JP2004296164A

JP2004296164A - 荷電粒子加速器の偏向電磁石用電源および加速コア用電源

Info

Publication number: JP2004296164A
Application number: JP2003084269A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tanaka; 博文田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】従来の荷電粒子加速器に、偏向磁場が一定で、ビームの加速と共に、平衡軌道が周回軌道の外側へと広がり加速を行うＦＦＡＧ（ＦｉｘｅｄＦｉｅｌｄＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔ）加速器が、また平衡軌道が変化せず一定の軌道で加速を行うベータトロン加速器がある。
前者は偏向磁場が一定の為、装置全体が大きく、小型化が困難であり、後者は平衡軌道が一定でクーロン散乱による空間電荷効果により大電流の加速が難しいという課題を解決するため、偏向電磁石と加速コアの励磁パターンを特有の時間構造とし、それにより安価で高精度を必要としない励磁電源を備えたラップトップ型の極めて小型で大出力、大電流の加速の可能な荷電粒子加速器を提供する。
【解決手段】第１、第２の加速期間を設け、偏向電磁石電源が偏向磁場を第１の加速期間は一定値で、第２の加速期間はその終了時刻まで増加するよう励磁する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子を加速する円形粒子加速器用電源に関するもので、特に小型で大電流ビームの加速を可能とする加速器の偏向電磁石用電源と加速コア用電源に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の荷電粒子加速器として、偏向電磁石の発生する磁場が一定で、荷電粒子の加速と共に平衡軌道が周回軌道の外側へと広がり加速を行うＦＦＡＧ（ＦｉｘｅｄＦｉｅｌｄＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔ）加速器が示されている（例えば、非特許文献１参照）。
これに対して平衡軌道が変化せず一定の軌道で加速を行うベータトロン加速器が示されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
“ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＦＦＡＧｐｒｏｔｏｎｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ”ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＥＰＡＣ２０００，ＶｉｅｎｎａＡｕｓｔｒｉａ２０００．Ｐ５８１〜Ｐ５８３，Ｆｉｇ１
【非特許文献２】
加速器科学（パリティ物理学コース）丸善株式会社平成５年９月２０日発行４章ベータトロンＰ３９〜Ｐ４３Ｆｉｇ４．１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１に示されたＦＦＡＧ加速器は、イオン源で発生したビームを入射し偏向電磁石の偏向磁場で概円軌道上を周回させ、加速空胴に印加された電界で加速を行う。加速中は偏向電磁石の偏向磁場は一定であり、ビーム加速と共に平衡軌道は加速器の外側へと移動する。偏向電磁石は外側程磁場強度が大きくなっているが、偏向電磁石の磁場が一定の為、装置全体寸法が大きくなり、小型化は困難であり応用分野が限定されており、また、前記偏向電磁石電源は高精度の直流安定化が必要とされ、高価な装置となっていた。
一方、非特許文献２に示されたベータトロン加速器は、荷電粒子の加速中の平衡軌道は一定であり、クーロン散乱による空間電荷効果によって大電流加速が難しく、時間平均のビーム出力が弱く、産業、医療応用分野への適用が殆どできなかった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、約３０ｃｍφ程度のラップトップ型の極めて小型でかつ安価な励磁電源を備えた大電流加速が可能な加速器を提供し、産業、医療他各分野への応用を拡大しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速手段と真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記偏向電磁石用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子が、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速されるものであり、前記偏向電磁石電源が、前記偏向電磁石の磁場を前記第１の加速期間は一定値となるよう励磁し、前記第２の加速終了時刻まで増加するよう励磁するものであり、かつ前記偏向電磁石電源がスイッチング電源である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は荷電粒子加速器１００を示す平面図である。図において、荷電粒子発生部１１で発生した荷電粒子ビーム（以下、ビームと称す）はセプタム電極１２から入射される。ビームは偏向電磁石１３で偏向され概円軌道となり周回する。加速は加速コア１４に加速コア用電源１７からの交流励磁で電磁誘導によって発生した誘導電界により行う。ビームが空気と衝突して失われることのないよう真空ダクト１５内を周回する。その代表的平衡軌道を模式的に１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄにて示す。前記偏向電磁石１３は偏向電磁石用電源１８で励磁される。なお、前記加速コア１４と加速コア用電源１７を加速手段と称す。
【０００８】
図２に本実施の形態１による加速器１００によるビームを加速するための前記偏向電磁石用電源１８によって励磁された前記偏向電磁石１３の発生する偏向磁場２０と、前記加速コア用電源によって励磁された前記加速コア１４に発生する加速コア電界２１の時間構造を示す。この図２に示す偏向磁場２０の時間構造と加速コア電界２１の時間構造はベータトロン加速条件を満たしていない。前記ベータトロン加速条件とは加速中のビームの周回軌道（平衡軌道）が一定となるような偏向磁場２０と加速コア電界２１の関係である。この実施の形態１では図２において、前記時間構造はビームを加速する第１の加速期間２２と、第２の加速期間２３が設けられている。
第１の加速期間２２には、例えばイオン源または電子銃である前記荷電粒子発生装置１１からのビームはセプタム電極１２からビーム入射開始時刻２５（第１の加速開始時刻）で入射される。加速コア電界２１の時間構造で示されるように加速コア用電源１７の励磁によって、加速コア電界２１はビーム入射開始時刻２５から時間と共に所定のエネルギに達するまで増加するよう変化している。従って、ビームの進行方向に誘導電界がかかっており、時刻２５で入射された前記ビームは前記第１の加速期間２２内も加速される。この第１の加速期間２２は前記偏向電磁石１３の偏向磁場は一定となるよう、偏向電磁石用電源１８によって制御、励磁され、ビームは図１の代表的平衡軌道１６ａ〜１６ｄに示すように、徐々に外側へ広がっていく。
前記ビームは第１の加速期間２２の間、連続的に入射されるので、第１の加速期間２２の終了時刻２６では、加速器１００内部では水平方向に広がったビームが周回していることになる。
【０００９】
第１の加速期間２２の終了時刻２６では、入射開始時刻（第１の加速開始時刻）２５で入射されたビームが図１に示す最も外側付近の軌道１６ｄを最も高いエネルギで周回している。また第１の加速期間２２の入射終了時刻２６の直前に入射されたビームは最も内側付近の軌道１６ａを最も低いエネルギで周回している。すなわち第１の加速終了時刻２６においてはエネルギ幅が大きく、水平に広がったビームが加速器１００中を周回している。偏向電磁石１３の磁極形状は、平衡軌道からずれたビームが安定に周回するよう、ビーム周回軌道の外側程磁場強度を大きくなるよう設定されている。
第１の加速期間２２が時刻２６で終了後、すなわち第２の加速開始時刻２６で第２の加速期間２３に移行する。この第２の加速期間２３は、図２に示すように、偏向磁場２０と加速コア電界２１を時間と共に増加させるような励磁パターンでもって偏向電磁石用電源１８と加速コア用電源１７が制御、励磁されている。この時の前記励磁パターンは加速器１００内でベータトロン加速条件に近い条件、すなわち加速中のビームの周回軌道（平衡軌道）が一定となるように偏向磁場２０と加速コア電界２１の関係を保ち加速を行うよう設定されている。前記ビームはエネルギ幅が大きい、水平に広がったビーム特性を保ったまま所定のエネルギに到るまで加速される。
【００１０】
このようにして所定のエネルギに達したビームは、図１に示すデフレクタ３０より周回軌道から取り出され、出射ビーム輸送系３１によって各種ビーム応用に供される。またあるいは同じく図１に示すＸ線ターゲット２９にビームを衝突させＸ線を発生させ、各種Ｘ線応用に供される。
以上説明したようにこの実施の形態１による荷電粒子加速器１００では、前記図２に示すような偏向磁場、加速コア電界の励磁パターンとなるよう、前記偏向電磁石用電源１８、加速コア用電源１７を制御、励磁しているのでコンパクトな構造で空間電荷効果を抑制でき、従来のベータトロン加速器の数１０倍から数１００倍の大出力、大強度のビーム加速が実現できる。
【００１１】
実施の形態２．
実施の形態２を図に基づいて説明する。
図３は実施の形態２による前記実施の形態１と同様の偏向磁場２０と加速コア電界２１の時間構造図である。図に示すように加速コア電界２１は、第１の加速期間２２の開始時刻２５、すなわちビーム入射開始時刻２５の時点をマイナス値とし、以後時間の経過と共に、第２の加速期間２３の終了時刻までプラス方向に増加するよう前記加速コア用電源１７が制御、励磁されている。
すなわち、加速コア電界２１は正負の電界を発生するような時間構造を有しているものである。このような加速コア電界２１の時間構造でビームを加速すると、空間電荷効果を抑制でき、大出力ビームをコンパクトな構造で実現できる。
【００１２】
実施の形態３．
実施の形態３を図に基づいて説明する。
図４に示すように、偏向電磁石用電源１８を制御、励磁することによる偏向磁場２０の時間構造は、第１の加速期間開始時刻２５から前記偏向磁場２０は、第１の加速終了時刻２６に到るまで時間と共に増加する。すなわち第１の加速期間２２内では偏向磁場２０を変化させている。この時、荷電粒子発生装置１１のビームエネルギも変化させる必要がある。このような偏向磁場２０の時間構造でビームを加速すると、前記と同様、空間電荷効果を抑制でき、コンパクトな装置で大出力のビームを加速可能となる。
【００１３】
実施の形態４．
実施の形態４を図に基づいて説明する。
偏向電磁石用電源１８と加速コア用電源１７の制御、励磁による偏向磁場２０と加速コア電界２１の時間構造は図５に示すように、第１の加速期間２２と第２の加速期間２３と、前記第２の加速期間２３につづくビーム取り出し期間２４を有するものである。加速コア電界２１はビーム入射開始時刻２５から時間と共に、前記ビーム取り出し期間の終了時刻２８まで増加するよう印加されている。偏向磁場２０は、第１の加速期間２２内では一定強度の磁場であり、前記第１の加速期間２２の終了時刻２６、すなわち第２の加速期間２３の開始時刻からその終了時刻２８まで増加するよう印加されている。ビーム取り出し期間２４は前記第２の加速期間２２の終端値の磁場をその終了時刻２８に到るまで一定に保つよう印加される。
このビーム取り出し期間２４中は、ビームはエネルギ幅が大きく、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速されている。このビームを図１に示すＸ線ターゲット２９に衝突させＸ線を発生させ、このＸ線を産業や医療に利用することが可能である。
【００１４】
以下、この実施の形態４のビーム加速動作の詳細を図１、図５に基づいて述べる。
第２の加速期間２２、２３は、代表的平衡軌道１６ａ〜１６ｄに示すように水平方向のビーム幅をほぼ保って加速されている。最も外側のビーム（平衡軌道１６ｄに相当）が所定のエネルギ、すなわち利用側の使用するエネルギに達したらビーム取り出し期間２４に入りビームを取り出しを開始する。この時刻は図５の２７に相当する。このビーム取り出し期間２４では偏向電磁石１３の偏向磁場２０の増加を止め、加速中のビームの平衡軌道が時間と共に変化するような偏向磁場２０と加速コア電界２１の関係を保つよう両電源１７，１８を制御する。このビーム取り出し期間２４においても加速コア電界２１は変化しているので、荷電ビームの進行方向に誘導電界がかかっており、代表的平衡軌道１６ａ，１６ｂ，１６ｃで示すビームは徐々に外側に広がっていく。そして、例えば使用者側がＸ線利用者である場合には、周回軌道の外側に設置されているＸ線ターゲット２９にビームを衝突させＸ線を発生させる。すなわちＸ線は図５のビーム取り出し期間２４の間発生させることが可能である。Ｘ線ターゲット２９に衝突時のビームエネルギはビーム取り出し中も加速を行っているので、ビーム取り出し開始時刻２７にＸ線ターゲット２９に衝突するビームエネルギも、ビーム取り出し終了時刻２８に衝突するビームエネルギもほぼ同じである。
以上のようにビームを加速している時には、エネルギ幅が大きく、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速され、Ｘ線ターゲット２９に衝突する時にはほぼ一定のエネルギとなり、質の良いＸ線を得ることができる。このようにこの実施の形態４による偏向電磁石用電源１８と加速コア用電源１７の励磁パターンを有する荷電粒子加速器１００では、コンパクトな装置で空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力でエネルギ幅のほぼ一定の質のよい電子ビームを用いてＸ線を発生させることができるという効果がある。
【００１５】
実施の形態５．
実施の形態５を図１に基づいて説明する。
この実施の形態５は前記実施の形態４のＸ線ターゲット２９に代替し、ビーム取り出し手段としてのデフレクタ３０を設けたものである。図１では前記デフレクタ３０はＸ線ターゲット２９と異なる個所に設ける例を示しているが、Ｘ線ターゲット２９にとってかわり同じ位置であってもよい。前記デフレクタ３０には磁界ないし電界を印加して、最も外側のビーム平衡軌道１６ｄに所定のエネルギに達したら、つまり図５のビーム取り出し開始時刻２７よりビーム取り出しを開始する。このビーム取り出し時の偏向磁場２０、加速コア電界２１は前記実施の形態４と同じである。
以上のように、この実施の形態５ではビームを加速している時には、エネルギ幅が大きい、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速されるが、ビーム出力輸送系３１に到達する時にはほぼ一定のエネルギとなり、質の良いビームを取り出すことができる。
このようにこの実施の形態５による荷電粒子加速器では、コンパクトな装置で空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力で質の良いビームを得ることができるという効果を奏する。
【００１６】
以上のように、この実施の形態１〜５に示したような偏向電磁石用電源と加速コア用電源を制御、励磁することによる偏向磁場と加速コア電界の時間構造を有しているので、偏向電磁石や加速コアを励磁する励磁パターンは図２〜図５に示したような直線状であってもよく、また必ずしも直線状でなく、曲線状や折れ線状であってもよい。
またさらに、偏向電磁石用電源は直流安定化電源であることは必ずしも必須でなく、必要とされる励磁電流の設定精度が緩やかなものでよい。このように、偏向電磁石用電源および加速コア用電源は高精度のものを必要とせず安価な構成の装置であってもよい。それには、例えば直流電圧をＯＮ、ＯＦＦスイッチングを行うスイッチング電源でもよい。具体的にはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体スイッチング素子で、直流電圧をＯＮ、ＯＦＦして励磁波形を作成する。
また、荷電粒子発生装置１１は、図１において荷電粒子加速器１００の中央部に設ける例を示しているが、必ずしもこれにこだわることなく、荷電粒子加速器１００の下部または上部とりわけ、偏向電磁石１３に近接した上部または上部に設置することで、装置全体のコンパクトがはかれる。また、荷電粒子発生装置１１は荷電粒子加速器１００の真空ダクト内に配置することも可能であり、装置全体のコンパクト化に貢献する。
【００１７】
【発明の効果】
この発明は以上述べたような構成であるので、以下のような効果がある。
荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速手段と真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記偏向電磁石用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子は、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速されるものであり、前記偏向電磁石電源が前記偏向電磁石の磁場を、前記第１の加速期間は一定値となるよう励磁し、前記第２の加速終了時刻まで増加するよう励磁するものであり、かつ前記偏向電磁石電源がスイッチング電源であるので、小型、コンパクトで、空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力で質のよいビームを得ることができるとともに、偏向電磁石用電源が高精度を必要とせず安価な電源となる優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１〜５による荷電粒子加速器を示す平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による偏向磁場と加速コア電界の時間構造を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２による偏向磁場と加速コア電界の時間構造を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３による偏向磁場と加速コア電界の時間構造を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４による偏向磁場と加速コア電界の時間構造を示す図である。
【符号の説明】
１１荷電粒子発生装置、１２セプタム電極、１３偏向電磁石、
１４加速コア、１５真空ダクト、１７加速コア用電源、
１８偏向電磁石電源、２０偏向電磁石磁場、２１加速コア電界、
２２第１の加速期間、２３第２の加速期間、２４ビーム取り出し期間、
２５ビーム入射開始時刻、
２６第１の加速終了時刻（第２の加速期間始まり時刻）、
２７ビーム取り出し開始時刻、２８ビーム取り出し終了時刻、
１００荷電粒子加速器。

Claims

荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速コアと真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記偏向電磁石用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子が、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速されるものであり、前記偏向電磁石電源が、前記偏向電磁石の磁場を前記第１の加速期間は一定値となるよう励磁し、前記第２の加速終了時刻までは増加するよう励磁するものであり、かつ前記偏向電磁石用電源がスイッチング電源であることを特徴とする荷電粒子加速器の偏向電磁石用電源。
荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速コアと真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記偏向電磁石用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子は、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速され、さらに前記第２の加速期間につながるビーム取り出し期間を有しており、前記偏向電磁石電源が、前記偏向電磁石の磁場を前記第１の加速期間は一定値となるよう励磁するとともに、前記第２の加速期間は第２の加速終了時刻まで増加するよう励磁するとともに、前記取り出し期間は前記第２の加速期間の終端値を一定に保つよう励磁するものであり、かつ前記偏向電磁石電源がスイッチング電源であることを特徴とする荷電粒子加速器の偏向電磁石電源。
前記第１の加速期間内における、前記荷電粒子発生装置から出射される荷電粒子のエネルギが可変とされており、前記偏向電磁石用電源が、前記偏向電磁石の磁場を可変とするよう励磁するものであり、かつ前記偏向電磁石用電源がスイッチング電源であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速器の偏向電磁石用電源。
荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速コアと真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記加速コア用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子が、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速されるものであり、前記加速コア用電源が、前記加速コアの電界を前記第１の加速開始時刻から前記第２の加速終了時刻まで増加するよう励磁するものであり、かつ前記加速コア用電源がスイッチング電源であることを特徴とする荷電粒子加速器の加速コア用電源。
荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速コアと真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器の前記加速コア用電源であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子が、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速され、さらに前記第２の加速期間につながるビーム取り出し期間を有しており、前記加速コア用電源が、前記加速コアの電界を前記第１の加速開始時刻から前記取り出し終了時刻まで増加するよう励磁するものであり、かつ前記加速コア用電源がスイッチング電源であることを特徴とする荷電粒子加速器の加速コア用電源。
前記加速コア用電源が、前記加速コアの電界を前記第１の加速開始時刻はマイナス値とし、前記第２の加速終了時刻までプラス方向に増加するよう前記加速コアを励磁するものであり、かつ前記加速コア用電源がスイッチング電源であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の荷電粒子加速器の加速コア用電源。