JPH01143199A - シンクロトロン加速の加速方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シンクロトロン加速の加速方法及び円形加速
器に係り、特に、工業用放射光装置において、安定に大
電流を加速するのに好敵なシンクロトロン加速の加速方
法及び円形加速器に関する。

〔従来の技術〕

工業用の放射光装置としては、例えば半導体工場に設置
できる小型の装置であること、照射時間の短縮のために
高輝度（大電流）が得られる装置であることが求められ
ている。これに対しては、円形加速器内に荷電粒子を低
エネルギーで入射してシンクロトロン加速することによ
り上記要求を実現する方法がある。

荷電粒子をシンクロトロン加速する場合においては、低
エネルギーの入射荷電粒子を高エネルギーに加速する際
、入射時のビーム電流の負荷のために高周波加速空洞に
ビームによるりアクタンス成分が発生する。このリアク
タンス成分のため、高周波加速空洞の共振周波数が、高
周波発振器の発振周波数とずれてくる。この周波数のず
れを放置しておくと、荷電粒子に対して所定の加速電圧
を与えることができなくなってしまう。この発振周波数
と共振周波数とのずれを周波数変調分又はデチューン量
と呼び、このずれを補正することを周波数変調又はデチ
ューンと呼ぶ。

従来、荷電粒子のシンクロトロン加速の加速方法は「高
周波加速空洞の特性Ｊ　　（ＩＮＳ−ＴＨ−９６、東京
大学原子核研究所、１９７５年２月１８日）において論
じられているように、デチューン量を加速初期から末期
まで常に一定として、高周波加速空洞への供給電力であ
る高周波電力を制御し、荷電粒子に対して常に一定の加
速電圧を与えるという方法が採られきた。

この従来のシンクロトロン加速の加速方法を第２図中（
Ｘ）で示す。グラフの縦軸は高周波電力を、横軸はデチ
ューン量を表している。グラフの曲線■、■および■は
、荷電粒子のエネルギーがこの順で大きい場合の高周波
電力とデチューン量の関係を示している。即ち、■は荷
電粒子の初期エネルギー状態を、■は最終到達エネルギ
ー状態を、モして■はそれらの中間のエネルギー状態を
表している。

第２図中（Ｘ）で示すように、従来のシンクロトロン加
速の加速方法はデチューン量を固定し、高周波電力のみ
を制御する方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来例のように、入射時のデチューン量を一定に保
ったまま、高周波電力のみを操作する場合には、以下に
述べる問題点がある。

問題点の説明の前に、デチューン量と高周波電力の関係
を示す。

デチューン量（Δｆ）は、 Δｆ−Ｅｆ−ｆ。

で定義される。

（ここで、　　ｆ　：高周波発振器の発振周波数ｆ０　
：高周波加速空洞の共振周波数 である。） これは、 Δｆ−＝１／２Ｑｏ・　ＩｏＲｓ／Ｖｃ−ｓｉｎφＳ−
ｆと表される。

（ここで、　Ｑｏ　：高周波加速空洞の無負荷Ｑ値工。

：ビーム電流 Ｒ５：加速空洞のシャントインピー ダンス ｖｃ：加速空洞電圧 φＳ　：加速位相 である、） この時、ビーム電流Ｉ０を加速するのに必要な高周波電
力（Ｐｇ）は、 Ｐｇ＝Ｖｃ”／Ｒｓ・　（１＋β）２／４β・［ｔａｎ
”ψ＋２　ｓｉｎφｓ　ｔａｎψ＋１＋　α２＋　２　
αｃｏｓφＳコ で与えられる。

（ここで、ｔａｎψ＝２Ｑ、／（１＋β）・Δｆ／ｆａ
　　　＝　Ｉ　ｏ　Ｒｓ／　Ｖｃ　（１＋β）β　　：
外部回路との結合定数 である。） 上記Δｆ、Ｐｇから、デチューン量は、ビーム電流（工
。）が大きい程、また加速空洞電圧（Ｖｃ）が低い程大
きくなり、一方、高周波電力は、加速空洞電圧（Ｖｃ）
が高い程大きくなる傾向を有することがわかる 従って、入射時のように荷電粒子のエネルギーが低い場
合、加速空洞電圧（ＶＣ）が低いとデチューン量が大き
くなる。その位置でデチューン量を固定し、高周波電力
のみを操作すると、加速空洞電圧の高い最終エネルギー
では高周波電力が供給不足となり、目標とする電流値を
得ることができなくなる（第２図中の（Ｚ）で示す加速
方法）。

また、加速空洞電圧（Ｖ　ｃ　）が大きく、デチューン
量の小さい最終エネルギー付近のデチューン量に固定し
た場合には、低エネルギ一部で安定なシンクロトロン振
動の範囲から逸脱しく位相不安定）、ビーム損失を引き
起こしてしまう（第２図中の（Ｘ）で示す加速方法。尚
、グラフ中の曲線Ｉ及び■の破線部分は位相不安定領域
を表している。）。位相不安定領域ではビーム電流（工
。）を維持することができず、ビーム電流（１，）は減
少する。従って、この加速方法は、大電流を加速するの
には適さない。

このように、従来のシンクロトロン加速の加速方法では
、ビーム損失のない大電流の加速ができないという問題
点が有り、小型かつ高輝度の工業用の放射光装置を得る
ことができない。

本発明の目的は、上記のようなビーム損失のない大電流
のシンクロトロン加速を可能とするシンクロトロン加速
の加速方法及び円形加速器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記加速方法の目的は、荷電粒子のシンクロトロン加速
時に、高周波加速空洞の高周波発振器の発振周波数と高
周波加速空洞の共振周波数のずれであるデチューン量と
、荷電粒子にエネルギーを供給するための高周波電力と
を、荷電粒子のエネルギー変化に対応させて制御するに
より達成される。このデチューン量と高周波電力の制御
は、荷電粒子のシンクロトロン振動の位相安定領域内で
荷電粒子の加速が行なわれるようにすることが上記目的
からして望ましい（但し１位相不安定領域の通過が一瞬
であれば位相安定領域から一時的にずれても大電流の加
速は可能である。）。

また、上記円形加速器の目的は、高周波加速空洞の高周
波発振器の発振周波数と高周波加速空洞の共振周波数の
ずれであるデチューン量を荷電粒子のシンクロトロン加
速時に制御する装置であって、高周波加速空洞に装着さ
れた高周波加速空洞の共振周波数に対する摂動物と、荷
電粒子のエネルギーに対応してデチューン量を調節する
ように摂動物の高周波加速空洞内への挿入量を制御する
摂動物の駆動装置とから構成されたデチューン量制御装
置を円形加速器に備付けることにより達成される。

〔作用〕

本発明では、高周波電力とデチューン量とを荷電粒子の
エネルギー変化に対応させて制御するようにしている。

高周波電力とデチューン量とを荷電粒子のシンクロトロ
ン振動の位相安定領域内で制御しつつ荷電粒子を加速す
れば、円形加速器内に存在する荷電粒子ビームは、その
加速途中で減少することなく加速することができる。従
って、大電流を加速途中でビーム損失を引き起こすこと
なく目標とする最終エネルギーにまで加速することがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。円形加速器として蓄積
リングを、そして荷電粒子として電子を例にとり説明す
る。電子の加速に際しては、放射光の発生があるため、
高周波電力には電子を加速するための高周波電力の他に
、放射光損失を補償するための供給分が含まれる。

第１図は、ビーム電流５００ｍＡを安定に、電子エネル
ギー１５ＭｅＶから６００ＭｅＶに加速する時に必要な
デチューン量及び高周波電力を示す。

この時、高周波加速空胴のシャントインピーダンスは、
０．５ＭΩ、高周波回路との結合定数は３に取っている
。第１図中、曲線の実線部分は、シンクロトロン振動の
位相安定領域を、また、破線部分は位相不安定領域を示
す。

以下、本発明の詳細な説明する。

（制御例Ａ） デチューン量と高周波電力を同時に制御する方法を第１
図のＡに示す。入射時に必要なデチューン量及び高周波
電力は、電子のエネルギーが増すとともに、どちらも変
化させている。この本実施例では、デチューン量と高周
波電力との間に、第１図のＡのような直線関係が保存さ
れる。この場合のデチューン量と電子のエネルギーとの
関係を第３図のａに示す。電子のエネルギーが２００Ｍ
　ｅ　Ｖまでは、約２００　Ｋ　Ｈｚとほぼ一定値とし
、その後除々に減少させる。この場合、常にシンクロト
ロン振動の位相安定領域を通過するため、加速途中でビ
ーム損失を引き起こすことはない。

従来例のようにデチューン量を固定して高周波電力を制
御する場合Ｘだと、エネルギーが３００Ｍ　ｅ　Ｖ以下
でシンクロトロン振動の位相不安定領域に入ってしまう
ので、この時、ビーム電流５００ｍＡを維持することは
できなくなる。この場合、ビーム電流は約１／７の７０
　ｍ　Ａに減少してしまう。

（制御例Ｂ） 高周波電力を一定として、デチューン量を制御する加速
方法を第１図のＢに示す。この場合も常に位相安定領域
を通るためビーム損失を起こさない。デチューン量と電
子のエネルギーの関係を第３図のｂに示す。制御例Ａと
同様の形状をしているが、低エネルギ一部でデチューン
量の絶対値が大きいことがわかる。

（制御例Ｃ） 入射時の電流値が非常に大きい場合、例えばＩｏ＝１　
（Ａ） のときには、デチューン量は、高周波電力を一定とした
場合には、約Ｉ　Ｍ　Ｈｚとなるため、第１図のＢの方
法は適さない。そこで、この場合には。

第１図のＣのように、低エネルギ一部では従来のように
入射時のデチューン量に固定し高周波電力を調節し、最
終エネルギーでの電力値に達したら高周波電力を固定し
、その後は、実施例Ｂのようにデチューン量を制御する
方法をとる。第３図のＣにそのときのデチューン量と電
子のエネルギーの関係を示す。

以上に示すような制御例によれば、電子蓄積リングに対
して、高エネルギーの前段加速器を使用しなくてもよく
、工業用放射光装置を小型化することができるという利
点がある。

また、本発明の加速方法は、第１図のＡ、Ｂ及びＣに示
される加速方法以外であっても、常に位相安定領域を経
由する加速方法であれば、加速途中でビーム損失を引起
こすことがなく、大電流のビームを加速することができ
る。

次に、デチューン量を変化させる方法について説明する
。

高周波加速空胴内に摂動物を挿入し、その部位での高周
波の作る電磁場成分を吸収することにより行なう方法を
示す。

摂動物の体積をΔτとすると。

／　（ｕ　Ｈ”　＋　［Ｅ”）　ｄ　Ｖ）■ となる。

（ここで、 ω　　：摂動物のある時の共振周波数 ω。　　：　　〃　　ない時 ｋ　　：摂動物の形状により決まる定数Ｖ　　：加速空
胴の体積 Ｅ、Ｈ：高周波の電、磁場成分 μ、Ｅ：透磁率、誘電率 である。） これにより、デチューン量が小さい時には、ω−ω。＝
Δｆ より、 Δｆ／ｆ＝ｋ（μＨ２−εＥ”）／４Ｕ・Δτでデチュ
ーン量が与えられる。

（ここで、 Ｕ　　：高周波加速空欄に充填されるエネルギー である。） 従って、デチューン量は、摂動物の体積に比例する。電
子のエネルギーが増すに従いデチューン量が減るため、
各エネルギーでのデチューン量を与えるには、入射時に
、高周波加速空胴内に摂動物を挿入しておき、高周波加
速空胴に挿入しである摂動物の体積を大きくすることに
より行う。

デチューン量の与え方を第５図に示す。第５図は、チュ
ーナ（デチューン量を与える装置）８と高周波加速空胴
１の空間的な関係を示す図で、第５図中、２は摂動物、
３は駆動装置、４は電子ビーム、５はループカプラー、
６は摂動物の駆動方向、７はチューナ制御装置である。

この方法は、高周波加速空胴壁に取り付けられた摂動物
２の高周波加速空胴１内への挿入量を変化させることに
より行うものである（プランジャー型チューナ）。

低エネルギーから高エネルギーに電子を加速する時、デ
チューン量は滑らかに減少するため、摂動物２は、入射
エネルギー時のデチューン量分だけ挿入されていたもの
を除々に挿入量を増してゆき、最終エネルギー段階でほ
ぼ最大挿入址となるまで来る。要求されるストローク幅
の見積りは、デチューン量の絶対値の大きい制御例Ｂで
代表させる。

摂動物（プランジャー）の大きさは１５０ｎｍφで、最
大のストロークを６０ｍｍであるとすると、摂動物（プ
ランジャー）の移動速度は第４図に示すとおりである。

この場合、電子のエネルギーが、２００〜３００　Ｍ　
ｅ　Ｖの時点で最大で、約１０　＋ｎｍ　／　ｓｅｃの
速さが要求される。これは、　０　、４　Ｋ　Ｈｚ／　
ＭｅＶの速さに対応する。尚、このように、摂動物（プ
ランジャー）の移動速度は、始めは非常にゆっくりして
いて中間のエネルギーでピークを迎えるため、駆動装置
のモーターにかかる力も、始めは小さく除々に大きくな
ってゆく。よって、入射時にモーターへの過負荷もなく
信頼性が向上する。

次に、荷電粒子を加速する段階でデチューン量を制御す
るための制御装置の実施例を第６図及び第７図に例示す
る。

第６図は、デチューン量の制御パターン、例えば第３図
のグラフに示すパターンをあらかじめ制御装置に与えて
、荷電粒子のエネルギー変化とともにデチューン量を変
化させる方法である。第６図中、３−１は駆動モータ、
３−２はモータドライブ、７−１はパターン発生回路、
７−２はチューナ制御回路、９は高周波電源、１０はサ
ーキュレータである。この実施例は、第３図に示すよう
にあらかじめわかっているデチューン量の制御パターン
をパターン発生回路７−１によりチューナ制御回路７−
２に入れ、制御パターンをモータを駆動するための信号
に変換する。そして、モータドライブ３−２によって駆
動モータ３−１を駆動し、高周波加速空胴１のチューナ
にある摂動物２を動かして摂動部分の体積を変化させる
ことにより、デチューン量を制御するものである。

第７図は、デチューン量の制御装置の他の実施例を示す
。第７図中、７−３はコンパレータ、７−４は位相差検
出回路、７−５は局部発信器、１１はダミーロードであ
るにの実施例は、高周波電源１からの高周波と、高周波
加速空胴２から得られる高周波のとの位相差を検出して
、チューナ制御回路７−２でその位相差をモータドライ
ブ用電圧に変化させ、位相差を補償するように駆動モー
タ３−１を駆動し、高周波加速空胴１のチューナにある
摂動物２を動かして摂動部分の体積を変化させるもので
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、位相安定領域で荷電粒子を加速するよ
うに、高周波電力とデチューン社を制御しているので、
ビーム損失のない大電流のシンクロトロン加速が可能と
なる。また、これにより小型かつ高輝度の工業用の放射
光装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のシンクロトロン加速の加速方法の一
実施例を示す図で、シンクロトロン加速時のデチューン
量と高周波電力の関係を示す図、第２図は、従来のシン
クロトロン加速の加速方法の説明図で、シンクロトロン
加速時のデチューン量と高周波電力の関係を示す図、第
３図は、第１図に示す本発明の実施例に対応するデチュ
ーン量と電子エネルギーの関係を示す図、第４図は、高
周波電力を一定としたときのデチューン量を与える時の
プランジャー型チューナの移動速度を示す図、第５図は
、チューナと高周波加速空胴の空間的な関係を示す図、
第６図及び第７図は本発明の実施に必要なチューナ制御
装置の実施例を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高周波加速空洞を有する円形加速器による荷電粒子
   のシンクロトロン加速の加速方法において、 前記荷電粒子のシンクロトロン加速時に、 前記高周波加速空洞の高周波発振器の発振周波数と高周
   波加速空洞の共振周波数のずれであるデチユーン量と、 前記荷電粒子にエネルギーを供給するための高周波電力
   とを 前記発信周波数は変化させずに、前記荷電粒子のエネル
   ギー変化に対応させて制御することを特徴とするシンク
   ロトロン加速の加速方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記荷電粒子のシ
   ンクロトロン振動の位相安定領域内で前記荷電粒子の加
   速が行なわれるように前記デチユーン量と高周波電力と
   を制御することを特徴とするシンクロトロン加速の加速
   方法。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記デチユーン量
   と高周波電力の制御は、デチユーン量と高周波電力とを
   同時に操作することにより行なうシンクロトロン加速の
   加速方法。 ４、特許請求の範囲第２項において、前記デチユーン量
   と高周波電力の制御は、高周波電力を所定値に調整した
   後、デチユーン量のみを操作することにより行なうシン
   クロトロン加速の加速方法。 ５、特許請求の範囲第２項において、前記デチユーン量
   と高周波電力の制御は、デチユーン量を一定にして高周
   波電力のみを操作するステップと、高周波電力を一定に
   してデチユーン量のみを操作するステップにより行なう
   シンクロトロン加速の加速方法。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記各ステップを
   交互に行なうシンクロトロン加速の加速方法。 ７、特許請求の範囲第１項において、前記高周波電力は
   、荷電粒子に対して加速電圧を供給するための高周波電
   力と、放射光損失を補償するための高周波電力を含むこ
   とを特徴とするシンクロトロン加速の加速方法。 ８、高周波加速空洞を有する円形加速器において、前記
   高周波加速空洞の高周波発振器の発振周波数と高周波加
   速空洞の共振周波数のずれであるデチユーン量を荷電粒
   子のシンクロトロン加速時に制御する装置であって、 前記高周波加速空洞に装着された高周波加速空洞の共振
   周波数に対する摂動物と、 荷電粒子のエネルギーに対応して前記デチユーン量を調
   節するように前記摂動物の前記高周波加速空洞内への挿
   入量を制御する前記摂動物の駆動装置と から構成されたデチユーン量制御装置を有することを特
   徴とする円形加速器。 ９、特許請求の範囲第８項において、前記駆動装置は、
   予め与えた荷電粒子のエネルギー変化に対応したデチユ
   ーン量の制御パターンに基づき前記摂動物の駆動を制御
   するものであることを特徴とする円形加速器。 １０、特許請求の範囲第８項において、前記円形加速器
   は、荷電粒子蓄積リングであることを特徴とする円形加
   速器。 １１、特許請求の範囲第８項において、前記円形加速器
   は、シンクロトロンであることを特徴とする円形加速器
   。