CN100359993C - 带电粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明是备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件、真空管道的带电粒子加速器，设置第1、第2加速期间(22)、(23)，从第1加速期间(22)的开始时刻(25)到第2加速期间(23)的结束时刻为止施加由加速部件产生的加速电场，在第1加速期间加上恒定值的偏转磁场，在第2加速期间施加偏转磁场使其直到结束时刻都在增加。本发明提供小型的可以大输出、大电流加速的带电粒子加速器。

Description

带电粒子加速器

技术领域

本发明涉及加速带电粒子的圆形粒子加速器，特别是涉及小型的可以加速大电流粒子束的带电粒子加速器。

背景技术

作为以往的带电粒子加速器，偏转电磁铁产生的磁场恒定，与带电粒子的加速一起平衡轨道向周围轨道的外侧扩大地进行加速的FFAG(Fixed Field Alternating Gradient(固定场交流梯度))加速器是众所周知。(例如，请参照非专利文献1：“Developmemt of a FFAGproton synchrotron”Proceedings of EPAC 2000，Vienna Austria2000，P581～P583，Fig1)。

另外，作为不改变平衡轨道在恒定轨道中进行加速的加速器是电子回旋加速器。  (例如，请参照非专利文献2：加速器科学(奇偶物理学课程)丸善股份有限公司平成5年9月20日发行4章电子回旋加速器P39～P43 Fig4.1)。

非专利文献1所示的FFAG加速器，入射由离子源产生的带电粒子束，由偏转电磁铁的偏转磁场使其在大致圆轨道上回旋，由加在加速空腔上的电场进行加速。加速中偏转电磁铁的偏转磁场恒定，与带电粒子束的加速一起平衡轨道向加速器的外侧移动。偏转电磁铁向着外侧磁场强度增大，但是因为偏转电磁铁的磁场恒定，所以装置整体尺寸增大，难以小型化，限定了应用的领域。

另一方面，非专利文献2所示的电子回旋加速器，在带电粒子加速中的平衡轨道是恒定的，根据由库伦散射引起的空间电荷效应要进行大电流加速是困难的，时间平均的带电粒子束输出很弱，几乎不可能适用于产业、医疗应用领域。

本发明就是为了解决上述那样的课题而完成的，本发明的目的是提供当作为带电粒子加速电子时，约30cmφ左右的重叠(lap-top)型的极小型的，并可大电流加速的带电粒子加速器，可以扩大到产业、医疗外的各领域中的应用。

另外，本发明的目的是即便在作为带电粒子加速质子和碳等的情形中也能够提供小型的加速器。

发明内容

本发明的带电粒子加速器是备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道的带电粒子加速器，

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，在上述第1加速期间以恒定值施加上述偏转电磁铁的磁场，并且在上述第2加速期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其直到第2加速期间结束时刻为止都在增加，

上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

又，本发明的带电粒子加速器是备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道的带电粒子加速器，

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，并且具有与上述第2加速期间连接的粒子束取出期间；

从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述取出期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，在上述第1加速期间以恒定值施加上述偏转电磁铁的磁场，在上述第2加速期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其直到第2加速期间结束时刻为止都在增加，并且，在上述取出期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其恒定地保持上述第2加速期间中的终端值，

上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

又，本发明的带电粒子加速器是备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道的带电粒子加速器，

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加上述偏转电磁铁的磁场使其增加，并且，可以改变在上述第1加速期间中的，从上述带电粒子发生装置射出的带电粒子的能量，

同时，上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

如果根据本发明的带电粒子加速器，则能够实现小型、紧凑、可以抑制空间电荷效应，可以加速大输出的带电粒子束，可以得到大输出优质的带电粒子束的卓越效果。

附图说明

第1图是表示根据本发明的实施方式1～5的带电粒子加速器的平面图。

第2图是表示根据本发明的实施方式1的偏转磁场和加速铁心磁场的时间构造的图。

第3图是表示根据本发明的实施方式2的偏转磁场和加速铁心磁场的时间构造的图。

第4图是表示根据本发明的实施方式3的偏转磁场和加速铁心磁场的时间构造的图。

第5图是表示根据本发明的实施方式4的偏转磁场和加速铁心磁场的时间构造的图。

具体实施方式

实施方式1

下面，根据第1图、第2图说明本发明的实施方式1。

第1图是表示带电粒子加速器100的平面图。

在图中，在带电粒子发生装置11中产生的带电粒子束(以下称为粒子束)从隔膜电极12入射到真空管道15。由偏转电磁铁13偏转粒子束形成大致圆轨道进行回旋，由在加速铁心14上来自加速铁心用电源17的交流励磁引起的电磁感应产生的感应电场进行加速。粒子束在真空管道15内回旋以使粒子束不与空气碰撞而消失。用16a、16b、16c、16d模式地表示其代表性的平衡轨道。上述偏转电磁铁13由偏转电磁铁用电源18励磁。

此外，将上述加速铁心14和加速铁心用电源17称为加速部件。

第2图是表示根据本发明的实施方式1的带电粒子加速器100的，用于加速粒子束的，上述偏转电磁铁13产生的偏转磁场20和在上述加速铁心14中产生的加速铁心磁场21的时间构造的图。

该第2图所示的偏转磁场20的时间构造和加速铁心磁场21的时间构造不满足电子回旋加速器的加速条件。上述电子回旋加速器的加速条件是使加速中的粒子束的回旋轨道(平衡轨道)成为恒定的偏转磁场20和加速铁心磁场21的关系。

在本实施方式1中，如图所示，设置了加速粒子束的第1加速期间22和第2加速期间23。

在第1加速期间22中，例如来自作为离子源或电子枪的上述带电粒子发生装置11的粒子束，从隔膜电极12在粒子束入射开始时刻25(第1加速开始时刻)入射到真空管道15。如由加速铁心磁场21的时间构造所示的那样，使加速铁心磁场21从粒子束入射开始时刻25随着时间增加直到粒子束达到预定能量为止的方式进行变化。从而，感应电场与粒子束的行进方向有关，在时刻25入射的上述粒子束也在上述第1加速期间22内被加速。在该第1加速期间22中，上述偏转电磁铁13的偏转磁场恒定，粒子束，如第1图的代表性的平衡轨道16a～16d所示，徐徐地向外侧扩展。

上述粒子束，因为在第1加速期间22内连续地入射，所以在第1加速期间22的结束时刻26，在水平方向扩展的粒子束正在带电粒子加速器100内部回旋。

在第1加速期间22的结束时刻26，在入射开始时刻(第1加速开始时刻)25入射的粒子束以最高能量沿最外侧附近的轨道16d回旋。另外在第1加速期间22的入射结束时刻26前刚刚入射的粒子束以最低能量沿最内侧附近的轨道16a回旋。即，在第1加速期间结束时刻26能量宽度大，在水平方向扩展的粒子束在带电粒子加速器100中回旋。此外，为了使从平衡轨道偏离的粒子束稳定地回旋，偏转电磁铁13的磁极形状设定为在粒子束回旋轨道的外侧磁场强度变大。

在第1加速期间22在时刻26结束后，即在第2加速开始时刻26，移动到第2加速期间23。该第2加速期间23，如第2图所示，具有随着时间增加偏转磁场20和加速铁心磁场21两者的励磁方式。以在带电粒子加速器100内接近电子回旋加速器加速条件的条件，即，设定保持偏转磁场20和加速铁心磁场21的关系进行加速使这时的上述励磁方式设定为加速中的粒子束的回旋轨道(平衡轨道)是恒定。保持能量宽度大，在水平方向扩展的粒子束特性不变地，将上述粒子束一直加速到预定能量。

这样一来，用第1图所示的偏转板30从回旋轨道取出达到预定能量的粒子束，由射出粒子束输送系统31提供给各种粒子束应用。或者，使粒子束碰撞同样的第1图所示的X射线靶29产生X射线，提供给各种X射线应用。

如以上说明了的那样，在根据本发明的实施方式1的带电粒子加速器100中能够用小型的构造抑制空间电荷效应，能够实现以往电子回旋加速器的数十倍到数百倍的大输出、大强度的粒子束加速。

此外，在本实施方式中作为带电粒子举出电子作为例子，但是作为带电粒子即便是质子和碳等也同样可以加速。这时的加速电场的产生部件既可以如本实施方式的例子那样是感应电场，也可以是从高频电源供给的高频电场。

实施方式2

基于第3图说明本发明的实施方式2。

第3图是表示与上述实施方式1同样的，根据实施方式2的偏转磁场20和加速铁心磁场21的时间构造的图。

如图所示，在本发明的实施方式2中，以第1加速期间22的开始时刻25，即粒子束入射开始时刻25的值作为负值，以后随着时间的经过直到第2加速期间23的结束时刻为止，在向正方增加的方式施加加速铁心磁场21。

即，加速铁心磁场21具有产生正负磁场那样的时间构造。当用这种以加速铁心磁场21的时间构造来加速粒子束时，能够抑制空间电荷效应，能够用小型的构造实现大输出的粒子束。

实施方式3

基于第4图说明本发明的实施方式3。

第4图是实施方式3中的偏转磁场20和加速铁心磁场21的时间构造图。

在实施方式3中，偏转磁场20的时间构造是从第1加速期间开始时刻25到第1加速期间结束时刻26为止随时间增加。即在第1加速期间22内使偏转磁场20变化。这时，也需要使带电粒子发生装置11的粒子束能量变化。当用这种偏转磁场20的时间构造加速粒子束时，与上述同样，能够抑制空间电荷效应，可以用小型的装置加速大输出的粒子束。

实施方式4

基于第5图说明本发明的实施方式4。

第5图是实施方式4中的偏转磁场20和加速铁心磁场21的时间构造图。

在该实施方式4中，偏转磁场20和加速铁心磁场21的时间构造，如第5图所示，具有第1加速期间22、第2加速期间23、接着上述第2加速期间23的粒子束取出期间24。以从粒子束入射开始时刻25随着时间到上述粒子束取出期间的结束时刻28为止都在增加的方式施加加速铁心磁场21。偏转磁场20在第1如速期间22内具有恒定强度的磁场，以从上述第1加速期间22的结束时刻26，即第2加速期间23的开始时刻到它的结束时刻28为止都在增加的方式施加偏转磁场20。而且，在粒子束取出期间24中，以直到它的结束时刻28为止都保持恒定的方式施加于上述第2加速期间22的终端值的磁场。

在粒子束取出期间24中，不变地保持能量宽度大，在水平方向扩展的粒子束特性来加速粒子束。使该粒子束碰撞第1图所示的X射线靶29产生X射线，可以将该X射线用于产业和医疗中。

下面，根据第1图、第5图说明本实施方式4的粒子束加速动作的详细情形。

在第2加速期间23中，如第1图的代表性的平衡轨道16a～16d所示，大致保持在水平方向的粒子束宽度地加速粒子束。如果最外侧的粒子束(与平衡轨道16d相当)达到预定能量，即利用侧使用的能量，则进入粒子束取出期间24开始取出粒子束。这个时刻与第5图的27相当。在该粒子束取出期间24中，中止增加偏转电磁铁13的偏转磁场20，进行控制以保持加速中的粒子束平衡轨道随时间变化的偏转磁场20和加速铁心磁场21的关系。

因为即便在该粒子束取出期间24中加速铁心磁场21也在变化，所以感应电场与带电粒子的行进方向有关，由代表性的平衡轨道16a、16b、16c表示的粒子束徐徐地向外侧扩展。而且，例如当使用者侧为X射线利用者时，使粒子束碰撞设置在回旋轨道外侧的X射线靶29产生X射线。即可以在第5图的粒子束取出期间24中产生X射线。因为与X射线靶29碰撞时的粒子束能量也在粒子束取出中也进行加速，所以在粒子束取出开始时刻27与X射线靶29碰撞的粒子束能量也与在粒子束取出结束时刻28碰撞的粒子束能量大致相同。

这样，在本实施方式4中，当加速粒子束时，不变地保持能量宽度大，在水平方向扩展的粒子束特性来加速粒子束，当与X射线靶29碰撞时具有大致恒定的能量，能够得到优质的X射线。如上所述，如果根据该实施方式4的带电粒子加速器，则具有能够用小型的装置抑制空间电荷效应，能够加速大输出的粒子束，能够用大输出能量宽度大致恒定的优质粒子束产生X射线的效果。

实施方式5

基于第1图说明本发明的实施方式5。

本发明的实施方式5，代替上述实施方式4的X射线靶29，设置作为粒子束取出部件的偏转板30。在第1图中表示了将上述偏转板30设置在与X射线靶29不同的地方的例子，但是也可以取代X射线靶29处于同一位置。在上述偏转板30上施加磁场或者电场，如果最外侧的粒子束平衡轨道16d达到预定能量，即从第5图的粒子束取出开始时刻27，开始取出粒子束。该取出粒子束时的偏转磁场20、加速铁心磁场21与上述实施方式4相同。

这样，在本实施方式5中，当加速粒子束时，不变地保持能量宽度大，在水平方向扩展的粒子束特性来加速粒子束，但是当到达射出粒子束输出输送系统31时，具有大致恒定的能量，能够得到优质的粒子束。

如上所述，如果根据本实施方式5的带电粒子加速器，则具有能够用小型的装置抑制空间电荷效应，能够加速大输出的粒子束，能够得到大输出的优质粒子束那样的效果。

实施方式6

根据本发明的带电粒子加速器，因为具有如实施方式1～5所示的偏转磁场和加速铁心磁场的时间构造，所以励磁偏转电磁铁和加速铁心的励磁方式既可以如第2图～第5图所示的直线状，也可以不一定是直线状，而是曲线状和折线状。

另外，不一定需要直流稳定电源，可以缓和需要的励磁电流的设定精度。而且，例如也可以是进行使直流电压接通、断开切换的开关电源。具体地说，用IGBT和MOSFET等的功率半导体开关元件，通过使直流电压接通、断开，来产生励磁波形。

另外，在第1图中表示了将带电粒子发生装置11设置在带电粒子加速器100的中央部分的例子，但是不一定拘泥于此，通过设置在带电粒子加速器100的下部或上部，特别是接近偏转电磁铁13的下部或上部，能够实现整个装置的小型化。另外，也可以将带电粒子发生装置11配置在带电粒子加速器100的真空管道内，以对整个装置的小型化作出贡献。

本发明的带电粒子加速器能够广泛地应用于X射线发生装置和粒子线治疗装置等，产业用领域或医疗领域中。

Claims (8)

1.一种带电粒子加速器，备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道，其特征在于：

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，在上述第1加速期间以恒定值施加上述偏转电磁铁的磁场，并且在上述第2加速期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其直到第2加速期间结束时刻为止都在增加，

上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

2.一种带电粒子加速器，备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道，其特征在于：

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，并且具有与上述第2加速期间连接的粒子束取出期间；

从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述取出期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，在上述第1加速期间以恒定值施加上述偏转电磁铁的磁场，在上述第2加速期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其直到第2加速期间结束时刻为止都在增加，并且，在上述取出期间施加上述偏转电磁铁的磁场以使其恒定地保持上述第2加速期间中的终端值，

上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

3.根据权利要求1或2所述的带电粒子加速器，其特征在于：

用于施加由上述加速部件产生的电场和施加偏转电磁铁的磁场的励磁方式是直线状的。

4.根据权利要求1或2所述的带电粒子加速器，其特征在于：

用于施加由上述加速部件产生的电场和施加偏转电磁铁的磁场的励磁方式是曲线状的。

5.根据权利要求1或2所述的带电粒子加速器，其特征在于：在上述真空管道内备有X射线靶，当将上述带电粒子加速到预定能量时，使上述带电粒子与上述X射线靶碰撞产生X射线。

6.根据权利要求1或2所述的带电粒子加速器，其特征在于：

在上述真空管道内备有偏转板，当将上述带电粒子加速到预定能量时，用上述偏转板取出上述带电粒子。

7.根据权利要求1或2所述的带电粒子加速器，其特征在于：

将上述带电粒子发生装置设置在上述带电粒子加速器的大致中央部分。

8.一种带电粒子加速器，备有带电粒子发生装置、偏转电磁铁、加速部件和真空管道，其特征在于：

从上述带电粒子发生装置导入到上述真空管道内的带电粒子被上述偏转电磁铁所偏转，并且经过第1加速期间和第2加速期间加速到预定能量，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加由上述加速部件产生的电场，从上述第1加速期间的加速开始时刻到上述第2加速期间的结束时刻为止施加上述偏转电磁铁的磁场使其增加，并且，可以改变在上述第1加速期间中的，从上述带电粒子发生装置射出的带电粒子的能量，

同时，上述加速部件包括加速铁心和加速铁心用电源，由该加速部件所产生的电场是通过对上述加速铁心进行交流励磁而产生的感应电场，施加用于产生上述加速部件的电场的加速铁心的励磁以使其在上述第1加速期间开始时刻为负值，并直到上述第2加速期间结束时刻为止都在向正方向增加。

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