CN103026802B - 漂移管直线加速器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于获得一种能对大电流的粒子束进行加速的漂移管直线加速器。在使入射的粒子束通过沿圆柱形谐振腔（1）内的所述粒子束的射束前进方向（2）排列配置的圆柱状的多个漂移管电极（3,12,13）内部的同时，由在多个漂移管电极（3,12,13）之间产生的高频电场对粒子束进行加速的漂移管直线加速器中，在端部漂移管电极（13）的内部配置聚焦设备（14），该端部漂移管电极（13）是多个漂移管电极（3,12,13）中配置在离圆柱形谐振腔（1）的入射侧最近处的漂移管电极，该聚焦设备对粒子束进行聚焦，该聚焦设备配置为可与端部漂移管电极（13）独立地进行位置调整。

Description

漂移管直线加速器

技术领域

本发明涉及对真空圆柱形谐振腔提供高频功率、以由圆柱形谐振腔内的棒（杆状部）所支撑的电极（漂移管）彼此之间产生的电场对带电粒子进行加速的漂移管直线加速器。

背景技术

漂移管直线加速器通过在圆柱形谐振腔内沿射束前进方向配置1对以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成。对圆柱形谐振腔内提供高频功率，以漂移管电极之间产生的高频电场对带电粒子（例如，质子或碳离子等）沿射束前进方向进行加速。将漂移管电极的配置设计成当高频电场的朝向与射束前进方向相反时，带电粒子存在于漂移管电极之内。

在圆柱形谐振腔内产生的电磁场模式有TM模式（在圆柱形谐振腔的长边方向产生电场）和TE模式（在圆柱形谐振腔的长边方向产生磁场）这两种。使用TM模式的漂移管直线加速器有阿尔瓦雷茨（Alvarez）型漂移管直线加速器。在该阿尔瓦雷茨型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式被直接用于在漂移管电极之间产生的加速电场或聚焦电场，因此，漂移管电极以从圆柱形谐振腔垂下的方式被杆状部支撑。另一方面，使用TE模式的漂移管直线加速器有IH（Interdigital-H：交叉指－H）型漂移管直线加速器等。在IH型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式无法被直接用于加速电场或聚焦电场，因此支撑漂移管电极的杆状部在圆柱形谐振腔的上下（或左后）交叉配置，由感应电流在漂移管电极之间间接地产生加速电场或聚焦电场。

若对这些谐振腔的内部引入规定频率的高频功率，则会引起谐振，在漂移管电极之间产生电场。由该在漂移管电极之间产生的电场使粒子每越过漂移管电极之间时不断被加速。

粒子束是带电粒子的集合体，因此在粒子相互之间斥力会发生作用（这被成为空间电荷效应）。因此随着粒子束沿前进方向前进其在径向和前进方向都发生扩散，特别是由于径向的发散会与真空管的管壁碰撞造成粒子束的损失。因此，需要对径向射束发散进行抑制的射束径向聚焦设备。以往通过聚焦装备和漂移管电极一体化的聚焦设备内置型漂移管电极来对射束发散进行抑制（专利文献1），但是近年来提出了APF（Alternating-Phase Focusing：交变相聚焦）法，通过将在漂移管电极之间产生的弯曲的电场分布和带电粒子通过漂移管电极之间的时刻相关联地进行设计来得到射束的聚焦力（专利文献2）。

将APF法应用于IH型直线加速器的APF-IH型直线加速器由于无需使用聚焦设备内置型漂移管电极，因此价格便宜且结构简单，例如用于医疗装置等要求可靠的领域。

使用碳离子等重粒子线（不含质子）的医疗用同步加速器设施中，在入射器的后级加速器利用APF-IH型直线加速器。在前级加速器对在离子源产生的碳离子进行预加速之后，以三个连续的四极磁铁进行聚焦以满足APF-IH型直线加速器的入射条件（接受条件）之后，将入射的400eμA（＝100μA）四价碳射束加速到4Mev/u。与以往的使用聚焦设备内置型漂移管电极的漂移管直线加速器（阿尔瓦雷茨型直线加速器）相比，由该APF-IH型直线加速器实现了全长缩短为1/6左右的小型化（非专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平11-329795号公报

专利文献2：日本专利特开2006-351233号公报

非专利文献

非专利文献1：Nuclear Instruments and Methods in Physics Research（物理学研究中的核仪器与方法）A572(2007),1007-1021 

发明内容

发明所要解决的问题

粒子束是带电粒子的集合体，因此在粒子相互之间由于各个电荷斥力会发生作用。特别是对于带电离子是质子这样的重量轻的大电流粒子束，而且是低能量粒子的情况下，该空间电荷效应会使对于射束前进方向的径向的发散力变得相对较大，从而产生问题。特别是虽然实际上能以APF-IH型直线加速器将小电流（100μA）碳射束加速到4Mev/u，但是由于APF的聚焦力较小，无法将10mA以上的大电流的质子加速到使用质子线的医疗用同步加速器设施用入射器所需的7MeV。例如，对质子束进行聚焦所需要的聚焦力是四价碳射束的3倍，而且电流量也从100μA上升到100倍以上的10mA以上，也就是说与碳射束相比需要300倍以上的聚焦力，因此APF-IH型直线加速器无法适用于大电流质子加速。

本发明为了解决上述的以往的加速器的问题而完成，目的在于提供一种能对大电流的粒子束进行加速的漂移管直线加速器。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的漂移管直线加速器使入射的粒子束通过沿圆柱形谐振腔内的所述粒子束的射束前进方向配置的圆柱状的多个漂移管电极内部的同时，由在多个漂移管电极之间产生的高频电场对粒子束进行加速，在端部漂移管电极的内部配置有聚焦设备，该端部漂移管电极是多个漂移管电极中配置在离圆柱形谐振腔的入射侧最近处的漂移管电极，该聚焦设备对粒子束进行聚焦，该聚焦设备配置为能与端部漂移管电极独立地进行位置调整。

发明效果

根据本发明，能提供一种能对大电流的粒子束进行加速的漂移管直线加速器。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的主要部分的概要剖视图。

图2是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的漂移管电极的放大剖视图。

图3是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的图1的A-A部分 和B-B部分的截面的概要剖视图。

图4是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的端部漂移管电极的一个例子的放大剖视图。

图5是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的聚焦设备的壳体的一个例子的放大剖视图。

图6是对漂移管直线加速器的入射粒子束的位置偏差的影响进行说明的曲线图。

图7是对本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的电场分布进行说明的曲线图。

具体实施方式

实施方式1

图1是示出本发明的实施方式1的漂移管直线加速器的主要部分的结构的剖视图。图1的漂移管直线加速器是APF-IH型直线加速器。在兼作为真空容器的圆柱形谐振腔1内沿射束前进方向2从入射侧开始第1个、第2个、……、第n个这样地配置多个漂移管电极3。此外，在漂移管电极中，第1漂移管电极标号为12，在入射侧与该第1漂移管电极12相邻的漂移管电极，也就是配置在离入射侧最近的漂移管电极被称为端部漂移管电极，标号为13。APF法适用于该漂移管直线加速器，因此特征在于漂移管电极3的间隔周期性地不均匀地扩大。在圆柱形谐振腔1内在圆柱形谐振腔的上下（或左右）设有一对脊部5。漂移管电极3由杆状部6支撑且配置在设置于圆柱形谐振腔1的脊部5上。此外，在图1中，省略示出圆柱形谐振器的出射侧的截面。

图2是漂移管电极3的放大剖视图。为了在漂移管电极3之间产生高精度的加速电场分布和聚焦电场分布，杆状部6在射束前进方向需要±0.2mm左右，在径向需要±0.2mm左右的对准位置调整。因此，在射束前进方向设有位置调整机构，在径向设有最终加工余量部。作为射束前进方向的位置调整机构，在杆状部6设有杆状部底座7，以杆状部底座螺孔8来进行调整的方法是便捷的。对于径向最终加工余量部，将上述杆状部底座7的底面部9（与 脊部5进行面接触的部分），或者在漂移管电极3与杆状部6分离的情况下将漂移管电极3和杆状部6接合的部分10作为最终加工余量部来设置。图2是对杆状部底座7设有最终加工余量部的情况。

圆柱形谐振腔1的空腔直径（内径）朝粒子束的射束前进方向2扩大。这是为了防止由于漂移管电极集中在入射侧、与从圆柱形谐振腔1整体来看静电电容集中在入射侧等效而造成在圆柱形谐振腔1内的漂移管电极之间产生的电场强度分布集中在入射侧。

在漂移管电极之间产生的电场强度遵守由下式（1）表示的法拉第定律。

（数学式1）

此处，l是漂移管电极3之间的长度，E_DT是在漂移管电极3之间产生的电场强度，B是APF-IH型直线加速器内产生的磁场强度，点表示时间微分，S是由高频电流的流路所包围的截面积（∝圆柱形谐振腔1的直径）。根据上式，为了增大漂移管电极3之间的电场，将圆柱形谐振腔1的直径扩大。其样式如图3所示。图3是图1的A-A位置的剖视图（图3的左侧）和图1的B-B位置的剖视图。相反地，图3的C-C位置的剖视图就是图1。如图3所示，圆柱形谐振腔1的射出侧的直径D2比入射侧的直径D1大。如此一来，通过使圆柱形谐振腔1的直径朝射出侧增大，集中在入射侧的电场强度分布朝射出侧增大，其结果是，能在圆柱形谐振腔1整体中获得均匀的电场强度分布。

对圆柱形谐振腔1，来自例如RFQ直线加速器等前级加速器27的粒子束通过作为聚焦设备的三个连续的永磁型四极磁铁14进行入射。在圆柱形谐振腔1的两端设置有端板11（图1中未示出射出侧的端板）。该端板11用于形成圆柱形谐振腔1，或者在圆柱形谐振腔1兼作为真空容器的情况下为形成真空容器需要端板11。作为与第1漂移管电极12成对的电极，在端板11安装有端部漂移管电极13。特别是在端部漂移管电极13的入射侧内部配置有作为聚焦设备的三个连续的永磁型四极磁铁14的一部分。在本实施方式1中，虽然示出了聚焦设备的一部分配置在端部漂移管电极13的内部的例子，但是聚焦设备也可以全部配置在端部漂移管电极13的内部。总之，只要至 少一部分配置在漂移管电极13的内部的结构就能够获得本发明的效果。

图4是端部漂移管电极13的详细剖视图。在端部漂移管电极13需要有在轴向±0.2mm左右，在径向±0.2mm左右的对准位置调整来作为相对于其他的漂移管电极3的位置调整部。因此，在射束前进方向设有最终加工余量部，在径向设有位置调整机构。例如，与端部漂移管电极底座17的端板11接合的面15作为射束前进方向的最终加工余量部，用于安装在端板11上的端部漂移管电极底座螺孔16作为径向位置调整机构。或者，端板11与端部漂移管电极13通过嵌合而接合的情况下，以用于对如图1所示的端板11和圆柱形谐振腔1进行接合的端板螺孔23来实施径向位置调整。

为了在端部漂移管电极13和第1漂移管电极12之间产生加速电场分布和聚焦电场分布，端部漂移管电极13由第1区域18和第2区域19构成，第1区域18为了配置聚焦设备而在径向扩大，第2区域19具有与其他的漂移管电极3相同的外径。使第2区域19的长度不对在端部漂移管电极13和第1漂移管电极12之间产生的电场强度带来实质性影响。例如，仍在完全不设置第2区域的情况下，在第1漂移管电极12和端部漂移管电极13之间产生的电力线与其他的漂移管电极之间产生的电力线明显不同。因此，第2区域的长度至少要设为，以支撑粒子能量最低的第1漂移管电极12的杆状部位置为指标（基准）的话，比从第1漂移管电极12的与端部漂移管电极13相对的端面开始到支撑第1漂移管电极12的杆状部为止的距离要长。为了适用APF法，在有比第1漂移管电极的全长更短的漂移管电极的情况下，考虑以其为指标。

永磁型四极磁铁14是每隔90度配置了N极和S极的磁铁，由该磁铁的配置所引起的磁场分布在水平方向和垂直方向对射束直径进行聚焦或发散，例如在水平方向发散－聚焦－发散那样地连续配置三个。

图5是示出设置了作为聚焦设备的三个连续的永磁型四极磁铁14的壳体的一个例子的详细剖视图。由于三个连续的永磁型四极磁铁14在径向和射束前进方向需要分别进行±0.01mm左右的调整，因此设有位置调整机构使各个永磁型四极磁铁14对于壳体能进行位置调整。在射束的轴向，通过对隔板20进行加工，或者预先准备厚度不同的隔板20并对隔板20进行交换来进行位置调整。另外，在径向对于壳体的内径以固定螺钉21进行位置调 整。使壳体结构中心和各个永磁型四极磁铁14的磁场中心一致的机构、与能对壳体结构中心和射束中心轴的径向进行位置调整的机构分开设置。该位置调整机构是能与端部漂移管电极13独立地进行位置调整的机构。在射束前进方向上利用与配置在APF-IH型直线加速器的上游的结构（例如前级加速器27的真空容器）接合的接合面22作为最终加工余量部，在径向上以用于与上游结构接合的接合用螺孔23进行调整。作为电流测定器的CT等与聚焦设备一并内置在壳体中的话，能对APF-IH型直线加速器的入射粒子束电流量进行测定。另外，在壳体中设有自动调整机构的话，即使是在真空中实施的射束试验中也能进行调整。

10mA以上的大电流质子束即粒子束从入射侧入射到APF-IH型直线加速器。入射的粒子束无需与三个连续的永磁型四极磁铁14的中心轴一致。对于四极磁铁的中心有轴偏移的入射粒子束通过的话，除了在径向的聚焦或发散作用，对射束自身还产生偏转作用。特别是用于对大电流质子束进行聚焦的四极磁铁的磁场梯度是100T/m级别，因此无法忽视其偏转量而需要以±0.1mm左右的位置调整使射束轴与四极磁铁的中心一致。

图6对于具有100T/m级别的磁场梯度的三个连续（在与图1的纸面垂直的方向上发散－聚焦－发散）的永磁型四极磁铁，示出了在与图1的纸面垂直的方向上从中心偏置1mm的入射粒子束受到的偏转量（点划线的曲线24）、偏置0.5mm的入射粒子束受到的偏转量（虚线的曲线25）、以及偏置0.2mm的入射粒子束受到的偏转量（实线的曲线26）。由于APF-IH型直线加速器在径向上的聚焦能力较弱，因此对于射束角度误差的容许值小到1mrad（毫拉德）以下。偏置了0.2mm的入射粒子束受到的偏转量（在图6中实线的曲线26右端的斜率，且图6中一并记载有各条曲线的斜率的评价值与表示斜率的箭头）是1.3mrad左右，可知即使是0.2mm的偏置量也无法忽视。因此，对入射粒子束位置进行测定，对设置有三个连续的永磁型四极磁铁14时的射束偏转量进行测定，对永磁型四极磁铁14的位置进行调整使射束落在射束角度容许误差之内。

由于漂移管直线加速器以漂移管电极3之间的高频电场进行加速，因此在产生与射束前进方向反向的高频电场时无法进行加速。将漂移管电极3的 配置设计为在此期间粒子束位于漂移管电极3之内且不受到与射束前进方向反向的高频电场的影响。因此，即使是DC射束（时间连续射束）入射到漂移管直线加速器也无法对全部粒子束进行加速。因此，为了从漂移管直线加速器射出必要的电流量，使用在低能量区域中能对粒子束进行加速和群聚（bunch）的RFQ直线加速器作为前级加速器27。但是，DC射束或在射束前进方向上扩散的粒子束需要先用只实施粒子束的群聚的群聚腔等进行群聚后再入射到漂移管直线加速器。然而，例如采用RFQ直线加速器作为前级加速器27，为了达到APF-IH型直线加速器的径向接受条件而使用以往的四极磁铁的话，由于该磁铁较大，使射束传输距离变长，粒子束由于射束前进方向的空间电荷效应而发散。

其结果是，即使能入射到APF-IH型直线加速器，入射粒子束也无法达到射束前进方向的接受条件而无法对大电流进行加速。而且由于端部漂移管电极13需要在IH型直线加速器的射束前进方向产生磁场、产生到达圆柱形谐振腔1的两端为止的磁场相应的长度，因此无法因为射束发散而将端部漂移管电极13的长度缩短。因此，在使用能将聚焦设备的射束前进方向缩短的永磁型四极磁铁14的同时，将作为聚焦设备的永磁型四极磁铁14的一部分配置于端部漂移管电极13之内。图1中的L区域是用于将质子束入射到APF-IH型直线加速器的匹配区。使用全长50mm左右的永磁型四极磁铁14的结果是，能将从前级加速器27的电极末端到APF-IH型直线加速器的第1漂移管电极12之间的距离抑制到工作频率200MHz的3个周期左右，在射束前进方向能将粒子束在发散之前入射到APF-IH型直线加速器（射束前进方向的接受条件内）。

在端部漂移管电极13配置永磁型四极磁铁14的一部分的话，与其他的漂移管电极13相比，在谐振腔内端部漂移管电极13所占的比例变大。因此，在从入射侧向射出侧扩大的圆柱形谐振腔1的结构中，由于在入射侧由高频所产生的高频磁场的实际磁场区域减少，因此加速电场和聚焦电场减少。加速电场和聚焦电场减少的话，低能量区域中空间电荷效应作用更为显著，因此无法对大电流粒子束进行聚焦。因此，为了使电场强度均匀，入射侧的圆柱形谐振腔1扩大到朝射出侧扩大的空腔直径以上。即，如图1所示， 配置了端部漂移管电极13的部分的圆柱形谐振腔1的内径D3比配置了第1漂移管电极12的部分的圆柱形谐振腔1的内径D1更大。

图7是示出由配置了端部漂移管电极13的部分的圆柱形谐振腔的内径D3的不同所引起的电场分布的不同的图。在图7中，以虚线示出的电场分布30是入射侧圆柱形谐振腔的内径D3不进行扩大而与圆柱形谐振腔1的第1漂移管电极12附近的内径D1相同的情况下的电场分布，以实线示出的电场分布31是配置了端部漂移管电极13的部分的圆柱形谐振腔的内径D3如图1所示那样扩大为比D1更大的情况下的电场分布。如图7所示，即使在端部漂移管电极13内配置聚焦设备，通过对该部分的圆柱形谐振腔1的直径进行扩大，在圆柱形谐振腔1的配置了端部漂移管电极13的部分能获得用于产生必要的磁场的空间区域，增加了入射侧的加速电场和聚焦电场。如此一来，通过对配置了端部漂移管电极13的部分的圆柱形谐振腔的内径进行扩大，能对由配置聚焦设备而引起的端部漂移管电极13的直径扩大作出应对。

由强磁场梯度的永磁型四极磁铁14对来自前级加速器等的射出粒子束只实施聚焦不实施偏转，使其与APF-IH型直线加速器的径向的入射条件匹配。另外，由于可缩短前级加速器和后级加速器之间的传输距离，因此也能与射束前进方向的入射条件相匹配。另一方面，关于在APF-IH型直线加速器内产生的加速电场和聚焦电场，通过对入射侧的圆柱形谐振腔1的直径进行扩大，在端部漂移管电极13和第1漂移管电极12之间也能够获得与产生在其他的漂移管之间的同等程度的电场强度。再有，由于端部漂移管电极13的与第1漂移管电极12相对的部分的形状、和第1漂移管的形状相同，因此能抑制由在端部漂移管电极13的内部配置永磁铁所产生的不均匀的电场。另外，聚焦设备构成为能与端部漂移管电极13相互独立地进行位置调整，因此入射粒子束条件和粒子束加速条件能独立达成，能对大电流的粒子束进行加速。

标号说明

1…圆柱形谐振腔

2…射束前进方向

3…漂移管电极 

12…第1漂移管电极 

13…端部漂移管电极

14…永磁型四极磁铁（聚焦设备）

18…端部漂移管电极的第1区域

19…端部漂移管电极的第2区域

D1…第1漂移管电极附近的圆柱形谐振腔的内径

D3…配置了端部漂移管电极的部分的圆柱形谐振腔的内径

Claims (5)

1.一种漂移管直线加速器，使从前级加速器入射的粒子束通过沿圆柱形谐振腔内的所述粒子束的射束前进方向配置的圆柱状的多个漂移管电极内部的同时，由在所述多个漂移管电极之间产生的高频电场对粒子束进行加速，

该漂移管直线加速器的特征在于，

所述多个漂移管电极中的配置于所述圆柱形谐振腔的入射侧的端部漂移管电极与所述前级加速器之间，配置有聚焦设备，所述聚焦设备利用磁场对从所述前级加速器入射到圆柱形谐振腔内的所述粒子束进行聚焦，

所述聚焦设备的至少一部分配置在所述端部漂移管电极内部，并且

该聚焦设备配置为能与所述端部漂移管电极独立地进行位置调整。

2.如权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：

所述端部漂移管电极具有第1区域和第2区域，

该第1区域位于所述粒子束的入射侧且在内部配置有所述聚焦设备，

该第2区域的内径和外径都比该第1区域小，

该第2区域具有与第1漂移管电极的外径相同的外径，该第1漂移管电极与所述端部漂移管电极相邻。

3.如权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：

所述圆柱形谐振腔是该圆柱形谐振腔的内径朝粒子束的射束前进方向扩大的TE模式型圆柱形谐振腔，

配置有所述端部漂移管电极的部分的所述圆柱形谐振腔的内径比配置有第1漂移管电极的部分的所述圆柱形谐振腔的内径大，该第1漂移管电极与所述端部漂移管电极相邻。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的漂移管直线加速器，其特征在于：

所述聚焦设备是永磁型四极磁铁。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的漂移管直线加速器，其特征在于：

所述多个漂移管电极的配置是适用了APF法的IH型配置。