KR101325244B1

KR101325244B1 - 하전입자 가속기 및 하전입자의 가속 방법

Info

Publication number: KR101325244B1
Application number: KR1020127030821A
Authority: KR
Inventors: 유지 코쿠보; 마사토시 우에노; 마수미 무카이; 마사히코 마츠나가
Original assignee: 가부시키가이샤 콴 재팬
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2013-11-04
Also published as: EP2566305A4; EP2566305B1; JPWO2011136168A1; US8569979B2; AU2011246239A1; CA2797395A1; US20130033201A1; JP4865934B2; WO2011136168A1; ZA201208159B; EA201201376A1; EP2566305A1; CN103026803A; KR20130012586A; AU2011246239B2; EA025967B1; CA2797395C

Abstract

하전입자(2)에 가속전위를 가하는 가속전극관(LA#1 ~ LA#28)을 캐스케이드에 복수로 배치하고, 제어장치 (8)에서 각 가속전극관(LA#1 ~ LA#28)로의 가속전압 인가 타이밍을 적절하게 제어하는 것으로, 하전입자(2)가 가속전극관(LA#1 ~ LA#28)의 갭을 통과할 때마다 가속에너지를 취득할 수 있도록 한다.

Description

하전입자 가속기 및 하전입자의 가속 방법 {Charged Particle Accelerator and Charged Particle Acceleration Method}

본 발명은 하전입자를 가속하는 하전입자 가속기 및 하전입자의 가속 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 가속 전기장의 발생을 고전압 펄스 발생 장치와 제어장치의 조합으로 실현한 선형 궤도형 가속기 및 나선 궤도형 가속기, 및 이들의 하전입자 가속기에 따른 하전입자의 가속 방법에 관한 것이다.

도 23a 및 도 23b는 하기 특허문헌 1에 기재된 종래의 하전입자 가속기의 구성을 나타낸다. 이 하전입자 가속기는 나선 궤도형 하전입자 가속기의 대표적인 예시인, 싸이크로트론(Cyclotron)이다. 도 23a 및 도 23b에서, 70은 자석, 71 및 72는 가속 전극, 73은 고주파 전원이며, 고주파 전원 73은 가속 전극 71 및 72에 가속 고주파 전압을 공급한다. 74는 하전입자이며, 가속 전극 71 및 72에 의해 가속된다.

싸이크로트론에서 하전입자 74의 회전 주기 T_p는 T_p = 2 πm/eB를 만족한다. 여기서, π는 원주율, m은 하전입자 74의 질량, e는 하전입자 74의 전하, B는 자석 70에 의한 입자 궤도상의 자속밀도(Magnetic Flux Density)이다. 따라서, m/eB가 일정하면 하전입자 74의 회전주기는 회전 반경에 관계없이 일정하며, 고주파 전원 73의 가속 고주파 주기 T_rf를, 예를 들면, T_rf = T_p/2의 관계로 해주면, 하전입자 74는 가속 전극 71, 72 사이의 전극 갭으로 지속적으로 가속하게 되어, 높은 에너지까지 가속할 수 있다.

속도가 광속 근처까지 도달하면, 하전입자 74의 질량 m 값은 상대성 이론 효과에 의해 증대한다. 그 결과, 도 23a 및 도 23b에 표시된 사이크로트론에서는 하전입자 74의 가속 에너지가 높아지고, 속도가 광속에 가까워지면 등시성(isochronous property)을 확보할 수 없게 되어, 한층 더 가속을 지속할 수 없게 된다. 이것의 대책으로, 예를 들면, 가속 에너지의 증가에 대응하여 자속밀도를 변화시키거나 혹은 고주파 주기를 변화시키는 등의 수단이 제안되고 있다.

특개 2006-32282호 공보

이상에서 언급한 종래의 나선 궤도형 하전입자 가속기는 상대성 이론 에너지 영역에서 등시성의 파탄(loss of the isochronous properties) 때문에 에너지 이득을 크게 할 수 없으며, 또한, 등시성의 파탄을 보정하기 위해 가속 고주파 전압 또는 자기장 분포를 변동시키는 기능이 필요하여 장치의 부품 수가 증대하며, 고비용화가 되는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 구성이 가지고 있던 문제를 해결하려고 하는 것이며, 그 주된 목적은 종래와 비교하여 저렴하고 에너지 이득이 큰 하전입자 가속기 및 하전입자의 가속 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명 일 측면의 하전입자 가속기는 하전입자를 발사(發射, emitting)하는 하전입자 발생원과, 상기 하전입자 발생원으로부터 발사된 하전입자를 통과시켜, 통과하는 하전입자를 가속하는 가속 전극관과, 상기 하전입자를 가속하기 위한 전압을 상기 가속 전극관에 인가하는 구동회로와, 하전입자가 가속 전극관 내를 이동하는 동안에, 당해 가속 전극관으로 전압 인가를 개시하도록 상기 구동 회로를 제어하는 제어부를 구비한다.

이 측면에 있어서, 상기 하전입자 가속기가 직선으로 배치된 복수의 상기 가속 전극관을 구비하여, 상기 하전입자 발생원으로부터 발사된 하전입자가 상기 복수의 가속 전극관을 순차적으로 통과하도록 구성되어 있고, 상기 제어부는 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속 전극관에 대해 전압인가를 개시하면, 복수의 상기 가속 전극관에 순차적으로 전압을 인가하도록 상기 구동 회로를 제어하기 위해 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 하전입자 가속기는 가속 전극관을 통과한 하전입자의 진행 방향을 변화시키는 편향자석을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 편향자석은 하전입자가 동일한 가속 전극관을 재통과하도록 하기 위해, 가속 전극관을 통과한 하전입자의 진행 방향을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 상기 제어부는 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속 전극관에 대해 전압 인가를 개시하면, 동일한 가속 전극관에 여러 차례 전압을 인가하도록, 상기 구동회로를 제어하기 위해 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 하전입자 가속기는 상기 하전입자의 진행 방향을 당해 진행방향과 교차하는 방향으로 조정하는 조정부를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 하전입자 가속기는 하전입자가 가속 전극관을 통과할 때, 당해 가속 전극관에 발생하는 가속 전류를 계측하는 전류계를 추가로 구비하고, 상기 제어부는 상기 전류계에 의한 가속 전류의 계측 결과를 기준으로, 가속 전극관으로의 전압 인가 개시 타이밍을 조절하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 구동회로가 상기 가속 전극관으로의 인가 전압 값을 변경할 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 측면에 있어서, 상기 하전입자 가속기는 상기 가속 전극관에 의해 가속된 하전입자가 소정의 궤도를 진행하고 있는지 여부를 검출하는 검출부를 추가로 구비하고, 상기 검출부에 의해 상기 하전입자가 상기 소정의 궤도를 진행하고 있지 않는 것이 검출된 경우, 상기 제어부는 상기 구동회로를 정지시키도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 측면의 하전입자의 가속 방법은, 하전입자가 복수의 가속 전극관을 순차적으로 통과하도록 하기 위해, 하전입자 발생원으로부터 하전입자를 발사하는 단계와, 하전입자가 가속 전극관 내를 이동하고 있는 동안에, 당해 가속 전극관에 대해 상기 하전입자를 가속하기 위한 전압의 인가를 개시하면, 상기 복수의 가속 전극관에 순차적으로 전압을 인가하는 단계를 가진다.

본 발명에 따른 하전입자 가속기 및 하전입자의 가속 방법에 의하면, 종래에 비해 저렴하면서도 큰 에너지 이득을 얻을 수 있다.

도 1은 실시형태 1에 따른 선형 궤도형 하전입자 가속기의 구성도;
도 2는 실시형태 1에 따른 제어 장치의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트;
도 3은 다른 선형 궤도형 하전입자 가속기의 구성도;
도 4a는 실시형태 2에 따른 나선 궤도형 하전입자 가속기의 구성을 나타내는 평면도;
도 4b는 실시형태 2에 따른 나선 궤도형 하전입자 가속기의 구성을 나타내는 측면도;
도 5a는 실시형태 2에 따른 가속유닛의 구성을 나타내는 평면도;
도 5b는 실시형태 2에 따른 가속유닛의 구성을 나타내는 정면도;
도 5c는 실시형태 2에 따른 가속유닛의 구성을 나타내는 측면도;
도 6a는 실시형태 2에 따른 조정유닛의 구성을 나타내는 평면도;
도 6b는 실시형태 2에 따른 조정유닛의 구성을 나타내는 정면도;
도 6c는 실시형태 2에 따른 조정유닛의 구성을 나타내는 측면도;
도 7a는 실시형태 2에 따른 검출유닛의 구성을 나타내는 평면도;
도 7b는 실시형태 2에 따른 검출유닛의 구성을 나타내는 정면도;
도 7c는 실시형태 2에 따른 검출유닛의 구성을 나타내는 측면도;
도 8a는 홀수번호 가속셀의 구성을 나타내는 평면도;
도 8b는 홀수번호 가속셀의 구성을 나타내는 정면도;
도 8c는 홀수번호 가속셀의 구성을 나타내는 측면도;
도 9a는 짝수번호 가속셀의 구성을 나타내는 평면도;
도 9b는 짝수번호 가속셀의 구성을 나타내는 정면도;
도 9c는 짝수번호 가속셀의 구성을 나타내는 측면도;
도 10a는 가속셀의 출사측(出射側, emission side) 구성을 나타내는 평면도;
도 10b는 가속셀의 출사측 구성을 나타내는 정면도;
도 10c는 가속셀의 출사측 구성을 나타내는 측면도;
도 10d는 도 10a에 나타낸 가속셀의 단면도;
도 10e는 도 10a에 나타낸 가속셀의 단면도;
도 10f는 도 10a에 나타낸 가속셀의 단면도;
도 11a는 홀수번호 가속셀의 입사측(入射側, injection side) 구성을 나타내는 평면도;
도 11b는 홀수번호 가속셀의 입사측 구성을 나타내는 정면도;
도 11c는 홀수번호 가속셀의 입사측 구성을 나타내는 측면도;
도 11d는 도 11a에 나타낸 홀수번호 가속셀의 단면도;
도 11e는 도 11a에 나타낸 홀수번호 가속셀의 단면도;
도 12a는 짝수번호 가속셀의 입사측 구성을 나타내는 평면도;
도 12b는 짝수번호 가속셀의 입사측 구성을 나타내는 정면도;
도 12c는 짝수번호 가속셀의 입사측 구성을 나타내는 측면도;
도 12d는 도 12a에 나타낸 짝수번호 가속셀의 단면도;
도 12e는 도 12a에 나타낸 짝수번호 가속셀의 단면도;
도 13a는 조정셀의 구성을 나타내는 평면도;
도 13b는 조정셀의 구성을 나타내는 정면도;
도 13c는 조정셀의 구성을 나타내는 측면도;
도 13d는 도 13a에 나타낸 조정셀의 단면도;
도 13e는 도 13a에 나타낸 조정셀의 단면도;
도 14a는 검출셀의 구성을 나타내는 평면도;
도 14b는 검출셀의 구성을 나타내는 정면도;
도 14c는 검출셀의 구성을 나타내는 측면도;
도 15는 가속셀의 가속 동작 설명도;
도 16은 가속셀의 이동 동작(홀수번호 가속셀 → 짝수번호 가속셀) 설명도;
도 17은 가속셀의 이동 동작(짝수번호 가속셀 → 홀수번호 가속셀) 설명도;
도 18은 분산 가속에 의한 하전입자 궤도 설명도;
도 19는 조정셀의 동작 설명도;
도 20은 검출셀의 동작 설명도;
도 21은 실시형태 3에 따른 하전입자 계측 시스템의 구성도;
도 22는 다른 하전입자 계측 시스템의 구성도;
도 23a는 종래의 나선 궤도형 하전입자 가속기의 구성도;
도 23b는 도 23a에 나타낸 나선 궤도형 하전입자 가속기의 단면도이다;

이하, 도면과 표를 이용하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

(실시형태 1)

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 선형 궤도형 하전입자 가속기의 구성도이다. 도 1에서, 1은 이온원(ion source), 2는 이온원으로부터 추출된 하전입자, LA#1 ~ LA#28은 하전입자 2를 가속하기 위한 28대의 가속 전극관이며, 최종단(最終段, at the end)의 더미 전극관 7을 포함하여 선형(직선형)으로 배치되어 있다. 3은 20 KV 직류전원이며, 그 출력은 전류계 4를 통해 9개의 스위칭 회로 S#1 ~ S#9의 I 단자에 접속되어 있다. 뿐만 아니라, 5는 200 KV의 직류전원이며, 그 출력은 전류계 6을 통해 19 개의 스위칭 회로 S#10 ~ S#28 I 단자에 접속되어 있다. 8은 제어장치이며, 전류계 4 및 6의 출력이 접속되어 있다. 스위칭 회로 S#1 ~ S#28의 O 단자는 각각 가속 전극관 LA#1 ~ LA#28에 접속되어 있다. 제어장치 8의 출력은 스위칭 회로 S#1 ~ S#28에 접속되어 있고, 제어 장치 8의 지령으로 각각 스위칭 회로를 전환할 수 있는 구성으로 되어 있다.

이하, 상기 구성의 선형 궤도형 하전입자 가속기의 동작을 설명한다. 또한, 여기에서는 대표적인 예로서 6가 탄소 이온을 가속하는 경우에 대해 설명한다. 이온원 1은 20 KV 직류전원 3에 의해 항상 20 KV의 전압이 인가되고 있다. 스위칭 회로 S#1 ~ S#28은 제어장치 8의 출력이 "1"이 되었을 때, O 단자와 I 단자를 접속하여 O 단자에서 I 단자와 같은 전압을 출력한다. 반면에, "0"의 경우는 O 단자의 출력을 접지 전위(ア-ス電位, ground potential)로 한다. 가속 전의 초기 상태에서, 제어 장치 8은 스위칭 회로 S#1에서만 "1"을 출력하고 있고, 다른 S#1 ~ S#28에서 "0"을 출력하고 있다. 즉, 초기 상태에서는 가속 전극관 LA#1만 20 KV의 전위를 가지고 있고, 다른 LA#2 ~ LA#28은 모두 접지 전위로 되어 있다. 따라서, 이 상태에서는 이원온 1과 가속 전극관 LA#1은 동일한 전위가 되기 때문에, 하전입자 2가 추출되는 것은 아니다.

가속 동작을 수행할 때, 우선 먼저 제어 장치 8은 스위칭 회로 S#1에 소정 기간 "0"을 출력하고, 가속 전극관 LA#1을 접지 전위로 떨어트린다. 가속 전극관 LA#1이 접저 전위가 되었을 때, 이온원 1에서는 하전입자 2(6가 탄소이온)가 추출된다. 이온원 1은 이온 전류가 1 mA, 이온 빔 직경이 5mm가 되도록 조정시키고, 예를 들어 100 나노초 동안 가속 전극관 LA#1을 접지 전위로 한다면, 약 2.7 ×10⁸ 개의 하전입자 2(6가 탄소이온)가 포함된 이온 빔 펄스를 얻을 수 있게 된다. 조사량을 증가하기 위해 더욱 많은 하전입자 2를 포함한 이온 빔을 형성하기 위해서는 100 나노초보다 긴 시간 동안 가속 전극관 LA#1을 접지 전위로 떨어트리면 된다. 반면에, 1개의 이온 빔 펄스에 의한 조사량을 줄이고 싶은 경우에는, 100 나노초 보다 짧은 시간 동안 가속 전극관 LA#1을 접지 전위로 떨어트리면 된다. 따라서, 도 1의 선형 궤도형 하전입자 가속기에서는 이온 빔 펄스 당 조사량을 임의로 프로그램 설정하는 것이 가능하다.

이온 빔 펄스는 이온원 1과 가속 전극관 LA#1의 전위차로 가속되면서, 가속 전극관 LA#1에 입사된다. 제어 장치 8은 이온 빔 펄스의 리딩 엣지(リ-ディングエッヅ,leading edge)가 가속 전극관 LA#1의 중심 부근에 도달한 타이밍에 스위칭 회로 S#1에 출력을 "1"로 하여 가속 전극관 LA#1의 전위를 20 KV로 전환한다. 이온 빔 펄스는 가속 전극관 LA#1에서 출사될 때, 가속 전극관 LA#1과 가속 전극관 LA#2의 전위차에 의해 두 번째 가속을 받는다.

이어서, 제어장치 8은 이온 빔 펄스의 리딩 엣지가 가속 전극관 LA#2의 중심 부근에 도달한 타이밍에서, 가속 전극관 LA#2의 전위를 20 KV로 전환한다. 이온 빔 펄스는 가속 전극관 LA#2로부터 출사될 때, 이번에는 가속 전극관 LA#2와 가속 전극관 LA#3의 전위차에 의해 가속을 받는다. 제어 장치 8은 상기와 같은 인가 전압의 시퀀스 제어를 가속 전극관 LA#2 ~ LA#28에 대해서 반복하여, 이온 빔 펄스, 즉 하전입자 2의 가속 에너지를 증대시킨다.

이온 빔 펄스는 가속 전극관을 통과할 때마다 속도가 증가하므로, 스위칭 회로 S#n의 응답 지연을 고려할 경우, 이온 빔 펄스가 가속 전극관 LA#n의 중심 부근에 있을 때 확실하게 전위의 변환을 실시하기 위해서는, 후단의 가속 전극관의 길이를 길게 할 필요가 있다. 본 발명의 실시형태 1에서는 각 가속 전극관을 표 1에 나타낸 길이로 하였다. 또한, 참고값으로서 각 가속 전극관에 입사하는 이온 빔 펄스의 에너지와 펄스 폭을 표 1에 나타내었다. 이온 빔 펄스는 최후에 가속 전극관 LA#28과 더미 전극관 7의 전위차에 의해 가속되어, 총 2 MeV/u의 가속 에너지를 획득한다. 또한, 대전류 이온 빔 펄스의 가속 등과 같은 빔 집속(ビ-ムの收束, beam convergence)이 필요한 응용에서는 가속 전극관 내 또는 이온 빔 수송로에, 예를 들어 정전 4 중극 렌즈(quadrupole electrostatic lenses) 등의 빔 집속 회로를 설치한다. 구체적인 광학 설계, 즉 빔 집속 회로의 설치 위치 및 특성에 대해서는 이온 빔의 강도와 필요한 빔의 지름에 따라 사례별로 설계 검토하게 된다.

선형 가속 전극관 번호	전극관의 길이(mm)	입사 빔 펄스
선형 가속 전극관 번호	전극관의 길이(mm)	에너지 (KeV/U)	펄스 폭 ^주1 (나노초)
LA#1	600	10	100
LA#2	600	20	71
LA#3	600	30	58
LA#4	600	40	50
LA#5	650	50	45
LA#6	700	60	41
LA#7	750	70	38
LA#8	800	80	35
LA#9	850	90	33
LA#10	900	100	32
LA#11	1000	200	22
LA#12	1200	300	18
LA#13	1350	400	16
LA#14	1500	500	14
LA#15	1650	600	13
LA#16	1750	700	12
LA#17	1900	800	11
LA#18	2000	900	11
LA#19	2100	1000	10
LA#20	2200	1100	10
LA#21	2300	1200	9
LA#22	2400	1300	9
LA#23	2500	1400	8
LA#24	2600	1500	8
LA#25	2700	1600	8
LA#26	2750	1700	8
LA#27	2800	1800	7
LA#28	2900	1900	7

주 1: 이온원에서의 이온 추출 시간을 100 나노초로 했을 때의 값

이온원 1로부터 방출된 하전입자 2가 2 MeV/u 에너지까지 가속할 때의 제어 장치 8이 실시하는 시퀀스 제어의 타이밍 차트의 일례를 도 2에 나타내었다. 도 2에서는 제어 장치 8이 최초로 100 나노초의 빔 추출을 수행한 경우에 대한 타이밍 차트를 나타내고 있다. 제어 장치 8은 사전에 정해진 타이밍 동작으로, 스위칭 회로 S#1 ~ S#28을 펄스 형태로 ON/OFF 시킨다. 실시형태 1에서는 각 가속 전극관의 전극관 거리를 5cm로 하고, 이 경우 도 2의 t1 ~ t27은 표 2에 나타낸 값이다. 또한, 도 2의 예에서 S#2 ~ S#28을 ON 상태로 수행하는 시간은 1 마이크로초의 고정값으로 하고 있다.

	시간 (나노초)
t1	620
t2	300
t3	250
t4	230
t5	220
t6	220
t7	220
t8	220
t9	190
t10	170
t11	160
t12	160
t13	160
t14	160
t15	160
t16	160
t17	160
t18	160
t19	160
t20	160
t21	160
t22	160
t23	160
t24	160
t25	160
t26	150
t27	150

이온 빔 펄스는 하나의 가속 전극관으로부터 출사된 후단의 가속 전극관에 입사될 때, 그 전위차에 의해 가속되고, 이때 20 KV 직류전원 3, 또는 200 KV 직류전원 5에 가속 전류가 흐른다. 전류계 4 및 전류계 6은 이 가속 전류를 계측하여 제어 장치 8에 전달한다. 제어장치 8은 전류계 4 및 전류계 6의 계측값으로부터 이온 빔 펄스가 가속되는 타이밍, 즉 가속 전극관의 사이를 통과하는 타이밍을 파악한다. 이 타이밍 데이터로부터 실제의 이온 빔 펄스의 가속 에너지를 산출하고, 그 산출값과 예측값에 큰 편차가 생겼을 경우에는, 장치에 어떠한 이상이 발생했다고 판단하여, 예를 들어 작동자에게 알리는 등의 경보 처리를 수행한다.

표 2에 기재되어 있는 시간은 직류전원 3 및 5가 완전한 정격 전압값을 출력하는 것을 전제로 계산한 값이다. 직류전원 3 또는 5의 출력전압에 외란(disturbance)이 발생했을 경우, 예를 들어, 1차측 전원 전압의 급변 등의 원인에 의해 전압값이 변동하는 경우에는 그 상황에 맞추어 표 2의 시간값을 보정할 필요가 있다. 이 때문에, 제어 장치 8은 전류계 4 및 6의 계측값을 기준으로 가속 전극관에 전압 인가 개시 시각을 보정하는 작업을 수행한다.

가속 전극관 LA#n(n = 2, 3,…, 28)에 전압 인가 타이밍의 보정 처리에 대해 자세히 설명한다. 전단의 가속 전극관 LA#n-1 내에 이온 빔이 존재하고, 속도 v_n-1에서 후단의 가속 전극관 LA#n 방향으로 향하고 있는 것으로 한다. 이 때, LA#n-1에는 가속 전압이 인가되고 있다. 이온 빔은 LA#n-1과 LA#n의 갭을 통과할 때, 두 가속 전극관의 전위차에 의해 가속되고, LA#n에 도달했을 때, 그 속도가 v_n까지 도달하는 것으로 한다. 가속 동작을 수행하고 있는 동안, 직류전원에 가속 전류가 항상 흐른다. 가속 전극관의 갭은 평등전계(平等電界, uniform electric field)와 근사할 수 있기 때문에, LA#n-1에 가속 전류가 흐르는 시간 T_ai(n-1)는 식 1로 나타내어진다.

여기서, d는 가속 전극관 갭의 길이, W_ib는 이온 빔의 펄스길이를 나타낸다. v_n값은 알려진 값이기 때문에, T_ai(n-1)를 측정하여 가속 후 이온 빔 속도 v_n을 식 1에서 구할 수 있게 된다.

본 실시형태에서, 이온원 1로부터 추출된 전압은 20 KV이기 때문에, LA#1에 도달했을 때의 이온빔은 1.39 ×10⁶m/sec로 가속되고 있다. 또한, 추출 시간이 100nsec이기 때문에, 이온 빔의 펄스 폭은 0.139m가 된다. 따라서, v₁ ≒ 1.39 ×10⁶m/sec, W_ib≒ v₁× 10⁹nsec = 0.139m, 전극 갭은 5cm, 즉, d = 0.05m가 된다. LA#1의 가속 전류를 측정하는 것으로, T_ai(1)의 값을 알 수 있어 식 1의 관계로부터 v₂, 즉 LA#2 내에서의 이온 빔 속도를 계산할 수 있다. LA#2의 가속 전극관의 길이 값은 공지된 값이기 때문에, v₂ 값으로부터 이온 빔이 LA#2의 중심부분에 존재하는 타이밍, 즉 스위칭 회로 S#2를 "1"로 하는 최적의 타이밍을 얻을 수 있게 된다.

장치가 정격동작을 하고 있는 경우, 이온 빔은 LA#1과 LA#2의 갭으로 20 KV의 가속을 받기 때문에, v₂ ≒ 1.96 ×10⁶m/sec가 된다. 이 경우, 도 2에 나타낸 t1의 값은, 표 2에 나타낸 바와 같이, 620 nsec가 최적의 값이 된다.

전원 전압 변동 등의 외란에 의해 가속 동작에 정격값으로부터 편차가 발생했을 경우, T_ai(1) 측정값으로부터 연산된 v₂값이 1.96 ×10⁶m/sec에서 벗어난 수치가 된다. 이러한 경우, 제어 장치 8은 측정값으로부터 연산된 v₂에서 t1을 재설정하고, 재설정된 t1을 사용하여 타이밍 제어를 계속한다. 제어 장치 8은 이러한 귀납적인 순서로, 각 가속 전극관에 전압 인가 타이밍을 보정하고, 최적화한다.

이상과 같이, 가속 전극관에 흐르는 가속 전류를 측정하는 것으로, 다음 단계의 가속 전극관에 가속 전압 인가 타이밍을 보다 정확하게 제어할 수 있는 동시에, 소정 시간 범위 내에 가속 전류의 발생을 확인할 수 없었던 경우, 장치에 어떠한 고장이 발생했음을 검출할 수 있다. 또한, 가속 전극관에 흐르는 가속 전류로부터 피가속 하전입자의 비행 타이밍을 실측할 수 있게 하였으므로, 전원 변동 등의 외란에 강한 타이밍 제어를 수행할 수 있게 되어, 고품질 가속기를 제공할 수 있다.

게다가, 도 1에서는 직류전원에 고정 전압의 전원을 이용하였지만, 가변 전압의 직류 전원을 이용할 수도 있다. 도 3에 그 실시예를 나타낸다. 도 3은 도 1의 200 KV 직류전원 5를 가변 전압 전원 15로 바꾼 것이며, 그 전원 전압은 제어 장치 8의 제어에 의해 증감이 가능하게 구성되어 있다. 도 3에 나타낸 예에서는, 가속 전압으로서 다양한 전압값으로 선택하는 것이 가능하기 때문에, 이온 빔 펄스마다 임의의 가속 에너지를 프로그램이 가능한 선형 궤도형 가속기로 구현할 수 있다. 또한, 전류계 6에 의해 계측되는 실제 이온 빔 펄스의 가속 에너지에 예측값과 편차가 발생한 경우, 이후의 가속 전압을 가감하여 다시 예측값과 일치하는 값으로 되돌리는 조정 조작이 가능해진다. 이와 같이, 제어 장치에 가속 전압을 증감하는 기능을 갖게 하는 것으로, 하전입자의 가속 에너지를 임의로 변경하는 것이 가능해진다. 또한, 제어 장치에 의해 가속 전압의 증감이 이루어지기 때문에, 임의의 가속 에너지를 프로그램할 수 있는 유연성이 높은 가속기를 제공할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태에 있어서는, 이온원 또는 전자원으로부터 추출된 하전입자가 초단(初段)의 가속 전극관에 입사될 때, 제어 장치는 하전입자가 가속 전극관에 완전히 유입된 타이밍을 가늠하고, 가속 전극관에 가속 전압을 인가한다. 후속의 가속 전극관은 당초에는 접지 전위(O V)로 유지되고 있기 때문에, 초단의 가속 전극관으로부터 출사된 하전입자는 초단 및 2단째(二段目)의 가속 전극관 사이의 전위차에 의해 가속된다. 이어서, 제어장치는 하전입자가 2단째 가속 전극관에 유입하는 타이밍을 가늠하고, 2단째의 가속 전극관에 가속 전압을 인가한다. 이러한 타이밍 제어를 선형 배치된 n단의 가속 전극관에 대해 반복해서 수행하는 것을 통해, 하전입자의 가속 에너지를 증대시킬 수 있다. 게다가, 2단째 이후의 가속 전극관의 전위는 하전입자가 다음 단(次段)의 가속 전극관에 유입한 후, 접지 전위로 되돌려진다. 이상으로 구성함으로써, 각 가속 전극관의 인가 전압을 분산 제어하는 것으로 가속 전기장을 발생시킬 수 있으므로, 종래에 필요했던 고주파 전력 발생 회로가 불필요해져, 저렴하고 게다가 신뢰성이 높은 가속기를 제공할 수 있다.

(실시형태 2)

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시형태 2에 따른 나선 궤도형 하전입자 가속기의 구성을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도 4a에서 40은 하전입자, 41은 가속유닛, 42는 조정유닛, 43은 검출유닛, 44 및 45는 편향자석이다.

도 4a의 가속유닛 41, 조정유닛 42, 및 검출유닛 43의 상세한 구성은 각각 도 5a 내지 도 5c, 도 6a 내지 도 6c, 및 도 7a 내지 7c에 나타내었다. 가속유닛 41은 가속셀로 불리는 폭 60 mm, 높이 30mm, 깊이 30000mm(30m) 모듈의 집합체로 구성되어 있다. 뿐만 아니라, 조정유닛 42는 조정셀로 불리는 폭 60mm, 높이 30mm, 깊이 6050mm 모듈의 집합체로, 또한 검출유닛 43은 검출셀로 불리는 폭 60mm, 높이 30mm, 깊이 60mm 모듈의 집합체로 구성되어 있다.

이 경우, 가속유닛 41은 157개의 가속셀로 구성된다. 마찬가지로, 조정유닛 42 및 검출유닛 43에 대해서도 157개의 조정셀, 157개의 검출셀로 구성된다. 도 5b에 나타나는 바와 같이, 157개의 가속셀 AC#1 ~ AC#157은 상하 2층으로 배치되고, 하측에는 홀수번호 가속셀이, 상측에는 짝수번호 가속셀이 배치된다. 도 8a 내지 도 8c에 홀수번호 가속셀의 자세한 구성을 나타내었다. 홀수번호 가속셀은 상부에 관통홀(拔き穴, through hole)이 설치되어 있고, 상기 관통홀의 위치와 크기는 표 3 ~ 8에 표시된 바와 같이, 번호마다 상이하다. 도 9a 내지 도 9c는 짝수번호 가속셀의 자세한 구성을 나타내었다. 짝수번호 가속셀은 하부에 관통홀이 설치되어 있고, 그 위치와 크기도 표 3 ~ 8에 나타낸 바와 같이, 번호마다 상이하다.

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#1	2.00	2.40	196	69.2	215
AC#2	2.40	2.90	215	78.0	236
AC#3	2.90	3.50	236	87.6	259
AC#4	3.50	4.10	259	96.5	281
AC#5	4.10	4.80	281	106	304
AC#6	4.80	5.50	304	115	325
AC#7	5.50	6.30	325	124	347
AC#8	6.30	7.10	347	133	369
AC#9	7.10	7.90	369	141	389
AC#10	7.90	8.80	389	150	410
AC#11	8.80	9.70	410	159	430
AC#12	9.70	10.7	430	168	452
AC#13	10.7	11.7	452	176	472
AC#14	11.7	12.8	472	185	494
AC#15	12.8	13.9	494	193	514
AC#16	13.9	15.1	514	202	535
AC#17	15.1	16.3	535	211	556
AC#18	16.3	17.5	556	219	576
AC#19	17.5	18.8	576	227	596
AC#20	18.8	20.1	596	236	616
AC#21	20.1	21.4	616	244	635
AC#22	21.4	22.8	635	252	655
AC#23	22.8	24.3	655	260	676
AC#24	24.3	25.8	676	269	696
AC#25	25.8	27.3	696	277	715
AC#26	27.3	28.9	715	285	735
AC#27	28.9	30.5	735	293	755
AC#28	30.5	32.2	755	301	775
AC#29	32.2	33.9	775	310	794
AC#30	33.9	35.6	794	317	813

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#31	35.6	37.4	813	326	832
AC#32	37.4	39.2	832	333	852
AC#33	39.2	41.1	852	341	871
AC#34	41.1	43.0	871	349	890
AC#35	43.0	44.9	890	357	909
AC#36	44.9	46.9	909	365	928
AC#37	46.9	48.9	928	373	946
AC#38	48.9	50.9	946	380	964
AC#39	50.9	52.9	964	388	982
AC#40	52.9	55.0	982	395	1000
AC#41	55.0	57.2	1000	403	1019
AC#42	57.2	59.4	1019	410	1037
AC#43	59.4	61.6	1037	418	1055
AC#44	61.6	63.8	1055	425	1072
AC#45	63.8	66.1	1072	432	1090
AC#46	66.1	68.4	1090	440	1107
AC#47	68.4	70.7	1107	447	1124
AC#48	70.7	73.0	1124	454	1141
AC#49	73.0	75.4	1141	461	1158
AC#50	75.4	77.8	1158	468	1175
AC#51	77.8	80.3	1175	475	1192
AC#52	80.3	82.8	1192	482	1209
AC#53	82.8	85.3	1209	489	1225
AC#54	85.3	87.9	1225	496	1242
AC#55	87.9	90.5	1242	502	1259
AC#56	90.5	93.1	1259	509	1275
AC#57	93.1	95.7	1275	516	1291
AC#58	95.7	98.4	1291	522	1307
AC#59	98.4	101	1307	529	1323
AC#60	101	104	1323	536	1339

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#61	104	107	1339	541	1354
AC#62	107	109	1354	548	1369
AC#63	109	112	1369	555	1384
AC#64	112	115	1384	561	1399
AC#65	115	118	1399	567	1414
AC#66	118	120	1414	573	1429
AC#67	120	123	1429	579	1444
AC#68	123	126	1444	585	1458
AC#69	126	129	1458	591	1473
AC#70	129	132	1473	597	1487
AC#71	132	135	1487	603	1501
AC#72	135	138	1501	609	1515
AC#73	138	141	1515	614	1528
AC#74	141	144	1528	619	1541
AC#75	144	147	1541	625	1555
AC#76	147	150	1555	631	1568
AC#77	150	153	1568	636	1582
AC#78	153	156	1582	642	1595
AC#79	156	159	1595	647	1608
AC#80	159	162	1608	653	1621
AC#81	162	165	1621	658	1634
AC#82	165	168	1634	663	1647
AC#83	168	171	1647	669	1659
AC#84	171	174	1659	674	1671
AC#85	174	178	1671	679	1684
AC#86	178	181	1684	684	1697
AC#87	181	184	1697	689	1709
AC#88	184	188	1709	694	1721
AC#89	188	191	1721	699	1733
AC#90	191	194	1733	704	1745

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#91	194	198	1745	709	1757
AC#92	198	201	1757	714	1769
AC#93	201	204	1769	719	1780
AC#94	204	207	1780	723	1791
AC#95	207	211	1791	728	1802
AC#96	211	214	1802	732	1813
AC#97	214	217	1813	737	1824
AC#98	217	221	1824	741	1835
AC#99	221	224	1835	746	1845
AC#100	224	227	1845	750	1855
AC#101	227	231	1855	754	1866
AC#102	231	234	1866	758	1876
AC#103	234	237	1876	763	1886
AC#104	237	241	1886	767	1897
AC#105	241	244	1897	771	1907
AC#106	244	248	1907	776	1917
AC#107	248	251	1917	780	1927
AC#108	251	255	1927	784	1937
AC#109	255	258	1937	788	1947
AC#110	258	262	1947	792	1956
AC#111	262	265	1956	796	1966
AC#112	265	269	1966	800	1975
AC#113	269	272	1975	804	1984
AC#114	272	276	1984	807	1993
AC#115	276	279	1993	811	2002
AC#116	279	283	2002	815	2011
AC#117	283	286	2011	818	2020
AC#118	286	290	2020	822	2029
AC#119	290	293	2029	826	2037
AC#120	293	297	2037	829	2046

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#121	297	300	2046	832	2054
AC#122	300	304	2054	836	2062
AC#123	304	307	2062	839	2071
AC#124	307	311	2071	843	2079
AC#125	311	314	2079	846	2087
AC#126	314	318	2087	849	2094
AC#127	318	321	2094	852	2102
AC#128	321	325	2102	856	2110
AC#129	325	328	2110	859	2117
AC#130	328	332	2117	862	2125
AC#131	332	336	2125	865	2133
AC#132	336	339	2133	868	2141
AC#133	339	343	2141	872	2149
AC#134	343	347	2149	875	2156
AC#135	347	351	2156	878	2163
AC#136	351	354	2163	881	2171
AC#137	354	358	2171	884	2178
AC#138	358	362	2178	887	2185
AC#139	362	365	2185	890	2192
AC#140	365	369	2192	893	2199
AC#141	369	373	2199	896	2206
AC#142	373	376	2206	898	2213
AC#143	376	380	2213	901	2220
AC#144	380	384	2220	904	2227
AC#145	384	388	2227	907	2233
AC#146	388	391	2233	909	2240
AC#147	391	385	2240	912	2246
AC#148	395	399	2246	915	2253
AC#149	399	402	2253	917	2259
AC#150	402	406	2259	920	2265

가속셀 번호	에너지(MeV/U)		치수(mm)
가속셀 번호	입사	출사	L$REC	L$WIND	L$SEND
AC#151	406	410	2265	923	2271
AC#152	410	413	2271	925	2277
AC#153	413	417	2277	928	2283
AC#154	417	421	2283	930	2289
AC#155	421	425	2289	933	2295
AC#156	425	428	2295	935	2301
AC#157	428	431	2301	937	2307

도 10a 내지 도 10f에 나타난 바와 같이, 각 가속셀의 내부에는 가속 전극관과 더미 전극관이 내장되어 있다. 그 치수는 모든 가속셀에서 공통적이며, 내장된 가속 전극관의 길이는 23000mm(23m), 더미 전극관의 길이는 200mm, 그 전극의 갭은 100mm이다. 또한, 도 11a 내지 도 11e 및 도 12a 내지 12e에 나타난 바와 같이, 각 가속셀에는 4개의 전극판, 즉 송출 전극판 U, 송출 전극판 D, 수취 전극판 U 및 수취 전극판 D가 내장되어 있다. 표 3 ~ 8에 표시된 바와 같이, 상기 4개의 전극판의 길이 및 장착되는 위치는 번호마다 상이하다.

조정유닛 42 및 검출유닛 43도 각각 157개의 조정셀 TU#1 ~ TU#157과 157개의 검출 셀 DT#1 ~ DT#157으로 구성된다. 조정셀의 구성을 도 13a 내지 도 13e에 나타내었다. 조정셀에는 4개의 전극판, 즉 수직방향 조정 전극판 U, 수직방향 조정 전극판 D, 수평방향 조정 전극판 L 및 수평방향 조정 전극판 R이 내장되어 있으며, 각 조정셀에 설치된 4개의 전극판(수직방향 조정 전극판 U, 수직방향 조정 전극판 D, 수평방향 조정 전극판 L 및 수평방향 조정 전극판 R)은 모두 같은 치수이며, 각 조정셀에서 동일한 전극판은 동일한 위치에 장착되어 있다. 검출셀의 구성을 도 14a 내지 도 14c에 나타내었다. 검출셀에는 4개의 하전입자 검출기, 즉 검출기 U, 검출기 D, 검출기 L 및 검출기 R이 내장되어 있으며, 각 검출셀에 설치된 4개의 검출기(검출기 U, 검출기 D, 검출기 L 및 검출기 R)는 모두 동일한 치수이며, 각 검출셀에서 동일한 검출기는 동일한 위치에 장착된다.

이하, 상기 구성의 나선 궤도형 하전입자 가속기의 동작을 설명한다. 덧붙여 여기에서는, 실시형태 1과 같이, 6가 탄소 이온을 가속하는 경우에 대해 설명한다. 즉, 하전입자 40으로서, 6가 탄소 이온이 에너지 2 MeV/u로 입사되어 약 430 MeV/u까지 가속되는 동작을 설명한다. 또한, 편향자석 44와 45는 자기장 강도 1.5 테슬라의 영구 자석(永久磁石, bending magnet)이 사용되는 것으로 한다. 도 15에 나타난 바와 같이, 하전입자 40은 가속셀 AC#m에 내장된 가속 전극관 및 더미 전극관의 전위차에 의해 가속된다. 도 15에서, 제어장치 46은 상시 스위칭 회로 S#m에 "0"을 출력하고, 가속셀 AC#m 내의 가속 전극관을 접지 전위로 하고 있다. 하전입자 40에 의한 이온 빔 펄스가 입사될 때, 제어장치 46은 이온 빔 펄스의 리딩 엣지가 가속 전극관의 중심 부근에 도달하는 타이밍에 맞춰 스위칭 회로 S#m에 "1"을 출력하여, 가속 전극관의 전위를 200 KV로 한다. 가속 전극관에서 이온 빔 펄스가 출사될 때, 가속 전극관과 더미 전극관의 전위차에 의해 가속된다. 제어장치 46은 가속이 완료, 즉 이온 빔이 더미 전극을 완전히 통과한 타이밍을 가늠하여 스위칭 회로 S#m에 "0"을 출력하고, 가속 전극관의 전위를 접지전위로 리셋한다. 전류계 6은 이온 빔이 가속되었을 때에 발생하는 가속 전류를 계측하고, 제어장치 46에 전달한다. 제어장치 46이 상기 계측 결과로부터 가속 동작의 건전성 확인 혹은 가속 전압 인가 타이밍의 보정을 수행하는 구성은 본 발명의 실시형태 1과 같다.

더미전극으로부터 출사된 이온 빔 펄스는 편향자석 44, 조정셀 TU#m, 검출 셀 DT#m 및 편향자석 45를 경유하여, 다시 가속셀 AC#m에 입사되어 상기와 같은 동작에 의해 더욱 가속을 받는다. 이 반복에 의해, 하전입자 40의 이온 빔 펄스는 동일한 가속셀 내에서 여러 차례의 가속을 받게 된다.

하나의 가속셀에서 여러 차례의 가속이 이루어져 이온 빔 펄스의 가속 에너지가 소정의 에너지에 도달하면, 제어장치 46은 가속셀 내의 송출 전극판, 수취 전극판을 조작하여 이온 빔 펄스를 가속셀 AC#x에서 가속셀 AC#x+1로 이동시킨다. 우선, 하전입자 40에 의한 이온 빔 펄스를 홀수번호 가속셀에서 짝수번호 가속셀로 이동시키는 동작에 대해 설명한다. 도 16은 당해 동작을 설명하기 위한 모식도이다. 여기서 x는 홀수인 정수로 한다. 제어장치 46은 상시 스위칭 회로 S#x에 "0"을 출력하고 있으므로, 전극판은 모두 접지전위로 되어 있고, 하전입자 40의 이온 빔 펄스는 직진한다. 이온 빔 펄스를 이동시키는 경우, 제어장치 46은 스위칭 회로 S#x에 "1"을 출력하여, 송출 전극판 D 및 수취 전극판 U의 전위를 200 KV로 한다. 이온 빔 펄스는 4개의 전극판을 만드는 전계에 의해 수직방향으로 운동하고, 가속셀에 구비된 도달구(受け穴, receiving hole)를 통해 가속셀 AC#x에서 가속셀 AC#x+1로 이동한다. 제어장치 46은 이동이 완료된 타이밍을 가늠하고, 스위칭 회로 S#x에 "0"을 출력하여, 4개의 전극판 전위를 모두 접지전위로 리셋한다. 하전입자 40은 가속셀 AC#x+1에서 가속이 계속된다.

다음은 이온 빔 펄스를 짝수번호 가속셀에서 홀수번호 가속셀로 이동시키는 동작에 대해 설명한다. 도 17은 당해 동작을 설명하기 위한 모식도이다. 여기서 y는 짝수인 정수로 한다. 제어장치 46이 스위칭 회로 S#y에 "1"을 출력할 경우, 가속셀 S#y의 송출 전극판 U 및 가속셀 S#y+1의 수취 전극판 D의 전위가 200 KV가 된다. 그 결과 발생한 전계에 의해, 하전입자 40의 이온 빔 펄스는 가속셀에 구비된 도달구를 통해 가속셀 AC#y에서 가속셀 AC#y+1로 이동한다. 제어장치 46은 이동이 완료된 타이밍을 가늠하고, 스위칭 회로 S#y에 "0"을 출력하여, 4개의 전극판 전위를 모두 접지전위로 리셋한다. 하전입자 40은 가속셀 AC#y+1에서 가속이 계속된다.

즉, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 나선 궤도형 하전입자 가속기는 가속셀로 불리는 분산화된 선형 궤도형 가속기의 집합체로 큰 가속 에너지를 생성한다. 제어장치 46은 항상 각 가속셀에 이온 빔 펄스가 1개만 존재하도록 트래픽 제어를 수행한다. 이 때문에, 하전입자의 속도가 광속에 가까워지더라도, 상대성 이론 효과에 의해 발생되는 질량 증대를 고려한 가속제어를 각 가속셀로 독립하여 실행할 수 있고, 또한 각 가속셀로 빔이 축적되므로 연속적인 빔 공급이 가능해진다.

가속셀에 의한 분산 가속 설명도를 도 18에 나타내었다. 도 18에서, 가속셀 AC#1은 가속 에너지 2 MeV/u의 하전입자(6가 탄소 이온)가 입사된다. 제어장치 46은 가속셀 AC#1 내부의 가속 전극관에 의한 가속을 4회 실시하여, 하전입자를 2.4 MeV/u까지 가속시킨다. 2.4 MeV/u까지 가속이 완료되면, 제어장치 46은 가속셀 AC#1의 송출 전극판 D와 가속셀 AC#2의 수취 전극판 U의 전위를 200 KV로 하여, 하전입자를 가속셀 AC#2에 이동시킨다. 가속셀 AC#2은 2.4 MeV/u로 입사된 하전입자를 내부의 가속 전극관으로 5회 가속하여, 2.9 MeV/u의 에너지까지 가속한다. 제어장치 46은 하전입자의 2.9 MeV/u까지 가속을 완료하면, 다음 하전입자를 가속셀 AC#e에 이동시켜, 한층 더 가속을 실행한다. 이렇게 한 하전입자는 가속 에너지가 커짐에 따라 외측의 가속셀로 이동하여, 최종단의 가속셀 AC#157에서는 입사 에너지가 428 MeV/u, 출사 에너지가 432 MeV/u의 가속을 달성하게 된다. AC#1 ~ AC#157의 모든 가속셀에 대해, 그 입사 에너지와 출사 에너지를 표 3 ~ 8에 나타내었다. 즉, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 나선 궤도형 하전입자 가속기에서는,

입사 반경: 0.27m

출사 반경: 4.99m

입사 에너지: 2 MeV/u

출사 에너지: 432 MeV/u

의 에너지 이득을 달성할 수 있다.

이어서, 조정셀 TU#1 ~ TU#157의 기능을 도 19를 이용하여 설명한다. 도 19에서, 제어장치 46은 각 조정셀에 내장되어 있는 2개의 전극판, 즉 수직방향 조정 전극판 U, 수평방향 조정 전극판 R에 아날로그 출력장치를 경유하여 적절한 전압값을 공급한다. 수직방향 조정 전극판 D, 수평방향 조정 전극판 L의 전위는 접지전위로 고정되어 있다. 하전입자 40은 수직방향 조정 전극판 U/D 및 수평방향 조정 전극판 L/R이 형성하는 전기장에 의해 그 비행 궤도가 상하좌우 방향으로 수정된다. 예를 들면, 편향자석 44, 45의 자기장 강도의 미세한 편차, 혹은 공작 정밀도 등에 의해 발생하는 비행궤도의 미세한 차이를 이 전기장에 의해 수정한다. 아날로그 출력값은 장치의 가동시험(立上試驗, start-up test)에서 하전입자 40의 가속 에너지당 적절한 값으로 조정되고, 제어장치 46은 가속 에너지에 대응하여 조정값을 출력한다. 조정셀 TU#1 ~ TU#157을 설치하여 편향자석 44, 45의 어느정도 품질 오차를 완화할 수 있게 되어, 자석 비용 절감, 가동 조정 시간의 단축 등을 실현할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어 가속 전극관 또는 편향자석의 공작 정밀도 등의 원인으로 하전입자의 비행궤도가 예상된 궤도에서 어긋났을 경우, 조정 전극판에 인가된 조정 전압에 의해 발생되는 전기장에 의해, 하전입자의 비행궤도를 본래의 궤도로 수정할 수 있다. 또한, 피가속 하전입자의 비행궤도를 미세하게 조정할 수 있기 때문에, 제작 오차, 설치 오차의 완화가 가능해져 가동 조정 조작이 용이한 가속기를 제공할 수 있다.

검출셀의 기능을 도 20을 이용하여 설명한다. 도 20은 검출셀 TU#1 ~ TU#157의 각 검출셀의 내부에 설치되는 하전입자 검출기에 신틸레이터(scintillator)를 적용한 경우의 예에 대해 설명하는 모식도이다. 하전입자 40은 조정셀 TU#m으로부터 출사된 후, 검출셀 DT#m에 입사된다. 이때, 하전입자 40이 정상적인 궤도를 비행하고 있으면, 하전입자 40이 검출셀 DT#m 내의 4개의 검출기, 즉 검출기 U, 검출기 D, 검출기 L, 검출기 R에 입사되는 것이 아니고, 검출셀을 통과하여 편향자석 45에 입사된다. 제어장치 46은 광전 변환기 47을 경유해 신틸레이터의 발광을 감시하고, 신틸레이터의 발광, 즉 하전입자 40이 검출기에 입사되는 상태가 확인된 경우에는 즉시 작동자에게 경보와 동시에 가속 동작을 중단하여 장치의 안전을 확보한다. 이와 같이, 장치가 정상적으로 작동하는 경우에는 피가속 하전입자가 통과하지 않는 영역에 하전입자의 검출기를 설치하는 것으로, 가속 동작이 정상적으로 행해지고 있는지 아닌지를 확인할 수 있다. 또한, 피가속 하전입자의 비행 궤도가 소정의 궤도에서 벗어난 것을 즉시 검출하여 가속 동작을 정지시킬 수 있기 때문에, 안전성이 높은 가속기를 제공할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태에 있어서, 편향자석을 통해 가속 전극관을 루프 모양으로 접속함에 따라 가속 전극관을 선형으로 정렬할 필요가 없어지므로, 가속기의 총 길이를 짧게 할 수 있다. 게다가, 적당한 형상과 자기장 강도를 가지는 편향자석을 선택하는 것으로, 가속 전극 사이에 가속된 하전입자가 다시 동일한 가속 전극관으로 돌아오는 것 같은 궤도 설계가 가능해지므로, 하나의 가속 전극관에서 여러 차례 하전입자의 가속을 수행할 수 있다. 이와 같이, 편향자석으로 인해, 하나의 가속 전극관에서 하전입자를 여러 차례 가속할 수 있으므로, 에너지 이득이 크고, 한편 편향자석으로서 영구자석을 이용하였을 경우 동작 중의 전력 소비가 적은 가속기를 제공할 수 있다.

(실시형태 3)

도 21은 본 발명의 실시형태 3에 따른 하전입자 검출 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 21에서, 40은 하전입자, 50은 검출용 전극관 #1, 51은 검출용 전극관 #2, 52는 검출용 전극관 #3, 54는 1 KV 직류전원, 55는 전류계이다. 도 4a 및 도 4b에 나타낸 나선 궤도형 하전입자 가속기로 하전입자(6가 탄소 이온)를 가속하기 위해서는, 이전의 가속기에서 2 MeV/u로 가속할 필요가 있다. 도 21에 나타낸 예에서는, 2 MeV/u까지 가속된 하전입자가 수송로 56으로부터 나선 궤도형 하전입자 가속기의 초단의 가속셀 AC#1에 입사하는 구성으로 되어 있다.

이하, 상기 구성의 하전입자 검출 시스템의 동작에 대해 설명한다. 수송로 56의 종단 부분에 설치된 3개의 검출용 전극관에는 고정 전압이 인가되고 있다. 즉, 검출용 전극관 #1 및 검출용 전극관 #3에는 접지전위가, 검출용 전극관 #2에는 1 KV의 전위가 인가되고 있다. 수송로 56에서 가속셀 AC#1에 입사되는 도중에, 하전입자 40은 이러한 검출용 전극관을 통과한다. 이때, 하전입자 40은 검출용 전극관 #1과 검출용 전극관 #2의 전위차에 의해 감속된 후, 검출용 전극관 #2과 검출용 전극관 #3의 전위차로 인해 다시 가속된다. 감속 에너지와 가속 에너지가 실질적으로 동일한 값이 되므로, 이러한 검출용 전극관을 통과하는 것에 의해 하전입자 40의 가속에너지는 실질적으로 변화하지 않는다.

하전입자 40이 검출용 전극관 #1 및 검출용 전극관 #2의 갭으로 감속될 때, 1 KV 직류전원 54에는 마이너스의 가속 전류(negative accelerating current flow)가 흐른다. 반면에, 검출용 전극관 #2 및 검출용 전극관 #3의 갭으로 가속될 때, 1 KV 직류전원 54에는 플러스의 가속 전류(positive accelerating current flow)가 흐른다. 전류계 55는 이러한 플러스 마이너스의 가속 전류를 계측하여 제어장치 46에 전달한다. 제어장치 46은 전류계 55의 계측값으로부터 하전입자 40의 위치, 속도, 총 전하량을 얻을 수 있다. 이 데이터를 바탕으로 하여, 제어장치 46은 초단의 가속셀 AC#1에 내장된 가속 전극관으로의 가속 전압(200 KV)을 적용할 적절한 인가 타이밍을 산출하는 것이 가능해진다.

또한, 전단(前段)의 가속기로서, 도 1에 나타낸 선형 궤도형 하전입자 가속기를 이용하는 경우에는 검출용 전극관은 불필요하게 된다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 수송로 66의 길이를 알 수 있으면, 가속 전극관 LA#28에 가속 전압 인가 타이밍 데이터를 바탕으로, 가속셀 AC#1에 내장된 가속 전극관으로의 적절한 인가 타이밍을 산출할 수 있어, 검출용 전극관을 설치하지 않고, 심리스(seamless)한 가속의 인계가 가능해진다.

(그 밖의 실시형태)

상술한 실시형태 2에서는 편향자석을 이용하여 하전입자의 진행방향을 변화시켜, 동일한 가속 전극관에 하전입자를 여러차례 통과시키는 구성에 관해 언급하였지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 복수의 가속 전극관을 비선형으로 배치하고, 서로 이웃하는 가속 전극관 사이에 편향자석을 배치하여 진행중인 하전입자의 진행방향을 당해 편향자석으로 변화시켜, 비선형으로 배치된 가속 전극관에 순차적으로 하전입자를 퉁과시키는 구성도 바람직하다. 이것에 의해, 선형 궤도형 가속기에 비하여 길이가 짧고, 소형의 하전입자 가속기가 제작될 수 있다. 종래의 하전입자 가속기는 고주파 전원에 의해 가속 전압을 발생시키고 있으므로, 가속 전극관의 갭 거리는 항상 일정한 값이어야 할 필요가 있다는 이유로 인해 소형화할 수 없다. 이러한 소형의 하전입자 가속기는 선박 등의 설치 공간이 한정된 장소에서도 설치가 가능하다는 점에서 유용하다.

본 발명의 하전입자 가속기 및 하전입자 가속 방법은 선형 궤도형 가속기 및 나선 궤도형 가속기 및 이러한 하전입자 가속기를 사용한 하전입자의 가속 방법으로 유용하다.

1 이온원
2 하전입자
3 20 KV 직류전원
4 전류계
5 200 KV 직류전원
6 전류계
7 더미 전극관
8 제어장치
LA#1 ~ LA#28 가속 전극관
S#1 ~ S#28 스위칭 회로
15 가변 전압 전원
40 하전입자
41 가속유닛
42 조정유닛
43 검출유닛
44 편향자석
45 편향자석
46 제어장치
47 광전 변환기
AC#1 ~ AC#157 가속셀
TU#1 ~ TU#157 조정셀
DT#1 ~ DT#157 검출셀
50 검출용 전극관 #1
51 검출용 전극관 #2
52 검출용 전극관 #3
54 1 KV 직류전원
55 전류계
56 수송로
66 수송로

Claims

하전입자를 발사하는 하전입자 발생원과,
상기 하전입자 발생원으로부터 발사(發射, emitting)된 하전입자를 통과시켜, 통과하는 하전입자를 가속하는 가속 전극관과,
상기 하전입자를 가속하기 위한 직류 전압을 발생시키는 직류전원 및 상기 직류전원 및 상기 가속전극관의 사이의 연결 및 절단을 전환하는 스위치를 구비한 구동회로와,
하전입자가 가속 전극관 내를 이동하는 동안에 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속 전극관으로 전압 인가를 개시하도록, 상기 스위치를 제어하여 상기 직류전원 및 상기 가속전극관을 연결시키는 제어부
를 구비하는 하전입자 가속기.
제 1 항에 있어서,
직선으로 배치된 복수의 상기 가속 전극관을 구비하여, 상기 하전입자 발생원으로부터 발사된 하전입자가 상기 복수의 가속 전극관을 순차적으로 통과하도록 구성되어 있고,
상기 제어부는 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속 전극관에 대해 직류 전압 인가를 개시하면, 복수의 상기 가속 전극관에 순차적으로 전압을 인가하도록 상기 구동 회로를 제어하기 위해 구성되어 있는 하전입자 가속기.
제 1 항에 있어서,
가속 전극관을 통과한 하전입자의 진행 방향을 변화시키는 편향자석을 추가로 구비하는 하전입자 가속기.
제 3 항에 있어서,
상기 편향자석은 하전입자가 동일한 가속 전극관을 재통과하도록 하기 위해, 가속 전극관을 통과한 하전입자의 진행 방향을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고,
상기 제어부는 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속 전극관에 대해 직류 전압 인가를 개시하면 동일한 가속 전극관에 여러 차례 직류 전압을 인가하도록, 상기 구동회로를 제어하기 위해 구성되어 있는 하전입자 가속기.
제 3 항에 있어서,
상기 하전입자의 진행 방향을 당해 진행방향과 교차하는 방향으로 조정하는 조정부를 추가로 구비하는 하전입자 가속기.
제 1 항에 있어서,
하전입자가 가속 전극관을 통과할 때, 당해 가속 전극관에 발생하는 가속 전류를 계측하는 전류계를 추가로 구비하고,
상기 제어부는 상기 전류계에 의한 가속 전류의 계측 결과를 기준으로, 가속 전극관으로의 직류 전압 인가 개시 타이밍을 조절하도록 구성되어 있는 하전입자 가속기.
제 1 항에 있어서,
상기 구동회로는 상기 가속 전극관으로의 인가 전압 값을 변경할 수 있도록 구성되어 있는 하전입자 가속기.
제 1 항에 있어서,
상기 가속 전극관에 의해 가속된 하전입자가 소정의 궤도를 진행하고 있는지 여부를 검출하는 검출부를 추가로 구비하고,
상기 검출부에 의해 상기 하전입자가 상기 소정의 궤도를 진행하고 있지 않는 것이 검출된 경우, 상기 제어부는 상기 구동회로를 정지시키도록 구성되어 있는 상기 하전입자 가속기.
하전입자가 복수의 가속 전극관을 순차적으로 통과하도록 하기 위해, 하전입자 발생원으로부터 하전입자를 발사하는 단계;
하전입자가 가속 전극관 내를 이동하고 있는 동안에,
상기 가속전극관에 직류전압을 연결하여, 상기 하전입자가 내부를 이동하고 있는 가속전극관에 대해 상기 하전입자를 가속하기 위한 직류 전압 인가를 개시하면, 상기 복수의 가속 전극관에 대해 순차적으로 전압을 인가하는 단계;
를 포함하는 하전입자의 가속 방법.