CN102264187A

CN102264187A - 加速器及回旋加速器

Info

Publication number: CN102264187A
Application number: CN2011100594684A
Authority: CN
Inventors: 筒井裕士
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: KR20110129830A; JP2011249118A; US8947021B2; CN102264187B; US20110291484A1; TWI459865B; EP2391190A2; EP2391190A3; JP5606793B2; KR101231570B1; TW201143556A

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够抑制导入至加速轨道的射束扩散的加速器及回旋加速器。本发明的回旋加速器具备使从离子源入射的射束通过并使之导入至加速轨道(T)的螺旋偏转器(21)，螺旋偏转器(21)具有在与射束的通过轨道(S)正交的截面中将缝隙设为不均一的正电极(23)及负电极(27)，作为收敛所通过的射束(B)的射束收敛机构。

Description

加速器及回旋加速器

技术领域

本发明涉及一种具备将射束导入至加速轨道的偏转器的加速器及回旋加速器。

背景技术

以往，作为这种领域的技术，已知有下述专利文献1中记载的回旋加速器。在这种回旋加速器中，通过磁极和Dee电极在加速空间中的作用，在旋涡形的加速轨道加速并输出射束。专利文献1的回旋加速器中，从与加速轨道正交的入射方向入射射束。而且，通过用偏转器将来自射束源的射束折弯90°，能够将射束载入加速空间的上述加速轨道。

专利文献1：日本特开平5-224657号公报

在这种加速器中，导入至加速轨道的射束扩散，从而射束的一部分与划分加速空间的内壁碰撞并消失。由于这种射束的损失，最终从加速器输出的射束的比例下降。因此，在这种加速器中为了提高最终得到的射束的比例，期望为了减少与加速空间的内壁碰撞的射束而抑制导入至加速轨道的射束的扩散。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种能够抑制导入至加速轨道的射束的扩散的加速器及回旋加速器。

本发明的加速器的特征在于，具备使从离子源入射的射束通过并使之导入至加速轨道的偏转器，偏转器具有使通过的射束收敛的射束收敛机构。

在该加速器中，由于偏转器具有射束收敛机构，因此从离子源入射的射束被偏转器的射束收敛机构收敛而导入至加速轨道，所以能够抑制导入至加速轨道的射束的扩散。

具体而言，射束收敛机构也可以在射束通过的射束通过区域产生4极形变(歪四

)成分的电场。此时，通过偏转器的射束能够被基于射束收敛机构的4极形变成分的电场收敛，并且抑制导入至加速轨道的射束的扩散。

并且，偏转器具有空出形成射束通过区域的缝隙对置设置的正电极及负电极，正电极及负电极也可形成为缝隙的宽度在与射束的前进方向正交的截面内不均一。

此时，偏转器的射束通过区域中产生基于正电极及负电极的电场。并且，在与射束的前进方向正交的截面内，由于正电极及负电极的缝隙不均一，所以射束受与该截面的通过位置相应的电场的影响，并按照通过位置弯曲。因此，可收敛通过射束通过区域的射束。

并且，具体而言，也可以设为如下：加速轨道呈旋涡形，缝隙的宽度在与射束的前进方向正交的截面内越是与旋涡形的加速轨道的外侧对应的位置，越变宽。

而且，也可以设为如下：加速轨道呈旋涡形，射束收敛机构在射束所通过的射束通过区域产生电场，该电场的强度在与射束之前进方向正交的截面内越是与旋涡形的加速轨道的外侧对应的位置，越变弱。

并且，本发明的回旋加速器在旋涡形的加速轨道上加速射束，其特征在于，具备：磁极，产生与加速轨道正交的方向的磁场；Dee电极，在加速轨道上产生用于加速射束的电位差；及偏转器，使以与加速轨道正交的入射方向入射的射束通过且使其弯曲，并导入至加速轨道，其中，偏转器具有收敛所通过的射束的射束收敛机构。

该回旋加速器中，由于偏转器具有射束收敛机构，因此从离子源入射的射束被偏转器的射束收敛机构收敛而导入至加速轨道，所以能够抑制导入至加速轨道的射束的扩散。

发明效果

根据本发明的加速器及回旋加速器能够抑制导入至加速轨道的射束的扩散。

附图说明

图1是表示本发明的加速器(回旋加速器)的一实施方式的立体图。

图2是表示图1的回旋加速器的螺旋偏转器的立体图。

图3(a)、(b)、(c)是简略地表示正电极或负电极的截面形状的图。

图4是表示与图2的螺旋偏转器类似的类似偏转器的立体图。

图5是表示根据本发明人们进行的模拟实验结果的图表。

图6是表示根据本发明人们进行的模拟实验结果的图表。

图7是在偏转器的其它方式中表示与通过轨道正交的截面的简要剖视图。

图8是在偏转器的另一方式中，从上面观察射束出口附近的俯视图。

图中：1-回旋加速器(加速器)，7-磁极，9-Dee电极，11-离子源，21-螺旋偏转器，23-正电极(射束收敛机构)，25-射束通过区域，27-负电极(射束收敛机构)，B-射束，T-加速轨道。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的加速器及回旋加速器的最佳实施方式进行详细说明。

图1所述的回旋加速器1为对从离子源11入射的离子粒子的射束B进行加速而输出的加速器。回旋加速器1具备有用于使射束B通过并进行加速的俯视圆形的加速空间5。在此，使回旋加速器1以加速空间5水平地延伸的方式设置。在以下的说明中使用包含“上”、“下”的概念的语言时，设为与图1所示的状态的回旋加速器1的上下对应。并且，如图1所示，必要时有时设定将z轴设为铅直轴、xy平面设为水平面的xyz坐标系，将x、y、z适当地使用于说明中。

回旋加速器1具备有设置于加速空间5的下方及上方的磁极7。另外，省略加速空间5的上方的磁极7的图示。磁极7在加速空间5产生铅直方向的磁场。并且，回旋加速器1具备有俯视扇形的多个Dee电极9。Dee电极9具有向圆周方向贯穿的空腔，该空腔形成上述加速空间5的一部分。通过向多个Dee电极9赋予交流电流，使Dee电极9在加速空间5产生周向的电位差，并通过该电位差加速射束B。导入至加速空间5的大致中央的射束B通过基于磁极7的磁场与基于Dee电极9的电场的作用，在加速空间5内描绘水平的旋涡形加速轨道T的同时被加速。被加速的射束B最终沿加速轨道T的切线方向输出。由于公知回旋加速器1具有以上的结构，所以省略更详细的说明。

离子束B由设置于回旋加速器1的下方的离子源11产生，经过2个螺线管13在铅直向上的入射方向上入射至回旋加速器1。另外，螺线管13发挥防止射束B发散的功能。回旋加速器1中，为了将射束B导入至加速轨道T中，需使铅直入射的射束B向水平方向弯曲。因此，回旋加速器1具备有设置于加速空间5的中央的螺旋偏转器21。偏转器21使来自下方的射束B弯曲，并在加速空间5的大致中央水平出射。被出射的射束B导入至前述加速轨道T而被加速。

如图2所示，偏转器21由金属块(例如铜块)构成，具备有互相对置的正电极23和负电极27。正电极23及负电极27分别连接于不同的恒压电源(省略图示)。正电极23的表面形成有构成扭曲的带状曲面的正电极面23a，负电极27的表面形成有构成扭曲的带状曲面的负电极面27a。正电极面23a与负电极面27a空出预定的间隙而处于互相对置的位置。在由上述间隙构成的旋涡形的空间形成有基于正电极23与负电极27的电位差的电场。另外，也可根据构成离子束B的离子的极性(正负)使电极23、27的极性相反。

从偏转器21的下端部的正电极面23a与负电极面27a的空隙入射铅直向上的射束B。被入射的射束B由于受到基于正电极23与负电极27的电位差的电场的影响和基于磁极7的磁场的影响，因此一边沿着上述缝隙弯曲成旋涡形一边前进。而且，射束B从偏转器21的上部的正电极面23a与负电极面27a的空隙水平出射。从偏转器21出射之后，射束B一边描绘俯视为逆时针旋转的旋涡一边载入上述加速轨道T中。另外，对偏转器21内的射束的理想的通过轨道附加“S”标记而图示。这样，由上述间隙构成的旋涡形的空间成为射束所通过的射束通过区域25。

接着，对正电极23与负电极27的上述缝隙的宽度进行说明。

图3为与通过轨道S正交的截面中的、射束通过区域25附近的简要剖视图，(a)表示偏转器21的下端面的位置，(b)表示偏转器21内的任意位置，(c)表示比(b)更靠近通过轨道S的前方(下游侧)的任意位置的截面。(a)、(b)、(c)均为从通过轨道S中的射束B由纸面里侧向外侧前进的方向观察的截面图。

如图3(a)所示，在偏转器21的下端面，正电极面23a与负电极面27a平行，上述间隙的宽度g相同。如图3(b)、(c)所示，取任意截面时，正电极23与负电极27的间隙的宽度g在截面内不均一，越向图3(b)、(c)的左边行进越变宽。另外，图3中的左侧与旋涡形状的加速轨道T的外侧对应，且图3中的右侧与旋涡形状的加速轨道T的内侧对应。

换言之，以在取与通过轨道S正交的任意截面时，正电极面23a的轮廓与负电极面27a的轮廓呈八字形的方式形成正电极23和负电极27。并且，图3(c)表示位于比图3(b)更靠近通过轨道S的前方(下游侧)的截面。在图3(b)与(c)的比较中理解到，以越向通过轨道S的前方行进间隙的宽度g的左右差越变大的三维形状形成正电极23和负电极27。

根据如以上的间隙的宽度g的设定，在射束通过区域25内形成如下电场分布：越是对应于加速轨道T的外侧(图3中为左侧)的位置，基于电极23、27的电场就越弱，越是对应于加速轨道T的内侧的位置，基于电极23、27的电场就越强。即，在射束通过区域25中产生如下所谓4极形变成分的电场：射束B的通过位置越向图3的左侧偏移，射束B通过电场受到的沿图3的向下(或向上)方向的力变得越小。产生这种4极形变成分的电场的电极23、27的结构具有作为使通过偏转器21的射束B尤其向铅直方向收敛的射束收敛机构的功能。

因此，射束B通过4极形变成分的电场所存在的射束通过区域25，从而导入至加速轨道T的射束B尤其向铅直方向(z方向)收敛，抑制射束B的铅直方向的扩散。并且，通过抑制射束B向铅直方向的扩散，在加速空间5中与Dee电极9的内壁碰撞的射束变少。其结果，能够提高最终从回旋加速器1输出的射束B的比例(有时称为回旋加速器的透射率等)。

作为用于实现如上所述的间隙的宽度g的具体例子，若以具体算式表示间隙的宽度g，则成为下式(1)。

g = \frac{g_{0}}{\sqrt{1 + k^{' 2} \sin^{2} b}} (1 - η \frac{w}{W / 2} \sin b)

其中，

g：预定位置的间隙的宽度

g₀：偏转器入口处的间隙的宽度

k’：倾斜参数

b：b＝s/A

s：沿着通过轨道S测量到的从偏转器入口至上述预定位置的距离

A：偏转器的高度

η：4极形变成分的电场的强度

W：偏转器的宽度

w：在上述预定位置的宽度W方向上的位置

另外，偏转器的高度A表示从偏转器中的射束B的入口至射束B的出口的沿铅垂方向测量到的长度。上述射束B的入口是指射束B开始受到基于电极23、27的电场影响的理论上的位置，位于比偏转器21的下端面稍微靠下。并且，上述射束B的出口是指射束B结束受到基于电极23、27的电场影响的理论上的位置，位于比正电极面23a、负电极面27a的上端位置稍微靠射束B的前进方向的前方。倾斜参数k’是指表示与通过轨道S正交的面内的射束通过区域25的倾斜的参数。并且，偏转器的宽度W表示射束通过区域25的宽度。在偏转器的入口处为b＝0，正电极面23a与负电极面27a平行。并且，在偏转器的出口处为b＝π/2。如从算式(1)可以理解，间隙的宽度g具有w依存性。

另外，为了比较，在图4中示出与偏转器21类似的其他类型的螺旋偏转器(以下称为“类似偏转器”)121。该类似偏转器121中，在与射束B的通过轨道S’正交的全部截面中，正电极123与负电极127的间隙的宽度一样。即，以在与通过轨道S’正交的全部截面中显现的正电极面123a的轮廓与负电极面127a的轮廓平行的方式形成正电极123和负电极127。在该类似偏转器121中，射束通过区域125的电场只产生2极成分，得不到像偏转器21的射束的收敛效果。

接着，对本发明人们为了确认基于偏转器21发挥的作用效果而进行的模拟实验进行说明。

在此，对射束5000个离子粒子进行通过偏转器21的模拟实验，标绘出偏转器21的出口处的离子粒子的z值与z’值，将分布示于图5。z值表示离子粒子的铅垂方向上的通过位置(mm)，z’值是指用与水平面所成的角度(mrad)表示粒子的前进方向的值。并且，为了比较，对类似偏转器121也进行相同的模拟实验，将结果示于图6。

与图6相比，可知图5的z值的偏差小。这意味着通过偏转器21的离子粒子的上下位置与类似偏转器121相比更整齐。并且，与图6相比，可知图5的z’值的偏差小，集中在接近零mrad的角度。这意味着通过偏转器21的离子粒子与类似偏转器121相比，以接近水平的角度出射的倾向更强。因此，确认根据偏转器21能够得到比类似偏转器121沿上下方向更收敛射束B的效果。

本发明不限定于前述的实施方式。例如，在实施方式中，以加速空间5沿水平延伸的方式设置回旋加速器1，但是本发明在沿着铅垂面设置加速空间的加速器中也同样可以应用。并且，本发明不限于回旋加速器，还可应用于同步回旋加速器(加速器)。

并且，也可以使用一样厚度的扭曲的一对板状电极代替由金属块构成的电极23、27，并通过截面八字形的配置来实现如前述的间隙。并且，为了实现使间隙的宽度g具有w依存性的结构，如图7所示，例如也可在类似偏转器121的负电极面127a追加接合截面呈三角的金属部件129。并且，为了实现射束通过区域25中的4极形变成分的电场，也可在类似偏转器121的射束出口的前方设置4极形变磁石。并且，为了实现射束通过区域25中的4极形变成分的电场，如图8所示，也可将从上方观察的类似偏转器121的电极127、123的长度沿射束的前进方向加长至与加速轨道T的内侧对应的位置。

Claims

1.一种加速器，其特征在于，

具备使从离子源入射的射束通过并使之导入至加速轨道的偏转器，

所述偏转器具有使通过的所述射束收敛的射束收敛机构。

2.如权利要求1所述的加速器，其特征在于，

所述射束收敛机构在所述射束通过的射束通过区域产生4极形变成分的电场。

3.如权利要求2所述的加速器，其特征在于，

所述偏转器具有空出形成所述射束通过区域的缝隙而对置设置的正电极及负电极，

所述正电极及所述负电极形成为所述缝隙的宽度在与所述射束的前进方向正交的截面内不均一。

4.如权利要求3所述的加速器，其特征在于，

所述加速轨道呈旋涡形，

所述缝隙的宽度在与所述射束的前进方向正交的截面内，越是与所述旋涡形的所述加速轨道的外侧对应的位置，越变宽。

5.如权利要求1所述的加速器，其特征在于，

所述加速轨道呈旋涡形，

所述射束收敛机构在所述射束通过的射束通过区域产生电场，

该电场的强度在与所述射束的前进方向正交的截面内，越是与所述旋涡形的所述加速轨道的外侧对应的位置，越变弱。

6.一种回旋加速器，在旋涡形的加速轨道加速射束，其特征在于，具备：

磁极，产生与所述加速轨道正交的方向的磁场；

Dee电极，在所述加速轨道上产生用于加速所述射束的电位差；以及

偏转器，使以与所述加速轨道正交的入射方向入射的射束通过且使其弯曲，并导入至所述加速轨道，其中，

所述偏转器具有使通过的所述射束收敛的射束收敛机构。