CN101562938B - 圆形加速器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆形加速器，在从圆形加速器向外部射出带电粒子束的情况下，静态地矫正起因于束轨道的变化的调谐的变化，使调谐线性地变化而易于调整束射出。在偏转电磁铁(3)的带电粒子束出入的磁极边缘部(32)设置有末端部件(34)，在该末端部件(34)的中心能量束的平衡轨道(33a)的径向外侧部分(32a)设置有第一突起部(34a)，在中心能量束的平衡轨道(33a)的径向内侧部分(32b)设置有第二突起部(34b)，将该第一、第二突起部(34a、34b)的形状设定成使加速能量、能量不同的束的电子回旋加速器振动数成为恒定，或相对能量成为线性。

Description

圆形加速器

技术领域

本发明涉及入射低能量束并射出在平衡轨道上加速的高能量束的圆形加速器。

背景技术

以往，同步加速器等圆形加速器被提供给使带电粒子束旋转加速并用束输送系统输送从该平衡轨道取出的束、从而向期望的对象物照射的物理实验，或作为粒子线医用被提供给癌治疗、患部的诊断等中。

在这样的圆形加速器中，为了连续地射出所加速的带电粒子，使用束的电子回旋加速器(betatron)振动的共振。电子回旋加速器振动的共振是如下的现象。带电粒子一边沿着左右(水平方向)或上下(垂直方向)在圆形加速器的平衡轨道的周围振动一边旋转。将其称为电子回旋加速器振动。一般将电子回旋加速器振动的旋转轨道的每一周的振动数称为调谐(tune)(电子回旋加速器振动数)。调谐可以用设置于旋转轨道上的偏转电磁铁、四极电磁铁等控制。如果使调谐的小数部接近a/b(a、b为整数)，同时励磁设置于平衡轨道上的共振发生用多极磁铁(例如六极电磁铁)，则大量旋转的带电粒子中的具有某一定以上的电子回旋加速器振动振幅的带电粒子的电子回旋加速器振动的振幅急剧增加。将该现象称为电子回旋加速器振动的共振，将稳定区域与不稳定区域的边界部分称为稳定界限(分界线，Separatrix)。共振的稳定界限的电子回旋加速器振动振幅的大小依赖于从调谐的小数部偏离的偏差，偏差越小，其大小越小。对于分界线外侧的束，束变得不稳定而逐渐向圆形加速器的外部取出。这样在共振射出中需要调谐的微妙的调整，在射出参数的调整中需要很多时间。

作为进行这样的共振射出的方法，以往一般公知以下的四个方法。

“方法1”将分界线的大小从最初的大的状态逐渐变小，使旋转中的带电粒子中的电子回旋加速器振动振幅大的带电粒子首先发生共振，之后使振动振幅小的带电粒子依次发生共振而逐渐从射出器向照射室射出带电粒子束。

“方法2”通过将调谐保持为恒定而将稳定界限设为恒定，通过高频使束的电子回旋加速器振动的振幅增加而发生共振。

“方法3”通过将调谐保持为大致恒定而将稳定界限设为大致恒定，通过高频使束的电子回旋加速器振动的振幅增加而使束增大至稳定界限的边界，之后励磁四极电磁铁并使分界线减小若干而逐渐取出带电粒子束。

“方法4”通过将调谐保持为大致恒定而将稳定界限设为大致恒定，通过高频加速电场使束逐渐加速，逐渐取出成为分界线之外的束。

在上述的所有方法中，带电粒子并非仅在中心轨道旋转，而通过中心轨道外侧、中心轨道内侧等各个部分。在该情况下，在以往例子中通过在时间上控制六极电磁铁等而矫正调谐的变化。作为其具体例，公开出如下技术：为了防止起因于平衡轨道由于偏转电磁铁、四极电磁铁、功能结合型电磁铁等的励磁电流的变化等而偏移的电子回旋加速器振动数(调谐)的变化，而稳定地射出带电粒子束，除了共振射出用的六极电磁铁以外，还设置消除起因于偏转电磁铁和四极电磁铁等的励磁电流的调谐变化的六极电磁铁，向上述六极电磁铁供给对旋转束附加消除由于偏转电磁铁和四极电磁铁等的励磁电流而引起的调谐变化的发散力、收敛力那样的励磁电流(例如专利文献1)。

专利文献1：日本特开平11-074100号公报

发明内容

但是在上述专利文献1示出的旋转型加速器中，

(1)为了防止由于起因于偏转电磁铁、其它电磁铁等的励磁电流的变化的平衡轨道的变异而引起的调谐的变化，需要对六极电磁铁等进行复杂的控制，束调整需要较长的时间。

(2)在相同能量的射出中，在共振射出的情况下在减小分界线的过程中带电粒子束通过不同的束轨道上，所以为了防止起因于轨道的变化的调谐的变化，需要复杂的控制，需要很多的束调整时间。

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种圆形加速器，静态地矫正调谐的变化，即使平衡轨道变位，调谐也大致线性地变化，可以通过简单的控制稳定地射出束，可以缩短束调整时间，其结果降低成本。

本发明的带电粒子束在平衡轨道上旋转的圆形加速器具备：偏转电磁铁，发生偏转磁场；六极电磁铁，发生矫正由于带电粒子束的能量的差异而引起的电子回旋加速器振动的差异的磁场；以及射出装置，从平衡轨道向圆形加速器的外部取出带电粒子束，

在偏转电磁铁的带电粒子束出入的磁极边缘部，附设有末端部件(endpack)，该末端部件在具有带电粒子束的中心能量的束的平衡轨道的径向外侧部分设置有第一突起部，在径向内侧部分设置有第二突起部，并且第一、第二突起部的形状被设定成在带电粒子束的加速能量的范围内，能量不同的束的电子回旋加速器振动数恒定或相对能量成为线性。

由于具备这样的偏转电磁铁，所以共振射出时的六极电磁铁的磁场强度的时间依赖性成为简单的一次函数，射出时被加速的带电粒子的能量变化时的射出参数的调整变得容易，可以大幅缩短圆形加速器建设时、长期运转休止后或装置部分性改造后等的初始的束调整期间，具有可以提高运转的可靠性，并且实现低成本的圆形加速器的效果。

附图说明

图1是示出实施方式1的圆形加速器的设备配置的图。

图2是示出实施方式1的偏转电磁铁的磁极部分的图。

图3是放大示出实施方式1的磁极边缘部的图。

图4是示出未在磁极边缘部设置末端部件时的水平方向的调谐的能量依赖性的图。

图5是示出在将末端部件的长度设为相同、将形成倾斜面的角度设为θ₂＞θ₁时的水平方向的调谐的能量依赖性的图。

图6是示出实施方式1的水平方向的调谐的能量依赖性的图。

图7是示出实施方式1的另一例子的水平方向的调谐的能量依赖性的图。

图8是示出实施方式1的共振射出时的六极电磁铁的强度的时间依赖性的图。

图9是示出实施方式1的束射出时的射出束电流的图。

图10是放大示出实施方式2的磁极边缘部的图。

图11是放大示出实施方式3的磁极边缘部的图。

图12是放大示出实施方式4的磁极边缘部的图。

图13是放大示出实施方式5的磁极边缘部的图。

标号说明

1束输送系统

3偏转电磁铁

4平衡轨道

6六极电磁铁

31偏转电磁铁的磁极

31a磁极面

32磁极边缘部

32a边缘外侧部

32b边缘内侧部

33a中心能量的束的平衡轨道

33b高能量束的平衡轨道

33c低能量束的平衡轨道

34末端部件

34a第一突起部

34b第二突起部

34c末端部件端面(突起部底边)

L₁第一突起部的长度

L₂第二突起部的长度

θ₁第一平衡轨道侧端部的倾斜角

θ₂第二平衡轨道侧端部的倾斜角

α₁第一倾斜角

α₂第二倾斜角

K₁第一倾斜面

K₂第二倾斜面

S₁第一平衡轨道侧端部的起点

S₂第二平衡轨道侧端部的起点

KS光滑的曲线

具体实施方式

实施方式1

根据附图对本发明的实施方式1进行说明。

图1是示出本实施方式1的圆形加速器100的设备配置的图。如公知，圆形加速器100在使从前级加速器9经由束输送系统1入射的带电粒子一边在作为旋转轨道的平衡轨道4周围旋转一边加速之后，经由射出装置7并经由射出用束输送系统8向省略了图示的照射室供给带电粒子。

如图1所示，圆形加速器100具备：入射装置2，入射从前级加速器9输送的带电粒子、例如质子的束；高频加速腔(cavity)5，对该带电粒子附加能量；偏转电磁铁3，使束轨道弯曲；六极电磁铁，发生用于激励所加速的带电粒子束的射出时的共振、即将带电粒子束的电子回旋加速器振动分割成稳定区域与共振区域的磁场；以及射出装置7，用于向射出用束输送系统8射出电子回旋加速器振动振幅增加的质子束。另外，省略对四台偏转电磁铁3之间的平衡轨道4的记述。进而，还省略了在图2(b)中后述的末端部件34、及其第一、第二突起部34a、34b的记述。

图2示出偏转电磁铁3及其磁极部分的放大图。

图2(a)是偏转电磁铁3的侧面图，图2(b)示出从图2(a)的A-A箭头的方向观察的偏转电磁铁3的磁极31的放大图。在图2(a)中，偏转电磁铁3具备：磁极31，具有隔着磁极空隙G对置的磁极面31a；以及线圈39，发生偏转磁场。如图2(b)所示，偏转电磁铁3的磁极31将偏转半径R的中心点作为Q，以偏转角θb弯曲束轨道。磁极31具有磁极边缘部32。而且在本实施方式1中，将位于上述偏转半径R外周侧的磁极边缘部称为边缘外侧部32a，将内周侧称为边缘内侧部32b。

图1所示的平衡轨道4相当于对与图2(b)所示的束中心轨道相当的中心能量的束的平衡轨道33a、能量比中心能量高的束(高能量束)的平衡轨道33b、比中心能量低的束(低能量束)的平衡轨道33c进行总称的轨道。在磁极31的束的入口35a以及出口35b的磁极边缘32，附设有后述的末端部件34。

为了使所加速的带电粒子4具有收敛作用，在图2(b)中将顺时针方向设为正时，将磁极边缘部32与连接束中心轨道33a和偏转半径R的中心点Q的直线之间的角度θe设成比零度大。一般将该角度θe称为边缘角度。边缘角度θe越大，与图2(a)的纸面垂直的垂直方向的束收敛力越大，水平方向的束收敛力越小。另一方面，对于偏转电磁铁3的偏转角度θb范围内的磁极31的主要部分，虽然具有水平方向的收敛力，但垂直方向的收敛力为零。

如上所述，通过恰当地选定边缘角度θe，可以决定使束沿着水平方向与垂直方向这双方收敛的稳定解。如一般公知，大致所有的圆形加速器如图2(b)所示将边缘角度设定成正。在该情况下，上述的边缘内侧部32b与边缘外侧部32a相比，磁极31所占的比率变小，对于磁极边缘32部处的磁场强度分布，边缘内侧部32b必然变弱。

其理由为，通常在一般的偏转电磁铁中磁极的边界部的磁场强度不论在束中心轨道上、在内侧还是在外侧都大致相同，但在边缘角度在正侧大(超过10度的情况，在本实施方式1中为30度左右)的情况下，磁极的边界部的内侧变弱。这是因为，对于电磁铁整体的磁场强度，磁阻小的部分变强，但在边缘角度在正侧大的情况下，由于三维效果，磁极的边界部的内侧方向的磁阻与外侧相比变大。因此在内侧与外侧束收敛力不同，调谐成为非线性。使该非线性成为线性的方案为包括本实施方式1的本申请发明的发明点。

图3示出磁极31的束输出口侧35b附近的磁极边缘部32的放大图。

在偏转电磁铁3的磁极31的磁极端面31b，附设有末端部件34。在该末端部件34上，在与上述边缘外侧部32a相当的位置设置有第一突起部34a，在边缘内侧部32b设置有第二突起部34b，并且设置成与磁极端面31b密接，并沿着束旋转轨道方向延伸而与磁极面31a形成同一平面。

另外，在末端部件34的第一、第二突起部34a、34b之间，形成有连接各自的突起的底边的末端部件端面34c，该末端部件端面34c被设置成平行于与第一、第二突起部34a、34b的顶边相当的平坦部34d、34e。另外，磁极端面31b与末端部件端面34c也可以不平行。将从末端部件端面34c至突起部平坦部为止的长度(突起的高度)在第一突起部34a中设为L₁，在第二突起部34b中设为L₂，在本实施方式1中设定成L₂＞L₁。即突起部平坦部34d、34e不呈现同一平面性。

另外，第一突起部34a设置有从突起的底边即末端部件端面34c上的起点S₁到达平坦部34d、并与束的平衡轨道相比朝向径向外侧而与底边形成倾斜角θ₁的第一平衡轨道侧端部K₁。上述起点S₁设定在高能量束平衡轨道33b的径向外侧。

另外，第二突起部34b同样地设置有具有从底边上的起点S₂到达平坦部34e的规定的倾斜角θ₂、并与平衡轨道相比朝向径向内侧的第二平衡轨道侧端部K₂，其中将上述起点S₂设定在低能量平衡轨道33c的径向内侧。而且，在本实施方式1中将上述θ₁与θ₂的关系设为θ₂＞θ₁。

通过在磁极端面31b附设具有这样的第一、第二突起部34a、34b的末端部件34，可以矫正磁极边缘部32的边缘内侧部32b的磁场分布的减弱。另外，在本实施方式1中，示出了在末端部件34中具有第一、第二突起部34a、34b的例子，但也可以在磁极端面31b仅安装第一、第二突起部34a、34b、或者设为分离成二个的末端部件而安装。在该情况下，磁极端面31b也可以不是平面，而具有阶梯。另外，在本实施方式1中对束旋转方向的末端部件形状进行了叙述，但径向的端部形状不受特别的制约。

在图4中，针对水平方向的束收敛特性，使用三维磁场和轨道解析码，示出调谐的能量依赖性的计算结果。在共振射出中只有水平方向的调谐成为控制对象，所以仅示出水平方向的依赖性。在图3中，计算结果对应于设为不对磁极设置第一、第二末端部件34a、34b时的情况。如图3所示，能量比中心能量低的束通过偏转电磁铁的内侧，能量比中心能量高的束通过偏转电磁铁的外侧，所以对于磁极边缘部32处的磁场强度分布，边缘内侧部分32b的一方变弱，所以对于横向的收敛力，内侧的一方强于外侧。

图5示出呈现水平方向的束收敛特性的调谐的、表示能量依赖性的另一例子B。图4的结果也用虚线A同时示出。该计算结果为在图3中将第一、第二突起部34a、34b的长度设为L₁＝L₂、并且设为θ₂＞θ₁时的计算结果。在图4的A、图5的B中，水平方向的调谐的能量依赖性都成为非线性，在共振射出束时需要复杂的电磁铁控制。

另一方面，图6用实线C示出呈现水平方向的束收敛特性的调谐的、表示能量依赖性的另一例子。图6中的计算结果对应于设为图3所示的第一、第二突起部34a、34b的形状、即L₂＞L₁、θ₂＞θ₁的情况，其中对磁极形状进行最佳化，以便即使改变能量，水平方向的调谐也不变化。如果为这样的条件，则即使能量变化，调谐也为线性，射出的条件非常简单。在图6中成为无能量依赖性的结果，但其对于射出并不一定为最佳的条件。在射出时励磁六极电磁铁6而将分界线设定成规定的大小。其原因为，通过励磁六极电磁铁6，水平方向的调谐的能量依赖性在未励磁六极电磁铁6时为线性的情况下，保持线性，但其斜率变化。包括本实施方式1的本发明中的磁极整形的本质在于能量依赖性成为线性，而无需完全去除能量依赖性。因此，通过对第一、第二突起部34a、34b的形状及其配置进行最佳化，可以使其线性变化而并非恒定。在图7中用实线D示出其一个例子。

图8示出进行共振射出时的图5的情况A、图6的情况C、图7的情况D的某共振射出时的六极电磁铁6的强度的时间依赖性的计算结果。在A的条件下需要根据时间改变六极电磁铁6的磁场强度，并在初始的束调整时需要很多的调整时间。另一方面，在C、D的情况下六极电磁铁6的强度的时间依赖性为简单的一次函数，可以大幅缩短束调整期间。另外，六极电磁铁生成矫正由于带电粒子束的能量的差异而引起的电子回旋加速器振动的差异的磁场。

图9示出图8的D的情况的束射出时的束电流的时间变化的计算结果。可以知道连续射出了非常稳定的束。

实施方式2

接下来根据作为磁极边缘部32的部分放大图的图10对实施方式2进行说明。

如图10所示，设定为末端部件34的第一突起部34a的长度L₁与第二突起部34b的长度L₂相等，且θ₂＞θ₁。即，平坦部34d、34e具有同一平面性，倾斜角θ₁、θ₂不具有同一性。另外，将第一突起部34a的第一平衡轨道侧端部K₁的起点S₁设定在高能量束的平衡轨道33b的径向内侧，将第二突起部34b的第二平衡轨道侧端部K₂的起点S₂设定在低能量束的平衡轨道33c的径向外侧。

通过附设具有这样的第一、第二突起部34a、34b的末端部件34，可以与上述实施方式1大致同样地使图6C所示的调谐的能量依赖性成为线性化。因此，与实施方式1同样地能量变化时的射出参数的调整变得简单，可以大幅缩短初始的束调整期间。

实施方式3

根据作为磁极边缘部32的部分放大图的图11对实施方式3进行说明。

该图11与上述实施方式2的图10相比，不同点仅在于将末端部件34的第一、第二突起部34a、34b的第一、第二平衡轨道侧端部K₁、K₂的起点设为中心能量束的平衡轨道33a与这些端部之间的交点S，除此以外相同。

在该情况下也与实施方式1同样地，可以使调谐的能量依赖性线性化，能量变化时的射出参数调整被简单化，可以大幅缩短初始束调整期间。

实施方式4

根据作为磁极边缘部32的部分放大图的图12对实施方式4进行说明。

该图12与上述实施方式3的图11相比，不同点仅在于末端部件34的第一、第二突起部34a、34b的第一、第二平衡轨道侧端部K₁、K₂在中心能量束的平衡轨道33a上通过平滑的曲线KS连接，除此以外相同。

在该情况下也可以与实施方式1同样地使调谐的能量依赖性线性化，能量变化时的射出的参数调整被简单化，可以大幅缩短初始束调整期间。

实施方式5

根据作为磁极边缘部32的部分放大图的图13对实施方式5进行说明。

图13与上述实施方式2的图10相比，将形成连接末端部件34的第一、第二突起部34a、34b的底边与平坦部34d、34e的第一、第二平衡轨道侧端部的倾斜角θ₁、θ₂设定成相同，进而如第一突起部34a的沿P箭头看的侧面图13(b)所示，随着从磁极边缘部32沿着束的旋转方向离开，磁极空隙G变大那样的第一倾斜面K₃被设置为相对与磁极面31a形成同一平面的末端部件面具有第一倾斜角α₁。另外，同样地如沿Q箭头看的侧面图13(c)所示，将第二倾斜面K₄设置为具有第二倾斜角α₂，上述第一、第二倾斜角α₁、α₂设定成α₁＜α₂。另外，该倾斜面K₃、K₄无需仅设置在末端部件34的第一突起部34a和第二突起部34b，并且也无需在径向的整个面设置，而也可以在一部分设置。进而在该图13(b)、(c)中，示出了设置于第一、第二突起部34a、34b的例子，但也可以在末端部件端面34恰当地设定上述α₁、α₂而设置倾斜面。除此以外与上述图10相同。

在本实施方式5中也与实施方式1同样地能量变化时的射出的参数的调整变得简单，可以大幅缩短初始的束调整期间。

以上，实施方式1～5中叙述的偏转电磁铁的磁极边界部处的边缘效果在包括末端部件突起部的磁极未磁饱和的情况下，无能量依赖性。但是，由于实际上在高能量侧发生一些饱和，所以产生一些能量依赖性。因此，用于使其具有最佳边缘效果的突起部形状根据所旋转的粒子线的能量而有些不同，但其程度小，所以通过设为与规定的能量范围对应的突起部形状(即磁极形状)的中间性形状，可以对上述规定的能量范围的粒子线具有期望的边缘效果。另一方面，在将圆形加速器用作照射的情况下，可以改变粒子线射出能量来控制照射深度。

对于照射深度的控制，有在射出后使用范围转换机构(rangeshifter)这样的能量衰减装置降低粒子线的中心能量的方法，但在较大地改变的情况下还采用改变从加速器射出的粒子的射出能量的方法，在现有装置中例如通过几个阶段切换射出能量。

(产业上的可利用性)

本发明可以利用于进行使用了带电粒子束的癌治疗、患部的诊断等的医疗用加速器、对各种材料的粒子线照射、物理实验用加速器。

Claims (7)

1.一种带电粒子束在平衡轨道上旋转的圆形加速器，其特征在于，上述加速器具备：偏转电磁铁，发生偏转磁场；六极电磁铁，发生矫正由于上述带电粒子束的能量的差异而引起的电子回旋加速器振动的差异的磁场；以及射出装置，从上述平衡轨道向上述圆形加速器的外部取出上述带电粒子束，

在上述偏转电磁铁的上述带电粒子束出入的磁极端面附设有末端部件，该末端部件沿着上述带电粒子束的旋转方向与磁极面形成同一平面那样地延伸，并且该末端部件在具有上述带电粒子束的中心能量的束平衡轨道的径向外侧部分设置有第一突起部，在径向内侧部分设置有第二突起部，在上述第一、第二突起部中在上述带电粒子束的旋转方向的端部具有相互平行的平坦部，并且在上述第一突起部朝向上述束的平衡轨道的径向外侧，设置有以突起的底边为起点并到达上述平坦部的与上述底边形成倾斜角θ₁的第一平衡轨道侧端部，在上述第二突起部朝向上述束的平衡轨道的径向内侧，设置有以突起的底边为起点并到达上述平坦部的与上述底边形成倾斜角θ₂的第二平衡轨道侧端部，上述第一、第二突起部平坦部是否处于同一平面上的同一平面性、以及上述倾斜角θ₁、θ₂的同一性中的至少某一方不同，从而上述第一、第二突起部的形状不同。

2.根据权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，在上述第一、第二突起部之间形成有连接上述各个突起的起点的末端部件端面，该末端部件端面与上述突起部平坦部平行。

3.根据权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于，上述第一、第二突起部平坦部处于同一平面上，并且上述第一突起部的突起的起点处于上述中心能量束平衡轨道的径向外侧的高能量束平衡轨道的内侧，上述第二突起部的突起的起点处于上述中心能量束平衡轨道的径向内侧的低能量束平衡轨道的外侧，并且上述θ₁比θ₂小。

4.根据权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，上述第一、第二突起部的起点处于与上述中心能量束平衡轨道的交点。

5.根据权利要求4所述的圆形加速器，其特征在于，上述第一、第二突起部的第一、第二平衡轨道侧端部在上述起点处通过平滑的曲线连接。

6.根据权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于，在上述末端部件的束旋转方向的端面，设置有磁极空隙随着沿着上述束的旋转方向远离而变大的倾斜面，并且对于该倾斜面与上述磁极面所成的倾斜角，上述束的平衡轨道的径向外侧部分比径向内侧部分小。

7.根据权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于，上述末端部件由分离的第一和第二末端部件构成，上述第一突起部设置于第一末端部件，上述第二突起部设置于第二末端部件。

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