WO2006008838A1 - 周回軌道型荷電粒子加速器及びその加速方法 - Google Patents

周回軌道型荷電粒子加速器及びその加速方法 Download PDF

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Takashi Fujisawa
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle accelerator, and more particularly to an orbiting charged particle accelerator and an acceleration method thereof.
  • the charged particle accelerators currently operating in the world can be roughly classified into high-frequency accelerators and DC high-pressure accelerators according to their acceleration methods. Moreover, it can be classified into a linear accelerator and a circular accelerator. Circular accelerators can be further classified into circular orbit type and spiral orbit type according to the orbit of particles. Furthermore, the structure differs depending on whether the acceleration frequency is modulated or not.
  • the present invention relates to an orbiting charged particle accelerator, that is, an ion synchrotron.
  • charged particles orbit around a fixed orbit 11.
  • 12 is a deflecting magnet for maintaining charged particles on a fixed orbit
  • 13 is a high-frequency acceleration cavity for accelerating charged particles by applying a high-frequency electric field.
  • O is the orbital center of particle orbit 11 and R is the average radius of particle orbit 11 or the average orbit radius.
  • Equation (1) holds for the average magnetic flux density B on the particle orbit.
  • e is the charge of the ion (Coulomb)
  • c is the speed of light (approximately 3 X 10 8 mZ seconds)
  • B is the average magnetic flux density in the orbit (Tesla)
  • m is the static mass of the ion (kg) .
  • R is the average orbit radius (m), and when the length of one revolution of the particle orbit is L,
  • ⁇ is the pi
  • m is the ion mass (kg)
  • V is the ion velocity (mZ seconds).
  • the mass m differs from the static mass m, and changes with the velocity as shown in equation (4).
  • Figure 2 is a waveform diagram of the accelerated high-frequency voltage with the voltage on the vertical axis and time on the horizontal axis. The ratio of the acceleration frequency period (T) to the particle rotation period (T) is
  • N T / T (6)
  • the frequency of the acceleration high frequency is modulated so that the rotation period (T) maintains this relationship.
  • phase of the accelerated particles is maintained in a fixed relationship with the phase of the accelerated high-frequency voltage.
  • the acceleration cavity for accelerating the particles with a force is part of a high-frequency resonance circuit as shown in FIG. Fig. 3 (a) shows a cross section of the acceleration cavity, and Fig. 3 (b) is a lumped constant circuit representation of the acceleration cavity shown in (a).
  • the acceleration cavity is formed by arranging a pair of conductor portions composed of an inner conductor 31 and an outer conductor 32 with an acceleration gap 33 therebetween.
  • the inner and outer conductors 31 and 32 provide resistance r and inductance L
  • the acceleration gap 33 provides capacitance C. That is, the accelerating cavity constitutes a resonance circuit having a resistance!: And an inductance capacitance C.
  • a magnetic material such as ferrite (ring-shaped ferrite 51) is put in, and the resonance frequency itself is changed by changing the magnetic permeability of this magnetic material.
  • the magnetic permeability of the magnetic material is changed by winding a coil around the magnetic material and changing the current (bias current 53 from the bias power source 52) that flows through the coil. This utilizes the fact that the magnetic permeability of the magnetic material is changed by an external magnetic field (see Non-Patent Document 1).
  • the method described above is a method that was adopted at the beginning of synchrotron development, but is very complicated. Therefore, it is conceivable to increase the resonance width of the resonant circuit by using a magnetic material with a large loss (dotted line in Fig. 4). In other words, the resonance circuit is not tuned by widening the resonance width. However, this method is inversely proportional to increasing the resonance width and has the disadvantage of increasing power loss for generating the required voltage.
  • Non-Patent Document 1 Co-authored by Kamei Kei and Motoki Kihara, “Parity Physics Course Accelerator Science” Maruzen Co., Ltd., September 20, 1993 P. 62
  • the present invention eliminates the complicated structure for changing the frequency of the acceleration high-frequency voltage, and provides a novel orbiting charged particle accelerator and acceleration method for reducing a large power loss. Objective.
  • the frequency of the acceleration high-frequency voltage is fixed, and the amplitude of the acceleration high-frequency voltage is modulated so that the harmonic number, which is the ratio of the rotation period of the charged particles to the acceleration high-frequency period, changes as an integer.
  • An orbiting charged particle accelerator with a circuit is provided
  • the amplitude modulation circuit modulates the amplitude of the high-frequency voltage signal, and an arbitrary waveform generator that generates a voltage modulation waveform that satisfies an acceleration condition such that the harmonic number changes as an integer.
  • An amplitude modulator an amplifier that amplifies the modulated high-frequency voltage signal and supplies it to the acceleration cavity of the accelerator, a voltage detector that detects the high-frequency voltage generated in the acceleration cavity, and a waveform of the detected high-frequency voltage It is preferable to provide an operational amplifier that compares the voltage modulation waveform and controls the amplitude modulator so that both waveforms are equal. That's right.
  • the frequency of the acceleration high-frequency voltage is fixed, and the harmonic number that is the ratio of the rotation period of the charged particles to the acceleration high-frequency period is an integer.
  • An acceleration method is provided that modulates the amplitude of the accelerating radio frequency voltage to vary.
  • the present invention it is preferable to modulate the amplitude of the acceleration high-frequency voltage so that the harmonic number decreases in integer units as the rotation period of the charged particles becomes shorter.
  • the present invention a complicated structure or magnetic material for changing the resonance frequency of the accelerating cavity is not required.
  • the Q value of the accelerating cavity that is, the quality factor increases, and the power loss for acceleration can be greatly reduced.
  • the acceleration voltage can be increased as much as the loss is reduced, and the acceleration beam extraction cycle can be significantly shortened.
  • the basic principle of the present invention is a method in which the harmonic number N is decreased by an integer unit instead of modulating the frequency of the accelerating high frequency every time the accelerating particle makes one rotation. (7)
  • This is a method of modulating the amplitude of the acceleration voltage so that Where ⁇ is the acceleration particle per revolution
  • k is an arbitrary integer.
  • the acceleration voltage is fixed so that the phase of the acceleration particles jumps by 2 ⁇ from the phase of the high frequency. Modulated. In other words, each time the accelerated particle makes one revolution, that is, one revolution period, the harmonic number ⁇ decreases from 7 to 4, one at a time.
  • FIG. 6 simply shows the basic principle of the present invention, and the actual harmonic number is much larger and larger as described in the embodiments described later.
  • the amplitude of the acceleration voltage is modulated so as to satisfy the relationship of Equation (7), so that the particle rotation period T linearly increases as the particle rotation speed increases. Decrease
  • the harmonic number N upon incidence is 2000.
  • Particle rotation period T is the number of particle rotations
  • the high-frequency signal generated by the signal generator 91 is modulated by the amplitude modulator 92, amplified to the required power by the front stage amplifier 93 and the final stage amplifier 94, and accelerated through the impedance change 95. Supplied to 96.
  • the arbitrary waveform generator 97 generates a voltage modulation waveform that satisfies the acceleration condition described above.
  • the high-frequency acceleration voltage generated in the acceleration cavity 96 is detected by a voltage pickup 97 and a rectifier 98 Converted to pressure.
  • the arbitrary waveform of the arbitrary waveform generator 97 and the rectified acceleration voltage waveform are sent to the differential amplifier 99 for comparison.
  • the differential amplifier 99 controls the amplitude modulator 92 so that the acceleration voltage waveform becomes equal to the arbitrary waveform.
  • the high frequency signal from the voltage pickup 97 is divided and transmitted to the oscilloscope 101 by the signal divider 100 and directly observed.
  • the voltage pickup 97 constitutes the voltage detector of the present invention.
  • FIG. 1 A simple plan view of an ion synchrotron and a diagram showing an accelerated particle orbit.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the acceleration high-frequency period and the particle rotation period of the ion synchrotron.
  • FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of the acceleration cavity, and (b) is a diagram showing a lumped constant circuit display of the acceleration cavity of (a).
  • FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of voltage gain of a resonance circuit.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a conventional acceleration cavity resonance frequency variable method of an ion synchrotron.
  • FIG. 6 is a diagram showing the acceleration principle of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between particle rotation speed and particle rotation period.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of temporal changes in the magnetic field (Gauss), acceleration voltage (kV), and particle energy (MeVZ nucleon) in the present invention when using an ion synchrotron magnetic field.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of an acceleration cavity amplitude modulation circuit according to the present invention.

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Abstract

　加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期Ｔrfに対する荷電粒子の回転周期ＴPの比であるハーモニック数Ｎが、荷電粒子が１回転するごとに、整数単位で減少するように加速高周波電圧の振幅を変調する。

Description

明 細 書
周回軌道型荷電粒子加速器及びその加速方法
技術分野
[0001] 本発明は、荷電粒子加速器に関し、特に、周回軌道型荷電粒子加速器及びその 加速方法に関する。
背景技術
[0002] 現在世界で稼働している荷電粒子加速器をその加速方式によって分類すると、高 周波加速器と直流高圧加速器に大きく分けられる。またその形状で分類すると、直線 型加速器と円形加速器に分けられる。円形加速器はさらに粒子の軌道によって周回 軌道型と螺旋軌道型に分類できる。さらに加速周波数を変調するかしないかによつ てもその構造は異なる。本発明は、周回軌道型荷電粒子加速器すなわちイオンシン クロトロンに関するものである。
[0003] イオンシンクロトロンでは、図 1に示されるように一定の軌道 1 1を荷電粒子が周回す る。図 1において、 12は荷電粒子を一定の周回軌道上に維持するための偏向磁石、 13は荷電粒子に高周波電界をカ卩えて加速する高周波加速空洞である。 Oは粒子軌 道 1 1の軌道中心で、 Rは粒子軌道 1 1の平均半径すなわち平均軌道半径である。
[0004] 荷電粒子が粒子軌道 1 1上を周回する時、粒子の運動エネルギー E (ジュール）と
P
粒子軌道上の平均磁束密度 Bには（1)式の関係が成り立つている。
ecBR= (E (E + 2m c ) ) 1/2 ( 1)
p p o
ここで、 eはイオンの電荷 (クーロン）、 cは光の速度 (約 3 X 108mZ秒）、 Bは軌道上 の平均磁束密度 (テスラ）、 mはイオンの静止質量 (kg)である。
0
[0005] そして、 Rは平均軌道半径 (m)であり、粒子軌道の 1回転の長さを Lとした場合、
L = 2 R (2)
で与えられる。従って軌道を一定に保っためにはエネルギーの増加につれて軌道上 の平均磁場を増力 tlさせる必要がある。
[0006] そしてこの時の粒子の回転周期 T (秒）は（3)式で与えられる。
P
T = L/v= 2 w R/v= 2 7c m/eB (3) ここで、 πは円周率、 mはイオンの質量 (kg)、 Vはイオンの速度 (mZ秒)である。
[0007] 相対論によれば、質量 mは、静止質量 mと異なり、速度とともに、（4)式のように変
0
化する。
m=m / (l-(v/c) 2) 1 2 (4)
0
[0008] 従って、（3)式は、次のように書き表される。
T = 2 π m /eB ( 1- (v/c) 2) 1 2 (5)
P o
[0009] 従って、粒子のエネルギーが増加するにつれてすなわち速度が速くなるのにつれ て、粒子の周回周期が短くなるので、粒子を加速する高周波の周期も図 2に示すよう に徐々に短くしなければならない。図 2は、電圧を縦軸にし時間を横軸とした加速高 周波電圧の波形図である。加速高周波の周期 (T )と粒子回転周期 (T )の比は、ハ rf p
一モニック数 Nと呼ばれ次式で与えられる。
N=T /T (6)
p rf
[0010] 図 2の加速高周波電圧では、常に N = 2であり、加速高周波の周期 (T )と粒子回
rf
転周期 (T )とが、この関係を維持するように、加速高周波の周波数が変調される。そ
P
こで、加速粒子の位相は、加速高周波電圧の位相と一定の関係に維持される。
[0011] し力しながら、粒子を加速する加速空洞は図 3に示すように高周波の共振回路の一 部になっている。図 3の（a)は、加速空洞の断面を示したもので、図 3の（b)は、（a)に 示す加速空洞の集中定数回路表示である。図 3の（a)に示されるように、加速空洞は 、内導体 31と外導体 32で構成される一対の導体部分を、加速ギャップ 33を隔てて 配置することにより形成されている。図 3の（b)に示されるように、内外導体 31、 32は 、抵抗 rとインダクタンス Lを与え、加速ギャップ 33は静電容量 Cを与える。すなわち、 加速空洞は、抵抗!:、インダクタンスレ静電容量 Cを有する共振回路を構成する。
[0012] この共振回路の共振周波数を変えないで、電源の周波数のみを変えても図 4の実 線で示すように加速空洞に十分な電圧を発生することはできない。図 4は、共振回路 (加速空洞）の電圧利得の周波数特性を示したものである。ここで Qはクォリティーフ アクターと呼ばれ共振回路の特性を示す量であり、 Q= 10の場合を実腺で示し、 Q = 2の場合を点線で示して 、る。
[0013] 上述した共振回路の問題を解決するために、図 5に示すように共振回路 (加速空洞 )内にフェライト等の磁性体 (リング状フェライト 51)を入れこの磁性体の透磁率を変え ることにより共振周波数そのものを変える方法が採られている。なお磁性体の透磁率 を変化させる方法は、磁性体にコイルを巻きこれに流す電流 (バイアス電源 52からの バイアス電流 53)を変えることによりなされる。これは磁性体の透磁率が外部磁場に よって変化することを利用したものである (非特許文献 1参照)。
[0014] 上述した方法はシンクロトロン開発当初力 採用された方法であるが大変複雑であ る。そこで損失の大きい磁性体を使用することにより共振回路の共振幅を広くする方 法も考えられる（図 4の点線)。すなわち共振幅を広くすることにより、共振回路の同調 をとることをしない方法である。ただしこの方法は共振幅を広くしたことに反比例し、必 要電圧を発生するための電力損失が大きくなる欠点がある。
[0015] 非特許文献 1 :亀井亨、木原元央共著、「パリティ物理学コース 加速器科学」丸善株 式会社、平成 5年 9月 20日 P. 62
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 本発明は、加速高周波電圧の周波数を変えるための複雑な構造を廃止し、かつ大 きな電力損失を軽減するための新規な周回型荷電粒子加速器及びその加速方法を 提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0017] 本発明によれば、加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する 荷電粒子の回転周期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波 電圧の振幅を変調する振幅変調回路を備えた周回型荷電粒子加速器が提供される
[0018] 本発明によれば、前記振幅変調回路は、前記ハーモニック数が整数で変化するよ うな加速条件を満たす電圧変調波形を生成する任意波形発生器と、高周波電圧信 号の振幅を変調する振幅変調器と、変調された高周波電圧信号を増幅して加速器 の加速空洞に供給する増幅器と、前記加速空洞に発生した高周波電圧を検出する 電圧検出器と、前記検出された高周波電圧の波形と前記電圧変調波形とを比較して 両波形が等しくなるように前記振幅変調器を制御する作動増幅器を備えることが好ま しい。
[0019] 本発明によれば、周回型荷電粒子加速器における荷電粒子の加速方法において 、加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周 期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調 する加速方法が提供される。
[0020] 本発明によれば、荷電粒子の回転周期が短くなるにつれて前記ハーモニック数が 整数単位で減少するように加速高周波電圧の振幅を変調するようにするのが好まし い。
発明の効果
[0021] 本発明によれば、加速空胴の共振周波数を変えるための複雑な構造や磁性体を 必要としない。その結果、加速空胴の Q値すなわちクォリティーファクターが高くなり 加速のための電力損失を大幅に減らすことができる。さらに損失が減った分加速電 圧を上げることができ、加速ビーム取り出しの周期を大幅に短くできる。
発明を実施するための最良の形態
[0022] 本発明の基本原理は、加速粒子が一回転するごとに、加速高周波の周波数を変 調する代わりに、ハーモニック数 Nを整数単位で減少させる方法であり、式で書けば ΔΤ =kT (7)
p rf
となるよう加速電圧の振幅を変調する方法である。ここで ΔΤは一回転ごとの加速粒
P
子の周期の減少量、 kは任意の整数である。
[0023] 例えば、 k= lの場合には、図 6に示されるように、加速高周波の周波数を固定して 、加速粒子の位相が高周波の位相を 2 πずつ飛び越えて行くように加速電圧を変調 している。言い換えれば、加速粒子が一回転するごとに、すなわち、一回転周期ごと に、ハーモニック数 Νが 7から 4へと 1つづつ減少している。なお、図 6は、本発明の基 本原理を簡単に示すもので、実際のハーモニック数 Νは、後述する実施例の説明に あるようにはるかに大き 、数である。
[0024] 図 7は、 k= 1の場合における粒子回転数と粒子回転周期 Tの関係を示している。
P
図 7に示されているように、本発明では、式（7)の関係を満たすように加速電圧の振 幅を変調するので、粒子回転周期 Tは粒子回転数の増加に伴って直線的に減少す
P る。すなわち、 k= lの場合には、 ΔΤ =Tとなり、一回転ごとの粒子回転周期の減 少量 ΔΤが高周波周期 Tに等しくなり、粒子回転数が 1回づっ増すごとに、粒子回 転周期 Tがー高周波周期 Tづっ短くなつている。これに対して、従来の加速方法で は、粒子の回転周期は、本発明のように直線的に減少せず、イオンシンクロトロンの 磁場に依存して緩やかな曲線を描く。
[0025] 実際の加速器の設計に於いては、加速電圧を時間と共にどのように変調するかは 式（1)、（5)を用いて式 (7)を満たす加速条件を計算する必要がある。その一例とし て図 1のイオンシンクロトロンの例を図 8に示す。ここで各パラメータは以下の通りであ る。
平均軌道半径： 13. 5m
加速イオン：炭素 12の + 6荷イオン
入射エネノレギー： 40MeVZ核子
取り出しエネルギー： 388MeVZ核子
入射時粒子回転周期： l s
加速高周波周期： 0. 5ns
[0026] この例では、入射時粒子回転周期が 1 μ sであり、加速高周波周期が 0. 5nsである ので、入射時のハーモニック数 Nは、 2000となる。粒子回転周期 Tは粒子回転数の
P
増加に伴って、式（7)の加速条件を満たしながら、図 7に示すように直線的に減少す る。従って、加速電圧 Vは、加速が進むにつれて、磁場 Bの増加の割合に比べて急 峻に増大する。それに伴って、エネルギー Eも大きく増大する。
[0027] なおこれは一例を示したものであり、様々なイオン及び加速エネルギーに対し、本 発明の方法を適用できる。
[0028] 以上述べた振幅変調を実現する一つの方法として、図 9に示すような振幅変調回 路がある。この振幅変調回路では、信号発生器 91より生成された高周波信号は振幅 変調器 92で変調され、そして前段増幅器 93と終段増幅器 94で必要な電力まで増 幅され、インピーダンス変 95を通して加速空胴 96に供給される。一方任意波形 発生器 97は先に述べた加速条件を満たす電圧変調波形を生成する。また加速空胴 96に発生した高周波加速電圧は電圧ピックアップ 97で検出され整流器 98で直流電 圧に変換される。任意波形生成器 97の任意波形と、整流された加速電圧波形とが 差動増幅器 99に送られ、比較される。そして差動増幅器 99は加速電圧波形が任意 波形と等しくなるよう振幅変調器 92を制御する。また電圧ピックアップ 97からの高周 波信号は信号分割器 100によりォッシロスコープ 101にも分割電送され直接観測さ れる。なお、電圧ピックアップ 97は、本発明の電圧検出器を構成する。
図面の簡単な説明
[0029] [図 1]イオンシンクロトロンの簡単な平面図と加速粒子軌道を示す図である。
[図 2]イオンシンクロトロンの加速高周波周期と粒子回転周期との関係を示す図であ る。
[図 3] (a)は加速空胴の断面図、（b)は (a)の加速空胴の集中定数回路表示を示す 図である。
[図 4]共振回路の電圧利得の周波数特性を示す図ある。
[図 5]従来のイオンシンクロトロンの加速空胴共振周波数可変方法の例を示す図であ る。
[図 6]本発明の加速原理を示す図である。
[図 7]粒子回転数と粒子回転周期の関係を示す図である。
[図 8]イオンシンクロトロン用磁場を使った場合の本発明に於ける磁場 (ガウス）、加速 電圧 (kV)、粒子エネルギー（MeVZ核子）の時間変化の一例を示す図である。
[図 9]本発明の加速空胴振幅変調回路の一例を示す図である。
符号の説明
[0030] 11 粒子加速軌道
12 偏向磁石
13 高周波加速空洞
31 内導体
32 外導体
33 加速ギャップ
51 リング状フェライト
52 バイアス電源 53 バイアス電流
91 信号発生器
92 振幅変調器
93 前段増幅器
94 終段増幅器
95 インピーダンス変 «
96 加速空洞
97 電圧ピックアップ
98 整流器
100 信号分割器
101 オシロスコープ
R 平均軌道半径
O 軌道中心
T 粒子回転周期 p
τ 加速高周波周期

Claims

請求の範囲
[1] 加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周 期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調 する振幅変調回路を備えた周回型荷電粒子加速器。
[2] 前記振幅変調回路は、前記ハーモニック数が整数で変化するような加速条件を満 たす電圧変調波形を生成する任意波形発生器と、高周波電圧信号の振幅を変調す る振幅変調器と、変調された高周波電圧信号を増幅して加速器の加速空洞に供給 する増幅器と、前記加速空洞に発生した高周波電圧を検出する電圧検出器と、前記 検出された高周波電圧の波形と前記電圧変調波形とを比較して両波形が等しくなる ように前記振幅変調器を制御する作動増幅器を備えた請求項 1に記載の周回型荷 電粒子加速器。
[3] 周回型荷電粒子加速器における荷電粒子の加速方法にお!ヽて、加速高周波電圧 の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周期の比であるハー モニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調する加速方法。
[4] 荷電粒子の回転周期が短くなるにつれて前記ハーモニック数が整数単位で減少す るように加速高周波電圧の振幅を変調する請求項 3に記載の加速方法。
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