JP4035621B2 - 誘導加速装置及び荷電粒子ビームの加速方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、誘導加速セルから印加される誘導電圧の発生タイミングを制御し、荷電粒子ビームの加速を可能にする誘導加速装置、及び荷電粒子ビームの加速方法に関する。

荷電粒子とは、元素の周期表のある種の元素が一定の正または負の電価状態にあるイオンおよび電子に始まる「電荷を持った粒子」の総称をいう。さらに、荷電粒子には化合物、タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含む。

シンクロトロンには、高周波シンクロトロン、誘導加速セルを用いたシンクロトロンがある。高周波シンクロトロンは、入射装置により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子に、荷電粒子ビームが周回する設計軌道の強収束を保証する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を高周波加速空洞によって印加し、荷電粒子を真空ダクト中の周回する設計軌道を周回させる円形加速器である。

高周波シンクロトロンでは、入射された荷電粒子が数個のバンチとして高周波シンクロトロンの設計軌道を周回する。バンチは、高周波加速空洞に到達すると、磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を印加されることにより、所定のエネルギーレベルまで加速される。

ここで、バンチとは、荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道を周回する荷電粒子群のことをいう。

偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き（時間的変化率）から計算された加速に必要な電圧を高周波加速電圧としてバンチに印加する。高周波加速電圧は、バンチの加速に必要な電圧を与える機能と、バンチが進行軸方向に拡散することを防止する閉じ込め機能を併せ持っている。

高周波シンクロトロンでバンチを加速する場合には、この二つの機能が必ず必要である。特に閉じ込め機能を位相安定性と呼ぶことがある。ここで位相安定性とは、高周波加速電圧によって進行軸方向への収束力を受けて、個々の荷電粒子がバンチ化し、そのバンチの中を荷電粒子の進行軸方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロンの中を周回することをいう。なお、この二つの働きをもつ高周波加速電圧の時間帯は限られている。

一方、誘導加速セルを用いたシンクロトロンは、高周波シンクロトロンと加速原理が異なり誘導加速セルによって誘導電圧を荷電粒子ビームに印加して加速する円形加速器である。図１６に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理を示す。

図１６は、従来の機能の異なる誘導加速セルから印加させる誘導電圧による荷電粒子ビームの加速原理を示す図である。誘導加速セルには、機能により区別され、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるための誘導加速セル（以下、閉込用誘導加速セルという。）と、荷電粒子ビームを進行軸方向に加速するための誘導電圧を印加する誘導加速セル（以下、加速用誘導加速セルという。）がある。

なお、閉込用誘導加速セルに代えて、バンチ３を進行軸方向に閉じ込めるために高周波加速空洞を用いることもある。従って、従来の誘導電圧を用いる荷電粒子ビームの加速では、必ず加速と閉じ込めの２の機能を必要としていた。

図１６（A）は、閉込用誘導加速セルによるバンチ３の閉じ込めの様子を示している。閉込用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧をバリアー電圧１７という。

特に、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向と逆向きのバリアー電圧１７を負のバリアー電圧１７ａといい、その電圧値を負のバリアー電圧値１７ｃという。また、バンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向と同一方向のバリアー電圧１７を正のバリアー電圧１７ｂといい、その電圧値を正のバリアー電圧値１７ｄという。

このバリアー電圧１７によって、従来の高周波と同様にバンチ３に位相安定性を与えるものである。なお、横軸ｔは、加速用誘導加速セル内の時間的変化であり、縦軸ｖは、印加されるバリアー電圧値（図１６（B）においては、加速用の誘導電圧値）である。

図１６（B）は、加速用誘導加速セルによるバンチ３の加速の様子を示している。加速用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧１８という。特に、バンチ頭部３ｄからバンチ尾部３ｅに至るバンチ３の全体に印加するバンチ３の進行軸方向の加速に必要な加速用の誘導電圧１８のことを加速電圧１８ａといい、その電圧値を加速電圧値という。なお、加速電圧１８ａが印加される時間を印加時間１８ｅという。

また、加速用誘導加速セルにバンチ３が存在しない時間に、加速電圧１８ａと異極の加速用の誘導電圧１８をリセット電圧１８ｂといい、その電圧値をリセット電圧値１８ｄという。このリセット電圧１８ｂは、加速用誘導加速セルの磁気的飽和を回避するためのものである。

これらバリアー電圧１７、及び加速用の誘導電圧１８によって、陽子を加速することができると考えられ、実証されつつある。
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９４，Ｎｏ．１４４８０１−４（２００５）．

さらに、誘導加速セルを使用することにより、従来の高周波シンクロトロンで加速していたビーム長に比べて数倍から１０倍の時間幅を持つ、１マイクロ秒もの長さをしたバンチ３（スーパーバンチ）を加速することも可能になると考えられている。
日本物理学会誌 ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．９（２００４）ｐ６０１−ｐ６１０

図１７は、シンクロトロン振動を示す図である。高周波シンクロトロンにおける荷電粒子の進行軸方向の閉じ込めとその加速方式では、バンチ３を閉じ込めることができる位相空間領域の、特に進行軸方向（時間軸方向）が原理的に制限されることが知られている。

具体的には高周波３６が負の電圧になる時間領域ではバンチ３は減速され、電圧勾配の極性が異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、閉じ込められない。すなわち、概ね点線矢印の間を示す加速領域３６ａでしかバンチ３の加速に使用することができない。

加速領域３６ａでは、バンチ中心３ｃに常に一定の電圧である中心加速電圧３ｆを印加するように高周波３６の位相を移動制御することから、バンチ頭部３ｄに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより小さい頭部加速電圧３ｇを受け減速する。

一方、バンチ尾部３ｅに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより大きい尾部加速電圧３ｈを受け加速する。加速中、荷電粒子はこの過程を繰り返す。

これが位相安定性といわれ、共鳴加速、強収束とともに、荷電粒子のシンクロトロン加速を可能にする３大原理の内の１つの機能である。

このバンチ３が位相安定性を受けて、バンチ３を構成する荷電粒子がバンチ中心３ｃを点対称に加速方向の前後に回転することをシンクロトロン振動３ｉといい、そのときの荷電粒子の回転周波数をシンクロトロン振動周波数という。

ここで閉じ込めとは、バンチ３を構成する荷電粒子が、必ず運動エネルギーのばらつきを持っているために必要となる機能である。運動エネルギーのばらつきは、バンチ３が設計軌道を１周した後、同じ位置へ到達する時間の違いをもたらす。この時間差は閉じ込めを行わない限り、周回を重ねるごとに大きくなり、荷電粒子は設計軌道の全体にわたって拡散してしまう。

バンチ３の両端に正および負の誘導電圧が印加されるようにすると、エネルギーが不足して周回が遅れた粒子には正の誘導電圧によってエネルギーが与えられてエネルギー過剰な状態になり、エネルギーが過剰で周回が早まった荷電粒子には負の誘導電圧によってエネルギーが失われエネルギー不足な状態になる。

これにより、周回が遅れた粒子は周回が早まり、逆に周回が速い粒子は周回が遅れ、結果としてバンチ３を進行軸方向のある領域に局在させることができる。この一連の働きをバンチ３の閉じ込めと呼ぶ。

従って、閉込用誘導加速セルの機能は、従来の高周波加速空洞の閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。

閉込用とは、入射装置より誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射された荷電粒子ビームを、誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よって別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ３まで縮めたり、その他種々の長さのバンチ３に変える機能と、加速中のバンチ３に位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。

加速用とは、バンチ３を形成後に、バンチ３全体に加速用の誘導電圧１８を与える機能を有しているとの意味である。

従来の高周波シンクロトロンにおいて、バンチ３は高周波シンクロトロンを構成する装置から設計段階では予想できない高周波を受ける現象が知られている。この現象を外乱と呼ぶ。この外乱は、シンクロトロンを構成する各装置が発する電磁波であり、設置状態により、加速毎に常に決まった高周波周波数としてバンチ３に与えられる。

たまたま、バンチ３のシンクロトロン振動３ｉの周波数と外乱の周波数が一致もしくは整数倍になると、シンクロトロン振動３ｉに共鳴を誘起し、荷電粒子が理想的エネルギーからずれ、バンチ３が進行軸方向に拡散し、高周波３６の加速領域３６ａの時間幅を超え、損失してしまう。同様に、荷電粒子ビームの加速に加速用誘導加速セルを用いた場合には、加速電圧１８ａの印加時間１８ｅの長さを超え、損失してしまう。

例えば、バンチ頭部３ｄの荷電粒子は、加速方向と逆向きの高周波加速電圧を受け、シンクロトロンの磁場励磁パターンに同期できなくなり、真空ダクト壁面に衝突して、消失する。

荷電粒子の加速において、粒子の損出は加速効率が低下する問題だけでなく、如何なる荷電粒子であっても、高エネルギー状態であるから、真空ダクト壁面に衝突した付近を少なからず放射化する重大な問題を伴う。

そこで、従来の荷電粒子の加速において、外乱による荷電粒子の損失を防止するため、高周波の振幅を変更することができる振幅変動装置によって、シンクロトロン振動周波数を制御し、外乱の周波数との同調を避けていた。

従って、荷電粒子ビームを誘導電圧で加速するためには、シンクロトロン振動周波数を制御しなければ、現実的に稼働させることはできない。

図１８は、従来の誘導電圧によるスーパーバンチの生成過程の一例を示した図である。スーパーバンチ３ｍを構築するために、複数回に渡りバンチ３を真空ダクトに入射し、複数のバンチ３を結合する必要がある。

図１８（Ａ）において、複数のバンチ３を入射後、加速前に順次バンチ３を結合した時間的に長いバンチ３ｏに、さらにバンチ３を結合する方法について説明する。なお、スーパーバンチ３ｍの構築は、複数のバンチ３を入射後、各々のバンチ３をバリアー電圧１７で閉じ込め、加速前に行う。

バンチ３ｏのバンチ頭部３ｄとバンチ尾部３ｅに、それぞれ負のバリアー電圧１７ａと正のバリアー電圧１７ｂを印加して閉じ込めを毎周回行う。このときバリアー電圧１７の発生タイミングは一定である。

バンチ３ｏに結合するバンチ３は、閉込用誘導加速セルとは別に移動用の誘導加速セルで負及び正のバリアー電圧１７ａ、１７ｂを印加し、閉じ込めながらバンチ３ｏに接近させる。接近させるためには、移動用のバリアー電圧１７ｇの発生タイミングを徐々に早めていく。

結果的に閉じ込めだけに用いられるバリアー電圧１７と、移動用に用いられるバリアー電圧１７ｇの発生間隔（以下、バリアー電圧発生間隔１７ｈという。）が短くなり、バンチ３は周回を重ねる毎にバンチ３ｏに接近（図中の白抜き矢印方向）する。

最終的に、バンチ３ｏの正のバリアー電圧の発生タイミングをバンチ３のバンチ尾部３ｅに相当する位置に発生させ、バンチ３ｏとバンチ３とを一体に結合する。これによりスーパーバンチ３ｍが構築されると考えられていた（図１８（Ｂ））。

このようにしてなるスーパーバンチ３ｍを、負のバリアー電圧１７ａ及び正のバリアー電圧１７ｂからなるバリアー電圧１７で閉じ込め、また、閉込用誘導加速セルとは別の加速用誘導加速セルから印加される加速用の誘導電圧１８で加速することができると考えられている。

しかしながら、従来の誘導電圧による荷電粒子ビームの加速では、誘導電圧の機能ごとに、誘導加速セル及びそれにより印加される誘導電圧の発生タイミングを制御する装置の組み合わせを必要としていた。たとえば、加速用の誘導加速セル、閉込用の誘導加速セル、移動用の誘導加速セル、シンクロトロン振動周波周制御用の誘導加速セル、荷電粒子ビーム軌道制御用の誘導加速セル、及び各々その誘導電圧を制御する装置の組み合わせである。

従って、各々の誘導電圧を制御する必要があることから、その制御が複雑であった。また、各々の機能を担う誘導加速セル及びそれにより印加される誘導電圧の発生タイミングを制御する装置の組み合わせを用意する必要があることから、加速器の建設コストが高くなる点問題であった。

そこで、本発明は、第１にシンクロトロンにおいて、荷電粒子ビームの加速を制御する誘導加速セル及びそれにより印加される誘導電圧の発生タイミングを制御する装置である一組の誘導加速装置を提供することを目的とするものである。

第２に、前記誘導加速装置を用いて、誘導電圧の発生タイミングを制御し、同一形状の単一形状の誘導電圧によって、荷電粒子ビームの加速方法を提供することを目的とするものである。

第３に、前記誘導加速装置を用いて、任意の荷電粒子を一台の加速器で誘導加速セルを用いたシンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場強度が許す任意のエネルギーレベル（以下、任意のエネルギーレベルという。）に加速することができる加速器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、第１に、シンクロトロン１の誘導加速装置において、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるバリアー電圧及び加速用の誘導電圧として機能する同一の矩形の正及び負の誘導電圧８を印加する誘導加速セル６と、前記誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧６ｆを与え、駆動するスイッチング電源５ｂと、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃと、前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン１３ａを生成するパターン生成器１３、及び前記ゲート信号パターン１３ａの基になるゲート親信号１２ａのオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置１２からなるインテリジェント制御装置７から構成され、前記誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする誘導加速装置の構成とし、
前記誘導加速装置５を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セル６から到着したバンチ３に誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セル６から印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間１８ｅを変更させ、
前記デジタル信号処理装置１２が、磁場励磁パターン１５、２４を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１４ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１４ｂを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１４ｂに基づき可変遅延時間シグナル２０ａを生成する可変遅延時間計算機２０と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からのバンチ３の通過シグナル９ａ、前記可変遅延時間計算機２０からの可変遅延時間シグナル２０ａを受けて、可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを生成する可変遅延時間発生器２１と、磁場励磁パターン１５、２４を基に計算される理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊを格納し、前記可変遅延時間発生器２１からの可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを受けて、誘導電圧８のオンオフを制御するパルス２２ａを生成する誘導電圧演算機２２と、前記誘導電圧演算機２２からのパルス２２ａを受けて、パターン生成器１３に適したパルスであるゲート親信号１２ａを生成し、可変遅延時間１４の経過後に出力するゲート親信号出力器２３からなり、
前記可変遅延時間計算機２０が、シンクロトロン１を構成する偏向電磁石４からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル４ｂ、及び設計軌道２上の荷電粒子ビームの周回周波数を基に可変遅延時間１４をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間１４に基づき可変遅延時間シグナル２０ａを生成することを特徴とする誘導電圧８の発生タイミングを制御する誘導加速装置５の構成とした。

第２に、シンクロトロン１の荷電粒子ビームの加速方法において、一組の誘導加速装置５から印加される同一の矩形の正の誘導電圧８ａ及び同一の矩形の負の誘導電圧８ｂからなる誘導電圧８の発生タイミングを制御し、一定時間におけるバンチ３の周回回数である制御単位１５ｃにおいて、バンチ３の周回毎に誘導電圧８を印加することなく間欠的に、加速用の誘導電圧１８を理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊとして印加し、かつ加速用の誘導電圧１８を印加しない時間帯に荷電粒子ビームを閉じ込めるバリアー電圧１７及びシンクロトロン振動周波数を制御する誘導電圧を印加することにより、荷電粒子ビームを進行軸方向３ａに閉じ込めるバリアー電圧１７及び加速する加速用の誘導電圧１８としての機能を時間的に分離することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法とした。

第３に、荷電粒子を発生するイオン源３０と前記荷電粒子を一定のエネルギーレベルに加速する前段加速器３１と前記前段加速器３１で加速された荷電粒子ビームを設計軌道２が中にある環状の真空ダクト２ａに入射する入射機器３２からなる入射装置２９と、前記設計軌道２の曲線部に設けられた前記荷電粒子ビーム（バンチ３）の設計軌道２を保証する偏向電磁石４と前記設計軌道２の直線部に設けられた前記荷電粒子ビームの強収束を保証する収束電磁石２８と前記真空ダクト２ａの中に設けられた荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニター９と前記真空ダクト２ａに接続された荷電粒子ビームの加速制御を行う誘導加速装置５とからなる誘導加速シンクロトロン２７と、前記誘導加速シンクロトロン２７で所定のエネルギーレベルまで加速した荷電粒子ビームをビーム利用ライン３５に出射する出射機器３４と輸送管３４ａからなる出射装置３３から構成される加速器２６において、前記誘導加速装置５が、誘導電圧８を印加する誘導加速セル６と、前記誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧６ｆを与え、駆動するスイッチング電源５ｂと、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃと、前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン１３ａを生成するパターン生成器１３、及び前記ゲート信号パターン１３ａの基になるゲート親信号１２ａのオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置１２からなるインテリジェント制御装置７から構成され、
前記誘導加速装置５を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セル６から到着したバンチ３に誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セル６から印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間１８ｅを変更させ、
前記デジタル信号処理装置１２が、磁場励磁パターン１５、２４を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１４ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１４ｂを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１４ｂに基づき可変遅延時間シグナル２０ａを生成する可変遅延時間計算機２０と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からのバンチ３の通過情報である通過シグナル９ａ、前記可変遅延時間計算機２０からの可変遅延時間シグナル２０ａを受けて、可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを生成する可変遅延時間発生器２１と、磁場励磁パターン１５，２４を基に計算される理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊを格納し、前記可変遅延時間発生器２１からの可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを受けて、誘導電圧８のオンオフを制御するパルス２２ａを生成する誘導電圧演算機２２と、前記誘導電圧演算機２２からのパルス２２ａを受けて、パターン生成器１３に適したパルスであるゲート親信号１２ａを生成し、可変遅延時間１４の経過後に出力するゲート親信号出力器２３とからなる誘導電圧８の発生タイミングを制御し、
前記前段加速器３１が、静電加速器、線形誘導加速器、又は小サイクロトロンである、任意の荷電粒子ビームを任意のエネルギーレベルに加速することを特徴とする加速器２６の構成とした。

又は、前記可変遅延時間計算機２０が、シンクロトロン１を構成する偏向電磁石４からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル４ｂ、及び設計軌道２上の荷電粒子ビームの周回周波数を基に可変遅延時間１４をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間１４に基づき可変遅延時間シグナル２０ａを生成することを特徴する。

又は、前記誘導電圧演算機２２が、シンクロトロン１を構成する偏向電磁石４からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル４ｂを基に加速電圧値１８ｃをリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間発生器２１からの可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを受けて、加速用の誘導電圧１８のオンオフを制御するパルス２２ａを生成することを特徴とする。

本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。第１に、１組の誘導加速装置５で、正の誘導電圧８ａ及び負の誘導電圧８ｂの発生タイミングを制御し、荷電粒子ビームに自在のタイミングで誘導電圧８を印加することができることから、荷電粒子ビームを偏向電磁石４による磁場励磁パターン１５、２４に同期させること、また充分加速電圧１８ａの印加時間１８ｅ内に荷電粒子ビームを閉じ込めること、シンクロトロン振動周波数を制御すること、さらに、ビーム軌道を制御することもでき、原理的に取り得る全ての荷電状態の任意の荷電粒子ビームを任意のエネルギーレベルに加速することができる。

第２に、誘導電圧８の発生タイミングを制御することにより、一組の誘導加速装置５で印加するバリアー電圧１７として機能する誘導電圧８の発生間隔８ｅを短くすることで、スーパーバンチ３ｍを構築することが可能になる。

第３に、一組の誘導加速装置５で多機能の誘導電圧８を制御することから、荷電粒子ビームの加速制御の自由度が大幅に増す。

第４に、一組の誘導加速装置５で荷電粒子ビームを加速制御をすることから、加速器の建築費用か低く抑えられる。従って、医療に用いられる任意の荷電粒子ビームを低価格で提供することができる。従来の高周波シンクロトロンに一組の誘導加速装置５を置き換えるだけでよい。

シンクロトロン１において、一組の誘導加速装置５から印加される正の誘導電圧８ａ及び負の誘導電圧８ｂからなる誘導電圧８の発生タイミングを制御し、かつ間欠的に印加することにより、荷電粒子ビームを進行軸方向３ａに閉じ込めるバリアー電圧１７及び加速する加速用の誘導電圧１８としての機能を時間的に分離することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法によって実現した。

以下に、添付図面に基づいて、本発明である誘導加速装置及びその制御方法について詳細に説明する。

図１は、本発明である誘導加速装置を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。

本発明である誘導加速装置５を利用した誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１は、真空ダクト内にある入射されたバンチ３が周回する設計軌道２を保証する偏向電磁石４、強収束を保証する収束電磁石、加速中の荷電粒子ビームの種々の情報を感知するバンチモニター９、速度モニター１０、位置モニター１１などの装置によりなる。

正の電荷を持つ荷電粒子について、誘導加速装置５は、バンチ３が周回する設計軌道２が中にある真空ダクトに接続された、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと逆向きの負のバリアー電圧１７ａ、バンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと同一方向の正のバリアー電圧１７ｂ、進行軸方向３ａに加速する加速電圧１８ａ、誘導加速セル６の磁気的飽和を回避する加速電圧１８ａと異極のリセット電圧１８ｂとして機能する異なる機能の誘導電圧８を印加する誘導加速セル６と、前記誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧６ｆを与える高繰り返し動作可能なスイッチング電源５ｂと、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃと、前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作をフィードバック制御するインテリジェント制御装置７、及び前記誘導加速セル６より印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧モニター５ｄからなる。

なお、本発明では、正のバリアー電圧１７ｂ又は加速電圧１８ａのように進行軸方向３ａと同一の方向の誘導電圧８を正の誘導電圧８ａという。また負のバリアー電圧１７ａ又はリセット電圧１８ｂのように進行軸方向３ａと逆向きの誘導電圧８を負の誘導電圧８ｂという。ただし、負の電荷を持つ荷電粒子を加速する場合は、誘導電圧８の正負符号を逆にする。

本発明であるインテリジェント制御装置７は、スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作を制御するゲート信号パターン１３ａを生成するパターン生成器１３、及び前記パターン生成器１３によるゲート信号パターン１３ａの生成のもと信号であるゲート親信号１２ａを計算するデジタル信号処理装置１２からなる。

ゲート信号パターン１３ａとは、誘導加速セル６より印加される誘導電圧８を制御するパターンである。誘導電圧８を印加する際に、誘導電圧８の印加時間と発生タイミングを決定する信号と、正の誘導電圧８ａ及び負の誘導電圧８ｂの間の休止時間を決定するための信号である。従って、ゲート信号パターン１３ａは加速するバンチ３の長さにあわせて調節が可能である。

パターン生成器１３は、ゲート親信号１２ａをスイッチング電源５ｂの電流路のオン及びオフの組み合わせへと変換する装置である。

スイッチング電源５ｂは、一般に複数の電流路を持ち、その各枝路を通過する電流を調整し、電流の方向を制御することで負荷（ここでは誘導加速セル６）に正と負の電圧を発生させる。

誘導加速セル６は、従来の閉込用及び加速用誘導加速セルと同一である。しかし、従来の閉込用及び加速用誘導加速セルが、異なる機能の誘導電圧を印加するために、各々異なる誘導電圧の発生タイミングを制御する装置を必要としていたのに対して、本発明を構成する誘導加速セル６は、バンチ３を閉じ込めるバリアー電圧１７と加速する加速用の誘導電圧１８を１つのインテリジェント制御装置７で、同一の矩形の誘導電圧８の発生タイミングが制御される点相違する。

図２は、真空ダクトに連結している誘導加速セルの断面模式図である。ここで、誘導加速セル６とは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速セルと原理的には同じ構造である。

誘導加速セル６は、内筒６ａ、及び外筒６ｂからなる２重構造で、外筒６ｂの内に磁性体６ｃが挿入されてインダクタンスを作る。バンチ３が周回する真空ダクト２ａと接続された内筒６ａの一部がセラミックなどの絶縁体６ｄでできている。

磁性体６ｃを取り囲む１次側の電気回路にスイッチング電源５ｂに接続されたＤＣ充電器５ｃからパルス電圧６ｆを印加すると、１次側導体には１次電流６ｇ（コア電流）が流れる。この１次電流６ｇは１次側導体の周りに磁束を発生させ、１次側導体に囲まれた磁性体６ｃが励磁される。

これによりトロイダル形状の磁性体６ｃを貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体６ｄを挟んで、導体の内筒６ａの両端部６ｈである２次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が発生する。この誘導電場が電場６ｅとなる。

この電場６ｅが生じる部分を加速ギャップ６ｉという。従って、誘導加速セル６は１対１のトランスであるといえる。なお、誘導加速セル６は使用により発熱することから、外筒６ｂの内部には冷却用のオイルなどを循環させることがあり、絶縁体でできたシール６ｊを必要とする。

誘導加速セル６の１次側の電気回路にパルス電圧６ｆを発生させるスイッチング電源５ｂを接続し、スイッチング電源５ｂを外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。

図３は、誘導加速装置を構成するスイッチング電圧と誘導加速セルの等価回路図である。前記等価回路は、ＤＣ充電器５ｃから常時給電を受けるスイッチング電源５ｂが、伝送線５ａを経由して誘導加速セル６に繋がったものとして表すことができる。

誘導加速セル６は誘導成分Ｌ、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒの並列回路で示す。並列回路の両端電圧がバンチ３が感じる誘導電圧８である。

図３の回路状態は、第１スイッチ５ｇ、及び第４スイッチ５ｊがゲート信号パターン１３ａによりオンになっており、バンクコンデンサー５ｆに充電された電圧が誘導加速セル６に印加され、加速ギャップ６ｉに加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａが生じている状態である。

なお、加速ギャップ６ｉにバンチ３を閉じ込めるための正のバリアー電圧１７ｂとして機能する正の誘導電圧８ａも同様にして印加される。ただし、発生タイミング、及び加速電圧１８ａがバンチ３全体に印加されるのに対して、正のバリアー電圧１７ｂはバンチ尾部３ｅに印加させる点が異なる。

この後は、第１スイッチ５ｇ、及び第４スイッチ５ｊがゲート信号パターン１３ａによりオフになる。このときは誘導電圧８がオフの状態である。

次に、第２スイッチ５ｈ、及び第３スイッチ５ｉがゲート信号パターン１３ａによりオンになり、リセット電圧１８ｂとして機能する負の誘導電圧８ｂが生じる。ただし、発生タイミングは、バンチ３が存在しない時間帯に限られる。

なお、加速ギャップ６ｉにバンチ３を閉じ込めるための先の正の誘導電圧８ａと逆向きの負のバリアー電圧１７ａとして機能する負の誘導電圧８ｂも同様にして印加されるとともに、正の誘導電圧８ａを発生させる時に生じた誘導加速セル６の磁性体６ｃの磁気的飽和をリセットする。

同様に、オンになっていた第１スイッチ５ｇ、及び第４スイッチ５ｊがゲート信号パターン１３ａによりオフになる。このときも誘導電圧８がオフの状態である。

再び、第１スイッチ５ｇ、及び第４スイッチ５ｊがゲート信号パターン１３ａによりオンになる。このような一連のスイッチング動作をゲート信号パターン１３ａにより繰り返すことで、バンチ３を閉じ込めること、移動すること、荷電粒子ビームの軌道を制御すること、及びシンクロトロン振動周波数を制御し、荷電粒子ビームを加速することが可能となる。

ゲート信号パターン１３ａは、スイッチング電源５ｂの駆動を制御する信号であり、バンチモニター９からのバンチ３の通過シグナル９ａを基に、デジタル信号処理装置１２及びパターン生成器１３からなるインテリジェント制御装置７でデジタル制御される。

なお、バンチ３に印加された誘導電圧８は、回路中の電流値とマッチング抵抗５ｋとの積から計算された値と等価である。従って、誘導電圧モニター５ｄである電流計で、電流値を測定することで印加した誘導電圧８の電圧値を知ることができる。

従って、誘導電圧モニター５ｄで得られる誘導電圧８の電圧値を誘導電圧シグナル５ｅとして、デジタル信号処理装置１２にフィードバックし、次のゲート親信号１２ａの生成に利用することもできる。

一組の誘導加速装置５によって制御される誘導電圧８によって、荷電粒子ビームを加速するためには、上述のシンクロトロン振動周波数を制御すること、誘導電圧８の発生タイミングをバンチ３通過に合わせる制御をすること、磁場励磁パターンに同期した加速電圧値１８ｃを印加することが必要である。

シンクロトロン振動周波数制御は、位相安定性を付与することとは別にバリアー電圧１７として機能する正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂをバンチ３に印加することにより実現できる。

誘導電圧８の発生タイミングを制御するためには、バンチ３の通過に同期させることが必要である。

さらに、加速中の荷電粒子ビームは、加速時間の経過とともに、単位時間当たりに設計軌道２を周回する回数（周回周波数（ｆ_ＲＥＶ））が変化する。例えば、高エネルギー加速器研究機構（以下、ＫＥＫという。）の１２ＧｅＶ陽子高周波シンクロトロン（以下、１２ＧｅＶＰＳという。）において陽子ビームを加速する場合、陽子ビームの周回周波数は、６６７ｋＨｚから８８２ｋＨｚまで変化する。

また、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を含む加速器は広い敷地に設置させるため、加速器を構成する各装置間を接続する信号線のケーブルを長く引き回す必要がある。その信号線を伝播する信号の速度は有限の値を持っている。

従って、加速器の構成を改変した場合、信号が各装置を通過する時間が、改変する前と同じである保証がない。そのため、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を含む加速器では構成要素の改変の都度、印加時間８ｃ、８ｄのタイミングを設定しなおさなければならない。

そこで、可変遅延時間を利用することとした。以下、可変遅延時間について説明する。図４は、可変時間についての説明図である。可変遅延時間１４とは、誘導電圧８の発生タイミングをバンチ３の設計軌道２での位置によって制御するため、デジタル信号処理装置１２を用いて、バンチモニター９の通過シグナル９ａの発生から誘導電圧８を印加するまでの間を調整する時間のことである。

荷電粒子ビームの加速段階では、負のバリアー電圧１７ａとして機能する負の誘導電圧８ｂはバンチ頭部３ｄに、正のバリアー電圧１７ｂとして機能する正の誘導電圧８ａはバンチ尾部３ｅに、加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａはバンチ３全体に、リセット電圧１８ｂとして機能する負の誘導電圧８ｂは、バンチ３が誘導加速セル６に存在しない時間に印加されるように制御する。

具体的には、デジタル信号処理装置１２の内部で、バンチモニター９からの通過シグナル９ａを受けてから、ゲート親信号１２ａの発生までの時間を制御する。

可変遅延時間１４であるΔｔは、バンチ３が設計軌道２のいずれかに置かれたバンチモニター９から、誘導加速セル６に到達するまでの移動時間３ｂをｔ_０、バンチモニター９からデジタル信号処理装置１２までの通過シグナル９ａの伝達時間をｔ_１、及びデジタル信号処理装置１２から出力されたゲート親信号１２ａを基に誘導加速セル６で誘導電圧８を印加するまで要する伝達時間をｔ_２とすると次式（１）で求められる。
Δｔ＝ｔ_０−（ｔ_１＋ｔ_２）・・・式（１）

例えば、ある加速段階でバンチ３が、バンチモニター９から誘導加速セル６までの移動時間３ｂ（ｔ_０）が１マイクロ秒、通過シグナル９ａの伝達時間ｔ_１が０．２マイクロ秒、ゲート親信号１２ａが発生してから誘導電圧８が発生するまでに要する伝達時間ｔ_２が０．３マイクロ秒であるならば、可変遅延時間１４は、０．５マイクロ秒となる。

Δｔは、加速の経過とともに変化する。バンチ３の加速に伴ってｔ_０が加速の経過とともに変化するためである。従って、バンチ３の存在位置によって誘導電圧８を発生タイミングを制御し、印加するためには、Δｔをバンチ３の周回毎に計算する必要がある。一方ｔ_１及びｔ_２は、一端誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する各装置を設置すれば、一定の値である。

ｔ_０は、バンチ３の周回周波数（ｆ_ＲＥＶ（ｔ））、及びバンチモニター９から誘導加速セル６までのバンチ３が移動する設計軌道２の長さ（Ｌ）から求めることができる。また、実測してもよい。

ここで、ｔ_０をバンチ３の周回周波数（ｆ_ＲＥＶ（ｔ））から求める方法を示す。Ｃ_０をバンチ３が周回する設計軌道２の全長とすると、ｔ_０は次式（２）によってリアルタイムで計算することができる。
ｔ_０＝Ｌ／（ｆ_ＲＥＶ（ｔ）・Ｃ_０）［秒］・・・式（２）
ｆ_ＲＥＶ（ｔ）は次式（３）によって求められる。

ｆ_ＲＥＶ（ｔ）＝β（ｔ）・ｃ／Ｃ_０［Ｈｚ］・・・式（３）
ここで、β（ｔ）は相対論的粒子速度、ｃは光速（ｃ＝２．９９８×１０^８［ｍ／ｓ］）である。β（ｔ）は次式（４）によって求められる。

β（ｔ）＝√（１−（１／（γ（ｔ）^２））［無次元］・・・式（４）
ここで、γ（ｔ）は相対理論係数である。γ（ｔ）は次式（５）によって求められる。

γ（ｔ）＝１＋ΔＴ（ｔ）／Ｅ_０［無次元］・・・式（５）
ここで、ΔＴ（ｔ）は加速電圧１８ａによって与えられるエネルギーの増加分、Ｅ_０は荷電粒子の静止質量である。ΔＴ（ｔ）は次式（６）によって求められる。

ΔＴ＝ρ・Ｃ_０・ｅ・ΔＢ（ｔ）［ｅＶ］・・・式（６）
ここで、ρは偏向電磁石４の極率半径、Ｃ_０はバンチ３が周回する設計軌道２の全長、ｅは荷電粒子が持つ電荷量、ΔＢ（ｔ）は加速開始からのビーム偏向磁場強度の増加分である。

なお、荷電粒子の静止質量（Ｅ_０）、荷電粒子の電荷量（ｅ）は、荷電粒子の種類によって異なる。

従って、可変遅延時間１４は、バンチモニター９から誘導加速セル６の距離（Ｌ）、バンチ３が周回する設計軌道２の全長（Ｃ_０）が定まれば、バンチ３の周回周波数によって、一意に定まる。さらに、バンチ３の周回周波数も、磁場励磁パターンによって、一意に定まる。

また、荷電粒子の種類、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１の設定が定まれば、ある加速時点での必要な可変遅延時間１４も一意に定まる。従って、バンチ３が、磁場励磁パターンに従って、理想的な加速をするとすれば、予め上記定義式に従って可変遅延時間１４を計算しておくこともできる。

上述の一連の可変遅延時間１４（Δｔ）を求める式を定義式といい、可変遅延時間１４（Δｔ）をリアルタイムに求める時は、定義式を後述するデジタル信号処理装置１２の可変遅延時間計算機２０に与える。

上述のようにして与えられた可変遅延時間１４は、後述のデジタルデーターである可変遅延時間シグナル２０ａとして、可変遅延時間発生器２１に出力される。

図５は、加速エネルギーレベルと可変遅延時間との関係を示す図である。図４のグラフは、陽子ビームのエネルギーレベルと可変遅延時間１４の出力時間の関係を示している。なお、図４のデーターは、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳに陽子ビームを入射したときの値である。

横軸ＭｅＶは陽子ビームのエネルギーレベルであり、単位はメガボルトである。１ＭｅＶは１００万電子ボルトで、１．６０２×１０^−１３ジュールに相当する。

縦軸Δｔ（μｓ）は、バンチ３がバンチモニター９を通過した時間を０として、誘導加速セル６に発生させる加速電圧１８ａを制御するゲート信号パターン１３ａの出力タイミングの遅れ（可変遅延時間１４）であり、単位はマイクロ秒である。可変遅延時間１４は、バンチモニター９からの通過シグナル９ａを受けて、前述のようにデジタル信号処理装置１２によって制御される。

陽子ビームのエネルギーレベルは、陽子ビームの周回速度によって一意に定まる。また、陽子ビームの周回速度は、シンクロトロン１の磁場励磁パターンに同期している。従って、可変遅延時間１４は、リアルタイムで計算しなくとも、周回速度、或いは磁場励磁パターンから予め計算しておくことも可能である。

図４のグラフは、理想的な可変遅延時間パターン１４ａと、理想的な可変遅延時間パターン１４ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１４ｂである。

理想的な可変遅延時間パターン１４ａとは、バンチ３の周回速度の変化に合わせて、加速電圧１８ａを印加するために、陽子ビームのバンチ３の周回毎に調節されたとしたならば、バンチ３がバンチモニター９を通過した時間から、デジタル信号処理装置１２がゲート親信号１２ａを出力するまでに要する、エネルギーレベルの変化に対応した可変遅延時間１４のことをいう。

必要な可変遅延時間パターン１４ｂとは、理想的な可変遅延時間パターン１４ａと同様に、加速電圧１８ａをバンチ３に印加することができる、エネルギーレベルの変化に対応した可変遅延時間１４のことをいう。

可変遅延時間１４は、理想的には、バンチ３の周回毎に計算、制御することが望ましいが、可変遅延時間発生器２１の可変遅延時間１４に対応したパルス２１ａの現在の技術で実現できる最高の制御精度が±０．０１μ秒であること、バンチ３の周回毎に可変遅延時間１４を計算、制御しなくとも、荷電粒子を損失することなく十分効率的な加速を行うことができることから、階段状の可変遅延時間１４である必要な可変遅延時間パターン１４ｂを与えればよい。

従って、可変遅延時間１４は、一定時間の時間単位で制御することとなる。この単位のことを、制御時間単位１４ｃという。ここでは、０．１μｓである。

図４（Ａ）のグラフから、エネルギーレベルの低い入射１６ａの直後の陽子ビームは、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳでの加速においては、約１．０μｓの長さの可変遅延時間１４を必要とする。

さらに、陽子ビームは加速時間とともに、エネルギーレベルが増加し、それに伴って、可変遅延時間１４も短くなる。特に、約４５００ＭｅＶ以上から加速終了の付近では、可変遅延時間１４はほぼ０に近くなる。

従って、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１において、本発明である誘導加速装置５を用いることで、任意の荷電粒子の周回周波数に対しても、後述の可変遅延時間計算機２０磁場励磁パターンから計算される等価的な加速電圧値パターン１８ｊを、選択した荷電粒子に対応した磁場励磁パターンに書き換えること、又は磁場励磁パターンから計算される理想的な可変遅延時間パターン１４ａに対応した必要な可変遅延時間パターン１４ｂに書き換えることで、容易に任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することができることなる。

図６は、遅い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。なお、図５はＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳによる陽子ビームを加速する場合の磁場励磁パターン１５である。

横軸ｔは誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１に荷電粒子ビームが入射１６ａされた時間を基準にした運転時間である。第１縦軸Ｂは誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４の磁場強度である。第２縦軸ｖは加速電圧値１８ｃである。

遅い繰り返しとは、荷電粒子が前段加速器から入射１６ａされた時間を基準に、加速時間１６ｃを経て、出射１６ｂし、さらに次回の入射１６ａができるまでの時間である１周期１６が約数秒程度の遅い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１５による加速のことをいう。

この磁場励磁パターン１５は、荷電粒子ビームが入射１６ａされた直後から、磁場強度を徐々に高め、出射１６ｂの時点で最大磁場励磁状態になる。特に、荷電粒子ビームの入射１６ａの直後から、磁場強度は指数関数的に増加する。この時間帯の磁場励磁パターン１５を非線形励磁領域１５ａという。その後、加速終了１６ｄまでは、一次関数的な増加になる。この時間帯の磁場励磁パターン１５を線形励磁領域１５ｂという。

従って、荷電粒子ビームを誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１によって加速するためには、この磁場励磁パターン１５に同期して、加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａを発生させることが必要である。

そのときのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１５に同期する理想的な加速電圧値１８ｃ（Ｖａｃｃ）は、次式（７）に示す関係がある。
Ｖａｃｃ∝ｄＢ／ｄｔ・・・式（７）
これによって、求められる理想的な加速電圧値１８ｃを理想的な加速電圧値パターン１８ｆという。また理想的な加速電圧値パターン１８ｆと反対符号のリセット電圧値１８ｄを、理想的なリセット電圧値パターン１８ｇという。

すなわち、ある時間での必要な加速電圧値１８ｃは、当該時間での磁場励磁パターン１５の時間変化率と比例関係にある。よって、非線形励磁領域１５ａでは、磁場強度が二次関数的に増加していることから、必要となる加速電圧値１８ｉは、加速時間１６ｃの時間変化の一次に比例して変化することとなる。

一方、線形励磁領域１５ｂでの理想的な加速電圧値１８ｈは、加速時間１６ｃの変化に関係なく一定である。

なお、加速電圧１８ａは上述したように、連続して印加し続けることはできないので、加速電圧１８ａを印加した次回は、リセット電圧１８ｂが必要である。

従って、加速電圧１８ａをこの非線形励磁領域１５ａの磁場励磁パターン１５に同期させるためには、加速電圧値１８ｃを時間変化とともに増加させることが必要である。しかし、誘導加速セル６自体は、誘導電圧値の調整機構をもっていないため加速電圧値１８ｃは、一定の値でしか得られない。

一方、誘導加速セル６で発生させるバンクコンデンサー５ｆの充電電圧を制御することにより加速電圧値１８ｃを変化することも考えられるが、バンクコンデンサー５ｆは本来、出力変動に伴う充電電圧の変動を制御する目的で装荷されているものであるため、現実的にはバンクコンデンサー５ｆの充電電圧を変化させる方法は、加速電圧値１８ｃを速やかに制御する目的には使用できない。

そこで、図７に示すパルス密度を採用し、誘導加速装置５を用いて、加速電圧１８ａの発生タイミングを非線形励磁領域１５ａの磁場励磁パターン１５に同期させることとした。

図７は、パルス密度変化による加速電圧の制御方法を示す図である。図７（Ａ）は、図６の加速時間１６ｃの一部を拡大した図である。また、記号ｔ、ＢおよびＶの意味は、図６と同じである。

図７（Ｂ）は、図７（Ａ）における線形励磁領域１５ｂでの一定のバンチ３の周回回数における加速用の誘導電圧１８のパルス密度１９を示したものである。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）における非線形励磁領域１５ａでのパルス密度１９を示したものである。

加速用の誘導電圧１８の発生タイミング群をパルス密度１９という。このようなパルス密度１９をある周回数ごとにまとめて制御するバンチ３の周回数を、ここでは、制御単位１５ｃという。

大きく変化する磁場励磁パターン１５に同期させ、陽子ビームを加速するためには、まず、前提として線形励磁領域１５ｂで必要な加速電圧値１８ｈを印加できる誘導加速セル６によって、陽子ビームの周回ごとに一定電圧値である加速電圧１８ａを印加できることが必要である。

例えば、線形励磁領域１５ｂで式（７）の関係から必要な加速電圧値１８ｈが４．７ｋＶであるとすると、４．７ｋＶ以上の加速電圧１８ａを印加できる誘導加速セル６が必要である。そのときのパルス密度１９を図７（Ｂ）に示す。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の線形励磁領域１５ｂでの必要な加速電圧値１８ｈが４．７ｋＶであるから、４．７ｋＶの加速電圧１８ａをバンチ３の周回ごとに印加するとともに、リセット電圧１８ｂを印加するように調整することを示している。

次に、非線形励磁領域１５ａに同期するため理想的な加速電圧値パターン１８ｆをバンチ３に与えることが必要になる。それには一定値の加速電圧１８ａしか印加できない誘導加速セル６であっても、加速電圧１８ａの印加回数を制御単位１５ｃにおいて調整することで、理想的な加速電圧値パターン１８ｆと等価な加速電圧値１８ｃを与えることが可能になる。

すなわち、制御単位１５ｃにおける加速電圧１８ａの印加回数を０から、バンチ３の周回ごとに印加するよう、段階的に増加させることで、理想的な加速電圧値パターン１８ｆと一定時間においては、等価な加速電圧値１８ｃを与えることができる。この等価な加速電圧値１８ｃの集まりを等価的な加速電圧値パターン１８ｊという。

例えば、非線形励磁領域１５ａでの必要な加速電圧値１８ｉの最大値が４．７ｋＶ、加速電圧１８ａの制御単位１５ｃが１０周回であるとすると、加速電圧値１８ｉを０ｋＶ〜４．７ｋＶまで、０．４７ｋＶ間隔で段階的に調整することができる。その結果、非線形励磁領域１５ａでの等価的な加速電圧値パターン１８ｊは１０段階に分割できることとなる。そのときのパルス密度１９を図７（Ｃ）に示す。

図７（ｃ）は、非線形励磁領域１５ａにおいて、等価的な加速電圧値１８ｉが０．９７ｋＶである場合のパルス密度１９の制御方法の一例を示したものである。制御単位１５ｃのバンチ３の周回回数を１０とすると、１０周回の内の任意の２周回に４．７ｋＶの一定値の加速電圧１８ａを印加する。

具体的には図７（Ｃ）の実線で示した加速電圧１８ａ、リセット電圧１８ｂを発生させればよい。その方法は、点線で示した加速用の誘導電圧１８ｋ、リセット電圧１８ｌの印加をリアルタイムで停止することで可能である。

このような加速電圧１８ａの発生タイミングの制御を行うことにより、等価的な加速電圧値１８ｉである０．９７ｋＶを印加したことになる。なお、加速電圧１８ａの次には、リセット電圧１８ｂが必要なのは当然である。

また、０．４７ｋＶよりさらに小さい加速電圧値１８ｉが要求される場合には、バンチ３の周回数に対する加速電圧１８ａの印加回数の比を調整すればよい。例えば、加速電圧値１８ｉとして０．０９３ｋｖを必要とする場合は、バンチ３の１００周回ごとに２回加速電圧１８ａを印加すればよい。

ここで、非線形励磁領域１５ａが０．１秒間あるとすると、制御単位１５ｃを１０と設定した場合の各段階の時間は、０．０１秒となる。

すなわち、パルス密度１９の制御による加速電圧値１８ｃの調整は、バンチモニター９からの通過シグナル９ａを基に、デジタル信号処理装置１２、パターン生成器１３からなるインテリジェント制御装置７でゲート信号パターン１３ａの生成を停止する制御を行うことで可能である。

なお、制御単位１５ｃの間にバンチ３に印加された加速電圧値（Ｖａｖｅ）は、誘導加速セル６によって印加される一定値の加速電圧値１８ｃ（Ｖ_０）、及び制御単位１５ｃの加速電圧１８ａの印加回数（Ｎｏｎ）と加速電圧１８ａがオフの回数（Ｎｏｆｆ）から、次式（８）によって求められる。
Ｖａｖｅ＝Ｖ_０・Ｎｏｎ／（Ｎｏｎ＋Ｎｏｆｆ）・・・式（８）

つまり、本発明である誘導加速装置５を用いて、上述のような方法によって、制御単位１５ｃのパルス密度１９を調整し、ほぼ一定の電圧値（Ｖ_０）の加速電圧１８ａしか印加することができない誘導加速セル６であっても、理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊを与えることで、大きく変動する非線形励磁領域１５ａを含む遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５に同期して、加速電圧１８ａを荷電粒子ビームに印加することが可能となる。

上述のパルス密度１９は、等価的な加速電圧値パターン１８ｊとして、後述の誘導電圧演算機２２に予め与えることも、誘導電圧演算機２２でリアルタイム計算することができる。

なお、連続して印加する加速電圧１８ａと加速電圧１８ａを印加する時間（以下、パルス間隔１９ａという。）を徐々に短くすることで、バンチ３の周回時間の短縮に対応することができる。

図８は、過剰な値の誘導電圧を間欠的に印加する線形励磁領域での加速方法の一例を示す図である。横軸ｔは、誘導加速セル６内の時間的変化であり、縦軸ｖは、誘導電圧８の電圧値である。ｖ_０は、誘導加速セル６から印加される誘導電圧値である。

先の図７（Ａ）に示すパルス密度１９では、加速用の誘導電圧１８のみの印加しかできず、他の機能を有した誘導電圧８を印加することができない。

そこで、線形励磁領域１５ｂでも過剰の誘導電圧値を印加できる誘導加速セル６を用いて、線形励磁領域１５ｂにおいても、バンチ３の周回毎に加速用の誘導電圧１８を印加することなく、間欠的に加速用の誘導電圧１８を印加する。ここでは、線形励磁領域１５ｂのある連続した、バンチ３の１０周回を制御単位１５ｃとする、加速用の誘導電圧１８の印加方法を示した。

従来の加速用誘導加速セルによる加速であれば、必要的な加速電圧値１８ｃを毎周回印加すれば良いが、本発明である荷電粒子ビームの加速方法においては、バリアー電圧１７も加速用の誘導電圧１８を印加する誘導加速セル６から印加しなければならないため、バリアー電圧１７を印加する時間を確保する必要がある。

そのため、線形励磁領域１５ｂにおいても、過剰な加速電圧値１８ｃの加速電圧１８ａを用いることで、バリアー電圧１７を印加する時間を確保する。なお、バリアー電圧１７もバンチ３の周回毎に印加する必要がないことも、鋭意研究の結果みいだしたものである。

また、バリアー電圧１７の印加回数は、バンチ３を構成する荷電粒子の拡散度合い、加速エネルギーレベルにより異なる。

線形励磁領域１５ｂでの加速電圧値１８ｈに対して、約５倍の加速電圧値１８ｃを印加することができる誘導加速セル６から１０周回の内２回のみ加速電圧１８ａ及びリセット電圧１８ｂを印加している。点線で示した加速用の誘導電圧１８ｋ、リセット電圧１８ｌの印加を中止する。

これによる制御単位１５ｃである１０周回において、平均的にバンチ３が受けた加速電圧値１８ｃは、ほぼ線形励磁領域１５ｂにおいて必要的な加速電圧１８ａと等価になる。

その結果、線形励磁領域１５ｂでも、過剰な加速電圧値１８ｃを印加することができる誘導加速セル６を用いることで、バンチ３の周回毎に加速用の誘導電圧１８を印加する必要がなく、他の機能を有する誘導電圧８を印加する時間を確保することができる。

図９はデジタル信号処理装置の構成図である。デジタル信号処理装置１２は、可変遅延時間計算機２０、可変遅延時間発生器２１、誘導電圧演算機２２及びゲート親信号出力器２３からなる。

可変遅延時間計算機２０は、可変遅延時間１４を決定する装置である。可変遅延時間計算機２０には、荷電粒子の種類に関する情報、磁場励磁パターン１５、２４を基に計算される可変遅延時間１４の定義式が与えられている。上述した可変遅延時間１４を計算する一連の式（１）〜式（６）、または必要な可変遅延時間パターン１４ｂである。

荷電粒子の種類に関する情報とは、加速する荷電粒子の質量と電価数である。荷電粒子が誘導電圧８から得るエネルギーは電価数に比例し、これによって得られる荷電粒子の速度は荷電粒子の質量に依存する。可変遅延時間１４の変化は荷電粒子の速度に依存するため、これらの情報を予め与えておく。

可変遅延時間発生器２１は、ある周波数を基準とするカウンターで、バンチモニター９からの通過シグナル９ａをデジタル信号処理装置１２内に一定時間保持したのち通過させる装置である。例えば、１ｋＨｚのカウンターであれば、カウンターの数値１０００は、１秒と等価である。すなわち、可変遅延時間発生器２１に、可変遅延時間１４に相当する数値を入力することで、可変遅延時間１４の長さの制御を行うことができる。

具体的には、可変遅延時間発生器２１は、可変遅延時間計算機２０によって出力された可変遅延時間１４に相当する数値である可変遅延時間シグナル２０ａを基に、ゲート親信号１２ａの発生を可変遅延時間１４に相当する時間の間停止する制御を行う。

その結果、誘導電圧８の発生タイミングをバンチ３が誘導加速セル６に到達した時間、またバンチ３が誘導加速セル６に存在しない時間に合わせること、更には任意の時間を選択することもできることとなる。

例えば、可変遅延時間計算機２０によって、１５０という数値の可変遅延時間シグナル２０ａを上記１ｋＨｚのカウンターである可変遅延時間発生器２１に出力した場合、可変遅延時間発生器２１は、０．１５秒の間パルス２１ａの発生を遅らせる制御を行う。

可変遅延時間発生器２１は、バンチモニター９からの通過シグナル９ａ、及び可変遅延時間計算機２０からの可変遅延時間シグナル２０ａを受けて、バンチモニター９を通過したバンチ３毎に、次回の誘導電圧８を発生させるタイミングを計算して、誘導電圧演算機２２に可変遅延時間１４の情報であるパルス２１ａを出力する。

ここで、通過シグナル９ａとは、バンチ３がバンチモニター９を通過した瞬間にあわせて発生するパルスである。前記パルスはそれを伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切な強度を持つ電圧型、電流型、光型などがある。前記通過シグナル９ａを得るためのバンチモニター９は、従来から高周波シンクロトロンに使用されている荷電粒子の通過を感知するモニターでよい。

また、前記通過シグナル９ａは、デジタル信号処理装置１２にバンチ３の通過タイミングを時間情報として与えるために用いられる。バンチ３の通過により、発生したパルスの立ち上がり部によって、設計軌道２でのバンチ３の進行軸方向３ａでの位置が求められる。すなわち、通過シグナル９ａは、可変遅延時間１４の開始時間の基準である。

誘導電圧演算機２２は、誘導電圧８の種類、及び誘導電圧８を発生（オン）させるか、発生させない（オフ）か決定する装置である。

例えば、ある瞬間に必要な負のバリアー電圧値１７ｃ（正のバリアー電圧値１７ｄ）が−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）である場合、１＝パルス２２ａを発生させる、０＝パルス２２ａを発生させないと定義する。

−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）の一定値の負のバリアー電圧１７ａ（正のバリアー電圧１７ｂ）を用いて、バンチ３が１０周回する間に周回毎に負のバリアー電圧１７ａ（または正のバリアー電圧１７ｂ）を印加する、印加しないを、［１、０、・・・、１］と表す。

そして、１が５回、０が５回とすると、バンチ３が１０周回の間に受けた平均的な負のバリアー電圧値（正のバリアー電圧値）は−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）となる。このようにして、誘導電圧演算機２２が誘導電圧８をデジタル制御する。

例えば、等価的なバリアー電圧値パターンとは、１秒間に負のバリアー電圧値１７ｃ（正のバリアー電圧値１７ｄ）を０Ｖから−１ｋＶ（１ｋＶ）まで変化させ、０．１秒間隔で制御する場合、等価的なバリアー電圧値パターンは、加速開始から０．１秒間は０ｋＶ、０．１〜０．２秒間は−０．１ｋＶ（０．１ｋＶ）、０．２〜０．３秒間は−０．２ｋＶ（０．２ｋＶ）・・・０．９〜１．０秒間は−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）とする等のデーターテーブルである。

制御単位がｎ周であるとき、その間に加速電圧１８ａをｍ回荷電粒子ビームに与えた場合、荷電粒子ビームが制御単位１５ｃの内に受ける等価的な加速電圧値は、誘導加速セル６の出力する加速電圧値１８ｃのｍ／ｎ倍になる。

なお、ｍはｎより必ず小さくなることは明らかである。この条件は荷電粒子ビームの軌道が変化する速さに比べて、制御単位１５ｃが十分短い場合に成り立つ。この制御単位１５ｃは、制御単位１５ｃを短くすることで電圧精度が下がり適切な電圧を与えられなくなる下限、及び制御単位１５ｃを長くすることで軌道の変化に反応できなくなる上限の範囲内において、任意に選択することができる。

また、ある時間に必要な誘導電圧８の電圧値は、バンチ３の周回毎に、リアルタイムで計算することも可能である。ある時間に必要な誘導電圧８の電圧値をリアルタイムで計算する場合は、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４からその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル４ｂとして受け取り、予め計算する場合と同様な演算式により計算すればよい。

上述のようにして与えられた加速中のある時間に必要な誘導電圧８の電圧値を基にして決定された、ゲート親信号１２ａの発生を制御するパルス２２ａをゲート親信号出力器２３に出力する。

ゲート親信号出力器２３は、デジタル信号処理装置１２を通過した可変遅延時間１４とバリアー電圧１７のオンオフの両方の情報を含んだパルス２２ａをパターン生成器１３に伝達するためのパルス、すなわちゲート親信号１２ａを発生させる装置である。

ゲート親信号出力器２３から出力されるゲート親信号１２ａであるパルスの立ち上がりが、バリアー電圧１７の発生タイミングとして用いられる。また、ゲート親信号出力器２３は、誘導電圧演算機２２から出力されるパルス２２ａを、パターン生成器１３に伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切なパルス強度を持つ電圧型、電流型、光型などに変換する役割を持っている。

ゲート親信号１２ａは、通過シグナル９ａと同様に、バンチ３の通過を基に、適切な誘導電圧８を発生させるために可変遅延時間１４を経過した瞬間にゲート親信号出力器２３から出力される矩形の電圧パルスである。パターン生成器１３はゲート親信号１２ａであるパルスの立ち上がりを認識することで動作を開始する。

上述のようにしてなるデジタル信号処理装置１２は、バンチ３が周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からの通過シグナル９ａを基に、スイッチング電源５ｂの駆動を制御するゲート信号パターン１３ａの基となるゲート親信号１２ａをパターン生成器１３に出力する。つまりデジタル信号処理装置１２が誘導電圧８のオン及びオフを制御しているといえる。

リアルタイムで可変遅延時間１４、誘導電圧８の電圧値、印加時間を計算することにより、何ら設定を変更することなく、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１の磁場励磁パターン１５に対応して、バンチ３の周回周波数に同期した誘導電圧８を印加することが可能となる。

また、可変遅延時間１４を予め計算する場合には、可変遅延時間計算機２０の中の理想的な可変遅延時間パターン１４ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１４ｂ、誘導電圧演算機２２の中の等価的な加速電圧値パターン１８ｊを、選択した荷電粒子、磁場励磁パターンに則した計算結果に書き換えるだけで、バンチ３の通過と誘導電圧８の発生タイミングを常に合わせることができる。

図１０は、速い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。シンクロトロン１の運転方式には、速い繰り返し方式と、遅い繰り返し方式がある。何れも荷電粒子ビームを加速する過程において時間的に変動する磁場励磁パターン１５、２４をもつ。

上述のように、一定値である加速電圧１８ａを用いて、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５に同期して、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで加速できることを説明したが、本発明である誘導加速装置５及びその制御方法によれば、速い繰り返しの磁場励磁パターン２４であっても、加速用の誘導電圧１８を同期させることができる。

ここで、速い繰り返しとは、荷電粒子を前段加速器からの入射１６ａから開始し、加速時間１６ｃを経て、出射１６ｂし、さらに次回の入射１６ａができるまでの時間である１周期２５が約数十ミリ秒程度の速い繰り返しの磁場励磁パターン２４による加速のことをいう。

図１０の第１縦軸Ｂは、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１の磁場強度で、第２縦軸ｖは加速用の誘導電圧１８の電圧値である。第１横軸ｔは、磁場励磁パターン２４の時間的変化であり、第２横軸ｔ（ｖ）は、加速用の誘導電圧１８の発生時間であり、ともに荷電粒子ビームが誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１に入射１６ａした時間を基準としている。

速い繰り返しの磁場励磁パターン２４は、サインカーブの振幅を描くが、この磁場励磁パターン２４に同期する加速用の誘導電圧１８の電圧値は、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５から求める方法と同様に、前述の式（７）により計算される。

式（７）により計算された加速電圧値１８ｃの集まりが、理想的な加速電圧値パターン２４ａである。理想的な加速電圧値パターン２４ａは、磁場励磁パターン２４のある時間での磁場変化の時間微分に比例するため、理論的にはコサインカーブ形の加速電圧値１８ｃの変化が求められる。

当然に、理想的な加速電圧値パターン２４ａと逆向きの理想的なリセット電圧値パターン２４ｃと等価的なリセット電圧１８ｂを、荷電粒子ビームの存在しない時間帯に発生させなければならない。

この磁場励磁パターン２４に同期し加速電圧１８ａを印加させるためには、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５の場合に比べ要求される加速電圧値１８ｃは、時間とともに著しく増減する。

しかし、本発明による誘導加速装置５及びその制御方法によれば、等価的な加速電圧値パターン２４ｂを用いて、複雑な加速電圧値１８ｃの変化を伴う速い繰り返しの磁場励磁パターン２４に同期して、加速電圧１８ａを高速、かつ正確に制御することができる。

従って、あらゆる磁場励磁パターンにおいても、本発明である誘導加速装置５及びその制御方法を用いて、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することができるといえる。

図１１は、本発明である荷電粒子ビームの加速方法の一例（シミュレーション）を示す図である。１万個の荷電粒子（陽子）を４０ＭｅＶから５００ＭｅＶまでのエネルギーレベルに加速したときの加速挙動である。シミュレーションには、以下の条件を採用した。

１２ＧｅＶＰＳの前段にある小型のシンクロトロン（５００ＭｅＶブースターシンクロトロン）を仮定し、その真空ダクト２ａの周長を使用した。本発明である誘導加速装置５を構成するデジタル信号処理装置１２について、可変遅延時間１４は予め設定されておりバンチ３が誘導加速セル６を通過する瞬間に誘導電圧８を与えられるものと仮定した。

誘導電圧演算機２２には、予め誘導電圧８の発生パターン（間欠的な印加）を格納し、「磁場励磁パターンから決められる理想的な荷電粒子ビームのエネルギー」と「間欠的に誘導電圧８で加速した場合の荷電粒子ビームのエネルギー」とのずれが小さくなるように、不要な加速用の誘導電圧１８として機能する正の誘導電圧８ａを中止する方法を採用した。

誘導電圧８の印加時間８ｃ、８ｄは５２ｎｓｅｃ、負の誘導電圧８ｂ及び正の誘導電圧８ａの電圧振幅は１２ｋＶ、負の誘導電圧８ｂ及び正の誘導電圧８ａの発生間隔８ｅは１５ｎｓｅｃに固定した。

矩形の誘導電圧８の形状は、時間で変化させず、加速中同一の形状とした。なお、スイッチング電源５ｂに関する動作周波数の制限（１ＭＨｚ以下であること）から、負の誘導電圧８ｂ及び正の誘導電圧８ａの対を発生させた後は、少なくとも１μｓｅｃ休ませなければ、次の負の誘導電圧８ｂ及び正の誘導電圧８ａの対を発生させることができないこととした。

また、磁場励磁パターンは、５００ＭｅＶブースターシンクロトロンにおいて、０．５ｋＶ／周回である一定の加速電圧値１８ｃを必要とする遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５の線形励磁領域１５ｂを仮定した。このとき荷電粒子の周回周波数は、２ＭＨｚから６ＭＨｚと、スイッチング電源５ｂに関する動作周波数１ＭＨｚよりも高速で、かつ急激に変化する。

図１１（Ａ）から（Ｈ）の横軸Δt（ｎｓｅｃ）は、設計粒子を０としたとき、設計粒子からの荷電粒子のズレ（時間）である。時間の単位は、ナノ秒である。従って、図（Ａ）から（Ｈ）は、加速中のバンチ３の設計粒子に対するばらつきの程度を示している。

第１縦軸Ｖ（ｋＶ）は、誘導電圧８の電圧値である。第２縦軸Δｐ／ｐ（％）は、運動量偏差であり、荷電粒子のエネルギーのズレである。図１１各図は、入射１６ａ直後の０周回（図１１（Ａ））から６０万周回（図１１（Ｈ））までの周回の一部を示したものである。周回数は、横軸Δｔ（ｎｓｅｃ）の下に記載した。

図１１（Ａ）は、前段加速器によって、４０ＭｅＶまで加速された荷電粒子が真空ダクト２ａに入射１６ａされ、設計軌道２を周回し、バンチ３を形成している様子を表している。

図１１（Ｂ）は、１周回目のバンチ３の様子である。設計軌道２を周回するバンチ３に初めて、負の誘導電圧８ｂがバンチ頭部３ｄに、正の誘導電圧８ａがバンチ尾部３ｅに印加されていることから、負及び正のバリアー電圧１７ａ、１７ｂとして機能し、バンチ３を閉じ込めていることが分かる。

図１１（Ｃ）は、３周回目のバンチ３の様子である。点線で示した正の誘導電圧８ｆ、負の誘導電圧８ｇを印加すべきタイミングであるが、その印加を中止した。３周回目は、上述の設定された誘導電圧８の発生タイミングであるが、荷電粒子ビームのエネルギーレベルが、磁場励磁パターン２４から計算される必要な加速電圧値１８ｉに対して過剰であるため中止した。このような正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの印加を中止することは、実際にはデジタル信号処理装置１２を構成する誘導電圧演算機２２で判断される。

図１１（Ｄ）は、１１周回目のバンチ３の様子である。正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの何れも印加されていない。バリアー電圧１７として機能する正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂが印加されなくとも、その印加されない時間が許容範囲内である為、バンチ３は拡散することがなく、閉じ込められている。また、加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａが印加されなくとも、その印加されない時間が許容範囲内である為、磁場励磁パターン２４に同期している。従って、間欠的に誘導電圧８を印加することでも荷電粒子ビームを加速することができることが分かる。

図１１（Ｅ）は、１２周回目のバンチ３の様子である。ここでは正の誘導電圧８ａがバンチ中心３ｃを中心に全体に印加されていることから加速電圧１８ａとして機能している。従って負の誘導電圧８ｂは、リセット電圧１８ｂとして機能している。

図１１（Ｆ）は、５００周回目のバンチ３の様子である。点線で示した正の誘導電圧８ｆ、負の誘導電圧８ｇの印加を中止した。５００周回目は正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生タイミングであるが、図１１（Ｃ）と同じく印加が中止されている。なお、図１１（Ａ）において縦長のバンチ３が、図１１（Ｆ）では横長に変形していることから、その過程において間欠的な誘導電圧８の印加でもシンクロトロン振動３ｉが確認できる。なお、この変形は、断熱減衰によるものが大きいが、また荷電粒子の閉じ込め領域からのわずかな漏出の影響がある。

図１１（Ｇ）は５０万周回目、図１１（Ｈ）は６０万周回目のバンチ３の様子である。ともに、設計粒子に近い軌道に密集したバンチ３として、加速されていることが分かる。

間欠的にバンチ３に誘導電圧８を印加する本発明による荷電粒子ビームの加速方法によっても、バンチ３の閉じ込め、磁場励磁パターン２４に同期した加速、シンクロトロン振動周波数の制御、ビーム軌道の制御が可能であるから、荷電粒子ビームを任意のエネルギーレベルに加速することができるといえる。

ここで、ビーム軌道制御とは、誘導電圧８の発生タイミングを制御することにより、荷電粒子ビームを設計軌道２に維持することをいう。

シンクロトロン１はシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４による磁場強度によって、バンチ３を設計軌道２上に維持している。なお、荷電粒子ビームの軌道は、真空ダクト２ａの中心ではなく、シンクロトロン１を構成する偏向電磁石４の配置によって定められた、真空ダクト２ａの中心より外側、又は内側を周回する設計軌道２である。

偏向電磁石４による磁場強度がないと、バンチ３は、荷電粒子ビームがもつ遠心力により、真空ダクト２ａの壁面に衝突して失われる。この磁場強度は、加速時間１６ｃとともに変化する。その変化が磁場励磁パターン１５、２４である。

一旦加速する荷電粒子の種類、加速エネルギーレベル、シンクロトロン１の周長を決定すると、荷電粒子ビームの周回周波数バンド幅が一意に定まる。従って、高周波加速電圧と同様に、この磁場励磁パターン１５、２４に同期して進行軸方向３ａに加速するよう荷電粒子ビームに加速用の誘導電圧１８として機能する誘導電圧８を印加しなければならない。

しかし、バンチ３に印加する誘導電圧８の電圧値は一定ではなく、多少の増減がある。これは、バンクコンデンサー５ｆの充電電圧が理想値からズレることなど種々の要因に由来する。

その結果、磁場励磁パターン１５、２４に同期するため理想的な加速電圧値１８ｃより、実際に印加された加速電圧値１８ｃが過小であった場合は、バンチ３は設計軌道２から内側にズレることとなる。一方、理想的な加速電圧値１８ｃより、実際に印加された加速電圧値１８ｃが過剰であった場合は、荷電粒子ビームが設計軌道２から外側にズレる。

荷電粒子ビームを設計軌道２に修正する方法としては、加速電圧値１８ｃの大きさを変更することが考えられる。しかし、加速電圧値１８ｃを発生する誘導加速装置５は、誘導加速セル６が必要とする数十ｋＷの安定した出力電力を得るために、パルス電圧６ｆの振幅を定めるスイッチング電源５ｂの高圧充電部には大きなバンクコンデンサー５ｆ（静電容量）を装荷しなければならない。

このバンクコンデンサー５ｆの充電圧はパルス電圧６ｆの出力安定を目的とするため、高速に変化できない。このため現実的にはパルス電圧６ｆの振幅を高速に制御させることができない。

従って、使用するＤＣ充電器５ｃ、バンクコンデンサー５ｆが定まれば、出力電圧は一意に定まるため、電圧値を大きく、短時間で変化させることはできない。このためパルス電圧６ｆの振幅を変化させる方法では、誘導電圧８を磁場励磁パターン１５、２４に同期させることができない。

上述した誘導電圧８の電圧値の誤差を解消しなければ、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１においては、一端必要な加速電圧値１８ｃよりも高い、加速電圧値１８ｃを荷電粒子ビームが受けてしまうと、荷電粒子ビームのもつ遠心力によって、設計軌道２の外側にズレてしまい、荷電粒子ビームを加速することができない。

そこで、上記問題を解決するため、制御単位１５ｃにおいて、パルス密度１９をリアルタイムで補正して、補正したパルス密度１９に基づき、加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することで、荷電粒子ビームの軌道のズレを修正する。

具体的に、遅い繰り返しのシンクロトロン１において、図９に示すデジタル信号処理装置を用いた荷電粒子ビームの軌道制御方法について説明する。なお、可変遅延時間１４については、予め必要な可変遅延時間パターン１４ｂを求めて、可変遅延時間計算機２０に格納する。

可変遅延時間計算機２０が必要な可変遅延時間パターン１４ｂに基づき可変遅延時間１４に相当する可変遅延時間シグナル２０ａを生成し、可変遅延時間発生器２１が荷電粒子ビームが周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からのバンチ３の通過シグナル９ａ、前記可変遅延時間計算機２０からの可変遅延時間シグナル２０ａを受けて、可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａを生成する。

磁場励磁パターン１５を基に計算される理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊを格納した、加速用の誘導電圧１８として機能する誘導電圧８のオンオフを制御するパルス２２ａを生成する誘導電圧演算機２２が、前記可変遅延時間発生器２１からの可変遅延時間１４に相当するパルス２１ａ、及び設計軌道２にある荷電粒子ビームの設計軌道２からのズレを感知する位置モニター１１からの位置シグナル１１ａを受けて、制御単位１５ｃのパルス密度１９から過剰な加速用の誘導電圧１８の印加を停止する。

誘導電圧演算機２２で求められた誘導電圧８のオンオフの情報であるパルス２２ａ受けて、ゲート親信号出力器２３がパターン生成器１３に適したパルスであるゲート親信号１２ａを生成する。

このようにデジタル信号処理装置１２により求められたゲート親信号１２ａを、パターン生成器１３により、スイッチング電源５ｂの電流路のオンおよびオフの組み合わせであるゲート信号パターン１３ａへと変換する。このようにして、誘導電圧８のオンオフを制御することで、過剰な誘導電圧８の印加を中止する。

過剰な誘導電圧８を中止するために、バンチ３の通過を知るためのバンチモニター９、バンチ３の加速速度をリアルタイムで測定するための速度モニター１０、荷電粒子ビームが設計軌道２からどれだけ水平方向の内側、または外側にズレているかを検出する位置モニター１１などを利用する。

偏向電磁石４は鉄心、あるいは空芯に導体をコイル状に巻きつけた構造をしており、導体に電流を流すことで荷電粒子ビームの進行軸と垂直な磁場強度を発生させる。偏向電磁石４に発生している磁場強度は導体に流れる電流と比例関係にあるため、この比例係数をあらかじめ求めておき、電流量を測定して換算することで磁場強度を求めることができる。

速度モニター１０は、バンチ３の周回速度に応じた電圧値あるいは電流値、あるいはデジタル値を発生させる装置である。速度モニター１０はバンチモニター９のように荷電粒子ビームが通過した際に発生する電圧パルスあるいは電流パルスを、コンデンサーに蓄積して電圧値に変換するアナログ構造のものと、電圧パルスの数自体をデジタル回路で計数するデジタル構造のものが存在する。

位置モニター１１は、バンチ３の設計軌道２に対するズレに比例した電圧値を出力する装置である。位置モニター１１は、例えば、進行軸方向３ａに対して斜めのスリットを持つ２枚の導体によって構成されており、バンチ３の通過に伴い導体表面に電荷が誘起される。誘起される電荷の量はバンチ３と導体間の位置に依存する為、２枚の導体に誘起されるそれぞれの電荷の量はバンチ３の位置に依存して異なり、結果として２枚の導体に誘起される電圧値に差が生じることを利用する。

例えば、バンチ３が位置モニター１１の中心を通過した場合、誘起される電圧は等しいため、二つの導体に発生した電圧を差分した出力電圧値は０であり、設計軌道２の外側を通過した場合には中心からのズレに比例した正の電圧値、同様に内側を通過した場合には負の電圧値を出力する。

従って、偏向電磁石４、バンチモニター９、速度モニター１０、位置モニター１１は、高周波シンクロトロンの加速において用いられるものを利用することができる。

加速用の誘導電圧１８の発生タイミングの制御に使用される具体的シグナルは、偏向電磁石４から荷電粒子ビームが前段加速器から入射された瞬間に偏向電磁石４（加速器の制御装置を介して）から出力されるサイクルシグナル４ａ、さらにリアルタイムの磁場励磁パターンであるビーム偏向磁場強度シグナル４ｂ、バンチモニター９から荷電粒子ビームが該バンチモニター９を通過した情報である通過シグナル９ａ、バンチ３の周回速度である速度シグナル１０ａ、及び位置モニター１１から周回する荷電粒子ビームが設計軌道２からどれだけズレているかを示す情報である位置シグナル１１ａなどである。

可変遅延時間１４は、荷電粒子の種類、磁場励磁パターンが予め定まっているときは、予め計算し、必要な可変遅延時間パターン１４ｂとして与えることができる。

しかし、予め計算しておく場合は、荷電粒子ビームが設計軌道２から内側または外側に外れた場合には、荷電粒子ビームの軌道の修正ができない。そこで、予め可変遅延時間１４を計算した場合は、誘導電圧演算機２２で加速用の誘導電圧１８として機能する正の誘導電圧８ａの修正を行うこととなる。

また、荷電粒子ビームの周回速度を測定する速度モニター１０を使用し、リアルタイムで荷電粒子ビームの周回速度である速度シグナル１０ａを可変遅延時間計算機２０に入力すれば、上述の式（１）、及び式（２）に従って、荷電粒子の種類に関する情報を与えることなく、リアルタイムで可変遅延時間１４を計算することもできる。

リアルタイムで可変遅延時間１４を計算することにより、誘導加速装置５を構成するＤＣ充電器５ｃ、バンクコンデンサー５ｆ等に起因して、印加する加速電圧値１８ｃが所定の設定値から変動した場合、何らかの外乱によって、バンチ３の周回速度に突発的な変化が起こった場合であっても、誘導電圧８の発生タイミングを補正することで、荷電粒子ビームの軌道を修正することが可能となる。

なお、可変遅延時間計算機２０には、偏向電磁石４（加速器の制御装置を介して）からサイクルシグナル４ａが入力される。サイクルシグナル４ａとは、荷電粒子ビームがシンクロトロン１に入射される際に偏向電磁石４（加速器の制御装置を介して）から発生するパルス電圧であり、加速開始の情報である。通常、シンクロトロン１は、荷電粒子ビームの入射１６ａ、加速、出射１６ｂを何度も繰り返す。

従って、予め可変遅延時間１４を開始している場合には、可変遅延時間計算機２０は、加速の開始であるサイクルシグナル４ａを得て、予め計算された可変遅延時間１４に基づいて、可変遅延時間シグナル２０ａを可変遅延時間発生器２１に出力する。

上述のように、誘導電圧８の電圧値が一定でないこと、また加速中の突発的なトラブルにより、荷電粒子ビームが設計軌道２よりズレた場合に軌道を修正するために、誘導電圧８の発生の停止、すなわちパルス密度１９の変更を行う必要がある。

誘導電圧演算機２２で荷電粒子ビームの軌道を修正するためには、予め、修正のための基礎データーとして、どれだけの加速電圧値１８ｃを荷電粒子ビームに与えると、どれだけ荷電粒子ビームの軌道が設計軌道２から外側へ移動するかの情報を加速電圧演算機１６に与えておく必要がある。

次に、誘導電圧演算機２２は、設計軌道２にある位置モニター１１から、加速中のある時点において、荷電粒子ビームがどれだけ設計軌道２からズレているかを位置シグナル１１ａとして受け、荷電粒子ビームの軌道を修正するための計算をバンチ３の周回毎にリアルタイムで行う。

荷電粒子ビームの軌道を制御単位の周回数ｎで修正するために必要な１周当たりの加速電圧は、現在の軌道半径をρ、その時間微分をρ’、磁場強度をＢ、その時間微分をＢ’、及びシンクロトロンの全長をＣ_０とすると、次式（９）によって近似的に求められる。
Ｖ＝Ｃ_０×（Ｂ’×ρ＋Ｂ×ρ’）・・・式（９）
このＶは、制御単位１５ｃにおける誘導加速セル６で印加される平均的な加速電圧値である。なお、式（９）の右辺を現代制御理論などから求められた、数値計算式によって表される任意の式に拡張することができることは当然である。

Ｖ＝（ｍ／ｎ）Ｖａｃｃ（ｍ＜ｎ）・・・式（１０）
ここで、Ｖａｃｃは、上述の式（７）によって求められる、理想的な加速電圧値である。

ρ’およびＢ’は、１周当たりのバンチ３の周回時間をｔ、制御単位内の軌道半径をΔρ、及び制御単位１５ｃ位内の磁場強度の変化をΔＢ、ｔを周回数ｎだけ足し合わせた量をΣｔとすると、次式（１１）、式（１２）によって求められる。
ρ’＝Δρ／（Σｔ）・・・式（１１）
Ｂ’＝ΔＢ／（Σｔ）・・・式（１２）
なお、これらのρ’、Ｂ’は、リアルタイムで誘導電圧８を制御する場合は、誘導電圧演算機２２で計算する。

１周当たりのバンチ３の周回時間ｔは、速度モニター１０などから得られた周回速度をｖ、及びシンクロトロンの全長をＣ_０とすると、次式（１３）で求められる。
ｔ＝Ｃ_０／ｖ・・・式（１３）
このｔは、バンチ３の周回毎に異なる値をとる。

これらの過程より求められた加速電圧値の計算結果に基づいて、必要な誘導電圧８を印加する、又は、過剰な加速電圧値に相当する加速用の誘導電圧１８として機能する正の誘導電圧８ａの印加を停止する。なお、正の誘導電圧８ａの印加を停止するとは、次回に予定されていた加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａの発生自体を行わないことをいう。

荷電粒子ビームの軌道が設計軌道２から外側にズレるのは、荷電粒子ビームに印加された加速電圧値１８ｃが、その瞬間に必要な加速電圧値１８ｃより過剰であるため、偏向電磁石４の磁場励磁パターンと同期がとれないことによる。

従って、予め、又はリアルタイムで磁場励磁パターン１５から計算される等価的な加速電圧値パターン１８ｊと、位置シグナル１１ａによってえられる軌道のズレから、過剰な加速電圧値を計算し、予め与えられている等価的な加速電圧値パターン１８ｊから過剰な加速電圧値を減じたパルス密度に修正する。

パルス密度１９を修正するとは、予め与えられていた、その瞬間に必要な加速電圧値１８ｃ、及び制御単位１５ｃにおけるパルス密度１９から、過剰分の加速電圧値に相当する加速電圧１８ａとして機能するの正の誘導電圧８ａの印加を停止することをいう。

なお、予め与えられる等価的な加速電圧値パターン１８ｊとは別に、例えば、少しでも荷電粒子ビームが設計軌道２から外側に外れた場合は、「大きく修正する」、「緩やかに修正する」などの荷電粒子ビームの軌道修正用のパルス密度１９などを予め与え、適宜必要なパルス密度１９を選択する方法で、荷電粒子ビームの軌道を制御することも可能である。

他に、上述した、等価的な加速電圧値パターン１８ｊのある時間の制御単位１５ｃのパルス密度１９を、誘導電圧演算機２２に格納した別のパルス密度１９に置換することでも荷電粒子ビームの軌道を設計軌道２に維持することができる。

また、リアルタイムで、可変遅延時間１４、誘導電圧８のオンおよびオフを制御する場合においては、バンチ３の周回毎に誘導電圧８を制御することにより、結果的に荷電粒子ビームの軌道を設計軌道２に位置させることができる。

上述のような制御法を採用することにより、加速器の大きさによって異なる荷電粒子ビームの軌道変動の様子に対しても適切な軌道制御が可能になる。

なお、磁場励磁パターン１５、或いは等価的な加速電圧値パターン１８ｊ、修正用の基礎データー、修正用のパルス密度１９は書き換え可能なデーターとして、選択した荷電粒子の種類、磁場励磁パターンによって変更できる。

これらデーターを書き換えるだけで、本発明である誘導加速装置５を、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することにも利用することができる。

又は、荷電粒子ビームの軌道を制御するためには、ある時間に必要な加速電圧値１８ｃは、バンチ３の周回毎にリアルタイムで計算することが必要である。ある時間に必要な加速電圧値１８ｃをリアルタイムで計算する場合は、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４（加速器の制御装置を介して）からその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル４ｂとして受け取り、予め計算する場合と同様な演算式により計算すればよい。

なお、図９の電流計である誘導電圧モニター５ｄで得られる誘導電圧８の電圧値である誘導電圧シグナル５ｅをデジタル信号処理装置１２の誘導電圧演算機２２にフィードバックすることでも、理想的な加速電圧値パターン１８ｆに対応する等価的な加速電圧値パターン１８ｊを計算することもできる。

また、位置モニター１１と誘導電圧モニター５ｄとを併用することで、より精度よく荷電粒子ビームの軌道のズレを知ることができるため、荷電粒子ビームの軌道制御をより精度よく行うことができる。

従って、誘導電圧演算機２２は、バンチモニター９から送られてくる通過シグナル９ａを用いて、単にバンチ３の周回ごとに加速電圧１８ａを毎回出力するのではなく、リアルタイムで荷電粒子ビームの軌道修正に必要な加速電圧値を測定し、誘導電圧演算機２２に予め与えられた等価的な加速電圧値パターン１８ｊに基づくパルス密度１９を修正するためにパルス２２ａを間欠出力する機能を持つものである。

従って、本発明である誘導加速装置５を用いて、可変遅延時間１４、加速用の誘導電圧１８として機能する誘導電圧８のパルス密度１９を制御することで、ほぼ一定の電圧値（Ｖ_０）の加速電圧８１ａしか印加することができない誘導加速セル６であっても、あらゆる磁場励磁パターンに対しても、荷電粒子ビームが設計軌道２を外れることなく、設計軌道２に維持させることが可能である。

また、本発明である誘導加速装置５で誘導電圧８の発生タイミングをリアルタイムで制御することにより、パルス密度をリアルタイムで修正し、あらゆるシンクロトロンの運転方式、すなわち、あらゆる磁場励磁パターンに同期させて、荷電粒子ビームの軌道のズレを修正し、基の設計軌道２に位置させることができる。

加えて、荷電粒子ビームを、設計軌道２に対して、内側、又は外側の任意の軌道を周回させることもできる。

図１２は、図１１の加速シミュレーションのときの誘導電圧の発生パターンの一部を示す図である。横軸は（Ｔ）は、１００周回までのバンチ３の周回数であり、縦軸のａｃｃ．は加速用の誘導電圧１８の発生、ｃｏｎ．はバリアー電圧が発生したこと、ｏｆｆは誘導電圧８が発生しなかったことを意味する。

点線で示した加速用の誘導電圧１８ｋは、誘導電圧演算機２２に発生するタイミングとして、誘導電圧演算機２２にプログラムされていたが、荷電粒子ビームのエネルギーレベルが、磁場励磁パターン２４から求められる等価的な加速電圧値パターン２４ｂより過剰であるために、その発生を中止した加速用の誘導電圧１８である。

磁場励磁パターンが与えられれば、あるタイミングt＝t_０での設計粒子のエネルギーが与えられるので、加速開始からt＝t_０までに間欠的に与えた加速電圧値１８ｃの総和に電荷ｅを掛けたものと比較することで、過剰である否か判断する。

図１２に示した誘導電圧８の発生パターンから分かるように、バンチ３の１００周回の内、誘導電圧８の印加回数は加速用の誘導電圧１８として６回、バリアー電圧１７としてが２２回である。従って、一組の誘導加速装置５から同一形状の多機能の誘導電圧８をバンチ３の周回毎に印加することなく間欠的に印加することでも、荷電粒子ビームを加速することができることが分かる。

なお、誘導電圧８が印加されていないバンチ３の周回もあることから、そのタイミングでシンクロトロン振動周波数を制御するバリアー電圧１７として機能する誘導電圧８、ビーム軌道制御する加速用の誘導電圧１８として機能する誘導電圧８を印加することが可能であることも分かる。

図１３は、本発明である荷電粒子ビームの加速方法によってスーパーバンチを構築する方法（シミュレーション）を示した図である。

図１３（Ａ）から（Ｉ）の順に３つのバンチ３、３ｊ、３ｌを結合させて、スーパーバンチ３ｍが形成される。なお、ｔｕｒｎは、図１１（Ａ）から（Ｆ）までは、バンチ３に初めて誘導電圧８が印加する周回を０ｔｕｒｎとしたときのバンチの周回数であり、図１１（Ｆ）から（Ｈ）では、２つのバンチ３、３ｊが結合したバンチ３ｋに、さらに３つめのバンチ３ｌを結合する場合において、バンチ３ｋに初めて誘導電圧８を印加する周回のときを０ｔｕｒｎとしたときのバンチ３の周回数である。

横軸ｔｉｍｅ［ｎｓｅｃ］は、真空ダクト２ａに入射１６ａされたバンチ３に印加する負のバリアー電圧１７ａとして機能する負の誘導電圧８ｂが初めて印加される時間を０としたときの誘導電圧８の発生時間である。また、荷電粒子の位相空間の存在位置も表す。

第１縦軸Δｐ／ｐ［％］は、運動量偏差であり、荷電粒子のエネルギーのズレである。第２縦軸Ｖｓｔｅｐ［Ｖ］は誘導電圧８の電圧値である。

シミュレーション条件は、次のようにした。パルス振幅は５．８ｋｖ、印加時間８ｃ、８ｄは２５０ｎｓｅｃ、正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生間隔８ｅは８０ｎｓｅｃとした。なお、シミュレーションの入射１６ａしたバンチ３、３ｊ、３ｌは、Δｐ／ｐ（％）を０．１％とした。また、結合させるバンチ３を閉じこめている正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生時間は、１００ｔｕｒｎ毎に１０ｎｓｅｃの割合で、結合させるバンチ側に移動させる。

図１３（Ａ）は、真空ダクト２ａに入射１６ａされたバンチ３、３ｊの内、正の誘導電圧８ａと負の誘導電圧８ｂによって、バンチ３を閉じ込めている様子である。すなわち、ここで印加されて誘導電圧８は、バリアー電圧１７として機能している。

図１３（Ｂ）は、３１０ｔｕｒｎ目の様子である。正の誘導電圧８ａと負の誘導電圧８ｂによって、バンチ３ｊを閉じ込めている。すなわち、ここで印加された誘導電圧８は、バンチ３ｊにバリアー電圧１７として機能している。

また、バンチ３、３ｊはバリアー電圧１７を受けることから、シンクロトロン振動３ｉが起きていることも分かる。バンチ３については、負の誘導電圧のみバリアー電圧１７として機能することから、バンチ３の右側ではシンクロトロン振動３ｉが起きており、バンチ３の左側ではわずかに、荷電粒子が拡散していることも確認できる。

図１３（Ｃ）は、１３０２ｔｕｒｎ目の様子である。バンチ３とバンチ３ｊが接近し、一部統合されてきている。ここでの正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂは、バンチ３に対して、バリアー電圧１７として機能している。正の誘導電圧８ａは、一部バンチ３ｊのバンチ頭部３ｄに影響（加速）を与えているものの、バンチ３ｊを構成する荷電粒子が極端に消失することはない。

図１３（Ｄ）及び（Ｅ）は、それぞれ、３１３０ｔｕｒｎ、５９４７ｔｕｒｎ目の様子である。図１３（Ｄ）及び（Ｅ）では、徐々にバンチ３ｊがバンチ３に近づき、結合しバンチ３ｋを形成している様子が分かる。ここで、バリアー電圧１７、加速用の誘導電圧１８、シンクロトロン振動周波数制御にも用いられることのない、つまり機能のない正及び負の誘導電圧８ｈ、８ｉが印加されることになる。

図１３（Ｄ）においては、正の誘導電圧８ａは、バンチ３ｋに対しては、正のバリアー電圧１７ｂとしての機能を有する。しかし、負の誘導電圧８ｉは２つのバンチ３と３ｊが結合し、新たに構築されたバンチ３ｋのバンチ中心３ｃに進行軸方向３ａと逆向きの誘導電圧８として印加されている。

従って、機能のない誘導電圧８であり、不要である。しかし、正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂは、交互に印加しなければ上述したように磁性体６ｃが電気的に飽和し、誘導電圧８を印加できなくなる。

そこで、このような不要な正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂが近い周回数で対で印加され電圧を打ち消し合うことにより、荷電粒子ビームへの不要な正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの影響を低減することができる。なお、図１３（Ｅ）においても負の誘導電圧８ｉは不要である。

また、図１３（Ｂ）と（Ｄ）の正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生間隔８ｅを比較すると、（Ｄ）は（Ｂ）から約２８００周回後のバンチ３の周回の様子であるから、約２８００周回／１００周回×１０ｎｓｅｃ＝約２８０ｎｓｅｃ早まって発生していることが分かる。

図１３（Ｆ）は、２つのバンチ３、３ｊが結合し、新たに構築されたバンチ３ｋにさらに別のバンチ３ｌを結合させる場合の最初の段階（０ｔｕｒｎ）を示している。なお、正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生間隔８ｅは、図１３（Ａ）と同じく８０ｎｓｅｃに戻す。

ここでは、バンチ３ｋに印加された負の誘導電圧８ｂは、負のバリアー電圧１７ａとして機能している。また、正の誘導電圧８ａは、機能のない正の誘導電圧８ｈとしてバンチ３ｋのバンチ中心３ｃに印加されている。同様に１６５ｔｕｒｎ目である図１３（Ｇ）における負の誘導電圧８ｉも不要である。これらの機能のない正及び負の誘導電圧８ｈ、８ｉは、近い周回数で印加されることから、対として打ち消し合う。

図１３（Ｈ）は、３３０ｔｕｒｎ目の様子であり、新たに結合する３番目のバンチ３ｌに正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂが印加される。この誘導電圧８は、バンチ３ｌの閉じ込め機能を発揮していることから、バリアー電圧１７として機能している。ここでも、シンクロトロン振動３ｉが見て取れる。

図１３（Ｉ）は、形成されたスーパーバンチ３ｍの粒子密度分布３ｎを表す。横軸ｔｉｍｅ［ｎｓｅｃ］は、誘導加速セル６によってバンチ頭部３ｄに印加される負の誘導電圧８ｂの発生時間を０として表した荷電粒子が存在する時間幅である。ここでもシンクロトロン振動３ｉが起きていることが見て取れる。

第１縦軸Δｐ／ｐ［％］は、運動量偏差であり、荷電粒子のエネルギーのズレである。第２縦軸ｄｅｎｓｉｔｙは、荷電粒子の粒子密度分布３ｎであり、単位は相対的比率である。

ここでバンチ頭部３ｄに負のバリアー電圧１７ａと同じ機能を有する負の誘導電圧８ｂ、バンチ尾部３ｅに正のバリアー電圧１７ａと同じ機能を有する正の誘導電圧８ａを印加することにより、スーパーバンチ３ｍを閉じ込める。これにより、スーパーバンチ３ｍを閉じ込めること、また、シンクロトロン振動周波数制御を可能にする。

このように、本発明である一組の誘導加速装置５を用いて、間欠的に誘導電圧８を与えることにより、複数のバンチ３を結合して、スーパーバンチ３ｍを構築することも可能である。また、正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂの発生間隔８ｅをスーパーバンチ３ｍの長さに調整することで、閉じ込めることが可能であり、スーパーバンチ３ｍの長さ全体に印加することが可能な印加時間１８ｅを確保することでスーパーバンチ３ｍとして任意のエネルギーレベルに加速することが可能である。

スーパーバンチ３ｍの全体に加速電圧１８ａを印加する装置、方法について、次に図１４を参照して具体的に説明する。

図１４は、複数の誘導加速セルを用いて、誘導電圧値を変更する一例を示す図である。一般に負および正のバリアー電圧１７ａ、１７ｂは短い印加時間で相対的に高圧、加速電圧１８ａは長い印加時間で相対的には低圧、リセット電圧１８ｂは、加速電圧１８ａとエネルギー的に等価になるような印加時間と電圧値が要求される。

複数の誘導加速セル６を用いることで、上記要求を容易に満足させることができる。そこで、以下に３連の誘導加速セル６を用いたときの運転パターンについて説明する。この方法によれば、荷電粒子の選択、到達エネルギーレベルの選択の自由度を増すことできる。

図１４（Ａ）は、３連の誘導加速セル６によって与えられるバリアー電圧１７の大きさと、印加時間を示している。横軸ｔがバリアー電圧１７の印加時間であり、縦軸Ｖ（ｔ）がバリアー電圧１７の電圧値を意味する。

図１４（Ａ）の（１）、（２）及び（３）はそれぞれ第１誘導加速セル６、第２誘導加速セル６及び第３誘導加速セル６から印加されたバリアー電圧１７を表す。また（４）は３連の誘導加速セル６によって、バンチ３に印加された合計の負及び正のバリアー電圧値１７ｅ、１７ｆを示している。

同じ周回数で３連の誘導加速セル６に到達したバンチ３に（１）から（３）の順に、先ず負のバリアー電圧１７ａをバンチ頭部３ｄに印加する。このときバンチ３は高速であるため、ほぼ同時に（１）から（３）の負のバリアー電圧１７ａを印加すればよい。

同様に正のバリアー電圧１７ｂをバンチ尾部３ｅに印加する。従って、バンチ頭部３ｄ、バンチ尾部３ｅには、（４）に示す合計の負及び正のバリアー電圧値１７ｅ、１７ｆと等しい電圧値がバンチ３に印加されたこととなる。

このように誘導加速セル６を連ね、同じ周回数で各々の誘導加速セル６の誘導電圧発生タイミングをずらすことで、各々の誘導加速セル６により印加される負及び正のバリアー電圧値１７ｃ、１７ｄが低くとも、高いバリアー電圧値１７ｅ、１７ｆを得ることができることになる。すなわち、実効的に必要なバリアー電圧１７（バリアー電圧１７として機能する正及び負の誘導電圧８ａ、８ｂ）の電圧値を容易に変更し得ることができる。ただし、誘導加速セル６と同じ数の誘導加速装置５を必要とする。

なお、同一周回ではなく、別周回で間欠的に与えると、バリアー電圧値は周回数を用いた平均値となるので、誘導加速セル６により印加される負及び正のバリアー電圧値１７ｃ、１７ｄよりも低い値となる。この場合一組の誘導加速装置５でも、実効的に必要なバリアー電圧１７の電圧値を容易に変更し得る。複数の誘導加速セル６を必要としないことから経済的である。

図１４（Ｂ）は、３連の誘導加速セル６によって与えられる加速用の誘導電圧１８の大きさと、印加時間１８ｅを示している。横軸ｔが加速用の誘導電圧１８の印加時間１８ｅであり、縦軸Ｖ（ｔ）が加速用の誘導電圧１８の電圧値を意味する。

図１４（Ｂ）の（１）、（２）及び（３）はそれぞれ第１誘導加速セル６、第２誘導加速セル６及び第３誘導加速セル６から印加された加速用の誘導電圧１８を表す。また（４）は３連の誘導加速セル６によって、バンチ３に印加された加速電圧１８ａの合計の印加時間１８ｍ及び合計のリセット電圧値１８ｎを示している。

同じ周回数で３連の誘導加速セル６に到達したバンチ３に同じ周回数で（１）から（３）の順に、先ず一定の加速電圧値１８ｃである加速電圧１８ａを印加する。このとき（１）から（３）のように印加時間をずらすことでバンチ３の全体に加速電圧１８ａを印加することができる。

従って、バンチ３の全体に（４）に示す合計の印加時間１８ｍと等しい印加時間を確保することができる。

また、３連の誘導加速セル６にバンチ３が存在しない時間帯に誘導加速セル６の磁気的飽和を回避するためリセット電圧１８ｂを印加する。合計のリセット電圧値１８ｎは、実効的にリセット電圧１８ｂの３倍と高電圧となるが、各々の誘導加速セル６にかかる電圧は実質的にはリセット電圧１８ｂでありリセット電圧１８ｂよりも少ないので、１台の誘導加速セル６で加速電圧１８ａとリセット電圧値１８ｎを与えるよりも放電による破壊の恐れは少ない。

なお、一組の誘導加速装置５を用いても、加速電圧１８ａもバリアー電圧１７と同様に、同一周回でなく、別周回で間欠的に与えると、一組の誘導加速装置５で実効的に必要な加速電圧１８ａ（加速電圧１８ａとして機能する正の誘導電圧８ａ）の印加時間を確保することができる。複数の誘導加速セルを必要としないことから経済的である。リセット電圧１８ｂ（リセット電圧１８ｂとして機能する負の誘導電圧８ｂ）についても同じである。

理論的には、このリセット電圧１８ｂを印加する時間帯以外は、加速電圧１８ａを印加する時間として利用することができるため、任意の荷電粒子ビームをスーパーバンチ３ｍとして加速することが可能である。

このように誘導加速セル６を連ねることで、１つの誘導加速セル６では短い印加時間１８ｅしか加速電圧１８ａを印加できなくても、長い印加時間１８ｍを確保することが可能になる。つまり、低圧の誘導電圧８しか発生することができない誘導加速セル６であっても、閉じ込めと加速の二つの機能を充分発揮することができる。ゆえに、誘導加速セル６を用いた加速器の製造コストが低く抑えられる。

図１５は、本発明である誘導加速装置を含む加速器の全体構成図である。なお、本発明である加速器２６は、バンチ３の加速を制御する誘導加速装置５以外の装置は、従来の高周波シンクロトロン複合体一式で使用されていた装置を用いることができる。

加速器２６は、入射装置２９、誘導加速シンクロトロン２７、及び出射装置３３からなる。入射装置２９は、誘導加速シンクロトロン２７の上流にあるイオン源３０、前段加速器３１、入射機器３２及びそれぞれの装置を連結し、荷電粒子ビームの連絡通路である輸送管３０ａ、３１ａからなる。

イオン源３０は、電子サイクロトロン共鳴加熱機構を利用したＥＣＲイオン源やレーザー駆動イオン源などがある。

前段加速器３１は、電圧可変の静電加速器や線形誘導加速器などが汎用である。また、利用する荷電粒子種が決まっている場合は小サイクロトロン等も使用可能である。

入射機器３２は、高周波シンクロトロン複合体一式で使用されていた機器が利用される。特に本発明である加速器２６において特別な装置、方法は必要ない。

以上の構成よりなる入射装置２９は、イオン源３０で発生した荷電粒子を前段加速器３１で一定のエネルギーレベルまで加速し、入射機器３２で前記誘導加速シンクロトロン２７に入射するものである。

誘導加速シンクロトロン２７は、荷電粒子ビームの設計軌道２が中にある環状の真空ダクト２ａと、設計軌道２の曲線部に設けられ荷電粒子ビームの円軌道を保持する偏向電磁石４と、設計軌道２の直線部に設けられバンチ３の拡散を防止する収束電磁石２８と、真空ダクト２ａの中に設けられバンチ３の通過を感知するバンチモニター９と、真空ダクト２ａの中に設けられバンチ３の重心位置を感知する位置モニター１１と、真空ダクト２ａに接続されたバンチ３を進行軸方向３ａに閉じ込め、加速するための誘導電圧８の発生タイミングを制御する誘導加速装置５から構成される。

誘導加速装置５は図１に、デジタル信号処理装置１２は図９に示した構成であり、誘導電圧８の発生タイミングを制御し、荷電粒子ビームの閉じ込め、加速、バンチ３の移動を行う。閉じ込めによって、バンチ３に位相安定性を与え、バンチ３のシンクロトロン振動周波数を制御する。さらに加速電圧１８ａを印加することにより、荷電粒子ビームの周回軌道を任意に制御することができる。

また、バンチ３を移動することができることから、複数のバンチ３を結合して、スーパーバンチ３ｍを構築、加速することが可能である。

出射装置３３は、誘導加速シンクロトロン２７で所定のエネルギーレベルまで達した荷電粒子ビームを利用する実験装置３５ｂなどが設置された施設３５ａに連結する輸送管３４ａとビーム利用ライン３５に取り出す出射機器３４からなる。なお、実験装置３５ｂには、治療に用いられる医療設備等も含まれる。

出射機器３４は、速い取り出しができるキッカー電磁石、又はベータートロン共鳴等を利用した遅い取り出しを行う装置などがあり、荷電粒子ビームの種類、用途に応じて選択することができる。

上記構成によりなる本発明である加速器２６は１台であらゆる荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することができるようになった。

本発明を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。 真空ダクトに連結している誘導加速セルの断面模式図である。 誘導加速装置を構成するスイッチング電圧と誘導加速セルの等価回路図である。 可変遅延時間についての説明図である。 加速エネルギーレベルと可変遅延時間との関係を示す図である。 遅い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。 パルス密度変化による加速電圧の制御方法を示す図である。 過剰な値の誘導電圧を間欠的に印加する線形励磁領域での加速方法の一例を示す図である。 デジタル信号処理装置の構成図である。 速い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。 本発明である荷電粒子ビームの加速方法の一例（シミュレーション）を示す図である。 図１１のシミュレーションのときの誘導電圧の発生パターンを示す図である。 本発明である荷電粒子ビームの加速方法によってスーパーバンチを構築する方法（シミュレーション）を示した図である。 複数の誘導加速セルを用いて、誘導電圧値を変更する一例を示す図である。 本発明である誘導加速装置を含む加速器の全体構成図である。 従来の機能の異なる誘導加速セルから印加させる誘導電圧による荷電粒子ビームの加速原理を示す図である。 シンクロトロン振動を示す図である。 従来の誘導電圧によるスーパーバンチの生成過程の一例を示した図である。

符号の説明

１ シンクロトロン
２ 設計軌道
２ａ 真空ダクト
３ バンチ
３ａ 進行軸方向
３ｂ 移動時間
３ｃ バンチ中心
３ｄ バンチ頭部
３ｅ バンチ尾部
３ｆ 中心加速電圧
３ｇ 頭部加速電圧
３ｈ 尾部加速電圧
３ｉ シンクロトロン振動
３ｊ バンチ
３ｋ バンチ
３ｌ バンチ
３ｍ スーパーバンチ
３ｎ 粒子密度分布
３ｏ バンチ
４ 偏向電磁石
４ａ サイクルシグナル
４ｂ ビーム偏向磁場強度シグナル
５ 誘導加速装置
５ａ 伝送線
５ｂ スイッチング電源
５ｃ ＤＣ充電器
５ｄ 誘導電圧モニター
５ｅ 誘導電圧シグナル
５ｆ バンクコンデンサー
５ｇ 第１スイッチ
５ｈ 第２スイッチ
５ｉ 第３スイッチ
５ｊ 第４スイッチ
５ｋ マッチング抵抗
６ 誘導加速セル
６ａ 内筒
６ｂ 外筒
６ｃ 磁性体
６ｄ 絶縁体
６ｅ 電場
６ｆ パルス電圧
６ｇ １次電流
６ｈ 端部
６ｉ 加速ギャップ
７ インテリジェント制御装置
８ 誘導電圧
８ａ 正の誘導電圧
８ｂ 負の誘導電圧
８ｃ 印加時間
８ｄ 印加時間
８ｅ 発生間隔
８ｆ 正の誘導電圧
８ｇ 負の誘導電圧
８ｈ 正の誘導電圧
８ｉ 負の誘導電圧
９ バンチモニター
９ａ 通過シグナル
１０ 速度モニター
１０ａ 速度シグナル
１１ 位置モニター
１１ａ 位置シグナル
１２ デジタル信号処理装置
１２ａ ゲート親信号
１３ パターン生成器
１３ａ ゲート信号パターン
１４ 可変遅延時間
１４ａ 理想的な可変遅延時間パターン
１４ｂ 必要な可変遅延時間パターン
１４ｃ 制御時間単位
１５ 磁場励磁パターン
１５ａ 非線形励磁領域
１５ｂ 線形励磁領域
１５ｃ 制御単位
１６ １周期
１６ａ 入射
１６ｂ 出射
１６ｃ 加速時間
１６ｄ 加速終了
１７ バリアー電圧
１７ａ 負のバリアー電圧
１７ｂ 正のバリアー電圧
１７ｃ 負のバリアー電圧値
１７ｄ 正のバリアー電圧値
１７ｅ 負のバリアー電圧値
１７ｆ 正のバリアー電圧値
１７ｇ バリアー電圧
１７ｈ バリアー電圧発生間隔
１８ 加速用の誘導電圧
１８ａ 加速電圧
１８ｂ リセット電圧
１８ｃ 加速電圧値
１８ｄ リセット電圧値
１８ｅ 印加時間
１８ｆ 理想的な加速電圧値パターン
１８ｇ 理想的なリセット電圧値パターン
１８ｈ 加速電圧値
１８ｉ 加速電圧値
１８ｊ 等価的な加速電圧値パターン
１８ｋ 加速用の誘導電圧
１８ｌ リセット電圧
１８ｍ 印加時間
１８ｎ リセット電圧値
１９ パルス密度
１９ａ パルス間隔
２０ 可変遅延時間計算機
２０ａ 可変遅延時間シグナル
２１ 可変遅延時間発生器
２１ａ パルス
２２ 誘導電圧演算機
２２ａ パルス
２３ ゲート親信号出力器
２４ 磁場励磁パターン
２４ａ 理想的な加速電圧値パターン
２４ｂ 等価的な加速電圧値パターン
２４ｃ 理想的なリセット電圧値パターン
２５ １周期
２６ 加速器
２７ 誘導加速シンクロトロン
２８ 収束電磁石
２９ 入射装置
３０ イオン源
３０ａ 輸送管
３１ 前段加速器
３１ａ 輸送管
３２ 入射機器
３３ 出射装置
３４ 出射機器
３４ａ 輸送管
３５ ビーム利用ライン
３５ａ 施設
３５ｂ 実験装置
３６ 高周波
３６ａ 加速領域

Claims (9)

1. シンクロトロンの誘導加速装置において、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるバリアー電圧及び加速する加速用の誘導電圧を印加する１台の誘導加速セルと、前記誘導加速セルに伝送線を介してパルス電圧を与え、駆動するスイッチング電源と、前記スイッチング電源に電力を供給するＤＣ充電器と、前記スイッチング電源のオン及びオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器、及び前記ゲート信号パターンの基になるゲート親信号のオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置からなるインテリジェント制御装置から構成され、前記誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする誘導加速装置。
2. 前記デジタル信号処理装置が、磁場励磁パターンを基に計算される理想的な可変遅延時間パターンに対応する必要な可変遅延時間パターンを格納し、前記必要な可変遅延時間パターンに基づき可変遅延時間シグナルを生成する可変遅延時間計算機と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道にあるバンチモニターからの荷電粒子ビームの通過シグナル、前記可変遅延時間計算機からの可変遅延時間シグナルを受けて、可変遅延時間に相当するパルスを生成する可変遅延時間発生器と、磁場励磁パターンを基に計算される理想的な加速電圧値パターンに対応する等価的な加速電圧値パターンを格納し、前記可変遅延時間発生器からの可変遅延時間に相当するパルスを受けて、誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成する誘導電圧演算機と、前記誘導電圧演算機からのパルスを受けて、パターン生成器に適したパルスであるゲート親信号を生成し、可変遅延時間の経過後に出力するゲート親信号出力器とからなり、誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導加速装置。
3. 前記可変遅延時間計算機が、シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル、及び設計軌道上の荷電粒子ビームの周回周波数を基に可変遅延時間をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間に基づき可変遅延時間シグナルを生成することを特徴とする請求項２に記載の誘導加速装置。
4. 前記誘導電圧演算機が、シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナルを基に加速電圧値をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間発生器からの可変遅延時間に相当するパルスを受けて、加速用の誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の誘導加速装置。
5. シンクロトロンの荷電粒子ビームの加速方法において、一組の誘導加速装置から印加される同一の矩形の正の誘導電圧及び同一の矩形の負の誘導電圧からなる誘導電圧の発生タイミングを制御し、一定時間における荷電粒子ビームの周回回数である制御単位において、荷電粒子ビームの周回毎に誘導電圧を印加することなく間欠的に、加速用の誘導電圧を理想的な加速電圧値パターンに対応する等価的な加速電圧値パターンとして印加し、かつ加速用の誘導電圧を印加しない時間帯に荷電粒子ビームを閉じ込めるバリアー電圧及びシンクロトロン振動周波数を制御する誘導電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。
6. 請求項１〜４に記載の誘導加速装置を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セルから到着した荷電粒子ビームに誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セルから印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間を変更させることを特徴とする誘導加速装置。
7. 請求項１〜４に記載の誘導加速装置を、複数とし、同一周回で、複数個の誘導加速セルから到着した荷電粒子ビームに誘導電圧を印加し荷電粒子ビームが受ける誘導電圧値を変更させ、又は複数個の誘導加速セルから印加される誘導電圧の印加タイミングをずらし荷電粒子ビームが受ける印加時間を変更させることを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。
8. 荷電粒子を発生するイオン源と前記荷電粒子を一定のエネルギーレベルに加速する前段加速器と前記前段加速器で加速された荷電粒子ビームを設計軌道が中にある環状の真空ダクトに入射する入射機器からなる入射装置と、前記設計軌道の曲線部に設けられた前記荷電粒子ビームの設計軌道を保証する偏向電磁石と前記設計軌道の直線部に設けられた前記荷電粒子ビームの強収束を保証する収束電磁石と前記真空ダクトの中に設けられた荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニターと前記真空ダクトに接続された荷電粒子ビームの加速制御を行う誘導加速装置とからなる誘導加速シンクロトロンと、前記誘導加速シンクロトロンで所定のエネルギーレベルまで加速した荷電粒子ビームをビーム利用ラインに出射する出射機器からなる出射装置から構成される加速器において、前記誘導加速装置として、請求項１乃至請求項４、又は請求項６の何れかに記載の誘導加速装置を用いたことを特徴とする任意の荷電粒子ビームを加速する加速器。
9. 請求項８において、前段加速器が、静電加速器、線形誘導加速器、又は小サイクロトロンであることを特徴とする請求項８に記載の加速器。

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