JPH07109799B2

JPH07109799B2 - 円形加速装置における荷電粒子入射方法

Info

Publication number: JPH07109799B2
Application number: JP60208180A
Authority: JP
Inventors: 和好西村; 昭則柴山; 泰道宇野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: JPS6269497A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、荷電粒子円形加速装置において、荷電粒子を
円形加速装置に入射するための入射方法に関するもので
ある。ここで、円形加速器とは、シンクロトロン等、荷
電粒子が閉軌道上を回転する加速装置を意味する。

〔従来の技術〕円形加速器には、一般に、前段加速器から出力された荷
電粒子ビームを入射するための機構が必要である。文献
「加速器」，熊谷編，実験物理学講座，第28巻，共立出
版株式会社，（1982）,P517に述べられているように、
従来は以下にのべる方法で入射がおこなわれていた。

第８図は円形加速器の概略図である。円形加速器では線
型加速器等の前段加速器から出力された荷電粒子ビーム
を、パータベータ電磁石11、インフレクタ12を用いてリ
ング内に入射する。13は荷電粒子ビームの軌道を曲げる
ための偏向電磁石、14,15は荷電粒子ビームを収束ある
いは発散させるための４極電磁石、また16は真空チャン
バーである。

第９図は入射機構部分の拡大図である。21は中心軌道、
22は入射時に変形された平衡軌道を表している。ここで
言う中心軌道とは、真空チャンバーの中心を通る一周で
閉じた軌道であり、各電磁石は定常状態において荷電粒
子がこの軌道に沿って運動するように設計、配置され
る。また、平衡軌道とは荷電粒子が安定して運動するこ
とのできる一周で閉じた軌道である。平衡軌道は必ずし
も中心軌道に一致しているとは限らないが、パータベー
タ電磁石11が動作していないときは、ほぼ中心軌道上に
ある。

第10図にインフレクタ12の概略図を示す。これは静電形
インフレクタの例である。通常、中心軌道側の電極31は
接地されており、荷電粒子の通過を極力妨げないよう
に、厚さ1mm程度の薄い金属が使用される。対向する電
極32は高圧電線に接続されている。

入射時には、第９図においてパータベータ電磁石11に磁
場を発生させ、中心軌道21上にある平衡軌道を符号22を
示してし表すように変形してインフレクタ12に近づけ
る。荷電粒子の入射開始後、パータベータ電磁石11の磁
場を徐々に弱め、平衡軌道22を中心軌道21に戻しなが
ら、荷電粒子が数回転する時間入射を行う。

このように平衡軌道の位置を変化させる理由はつぎの通
りである。

円形加速器の半径方向の座標をＸ、荷電粒子の進行方向
をＳとすると、リングに沿った各点での荷電粒子と平衡
軌道の距離Ｘ（Ｓ）は次式の表わされる。

すなわち、荷電粒子は平衡軌道を中心として振動しなが
らリング内を周回する。ここでa_xは入射条件によって決
まる定数、β_ｘ（Ｓ）はベータトロン関数と呼ばれ、各
電磁石の磁場強度，配置，長さによって決まる関数、φ
_ｘ（Ｓ）はある起点Ｓ＝S₀からのＸ方向振動の位相、θ
_ｘはＳ＝S₀における初期位相である。入射点をＳ＝S₀と
すると入射点での電子の位置は、となる。荷電粒子がリングを一周する間に平衡軌道のま
わりを振動する回数（ベータトロン振動数）ν_ｘとする
と、ｎ周回目の位相φｘ（S₀,n）は、φｘ（S₀,n）＝２
πν_xn n:周回数である。ν_ｘの整数部、小数部を各々と書くと、であるから、（２）式は、となる。従来、は0.25,0.75等の値が選ばれるので、荷電粒子がリング
を４周すると、すなわちｎ＝４で、Ｘ（S₀,4）＝Ｘ（S₀,0）となり、荷電粒子は入射位置に戻る。この様子を入射点
のドーナッツ断面で見たものが第11図である。ここで
は、インフレクタ12の高圧側電極32は省略し、アース側
電極31のみが描いてある。荷電粒子はの位置から入射
され、各周回で〜の数字で示される位置にくる。入
射位置にはインフレクタ12があるので、実際には４周目
の電荷粒子はインフレクタ12に衝突して損失してしま
う。

これを避けるため、第12図に示すように平衡軌道22を中
心軌道21に向かって戻し、51の荷電粒子のようにインフ
レクタ12よりも中心軌道側にくるようにする。以上のべ
た動作によって、荷電粒子がリングを数周回する時間入
射を行うことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕しかし、従来はＸ方向のベータトロン振動しか考慮して
おらず、また、を0.25,0.75のような定常動作時の値に固定したまま入
射していたため、荷電粒子が４〜５周する時間しか入射
できなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであ
り、Ｘ方向の入射角度および入射位置を最適に選ぶこと
によりＸ方向の振幅を最小に抑え、さらに、垂直方向
（Ｚ方向）のベータトロン振動をも利用することによ
り、Ｘ方向についてはインフレクタの位置にある場合で
あってもＺ方向においてインフレクタを避けることがで
き、その結果、平衡軌道を中心軌道に戻すまでの時間を
長くして、従来より多くの電子を入射することのできる
円形加速装置における入射方法の提供を目的とするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の円形加速装置における荷電粒子入射方法は、荷
電粒子用円形加速器において、荷電粒子が安定して周回
する平衡軌道が成す平衡軌道面及び該平衡軌道に接し、
かつ平衡軌道面に垂直な垂直面に対して、荷電粒子を前
記平衡軌道面上から離れた位置で且つ前記垂直面上から
も離れた位置から入射することを特徴としている。

〔作用〕

本発明は、円形加速装置に荷電粒子を入射する際に、Ｘ
方向だけでなくＺ方向のベータトロン振動をも利用する
ことにより、Ｘ方向について荷電粒子がインフレクタ位
置を通過する場合でもＺ方向でインフレクタを避け、従
来に比べ多くの荷電粒子を入射可能とする。従来の技術
とはＺ方向のベータトロン振動を利用するところが異な
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。まず、
本発明の概念を説明し、続いて具体例を示す。

第２図は本発明の概念を説明する図であり、第11図と同
様に入射点での真空チャンバーの断面における各周回目
の荷電粒子の位置を描いたものである。インフレクタの
アース側の電極は、符号61を付して示すようにＸ軸上か
らずれた位置に置き、入射もＸ軸上からずれた位置から
行なう。このようにすることにより、荷電粒子はｘ方向
に加え、Ｚ方向に対しても大きなベータトロン振動をす
る。Ｘ方向とＺ方向のベータトロン振動数および入射角
度、入射位置を適切な値に設定することにより、第２図
中ので示すようにＸ方向に対してインフレクタ位置に
あってもＺ方向でこれを避けているため、インフレクタ
に衝突することなくX,Z方向ともインフレクタ位置にく
る周回目までさらに周回し続けることができる。このた
め、従来インフレクタに衝突しないよう、４周の時間内
に平衡軌道をもどしていた場合に比べ、平衡軌道を戻す
時間が長くてもよく、その結果、より多くの電子が入射
できる。

以下に詳しく説明する。

本発明の主旨は、荷電粒子をインフレクタに衝突させ損
失させることなく、平衡軌道を中心軌道に戻す時間をで
きる限り長くすることにある。これを達成するために
は、（ｉ）入射点でのＸ方向の振幅を最小にする。

（ii）ν_x,ν_ｚを調整することにより、Ｘ方向において
荷電粒子がインフレクタ位置にあっても、Ｚ方向でこれ
を避けるようにする。

（ｉ）のため、Ｘ方向については入射点における荷電粒
子の最大変位量（入射点での振幅）が最小になるように
設定する。（３）式より、入射時には荷電粒子と平衡軌
道との距離Ｘ（S₀,0）は、であり、最大変位量は、である。したがって、θ_ｘ＝０の条件に設定して入射す
ることにより、入射点での振幅を最小にすることができ
る。θ_ｘ＝０とするためには、入射点における平衡軌道
の中心軌道に対する位置X_b（S₀）と角度X_b′（S₀）が次
式の条件を満たす場所を入射点とする必要がある。

また、荷電粒子の中心軌道に対する入射角度は、平衡軌
道が入射位置まで変位した場合に中心軌道となす角度に
一致させる。

（ii）についてはつぎのようにする。すなわち、Ｚ方向
のベータトロン振動の振幅はドーナッツ内壁に衝突しな
い限り最大になるように入射角度を決める。つぎに、発
散用あるいは収束用４極電磁石の励磁量を調整すること
によりν_x,ν_ｚを変化させ、各周回目の電子が入射点を
通過する時の位置を求め、より多くの周回数が得られる
条件を求める。

以上述べた実施例に対する具体例を次に示す。第１図に
示すような６回対称のリングを考える。11,13,14,15,16
は第８図と同じものである。71はν_x,ν_ｚ調整用の４極
電磁石である。パータベータ11は、本具体例では１台と
する。荷電粒子は電子で、そのエネルギーは0.6Gevとす
る。前断加速器から入射される電子ビームの半径を2mm
とする。インフレクタ電極の配置を第３図の如くにす
る。すなわち、インフレクタは静電形で、アース側電極
61はＸ軸より下、すなわちＺ＜０の領域に設置してあ
る。入射電子ビーム81の中心からアース側電極61までの
距離は3mmとし、電子ビーム外周とアース側電極61との
間に1mmの余裕をおく。アース側電極61の中心軌道側85
と、アース側電極61上のＺ＞０の位置に86においても電
子ビームが通過し得る位置を各々62,63に示すようにア
ース側電極61との間に1mmの余裕をとる。したがって、
電子ビームが最も近づき得る位置の入射位置からの距離
l_xは7mmとなる。入射開始時の平行軌道22はＸ軸上に置
き、入射位置のＸ座標値からX₀＝11mmの距離とする。ま
た、中心軌道と入射位置のＸ座標の距離をD_x＝35mmとす
る。

収束用４極電磁石11,発散用４極電磁石15の磁場強度
は、X,Z方向のベータトロン振動数が各々ν_ｘ＝2.25,ν
_ｚ＝1.25となるように設計されているものとする。ここ
で、ν_x,ν_ｚ調整用４極電磁石71を励磁して、前記の条
件（ii）が達成できるよう、ν_x,ν_ｚ値を変える。４極
電磁石71の磁場強度Kqに対するν_x,ν_ｚの値を第４図に
示す。Kqの負符号は、４極電磁石71がＸ方向に対して発
散用電磁石として作用することを意味する。４極電磁石
71の励磁強度をKq＝−0.15〔m^-2〕とすると、ν_ｘ≒2.2
0,ν_ｚ≒1.33となり、入射開始時の平衡軌道からの各周
回目の電子ビーム位置は次表１のようになる。

電子ビーム位置（表１）をＸ−Ｚ平面上に表わしたもの
が第５図である。Ｘ方向については、5,10周目にインフ
レクタ位置にくるが、この時、ｚ方向でインフレクタを
避けている。同様にｚ方向については、3,6,9,12周目に
インフレクタ位置にくるが、この時、Ｘ方向でインフレ
クタを避けている。このようにして14周目までインフレ
クタに衝突せず、15周目に初めてX,Zともインフレクタ
位置にくる。したがって、15周する間にl_xだけ平衡軌道
を戻せばよい。すなわち、lx/15の速度で平衡軌道を戻
す。一方、入射された電子ビームをインフレクタに衝突
させることなく入射するためには、平衡軌道は最小l_x移
動しなければならないから、平衡軌道が中心軌道から距
離l_x以下に近づいた後に入射された電子は多数回周回す
ると最終的にはインフレクタに衝突してしまう。したが
って、入射可能時間内に平衡軌道が移動できる距離は、
第３図において、 D_x−X₀−l_x であり、入射可能周回数Ｎは、となる。すなわち、36周分の電子を入射することができ
る。前述したように、従来は４〜５周分であったから、
本発明によれば６〜９倍の電子を入射することができ
る。

上述のようにして入射された電子の各周回目におけるＸ
方向位相空間上での振動を入射点で見たものが第６図
（ａ），（ｂ）である。すなわち、横軸に中心軌道から
の距離X,縦軸に中心軌道に対する発散角Ｘ′をとり、各
周回目での電子のX,X′を描いたものである。第６図
（ａ）は入射動作開始直後に入射された入射電子、第６
図（ｂ）は、第６図（ａ）の電子が36週した時点で入射
された電子について示している。入射ビームの半径は上
述のように2mm,発散角は±0.5mradとした。入射ビーム
を位相平面上に描くと円になるが、第６図ではそれに外
接する矩形で表わしてある。楕円111はアクセプタンス
であり、各周回目で電子が楕円内に納まっていればうま
く入射されていることになる。いずれの場合もアクセプ
タンス内に納まっており、うまく入射されている。第７
図は同様にＺ方向について位相空間での振動を示したも
のである。Ｚ方向については平衡軌道の移動がないの
で、すべてのビームは第７図で表される。Ｚ方向もアク
セプタンス121に納まっており、うまく入射されてい
る。

このように、Ｘ方向のベータトロン振動に加え、Ｚ方向
のベータトロン振動も利用することにより、Ｘ方向に対
して荷電粒子がインフレクタ位置にある場合でもＺ方向
でインフレクタを避けることができる。その結果、平衡
軌道を中心に戻す時間を長くすることができ、従来に比
べ多くの荷電粒子を入射することができる。さらに、入
射点におけるＸ方向の荷電粒子の振幅を最小にするよう
に入射位置，入射角度を設定することにより、さらに多
くの荷電粒子を入射することができる。

ここでは一つの実施例に対する具体例を示し、本発明の
有効性を説明したが、他の円形加速器においても上記の
入射方法により、同様の効果が期待できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、荷電粒子の入射点
でのＸ方向ベータトロン振動の振幅を最小にするよう入
射位置，入射角度を設定し、かつ、Ｚ方向にも有限の角
度をもって入射することにより、Ｚ方向（平衡軌道面に
垂直な方向）のベータトロン振動を利用することができ
るので、荷電粒子がＸ方向（荷電粒子の動径方向）に対
してインフレクタ位置にある場合でもＺ方向でインフレ
クタを避けることができ、その結果、平衡軌道を中心軌
道に戻す時間を長くして、従来に比べ多くの荷電粒子を
入射することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明の実施例を示し、第１図は
円形加速器の概略図、第２図は荷電粒子の各周回目の位
置を入射点の真空チャンバー断面で見た図、第３図はイ
ンフレクタの配置図、第４図はν_x,ν_ｚ調整用４極電磁
石の励磁強度とν_x,ν_ｚの関係を表わす図、第５図入射
点での電子ビームの位置を表わす図、第６図（ａ），
（ｂ）はＸ方向位相空間上での電子ビームの振動を説明
するための図、第７図はＺ方向位相空間上での電子ビー
ムの振動を説明するための図である。第８図ないし第12図は従来例を示し、第８図は円形加速
器の概略図、第９図は入射部分の拡大図、第10図はイン
フレクタの概略図、第11図は荷電粒子の各周回目の位置
を入射点の真空チャンバー断面で見た図、第12図は周回
数に対する荷電粒子の位置を表わした図である。 11……パータベータ、21……中心軌道、22……平衡軌
道、61……インフレクタ、71……ν_x,ν_ｚ調整用４極電
磁石、81……入射ビーム、62……Ｘ方向に最も近づいた
ビーム、63……Ｚ方向に最も近づいたビーム、111……
Ｘ方向のアクセプタンス、121……Ｚ方向のアクセプタ
ンス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子用円形加速装置における荷電粒子
入射方法において、該荷電粒子加速器における荷電粒子
が安定して周回する平衡軌道が成す平衡軌道面及び該平
衡軌道に接し、かつ該平衡軌道面に垂直な垂直面に対し
て、荷電粒子を前記平衡軌道面上から離れた位置で且つ
前記垂直面上からも離れた位置から入射することを特徴
とする円形加速装置における荷電粒子入射方法。