JP3047830B2 - Charged particle beam extraction method, circular accelerator, and circular accelerator system - Google Patents

Charged particle beam extraction method, circular accelerator, and circular accelerator system

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JP3047830B2 JP25822596A JP25822596A JP3047830B2 JP 3047830 B2 JP3047830 B2 JP 3047830B2 JP 25822596 A JP25822596 A JP 25822596A JP 25822596 A JP25822596 A JP 25822596A JP 3047830 B2 JP3047830 B2 JP 3047830B2
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particle beam
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circular accelerator
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
円形加速器又は照射装置から出射する荷電粒子ビーム出
射方法、及び荷電粒子ビームを出射する円形加速器、並
びに荷電粒子ビームを出射する円形加速器と照射装置と
を備えた円形加速器システムに関する。
The present invention relates to a charged particle beam.
The charged particle beam extraction method for exiting from the circular accelerator or irradiation device, and a circular accelerator which emits a charged particle beam, and to circular accelerator system having a circular accelerator and an irradiation device for emitting a charged particle beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の円形加速器では、電子やイオン等
の荷電粒子ビームを加速して周回させ、その周回軌道か
ら出射させた荷電粒子ビームを輸送系で輸送し、物理実
験や医療等に使用してきた。従来の荷電粒子ビームの出
射では、エー・アイ・ピー・コンファランス・プロシー
ディングズNo.127(1983年)(AIP Conference
Proceedings )の第53頁から第61頁において論じら
れているようにビームのベータトロン振動の共鳴が用い
られてきた。
2. Description of the Related Art In a conventional circular accelerator, a charged particle beam such as an electron or an ion is accelerated and orbited, and the charged particle beam emitted from the orbit is transported by a transport system for use in a physical experiment or medical treatment. I've been. In the conventional charged particle beam emission, AIP Conference Proceedings No. 127 (1983) (AIP Conference
The resonance of the betatron oscillation of the beam has been used as discussed in Proceedings, pages 53-61.

【0003】ベータトロン振動の共鳴とは次のような現
象である。荷電粒子は左右又は上下に振動しながら周回
し、この振動をベータトロン振動という。ベータトロン
振動の周回軌道一周あたりの振動数をチューンと呼び、
チューンは周回軌道上に設けられた偏向電磁石や4極電
磁石などにより制御可能である。上記の従来例では、チ
ューンを整数±1/3に近づけると同時に、周回軌道上
に設けた共鳴発生用6極電磁石を励磁すると、周回して
いる荷電粒子のうち、ある境界以上の振幅を持つ荷電粒
子のベータトロン振動振幅が急激に増加する。この現象
をベータトロン振動の共鳴といい、前記境界を安定限界
と呼ぶ。共鳴の安定限界のベータトロン振動振幅の大き
さはチューンの整数±1/3からの偏差に依存し、この
偏差が小さい程小さくなる。そこで従来技術では、チュ
ーンを徐々に整数±1/3に近付け、すなわち安定限界
の大きさを徐々に小さくし、周回中の荷電粒子のうちベ
ータトロン振動振幅が大きな荷電粒子にまず共鳴を発生
させ、その後振動振幅が小さな荷電粒子に順次共鳴を発
生させて徐々に荷電粒子ビームを出射させていた。
[0003] The resonance of betatron oscillation is the following phenomenon. The charged particles orbit while oscillating left and right or up and down, and this oscillation is called betatron oscillation. The frequency per revolution of the orbit of the betatron oscillation is called tune,
The tune can be controlled by a bending electromagnet or a quadrupole electromagnet provided on the orbit. In the above conventional example, when the tune is brought close to an integer ± 整数 and the resonance generating six-pole electromagnet provided on the orbit is excited, the orbiting charged particles have an amplitude greater than a certain boundary. The betatron oscillation amplitude of charged particles increases sharply. This phenomenon is called resonance of betatron oscillation, and the boundary is called a stability limit. The magnitude of the betatron oscillation amplitude at the stability limit of the resonance depends on the deviation from the tune integer ± 1 /, and the smaller the deviation is, the smaller. Therefore, in the prior art, the tune is gradually approached to an integer ± 1 /, that is, the magnitude of the stability limit is gradually reduced, and resonance occurs first in charged particles having a large betatron oscillation amplitude among the orbiting charged particles. Thereafter, resonance is sequentially generated in the charged particles having a small vibration amplitude to gradually emit a charged particle beam.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、
鳴の安定限界の大きさを調節することによって荷電粒子
ビームの出射を制御しているため、短時間で確実に荷電
粒子ビームの出射を停止することができなかった。
In the above-mentioned prior art, the common technique is used.
Charged particles by adjusting the size of the stability limit of the sound
Controls beam emission, ensuring reliable charging in a short time
The emission of the particle beam could not be stopped.

【0005】本発明の目的は、短時間で確実に荷電粒子
ビームの出射を停止することができる荷電粒子ビーム出
射方法及び円形加速器、並びに円形加速器システムを提
供することにある。
An object of the present invention is to provide a charged particle beam extraction method, a circular accelerator, and a circular accelerator system that can reliably stop the emission of a charged particle beam in a short time.

【0006】[0006]

【0007】[0007]

【0008】[0008]

【0009】[0009]

【0010】[0010]

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、周回する荷電粒子ビームに高周波の電場又
は磁場或いは電磁場を印加することにより荷電粒子ビー
ムを円形加速器から出射する場合に、ビーム使用系から
出力される停止信号に基づいて、高周波の電場又は磁場
或いは電磁場の印加を停止することにより円形加速器か
らの荷電粒子ビームの出射を停止することにある。
A feature of the present invention to achieve the above object is that a charged particle beam is emitted from a circular accelerator by applying a high-frequency electric or magnetic field or an electromagnetic field to a circulating charged particle beam. From beam system
Based on the stop signal output is to stop the extraction of the charged particle beam from O Ri circular accelerator to stop the application of the high frequency electric or magnetic fields, or electromagnetic fields.

【0016】高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加
停止は数μsで行うことができるため、ビーム使用系か
ら出力される停止信号に基づいて高周波の電場又は磁場
或いは電磁場の印加を停止することで円形加速器からの
荷電粒子ビームの出射を停止することにより、ビーム使
用系から荷電粒子ビームの出射の停止が要求されたとき
短時間で確実に荷電粒子ビームの出射を停止すること
ができる。
The application of a high-frequency electric or magnetic field or an electromagnetic field can be stopped in a few μs .
By stopping the extraction of the charged particle beam from the circular accelerator by stopping the application of high frequency electric or magnetic fields, or electromagnetic fields based on the stop signal et output beam using
The emission of the charged particle beam is requested from the system
In a short time, the emission of the charged particle beam can be stopped reliably.

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【0021】[0021]

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の原理を図を用いて
説明する。図1は、加速したビームを出射する円形加速
器で、本発明の概要を示す図である。円形加速器は、偏
向電磁石3,4極電磁石5,7,共鳴励起用電磁石9,
出射用デフレクター13等から構成される。共鳴励起用
電磁石9は、共鳴発生用の多重極磁場を発生させる電磁
石である。座標系はビーム周回方向をs、水平方向を
x、垂直方向をyとする。ビームは、周回軌道である設
計軌道1の周囲を振動しながら周回する。このベータト
ロン振動振幅はビームを構成する粒子毎に異なり、振幅
の大きな粒子から小さな粒子まで混在している。従っ
て、設計軌道1を周回中のビーム径は、ベータトロン振
動振幅の最大値により決まる。ベータトロン振動の周回
軌道一周あたりの振動数をチューンと呼び、水平方向チ
ューンをνx、垂直方向チューンをνyとする。水平,
垂直方向チューンνx,νyの値は、収束用4極電磁石
5及び発散用4極電磁石7の励磁量により調整できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The principle of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a general outline of the present invention, which is a circular accelerator that emits an accelerated beam. The circular accelerator is composed of a bending electromagnet 3, a quadrupole electromagnet 5, 7, a resonance excitation electromagnet 9,
It is composed of an emission deflector 13 and the like. The resonance excitation electromagnet 9 is an electromagnet that generates a multipole magnetic field for generating resonance. In the coordinate system, the beam circling direction is s, the horizontal direction is x, and the vertical direction is y. The beam circulates while vibrating around the design trajectory 1 which is a circling trajectory. The betatron oscillation amplitude differs for each particle constituting the beam, and particles having a large amplitude to small particles are mixed. Therefore, the beam diameter during orbit of the design orbit 1 is determined by the maximum value of the betatron oscillation amplitude. The frequency of one orbit of the betatron oscillation per orbit is called tune, and the horizontal tune is νx and the vertical tune is νy. Horizontal,
The values of the vertical tunes νx and νy can be adjusted by the excitation amounts of the converging quadrupole electromagnet 5 and the diverging quadrupole electromagnet 7.

【0023】4極電磁石5及び7を調整して水平方向チ
ューンνxまたは垂直方向チューンνyを整数±p/q
(既約分数)に近づけ、共鳴励起用電磁石9を励磁する
と、安定限界より大きなベータトロン振動振幅を持つ粒
子の振幅は共鳴により増加する。この時の共鳴をq次の
共鳴と呼ぶが、以下では3次の共鳴を例にとりビームを
水平方向から取り出す場合について説明する。
The quadrupole electromagnets 5 and 7 are adjusted to set the horizontal tune νx or the vertical tune νy to an integer ± p / q.
(Reduced fraction), and when the electromagnet 9 for resonance excitation is excited, the amplitude of particles having a betatron oscillation amplitude larger than the stability limit increases due to resonance. The resonance at this time is called a q-order resonance. Hereinafter, a case where a beam is extracted from the horizontal direction will be described by taking a third-order resonance as an example.

【0024】4極電磁石5及び7を調整して水平方向チ
ューンνxを整数±1/3に近づけ、共鳴励起用電磁石
9(3次共鳴の場合は6極電磁石を使用)を励磁すると
振動振幅の大きな粒子に3次共鳴が励起される。図1の
出射用デフレクター13が設置されているs方向位置を
soとし、s=soにおけるビームの周回毎のxとdx
/dsの関係(位相空間)を図2に示す。図2に示す破
線が、位相空間における安定限界を示している。安定限
界より外側、即ちベータトロン振動振幅が安定限界より
大きな粒子は、共鳴により、一周毎に振動振幅が急激に
増加する。図2の安定限界を越えた粒子に付けた番号は
周回数を示している。安定限界は、チューンνxの整数
±1/3からの偏差が小さいほど、共鳴発生用の多重極
磁場強度が大きいほど小さくなる。図2の20(内側を
20i,外側を20oで示す)は、図1の出射用デフレ
クター13の電極を示しており、電極20に衝突する粒
子は失われ、電極20の間の領域に入った粒子は円形加
速器の外へ出射される。出射される粒子の出射用デフレ
クター位置での軌道勾配dx/dsは、図2から分かる
ように概ねAに等しい。Aは例えば周回軌道と出射用デ
フレクターとのなす角度に設定される。円形加速器から
出射されるビーム径は、出射用デフレクターに入るビー
ム径で決まる。また、3次共鳴の場合、安定限界を越え
た粒子の3周毎の変位増加量(q次共鳴の場合、q周毎
の変位増加量)をターンセパレーションTsと呼ぶが、
Tsは安定限界から離れるほど大きくなり、安定限界が
小さいほど小さくなる。従って、従来技術のように、ベ
ータトロン振動振幅の小さい粒子を出射するためにチュ
ーンを変化させて安定限界を小さくすると、ターンセパ
レーションTsも小さくなるので、安定限界がある程度
小さくなると出射用デフレクターの壁を乗りこえること
ができず、壁に衝突してビームは消滅する。ビームの出
射効率は、出射用デフレクターの壁の厚さをTdとすれ
ば、一次評価として、(Ts−Td)/Tsとなる。従
って、安定限界を小さくするほど出射効率は低くなる。
一般的に、ベータトロン振動振幅が小さいほど、周回ビ
ームの分布は多いので出射効率は低くなる。そこで、本
発明では、安定限界内にある荷電粒子をベータトロン振
動振幅を増加させることによって安定限界の外に移動さ
せる。その結果、安定限界を小さくしなければ取り出せ
なかったベータトロン振動振幅の小さな粒子も、ある程
度のターンセパレーションTsを保ったまま出射でき
る。従って、出射効率の高い、又は出射電流の大きい円
形加速器と、ビーム出射方法及び出射装置を提供出来
る。
The quadrupole electromagnets 5 and 7 are adjusted so that the horizontal tune νx approaches an integer ± 1 / and the resonance excitation electromagnet 9 (in the case of the tertiary resonance, a six-pole electromagnet is used), the vibration amplitude is reduced. Third-order resonance is excited by large particles. The position in the s direction at which the output deflector 13 of FIG. 1 is installed is so, and x and dx for each round of the beam at s = so
FIG. 2 shows the relationship (phase space) of / ds. The dashed line in FIG. 2 indicates the stability limit in the phase space. Particles outside the stability limit, that is, particles whose betatron oscillation amplitude is larger than the stability limit, have a sharp increase in oscillation amplitude every round due to resonance. The number given to the particle exceeding the stability limit in FIG. 2 indicates the number of turns. The stability limit becomes smaller as the deviation of the tune vx from the integer ± 1/3 is smaller and the strength of the multipole magnetic field for generating resonance is larger. Reference numeral 20 in FIG. 2 (indicated by 20i on the inside and 20o on the outside) indicates the electrode of the deflector 13 for emission shown in FIG. 1, and particles that collide with the electrode 20 are lost and enter the region between the electrodes 20. The particles are emitted out of the circular accelerator. The orbit gradient dx / ds of the emitted particles at the position of the exit deflector is substantially equal to A as can be seen from FIG. A is set to, for example, an angle formed between the orbit and the deflector for emission. The diameter of the beam emitted from the circular accelerator is determined by the beam diameter entering the deflector for emission. In the case of tertiary resonance, the displacement increase amount of the particle exceeding the stability limit in every three laps (in the case of q-order resonance, the displacement increase amount in q laps) is called a turn separation Ts.
Ts increases as the distance from the stability limit increases, and decreases as the stability limit decreases. Therefore, when the stability limit is reduced by changing the tune to emit particles having a small betatron oscillation amplitude as in the prior art, the turn separation Ts also decreases. Can't get over the beam and hits the wall and the beam disappears. Assuming that the thickness of the exit deflector wall is Td, the beam exit efficiency is (Ts-Td) / Ts as a primary evaluation. Therefore, the smaller the stability limit, the lower the emission efficiency.
In general, as the betatron oscillation amplitude is smaller, the distribution of the circulating beam is larger, so that the emission efficiency is lower. Thus, in the present invention, charged particles within the stability limit are moved out of the stability limit by increasing the betatron oscillation amplitude. As a result, even particles having a small betatron oscillation amplitude that cannot be extracted unless the stability limit is reduced can be emitted while maintaining a certain degree of turn separation Ts. Therefore, it is possible to provide a circular accelerator having a high emission efficiency or a large emission current, and a beam emission method and an emission device.

【0025】次に安定限界を実質的に一定に保つことの
作用について述べる。安定限界は、前述したように、チ
ューンと共鳴発生用の多重極電磁石の励磁量を調整する
ことにより制御できる。図2は代表粒子の位相空間上の
軌跡を示したもので、他の粒子は図の軌跡間をたどって
移動する。即ち、図2の軌跡間にも多数の粒子が存在す
る。振動振幅が増加したビームのうち出射されるもの
は、出射用デフレクターの2つの電極20i,20o間
に入射したビームである。従って、安定限界を一定に保
つと、出射ビームの勾配、即ち出射角度を一定に保てる
ばかりでなく出射ビーム径,出射位置も一定に保つこと
が出来る。このように、出射位置が一定で、且つターン
セパレーションTsが一定になると、出射効率(Ts−
Td)/Tsも一定となる。出射ビームの勾配、ターン
セパレーションTsについては、出射前に安定限界を設
定する際のチューン選定、即ち4極電磁石の励磁量,共
鳴励起用電磁石の励磁量の大きさの調整により変えるこ
とができるので、出射効率は一定で大きな値になる。
Next, the operation of keeping the stability limit substantially constant will be described. As described above, the stability limit can be controlled by adjusting the amount of excitation of the tune and the multipole electromagnet for generating resonance. FIG. 2 shows the trajectory of the representative particle in the phase space, and other particles move along the trajectory in the figure. That is, many particles exist between the trajectories in FIG. The beam emitted from the beam having the increased vibration amplitude is the beam incident between the two electrodes 20i and 20o of the output deflector. Therefore, if the stability limit is kept constant, not only the gradient of the output beam, that is, the output angle, can be kept constant, but also the output beam diameter and the output position can be kept constant. As described above, when the emission position is constant and the turn separation Ts is constant, the emission efficiency (Ts−
Td) / Ts also becomes constant. The gradient of the output beam and the turn separation Ts can be changed by selecting a tune when setting the stability limit before the output, that is, by adjusting the excitation amount of the quadrupole electromagnet and the excitation amount of the resonance excitation electromagnet. The output efficiency is constant and large.

【0026】次に、ビームの特性を表わすエミッタンス
について説明する。ビームのエミッタンスはビームが位
相空間上で占める面積を表わし、ビームのサイズと軌道
勾配の分布幅の積に比例する。例えば、図5の位相空間
に示す安定限界内で周回中のビームのエミッタンスは、
図5の破線で囲まれた面積に等しい。一方、出射ビーム
の出射用デフレクター電極20付近での位相空間を図6
に示す。出射ビームのエミッタンスは、デフレクター電
極20i,20o間に入るビームの幅ΔXと軌道勾配の
変化幅ΔPの積に等しい。前述の安定限界を実質的に一
定にして共鳴を発生させると、図6に示す軌道勾配の変
化幅ΔPは無視できる程度に小さく抑えられ、出射ビー
ムのエミッタンスは一定で、小さな値に抑えることがで
きる。
Next, the emittance representing the beam characteristics will be described. The emittance of the beam indicates the area occupied by the beam in the phase space, and is proportional to the product of the beam size and the distribution width of the orbit gradient. For example, the emittance of a beam circling within the stability limit shown in the phase space of FIG.
It is equal to the area enclosed by the broken line in FIG. On the other hand, the phase space near the exit deflector electrode 20 of the exit beam is shown in FIG.
Shown in The emittance of the output beam is equal to the product of the width ΔX of the beam entering between the deflector electrodes 20i and 20o and the change width ΔP of the orbit gradient. When resonance is generated with the above-mentioned stability limit being substantially constant, the variation width ΔP of the orbital gradient shown in FIG. 6 can be suppressed to a negligible level, and the emittance of the output beam can be kept constant and small. it can.

【0027】次に、前記共鳴の安定限界内にある粒子の
ベータトロン振動振幅を増加させる手段について説明す
る。安定限界内の粒子の振動振幅を増加させるための手
段としては、課題を解決するための手段で示した3つの
方法に大別される。
Next, the means for increasing the betatron oscillation amplitude of particles within the stability limit of the resonance will be described. Means for increasing the vibration amplitude of particles within the stability limit are roughly classified into the three methods described in Means for Solving the Problems.

【0028】(1)の磁場は、出射する面が水平面の時
は垂直方向(y方向)に、出射面が垂直面の時は水平方
向(x方向)に印加する。これは、一周ごとの軌道勾配
の変化は小さいが、磁場によりビームの軌道勾配を変化
させ、この蓄積によりビームの振動振幅を大きくする。
磁場の時間変化は規則的,不規則的どちらでも良い。ビ
ームに磁場を印加する装置としては、電磁石,平行な線
状電極,平板電極、又は円弧状電極等を用いることがで
きる。これらの装置に時間的に変化する電流を流すこと
によりビームに時間変化する磁場が加わり、ベータトロ
ン振動振幅が増加する。
The magnetic field of (1) is applied in the vertical direction (y direction) when the emitting surface is a horizontal surface, and is applied in the horizontal direction (x direction) when the emitting surface is a vertical surface. This means that although the change in the orbital gradient for each revolution is small, the orbital gradient of the beam is changed by the magnetic field, and the accumulation of the beam increases the oscillation amplitude of the beam.
The time change of the magnetic field may be regular or irregular. As a device for applying a magnetic field to the beam, an electromagnet, a parallel linear electrode, a plate electrode, an arc electrode, or the like can be used. By passing a time-varying current through these devices, a time-varying magnetic field is applied to the beam and the betatron oscillation amplitude increases.

【0029】(2)の電場は、ビームの周回方向、即ち
s方向に印加するか、又は出射する面が水平面の時は水
平方向(x方向)に、出射面が垂直面の時は垂直方向
(y方向)に印加する。s方向に電場を印加するとビー
ムのエネルギーが変化する。ビームのエネルギーが変化
すると偏向電磁石部での軌道の曲率半径が変化するの
で、ベータトロン振動の中心軌道位置が変化し、結果的
にベータトロン振動振幅が変化する。x方向又はy方向
に電場を印加する場合は、(1)の磁場と同様に、ビーム
に横方向の力を与えることにより軌道勾配を変化させ、
ベータトロン振動振幅を増加させる。電場の時間変化は
規則的,不規則的どちらでも良い。電場の印加は、平行
な線状電極,平板電極、又は円弧状電極等に時間変化す
る電流を流すか、ボタン状電極や板状電極に時間変化す
る電圧を印加するか、高周波空胴に高周波を印加するこ
とにより行う。従って、電場の場合は、印加方向がどの
方向であっても電場をs方向とx方向又はy方向に分解
できるので、上記の2つの作用が発生し、ベータトロン
振動振幅を増加できる。
The electric field of (2) is applied in the circumferential direction of the beam, that is, in the s direction, or in the horizontal direction (x direction) when the emitting surface is a horizontal surface, and in the vertical direction when the emitting surface is a vertical surface. (Y direction). When an electric field is applied in the s direction, the energy of the beam changes. When the energy of the beam changes, the radius of curvature of the trajectory in the bending electromagnet portion changes, so that the center trajectory position of the betatron oscillation changes, and as a result, the betatron oscillation amplitude changes. When an electric field is applied in the x direction or the y direction, similarly to the magnetic field of (1), a transverse force is applied to the beam to change the orbit gradient,
Increase the betatron oscillation amplitude. The time change of the electric field may be regular or irregular. The electric field can be applied by applying a time-varying current to parallel linear, flat, or arc electrodes, by applying a time-varying voltage to a button or plate electrode, or by applying a high-frequency voltage to a high-frequency cavity. Is applied. Therefore, in the case of an electric field, the electric field can be decomposed into the s direction and the x direction or the y direction regardless of the direction of application, so that the above two effects occur and the amplitude of the betatron oscillation can be increased.

【0030】また、電極や空胴に時間変化する信号を加
えると電場と同時に磁場も発生するので、主に電場の効
果を利用するときも磁場の効果が重畳され、主に磁場の
効果を利用するときも電場の効果が重畳される。どちら
の場合でもベータトロン振動振幅は増加するため、単一
の場合と同様にビームが出射できる。
When a time-varying signal is applied to an electrode or a cavity, a magnetic field is also generated at the same time as an electric field. Therefore, when the effect of the electric field is mainly used, the effect of the magnetic field is superimposed, and the effect of the magnetic field is mainly used. The effect of the electric field is also superimposed. In either case, since the amplitude of the betatron oscillation increases, a beam can be emitted as in the case of a single case.

【0031】ビームのベータトロン振動振幅を増加させ
るために、前述のようにビームの進行方向に垂直に時間
変化する電場又は磁場を印加する場合、その周波数成分
は、ベータトロン振動に同期する周波数成分を含んでい
ることが望ましい。これは、ベータトロン振動に同期す
る周波数成分を含む電磁場をビームに印加すると、電磁
場がベータトロン振動に同期し、効率的にベータトロン
振動振幅を増加できるためである。ベータトロン振動に
同期する電磁場の周波数は、チューンの小数部、又は1
からチューンの小数部を引いた値と周回周波数の積から
求めることができる。ビーム出射の際に共鳴を発生させ
るために多重極電磁石が必要であるが、多重極電磁石を
励磁すると、ビームのチューンはベータトロン振動振幅
に依存して変化する。即ち、ベータトロン振動振幅の大
きいビームと小さいビームのチューンは異なる。また、
ビームのベータトロン振動振幅は、大きな値から無限小
まで連続的に分布するので、ビームのチューンも連続的
に分布する。従って、外部から印加する電磁場に複数の
周波数成分を持たせ、それらをビームのチューンに近い
値にすれば、効率的にベータトロン振動振幅を増加させ
ることができる。特に、上述のようにビームのチューン
が連続的に分布するので、連続的な周波数成分を有する
ノイズで、かつ、ベータトロン振動に同期する周波数成
分を含む電磁場を用いることが望ましい。ただし、単一
の周波数でも、分布するビームのチューンに概ね等しい
周波数を持つ電磁場を用いることにより、ベータトロン
振動振幅を増加させることは可能である。この場合、上
記の複数の周波数成分を持つ高周波に比べ、大きな電磁
場強度が必要になる。
When an electric field or a magnetic field that changes with time perpendicular to the beam traveling direction is applied as described above to increase the betatron oscillation amplitude of the beam, the frequency component is synchronized with the betatron oscillation. It is desirable to include. This is because when an electromagnetic field including a frequency component synchronized with the betatron oscillation is applied to the beam, the electromagnetic field is synchronized with the betatron oscillation, and the amplitude of the betatron oscillation can be efficiently increased. The frequency of the electromagnetic field synchronized with the betatron oscillation is the fractional part of the tune, or 1
It can be obtained from the product of the value obtained by subtracting the decimal part of the tune from and the orbital frequency. A multipole electromagnet is required to generate resonance when the beam is emitted, but when the multipole electromagnet is excited, the tune of the beam changes depending on the betatron oscillation amplitude. That is, the tune of the beam having a large betatron oscillation amplitude is different from the tune of the beam having a small betatron oscillation amplitude. Also,
Since the betatron oscillation amplitude of the beam is continuously distributed from a large value to infinity, the tune of the beam is also continuously distributed. Therefore, if a plurality of frequency components are provided in an externally applied electromagnetic field and the values are set to values close to the tune of the beam, the betatron oscillation amplitude can be efficiently increased. In particular, since the tune of the beam is continuously distributed as described above, it is desirable to use an electromagnetic field containing noise having continuous frequency components and containing frequency components synchronized with betatron oscillation. However, even at a single frequency, it is possible to increase the betatron oscillation amplitude by using an electromagnetic field having a frequency approximately equal to the tune of the distributed beam. In this case, a larger electromagnetic field strength is required as compared with the above high frequency having a plurality of frequency components.

【0032】また、外部から印加する電磁場に上述のノ
イズを用いた場合の別の効果を説明する。加速器の電磁
石の電流にリップルが含まれていると、これに同期して
チューンが時間的に変化し、図5の安定限界の大きさが
変化する。従って、従来のように図5の安定限界を徐々
に小さくする出射方法では、安定限界の大きさは電流リ
ップルに同期して振動しながら小さくなるので、ビーム
が間欠的に出射される可能性が高い。一方、強度がラン
ダムに変化する電磁場をビームに印加すると、ビームは
図5に示す位相空間内で拡散し、ベータトロン振動振幅
が増加する。この時、ノイズによるベータトロン振動振
幅の変化量をΔAn、時間をt、定数をDとすると、
(ΔAn2)=Dtと表せる。ここで、(ΔAn2)はビー
ムの振動振幅変化の全粒子についての平均値を示す。こ
れから、ビームの振動振幅変化の時間微分は0.5(D/
t)05となり、短時間内の増加率は大きいが、長時間で
の増加率は小さくなる。従って、長時間かけてゆっくり
とビームの振動振幅を増加させる場合でも、電磁石電流
のリップル周期程度の時間内ではベータトロン振動振幅
の増加幅を安定限界の変化幅よりも大きくできるので、
電源リップルの影響をほとんど受けずにビームを出射す
ることができる。
Another effect when the above-mentioned noise is used in an electromagnetic field applied from the outside will be described. When ripples are included in the current of the electromagnet of the accelerator, the tune changes with time in synchronization with this, and the magnitude of the stability limit in FIG. 5 changes. Therefore, in the conventional emission method in which the stability limit is gradually reduced as shown in FIG. 5, since the magnitude of the stability limit becomes smaller while oscillating in synchronization with the current ripple, the beam may be emitted intermittently. high. On the other hand, when an electromagnetic field whose intensity changes randomly is applied to the beam, the beam spreads in the phase space shown in FIG. 5 and the betatron oscillation amplitude increases. At this time, if the amount of change in the amplitude of the betatron oscillation due to noise is ΔAn, the time is t, and the constant is D,
(ΔAn 2 ) = Dt. Here, (ΔAn 2 ) indicates the average value of the change in vibration amplitude of the beam for all particles. From this, the time derivative of the vibration amplitude change of the beam is 0.5 (D /
t) 0 · 5 next, although the large rate of increase within a short period of time, the rate of increase in long-term decreases. Therefore, even if the oscillation amplitude of the beam is slowly increased over a long period of time, the increase width of the betatron oscillation amplitude can be larger than the change width of the stability limit within a time period of about the ripple period of the electromagnet current.
The beam can be emitted with little influence from the power supply ripple.

【0033】更に(3)では、円形加速器を周回中のビ
ームとは別の粒子を円形加速器内に入れ周回ビームと衝
突させる。衝突により生じる散乱の結果、軌道勾配が変
化し、周回ビームのベータトロン振動振幅が増加する。
衝突させる粒子は、中性粒子でも荷電粒子でもどちらで
も良い。また、衝突させる粒子はガスとして注入して
も、薄膜として加速器内に設置しビームを衝突させても
良い。
In the method (3), particles other than the beam circling the circular accelerator are introduced into the circular accelerator and collide with the circular beam. As a result of the collision-induced scattering, the orbital gradient changes and the betatron oscillation amplitude of the orbiting beam increases.
The particles to be collided may be neutral particles or charged particles. The particles to be collided may be injected as a gas, or may be provided as a thin film in the accelerator and collide with the beam.

【0034】最後に、ベータトロン振動振幅の増加速度
を制御する手段の作用について述べる。出射電流は、安
定限界内粒子のベータトロン振動振幅の増加速度を制御
することにより調整できる。上記の(1)又は(2)の
電磁場を用いてベータトロン振動振幅を増加させる場合
は、電極等に印加する信号強度を変えることにより、電
場又は磁場の強度を変化させる。出射電流を増加させ速
くビームを出射する場合は印加する信号強度を大きく
し、出射電流を減小させゆっくりビームを出射する場合
は印加する信号強度を小さくする。同様の方法を用いる
ことにより、出射過程で出射電流を時間的に変化させる
こともできる。更に、出射電流を一定に保つ場合には、
軌道周回中のビームの分布に合わせて増加速度を調節す
る。
Finally, the operation of the means for controlling the rate of increase in the betatron oscillation amplitude will be described. The emission current can be adjusted by controlling the rate of increase of the betatron oscillation amplitude of particles within the stability limit. When the betatron oscillation amplitude is increased using the above-mentioned electromagnetic field (1) or (2), the intensity of an electric field or a magnetic field is changed by changing the signal strength applied to an electrode or the like. When the emission current is increased and the beam is emitted quickly, the intensity of the applied signal is increased. When the emission current is reduced and the beam is emitted slowly, the intensity of the applied signal is decreased. By using the same method, the emission current can be temporally changed in the emission process. Furthermore, when keeping the emission current constant,
The rate of increase is adjusted according to the beam distribution during orbit.

【0035】単位時間当りに出射されるビームの量は、
その時に加速器を周回しているビームの粒子数に概ね比
例する。周回ビームの粒子数は出射に伴い減少するの
で、一定割合でビームを出射するためには、出射中に電
磁場強度を強くすることによりベータトロン振動振幅の
増加速度を速くする必要がある。このようにして、出射
電流の量をベータトロン振動振幅の増加速度により制御
できるので、出射の開始及び停止を電磁場印加の開始及
び停止で制御できる。従って、予め決めた運転計画だけ
でなく、ビーム使用者側からの要求によるビームの出射
・停止も可能であり、更に、ビーム出射の緊急停止も行
える。
The amount of the beam emitted per unit time is
At that time, it is roughly proportional to the number of particles of the beam circling the accelerator. Since the number of particles of the orbital beam decreases with the emission, in order to emit the beam at a constant rate, it is necessary to increase the speed of increase of the betatron oscillation amplitude by increasing the electromagnetic field intensity during the emission. In this way, since the amount of the emission current can be controlled by the increasing speed of the betatron oscillation amplitude, the start and stop of the emission can be controlled by the start and stop of the application of the electromagnetic field. Therefore, not only a predetermined operation plan, but also beam emission / stop at the request of the beam user side is possible, and further, emergency stop of beam emission can be performed.

【0036】(3)の方法を用いる場合は、円形加速器
内に入れる他の粒子の数を調整することにより、電磁場
でベータトロン振動振幅を増加させる場合と同様に調整
できる。
In the case of using the method (3), by adjusting the number of other particles to be put in the circular accelerator, the adjustment can be performed in the same manner as in the case where the betatron oscillation amplitude is increased by the electromagnetic field.

【0037】また、上記の出射電流の調整のほかに、チ
ューン調整又は共鳴励起用電磁石の励磁量を変化させる
ことにより安定限界の大きさを変えて出射電流を調整す
る方法を加えることによっても、上記と同様に出射電流
を制御できる。
In addition to the above-described adjustment of the emission current, a method of adjusting the emission current by changing the magnitude of the stability limit by adjusting the tuning or changing the excitation amount of the resonance excitation electromagnet may be added. The emission current can be controlled in the same manner as described above.

【0038】出射ビームの勾配、ターンセパレーション
Tsについては、出射前に安定限界を設定する際のチュ
ーン選定、即ち、4極電磁石の励磁量,共鳴励起用電磁
石の励磁量の大きさの調整により変えることができる。
The gradient of the output beam and the turn separation Ts are changed by selecting a tune when setting the stability limit before the output, that is, by adjusting the excitation amount of the quadrupole electromagnet and the excitation amount of the resonance excitation electromagnet. be able to.

【0039】(実施例)以下、本発明の実施例を図面を
用いて詳細に説明する。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0040】図1は、本発明の第1の実施例で、エネル
ギーがおよそ20MeVのプロトンを入射し、100M
eVまで加速後、出射する円形加速器の機器構成を示す
図である。円形加速器は、前段加速器16からのビーム
17をビーム輸送系18を介して入射させる入射器1
5,入射されたビーム17にエネルギーを与える高周波
加速空胴8,ビーム軌道を曲げる偏向電磁石3,ビーム
のベータトロン振動を制御する4極電磁石5,7,出射
時の共鳴を励起するための6極電磁石9,ビームに時間
変化する磁場および電場を印加することにより共鳴の安
定限界内粒子のベータトロン振動振幅を増加させる高周
波印加装置14、及びベータトロン振動振幅が増加した
粒子を出射用ビーム輸送系に出射する出射用デフレクタ
ー13などから構成される。これらの機器のうち、6極
電磁石9,高周波印加装置14、及び出射用デフレクタ
ー13は、ビームを目標エネルギーまで加速した後の出
射する過程でのみ使用する。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention in which protons having an energy of about 20 MeV
It is a figure which shows the device structure of the circular accelerator which emits after accelerating to eV. The circular accelerator is an injector 1 for inputting a beam 17 from a pre-stage accelerator 16 via a beam transport system 18.
5, a high-frequency accelerating cavity 8 for imparting energy to the incident beam 17, a bending electromagnet for bending the beam trajectory 3, a quadrupole electromagnet 5, 7 for controlling the betatron oscillation of the beam, and 6 for exciting resonance at the time of emission. A pole electromagnet 9, a high frequency applying device 14 for increasing the betatron oscillation amplitude of particles within the stability limit of resonance by applying a time-varying magnetic field and electric field to the beam, and beam transport for emission of particles having an increased betatron oscillation amplitude It is composed of an output deflector 13 for output to the system. Among these devices, the six-pole electromagnet 9, the high-frequency application device 14, and the deflector 13 are used only in the process of emitting the beam after accelerating the beam to the target energy.

【0041】入射器15から入射されたビームは、周回
する過程で偏向電磁石3で軌道が曲げられる。また、4
極電磁石では、設計軌道1からのずれに比例した力で軌
道勾配が変えられる。4極電磁石5は水平方向にビーム
を収束させ垂直方向にビームを発散させるように軌道勾
配を変え、4極電磁石7は水平方向にビームを発散させ
垂直方向にビームを収束させるように軌道勾配を変える
働きをする。これらの4極電磁石の働きにより、ビーム
は設計軌道1のまわりをベータトロン振動しながら周回
し、ベータトロン振動の振動数は、収束用4極電磁石
5,発散用4極電磁石7の励磁量により制御できる。入
射と加速の過程でビームを安定に周回させるには、加速
器一周あたりのベータトロン振動数(チューン)が共鳴
を生じない値にしておく必要があり、特に、次数の低い
共鳴を起こすチューンから離しておく必要がある。本実
施例では水平方向チューンνxを1.73 、垂直方向チ
ューンνyを1.23 になるように4極電磁石5,7を
調整しておく。この状態でビームは加速器内を安定に周
回するが、その過程で高周波加速空胴8からエネルギー
を与えられる。高周波加速空胴に印加する高周波の周波
数fは、ビームが周回する周波数の整数倍(n倍)にす
る。この高周波の周波数に同期するようにビームは、周
回方向即ちs方向にn個の塊状(バンチ状)になって周
回する。高周波加速空胴8からビームにエネルギーを与
えながら偏向電磁石3及び4極電磁石5,7、各々の磁
場強度比を一定に保ちながら、磁場強度を増加させる。
そうすると、偏向電磁石の曲線部では、ビームエネルギ
ーの増加による遠心力増加と偏向電磁石の励磁量の増加
による向心力増加とが釣合い、同一軌道を中心に周回す
る。この過程でのs方向の出射位置s=soでの位相空
間(x,dx/ds)上の軌跡を図3に示す。図3の位
相空間上の軌跡は、径が異なる相似形の楕円が多数なら
んでいるように見えるが、楕円の径の大きさがベータト
ロン振動振幅の大きさに対応し、楕円の径が小さいほど
ベータトロン振動振幅も小さくなる。
The trajectory of the beam incident from the injector 15 is bent by the bending electromagnet 3 in the course of orbit. Also, 4
In the polar electromagnet, the trajectory gradient can be changed by a force proportional to the deviation from the design trajectory 1. The quadrupole electromagnet 5 changes the orbit gradient so as to converge the beam in the horizontal direction and diverge the beam in the vertical direction, and the quadrupole electromagnet 7 modulates the orbit gradient so as to diverge the beam in the horizontal direction and converge the beam in the vertical direction. It works to change. By the action of these quadrupole electromagnets, the beam circulates around the design trajectory 1 with betatron oscillation, and the frequency of the betatron oscillation depends on the excitation amount of the converging quadrupole electromagnet 5 and the diverging quadrupole electromagnet 7. Can control. In order to stably circulate the beam during the injection and acceleration processes, the betatron frequency (tune) for one revolution of the accelerator must be set to a value that does not cause resonance, especially, away from the tune that causes low-order resonance. Need to be kept. In this embodiment, the quadrupole electromagnets 5 and 7 are adjusted so that the horizontal tune νx is 1.73 and the vertical tune νy is 1.23. In this state, the beam circulates stably in the accelerator, and energy is given from the high-frequency acceleration cavity 8 in the process. The frequency f of the high frequency applied to the high frequency accelerating cavity is set to an integral multiple (n times) of the frequency at which the beam circulates. The beam circulates in the circling direction, that is, in the s direction, in n lumps (bunch shape) so as to synchronize with the high frequency. While applying energy to the beam from the high-frequency accelerating cavity 8, the magnetic field intensity is increased while maintaining the magnetic field intensity ratio between the bending electromagnet 3 and the quadrupole electromagnets 5, 7 constant.
Then, in the curved portion of the bending electromagnet, an increase in centrifugal force due to an increase in the beam energy and an increase in the centripetal force due to an increase in the amount of excitation of the bending electromagnet balance and orbit around the same orbit. FIG. 3 shows a trajectory in the phase space (x, dx / ds) at the emission position s = so in the s direction in this process. The trajectory in the phase space in FIG. 3 appears to have many similar ellipses with different diameters, but the diameter of the ellipse corresponds to the magnitude of the betatron oscillation amplitude, and the diameter of the ellipse is small. The smaller the betatron oscillation amplitude is, the smaller the betatron oscillation amplitude is.

【0042】目標エネルギーまで加速した後、出射する
過程での運転方法を図4に示す。まず図4(1)に示す
ように高周波加速空胴8からのビームへのエネルギー付
与を停止する。これにより、ビームはバンチ状から連続
状ビームになる。次に、図4(2)で収束用4極電磁石
5の電源と発散用4極電磁石7の電源を調整し、水平方
向チューンνxを1.67 にする。次に図4(3)のよ
うに6極電磁石9に共鳴励起のための電流を流す。6極
電磁石9に流す電流は、周回中のビームのベータトロン
振動振幅が大きい粒子が安定限界内に納まる程度の値に
し、その値は予め計算で求めるか、出射の運転の繰り返
しを通じて求める。この時、出射用デフレクター13の
位置での位相空間は図5に示すようになり、位相空間に
おける軌跡は三角形状になる。次に、図4(4)に示す
ように、図1の円形加速器の高周波印加装置14によ
り、不規則な時間変化信号をビームに印加する。図7
に、高周波印加装置14の構成を示す。図7の電極2
5,26は棒状電極で水平方向に対向させて配置し、両
電極に逆向きの電流を電源24から流すことにより、図
7に示す方向の磁場と電場がビームに加わる。図7の負
荷抵抗23は、印加した電流が電極端部から電源側に反
射しないように設置している。ビームの軌道勾配が電
場,磁場の効果で変化し、図5に示す位相空間内のビー
ムのベータトロン振動振幅が増加し始め、図5に示す安
定限界をこえた粒子は、共鳴によりベータトロン振動振
幅が急激に増加し、出射用デフレクター13から出射さ
れる。その後も電極25,26に不規則信号を加えると
各粒子のベータトロン振動振幅は増加し、初期のベータ
トロン振動振幅が小さな粒子もやがて図5の安定限界を
こえ、出射用デフレクター13から出射される。図5の
位相空間で安定限界は一定であり、出射ビームの軌道勾
配dx/ds及びターンセパレーションTsも出射過程
で一定に保たれる。ここでは、図7に示すような電極を
用いたが、加速器を構成する各電磁石のうちのいずれか
の電源電流に時間変化する成分を重畳させるか、新た
に、出射時の共鳴の安定限界内の粒子のベータトロン振
動を増加させるための専用電磁石を設け、この電源電流
を不規則に変化させることにより上記と同様の出射がで
きる。
FIG. 4 shows an operation method in the process of emitting light after accelerating to the target energy. First, as shown in FIG. 4A, the application of energy to the beam from the high-frequency acceleration cavity 8 is stopped. Thereby, the beam changes from a bunch shape to a continuous beam. Next, in FIG. 4 (2), the power of the converging quadrupole electromagnet 5 and the power of the diverging quadrupole electromagnet 7 are adjusted to set the horizontal tune νx to 1.67. Next, as shown in FIG. 4C, a current for resonance excitation is supplied to the hexapole electromagnet 9. The current flowing through the hexapole electromagnet 9 is set to a value such that particles having a large betatron oscillation amplitude of the circulating beam fall within the stability limit, and the value is obtained in advance by calculation or by repeating the emission operation. At this time, the phase space at the position of the output deflector 13 is as shown in FIG. 5, and the trajectory in the phase space is triangular. Next, as shown in FIG. 4D, an irregular time-varying signal is applied to the beam by the high-frequency application device 14 of the circular accelerator in FIG. FIG.
2 shows the configuration of the high frequency applying device 14. Electrode 2 of FIG.
Numerals 5 and 26 are rod-shaped electrodes which are arranged so as to face each other in the horizontal direction, and a magnetic field and an electric field in the direction shown in FIG. The load resistor 23 in FIG. 7 is installed so that the applied current does not reflect from the electrode end to the power supply side. The orbital gradient of the beam changes due to the effects of electric and magnetic fields, and the betatron oscillation amplitude of the beam in the phase space shown in FIG. 5 begins to increase. Particles exceeding the stability limit shown in FIG. The amplitude sharply increases and the light is emitted from the emission deflector 13. Thereafter, when an irregular signal is applied to the electrodes 25 and 26, the betatron oscillation amplitude of each particle increases, and the particles having an initial small betatron oscillation amplitude soon exceed the stability limit of FIG. 5 and are emitted from the emission deflector 13. You. The stability limit is constant in the phase space of FIG. 5, and the orbit gradient dx / ds and the turn separation Ts of the output beam are also kept constant during the output process. Here, an electrode as shown in FIG. 7 was used. However, a time-varying component is superimposed on a power supply current of one of the electromagnets constituting the accelerator, or a new component is set within the stability limit of resonance at the time of emission. By providing a dedicated electromagnet for increasing the betatron oscillation of the particles and changing the power supply current irregularly, the same emission as described above can be performed.

【0043】上記実施例では、ベータトロン振動振幅が
極めて小さいビームのチューンは4極電磁石で設定した
1.67 になっているが、共鳴発生用の多重極電磁石の
効果により、安定限界近くのベータトロン振動振幅の大
きな粒子のチューンはこの値から1.67−1.6666
=0.003 程度ずれ、振動振幅がこれらの間にあるビ
ームのチューンは1.6666と1.67の間に連続的に
分布する。一方、作用の項で述べたように、ビームのベ
ータトロン振動振幅を増加させるためには、ビームのチ
ューン分布に概ね等しい周波数成分を有する電磁場をビ
ームに印加することが望ましい。従って、図7の不規則
信号電源24は、きわめて広い周波数スペクトルのノイ
ズでもよいし、周波数帯域が周回周波数のおよそ0.6
5 倍から0.70 倍の範囲になっているか、もしく
は、周回周波数の整数倍に上記範囲内の周波数を加えた
周波数スペクトルを持たせるようにしてもよい。不規則
信号電源の一構成例を図8に示す。図8に示すようにほ
ぼ無限の周波数スペクトルを持つ雑音源51からフィル
ター52を通して周波数が0から周回周波数の0.025 倍
までの周波数成分を通した後、ビームの周回周波数の
0.675 倍の周波数の信号を局部発振器53で発生さ
せてフィルター52の出力信号との積を、乗算器54で
求めると周回周波数の0.65倍から0.7倍までのスペ
クトルを持つ不規則信号を作ることができる。また、こ
れ以外に局部発振器53を使用せず、フィルター52の
通過周波数を変化させることによっても、必要な周波数
スペクトルを持つ高周波源を作ることができる。また、
本実施例ではビームへの外乱として不規則信号を用い、
位相空間内でビームを拡散させることにより、電磁石電
源の電流リップルの影響を受けずに一定電流でビームを
出射できる。
In the above embodiment, the tune of the beam having an extremely small betatron oscillation amplitude is 1.67 set by the quadrupole electromagnet. However, due to the effect of the multipole electromagnet for generating resonance, the beta tune near the stability limit is obtained. The tune of particles with large thoron oscillation amplitude is 1.67-1.6666 from this value.
The tune of the beam, with a deviation of about 0.003 and an oscillation amplitude between them, is continuously distributed between 1.6666 and 1.67. On the other hand, as described in the operation section, in order to increase the betatron oscillation amplitude of the beam, it is desirable to apply an electromagnetic field having a frequency component approximately equal to the tune distribution of the beam to the beam. Therefore, the irregular signal power supply 24 of FIG. 7 may be a noise having an extremely wide frequency spectrum or a frequency band whose frequency is about 0.6 of the revolving frequency.
The frequency spectrum may be in the range of 5 times to 0.70 times, or a frequency spectrum obtained by adding a frequency in the above range to an integral multiple of the circulating frequency. FIG. 8 shows a configuration example of the irregular signal power supply. As shown in FIG. 8, after passing a frequency component from 0 to 0.025 times the circulating frequency from a noise source 51 having an almost infinite frequency spectrum through a filter 52, the noise source 51 has a frequency of 0.675 times the circulating frequency of the beam. When the signal is generated by the local oscillator 53 and the product of the signal and the output signal of the filter 52 is obtained by the multiplier 54, an irregular signal having a spectrum from 0.65 to 0.7 times the circulating frequency can be produced. . Alternatively, a high-frequency source having a required frequency spectrum can be produced by changing the pass frequency of the filter 52 without using the local oscillator 53. Also,
In this embodiment, an irregular signal is used as a disturbance to the beam,
By diffusing the beam in the phase space, the beam can be emitted with a constant current without being affected by the current ripple of the electromagnet power supply.

【0044】次に、本発明の第2の実施例を説明する。
第2の実施例では、電極に印加する信号を規則的にする
以外は第1の実施例と同じ機器構成であり、出射時の運
転方法も図4と同じである。電極25,26には、図7
の不規則信号電源24の代わりに図9に示す単一周波数
信号源55を用いて、周波数がfの交流信号を印加す
る。周波数fは、ビームが周回する周波数Frev と、出
射時のチューンの整数からの端数0.33(=1−0.6
7)との積に等しい値とする。このような周波数の信号
を加えると、電極から加えられる外部信号の周期とベー
タトロン振動の周期が概ね一致するので、図5の安定限
界内の粒子についてもベータトロン振動振幅が増加し安
定限界をこえて、第1の実施例と同様に出射される。こ
のように、単一周波数の交流信号を加えた場合には、こ
の周波数に同期するチューンを持つ粒子に外部信号によ
る共鳴が生じ、その結果、急速に振動振幅を増加し短時
間の出射ができる。但し、外部信号に共鳴しない多数の
粒子は、前記共鳴粒子に比べ遅れて出射される。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The second embodiment has the same equipment configuration as the first embodiment except that the signals applied to the electrodes are made regular, and the operating method at the time of emission is also the same as that of FIG. As shown in FIG.
A single frequency signal source 55 shown in FIG. 9 is used in place of the irregular signal power supply 24 of FIG. The frequency f is a frequency Frev at which the beam circulates, and a fraction 0.33 (= 1-0.6) of the tune at the time of emission.
7) is equal to the product of When a signal of such a frequency is applied, the period of the external signal applied from the electrode and the period of the betatron oscillation substantially coincide with each other. Therefore, even for particles within the stability limit of FIG. Then, the light is emitted in the same manner as in the first embodiment. As described above, when an AC signal having a single frequency is applied, particles having a tune synchronized with this frequency are resonated by an external signal, and as a result, the vibration amplitude is rapidly increased and emission can be performed in a short time. . However, many particles that do not resonate with an external signal are emitted later than the resonance particles.

【0045】また、上記実施例では、図9の単一周波数
の外乱を用いているが、図10に示す単一周波数信号源
55を複数個用いて、複数の周波数f1,f2,…,f
nの信号を和算器56を通して電極25,26に加えれ
ば、単一周波数の外乱を使用した場合に比べ、チューン
に幅を持つビームを出射し易くなる。この場合、印加す
る信号の周波数は、分布のあるチューンに近い値にする
ことが望ましい。
In the above embodiment, the single-frequency disturbance shown in FIG. 9 is used. However, a plurality of single-frequency signal sources 55 shown in FIG.
When the signal of n is added to the electrodes 25 and 26 through the adder 56, it becomes easier to emit a beam having a tune width as compared with a case where a single-frequency disturbance is used. In this case, the frequency of the signal to be applied is desirably set to a value close to a tune having a distribution.

【0046】第1,第2の実施例では図7の25,26
に示す2つの電極を用い、両電極に逆極性の信号を加え
ることにより、ビームに電磁場が加わり、軌道勾配が変
化した。一方、同一の電極を用い、2つの電極に同じ極
性の信号を印加すると、電極25,26のs方向端部で
s方向の電界が生じ、ビームは加速又は減速されビーム
の軌道勾配が変化するので、ビームのベータトロン振動
振幅は増加する。この時、電極の構造は棒状だけでな
く、板状でもかまわない。また、両電極に逆極性の信号
を加える場合は、小円板状電極を用いることによりx方
向、又はy方向の電場を発生させることができる。一般
的には、金属電極に外部から時間変化する信号を加えれ
ば、電磁場が発生しビームの軌道勾配を変えることがで
きるので、ビームのベータトロン振動振幅を増加させる
ことができる。
In the first and second embodiments, 25 and 26 in FIG.
By applying signals of opposite polarities to both electrodes using the two electrodes shown in (1), an electromagnetic field was added to the beam, and the orbital gradient was changed. On the other hand, when the same electrode is used and a signal of the same polarity is applied to the two electrodes, an electric field in the s direction is generated at the ends of the electrodes 25 and 26 in the s direction, the beam is accelerated or decelerated, and the orbit gradient of the beam changes. Therefore, the betatron oscillation amplitude of the beam increases. At this time, the structure of the electrode may be not only a rod shape but also a plate shape. When signals of opposite polarities are applied to both electrodes, an electric field in the x direction or y direction can be generated by using a small disc-shaped electrode. Generally, when a time-varying signal is externally applied to the metal electrode, an electromagnetic field is generated and the orbit gradient of the beam can be changed, so that the betatron oscillation amplitude of the beam can be increased.

【0047】次に、本発明の第3の実施例を説明する。
第3の実施例の機器構成を図11に示す。図1の実施例
1と異なる点は、出射のための2次共鳴(半整数共鳴)励
起のための多重極電磁石として8極電磁石30を用いる
ことと、共鳴の安定限界内のベータトロン振動振幅の増
加のためのに高周波印加空胴31を用いることである。
ただし、高周波印加空胴31は、ビームを低エネルギー
から高エネルギーまで加速するための高周波加速空胴8
とは別な空胴を使用する。第3の実施例についてビーム
を所定エネルギーまで加速した後の運転方法を図12に
示す。加速終了後、図12(1)で高周波加速空胴8を
停止し、図12(2)で収束用4極電磁石5及び発散用
4極電磁石7を調整し、水平方向チューンνxを1.5
5 に近づける。この後、8極電磁石30を励磁する。
8極電磁石の磁場強度は、粒子が、異なる振幅でベータ
トロン振動しながら安定に周回する強度にしておく。こ
こで、高周波印加空胴31に、時間的に不規則に変化す
る信号を印加する。この高周波印加空胴31は、図13
に示すように、ビームの周回(s)方向に電場が生じ、
垂直(y)方向に磁場が生じる空胴で、この空胴部でビ
ームの軌道勾配が周回ごとに不規則に変化し、初期のベ
ータトロン振動振幅が大きな粒子から順次安定限界を越
え出射用デフレクター13から出射される。高周波印加
空胴31に不規則に変化する信号を加え続けることによ
り、第1の実施例と同様な作用により初期のベータトロ
ン振動振幅が小さな粒子の振幅も大きくなり、安定限界
をこえて出射される。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 shows the device configuration of the third embodiment. 1 in that the octupole electromagnet 30 is used as a multipole electromagnet for exciting a secondary resonance (half-integer resonance) for emission, and that the betatron oscillation amplitude is within the stability limit of resonance. Is to use the high-frequency application cavity 31 to increase the number of the cavities.
However, the high frequency applying cavity 31 is a high frequency accelerating cavity 8 for accelerating the beam from low energy to high energy.
Use a different cavity. FIG. 12 shows an operation method after accelerating the beam to a predetermined energy for the third embodiment. After the acceleration, the high-frequency accelerating cavity 8 is stopped in FIG. 12 (1), and the convergence quadrupole electromagnet 5 and the divergence quadrupole electromagnet 7 are adjusted in FIG. 12 (2) to set the horizontal tune νx to 1.5.
Close to 5. Thereafter, the octupole electromagnet 30 is excited.
The magnetic field strength of the octupole electromagnet is set such that the particles circulate stably while undergoing betatron oscillation with different amplitudes. Here, a signal that changes irregularly with time is applied to the high-frequency application cavity 31. This high frequency application cavity 31 is shown in FIG.
As shown in the figure, an electric field is generated in the circling (s) direction of the beam,
A cavity in which a magnetic field is generated in the vertical (y) direction. In this cavity, the orbit gradient of the beam changes irregularly with each orbit, and the initial betatron oscillation amplitude sequentially exceeds the stability limit from large particles, and the deflector for emission. 13 is emitted. By continuously applying a signal that changes irregularly to the high-frequency application cavity 31, particles having small initial betatron oscillation amplitude are also increased by the same operation as in the first embodiment, and are emitted beyond the stability limit. You.

【0048】次に、本発明の第4の実施例について述べ
る。第4の実施例は、出射中のビーム位置,ビーム電流
を調整する方法に関する実施例である。第4の実施例の
機器構成を図14に示す。図1の第1の実施例の機器構
成に加えて、出射ビームの軌道補正用電磁石35,ビー
ム位置計測装置32,電流計測装置33、及び制御用計
算機34が具備されている。本機器構成を用いた運転方
法を図15に示す。本実施例では、図14に示す制御用
計算機34に予め記憶させておいたパターンに従って、
高周波印加装置14に印加する不規則に時間変化する信
号の強度を制御する。制御用計算機34に記憶させる信
号強度パターンは、円形加速器にビームを入射・加速し
た後、出射するまでを1回の運転として、1回の運転毎
に決められる。入射,加速、及び出射の運転方法は図4
の運転方法と同じである。高周波印加装置14に印加す
る信号の強度パターンは、計算機に予め記憶させておい
た目標のビーム位置及びビーム電流の時間変化と、ビー
ム位置計測装置32及びビーム電流計測装置33で測定
されたビーム位置及びビーム電流との差が最小になるよ
うに決定する。目標のビーム電流は、時間的に一定のパ
ターンだけでなく、電流の出射,停止を繰返すようなパ
ターンでも、ベータトロン振動振幅を増加させる手段の
使用,停止により容易に実現できる。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The fourth embodiment relates to a method for adjusting the beam position and the beam current during the emission. FIG. 14 shows the device configuration of the fourth embodiment. In addition to the device configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, an electromagnet 35 for correcting the trajectory of the emitted beam, a beam position measuring device 32, a current measuring device 33, and a control computer 34 are provided. FIG. 15 shows an operation method using this device configuration. In the present embodiment, according to the pattern stored in advance in the control computer 34 shown in FIG.
The intensity of an irregular time-varying signal applied to the high-frequency applying device 14 is controlled. The signal intensity pattern to be stored in the control computer 34 is determined for each operation, assuming that the operation after the beam is incident and accelerated on the circular accelerator and then emitted is one operation. Fig. 4 shows the operation method of incidence, acceleration, and emission.
It is the same as the driving method. The intensity pattern of the signal to be applied to the high-frequency application device 14 includes the time change of the target beam position and the beam current stored in advance in the computer and the beam position measured by the beam position measurement device 32 and the beam current measurement device 33. And the difference from the beam current is minimized. The target beam current can be easily realized not only in a temporally constant pattern but also in a pattern in which current emission and stop are repeated by using and stopping the means for increasing the betatron oscillation amplitude.

【0049】本実施例では、ビーム計測装置を使って高
周波信号強度パターンを変化させて所望の特性を得るよ
うにしているが、ビーム計測装置を使わなくても、高周
波印加装置14に印加する信号の強度を出射中に増加す
ることにより時間的に一定のビーム電流を出射できる。
これは、出射初期には、強度の小さな信号で出射可能な
ベータトロン振動振幅の大きな粒子が多数存在するのに
対し、出射後期には周回する粒子数が減り、一定の出射
電流を得るためにはビームのベータトロン振動振幅の増
加速度を増加させることが必要となるからである。従っ
て、このような時間変化の高周波信号強度パターンを予
め与えておけば、図15の運転においてより短時間で目
標パターンを実現できる。
In this embodiment, a desired characteristic is obtained by changing the high-frequency signal intensity pattern using the beam measuring device. However, the signal applied to the high-frequency applying device 14 can be obtained without using the beam measuring device. By increasing the intensity of the beam during the emission, it is possible to emit a temporally constant beam current.
This is because, in the early stage of emission, there are many particles with large betatron oscillation amplitude that can be emitted with a small intensity signal, but in the late stage of emission, the number of orbiting particles decreases, and in order to obtain a constant emission current This is because it is necessary to increase the increasing speed of the betatron oscillation amplitude of the beam. Therefore, if such a time-varying high-frequency signal intensity pattern is given in advance, the target pattern can be realized in a shorter time in the operation of FIG.

【0050】また、本実施例では目標のビーム特性を得
るために、高周波印加装置14に印加する信号強度のみ
を調整しているが、高周波信号の周波数及び周波数スペ
クトルの調整、更に、これに加えて共鳴の安定限界の大
きさの調整、即ち4極電磁石によるチューンの調整,共
鳴励起用の多重極電磁石9の強度調整、又は他の電磁
石、例えば、偏向電磁石3や軌道補正用電磁石35等を
使用しても同様の調整が行える。
In this embodiment, in order to obtain a target beam characteristic, only the intensity of the signal applied to the high-frequency application device 14 is adjusted. However, the frequency and frequency spectrum of the high-frequency signal are adjusted. Adjustment of the magnitude of the stability limit of resonance, that is, adjustment of tune by a quadrupole electromagnet, adjustment of the strength of the multipole electromagnet 9 for resonance excitation, or other electromagnets, such as the bending electromagnet 3 and the trajectory correcting electromagnet 35. Similar adjustments can be made when used.

【0051】上記実施例は正常運転時の出射ビームの制
御であるが、次に、図16を用いて第5の実施例であ
る、出射中の緊急停止時の運転方法を説明する。図16
で(5)までは通常運転で、図4の運転方法と同じであ
る。図16(6)で、ビーム使用系からの停止信号又は
各種安全系からの緊急停止信号の有無を判定し、停止信
号がある場合はビーム系増加のための高周波信号を停止
し、ビームの出射を停止する。ビーム出射のための高周
波信号は数μsで停止できるため、ビーム出射の停止が
短時間に確実に行える、また、この高周波信号の停止と
出射ビーム輸送系の電磁石による軌道変更を同時に使え
ばさらに確実にビームを停止できる。また、ビーム出射
を途中で停止しても、出射のための不規則信号を再び印
加することにより加速器に残っているビームを出射でき
る。図16は、出射のために不規則信号を印加する場合
であるが、単一又は複数の周波数の交流信号を印加する
場合についても全く同様である。
In the above embodiment, the control of the output beam during normal operation is explained. Next, referring to FIG. 16, a description will be given of an operation method during an emergency stop during output according to a fifth embodiment. FIG.
Up to (5) is a normal operation, which is the same as the operation method of FIG. In FIG. 16 (6), it is determined whether there is a stop signal from the beam use system or an emergency stop signal from various safety systems. If there is a stop signal, the high frequency signal for increasing the beam system is stopped, and the beam is emitted. To stop. Since the high-frequency signal for beam emission can be stopped in a few microseconds, the beam emission can be stopped reliably in a short time. Further, if the stop of this high-frequency signal and the orbit change by the electromagnet of the output beam transport system are used simultaneously, it will be more reliable Beam can be stopped. Further, even if the beam emission is stopped halfway, the beam remaining in the accelerator can be emitted by applying the irregular signal for emission again. FIG. 16 shows a case where an irregular signal is applied for emission, but the same applies to a case where an AC signal having a single or a plurality of frequencies is applied.

【0052】次に第6の実施例を図17を用いて説明す
る。第6の実施例では、中性粒子と周回ビームを衝突さ
せて共鳴の安定限界内の粒子のベータトロン振動振幅を
増加させる。図1の実施例では、時間変化する電磁場を
ビームに印加するために高周波印加装置14を使用した
が、本実施例では高周波印加装置14の代わりに中性粒
子注入装置36を使用する。本実施例での運転方法を図
18に示す。図18の(4)の中性粒子注入の部分を除
いては、図4の運転方法と同じである。中性粒子との衝
突により、周回ビームのベータトロン振動振幅を徐々に
増加させることができるので、共鳴の安定限界を一定に
保ちながら、ビーム位置,ビーム径,ターンセパレーシ
ョンが各々一定の出射が実現できる。出射電流の調整
は、中性粒子の注入量により調整できる。
Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIG. In the sixth embodiment, neutral particles collide with the orbital beam to increase the betatron oscillation amplitude of particles within the stability limit of resonance. In the embodiment shown in FIG. 1, the high-frequency application device 14 is used to apply a time-varying electromagnetic field to the beam, but in this embodiment, a neutral particle injection device 36 is used instead of the high-frequency application device 14. FIG. 18 shows an operation method in this embodiment. The operation method is the same as that of FIG. 4 except for the part of (4) of FIG. 18 where neutral particles are injected. Neutral particle collisions can gradually increase the betatron oscillation amplitude of the orbiting beam, so that the beam position, beam diameter, and turn separation are all constant while maintaining the stability limit of resonance constant. it can. The emission current can be adjusted by adjusting the injection amount of the neutral particles.

【0053】次に第7の実施例を説明する。第7の実施
例では、周回ビームと異なる荷電粒子と周回ビームを衝
突させて共鳴の安定限界内の粒子のベータトロン振動振
幅を増加させる。図17の第6の実施例では、中性粒子
注入装置36を使用したが、本実施例では、その代わり
に図19に断面を示すイオン入射装置を使用する。イオ
ン源から出たイオンを水平方向に周回ビーム領域に打込
む。このイオン源からのイオン打込みは図18に示す運
転方法の中性粒子注入に代わって行うが、ビームの出射
については上記した他の実施例と同一の特性が実現でき
る。また、ガスやイオンを打込む領域に薄膜を設置し
て、荷電粒子ビームを衝突させても同じ出射が実現でき
る。
Next, a seventh embodiment will be described. In the seventh embodiment, a charged particle different from the orbiting beam is made to collide with the orbiting beam to increase the betatron oscillation amplitude of the particle within the stability limit of resonance. In the sixth embodiment shown in FIG. 17, the neutral particle implanter 36 is used, but in this embodiment, an ion injector whose cross section is shown in FIG. 19 is used instead. Ions emitted from the ion source are implanted horizontally into the orbiting beam region. The ion implantation from this ion source is performed in place of the neutral particle implantation of the operation method shown in FIG. 18, but the same characteristics as those of the other embodiments described above can be realized with respect to beam emission. Further, the same emission can be realized even if a thin film is provided in a region where gas or ions are implanted and a charged particle beam is collided.

【0054】以下、本実施例の効果をシミュレーション
で示す。シミュレーションの条件としては、荷電粒子と
してプロトンを用い、周回時の最終エネルギーは300
MeV、利用する共鳴は第3の実施例で示した2次共鳴と
する。また、出射用デフレクターの電極の位置は、水平
方向で60mmとする。図20,図21は従来技術の運転
方法で、共鳴発生前のベータトロン振動振幅が10mm,
3mmのプロトンに対して、チューンの1/2からのずれ
を0.01とし、このずれを0.01から0.001に変化さ
せて共鳴させた時の位相空間を示す。2次共鳴の安定限
界は、3次共鳴と異なり楕円状の形を取る。一方、図2
2,図23は、本実施例の運転方法を示す図である。図
22は、共鳴発生前のベータトロン振動振幅が3mmのプ
ロトンに対し、チューンの1/2からのずれを0.01
に調整して共鳴させると共に、高周波印加装置14で不
規則にビームのベータトロン振動振幅を徐々に増加させ
る時の位相空間を示す。図23は、図22の状態がさら
に進み、安定限界(約10mm)を超えたプロトンが出射
されている時の位相空間を示す。従来の運転方法では、
共鳴発生前のベータトロン振動振幅が10mm,3mmの時
のターンセパレーションTsは各々約10mmと約1mmで
ある。従って、従来技術ではベータトロン振動振幅が3
mmのプロトンは電極に衝突し、ほとんど出射させること
ができない。また、チューンの1/2からのずれを0.
01から0.001に調整しているために、出射勾配が
7mradも変化する。一方、本実施例では、共鳴発生前の
ベータトロン振動振幅が3mmでも、徐々にベータトロン
振動振幅が増加し約10mmになると共鳴を起こし、図2
1と同様にターンセパレーションTs10mmで出射され
る。また、初期のベータトロン振動振幅が3mmよりさら
に小さくなった場合と、初期振動振幅が10mmの場合の
出射用デフレクター位置における軌道勾配の差は0.0
1mrad 以下であり、出射ビームのエミッタンスは1πm
m・mrad以下である。このように、初期のベータトロン
振動振幅が10mm以下の小さな値のビームも、10mmの
場合と同様に出射できる。本実施例では、チューン,タ
ーンセパレーションTsを一定にできるので、出射勾
配,出射位置、及びビーム径を一定にできる。更に、ビ
ームの分布はベータトロン振動振幅が小さい方が多いの
で、従来の運転方法では出射効率50%を得ることはで
きないのに対して、本実施例の運転方法では出射効率を
90%以上にすることができる。
Hereinafter, effects of the present embodiment will be shown by simulation. The simulation conditions were that protons were used as charged particles, and the final energy during orbit was 300.
MeV, the resonance used is the secondary resonance shown in the third embodiment. The position of the electrode of the output deflector is 60 mm in the horizontal direction. 20 and 21 show a conventional operation method, in which the amplitude of the betatron oscillation before resonance is 10 mm,
For a 3 mm proton, the phase space is shown when the deviation from 1 / of tune is set to 0.01, and the deviation is changed from 0.01 to 0.001 for resonance. The stability limit of the secondary resonance has an elliptical shape unlike the tertiary resonance. On the other hand, FIG.
2 and FIG. 23 are diagrams showing the operation method of the present embodiment. FIG. 22 shows the deviation from 1 / of tune of 0.01 for protons having a betatron oscillation amplitude of 3 mm before resonance generation.
FIG. 4 shows a phase space when the high frequency applying device 14 irregularly increases the betatron oscillation amplitude of the beam while adjusting the resonance to a high frequency. FIG. 23 shows the phase space when the state of FIG. 22 is further advanced and protons exceeding the stability limit (about 10 mm) are being emitted. In the conventional driving method,
When the betatron oscillation amplitude before resonance is 10 mm and 3 mm, the turn separation Ts is about 10 mm and about 1 mm, respectively. Therefore, in the prior art, the betatron oscillation amplitude is 3
mm protons collide with the electrode and can hardly be emitted. Also, the deviation from 1 / of the tune is set to 0.
Since the adjustment is made from 01 to 0.001, the emission gradient changes by 7 mrad. On the other hand, in the present embodiment, even if the betatron oscillation amplitude before the occurrence of resonance is 3 mm, the betatron oscillation amplitude gradually increases to about 10 mm, and resonance occurs.
As in the case of No. 1, the light is emitted with a turn separation Ts of 10 mm. The difference between the orbit gradient at the exit deflector position when the initial betatron oscillation amplitude is smaller than 3 mm and the orbit gradient when the initial oscillation amplitude is 10 mm is 0.0 mm.
Less than 1 mrad and the emittance of the output beam is 1πm
m · mrad or less. In this manner, a beam having a small initial betatron oscillation amplitude of 10 mm or less can be emitted similarly to the case of 10 mm. In the present embodiment, since the tune and the turn separation Ts can be made constant, the emission gradient, the emission position, and the beam diameter can be made constant. Furthermore, since the beam distribution often has a smaller betatron oscillation amplitude, it is impossible to obtain an emission efficiency of 50% by the conventional operation method, whereas the emission efficiency is increased to 90% or more by the operation method of the present embodiment. can do.

【0055】最後に、本発明の医療用加速器システムの
実施例を図24を用いて説明する。本実施例では前段加
速器16からのビームを入射器15により円形加速器10
1に入射する。円形加速器101の構成及びビームの出
射方法は図1に示した第1の実施例と同じであり、前段
加速器16からビームを入射した後、0.5 秒でビーム
を所望エネルギーまで加速し、1秒かけて長いパルス状
のビームを出射する。次の0.5 秒で電磁石の励磁量を
減少させて、次の入射・加速に備える。このようにし
て、ビームの入射・加速・出射を2秒ごとに繰り返す。
出射では、共鳴の安定限界を一定にし、出射用高周波印
加装置14によりベータトロン振動振幅を増加させ、ビ
ームに共鳴を発生させる。共鳴の安定限界が一定である
ため、出射用デフレクター位置での軌道勾配,ターンセ
パレーションが一定となり、時間的に一定の出射効率で
出射でき、出射効率90%以上を得ることができる。出
射用デフレクター13から出射されたビームは、ビーム
輸送系102により複数の治療室103へ輸送される。
輸送系102には、ビーム径や軌道勾配を調整する輸送
系電磁石104が設置されている。輸送されるビームの
エミッタンスは、図20,図23を用いて説明したよう
に、1πmm・mrad以下である。ビームのサイズは、エミ
ッタンスとベータトロン関数と呼ばれる量の積の1/2
乗の2倍から求まる。ベータトロン関数は、ビーム輸送
系の位置によって異なるが、輸送系電磁石104の励磁
量を調整することにより20m以下に抑えることができ
るので、輸送系における最大ビームサイズは10mm程度
になる。従って、輸送系102に用いる真空ダクト径
は、余裕を見ても20mm以下の小型にすることができ
る。出射ビームの複数の治療室への輸送切替は、ビーム
切替用電磁石105を用いて行う。ビームの切替は、ビ
ームの出射過程、即ち1秒以内の短時間に繰り返し行
う。こうして、1回の出射中にビームを複数の治療室へ
繰り返し振り分ける。もちろん、1回の出射中は1つの
治療室にのみビームを輸送し、次の出射で次の治療室に
ビームを切り替えることも可能である。治療室で患者に
照射するビームのサイズ,位置などの調整は照射ビーム
調整電磁石(図示せず)を用いて行うが、本発明の出射
方法では出射ビームのエミッタンスは1πmm・mrad以下
で一定であるから、患者に照射するビームのサイズ及び
位置変化は3mm以下に抑えることができる。
Finally, an embodiment of the medical accelerator system of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the beam from the pre-accelerator 16 is converted by the injector 15 into a circular accelerator 10.
Incident at 1. The configuration of the circular accelerator 101 and the method of emitting a beam are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1. After the beam is incident from the pre-stage accelerator 16, the beam is accelerated to a desired energy in 0.5 seconds, and A long pulsed beam is emitted over seconds. In the next 0.5 seconds, the amount of excitation of the electromagnet is reduced to prepare for the next incidence and acceleration. In this manner, the incidence, acceleration, and emission of the beam are repeated every two seconds.
At the time of emission, the stability limit of resonance is kept constant, and the emission frequency of the betatron is increased by the emission high-frequency application device 14 to generate resonance in the beam. Since the stability limit of the resonance is constant, the orbit gradient and turn separation at the position of the deflector for emission are constant, and the light can be emitted with a constant emission efficiency over time, and an emission efficiency of 90% or more can be obtained. The beam emitted from the emission deflector 13 is transported by the beam transport system 102 to a plurality of treatment rooms 103.
The transport system 102 is provided with a transport system electromagnet 104 for adjusting the beam diameter and the orbit gradient. The emittance of the transported beam is equal to or less than 1πmm · mrad as described with reference to FIGS. The size of the beam is one half of the product of the emittance and the quantity called the betatron function.
It is obtained from twice the power. The betatron function varies depending on the position of the beam transport system, but can be suppressed to 20 m or less by adjusting the amount of excitation of the transport system electromagnet 104, so that the maximum beam size in the transport system is about 10 mm. Therefore, the diameter of the vacuum duct used for the transport system 102 can be reduced to 20 mm or less even with a margin. The transport switching of the output beam to the plurality of treatment rooms is performed using the beam switching electromagnet 105. The switching of the beam is repeatedly performed in the beam emission process, that is, in a short time within 1 second. Thus, the beam is repeatedly distributed to a plurality of treatment rooms during one extraction. Of course, it is also possible to transport the beam to only one treatment room during one extraction, and to switch the beam to the next treatment room at the next extraction. The size and position of the beam irradiated to the patient in the treatment room are adjusted using an irradiation beam adjusting electromagnet (not shown). In the emission method of the present invention, the emittance of the emitted beam is constant at 1πmm · mrad or less. Therefore, the change in the size and position of the beam irradiated to the patient can be suppressed to 3 mm or less.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明によれば、ビーム使用系から荷電
粒子ビームの出射の停止が要求されたときに、短時間で
確実に荷電粒子ビームの出射を停止することができる。
According to the present invention, charging from a beam system is performed.
When the stop of the emission of the particle beam is requested, the emission of the charged particle beam can be surely stopped in a short time.

【0057】[0057]

【0058】[0058]

【0059】[0059]

【0060】[0060]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の円形加速器を示す図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing a circular accelerator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】位相空間における安定限界を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a stability limit in a phase space.

【図3】ビームの入射・加速時の位相空間を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a phase space at the time of beam incidence / acceleration.

【図4】第1の実施例の出射時の運転方法を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing an operation method at the time of emission according to the first embodiment.

【図5】第1の実施例の出射直前の位相空間を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing a phase space immediately before emission according to the first embodiment.

【図6】第1の実施例の出射用デフレクター電極を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram showing an output deflector electrode of the first embodiment.

【図7】第1の実施例の高周波印加装置の構成を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a high-frequency application device according to the first embodiment.

【図8】図7の不規則信号電源の一構成例を示す図であ
る。
8 is a diagram showing a configuration example of the irregular signal power supply of FIG. 7;

【図9】第2の実施例の単一周波数信号源の一構成例を
示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a single frequency signal source according to a second embodiment.

【図10】第2の実施例の複数周波数信号源の一構成例
を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a multi-frequency signal source according to a second embodiment.

【図11】第3の実施例の加速器を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an accelerator according to a third embodiment.

【図12】第3の実施例の運転方法を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating an operation method according to a third embodiment.

【図13】第3の実施例の高周波印加用空胴を示す図で
ある。
FIG. 13 is a diagram illustrating a high-frequency application cavity according to a third embodiment.

【図14】第4の実施例の加速器を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an accelerator according to a fourth embodiment.

【図15】第4の実施例の運転方法を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an operation method according to a fourth embodiment.

【図16】第5の実施例の運転方法を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing an operation method according to a fifth embodiment.

【図17】第6の実施例の加速器を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating an accelerator according to a sixth embodiment.

【図18】第6の実施例の運転方法を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an operation method according to a sixth embodiment.

【図19】第7の実施例のイオン入射装置を示す図であ
る。
FIG. 19 is a view showing an ion injector of a seventh embodiment.

【図20】共鳴前のベータトロン振動振幅が10mmのプ
ロトンを従来の運転方法で共鳴させた時の位相空間を示
す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a phase space when protons having a betatron oscillation amplitude of 10 mm before resonance are resonated by a conventional operation method.

【図21】共鳴前のベータトロン振動振幅が3mmのプロ
トンを従来の運転方法で共鳴させた時の位相空間を示す
図である。
FIG. 21 is a diagram showing a phase space when protons having a betatron oscillation amplitude of 3 mm before resonance are resonated by a conventional operation method.

【図22】共鳴前のベータトロン振動振幅が3mmのプロ
トンを本発明の運転方法で共鳴させた時の位相空間を示
す図である。
FIG. 22 is a diagram showing a phase space when a proton having a betatron oscillation amplitude before resonance of 3 mm is resonated by the operating method of the present invention.

【図23】図22の状態が進み、安定限界(約10mm)
を超えたプロトンが出射されている時の位相空間を示す
図である。
FIG. 23: The state of FIG. 22 advances, and the stability limit (about 10 mm)
FIG. 7 is a diagram showing a phase space when protons exceeding the number are emitted.

【図24】本発明の医療用加速器システムの一構成例を
示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing a configuration example of a medical accelerator system of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…設計軌道、3…偏向電磁石、5…収束用4極電磁
石、7…発散用4極電磁石、8…高周波加速空胴、9…
共鳴励起用電磁石、13…出射用デフレクター、14…
高周波印加装置、15…入射器、20…出射用デフレク
ター電極、22…真空ダクト、23…負荷抵抗、24…
電源、25,26…棒状電極、31…高周波印加空胴、
32…位置計測装置、33…電流計測装置、34…計算
機、50…増幅器、51…雑音源、52…フィルター、
53…局部発振器、54…乗算器、55…単一周波数信
号源、56…和算器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Design track | truck, 3 ... Bending electromagnet, 5 ... Quadrupole electromagnet for convergence, 7 ... Quadrupole electromagnet for divergence, 8 ... High frequency acceleration cavity, 9 ...
Electromagnet for resonance excitation, 13 ... Deflector for emission, 14 ...
High frequency applying device, 15: injector, 20: deflector electrode for emission, 22: vacuum duct, 23: load resistance, 24:
Power supply, 25, 26 ... rod-shaped electrode, 31 ... high frequency application cavity,
32: Position measuring device, 33: Current measuring device, 34: Computer, 50: Amplifier, 51: Noise source, 52: Filter,
53: local oscillator, 54: multiplier, 55: single frequency signal source, 56: adder

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 洋之 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平3−263800(JP,A) 特開 平5−266999(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05H 13/04 H05H 7/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Hiroyuki Watanabe 3-1-1 Sachimachi, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd. Hitachi Plant (56) References JP-A-3-263800 (JP, A) Kaihei 5-266999 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H05H 13/04 H05H 7/10

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】周回する荷電粒子ビームに高周波の電場又
は磁場或いは電磁場を印加することにより荷電粒子ビー
ムを円形加速器から出射する荷電粒子ビーム出射方法で
あって、ビーム使用系から停止信号が出力された場合に、 前記高
周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加を停止すること
により前記円形加速器からの荷電粒子ビームの出射を停
止することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
1. A charged particle beam emission method for emitting a charged particle beam from a circular accelerator by applying a high-frequency electric or magnetic field or an electromagnetic field to a circulating charged particle beam, wherein a stop signal is output from a beam use system. In this case, the emission of the charged particle beam from the circular accelerator is stopped by stopping the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field.
【請求項2】周回する荷電粒子ビームに高周波の電場又
は磁場或いは電磁場を印加することにより荷電粒子ビー
ムを円形加速器から出射し、前記円形加速器から出射さ
れた荷電粒子ビームを照射装置から出射する荷電粒子ビ
ーム出射方法であって、ビーム使用系から停止信号が出力された場合に、 前記高
周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加を停止すること
により前記円形加速器からの荷電粒子ビームの出射を停
止して、前記照射装置からの荷電粒子ビームの出射を停
止することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
2. A charged particle beam is emitted from a circular accelerator by applying a high-frequency electric or magnetic field or an electromagnetic field to a circulating charged particle beam, and the charged particle beam emitted from the circular accelerator is emitted from an irradiation device. In the particle beam emission method, when a stop signal is output from the beam using system , the emission of the charged particle beam from the circular accelerator is stopped by stopping the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field. And stopping the emission of the charged particle beam from the irradiation device.
【請求項3】前記円形加速器から出射された荷電粒子ビ
ームは、ビーム輸送系により前記照射装置に輸送され、
前記高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加停止時
に、前記ビーム輸送系を構成する電磁石により荷電粒子
ビームの軌道変更を行うことを特徴とする請求項2記載
の荷電粒子ビーム出射方法。
3. The charged particle beam emitted from the circular accelerator is transported to the irradiation device by a beam transport system,
3. The charged particle beam emitting method according to claim 2, wherein the trajectory of the charged particle beam is changed by an electromagnet constituting the beam transport system when the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field is stopped.
【請求項4】前記円形加速器からの荷電粒子ビームの出
射停止を行った後、高周波の電場又は磁場或いは電磁場
の印加開始により前記円形加速器からの荷電粒子ビーム
の出射を開始することを特徴とする請求項1乃至3のい
ずれかに記載の荷電粒子ビーム出射方法。
4. The emission of a charged particle beam from the circular accelerator
After stopping irradiation, high-frequency electric or magnetic field or electromagnetic field
Charged particle beam from the circular accelerator
The charged particle beam emitting method according to any one of claims 1 to 3, wherein the emitting of the charged particle beam is started.
【請求項5】荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回さ
せる手段と、高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加
により共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームを前記共鳴の
安定 限界外に移動させる高周波印加装置と、前記高周波
印加装置により前記共鳴の安定限界外に移動させられた
荷電粒子ビームを出射する出射用デフレクターとを備え
た円形加速器であって、 前記高周波印加装置は、ビーム使用系から停止信号が出
力された場合に、前記高周波の電場又は磁場或いは電磁
場の印加を停止することにより前記出射用デフレクター
からの荷電粒子ビームの出射を停止することを特徴とす
る円形加速器。
5. A charged particle beam orbiting along a circular orbit.
And applying a high-frequency electric or magnetic field or electromagnetic field
Makes the charged particle beam within the stability limit of the resonance
A high-frequency applying device for moving out of the stability limit;
Moved outside the stability limit of the resonance by the application device
A deflector for emitting a charged particle beam
A circular accelerator, wherein the high-frequency application device outputs a stop signal from a beam use system.
When applied, the high-frequency electric or magnetic field or electromagnetic
Deactivating the output deflector by stopping the application of the field
The emission of the charged particle beam from the
Circular accelerator.
【請求項6】荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回さ
せる手段、高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加に
より共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームを前記共鳴の安
定限界外に移動させる高周波印加装置、及び前記高周波
印加装置により前記共鳴の安定限界外に移動させられた
荷電粒子ビームを出射する出射用デフレクターを有する
円形加速器と、前記出射用デフレクターから出射された
荷電粒子ビームを出射する照射装置とを備えた円形加速
器システムであって、 前記高周波印加装置は、ビーム使用系から停止信号が出
力された場合に、前記高周波の電場又は磁場或いは電磁
場の印加を停止することにより前記出射用デフレクター
からの荷電粒子ビームの出射を停止して、前記照射装置
からの荷電粒子ビームの出射を停止することを特徴とす
る円形加速器システム
6. A charged particle beam orbiting along a circular orbit.
To apply high frequency electric or magnetic or electromagnetic fields
A charged particle beam within the stability limit of resonance
A high-frequency application device that moves out of a fixed limit, and the high-frequency device
Moved outside the stability limit of the resonance by the application device
Has a deflector for emitting charged particle beam
Circular accelerator and emitted from the emission deflector
Circular acceleration with irradiation device for emitting charged particle beam
The high-frequency application device outputs a stop signal from the beam use system.
When applied , the irradiation of the charged particle beam from the deflector for emission is stopped by stopping the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field, and the irradiation device
The emission of the charged particle beam from the
Circular accelerator system .
【請求項7】荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回さ
せる手段と、高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加
により荷電粒子ビームの振動振幅を増加させる高周波印
加装置と、前記高周波印加装置により振動振幅が増加さ
せられた荷電粒子ビームを出射する出射用デフレクター
とを備えた円形加速器であって、 前記高周波印加装置は、ビーム使用系から停止信号が出
力された場合に、前記高周波の電場又は磁場或いは電磁
場の印加を停止することにより前記出射用デフレクター
からの荷電粒子ビームの出射を停止することを特徴とす
る円形加速器
7. A charged particle beam orbiting along an orbit.
And applying a high-frequency electric or magnetic field or electromagnetic field
-Frequency marking that increases the vibration amplitude of the charged particle beam due to
The vibration amplitude is increased by the heating device and the high frequency applying device.
Deflector for emitting the charged charged particle beam
A circular accelerator with bets, the high frequency applying device, output stop signal from the beam used system
When the force is applied, the emission of the charged particle beam from the emission deflector is stopped by stopping the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field .
Circular accelerator .
【請求項8】荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回さ
せる手段、高周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加に
より荷電粒子ビームの振動振幅を増加させる高周波印加
装置、及び前記高周波印加装置により振動振幅が増加さ
せられた荷電粒子ビームを出 射する出射用デフレクター
を有する円形加速器と、前記出射用デフレクターから出
射された荷電粒子ビームを出射する照射装置とを備えた
円形加速器システムであって、 前記高周波印加装置は、ビーム使用系から停止信号が出
力された場合に、前記高周波の電場又は磁場或いは電磁
場の印加を停止することにより前記出射用デフレクター
からの荷電粒子ビームの出射を停止して、前記照射装置
からの荷電粒子ビームの出射を停止することを特徴とす
る円形加速器システム。
8. A charged particle beam orbiting along an orbit.
To apply high frequency electric or magnetic or electromagnetic fields
High frequency application to increase vibration amplitude of charged particle beam
The vibration amplitude is increased by the device and the high frequency applying device.
Exit deflector for which y de Serra charged particle beam
A circular accelerator having
And an irradiation device for emitting the emitted charged particle beam.
In a circular accelerator system, the high-frequency application device outputs a stop signal from a beam use system.
When applied , the irradiation of the charged particle beam from the deflector for emission is stopped by stopping the application of the high-frequency electric or magnetic field or the electromagnetic field, and the irradiation device
The emission of the charged particle beam from the
Circular accelerator system.
【請求項9】前記出射用デフレクターから出射された荷
電粒子ビームを電磁石を用いて前記照射装置に輸送する
ビーム輸送系を有し、前記高周波印加装置による前記高
周波の電場又は磁場或いは電磁場の印加停止時に、前記
ビーム輸送系を構成する前記電磁石が荷電粒子ビームの
軌道変更を行うことを特徴とする請求項6及び8のいず
れかに記載の円形加速器システム。
9. A load emitted from the output deflector.
Transporting an electron particle beam to the irradiation device using an electromagnet
A beam transport system, wherein the high-frequency
When the application of a frequency electric or magnetic field or electromagnetic field is stopped,
The electromagnet constituting the beam transport system is a charged particle beam.
9. The method according to claim 6, wherein the trajectory is changed.
A circular accelerator system according to any of the preceding claims.
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