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全種イオン加速器及びその制御方法 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P07A011914
整理番号 204
掲載日 2007年11月30日
出願番号 特願2005-129387
公開番号 特開2006-310013
登録番号 特許第3896420号
出願日 平成17年4月27日(2005.4.27)
公開日 平成18年11月9日(2006.11.9)
登録日 平成19年1月5日(2007.1.5)
発明者
  • 高山 健
  • 下崎 義人
  • 鳥飼 幸太
  • 荒木田 是夫
出願人
  • 高エネルギー加速器研究機構
発明の名称 全種イオン加速器及びその制御方法 コモンズ 外国出願あり
従来技術、競合技術の概要 【背景技術】ここで、イオンとは元素の周期表のある種の元素が一定の電価状態にあることをいう。また、全種イオンとは、元素の周期表にある全ての元素であって、前記元素が原理的に取り得る全ての電価状態のことをいう。加速器は、電子、陽子及びイオンなどの荷電粒子を数百万電子ボルト(数MeV)から数兆電子ボルト(数TeV)程度の高エネルギー状態に加速する装置であり、加速原理により大別すると高周波加速器と陽子用の誘導加速シンクロトロンがある。高周波加速器には、加速方法により区別すると、線形加速器、サイクロトロン、高周波シンクロトロンなどがある。さらに高周波加速器の大きさも用途により多種多様であり、大きなエネルギーを得る高周波加速器として原子核・素粒子物理学研究用の大型加速器から、最近では、比較的低エネルギーレベルのイオンビームの供給を行う癌治療専用の小型の高周波シンクロトンまである。高周波加速器では、荷電粒子の加速のために高周波加速空洞を用いてきた。この高周波加速空洞は、荷電粒子の走行に同期して数MHz~数10MHzの高周波電場を高周波空洞の共鳴振動による励振によって発生させる。この高周波電場によるエネルギーを荷電粒子に供給している。荷電粒子ビームのエネルギー変化に応じて高周波加速器の設計軌道上での周回周波数が増大するので、概ね上記範囲程度で共振周波数を変動させる。図10に従来の高周波シンクロトロン複合体一式34を示した。特に、高周波シンクロトロン35は、原子核物理・高エネルギー物理の実験に不可欠であった。高周波シンクロトロン35は、共鳴加速、強収束及び位相安定性の原理により荷電粒子を所定のエネルギーレベルまで高めるための加速器であり、以下の構成よりなる。従来の高周波シンクロトロン複合体一式34は、イオン源16で発生させたイオンを高周波線形加速器17bで光速の数パーセントから数十パンセントの速さまで加速し、高周波線形加速器17bからセプタム電磁石、キッカー電磁石、バンプ電磁石などからなる入射機器18を用いて後続の環状の高周波シンクロトロン35に入射する入射装置15と、所定のエネルギーレベルまで加速する高周波シンクロトロン35と、所定のエネルギーレベルまで加速されたイオンビーム3を実験装置21bなどが置かれた施設21aであるイオンビーム利用ライン21に取り出す各種電磁石からなる出射機器20を含む出射装置19などからなる。各装置間は輸送管16a、17a、20aで連結されている。高周波シンクロトロン35は高真空状態に保たれた環状の真空ダクト4と、設計軌道に沿ってイオンビーム3を偏向させる偏向電磁石5、真空ダクト4の中のイオンビーム3を水平方向と垂直方向の両方向に強収束を保証するように配置された四極電磁石などの収束電磁石6、真空ダクト4の中のイオンビーム3に対して高周波加速電圧を印加してイオンビーム3を加速する高周波加速空洞36a及び印加高周波を制御する制御装置36bからなる高周波加速装置36と、真空ダクト4の中のイオンビーム3の位置を測定する全周に渡って分布する位置モニター35a及びこの位置モニター35aによって得られたイオンビーム3の位置情報からイオンビーム3の軌道(Closed Orbit Distortionと呼ばれる)を補正するためのステアリング電磁石35b、イオンビーム3の通過を感知するバンチモニター7などからなる。上記構成による高周波シンクロトロン複合体一式34において、高周波線形加速器17bよって一定のエネルギーレベルまで加速、入射されたイオンビーム3は、進行軸方向に一様に連続な電荷密度分布を持って真空ダクト4の内の設計軌道を周回する。このとき高周波加速空洞36aに高周波電圧を印加すると、進行方向への収束力により、イオンビーム3は高周波電圧のある位相を中心にして荷電粒子群(以下、バンチという。)を形成する。その後、イオンビーム3の設計軌道を保持する偏向電磁石5の励磁パターンに同期して、高周波加速空洞36aに印加する電圧の周波数を上昇させる。又、バンチ中心の高周波電圧に対する位相を加速位相側にずらすことで、周回するイオンビーム3の運動量が増加する。高周波の周波数はイオンの周回周波数の整数倍の関係にある。ここで、イオンビーム3の中の荷電粒子の電荷をe、運動量をp、磁束密度をB、磁場での偏向による曲率半径をρとすると、p=eBρの関係にあることが知られており、また、イオンビーム3を水平方向及び垂直方向へ収束させるための四極電磁石の磁場強度もイオンビーム3の運動量の増加に同期して増加させる。この結果、真空ダクト4の内を周回するイオンビーム3は予め定めた固定の軌道に常に位置する。この軌道のことを設計軌道という。イオンビーム3の運動量増加率と磁場強度の変化率との間で同期を取る方法としては、偏向電磁石5の磁場強度を磁場測定用サーチコイルで測定し、磁場強度の変化毎に制御クロック(Bクロック)を発生し、Bクロックを基に高周波の周波数を決定する方法がある。偏向電磁石5の磁場強度変化と高周波周波数変化の完全な同期が取れないと、イオンビーム3は周回軌道が縮んだり又は膨らんだりして、設計軌道から外れ、真空ダクト4などに衝突して失われる。そこで、運動量ずれを検出する位置モニター8によってイオンビーム3の設計軌道からの変位を測定し、イオンビーム3が設計軌道を周回するために必要な高周波電圧の位相を算出し、適切な位相で高周波加速電圧がバンチ中心に印加するようなフィードバックが働く様なシステム構成になっている。この高周波加速電圧によって進行方向への収束力を受けて、個々のイオンはバンチ化し、そのバンチ中をイオンビーム3の進行方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン35の中を周回する。これは高周波シンクロトロン35の位相安定性と呼ばれている。図11に従来の高周波シンクロトロン35の高周波によるバンチの閉じ込めと加速の原理(位相安定性)を示した。高周波シンクロトロン35における荷電粒子の進行軸方向の閉じ込めとその加速方式では、バンチ3aを閉じ込めることができる位相空間領域の、特に進行軸方向(時間軸方向)が原理的に制限されることが知られている。具体的には高周波37が負の電圧になる時間領域ではバンチ3aは減速され、電圧勾配の極性が異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、閉じ込められない。すなわち、概ね点線の間を示す加速電圧37aの時間帯しかイオンビーム3の加速に使用することができない。加速電圧37aの時間帯では、バンチ中心3bに常に一定の電圧である中心加速電圧37bを印加するように高周波37を制御することから、バンチ頭部3cに位置する粒子は、バンチ中心3bよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞36aに到達するため、バンチ中心3bが受ける中心加速電圧37bより小さい頭部加速電圧37cを受け減速する。一方、バンチ尾部3dに位置する粒子は、バンチ中心3bよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞36aに到達するため、バンチ中心3bが受ける中心加速電圧37bより大きい尾部加速電圧37dを受け加速する。加速中、粒子はこの過程を繰り返す。加速し得るイオンビーム電流の最大値はビームの進行軸に対して垂直な方向にイオンビーム3自身が作る電磁場に起因する発散力である空間電荷力の大きさによって決まる。加速器内の荷電粒子は収束磁石による力を受けてベータートロン振動と呼ばれる調和振動子と類似の運動をしている。イオンビーム電流がある大きさを超えると荷電粒子のベータートロン振動の振幅が真空ダクト4のサイズまでに達して失われる。これを空間電荷制限と呼ぶ。厳密には局所電流値すなわち線電流密度の最大値によって制限される。従って特別な工夫をしない限り高周波シンクロトロン35ではバンチ中心3bの密度が最大になり、バンチ中心3bと、バンチ頭部3c、バンチ尾部3dなどのバンチ外縁での電流密度のアンバランスは避けられない。そしてバンチ中心3bの電流密度はこの制限以下でなければならない欠点があった。すなわち、高周波加速空洞36aの共振周波数frfは高周波加速空洞36aの電気パラメーター(インダクタンスL、容量C)を用いるとfrf=1/4(L・C)1/2によって与えられる。ここでインダクタンスは主に高周波加速空洞36aに装荷した磁性体の形状(長さl、内径a、外径b)とその比透磁率μ*を用いてL=l・(μμ/2π)log(b/a)で与えられる。加速と共に周回周波数が変化する粒子周回と同期を取るため常に粒子の周回周波数fと高周波加速空洞36aの共振周波数frfは常にfrf=hf(h:整数)の関係を維持しなくてはならない。これには磁性体をバイアス電流と呼ばれる別付けの電流で励磁することによってB-Hカーブ上の動作点を移動させ、比透磁率をμを制御することによって実現している。通常使用される高周波加速空洞36aの磁性体であるフェライトでは、最も大きなインダクタスはバイアス電流が0A近傍のときであるが、その動作点で決まる共振周波数が最小の共振周波数となる。陽子や特定のイオンに限定して設計・建設された高周波シンクロトロン35では高周波加速空洞36a自身と駆動電源である高周波電力増幅器(三極、或いは四極電力真空管)が持つ有限な周波数の可変幅によって許される範囲でしかイオン種と電価数を選べない。従って、従来の高周波シンクロトロン35では、一旦加速するイオンの種、加速エネルギーレベル、加速器周長を決定すると、高周波37の周波数バンド幅が一意に決まる。図12に種々のイオンを高エネルギー加速器研究機構(以下、KEKという。)の500MeVブースター陽子シンクロトロン(以下、500MeVPSという。)で加速する場合の入射から加速終了までの高周波シンクロトロン35の周回周波数を示した。縦軸が周回周波数(メガヘルツ)、横軸が加速時間(ミリ秒)である。なお、KEKの500MeVPSは周長約35メートルの陽子専用の高周波シンクロトロン35である。H(1,1)、U(238,39)及びU(283、5)は、それぞれ、陽子、39価のウランイオン及び5価のウランイオンを意味し、各々について加速周波数変化をグラフに示した。図12の結果から、陽子や軽イオンの加速を目的に作られた高周波シンクロトロン35ではウラン等の重いイオンを著しく周回周波数の低い低エネルギーレベルから高いエネルギーレベルまで加速することはできないことがわかる。なお、縦の破線両矢印が示す範囲に陽子より重く5価のウランイオンより軽いイオンの周波数変化は存在する。他方、多種イオンを加速する加速器としてサイクロトロンが昔から使用されてきた。これも高周波シンクロトロン35と同様に高周波加速空洞36aをイオンビーム3の加速装置として使用する。従って、高周波37を使用する原理的限界から、加速できるイオンの質量番号Aと電価数Zの比であるZ/Aがほぼ等しいイオン種と電価状態に限られるという欠点がある。さらに、イオンビーム3の周回軌道はイオン源16のある中心部から取り出し軌道となる最外部まで一様な磁場で保持され、必要な磁場は鉄を磁性体とした双極の電磁石で発生させる。しかし、このタイプの電磁石には物理的大きさに限界があるという欠点がある。従って、これまで建設されたサイクロトロンにおける加速エネルギーの最大値は核子当たり520MeVである。因みに鉄の重量は4000トンに及ぶ。そこで、高周波加速器と異なる加速器として、近年、陽子の円形加速器として誘導加速シンクロトロンが提案された。陽子用の誘導加速シンクロトロンとは、上記の高周波シンクロトロン35の欠点を回避できる加速器である。すなわち、制限電流値以下で線密度を一定に保ったまま、進行軸方向に大幅に陽子を詰め込むことができる加速器である。陽子用の誘導加速シンクロトロンの特徴は、第1に、誘導加速セルに発生させる正負対の誘導電圧で進行軸方向に陽子ビームを閉じ込め、マイクロ秒オーダーの長大な陽子群(スーパーバンチ)を作ることができる。第2に別の誘導加速セルに発生させる長い印加時間の誘導電圧で閉じ込められたスーパーバンチを加速することができるというものである。つまり、従来の高周波シンクロトロン35が進行軸方向について陽子の閉じ込めと加速を共通の高周波37で行う機能結合型であるのに対して、誘導加速シンクロトロンは閉じ込めと加速を分離した機能分離型といえる。陽子の閉じ込めと加速の機能を分離することは、別々の機能を発揮する誘導加速装置によって可能になった。誘導加速装置は、磁性体のコアを持つ1体1のトランスである陽子の閉じ込を専門に行う誘導加速セル及び加速を専門に行う誘導加速セルと、前記各々の誘導加速セルを駆動する各スイッチング電源などからなる。誘導加速セルに陽子ビームの周回周波数に同期してパルス電圧を発生させる。例えば周長300メートルクラスの加速器であれば、CW1MHzの繰り返しでパルス電圧を発生しなくてはならない。この陽子用の誘導加速シンクロトロンの直接的応用として、次世代のニュートリノ振動を探査する陽子駆動加速器や衝突型加速器(コライダー)が提案されている。これによれば、従来の高周波シンクロトロン35で構成される陽子加速器の陽子ビーム強度より4倍程度高い陽子ビーム強度が実現できると予想されている。誘導加速シンクロトロンを応用した衝突型加速器をスーパーバンチ・ハドロンコライダーと呼ぶ。スーパーバンチを閉じ込め・加速できる誘導加速シンクロトロンの特徴を最大限活かしたスーパーバンチ・ハドロンコライダーでは、従来の高周波37を使用するシンクロトロンを基礎にした同サイズのコライダーより1桁大きなルミノシティーが期待されている。これは建設費3,000億円程度のコライダーを10基建設するのと等価になる。ここで、誘導加速シンクロトロンの加速原理について説明する。誘導加速セルに極性の異なる誘導電圧を発生させる。バンチ中心3bに位置する理想的粒子の運動量より大きい運動量をもった陽子の速度は理想粒子のそれより大きいので前に進む、そしてバンチ頭部3cに到る。そこに到ったとき負の誘導電圧で減速され、運動量を減じ、理想粒子のそれより速度が遅くなり、バンチ3aの後方へ動き出す。これがバンチ尾部3dに達すると正の誘導電圧を受け始め、加速される。この結果運動量が理想粒子のそれを越える。加速中、陽子ビームは上記過程を繰り返す。これは従来から知られている高周波シンクロトロン35の位相安定性(図11)と本質的に同じものである。この性質によって陽子はバンチ3aの形で進行軸方向に閉じ込められる。しかし、極性の異なる誘導電圧だけでは陽子は加速できない。そこで、別途一様な誘導電圧を印加することのできる誘導加速セルで陽子を加速する。閉じ込めと加速の機能分離の結果、進行軸方向のビームハンドリングの自由度が大幅に増すことが知られており、実証されつつある。CW1MHzの繰り返しで2kVの誘導電圧を発生させる誘導加速装置が完成し、KEKの12GeV陽子高周波シンクロトロン(以下、12GeVPSという。)に導入された。なお、12GeVPSは周長約340メートルの陽子専用の高周波シンクロトロン35である。最近の誘導加速の実験において500MeVで入射された陽子ビームを8GeVまで誘導加速することに成功している。
【非特許文献1】日本物理学会誌 vol.59,No.9(2004)p601-p610
【非特許文献2】Phys.Rev.Lett.Vol.94,No.144801-4(2005).
産業上の利用分野 本発明は、イオンを加速する加速器に係り、特に、あらゆる種類のイオンを加速することができる誘導加速シンクロトロンを含む加速器及びその制御方法に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 イオンビームの通過シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用デジタル信号処理装置及び閉込用パターン生成器で閉込用ゲート信号パターンを生成し、閉込用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用インテリジェント制御装置により制御し、閉込用誘導加速セルによってイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、加速用デジタル信号処理装置及び加速用パターン生成器で加速用ゲート信号パターンを生成し、加速用誘導加速セルのオン及びオフを加速用インテリジェント制御装置により制御し、加速用誘導加速セルによってイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、全てのイオン種の周回に同期させ、加速することを特徴とする全種イオン加速器。
【請求項2】 イオンビームの設計軌道が中にある環状の真空ダクト、前記設計軌道の曲線部に設けられイオンビームの円軌道を保持する偏向電磁石、前記設計軌道の直線部に設けられイオンビームの拡散を防止する収束電磁石、前記真空ダクトの中に設けられイオンビームの通過を感知するバンチモニター、前記真空ダクトの中に設けられイオンビームの重心位置を感知する位置モニター、前記真空ダクトに接続されたイオンビームを進行方向に閉じ込めるための誘導電圧を印加する閉込用誘導加速セル及び前記閉込用誘導加速セルの駆動を制御する閉込用インテリジェント制御装置からなる閉込用誘導加速装置、及び前記真空ダクトに接続されたイオンビームを加速するための誘導電圧を印加する加速用誘導加速セル及び前記加速用誘導加速セルの駆動を制御する加速用インテリジェント制御装置からなる加速用誘導加速装置から構成される誘導加速シンクロトロンと、前記誘導加速シンクロトロンに、イオン源で発生したイオンを前段加速器で一定エネルギーレベルまで加速し、イオンビームを入射する入射機器からなる入射装置と、前記誘導加速シンクロトロンからイオンビームをイオンビーム利用ラインに取り出す出射装置とからなり、前記閉込用インテリジェント制御装置が、前記バンチモニターからの通過シグナル及びイオンビームに印加した誘導電圧値を知るための電圧モニターからの誘導電圧シグナルを受けて、前記閉込用誘導加速セルを駆動する閉込用スイッチング電源のオン及びオフを制御する閉込用ゲート信号パターンを生成する閉込用パターン生成器の閉込用ゲート信号パターンの基になる閉込用ゲート親信号を計算する閉込用デジタル信号処理装置によって、前記閉込用誘導加速セルに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、前記加速用インテリジェント制御装置が、前記バンチモニターからの通過シグナル、前記位置モニターからの位置シグナル及びイオンビームに印加した誘導電圧値を知るための電圧モニターからの誘導電圧シグナルを受けて、前記加速用誘導加速セルを駆動する加速用スイッチング電源のオン及びオフを制御する加速用ゲート信号パターンを生成する加速用パターン生成器の加速用ゲート信号パターンの基になる加速用ゲート親信号を計算する加速用デジタル信号処理装置によって、前記加速用誘導加速セルに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、全てのイオン種の周回に同期させ、加速することを特徴とする全種イオン加速器。
【請求項3】 加速用誘導加速セルと、閉込用誘導加速セルとを組み込んだ円形加速器において、イオンビームの通過シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用誘導加速セルからイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、加速用誘導加速セルからイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、全てのイオン種の周回に同期させ、加速することを特徴とするイオンビームの加速方法。
【請求項4】 イオンビームの通過シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用デジタル信号処理装置及び閉込用パターン生成器で閉込用ゲート信号パターンを生成し、閉込用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用インテリジェント制御装置により制御し、閉込用誘導加速セルによって前段加速器により入射されたイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、加速用デジタル信号処理装置及び加速用パターン生成器で加速用ゲート信号パターンを生成し、加速用誘導加速セルのオン及びオフを加速用インテリジェント制御装置により制御し、加速用誘導加速セルによって前記イオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、全てのイオン種の周回に同期させ、加速することを特徴とする全種イオン加速器の制御方法。
産業区分
  • 原子力
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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