DE112004000137T5

DE112004000137T5 - Beschleuniger für geladene Teilchen

Info

Publication number: DE112004000137T5
Application number: DE112004000137T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: CN100359993C; CN1723744A; JP4174508B2; DE112004000137B4; JPWO2004073364A1; WO2004073364A1; US20060152177A1; US7259529B2

Abstract

Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, dadurch gekennzeichnet, dass von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen in die Vakuumröhre eingespeiste geladene Teilchen durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Durchlaufen einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt sind, das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld von der Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode angelegt ist und das durch den Ablenkmagneten erzeugte Magnetfeld während der ersten Beschleunigungsperiode mit einem festen Wert angelegt ist und bis zum zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode anwachsend angelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ringbeschleuniger zum Beschleunigen geladener Teilchen und insbesondere auf einen kompakten Beschleuniger für geladene Teilchen zur Ermöglichung der Beschleunigung eines Strahls mit großem Strom.
Technischer Hintergrund
Als ein gewöhnlicher Ionenbeschleuniger ist ein FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)-Beschleuniger bekannt, bei dem das von einem Umlenker erzeugte Magnetfeld festgelegt ist und während des Beschleunigens geladener Teilchen ein Gleichgewichtsorbit nach außerhalb eines runden Orbits hin erweitert wird (siehe beispielsweise das Nicht-Patentdokument 1).
Weiterhin ist ein Betatron als ein Beschleuniger bekannt, bei dem ein Gleichgewichtsorbit nicht verändert wird und die Beschleunigung entlang eines festgelegten Orbits durchgeführt wird (siehe beispielsweise das Nicht-Patentdokument 2).
[Nicht-Patentdokument 1]
"Development of a FFAG Proton Synchrotron", "Proceedings of EPAC 2000", Vienna, Austria, 2000, S. 581–583, Fig. 1.
[Nicht-Patentdokument 2]
"Accelerator Science (Parity Physics Cause)", herausgegeben am 20. September 1993 durch Maruzen Company, Kapitel 4, Betatron, S. 39–43, Fig. 4.1.
Gemäß dem in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbarten FFAG-Beschleuniger wird ein durch eine Ionenquelle erzeugter Strahl in den Beschleuniger eingespeist und durch ein an eine Beschleunigungskammer angelegtes elektrisches Feld beschleunigt, während er unter einem ablenkenden Magnetfeld eines Ablenkmagneten einen im wesentlichen ringförmigen Orbit durchläuft. Während der Beschleunigung ist das ablenkende Magnetfeld des Ablenkmagneten unveränderlich, und der Gleichgewichtsorbit verschiebt sich zur Außenseite des Beschleunigers, während der Strahl beschleunigt wird.
Die Stärke des Magnetfelds des Ablenkmagneten wächst zur Außenseite hin an. Die Gesamtabmessung der Vorrichtung ist jedoch vergrößert, da das Magnetfeld des Ablenkmagneten festgelegt ist, so dass es schwierig ist, die Vorrichtung zu miniaturisieren und somit das Anwendungsgebiet begrenzt ist.
Gemäß dem in dem Nicht-Patentdokument 2 offenbarten Betatron-Beschleuniger ist der Gleichgewichtsorbit während der Beschleunigung geladener Teilchen festgelegt, aufgrund eines durch Coulombstreuung verursachten Raumladungseffekts ist eine Beschleunigung mit großem Strom schwierig, und die über die Zeit gemittelte Strahlleistung ist gering, so dass dieser Beschleuniger kaum auf industriellen und medizinischen Gebieten einsetzbar ist.
Die vorliegende Erfindung wurde realisiert zum Lösen der obigen Probleme und hat als Aufgabe die Bereitstellung eines Beschleunigers für geladene Teilchen, der bemerkenswert kompakt ist, nach Art eines Laptops von ungefähr 30 cmϕ, und bei dem eine Beschleunigung mit großem Strom durchgeführt werden kann, wenn Elektronen als geladene Teilchen beschleunigt werden, wodurch Anwendungen auf industrielle und medizinische Gebiete und andere Gebiete ausgedehnt werden.
Weiterhin hat die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines kompakten Beschleunigers als Aufgabe, sogar wenn Protonen, Kohlenstoff oder dergleichen als geladene Teilchen beschleunigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen ausgestattet mit einer Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, wobei geladene Teilchen, die von der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen in die Vakuumröhre injiziert wurden, durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Passieren einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine bestimmte Energie beschleunigt sind, das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld vom zeitlichen Beginn der ersten Beschleunigungsperiode bis zum zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode angelegt wird und das durch den Ablenkmagneten erzeugte Magnetfeld mit einem festen Wert während der ersten Beschleunigungsperiode angelegt wird und dergestalt angelegt wird, dass es bis zum zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode vergrößert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen weiterhin ausgerüstet mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von geladenen Teilchen, einem Ablenkmagneten, ei nem Beschleunigungsmittel und einer Vakuumröhre, wobei geladene Teilchen, die von der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen in die Vakuumröhre injiziert wurden, durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Durchlaufen einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt sind, eine mit der zweiten Beschleunigungsperiode verknüpfte Strahlextraktionsperiode vorgesehen ist, ein durch die Beschleunigungsmittel erzeugtes elektrisches Feld vom zeitlichen Beginn der ersten Beschleunigungsperiode bis zum zeitlichen Ende der Extraktionsperiode angelegt wird und das durch den Ablenkmagneten erzeugte Magnetfeld während der ersten Beschleunigungsperiode mit einem festen wert angelegt wird, das Magnetfeld während der zweiten Beschleunigungsperiode bis zum zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode erhöht wird und während der Extraktionsperiode das Magnetfeld mit einem Endwert der zweiten Beschleunigungsperiode angelegt wird.
Gemäß dem Beschleuniger für geladene Teilchen der vorliegenden Erfindung können solche hervorragenden Wirkungen erzielt werden wie die, dass der Beschleuniger miniaturisiert werden kann, so dass er kompakt ist, ein Raumladungseffekt unterdrückt werden kann, ein Strahl hoher Intensität beschleunigt werden kann und ein Strahl hoher Intensität mit hoher Qualität erzielt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht, die einen Beschleuniger für geladene Teilchen gemäß Ausführungsformen 1 bis 5 der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das die zeitlichen Strukturen des ablenkenden Magnetfelds und des beschleunigenden Kern-Magnetfelds gemäß ei ner Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Zeitstruktur des ablenkenden Magnetfelds und des beschleunigenden Kern-Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Diagramm, das die Zeitstruktur des ablenkenden Magnetfelds und des beschleunigenden Kern-Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt, und
5 ist ein Diagramm, das die Zeitstruktur des ablenkenden Magnetfelds und des beschleunigenden Kern-Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Art und Weisen zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsform 1
Eine Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird hier unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
1 ist eine Draufsicht, die einen Beschleuniger für geladene Teilchen 100 zeigt.
In 1 wird ein Strahl geladener Teilchen (hier im folgenden als Strahl bezeichnet), der durch eine Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen 11 erzeugt wurde, von einer Septumelektrode 12 in eine Vakuumröhre 15 injiziert. Der Strahl wird durch einen Ablenkmagneten 13 abgelenkt und entlang eines im wesentlichen ringförmigen Orbits in Umlauf gebracht. Die Beschleunigung des Strahls wird durchgeführt durch ein induziertes elektrisches Feld, das durch magnetische Induktion mittels Zuführens einer alternierenden Erregung von einer Beschleunigungskern-Spannungsquelle 17 zu einem Beschleunigungskern 14 erzeugt wird. Der Strahl läuft in der Vakuumröhre 15 um, so dass der Strahl daran gehindert wird, auf Luft zu treffen und so verloren zu gehen. Charakteristische Gleichgewichtsorbits sind in schematischer Weise durch 16a, 16b, 16c, 16d dargestellt.
Der Ablenkmagnet 13 wird durch eine Spannungsquelle 18 für den Ablenkmagneten angeregt. Der Beschleunigungskern 14 und die Beschleunigungskern-Spannungsquelle 17 werden als Beschleunigungsmittel bezeichnet.
2 zeigt zeitliche Strukturen des ablenkenden Magnetfeldes 20, dass durch den Ablenkmagneten 13 erzeugt wird, und des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21, das in dem Beschleunigungskern 14 zum Beschleunigen des Strahls in dem Beschleuniger für geladene Teilchen 100 gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Die Zeitstruktur des Ablenkmagnetfeldes 20 und die Zeitstruktur des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21, die in 2 gezeigt sind, genügen nicht einer Betatron-Beschleunigungsbedingung. Die Betatron-Beschleunigungsbedingung bezieht sich auf die Beziehung zwischen dem Ablenkmagnetfeld 20 und dem Beschleunigungskern-Magnetfeld 21, bei der ein Strahlumlauforbit während der Beschleunigung (Gleichgewichtsorbit) konstant ist.
In dieser Ausführungsform 1 sind eine erste Beschleunigungsperiode 22 und eine zweite Beschleunigungsperiode 23 zum Be schleunigen des Strahls vorgesehen, wie in den Figuren gezeigt.
In der ersten Beschleunigungsperiode 22 wird der von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen 11, wie zum Beispiel einer Ionenquelle oder einer Elektronenkanone, erzeugte Strahl von der Septumelektrode 12 zu einer Strahleinspeisungs-Startzeit 25 (Startzeit der ersten Beschleunigung) in die Vakuumröhre 15 eingespeist. Wie in den zeitlichen Strukturen des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21 gezeigt, wird das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 dergestalt verändert, dass es mit dem Ablauf der Zeit von der Strahleinspeisungs-Startzeit 25 an anwächst, bis die Energie des Strahls die vorbestimmte Energie erreicht. Folglich wird das induzierte elektrische Feld in der Bewegungsrichtung des Strahls angelegt, und der zu der Zeit 25 eingespeiste Strahl wird in der ersten Beschleunigungsperiode 22 beschleunigt. Während der ersten Beschleunigungsperiode 22 ist das Ablenkmagnetfeld des Ablenkmagneten 13 fest, und der Strahl expandiert allmählich zu der Außenseite, wie durch die repräsentativen Gleichgewichtsorbits 16a bis 16d von 1 angedeutet.
Während der ersten Beschleunigungsperiode 22 wird der Strahl kontinuierlich eingespeist, und somit läuft in dem Beschleuniger für geladene Teilchen 10 an dem zeitlichen Ende 26 der ersten Beschleunigungsperiode 22 ein horizontal expandierender Strahl um.
Am zeitlichen Ende 26 der ersten Beschleunigungsperiode 22 läuft der zu der Einspeisungsstartzeit (der ersten Beschleunigungsstartzeit) 25 eingespeiste Strahl entlang des äußersten Orbits 16d mit höchster Energie um. Weiterhin läuft der unmittelbar vor der Einspeisungs-Endzeit 26 der ersten Beschleunigungsperiode 22 eingespeiste Strahl auf dem innersten Orbit 16a mit niedrigster Energie um. Dies bedeutet, in dem Be schleuniger für geladene Teilchen 100 läuft an dem zeitlichen Ende 26 der ersten Beschleunigungsperiode der Strahl mit einer großen Energiedispersion und horizontal expandierend um. Die Magnetpolform des Ablenkmagneten 13 wird dergestalt gewählt, dass die Magnetfeldstärke anwächst, wenn der Strahlumlaufsorbit zu der Außenseite hin verschoben wird, so dass ein von einem Gleichgewichtsorbit abweichender Strahl stabil umlaufen kann.
Nachdem zu der Zeit 26 die erste Beschleunigungsperiode 22 beendet ist, wird die Beschleunigungsperiode auf die zweite Beschleunigungsperiode 23 verlagert; dies bedeutet, zu der Startzeit 26 der zweiten Beschleunigung hin. Wie in 2 gezeigt, weist die zweite Beschleunigungsperiode 23 ein derartiges Erregungsmuster auf, dass sowohl das Ablenkmagnetfeld 20 als auch das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 mit der Zeit anwachsen. Das Erregungsmuster ist dergestalt gewählt, dass die Strahlbeschleunigung durchgeführt wird, während die Beziehung zwischen dem Ablenkmagnetfeld 20 und dem Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 beibehalten wird, so dass in dem Beschleuniger für geladene Teilchen 100 ein Zustand nahe des Betatron-Beschleunigungszustands hergestellt wird. Dies bedeutet, der Umlauforbit (Gleichgewichtsorbit) des Strahls ist bei der Beschleunigung konstant. Der betreffende Strahl wird beschleunigt, bis die Energie die vorbestimmte Energie erreicht, während die Strahleigenschaften einer großen Energiedispersion und einer Horizontalexpansion beibehalten werden.
Wie oben beschrieben, wird der Strahl, dessen Energie die vorbestimmte Energie erreicht hat, durch einen Deflektor 30, der in 1 gezeigt ist, von dem Umlauforbit extrahiert und verschiedenen Arten von Strahlanwendungen durch ein Austrittsstrahl-Transportsystem 31 zugeführt. Alternativ lässt man den Strahl auf ein in 1 gezeigtes Röntgentarget 29 auftreffen, zum Erzeugen von Röntgenstrahlen und die Zuführung zu verschiedenen Arten von Röntgenanwendungen.
Wie oben beschrieben, kann in dem Beschleuniger für geladene Teilchen 100 gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung der Raumladungseffekt durch eine kompakte Struktur unterdrückt werden und die Strahlbeschleunigung mit einer hohen Intensität, die einige Zehn bis einige Hundert mal so groß wie bei einem herkömmlichen Betatronbeschleuniger ist, durchgeführt werden.
Bei dieser Ausführungsform werden Elektronen als geladene Teilchen verwendet. Die gleiche Beschleunigung kann jedoch mit Protonen, Kohlenstoff etc. als geladenen Teilchen durchgeführt werden. In diesem Fall kann, wie in dem Fall dieser Ausführungsform, das Mittel zum Erzeugen des beschleunigenden elektrischen Feldes ein induziertes elektrisches Feld sein oder ein elektrisches Hochfrequenzfeld, das von einer Hochfrequenzspannungsquelle zugeführt wird.
Ausführungsform 2
Eine Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
3 entspricht zeitlichen Strukturen des Ablenkmagnetfelds 20 und des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21 gemäß der Ausführungsform 2, wie in dem Fall der Ausführungsform 1.
Wie in 3 gezeigt, wird bei der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 dergestalt angelegt, dass es bei dem zeitlichen Beginn 25 der ersten Beschleunigungsperiode 22, das heißt, dem Zeitpunkt der Strahleinspeisungs-Startzeit 25, auf einen Minuswert gesetzt ist und danach in einer Plusrichtung mit dem Ablauf der Zeit bis zu dem zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode 23 erhöht wird.
Dies bedeutet, das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 zeigt eine derartige Zeitstruktur, dass positive und negative Magnetfelder auftreten. Wenn auf der Grundlage der Zeitstruktur des oben beschriebenen Beschleunigungskern-Magnetfelds 21 ein Strahl beschleunigt wird, kann der Raumladungseffekt unterdrückt werden, und ein Strahl hoher Leistung kann mit einer kompakten Struktur erhalten werden.
Ausführungsform 3
Eine Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
4 ist ein Diagramm, das die zeitlichen Strukturen des Ablenkmagnetfelds 20 und des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21 bei der Ausführungsform 3 zeigt.
Bei der Ausführungsform 3 ist die zeitliche Struktur des Ablenkmagnetfelds 20 dergestalt, dass es mit dem zeitlichen Ablauf von der Startzeit 25 der ersten Beschleunigungsperiode an bis zu dem zeitlichen Ende 26 der ersten Beschleunigungsperiode hin anwächst. Dies bedeutet, das Ablenkmagnetfeld 20 wird während der ersten Beschleunigungsperiode 22 verändert. Zu dieser Zeit ist es erforderlich, dass die Strahlenergie der Erzeugungsvorrichtung 11 für geladene Teilchen ebenfalls verändert wird. Wenn der Strahl auf der Grundlage der zeitlichen Struktur des Ablenkmagnetfeldes 20, die oben beschrieben wurde, beschleunigt wird, kann der Raumladungseffekt unterdrückt werden, und ein Strahl hoher Leistung kann durch eine kompakte Vorrichtung beschleunigt werden, wie in dem Fall der obigen Ausführungsformen.
Ausführungsform 4
Eine Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
5 ist ein Diagramm, das die zeitlichen Strukturen des Ablenkmagnetfelds 20 und des Beschleunigungskern-Magnetfelds 21 in der Ausführungsform 4 zeigt.
Bei der Ausführungsform 4 weist die Zeitstruktur von dem Ablenkmagnetfeld 20 und dem Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 eine erste Beschleunigungsperiode 22, eine zweite Beschleunigungsperiode 23 und eine Strahlextraktionsperiode 24, die der zweiten Beschleunigungsperiode 23 nachfolgt, wie in 5 gezeigt, auf. Das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 wird dergestalt angelegt, dass es mit dem zeitlichen Ablauf von der Strahleinspeisungs-Startzeit 25 bis zu dem zeitlichen Ende 28 der Strahlextraktionsperiode hin anwächst. Das Ablenkmagnetfeld 20 wird dergestalt angelegt, dass seine Stärke während der ersten Beschleunigungsperiode 22 unveränderlich ist und ebenfalls von dem zeitlichen Ende 26 der ersten Beschleunigungsperiode 22, das heißt, der Startzeit der zweiten Beschleunigungsperiode 23 bis zu dem zeitlichen Ende 28 der zweiten Beschleunigungsperiode 23 an erhöht wird. Während der Strahlextraktionsperiode 24 wird das Ablenkmagnetfeld 20 dergestalt angelegt, dass der Endwert der zweiten Beschleunigungsperiode 22 bis zu dem zeitlichen Ende 28 konstant gehalten wird.
Während der Strahlextraktionsperiode 24 wird der Strahl beschleunigt, während eine große Energiedispersion und die Strahleigenschaft eines horizontalen Expandierens beibehalten werden. Der so beschleunigte Strahl kann auf ein in 1 gezeigtes Röntgentarget 29 auftreffen zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, und die Röntgenstrahlen sind auf industriellen oder medizinischen Gebieten anwendbar.
Die Details des Strahlbeschleunigungsbetriebs der Ausführungsform 4 werden unter Bezugnahme auf 1 und 5 beschrieben.
Während der zweiten Beschleunigungsperiode 23 wird der Strahl beschleunigt, während die Strahldispersion in der horizontalen Richtung im wesentlichen beibehalten wird, wie durch die repräsentativen Gleichgewichtsorbits 16a bis 16d von 1 angedeutet. Wenn der äußerste Strahl (entsprechend dem Gleichgewichtsorbit 16d) die vorbestimmte Energie, das heißt, die nutzerseitig zu verwendende Energie, erreicht, tritt der zeitliche Ablauf in die Strahlextraktionsperiode 24 zum Beginn des Strahlextraktionsbetriebs ein. Diese Zeit entspricht in 5 27. In der Strahlextraktionsperiode 24 wird das Anwachsen des Ablenkmagnetfelds 20 des Ablenkmagneten 13 gestoppt und so gesteuert, dass eine Beziehung zwischen dem Ablenkmagnetfeld 20 und dem Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 dergestalt beibehalten wird, dass der Gleichgewichtsorbit des Strahls bei der Beschleunigung mit dem zeitlichen Ablauf variiert.
Da das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 sogar in der Strahlextraktionsperiode 24 variiert, wird das induzierte elektrische Feld in der Längsrichtung des geladenen Strahls angelegt, und die durch die charakteristischen Gleichgewichtsorbits 16a, 16b, 16c angedeuteten Strahlen werden allmählich zu der Außenseite expandiert.
Wenn der Nutzer ein Röntgennutzer ist, trifft der Strahl auf das Röntgentarget 29, das an der Außenseite des Umlauforbits zur Erzeugung von Röntgenstrahlen angeordnet ist. Dies bedeutet, die Röntgenstrahlen können während der Strahlextraktionsperiode 24 von 5 erzeugt werden. Bezüglich der Strahlenergie verhält es sich so, dass, wenn der Strahl auf das Röntgentarget 29 auftrifft, die Energie eines Strahls, der auf das Röntgentarget 29 zu der Strahlextraktions-Startzeit 27 auftrifft, im wesentlichen gleich der Energie eines Strahls ist, der auf das Röntgentarget 29 bei der Strahlextraktions-Endzeit 28 auftrifft, da der Strahl ebenfalls während der Strahlextraktionsperiode beschleunigt wird.
Wenn der Strahl beschleunigt wird, wird, wie oben beschrieben, bei der Ausführungsform 4 der Strahl beschleunigt, während Strahleigenschaften einer großen Energiedispersion und horizontalen Ausdehnung beibehalten werden, und wenn der Strahl auf das Röntgentarget 29 auftrifft, hat der Strahl im wesentlichen eine konstante Energie, so dass Röntgenstrahlen mit exzellenter Qualität erzielt werden können.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem Beschleuniger für geladene Teilchen der Ausführungsform 4 der Raumladungseffekt unterdrückt werden; ein Strahl hoher Leistung kann beschleunigt werden, und Röntgenstrahlen können erzeugt werden unter Verwendung eines exzellenten Elektronenstrahls mit einer hohen Intensität und im wesentlichen konstanten Energiedispersion durch eine kompakte Vorrichtung.
Ausführungsform 5
Eine Ausführungsform 5 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Bei der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung wird anstelle des Röntgentargets 29 der Ausführungsform 4 ein Deflektor 30 als Strahlextraktionsmittel eingebaut. In 1 ist der Deflektor 30 an einer zu dem Röntgentarget unterschiedlichen Position 29 eingebaut; jedoch kann er an der gleichen Position wie das Röntgentarget 29 angeordnet sein. An den Deflektor 30 wird ein Magnetfeld oder elektrisches Feld angelegt, und der Strahlextraktionsbetrieb beginnt zu der Zeit, zu der der äußerste Strahlgleichgewichtsorbit 16d die vorbestimmte Energie erreicht, das heißt, zu der Strahlextraktions-Startzeit 27 von 5. Das Ablenkmagnetfeld 20 und das Beschleunigungskern-Magnetfeld 21 zu der Strahlextraktionszeit sind die gleichen wie in der Ausführungsform 4.
Wenn der Strahl beschleunigt wird, wird in der Ausführungsform 5, wie oben beschrieben, der Strahl beschleunigt, während die Strahleigenschaft der horizontalen Vergrößerung bei einer großen Energiedispersion beibehalten wird. Wenn jedoch der Strahl das Austrittsstrahl-Ausgabe-Transportsystem 31 erreicht, hat er im wesentlichen konstante Energie, und ein Strahl mit exzellenter Qualität kann extrahiert werden.
Wie oben beschrieben, kann entsprechend dem Beschleuniger für geladene Teilchen der Ausführungsform 5 der Raumladungseffekt durch die kompakte Vorrichtung unterdrückt werden, und es kann eine Wirkung erzielt werden, dass ein Strahl hoher Intensität beschleunigt werden kann, und es kann ein Strahl hoher Leistung mit exzellenter Qualität erzielt werden.
Ausführungsform 6
Der Beschleuniger für geladene Teilchen der vorliegenden Erfindung hat Zeitstrukturen des Ablenkmagnetfelds und des Beschleunigungskern-Magnetfelds, wie sie in den Ausführungsformen 1 bis 5 gezeigt sind. Deshalb kann das Anregungsmuster zum Anregen des Ablenkmagneten und des Beschleunigungskerns linear sein, wie in den 2 bis 5 gezeigt, oder es ist nicht notwendigerweise linear und kann einer gekrümmten Linie oder abknickenden Linie gleichen.
Weiterhin ist eine DC-stabilisierte Spannungsquelle nicht notwendigerweise unverzichtbar, und die Einstellpräzision des erforderlichen Anregestroms kann moderat sein. Beispielsweise kann ein Schaltnetzteil zum Schalten der DC-Spannung zwischen AN und AUS verwendet werden. Speziell wird die DC-Spannung zwischen AN und AUS durch ein Leistungshalbleiter-Schaltelement, wie zum Beispiel einen IGBT, MOSFET oder dergleichen, umgeschaltet zum Erzeugen einer Erregungswellenform.
Die Erzeugungsvorrichtung 11 für geladene Teilchen ist an dem Zentralabschnitt des Beschleunigers für geladene Teilchen 10 in 1 vorgesehen; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Sie kann an dem unteren Abschnitt oder dem oberen Abschnitt des Beschleunigers für geladene Teilchen 100 vorgesehen sein, insbesondere an dem oberen Abschnitt nahe des Ablenkmagneten 13 oder an dem oberen Abschnitt. Die Gesamtvorrichtung kann miniaturisiert werden. Die Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen 11 kann in der Vakuumröhre des Beschleunigers für geladene Teilchen 100 angeordnet werden, was zu der Miniaturisierung der Gesamtvorrichtung beiträgt.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Beschleuniger für geladene Teilchen der vorliegenden Erfindung ist anwendbar auf industriellen oder medizinischen Gebieten, wie zum Beispiel als Röntgenerzeugungsvorrichtung, medizinische Teilchenstrahlvorrichtung etc.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Beschleuniger für geladene Teilchen bereit mit einer Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, bei dem erste und zweite Beschleunigungsperioden (22), (23) vorgesehen sind, das beschleunigende elektrische Feld der Beschleunigungsmittel von der Startzeit (25) der ersten Beschleunigungsperiode (22) bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode (23) angelegt wird und das Ablenkmagnetfeld mit einem festen Wert während der ersten Beschleunigungsperiode angelegt wird. Während der zweiten Beschleunigungsperiode wird es dergestalt angelegt, dass es bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode anwächst. Folglich wird ein kompakter Hochleistungsbeschleuniger für geladene Teilchen bereitgestellt, der eine Beschleunigung mit einem großen Strom durchführen kann.
(2)

Claims

Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, dadurch gekenn zeichnet, dass von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen in die Vakuumröhre eingespeiste geladene Teilchen durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Durchlaufen einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt sind, das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld von der Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode angelegt ist und das durch den Ablenkmagneten erzeugte Magnetfeld während der ersten Beschleunigungsperiode mit einem festen Wert angelegt ist und bis zum zeitlichen Ende der zweiten Beschleunigungsperiode anwachsend angelegt ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, dadurch gekennzeichnet, dass von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen in die Vakuumröhre eingespeiste geladene Teilchen durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Durchlaufen einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt sind, eine mit der zweiten Beschleunigungsperiode in Zusammenhang stehende Extraktionsperiode vorgesehen ist, das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld von der Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der Extraktionsperiode angelegt ist und das durch den Ablenkmagneten erzeugte magnetische Feld während der ersten Beschleunigungsperiode mit einem festen Wert angelegt ist, das Magnetfeld während der zweiten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode erhöht wird und das Magnetfeld während der Extraktionsperiode auf einen Endwert der zweiten Beschleunigungsperiode gesetzt ist, welcher konstant gehalten wird.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem die Beschleunigungsmittel einen Beschleunigungskern und eine Beschleunigungskern-Spannungsquelle aufweisen und das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld ein induziertes elektrisches Feld ist, das dadurch erzeugt wird, dass der Beschleunigungskern einer Wechselerregung unterzogen wird.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 3, bei dem die Anregung des Beschleunigungskerns zum Verursachen der Erzeugung eines elektrischen Feldes durch die Beschleunigungsmittel dergestalt zugeführt wird, dass sie zur Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode auf einen Minuswert gesetzt wird und bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode in einer Plusrichtung anwächst.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem ein Erregungsmuster für die Erzeugung des elektrischen Feldes der Beschleunigungsmittel und die Magnetfeldzufuhr des Ablenkmagneten so gewählt ist, dass es linear ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem ein Anregungsmuster für das Anlegen des elektrischen Feldes der Beschleunigungsmittel und des Magnetfeldes des Ablenkmagneten so gewählt ist, dass es eine gekrümmte Linie ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem ein Röntgentarget in der Vakuumröhre vorgesehen ist, und die geladenen Teilchen veranlasst werden, auf das Röntgentarget zum Erzeugen von Röntgenstrahlen aufzutreffen, wenn die gela denen Teilchen dergestalt beschleunigt wurden, dass ihre Energie die vorbestimmte Energie erreicht hat.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem ein Deflektor in der Vakuumröhre vorgesehen ist, und die geladenen Teilchen durch den Deflektor extrahiert werden, wenn die geladenen Teilchen dergestalt beschleunigt wurden, dass ihre Energie die vorbestimmte Energie erreicht hat.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, bei dem die Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen im wesentlichen an dem Zentralabschnitt des Beschleunigers für geladene Teilchen vorgesehen ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem die Beschleunigungsmittel einen Beschleunigungskern und eine Beschleunigungskern-Spannungsquelle aufweisen, und das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld ein induziertes elektrisches Feld ist, das dadurch hervorgerufen ist, dass der Beschleunigungskern einer Wechselanregung unterworfen wird.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem die Anregung des Beschleunigungskerns zum Hervorrufen der Erzeugung eines elektrischen Feldes durch die Beschleunigungsmittel dergestalt angewendet wird, dass sie zu der Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode auf einen Minuswert gesetzt wird und bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode in einer Plusrichtung anwächst.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem ein Anregungsmuster für die Erzeugung des elektrischen Feldes der Beschleunigungsmittel und die Erzeugung des Magnetfeldes des Ablenkmagneten so gewählt ist, dass es linear ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem ein Anregungsmuster für die Zufuhr des elektrischen Feldes der Beschleunigungsmittel und die Zufuhr des Magnetfeldes des Ablenkmagneten so gewählt ist, dass es eine gekrümmte Linie ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem in der Vakuumröhre ein Röntgentarget vorgesehen ist, und die geladenen Teilchen veranlasst werden auf das Röntgentarget aufzutreffen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, wenn die geladenen Teilchen dergestalt beschleunigt wurden, dass ihre Energie die vorbestimmte Energie erreicht hat.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem ein Deflektor in der Vakuumröhre vorgesehen ist und die geladenen Teilchen durch den Deflektor extrahiert werden, wenn die geladenen Teilchen dergestalt beschleunigt wurden, dass ihre Energie die vorbestimmte Energie erreicht hat.
Beschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 2, bei dem die Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen im wesentlichen an dem Zentralabschnitt des Beschleunigers für geladene Teilchen vorgesehen ist.
Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen, einem Ablenkmagneten, Beschleunigungsmitteln und einer Vakuumröhre, dadurch gekennzeichnet, dass von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen in die Vakuumröhre eingespeiste geladene Teilchen durch den Ablenkmagneten abgelenkt werden und nach Durchlaufen einer ersten Beschleunigungsperiode und einer zweiten Beschleunigungsperiode auf eine vorgeschriebene Energie beschleunigt sind, das durch die Beschleunigungsmittel erzeugte elektrische Feld von der Startzeit der ersten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode an gelegt wird, das durch den Ablenkmagneten erzeugte Magnetfeld dergestalt angelegt wird, dass es von der Beschleunigungsstartzeit der ersten Beschleunigungsperiode bis zur Endzeit der zweiten Beschleunigungsperiode anwächst und die Energie der von der Erzeugungsvorrichtung für geladene Teilchen emittierten geladenen Teilchen in der ersten Beschleunigungsperiode verändert wird.