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シンクロトロン振動周波数制御装置及びその制御方法 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P07A011918
整理番号 207
掲載日 2007年11月30日
出願番号 特願2005-196258
公開番号 特開2007-018757
登録番号 特許第3924624号
出願日 平成17年7月5日(2005.7.5)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
登録日 平成19年3月9日(2007.3.9)
発明者
  • 下崎 義人
  • 鳥飼 幸太
  • 高山 健
出願人
  • 高エネルギー加速器研究機構
発明の名称 シンクロトロン振動周波数制御装置及びその制御方法 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】シンクロトロンには、高周波シンクロトロン、誘導加速セルを用いたシンクロトロンがある。図6に高周波加速空洞4による荷電粒子の加速原理を、図7に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理を示す。高周波シンクロトロン16は、入射機器により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子を、高周波シンクロトロン16を構成する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期した高周波加速空洞4によって高周波加速電圧を印加して、加速しながら荷電粒子を真空ダクト中のバンチ3が周回する設計軌道2を周回させる円形加速器である。一方、誘導加速セルを用いたシンクロトロンは、高周波シンクロトロン16と加速方法が異なり誘導加速セルによって誘導電圧を印加して加速する円形加速器である。図6(A)は、入射された陽子が数個のバンチ3として高周波シンクロトロン16の設計軌道2を周回している様子を示している。バンチ3は、高周波加速空洞4に到達すると、磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を印加されることにより、所定のエネルギーレベルまで加速される。ここで、バンチ3とは、荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道2を周回する荷電粒子群のことをいう。また、荷電粒子とは元素の周期表のある種の元素が一定の正または負の電価状態にあるイオンおよび電子に始まる「電荷を持った粒子」の総称をいう。さらに、荷電粒子には化合物、タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含む。図6(B)は、バンチ3と印加される高周波加速電圧4bの関係を示している。横軸tは、高周波加速空洞4内の時間的変化を表している。縦軸vは、高周波4aの電圧値である。Vofsは、加速のある瞬間に偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き(時間変化率)から計算されたバンチ3の加速に必要な高周波加速電圧値4cである。加速に必要な電圧を偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き(時間的変化率)から計算された高周波加速電圧4bとしてバンチ3に印加する。高周波加速電圧4bは、バンチ3の加速に必要な電圧を与える機能と、バンチ3が進行軸方向に拡散することを防止する閉じ込め機能を併せ持っている。高周波シンクロトロン16でバンチ3を加速する場合には、この二つの機能が必ず必要である。この二つの働きをもつ高周波加速電圧4bの時間帯は限られており、高周波加速空洞4では、グレーで示した時間帯は加速に利用することができないことがこれまでに分かっている。特に閉じ込め機能を位相安定性と呼ぶことがある。ここで位相安定性とは、高周波加速電圧4bによって進行軸方向への収束力を受けて、個々の荷電粒子がバンチ3化し、そのバンチ3の中を荷電粒子の進行軸方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン16の中を周回することをいう。図7に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理と、誘導電圧の種類について示した。誘導加速セルには、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるための誘導加速セル(以下、閉込用誘導加速セルという。)と、荷電粒子ビームを進行軸方向に加速するための誘導電圧を印加する誘導加速セル(以下、加速用誘導加速セルという。)がある。なお、閉込用誘導加速セルに代えて、バンチ3を進行軸方向に閉じ込めるために高周波加速空洞4を用いることもある。図7(A)は、閉込用誘導加速セルによるバンチ3の閉じ込めの様子を示している。閉込用誘導加速セルによってバンチ3に印加する誘導電圧をバリアー電圧9という。特に、バンチ頭部3dに印加するバンチ3の進行軸方向と逆向きの誘導電圧のことを負のバリアー電圧9aといい、その電圧値を負のバリアー電圧値9cという。また、バンチ尾部3eに印加するバンチ3の進行軸方向と同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧9bといい、その電圧値を正のバリアー電圧値9dという。これらによって、従来の高周波4aと同様にバンチ3に位相安定性を与えるものである。なお、横軸tは、加速用誘導加速セル内の時間的変化であり、縦軸vは、印加させるバリアー電圧値(図7(B)においては、加速用の誘導電圧値)である。図7(B)は、加速用誘導加速セルによるバンチ3の加速の様子を示している。加速用誘導加速セルによってバンチ3に印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧17という。特に、バンチ頭部3dからバンチ尾部3eに至るバンチ3の全体に印加するバンチ3の進行軸方向の加速に必要な加速用の誘導電圧17のことを加速電圧17aという。また、加速用誘導加速セルにバンチ3が存在しない時間に、加速電圧17aと異極の加速用の誘導電圧17をリセット電圧17bという。このリセット電圧17bは、加速用誘導加速セルの磁気的飽和を回避するためのものである。これらバリアー電圧9、及び加速用の誘導電圧17によって、任意の荷電粒子を一台の加速器で誘導加速セルを用いたシンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場強度が許す任意のエネルギーレベル(以下、任意のエネルギーレベルという。)に加速することができると考えられている。さらに、誘導加速セルを使用することにより、従来の高周波シンクロトロン16で加速していたビーム長に比べて数倍から10倍の時間幅を持つ、1マイクロ秒もの長さをしたバンチ3(スーパーバンチ)を加速することも可能になると考えられている。
【非特許文献1】日本物理学会誌 vol.59,No.9(2004)p601-p610
ここで、誘導加速セルとは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速空洞と原理的には同じ構造である。誘導加速セルは、内筒、及び外筒からなる2重構造で、外筒の内に磁性体が挿入されてインダクタンスを作る。バンチ3が周回する真空ダクトと接続された内筒の一部がセラミックなどの絶縁体でできている。磁性体を取り囲む1次側の電気回路にDC充電器からパルス電圧を印加すると、1次側導体には1次電流(コア電流)が流れる。この1次電流は1次側導体の周りに磁束を発生させ、1次側導体に囲まれた磁性体が励磁される。これによりトロイダル形状の磁性体を貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体を挟んで、導体の内筒の両端部である2次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が発生する。この誘導電場が電場となる。この電場が生じる部分を加速ギャップという。従って、誘導加速セルは1対1のトランスであるといえる。誘導加速セルの1次側の電気回路にパルス電圧を発生させるスイッチング電源を接続し、前記スイッチング電源を外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。図8にシンクロトロン振動と従来のシンクロトロン振動周波数の制御を示す。高周波シンクロトロン16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3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4aが負の電圧になる時間領域ではバンチ3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、概ね点線矢印の間を示す加速領域4dしかバンチ3の加速に使用することができない。加速領域4dでは、バンチ中心3cに常に一定の電圧である中心加速電圧3fを印加するように高周波4aの位相を移動制御することから、バンチ頭部3dに位置する荷電粒子は、バンチ中心3cよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞4に到達するため、バンチ中心3cが受ける中心加速電圧3fより小さい頭部加速電圧3gを受け減速する。一方、バンチ尾部3eに位置する荷電粒子は、バンチ中心3cよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞4に到達するため、バンチ中心3cが受ける中心加速電圧3fより大きい尾部加速電圧3hを受け加速する。加速中、粒子はこの過程を繰り返す。これが位相安定性といわれ、共鳴加速、強収束とともに、荷電粒子のシンクロトロン加速を可能にする3大原理の内の1つの機能である。このバンチ3が位相安定性を受けて、バンチ3を構成する荷電粒子がバンチ中心3cを点対称に加速方向の前後に回転することをシンクロトロン振動3iといい、そのときの荷電粒子の回転周波数をシンクロトロン振動周波数という。ここで閉じ込めとは、バンチ3を構成する荷電粒子が、必ず運動エネルギーのばらつきを持っているために必要となる機能である。運動エネルギーのばらつきは、バンチ3が設計軌道2を1周した後、同じ位置へ到達する時間の違いをもたらす。この時間差は閉じ込めを行わない限り、周回を重ねるごとに大きくなり、荷電粒子は設計軌道2の全体にわたって拡散してしまう。バンチ3の両端に正および負の誘導電圧が印加されるようにすると、エネルギーが不足して周回が遅れた粒子には正の誘導電圧によってエネルギーが与えられてエネルギー過剰な状態になり、エネルギーが過剰で周回が早まった荷電粒子には負の誘導電圧によってエネルギーが失われエネルギー不足な状態になる。これにより、周回が遅れた粒子は周回が早まり、逆に周回が速い粒子は周回が遅れ、結果としてバンチ3を進行軸方向のある領域に局在させることができる。この一連の働きをバンチ3の閉じ込めと呼ぶ。閉込用誘導加速セルの機能は、従来の高周波加速空洞4の閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。閉込用とは、入射装置より誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射された荷電粒子ビームを、誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よって別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ3まで縮めたり、その他種々の長さのバンチ3に変える機能と、加速中のバンチ3に位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。加速用とは、バンチ3を形成後に、バンチ3全体に加速用の誘導電圧17を与える機能を有しているとの意味である。従来の高周波シンクロトロン16において、バンチ3は高周波シンクロトロン16を構成する装置から設計する段階では予想できない高周波を受ける現象が知られている。この現象を外乱と呼ぶ。この外乱は、シンクロトロンを構成する各装置が発する電磁波であり、設置状態により、加速毎に常に決まった高周波周波数としてバンチ3に与えられる。たまたま、バンチ3のシンクロトロン振動3iの周波数と外乱の周波数が一致もしくは整数倍になると、シンクロトロン振動3iに共鳴を誘起し、荷電粒子が理想的エネルギーからずれ、バンチ3が進行軸方向に拡散し、高周波4aの加速領域4dの時間幅を超え、損失してしまう。同様に、荷電粒子ビームの加速に加速用誘導加速セルを用いた場合には、加速電圧17aの印加時間17cの長さを超え、損失してしまう。例えば、バンチ頭部3dの荷電粒子は、加速方向と逆向きの高周波加速電圧4bを受け、シンクロトロンの磁場励磁パターンに同期できなくなり、真空ダクト壁面に衝突して、消失する。荷電粒子の加速において、粒子の損出は加速効率が低下する問題だけでなく、如何なる荷電粒子であっても、高エネルギー状態であるから、真空ダクト壁面に衝突した付近を少なからず放射化する重大な問題を伴う。そこで、従来の荷電粒子の加速において、外乱による荷電粒子の損失を防止するため、高周波4aの振幅を変更することができる振幅変動装置16aによって、シンクロトロン振動周波数を制御し、外乱の周波数との同調を避けていた。
【特許文献1】特開平8-88100号報
具体的には、通常の磁場励磁パターンに同期した高周波4aに対して、振幅増加4eした高周波4fに変動させ、さらに、位相移動4gをおこなった高周波4hをバンチ3に印加する。上述の様な制御を行うことにより、バンチ3の中心加速電圧3fを一定に保つことによって、磁場励磁パターンにバンチ3の周回周波数を同期させることができる。なお、単に振幅を変動させただけの高周波4fでは、バンチ中心3cに印加される中心加速電圧3fが変化し、磁場励磁パターンに同期させることはできない。加えて、バンチ頭部3dには、通常の高周波4aによって与えられた頭部加速電圧3gと逆向きの減速電圧4iが印加される。一方、バンチ尾部3eには、通常の高周波4aによって与えられた頭部加速電圧3gに対して、増加分4jが印加される。その結果、シンクロトロン振動3iが増すこととなる。従って、振幅変動装置16aによって、シンクロトロン振動3iを制御することにより、外乱周波数を避けることができた。よって、高周波加速空洞4による加速においては、荷電粒子の損出による放射化を防止することが可能であった。
産業上の利用分野 本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンに係り、誘導電圧の発生タイミングを制御することにより、シンクロトロン振動周波数を制御する装置及びその制御方法に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 シンクロトロンにおいて、バンチにバリアー電圧を印加する誘導加速セルと、前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源、及び前記スイッチング電源のオン及びオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器、前記ゲート信号パターンの基になるゲート親信号のオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置からなるインテリジェント制御装置より構成されることを特徴とするシンクロトロン振動周波数制御装置。
【請求項2】 シンクロトロンにおいて、バンチ頭部に印加するバンチの進行軸方向と逆向きの誘導電圧である負のバリアー電圧、及びバンチ尾部に印加するバンチの進行軸方向と同一方向の誘導電圧である正のバリアー電圧よりなるバリアー電圧を印加する誘導加速セルと、前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源、及び前記スイッチング電源のオン及びオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器、前記ゲート信号パターンの基になるゲート親信号のオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置からなるインテリジェント制御装置よって、バンチに間欠的にバリアー電圧を印加することを特徴とするシンクロトロン振動周波数の制御方法。
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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