ON FFA-MERIT RING, Journal of Physics: Conference Series, 10.1088/1742-6596/1350/1/012069, Volume 1350, 2019.12.
  • 米村 祐次郎, 有馬 秀彦, 池田 伸夫, 魚住 裕介, 執行 信寛, 森田 浩介, 若狭 智嗣, 寺西 高, 坂口 聡志, 藤田 訓裕, 郷慎太郎, 岩村 龍典, 中山 久義, 高木 昭, 森 義治, 九州大学加速器・ビーム応用科学センターの現状報告2019, 第16回日本加速器学会年会, 1277-1278, 2019.08.
  • H. Okita, A. Taniguchi, Y. Kuriyama, T. Uesugi, Y. Ishi, Y. Mori, M. Muto, Y. Ono, N. Ikeda, Y. Yonemura, A. Sato, M. Miyake, M. Yoshimoto, K. Okabe, BEAM OPTICS STUDY ON FFA-MERIT RING, 10th International Particle Accelerator Conference, 613-615, 2019.06. Y. Yonemura, H. Arima, N. Ikeda, Y. Mori, Status of the FFA at Kyushu University, ICFA Beam Dynamics Newsletters, No.76, 54-59, 2019.04.

担当者

池田 伸夫 工学研究院
有馬 秀彦 工学研究院
米村 祐次郎 工学研究院