JP2006244879A

JP2006244879A - 荷電粒子の加速方法及び荷電粒子周回装置

Info

Publication number: JP2006244879A
Application number: JP2005059693A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Yamada; 廣成山田
Original assignee: PHOTON PRODUCTION LAB Ltd; PHOTON PRODUCTION LABORATORY Ltd
Current assignee: PHOTON PRODUCTION LAB Ltd; PHOTON PRODUCTION LABORATORY Ltd
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】摂動装置を通して取り込んだ荷電粒子が安定周回閉軌道から飛び出して実質的な入射効率が低下するのを阻止する。
【解決手段】摂動装置１により安定周回閉軌道５に摂動を発生させて荷電粒子を安定周回軌道５に取り込む。荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道５上を周回するようになった後に、高周波加速空洞３を用いて積極的に荷電粒子を加速する。
【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子周回装置に入射した荷電粒子を加速する荷電粒子の加速方法及び荷電粒子周回装置に関するものである。

シンクロトロン等の荷電粒子周回装置では、安定周回閉軌道にパータベータ等の摂動装置を用いて摂動を発生させて、荷電粒子周回装置に入射した荷電粒子を安定周回閉軌道に取り込んだ後、安定周回閉軌道に配置した高周波加速空洞を用いて安定周回閉軌道を周回する荷電粒子を加速している。

例えば、「放射光」Vol.15,No.3、pp.15-27に山田廣成が「卓上型シンクロトロン“みらくる-20”による新しいX線の発生」と題して発表した論文（非特許文献１）や、「Nuclear Instruments and Methods in Physics Research」 A467-468 (2001) pp.122-125に山田廣成等が「Development of the hard X-ray source based on a tabletop electron storage ring」と題して発表した論文（非特許文献２）等には、共鳴入射法を用いて電子ビームを蓄積リングに入射しながら電子ビームを加速する技術が開示されている。
「放射光」Vol.15,No.3、pp.15-27、「卓上型シンクロトロン"みらくる-20"による新しいX線の発生」と題して発表した論文「Nuclear Instruments and Methods in Physics Research」 A467-468 (2001) pp.122-125、「Development of the hard X-ray source based on a tabletop electron storage ring」と題して発表した論文

前述の共鳴入射法を用いて電子ビーム（荷電粒子）をシンクロトロンまたは蓄積リングに入射する際に、高周波加速空洞を用いて電子ビーム（荷電粒子）を加速する従来の技術でも、入射効率はかなり高い。しかしながらこのような入射効率の高い荷電粒子加速装置であっても、一度摂動装置が取り込んだ荷電粒子を高周波加速空洞で加速している最中に荷電粒子が安定周回閉軌道から飛び出してしまうことがある。そのため従来の荷電粒子加速装置では、実質的な入射効率を上げることに限界があった。

本発明の目的は、摂動装置を通して取り込んだ荷電粒子が安定周回閉軌道から飛び出して実質的な入射効率が低下するのを阻止できる荷電粒子の加速方法及び荷電粒子周回装置を提供することにある。

本発明は、荷電粒子周回装置の安定周回閉軌道に摂動装置を用いて摂動を発生させて、荷電粒子周回装置に入射した荷電粒子を安定周回閉軌道に取り込んだ後、安定周回閉軌道に配置した高周波加速空洞を用いて安定周回閉軌道を周回する荷電粒子を加速する荷電粒子の加速方法を改良の対象とする。ここで荷電粒子周回装置とは、電子や陽子のような荷電粒子を加速または蓄積のために周回させる装置であり、例えばシンクロトロンや蓄積リングはこの荷電粒子周回装置の一例である。また摂動装置はパータベータやキッカーを含むものであり、例えばパータベータは摂動磁場により安定周回閉軌道に歪み（摂動）を発生させて荷電粒子を安定周回閉軌道に取り込み易くする構造を有するものである。また安定周回閉軌道は、円形であってもまた非円形であってもよい。さらに高周波加速空洞とは、荷電粒子を安定周回閉軌道上で周回させるためのエネルギーを高周波電力により与える加速装置である。

本発明においては、摂動装置により安定周回閉軌道に摂動を発生させて荷電粒子を安定周回軌道に取り込み、荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになった後に、高周波加速空洞を用いて積極的に荷電粒子を加速する。言い換えると、本発明では、荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになるまでは、高周波加速空洞を用いて積極的に荷電粒子を加速しない。発明者は、摂動装置を通して取り込んだ荷電粒子を直ちに高周波加速空洞で加速すると、荷電粒子の入射角によっては、加速することが荷電粒子を安定周回閉軌道から飛び出させる原因になっていることを見い出した。また発明者は、摂動装置を用いて荷電粒子を取り込んだ後に、高周波加速空洞を用いて荷電粒子を加速しない場合、摂動が消えると荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになることを見い出した。そこで本発明では、荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになるまで、高周波加速空洞を用いた積極的な加速を行わないことにして（全く加速をしない場合と積極的でない加速をする場合の両方を含む）荷電粒子が安定周回閉軌道から飛び出すのを抑制した。したがって本発明によれば、摂動装置を通して取り込んだ荷電粒子の大部分を安定周回閉軌道で加速しながら周回させることができるので、従来よりも実質的な入射効率を高めることができる。なお本願明細書において、「積極的に荷電粒子を加速する」または「積極的な加速」とは、損失した荷電粒子のエネルギーを回復できる加速であり、「積極的でない加速」とは、散乱を起こさせてビームを失うことの無い加速である。

なお荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになった否かを測定せずに、予め実験やシミュレーションによって、摂動装置を用いて安定周回閉軌道に摂動を発生させてから荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになるまでに必要な所定時間を求めておき、この所定時間が経過した後に、高周波加速空洞を用いて積極的に荷電粒子を加速するようにしてもよい。このようにすると所定時間を設定するだけで、簡単に本発明を実施できる。ちなみにこの所定時間とは、 0.1 〜 10 マイクロsecの範囲に入る時間である。なお具体的には、所定時間が経過するまでは、高周波加速空洞に高周波電力を全く供給しないか又は高周波加速空洞に高周波電力を供給したとしても高周波加速空洞が安定周回閉軌道上を周回する荷電粒子に散乱を生じさせない程度の高周波電力を高周波加速空洞に供給しておき、所定時間が経過した後に、高周波加速空洞に積極的な加速に必要な高周波電力を供給すればよい。

高周波加速空洞に高周波電力を投入しない方法にはいくつか有るが、その１つは、高周波を導く導波管の一部に電気的に駆動するサーキュレータを用いて、高周波の伝播方向を、加速空洞の方向ではなく、ダンパーの方向へ導くことである。結果として高周波電力を高周波加速空洞へ供給するのを止めることができる。

また高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置として、トリガー信号が入力されている間動作する増幅型の加速器用高周波電力発生装置を使用する場合には、トリガー信号を所定時間が経過するまでは加速器用高周波電力発生装置に与えないようにして、高周波加速空洞に高周波電力を全く供給しない状態を作ってもよい。このようにするとトリガー信号の制御だけで、簡単に本発明を実施できる。もちろんトリガー信号をCW基準信号発生器に与えてCW基準信号の発生を制御しても良いが、CW基準信号は、高周波で駆動する入射加速器の基準信号ともなるので、不都合がある。

さらに高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置において使用する高電圧電源の出力電圧を、所定時間が経過するまでは荷電粒子に散乱を生じさせない程度の低い電圧とし、所定時間を経過した後に高電圧電源の出力電圧を荷電粒子の加速に必要な高い電圧まで上昇させてもよい。このようにすると所定時間が経過した後に高周波加速空洞に積極的な加速に必要な高周波電力を供給する状態を容易に作ることができる。

本発明の方法を実施する本発明の荷電粒子周回装置は、荷電粒子周回装置の安定周回閉軌道に摂動を発生させて、荷電粒子周回装置に入射した荷電粒子を安定周回閉軌道に取り込む摂動装置と、安定周回閉軌道に配置されて安定周回閉軌道を周回する荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置とを備えている。本発明の荷電粒子周回装置では、加速器用高周波電力発生装置を、摂動装置により摂動を発生した後に荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって荷電粒子が安定周回閉軌道上を周回するようになった後に、積極的に荷電粒子を加速するために必要な高周波電力を高周波加速空洞に供給するように構成する。

なお具体的な加速器用高周波電力発生装置は、高周波加速空洞に高周波電力を供給するクライストロン，マグネトロンまたはトラベリングウエーブチューブと、クライストロン，マグネトロンまたはトラベリングウエーブチューブにトリガー信号を制御可能に与えるトリガー信号発生装置と、クライストロン，マグネトロンまたはトラベリングウエーブチューブに高電圧を印加する高電圧発生源とを備えた構造を有しているのが好ましい。なおマグネトロンを用いる場合には、トリガー信号発生装置は高電圧に変調を与えるために用いられる。

本発明によれば、摂動装置を通して取り込んだ荷電粒子の大部分を安定周回閉軌道で加速しながら周回させることができるので、従来よりも実質的な入射効率を高めることができる。

以下図面を参照して、荷電粒子周回装置の一種であるシクロトロンを対象とした本発明の荷電粒子の加速方法及び荷電粒子周回装置の実施形態の一例を詳細に説明する。図１は、パータベータからなる摂動装置１と高周波加速空洞３とがシンクロトロンの安定周回閉軌道５に対して配置されている状態を模擬的に示す図であり,入射中にパータベータによる摂動を受けた荷電粒子の軌道も同時に描いている。図２は、安定周回閉軌道５上を入射済みの荷電粒子、即ち蓄積中のビームが電子バンチ（電子の集団）となって周回している状態を模擬的に示す図である。また図３は、摂動装置１のための摂動装置用電源や高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力供給装置７の構成を簡単に示している。なお図１及び図２には、周回電子の軌道を形成し電子ビームの発散を防止する主磁石は図示を省略してある。

本実施の形態のシンクロトロンにおいては、蓄積中の電子ビームに影響を及ぼさずに入射軌道を生成する共鳴入射法を使用している。共鳴入射法を使用して電子ビームを入射した場合、入射時には、電子が共鳴をしている状態になっており、電子のベータトロン振動の振幅が大きくなっている。電子のベータトロン振動の振幅が大きい状態で、高周波加速空洞３に高い高周波加速電圧が印加されると、電子は散乱して安定周回閉軌道から電子が飛び出すことになる。

そこで本発明の荷電粒子の加速方法では、摂動装置１により安定周回閉軌道５に摂動を発生させて電子（荷電粒子）を安定周回軌道５に取り込んだ後、電子（荷電粒子）のベータトロン振動が小さくなって電子（荷電粒子）が安定周回閉軌道５上を周回するようになるまでは、高周波加速空洞３を用いて電子（荷電粒子）の加速を積極的には行わないようにしている。

この方法を実施するため、本実施の形態の荷電粒子周回装置では、図３に示す加速器用高周波電力発生装置７を用いる。この加速用高周波電力発生装置７は、トリガー信号が入力されている間動作する増幅型の加速器用高周波電力発生装置である。加速用高周波電力発生装置７は、高周波加速空洞３に高周波電力を供給するクライストロン９と、クライストロン９にトリガー信号で制御が可能な高周波基準信号発生装置１１と、クライストロン９に高電圧を印加する高電圧発生源１３とを備えている。高周波基準信号発生装置１１は、クライストロン９に供給する高周波信号を基準信号発生器１５とその増幅を行うアンプ１７とから構成されており、アンプ１７は、ゲート信号発生器１９で発生するゲート信号により出力を制御できる。アンプ１７は、ゲート信号発生器１９からゲート信号が入力されている間だけ、基準信号発生器１５の出力を増幅して、クライストロン９に入力する。

ゲート信号発生器１９には、遅延回路２１を介して基準トリガー信号発生器２３から基準トリガー信号を入力する。遅延回路２１の遅延時間は、摂動装置１を用いて安定周回閉軌道５に摂動を発生させてから入射した電子（荷電粒子）が安定周回閉軌道５上を周回するようになるまでに必要な時間以上に設定される。具体的には、後に説明するパータベータパルス発生器２５からパータベータへのパルスの供給が無くなった後に、ゲート信号発生器１９に基準トリガー信号が入力されるように定められている。ちなみにこの時間は、安定周回閉軌道５の直径３０ｃｍの場合で、 0.1 マイクロ sec〜 10 マイクロsecの範囲の値である。なお遅延回路２１は、時限の設定調整が可能なタイマー回路によって構成してもよい。

基準トリガー信号発生器２３は、摂動装置１としてのパータベータに駆動電力を供給するパータベータパルス発生器（摂動装置用電源）２５に対して、入射の際に基準トリガー信号を出力する。入射の際に、基準トリガー信号発生器２３から基準トリガー信号がパータベータパルス発生器２５に入力されると、パータベータパルス発生器２５はパータベータにサイン半波の摂動磁場を生じさせて摂動を発生させるための半波長のパルスをパータベータに供給する。

図４は、図３に示した電源装置のタイミングチャートを示している。図４から明らかなように、図３の電源装置では、基準トリガー信号の立ち上がり位置から遅延回路２１の遅延時間の計数が開始される。そして基準トリガー信号の位置からパータベータパルス発生器２５の持つ時定数に基づいた遅延時間の後にパータベータに半波長のパルスが供給されて、パータベータが摂動磁場を発生する。この摂動磁場がピークを過ぎた所定の期間内に電子（荷電粒子）の入射が行われる。摂動磁場が無くなってから遅延時間が満了すると、ゲート信号がゲート信号発生器１９から出力される。高周波加速空洞３に発生する高周波電圧は、ゲート信号立ち上がり位置から徐々に増加して飽和し、ゲート信号の立ち下がり位置から徐々に減少してゼロになる。

上記のようにゲート信号の発生を遅らせて、アンプ１７からクライストロンに基準信号が入力される時期を遅らせる方法を採用すると、簡単に高周波加速空洞３による加速の開始時期を遅らせることができる。

また図５に示すように、ゲート信号発生器１９から出力されるゲート信号を利用して高電圧電源１３の出力を次のように制御しても、高周波加速空洞３による加速開始時期を遅らせることができる。この場合、高電圧電源１３はゲート信号の有無に応じて出力電圧を変更できるように構成されたものを用いる。そして、ゲート信号発生器１９からゲート信号が入力されていない所定時間（遅延回路２１の遅延時間）が経過するまでは、高電圧電源１３から出力される電圧を電子（荷電粒子）に散乱を生じさせない程度の低い電圧とし、所定時間（遅延時間）を経過してゲート信号が入力されるようになった後に高電圧電源１３の出力電圧を荷電粒子の加速に必要な高い電圧まで上昇させるように、高電圧電源１３の出力を制御する。このような制御を行っても、所定時間（遅延時間）が経過した後に高周波加速空洞１３に積極的な加速に必要な高周波電力を供給する状態を作ることができる。なおこの場合、アンプ１７は基準信号発生器１５の出力を常時増幅してクライストロンに供給しても良い。

また図６に示すように、クライストロン９と高周波加速空洞３との間に、ダンパー２７とサーキュレータ２８を配置して、このサーキュレータ２８にゲート信号発生器１９からゲートをかけて、クライストロン９から高周波加速空洞３に高周波電力が供給されるのを停止しても良い。このようにしても入射期間中は、加速空洞への高周波電力の供給を止めることができる。

上記実施の形態は、本発明をシンクロトロン加速装置に対して適用したものであるが、入射した荷電粒子がベータトロン振動を起こすもので、摂動装置と高周波加速空洞とを用いて荷電粒子の取り込みと加速とを行うものであれば、本発明はその他の荷電粒子加速装置にも当然にして適用することができる。

また上記実施の形態では、加速用高周波電力発生装置７においてクライストロン９を用いているが、クライストロンに代えてマグネトロンやトラベリングウェーブチューブを用いることができるのは勿論である。なおマグネトロンやトラベリングウェーブチューブを用いる場合でも、マグネトロンまたはトラベリングウェーブチューブにトリガー信号を制御可能に与えるトリガー信号発生装置と、マグネトロンまたはトラベリングウェーブチューブに高電圧を印加する高電圧発生源は必要である。なおマグネトロンを用いる場合には、高電圧に変調を与えるためのトリガー信号を発生するトリガー信号発生装置を設けることになる。

摂動装置と高周波加速空洞とがシンクロトロンの安定周回閉軌道に対して配置されている状態を模擬的に示す図である。安定周回閉軌道上を入射済みの荷電粒子が周回している状態を模擬的に示す図である。摂動装置のための摂動装置用電源や高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力供給装置を含む電源装置の構成を示す図である。図３の装置の動作を説明するためのタイミングチャートを示す図である。加速器用高周波電力供給装置の他の例の構成を示す図である。加速器用高周波電力供給装置の更に他の例の構成を示す図である。

符号の説明

１摂動装置
３高周波加速空洞
５安定周回閉軌道
７加速器用高周波電力供給装置
９クライストロン
１１トリガ信号発生装置
１３高電圧電源
１５基準信号発生器
１７，１７´ アンプ
１９ゲート信号発生器
２１遅延回路
２３基準トリガー信号発生器
２５パータベータパルス発生器
２７ダンパー
２８サーキュレータ

Claims

荷電粒子周回装置の安定周回閉軌道に摂動装置を用いて摂動を発生させて、前記荷電粒子周回装置に入射した荷電粒子を前記安定周回閉軌道に取り込んだ後、前記安定周回閉軌道に配置した高周波加速空洞を用いて前記安定周回閉軌道を周回する荷電粒子を加速する荷電粒子の加速方法であって、
前記摂動装置により前記摂動を発生した後に前記荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって前記荷電粒子が前記安定周回閉軌道上を周回するようになった後に、前記高周波加速空洞を用いて積極的に前記荷電粒子を加速することを特徴とする荷電粒子の加速方法。
前記摂動装置を用いて前記安定周回閉軌道に前記摂動を発生させてから前記荷電粒子が前記安定周回閉軌道上を周回するようになるまでに必要な所定時間を経過した後に、前記高周波加速空洞を用いて積極的に前記荷電粒子を加速することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子の加速方法。
前記所定時間が経過するまでは、前記高周波加速空洞に高周波電力を全く供給しないか又は前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給したとしても前記高周波加速空洞が前記安定周回閉軌道上を周回する前記荷電粒子に散乱を生じさせない程度の前記高周波電力を前記高周波加速空洞に供給し、
前記所定時間が経過した後に、前記高周波加速空洞に積極的な加速に必要な前記高周波電力を供給することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子の加速方法。
前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置として、トリガー信号が入力されている間動作する増幅型の加速器用高周波電力発生装置を使用し、前記トリガー信号を前記所定時間が経過するまでは前記加速器用高周波電力発生装置に与えないようにして、前記高周波加速空洞に前記高周波電力を積極的には供給しない状態を作ることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子の加速方法。
前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置において使用する高電圧電源の出力電圧を、前記所定時間が経過するまでは前記荷電粒子に散乱を生じさせない程度の低い電圧とし、前記所定時間を経過した後に前記高電圧電源の前記出力電圧を前記荷電粒子の加速に必要な高い電圧まで上昇させることにより、前記所定時間が経過した後に前記高周波加速空洞に積極的な加速に必要な前記高周波電力を供給する状態を作ることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子の加速方法。
共鳴入射法を用いて前記荷電粒子を前記荷電粒子周回装置に入射するときに、前記摂動装置としてパータベータまたはキッカーを用いて前記安定周回閉軌道に前記摂動を発生させることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子の加速方法。
安定周回閉軌道に摂動を発生させて、入射した荷電粒子を前記安定周回閉軌道に取り込む摂動装置と、前記安定周回閉軌道に配置されて前記安定周回閉軌道を周回する荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、前記高周波加速空洞に高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置とを備えた荷電粒子周回装置であって、
前記加速器用高周波電力発生装置は、前記摂動装置により前記摂動を発生した後に前記荷電粒子のベータトロン振動が小さくなって前記荷電粒子が前記安定周回閉軌道上を周回するようになった後に、積極的に前記荷電粒子を加速するために必要な前記高周波電力を前記高周波加速空洞に供給するように構成されていることを特徴とする荷電粒子周回装置。
前記加速器用高周波電力発生装置は、前記摂動装置を用いて前記安定周回閉軌道に前記摂動を発生させてから前記荷電粒子が前記安定周回閉軌道上を周回するようになるまでに必要な所定時間を経過した後に、前記高周波加速空洞に対して積極的に前記荷電粒子を加速するために必要な前記高周波電力の供給を開始することを特徴とする請求項７に記載の荷電粒子周回装置。
前記加速器用高周波電力発生装置は、前記所定時間が経過するまでは、前記高周波加速空洞に高周波電力を全く供給しないか又は前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給したとしても前記高周波加速空洞が前記安定周回閉軌道上を周回する前記荷電粒子に散乱を生じさせない程度の前記高周波電力を前記高周波加速空洞に供給し、
前記所定時間が経過した後に、前記高周波加速空洞に積極的な加速に必要な前記高周波電力を供給することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子周回装置。
前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給する加速器用高周波電力発生装置は、トリガー信号が入力されている間動作する増幅型の加速器用高周波電力発生装置であり、前記トリガー信号を前記所定時間が経過するまでは前記加速器用高周波電力発生装置に与えないようにして、前記高周波加速空洞に前記高周波電力を積極的には供給しない状態を作ることを特徴とする請求項９に記載の荷電粒子周回装置。
前記加速器用高周波電力発生装置は、使用する高電圧電源の出力電圧を、前記所定時間が経過するまでは前記荷電粒子に散乱を生じさせない程度の低い電圧とし、前記所定時間を経過した後に前記高電圧電源の前記出力電圧を前記荷電粒子の加速に必要な高い電圧まで上昇させることにより、前記所定時間が経過した後に前記高周波加速空洞に積極的な加速に必要な前記高周波電力を供給する状態を作ることを特徴とする請求項９に記載の荷電粒子周回装置。
前記加速器用高周波電力発生装置は、前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給するクライストロンまたはトラベリングウエーブチューブと、前記クライストロンまたは前記トラベリングウエーブチューブに前記トリガー信号を制御可能に与えるトリガー信号発生装置と、前記クライストロンまたは前記トラベリングウエーブチューブに高電圧を印加する高電圧発生源とを備えている請求項７に記載の荷電粒子周回装置。
前記加速器用高周波電力発生装置は、前記高周波加速空洞に前記高周波電力を供給するマグネトロンと、前記マグネトロンに高電圧を印加する高電圧発生源と、前記高電圧に変調を与えるためのトリガー信号発生装置とを備えている請求項７に記載の荷電粒子加速装置。