TWI474762B - 漂移管線形加速器 - Google Patents

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Hiromitsu Inoue
Sadahiro Kawasaki
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Description

漂移管線形加速器
本發明係有關於一種漂移管線形加速器，該漂移管線形加速器係對真空圓筒共振器供給高頻電源，以產生於藉由圓筒共振器內的棒桿(stem)所支承之電極(drift tube)的彼此之間的電場，來加速帶電粒子。
漂移管線形加速器係將於圓筒共振器內之中空圓筒狀的漂移管電極，沿著射束(beam)行進方向且排列一對以上而所構成者。供給高頻電源於圓筒共振器內，而將產生於漂移管電極間之高頻電場的帶電粒子(例如質子(proton)，碳離子等帶電粒子)沿著射束行進方向進行加速。漂移管電極的排列係以在高頻電場的方向與射束行進方向相反方向時，會於漂移管電極內存在有帶電粒子之方式所設計者。
產生於圓筒共振器內之電磁場模態係有橫向磁場模態(Transverse Magnetic，TM mode)(產生於圓筒共振器橫向之磁場)與橫向電場模態(Transverse Electric，TE mode)(產生於圓筒共振器橫向之電場)之兩種模態。在使用TM模態之漂移管線形加速器係有阿瓦雷茲(Alvarez)型漂移管線形加速器。在該阿瓦雷茲型漂移管線形加速器中，因為將圓筒共振器內的電磁場模態直接產生在漂移管電極間來使用於加速、收斂電場，故係以自圓筒共振器垂吊之方式藉由棒桿支承漂移管電極。另一方面，在使用TE模態之漂移管線形加速器係有交指式(Interdigital-H；簡 稱IH，本文中稱為交指式)型漂移管線形加速器等。在IH型漂移管線形加速器中，圓筒共振器內的電磁場模態係因無法直接使用於加速、收斂電場，故自圓筒共振器上下(或左右)交替的排列支承漂移管電極的棒桿，再藉由感應電流間接的在漂移管電極間產生加速、收斂電場。
於此等之共振器內部，引入預定之頻率的高頻電源則會引起共振，而於漂移管電極間產生電場。藉由產生於該漂移管電極間之電場，粒子每逐一通過漂移管電極間時即被加速。
因粒子射束係為帶電粒子的集合體，故在粒子間相互作用擴散力(此稱為空間電荷效應)。因此粒子射束係隨著前進的行進方向往直徑方向．行進方向一同擴大，且特別是依據直徑方向擴大而撞擊真空腔壁的粒子射束則會損失。因此，必需要有抑制直徑方向射束擴散的射束直徑方向收斂機器。雖然習知已揭示出藉由將收斂機器與漂移管電極一體化後的內建收斂機器型漂移管電極來抑制射束擴散(專利文獻1)，但近年揭示有產生於漂移管電極間之彎曲的電場分佈，與以連接設計帶電粒子通過漂移管電極間的時序，而得到射束收斂力的交替位相集束(Alternating-Phase Focusing；簡稱APF)的方法(專利文獻2)。
將APF法利用在IH型線形加速器之APF-IH型線形加速器，因無需使用內建收斂機器型漂移管電極，故成為低價格且簡單的構造，而使用在例如醫療裝置等要求可靠 性之領域中。
在使用碳離子(ion)等重粒子線(不含質子)的醫療用同步加速器(synchrotron)設施中，於入射器的後段加速器係利用APF-IH型線形加速器。將在離子源所產生之碳離子在前段加速器予以預備加速後，且以滿足APF-IH型線形加速器的入射條件(acceptance)之方式，藉由3連式4極電磁鐵收斂後，將入射進的4價碳射束加速至4MeV/u之400eμA(=100μA)。藉由該APF-IH型線形加速器，全長達成較使用以往內建收斂機器型漂移管電極(阿瓦雷茲型漂移管線形加速器)的1/6左右之小型化(非專利文獻1)。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開平11-329795號公報。
專利文獻2：日本特開2006-351233號公報。
(非專利文獻)
非專利文獻1：Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 572 (2007) 1007-1021
因粒子射束係為帶電粒子的集合，一個個電荷在在粒子間相互作用撥斥力。該空間電荷效應，特別是當帶電粒子如質子般輕，且對於大電流的粒子射束，再加上粒子能量低之情形，對於射束行進方向之直徑方向的擴散力相對 得變大而成為問題。值得注意的是雖然在APF-IH型線形加速器具有將碳射束加速至4MeV/u為止(=100μA)的性能，但因APF收斂力微弱，故無法將質子加速至作為使用質子線醫療用同步加速器設施用之入射器所必需的7MeV/u為止10毫安培(mA)以上的大電流。例如，供以質子射束收斂所必需的收斂力為4價碳射束的3倍，且電流量亦為自100μA之100倍以上的10mA以上，換言之，必需得到比碳射束大300倍以上之收斂力，故無法將APF-IH型線形加速器利用於大電流質子之加速之用。
本發明為供以消除如前述習知加速器之問題點所開發者，其目的係為得到可加速大電流粒子射束的漂移管線形加速器。
本發明係在漂移管線形加速器中使被入射的粒子射束，通過沿著圓筒共振器內粒子射束的射束行進方向所配置之複數個圓筒狀的漂移管電極內部，並且藉由產生於複數個漂移管電極間之高頻電場予以加速，且在配置於複數個漂移管電極中之最靠近圓筒共振器的入射側的端末漂移管電極內部，將使粒子射束收斂之收斂機器的至少一部分配置成與端末漂移管電極獨立地而可調整位置。
如依據本發明係可提供可將大電流的粒子射束予以加速的漂移管線形加速器。
第一實施形態
第1圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之要部的構成。第1圖的漂移管線形加速器係為APF-IH型線形加速器。於兼為真空容器的圓筒共振器1內依射束行進方向2自入射側起排列第1、第2……第n個之複數個的漂移管電極3。另外，漂移管電極中，設第1漂移管電極之符號為12；將相鄰於該第1漂移管電極12的入射側漂移管電極，即是配置於最靠近入射側之漂移管電極稱為端末漂移管電極，並設符號為13。該漂移管線形加速器係利用APF收斂法，故不會一樣地擴張漂移管電極3之間隔，而具有週期性之擴張的特徵。在圓筒共振器1內隆起緣5(ridge)係一對地設置於圓筒共振器1的上下(或左右)。漂移管電極3係藉由棒桿6所支承且設置於在圓筒共振器1所設置之隆起緣5上。另外，在第1圖中省略顯示圓筒共振器1的出射側剖面圖。
第2圖係為漂移管電極3之放大剖面圖。為使高準確度的加速、收斂電場分佈於漂移管電極3間產生，必需在棒桿6有為向射束行進方向±0.2毫米(mm)左右、向直徑方向±0.2mm左右的校直(alignment)位置調整。故此，在射束行進方向設置位置調整機構；在直徑方向設置最後加工裕部(allowance)。作為射束行進方向的位置調整機構係以對棒桿6設置棒桿基座7，且調整棒桿基座螺紋孔8為簡便之手法。直徑方向之最後加工裕部係設置前述棒桿基座7的底面部9作為最後加工裕部；或者是漂移管電極 3與棒桿6屬於分離式時設置漂移管電極3與棒桿6接合之部分10作為最後加工裕部。第2圖係為於棒桿基座7設置最後加工裕部之情形者。
圓筒共振器1的空腔直徑(內徑)係朝向粒子射束的射束行進方向2擴大。此係成為以漂移管電極集中於入射側，而與從圓筒共振器1全體來看集中靜電容量於入射側之情形等效，而為用以防止產生於圓筒共振器1內的漂移管電極間的電場強度分佈集中於入射側。
產生於漂移管電極間之電場強度係依據下述第1式所表示之法拉第(Faraday)法則產生。
在此，1係為漂移管電極3間長、EDT係為產生於漂移管電極3間的電場強度、B係為產生於APF-IH型線形加速器內的磁場強度、“點”(‧)係表示時間微分、S係為跟據高頻電流路徑所圍繞之截面積(圓筒共振器1之直徑)。根據上式，為使漂移管電極3間之電場增強則要使圓筒共振器1直徑擴大。該狀態係顯示於第3圖。第3圖係為在第1圖之A-A位置中的剖面圖(第3圖左側)及在第1圖之B-B位置中的剖面圖。相對的，第1圖係成為在第3圖之C-C位置中的剖面圖。如第3圖所示，在出射側中的直徑D2較於在圓筒共振器1的入射側中的直徑D1做得還大。以此方式以使圓筒共振器1的直徑朝向出射側增加， 而使集中於入射側的電場強度分佈朝向出射側增強，結果在全體圓筒共振器1可得到整體均勻性的電場強度分佈。
來自例如射頻四級線形加速器(Radio-Frequency-Quadrupole；簡稱RFQ)等的前段加速器27的粒子射束係通過作為收斂機器的3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14，而入射於圓筒共振器1。於圓筒共振器1的兩端係設置有端板11(在第1圖不圖示出射側端板)。該端板11係為用以形成圓筒共振器1，或者圓筒共振器1兼具真空容器時為形成真空容器所需者。作為與第1漂移管電極12成對之電極，在端板11安裝了端末漂移管電極電13。特別是在端末漂移管電極13的入射側內部配置有作為收斂機器的3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14的一部分。在本第一實施形態中，雖顯示了收斂機器的一部分配置於端末漂移管電極13內部之例，惟亦可將全部的收斂機器配置於端末漂移管電極13內部。總之，只要構成至少有收斂機器的一部分配置於端末漂移管電極13內部，即達成本發明之效果。
第4圖係為端末漂移管電極13的詳細剖面圖。端末漂移管電極13亦必需有作為對於其他漂移管電極3位置調整之對軸方向±0.2mm、對直徑方向±0.2mm左右的校直(alignment)位置調整。故此，在射束行進方向設置最後加工裕部，而在直徑方向設置位置調整機構。例如，與端末漂移管電極基座17的端板11接合面15成為射束行進方向的最後加工裕部，而用以安裝端板11的端末漂移管電極 基座螺紋孔16，則成為直徑方向位置調整機構。或者，以嵌合端板11與端末漂移管電極13之接合情形，則以如第1圖所示端板11與圓筒共振器1的接合用端板螺紋孔23來實施直徑方向的位置調整。
為了使於端末漂移管電極13與第1漂移管電極12之間產生加速、收斂電場分佈，端末漂移管電極13係由用以配置收斂機器之向直徑方向擴大的第一區域18、與具有與其他的漂移管電極3相同外徑的第二區域19所構成。第二區域19的長度係以實質性不影響產生於端末漂移管電極13與第1漂移管電極12之間的電場強度之方式來設定。茲例如完全無設置第二區域時，產生於第1漂移管電極12與端末漂移管電極13之間的電力線係明顯的與產生於其他漂移管電極間的電力線相異。因此，當至少將支承粒子能量為最低的第1漂移管電極12的棒桿位置當作指標時，第二區域係應設置從面對於第1漂移管電極12的端末漂移管電極13之端面，至支承第1漂移管電極12棒桿為止的距離以上的長度。為了利用APF之方法，若有較第1漂移管電極全長還短的漂移管電極時，將較短者考量成指標。
永久磁鐵型4極電磁鐵14係為每90度配置N極與S極的磁鐵，藉由該磁鐵的配置之磁場分佈，具有使射束直徑向水平方向或垂直方向收斂或擴張的效果，例如以向水平方向擴張-收斂-擴張之方式進行3連式配置。
第5圖係為顯示設置有作為收斂機器的3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14之殼架(housing)一例的詳細剖面圖。 因3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14有個別對直徑方向及射束行進方向進行±0.01mm左右之調整的必要，故各永久磁鐵型四極電磁鐵14設置有可調整對殼架位置之方式的位置調整機構。射束行進方向係以進行加工間隔物20(spacer)、或者以預先準備之不同厚度的間隔物20來交換間隔物20，而進行位置調整。此外，直徑方向係以對殼架內徑的推擠螺絲21來進行位置調整。殼架構造中心與永久磁鐵型四極電磁鐵14的磁場中心一致的機構以外，另外設置可將殼架構造中心與射束中軸的直徑方向進行位置調整的機構。該位置調整機構係，可與端末漂移管電極13獨立地進行位置調整成的機構。在射束行進方向係利用與配置於APF-IH型線形加速器上流之構造物(例如前段加速器27的真空容器)的接合面22來作為最後加工裕部進行位調整，而直徑方向則以與上流構造物的接合用螺紋孔23來進行位置。若在殼架同時與收斂機器內建比流器(current transformer；簡稱CT)等來作為電流偵測器，就可偵測向APF-IH型線形加速器入射粒子射束之電流量。此外，若在殼架設置自動調整機構，就亦可在即使於實施真空中的射束實驗中進行位置調整。
10mA以上的大電流質子射束之粒子射束係自入射側入射進APF-IH型線形加速器。入射進的粒子射束並不一定與3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14中心軸一致。當對於四極電磁鐵中心通過了偏離之入射粒子射束時，對直徑方向產生收斂或擴散之作用以外，也產生使射束自體偏向的 作用。特別是為收斂大電流質子射束之四極電磁鐵的磁場梯度(magnetic field gradient)係為100T/m等層級，故會有該偏向量亦無法忽視，而有以±0.1mm左右的位置調整來對齊射束軸與四極電磁鐵中心之必要。
第6圖為顯示對於具有100T/m等層級的磁場梯度的3連式(向與第1圖紙面呈垂直方向之擴張-收斂-擴張)永久磁鐵型四極電磁鐵14，向與第1圖紙面呈垂直的方向，自中心受到偏離1mm的入射粒子射束之偏移量(短劃線之曲線24)、受到偏離0.5mm的入射粒子射束之偏移量(虛線之曲線25)、最後受到偏向0.2mm的入射粒子射束之偏移量(實線之曲線26)。APF-IH型線形加速器係因直徑方向收斂力微弱，故對於射束角度誤差之容許誤差係為1毫弧度(milliradian；簡稱mrad)微小。受到偏離0.2mm的入射粒子射束之偏移量(在第6圖中，將以在實線之曲線26的右端的傾斜，評估各曲線之傾斜之值與顯示傾斜之箭頭一同記載)係成為1.3mrad左右，可了解到即使0.2mm的偏離量亦不可忽視之狀況。因此，以測定入射粒子射束位置，且測定設置3連式永久磁鐵型四極電磁鐵14時的射束偏向量，進行調整永久磁鐵型四極電磁鐵14的位置，俾使該位落於容許射束角度誤差內。
漂移管線形加速器因以在漂移管電極3間的高頻電場進行加速，故產生與射束行進方向相反方向的高頻電場期間係無法進行加速。以該期間粒子射束係在漂移管電極3內之方式設計漂移管電極3的排列，俾使不受與射束行進 方向相反方向的高頻電場的影響。因此，假設即使DC射束(時間性的連續射束)入射進漂移管線形加速器，也無法進行將全部的粒子射束加速的動作。因此，為了從漂移管線形加速器出射必要的電流量，乃例如使用將可在低能量區域進行粒子射束的加速與聚束(bunch)化的RFQ線形加速器來作為前段加速器27。但，有使用僅實施粒子射束聚束的聚束柵(buncher)將DC射束或向射束行進方向擴張的粒子射束加以聚束再入射進漂移管線形加速器的必要。然而，例如採用RFQ線形加速器來作為前段加速器27，且使用現有的4極電磁鐵以達成APF-IH型線形加速器的直徑方向接收(acceptance)，則依據該電磁鐵本身的大小射束傳送距離變長，且粒子射束由於射束行進方向的空間電荷效應導致擴散。
結果，即使可入射進漂移管線形加速器，入射粒子射束無法控制於射束行進方的接收，而無法進行將大電流加速。而且，端末漂移管電極13係在IH型漂移管線形加速器的射束行進方向產生磁場，而需要圓筒共振器1跨過兩端產生磁場的長度，故無法將端末漂移管電極13的長度因射束擴散的關係予以縮短。因此，使用可將收斂機器的射束行進方向短縮化的永久磁鐵型四極電磁鐵14，並且於端末漂移管電極13內配置了作為收斂機器的永久磁鐵型四極電磁鐵14的一部分。在第1圖中的L區域係用以將質子射束入射進APF-IH型線形加速器的匹配區段(matching section)。使用全長50mm左右之永久磁鐵型四極電磁鐵 14的結果，可將從前段加速器27的電極末端至APF-IH型線形加速器的第1漂移管電極12間為止的距離抑制於運轉頻率200兆赫(MHz)的3個週期分左右，則可於粒子射束向射束行進方向擴散之前入射進APF-IH型線形加速器(射束行進方向接收範圍內)。
於端末漂移管電極13配置永久磁鐵型四極電磁鐵14之一部分，則端末漂移管電極13在共振器內相較於其他的漂移管電極3所占的比率提高。因此，在隨著自入射側向出射側之行進擴大的圓筒共振器1的構造中，在入射側由高頻所產生的高頻磁場的實質磁場區域會減少，導致減少加速、收斂電場。當減少加速、收斂電場時，則因在低能量區域的空間電荷效應作用顯著，導致無法收斂大電流粒子射束。因此，為了使電場強度均勻化使入射側的圓筒共振器1，擴大成已比朝向出射側擴大之空腔直徑更大。
即是，如在第1圖所示，將配置端末漂移管電極13部分的圓筒共振器1的內徑D3，作成較配置有第1漂移管電極12部分的圓筒共振器1的內徑D1還大。
第7圖係為由於配置端末漂移管電極13部分的圓筒共振器內徑D3的差異而顯示電場分佈的差異之圖。在第7圖中，以虛線顯示之電場分佈30係為入射側圓筒共振器內的內徑D3並未擴大，與圓筒共振器1的第1漂移管電極12附近的內徑D1相同時的電場分佈；以實線顯示之電場分佈31為將配置端末漂移管電極13部分的圓筒共振器的內徑D3擴大成較如於第1圖所示之D1時的電場分佈。如 第7圖所示，即使於端末漂移管電極13內配置收斂機器，能以擴大該部分的圓筒共振器1的直徑之方式，可得到用以在配置圓筒共振器1的端末漂移管電極13之部分產生磁場的必要空間區域，而在入射側增加加速、收斂電場。如此，以擴大配置端末漂移管電極13部分的圓筒共振器之內徑，可對應由於配置有收斂機器的端末漂移管電極13的直徑擴大。
來自前段加速器等的出射粒子射束，並不由大強度之磁場梯度的永久磁鐵型四極電磁鐵14而偏向而僅實施收斂，匹配(matching)與APF-IH型線形加速器的直徑方向的入射條件。此外，因亦可縮短前段加速器與後段加速器的傳送距離，亦與射束行進方向的入射條件匹配。另一方面，關於在APF-IH型線形加速器內產生之加速、收斂電場，即使在端末漂移管電極13與第1漂移管電極12間，也由於入射測的圓筒共振器1的直徑也擴大，可得到與產生於其他漂移管間程度相當的電場強度。復因端末漂移管電極13與第1漂移管電極12面對部分的形狀與第1漂移管形狀相同形狀，故可抑制由於在端末漂移管電極13內部配置永久磁鐵的不均勻電場的產生。此外，因將收斂機器與端末漂移管電極13能以互相獨立而位置調整之方式構成，故可以獨立達成入射粒子射束條件與粒子加速條件，俾使將大電流的粒子射束予以加速。
1‧‧‧圓筒共振器
2‧‧‧射束行進方向
3‧‧‧漂移管電極
5‧‧‧隆起緣
6‧‧‧棒桿
7‧‧‧基座
8、16、23‧‧‧螺紋孔
11‧‧‧端板
12‧‧‧第1漂移管電極
13‧‧‧端末漂移管電極
14‧‧‧永久磁鐵型四極電磁鐵
15‧‧‧接合面
17‧‧‧端末漂移管電極基座
18‧‧‧端末漂移管電極的第一區域
19‧‧‧端末漂移管電極的第二區域
20‧‧‧間隔物
27‧‧‧前段加速器
D1‧‧‧第1漂移管電極附近的圓筒共振器的內徑
D3‧‧‧配置端末漂移管電極部分的圓筒共振器的內徑
第1圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管 線形加速器之要部的概略剖面圖；第2圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之漂移管電極的放大剖面圖；第3圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之第1圖A-A部及B-B部的剖面之概略剖面圖；第4圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之漂移管電極一例的放大剖面圖；第5圖係為顯示依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之收斂機器的殼架一例的放大剖面圖；第6圖係為說明漂移管線形加速器的入射粒子射束偏離的影響；第7圖係為說明依據本發明之第一實施形態之漂移管線形加速器之電場分佈之線圖；
1‧‧‧圓筒共振器
2‧‧‧射束行進方向
3‧‧‧漂移管電極
5‧‧‧隆起緣
6‧‧‧棒桿
7‧‧‧基座
11‧‧‧端板
12‧‧‧第1漂移管電極
13‧‧‧端末漂移管電極
14‧‧‧永久磁鐵型四極電磁鐵
15‧‧‧接合面
23‧‧‧螺紋孔
27‧‧‧前段加速器
D1‧‧‧第1漂移管電極附近的圓筒共振器的內徑
D3‧‧‧配置端末漂移管電極部分的圓筒共振器的內徑

Claims (4)

  1. 一種漂移管線形加速器，在該漂移管線形加速器中係使被入射的粒子射束，通過沿著圓筒共振器內前述粒子射束的射束行進方向所配置之複數個圓筒狀的漂移管電極內部，並且藉由產生於前述複數個漂移管電極間之高頻電場予以加速，其特徵為：在配置於前述複數個漂移管電極中之最靠近前述圓筒共振器的入射側的端末漂移管電極內部，將使前述粒子射束收斂之收斂機器的至少一部分配置成與前述端末漂移管電極獨立地可調整位置，而該收斂機器係永久磁鐵型四極電磁鐵。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之漂移管線形加速器，其中，前述端末漂移管電極具有在前述粒子射束的入射側而內部具有配置前述收斂機器的第一區域，與較該第一區域內徑及外徑小的第二區域；該第二區域係具有與相鄰前述端末漂移管電極之第1漂移管電極之外徑相同的外徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之漂移管線形加速器，其中，前述圓筒共振器係為該圓筒共振器內徑朝向粒子射束的射束行進方向擴大之橫向電場模態(Transverse Electric，TE-mode)型圓筒共振器，且將配置前述端末漂移管電極部分之前述圓筒共振器內徑，作成為較相鄰 前述端末漂移管電極之第1漂移管電極所配置部分的前述圓筒共振器內徑還大。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之漂移管線形加速器，其中，前述複數個漂移管電極之排列係利用交替位相集束(Alternating-Phase Focusing，APF)法之交指式(Interdigital-H，IH)型者。
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