JP4296001B2 - Circular accelerator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、陽子や電子などの荷電粒子(荷電ビーム)を加速する粒子線加速器に関し、特に周回軌道上を繰り返し加速する円形加速器に係るものである。
【0002】
【従来の技術】
荷電ビームを周回させて加速する円形加速器には、よく知られているように、例えばFFAG( Fixed Field Alternating Gradient )加速器、シンクロトロン、サイクロトロン加速器などがある。FFAGは荷電ビームの偏向、収束磁場が一定のもとで加速を行う。このFFAGに加速すべきビームを入射させるには、FFAGの外部または内部の何れでも行えるが、一般には内部から入射するよう設計されている。この場合FFAGの内部空間はスペースが狭く、イオン源とこのイオン源から出たビームをFFAGに入射させるまでのビーム輸送系を構成する各機器は、前記内部空間に収まらない場合が多い。このような場合、従来イオン源をFFAGの外部に設置し、前記空間スペースの問題点を解消しようとしていることが示されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
【非特許文献1】
DEVELOPMENT OF A FFAG PROTON SYNCHROTRON.Proceedings of EPAC2000,Vienna,Austria(P582 Fig1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献1に示された配置では、イオン源を出たビームがFFAG加速器の偏向、収束電磁石の間を通過するため、その電磁石の漏れ磁場によって偏向および発散力を受けてビーム軌道(入射軌道)が外れ、FFAGへの入射効率が低下するという問題点があった。
この発明は前記課題を解決するためになされたもので、イオン源から出たビームを円形加速器の内側空間の垂直方向から偏向させながら入射可能なビーム輸送系を設けることにより、ビーム入射効率を低下させることのない円形加速器を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
ビーム入射部を有しビームを周回加速する磁気的に分離された複数の電磁石を有する円形加速器であって、前記ビーム入射部にはイオン源と、前記イオン源からのビームを前記円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、
前記ビーム入射部が、前記円形加速器の中央部でかつ、前記ビーム入射口に近接して設けられているとともに、
前記ビーム輸送系が、前記円形加速器の周回ビーム軌道面に対し垂直な平面内で偏向軌道を有するよう180°の偏向角を有する入射偏向電磁石によって形成されているものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、例えば入射時のエネルギ100KeVの陽子を5MeVまで加速する円形加速器100の断面図である。図2はその平面配置図である。なお図1のフロア20は機器の上下方向を示すために画かれたものである。ここで円形加速器100はFFAG加速器の例を示す。また、入射されたビームを高エネルギまで加速する手段としては、高周波加速や誘導加速方式があるが、この実施の形態1では誘導加速方式の例を示す。図1、図2に示す円形加速器100は磁気的に分離された複数の偏向、収束電磁石2、真空ダクト3、イオン源10、入射偏向電磁石11、インフレクタ1、ベータトロンコア4、コイル電源5、コイル6で構成されている。
【0007】
次に、前記構成の円形加速器100の動作を説明する。
イオン源10で作り出されたビームは、入射偏向電磁石11で図1のビーム軌道12に示されるように、180°偏向され、インフレクタ1によって真空ダクト3内の周回ビーム軌道に導かれる。
ここでイオン源10からインフレクタ1までをビーム入射部50と称し、さらにイオン源10のビーム取り出し口10aを出たビームが、前記インフレクタ1のビーム入射口1aに入るまでのビーム輸送路を、ビーム輸送系60と称することにする。
この実施の形態1の特徴の1つは、前記ビーム入射部50が円形加速器100に近接して設けられ、かつ前記ビーム輸送系60が円形加速器100の周回ビーム軌道面100aに対し垂直な平面内にあり、さらにビーム軌道12に示すように偏向軌道を有して設けられていることにある。その構造の詳細は後述する。
磁気的に分離された複数の偏向、収束電磁石2は、図2に示す例では加速するビームの周回軌道上に8個所設けられ、ビームの偏向と収束を行うよう配置されている。ベータトロンコア4は強磁性体で構成され、ビームの周回軌道をまたがって真空ダクト3と偏向収束電磁石2を囲むよう配置されている。コイル電源5からコイル6に交流電流を供給すると、ベータトロンコア4の周囲にはファラデーの誘導則から磁場の時間変化に比例した電場がベータトロンコア4を取り囲むよう誘起される。周回ビームに対しては導電体の真空ダクト3があるために、前記電場は存在しないが、図2に示したように電気的に絶縁された加速ギャップ7を設けることにより、そこに電場が集中しその電界によってビームが加速される。
【0008】
イオン源10のイオン発生部は100KVで電気的に浮かされており、ここで作り出されたビームは100KeVのエネルギを有するビームとなっている。この100KeVのエネルギビームは偏向、収束電磁石2等からの漏れ磁場による影響が問題となる。例えば1mにわたって5ガウスの磁場が存在すれば、5.5mmも偏向される。前記イオン源10は図1に示すように、円形加速器100の周回ビーム軌道面100aの下部側に配置されていて、円形加速器100のコンパクト化がはかられている。
前述したようにイオン源10からのビームは、ビーム輸送系60の入射偏向電磁石11による180°偏向のビーム軌道12を通り、偏向、収束電磁石2の間に設けられたビーム入射口1aのインフレクタ1に達する。すなわち、ビーム輸送系60は前記偏向、収束電磁石2の間で、円形加速器100の中央部、かつ周回ビーム軌道面100aの下部側に、前記入射偏向電磁石11が設けられることによって形成されている。図1、図2に基づいてさらに詳説すれば、前記ビーム輸送系60は、周回ビーム軌道面100aに対して垂直な平面内に設けられているとともに、前記垂直な平面内で、前記入射偏向電磁石11の作る180°の偏向軌道を有している。また、前記ビーム輸送系60を含む前記ビーム入射部50のイオン源10は、円形加速器100に近接して設けられている。
【0009】
入射偏向電磁石11は、図1に示した図の垂直方向に磁場を発生させるものであり、ビーム軌道12を挟むように磁極が設けられている。一般にはコイルを備えた電磁石が用いられるが、永久磁石であってもよい。入射偏向電磁石11において、ビームは180°偏向されて、円形加速器100のビーム入射口1aのインフレクタ1で水平方向(図1の図の垂直方向)に偏向され、円形加速器100に入射される。入射されたビームは加速されエネルギの増加に伴い周回軌道半径を広げていく。
【0010】
ここで前記イオン源10のビーム取り出し口10aから出射されたビームは、前記ビーム輸送系60内で広がるため、何らかの収束手段を設けて広がりを少なくし、効率良いビーム入射を行う必要がある。前記入射偏向電磁石11は水平方向(図の垂直方向)の収束力は存在するが、垂直方向(図の水平方向)には収束力がないため何からの収束手段が必要となる。そのため入射偏向電磁石11のビーム入口、出口の磁極に傾きをもたせて(通常は磁極端面とビーム軌道は垂直)、収束機能を得る。傾きの方向により水平方向発散、垂直方向収束かまたはその逆となるが、垂直方向に収束力が得られる方向とする。この場合、水平方向は発散となるがその内部磁場そのものが水平方向に収束作用をもつため全体としては収束力となる。円形加速器100の内側にはベータトロンコア4が設けてあり、それからの漏れ磁場も存在する。そのためイオン源ビーム取り出し口10a、およびビーム入射口1aと入射偏向電磁石11までの空間はできるだけ短い方が漏れ磁場の影響を受けにくい。この実施の形態1では入射偏向電磁石11のコイル端部を鞍型としビーム進行方向のコイル端長を短くして前記空間を短くする。また、この鞍型コイルの端面にシールド用端板を設けて外部漏れ磁場および入射偏向電磁石11の漏れ磁場をシールドし、円形加速器100に入射されるビームへの影響を少なくしても良い。
【0011】
このようにこの実施の形態1による構成では、イオン源10からビーム入射口1aに到るビーム入射部50のビーム輸送系60が円形加速器100の周回ビーム軌道面100aに対して垂直な平面内にあり、かつ垂直な平面内で偏向軌道を有するとともに、前記ビーム輸送系60内を通るビーム経路の殆どの部分が、入射偏向電磁石11内にあるため、外部の磁場は入射偏向電磁石11によって遮蔽され、ビームへの影響を極めて少なくすることができる。
この結果、設計計画に近いビーム輸送が可能となり、ビーム入射効率を下げることはない。またコンパクトなビーム輸送系60を実現可能としている。なお、ベータトロンコア4は、図3に示すように周回軌道上に2カ所設けるような構造であってもよい。
【0012】
実施の形態2.
実施の形態2のビーム入射部50を図4に基づいて説明する。前述の実施の形態1では、入射部50のイオン源10を円形加速器100の周回ビーム軌道面100aの下部側に配置した例を示したが、この実施の形態2の図4に示すように周回ビーム軌道面100aの上部側に設けている。この場合イオン源10の機器配置上の制約が少なくなりイオン源設計上の自由度が増加するとともに、イオン源10のメンテナンスが容易となり、また円形加速器100の組み立てが容易なるという効果がある。またさらに図5に示すようにイオン源10を円形加速器100本体から離して配置する方式では、前記利点が更に大きくなる。
この場合、ビーム輸送系60が長くなるため、ビームを収束させる機器が必要となる。収束機器13には、例えば四極電磁石、永久磁石、ソレノイドコイル等の諸手段があり、適宜選択して使用する。なお四極電磁石は少なくとも1個以上設け、望ましくは2台ペアとする。
【0013】
実施の形態3.
実施の形態3のビーム入射部50を図6に基づいて説明する。図に示すように、この実施の形態3によるビーム輸送系60はビーム収束機器13を、入射偏向電磁石11とビーム入射口1aとの間、およびイオン源10との間に設けている。このような構成を採用すると、入射ビームの形状の調整が可能となる。すなわちイオン源10からの出射ビーム形状が不確かであったり、また出射ビームの時系列的な形状変化などに対して、例えば前記ビーム輸送系60に設けた図示省略のビームモニタからの信号によって前記収束機器13を制御し、入射ビーム形状や位置調整を行う。さらには、円形加速器100の本体への入射パラメータの最適化も行えるという効果もある。なお収束機器13は入射偏向電磁石11の入出側に設ける例を示したがいずれか片側のみとしてもよい。
【0014】
実施の形態4.
実施の形態4のビーム入射部50を図7に基づいて説明する。
図に示すように、この実施の形態4によるビーム輸送系60は90°のビーム偏向を行う入射偏向電磁石11aを2台設けるとともに、それらの間に収束機器13を配置している。
このような構成を採用する理由を以下に述べる。
イオン源10の100KVの高圧電源の出力変動は有限であるため結果として出射ビームエネルギは変化する。例えば高圧電源の±0.2%の変動があった場合、ビームは±0.4mm変化する。これを避けるため、前記の如く90°の入射偏向電磁石11aを2台とそれらの間に収束機器13を2台設けた。入射偏向電磁石11aのそれぞれの磁場強度を収束機器13のパラメータによって、ビーム入射口1aにおけるエネルギの異なるビームの位置変化(周回ビーム軌道面100aに対して垂直方向に位置がずれる)をほぼゼロにすることが可能である。なお、この実施の形態4では収束機器13を2台用いる例を示しているが、それぞれの入射偏向電磁石11aの端部収束力の選び方により1台でもよい場合があり、台数は限定されるものではない。これは許容可能なビームサイズも考慮してこれらのパラメータが最適化される。またさらに、実施の形態3の図6に示したようにこの実施の形態4でも入射偏向電磁石11aとイオン源10やビーム入射口1aとの間にも収束機器13を配置すれば、更に最適な設計が可能となる。
【0015】
実施の形態5.
実施の形態5のビーム入射部50を図8に基づいて説明する。図に示すように、この実施の形態5によれば、イオン源10のビーム取り出し口10aが周回ビーム軌道面100aに対して垂直になるようイオン源10が設置されているとともに、入射偏向電磁石11aが90°の偏向角を有し、前記イオン源10と入射偏向電磁石11aとの間に収束用機器13が設けられているものである。このような構成では、ビーム入射部50をコンパクトにすることができるとともに、入射偏向電磁石11aが小型化され、低コスト化がはかれるという効果がある。なおイオン源10は周回ビーム軌道面100aの上部側に設けてもよい。
【0016】
実施の形態6.
入射偏向電磁石11はよく知られているように磁場勾配を持たせて偏向磁場方向の収束力を得る方法を採用してもよい。通常はビーム軌道半径方向に弱くなる磁場勾配をつける。この場合、端部収束は不要となり電磁石磁極端部の形状が単純となる。
このようにこの実施の形態6の構成によれば、収束機器13の設置が必ずしも必要とせず、入射部50の全体設計が容易となり、コストの低減化がはかれる。但し、収束機器13を設置すればより効果的な収束が可能となるのは言うまでもない。
【0017】
実施の形態7.
前記実施の形態においては、加速手段として誘導加速方式を用いる方式で説明したが、高周波加速の方式であっても同様の効果が得られる。
【0018】
【発明の効果】
この発明は、以上述べたような構成の円形加速器であるので、以下のような効果がある。
ビーム入射部を有しビームを周回加速する磁気的に分離された複数の電磁石を有する円形加速器であって、ビーム入射部にはイオン源と、イオン源からのビームを円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、
ビーム入射部が、円形加速器の中央部でかつ、ビーム入射口に近接して設けられているとともに、ビーム輸送系が、円形加速器の周回ビーム軌道面に対し垂直な平面内で偏向軌道を有するよう180°の偏向角を有する入射偏向電磁石によって形成されているので、ビーム輸送系が円形加速器の偏向収束電磁石の間を通らないため、その漏れ磁場の影響を受けず、更にビーム輸送系の入射偏向電磁石内の軌道が殆どであるため、円形加速器の他の構成機器の漏れ磁場の影響も受けにくい。この結果、ビーム輸送系におけるビーム偏向が防止でき、円形加速器への入射効率低減を避けられるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1の円形加速器の断面図である。
【図2】 この発明の実施の形態1の円形加速器の平面配置図である。
【図3】 この発明の実施の形態1の他の様態を示す円形加速器の平面配置図である。
【図4】 この発明の実施の形態2のビーム入射部を示す図である。
【図5】 この発明の実施の形態2の他の様態のビーム入射部を示す図である。
【図6】 この発明の実施の形態3のビーム入射部を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態4のビーム入射部を示す図である。
【図8】 この発明の実施の形態5のビーム入射部を示す図である。
【符号の説明】
1 インフレクタ、1a ビーム入射口、2 偏向収束電磁石、
4 ベータトロンコア、5 電源、6 コイル、10 イオン源、
10a ビーム取り出し口、11,11a 入射偏向電磁石、
12 ビーム軌道、50 ビーム入射部、60 ビーム輸送系、
100 円形加速器、100a 周回ビーム軌道面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a particle beam accelerator that accelerates charged particles (charged beams) such as protons and electrons, and more particularly to a circular accelerator that repeatedly accelerates on a circular orbit.
[0002]
[Prior art]
As is well known, circular accelerators that accelerate by rotating a charged beam include, for example, FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) accelerators, synchrotrons, and cyclotron accelerators. The FFAG accelerates the charged beam with a constant deflection magnetic field. The beam to be accelerated can be incident on the FFAG either outside or inside the FFAG, but is generally designed to be incident from the inside. In this case, the internal space of the FFAG is narrow, and the devices constituting the beam transport system until the ion source and the beam emitted from the ion source enter the FFAG often do not fit in the internal space. In such a case, it has been shown that a conventional ion source is installed outside the FFAG to solve the problem of the space (for example, see Non-Patent Document 1).
[0003]
[Non-Patent Document 1]
DEVELOPMENT OF A FFAG PROTON SYNCHROTRON. Proceedings of EPAC2000, Vienna, Austria (P582 Fig1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the arrangement shown in Non-Patent Document 1, the beam exiting the ion source passes between the deflection and focusing electromagnets of the FFAG accelerator, so that the beam trajectory receives the deflection and divergent forces due to the leakage magnetic field of the electromagnet. There is a problem in that the incidence efficiency to the FFAG is reduced due to the deviation of the (incidence trajectory).
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. By providing a beam transport system that can be incident while deflecting the beam emitted from the ion source from the vertical direction of the inner space of the circular accelerator, the beam incident efficiency is lowered. It is an object of the present invention to provide a circular accelerator that is not allowed to occur.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A circular accelerator having a plurality of magnetically separated electromagnets having a beam incident part and accelerating the beam, wherein the beam incident part receives an ion source and a beam from the ion source. There is a beam transport system that transports to the entrance,
The beam incident part is provided in the central part of the circular accelerator and close to the beam incident port,
The beam transport system is formed by an incident deflection electromagnet having a deflection angle of 180 ° so as to have a deflection trajectory in a plane perpendicular to the circular beam trajectory plane of the circular accelerator .
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
[0007]
Next, the operation of the
The beam produced by the
Here, the beam from the
One of the features of the first embodiment is that the
In the example shown in FIG. 2, a plurality of magnetically separated deflecting and converging
[0008]
The ion generating part of the
As described above, the beam from the
[0009]
The
[0010]
Here, since the beam emitted from the
[0011]
As described above, in the configuration according to the first embodiment, the
As a result, beam transportation close to the design plan is possible, and the beam incidence efficiency is not lowered. In addition, a compact
[0012]
The
In this case, since the
[0013]
The
[0014]
Embodiment 4 FIG.
The
As shown in the figure, the
The reason for adopting such a configuration will be described below.
Since the output fluctuation of the 100 KV high-voltage power source of the
[0015]
Embodiment 5 FIG.
The
[0016]
As is well known, the
As described above, according to the configuration of the sixth embodiment, it is not always necessary to install the converging
[0017]
Embodiment 7 FIG.
In the above embodiment, the method using the induction acceleration method as the accelerating means has been described. However, the same effect can be obtained even with the high frequency acceleration method.
[0018]
【The invention's effect】
Since the present invention is a circular accelerator configured as described above, the following effects can be obtained.
A circular accelerator having a plurality of magnetically separated electromagnets that have a beam entrance and circulate and accelerate the beam. The beam entrance includes an ion source and a beam from the ion source to the beam entrance of the circular accelerator. There is a beam transport system to transport,
The beam entrance is provided in the center of the circular accelerator and close to the beam entrance, and the beam transport system has a deflection trajectory in a plane perpendicular to the circular beam trajectory plane of the circular accelerator. Since it is formed by an incident deflecting electromagnet having a deflection angle of 180 ° , the beam transport system does not pass between the deflection converging electromagnets of the circular accelerator, so that it is not affected by the leakage magnetic field, and further the incident deflection of the beam transport system. Since most of the trajectories are in the electromagnet, they are hardly affected by the leakage magnetic field of other components of the circular accelerator. As a result, it is possible to prevent beam deflection in the beam transport system and to achieve an excellent effect of avoiding a reduction in incident efficiency to the circular accelerator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a circular accelerator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan layout view of the circular accelerator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan layout view of a circular accelerator showing another aspect of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a beam incident part according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a beam incident part according to another aspect of the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a beam incident part according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a beam incident part according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a beam incident part according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 inflector, 1a beam entrance, 2 deflecting and focusing electromagnet,
4 betatron core, 5 power supply, 6 coils, 10 ion source,
10a Beam outlet, 11, 11a Incident deflection electromagnet,
12 beam trajectory, 50 beam entrance, 60 beam transport system,
100 circular accelerator, 100a orbit beam trajectory plane.
Claims (13)
前記ビーム入射部にはイオン源と、前記イオン源からのビームを前記円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、
前記ビーム入射部が、前記円形加速器の中央部でかつ、前記ビーム入射口に近接して設けられているとともに、
前記ビーム輸送系が、前記円形加速器の周回ビーム軌道面に対し垂直な平面内で偏向軌道を有するよう180°の偏向角を有する入射偏向電磁石によって形成されていることを特徴とする円形加速器。 A circular accelerator having a plurality of magnetically separated electromagnets having a beam entrance and accelerating the beam;
The beam incident part is provided with an ion source and a beam transport system for transporting the beam from the ion source to the beam entrance of the circular accelerator,
The beam incident part is provided in the central part of the circular accelerator and close to the beam incident port,
A circular accelerator characterized in that the beam transport system is formed by an incident deflecting electromagnet having a deflection angle of 180 ° so as to have a deflection trajectory in a plane perpendicular to the circular beam trajectory plane of the circular accelerator.
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