TWI638588B - 同步加速器用入射器系統、及漂移管線性加速器的運轉方法 - Google Patents

同步加速器用入射器系統、及漂移管線性加速器的運轉方法 Download PDF

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Abstract

在加速第一離子時，於相鄰之漂移管間隙，對漂移管線性加速器供應將第一離子予以加速之加速半週期的差會成為第一加速週期差之高頻電力，在將電荷質量比比第一離子更小之第二離子加速時，於相鄰之漂移管間隙，對漂移管線性加速器供應使將第二離子予以加速之加速半週期的差之第二加速週期差會變得比第一加速週期差更大之高頻電力。

Description

同步加速器用入射器系統、及漂移管線性加速器的運轉方法
本發明係關於一種同步加速器用入射器系統，係於一個同步加速器系統中，為了使其作為能夠加速不同種類之離子之系統，而使不同種類之離子入射至同步加速器。
現已進行藉由同步加速器將帶電粒子加速，並將從同步加速器出射之屬於高能量帶電粒子之束之粒子線利用於例如癌治療。於治療用之粒子線中，係有較佳為依據治療對象而選擇粒子線的種類之情形。因此，冀望可從一個同步加速器系統出射不同種類之粒子線。同步加速器係用以將入射之帶電粒子，亦即離子予以加速者，而為了能夠出射不同種類之粒子線，係需要能夠使不同種類之離子入射至同步加速器之同步加速器用入射器系統。
專利文獻1揭露有能夠藉由同一個同步加速器將全種類之離子加速至任意的能階之技術。並且記載有關於用以使離子入射至該同步加速器之入射器系統，係 使藉由前段加速器加速至固定能階之離子射束入射。
再者，在專利文獻2雖記載有為了能夠並用利用質子射束及碳射束，係需要產生各個射束之離子源，惟其並未揭露用以使離子入射至同步加速器之關於前段加速器的詳細記載。
再者，專利文獻3揭露有於APF-IH型漂移管線性加速器中，能夠將大電流的質子等粒子射束加速之構成。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2006-310013號公報
專利文獻2：日本特開2009-217938號公報
專利文獻3：國際公開WO2012/008255號
在用以將例如質子及碳離子之不同種類的離子予以預備加速至能夠藉由同步加速器來加速之同步加速器用入射器系統中，例如專利文獻1所記載者，將不同種類的離子加速至相同能量。如上述，先前技術係被限制在兩種相同之預備加速能量、相同加速器之條件。如此之先前技術之入射器系統相對於各個種類之離子而言並非為最佳預備加速能量之入射器系統，故其效率差且大型。由於電荷質量比(電荷/質量)較大之離子(例如，質子：電荷/ 質量=1/1)之空間電荷效應較大，故期望往同步加速器之入射能量能設為比電荷質量比較小之離子(例如，4價碳離子：電荷/質量=4/12)更高。為了加速電荷質量比較小之離子，需要比加速電荷質量比較大之離子時更高之加速電壓而使加速器變大型，故期望能將往同步加速器之入射能量設為比電荷質量比較大之離子更低。在以往並無法解決上述需求，係無關於電荷質量比較大的離子或較小的離子，而將往同步加速器之入射能量固定為相同，並且為大型者。
本發明係為解決如上述之以往的同步加速器用入射器系統的問題點而研創者，其目的在於獲致一種能夠將不同種類的離子加速之小型同步加速器用入射器系統。
本發明之同步加速器用入射器系統係包括：第一離子源，係產生第一離子；第二離子源，係產生比第一離子的電荷質量比q1/A1更小的電荷質量比q2/A2之第二離子；漂移管線性加速器，係具備圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將離子加速；高頻產生器，係對漂移管線性加速器供應高頻電力；以及低能量射束輸送路徑，係使第一離子及前述第二離子之任一離子入射至漂移管線性加速器；在低能量射束輸送路徑使第一離子入射時，高頻產 生器係將產生第一加速週期差之高頻電力供應至漂移管線性加速器，該第一加速週期差係在複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，而在前述低能量射束輸送路徑使第二離子入射時，高頻產生器係將使第二加速週期差變得比第一加速週期差更大之高頻電力供應至漂移管線性加速器，該第二加速週期差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差。
再者，在包括圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將第一離子、或比第一離子的電荷質量比q1/A1更小的電荷質量比q2/A2之第二離子之其中任一離子加速之漂移管線性加速器的運轉方法中，係以下述方式運轉：在加速第一離子時，將產生第一加速週期差之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，該第一加速週期差係在複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，而在加速第二離子時，將使第二加速週期差 變得比第一加速週期差更大之週期差之高頻電力供應至漂移管線性加速器，該第二加速週期差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差。
依據本發明，係以不同之能量射出不同種類之離子，故能夠提供一種小型且能夠射出不同種類之同步加速器用入射器系統。
1‧‧‧第一離子源
2‧‧‧第二離子源
3‧‧‧軸桿
4‧‧‧低能量射束輸送路徑
5‧‧‧漂移管線性加速器
6‧‧‧圓筒共振器
7‧‧‧圓筒形共振器壁
8‧‧‧收斂機器
10‧‧‧同步加速器用入射器系統
20‧‧‧加速軸
41‧‧‧第一低能量射束輸送路徑
42‧‧‧第二低能量射束輸送路徑
43‧‧‧合成器
44‧‧‧射束線
50‧‧‧高頻產生器
100‧‧‧同步加速器
G1至G7、Gi、Gi+1、Gi+2‧‧‧漂移管間隙
Pai、Pai+1、Pai+2‧‧‧加速半週期
T、T1至T7、Ti、Ti+1、…‧‧‧漂移管
Tf‧‧‧電極
第1圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的構成之方塊圖。
第2圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管加速器的概略構成之側面剖面圖。
第3圖係顯示離子粒子一面在漂移管間隙被加速並一面前進之態樣之示意圖。
第4圖係說明本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器之第一離子的加速動作之線圖。
第5圖係說明本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器之第二離子的加速動作之線圖。
第6圖係說明本發明實施形態1之同步加速器用入射 器系統的另外的漂移管線性加速器之第一離子的加速動作之線圖。
第7圖係說明本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的另外的漂移管線性加速器之第二離子的加速動作之線圖。
第8圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器的漂移管的概略構成之一例之剖面圖。
第9圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器的重要部分的概略構成之一例之側面剖面圖。
第10圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器的重要部分的概略構成之一例之透視圖。
第11圖係說明本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器的第9圖的構成之一例之動作之圖。
第12圖係顯示本發明實施形態2之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器的概略構成之側面剖面圖。
第13圖係說明本發明實施形態2之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器之第一離子的加速動作之線圖。
第14圖係說明本發明實施形態2之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器之第二離子的加速動作之線 圖。
同步加速器用入射器系統係由於加速較重離子時需要比加速較輕離子時更大之功率，故例如係設計成在要加速不同之離子之質子及碳離子時，先將屬於較重離子之碳離子加速至所需之能量。關於較輕之質子，在於將碳離子加速至所需之能量之加速器中，只要使功率減少即可加速至與碳離子相同之能量之觀點下，在以往係實現將碳離子與質子加速至相同能量並予以射出之入射器系統。然而，就如質子之電荷質量比較大之離子而言，往同步加速器之入射能量係較佳為設成比如碳離子之電荷質量比較小之離子更高。在以往由於是優先考量較重的碳離子之設計，故在相同的入射器系統中，並無實現以不同能量射出碳離子及質子之入射器系統之思維。
相對於此，在本發明中，係捨棄將針對電荷質量比較小之離子進行過最佳化之入射器系統亦利用於電荷質量比較大之離子的加速之考量，而是依據將電荷質量比加速至對於同步加速器而言為適當之入射能量之入射器系統利用於電荷質量比較小之離子的加速之與以往相反之思維，而實現將不同離子分別加速至不同能量之入射器系統。依據該思維，從而實現一種小型之入射器系統，該入射器系統係針對於電荷質量比較小之離子與電荷質量比較大之離子，能夠以分別適合之往同步加速器之入射能量射出。以下，依據實施形態說明本發明。
實施形態1
第1圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的概略構成之方塊圖。該同步加速器用入射器系統10係可切換2種類之離子並可入射至同步加速器100之系統。同步加速器用入射器系統10係具備產生第一離子之第一離子源1、以及產生電荷質量比比第一離子更小之第二離子之第二離子源2。以下，以質子為第一離子並以4價碳離子為第二離子為例進行說明。其中，本發明只要是第二離子的電荷質量比(q2/A2)比第一離子的電荷質量比(q1/A1)更小之組合者，則可應用於各種離子的組合。例如可應用於第一離子為質子(電荷質量比=1)且第二離子為1價氦離子(電荷質量比=1/4)之組合，或應用於第一離子為氦離子且第二離子為碳離子之組合等。
質子之電荷q1為1價，若將質量A設為1，則質子的電荷質量比q/A為1/1，碳離子為4價，由於以質子為1之質量為12，故碳離子的電荷質量比為4/12。如此，碳離子的電荷質量比比質子還小。自第一離子源1產生之質子係通過第一低能量射束輸送路徑41，並且，自第二離子源2產生之碳離子係通過第二低能量射束輸送路徑42，並入射至合成器43。藉由合成器43，第一低能量射束輸送路徑41與第二低能量射束輸送路徑42構成為匯集於一條射束線44，並切換質子與碳離子而將任意之離子入射至漂移管線性加速器5。將質子自第一離子源1射出直到入射 至漂移管線性加速器5之輸送路徑，以及碳離子自第二離子源2射出直到入射至漂移管線性加速器5之輸送路徑總稱為低能量射束輸送路徑4。
就合成器43而言，係將來自第二離子源2之碳離子偏向並使其匯流至射束線44。從第二離子源2射出之碳離子係包含4價以外之價數不同之碳離子。在加速器中係僅加速4價之碳離子。因此，構成為藉由合成器43的部分將來自第二離子源2之碳離子偏向，而僅使4價的碳離子匯流至射束線44。
第2圖係顯示本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統之漂移管線性加速器5的概略構成之側面剖面圖。漂移管線性加速器5係於圓筒共振器6內，沿圓筒共振器6的圓筒軸方向排列有複數個漂移管T1、T2、…。在第2圖中，雖為求簡明而僅圖示排列7個之情形，惟大多情形係排列有更多漂移管。圓筒共振器6內為真空。各漂移管係形成為沿著離子通過之加速軸20而在中央形成具有貫穿孔之圓筒形，並藉由軸桿(stem)3而被支撐於圓筒共振器壁7。在第2圖之漂移管線性加速器中，相鄰之漂移管的軸桿係往相反側延伸。以上述方式構成之漂移管線性加速器係成為IH(Interdigital-H，交錯H)型漂移管線性加速器。在漂移管線性加速器中，從圓筒共振器內的高頻產生器50供應高頻電力，並使相鄰之漂移管間的間隙(以下稱為漂移管間隙)G1、G2、…產生高頻電場，並藉由該高頻電場而將沿著加速軸20行進之離子加速。
離子係成為粒子射束而被逐漸加速。由於粒子射束為離子(帶電粒子)的集合體，故在粒子間會互相作用有發散力(將此稱為空間電荷效應)。因此，粒子射束會隨著朝行進方向前進而逐漸朝直徑方向以及進行方向擴散，特別是由於直徑方向的發散會導致衝撞於真空導管而粒子射束會損失。因此，需要有抑制直徑方向的發散之射束直徑方向收斂機器。然而，在所謂APF(Alternating-Phase Focusing，交變相位聚焦)-IH型漂移管線性加速器之漂移管線性加速器中，係將於漂移管間隙產生之彎曲的電場分布以及粒子射束通過漂移管間隙之時機予以聯合設計而藉此獲得射束收斂力，故無需射束直徑方向收斂機器。
第3圖係顯示離子粒子藉由漂移管間隙一面被加速一面行進之態樣之示意圖。離子粒子係從第3圖之左往右方向沿著加速軸20行進。離子粒子係在第i個漂移管間隙Gi被加速，而在漂移管Ti內則未被加速而行進，並且在下一個漂移管間隙Gi+1被加速。再度於漂移管Ti+1內未被加速而行進，並在下一個漂移管間隙Gi+2被加速。如此，離子粒子係在每次通過漂移管間隙時逐漸被加速。第3圖中係示意性地以雙重圓標示受到加速之離子粒子，而以黑圓標示未受到加速而行進之離子粒子。
於此，利用第4圖簡單說明藉由IH型漂移管線性加速器將離子粒子加速之動作。第4圖係說明離子粒子依序通過某漂移管間隙G、Gi+1、Gi+2並受到加速之態樣之線圖。橫軸係高頻電場的相位，由於相位前進亦顯 示時間前進，故橫軸亦為時間。亦即，時間係往橫軸右方向前進。於各漂移管間隙係產生有與供應到圓桶共振器內之高頻電力對應之高頻電場。高頻電場強度係如第4圖所示描繪正弦波曲線而變化。在第4圖中係以漂移管間隙Gi產生之高頻電場強度成為峰值之相位為0度而記載相位之值。在IH型漂移管線性加速器中，如第4圖之漂移管間隙Gi、Gi+1，或Gi+1、Gi+2之高頻電場強度所示，係設計成在相鄰的漂移管間隙中，所產生之高頻電場會成為相反相位。在第4圖中，係顯示作為高頻電場的方向係以離子受到加速之方向為正向(上方)。在高頻電場強度為正向時由於會有將離子加速之能力，故於此係將高頻電場強度成為正之半週期稱為加速半週期。漂移管間隙Gi的加速半週期Pai或Gi+2的加速半週期Pai+2係如自-90度至+90度或自270度至450度之從(360＊N-90)度至(360＊N+90)度為止之半週期。再者，漂移管間隙Gi+1的加速半週期Pai+1係成為從(360＊N+90)度至(360＊N+270)度為止之半週期。在此說明N係包含0的整數。
雙重圓顯示某離子粒子的位置，並以箭號顯示有隨著相位前進，亦即時間前進，該離子粒子係往哪個位置行進。第4圖之最上部係顯示與高頻相位對應之離子粒子的位置，亦即在與相位對應之時間該離子粒子係位於哪個位置。離子粒子係於漂移管間隙Gi中自漂移管間隙Gi產生之高頻電場獲取能量而受到加速。離子粒子在進入漂移管Ti時不會被加速而維持其能量來行進，並在下一個 漂移管間隙Gi+1中自漂移管間隙Gi+1產生之高頻電場獲取能量而受到加速。第4圖係顯示以此方式離子粒子一面受到加速並一面行進之態樣。
一般而言，在IH型漂移管線性加速器中，係於加速半週期中電場強度成為峰值之稍前，以在第4圖之漂移管間隙Gi中，離子粒子以自電場強度的峰值例如-30度左右之相位通過之方式調整電場強度。藉此，由於稍遲通過之離子粒子會更進一步受到加速，故會成為離子集合體。在IH型漂移管線性加速器中，在下一個漂移管間隙係由於產生有相反相位之高波電場，故漂移管間隙Gi+1的加速半週期Pai+1係成為自漂移管間隙Gi之加速半週期Pai延遲半週期後之半週期。亦即，相鄰之漂移管間隙之加速半週期的差係成為半週期。設計成在該加速半週期的高頻電場強度成為峰值之稍前，亦即在相位成為150度左右的相位時，離子的集合體會通過漂移管間隙Gi+1。藉此每當離子的集合體通過漂移管間隙時係受到加速。
在以往的IH型漂移管線性加速器中，係進行如上述之設計，並藉由在運轉時供應會成為遵循設計之加速動作之高頻電力，而使離子粒子的集合體，亦即離子射束受到加速，從而經過設計之能量的離子射束射出，並射入同步加速器100。在本發明之實施形態1中，電荷質量比較大之第一離子(例如質子)係與往相同地以與第4圖所說明之動作相同之方式加速。然而，在將電荷質量比較小之第二離子(例如4價碳離子)加速時，係以用以在相鄰 之漂移管間隙中進行加速之加速半週期之差會成為比第一離子的加速半週期的差更大之差之方式進行加速。於此，將第一離子受到加速之相鄰漂移管間隙之間的加速半週期的差稱為第一加速週期差，將第二離子受到加速之加速半週期的差稱為第二加速週期差。在上述中，第一加速週期差為半週期(0.5週期)。
第5圖係顯示在本發明實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器中，將第二離子設為4價碳離子之情形的加速的態樣之圖。第二離子的集合體係於漂移管間隙Gi中於相位-30度左右通過並受到加速。在漂移管間隙Gi+1中，並非以下一個半週期，而是以在比下一個半週期再延遲1週期成為加速半週期之半週期之間的相位510度左右中受到加速之方式，調整高頻電場強度亦即供應至圓筒共振器之高頻電力。在上述中，第二加速週期差成為1.5週期。在上述方式之加速中，第二離子的加速其速度會變得比第一離子更慢。亦即從漂移管線性加速器射出之第二離子的能量會變得比第一離子的能量更小。在設為第一離子的電荷q1、質量A1、第二離子的電荷q2、質量A2時，較佳為將第二離子的能量設為第一離子的能量的(q2/A2)/(q1/A1)(電荷質量比的比例)倍。
再者，在第一離子與第二離子的電荷質量比之差較大時，亦可將第二加速週期差更加大而設為2.5週期或3.5週期。如此，以將第二離子加速時的第二加速週期差變得比將第一離子加速時的第一加速週期差更大之 方式進行動作。較佳為，將第一加速週期差設為半週期(0.5周期)，則第二加速週期差只要設為(0.5+n)週期(n為正整數)即可。如此，對於電荷質量比較小之第二離子，係藉由設計成射出之能量變得比第一離子更低，而使在將第一離子加速時所供應之高頻電力，與在將電荷質量比比第一離子更小亦即較重之第二離子加速時所供應之高頻電力之間僅需較小之差即可，故無需大型的高頻產生器。
在以往，僅存在有如下之設計思維：首先，進行較重的(質量較大而電荷質量比較小)之第二離子(例如4價之碳離子)的加速動作之設計，其中，為了進行該第二離子之加速而需要較大之高頻電力，並藉由降低高頻電力而可將較輕的(質量較小而電荷質量比較大)之第一離子(例如質子)加速至與第二離子相同之能量。亦即，僅存在有第一離子之加速及第二離子之加速皆是藉由第4圖所說明之動作進行加速之設計思維。如此，在第一離子的加速中，係從第二離子之加速時的高頻電力將功率降低，而予以加速至與第二離子相同之能量。因此，需要具有能夠輸出用以將第二離子加速至與第一離子相同之能量之能力之高頻產生器。然而，在本發明中係發現：使用與能夠將較輕且電荷質量比較大之第一離子加速之高頻產生器大約有相同能力之高頻產生器，將第二加速週期差設為比第一加速週期差更大，藉此，雖然射出之離子的能量較低，但能夠加速較重且電荷質量比較小之第二離子，而成功實現能夠加速2種類之離子之漂移管線性加速器。
第6圖係說明屬於IH型漂移管線性加速器之APF(Alternating-Phase Focusing)-IH型漂移管線性加速器的動作之圖。以在漂移管間隙Gi，離子以-60度左右之相位通過，並在下一個漂移管間隙Gi+1，離子以高頻電場強度會成為峰值之相位+50度左右，亦即230左右之相位通過，在更下一個漂移管間隙Gi+2，離子以與漂移管間隙Gi同樣地高頻電場強度成為峰值之相位-60度左右亦即300左右之相位通過。藉此，可作成為僅藉由高頻電場來抑制射束的發散，而無需另外設置收斂機器即可進行加速之加速器。於APF-IH型漂移管線性加速器中，如第6圖所示，與第4圖所說明之IH型漂移管線性加速器同樣地，於相鄰之漂移管間隙中，以藉由半週期不同之加速半週期來進行加速之方式動作。在本發明中，係設計成於該APF-IH型漂移管線性加速器中，第一離子進行第6圖所示之加速動作，並使用以此方式設計之APF-IH漂移管線性加速器，藉由第7圖所示之加速動作來加速電荷質量比比第一離子更小之第二離子。
如第7圖所示，第二離子的集合體係於漂移管間隙Gi以相位-60度通過並受到加速。在漂移管間隙Gi+1，係並非於下一個半週期，而是於比下一個半週期更延遲1週期成為加速半週期之半週期的期間，以離子在高頻電場強度成為峰值之相位+50度左右之相位亦即於590度左右之相位通過之方式，調整高頻電場強度亦即供應給圓筒共振器之高頻電力。依據以上之動作，與第4圖及第 5圖所說明之動作同樣地，第二離子之速度係比第一離子更慢，且從漂移管線性加速器射出時之能量較低。在此動作中，第一離子雖可僅藉由高頻電場而抑制發散，惟第二離子係有無法僅藉由高頻電場來抑制發散之情形。此時，如第8圖所示，只要藉由內建用以於漂移管T產生磁場之收斂機器8，並在第二離子加速時使收斂機器8動作來抑制發散即可。
再者，如第9至11圖所示，亦可藉由將在漂移管間隙產生之電場設為收斂性之電場而抑制發散。第9圖係顯示沿著加速軸20排列之漂移管T中從漂移管Ti至漂移管Ti+2為止之部分的剖面之示意圖，第10圖係顯示漂移管Ti與漂移管Ti+1之部分之透視圖，第11圖係顯示從加速軸方向觀看形成於漂移管間隙之電場之示意圖。在第9圖及第10圖所示之構成，為在各漂移管T設置朝間隙側突出之指狀的電極Tf之構成。各電極Tf係以形成於漂移管間隙之高頻電場會成為第11圖所示之四極電場之方式設置。例如第9、10圖所示，於各漂移管間隙中，以構成漂移管間隙之一方之漂移管突出之電極、與從另一方之漂移管突出之電極，會繞著加速軸20互相成位於90度不同之位置之方式，於各漂移管分別設置2個電極Tf即可。藉由此構成，於漂移管間隙形成四極電場，而將離子一面收斂並一面予以加速。藉由該構成，在加速第一離子時，以及在加速第二離子時，係分別藉由適當設計加速相位及所形成之四極電場，而在加速任何離子時皆不會使其 發散，俾可抑制損失而進行加速。再者，亦可併用第8圖所示之磁場之收斂及上述電場之收斂。
如此，藉由容許以第一離子及第二離子所射出之離子的能量不同來進行設計，可使在加速第一離子時供應之高頻電力，與在對電荷質量比比第一離子更小亦即較重之第二離子進行加速時供應之高頻電力之間的差較小即可，而無須較大之高頻產生器。
以上，彙整實施形態1之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器，亦即IH型漂移管線性加速器之本發明的動作，則成為以下所述。在加速第一離子時，將產生第一加速週期差之高頻電力供應至漂移管線性加速器，該第一加速週期差係在複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將第一離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第一離子到達該其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，在加速電荷質量比比第一離子更小之第二離子時，將會使第二加速週期差比第一加速週期差更大之高頻電力之高頻供應至漂移管線性加速器，該第二加速週期差係在前述其中一個漂移管間隙中予以加速之加速半週期，與該經過加速之第二離子到達該其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，藉此，構成使用能夠加速第一離子的高頻產生器，而雖會使所射出之離子的能量會成為比第一離子更低之能量，惟亦可加速第二離子之同步加速器用入射器系統。
實施形態2
在實施形態2中，係說明作為構成第1圖所示之同步加速器用入射器系統10之漂移管線性加速器5而使用阿瓦雷茲(Alvarez)型漂移管線性加速器時的動作。在使用阿瓦雷茲型漂移管線性加速器時，亦藉由比第一離子的加速週期差更大之加速週期差來加速第二離子，而藉此可構成使用能夠加速第一離子的高頻產生器，而雖會使所射出之離子的能量會成為比第一離子更低之能量，惟亦可加速第二離子之同步加速器用入射器系統。
第12圖係顯示本發明實施形態2之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器5，亦即阿瓦雷茲型漂移管線性加速器5的概略構成之側面剖面圖。於阿瓦雷茲型漂移管線性加速器5中，亦於圓筒共振器6內沿著圓筒共振器6的圓筒軸方向排列有複數個漂移管T1、T2、…。在第12圖中，雖為求簡便而僅圖示排列7個漂移管之情形，惟在大多情況下係排列有更多漂移管。圓筒共振器6內為真空。各漂移管係形成為在中央設有沿著離子通過之加速軸20之貫穿孔之圓筒形，並藉由軸桿3而被支撐於圓筒共振器壁7。在阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，全部的漂移管的軸桿係往相同方向延伸。圓筒型共振器內係從第1圖所示之高頻產生器50供應高頻電力，而於相鄰之漂移管間隙G1、G2、…產生高頻電場，且藉由該高頻電場來將離子加速。在阿瓦雷茲型漂移管線性加速器 中，一般係與第8圖所示者相同，使利用磁場之收斂機器內建於漂移管內從而抑制直徑方向之射束的發散。再者，亦可併用在第9至11圖所說明之電場之收斂。
利用第13圖簡單說明以阿瓦雷茲漂移管線性加速器來將離子粒子加速之態樣。第13圖係說明離子粒子依序通過某個漂移管間隙Gi、Gi+1、Gi+21並受到加速之態樣之線圖。在第13圖中，係以在漂移管間隙Gi產生之高頻電場強度成為峰值之相位為0度來記載相位。在阿瓦雷茲漂移管線性加速器中，係與IH行漂移管線性加速器不同地，係以在第13圖之漂移管間隙Gi及Gi+1、或Gi+1及Gi+2之高頻電場強度進行顯示之方式，設計成在相鄰之漂移管間隙，所產生之高頻電場會成為同相位。在第13圖中，就高頻電場的方向而言係以離子受到加速之方向為正(上方)而進行顯示。由於在高頻電場強度為正時係具有能夠加速離子之能力，故與實施形態1之IH行漂移管線性加速器的情形同樣地，將高頻電場強度成為正之半週期稱為加速半週期。在阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，由於在全部的漂移管間隙，高頻相位會成為同相位，故從(360＊N-90)度至(360＊N+90)度之半週期會成為加速半週期。其中，N係包含0之整數。
雙重圓係顯示某個離子粒子的位置，並以箭號顯示隨著相位前進，亦即隨著時間前進，該離子粒子係前進到哪個位置。在第13圖的最上部，係顯示對應於高頻相位之離子粒子的位置，亦即於對應於相位之時間中， 該離子粒子存在於哪個位置。離子粒子係於漂移管間隙Gi中從在漂移管間隙Gi產生的高頻電場接收能量而受到加速。離子粒子係在進入漂移管Ti時不會受到加速而維持其能量並前進，且於下一個漂移管間隙Gi+1中從在漂移管間隙Gi+1產生的高頻電場接收能量而進一步受到加速。第13圖係顯示以上述方式離子前進之態樣。
一般而言，在阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，於加速半週期中電場強度成為峰值之稍前，在第13圖之漂移管間隙Gi係以離子粒子會在從電場強度的峰值例如-30度左右之相位通過之方式調整電場強度。藉此，由於稍微延遲通過之離子粒子會更進一步受到加速，故會形成離子的集合體。在阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，由於在下一個漂移管間隙亦會產生同相位之高頻電場，故漂移管間隙Gi+1的加速半週期Pai+1會成為從漂移管間隙Gi的加速半週期Pai延遲1週期之半週期。亦即，相鄰之漂移管間隙之加速半週期之差會成為1週期。設計成在該加速半週期的高頻電場強度成為峰值之稍前，亦即在330度左右之相位離子的集合體會通過漂移管間隙Gi+1。如此，在每當離子的集合體通過漂移管間隙時會受到加速。
在以往的阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，係藉由以上述方式進行設計，而在運轉時供應會成為依照設計之加速動作之高頻電力，從而將離子粒子的集合體，亦即離子射束予以加速，將所設計之能量之離子射束予以射出，並入射至同步加速器100。在本發明之實施形態2 中，電荷質量比較大之第一離子(例如質子)係與以往相同地，以第13圖所說明之相同動作加速。然而，電荷質量比較小之第二離子(例如4價之碳離子)係以相鄰之漂移管間隙之間的加速半週期的差會成為比第一離子的加速半週期的差更大之差之加速半週期進行加速。與實施形態1同樣地，將加速第一離子之加速半週期的差稱為第一加速週期差，將加速第二離子之加速半週期的差稱為第二加速週期差。在上述中第一加速週期差為1週期。
第14圖係顯示在本發明實施形態2之同步加速器用入射器系統的漂移管線性加速器，亦即阿瓦雷茲漂移管線性加速器中，將第二離子射為4價碳離子之情形的加速態樣之圖。第二離子的集合體係於漂移管間隙Gi以高頻電場強度成為峰值之稍前的相位通過並受到加速。在漂移管間隙Gi+1中，並非以下一個1週期，而是以在比下一個1週期更延遲1週期而成為加速半週期之半週期之期間的高頻電場強度成為峰值之稍前的相位中受到加速之方式，調整高頻電場強度，亦即供應給圓筒共振器之高頻電力。在上述中，第二加速週期差成為2週期。在此種加速中，第二離子的加速其速度會變得比第一離子更慢。亦即，從漂移管線性加速器射出之第二離子的能量會變得比第一離子的能量更小。在設為第一離子的電荷q1、質量A1，第二離子的電荷q2、質量A2時，將第二離子的能量設為第一離子的能量的(q2/A2)/(q1/A1)(電荷質量比份)倍為佳。
再者，在第一離子與第二離子的電荷質量 比之差較大時，亦可更加大第二加速週期差而設為3週期或4週期。如此，以在加速第二離子時的第二加速週期差會比加速第一離子時的第一加速週期差更大之方式動作。較佳為，將第一加速週期差設為1週期，將第二加速週期差設為(1+n)週期(n為正整數)即可。如此，於阿瓦雷茲型漂移管線性加速器中，亦與IH行漂移管線性加速器同樣地，藉由設計成對於電荷質量比較小之第二離子，使其射出之能量會成為比第一離子更低，而可使在將第一離子加速時所供應之高頻電力，與在將電荷質量比比第一離子更小亦即較重之第二離子加速時所供應之高頻電力之間僅需較小之差即可，故無需大型的高頻產生器。
承上述，彙整實施形態2之同步加速器用入射器系統之漂移管線性加速器，亦即阿瓦雷茲型漂移管線性加速器之本發明之動作，係與實施形態1所說明之IH型漂移管線性加速器之動作同樣地，成為下述情形。在加速第一離子時，將產生第一加速週期差之高頻電力供應至漂移管線性加速器，該第一加速週期差係在複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將第一離子予以加速之加速半週期，與該經過加速之第一離子到達該其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，而在加速電荷質量比比第一離子更小之第二離子時，將會使第二加速週期差比第一加速週期差更大之高頻電力之高頻供應至漂移管線性加速器，該第二加速週期差係在前述其中一個漂移管間隙中予以加速之加速半週期，與該經過加 速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之差，藉此，構成使用能夠加速第一離子的高頻產生器，而雖會使所射出之離子的能量會成為比第一離子更低之能量，惟亦可加速第二離子之同步加速器用入射器系統。
再者，本發明在其發明之範圍內，可將各實施形態適當變形或省略。

Claims (9)

  1. 一種同步加速器用入射器系統，係射出要入射至同步加速器之離子，該同步加速器用入射器系統包括：第一離子源，係產生第一離子；第二離子源，係產生比前述第一離子的電荷質量比更小的電荷質量比之第二離子；交變相位聚焦-交錯H(APF-IH；Alternating-Phase Focusing-Interdigital-H)型漂移管線性加速器，係具備圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將離子加速；高頻產生器，係對前述漂移管線性加速器供應高頻電力；以及低能量射束輸送路徑，係使前述第一離子及前述第二離子之任一離子入射至前述漂移管線性加速器；在前述低能量射束輸送路徑使前述第一離子入射時，前述高頻產生器係將使相位差成為0.5週期之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為0.5週期之相位差係在前述複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差；而在前述低能量射束輸送路徑使前述第二離子入射時，前述高頻產生器係將使相位差成為(0.5+n)週期(n為正整數)之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為(0.5+n)週期之相位差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之同步加速器用入射器系統，其中，於前述漂移管具備利用磁場之收斂機器。
  3. 一種同步加速器用入射器系統，係射出要入射至同步加速器之離子，該同步加速器用入射器系統包括：第一離子源，係產生第一離子；第二離子源，係產生比前述第一離子的電荷質量比更小的電荷質量比之第二離子；阿瓦雷茲型漂移管線性加速器，係具備圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將離子加速；高頻產生器，係對前述漂移管線性加速器供應高頻電力；以及低能量射束輸送路徑，係使前述第一離子及前述第二離子之任一離子入射至前述漂移管線性加速器；在前述低能量射束輸送路徑使前述第一離子入射時，前述高頻產生器係將使相位差成為1週期之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為1週期之之相位差係在前述複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差；而在前述低能量射束輸送路徑使前述第二離子入射時，前述高頻產生器係將使相位差成為(1+n)週期(n為正整數)之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為(1+n)週期之相位差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之同步加速器用入射器系統，其中，於前述漂移管設置有朝前述漂移管間隙突出之電極，並於前述漂移管間隙形成有四極電場。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之同步加速器用入射器系統，其中，前述第一離子為質子，前述第二離子為4價碳離子。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之同步加速器用入射器系統，其中，前述第一離子為質子，前述第二離子為4價碳離子。
  7. 一種交變相位聚焦-交錯H型漂移管線性加速器的運轉方法，該交變相位聚焦-交錯H型漂移管線性加速器係包括圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將第一離子、或比前述第一離子的電荷質量比更小的電荷質量比之第二離子之其中任一離子加速，該漂移管線性加速器的運轉方法係以下列方式運轉：在加速前述第一離子時，將使相位差成為0.5週期之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為0.5週期之相位差係在前述複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差，在加速前述第二離子時，將使相位差成為(0.5+n)週期(n為正整數)之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為(0.5+n)週期之相位差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差。
  8. 一種阿瓦雷茲型漂移管線性加速器的運轉方法，該阿瓦雷茲型漂移管線性加速器係包括圓筒共振器以及朝該圓筒共振器的圓筒軸方向排列成直線狀之複數個漂移管，並在由該等複數個漂移管所形成之複數個漂移管間隙中所產生之高頻電場成為加速相位之屬於高頻的半週期之加速半週期之期間，將第一離子、或比前述第一離子的電荷質量比更小的電荷質量比之第二離子之其中任一離子加速，該漂移管線性加速器的運轉方法係以下列方式運轉：在加速前述第一離子時，將使相位差成為1週期之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為1週期之加速半週期之相位差係在前述複數個漂移管間隙之其中一個漂移管間隙中將前述第一離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第一離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差，在加速前述第二離子時，將使相位差為(1+n)週期(n為正整數)之高頻電力供應至前述漂移管線性加速器，上述要成為(1+n)週期之相位差係在前述其中一個漂移管間隙中將前述第二離子予以加速之加速半週期、與該經過加速之第二離子到達前述其中一個漂移管間隙的相鄰漂移管間隙並受到加速之加速半週期之相位差。
  9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之漂移管線性加速器的運轉方法，其中，前述第一離子為質子，前述第二離子為4價碳離子。
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