KR20080012900A

KR20080012900A - 전종이온가속기 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20080012900A
Application number: KR1020077027562A
Authority: KR
Inventors: 켄 다카야마; 요시히토 시모사키; 코타 도리카이; 요시오 아라키다
Original assignee: 인터 유니버시티 리서치 인스티튜트 코포레이션 하이 에너지 엑셀레이터 리서치 오거나이제이션
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2008-02-12
Also published as: JP2006310013A; JP3896420B2; US8084965B2; KR101173332B1; CN101167413B; AU2006242025B2; US20090195194A1; EP1876870A4; CN101167413A; EP1876870A1; AU2006242025A1; WO2006118065A1

Abstract

본 발명은 전종(全種)이온을 임의의 에너지 레벨로 동일한 가속기로 가속시킬 수 있는 가속기를 제공하는 것을 목적으로 것으로써, 전단가속기에 의해 입사된 이온 빔에 유도가속 싱크로트론에 사용되는 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀에 의해 인가하는 유도전압의 발생타이밍 및 인가시간을 이온 빔의 통과시그널, 위치시그널 및 이온빔에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압 시그널을 기초로, 폐쇄용 및 가속용 디지털신호 처리장치 및 폐쇄용 및 가속용 패턴 생성기로 폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴을 생성하고, 상기 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀의 온(On) 및 오프(Off)를 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트 제어장치에 의해 피드백제어하는 전종이온가속기의 구성으로 하였다.

Description

전종이온가속기 및 그 제어방법{ALL-SPECIES ION ACCELERATOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 이온을 가속하는 가속기에 관한 것이며, 특히 모든 종류의 이온을 가속할 수 있는 유도가속 싱크로트론(Synchrotron)을 포함하는 가속기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

여기서 이온이라는 것은 원소주기표의 어떤 종류의 원소가 일정한 전가상태에 있는 것을 말한다. 전종(全種) 이온이라는 것은, 원소주기표에 있는 모든 원소로서, 상기 원소가 원리적으로 취할 수 있는 모든 전가상태인 것을 말한다. 또 이온에는 화합물, 단백질 등의 구성분자수가 큰 입자도 포함하는 것으로 한다.

가속기는 전자, 양자 및 이온 등의 하전입자를 수백만 전자볼트(수 MeV)에서 수조 전자볼트(수 TeV) 정도의 고에너지상태로 가속하는 장치이며, 가속원리에 의해 크게 구별하면 고주파가속기와 양자용 유도가속 싱크로트론까지 있다.

고주파가속기에는, 가속방법에 의해 구별하면, 선형가속기, 사이클로트론, 고주파 싱크로트론 등이 있다. 또한, 고주파가속기의 크기도 용도에 따라서 다종 다양하고, 큰 에너지를 얻는 고주파가속기로서 원자핵·소립자 물리학연구용의 대형가속기에서, 최근에는 비교적 저에너지 레벨의 이온빔의 공급을 하는 암치료전용의 소형 고주파 싱크로트론까지 있다.

고주파가속기에서는 하전입자의 가속을 위하여 고주파 가속공동을 사용해 왔다. 이 고주파 가속공동은 하전입자의 주행에 동기하여 수 MHz ~ 수 10MHz의 고주파 전장을 고주파공동의 공명진동에 의한 여진으로 발생시킨다. 이 고주파 전장에 의한 에너지를 하전입자에 공급하고 있다. 하전입자 빔의 에너지변화에 따라서 고주파가속기의 설계궤도상에서의 주회주파수가 증대하므로, 이미 상기 범위 정도에서 공진주파수를 변동시킨다.

도 10에 종래의 주파수 싱크로트론 복합체 세트(34)를 도시하였다. 특히 고주파 싱크로트론(35)은 원자핵물리·고에너지물리의 실험에 불가결하였다. 고주파 싱크로트론(35)은 공명가속, 강집속 및 위상안정성의 원리에 의해 하전입자를 소정의 에너지 레벨까지 높이기 위한 가속기이며, 이하의 구성으로 이루어진다.

종래의 고주파 싱크로트론 복합체 세트(34)는 이온원(16)으로 발생시킨 이온을 고주파 선형가속기(17b)로 광속의 수 퍼센트에서 수십 퍼센트의 속도까지 가속하고, 고주파 선형가속기(17b)로부터 셉텀전자석(Septum magnet), 키커전자석(Kicker magnet), 범프전자석(Bump magnet) 등으로 이루어지는 입사기기(18)를 사용하여 후속의 환상의 고주파 싱크로트론(35)에 입사하는 입사장치(15)와, 소정의 에너지레벨까지 가속하는 고주파 싱크로트론(35)과, 소정의 에너지레벨까지 가속된 이온빔(3)을 실험장치(21b) 등이 놓여진 시설(21a)인 이온빔 이용라인(21)에 서 추출하는 각종 전자석으로 이루어지는 출사기기(20)를 포함하는 출사장치(19) 등으로 이루어진다. 각 장치 사이는 수송관(16a),(17a),(20a)으로 연결되어 있다.

고주파 싱크로트론(35)은 고진공상태로 유지된 환상의 진공덕트(4)와, 설계궤도를 따라서 이온빔(3)을 편향시키는 편향전자석(5), 진공덕트(4) 내부의 이온빔(3)을 수평방향과 수직방향의 양 방향으로 강집속(Strong focusing)을 보증하도록 배치된 4극전자석 등의 집속전자석(Focusing magnet)(6), 진공덕트(4) 내부의 이온빔(3)에 대해 고주파 가속전압을 인가하여 이온빔(3)을 가속하는 고주파 가속공동(36a) 및 인가고주파를 제어하는 제어장치(36b)로 이루어지는 고주파가속장치(36)와, 진공덕트(4) 내부의 이온빔(3)의 위치를 측정하는 전주(全周)에 걸쳐서 분포하는 위치모니터(35a) 및 이 위치모니터(35a)에 의해 얻어진 이온빔(3)의 위치정보로부터 이온빔(3)의 궤도(Closed Orbit Distorition이라 칭한다)를 보정하기 위한 스테어링전자석(35b), 이온빔(3)의 통과를 감지하는 번치모니터(Bunch monitor)(7) 등으로 이루어진다.

상기 구성에 의한 고주파 싱크로트론 복합체 세트(34)에서, 고주파 선형가속기(17b)에 의해 일정한 에너지레벨까지 가속, 입사된 이온빔(3)은 진행축방향으로 똑같이 연속한 전하밀도분포를 갖고 진공덕트(4) 내부의 설계궤도를 주회(周回)한다. 이때 고주파 가속공동(36a)에 고주파전압을 인가하면, 진행방향에서의 집속력에 의해 이온빔(3)은 고주파전압이 있는 위상을 중심으로 해서 하전입자군(이하, 번치라 한다)을 형성한다.

그 후, 이온빔(3)의 설계궤도를 유지하는 편향전자석(5)의 여자패 턴(excitation pattern)에 동기하여 고주파 가속공동(36a)에 인가하는 전압의 주파수를 상승시킨다. 또 번치중심의 고주파전압에 대한 위상을 가속위상 측으로 이동함으로써 주회하는 이온빔(3)의 운동량이 증가한다. 고주파의 주파수는 이온의 주회주파수의 정수배의 관계에 있다.

여기서 이온빔(3) 내부의 하전입자의 전하를 e, 운동량을 p, 자속밀도를 B, 자장에서의 편향에 의한 곡률반경을 ρ로 하면, p=eBρ의 관계에 있는 것이 알려져 있고, 또 이온빔(3)을 수평방향 및 수직방향으로 집속시키기 위한 4극전자석의 자장강도도 이온빔(3)의 운동량의 증가에 동기하여 증가시킨다. 그 결과, 진공덕트(4)의 내부를 주회하는 이온빔(3)은 미리 정해진 고정궤도에 항상 위치한다. 이 궤도를 설계궤도라 한다.

이온빔(3)의 운동량 증가율과 자장강도의 변화율과의 사이에서 동기를 취하는 방법으로서는 편향전자석(5)의 자장강도를 자장측정용 서치코일(search coil)로 측정하고, 자장강도의 변화마다 제어클락(B 클락)을 발생하며, B 클락을 기초로 고주파의 주파수를 결정하는 방법이 있다.

편향전자석(5)의 자장강도변화와 고주파 주파수변화의 완전한 동기를 취할 수 없으면, 이온빔(3)은 주회궤도가 축소되거나 또는 팽창해서 설계궤도로부터 이탈하고, 진공덕트(4) 등에 충돌해서 없어진다. 그래서 운동량 이동을 검출하는 위치모니터(8)에 의해 이온빔(3)의 설계궤도로부텨의 변위를 측정하고, 이온빔(3)이 설계궤도를 주회하기 위해 필요한 고주파전압의 위상을 산출하며, 적절한 위상에서 고주파 가속전압이 번치중심으로 인가하는 듯한 피드백이 작용하도록 스템구성으로 이루어져 있다.

이 고주파 가속전압에 의해 진행방향으로의 집속력을 받아서 각각의 이온은 번치화하고, 그 번치속을 이온빔(3)의 진행방향으로 왕복이동하면서 고주파 싱크로트론(35)의 내부를 주회한다. 이것은 고주파 싱크로트론(35)의 위상안정성이라 불리고 있다.

도 11에 종래의 고주파 싱크로트론(35)의 고주파에 의한 번치의 폐쇄와 가속의 원리(위상안정성)를 도시하였다.

고주파 싱크로트론(35)에서의 하전입자의 진행축 방향의 폐쇄와 그 가속방식에서는 번치(3a)를 폐쇄하는 것이 가능한 위상공간영역의, 특히 진행축방향(시간축방향)이 원리적으로 제한되는 것이 알려져 있다. 구체적으로는 고주파(37)가 음의 전압이 되는 시간영역에서는 번치(3a)는 감속되고, 전압구배의 극성이 다른 시간영역에서는 하전입자는 진행축방향으로 발산하며, 폐쇄되지 않는다. 즉, 대략 점선 사이를 도시하는 가속전압(37a)의 시간대만 이온빔(3)의 가속에 사용할 수 있다.

가속전압(37a)의 시간대에서는, 번치중심부(3b)에 항상 일정한 전압인 중심가속전압(37b)을 인가하도록 고주파(37)를 제어하므로, 번치머리부(3c)에 위치하는 입자는 번치중심부(3b)보다 에너지가 크고, 더 빠르게 고주파 가속공동(36a)에 도달하기 위해서 번치중심부(3b)가 받는 중심가속전압(37b)보다 작은 머리부 가속전압(37c)을 받아서 감속한다. 한편, 번치후미부(3d)에 위치하는 입자는 번치중심부(3b)보다 에너지가 작으며, 늦게 고주파 가속공동(36a)에 도달하기 위하여 번치중심부(3b)가 받는 중심가속전압(37b)보다 큰 후미부 가속전압(37d)을 받아서 가속 한다. 가속중, 입자는 이 과정을 반복한다.

가속할 수 있는 이온빔 전류의 최대치는 빔의 진행축에 대해 수직인 방향으로 이온빔(3) 자체가 만드는 전자장에 기인하는 발산력인 공간전하력의 크기에 따라서 결정된다. 가속기 내의 하전입자는 집속자석에 의한 힘을 받아서 베타트론 진동이라 불리는 조화진동자(調和振動子)와 유사한 운동을 하고 있다. 이온빔전류가 일정한 크기를 넘으면 하전입자의 베타트론 진동의 진폭이 진공덕트(4)의 크기까지 도달해서 없어진다. 이것을 공간전하제한이라 부른다.

엄밀하게는 국소전류값, 즉, 전선류 밀도의 최대치에 따라서 제한된다. 따라서, 특별한 연구를 하지 않는 한 고주파 싱크로트론(35)에서는 번치중심부(3b)의 밀도가 최대가 되며, 번치중심부(3b)와, 번치머리부(3c), 번치후미부(3d) 등의 번치 둘레에서의 전류밀도의 언밸런스는 피할 수 없다. 그리고 번치중심부(3b)의 전류밀도는 이 제한이하가 아니면 안되는 결점이 있었다.

즉, 고주파 가속공동(36a)의 공진주파수 f_rf는 고주파 가속공동(36a)의 전기파라미터(인덕턴스 L, 용량 C)를 이용하면 f_rf=1/4(L·C)^1/2에 의해 부여된다. 여기서 인덕턴스는 주로 고주파 가속공동(36a)에 로드(load)한 자성체의 형상(길이 l, 내경 a, 외경 b)과 그 비투자율 μ＊을 사용해서 L=1·(μ_˚μ＊/2π) log(b/a)로 부여된다.

가속과 함께 주회주파수가 변화하는 입자주회와 동기를 취하기 위하여 항상 입자의 주회주파수 f₀와 고주파 가속공동(36a)의 공진주파수 f_rf는 항상 f_rf=hf_o(h: 정수)의 관계를 유지해야만 한다. 이것에는 자성체를 바이어스전류라 불리는 또다른 전류로 여자함으로써 B-H 커브상의 동작점을 이동시키고, 비투자율을 μ＊을 제어함으로써 실현하고 있다.

통상 사용되는 고주파 가속공동(36a)의 자성체인 페라이트에서는 가장 큰 인덕턴스는 바이어스전류가 0A근방일 때이지만, 그 동작점에서 결정되는 공진주파수가 최소의 공진주파수가 된다.

양자나 특정 이온에 한정하여 설계·건설된 고주파 싱크로트론(35)에서는 고주파 가속공동(36a) 자신과 구동전류인 고주파전력증폭기(3극, 또는 4극전력진공관)가 갖는 유한한 주파수의 가변폭에 따라서 허용되는 범위에서만 특정이온과 전가수를 선택할 수 있다.

따라서, 종래의 고주파 싱크로트론(35)에서는 일단 가속하는 이온의 종류, 가속에너지레벨, 가속기 주변길이를 결정하면 고주파(37)의 주파수 밴드폭이 한번에 결정된다.

도 12에 각종 이온을 고에너지 가속기 연구기구(이하, KEK라 한다)의 500MeV 부스터(booster) 양자 싱크로트론(이하, 500MeVPS라 한다)에서 가속하는 경우의 입사에서 가속종료까지의 고주파 싱크로트론(35)의 주회주파수를 도시하였다. 종축이 주회주파수(MHz), 횡축이 가속시간(msec)이다. 또한, KEK의 500MeVPS는 주변길이 약 35미터의 양자전용의 고주파 싱크로트론(35)이다.

H(1,1), U(238, 39) 및 U(283, 5)는 각각 양자, 39가의 우라늄이온 및 5가의 우라늄이온을 의미하며, 각각에 대하여 가속주파수 변화를 그래프에 도시하였다.

도 12의 결과에서 양자나 경이온(輕ion)의 가속을 목적으로 만들어진 고주파 싱크로트론(35)에서는 우라늄 등의 중이온(重ion)을 현저히 주회주파수가 낮은 저에너지레벨에서 고에너지레벨까지 가속하는 것은 불가능한 것을 알 수 있다. 또한, 종의 파선 양 화살표가 도시하는 범위에 양자보다 무겁고 5가의 우라늄 이온보다 가벼운 이온의 주파수변화는 존재한다.

한편, 다종 이온을 가속하는 가속기로서 사이클로트론(cyclotron)이 예전부터 사용되어 왔다. 이것도 고주파 싱크로트론(35)과 같이 고주파 가속공동(36a)을 이온빔(3)의 가속장치로서 사용한다. 따라서, 고주파(37)를 사용하는 원리적 한계에서 가속할 수 있는 이온의 질량번호 A와 전가수 Z의 비인 Z/A가 거의 같은 이온종과 전가상태로 한정된다는 결점이 있다.

또한, 이온빔(3)의 주회궤도는 이온원(16)이 있는 중심부로부터 추출하여 궤도가 되는 최 외부까지 같은 자장으로 유지되고, 필요한 자장은 철을 자성체로 한 쌍극의 전자석으로 발생시킨다. 그러나, 이 타입의 전자석에는 물리적 크기에 한계가 있다는 결점이 있다.

따라서 지금까지 건설된 사이클로트론에서의 가속에너지의 최대치는 핵자당 520MeV이다. 즉, 철의 중량은 4000톤에 달한다.

그래서, 고주파가속기와 다른 가속기로서 최근에 양자의 원형가속기로서 유도가속 싱크로트론이 제안되었다. 양자용의 유도가속 싱크로트론이라는 것은, 상 기의 고주파 싱크로트론(35)의 결점을 회피할 수 있는 가속기이다. 즉, 제한전류치 이하에서 선 밀도를 일정하게 유지한 채, 진행축 방향으로 대폭 양자를 채워넣을 수 있는 가속기이다.

양자용의 유도가속 싱크로트론의 특징은, 첫째, 유도가속셀에 발생시키는 양음 쌍의 유도전압으로 진행축 방향으로 양자빔을 폐쇄하고, 마이크로초(μsec) 오더의 장대한 양자군(수퍼 번치)을 만들 수 있다.

둘째, 다른 유도가속셀에 발생시키는 긴 인가시간의 유도전압으로 폐쇄된 수퍼번치를 가속할 수 있다는 것이다.

즉, 종래의 고주파 싱크로트론(35)이 진행축 방향에 대해 양자의 폐쇄와 가속을 공통의 고주파(37)로 실행하는 기능결합형인 것에 대하여 유도가속 싱크로트론은 폐쇄와 가속을 분리한 기능분리형이라 할 수 있다.

양자의 폐쇄와 가속의 기능을 분리하는 것은, 각각의 기능을 발휘하는 유도가속장치에 의해 가능해졌다. 유도가속장치는 자성체의 코어를 갖는 1:1의 트랜스포머(transformers)인 양자의 폐쇄를 전문으로 실행하는 유도가속셀 및 가속을 전문으로 실행하는 유도가속셀과, 상기 각각의 유도가속셀을 구동하는 각 스위칭 전원 등으로 이루어진다.

유도가속셀에 양자빔의 주회주파수에 동기하여 펄스전압을 발생시킨다. 예를 들면, 주변길이 300미터 클래스의 가속기라면 CW 1MHz의 반복으로 펄스전압을 발생하지 않으면 안된다.

이 양자용의 유도가속 싱크로트론의 직접적 응용으로서 차세대의 뉴트리 노(neutrino)진동을 탐사하는 양자구동 가속기나 충돌형 가속기(colliders)가 제안되어 있다. 이것에 의하면, 종래의 고주파 싱크로트론(35)으로 구성되는 양자가속기의 양자빔 강도보다 4배 정도 높은 양자빔 강도를 실현할 수 있다고 예상되고 있다.

유도가속 싱크로트론을 응용한 충돌형 가속기를 수퍼 번치·하드론 컬라이더(hadron collider)라 부른다. 수퍼 번치를 폐쇄·가속할 수 있는 유도가속 싱크로트론의 특징을 최대한 살린 수퍼 번치·하드론 컬라이더에서는 종래의 고주파(37)를 사용하는 싱크로트론을 기초로 한 같은 사이즈의 컬라이더보다 1등급 큰 명도(luminosity)가 기대되고 있다. 이것은 건설비 3,000억엔 정도의 컬라이더를 10기 건설하는 것과 같은 등가가 된다.

여기서, 유도가속 싱크로트론의 가속원리에 대해 설명한다. 유도가속셀에 극성이 다른 유도전압을 발생시킨다. 번치중심부(3b)에 위치하는 이상적 입자의 운동량보다 큰 운동량을 가진 양자의 속도는 이상입자의 그것보다 크므로 먼저 진행한다. 그리고 번치머리부(3c)에 도달한다. 그곳에 도달한 때 음의 유도전압으로 감속되고, 운동량은 감소하며, 이상입자의 그것보다 속도가 늦어지고, 번치(3a)의 후방으로 이동하기 시작한다. 이것이 번치후미부(3d)에 도달하면 양의 유도전압을 받기 시작하여 가속된다. 그 결과 운동량이 이상입자의 그것을 넘는다. 가속중, 양자빔은 상기 과정을 반복한다.

이것은 종래부너 알려져 있는 고주파 싱크로트론(35)의 위상안정성(도 11)과 본질적으로 같은 것이다. 이 성질에 의해 양자는 번치(3a)의 형태로 진행축 방향 으로 폐쇄된다.

그러나, 극성이 다른 유도전압만으로는 양자는 가속할 수 없다. 그래서 별도로 같은 유도전압을 인가하는 것이 가능한 유도가속셀에서 양자를 가속한다. 밀폐하면 가속의 기능분리 결과, 진행축 방향의 빔 핸드링의 자유도가 대폭 증가하는 것이 알려져 있으며, 실증되고 있다.

CW 1MHz의 반복으로 2kV의 유도전압을 발생시키는 유도가속장치가 완성되고, KEK의 12GeV양자 고주파 싱크로트론(이하, 12GeVPS라 한다)에 도입되었다. 또한, 12GeVPS는 주변길이 약 340미터의 양자 전용의 고주파 싱크로트론(35)이다. 최근의 유도가속의 실험에서 500MeV로 입사된 양자빔을 8GeV까지 유도가속하는 것에 성공하고 있다.

그러나, 한대의 가속기로 여러 전가상태에 있는 다종 이온을 가속해서 높은 에너지를 얻는 것은 지금까지 불가능하다고 생각되고 있었다.

왜냐하면, 종래의 고주파 싱크로트론(35)에서는 가속에 사용하는 공동공진기로서의 고주파 가속공동(36a)의 퀄리티 팩터(quality factor)가 높고, 유한한 밴드폭의 고주파(37)만이 여기(勵起)할 수 있었다. 따라서, 그 고주파 싱크로트론(35)의 주변길이, 사용하는 편향전자석(5)의 강도, 사용하는 고주파(37)의 밴드폭을 결정하면, 상대론적으로 속도가 대폭 변동하는 저에너지 영역에서는 가속할 수 있는 이온의 질량수 A와 전가수 Z는 거의 유일하게 결정되며, 한정된 이온만이 가속할 수 있었다.

한편, 사이클로트론에서도 가속할 수 있는 이온은 고주파(37)의 밴드폭에 대 응해서 질량수와 전가수의 비가 일정한 것에 한정되어 있다. 또 임의의 이온을 가속할 수 있는 밴더그라프(Van De Graaff) 등의 정전가속기에서는 기기의 내압의 문제에서, 가속에너지는 20MeV가 한계였다.

또 선형 유도가속기에서는 수백 MeV 이상의 에너지를 얻는 것은 불가능하지 않지만, 그 비용과 선형 유도가속기의 물리적 사이즈는 팽대한 것이 된다. 1억엔/1MeV, 1미터/1MeV가 대략 현재 얻어지고 있는 선형 유도가속기의 파라미터이다. 따라서, 1GeV의 에너지의 이온빔을 얻기위해서는 비용은 1,000억엔을 필요로 하며, 가속기 전장은 1㎞가 된다.

또한, 상기 양자 전용의 유도가속 싱크로트론에서는 입사에너지가 이미 충분한 고에너지이고, 대략 광속도의 속도를 가진 양자만의 가속만이 고려되어 있었다. 즉, 양자빔은 전단(前段) 가속기의 가속으로 이미 입사직후부터 대략 광속 근처까지 가속되어 있으므로, 양자를 유도가속 싱크로트론으로 가속하는 경우는 유도가속셀이 유도펄스전압을 일정간격으로 발생시키면 되었다. 따라서, 양자빔에 인가되는 유도전압의 발생타이밍은 가속시간과 함께 변화하는 것을 필요로 하고 있지 않았다.

그러나, 전종(全種) 이온을 한대의 유도가속 싱크로트론으로 가속하는 경우는, 이온종에 따라서 유도전압의 발생타이밍을 변동해야만 한다. 왜냐하면, 도 12에서 도시한 바와 같이 이온의 종류에 따라서 주회주파수는 대폭 달라지기 때문이다.

그러므로, 본 발명은 전종이온을 사용하는 전자석에서 발생하는 자장강도가 서용하는 임의의 에너지레벨(이하, 임의의 에너지레벨이라 한다)에 동일한 가속기로 가속하는 것이 가능한 가속기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 이온 빔의 설계궤도가 내부에 있는 환상의 진공덕트, 상기 설계궤도의 곡선부에 설치된 이온빔의 원궤도를 유지하는 편향전자석, 상기 설계궤도의 직선부에 설치된 이온빔의 확산을 방지하는 집속전자석, 상기 진공덕트의 내부에 설치된 이온빔의 통과를 감지하는 번치모니터, 상기 진공덕트의 내부에 설치되어 이온 빔의 중심위치를 감지하는 위치모니터, 상기 진공덕트에 접속된 이온빔을 진행방향으로 폐쇄하기 위한 유도전압을 인가하는 폐쇄용 유도가속셀 및 상기 폐쇄용 유도가속셀의 구동을 제어하는 폐쇄용 인텔리전트 제어장치로 이루어지는 폐쇄용 유도가속장치, 및 상기 진공덕트에 접속된 이온빔을 가속하기 위한 유도전압을 인가하는 가속용 유도가속셀 및 상기 가속용 유도가속셀의 구동을 제어하는 가속용 인텔리전트 제어장치로 이루어지는 가속용 유도가속장치로 구성시키는 유도가속 싱크로트론과, 상기 유도가속 싱크로트론에 이온원에서 발생한 이온을 전단(前段)가속기로 일정에너지 레벨까지 가속하고, 이온빔을 입사하는 입사기기로 이루어지는 입사장치와, 상기 유도가속 싱크로트론으로부터 이온빔을 이온빔 이용라인으로 추출하는 출사장치로 이루어지며, 상기 폐쇄용 인텔리전트 제어장치가, 상기 번치모니터로부터의 통과시그널 및 이온빔에 인가한 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터로부터의 유도전압 시그널을 받아서 상기 폐쇄용 유도가속셀을 구동하는 폐쇄용 스위칭전원의 온 및 오프를 제어하는 폐쇄용 게이트 신호 패턴을 생성하는 폐쇄용 패턴 생성기의 폐쇄용 게이트신호 패턴의 기초가 되는 폐쇄용 게이트 마스터 신호를 계산하는 폐쇄용 디지털신호처리장치에 따라서, 상기 폐쇄용 유도가속셀에 인가하는 유도전압읠 발생타이밍 및 인가시간을 피드백제어하고, 상기 가속용 인텔리전트 제어장치가, 상기 번치모니터로부터의 통과시그널, 상기 위치모니터로부터의 위치시그널 및 이온빔에 인가한 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터로부터의 유도전압 시그널을 받아서, 상기 가속용 유도가속셀을 구동하는 가속용 스위칭 전원의 온 및 오프를 제어하는 가속용 게이트신호 패턴을 생성하는 가속용 패턴 생성기의 가속용 게이트신호 패턴의 기초가 되는 가속용 게이트 마스터 신호를 계산하는 가속용 디지털신호처리장치에 따라서, 상기 가속용 유도가속셀에 인가하는 유도전압의 발생타이밍 및 인가시간을 피드백제어하고, 전종(全種) 이온을 임의의 에너지 레벨에 가속제어하는 것을 특징으로 하는 모든 전종이온 가속기의 구성으로 하였다.

도 1은, 본 발명인 전종이온가속기의 전체구성도, 도 2는 유도가속셀의 단면도, 도 3은 유도가속셀 및 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트제어장치의 모식도, 도 4는 유도가속장치의 등가회로, 도 5는 폐쇄용 유도가속셀에 의해 이온빔을 폐쇄하는 모양을 도시하는 도면, 도 6은, 유도가속셀에 의해 이온빔을 가속시키는 모양을 도시하는 도면, 도 7은 유도가속셀에 의한 이온빔의 단편적 폐쇄 및 가속시키는 모양을 도시하는 도면, 도 8은, 3연식의 유도가속셀에 의한 폐쇄와 가속제어를 도시하는 도면, 도 9는 각종 이온을 가속한 경우의 도달에네지 레벨을 나타내는 도면, 도 10은 종래의 고주파 싱크로트론 복합체 세트의 전체구성도, 도 11은 고주파 싱크로트론의 위상안정성 원리를 도시하는 도면, 도 12는, 현행의 KEK 500MeVPs에 의해 가속한 경우의 각종 이온의 입사에서 가속종료까지의 주회 주파수변화(추정)를 도시하는 도면이다.

본 발명인 전종(全種)이온가속기(1)를 구성하는 유도가속 싱크로트론(2)의 집속전자석(6)의 배위는 종래의 고주파 싱크로트론(35)과 같은 강집속배위로 한다. 고주파가속장치(36)를 폐쇄용 유도가속장치(9)와 가속용 유도가속장치(12)로 대치한다. 상기 폐쇄용 유도가속장치(9) 및 가속용 유도가속장치(12)를 구성하는 폐쇄용 유도가속셀(10) 및 가속용 유도가속셀(13)은 고반복동작 가능한 펄스전압(10f)을 발생시키는 폐쇄용 및 가속용 스위칭전원(9b),(12b)으로 구동된다. 폐쇄용 및 가속용 스위칭전원(9b),(12b)의 온 및 오프 동작은 폐쇄용 및 가속용 스위칭 전원(9b),(12b)에 사용되는 MOSFET 등의 스위칭소자의 게이트구동을 관리하는 폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴(11a),(14a)의 제어로 실행된다.

폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴(11a),(14a)은 폐쇄용 및 가속용 패턴생성기(11b),(14b)로 생성된다. 폐쇄용 및 가속용 패턴생성기(11b),(14b)는 폐쇄용 및 가속용 게이트 마스터 신호(11c),(14c)로 동작을 개시한다.

폐쇄용 게이트 마스터 신호(11c)는 번치모니터(7)로 검출한 이온빔(3)의 통과시그널(7a), 및 폐쇄용 유도가속셀(10)에 의해 이온빔(3)에 인가한 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압 시그널(9e)을 기초로 폐쇄용 디지털신호처리장치(11d)에 의해 미리 프로그램된 처리법으로 리얼타임으로 생성된다.

가속용 게이트신호(14c)는 번치모니터(7), 및 위치모니터(8)에서 검출한 이온빔(3)의 통과시그널(7b) 및 이온빔(3)의 위치시그널(8a)과, 가속용 유도가속셀(13)에 의해 이온빔(3)에 인가한 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압 시그널(12e)을 기초로 가속용 디지털신호처리장치(14d)에 의해 미리 프로그램된 처리법으로 리얼타임으로 생성된다.

이온원(16)에서 생성된 이온을 전단(前段)가속기(17)에서 일정한 속도로 가속된 이온빔(3)을 어느 일정시간 연속적으로 유도가속 싱크로트론(2)에 입사한다. 그 다음, 폐쇄용 유도가속셀(1)을 온으로 해서 음(-) 및 양(+)의 배리어전압(26),(27)(이하, 단순히 배리어전압이라 한다)을 발생시킨다. 이어서 이 배리어전압 발생간격(30)을 서서히 좁히고, 설계궤도(4a)의 전주(全周)에 걸쳐서 분포하는 이온빔(3)을 가속용 유도가속셀(13)에서 발생하는 가속전압(28)의 인가시간(28a)의 길이 정도의 번치(3a)로 한다. 이후 유도가속 싱크로트론(2)의 편향전자석(5) 및 집속전자석(6)을 여자한다.

번치모니터(7)에서 얻어지는 이온빔(3)의 통과정보인 통과시그널(7a), 및 이온빔(3)에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압 시그널(9e)을 기초로, 폐쇄용 유도가속셀(10)의 음 및 양의 배리어전압(26),(27)의 펄스전압(10f)을 제어하 여 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)을 자장의 여자에 합쳐서 발생하고 동기시킨다.

번치모니터(7), 위치모니터(8)에서 얻어지는 통과시그널(7b), 위치시그널(8a) 및 이온빔(3)에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압시그널(12e)을 기초로 가속용 유도가속셀(13)의 가속전압(28) 및 리세트전압(29)(이하, 단순히 가속용의 유도전압이라 한다)의 펄스전압(10f)을 제어해서 가속용 게이트신호 패턴(14a)을 자장의 여자에 합쳐서 발생하고 동기시킨다.

이와 같은 일정전압의 배리어전압 및 가속용 유도전압의 발생을 시간적으로 제한하여 자장의 여자에 합쳐서 이온빔(3)의 가속을 추종시킨다. 그 결과 필연적으로 이온빔(3)은 번치(3a)로 되어 가속된다. 이온빔(3)을 폐쇄, 가속하는 이 일련의 제어장치를 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트 제어장치(11),(14)라 한다.

따라서, 이 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트 제어장치(11),(14)에 의한 피드백제어를 이온의 종류, 목적의 에너지 레벨에 의해 폐쇄용 및 가속용 디지털신호 처리장치(11d),(14d)의 프로그램설정을 변경하는 것만으로 전종이온을 임의의 에너지레벨로 가속하는 것이 가능하다.

마지막으로 가속 종료후(최대 자장여자상태), 소정의 에너지 레벨까지 가속된 이온빔(3)을 이온빔 이용라인(21)에서 추출한다. 추출방법으로서는 키커전자석 등의 빠른 출사기기(20)로 번치(3a)의 구조를 유지한 채 1턴으로 추출하는 방법, 및 배리어전압 발생간격(30)을 주회시간 상당까지 서서히 확대하며, 그 후 일단 폐쇄용 유도가속셀(10)을 구동하는 폐쇄용 스위칭전원(9b),(12b)의 게이트구동을 오프로 하여 번치(3a)의 구조를 무너뜨리고, DC빔 형상의 이온빔(3)으로 한 후, 베타 트론 공조 등을 이용한 출사기기(20)에서 소량씩 몇회의 턴에 걸쳐서 연속적으로 이온빔(3)을 추출하는 방법이 있다. 이들의 추출방법은, 이온빔(3)의 이용용도에 따라서 선택할 수 있다.

이하에서 첨부도면에 따라서 본 발명인 전종이온가속기(1)에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명인 전종이온가속기의 전체도면이다. 또한, 본 발명인 전종이온가속기(1)는 이온빔(3)의 가속을 제어하는 폐쇄용 유도가속장치(9) 및 가속용 유도가속장치(12), 고주파 선형가속기(17b) 이외의 장치는, 종래의 고주파 싱크로트론 복합체 세트(34)에서 사용되고 있던 장치를 사용할 수 있다.

전종이온가속기(1)는 입사장치(15), 유도가속 싱크로트론(2), 및 출사장치(19)로 이루어진다. 입사장치(15)는 유도가속 싱크로트론(2)의 상류에 있는 이온원(16), 전단가속기(17), 입사기기(18) 및 각각의 장치를 연결하고, 이온의 연결통로인 수송관(16a),(17a)으로 이루어진다.

이온원(16)은 전자사이클로트론 공조가열기구를 이용한 ECR이온원이나 레이저구동 이온원 등이 있다. 또한, 이온원(16)에서 유도가속 싱크로트론에 이온빔을 직접 입사해도 된다.

전단가속기(17)는 전압가변의 정전가속기나 선형유도가속기 등이 범용이다. 또 이용하는 이온종이 결정되어 있는 경우는 소형의 사이클로트론 등도 사용가능하다.

입사기기(18)는, 고주파 싱크로트론 복합체 세트(34)에서 사용되고 있던 기기가 이용된다. 특히 본 발명인 전종이온가속기(1)에서 특별한 장치, 방법은 필요 없다.

이상의 구성으로 이루어지는 입사장치(15)는, 상기 유도가속 싱크로트론(2)에 이온원(16)에서 발생한 이온빔(3)을 전단가속기(17)로 일정한 에너지 레벨까지 가속하고, 입사기기(18)로 입사하는 것이다

유도가속 싱크로트론(2)은 이온빔(3)의 설계궤도(4a)가 내부에 있는 환상의 진공덕트(4), 상기 설계궤도(4a)의 곡선부에 배치되어 이온빔(3)의 원궤도를 유지하는 편향전자석(5), 상기 설계궤도(4a)의 직선부에 배치되어 이온빔(3)의 확산을 방지하는 집속전자석(6), 상기 진공덕트(4)의 내부에 배치되어 이온빔(3)의 통과를 감지하는 번치모니터(7), 상기 진공덕트의 내부에 배치되어 이온빔(3)의 중심위치를 감지하는 위치모니터(8), 상기 진공덕트(4)에 접속된 이온빔(3)을 진행방향으로 폐쇄하기 위한 유도전압을 인가하는 폐쇄용 유도가속셀(10) 및 상기 폐쇄용 유도가속셀(10)의 구동을 제어하는 폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11)로 이루어지는 폐쇄용 유도가속장치(9) 및 상기 진공덕트(4)에 접속된 이온빔(3)을 가속하기 위한 유도전압을 인가하는 가속용 유도가속셀(13) 및 상기 가속용 유도가속셀(13)의 구동을 제어하는 가속용 인텔리전트 제어장치(14)로 이루어지는 가속용 유도가속장치(12)로 구성시킨다.

폐쇄용이라는 것은, 입사장치(15)로부터 유도가속 싱크로트론(2)에 입사된 이온빔(3)을 유도가속셀에 의한 소정의 극성이 다른 유도전압에 의해 다른 유도가속셀에서 유도가속할 수 있도록 일정한 길이의 번치(3a)까지 축소하거나, 기타 여러 길이의 이온빔(3)으로 변환하는 기능과, 가속중의 이온빔(3)의 번치(3a)에 위상 안정성을 갖게 하는 기능을 갖고 있다는 의미이다.

가속용이라는 것은, 이온빔(3)의 번치(3a)를 형성후에 번치(3a) 전체에 가속용의 유도전압을 부여하는 기능을 갖고 있다는 의미이다.

폐쇄용 유도가속장치(9)와 가속용 유도가속장치(12)의 장치 자체는 동일한 것이나, 이온빔(3)에 대한 기능이 다르다. 이것 이후 유도가속장치라 할 때는 폐쇄용 유도가속장치(9) 및 가속용 유도가속장치(12)의 양쪽을 의미한다. 마찬가지로 유도가속셀이라 할 때는 폐쇄용 유도가속셀(10) 및 가속용 유도가속셀(13) 모두를 의미한다. 또한, 전자석이라 하는 경우는, 편향전자석(5) 및 집속전자석(6)의 양쪽을 의미한다.

출사장치(19)는, 상기 유도가속 싱크로트론(2)에서 소정의 에너지 레벨까지 도달한 이온빔(3)을 이용하는 실험장치(21b) 등이 설치된 시설(21a)에 연결하는 수송관(20a)과 이온빔 이용라인(21)에서 추출하는 출사기기(20)로 이루어진다. 또한, 실험장치(21b)에는 치료에 이용되는 의료설비 등도 포함된다.

출사기기(20)는, 빠른 추출이 가능한 키커전자석, 또는 베타트론공조 등을 이용한 느린 추출을 하는 장치 등이 있으며, 이온빔(3)의 종류, 용도에 따라서 선택할 수 있다.

상기 구성에 의해 본 발명인 전종이온가속기(1)는 1대로 전종이온을 임의의 에너지레벨로 가속하는 것이 가능하도록 되었다.

도 2는 본 발명인 전종이온가속기를 구성하는 폐쇄용 유도가속셀의 단면모식도이다.

본 발명에 이용하는 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀(10),(13)은 지금까지 만들어져 온 선형 유도가속기용의 유도가속공동과 원리적으로는 같은 구조이다. 여기서는 폐쇄용 유도가속셀(10)에 대하여 설명한다. 폐쇄용 유도가속셀(10)은 내측통(10a) 및 외측 통(10)으로 이루어지는 2중 구조로, 외측 통(10b)의 내부에 자성체(10c)가 삽입되어 인덕턴스를 만든다. 이온빔(3)이 통과하는 진공덕트(4)와 접속된 내측통(10a)의 일부가 세라믹 등의 절연체(10d)로 만들어져 있다. 유도가속셀은 사용에 의해 발열하므로, 외측 통(10b)의 내부에는 냉각용의 오일 등을 순환시키는 것이 있으며, 절연체의 실(seal)(10j)을 필요로 한다.

자성체(10c)를 둘러싸는 1차측의 전기회로에 DC충전기(9c)에서 펄스전압(10f)을 인가하면 1차전류(10g)(코어전류)가 흐르고, 자성체(10c)가 여자되므로 트로이덜(troidal)형상의 자성체(10c)를 관통하는 자속밀도가 시간적으로 증가한다. 이때 절연체(10d)를 좁혀서 도체의 내측 통(10a)의 양단부(10h)인 2차측에 페러데이의 유도법칙에 따라서 전장(10e)이 유도된다. 이 전장(10e)이 가속전장으로 된다. 이 가속전장을 발생하는 부분을 가속캡(10i)이라 한다. 따라서 폐쇄용 유도가속셀(1)은 1:1의 트랜스포머라 할 수 있다.

폐쇄용 유도가속셀(10)의 1차측 전기회로에 펄스전압(10f)을 발생시키는 폐쇄용 스위칭전원(9b)을 접속하고, 상기 폐쇄용 스위칭 전원(9b)을 외부에서 온 및 오프함으로써, 가속전장의 발생을 자유롭게 제어할 수 있다. 이것은 이온빔(3)의 가속이 디지털제어될 수 있음을 의미한다.

상기 가속캡(10i)에 이온빔(3)의 번치머리부(3c)(여기에서는 번치중심부(3b) 에 있는 이온보다 약간 에너지가 높은 이온이 존재한다)가 진입할 때, 폐쇄용 유도가속셀(10)이면, 진행방향과 역방향의 전장(10e)을 부여하는 머리부의 시간폭에 대응하는 길이의 유도전압(이하, 음의 배리어전압이라 한다)을 발생시킨다. 이 음의 배리어전압을 감지해서 이온의 에너지는 감지된다. 이온빔(3)의 번치중심부(3b)가 통과하는 시간대는 유도전압을 일체 발생시키지 않는다.

번치후미부(3d)(여기서는 번치중심부(3b)에 있는 이온보다 약간 에너지가 낮은 이온이 존재한다)가 통과하는 시간대에는 진행방향과 같은 방향의 전장(10e)을 부여하는 유도전압(이하, 양의 배리어전압이라 한다)을 발생시킨다. 이 부호가 다른 유도전압을 감지한 이온의 에너지는 증가한다.

이온빔(3)이 상술의 부호가 다른 유도전압을 몇 회나 반복하여 받으면, 처음의 번치중심부(3b)의 이온의 에너지보다 큰 에너지를 가진 이온의 에너지가 번치중심부(3b)의 이온에너지보다 낮아지며, 폐쇄용 유도가속셀(10)에 도달하는 시각이 늦어지기 시작하고, 어느 한쪽의 번치후미부(3d)에 위치하게 된다. 이번에는 번치후미부(3d)에서 전술한 것과 같이, 이온빔(3)의 진행방향과 같은 방향의 전장(10e)을 부여하는 유도전압을 감지하고, 얼마동안 도달이 늦어진다는 역과정의 번치중심부(3b)의 추월과 폐쇄용 유도가속셀(10)로의 조기도달이라는 현상이 발생한다. 이온빔(3)은 이 일련의 과정을 반복하면서 가속한다. 이것을 이온빔(3)의 진행방향의 폐쇄라 한다.

이것은 종래의 고주파 싱크로트론(35)에 의한 위상안정성(도 11)과 같은 효과를 이온빔(3)에 부여하는 것이다. 폐쇄용 유도가속셀(10)의 기능은 종래의 고주 파가속공동(36a)의 폐쇄기능만을 분리한 것과 등가이다. 또 이와 같은 유도전압을 이온빔(3)에 펄스전압(10f)으로서 불연속적으로 인가하게 되므로 이온빔(3)이 가지려 하는지 아닌지가 상시 고주파(37)가 여기된 상태에 있는 고주파 가속공동(36a)에 대하여 유도가속셀은 디지털적 동작특성을 가진다 해도 좋다.

한편, 가속용 유도가속셀(13)에서 그 가속캡(10i)에 이온빔(3)이 통과하고 있는 동안, 진행방향과 동일방향으로 가속전장이 발생하도록 유도전압(이하, 가속전압이라 한다)을 발생시킨다. 단, 자성체(10c)의 자기적 포화를 피하기 위하여 이온빔(3)의 통과후, 그 다음 이온빔(3)이 주회하고 오는 동안의 임의의 시간에 유도전압을 발생시킨 때와는 역방향의 유도전압(이하, 리세트전압이라 한다)을 가속용 유도가속셀(13)에 인가(리세트)하지 않으면 안된다. 폐쇄용 유도가속셀(10)의 경우는 리세트의 결과 발생하는 유도전압도 유효하게 진행방향의 폐쇄에 사용되고 있다.

또한, 여기서는 한개의 유도가속셀을 이용하여 설명하였으나, 유도가속셀의 수는 가속하는 이온빔(3)에 필요한 유도전압의 인가시간 및 도달에너지 레벨 등에 의해 선택한다. 단, 전압 드루프(droop)가 작은 유도가속셀의 설계가 요구된다.

도 3은, 유도가속장치의 구성과 이온빔의 가속제어방법을 도시한 도면이다.

폐쇄용 유도가속장치(9)는, 이온빔(3)을 진행방향으로 폐쇄하기 위한 극성이 다른 유도전압인 배리어전압을 발생시키는 폐쇄용 유도가속셀(10), 상기 폐쇄용 유도가속셀(10)에 전송선(a)을 통하여 펄스전압(10f)을 부여하는 고반복동작 가능한 폐쇄용 스위칭전원(9b), 상기 폐쇄용 스위칭전원(9b)에 전력을 공급하는 DC충전 기(9c), 상기 폐쇄용 스위칭전원(9b)의 온 및 오프 동작을 피드백제어하는 폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11), 상기 폐쇄용 유도가속셀(10)로부터 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터(9d)로 이루어진다.

이 전송선(9a)은 폐쇄용 스위칭전원(9b)에 사용하는 스위치가 반도체 등의 고방사선 환경하에서의 동작에 견디지 못하는 경우에 사용한다. 방사선 데미지가 문제없는 스위치소자, 또는 저방사선환경을 유지할 수 있는 경우는 불필요하며, 폐쇄용 스위칭전원(9b)과 폐쇄용 유도가속셀(10)은 직결할 수 있다.

폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11)는 상기 폐쇄용 스위칭전원(9b)의 온 및 오프의 동작을 제어하는 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)을 생성하는 폐쇄용 패턴생성기(11b), 및상기 폐쇄용 패턴생성기(11b)에 의한 폐쇄용 게이트 신호패턴(11a)의 생성의 원래 정보인 폐쇄용 게이트 마스터 신호(11c)를 계산하는 폐쇄용 디지털신호처리장치(11d)로 이루어진다.

상기 폐쇄용 게이트 마스터 신호(11c)는 설계궤도(4a)에 놓여진 이온빔(3)의 통과를 감지하는 번치모니터(7)에 의해 측정되는 이온빔(3)의 통과시그널(7a), 및 이온빔(3)에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터(9d)에 의해 측정되는 유도전압 시그널(9e)을 기초로, 미리 프로그램되어 있는 처리법에 따라서 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에 의해 계산되고, 리얼타임으로 생성된다.

구체적으로는 상기 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에 있어서, 상기 통과시그널(7a)로부터 인가하는 배리어전압의 발생타이밍을 상기 통과시그널(7a) 및 유도전압시그널(9e)로부터 배리어전압의 인가시간의 길이를 계산하고, 디지털신호로 변 환되며, 폐쇄용 패턴생성기(11b)로 출력된다.

폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)에는 이온빔(3)에 인가하는 음의 배리어전압(26), 양의 배리어전압(27) 및 전압오프의 3개의 패턴이 있다. 또한 음의 배리어전압치 및 양의 배리어전압치는 이온빔(3)의 특성이나 종류에 따라 다르지만, 가속중에는 일정해서 좋으므로 미리 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에 프로그램해 두면 된다. 사용하는 DC충전기(9c), 콘덴서뱅크(23)의 출력전압에 의해 유도전압치는 결정된다.

가속용 유도가속장치(12)의 구성은, 이온빔(3)을 진행방향으로 가속시키기 위한 가속전압 및 자성체(10c)의 자기적 포화를 피하기 위한 리세트전압으로 이루어지는 가속용 유도전압을 발생시키는 가속용 유도가속셀(13), 상기 가속용 유도가속셀(13)에 전송선(12a)을 통하여 펄스전압(10f)을 부여하는 고반복동작 가능한 가속용 스위칭전원(12b), 상기 가속용 스위칭 전원(12b)에 전력을 공급하는 DC충전기(12c), 상기 가속용 스위칭 전원(12b)의 온 및 오프동작을 피드백 제어하는 가속용 인텔리전트 제어장치(14), 상기 가속용 유도가속셀(13)로부터 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터(12d)로 이루어진다.

가속용 유도가속장치(12)는 이온빔(3)에 부여하는 유도전압의 기능이 다르지만, 전기적으로는 폐쇄용 유도가속장치(9)와 같다. 자성체(10c)의 자기적 포화를 피하기 위해 발생시키는 리세트전압은 이온빔(3)에 어떠한 작동도 하지 않는다는 것, 리세트 전압의 발생타이밍은 이온빔(3)이 통과하고 있지 않은 시간대에 선택되는 것이 폐쇄용 유도가속장치(9)의 경우와 다르다.

가속용 인텔리전트 제어장치(14)는 상기 가속용 스위칭전원(12b)의 온 및 오프의 동작을 제어하는 가속용 게이트신호 패턴(14a)을 생성하는 가속용 패턴생성기(14b), 및 상기 가속용 패턴 생성기(14b)에 의한 가속용 게이트 신호패턴(14a)의 생성의 원래 정보인 동작을 제어하는 가속용 게이트 신호(14c)를 계산하는 계산용 디지털신호 처리장치(14d)로 이루어진다.

상기 가속용 게이트신호(14c)는 설계궤도(4a)에 놓여진 이온빔(3)의 통과를 감지하는 번치모니터(7)에 의해 측정되는 이온빔(3)의 통과시그널(7b) 및 이온빔(3)의 중심위치를 감지하는 위치모니터(8)에 의해 측정되는 위치시그널(8a)과, 이온빔(3)에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 전압모니터(12d)에 의해 측정되는 유도전압 시그널(12e)을 기초로 미리 프로그램되어 있는 처리법에 따라서 가속용 디지털신호 처리장치(14d)에 의해 계산되고, 리얼타임으로 생성된다.

구체적으로는, 상기 가속용 디지털신호 처리장치(14d)에 있어서, 상기 통과시그널(7b) 및 위치시그널(8a)로부터 인가하는 가속용 유도전압의 발생타이밍을 상기 통과시그널(7b) 및 유도전압 시그널(12e)로부터 가속용 유도전압의 인가시간의 길이를 계산하고, 디지털신호로 변환되며, 가속용 패턴생성기(14b)로 출력된다.

가속용 게이트 신호패턴(14a)에는 이온빔(3)에 인가하는 가속전압(28), 리세트전압(29) 및 전압 오프의 3가지 패턴이 있다. 또 가속전압치 및 리세트전압치는 DC충전기(12c) 콘덴서뱅크(23)의 출력전압으로 결정된다. 또한, 가속전압(28)은 전종이온가속기(1)의 전자석의 여자패턴에 동기하여 발생시킨다.

리얼타임으로 생성되는 폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴(11a),(14a)이 대 략 0Hz에서 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀(10),(13)을 구동하는 폐쇄용 및 가속용 스위칭전원(9b),(12b)의 반도체 스위칭소자의 동작한계에 가까운 1MHz까지 자유롭게 가변생성할 수 있음을 실증하였다. 이것은 종래에는 고주파 가속공동(36a)에서 얻어지는 양자의 주회에 동기한 고주파 시그널을 사용하고 있었으나, 전술과 같이 이온의 종류에 따라서 고주파 가속공동(36a)을 사용하는 것이 불가능하므로, 번치모니터(7)에서 이온빔(3)의 통과시그널(7a),(7b)을 얻고, 폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴(11a),(14a)을 생성하는 것에 기인한다.

구체적인 피드백기능을 가진 폐쇄용 및 가속용 디지털신호 처리장치(11d),(14d)의 폐쇄용 및 가속용 게이트 마스터 신호(11c),(14c)의 처리는 아래와 같이 이루어진다. 이상적 가속을 보증하는 유도전압보다 높은 유도전압이 이온빔(3)에 부여되면, 이온빔(3)은 설계궤도(4a)에서 외측으로 이동한다. 이와 같은 것은 현실적으로 DC충전기(9c),(12c)의 전압설정 정밀도 오차가 있으면 발생한다. 이와 같은 경우, 폐쇄용 및 가속용 스위칭전원(9b),(12b)의 콘덴서뱅크(23)의 충전전압이 이상치로부터 이동한다. 그 결과, 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀(10),(13)에 발생하는 유도전압이 가속에 필요한 값에서 벗어난다.

그래서, 위치모니터(8)에서 검출한 위치시그널(8a)로 이온빔(3)의 궤도의 이동을 검지하고, 운동량의 이동을 감지한다. 이 이동의 보정에 필요한 분량만큼 가속전압(28)의 발생을 의도적으로 정지하도록 가속용 디지털신호 처리장치(14d)에서 계산하고, 가속용 게이트 마스터 신호(gate master signal)(14c)의 생성을 스톱한다. 또한, 위치모니터(8)는 복수 사용할 수도 있다. 위치모니터(8)를 복수 사용 함으로써, 보다 정밀도 좋게 이온빔(3)의 가속이 제어되어 이온빔(3)의 손실을 피할 수 있다.

이와 같은 피드백제어에 의한 이온빔(3)의 가속으로 이온빔(3)의 설계궤도(4a)를 유지하고, 전종이온을 임의의 에너지레벨까지 안정되게 가속할 수 있게 되었다.

도 4는, 폐쇄용 유도가속장치의 등가회로도이다. 폐쇄용 유도가속장치의 등가회로(22)는 도면에 도시한 바와 같이, DC충전기(9c)로부터 상시 급전을 받는 폐쇄용 스위칭전원(9b)이 전송선(9a)을 경유하여 폐쇄용 유도가속셀(10)에 연결된다. 폐쇄용 유도가속셀(10)은 L, C, R의 병렬회로로 도시한다. 병렬회로의 양단 전압이 이온빔(3)이 감지하는 유도전압이다.

도 4의 회로상태는 제1 및 제4스위치(23a),(23d)가 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)에 의해 온으로 되어 있고, 콘덴서뱅크(23)에 충전된 전압이 폐쇄용 유도가속셀(10)에 인가되며, 가속캡(10i)에 이온빔(3)을 폐쇄하기 위한 유도전압이 발생하고 있는 상태이다. 다음에 온으로 되어 있던 제1 및 제4스위치(23a),(23d)가 폐쇄용 게이트신호패턴(11a)에 의해 오프로 되며, 제2 및 제3스위치(23b),(23c)가 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)에 의해 온으로 되고, 상기 가속캡(10i)에 상기 유도전압과 역방향의 유도전압이 발생하는 동시에, 자성체(10c)의 전기적 포화를 리세트한다. 그리고, 제2 및 제3스위치(23b),(23c)가 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)에 의해 오프가 되고, 제1 및 제4스위치(23a),(23d)가 온이 된다. 이러한 일련의 스위칭동작을 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)에 의해 반복함으로써 이온빔(3)을 폐쇄할 수 있다.

상기 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)은, 폐쇄용 스위칭전원(9b)의 구동을 제어하는 신호이고, 이온빔(3)의 통과시그널(7b), 및 인가한 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압 시그널(9e)을 기초로 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d) 및 폐쇄용 패턴생성기(11b)로 이루어지는 폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11)에서 디지털제어된다.

이온빔(3)에 인가된 유도전압은, 회로중의 전류치와 매칭저항(24)과의 생성물로부터 계산된 값과 등가이다. 따라서, 전류치를 측정함으로써 인가한 유도전압의 값을 알 수 있다. 그래서, 전류계인 전압모니터(9d)에서 얻어지는 유도전압 시그널(93)을 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에 패드백하고, 다음의 폐쇄용 게이트 마스터신호(11c)의 생성에 이용한다.

도 5는, 폐쇄용 유도가속셀에 의한 이온빔의 폐쇄과정을 도시한 도면이다. 도 5(A)는 폐쇄개시 직후의 이온빔(3)의 모양을 도시하고 있다. 횡축이 시간이고 종축이 유도전압치이다. 양쪽 화살표는 이온빔(3)이 설계궤도(4a)를 1주하는 주회시간(25)를 나타내고 있다. 도 5(B)에서도 마찬가지이다.

설계궤도(4a)의 전체에 확대되어 있는 이온빔(3)을 폐쇄용 유도가속셀(10)에 진행방향과 역방향의 유도전압인 음의 배리어전압(26)이 발생하도록 폐쇄용 스위칭전원(9b)의 각 스위치를 온으로 해서 이온빔(3)의 선단을 포착한다. 이 음의 배리어전압(26)의 이온빔(3)에 대한 인가시간(26a)은 짧아서 좋다. 그 다음 폐쇄용 유도가속셀(10)에 이온빔(3)의 말단이 되는 이온빔(3)의 주회시간(25)의 종점으로, 이온빔(3)의 진행방향과 같은 방향의 배리어전압(27)이 발생하도록 폐쇄용 스위칭 전원(9b)의 각 스위치를 온으로 하여 이온빔(3)의 말단을 포착한다. 이 양의 배리어전압(27)은 자성체(10c)의 자기적 포화를 회피하는 일에도 사용되기 때문에 음의 배리어전압(26)과 유도전압치는 등가인 것이 필요하다. 따라서, 이온빔(3)에 대한 인가시간(27a)도 단시간에서 음의 배리어전압(26)과 같은 유도전압을 인가하면 인가시간(27a)과 동시간이 된다. 이들의 배리어전압으로 유도가속 싱크로트론(2)에 입사되고, 설계궤도(4a)의 전체에 분포하는 이온빔(3)의 전체가 폐쇄된다.

도 5(B)는 앞의 도 5의 (A)에서 폐쇄된 이온빔(3)을 시간적으로 유한한 가속용 유도전압으로 가속하기 위해 이온빔(3)의 번치(3a)의 진행방향에서의 길이를 짧게 하는 과정이 도시되어 있다.

이온빔(3)의 선단을 포착하고 있는 음의 배리어전압(26)과, 이온빔(3)의 말단을 포착하고 있는 양의 배리어전압(27)을 발생시키는 시간간격(이하, 배리어전압 발생간격(3)이라 한다)을 단축하고, 다른 가속용 유도가속셀(13)에 발생하는 가속전압(28)의 인가시간(28a)으로 이온빔(3)을 가속할 수 있도록 이온빔(3)을 가속전압(28)의 인가시간(28a)내의 길이의 번치(3a)로 한다.

구체적으로는 음의 배리어전압(26)의 발생타이밍을 고정하고, 양의 배리어전압(27)의 발생타이밍을 빠르게 하는 제어를 폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11)에 의해 실행한다. 또한, 흰색부분의 좌측 화살표시가 양의 배리어전압(27)의 발생타이밍의 이동방향이다.

도 6은 본 발명을 구성하는 유도가속 싱크로트론에 의해 이온빔이 가속될 때의 모양을 도시한 도면이다. V(t)는 유도전압치를 의미한다.

도 6의 (A)는 가속도중의 어떤 시간에서의 이온빔(3)의 번치(3a) 및 수퍼번치(3e)의 설계궤도(4a)에서의 존재위치를 나타내고 있다. 도 6에서는 설계궤도(4a)에 대기하는 각각 1개의 폐쇄용 유도가속셀(10), 가속용 유도가속셀(13)에서 이온빔(3)의 폐쇄와 가속을 행하는 경우에 대하여 설명한다. 이온빔(3)의 통과는 번치모니터(7)의 통과시그널(7a),(7b)로 확인하다.

도 6의 (B)는 폐쇄용 유도가속셀(1)에 의한 이온빔(3)의 폐쇄모양을 도시하고 있다. t(a)는 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)가 폐쇄용 유도가속셀(10)에 도달한 시간을 기준으로 한 배리어전압의 발생타이밍과 인가시간(26a),(27a)이다. 점선으로 도시한 종선이 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)의 주회시간(25)을 의미한다. 도 6에서도 마찬가지이다.

번치모니터(7)에서 얻어진 통과시그널(7a)을 기초로 폐쇄용 디지털신호처리장치(11d)에서 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)가 폐쇄용 유도가속셀(10)에 도달하는 시간을 계산하고, 음의 배리어전압(26)을 발생하도록 폐쇄용 게이트신호패턴(11a)을 생성하며, 번치머리부(3c) 또는 수퍼번치(3e)의 머리부에 음의 배리어전압(26)이 인가된다.

번치모니터(7)로부터 얻어진 통과시그널(7a)을 기초로 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에서 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)의 후미부가 폐쇄용 유도가속셀(10)에 도달하는 시간을 계산하고, 양의 배리어전압(27)을 발생하도록 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)을 생성하며, 번치후미부(3d) 또는 수퍼번치(3e)의 후미부에 양의 배리어전압(27)이 인가된다.

이와 같이 하여, 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)를 폐쇄할 수 있다. 인가된 음 및 양의 배리어전압(26),(27)은 전압모니터(9d)에서의 유도전압시그널(9e)을 기초로 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에서 계산되고, 다음의 폐쇄용 게이트 마스터신호(11c)에 이용된다. 또한, 이온빔(3)이 짧은 번치(3a)이어도 배리어전압 발생간격(30)을 짧게 하는 것 만으로 대응할 수 있다.

도 6의 (C)는 가속용 유도가속셀(13)에 의한 이온빔(3)의 가속모양을 도시하고 있다. t(b)는 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)가 가속용 유도가속셀(13)에 도달하는 시간을 기준으로 한 가속용의 유도전압의 발생타이밍과 인가시간(28a),(29a)이다.

가속전압(28)이 번치모니터(7)로부터 얻어진 통과시그널(7b)을 기초로 가속용 디지털신호 처리장치(14d)에서 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)가 가속용 유도가속셀(13)에 도달하는 시간을 계산하고, 가속전압(28)을 발생하도록 가속용 게이트신호 패턴(14a)을 생성하며, 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)의 전체에 인가된다.

리세트전압(29)은, 가속용 디지털신호처리장치(14d)에 의해 계산되어 설계궤도(4a)의 이온빔(3)이 존재하지 않는 시간대에 자성체(10c)의 자기적 포화를 회피하기 위해, 가속전압(28)과 역 극성의 유도전압으로서 인가된다. 이와 같이 하여 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)를 가속할 수 있다. 또한, (1/2)T₀이라는 것은, 도 6(B)의 t(a)와 도 6(C)의 t(b)의 시간기준이 주회시간(25)의 반정도만 이동하고 있는 것을 의미한다.

도 6(D)는, 어떤 시간에서의 번치(3a) 또는 수퍼번치(3e)의 가속모양을 도시하고 있다. 즉, 도 6(B)와 도 6(C)를 합성한 것이다. 따라서, 횡축의 t는 폐쇄용 유도가속셀(10)과 가속용 유도가속셀(13)의 시간기준에 1/2의 주회시간(25)의 이동이 있는 시간기준이다. 도 7의 t에서도 마찬가지이다.

도 7은, 이온빔(3)을 복수의 번치(3a)로 한 후에, 가속하는 방법에 대하여 도시한 도면이다. 이 방법에 의하면 배리어전압의 유도전압치가 작게 완료되는 이점이 있다.

이온빔(3)을 복수의 번치(3a)로 한 후에 가속하는 방법은, 입사된 DC빔형상의 이온빔(3)을 미리 복수의 번치(3a)로 하고, 최종적으로 단일 번치(3a)(수퍼번치(3e))로 하여 도 7의 (A)에서 (E)의 순서를 따름으로써 가능해진다.

종축이 유도전압치이고, 횡축은 시간이다. 파선으로 도시한 종축까지의 길이를 도시하는 파선의 횡의 양 화살표는 입사 직후의 이온이 설계궤도(4a)를 일주하는데 필요한 주회시간(25)이다. 즉, 진공덕트(4)의 주변길이이다.

도 7의 (A)는, 전단가속기(17)에 의해 일정한 에너지레벨까지 가속된 이온빔(3)이 진공덕트(4)에 여러번 입사된 직후의 모양을 도시하고 있다. 입사된 이온빔(3)은 설계궤도(4a)의 전체에 걸쳐서 DC빔형상의 이온빔(3)으로서 존재하고 있다. 이때의 주회시간(25)은 10μ초, 입사시의 주회주파수는 100kHz 정도의 39가의 우라늄이온을 예로 설명한다.

도 7의 (B)는, 폐쇄용 유도가속셀(10)에서 인가된 배리어전압에 의해 설계궤도(4a)의 전체에 존재하는 이온빔(3)을 복수의 이온빔(3)으로서 폐쇄하는 방법을 도시하고 있다. 음 및 양의 배리어전압(26),(27)의 사이를 도시하는 실선의 횡의 양 화살표는 동극의 배리어전압의 발생타이밍 간격(이하, 동극의 배리어전압 발생간격(31)이라 한다)을 의미한다.

이와 같이 설계궤도(4a)의 전체에 존재하는 이온빔(3)을 복수의 이온빔(3)으로 분단함으로써, 각각의 이온빔(3)을 가속전압(28)의 인가시간(28a)이 되도록 효율적으로 짧게 할 수 있다. 폐쇄용 유도가속셀(10)의 배리어전압의 인가시간(26a),(27a)이 각각 충분히 0.5μ초 이하이면 10개의 이온빔(3)의 단편으로 분단할 수 있다.

도 7의 (C)는, 분단된 이온빔(3)을 복수의 번치(3a)로 하는 방법을 도시하고 있다. 배리어전압 발생간격(30)을 서서히 짧게 하는 동시에, 동극의 배리어전압 발생간격(31)도 짧게 함으로써 가속전압(28)을 받아들이도록 한다. 또한, 서로 이웃하는 번치(3a) 사이(이하, 번치간격(32)이라 한다)를 짧게 하도록 양의 배리어전압(27)의 다음에 발생시키는 음의 배리어전압(26)의 간격을 짧게 하여 폐쇄한 번치(3a) 끼리를 접근시킨다.

도 7의 (D)은, 이온빔(3)을 분단해서 이루어지는 복수의 번치(3a)를 결합하여 단일의 번치(3a)로 하는 과정을 도시하고 있다. 서로 이웃하는 번치(3a), 또는 복수의 번치(3a)의 최초의 음의 배리어전압(26)과 마지막의 양의 배리어전압(27) 이외의 음 및 양의 배리어전압(26b),(27b)의 인가를 실행하지 않음으로써, 복수의 번치(3a)를 결합할 수 있다. 최종적으로 단일 번치(3a)로 한다. 이 인가하지 않은 음 및 양의 배리어전압(26b),(27b)의 선택은 폐쇄용 인텔리전트 제어장치(11)의 폐쇄용 디지털신호 처리장치(11d)에 미리 이온의 종류, 도달에너지 레벨에 의해 프로그램된 처리방법에 따라서 리얼타임으로 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)을 생성함으로써 가능하다. 마찬가지로 불필요한 가속전압(28b), 리세트전압(29b)의 선택, 인가중지는 가속용 인텔리전트 제어장치(14)에서 계산된다.

또한, 이온빔(3)을 단일 번치(3a)로 하기 전에 가속용 유도가속셀(13)의 가속전압(28)의 인가시간(28a)의 범위 내에 번치(3a)를 폐쇄 또는 결합가능하다면, 가속전압(28) 및 리세트전압(29)의 발생을 가속용 인텔리전트 제어장치(14)에 의해 제어함으로써, 보다 효율적으로 이온빔(3)을 설정에너지 레벨까지 가속할 수 있다.

도 7의 (E)는, 이온빔(3)을 완전히 단일 번치(3a)(수퍼번치)로 하고, 폐쇄 및 가속하고 있을 때의 모양을 도시하고 있다. 도 7에 도시하는 (A) 내지 (E)와 같은 과정을 취함으로써, 도 5 및 도 6에 도시하는 폐쇄 및 가속방법보다 효율적으로 이온빔(3)을 설정에너지레벨까지 가속할 수 있게 된다. 이와 같은 방법을 채용할 수 있는 것은, 폐쇄용 및 가속용 스위칭 전원(9b),(12b)의 구동주파수가 0Hz에서 1MHz까지 자유롭게 가변가능한 것, 폐쇄용 및 가속용 게이트신호 패턴(11a),(14a), 폐쇄용 및 가속용 디지털신호 처리장치(11d),(14d) 및 폐쇄용 및 가속용 패턴생성기(11b),(14d)에서 리얼타임으로 생성할 수 있는 것에 따른다.

도 8은, 복수의 유도가속셀에 의한 이온빔의 가속방법을 도시하는 도면이다. 일반적으로 배리어전압은 짧은 인가시간(26a),(27a)에서 상대적으로 고압, 가속전압(28)을 긴 인가시간(28a)에서 상대적으로는 저압, 리세트전압(29)은 가속전압(28)과 에너지적으로 등가가 되도록 인가시간(29a)과 전압치가 요구된다. 복수 의 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀(10),(13)을 사용함으로써, 상기 요구를 만족시킬 수 있다. 그래서, 이하에 3연식의 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀(10),(13)을 사용한 때의 운전패턴에 대하여 설명한다. 이 방법에 의하면, 이온의 선택, 에너지레벨의 선택의 자유도를 증가시킬 수 있다.

도 8의 (A)는, 3연식의 폐쇄용 유도가속셀(1)에 의해 부여되는 배리어전압의 크기와 인가시간을 도시하고 있다. 종축이 유도전압치이고, 횡축이 배리어전압의 인가시간(26a),(27a)을 의미한다. (1), (2) 및 (3)은 각각 제1폐쇄용 가속셀(10), 제2폐쇄용 유도가속셀(10) 및 제3폐쇄용 유도가속셀(10)을 의미한다. 또 (4)는 3연식의 폐쇄용 유도가속셀(10)에 의해서 이온빔(3)에 인가된 합계의 음 및 양의 배리어전압(26f),(27f)을 도시하고 있다.

3연식의 폐쇄용 유도가속셀(1)에 도달한 이온빔(3)의 번치(3a)에 (1)에서 (3)의 순서로 먼저 음의 배리어전압(26c),(26d),(26e)을 인가한다. 이때 번치(3a)는 고속이므로, 거의 동시에 음의 배리어전압(26c),(26d),(26e)을 인가하면 된다. 마찬가지로 양의 배리어전압(27c),(27d),(27e)을 번치후미부(3d)에 인가한다. 따라서, 번치후미부(3c), 번치후미부(3d)에는 (4)에 도시하는 합계의 음 및 양의 배리어전압(26f),(27f)와 같은 배리어전압이 번치(3a)에 인가된 것이 된다. 이와 같이 폐쇄용 유도가속셀(10)을 연결함으로써, 실효적으로 필요한 배리어전압을 얻는다. 즉, 각각의 폐쇄용 유도가속셀(10)에 의해 인가되는 배리어전압치(26g),(27g)이 낮아도 높은 배리어전압(26h),(27h)을 얻을 수 있게 된다.

도 8의 (B)는, 3연식의 가속용 유도가속셀(13)에 의해 부여되는 가속용의 유도전압의 크기와 인가시간을 도시하고 있다. 종축이 가속용 유도전압치이고, 횡축이 가속용의 유도전압의 인가시간(28a),(29a)을 의미한다. (1),(2) 및 (3)은 각각의 제1가속용 유도가속셀(13), 제2가속용 유도가속셀(13) 및 제3가속용 유도가속셀(13)을 의미한다. 또 (4)는 3연식의 가속용 유도가속셀(13)에 의해 번치(3a)에 인가된 합계의 가속전압(28f) 및 합계의 리세트전압(29f)을 도시하고 있다.

3연식의 가속용 유도가속셀(13)에 도달한 이온빔(3)에 (1)에서 (3)의 순서로 먼저 일정한 가속전압치(28h)인 가속전압(28c),(28d),(28e)을 인가한다. 이때 (1)에서 (3)과 같이 인가시간을 이동함으로써 이온빔(3) 전체에 가속전압(28c),(28d),(28e)을 인가할 수 있다. 따라서, 이온빔(3)의 전체에 (4)에 도시하는 합계의 가속전압(28f)의 인가시간(28g)을 확보할 수 있다. 한개의 가속용 유도가속셀(13)에서는 짧은 인가시간(28a)만 가속전압(28)을 인가할 수 있어도, 이와 같이 가속용 유도가속셀(13)을 늘어놓음으로써 긴 인가시간(28a)을 확보하는 것이 가능해진다. 즉, 저압의 유도전압을 발생시킬 수 있는 공통규격의 유도가속셀의 조합만으로, 폐쇄와 가속 두가지 목적에 대응할 수 있다. 그러므로, 유도가속장치의 제조비용이 낮게 억제된다.

3연식의 가속용 유도가속셀(13)에 이온빔(3)이 존재하지 않는 시간대에 가속용 유도가속셀(13)의 자기적 포화를 회피하기 위하여 리세트전압(29c),(29d),(29e)을 인가한다. 리세트전압치(29g)는 각 가속용 유도가속셀(13)의 자기적 포화를 회피할 필요가 있으므로, 각 가속용 유도가속셀(13)에 발생시킨다. 이론적으로는 이 리세트전압(29c),(29d),(29e)을 인가하는 시간대 이외에는, 가속전압(28)을 인가하 는 시간으로서 이용할 수 있기 때문에 전종이온을 수퍼번치(3e)로서 가속하는 것이 가능하다.

배리어전압 발생간격(30)을 폐쇄용 스위칭전원(9b)에 사용하는 스위칭소자의 폐쇄용 게이트신호 패턴(11a)을 자유롭게 컨트롤할 수 있으므로, 종래의 고주파 싱크로트론(35)에서는 원리적으로 불가능했던 번치(3a)를 진행방향으로 긴 상태로 유지할 수 있으므로, 한번에 가속하는 것이 가능한 이온수가 대폭 증대하게 되었다.

도 9는, 기존의 KEK의 500MeVPS와 12GeVPS를 본 발명인 전종이온가속기로 개장한 경우에 가능해진다. 최대 전가수를 가진 각종 이온의 핵자당의 도달에너지를 계산한 결과를 도시한 도면이다.

이온빔(3)의 소스는 H(수소), C(탄소), N(질소), Ne(네온), Al(알루미늄), Ca(칼슘), O(산소), Mg(마그네슘), Ar(아르곤), Ni(니켈), Zn(아연), Kr(크립톤), Xe(크세논), Er(에르븀), Ta(탄탈), Bi(비스머스), U(우라늄), Te(텔루르), Cu(구리), Ti(티탄) 등, 가벼운 원자인 양자로부터 중이온인 우라늄까지 시험해보았다.

그래프의 횡축은 원자번호이고, 좌측으로부터 원자번호가 작은 것부터 순서대로 플롯하였다. 그래프의 종축은 각 가속기로 가속하였다. 또는 예측되는 이온의 핵자당의 에너지량을 의미한다. 좌축의 단위는 메가볼트(MeV)이고, 우축의 단위는 기가볼트(GeV)이다. 또한, 우축은 개장 12GeVPS의 결과를 참조할 경우만 사용한다.

■는 KEK의 현 500MeVPS(현재의 공진전원인 전자석 전원을 그대로 사용), ●은 KEK의 개장 500MeVPS(현재의 공진전원인 전자석 전원을 패턴전원으로 교체한 경 우), ▲는 KEK의 12GeVPS를 각각 본 발명인 전종이온가속기(1)로 변경한 경우의 각종 이온빔(3)의 도달에너지의 예측결과이다.

또한, 종래의 가속기와 비교하기 위하여, 국내 최대의 사이클로트론인 이화학연구소에서 가동하고 있는 링 사이클로트론에서의 이온빔(3)의 가속실적(파선 내)도 도시하였다. 파선으로 둘러싸인 ○은 각종 이온빔(3)을 상기 사이클로트론에 고주파 선형가속기 입사(33)한 때의 각종 이온빔(3)의 도달에너지이다. 한쪽의 파선으로 둘러싸인 □는 각종 이온빔(3)을 상기 사이클로트론에 AVF 사이클로트론 입사(33A)한 때의 각종 이온빔(3)의 도달에너지이다.

이온의 진행축에 대하여 수직방향의 폐쇄는 종래의 강집속방식을 채용한다. 패턴제어전원으로 구동하는 전자석을 사용하는 슬로우 사이클 싱크로트론(slow cycle synchrotron)에서는 추출에너지는 가변으로 된다. 또 공진회로에서 구동하는 전자석을 사용하는 래피드 사이클 싱크로트론(rapid cycle synchrotron)에서는 핵자당 가속에너지는 이온의 질량수와 전가수에 따라서 결정된다.

도 9의 결과에서 본 발명인 전종이온가속기(1)에 의해 이하의 것을 말할 수 있다.

첫째, 500MeVPS(■, ●)는 종래의 사이클로트론으로는 도달할 수 없는 에너지영역을 커버한다. 즉, 종래의 특정 중이온을 가속할 수 있는 고주파 선형가속기 입사(33)(○)라 해도, 고주파 선형가속기(17b)의 가속거리 및 사이클로트론용 전자석의 물리적 한계에 의해 가속할 수 있는 이온에 제한이 있으며, 또 상기 물리적 한계에 의해 도달할 수 있는 에너지레벨에도 한계가 있다. 가속가능한 이온은, 양 자에서 Ta까지이고, 그 도달에너지도 핵자당 7~50MeV까지이다.

한편, AVF 사이클로트론입사(33a)(□)에서는 고주파 선형가속기입사(33)(○)보다도 양자와 같은 가벼운 이온이면, 어느 정도 높은 에너지레벨(약 200MeV) 정도까지 이온을 가속할 수 있으나, 역시 입사기의 제한으로 가속가능한 이온은 Cu, Zn까지이다.

둘째, 개량 12GeVPS에서는 전종이온을 핵자당 약 4GeV 이상의 에너지까지 높일 수 있다.

따라서, 본 발명인 전종이온가속기(1)를 사용함으로써, 종래의 사이클로트론, 고주파 싱크로트론(35)에서는 불가능했던 중이온을 포함하는 전종이온을 임의의 에너지레벨까지 용이하게 높일 수 있다.

본 발명은 이상의 구성으로부터 아래의 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 종래의 고주파 싱크로트론(35)을 고주파가속장치(36) 이하의 장치를 그대로 재이용해서 저비용으로 본발명인 전종이온가속기(1)로 변경할 수 있다.

둘째, 본 발명인 전종이온가속기(1)는 1대로 모든 이온을 임의의 에너지 레벨까지 가속할 수 있다.

구체적으로는, KEK의 500MeVPS와 12GeVPS를 본 발명인 전종이온가속기(1)로 변경함으로써, 500MeVPS로는 현시점에서는 최대규모의 이화학 연구소의 사이클로트론으로도 도달할 수 없는 에너지 레벨까지 각종 이온을 가속할 수 있으며, 한편, 12GeVPS에서는 전종이온을 핵자당 최대 약 4GeV까지 가속할 수 있게 된다.

또한 본 발명인 전종이온가속기는 상기 효과를 얻을 수 있으므로, 최근 암치료용에 공급되도록 된 탄소선만이 아니라, 임의의 전가상태가 더 무거운 중이온을 공급할 수 있으므로, 입자선 암치료의 대상부위가 대폭 증가하는 동시에, 치료법의 자유도가 확대된다고 생각된다. 또 치료용 RI의 제조, 단수명 핵에 의한 방사화 분석 및 반도체 손상시험의 폭이 대폭 확대된다. 또한 우주공간에서 사용하는 위성에 탑재되는 각종 전자기기의 중이온 우주선에 의한 손상예측을 위한 지상시험이 가능해진다.

Claims

전단(前段)가속기나 고압이온원에 의해 직접 입사된 이온빔에, 유도가속 싱크로트(synchrotron)론에 사용되는 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀에 의해 인가하는 유도전압의 발생타이밍 및 인가시간을 변동시키기 위하여, 이온빔의 통과 시그널, 위치시그널 및 이온빔에 인가된 유도전압치를 감지하기 위한 유도전압시그널을 기초로, 폐쇄용 및 가속용 디지털신호처리장치 및 폐쇄용 및 가속용 패턴생성기로 폐쇄용 및 가속용 게이트신호패턴을 생성하고, 상기 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀의 온(ON) 및 오프(OFF)를 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트 제어장치에 의해 피드백제어하며, 모든 이온의 주회(周回)에 동기시켜서 가속할 수 있는 것을 특징으로 하는 전종(全種)이온가속기.
전단가속기나 고압이온원으로부터 직접 입사된 이온빔에, 유도가속 싱크로트론에 사용되는 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀에 의해 인가하는 유도전압의 발생타이밍 및 인가시간을 변동시키기 위해 이온빔의 통과시그널, 위치시그널 및 이온빔에 인가된 유도전압값을 감지하기 위한 유도전압시그널을 기초로 ,폐쇄용 및 가속용 디지털신호 처리장치 및 폐쇄용 및 가속용 패턴생성기로 폐쇄용 및 가속용 게이트신호패턴을 생성하고, 상기 폐쇄용 및 가속용 유도가속셀의 온 및 오프를 폐쇄용 및 가속용 인텔리전트 제어장치에 의해 피드백제어하며, 모든 이온의 주회에 동기시켜서 가속할 수 있는 것을 특징으로 하는 전종이온가속기의 제어방법.