JP2685887B2 - シンクロトロン加速器による粒子加速システムの励振制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は粒子を効率良く加速するためのシンクロトロ
ン加速器による粒子加速システムの励振制御方法に関す
る。

（従来の技術） 従来、第３図乃至第５図に示すようなシンクロトロン
加速器を使用した粒子加速システムが知られている。

以下これについて説明すると、まず第３図において、
１はシンクロトロン加速器であり、このシンクロトロン
加速器１は初期加速用ライナック２と入射器３と複数個
の偏向電磁石４とを備えている。粒子はライナック２か
ら入射器３に入射され、複数個の電磁石４の磁界内を通
されて偏向されることにより再び入射器３に戻るように
構成され、粒子はこの経路を巡回するようになってい
る。この粒子が巡回する経路中にはキャビティ５が設け
られ、粒子は巡回中このキャビティ５を通る度にその内
部に発生させている電界により加速されるようになって
いる。６はその粒子の経路に沿って形成されている真空
ビームダクトである。12は電力増幅器、13はダミーロー
ド、14はサーキュレータであり、これらの詳細は第４図
により詳細に説明する。

第４図はシンクロトロン加速器による粒子加速システ
ム全体の構成例を示すもので、第３図に示されているブ
ロックと同一ブロックには同一符号を付して示す。第４
図において、７はキャビティ５に電力を投入する電力投
入器、８はキャビティ５の共振周波数を調製するチュー
ナ、24はチューナ８を制御するチューナ制御装置であ
る。９はキャビティ５内の高周波電界を検出するプロー
ブである。すなわち、キャビティ５内には電力投入器７
とチューナ８とプローブ９とが設けられ、電力投入器７
により高周波電力がキャビティ５内に供給されることに
より、チューナ８との関係で粒子加速用の高周波電界が
生じ、このチューナ８を進退させることによりキャビテ
ィ５内の共振周波数が調整されるものである。プローブ
９は該キャビティ５内の高周波電界の強さに応じた電圧
値を有する高周波信号を得るためのもので、この高周波
信号はキャビティ５に与える高周波電力の振幅制御に用
いられるものである。また、10は原発振器、11は励振装
置、12は電力増幅器、13はダミーロード、14はサーキュ
レータである。原発振器10からの高周波信号は励振装置
11によりその電力及び位相が制御され、その制御された
高周波信号は電力増幅器12により増幅されてサーキュレ
ータ14を介して電力投入器７に入力され、この電力投入
器７から出力される反射高周波電力はダミーロード13側
へ伝送されてこれに吸収されるようになっている。さら
に、15は位相検出器の基準信号となる高周波信号を検出
するための方向性結合器、16はキャビティ５に与えられ
る高周波電力に比例した高周波信号を検出するための方
向性結合器である。

第５図は第４図の励振装置11の構成を示すブロック回
路である。第４図に示されているブロックと同一ブロッ
クには同一符号を付して示し、ここではその説明を省略
すう。第５図において、17は第４図で説明した方向性結
合器15,16により検出される基準高周波信号（P ref）と
高周波信号Ｐ（rf）との位相差Δψを検出する位相差検
出器、18はこの位相差Δψが入力される移相器制御器、
19はこの移相器制御器18により制御される移相器、20は
キャビティ検出高周波信号Vc（rf）を検出するキャビテ
ィ電圧検出器、21はこのキャビティ電圧検出器20で検出
されたキャビティ電圧検出信号Vcとキャビティ基準電圧
信号Vc（ref）とが入力されるアッテネータ制御器、22
はこのアッテネータ制御器21により制御されるアッテネ
ータ、23は電力増幅器である。

位相差検出器17には方向性結合器15,16からの高周波
信号P ref,P（rf）が入力されると、その位相差信号Δ
ψを生成してこれを移相器制御器18に与えるものであ
る。移相器制御器18は位相差が一定となるような目標値
を表した移相器制御信号を移相器19に与えるものであ
る。移相器19は移相器制御信号が入力されるとキャビテ
ィに与える高周波電力の位相と原発振器10の出力位相と
の差が常に一定となるようにして、このキャビティに与
える高周波電力の位相変化を小さくするものである。

一方、キャビティ電圧検出器20にはプローブ９からの
キャビティ検出高周波信号Vc（rf）が入力され、キャビ
ティ電圧検出器20によりキャビティ検出高周波信号VC
（rf）の振幅に相当する電圧値の直流電圧信号が生成さ
れ、これをキャビティ電圧検出信号Vcとして出力する。
アッテネータ制御器21には基準電圧信号Vc（ref）とキ
ャビティ電圧検出信号Vcとが入力され、このアッテネー
タ制御器21は両者の電圧値を比較し、その差を見込んだ
目標値を表したアッテネータ制御信号を出力する。この
アッテネータ制御信号はアッテネータ22に入力され、こ
のアッテネータ22からそのアッテネータ制御信号を表す
電力値に応じた電力値の高周波電力信号が出力され、こ
の高周波電力信号は電力増幅器23を通して励振装置11の
出力として送出される。

上述の例の如く、シンクロトロン加速器を使った粒子
加速システムにあっては、従来キャビティ内部の高周波
電圧を検出し、その検出電圧値と基準電圧値とを比較し
てキャビティに与える高周波電力の目標値を決定する閉
ループ制御を行なっている。

そして、この閉ループ制御を行なうにあたり、基準電
圧値を偏向電磁石等と相関関係を持たせて所定のパター
ンに変化させることにより、キャビティに与える高周波
電力を調整し、キャビティに発生させる高周波電界の強
さを変化させて粒子を次第に加速するようにしている。

さらに、キャビティに与える高周波電力を広い範囲で
調整することによって発生する位相変化は、原発振器10
の高周波信号を方向性結合器15で検出し、この方向性結
合器15から出力される基準高周波信号Ｐ（ref）の位相
を基準位相として位相の閉ループ制御を行なうことによ
り小さくするようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、キャビティに与える高周波電力の大きさに
対する位相変化は第６図に示すような関係となってい
る。この位相変化は高周波電力の出力変化に伴って電力
増幅器の特性により生じるものである。従って、この関
係からも分るような高周波電力が大きくなるに従って位
相変化も大きくなり、特に図示Ａ領域においては位相変
化が小さいのに対してＢ領域では位相変化が急激に大き
くなる傾向にある。

そこで、従来では前述したように高周波信号の位相を
閉ループ制御により位相変化を補償し、特に位相変化が
急激に大きくなるような第６図に示すＢ領域ではキャビ
ティに与える高周波電力の振幅と位相の制御を行なって
いる。

しかし、このような励振制御方法において、さらにシ
ンクロトロン加速器の粒子加速効率を良くするため、キ
ャビティに与える高周波電力を第６図におけるＡ領域に
までまたがるような低いところまで制御して粒子加速し
ようとすると、位相差を検出する２つの高周波信号レベ
ルのアンバランスにより位相差検出器の誤差が大きくな
る。このため、位相の閉ループ制御を行なっているにも
かかわらず、位相変化が大きくなってしまうという問題
があった。例えば位相を１°〜３°以内に制御していた
のが、位相差検出器の誤差により±５°〜10°と位相変
化が大きくなる。

本発明はキャビティに与える高周波電力の制御範囲を
０近傍から最大値までの広い範囲とした場合でも、位相
変化を小さく押えることができるシンクロトロン加速器
による粒子加速システムの励振制御方法を提供すること
を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、キャビティ内部
の高周波電圧を検出し、その電圧検出値と基準電圧値と
を比較して前記キャビティに与える高周波電力の目標値
を決定する閉ループ制御を行ない、且つ前記キャビティ
に与える高周波電力の位相変化を小さくするような制御
を行ないながら、前記基準電圧値を所定のパターンに変
化させることにより、前記キャビティに発生させる粒子
加速用高周波電界の強さを変化させて該粒子を次第に加
速するようにしたシンクロトロン加速器による粒子加速
システムの励振制御方法において、前記キャビティに与
えられる高周波電力に対して一義的に位相変化補償量を
決定し、この高周波電力と位相変化補償量との関係に従
って前記キャビティに与える高周波電力の位相変化を補
償するようにしたものである。

（作用） このような粒子加速システムの励振制御方法にあって
は、キャビティに与えられている高周波電力が検出され
ると、キャビティに与えられる高周波電力に対して一義
的に決定された位相変化補償量をもとに高周波電力検出
値に対して必要とする高周波電力の位相変化が補償され
るので、高周波電力の制御範囲が広範囲となっても位相
変化を小さく抑えることが可能となる。

（実施例） 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明方法を説明するための第１の実施例を
示すブロック回路図を示すもので、第５図と同一ブロッ
ク又は同一ブロックに相当する部分には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここで異なる点についてのみ述べ
る。

第１の実施例では第５図で示した位相差検出器による
位相の閉ループ制御を行なわず、第４図に示す方向性結
合器16からの高周波電力の検出信号Ｐ（rf）を高周波電
力検出器25に入力してキャビティに与えられている高周
波電力を検出し、その高周波電力検出信号Ｐを移相器制
御器18に与えるようにしている。また、移相器制御器18
には予め高周波電力値に対する位相変化補償量の関係が
定められており、この関係に従って高周波電力値の変化
によって引き起こされる位相変化を補償する制御器制御
信号が出力できるようになっている。

次に第１図に示す励振装置の作用について説明する。

第４図に示す方向性結合器16からの高周波電力の検出
信号Ｐ（rf）が高周波電力検出器25に入力されると、こ
の高周波電力検出器25では高周波電力の検出信号Ｐ（r
f）から高周波電力値信号を生成し、これを高周波電力
値検出信号Ｐとして出力される。移相器制御器18にこの
高周波電力値検出信号Ｐが入力されると、高周波電力値
に併せて決められた位相変化補償量を移相器制御信号と
して入力する。移相器19ではこの移相器制御信号により
高周波信号の位相変化を補償するようにに位相を調整す
る。

本発明では高周波電力値に対する位相変化の関係は一
義的に決定され、例えば第６図に示すようになることが
分っていることから、まずその関係について測定するこ
とにより、容易に知ることができる。従って、高周波電
力値が分れば移相器19の位相変化補償量も一義的に決定
することができ、第７図に示すようになる。そこで、こ
の第７図に示すような関数を発生させる関数発生機能を
移相器制御器18に持たせておくことにより、位相の閉ル
ープ制御をしなくともキャビティに与える高周波電力の
位相変化を小さく抑えることができる。

このように高周波電力値により一義的に決定される位
相変化信号として出力するようにしておくことにより、
従来の位相の閉ループ制御のように位相検出器の誤差が
大きくなることによる問題点，つまり位相変化を小さく
できないということがなく、高周波電力を０近傍から最
大値まで変化させてもキャビティに与える高周波電力の
位相変化を小さく抑えることができる。

第２図は本発明方法を説明するための第２の実施例を
示すブロック回路図を示すもので、第１図と同一ブロッ
ク又は同一ブロックに相当する部分には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述
べる。

前述したように本発明ではキャビティ５に与える高周
波電力値を検出し、この高周波電力値に対して必要とす
る位相変化補償量を一義的に決定し、この関係に従って
位相変化の補償をするようにしている。

前述の第１の実施例ではキャビティに与えられる高周
波電力値を第４図に示すようにキャビティ５の入力部に
設けられた方向性結合器16により検出し、これを高周波
電力検出器25に与えるようにした。しかし、高周波電力
の検出位置としては必ずしもこの位置に限定されるもの
ではなく、例えば電力増幅器12の増幅率が一定であると
すれば励振装置11から出力される高周波電力はキャビテ
ィ５に与えられる高周波電力と比例関係にある。

そこで、第２の実施例では励振装置11の電力増幅器23
から出力される高周波電力を方向性結合器26により検出
し、この方向性結合器26で検出された高周波信号を高周
波電力検出器25に入力するようにしたものである。

従って、励振装置11の出力高周波電力を方向性結合器
26により検出し、これを高周波電力検出器25に与えてそ
の高周波電力検出値Ｐを移相器制御器18に入力すること
により、この移相器制御器18では高周波電力検出値に対
して必要とする位相変化補償量を一義的に決定できるの
で、この関係に従って移相器19を制御すれば、キャビテ
ィに与えられる高周波電力の位相変化の補償を行なうこ
とができ、第１の実施例と同様の効果を得ることができ
る。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、キャビティに与え
る高周波電力の制御範囲を０近傍から最大値までの広い
範囲とした場合でも、位相変化を小さく押えることがで
きるシンクロトロン加速器による粒子加速システムの励
振制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を説明するための第１の実施例にお
ける励振装置を示すブロック回路、第２図は本発明方法
を説明するための第２の実施例における励振装置を示す
ブロック回路図、第３図はシンクロトロン加速器の構造
を示す概念図、第４図はシンクロトロン加速器による粒
子加速システムの全体を示す構成図、第５図は従来の励
振装置を示すブロック回路図、第６図は位相補償をしな
いときのキャビティに与える高周波電力値に対する位相
変化を示した曲線図、第７図は高周波電力値に対する位
相変化補償量の関係を示した曲線図である。 １……シンクロトロン加速器、２……ライナック、３…
…入射器、４……偏向電磁石、５……キャビティ、６…
…真空ビームダクト、７……電力投入器、８……チュー
ナ、９……プローブ、10……原発振器、11……励振装
置、12……電力増幅器、13……ダミーロード、14……サ
ーキュレータ、15,16,26……方向性結合器、17……位相
差検出器、18……移相器制御器、19……移相器、20……
キャビティ電圧検出器、21……アッテネータ制御器、22
……アッテネータ、23……電力増幅器、25……高周波電
力検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】キャビティ内部の高周波電圧を検出し、そ
   の電圧検出値と基準電圧値とを比較して前記キャビティ
   に与える高周波電力の目標値を決定する閉ループ制御を
   行ない、且つ前記キャビティに与える高周波電力の位相
   変化を小さくするような制御を行ないながら、前記基準
   電圧値を所定のパターンに変化させることにより、前記
   キャビティに発生させる粒子加速用高周波電界の強さを
   変化させて該粒子を次第に加速するようにしたシンクロ
   トロン加速器による粒子加速システムの励振制御方法に
   おいて、前記キャビティに与えられる高周波電力に対し
   て一義的に位相変化補償量を決定し、この高周波電力と
   位相変化補償量との関係に従って前記キャビティに与え
   る高周波電力の位相変化を補償することを特徴とするシ
   ンクロトロン加速器による粒子加速システムの励振制御
   方法。