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INDUCTION ACCELERATION DEVICE AND ACCELERATION METHOD OF CHARGED PARTICLE BEAM foreign

Patent code P110005466
File No. 276JP
Posted date Aug 18, 2011
Application number P2005-362921
Publication number P2007-165220A
Patent number P4035621
Date of filing Dec 16, 2005
Date of publication of application Jun 28, 2007
Date of registration Nov 9, 2007
Inventor
  • (In Japanese)下崎 義人
  • (In Japanese)鳥飼 幸太
  • (In Japanese)高山 健
  • (In Japanese)荒木田 是夫
Applicant
  • (In Japanese)大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
Title INDUCTION ACCELERATION DEVICE AND ACCELERATION METHOD OF CHARGED PARTICLE BEAM foreign
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an induction acceleration cell which controls an acceleration of a charged particle beam and a pair of induction acceleration devices which control a generation timing of an induction voltage to be impressed and provide an acceleration method of the charged particle beam.
SOLUTION: The induction acceleration device 5 is composed of an induction acceleration cell 6 which impresses an induction voltage, a switching power source 5b which impresses a pulse voltage to the induction acceleration cell 6 through a conducting cable, a DC charger 5c which supplies a power to the switching power source 5b, and an intelligent control unit 7 having a pattern generating unit 13 which generates a gate signal pattern 13a to control a turning on and off of the switching power source 5b and a digital signal processing unit 12 which controls a turning on and off of the gate mother signal 12a which is a basis of the gate signal pattern 13a.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

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。

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。高周波シンクロトロンは、入射装置により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子に、荷電粒子ビームが周回する設計軌道の強収束を保証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電圧を高周波加速空洞によって印加し、荷電粒子を真空ダクト中の周回する設計軌道を周回させる円形加速器である。

高周波シンクロトロンでは、入射された荷電粒子が数個のバンチとして高周波シンクロトロンの設計軌道を周回する。バンチは、高周波加速空洞に到達すると、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、バンチとは、荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道を周回する荷電粒子群のことをいう。

偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き(時間的変化率)から計算された加速に必要な電圧を高周波加速電圧としてバンチに印加する。高周波加速電圧は、バンチの加速に必要な電圧を与える機能と、バンチ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でバンチを加速する場合には、この二つの機能が必ず必要である。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化し、そのバンチ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の中を周回することをいう。なお、この二つの働きをもつ高周波加速電圧の時間帯は限られている。

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と加速原理が異なり誘導加速セルによって誘導電圧を荷電粒子ビームに印加して加速する円形加速器である。図16に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理を示す。

図16は、従来の機能の異なる誘導加速セルから印加させる誘導電圧による荷電粒子ビームの加速原理を示す図である。誘導加速セルには、機能により区別され、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を用いることもある。従って、従来の誘導電圧を用いる荷電粒子ビームの加速では、必ず加速と閉じ込めの2の機能を必要としていた。

図16(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17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バリアー電圧17を負のバリアー電圧17aといい、その電圧値を負のバリアー電圧値17c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バリアー電圧17を正のバリアー電圧17bといい、その電圧値を正のバリアー電圧値17dという。

このバリアー電圧17によって、従来の高周波と同様にバンチ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、印加されるバリアー電圧値(図16(B)においては、加速用の誘導電圧値)である。

図16(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18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18のことを加速電圧18aといい、その電圧値を加速電圧値という。なお、加速電圧18aが印加される時間を印加時間18e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18aと異極の加速用の誘導電圧18をリセット電圧18bといい、その電圧値をリセット電圧値18dという。このリセット電圧18b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17、及び加速用の誘導電圧18によって、陽子を加速することができると考えられ、実証されつつある。
【非特許文献1】
Phys.Rev.Lett.Vol.94,No.144801-4(2005).

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2】
日本物理学会誌 vol.59,No.9(2004)p601-p610

図17は、シンクロトロン振動を示す図である。高周波シンクロトロン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36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36aでしかバンチ3の加速に使用することができない。

加速領域36a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36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、荷電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。

従って、閉込用誘導加速セルの機能は、従来の高周波加速空洞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18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において、バンチ3は高周波シンクロトロンを構成する装置から設計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36の加速領域36a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18aの印加時間18e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、高周波の振幅を変更することができる振幅変動装置によって、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。

従って、荷電粒子ビームを誘導電圧で加速するためには、シンクロトロン振動周波数を制御しなければ、現実的に稼働させることはできない。

図18は、従来の誘導電圧によるスーパーバンチの生成過程の一例を示した図である。スーパーバンチ3mを構築するために、複数回に渡りバンチ3を真空ダクトに入射し、複数のバンチ3を結合する必要がある。

図18(A)において、複数のバンチ3を入射後、加速前に順次バンチ3を結合した時間的に長いバンチ3oに、さらにバンチ3を結合する方法について説明する。なお、スーパーバンチ3mの構築は、複数のバンチ3を入射後、各々のバンチ3をバリアー電圧17で閉じ込め、加速前に行う。

バンチ3oのバンチ頭部3dとバンチ尾部3eに、それぞれ負のバリアー電圧17aと正のバリアー電圧17bを印加して閉じ込めを毎周回行う。このときバリアー電圧17の発生タイミングは一定である。

バンチ3oに結合するバンチ3は、閉込用誘導加速セルとは別に移動用の誘導加速セルで負及び正のバリアー電圧17a、17bを印加し、閉じ込めながらバンチ3oに接近させる。接近させるためには、移動用のバリアー電圧17gの発生タイミングを徐々に早めていく。

結果的に閉じ込めだけに用いられるバリアー電圧17と、移動用に用いられるバリアー電圧17gの発生間隔(以下、バリアー電圧発生間隔17hという。)が短くなり、バンチ3は周回を重ねる毎にバンチ3oに接近(図中の白抜き矢印方向)する。

最終的に、バンチ3oの正のバリアー電圧の発生タイミングをバンチ3のバンチ尾部3eに相当する位置に発生させ、バンチ3oとバンチ3とを一体に結合する。これによりスーパーバンチ3mが構築されると考えられていた(図18(B))。

このようにしてなるスーパーバンチ3mを、負のバリアー電圧17a及び正のバリアー電圧17bからなるバリアー電圧17で閉じ込め、また、閉込用誘導加速セルとは別の加速用誘導加速セルから印加される加速用の誘導電圧18で加速することができると考えられている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、誘導加速セルから印加される誘導電圧の発生タイミングを制御し、荷電粒子ビームの加速を可能にする誘導加速装置、及び荷電粒子ビームの加速方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
シンクロトロンの誘導加速装置において、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるバリアー電圧及び加速する加速用の誘導電圧を印加する1台の誘導加速セルと、前記誘導加速セルに伝送線を介してパルス電圧を与え、駆動するスイッチング電源と、前記スイッチング電源に電力を供給するDC充電器と、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、及び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から構成され、前記誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする誘導加速装置。

【請求項2】
 
前記デジタル信号処理装置が、磁場励磁パターンを基に計算される理想的な可変遅延時間パターンに対応する必要な可変遅延時間パターンを格納し、前記必要な可変遅延時間パターンに基づき可変遅延時間シグナルを生成する可変遅延時間計算機と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道にあるバンチモニターからの荷電粒子ビームの通過シグナル、前記可変遅延時間計算機からの可変遅延時間シグナルを受けて、可変遅延時間に相当するパルスを生成する可変遅延時間発生器と、磁場励磁パターンを基に計算される理想的な加速電圧値パターンに対応する等価的な加速電圧値パターンを格納し、前記可変遅延時間発生器からの可変遅延時間に相当するパルスを受けて、誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成する誘導電圧演算機と、前記誘導電圧演算機からのパルスを受けて、パターン生成器に適したパルスであるゲート親信号を生成し、可変遅延時間の経過後に出力するゲート親信号出力器とからなり、誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする請求項1に記載の誘導加速装置。

【請求項3】
 
前記可変遅延時間計算機が、シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル、及び設計軌道上の荷電粒子ビームの周回周波数を基に可変遅延時間をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間に基づき可変遅延時間シグナルを生成することを特徴とする請求項2に記載の誘導加速装置。

【請求項4】
 
前記誘導電圧演算機が、シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナルを基に加速電圧値をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間発生器からの可変遅延時間に相当するパルスを受けて、加速用の誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の誘導加速装置。

【請求項5】
 
シンクロトロンの荷電粒子ビームの加速方法において、一組の誘導加速装置から印加される同一の矩形の正の誘導電圧及び同一の矩形の負の誘導電圧からなる誘導電圧の発生タイミングを制御し、一定時間における荷電粒子ビームの周回回数である制御単位において、荷電粒子ビームの周回毎に誘導電圧を印加することなく間欠的に、加速用の誘導電圧を理想的な加速電圧値パターンに対応する等価的な加速電圧値パターンとして印加し、かつ加速用の誘導電圧を印加しない時間帯に荷電粒子ビームを閉じ込めるバリアー電圧及びシンクロトロン振動周波数を制御する誘導電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。

【請求項6】
 
請求項1~4に記載の誘導加速装置を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セルから到着した荷電粒子ビームに誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セルから印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間を変更させることを特徴とする誘導加速装置。

【請求項7】
 
請求項1~4に記載の誘導加速装置を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セルから到着した荷電粒子ビームに誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セルから印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間を変更させることを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。

【請求項8】
 
荷電粒子を発生するイオン源と前記荷電粒子を一定のエネルギーレベルに加速する前段加速器と前記前段加速器で加速された荷電粒子ビームを設計軌道が中にある環状の真空ダクトに入射する入射機器からなる入射装置と、前記設計軌道の曲線部に設けられた前記荷電粒子ビームの設計軌道を保証する偏向電磁石と前記設計軌道の直線部に設けられた前記荷電粒子ビームの強収束を保証する収束電磁石と前記真空ダクトの中に設けられた荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニターと前記真空ダクトに接続された荷電粒子ビームの加速制御を行う誘導加速装置とからな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で所定のエネルギーレベルまで加速した荷電粒子ビームをビーム利用ラインに出射する出射機器からなる出射装置から構成される加速器において、前記誘導加速装置として、請求項1乃至請求項4、又は請求項6の何れかに記載の誘導加速装置を用いたことを特徴とする任意の荷電粒子ビームを加速する加速器。

【請求項9】
 
請求項8において、前段加速器が、静電加速器、線形誘導加速器、又は小サイクロトロンであることを特徴とする請求項8に記載の加速器。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2005362921thum.jpg
State of application right Registered
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