JP2015022967A

JP2015022967A - 高周波型荷電粒子加速器

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Publication number: JP2015022967A
Application number: JP2013151923A
Authority: JP
Inventors: 高志藤澤; Takashi Fujisawa; 規託林▲崎▼; Noriyosu Hayashizaki; 山内　英明; Hideaki Yamauchi; 英明山内
Original assignee: TIME Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: TIME Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: JP6171126B2

Abstract

【課題】安価に製造可能でビーム電力を増加させたり電力効率を高くすることが可能な高周波型荷電粒子加速器を提供する。
【解決手段】高周波型荷電粒子加速器は、加速空洞１０と荷電粒子源２０と高周波源３０とパルス制御部４０とからなる。荷電粒子源２０は、加速空洞１０に荷電粒子ビームを入射するものであり、荷電粒子ビームの出力電流が可変可能なものである。高周波源３０は、加速空洞１０がパルス励振するように高周波電力をパルス的に加速空洞１０に供給するための真空管を用いる。高周波源３０は、真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動可能である。パルス制御部４０は、高周波源３０のパルス出力のタイミングに合わせて荷電粒子源２０の荷電粒子ビームの出力電流をオン・オフさせるように、荷電粒子源２０及び高周波源３０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は荷電粒子を加速するための高周波型荷電粒子加速器に関し、特に、電力効率を向上させた高周波型荷電粒子加速器に関する。

電子やイオン等の荷電粒子を電気力を用いて人工的に高速状態に加速する加速器は、様々な産業分野に使用されている。特に電子線は広く産業分野に使用されており、高分子材料の架橋や重合を促進したり、医療器具等を滅菌したりするのに利用されている。荷電粒子を加速する加速器としては、直流電圧を使用するものと高周波を使用するものとが知られている。高周波加速方式の方が同一の加速エネルギを得るのに直流電圧加速方式と比べて装置を小型化できるという利点がある。例えば、高周波としてマイクロ波を用いたリニアックの場合には、電子を５ＭｅＶに加速するのに長さ１ｍ程度の直線型の加速空洞が用いられている。これに対して、直流電圧加速器では、電気絶縁耐圧を維持するために高圧ガス（ＳＦ_６）を満たしたタンク内に収納されており、タンクの大きさは直径２ｍ以上、高さ７ｍ以上といった巨大なものとなっている。しかしながら、マイクロ波型のリニアックでは、クライストロンを使用しているため高価であり、また電力効率が悪いため大電流を加速できない。このような問題を解決するものとして、偏向磁石を用いて加速ビームを偏向させ、複数の加速回数で繰り返し加速を行う蛇行型のＶＨＦ帯の高周波源を用いた電子加速器が提案されている。これは、マイクロ波の高周波源より取り扱いやすく、また安価なものであった。蛇行型の加速器としては、例えば、フランスのサクレ研究所により提案されたロードトロンや、特許文献１に記載の折畳み軌道高周波電子加速器等が挙げられる。

特開平１０−４１０９９号公報

１回の加速回数で加速可能なエネルギは、供給する高周波電力及び加速空洞の構造に依存する。そのため、高いエネルギまで加速しようとすると、加速回数を増やす必要がある。例えば、１回の加速回数で５００ｋｅＶ加速可能だとすると、１０ＭｅＶまで加速するためには、２０回加速する必要がある。そうすると、加速器が複雑且つ巨大化し、高価となってしまう。また、例えば加速電圧を２倍とすれば、加速回数は半分で済むが、加速電圧を２倍とするためには、加速空洞に高周波電力を供給するための高周波源に用いられる真空管の最大定格をそれに合わせて高いものとする必要があった。そうすると、高周波増幅器が高価且つ巨大化してしまう問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、安価に製造可能でビーム電力を増加させたり電力効率を高くすることが可能な高周波型荷電粒子加速器を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による高周波型荷電粒子加速器は、荷電粒子を加速する加速空洞と、加速空洞に荷電粒子ビームを入射する荷電粒子源であって、荷電粒子ビームの出力電流が可変可能な荷電粒子源と、加速空洞がパルス励振するように高周波電力をパルス的に加速空洞に供給するための真空管を用いる高周波源であって、真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動可能な高周波源と、高周波源のパルス出力のタイミングに合わせて荷電粒子源の荷電粒子ビームの出力電流をオン・オフさせるように、荷電粒子源及び高周波源を制御するパルス制御部と、を具備するものである。

ここで、高周波源は、ピーク出力が平均出力とデューティ比の逆数との積以上となるようにパルス駆動可能であれば良い。

また、加速空洞は、ビーム経路が直線状の線形加速空洞であれば良い。

また、加速空洞は、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞であり、さらに、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速空洞の外部に配置され加速される荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるための偏向部を具備するものであっても良い。

本発明の高周波型荷電粒子加速器には、安価に製造可能でビーム電力を増加させたり電力効率を高くすることが可能であるという利点がある。

図１は、本発明の高周波型荷電粒子加速器の概略構成図である。図２は、本発明の高周波型荷電粒子加速器に用いられる加速空洞の一例として、蛇行型加速空洞を説明するための概略図であり、図２（ａ）がその側断面図であり、図２（ｂ）がそのｂ−ｂ断面図である。図３は、パルス励振時と連続励振時における出力電力の関係を説明するためのグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の高周波型荷電粒子加速器の概略構成図である。図示の通り、本発明の高周波型荷電粒子加速器は、加速空洞１０と、荷電粒子源２０と、高周波源３０と、パルス制御部４０とから主に構成される。

加速空洞１０は、荷電粒子を加速するために用いられるものである。本発明の高周波型荷電粒子加速器においては、加速空洞１０としては、例えばビーム経路が直線状の線形加速空洞であれば良い。また、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞であっても良い。蛇行型加速空洞の場合には、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速空洞１０の外部に配置され、加速される電子ビーム等の荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるための偏向部を設ければ良い。蛇行型加速空洞としては、例えばロードトロンや折畳み軌道高周波加速器等に用いられる加速空洞を用いることが可能である。なお、本発明の高周波型荷電粒子加速器では、用いられる加速空洞は荷電粒子を加速可能なものであれば良く、従来の又は今後開発されるべきあらゆる加速空洞が利用可能である。

図２に、本発明の高周波型荷電粒子加速器に用いられる蛇行型加速空洞の一例を示す。図２は、本発明の高周波型荷電粒子加速器に用いられる加速空洞の一例として、蛇行型加速空洞を説明するための概略図であり、図２（ａ）がその側断面図であり、図２（ｂ）がそのｂ−ｂ断面図である。図示例の蛇行型加速空洞１０は、ビーム経路を蛇行させて荷電粒子を加速させる折畳み軌道高周波加速器に用いられる加速空洞の一例であり、外導体１１と、その内部に設けられた互いに対向して配置される一対の加速電極１２とを備えるものである。そして、加速電極１２間に、加速ギャップ１３が形成されている。加速電極１２には、複数のビーム通路１４が設けられており、荷電粒子源２０から入射した荷電粒子ビームがビーム通路１４を通って加速ギャップ１３で加速される。そして、加速された荷電粒子ビームは、外導体１１に設けられたビーム孔１５から外導体１１の外に出て、偏向部１６により１８０度偏向させられ、再び別のビーム孔１５から外導体１１内に入り、ビーム通路１４を通って加速ギャップ１３で加速される。なお、偏向部１６としては、例えば偏向電磁石であれば良い。このようにして加速ギャップ１３で加速が繰り返されることにより、荷電粒子ビームは加速ギャップ１３の電圧よりも高いエネルギに加速されて最終的に引き出される。

ここで、荷電粒子源２０は、加速空洞１０に荷電粒子ビームを入射させるものである。そして、本発明の高周波型荷電粒子加速器においては、荷電粒子源２０は、後述のパルス制御部４０により、荷電粒子ビームの出力電流が可変可能なように構成されている。即ち、パルス駆動が可能であり、またその出力電流も可変可能なものである。荷電粒子源２０としては、例えば、陽子やイオンの場合にはイオン源が用いられ、電子の場合には熱や電界や光を利用した電子銃が用いられる。後述の通り、荷電粒子源２０は、その出力電流が高周波源３０のパルス出力のタイミングに合わせてオン・オフ制御が可能なように構成されている。

高周波源３０は、加速空洞１０がパルス励振するように高周波電力をパルス的に加速空洞１０に供給するためのものであり、真空管を用いるものである。そして、高周波源３０に用いられる真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動可能なものである。高周波源３０は、真空管を自励振させる高周波自励発振器であっても良いし、高周波増幅器に信号発生器からの信号が入力されるものであっても良い。例えば図１では、高周波源３０は、真空管を用いた高周波増幅器３１に信号発生器３２からの信号が入力される例を示した。高周波増幅器３１には、陽極直流電源３３が接続される。そして、真空管の第一格子のバイアスをパルス制御部４０からの信号に同期してパルス的に大きく変化させ、信号を遮断することで、高周波源３０をパルス駆動すれば良い。例えば信号発生器３２と高周波増幅器３１の間にゲート回路を接続し、これをオンオフ制御すれば良い。なお、パルス励振時に大きな陽極直流電流を供給できるように、必要な静電容量のバンクコンデンサ等が陽極直流電源３３と高周波増幅器３１の間に設けられれば良い。

パルス制御部４０は、高周波源３０のパルス出力のタイミングに合わせて荷電粒子源２０の荷電粒子ビームの出力電流をオン・オフさせるように、荷電粒子源２０及び高周波源３０を上述のように制御するものである。即ち、荷電粒子源２０及び高周波源３０は、パルス制御部４０からの信号に応じてパルス出力のタイミングやデューティ比、荷電粒子ビームの出力電流が可変可能なように構成されれば良い。

ここで、高周波電力と加速エネルギの関係を、折畳み軌道高周波電子加速器を例に説明する。加速空洞１０のシャントインピーダンスをＲｓ［ＭΩ］、加速電圧（発生電圧）をＶｃ［ｋＶ］とすると、加速空洞を励振するための高周波損失（加速空洞励振電力）Ｐｃ［Ｗ］は次式で表される。
（式１）
Ｐｃ＝Ｖｃ^２／（２・Ｒｓ）
また、加速電圧Ｖｃ［ｋＶ］のときの加速電流をＩ［ｍＡ］とすると、得られるビーム電力（負荷）Ｐｂ［Ｗ］は次式で表される。
（式２）
Ｐｂ＝ｎ・Ｖｃ・Ｉ
但し、ｎは最終エネルギに達するまでの加速回数である。
したがって、加速空洞を励振するために必要な高周波電力Ｐｒｆ［Ｗ］は、高周波損失Ｐｃとビーム電力Ｐｂの和として次式で表される。
（式３）
Ｐｒｆ＝Ｐｃ＋Ｐｂ
＝Ｖｃ^２／（２・Ｒｓ）＋ｎ・Ｖｃ・Ｉ
ここで、例えば加速回数ｎを半分、即ちｎ／２とし、加速電圧Ｖｃを２倍、即ち２・Ｖｃとすると、加速空洞のシャントインピーダンスＲｓは２倍、即ち２・Ｒｓとなる。これは、加速回数が半分になると、折畳み軌道高周波電子加速器においては加速空洞の長さも原理的に半分になる為である。これらの関係を式１に代入すると、加速回数を半分にした場合の高周波損失Ｐｃ'は次式で表される。
（式４）
Ｐｃ'＝２・Ｐｃ
即ち、同じビーム電力を得るためには、加速回数を半分にした場合には高周波電力を２倍にする必要がある。また、加速回数を２倍にすれば、高周波電力は半分で済むことも分かる。

ここで、加速器をパルス駆動する、即ち、加速空洞をパルス励振することを考える。加速電圧Ｖｃを一定とし、パルス駆動のデューティ比をＤｙとすると、平均高周波電力＜Ｐｒｆ＞は、式３から次式で表される。
（式５）
＜Ｐｒｆ＞＝Ｄｙ・Ｐｒｆ
＝Ｄｙ・（Ｐｃ＋Ｐｂ）
＝Ｄｙ・Ｖｃ^２／（２・Ｒｓ）＋ｎ・Ｄｙ・Ｖｃ・Ｉ
式５は、パルス励振を行うと、そのデューティ分だけ加速空洞励振電力及びビーム電力が減少することを示している。

そして、本発明の高周波型荷電粒子加速器では、高周波源３０は、上述のように真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動可能なものである。即ち、高周波源３０の平均出力は、パルス励振でも連続励振（ＣＷ励振）の場合と同程度となるようにすることが可能である。換言すると、パルス励振時のピーク出力を、平均出力、即ちＣＷ励振における出力の１／Ｄｙ倍となるようにパルス駆動が可能となる。これは、式５の左辺の平均高周波電力をＰｒｆと置き換えることができることになる。即ち、以下の関係となる。
（式６）
Ｐｒｆ＝Ｄｙ・（Ｐｃ＋Ｐｂ'）
但し、Ｐｂ'はパルス励振時のピークビーム電力であり、次式で表される。
（式７）
Ｐｂ'＝ｎ・Ｖｃ・Ｉ'
＝Ｐｒｆ／Ｄｙ−Ｐｃ
但し、Ｉ'は高周波源３０のピーク出力がＰｒｆ／Ｄｙに増えた結果、増加した加速電流のピーク値である。
したがって、本発明の高周波型荷電粒子加速器で得ることができるビーム電力Ｐｂは、式７から次式で表される。
（式８）
Ｐｂ＝Ｄｙ・Ｐｂ'
＝Ｐｒｆ−Ｄｙ・Ｐｃ

式８によると、パルス励振によりデューティ比Ｄｙに比例して高周波損失が減ることが分かる。その結果、ビーム電力を増やすことが可能となる。このとき、加速電流、即ち、荷電粒子源２０の荷電粒子ビームの出力電流を増やすことになる。荷電粒子ビームの、ＣＷ励振時の出力電流に対する、本発明の高周波型荷電粒子加速器の出力電流のピーク値の増加割合Ｉ'／Ｉは、式３と式７から次式で表される。
（式９）
Ｉ'／Ｉ＝（Ｐｒｆ−Ｄｙ・Ｐｃ）／［Ｄｙ・（Ｐｒｆ−Ｐｃ）］

図３に、パルス励振時とＣＷ励振時における高周波電力の関係を説明するためのグラフを示す。横軸は時間であり１周期分を表し、縦軸は電力である。１周期分の電力は縦軸と横軸の値の積で表される。即ち、図示された範囲の面積が１周期分の電力となる。このように、真空管を用いた高周波増幅器の平均出力は、パルス励振の場合でもＣＷ励振の場合と同程度となるようにすることが可能である。

本発明の高周波型荷電粒子加速器では、このように、ピーク出力が平均出力とデューティ比の逆数との積以上となるようにパルス駆動すれば、ＣＷ励振の場合以上のビーム出力が得られることが分かる。このとき、真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ、平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動すれば良い。仮に平均出力がＣＷ励振の場合と同程度で良い場合には、ピーク出力を平均出力とデューティ比の逆数の積と同程度とすれば良い。この場合にも、式７及び図３から明らかな通り、加速空洞励振電力がＤｙ倍に減少するので、電力効率は向上することになる。

以下、本発明の高周波型荷電粒子加速器において、図２に示される折畳み軌道高周波電子加速器の加速空洞を用いた場合の実験結果を具体的な数値を挙げて説明する。例えばＮ．Ｈａｙａｓｈｉｚａｋｉｅｔａｌ．，ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ，Ｂ１８８（２００２）Ｐ．２４３−２４６に記載されている実験結果を用いる。即ち、高周波損失Ｐｃ、ビーム電力Ｐｂ、加速回数ｎは以下の通りである。
高周波損失Ｐｃ＝３５ｋＷ
ビーム電力Ｐｂ＝５．３ｋＷ
加速回数ｎ＝５回
このとき、高周波電力Ｐｒｆは、式３より
高周波電力Ｐｒｆ＝４０．３ｋＷ
となる。例えばデューティ比が０．２のパルス駆動をした場合、得られるビーム電力は、式８より
Ｐｂ＝（４０．３−０．２・３５）＝３３．３ｋＷ
となる。即ち、本発明により、ＣＷ励振時に比べて、得られるビーム電力が約６倍となることが分かる。また、このときの加速電流の増加割合Ｉ'／Ｉは、式９より
Ｉ'／Ｉ≒３１．４
となる。即ち、パルス制御部では、荷電粒子ビームの出力電流が約３１倍となるように荷電粒子源を制御すれば良い。

また、ビーム電力を増加させるのではなく、同じビーム電力として電力効率を向上させる場合についても具体例を挙げて説明する。この例でも、高周波損失Ｐｃ、ビーム電力Ｐｂ、加速回数ｎは上記の例と同様とし、デューティ比も０．２とする。同じビーム電力とするので、式８よりただちに次式が得られる。
（式１０）
Ｐｒｆ＝Ｄｙ・Ｐｃ＋Ｐｂ
ここで、上述の具体的な数値を代入すると、
Ｐｒｆ＝０．２・３５＋５．３＝１２．３ｋＷ
となる。したがって、必要な高周波電力はＣＷ励振時と比べて約１／３となったことが分かる。

ここで、電力効率ηを次式で定義する。
（式１１）
η＝ビーム出力／高周波入力
＝Ｐｂ／Ｐｒｆ
したがって、式１１を［００２５］段落の結果に適用すると、電力効率は４３．１％となる。なお、従来のＣＷ励振時の電力効率は、１３．２％となるため、本発明は約３倍の電力効率となる。但し、この場合、荷電粒子ビームの出力電流は、デューティ比０．２の逆数である５倍、即ち、Ｉ'＝５・Ｉとする。

以上説明したように、本発明の高周波型荷電粒子加速器は、必要によりビーム電力を増加させたり、逆に電力効率が高くなるように制御可能である。また、ピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格内に収まる真空管を用いる必要が無く、平均の陽極損失が最大定格内に収まる真空管を用いれば良いため、大きく高価な真空管を用いる必要がないので安価に製造可能なものである。

なお、本発明の高周波型荷電粒子加速器は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０加速空洞
１１外導体
１２加速電極
１３加速ギャップ
１４ビーム通路
１５ビーム孔
１６偏向部
２０荷電粒子源
３０高周波源
３１高周波増幅器
３２信号発生器
３３陽極直流電源
４０パルス制御部

Claims

荷電粒子を加速するための高周波型荷電粒子加速器であって、該高周波型荷電粒子加速器は、
荷電粒子を加速する加速空洞と、
前記加速空洞に荷電粒子ビームを入射する荷電粒子源であって、荷電粒子ビームの出力電流が可変可能な荷電粒子源と、
前記加速空洞がパルス励振するように高周波電力をパルス的に加速空洞に供給するための真空管を用いる高周波源であって、真空管のピーク出力時の陽極損失が真空管の最大定格を超えつつ平均の陽極損失が真空管の最大定格内に収まるようにパルス駆動可能な高周波源と、
前記高周波源のパルス出力のタイミングに合わせて荷電粒子源の荷電粒子ビームの出力電流をオン・オフさせるように、荷電粒子源及び高周波源を制御するパルス制御部と、
を具備することを特徴とする高周波型荷電粒子加速器。
請求項１に記載の高周波型荷電粒子加速器において、前記高周波源は、ピーク出力が平均出力とデューティ比の逆数との積以上となるようにパルス駆動可能であることを特徴とする高周波型荷電粒子加速器。
請求項１又は請求項２に記載の高周波型荷電粒子加速器において、前記加速空洞は、ビーム経路が直線状の線形加速空洞であることを特徴とする高周波型荷電粒子加速器。
請求項１又は請求項２に記載の高周波型荷電粒子加速器において、前記加速空洞は、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞であり、
さらに、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速空洞の外部に配置され加速される荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるための偏向部を具備する、
ことを特徴とする高周波型荷電粒子加速器。