JP3984918B2 - FFAG betatron - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野等に用いられる高エネルギーX線、もしくは高エネルギー荷電粒子線などを発生させるFFAG(Fixed Field Alternating Gradient)ベータトロン加速器の出射効率向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
円形加速器では特許文献1に示されるように、電子銃などから打ち出された粒子(以下ビームという場合もある)は、円形軌道上を周回しつつ加速され、この円形軌道からビーム出射の際は、電界、もしくは磁界によって、ビーム軌道を曲げ、出射用ディフレクター(以後出射セプタムと称する)の入口まで誘導し、出射セプタムでビームを取り出す。
電子加速のためのFFAG(Fixed Field Alternating Gradient)加速器は米国のMURA(Midwestern Universities Research Association)での試作例しか報告(特許文献2に)されていない(The Review of Scientific Instruments P403 Vol.28 Num.6 1957)。
【0003】
しかし、FFAGベータトロンにおいては、ビームは連続ビームであり、加速されるに従って徐々に回転半径が大きくなる。この特別な特性のため、上記の例とは取り出し方法が若干異なっているが、入射時の加速電圧の違いによって、出射セプタムに達した時の加速電圧の積分値が異なる。一方、周回軌道半径は加速電圧の積分値によって定まるので、加速電圧の積分値が異なると周回軌道がずれてしまう。この結果、出射セプタムへの入射位置がずれ、それに応じてビームの偏向量が変わるため、出射アクセプタンス(出射可能領域)に入るビームの割合が変化する。このため、ビーム出射に最適な位置に出射セプタムを設置しても、軌道のずれにより出射効率が低下することとなる。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−258900 円形加速器並びにそのビーム出射方法
【特許文献2】
The Review of Scientific Instruments. Volume28 NUMBER 6. JUNE, 1957
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のFFAGベータトロンは、加速電圧の変動によって、出射セプタムに達した時の加速電圧の積分値が異なる。一方、周回軌道半径は加速電圧の積分値によって定まるので、加速電圧の積分値が異なると周回軌道がずれてしまう。この結果、出射セプタムへの入射位置がずれ、それに応じてビームの偏向量が変わるため、出射アクセプタンス(出射可能領域)に入るビームの割合が変化する。このため、ビーム出射に最適な位置に出射セプタムを設置しても、軌道のずれにより出射効率が低下するという課題があった。
また、加速電圧は加速させる粒子の通過によって変動するなどの要素があり、安定に保つことが困難であるという課題があった。
【0006】
本発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、加速電圧の変動により出射効率が低下することがないFFAGベータトロンを得ることを目的とする。
【0007】
【発明を解決する手段】
この発明によるFFAGベータトロンは、荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、前記荷電粒子を前記通路に入射する荷電粒子入射手段、前記通路にほぼ直交して配置され、入射された前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場を発生する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子を前記通路から外部に出射させる出射口、
前記加速電圧を測定する電圧測定手段、前記荷電粒子が入射された時点から、前記出射される時点の前の任意の時点までの間に、前記電圧測定手段の測定した前記加速電圧の積分値を求める積分手段、
前記求めた積分値にもとづき、前記加速電圧誘起手段の前記任意の時点以降の出力を補正する加速電圧補正手段を備えたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
まず、FFAGベータトロンの基本的な構造は、この技術の分野に属する通常の知識を有する者にも、必ずしも良く知られていないと思われる。またその構成を理解することは本願発明を理解する上で不可欠なので、図により概要を説明する。図16にFFAG加速器の模式図を、図17に、その水平断面図を示す。
次に動作を説明する。電子銃1により生成された電子(以下、説明の都合上、粒子又は荷電粒子又は粒子ビームという場合がある)は、静電偏向器2によりリング状真空容器3(荷電粒子ビームの通路を形成する環状の真空容器)の中に誘導される。電子銃1と静電偏向器2とは荷電粒子入射手段という。電子は電磁石4(磁場発生手段)により生成されたフィールド磁界により曲げられ螺旋軌道10(荷電粒子ビームの通路)上に閉じこめられる。フィールド磁界は電子が加速される間一定に保たれるので、電子のエネルギーが上がるにつれ軌道半径が大きくなり、エネルギーによって決まる軌道半径上を周回する。磁界の強さは半径が大きいほど強くなるように構成されているので、軌道の半径の増大は抑制される。
リング状の真空容器3には軌道に直交して加速ギャップ5(真空を保持しつつリングの一部を電気的に切断したもの)が設けられており、加速コア6内の磁束Φが変化するとき、電磁誘導の法則によりリング状真空容器3に電圧が誘起され加速ギャップ5に電界が発生する。この場合、真空容器3は、通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体を兼ねている。加速コア6は加速電圧誘起手段である。前記電界により周回を重ねる毎に電子は加速され、高エネルギー電子ビーム7となり、出射セプタム11から引き出される。出射セプタム11は荷電粒子を周回軌道から出射軌道に変更する。引き出された高エネルギー電子ビーム7は、そのまま利用される場合もあれば、X線変換ターゲット8に照射され、X線9に変換される場合もある。
【0009】
本加速器は、ベータトロン加速方式であり、加速ギャップ5にかかる交番電界の加速フェーズ(電界の方向が電子を加速する方向である期間)の間に、周回粒子が何度も通過することで高エネルギーを得る。すなわち、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。これを加速ギャップ5にかかる加速電圧と、電子入射、出射のタイミングを示す図18により説明する。図18において、加速フェーズ12の中に加速時間13、入射時間14が入る。通常、コア駆動に用いられる正弦波の加速フェーズ12は、全体の1/2の時間のみ加速電圧が正の値をとる。次に電子の入射、出射のタイミングと、加速時間13、入射時間14の関係を説明する。電子はリング状真空容器3に、加速時間13が始まると同時に導入され始める。導入は、入射時間14の間続けられる。
【0010】
図19は電子出射の様子を説明する模式図であり、螺旋軌道10の一部に偏向磁界15が設けてある。電子が設定したエネルギーに到達すると、それに対応する軌道半径に達する。エネルギーは電子が加速中に受けた加速電圧の積分値に相当するから、この値がある一定の値に達したときに、出射に適した軌道半径(出射軌道半径という)に到達する。出射軌道半径には偏向磁界15が設けられており、この偏向磁界15により電子は大きく外側へ曲げられ、軌道間に出射セプタム11を配置出来るだけのスペースを生ずる。出射セプタム11に入射した電子は、電界、もしくは磁界により軌道が曲げられ、出射口(図示しないが出射セプタム11の出口側近傍のことを言う)へと向かう。この際、電子エネルギーが所定値E1でない電子(E0,E2等)が含まれると、磁界による偏向量に差が出るため、出射セプタム11の出射アクセプタンス(出射可能領域)からはずれてしまうので、ビームの出射効率が低下する。
【0011】
加速電圧を与えるコア駆動回路の例を図20に示す。この回路の発生する電圧には、交流源の電圧変動やコンデンサC1,C2からの放電に伴う電圧低下が表れるため、数%程度の電圧変動を生ずる。その結果、加速電圧の積分値が一定になる時間が数%変動したり、入射初期電子と最終電子では、加速電圧の積分値が異なったりし、結果として出射効率が低下する。
【0012】
実施の形態1.
以下、発明の実施の形態1のFFAGベータトロンについて図1、2に基づいて説明する。図1は、実施の形態1のFFAGベータトロンの構成を示す模式図、図2は図1のものの動作を説明するためのコア電圧の説明図である。
次に動作について説明する。コア駆動電源18により加速コア6が駆動され、これにより加速コア6に巻回された環状の中心導体(ここでは真空容器3)に加速電圧が誘起され、加速キャップ5に電圧が生じる。図2(a)は、加速ギャップ5にかかる加速電圧の加速時間13の期間内における変化の一例を示している。計画値Vcのように一定の電圧が得られれば出射効率は変動しない。しかし、例えば5kVで1000回加速して、出射エネルギー5MeVを得る想定をした場合、出射時のエネルギーレベルに1%の誤差を許容するとすれば、誤差が0.001%以下の加速電圧再現性が、毎回要求されることになるが、この精度は通常の電子回路技術では実現は困難であるため、図中201に示すように変動してしまう。
【0013】
そこで、加速電圧を電圧計16(電圧測定手段)でモニタし、粒子のエネルギーに相当する(比例する)加速電圧の積分値を積分回路17(積分手段)により、加速開始(時刻0)から、加速期間中のある時間(時刻t1)まで計測する。図2(b)は加速電圧の積分計測値を示している。この測定した積分計測値を元に、出射時に生じるであろうと推定される粒子のエネルギー誤差を演算し、この誤差を補正するように、時刻t1以後のコア駆動電源18の出力電圧を補正する。この演算は加速電圧補正回路117(加速電圧補正手段)で実施される。この様子を示したのが図2(c)である。このように補正することで、図2(d)に示すように、粒子出射時(荷電粒子が出射セプタム11を通過して出射口を出るとき)の加速電圧を当初の所定値に修正することが出来る。
【0014】
次に効果について説明する。図1の構成をとれば、コア駆動電源18に要求される電圧制御精度が緩和される。即ち、入射から出射までに必要な時間長さをTa、補正している時間長さをTcとし、許容誤差電圧をそれぞれΔVa、ΔVcとする。誤差の許容値は、これらの積(Ta・ΔVa、及びTc・ΔVc)となるので、ΔVc/ΔVa=Ta/Tcの関係が成り立つ。例えば補正時間Tcが加速時間Taの1/10の場合、前述の電源電圧精度0.001%のときに得られる出力エネルギー精度を得るための電源の電圧精度は0.01%まで緩和される(但し加速電圧のモニタ精度は緩和されない)。
【0015】
実施の形態2.
実施の形態2のFFAGベータトロンの構成を図3により説明する。図3の構成では、加速コア6(図3では第1の加速コアという)及び、第1の加速コア6を駆動する第1の駆動電源18とは別に、第2の加速コア19(補助コアとも言う)と、このコアに電流を供給する第2の駆動電源20とを設けている。第2の駆動電源20は主たる加速電圧を発生させる必要がなく、誤差電圧ΔVを補正する補正電圧を発生するための磁場のみを供給するものなので、コアの大きさもより小さい。補正後の電圧精度は二つの電源精度の積となる。すなわち、0.001%の精度を実現するためには、各々がほぼ0.3%の精度があればよい。
【0016】
補正回路118は積分回路17の信号にもとづいて補正量を演算し、第2駆動電源20を制御する。
図には示さないが、上記に、更に、実施の形態1で説明した補正手段を組み合わせれば、各々の電源に要求される精度は1%となり、容易に実現可能な精度となる。但し、実施の形態1と同様、加速電圧のモニタ精度は緩和されない。十分な精度でモニタできない場合は、後述する実施の形態6,及び7に示す、より精度の高いモニタを行う必要がある。
また、図3の構成の第2の加速コア19を複数個組み合わせれば、等比級数的に精度の要求が緩和される。加速コア6(第1の加速コア)とは別に補助コア19(第2の加速コア)を用いると、各コアを駆動する電源同士の干渉が少なくなるという利点もある。同一のコアを複数の電源で励磁すると、他の電源により励磁された磁束により発生する誘導電圧が電源に印加されるため、保護回路が必要となるが、図3のように電源毎にコアを別に設ければお互いの電圧が干渉する程度は減少する。
【0017】
実施の形態3.
実施の形態3のFFAGベータトロンの構成は、実施の形態2の図3と同じ構成であって、第2の加速コア19を構成する磁性材の透磁率を、第1の加速コア6の磁性材の透磁率よりも高い透磁材料にしたものである。第1の加速コア6は加速電圧を長く維持するため、変動磁束量Φ=B・S(B:コア内磁束密度、S:コア断面積)を大きくすることが求められる。コア断面積が大きいと、高価な材料だと割高になるため、安価で飽和磁束密度の高い珪素鋼板等の材料が望ましい。一方、第2の加速コア19は、飽和磁束密度が高く、補正信号に対する応答性が良いこと、すなわち高い周波数で駆動出来るものが要求される。コスト面では第2の加速コア19に必要なコア断面積が第1の加速コア6の断面積の数%以内であることから、少々高価な材料を用いても、全体のコストへの影響は小さい。
【0018】
駆動電流I=B・L/μ(L:平均磁路長、μ:透磁率)はコアの透磁率が大きい程小さい。即ち、第2の加速コア19の磁性材料に、珪素鋼板と比較して透磁率が5〜30倍大きい高飽和磁束密度高透磁率材料(パーマロイ、鉄系アモルファス、鉄系ナノクリスタル材料等)を用いることで、補正信号に対する応答性が良い補助コアを得ることが出来る。更に加えて、図4はパワーエレクトロニクス(矢野昌雄、内田良平著、丸善(株)発行)の38ページに記載されているパワー半導体の周波数特性と電源容量の関係を示している。図に示されるように、電源容量が小さいほど高い周波数で駆動できる。第2の加速コアの場合は、補正する電圧が決められているから、駆動電流を小さくし、駆動電力を小さくすれば高い周波数で駆動でき、更に応答性を高めることが可能となる。
【0019】
実施の形態4.
実施の形態4は、実施の形態1や実施の形態2で説明した補正電圧の時間的変化、即ち、補正電圧パターンに関するものである。前述の通り、荷電粒子はある長さに連なって入射されるので、先頭の粒子が入射し始めた入射開始時点から、最後の粒子が入射し終わるまで有限の時間が掛かる(入射期間と言う)。また先頭の粒子が出射し始めた出射開始時点から、最後の粒子が出射し終わるまで有限の時間が掛かる(出射期間と言う)。
実施の形態1と2では、出射効率を上げるために加速電圧の積分値(粒子のエネルギー)を加速終了時点(粒子の出射口通過時点)で一定になるように補正するものであるが、より厳密に検討すれば、加速電圧が変動したタイミングが、入射開始から入射終了までの入射期間内、及び、出射開始から出射終了までの出射期間内のいずれかであるか、あるいは入射終了から出射開始までであるかによって、粒子エネルギーの変動の仕方が異なるのである(詳細は後述)。このため、補正方法もそれらの条件の差によって異なる電圧パターンで補正するのが望ましい。
【0020】
この状況を図5を用いて説明する。図5(a)は入射開始から出射終了までの間の加速電圧の変化の一例を示している。図において、Vc(破線)は設定電圧であり、実線202が実際の加速電圧を示す。本加速器では、一定の長さを持つ連続ビームが入射される。ビームの先頭から終わりまでの長さは、真空容器3内の軌道の数ターンから100ターン程度(螺旋回転数が1000ターンの場合)で適当に設定される。
このため、入射直後は連続ビームの先端部のみが加速器の真空容器3の内部にあり、残りは未入射である。この状況が図5(a),(b)の区間Aに相当する。ビームの終端が加速器内部に入ると、全てのビームが加速器内部に存在するフェーズになる。この状況が区間Bに相当する。最後にビームの先頭が出射され、残りが加速器内に存在するフェーズとなる。この状況が区間Cに相当する。
【0021】
次に、先頭粒子(図5(b)の▲1▼)、中程の粒子(▲2▼)、及び最終粒子(▲3▼)に加えられる加速電圧の積分値(粒子エネルギーと同意)に注目してみる。先頭粒子は、入射開始から出射開始の間に加速器内に存在するから、加速電圧は区間A+区間Bの間加えられる。同様に最終粒子は、区間B+区間Cの間の加速電圧で加速される。すなわち、区間Bにおける加速電圧は全ての粒子に共通に加えられるのに対し、区間A、及び区間Cの加速電圧は、加速器内に存在している粒子のみに加えられるため、連続ビーム中の粒子位置によって、加速電圧の変動の影響は異なることとなる。
【0022】
図5(c)は、図5(a)のように加速電圧が変化した場合の、ビーム内での位置の差による粒子のエネルギー分布を示したものである。区間Bにおける加速電圧変動は、全ての粒子に影響を与えるため、平均エネルギーの増減のみに関係することになるが、区間Aと区間Cの加速電圧に差があると、連続ビーム内の位置の異なる粒子の間にエネルギー差を生じてしまう。
本実施の形態4の電圧補正は、上記の内、平均エネルギーの補正(即ち、▲2▼のレベルを所定値に合わせる)を目的とするものであり、上記連続ビーム内の粒子間のエネルギー差の補正(即ち、▲1▼と▲3▼のレベルとを合わせる)は実施の形態5で説明する。
区間Bにおける加速電圧は、その波形によらず全ての粒子に均等にエネルギーを与えるため、補正加速電圧の積分値を所望の補正値に合わせるように電圧を補正すればよい。
積分値を合わせるための加速電圧補正方法の一つとして、補正電圧を一定にし、補正時間を変化させて積分値を補正する例を図6に示す。この補正電圧パターンはIGBT等のスイッチング回路を用いて簡単に構成することができる。積分値を合わせる方法には他にも
時間を一定にして電圧を変化させる。
任意波形(正弦波など)から積分値が一定になるようにスイッチング回路で切り出す。等の方法が考えられるが、いずれも電子回路としては周知の技術なので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0023】
図6(a),(b),(c)のT1は、加速電圧平均値の補正量を予測するためのモニタリング時間である。T2は先頭粒子が加速器内に存在する時間であり、T2−T1が平均値補正可能時間となる。補正は以下のように行う。まず、時間T1までの間で加速電圧をサンプリングしたデータを基に、T2時間全域の加速電圧波形を予測し、それから求まる加速電圧の誤差量の積分値(補正量=VTo)を求める(図6(b))。この際、過去に入手していたサンプリングデータのデータベースをもとに作成した変換係数を用いるなどの方法をとれば、短時間で補正量を予測することができる。補正量を補正電圧V1で除せば、必要な補正時間Tpが得られるので、この時間、加速電圧を印加すればよい。
勿論、Tp<T2−T1 となるように、V1を選定する。
このような補正により、多少精度の悪い、安価な電源を用いても、ビームの平均エネルギーを所望の値に設定でき、ビームエネルギーのずれによって失われるビーム損失を低減できるという効果がある。
【0024】
一方、積分値(粒子のエネルギー)の最大補正量は、加速電圧Vcと出射エネルギーにおける周回時間Tcとの積Ec(=Vc・Tc)となる。この量は、粒子を一回余分に周回させることで補正可能なため、周回数を調整することでも補正可能である。例えば、補正値ΔE=3Ec+Ehだったとすれば、3回余分に周回させることで3Ecの補正が可能であるから、残りのEh分を補正すれば良い。この様子を図7に示す。所定エネルギーに到達するためには、周回によって補正できない分(即ちVh)のみ補正すればよいことがわかる。
このように補正すれば、補正電源電圧を小さくでき、電源コストを下げられると共に、補正コア(図3の第2の加速コア19)の断面積を小さくすることが出来るため、コアコストが小さくなるという効果がある。この実施の形態で説明した補正は図示しないが、図3の加速電圧補正回路118内に設けたパルス補正回路により実行する。
【0025】
実施の形態5.
発明の実施の形態5は、ビームの平均エネルギーを補正するのではなく、実施の形態4で説明した、ビーム内の粒子の位置による加速電圧変動の影響の差に起因する粒子のエネルギー分布(即ち図5(c)の▲1▼と▲3▼の差)を補正するものに関する。図8は、加速電圧の変動に起因する粒子のエネルギー分布の補正電圧と、補正後の粒子エネルギー分布を示している。粒子にエネルギー差を与えるのは、実施の形態4で説明した区間A、及びC(区間A,B,Cについては実施の形態4と同じなので説明を省略する)であるから、粒子エネルギー差の補正はこの範囲で調整することになる。調整方法としては、図8(b)に示すように、区間Aのみ(301)、区間Cのみ(302)、及びA,C共(303)という3ケースがある。
【0026】
区間AまたはCで補正する場合(301,302)には、この区間内で加速電圧が一定になるように電圧を補正する必要がある。この補正により、図8(c)に示されるようにビーム中のエネルギーが一定になる。
加速電圧を一定に保つには、
加速電圧をモニタし、加速電圧が一定になるようにフィードバックする。
加速電圧の変化のパターンが一定の場合は、以前の加速電圧変化のパターンからフィードフォワードして、事前補正したレベルを出力させる。
の方法がある。
【0027】
実施の形態6.
実施の形態5で説明した、区間Cでの補正(図8(b)の302)については、実施の形態5で説明した(1)、(2)の他に、出射ビームの位置情報をフィードバックする方法もある。そのように構成したものを図9に示す。図において、出射セプタム11の出口側の近傍(出射口とも言う)の軌道の両側にビーム位置検出電極21a,21bを周回軌道の径の方向にずらせて配置する。ビーム位置検出電極21a,21bはセプタム電極と共用することもできる。両電極の電流は電流検出手段Aにより測定される。ビームの位置が電極21aに接近したときは電流I1が増え、電極21bに接近したときは電流I2が増える。
【0028】
偏向磁界15により偏向される方向は、ビームが所定のエネルギーの場合にセプタム11の中央X0に入射するとすれば、エネルギーが変化すると、正もしくは負の方向に変化する。
その結果ビーム位置検出電極21a,21bに入射するビーム電流は図10に示すようにビームの入射位置の変化に対応して変化する。図10の横軸は電極21aから21bに向かう方向の距離(ビームが通過する位置)を示す。この電流が両者ともに最小になるように、あるいは一方のレベルが予め定めた低いレベルになるように)加速電圧を変化させれば、ビームの出射効率を向上させることができる。
【0029】
本構成では、加速電圧信号をフィードバックする必要がないので、加速電圧モニタによる電圧補正は概略で良く、モニタに必要な精度を大幅に緩和することが出来る。
尚、実施の形態4、5、6については、4と6、もしくは4と5、もしくは4と5と6を組み合わせることで、より高速で高精度なビームエネルギー制御が可能となる。これは、実施の形態3で説明したように、補正に必要なパワーが小さければ小さいほど、より高速な素子を用いることが出来る。例えば4の制御には、IGBT等のパワースイッチング素子で対応し、5、6に付いては概略の制御をスイッチング素子で行い、スイッチング素子で追随出来ない高速な応答を必要とされる部分についてはFETなどを用いたパワーアンプで対応すればよい。その際、実施の形態3でも触れたように、パワーアンプで制御するコアを高透磁率材で構成し、必要な電力を最小化することで、より高速の制御が可能となる。
以上のように、実施の形態4,5,6を組み合わせることで、高速性を要求される電源の電力を抑制でき、高速化が可能となるため、早い加速電圧変動に対しても追随でき、より効率の良い出射が可能となるという効果がある。
【0030】
実施の形態7.
今までの実施例では、加速電圧をモニタして積分値を求めていた。しかし、加速電圧の積分値を正確に求めるためには、前述したとおり超高精度のモニタが必要となる。しかし、加速電圧の高精度測定は、ノイズの影響が避けられないため、ノイズの多い環境で使用することは困難である場合が多い。
そこで、加速電圧の積分値をモニタすることで粒子のエネルギーを求める代わりに、粒子の到達時間(粒子の速度に対応する)を用いて粒子のエネルギーをモニタする方法を図11について説明する。図において、入射位置周辺(近傍)に、軌道を取り巻くように置かれた電極22(入射ビーム検出器)と、出射位置周辺(近傍)に置かれた電極(出射ビーム検出器)23を設ける。これらの電極の中をビームが通過すると、ビームの粒子の電荷極性と反対の極性を持つ電荷が電極に誘起される。
誘起された電荷による検出器の電圧は、図12(a)のようになる。すなわち、ビームが入射している間は入射位置の検出器に電圧V1を生じ、出射している間に出射位置の検出器に電圧V2を生ずる。ビームが入射してから出射するまでの時間ΔTは、ビームのエネルギーに依存する粒子の速度で決まる。ビームの加速器内における周回回数が同じなら、ΔTからエネルギーを逆算することが出来る。周回回数が同じかどうかの判定については、加速電圧モニタに頼ることになるが、モニタリングには一回の加速電圧相当の分解能があればよいため、精度の要求が大幅に緩和される。上記補正を行うものを粒子速度補正手段という。
最後に、本実施の形態と請求項7との関連を具体的に説明する。請求項7の「通路に設けた荷電粒子入射位置検出器」は、通常、ビーム通過に伴う静電容量、もしくは、磁界変化を読み取るもので、その出力は、ビーム位置を検出できるばかりでなく、ビーム通過時間のモニターとしても用いることができる。このため、その出力を時間軸でとると、図12に示されるように、ビーム通過タイミングモニターとなる。すなわち、「入射位置検出器の出力が発生してから出射位置検出器の出力が発生するまでの時間」とは、図12において、出射位置検出器の信号消滅のタイミングをt0として、
(t0−H2)−(t0−ΔT−H1)=ΔT+(H1−H2)、
一方、「入射位置検出器の出力が消滅してから出射位置検出器の出力が消滅するまでの時間」とは、図12のΔTに相当する。すなわち、この時間が同じになるように制御するということは、H1=H2となるように制御することに他ならない。
一方、最初から最後まで加速電圧が同じならば、図5に示される先頭粒子と最終粒子の加速に必要な時間は等しくなり、H1=H2となるが、加速電圧が変化すればH1=H2とならない。すなわち、H1=H2となるように制御することで、加速電圧の補正が可能となる。
【0031】
図12(a)のH1は、入射ビームが入射ビーム検出器22を通過している時間長さを示している。H2は、出射ビームが出射ビーム検出器23を通過している時間長さを示している。
図12(b)は、先頭ビームのエネルギーばかりでなく、ビーム内のエネルギー分布を測定する方法を示している。入射ビームが加速器に入射する前に、例えば図示しない静電ディフレクター等にパルス電圧を一定の間隔で加えることで、図に示されるように一定の間隔で粒子の流れを寸断しておく。この入射時間間隔をf1= f2= f3= f4とする。全区間でビームエネルギーが一定の場合は、ビーム出射時の寸断されたパルス時間幅Fは、fに等しくなる。仮に図のf1>F1だとすると、この領域では最初のビームより最後のビームのエネルギーが小さい(遅い)ことになる。すなわち、出射時のパルス幅を測定し、入射時と比べることで、加速電圧の増減を知ることが出来、この信号を加速電圧にフィードバックすることで加速電圧を一定に保つことができる。
尚、この計測においては、検出器に誘起された電荷による電圧の絶対値V1,V2を測定する必要がなく、電圧の立ち上がりのタイミングのみを計測すればよいため、ノイズの影響を大幅に軽減できる。このため、容易に高精度なエネルギー測定が出来るという効果がある。
【0032】
実施の形態8.
これまでに述べた実施の形態1〜7では、ビームのエネルギーを一定になるように制御する手段により、ビームのどの部分も同様に出射セプタムの通路に正確に入るようにして、出射効率を向上させていた。しかし、エネルギーを一定にしなくてもビームの部分、部分に応じてビーム軌道を曲げることによりどの部分も同様に通路にはいるようにすることができる。本構成を図13について説明する。図のものではビーム偏向器(ビームディフレクタとも言う)24と、ビーム偏向器制御電源25とを用いている。加速電圧の積分値の誤差により生ずるビームの偏向を補正するため、相当する補正偏向電界を加えて軌道を修正し、ビームの出射効率を向上させるように制御する。これを第2制御手段という。この際、フィードバック制御もしくはフィードフォワード制御の手法として、実施の形態6,7で述べた方法を用いてもよいことは言うまでもない。
【0033】
実施の形態9.
実施の形態8では、ビームの偏向のために、新たにビーム偏向器24を取り付けたが、加速器構成要素の運転条件を変えてビームを偏向することもできる。
図14、15は、加速器構成要素のうち、偏向磁界15の励磁電源299、もしくは電磁石4の電磁石電源300を、前述の手法を用いて制御し(これを第3の制御手段という)、ビームの出射効率を向上させる構成を示している。これらの構成では、新たにビーム偏向器24を取り付ける必要がないため、コストを低減できるという効果がある。
【0034】
【発明の効果】
この発明のFFAGベータトロンでは、加速電圧の電圧積分値が補正されるので、加速電圧の電圧制御精度に高精度が要求されないという効果が得られる。
また、加速電圧が適切に補正されることにより、荷電粒子の出射効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1のFFAGベータトロンの構成図である。
【図2】 図1のものの動作を説明する説明図である。
【図3】 この発明の実施の形態2のFFAGベータトロンの構成図である。
【図4】 この発明の実施の形態3の動作を説明する特性図である。
【図5】 この発明の実施の形態4の動作を説明する説明図である。
【図6】 この発明の実施の形態4の動作を説明する説明図である。
【図7】 この発明の実施の形態4の動作を説明する説明図である。
【図8】 この発明の実施の形態5の動作を説明する説明図である。
【図9】 この発明の実施の形態6のFFAGベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図10】 図9の動作を説明する説明図である。
【図11】 実施の形態7のFFAGベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図12】 図11のものの動作を説明する説明図である。
【図13】 この発明の実施の形態8のFFAGベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図14】 この発明の実施の形態9のFFAGベータトロンの動作を説明する説明図である。
【図15】 この発明の実施の形態9のFFAGベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図16】 FFAGベータトロンの構造を説明する説明図である。
【図17】 図16の水平断面図である。
【図18】 図16のものの動作を説明する説明図である。
【図19】 図16のものの動作を説明する説明図である。
【図20】 図16のFFAGベータトロンに使用される電源装置の回路図である。
【符号の説明】
1 電子銃、 2 静電偏向器、 3 リング状真空容器、
4 電磁石、 5 加速ギャップ、 6 加速コア、
11 出射セプタム、 15 偏向磁界装置、 16 電圧計、
18 第1駆動電源、 19 第2の加速コア、
20 第2駆動電源、 21a,21b ビーム位置検出器、
177 加速電圧補正回路、
188 補正回路、 299 励磁電源、
300 電磁石電源。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in emission efficiency of a FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) betatron accelerator that generates high energy X-rays or high energy charged particle beams used in the medical field or the like.
[0002]
[Prior art]
In the circular accelerator, as shown in Patent Document 1, particles launched from an electron gun or the like (hereinafter sometimes referred to as a beam) are accelerated while circling on a circular orbit, and when the beam is emitted from the circular orbit, The beam trajectory is bent by an electric field or a magnetic field, guided to the entrance of an exit deflector (hereinafter referred to as an exit septum), and the beam is taken out by the exit septum.
FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) accelerators for electron acceleration have been reported only in the prototype of MURA (Midwestern Universities Research Association) (Patent Document 2) (The Review of Scientific Instruments P403 Vol.28 Num. 6 1957).
[0003]
However, in the FFAG betatron, the beam is a continuous beam, and the radius of rotation gradually increases as it is accelerated. Because of this special characteristic, the extraction method is slightly different from the above example, but the integrated value of the acceleration voltage when reaching the exit septum differs depending on the acceleration voltage at the time of incidence. On the other hand, since the orbit radius is determined by the integral value of the acceleration voltage, the orbit is shifted if the integral value of the acceleration voltage is different. As a result, the incident position on the exit septum is shifted and the deflection amount of the beam is changed accordingly, so that the ratio of the beam entering the exit acceptance (the exitable region) changes. For this reason, even if the exit septum is installed at an optimum position for beam emission, the emission efficiency is lowered due to the deviation of the trajectory.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-258900 Circular accelerator and its beam extraction method
[Patent Document 2]
The Review of Scientific Instruments. Volume 28 NUMBER 6. JUNE, 1957
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional FFAG betatron, the integration value of the acceleration voltage when reaching the exit septum varies depending on the variation of the acceleration voltage. On the other hand, since the orbit radius is determined by the integral value of the acceleration voltage, the orbit is shifted if the integral value of the acceleration voltage is different. As a result, the incident position on the exit septum is shifted and the deflection amount of the beam is changed accordingly, so that the ratio of the beam entering the exit acceptance (the exitable region) changes. For this reason, even if the exit septum is installed at a position optimal for beam emission, there is a problem that the emission efficiency is lowered due to the deviation of the trajectory.
In addition, there is a problem that the acceleration voltage varies depending on the passage of the particles to be accelerated, and it is difficult to keep the acceleration voltage stable.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an FFAG betatron in which the emission efficiency does not decrease due to fluctuations in acceleration voltage.
[0007]
[Means for Solving the Invention]
The FFAG betatron according to the present invention includes an annular vacuum vessel that forms a passage for charged particles, charged particle incident means for injecting the charged particles into the passage, and the charged particles that are disposed substantially orthogonal to the passage Magnetic field generating means for generating a magnetic field for guiding
An annular central conductor having an acceleration gap in a direction along the passage, an acceleration voltage inducing means arranged to intersect the annular central conductor and inducing an acceleration voltage in the acceleration gap;
An exit for emitting the charged particles to the outside from the passage;
Voltage measuring means for measuring the accelerating voltage, an integrated value of the accelerating voltage measured by the voltage measuring means from the time when the charged particle is incident to an arbitrary time before the time of emission. Integration means to be obtained,
Accelerating voltage correcting means for correcting the output of the accelerating voltage inducing means after the arbitrary time point based on the obtained integral value is provided.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the basic structure of the FFAG betatron may not necessarily be well known to those with ordinary knowledge in the field of this technology. Further, understanding the configuration is indispensable for understanding the present invention, so the outline will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is a schematic diagram of the FFAG accelerator, and FIG. 17 is a horizontal sectional view thereof.
Next, the operation will be described. Electrons generated by the electron gun 1 (hereinafter sometimes referred to as particles, charged particles, or particle beams for convenience of explanation) form a ring-shaped vacuum container 3 (charged particle beam passage) by an electrostatic deflector 2. In an annular vacuum vessel). The electron gun 1 and the electrostatic deflector 2 are called charged particle incident means. The electrons are bent by the field magnetic field generated by the electromagnet 4 (magnetic field generating means) and confined on the spiral trajectory 10 (charged particle beam path). Since the field magnetic field is kept constant while the electrons are accelerated, the orbital radius increases as the electron energy increases, and orbits around the orbital radius determined by the energy. Since the strength of the magnetic field is configured to increase as the radius increases, an increase in the radius of the orbit is suppressed.
The ring-shaped vacuum vessel 3 is provided with an acceleration gap 5 (a part of the ring that is electrically cut while maintaining a vacuum) orthogonal to the orbit, and the magnetic flux Φ in the acceleration core 6 changes. At this time, a voltage is induced in the ring-shaped vacuum vessel 3 according to the law of electromagnetic induction, and an electric field is generated in the acceleration gap 5. In this case, the vacuum vessel 3 also serves as an annular central conductor having an acceleration gap in the direction along the passage. The acceleration core 6 is acceleration voltage inducing means. Each time the electric field is circulated, the electrons are accelerated to become a high-energy electron beam 7 and are extracted from the exit septum 11. The exit septum 11 changes charged particles from a circular orbit to an exit orbit. The extracted high-energy electron beam 7 may be used as it is, or may be irradiated to the X-ray conversion target 8 and converted to X-rays 9.
[0009]
This accelerator is a betatron acceleration method, and is high because the circulating particles pass many times during the acceleration phase of the alternating electric field applied to the acceleration gap 5 (period in which the direction of the electric field is the direction of accelerating electrons). Get energy. That is, the period from the incidence to the emission of electrons ends within one cycle of the alternating electromagnetic field. This will be described with reference to FIG. 18 showing the acceleration voltage applied to the acceleration gap 5 and the timing of electron incidence and emission. In FIG. 18, an acceleration time 13 and an incident time 14 enter the acceleration phase 12. Usually, in the acceleration phase 12 of the sine wave used for core driving, the acceleration voltage takes a positive value only for half the time. Next, the relationship between the electron incidence and emission timings, the acceleration time 13 and the incident time 14 will be described. The electrons begin to be introduced into the ring-shaped vacuum vessel 3 at the same time as the acceleration time 13 starts. The introduction continues for the incident time 14.
[0010]
FIG. 19 is a schematic diagram for explaining how electrons are emitted. A deflection magnetic field 15 is provided in a part of the spiral trajectory 10. When the electrons reach the set energy, the corresponding orbit radius is reached. Since the energy corresponds to the integral value of the acceleration voltage received by the electrons during acceleration, when this value reaches a certain value, the trajectory radius suitable for emission (referred to as the emission trajectory radius) is reached. A deflection magnetic field 15 is provided at the exit orbit radius, and the deflection magnetic field 15 causes the electrons to be greatly bent outward, creating a space between the orbits where the exit septum 11 can be disposed. The electrons incident on the exit septum 11 have their trajectories bent by an electric field or a magnetic field, and travel toward an exit (not shown, but near the exit side of the exit septum 11). At this time, if electrons (E0, E2, etc.) whose electron energy is not the predetermined value E1 are included, the amount of deflection due to the magnetic field is different, and therefore, the beam is deviated from the emission acceptance (emergence possible region) of the emission septum 11. The emission efficiency of the is reduced.
[0011]
FIG. 20 shows an example of a core drive circuit that gives an acceleration voltage. In the voltage generated by this circuit, voltage fluctuation of the AC source and voltage drop due to discharge from the capacitors C1 and C2 appear, and therefore voltage fluctuation of about several percent occurs. As a result, the time at which the integral value of the acceleration voltage becomes constant fluctuates by several percent, and the integral value of the acceleration voltage differs between the incident initial electron and the final electron, resulting in a decrease in emission efficiency.
[0012]
Embodiment 1 FIG.
The FFAG betatron according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of the FFAG betatron according to the first embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram of a core voltage for explaining the operation of the FFAG betatron of FIG.
Next, the operation will be described. The acceleration core 6 is driven by the core driving power source 18, whereby an acceleration voltage is induced in the annular central conductor (here, the vacuum vessel 3) wound around the acceleration core 6, and a voltage is generated in the acceleration cap 5. FIG. 2A shows an example of a change in the acceleration voltage applied to the acceleration gap 5 within the acceleration time period 13. If a constant voltage such as the planned value Vc is obtained, the emission efficiency does not change. However, for example, if it is assumed that the output energy is 5 MeV by accelerating 1000 times at 5 kV, if an error of 1% is allowed in the energy level at the time of emission, the acceleration voltage reproducibility with an error of 0.001% or less is Although required, this accuracy is difficult to realize with ordinary electronic circuit technology, and thus varies as indicated by 201 in the figure.
[0013]
Therefore, the acceleration voltage is monitored by the voltmeter 16 (voltage measuring means), and the integrated value of the acceleration voltage corresponding to (proportional to) the energy of the particles is integrated by the integrating circuit 17 (integrating means) from the start of acceleration (time 0). Measurement is performed until a certain time (time t1) during the acceleration period. FIG. 2B shows an integral measurement value of the acceleration voltage. Based on the measured integral measurement value, an energy error of particles estimated to occur at the time of emission is calculated, and the output voltage of the core drive power supply 18 after time t1 is corrected so as to correct this error. This calculation is performed by the acceleration voltage correction circuit 117 (acceleration voltage correction means). This is shown in FIG. 2 (c). By correcting in this way, as shown in FIG. 2D, the acceleration voltage at the time of particle emission (when charged particles pass through the emission septum 11 and exit the emission port) is corrected to the initial predetermined value. I can do it.
[0014]
Next, the effect will be described. If the structure of FIG. 1 is taken, the voltage control precision requested | required of the core drive power supply 18 will be eased. That is, let Ta be the time length required from incidence to emission, Tc be the correction time length, and let ΔVa and ΔVc be the allowable error voltages, respectively. Since the allowable value of the error is the product of these (Ta · ΔVa and Tc · ΔVc), the relationship ΔVc / ΔVa = Ta / Tc holds. For example, when the correction time Tc is 1/10 of the acceleration time Ta, the voltage accuracy of the power supply for obtaining the output energy accuracy obtained when the power supply voltage accuracy is 0.001% is relaxed to 0.01% (however, the acceleration voltage Monitor accuracy is not relaxed).
[0015]
Embodiment 2. FIG.
The configuration of the FFAG betatron according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the configuration of FIG. 3, a second acceleration core 19 (auxiliary core) is provided separately from the acceleration core 6 (referred to as the first acceleration core in FIG. 3) and the first drive power supply 18 that drives the first acceleration core 6. And a second drive power supply 20 that supplies current to the core. The second driving power source 20 does not need to generate a main acceleration voltage and supplies only a magnetic field for generating a correction voltage for correcting the error voltage ΔV, so that the size of the core is smaller. The corrected voltage accuracy is the product of the two power supply accuracy. That is, in order to achieve an accuracy of 0.001%, each needs to have an accuracy of approximately 0.3%.
[0016]
The correction circuit 118 calculates a correction amount based on the signal from the integration circuit 17 and controls the second drive power supply 20.
Although not shown in the drawing, if the correction means described in the first embodiment is further combined with the above, the accuracy required for each power source is 1%, which can be easily realized. However, as in the first embodiment, the monitoring accuracy of the acceleration voltage is not relaxed. When monitoring cannot be performed with sufficient accuracy, it is necessary to perform monitoring with higher accuracy as described in Embodiments 6 and 7 described later.
Further, if a plurality of second acceleration cores 19 having the configuration shown in FIG. 3 are combined, the requirement for accuracy is reduced in terms of a geometric series. When the auxiliary core 19 (second acceleration core) is used separately from the acceleration core 6 (first acceleration core), there is an advantage that interference between power sources that drive each core is reduced. When the same core is excited by a plurality of power sources, an induced voltage generated by magnetic flux excited by another power source is applied to the power source, so a protection circuit is required. However, as shown in FIG. If they are provided separately, the degree of mutual interference between the voltages decreases.
[0017]
Embodiment 3 FIG.
The configuration of the FFAG betatron of the third embodiment is the same as that of FIG. 3 of the second embodiment, and the magnetic permeability of the magnetic material constituting the second acceleration core 19 is set to the magnetic property of the first acceleration core 6. The magnetic permeability material is higher than the magnetic permeability of the material. The first accelerating core 6 is required to increase the fluctuation magnetic flux amount Φ = B · S (B: in-core magnetic flux density, S: core cross-sectional area) in order to keep the acceleration voltage long. When the core cross-sectional area is large, an expensive material is expensive, and therefore, a material such as a silicon steel plate that is inexpensive and has a high saturation magnetic flux density is desirable. On the other hand, the second acceleration core 19 is required to have a high saturation magnetic flux density and good response to the correction signal, that is, one that can be driven at a high frequency. In terms of cost, the core cross-sectional area required for the second accelerating core 19 is within a few percent of the cross-sectional area of the first accelerating core 6, so even if a slightly expensive material is used, the effect on the overall cost is not affected. small.
[0018]
The drive current I = B · L / μ (L: average magnetic path length, μ: magnetic permeability) is smaller as the magnetic permeability of the core is larger. That is, a high saturation magnetic flux density high magnetic permeability material (permalloy, iron-based amorphous, iron-based nanocrystal material, etc.) having a permeability 5 to 30 times larger than that of a silicon steel plate is used as the magnetic material of the second acceleration core 19. By using the auxiliary core, it is possible to obtain an auxiliary core having good responsiveness to the correction signal. In addition, FIG. 4 shows the relationship between the frequency characteristics and power supply capacity of the power semiconductor described on page 38 of Power Electronics (Masao Yano, Ryohei Uchida, published by Maruzen Co., Ltd.). As shown in the figure, the smaller the power source capacity is, the higher the frequency can be driven. In the case of the second accelerating core, the voltage to be corrected is determined. Therefore, if the drive current is reduced and the drive power is reduced, the second acceleration core can be driven at a higher frequency, and the responsiveness can be further improved.
[0019]
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment relates to a temporal change of the correction voltage described in the first and second embodiments, that is, a correction voltage pattern. As described above, since charged particles are incident continuously for a certain length, it takes a finite time from the start of incidence when the first particle begins to be incident until the last particle is completely incident (referred to as an incident period). . In addition, it takes a finite time from the start of emission when the first particle starts to be emitted until the last particle is emitted (referred to as an emission period).
In Embodiments 1 and 2, the integral value of acceleration voltage (particle energy) is corrected so as to be constant at the end of acceleration (the time when particles pass through the exit port) in order to increase the extraction efficiency. Strictly speaking, the timing at which the acceleration voltage fluctuates is either within the incident period from the start of incidence to the end of incidence and within the exit period from the start of emission to the end of exit, or from the end of incidence to the start of emission. Depending on whether or not, the method of fluctuation of the particle energy is different (details will be described later). For this reason, it is desirable that the correction method also corrects with different voltage patterns depending on the difference in the conditions.
[0020]
This situation will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows an example of a change in acceleration voltage from the start of incidence to the end of emission. In the figure, Vc (broken line) is a set voltage, and a solid line 202 indicates an actual acceleration voltage. In this accelerator, a continuous beam having a certain length is incident. The length from the beginning to the end of the beam is appropriately set in the range of several turns to about 100 turns (when the spiral rotation speed is 1000 turns) in the vacuum vessel 3.
For this reason, immediately after the incident, only the tip of the continuous beam is inside the vacuum vessel 3 of the accelerator, and the rest is not incident. This situation corresponds to the section A in FIGS. 5 (a) and 5 (b). When the end of the beam enters the accelerator, it becomes a phase where all the beams exist inside the accelerator. This situation corresponds to section B. Finally, the head of the beam is emitted and the rest is in the phase in the accelerator. This situation corresponds to section C.
[0021]
Next, the integrated value (according to the particle energy) of the acceleration voltage applied to the leading particle ((1) in FIG. 5 (b)), the middle particle ((2)), and the final particle ((3)). Pay attention. Since the leading particles exist in the accelerator between the start of incidence and the start of emission, the acceleration voltage is applied during the interval A + the interval B. Similarly, the final particles are accelerated with an acceleration voltage between the interval B and the interval C. That is, the acceleration voltage in the section B is applied to all particles in common, whereas the acceleration voltage in the sections A and C is applied only to the particles existing in the accelerator. Depending on the position, the influence of fluctuations in the acceleration voltage varies.
[0022]
FIG. 5 (c) shows the energy distribution of particles due to the difference in position in the beam when the acceleration voltage changes as shown in FIG. 5 (a). The fluctuation in the acceleration voltage in the section B affects all particles, so it is related only to the increase or decrease in the average energy. However, if there is a difference in the acceleration voltage between the sections A and C, the position of the position in the continuous beam An energy difference is produced between different particles.
The voltage correction according to the fourth embodiment is for the purpose of correcting the average energy (that is, adjusting the level of (2) to a predetermined value) among the above, and the energy difference between the particles in the continuous beam. This correction (that is, matching the levels (1) and (3)) will be described in the fifth embodiment.
Since the acceleration voltage in the section B equally applies energy to all particles regardless of the waveform, the voltage may be corrected so that the integrated value of the corrected acceleration voltage matches the desired correction value.
FIG. 6 shows an example of correcting the integral value by changing the correction time while keeping the correction voltage constant as one of the acceleration voltage correction methods for matching the integral values. This correction voltage pattern can be easily configured using a switching circuit such as an IGBT. There are other ways to match the integral values
Change the voltage at a constant time.
A switching circuit cuts out the integrated value from an arbitrary waveform (such as a sine wave). However, since these are well-known techniques for electronic circuits, detailed description thereof is omitted here.
[0023]
T1 in FIGS. 6A, 6B, and 6C is a monitoring time for predicting the correction amount of the acceleration voltage average value. T2 is the time during which the leading particle is present in the accelerator, and T2-T1 is the average value correctable time. The correction is performed as follows. First, based on the data obtained by sampling the acceleration voltage up to time T1, the acceleration voltage waveform in the entire T2 time is predicted, and the integral value (correction amount = VTo) of the error amount of the acceleration voltage obtained therefrom is obtained (FIG. 6). (b)). At this time, the correction amount can be predicted in a short time by using a conversion coefficient created based on a database of sampling data obtained in the past. If the correction amount is divided by the correction voltage V1, the necessary correction time Tp can be obtained, and the acceleration voltage may be applied during this time.
Of course, V1 is selected so that Tp <T2-T1.
By such correction, there is an effect that the average energy of the beam can be set to a desired value even if an inexpensive power source with a little accuracy is used, and the beam loss lost due to the deviation of the beam energy can be reduced.
[0024]
On the other hand, the maximum correction amount of the integral value (particle energy) is a product Ec (= Vc · Tc) of the acceleration voltage Vc and the circulation time Tc in the emission energy. Since this amount can be corrected by rotating the particles once more, it can also be corrected by adjusting the number of rotations. For example, if the correction value ΔE = 3Ec + Eh, it is possible to correct 3Ec by rotating around three extra times, so the remaining Eh may be corrected. This is shown in FIG. It can be seen that in order to reach the predetermined energy, only the amount that cannot be corrected by the circulation (ie, Vh) needs to be corrected.
By correcting in this way, the correction power supply voltage can be reduced, the power supply cost can be reduced, and the cross-sectional area of the correction core (second acceleration core 19 in FIG. 3) can be reduced, so that the core cost is reduced. There is an effect. Although the correction described in this embodiment is not shown, it is executed by a pulse correction circuit provided in the acceleration voltage correction circuit 118 of FIG.
[0025]
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment of the invention, the average energy of the beam is not corrected, but the energy distribution of the particles due to the difference in the influence of the acceleration voltage variation due to the position of the particles in the beam described in the fourth embodiment (that is, This relates to a correction for the difference between (1) and (3) in FIG. FIG. 8 shows the correction voltage of the particle energy distribution resulting from the fluctuation of the acceleration voltage and the corrected particle energy distribution. Since the energy difference is given to the particles in the sections A and C described in the fourth embodiment (the sections A, B, and C are the same as those in the fourth embodiment, the description is omitted). The correction is adjusted within this range. As shown in FIG. 8B, there are three adjustment methods: section A only (301), section C only (302), and A and C (303).
[0026]
When the correction is made in the section A or C (301, 302), it is necessary to correct the voltage so that the acceleration voltage becomes constant in this section. By this correction, the energy in the beam becomes constant as shown in FIG.
To keep the acceleration voltage constant,
The acceleration voltage is monitored and fed back so that the acceleration voltage becomes constant.
When the acceleration voltage change pattern is constant, feed-forward from the previous acceleration voltage change pattern is performed to output a precorrected level.
There is a way.
[0027]
Embodiment 6 FIG.
As for the correction in the section C (302 in FIG. 8B) described in the fifth embodiment, in addition to (1) and (2) described in the fifth embodiment, position information of the emitted beam is fed back. There is also a way to do it. FIG. 9 shows such a configuration. In the figure, the beam position detection electrodes 21a and 21b are arranged on both sides of the track near the exit side of the exit septum 11 (also referred to as the exit port) while being shifted in the direction of the diameter of the orbit. The beam position detection electrodes 21a and 21b can also be used as septum electrodes. The currents of both electrodes are measured by the current detection means A. When the beam position approaches the electrode 21a, the current I1 increases. When the beam position approaches the electrode 21b, the current I2 increases.
[0028]
If the beam is incident on the center X0 of the septum 11 when the beam has a predetermined energy, the direction deflected by the deflection magnetic field 15 changes in a positive or negative direction when the energy changes.
As a result, the beam current incident on the beam position detection electrodes 21a and 21b changes corresponding to the change in the incident position of the beam as shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 10 indicates the distance in the direction from the electrodes 21a to 21b (position where the beam passes). If the accelerating voltage is changed so that both currents are minimized or one level is a predetermined low level, the beam emission efficiency can be improved.
[0029]
In this configuration, since it is not necessary to feed back the acceleration voltage signal, voltage correction by the acceleration voltage monitor may be approximate, and the accuracy required for monitoring can be greatly relaxed.
In Embodiments 4, 5, and 6, beam energy control can be performed at higher speed and with higher accuracy by combining 4 and 6, or 4 and 5, or 4 and 5, and 6. As described in the third embodiment, this means that the smaller the power required for correction, the faster the element that can be used. For example, the control of 4 is handled by a power switching element such as an IGBT, and for 5 and 6, the rough control is performed by the switching element, and a portion requiring a high-speed response that cannot be followed by the switching element is required. A power amplifier using an FET or the like may be used. At that time, as described in the third embodiment, the core controlled by the power amplifier is formed of a high permeability material, and the required power is minimized, thereby enabling higher speed control.
As described above, by combining the fourth, fifth, and sixth embodiments, it is possible to suppress the power of the power source that is required to be high speed, and it is possible to increase the speed. There is an effect that more efficient emission becomes possible.
[0030]
Embodiment 7 FIG.
  In the embodiments so far, the acceleration voltage is monitored to obtain the integral value. However, in order to accurately obtain the integrated value of the acceleration voltage, an ultra-high accuracy monitor is required as described above. However, high-accuracy measurement of the accelerating voltage is often difficult to use in a noisy environment because the influence of noise is inevitable.
  Therefore, a method for monitoring particle energy using particle arrival time (corresponding to particle velocity) instead of obtaining particle energy by monitoring the integral value of the acceleration voltage will be described with reference to FIG. In the figure, an electrode 22 (incident beam detector) placed so as to surround the trajectory and an electrode (exit beam detector) 23 placed around (or near) the exit position are provided around (or near) the entrance position. As the beam passes through these electrodes, a charge is induced on the electrodes having a polarity opposite to the charge polarity of the beam particles.
  The detector voltage due to the induced charge is as shown in FIG. That is, the voltage V1 is generated at the detector at the incident position while the beam is incident, and the voltage V2 is generated at the detector at the output position while the beam is emitted. The time ΔT from when the beam is incident to when it is emitted is determined by the velocity of the particles depending on the energy of the beam. If the number of laps in the beam accelerator is the same, the energy can be calculated back from ΔT. The determination of whether or not the number of laps is the same depends on the acceleration voltage monitor. However, since the monitoring only needs to have a resolution equivalent to one acceleration voltage, the accuracy requirement is greatly eased. Perform the above correctionThingsThis is called particle velocity correction means.
  Finally, the relationship between the present embodiment and claim 7 will be specifically described. The “charged particle incident position detector provided in the passage” according to claim 7 is a device that reads a change in electrostatic capacity or magnetic field accompanying the passage of the beam, and its output can not only detect the beam position, It can also be used as a monitor for beam transit time. Therefore, when the output is taken on the time axis, a beam passage timing monitor is obtained as shown in FIG. That is, “the time from when the output of the incident position detector is generated until when the output of the output position detector is generated” is the timing of signal extinction of the output position detector in FIG.
(T0−H2) − (t0−ΔT−H1) = ΔT + (H1−H2),
  On the other hand, “the time from when the output of the incident position detector disappears until the output of the output position detector disappears” corresponds to ΔT in FIG. That is, controlling so that this time becomes the same is nothing but controlling so that H1 = H2.
On the other hand, if the acceleration voltage is the same from the beginning to the end, the time required for acceleration of the first particle and the final particle shown in FIG. 5 becomes equal, and H1 = H2, but if the acceleration voltage changes, H1 = H2. Don't be. That is, the acceleration voltage can be corrected by performing control so that H1 = H2.
[0031]
H1 in FIG. 12A indicates the length of time that the incident beam passes through the incident beam detector 22. H2 indicates the length of time that the outgoing beam passes through the outgoing beam detector 23.
FIG. 12B shows a method for measuring not only the energy of the head beam but also the energy distribution in the beam. Before the incident beam enters the accelerator, for example, a pulse voltage is applied to an electrostatic deflector (not shown) at a constant interval, so that the particle flow is cut off at a constant interval as shown in the figure. This incident time interval is set to f1 = f2 = f3 = f4. When the beam energy is constant in the entire section, the fragmented pulse time width F at the time of beam emission is equal to f. If f1> F1 in the figure, the energy of the last beam is smaller (slower) than the first beam in this region. That is, by measuring the pulse width at the time of emission and comparing it with that at the time of incidence, the increase / decrease in the acceleration voltage can be known, and the acceleration voltage can be kept constant by feeding back this signal to the acceleration voltage.
In this measurement, it is not necessary to measure the absolute values V1 and V2 of the voltage due to the charge induced in the detector, and it is only necessary to measure the voltage rising timing, so that the influence of noise can be greatly reduced. . For this reason, there is an effect that energy measurement can be easily performed with high accuracy.
[0032]
Embodiment 8 FIG.
In the first to seventh embodiments described so far, by means of controlling the beam energy to be constant, any part of the beam is similarly accurately entered into the exit septum passage to improve the emission efficiency. I was letting. However, even if the energy is not made constant, any part can enter the passage similarly by bending the beam trajectory according to the part of the beam. This configuration will be described with reference to FIG. In the figure, a beam deflector (also referred to as a beam deflector) 24 and a beam deflector control power supply 25 are used. In order to correct the deflection of the beam caused by the error in the integrated value of the acceleration voltage, the trajectory is corrected by adding a corresponding correction deflection electric field, and control is performed to improve the beam emission efficiency. This is referred to as second control means. At this time, it goes without saying that the method described in the sixth and seventh embodiments may be used as a method of feedback control or feedforward control.
[0033]
Embodiment 9 FIG.
In the eighth embodiment, the beam deflector 24 is newly attached to deflect the beam. However, the beam can be deflected by changing the operating condition of the accelerator component.
14 and 15, among the accelerator components, the excitation power source 299 of the deflection magnetic field 15 or the electromagnet power source 300 of the electromagnet 4 is controlled using the above-described method (this is referred to as third control means), and the beam A configuration for improving the emission efficiency is shown. In these structures, since it is not necessary to newly attach the beam deflector 24, the cost can be reduced.
[0034]
【The invention's effect】
In the FFAG betatron according to the present invention, since the voltage integral value of the acceleration voltage is corrected, there is an effect that high accuracy is not required for the voltage control accuracy of the acceleration voltage.
Moreover, the emission efficiency of charged particles is improved by appropriately correcting the acceleration voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an FFAG betatron according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of FIG. 1;
FIG. 3 is a configuration diagram of an FFAG betatron according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the operation of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the operation of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the operation of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the operation of the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the configuration of an FFAG betatron according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the operation of FIG. 9;
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a configuration of an FFAG betatron according to a seventh embodiment.
12 is an explanatory diagram for explaining the operation of the apparatus of FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating the configuration of an FFAG betatron according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the operation of the FFAG betatron according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating the configuration of an FFAG betatron according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating the structure of a FFAG betatron.
FIG. 17 is a horizontal sectional view of FIG. 16;
FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining the operation of FIG. 16;
FIG. 19 is an explanatory diagram for explaining the operation of FIG. 16;
20 is a circuit diagram of a power supply device used in the FFAG betatron of FIG.
[Explanation of symbols]
1 electron gun, 2 electrostatic deflector, 3 ring-shaped vacuum vessel,
4 electromagnets, 5 acceleration gaps, 6 acceleration cores,
11 exit septum, 15 deflection magnetic field device, 16 voltmeter,
18 first drive power source, 19 second acceleration core,
20 Second drive power supply, 21a, 21b Beam position detector,
177 Acceleration voltage correction circuit,
188 correction circuit, 299 excitation power supply,
300 Electromagnet power supply.

Claims (10)

荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、
前記荷電粒子を前記通路に入射する荷電粒子入射手段、
前記通路にほぼ直交して配置され、入射された前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場を発生する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子を前記通路から外部に出射させる出射口、
前記加速電圧を測定する電圧測定手段、
前記荷電粒子が入射した時点から、前記出射する時点の前の任意の時点までの間に、前記電圧測定手段の測定した前記加速電圧の積分値を求める積分手段、
前記求めた積分値にもとづき、前記加速電圧誘起手段の前記任意の時点以降の出力を補正する加速電圧補正手段を備えたことを特徴とするFFAGベータトロン。
An annular vacuum vessel that forms a path for charged particles;
Charged particle incident means for injecting the charged particles into the passage;
A magnetic field generating means that generates a magnetic field that is arranged substantially perpendicular to the passage and guides the incident charged particles into the passage;
An annular central conductor having an acceleration gap in a direction along the passage, an acceleration voltage inducing means arranged to intersect the annular central conductor and inducing an acceleration voltage in the acceleration gap;
An exit for emitting the charged particles to the outside from the passage;
Voltage measuring means for measuring the acceleration voltage;
Integration means for obtaining an integral value of the acceleration voltage measured by the voltage measurement means between the time when the charged particles are incident and an arbitrary time before the emission time;
An FFAG betatron comprising accelerating voltage correcting means for correcting an output of the accelerating voltage inducing means after the arbitrary time point based on the obtained integral value.
前記加速電圧誘起手段は、前記中心導体に加速電圧を誘起する加速コアと、前記加速コアを励磁するコア駆動電源とを含み、前記加速電圧補正手段は前記コア駆動電源の出力を補正するものであることを特徴とする請求項1に記載のFFAGベータトロン。  The accelerating voltage inducing means includes an accelerating core that induces an accelerating voltage in the central conductor and a core driving power source that excites the accelerating core, and the accelerating voltage correcting means corrects the output of the core driving power source. The FFAG betatron according to claim 1, wherein the FFAG betatron is present. 前記加速コアは所定の加速電圧を発生する第1の加速コアと、前記加速電圧の積分値を補正するための補正加速電圧を発生する第2の加速コアとを含み、
前記コア駆動電源は前記第1の加速コアを励磁する第1の駆動電源と、前記第2の加速コアを励磁する第2の駆動電源とを含み、
前記加速電圧補正手段は、前記第2の駆動電源の出力を補正するものであることを特徴とする請求項2に記載のFFAGベータトロン。
The acceleration core includes a first acceleration core that generates a predetermined acceleration voltage, and a second acceleration core that generates a correction acceleration voltage for correcting an integral value of the acceleration voltage,
The core drive power source includes a first drive power source for exciting the first acceleration core, and a second drive power source for exciting the second acceleration core,
3. The FFAG betatron according to claim 2, wherein the acceleration voltage correction unit corrects an output of the second drive power supply. 4.
前記第2の加速コアを構成する磁性材料の透磁率は前記第1の加速コアを構成する磁性材料の透磁率より高い透磁率を有することを特徴とする請求項3に記載のFFAGベータトロン。  4. The FFAG betatron according to claim 3, wherein the magnetic material constituting the second acceleration core has a magnetic permeability higher than that of the magnetic material constituting the first acceleration core. 5. 前記加速電圧補正手段は、前記荷電粒子の全てが入射した後で、前記荷電粒子の一部が出射される前に、前記第2の加速コイルに印加する予め定めた所定の電圧パルスのパルス時間幅を変化させることにより、前記加速電圧の積分値を補正するパルス補正回路を備えたことを特徴とする請求項3に記載のFFAGベータトロン。The accelerating voltage correcting unit is configured to apply a predetermined predetermined voltage pulse time to be applied to the second acceleration coil after all of the charged particles are incident and before a part of the charged particles are emitted. The FFAG betatron according to claim 3, further comprising a pulse correction circuit that corrects an integral value of the acceleration voltage by changing a width. 前記加速電圧補正手段は、前記荷電粒子の一部が入射し一部が未入射、もしくは一部が出射して一部が未出射の状態にある時間内において、前記加速電圧の積分値が等しくなるように補正するものであることを特徴とする請求項3に記載のFFAGベータトロン。  The acceleration voltage correcting means is configured such that the integral value of the acceleration voltage is equal within a time period in which a part of the charged particles is incident and a part is not incident or a part is emitted and a part is not emitted. The FFAG betatron according to claim 3, wherein the FFAG betatron is corrected so that 荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、
前記通路にほぼ直交し、前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子が前記通路から離れて外部に出射するための出射口、
前記通路に設けた荷電粒子の入射位置検出器と、前記出射口近傍に設けた出射位置検出器とにより、前記入射位置検出器の出力が発生してから前記出射位置検出器の出力が発生するまでの時間と、前記入射位置検出器の出力が消滅してから前記出射位置検出器の出力が消滅するまでの時間長さとを測定し、両時間長さが同一となるように前記加速電圧誘起手段の出力を補正する粒子速度補正手段を備えたことを特徴とするFFAGベータトロン。
An annular vacuum vessel that forms a path for charged particles;
Magnetic field generating means that is substantially orthogonal to the path and guides the charged particles into the path;
An annular central conductor having an acceleration gap in a direction along the passage, an acceleration voltage inducing means arranged to intersect the annular central conductor and inducing an acceleration voltage in the acceleration gap;
An exit port through which the charged particles exit from the passage and exit to the outside;
The incident position detector of charged particles is provided in the passageway, by the emitting position detector provided near said exit, the output of the output position detector is generated from the output of the incident position detector is generated Until the output of the incident position detector disappears and the output of the output position detector disappears. A FFAG betatron comprising particle velocity correcting means for correcting the output of the means.
前記出射口の近傍に設けられ補正偏向磁界を加える偏向磁界装置を備え、
前記偏向磁界装置、もしくは前記磁場発生手段を、前記積分手段の出力信号に応じて制御する第3制御手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載のFFAGベータトロン。
A deflection magnetic field device that is provided in the vicinity of the exit and applies a correction deflection magnetic field;
2. The FFAG betatron according to claim 1, further comprising third control means for controlling the deflection magnetic field device or the magnetic field generating means in accordance with an output signal of the integrating means.
前記荷電粒子の前記出射口の側に設けた電極に流入する電流により、前記荷電粒子の前記通路内での径方向の位置を測定して位置信号を出力するビーム位置検出器を備え、前記位置信号により、前記加速電圧補正手段を調整することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のFFAGベータトロン。  A beam position detector that outputs a position signal by measuring a radial position of the charged particles in the passage by a current flowing into an electrode provided on the exit side of the charged particles; The FFAG betatron according to any one of claims 1 to 6, wherein the acceleration voltage correction means is adjusted by a signal. 前記荷電粒子の前記出射口の側に設けた電極に流入する電流により、前記荷電粒子の前記通路内での径方向の位置を測定して位置信号を出力するビーム位置検出器を備え、前記位置信号により、前記粒子速度補正手段を調整することを特徴とする請求項7に記載のFFAGベータトロン。  A beam position detector that outputs a position signal by measuring a radial position of the charged particles in the passage by a current flowing into an electrode provided on the exit side of the charged particles; 8. The FFAG betatron according to claim 7, wherein the particle velocity correcting means is adjusted by a signal.
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