WO2006118065A1 - 全種イオン加速器及びその制御方法 - Google Patents

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WO2006118065A1
WO2006118065A1 PCT/JP2006/308502 JP2006308502W WO2006118065A1 WO 2006118065 A1 WO2006118065 A1 WO 2006118065A1 JP 2006308502 W JP2006308502 W JP 2006308502W WO 2006118065 A1 WO2006118065 A1 WO 2006118065A1
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acceleration
induction
ion beam
confinement
voltage
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PCT/JP2006/308502
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ken Takayama
Yoshito Shimosaki
Kota Torikai
Yoshio Arakida
Original Assignee
Inter-University Research Institute Corporation High Energy Accelerator Research Organization
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Publication date
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Priority to AU2006242025A priority patent/AU2006242025B2/en
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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
    • 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
    • H05H15/00—Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator for accelerating ions, and more particularly to an accelerator including an induction accelerating synchrotron capable of accelerating all kinds of ions and a control method thereof.
  • an ion means that a certain element in the periodic table of elements is in a certain valence state.
  • all species ions are all elements in the periodic table of elements, and all valence states that the elements can take in principle.
  • ions also include particles with a large number of constituent molecules such as compounds and proteins.
  • An accelerator is a device that accelerates charged particles such as electrons, protons, and ions to a high energy state of several million electron volts (several MeV) to several trillion electron volts (several TeV).
  • induction acceleration synchrotrons for high-frequency accelerators and protons.
  • High-frequency accelerators include linear accelerators, cyclotrons, and high-frequency synchrotrons, depending on the acceleration method. Furthermore, the size of high-frequency accelerators varies depending on the application, and as a high-frequency accelerator for obtaining large energy, a large-scale accelerator for nuclear and particle physics research has recently been used. There are even small high-frequency sinks dedicated to cancer treatment that supply ion beams.
  • High-frequency accelerators have used high-frequency acceleration cavities to accelerate charged particles.
  • This high-frequency accelerating cavity generates a high-frequency electric field of several MHz to several 10 MHz in synchronization with the traveling of charged particles by excitation by resonant vibration of the high-frequency cavity. Energy from this high-frequency electric field is supplied to charged particles. Since the orbital frequency on the design trajectory of the high-frequency accelerator increases according to the energy change of the charged particle beam, the resonance frequency is varied approximately in the above range.
  • Figure 10 shows a set of conventional high-frequency synchrotron complexes 3 4. In particular, the high-frequency synchrotron 35 was indispensable for experiments in nuclear physics and high energy physics.
  • the high-frequency synchrotron 35 is an accelerator for raising charged particles to a predetermined energy level based on the principles of resonance acceleration, strong convergence, and phase stability, and has the following configuration.
  • the conventional high-frequency synchrotron complex set 3 4 uses the high-frequency linear accelerator 17 b to accelerate ions generated by the ion source 16 to a speed of several percent to several tens of percent.
  • An incident device 1 5 that enters an annular high-frequency synchrotron 3 5 using an incident device 1 8 composed of a septum electromagnet, a kicker electromagnet, a bump electromagnet, etc.
  • a high-frequency synchrotron 3 5 that accelerates to an energy level, and an ion beam line that is an ion beam 3 that is accelerated to a predetermined energy level 2 1 a is a facility 2 1 a where the experimental equipment 2 1 b is placed 2 1 It consists of an output device 19 including an output device 20 composed of various electromagnets taken out. Each device is connected by transport pipes 16a, 17a, 20a.
  • the high-frequency synchrotron 3 5 includes an annular vacuum duct 4 maintained in a high vacuum state, a deflecting electromagnet 5 that deflects the ion beam 3 along the design trajectory, and the ion beam 3 in the vacuum duct 4
  • a high-frequency acceleration voltage is applied to the converging electromagnet 6 such as a quadrupole electromagnet 6 and the ion beam 3 in the vacuum duct 4 arranged so as to guarantee strong convergence in both the horizontal and vertical directions.
  • the position information power of the ion beam 3 obtained by the standing monitor 3 5 a, the trajectory of the ion beam 3 (referred to as the lost orbit distortion). correction Because of steering-ring electromagnet 3 5 b, and the like punch monitor one 7 for sensing the passage of the ion beam 3.
  • the high-frequency linear accelerator 1 7 b accelerates to a certain energy level, and the incident ion beam 3 is continuously uniform in the direction of the traveling axis. It circulates around the design trajectory in vacuum duct 4 with a stable charge density distribution.
  • the ion beam 3 forms a charged particle group (hereinafter referred to as a bunch) around a phase with a high-frequency voltage.
  • the frequency of the voltage applied to the high-frequency acceleration cavity 36 a is increased in synchronization with the excitation pattern of the deflection electromagnet 5 that holds the design trajectory of the ion beam 3. Also, by shifting the phase of the notch center to the high frequency voltage to the acceleration phase side, the momentum of the circulated ion beam 3 increases.
  • the frequency of the high frequency has a relationship that is an integral multiple of the circulating frequency of ions.
  • the charge of the charged particles in the ion beam 3 is e
  • the momentum is p
  • the magnetic flux density is
  • the magnetism of the deflecting electromagnet 5 is measured by a magnetic field measurement suminole, and each change of the magnetic field strength is measured.
  • the ion beam 3 will shrink or expand, causing it to deviate from the design orbit and collide with the vacuum duct 4 etc. And lost. Therefore, the displacement of the ion beam 3 from the design trajectory is measured by the position monitor 8 that detects the straight displacement, and the phase of the r3 ⁇ 4 frequency pressure necessary for the ion beam 3 to go around the design trajectory is calculated.
  • the system configuration is such that a feedback is applied so that the frequency acceleration voltage is applied to the center of the substrate at an appropriate phase.
  • each ion is bunched, and the high frequency sink is moved back and forth in the traveling direction of the ion beam 3. This is called phase stability of the inter-frequency sink port 3 5.
  • Figure 11 shows the confinement of the bunch due to the high frequency of the conventional high frequency sink port ⁇ ⁇ 35.
  • the phase space region where the punch 3a can be confined, especially in the direction of the traveling axis (time axis) (Direction) is known to be limited in principle.
  • the punch 3a is decelerated in the time domain where the high frequency 37 is negative, and the charged particles diverge in the direction of the traveling axis and cannot be confined in the time domain where the polarity of the voltage gradient is different.
  • the ion beam 3 can be used for acceleration only in the time zone of the acceleration voltage 3 7 a which is approximately between the dotted lines.
  • the punch head 3 is controlled by controlling the high frequency 3 7 so that the center acceleration voltage 3 7 b is always applied to the punch center 3 b.
  • the particle located at c has higher energy than the punch center 3 b and reaches the high-frequency acceleration cavity 3 6 a faster. Therefore, the head acceleration smaller than the center acceleration voltage 3 7 received by the center 3 b Receives a voltage of 3 7 c and speeds up.
  • the particles located at the punch tail 3d have lower energy than the punch center 3b and reach the high-frequency acceleration cavity 36a later, so that the center acceleration voltage 37b received by the punch center 3b It receives a large tail acceleration voltage of 37 d and accelerates. During acceleration, the particles repeat this process.
  • the maximum ion beam current that can be accelerated is determined by the magnitude of the space charge force, which is the divergent force caused by the electromagnetic field created by the ion beam 3 itself in the direction perpendicular to the beam travel axis.
  • the charged particles in the accelerator receive a force from the converging magnet and move similar to a harmonic oscillator called a beta-tron vibration.
  • the ion beam current exceeds a certain magnitude, the amplitude of the beta-tron oscillation of the charged particles reaches the size of the vacuum duct ⁇ 4 and is lost. This is called space charge limitation.
  • the high-frequency synchrotron 35 has the highest density at the punch center 3b, and the punch center 3b, punch head 3c, punch tail 3d, etc. An imbalance of current density at the outer edge is inevitable. In addition, the current density at the punch center 3 b had the disadvantage that it must be below this limit.
  • the particle's orbital frequency f is always synchronized with the particle's orbit whose frequency changes with acceleration.
  • the resonant frequency f rf of the high frequency acceleration cavity 3 6 a is always.
  • the relationship (: integer) must be maintained. This is realized by moving the operating point on the B–H curve by exciting the magnetic body with a separate current called bias current, and controlling the relative permeability i *.
  • the largest ingot is when the bias current is around 0 A, but it is determined by its operating point.
  • the frequency becomes the minimum resonance frequency
  • the built-in high-frequency sink Ptron 35 has a high-frequency accelerating cavity 36a itself and a high-frequency power amplifier (tripolar or quadrupolar power vacuum tube) that is the driving power supply.
  • the car and the valence number can only be selected in 11 cars that are allowed by the variable width of the finite frequency.
  • the frequency band width of the high-frequency 37 is determined to be 1 g. .
  • Figure 12 shows various ion energy accelerator research organizations (KEK).
  • 5 Me Me V booster proton synchrotron hereinafter referred to as 5 Me Me VPS
  • the vertical axis is the orbital frequency (megahertz)
  • the horizontal axis is Acceleration Hijira (middle second)
  • KE K's 50 0 MeVPS is a high-frequency sink port dedicated to protons with a circumference of approximately 35 meters.
  • 39 means 9-valent uranium and 5 valent uranium ions, and the acceleration frequency change for each is shown in the graph.
  • the high-frequency sink ⁇ ron 35 which was created for the purpose of accelerating protons and light ions, reduced the heavy energies such as uranium and other low energies at a low frequency.
  • cyclotrons have long been used as accelerators to accelerate various ions.
  • the high-frequency acceleration cavity 3 6a is used as the ion beam 3 accelerator. Therefore, due to the theoretical limit of using high frequency 37, the ratio of the mass number A of the ion that can be accelerated to the valence number Z is limited to the ion species and the valence state where the Z / A is almost equal. There are other disadvantages.
  • the orbit of the ion beam 3 is taken out from the central part of the ion source 16 and is maintained in a uniform magnetic field from the center to the outermost part of the orbit, and the necessary magnetic field is a bipolar with iron as a magnetic material. It is generated with an electromagnet.
  • this type of electromagnet has the disadvantage of being limited in physical size.
  • the maximum acceleration energy in cyclotrons constructed so far is 5 20 MeV per nucleon.
  • the weight of iron ranges up to 400 tons.
  • an induction acceleration synchrotron has been proposed as a proton circular accelerator in recent years as an accelerator different from a high-frequency accelerator.
  • the proton-induced acceleration synchrotron for protons is an accelerator that can avoid the disadvantages of the high-frequency synchrotron 35 described above. In other words, it is an accelerator that can significantly pack protons in the direction of the traveling axis while keeping the linear density below the limit current value.
  • the first feature of the induction accelerating synchrotron for protons is that the proton beam is confined in the direction of the traveling axis by the positive and negative induced voltages generated in the induction accelerating cell.
  • a long proton group (super punch) can be created.
  • the conventional high-frequency synchrotron 35 is a combined function that performs proton confinement and acceleration with a common high-frequency 37 in the direction of the traveling axis
  • the induction acceleration synchrotron Ron is a function-separated type that separates confinement and acceleration.
  • the separation of proton confinement and acceleration functions has been made possible by induction accelerators that perform separate functions.
  • the induction accelerator has one magnetic core with a magnetic core. It consists of an induction accelerating cell that specializes in confining protons, a induction accelerating cell that specializes in acceleration, and switching power sources that drive the induction accelerating cells.
  • a pulse voltage is generated in the induction accelerating cell in synchronization with the circulating frequency of the proton beam. For example, in the case of an accelerator with a circumference of 300 torque, a pulse voltage must be generated by repeating C W 1 MHz.
  • Proton driven accelerators and colliders (colliders) that explore next-generation neutrino oscillations have been proposed as direct applications of this induction acceleration sink port for protons. According to this, it is expected that a proton beam intensity about 4 times higher than the proton beam intensity of the proton accelerator composed of the conventional high-frequency synchrotron 35 can be realized.
  • a collision type accelerator that uses the induction accelerating sink opening tron is called a super punch / no-drone collider.
  • Confined super bunch 'Super Accelerator that can take advantage of the characteristics of the accelerated accelerating syncron tron, the drone collider is based on a syncron that uses the conventional high frequency 3 7
  • the same luminosity is expected to be one digit larger than the colliders of the same size. This is equivalent to constructing 10 colliders with a construction cost of about 300 billion yen.
  • protons cannot be accelerated only by induced voltages with different polarities. So, another one _ Protons are accelerated in an induction accelerating cell that can apply an induced voltage like this. As a result of the separation of the functions of confinement and acceleration, it is known and is being demonstrated that the freedom of beam handling in the direction of the traveling axis is greatly increased.
  • 12 G e VPS KEK's 12 G e V proton high-frequency synchrotron
  • the quality factor of the high-frequency accelerating cavity 36a as a cavity resonator used for acceleration is high, and the high-frequency synchrotron 35 has a finite band width. Only 7 could be excited. Therefore, when the circumference of the high-frequency synchrotron 35, the strength of the deflecting electromagnet 5 to be used, and the band width of the high-frequency 37 to be used are determined, in the low energy region where the relativistic speed varies greatly.
  • the mass number A and the valence number Z of ions that can be accelerated are almost uniquely determined, and only a limited number of ions can be accelerated.
  • the incident energy is already sufficiently high, and only acceleration of protons having almost the speed of light velocity is considered. That is, the proton beam is already incident by the acceleration of the previous accelerator. c
  • the light was accelerated to near the speed of light. Therefore, in order to accelerate the proton with the induction acceleration sink, it was only necessary to generate the induction pulse voltage of the induction acceleration cell at regular intervals. Therefore, the generation timing of the induced voltage applied to the proton beam did not need to change with the acceleration time.
  • the present invention adds all types of ions to an arbitrary energy level (hereinafter referred to as arbitrary energy—Leverole and L.) allowed by the strength of the magnetic field generated by the used stone with the same accelerator. providing accelerator that can the child 1 "and it is an object. open the invention not
  • an annular true duct having an ion beam design trajectory therein, and a circular trajectory of the BX beam beam on the curved portion of the design trajectory are maintained.
  • Bone magnet that is installed in the linear part of the design trajectory to prevent the diffusion of the ion beam, and a bunch monitor that senses the passage of the ion beam in the vacuum duct.
  • a position motor that detects the center of gravity of the ion beam provided in the vacuum duct ⁇
  • a confinement induction that applies an induction pressure to confine the ion beam connected to the vacuum duct in the direction of travel
  • a confinement induction accelerator device comprising a confinement intelligent control device that controls the drive of the acceleration cell and the confinement induction cell, and a ion beam connected to the vacuum duct Induced voltage to accelerate
  • An induction accelerating synchrotron composed of an accelerating induction accelerating device comprising an accelerating induction accelerating cell to be applied and an accelerating intelligent control device for controlling the driving of the accelerating induction accelerating cell;
  • the induction acceleration synchrotron accelerates the ion generated at the ion source to a constant energy level with the previous stage accelerator, and enters the ion beam into the induction acceleration synchrotron.
  • the intelligent control device for confinement marks the passing and ion beams from the punch monitor. , Eight, for the confinement for controlling on / off of the switching power supply for driving the confining induction acceleration cell in response to the conductive voltage signal from the voltage monitor for knowing the added induced voltage value
  • a confinement digital signal processor that calculates the confinement gate parent signal that is the basis of the confinement gate signal pattern of the confinement turn generator that generates the gate signal pattern
  • the acceleration intelligent control device performs feedback control on the generation timing and application time of the induction voltage applied to the induction accelerating cell for confinement.
  • the induction accelerating cell for acceleration Acceleration switching In response to the passing signal from the notch monitor, the position signal from the position monitor, and the induced voltage signal from the voltage monitor for knowing the induced voltage value applied to the ion beam, the induction accelerating cell for acceleration Acceleration switching that generates an acceleration gate signal pattern that controls on / off of the power supply
  • Acceleration gate signal The base of the acceleration gate signal that calculates the base signal of the acceleration gate signal is calculated by the signal processing device for acceleration speed, and the current speed is adjusted to the current speed.
  • the configuration of the all-ion accelerator is characterized by the feedback control of the generation timing and the application time of the induced voltage, and the acceleration control of all types of ions to an arbitrary energy level.
  • Fig. 1 is an overall configuration diagram of an all-ion accelerator according to the present invention
  • Fig. 2 is a sectional view of an induction accelerating cell
  • Fig. 3 is a schematic diagram of an induction accelerating cell and an intelligent controller for confinement and acceleration.
  • Fig. 4 shows the equivalent circuit of the induction accelerator
  • Fig. 5 shows how the ion beam is confined by the confining induction cell
  • Fig. 6 shows how the ion beam is accelerated by the induction cell.
  • Fig. 7 is a diagram showing how ion beam is partially confined and accelerated by an induction accelerating cell.
  • Fig. 8 is a diagram showing confinement and acceleration control by a triple induction accelerating cell.
  • Fig. 1 is an overall configuration diagram of an all-ion accelerator according to the present invention
  • Fig. 2 is a sectional view of an induction accelerating cell
  • Fig. 3 is a schematic diagram of an induction accelerating cell and an intelligent controller for confinement and
  • FIG. 10 shows the energy level achieved when various ions are accelerated
  • Fig. 10 shows the overall configuration of a conventional high-frequency synchrotron complex
  • Fig. 11 shows the phase stability principle of the high-frequency synchrotron.
  • Figure 1 2 shows the current KEK 5 0 It is a figure showing the change in frequency (estimation) from the incidence of various ions to the end of acceleration when accelerating with 0 Me VPS.
  • the configuration of the converging electromagnet 6 of the induction accelerating synchrotron 2 constituting the all-type ion accelerator 1 according to the present invention is the same as that of the conventional high-frequency synchrotron 35.
  • the high-frequency accelerator 3 6 is replaced with a confining induction accelerator 9 and an acceleration induction accelerator 1 2.
  • the inductive acceleration cell for confinement 10 and the inductive acceleration cell for acceleration 13 constituting the induction accelerator for confinement 9 and the induction accelerator for acceleration 12 are pulse voltages capable of high repetitive operation 10 f It is driven by the confinement and acceleration switching power supplies 9 b and 12 b that generate
  • the on / off operation of the switching power supplies 9b 'and 12b for confinement and acceleration is the gate drive of switching elements such as MOSFETs used for the switching power supplies 9b and 12b for confinement and acceleration. This is done by controlling the gate signal patterns for confinement and acceleration 11 1 a and 14 a.
  • the confinement and acceleration gate signal patterns 1 1 a and 14 a are generated by the confinement and acceleration pattern generators 1 1 b and 14 b.
  • the pattern generators for confinement and acceleration 1 1 b and 14 b start operation with the gate signal for confinement and acceleration 1 1 c and 14 c
  • the gate signal for confinement gate 1 lc The ion beam 3 passing signal 7 a detected by the punch monitor 7 and the induced voltage signal 9 e for knowing the induced voltage value applied to the ion beam 3 by the confining induction acceleration cell 10 are confined. It is generated in real time by a pre-programmed processing method by the digital signal processing device 11 1d.
  • Acceleration gate parent signal 14 c is the ion beam 3 passing signal 7 b and ion beam 3 position signal 8 a detected by the punch monitor 7 and the position monitor 8, and the acceleration induction cell 1 for acceleration. 3 Generated in real time by a pre-programmed processing method based on the induced digital signal processor 14 d based on the induced voltage signal 1 2 e to know the induced voltage value applied to the ion beam 3 Is done.
  • the induction accelerating cell for confinement 10 is turned on to generate negative and positive barrier voltages 2 6 and 2 7 (hereinafter simply referred to as a barrier one voltage).
  • this barrier voltage The generation interval 30 is gradually narrowed, and the ion beam 3 distributed over the entire circumference of the design trajectory 4 a is generated in the acceleration induction cell 1 3 for acceleration. Make punch 3a. Thereafter, the deflection electromagnet 5 and the focusing electromagnet 6 of the induction accelerating synchrotron 2 are excited.
  • the confinement gain signal ⁇ pattern 1 1 a is generated according to the excitation of the magnetic field, Synchronize.
  • the induction for acceleration Acceleration gate signal pattern of acceleration cell 1 3 by controlling pulse voltage 10 f of acceleration voltage 28 and reset voltage 29 (hereinafter simply referred to as induction voltage for acceleration) 1 4 a is generated and synchronized with the excitation of the magnetic field.
  • the generation of the constant voltage and the induced voltage for acceleration is controlled temporally so that the acceleration of the ion beam 3 follows the excitation of the magnetic field. As a result, the ion beam 3 is inevitably accelerated as a punch 3a. The ion beam 3 is confined and accelerated.
  • This series of control devices is referred to as the confinement and acceleration intelligent control devices 1 1 and 1 4.
  • the feedback control by the intelligent controller for confinement and acceleration 11 and 14 is controlled by the digital signal processor for confinement and acceleration according to the ion type and the target energy level. 1 All ions can be accelerated to any energy level simply by changing the program settings of 1 d and 14 d.
  • the extraction method includes a quick extraction device 20 such as a kicking force electromagnet, and a method of taking it out in one turn while maintaining the structure of the punch 3a. Structure of punch 3a by gradually widening 0 to the lap time and then turning off the gate driving of the switching power supply 9b, 12b for driving the induction acceleration cell 10 for closing one end Break down ⁇
  • Fig. 1 is a general view of an all-ion ion accelerator according to the present invention.
  • All types of ion accelerator 1 of the present invention are devices other than confining induction accelerator 9 and acceleration induction accelerator 1 2 for controlling the acceleration of ion beam 3, and high-frequency, linear accelerator 17 b.
  • the device used in the conventional high-frequency synchrotron complex set 3 4 can be used.
  • the all-type ion accelerator 1 includes an incident device 15, an induction accelerating synchrotron 2, and an extraction device 19.
  • Injector 15 is connected to ion source 16, upstream accelerator 17, injector 1 8, and each device upstream of induction accelerating synchrotron 2, and is the transport path of ION It consists of tubes 16a and 17a.
  • Examples of the ion source 16 include an ECR ion source that uses an electron cyclotron resonance heating mechanism and a laser-driven ion source.
  • the ion beam may be directly incident from the ion source i 6 to the induction acceleration sink port.
  • a variable voltage electrostatic accelerator or a linear induction accelerator is generally used.
  • a small cyclotron can also be used if the type of ion to be used is determined.
  • the incident equipment 1 8 is the equipment used in the high-frequency synchrotron complex set 3 4. In particular, no special apparatus or method is required for the all-type ion accelerator 1 according to the present invention.
  • the incident device 15 having the above configuration accelerates the ion beam 3 generated by the ion source 16 to the induction acceleration synchrotron 2 to a certain energy level by the pre-stage accelerator 1 7. It is incident at 8.
  • the induction accelerating synchrotron 2 is an annular vacuum duct 4 in which the design trajectory 4 a of the ion beam 3 is located, and a deflection that is provided on the curved portion of the design trajectory 4 a and holds the circular trajectory of the ion beam 3.
  • Convergence electromagnet 6 for preventing diffusion of light punch monitor 7 provided in the vacuum duct 4 for detecting the passage of the ion beam 3, and center of gravity position of the ion beam 3 provided for the vacuum duct 4
  • a position monitor 8 a confinement induction acceleration cell 10 for applying an induction voltage for confining the ion beam 3 connected to the vacuum duct 4 in the traveling direction, and the confinement induction acceleration cell 10.
  • the acceleration induction acceleration cell 1 3 includes an acceleration induction acceleration cell 13 to be applied and an acceleration intelligent control device 14 4 that controls the driving of the acceleration induction acceleration cell 1 3.
  • the ion beam 3 incident on the induction accelerating synchrotron 2 by the injector 15 is transferred to another induction accelerating cell by an induction voltage of a predetermined polarity by the induction accelerating cell. It is possible to reduce the length of the punch 3a to a fixed length so that it can be guided to acceleration, or to change the length of the ion beam 3 to various other lengths, and to stabilize the phase of the punch 3a of the ion beam 3 during acceleration. It means that it has a function to give sex.
  • “Acceleration” means that after forming the punch 3 a of the ion beam 3, it has a function of applying an induction voltage for acceleration to the entire punch 3 a.
  • the induction accelerator 9 for confinement and the induction accelerator 1 2 for acceleration are the same, but the functions for the ion beam 3 are different.
  • the term “guidance accelerator” means both the induction accelerator 9 for confinement and the induction accelerator 1 2 for acceleration.
  • the induction accelerating cell means both the confining induction accelerating cell 10 and the accelerating induction accelerating cell 13.
  • the term “electromagnet” means both the deflecting electromagnet 5 and the converging magnet 6.
  • the extraction device 19 is a transport pipe connected to a facility 2 1 a where an experimental device 2 1 b and the like using an ion beam 3 that has reached a predetermined level of energy by the induction acceleration synchrotron 2 is installed. 2 0a and ion beam utilization line 2 1 and extraction device 2 0 taken out.
  • the experimental device 21 b includes medical equipment used for treatment.
  • the extraction device 20 uses a single-electron magnet that can be quickly extracted, or a Buttertron resonance. There is a device that takes out slowly, the type of ion beam 3, It can be selected according to the application.
  • the single all ion accelerator 1 can accelerate all the ion ions to an arbitrary energy level.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a confining induction accelerating cell constituting the all-type ion accelerator according to the present invention.
  • the confining and accelerating induction accelerating cells 10 and 13 used in the present invention have the same structure in principle as the induction accelerating cavities for linear induction accelerators produced so far.
  • the confinement induction cell 10 will be described.
  • the induction accelerating cell 10 for confinement has a double structure consisting of an inner cylinder 10 a and an outer cylinder 10 b, and a magnetic substance 10 c is inserted into the outer cylinder 10 b and the inductance is increased. make.
  • Part of the inner cylinder 10 a connected to the vacuum duct 4 through which the ion beam 3 passes is made of an insulator 10 d such as ceramic. Since the induction accelerating cell generates heat when used, cooling oil or the like may be circulated through the flange of the outer cylinder 10b, and an insulating seal 10j is required.
  • the closure is closed.
  • the induced voltage having a length corresponding to the time width of the head that gives the electric field 10 e opposite to the traveling direction (hereinafter referred to as a negative barrier voltage). ) Is generated.
  • the negative barrier voltage is sensed and the ion energy decreases. In the time zone in which the punch center 3 b of the ion beam 3 passes, no induced voltage is generated.
  • Induced voltage that gives an electric field 10 e in the same direction as the traveling direction in the time zone when the punch tail 3 d (where ions with somewhat lower energy than the ions at the punch center 3 b exist) passes through. (Hereinafter referred to as positive barrier voltage).
  • positive barrier voltage The energy of ions that felt an induced voltage with a different sign increases.
  • the ion energy having an energy larger than the ion energy at the punch center 3 b starts with the ion energy at the punch center 3 b. It becomes lower and the time to reach the confinement induction cell 10 begins to be delayed, and eventually it is located at the punch tail 3d. This time, as described above, the punch tail 3 d feels an induced voltage that gives an electric field 10 e in the same direction as the traveling direction of the ion beam 3. After a while, the punch center 3 b is the reverse process of the arrival delay. The phenomenon of overtaking and the early arrival of the confinement induction cell 10 occurs. The ion beam 3 accelerates by repeating this series of processes. This is called confinement in the traveling direction of the ion beam 3.
  • the ion beam 3 the same effect as the phase stability (Fig. 11) by the conventional high-frequency synchrotron 35.
  • the function of the confinement induction cell 10 is equivalent to the separation of only the confinement function of the conventional high-frequency acceleration cavity 36a.
  • a high frequency 37 is always excited whether the ion beam 3 is present or not. It can be said that the induction accelerating cell has digital operation characteristics with respect to the high-frequency accelerating cavity 36a in the state.
  • an induction voltage (hereinafter referred to as an acceleration electric field) is generated so that an acceleration electric field is generated in the same direction as the traveling direction. This is called acceleration voltage.
  • An induced voltage (hereinafter referred to as reset voltage) must be applied (reset) to the induction cell for acceleration 13.
  • Inductive acceleration cell for confinement 10 Inductive voltage generated as a result of reset ⁇ is also effective. Used for confinement in the direction of travel
  • Fig. 3 shows the structure of the induction accelerator and the ion beam acceleration control method.
  • the confinement induction accelerator 9 is a confinement induction cell 10 for generating a barrier voltage, which is an induction voltage of a different polarity for confining ion beam 3 in the traveling direction. High-repetitive operation of confinement switching that gives pulse voltage 10 f to induction accelerating cell 10 via transmission line 9a ⁇ m-
  • This transmission line 9a is used when the switch used for the confining switching power supply 9b cannot withstand operation in a high radiation environment such as a semiconductor. Switch element where radiation damage is not a problem or unnecessary if a low radiation environment can be maintained.
  • the confinement switching power source 9b and the confinement induction cell 10 can be directly connected.
  • the confinement intelligent control device 1 1 includes a confinement pattern signal 1 1 a for generating the confinement gate signal pattern 1 1 a for controlling the on / off operation of the confining switching power supply 9 b.
  • -A confinement gate parent signal that is information based on the generation of the confinement gate signal pattern 1 1 a by the confinement pattern generator 1 1 b and the confinement pattern generator 1 1 b 1 1 From 1d, digital signal processor for confinement to calculate 1c.
  • the confinement game parent signal 1 1 c is the passage signal of the ion beam 3 measured by the bunch monitor 7 that knows the passage of the ion beam 3 placed on the design trajectory 4 a. 7 a, and the voltage monitor 9 d for detecting the induced voltage value applied to the ion beam 3 is confined according to the preprogrammed processing method based on the induced voltage signal 9 e measured by the voltage monitor 9 d.
  • Digital signal processor 1 1 Calculated by 1d and generated into y-time Specifically, in the confining digital signal processing device 11 d, the generation timing of the barrier voltage applied from the mi over-signal 7 a is set to the passing signal 7 a and the induced voltage signal 9 e. Force, et al. — Calculates the length of voltage application time, converts it to a y digital signal, and outputs it to the confinement pattern generator 1 1 b.
  • the gate signal pattern for confinement 1 1 a has a negative signal applied to the ion beam 3
  • the negative and positive barrier voltage values differ depending on the characteristics and type of ion beam 3, but they can be constant during acceleration, so they are pre-loaded into the confinement digital signal processor 11 1d. Mouth Gram. DC charger to be used 9c tank; n capacitor-2
  • the induced voltage value is determined by the output voltage of 3.
  • the configuration of the acceleration m guide acceleration device 12 is composed of acceleration voltage for accelerating the ion beam 3 in the traveling direction and reset voltage for avoiding fe saturation of the magnetic material 10 c.
  • Acceleration induction acceleration cell 1 3 that generates an induction voltage for acceleration, and the acceleration induction acceleration senor 1 3 is given a Noreha * 3 ⁇ 4 pressure of 10 f via a transmission line 1 2 a and can be operated repeatedly.
  • Acceleration switching power supply 12 Acceleration intelligent control device 14 that feeds back on and off operations of the b ⁇ Control device 14, Acceleration induction acceleration cell 13 ⁇ A voltage motor for knowing the applied induced voltage is 1 2 d.
  • the acceleration induction accelerator 12 is electrically the same as the confinement induction accelerator 9 although the function of the induced voltage applied to the ion beam 3 is different.
  • the reset voltage generated to avoid magnetic saturation of the magnetic substance 10 c has no effect on the ion beam 3, and the generation timing of the reset voltage is the ion beam 3. It is different from the case of the induction accelerator 9 for confinement when it is selected in the time zone when the is not passing.
  • the acceleration intelligent controller 14 generates the acceleration gate signal pattern 14 a for controlling the on / off operation of the acceleration switching power supply 12 b.
  • Accelerator gain signal parent signal 1 4 for controlling the operation that is the information of the generation of the acceleration goot signal pattern 1 4 a by the generator 14 b and the acceleration pattern generator 14 b It consists of an acceleration digital signal processor 14 d that calculates c. 1
  • the accelerating gate parent signal 14 c is generated by the ion beam 3 passing signal 7 b and the ion beam 3 measured by the punch monitor 7 that senses the passage of the ion beam 3 placed on the design trajectory 4 a.
  • a position signal 8 a measured by the position monitor 8 that senses the position of the center of gravity, and a voltage monitor 1 2 d measured by the voltage monitor 1 2 d to know the induced voltage value applied to the ion beam 3 1 2 e Based on the above, it is calculated by the acceleration digital signal processor 14 d according to a pre-programmed processing method and generated in real time.
  • the generation timing of the induction voltage for acceleration applied from the passage signal 7 b and the position signal 8 a is used as the generation timing of the passage signal 7 b and the induction signal.
  • the length of time for which the induced voltage for acceleration is applied is calculated from the voltage signal 1 2 e, converted to a digital signal, and output to the acceleration pattern generator 14 b.
  • the acceleration gate signal pattern 14 a has three patterns of acceleration voltage 28 applied to the ion beam 3, reset voltage 29 and voltage off.
  • the acceleration voltage value and reset voltage value are determined by the output voltage of the DC charger 12c and bank capacitor 23.
  • the acceleration voltage 28 is generated in synchronization with the excitation pattern of the electromagnet of all types of ion accelerator 1.
  • Confinement and acceleration gate signal patterns generated in real time 1 1 a, 14 a a confinement that drives induction and acceleration cells 10 0, 1 3 for confinement and acceleration from approximately 0 Hz It has been demonstrated that the switching power supply for power and acceleration can be variably generated up to 1 MHz, which is close to the operating limit of the semiconductor switching elements of 9 b and 12 b.
  • the processing of digital signal processor lld for confinement and acceleration with specific feedback function, lld, 14 d for confinement and acceleration gate parent signals 11 c and 14 c is as follows. It is done. An induced voltage higher than the induced voltage guaranteeing ideal acceleration is The ion beam 3 is shifted outward from the design trajectory 4a. This happens when there is an error in the voltage setting accuracy of the DC chargers 9c and 12c. In such a case, the charging voltage of the bank capacitor 2 3 of the confinement and acceleration switching power supplies 9 b and 12 b deviates from the ideal value. As a result, the induced voltages generated in the confining and accelerating induced acceleration cells 10 and 13 deviate from the values necessary for acceleration.
  • the displacement of the orbit of the ion beam 3 is detected by the position signal 8a detected by the position monitor 8, and the displacement of the momentum is known.
  • the acceleration digital signal processor 14 4 d calculates to intentionally stop the generation of the acceleration voltage 28 as much as necessary to correct this deviation, and the generation of the acceleration gate parent signal 14 c is generated. Stop.
  • a plurality of position monitors 8 can be used. By using multiple position monitors 8, the acceleration of the ion beam 3 can be controlled with higher accuracy, and the loss of the ion beam 3 can be avoided.
  • the design trajectory 4 a of the ion beam 3 can be maintained, and all ions can be stably accelerated to an arbitrary energy level. It became.
  • Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of the induction accelerator for confinement.
  • the equivalent circuit 2 2 of the confinement induction accelerator is closed via the transmission line 9 a when the switching power supply 9 b for confinement that is constantly supplied with power from the DC charger 9 c.
  • the induction cell 10 for confinement is shown as a parallel circuit of L, C, and R. The voltage across the parallel circuit is the induced voltage felt by ion beam 3.
  • the first and fourth switches 23a and 23d are turned on by the gate signal pattern 11a for confinement.
  • the voltage charged in 2 3 is applied to the confinement induction cell 10, and an induction voltage for confining the ion beam 3 is generated in the acceleration gap 1 0. i.
  • the first and fourth switches 23a and 23d, which were turned on are turned off by the gate signal pattern for confinement 11a and the second and third switches 2 3 b and 2 3 c are turned on by the confinement gate signal pattern 11a, and an induced conductive pressure in the direction opposite to the induced voltage is generated in the acceleration gap 10i.
  • the magnetic saturation of the magnetic material 10 c is reset.
  • the second and third switches 2 3 b and 2 3 c are connected to the gate signal pattern for confinement 1 1 a.
  • the first and fourth switches 23a and 23d are turned on.
  • the confining gate signal pattern 11 a is a signal for controlling the driving of the confining switching power source 9 b, the passing signal 7 b of the ion beam 3, and the applied induced pressure value.
  • the confinement intelligent control device 1 1 consisting of the confinement digital signal processing device 1 1 d and the confinement pattern generator 1 1 b Digitally controlled.
  • the induced voltage applied to the ion beam 3 is equivalent to a value calculated from the product of the current value in the circuit and the matching resistance 2 4. Therefore, it is possible to know the value of the applied induced voltage by measuring the current value. Therefore, the induced voltage signal 9e obtained by the voltage monitor 9d, which is an ammeter, is fed back to the confinement digital signal processor 1 1d and the next confinement gate parent signal 1 1c Used to generate
  • Figure 5 shows the process of ion beam confinement by the confinement induction cell.
  • Fig. 5 (A) shows the state of the ion beam 3 immediately after the start of confinement.
  • the horizontal axis is time, and the vertical axis is the induced voltage value.
  • the double-headed arrow represents the lap time 25 for the ion beam 3 to make one round of the design trajectory 4a.
  • (B) shows the process of ion beam confinement by the confinement induction cell.
  • An ion beam 3 spreading over the entire design trajectory 4 a is generated in a confining induction cell 10.
  • a negative barrier voltage 26, which is an induced voltage in the direction opposite to the traveling direction, is generated.
  • the application time 26 6 a for the negative beam 1 voltage 26 applied to the ion beam 3 may be short.
  • a positive barrier voltage 27 in the same direction as the traveling direction of the ion beam 3 at the end point of the circulation time 25 of the ion beam 3 which is the end of the ion beam 3 is placed in the induction cell 10 for confinement. ⁇
  • this positive barrier voltage 2 7 is also used to avoid magnetic saturation of the magnetic substance 1 O c, the negative barrier voltage 26 and the induced voltage value are equivalent. is required. Therefore, if the application time 27a for the ion beam 3 is short and the same induced voltage as the negative barrier voltage 26 is applied, the application time 27a will be the same time. These barrier voltages cause induction The entire ion beam 3 incident on the acceleration synchrotron 2 and distributed over the entire design trajectory 4 a is confined.
  • Fig. 5 (B) shows the progress of the punch 3a of the ion beam 3 in order to accelerate the ion beam 3 confined in Fig. 5 (A) with a temporally limited induction voltage. The process of reducing the length in the direction is shown.
  • a time interval (hereinafter referred to as a barrier) that generates a negative barrier voltage 26 that supplements the tip of the ion beam 3 and a positive barrier voltage 27 that supplements the end of the ion beam 3.
  • the voltage generation interval 30 is shortened, and the ion beam 3 can be accelerated in the application time 2 8 a of the acceleration voltage 2 8 generated in another induction cell 1 3 for acceleration.
  • the ion beam 3 is turned into a punch 3 a having an application time of 2 8 a ⁇ with an acceleration voltage of 2 8.
  • an intelligent controller for confinement is used to fix the generation timing of the negative barrier voltage 26 and to accelerate the generation timing of the positive barrier voltage 27. This is done. Note that the white arrow on the left is the direction of movement of the positive barrier voltage of 27.
  • FIG. 6 is a diagram showing a state when the ion beam is accelerated by the induction acceleration synchrotron constituting the present invention.
  • V (t) means an induced voltage value.
  • FIG. 6 (A) shows the positions of the punch 3 a and the super punch 3 e of the ion beam 3 on the design trajectory 4 a at a certain time during acceleration.
  • Fig. 6 the case of confining and accelerating the ion beam 3 in each of the confining induction accelerating cell 10 and the accelerating induction accelerating cell 13 corresponding to the design orbit 4a will be described.
  • the passage of the ion beam 3 is confirmed by the passage signals 7 a and 7 b of the punch monitor 7.
  • FIG. 6 (B) shows how the ion beam 3 is confined by the confinement induction cell 10.
  • t (a) is the generation timing and application time of the clear one voltage based on the time when the punch 3a or the super punch 3e reaches the induction cell 10 for confinement. 2 7 a.
  • the vertical line indicated by the dotted line means the lap time 2 5 of punch 3 a or super punch 3 e. Same in Figure 6.
  • the time required for the tail of punch 3a or super punch 3e to reach the induction acceleration cell 10 for confinement by digital signal processing device 1 1d for confinement Calculate and generate a gate signal pattern for confinement 1 1 a to generate a positive barrier voltage 2 7, and a positive rear voltage 2 at the tail of punch tail 3 d or super punch 3 e 7 is applied.
  • the applied negative and positive barrier voltage 2 6 2 7 is calculated by the confinement digital signal processor 1 1 d based on the induced voltage signal 9 e from the voltage monitor 9 d, and the next confinement Used for the main gate signal 1 1 c. Even if the ion beam 3 is a short punch 3a, it can be dealt with only by shortening the barrier voltage generation interval 30.
  • ⁇ Fig. 6 (C) shows how the ion beam 3 is accelerated by the acceleration induction cell 13 for acceleration.
  • t (b) is the generation timing and application time of the induction voltage for acceleration based on the time when the punch 3a or super punch 3e reaches the induction cell 1 3 for acceleration. 9 a.
  • the punch 3a or the super punch 3e reaches the induction cell 1 3 for acceleration by the digital signal processing device 14d for acceleration.
  • the acceleration gate signal pattern 14 a is generated so as to generate the acceleration voltage 28 and applied to the entire punch 3 a or the super punch 3 e.
  • the reset voltage 29 is calculated by the acceleration digital signal processor 14 d and avoids magnetic saturation of the magnetic material 10 c during the time zone when the ion beam 3 in the design orbit 4 a does not exist. Therefore, it is applied as an induced voltage with the opposite polarity to the acceleration voltage 28. In this way, punch 3a and super punch 3e can be accelerated. (1/2) T. Means that the time reference of t (a) in Fig. 6 (B) and t (b) in Fig. 6 (C) is shifted by half of the lap time 25.
  • FIG. 6 (D) shows the acceleration of punch 3a or super punch 3e at a certain time. That is, FIG. 6 (B) and FIG. 6 (C) are synthesized. Obedience The horizontal axis! : Is a time reference in which the lap time 25 of 1 2 is shifted from the time reference of the induction cell 10 for confinement and the induction cell 1 3 for acceleration. The same applies to t in Fig. 7.
  • FIG. 7 is a diagram showing a method of accelerating after the ion beam 3 is made into a plurality of punches 3a. This method has the advantage that the induced voltage value of the barrier voltage is small.
  • the method of accelerating is to make the incident DC beam-like ion beam 3 into a plurality of bunches 3a in advance, and finally a single bunch 3a ( Super punch 3 e) can be achieved by following the order of Fig. 7 (A) force, et al. (E).
  • the vertical axis is the induced voltage value, and the horizontal axis is time.
  • the broken double horizontal arrow indicating the length to the vertical axis shown by the broken line is the lap time 2 5 required for the ion immediately after the incident to go around the design orbit 4a. That is, the circumference of vacuum duct 4.
  • Fig. 7 (A) shows the state immediately after the ion beam 3 accelerated to a certain energy level by the pre-stage accelerator 1.7 is incident on the vacuum duct 4 multiple times.
  • the incident ion beam 3 exists as an ion beam 3 in the form of a DC beam over the entire design trajectory 4 a.
  • the lap time 25 is 10 seconds
  • the circulatory frequency at the time of incidence is about 100 000 uranium ions.
  • Fig. 7 (B) shows a method of confining the ion beam 3 existing in the entire design trajectory 4a into a plurality of ion beams 3 by the barrier voltage applied by the confinement induction cell 10 Is shown.
  • the solid horizontal double arrow between the negative and positive barrier voltage 2 6 and 2 7 indicates the barrier voltage generation interval 30.
  • the solid horizontal double arrows indicating the negative barrier voltage mean the interval between the generation of the same-polarity barrier voltage (hereinafter referred to as the same-polarity barrier voltage generation interval 3 1). To do.
  • each ion beam 3 is applied with an acceleration voltage 28 of 28a. It can be shortened more efficiently.
  • Barrier of confinement induction cell 10 If voltage application time 26a and 27a are sufficiently less than 0.5 ⁇ s each, it can be divided into 10 ion beam 3 fragments. You can ⁇ Fig. 7 (C) shows a method of turning the fragmented ion beam 3 into a plurality of punches 3a. In addition to gradually shortening the rear voltage generation interval 30, it is also possible to receive the acceleration voltage 28 by shortening the same-polar barrier-voltage generation interval 31.
  • punch interval 3 2 the negative barrier generated after the positive barrier voltage 27 is reduced. Shorten the interval of one voltage 26 and bring the confined punches 3a closer together.
  • FIG. 7 (D) shows a process in which a plurality of punches 3 a formed by dividing the ion beam 3 are combined to form a single punch 3 a.
  • Neighboring punch 3a, or first negative barrier voltage 2 6 of multiple bunch 3a and last positive barrier voltage 2 other than positive negative voltage 2 7b By not applying 2 7 b, multiple punches 3 a can be combined.
  • the negative and positive barrier voltages 2 6 b 2 7 b that are not applied are selected by the digital signal processor for confinement 1 1 1 of the confinement intelligent controller 1 1 1 It is possible to generate the confinement gate signal pattern 1 la in real time according to the processing method programmed according to the reached energy level. Similarly, selection of unnecessary acceleration voltage 28 b and reset voltage 29 b, and application stop are calculated by the intelligent controller for acceleration 14.
  • the punch 3 a is confined or connected within the range of the application time 2 8 a of the acceleration voltage 28 of the induction cell 1 3 for acceleration.
  • the ion beam 3 can be set up more efficiently by controlling the generation of the acceleration intelligent 9 controller 14. It can be accelerated to energy levels.
  • Fig. 7 (E) shows the ion beam 3 as a single unit 3a (contains 0 ), confined and accelerated.
  • the ion beam 3 is accelerated to the set energy level more efficiently than the confinement and acceleration methods shown in Figs. 5 and 6. You will be able to do this.
  • Such a method can be adopted because the drive frequency of the switching power supply 9 b 1 2 b for confinement and acceleration can be freely changed from 0 Hz to 1 megahertz.
  • Fig. 8 is a diagram showing an ion beam acceleration method using a plurality of induction accelerating cells.
  • the barrier voltage is relatively high at short application times 26a and 27a
  • the acceleration voltage 28 is relatively low at long application times 28a
  • the reset voltage 29 is An application time of 2 9 a and a voltage value are required so that it is energetically equivalent to the acceleration voltage of 2 8.
  • the above requirement can be satisfied. Therefore, the operation pattern when using the three induction and acceleration cells 10 and 1 3 for confinement and acceleration will be described below. According to this method, the degree of freedom in ion selection and energy level selection can be increased.
  • FIG. 8 (A) shows the magnitude of the barrier one voltage given by the triple induction accelerating cell 10 for confinement and the application time.
  • the vertical axis represents the induced voltage value
  • the horizontal axis represents the barrier voltage application time 26a, 27a.
  • (1), (2) and (3) mean the first confining induction acceleration cell 10, the second confinement induction accelerating cell 10 and the third confining induction accelerating cell 10, respectively.
  • . (4) shows the total negative and positive barrier voltages 2 6 f and 2 7 f applied to the ion beam 3 by the triple confinement induction cell 10.
  • the negative barrier voltage 1 6c, 2 6d, 2 6 Apply e.
  • the negative barrier voltages 26 c, 26 d, and 26 e may be applied almost simultaneously.
  • positive barrier voltage 2 7 c, 2 7 d, 2 7 e is applied to the notch tail 3 d. Therefore, the notch head 3c and the notch tail 3d are equal to the total negative and positive barrier voltages 26f and 27f shown in (4).
  • One voltage is applied to punch 3a.
  • the necessary barrier voltage can be obtained effectively by connecting the induction accelerating cells 10 for confinement. In other words, even if the barrier voltage values 2 6 g and 27 g applied by each confining induction accelerating cell 10 are low, the high barrier voltage values 2 6 h and 2 7 h are You can get it.
  • FIG. 8 (B) shows the size and application time of the induction dielectric for acceleration provided by the triple acceleration induction cell 13.
  • the vertical axis is the induced voltage value for acceleration.
  • the axis means the application time of induction voltage for acceleration 2 8 a, 2 9 a.
  • (1), (2), and (3) mean the first acceleration induction cell 13, the second acceleration induction cell 13, and the third acceleration induction cell 13, respectively.
  • (4) shows the total acceleration voltage 28 f and the total reset voltage 29 f applied to the punch 3 a by the triple acceleration induction acceleration cell 13.
  • acceleration voltage 2 8 c, 28 d, 28 e Apply.
  • acceleration voltages 28 c, 28 d, 28 e can be applied to the entire ion beam 3 by shifting the mark time as shown in (1) force, et al. (3). . Therefore, the application time 28 g of the total acceleration voltage 28 f shown in (4) can be secured in the entire ion beam 3.
  • a long application time 2 8 can be obtained by connecting the acceleration induction cells 1 3 in this way. It becomes possible to secure a. In other words, it is possible to meet the two objectives of confinement and acceleration only by combining a common standard induction accelerating cell capable of generating a low induced dielectric pressure. Therefore, the manufacturing cost of the induction accelerator can be kept low.
  • the reset voltage 2 9 c, 2 9 d, 2 9 Apply e.
  • the reset voltage of 29 g is generated in each acceleration induction cell 13 because it is necessary to avoid magnetic saturation of each acceleration induction cell 13. Theoretically, it can be used as the time to apply the high speed voltage 28 except for the time period in which the reset voltage 29c, 29d, 29e is applied. It is possible to accelerate all kinds of ions as a super punch 3 e.
  • the switching voltage generation interval 3 0 is used as the switching power supply 9 b for the closing, and the switching gate signal pattern 1 1 a for the switching element used for the switching power supply 9 b is freely controlled. Therefore, punch 3a, which was impossible in principle with conventional high-frequency synchrotron 35, can be held in a long state in the direction of travel, so it can be accelerated at once. The number of ions increased significantly.
  • Fig. 9 shows all existing KEK 5 OOM e VPS and 12 G e VPS according to the present invention. It is a diagram showing the results of calculating the ultimate energy per nucleon of various ions with the maximum valence, which is possible at the back of the ion accelerator.
  • the source of the ion beam 3 is H (hydrogen), C (carbon), N (nitrogen) ⁇ Ne (neon), A 1 (aluminum), C a (calcium), O (oxygen) ), Mg (magnesium), Ar (argon), Ni (nickel), Zn (zinc), K ⁇ (krypton), Xe (xenon), Er (enorubi) ), Ta (tannole), Bi (bismuth), U (cran), Te (tenorenor). ', Cu (copper), Ti (titanium), etc.
  • the horizontal axis of the graph is the atomic number. From left to right, the graph starts from the smallest atomic number.
  • the vertical axis of the graph represents the amount of energy per nucleon accelerated or predicted at each acceleration. 'The unit of the left axis is Megavolt (MeV). The unit of the axis is Gigabol ⁇ (G e V), and the right axis is used only when referring to the result of the modified 1 2 G e VPS
  • ION Beam 3 has been accelerated in the ring cyclone P operated by RIKEN, which is the largest cyclotron in Japan.
  • the circle surrounded by the broken line is the maximum energy level of the various ion beams 3 when the various ion beams 3 are incident on the cyclotron 3 3.
  • the ion beam 3 reaches the same energy level.
  • the conventional strong convergence method is used for the confinement in the direction perpendicular to the travel axis of the ion. O It is not possible to use an electromagnet driven by a pattern control power supply. The outgoing energy is variable. In a rapid cycle synchrotron using an electromagnet driven by a resonant circuit, the acceleration energy per nucleon is the mass of the ion. Determined by number and valence
  • 500 MeVPS (country, country) powers the energy and region that cannot be reached by conventional sig- rons.
  • the acceleration distance of the high frequency linear accelerator 17 b and the physical characteristics of the cycle iron electro Limits the ions that can be accelerated due to
  • the ions that can be accelerated are from protons to Ta, and the energy reached is 7
  • the improved 1 2 G e V PS can raise all ions to more than about 4 G e V per nucleon.
  • the all-type ion accelerator 1 of the present invention it is possible to use the conventional cyclotron and high-frequency sink rotons 3 5 including all the straight lines that are impossible. Species can easily be increased to any energy level, industrial applicability
  • the present invention has the above-described configuration, the following effects can be obtained.
  • the conventional high-frequency synchrotron 35 can be reused as it is with a device other than the inter-frequency accelerator 3 6 as it is.
  • the cost can be changed to the all-type ion accelerator 1 according to the present invention at a cost.
  • a single all-ion accelerator 1 can accelerate all types of ions to any energy level.
  • the 500 M e VPS is currently the largest physics and chemistry.
  • Various energy levels that cannot be reached by the laboratory's cyclotron On the other hand, with 12 G e VPS, all ions can be accelerated up to about 4 G e V per nucleon.
  • the all-type ion accelerator according to the present invention since it is not only a carbon beam that has recently been supplied for cancer treatment ⁇ a heavier heavy ion of any valence state. Since ON can be supplied, the number of target areas for particle beam cancer treatment will increase significantly, and the degree of freedom of treatment will increase. In addition, the scope of medical RI manufacturing, activation analysis with short-lived nuclei, and semiconductor damage testing is greatly expanded, and the heavy ion cosmic rays of various electronic devices mounted on the% r pan used in outer space. This makes it possible to perform ground tests to predict damage.

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Abstract

本発明は、全種イオンを任意のエネルギーレベルに同一の加速器で加速できる加速器を提供することを目的とするもので、前段加速器により入射されたイオンビームに、誘導加速シンクロトロンに使用される閉込用及び加速用誘導加速セルによって印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間を、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用及び加速用デジタル信号処理装置及び閉込用及び加速用パターン生成器で閉込用及び加速用ゲート信号パターンを生成し、前記閉込用及び加速用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用及び加速用インテリジェント制御装置によりフィードバック制御する全種イオン加速器の構成とした。

Description

明細書 全種イ オン加速器及びその制御方法
技術分野
本発明は、 イ オンを加速する加速器に係 り 、 特に、 あらゆる種類のイ オンを加 速する こ と ができ る誘導加速シンク ロ ト ロ ンを含む加速器及びその制御方法に関 する。
背景技術
こ こで、 イオンと は元素の周期表のある種の元素が一定の電価状態にある こ と をい う。 また、 全種イオンと は、 元素の周期表にある全ての元素であって、 前記 元素が原理的に取り得る全ての電価状態のこ と をい う。 さ らに、 イオンには化合 物、 タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含むものとする。
加速器は、 電子、 陽子及びイオンなどの荷電粒子を数百万電子ボル ト （数 M e V ) から数兆電子ボル ト （数 T e V ) 程度の高エネルギー状態に加速する装置で あ り 、 加速原理によ り 大別する と高周波加速器と陽子用の誘導加速シンク ロ ト ロ ンがある。
高周波加速器には、 加速方法によ り 区別する と、 線形加速器、 サイ ク ロ ト ロ ン 、 高周波シンク ロ ト ロ ンなどがある。 さ らに高周波加速器の大き さ も用途によ り 多種多様であ り 、 大きなエネルギーを得る高周波加速器と して原子核 · 素粒子物 理学研究用の大型加速器から、 最近では、 比較的低エネルギーレベルのイ オンビ ームの供給を行う癌治療専用の小型の高周波シンク 口 ト ンまである。
高周波加速器では、 荷電粒子の加速のために高周波加速空洞を用いてきた。 こ の高周波加速空洞は、 荷電粒子の走行に同期 して数 M H z 〜数 1 0 M H z の高周 波電場を高周波空洞の共鳴振動によ る励振によって発生させる。 この高周波電場 によるエネルギーを荷電粒子に供給している。 荷電粒子ビームのエネルギー変化 に応じて高周波加速器の設計軌道上での周回周波数が増大するので、 概ね上記範 囲程度で共振周波数を変動させる。 図 1 0 に従来の高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式 3 4 を示した。 特に、 高周波 シンク ロ ト ロ ン 3 5 は、 原子核物理 · 高エネルギー物理の実験に不可欠であった 。 高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 は、 共鳴加速、 強収束及び位相安定性の原理によ り 荷電粒子を所定のエネルギー レベルまで高めるための加速器であ り 、 以下の構成 よ り なる。
従来の高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式 3 4 は、 イ オン源 1 6 で発生させたィ オンを高周波線形加速器 1 7 b で光速の数パーセン 卜から数十パンセン トの速さ まで加速し、 高周波線形加速器 1 7 b からセプタム電磁石、 キッカー電磁石、 バ ンプ電磁石などからなる入射機器 1 8 を用いて後続の環状の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 に入射する入射装置 1 5 と、 所定のエネルギー レベルまで加速する高周波 シンク ロ ト ロ ン 3 5 と 、 所定のエネルギー レベルまで加速されたイ オンビーム 3 を実験装置 2 1 b などが置かれた施設 2 1 a であるイオンビーム利用ライ ン 2 1 に取 り 出す各種電磁石からなる出射機器 2 0 を含む出射装置 1 9 などからなる。 各装置間は輸送管 1 6 a、 1 7 a , 2 0 a で連結されている。
高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 は高真空状態に保たれた環状の真空ダク 卜 4 と、 設 計軌道に沿ってイオンビーム 3 を偏向させる偏向電磁石 5 、 真空ダク ト 4 の中の イオンビーム 3 を水平方向と垂直方向の両方向に強収束を保証する よ う に配置さ れた四極電磁石などの収束電磁石 6 、 真空ダク ト 4 の中のイオンビーム 3 に対し て高周波加速電圧を印加 してイ オンビーム 3 を加速する高周波加速空洞 3 6 a 及 び印加高周波を制御する制御装置 3 6 b からなる高周波加速装置 3 6 と、 真空ダ ク ト 4 の中のイ オンビーム 3 の位置を測定する全周に渡って分布する位置モニタ 一 3 5 a 及びこの《立置モニター 3 5 a によって得られたイオンビーム 3 の位置情 報力、らイ オンビーム 3 の軌道 （ C l o s e d O r b i t D i s t o r t i o n と呼ばれる） を補正するためのステア リ ング電磁石 3 5 b 、 イオンビーム 3 の 通過を感知するパンチモニタ一 7 などからなる。
上記構成によ る高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式 3 4 において、 高周波線形加 速器 1 7 b よって一定のエネルギー レベルまで加速、 入射されたイオンビーム 3 は、 進行軸方向に一様に連続な電荷密度分布を持って真空ダク ト 4 の内の設計軌 道を周回する。 この'と き高周波加速空洞 3 6 a に高周波電圧を印加する と、 進行 方向への収束力によ り 、 イオンビーム 3 は高周波電圧のある位相を中心に して荷 電粒子群 (以下、 バンチと い う。 ） を形成する。
その後 、 イオンビーム 3 の設計軌道を保持する偏向電磁石 5 の励磁パタ ―ンに 同期 して 、 高周波加速空洞 3 6 a に印加する電圧の周波数を上昇させる。 又 、 ノく ンチ中心の高周波電圧に対する位相を加速位相側にずら.すこ とで、 周回するィォ ンビ一ム 3 の運動量が増加する。 高周波の周波数はイオンの周回周波数の整数倍 の関係にあ 。
こ こで 、 イオンビーム 3 の中の荷電粒子の電荷を e、 運動量を p 、 磁束密度を
B、 磁 での偏向による曲率半径を P とする と、 p = e B P の関係にある とが 知られてお り 、 また、 イオンビーム 3 を水平方向及び垂直方向へ収束させるため の四極電磁石の磁場強度もイ オンビーム 3 の運動量の増加に同期 して増加させる - の結果 、 真空ダク ト 4 の内を周回するイオンビ ム 3 は予め定めた固定の軌 道に常に位置する の軌道のこ と を設計軌道とい ラ
ィォンビ一ム 3 の運動量増加率と磁場強度の変化率との間で同期を取る方法と しては、 偏向電磁石 5 の磁 度を磁場測定用サ一チ ィノレで測定し、 磁場強度 の変化毎に制御ク 口 、ソ ク ( B ク P クク） を発生し、 B ク 口 ソ ク を基に高周波の周 波数を決定する方法がある。
偏向電 石 5 の 場強度変化と高周波周波数変化の完全な同期が取れないと 、 イ オンビ —ム 3 は周回軌道が縮んだり 又は膨らんだり して、 設計軌道から外れ 、 真空ダク ト 4 などに衝突 して失われる。 そこで 、 ιί 直ずれを検出する位置モ二 タ一 8 によってィォンビ一ム 3 の設計軌道からの変位を測定し、 イオンビーム 3 が設計軌道を周回するために必要な r¾周波 圧の位相を算出 し、 適切な位相で向 周波加速電圧がノ、ンチ中心に印加する よ う なフ ィ一ドバッ クが働く 様なシステム 構成になっている。
この咼周波加速電圧によって進行方向への収束力を受けて、 個々のィ ォンはバ ンチ化し 、 そのノく ンチ中をイオンビ一ム 3 の進行方向に往きつ戻 り つ しながら高 周波シンク ロ 卜 ロ ン 3 5 の中を周回す これは间周波シンク 口 卜 ン 3 5 の位 相安定性と呼ばれている。
図 1 1 に従来の高周波シンク 口 卜 σ ン 3 5 の高周波によ るバンチの閉 じ込めと a
4
加速の原理 （位相安定性） を示した。
高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 における荷電粒子の進行軸方向の閉 じ込めとその加 速方式では、 パンチ 3 a を閉 じ込める こ とができ る位相空間領域の、 特に進行軸 方向 （時間軸方向） が原理的に制限される こ とが知られている。 具体的には高周 波 3 7 が負の電圧になる時間領域ではパンチ 3 a は減速され、 電圧勾配の極性が 異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、 閉 じ込められない。 すなわ ち、 概ね点線の間を示す加速電圧 3 7 a の時間帯しかイオンビーム 3 の加速に使 用する こ とができない。
加速電圧 3 7 a の時間帯では、 パンチ中心 3 b に常に一定の電圧である中心加 速電圧 3 7 b を印加する よ う に高周波 3 7 を制御する こ と力ゝら、 パンチ頭部 3 c に位置する粒子は、 パンチ中心 3 b よ り エネルギーが大き く 、 よ り 速く 高周波加 速空洞 3 6 a に到達するため、 チ中心 3 b が受ける中心加速電圧 3 7 よ り 小さい頭部加速電圧 3 7 c を受け减速する。 一方、 パンチ尾部 3 d に位置する粒 子は、 パンチ中心 3 b よ り エネルギーが小さ く 、 遅く 高周波加速空洞 3 6 a に到 達するため、 パンチ中心 3 b が受ける中心加速電圧 3 7 b よ り 大きい尾部加速電 圧 3 7 d を受け加速する。 加速中、 粒子はこの過程を繰り 返す。
加速し得るイ オンビーム電流の最大値はビームの進行軸に対して垂直な方向に イオンビーム 3 自身が作る電磁場に起因する発散力である空間電荷力の大き さに よって決ま る。 加速器内の荷電粒子は収束磁石による力を受けてベ一タ一 ト ロ ン 振動と呼ばれる調和振動子と類似の運動を している。 イオンビーム電流がある大 き さ を超える と荷電粒子のベータ一 ト ロ ン振動の振幅が真空ダク 卜 4 のサイ ズま でに達して失われる。 これを空間電荷制限と呼ぶ。
厳密には局所電流値すなわち線電流密度の最大値によって制限される。 従って 特別な工夫を しない限 り 高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 ではパンチ中心 3 b の密度が 最大にな り 、 くンチ中心 3 b と、 くンチ頭部 3 c 、 パンチ尾部 3 d などのパンチ 外縁での電流密度のア ンバラ ンスは避け られない。 そ してパンチ中心 3 b の電流 密度はこの制限以下でなければな らない欠点があった。
すなわち、 高周波加速空洞 3 6 a の共振周波数 f は高周波加速空洞 3 6 a の 電気パラ メ ーター （イ ンダク タ ンス し 、 容量 C ) を用いる と f f = l 4 ( L - C ) 1 /2によって与えられる。 こ こでイ ンダク タ ンスは主に高周波加速空洞 3 6 a に装荷した磁性体の形状 （長さ 1 、 内径 a 、 外径 b ) とその比透磁率 / * を用 いて L = l · ( μ 。μ */ 2 π ) 1 o g ( b / a ) で与えられる。
加速と共に周回周波数が変化する粒子周回と 同期を取るため常に粒子の周回周 波数 f 。と高周波加速空洞 3 6 a の共振周波数 f r f は常に 。 （ ： 整数 ) の関係を維持 しな く てはならない。 これには磁性体をバイ アス電流と呼ばれる 別付けの電流で励磁する こ と によって B — Hカーブ上の動作点を移動させ、 比透 磁率を i *を制御する こ と によって実現している。
通常使用 される高周波加速空洞 3 6 a の磁性体であるフェ ラィ 卜では、 最も大 きなイ ングク タスはバイ アス電流が 0 A近傍のと きであるが 、 その動作点で決ま る it振周波数が最小の共振周波数と なる
陽子や特定のイオンに限定して設計 • 建 SXされた高周波シンク P ト ロ ン 3 5 で は高周波加速空洞 3 6 a 自身と駆動電源である高周波電力増幅器 (三極、 或いは 四極電力真空管 ) が持つ有限な周波数の可変幅によつて許される車 11囲で しかィ ォ ン と電価数を選べない
従つて、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 では、 一旦加速するィオンの種、 加 速エネルギーレベル、 加速器周長を決定する と 、 高周波 3 7 の周波数バン ド幅が 一，g、に決まる。
図 1 2 に種々 のィ ォン 咼ェネルギ一加速器研究機構 (以下、 K E Kとい う
) の 5 0 0 M e Vブ一スター陽子シンク ロ ト ロ ン （以下 、 5 0 0 M e V P S と レ、 う。 ） で加速する 口 の入射から加 終了までの高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 の周 回周波数を示した 。 縦軸が周回周波数 (メ ガヘルツ） 、 横軸が加速日寺間 （ミ ジ秒
) である。 なお、 K E Kの 5 0 0 M e V P S は周長約 3 5 メ ー トルの陽子専用の 高周波シンク ロ ト 口 ン 3 5 であ O
H ( 1 , 1 ) 、 U ( 2 3 8 3 9 ) 及び U ( 2 8 3、 5 ) は、 それぞれ、 陽子
、 3 9価の ウラ ンィォン及び 5価のゥラ ンイオンを意味し、 各々 について加速周 波数変化をグラ フに示した。
図 1 2 の結果から、 陽子や軽ィォンの加速を 目的に作られた高周波シンク 卜 ロ ン 3 5 ではゥラ ン等の重レヽィォンを著しく 周回周波数の低い低エネノレギ一レベ ,
6
ルから高いエネルギー レベルまで加速する こ と はできないこ とがわかる。 なお、 縦の破線両矢印が示す範囲に陽子よ り 重く 5価のウラ ンイオンよ り軽いイオンの 周波数変化は存在する。
他方、 多種イ オンを加速する加速器と してサイ ク ロ ト ロ ンが昔から使用されて きた。 これも高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 と 同様に高周波加速空洞 3 6 a をイ オン ビーム 3 の加速装置と して使用する。 従って、 高周波 3 7 を使用する原理的限界 から、 加速でき るイ オンの質量番号 A と電価数 Zの比である Z / Aがほぼ等 しい イ オン種と電価状態に限られる と い う欠点がある。
さ らに、 イオンビーム 3 の周回軌道はイオン源 1 6 のある中心部から取 り 出 し 軌道と なる最外部まで一様な磁場で保 され、 必要な磁場は鉄を磁性体と した双 極の電磁石で発生させる。 しかし、 こ のタイプの電磁石には物理的大き さに限界 カ ある とレヽ う欠点カ ある。
従って、 これまで建設されたサイ ク ロ ト ロ ンにおける加速エネルギーの最大値 は核子当た り 5 2 0 M e Vである。 因みに鉄の重量は 4 0 0 0 ト ンに及ぶ。
そこで、 高周波加速器と異なる加速器と して、 近年、 陽子の円形加速器と して 誘導加速シンク ロ 卜 ロ ンが提案された。 陽子用の誘導加速シンク ロ ト ロ ン と は、 上記の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 の欠点を回避でき る加速器である。 すなわち、 制限電流値以下で線密度を一定に保ったまま、 進行軸方向に大幅に陽子を詰め込 むこ とができ る加速器である。
陽子用の誘導加速シンク ロ ト ロ ンの特徴は、 第 1 'に、 誘導加速セルに発生させ る正負対の誘導電圧で進行軸方向に陽子ビームを閉 じ込め、 マイ ク 口秒オーダ一 の長大な陽子群 （スーパ一パンチ） を作る こ とができ る。
第 2 に別の誘導加速セルに発生させる長い印加時間の誘導電圧で閉 じ込められ たスーパーバ ンチを加速するこ とができ る とレ、 う ものである。
つま り 、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 が進行軸方向について陽子の閉 じ込 めと加速を共通の高周波 3 7 で行う機能結合型であるのに対して、 誘導加速シン ク ロ ト ロ ンは閉 じ込めと加速を分離した機能分離型と いえる。
陽子の閉 じ込めと加速の機能を分離する こ と は、 別々 の機能を発揮する誘導加 速装置によって可能になった。 誘導加速装置は、 磁性体のコアを持つ 1 体 1 の ト ラ ンスである陽子の閉じ込を専門に行 う誘導加速セル及び加速を専門に行う誘導 加速セルと 、 前記各々 の誘導加速セルを駆動する各スィ ツチング電源などからな る。
誘導加速セルに陽子ビームの周回周波数に同期 してパルス電圧を発生させる。 例えば周長 3 0 0 メ ー トルク ラ スの加速器であれば、 C W 1 M H z の繰り 返しで パルス電圧を発生しなく てはならない。
この陽子用の誘導加速シンク 口 ト 口 ンの直接的応用 と して、 次世代のニュー ト リ ノ振動を探査する陽子駆動加速器や衝突型加速器 （コ ライ ダー） が提案されて いる。 これによれば、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 で構成される陽子加速器 の陽子ビーム強度よ り 4倍程度高い陽チビーム強度が実現でき る と予想されてい る。
誘導加速シンク 口 ト ロ ンを応用 した衝突型加速器をスーパ一パンチ · ノヽ ドロ ン コ ライ ダーと呼ぶ。 スーパーバンチを閉 じ込め ' 加速でき る誘導加速シンク ロ ト ロ ンの特徴を最大限活かしたスーパーパンチ · ノ、 ドロ ンコ ライ ダーでは、 従来の 高周波 3 7 を使用するシンク ロ ト ロ ンを基礎に した同サイ ズのコ ライ ダーよ り 1 桁大きなルミ ノ シテ ィ 一が期待されている。 これは建設費 3 , 0 0 0億円程度の コ ライ ダーを 1 0基建設するのと等価になる。
こ こで、 誘導加速シンク ロ ト ロ ンの加速原理について説明する。 誘導加速セル に極性の異なる誘導電圧を発生させる。 パンチ中心 3 b に位置する理想的粒子の 運動量よ り 大きい運動量をもった陽子の速度は理想粒子のそれよ り 大きいので前 に進む、 そ してパンチ頭部 3 c に到る。 そこに到ったと き負の誘導電圧で減速さ れ、 運動量を減じ、 理想粒子のそれよ り 速度が遅く な り 、 パンチ 3 a の後方へ動 き出す。 これがパンチ尾部 3 d に達する と正の誘導電圧を受け始め、 加速される 。 この結果運動量が理想粒子のそれを越える。 加速中、 陽子ビームは上記過程を 繰り返す。
これは従来から知 られている高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 の位相安定性 （図 1 1 ) と本質的に同 じも のである。 この性質によって陽子はパンチ 3 a の形で進行軸 方向に閉 じ込め られる。
しかし、 極性の異なる誘導電圧だけでは陽子は加速できない。 そこで、 別途一 _ 様な誘導電圧を印加する こ と のでき る誘導加速セルで陽子を加速する。 閉 じ込め と加速の機能分離の結果、 進行軸方向のビームハン ド リ ングの自 由度が大幅に増 すこ とが知られてお り 、 実証されつつある。
CW 1 MH z の繰り 返しで 2 k Vの誘導電圧を発生させる誘導加速装置が完成 し、 K E Kの 1 2 G e V陽子高周波シンク ロ ト ロ ン （以下、 1 2 G e V P S とい う。 ） に導入された。 なお、 1 2 G e V P S は周長約 3 4 0 メ ー トルの陽子専用 の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 である。 最近の誘導加速の実験において 5 0 O M e Vで入射された陽子ビームを 8 G e Vまで誘導加速するこ と に成功 している。
しかし、 一台の加速器で様々 な電価状態にある多種のイオンを加速して、 高い エネルギーを得る こ と はこれまで不可能と考えられていた。
なぜなら、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 では、 加速に用いる空洞共振器と しての高周波加速空洞 3 6 a のクオリ ィ ティ ーフ ァ ク ターが高く 、 有限なバン ド 幅の高周波 3 7 しか励起できなかった。 従って、 その高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 の周長、 用いる偏向電磁石 5 の強さ、 使用する高周波 3 7 のバン ド幅を決める と 、 相対論的に速度が大幅に変動する低エネルギー領域では、 加速し得るイ オンの 質量数 Aと電価数 Z はほぼ一意に決ま り 、 限られたイオンしか加速できなかった 一方、 サイ ク ロ ト ロ ンでも、 加速し得るイオンは高周波 3 7 のバン ド幅に対応 して、 質量数と電価数の比が一定のものに限られている。 又、 任意のイオンを加 速でき るバンデグラ フ等の静電加速器では機器の耐圧の問題から、 加速エネルギ 一は 2 O M e Vが限界であった。
また、 線形誘導加速器では、 数百 M e V以上のエネルギーを得る こ と は不可能 ではないが、 そのコ ス 卜 と線形誘導加速器の物理的サイ ズは膨大なものになる。 1 億円 / l M e V、 1 メ 一 トル Z l M e Vが概ね現在得られている線形誘導加速 器のノ、°ラメ ータ一である。 従って、 l G e Vのエネルギーのイオンビームを得る には、 コス トは 1 ,0 0 0億円を要し、 加速器全長は l k mになる。
さ らに、 前記、 陽子専用の誘導加速シンク ロ ト ロ ンでは、 入射エネルギーが既 に十分高エネルギーであ り 、 ほぼ光速度の速さ を持った陽子のみの加速しか考慮 されていなかった。 すなわち、 陽子ビームは、 前段加速器の加速ですでに、 入射 c 直後からほぼ、 光速近く まで加速されている こ とから、 陽子を誘導加速シンク ロ 卜 口 ンで加速する場合は、 誘導加速セルの誘導パルス電圧を一定間隔で発生させ ればよかった。 従って、 陽子ビームに印加される誘導電圧の発生タイ ミ ングは、 加速時間と と もに変化する こ と を必要と していなかつ.た。
しかし、 全種イ オンを一台の誘導加速シンク ロ ト ロ ンで加速する場合は、 ィ ォ ン種によつて 導電圧の発生タイ ミ ングを変動しなければならない。 なぜなら 、 図 1 2 で示 したよ う イ オンの種類によってと周回周波数は大幅に異なるから である。
そこで 本発明は、 全種イ オンを 、 使用する電 石で発生する磁場強度が許す 任思のェ ルギー レベル (以下、 任意のエネルギ ― レベノレと レ、 う 。 ） に同一の加 速器で加 するこ とのでき る加速器を提供する 1" と を 目的とする ものである。 発明の開不
本発明は 、 上 RLの課題を解決するために 、 イ オン ビ一ムの設計軌道が中にある 環状の真 ダク ト、 前記設計軌道の曲線部に BXけられィ才ンビームの円軌道を保 持する偏向電 fe石、 前記設計軌道の直線部に設けられィォン ビームの拡散を防止 する収束電磁石、 刖記真空ダク ト の中に設けられィォンビ ―ムの通過を感知する バンチモ二ター、 刖記真空ダク 卜 の中に設け られィ ォンビ ―ムの重心位置を感知 する位置モエタ一 前記真空ダク トに接続されたィォンビ ―ムを進行方向に閉 じ 込めるための誘導 圧を印加する閉込用誘導加速セル及び刖記閉込用誘導加速セ ルの駆動を制御する閉込用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置からなる閉込用誘導加速装 置、 及び前記真空ダク 卜に接続されたィ ォンビームを加速するための誘導電圧を 印加する加速用誘導加速セル及び前記加速用誘導加速セルの駆動を制御する加速 用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置からなる加速用誘導加速装 から構成させる誘導加 速シンク ロ ト ロ ンと 、 前記誘導加速シンク ロ ト ロ ンに、 ィォン源で発生したィォ ンを前段加速器で一定エネルギー レベルまで加速し 、 ィォン ビームを入射する入 射機器からなる入射装置と、 前記誘導加速シンク ロ 卜 口 ンからイ オンビームをィ オンビーム利用ライ ンに取り 出す出射装置とからな ■9 、 刖記閉込用イ ンテ リ ジェ ン ド制御装置が、 前記パンチモニタ一からの通過シダナル及びイ オン ビームに印 ,八 加 した誘導電圧値を知るための電圧モニタ一からの 導電圧シグナルを受けて、 前記閉込用誘導加速セルを駆動する閉込用スィ ツチング電源のオン及びオフを制 御する閉込用ゲ一 卜信号パターンを生成する閉込用 タ一ン生成器の閉込用ゲー ト信号パターンの基になる閉込用ゲ一 ト親信号を計算する閉込用デジタル信号処 理装置によって、 WI記閉込用誘導加速セルに印加する誘導電圧の発生タイ ミ ング 及び印加時間をフィ ―ドバッ ク制御 し、 前記加速用ィ ンテ リ ジェ ン ト制御装置が
、 前記ノく ンチモニタ一からの通過シグナル、 前記位置モニターからの位置シグナ ル及びイオンビームに印加 した誘導電圧値を知るための電圧モニタ一からの誘導 電圧シグナルを受けて 、 前記加速用誘導加速セルを駆動する加速用スィ ツチング 電源のォン及びオフを制御する加速用ゲー 卜信号パタ ンを生成する加速用パタ
―ン生成？ as ίίϊ.の加速用ゲ一 ト信号バタ一ンの基になる加速用ゲー ト親信号を計算す る加速用丁ジタノレ信号処理装置によつて、 前記カロ速用 導カロ速セノレに印カロする誘 導電圧の発生タイ ミ ング及び印加時間をフィ ― ドバク ク制御し、 全種ィ ォンを任 意のェネルギー レベルに加速制御する こ と を特徴とする全種ィォン加速器の構成 と した。 図面の簡単な説明
図 1 は本発明である全種イオン加速器の全体構成図、 図 2 は誘導加速セルの断 面図、 図 3 は誘導加速セル及び閉込用及び加速用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置の模 式図、 図 4 は誘導加速装置の等価回路、 図 5 は閉込用誘導加速セルによってィォ ンビームを閉 じ込める様子を示す図、 図 6 は誘導加速セルによってイ オンビーム を加速させる様子を示す図、 図 7 は誘導加速セルによ るイ オン ビームの断片的閉 じ込め及び加速させる様子を示す図、 図 8 は 3連の誘導加速セルによる閉 じ込め と加速制御を示す図、 図 9 は各種イオンを加速した場合の到達エネルギー レベル を表す図、 図 1 0 は従来の高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式の全体構成図、 図 1 1 は高周波シンク ロ ト ロ ンの位相安定性原理を示す図、 図 1 2 は現行の K E K 5 0 0 M e V P S によ って加速した場合の各種イ オンの入射から加速終了までの周 回周波数変化 （推定） を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明である全種イオン加速器 1 を構成する誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 の収束 電磁石 6 の配位は従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 と 同 じ強収束配位とする。 高 周波加速装置 3 6 を閉込用誘導加速装置 9 と加速用誘導加速装置 1 2 に置き換え る。 前記閉込用誘導加速装置 9及び加速用誘導加速装置 1 2 を構成する閉込用誘 導加速セル 1 0及び加速用誘導加速セル 1 3 は、 高繰り 返し動作可能なパルス電 圧 1 0 f を発生させる閉込用及び加速用スイ ツチング電源 9 b 、 1 2 b で駆動さ れる。 閉込用及び加速用スイ ッチング電源 9 b '、 1 2 b のオン及びオフ動作は閉 込用及び加速用スィ ツチング電源 9 b 、 1 2 b に使われる M O S F E T等のスィ ツチング素子のゲー ト駆動を司る閉込用及び加速用ゲー ト信号パターン 1 1 a 、 1 4 a の制御で行なわれる。
閉込用及び加速用ゲー ト信号パターン 1 1 a 、 1 4 a は閉込用及び加速用パタ ーン生成器 1 1 b 、 1 4 b で生成される。 閉込用及び加速用パターン生成器 1 1 b 、 1 4 b は閉込用及び加速用ゲ一 ト親信号 1 1 c 、 1 4 c にて動作を開始する 閉込用ゲー ト親信号 1 l c は、 パンチモニター 7 で検出 したイオンビーム 3 の 通過シグナル 7 a 、 及び閉込用誘導加速セル 1 0 によってイ オンビーム 3 に印加 した誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル 9 e を基に閉込用デジタル信号処 理装置 1 1 d によ り 、 予めプロ グラム された処理法によって リ アルタイ ムで生成 される。
加速用ゲー ト親信号 1 4 c はパンチモニター 7 、 及び位置モニタ一 8 で検出 し たイ オン ビーム 3 の通過シグナル 7 b 及びイ オン ビーム 3 の位置シグナル 8 a と 、 加速用誘導加速セル 1 3 によってイオンビーム 3 に印加した誘導電圧値を知る ための誘導電圧シグナル 1 2 e を基に加速用デジタル信号処理装置 1 4 d によ り 、 予めプロ グラム された処理法によって リ アルタイムで生成される。
イ オン源 1 6 で生成されたイ オンを前段加速器 1 7 で一定の速度に加速された イオンビーム 3 をある一定時間連続的に誘導加速シンク 口 ト ロ ン 2 に入射する。 次に、 閉込用誘導加速セル 1 0 をオンに して負及び正のバリ アー電圧 2 6 、 2 7 (以下、 単にバ リ ア一電圧と い う。 ） を発生させる。 続いて、 このバ リ ア一電圧 発生間隔 3 0 を徐々 に狭め、 設計軌道 4 a の全周に渡って分布するイオンビーム 3 を、 加速用誘導加速セル 1 3 で発生させる加速電圧 2 8 の印加時間 2 8 a の長 さ程度のパンチ 3 a にする。 この後、 誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 の偏向電磁石 5 及び収束電磁石 6 を励磁する。
パンチモニタ一 7 から得られるイオンビーム 3 の通過情報である通過シグナル 7 a 、 及びイオンビーム 3 に印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナ ル 9 e を基に、 閉込用誘導加速セル 1 0 の負及び正のバ リ アー電圧 2 6 、 2 7 の パルス電圧 1 0 f を制御して、 閉込用ゲ一 卜信 ^パターン 1 1 a を磁場の励磁に 合わせて発生し、 同期させる。
パンチモニター 7 、 位置モニタ一 8 ら得られる通過シグナル 7 b 、 位置シグ ナル 8 a 及びイオンビーム 3 に印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグ ナル 1 2 e を基に、 加速用誘導加速セル 1 3 の加速電圧 2 8及びリ セ ッ ト電圧 2 9 (以下、 単に加速用の誘導電圧と い う。 ） のパルス電圧 1 0 f を制御して、 加 速用ゲ一 ト信号パターン 1 4 a を磁場の励磁に合わせて発生し、 同期させる。
このよ う な一定電圧のバ リ ァー電圧及び加速用の誘導電圧の発生を時間的に制 御 して磁場の励磁に合わせてイオンビーム 3 の加速を追従させる。 この結果必然 的にイオンビーム 3 はパンチ 3 a と なって加速される。 イオンビーム 3 を閉 じ込 め、 加速する この一連の制御装置を閉込用及び加速用ィ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 1 、 1 4 と レヽ う。
従って、 この閉込用及び加速用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 1 、 1 4 によるフ ィ — ドバ ッ ク制御をイオンの種類、 目的のエネルギーレベルによって閉込用及び 加速用デジタル信号処理装置 1 1 d 、 1 4 d のプロ グラム設定を変更するだけで 、 全種イ オンを任意のエネルギー レベルに加速する こ とができ る。
最後に、 加速終了後 （最大磁場励磁状態） 、 所定のエネルギーレベルまで加速 されたイ オン ビーム 3 を、 イ オン ビーム利用ライ ン 2 1 に取り 出す。 取 り 出 し方 法と しては、 キッ力一電磁石などの速い出射機器 2 0 にてパンチ 3 a の構造を維 持したまま 1 ターンで取り 出す方法、 及びバ リ ァー電圧発生間隔 3 0 を周回時間 相当まで徐々 に広げ、 その後一端閉込用誘導加速セル 1 0 を駆動する閉込用スィ ツチング電源 9 b 、 1 2 b のゲ一 ト駆動をオフに してパンチ 3 a の構造を崩 し、 ^
D C ビーム状のイ オンビーム 3 に した後、 ベータ一 ト 口 ン共鳴等を用いる出射機 器 2 0 にて少量ずつ何ターンにも渡って連続的にイオンビーム 3 を取り 出す方法 がある。 これらの取 り 出 し方法は、 イオンビーム 3 の利用用途に応じて選択する こ と ができ る。 '
以下に、 添付図面に基づいて、 本発明である全種イオン加速器 1 について詳細 に説明する。 図 1 は本発明である全種イ オン加速器の全体図である。 なお、 本発 明である全種イ オン加速器 1 は、 イ オンビーム 3 の加速を制御する閉込用誘導加 速装置 9及び加速用誘導加速装置 1 2 、 高周波,線形加速器 1 7 b以外の装置は、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式 3 4 で使用 されていた装置を用いる こ と ができ る。
全種イ オン加速器 1 は、 入射装置 1 5 、 誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 、 及び出射 装置 1 9 からなる。 入射装置 1 5 は、 誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 の上流にあるィ オン源 1 6 、 前段加速器 1 7 、 入射機器 1 8及びそれぞれの装置を連結し、 ィォ ンの連絡通路である輸送管 1 6 a 、 1 7 a からなる。
イオン源 1 6 は、 電子サイ ク ロ ト ロ ン共鳴加熱機構を利用 した E C Rイオン源 やレーザー駆動イ オン源などがある。 なお、 イ オン源 i 6 から誘導加速シンク ロ ト 口 ンにイオンビームを直接入射してもよレ、。
前段加速器 1 7 は、 電圧可変の静電加速器や線形誘導加速器などが汎用である 。 また、 利用するイ オン種が決まっている場合は小サイ ク ロ ト ロ ン等も使用可能 である。
入射機器 1 8 は、 高周波シンク ロ ト ロ ン複合体一式 3 4 で使用されていた機器 が利用される。 特に本発明である全種イオン加速器 1 において特別な装置、 方法 は必要ない。
以上の構成よ り なる入射装置 1 5 は、 前記誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 にイオン 源 1 6 で発生したイ オンビーム 3 を前段加速器 1 7 で一定のエネルギーレベルま で加速し、 入射機器 1 8 で入射する ものである。
誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 は、 イ オンビーム 3 の設計軌道 4 a が中にある環状 の真空ダク ト 4 、 前記設計軌道 4 a の曲線部に設け られイ オンビーム 3 の円軌道 を保持する偏向電磁石 5 、 前記設計軌道 4 a の直線部に設け られイ オンビーム 3 , λ
14
の拡散を防止する収束電磁石 6 、 前記真空ダク ト 4 の中に設け られイ オンビーム 3 の通過を感知するパンチモニター 7 、 前記真空ダク ト 4 の中に設けられイオン ビーム 3 の重心位置を感知する位置モニター 8 、 前記真空ダク ト 4 に接続された イ オンビーム 3 を進行方向に閉 じ込めるための誘導電圧を印加する閉込用誘導加 速セル 1 0及び前記閉込用誘導加速セル 1 0 の駆動を制御する閉込用イ ンテ リ ジ ェン ト制御装置 1 1 からなる閉込用誘導加速装置 9 、 及び前記真空ダク ト 4 に接 続されたイ オンビーム 3 を加速するための誘導電圧を印加する加速用誘導加速セ ル 1 3及び前記加速用誘導加速セル 1 3 の駆動を制御する加速用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 4 からなる加速用誘導加速装置 1 2から構成させる。
閉込用 とは、 入射装置 1 5 よ り誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 に入射されたイ オン ビーム 3 を、 誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よつて別の誘導加 速セルで誘導加速でき る よ う に一定の長さのパンチ 3 a まで縮めた り 、 その他種 々 の長さ のイ オン ビーム 3 に変える機能と、 加速中のイ オン ビーム 3 のパンチ 3 a に位相安定性を持たせる機能を有している と の意味である。
加速用 と は、 イオンビーム 3 のパンチ 3 a を形成後に、 パンチ 3 a 全体に加速 用の誘導電圧を与える機能を有している との意味である。
閉込用誘導加速装置 9 と加速用誘導加速装置 1 2 の装置自体は同一のものであ るが、 イ オンビーム 3 に対する機能が異なる。 これ以降、 誘導加速装置と い う と きは閉込用誘導加速装置 9及び加速用誘導加速装置 1 2 の両方を意味する。 同様 に誘導加速セルと い う と きは閉込用誘導加速セル 1 0及び加速用誘導加速セル 1 3 の両方を意味する。 さ らに、 電磁石と い う場合は、 偏向電磁石 5及び収束電磁 石 6 の両方を意味する。
出射装置 1 9 は、 前記誘導加速シンク ロ ト ロ ン 2 で所定のヱネルギ一レベルま で達したイ オンビーム 3 を利用する実験装置 2 1 b などが設置された施設 2 1 a に連結する輸送管 2 0 a とイオンビーム利用ライ ン 2 1 に取 り 出す出射機器 2 0 からなる。 なお、 実験装置 2 1 b には、 治療に用いられる医療設備等も含まれる 出射機器 2 0 は、 速い取り 出 しができ るキッ力一電磁石、 又はべ一ター ト ロ ン 共鳴等を利用 した遅い取り 出 しを行う 装置などがあ り 、 イ オンビーム 3 の種類、 用途に応じて選択する こ とができ る。
上記構成によ って、 本発明である全種イ オン加速器 1 は 1 台で全種イオンを任 意のエネルギーレベルに加速する こ とができ る よ う になった。
図 2 は本発明である全種イ オン加速器を構成する閉込用誘導加速セルの断面模 式図である。
本発明に利用する閉込用及び加速用誘導加速セル 1 0 、 1 3 はこれまで作られ てきた線形誘導加速器用の誘導加速空洞と原理的には同 じ構造である。 こ こ では 閉込用誘導加速セル 1 0 について説明する。 閉込用誘導加速セル 1 0 は、 内筒 1 0 a 及び外筒 1 0 b からなる 2重構造で、 外筒 1 0 b の内に磁性体 1 0 c が揷入 されてイ ンダク タ ンスを作る。 イ オン .ビーム 3 が通過する真空ダク ト 4 と接続さ れた内筒 1 0 a の一部がセラ ミ ッ ク などの絶縁体 1 0 d でできている。 誘導加速 セルは使用によ り発熱する こ とから、 外筒 1 0 b の內部には冷却用のオイルなど を循環させる こ とがあ り 、 絶縁体のシール 1 0 j を必要とする。
磁性体 1 0 c を取 り 囲む 1 次側の電気回路に D C充電器 9 c からパルス電圧 1 0 f を印加する と 1 次電流 1 0 g (コア電流） が流れ、 磁性体 1 0 c が励磁され る ので ト ロイ ダル形状の磁性体 1 0 c を貫く 磁束密度が時間的に増加する。 この と き絶縁体 1 0 d を挟んで、 導体の内筒 1 0 a の両端部 1 0 h である 2 次側にフ ァ ラデーの誘導法則に従って電場 1 0 e が誘導される。 こ の電場 1 0 e が加速電 場と なる。 この加速電場が生 じる部分を加速ギャ ップ 1 0 〖 と い う。 従って、 閉 込用誘導加速セル 1 0 は 1 対 1 の ト ラ ンスである と いえる。
閉込用誘導加速セル 1 0 の 1 次側の電気回路にパルス電压 1 0 f を発生させる 閉込用スィ ツチング電源 9 b を接続し、 前記閉込用スィ ツチング電源 9 b を外部 からオン及びオフする こ とで、 加速電場の発生を自 由に制御する こ と ができ る。 これはイオンビーム 3 の加速がデジタル制御され得る こ と を意味する。
前記加速ギャ ップ 1 0 i にイオンビーム 3 のパンチ頭部 3 c (こ こ にはバンチ 中心 3 b にあるイ オンよ り 幾分エネルギーの高いイオンが存在する） が進入する と き、 閉込用誘導加速セル 1 0 であれば、 進行方向と逆向きの電場 1 0 e を与え る頭部の時間幅に対応する長さの誘導電圧 （以下、 負のバ リ アァ一電圧とい う。 ) を発生させる。 この負のバ リ アー電圧を感じてイオンのエネルギーは減じる。 イオンビーム 3 のパンチ中心 3 b が通過する時間帯は誘導電圧を一切発生させな レ
パンチ尾部 3 d (こ こにはパンチ中心 3 b にあるイオンよ り 幾分エネルギーの 低いイオンが存在する） が通過する時間帯には進行方向と 同 じ向きの電場 1 0 e を与える誘導電圧 （以下、 正のバ リ アー電圧と レ、 う。 ） を発生させる。 こ の符号 の異なる誘導電圧を感じたイ オンのエネルギーは増す。
イ オンビーム 3 が上述の符号の異なる誘導電圧を何度も繰り 返し受ける と、 始 めパンチ中心 3 b のイオンのエネルギーよ り 大きなエネルギーを持ったイオンの エネルギ一がパンチ中心 3 b のイ オンエネルギーよ り低く な り 、 閉込用誘導加速 セル 1 0 に到達する時刻が遅れ始め、 いずれパンチ尾部 3 d に位置する こ と にな る。 今度は、 パンチ尾部 3 d で前述のごと く 、 イオンビーム 3 の進行方向 と 同 じ 向きの電場 1 0 e を与える誘導電圧を感じ、 暫く する と到達の遅れとは逆過程の パンチ中心 3 b の追い抜き と 閉込用誘導加速セル 1 0 への早期到達と い う 現象が 起こ る。 イオンビーム 3 は、 この一連の過程を繰り 返しながら加速する。 このこ と をイオンビーム 3 の進行方向の閉じ込めと い う。
これは、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 によ る位相安定性 （図 1 1 ) と同 じ 効果をイオンビーム 3 に与える ものである。 閉込用誘導加速セル 1 0 の機能は、 従来の高周波加速空洞 3 6 a の閉 じ込めの機能だけを分離したものと等価である 。 また、 このよ う な誘導電圧をイオンビーム 3 にパルス電圧 1 0 f と して不連続 に印加する こ と から、 イオンビーム 3 が有ろ う が無かろ う が常時高周波 3 7 が励 起された状態にある高周波加速空洞 3 6 a に対して誘導加速セルはデジタル的動 作特性を持つと いってよい。
一方、 加速用誘導加速セル 1 3 では、 その加速ギャ ップ 1 0 i にイオンビーム 3 が通過している間、 進行方向と 同一の方向に加速電場が発生するよ う に誘導電 圧 （以下、 加速電圧とい う。 ） を発生させる。 但し、 磁性体 1 0 c の磁気的飽和 を避けるため、 イオンビーム 3 の通過後、 次にイオンビーム 3 が周回 して来る間 の任意の時間に誘導電圧を発生させた時と は逆向きの誘導電圧 （以下、 リ セ ッ ト 電圧とい う。 ） を加速用誘導加速セル 1 3 に印加 （リ セ ッ ト） しなければならな い。 閉込用誘導加速セル 1 0 の場合は リ セ ッ 卜 の結果発生する誘導電圧も有効に 進行方向の閉 じ込めに使用 されている
なお、 こ こでは 1 つの誘導加速セルを用いて説明 したが、 誘導加速セルの数は
、 加速するイ オンビ一ム 3 に必要な誘導電圧の印可時間及び到達エネルギー レべ ル等によって選択する 但し、 電圧 ドループの小さい誘導加速セルの設計が求め られる。
図 3 は誘導加速装置の構成とイ オン ビ —ムの加速制御方法を示す図である。 閉込用誘導加速装置 9 は、 イ オンビ ―ム 3 を進行方向に閉 じ込めるための極性 の異なる誘導電圧であるバ リ アー電圧を発生させる閉込用誘導加速セル 1 0 、 前 記閉込用誘導加速セル 1 0 に伝送線 9 a を介してパルス電圧 1 0 f を与える高繰 り 返 し動作可能な閉込用スィ ツチング ■m-
.¾源 9 b 、 前記閉込用スイ ッチング電源 9 b に電力を供給する D C充電器 9 c、 記閉込用スィ ツチング電源 9 b のオン及 びオフの動作をフィ一ドバッ ク制御する閉込用イ ンテ リ ジェン ト制御装置 1 1、 前記閉込用誘導加速セル 1 0 よ り 印加された誘導電圧値を知るための電圧モニタ 一 9 d カゝらなる。
こ の伝送線 9 a は閉込用スィ ッチング電源 9 b に使用する スィ ツチが半導体な どの高放射線環境下での動作に耐えられない場合に使用する。 放射線ダメージが 問題ないスィ ツチ素子、 も しく は低放射線環境を維持でき る場合は不必要であ り
、 閉込用スイ ッチング電源 9 b と閉込用誘導加速セル 1 0 は直結でき る。
閉込用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 1 は、 前記閉込用スイ ッチング電源 9 b の オン及びオフの動作を制御する閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a を生成する閉込 用パタ ―ン生成器 1 1 b 、 及び前記閉込用パタ一ン生成器 1 1 b によ る閉込用ゲ 一ト信号パターン 1 1 a の生成のも と情報である閉込用ゲー ト親信号 1 1 c を計 算する閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d からな 。
記閉込用ゲー 卜親信号 1 1 c は、 設計軌道 4 a に置かれたィ ォン ビ ―ム 3 の 通過を咸知するバンチモニタ一 7 によって測定されるィォンビ一ム 3 の通過シグ ナル 7 a 、 及びィ ォンビーム 3 に印加された誘導電圧値を知るための電圧モ二タ 一 9 d によって測定される誘導電圧シグナノレ 9 e を基に 、 予めプ P グラムされて いる処理法に従い閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d によって計算され 、 y ァル タィ ムに生成される ,„ 具体的には 、 前記閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d において、 mi 過シグ ナル 7 a から印加するバ リ アー電圧の発生タイ ミ ングを 前記通過シダナル 7 a 及び誘導電圧シグナル 9 e 力、らノ リ ア —電圧の印加時間の長さ を計算 し、 yジタ ル信号に変換され、 閉込用パターン生成器 1 1 b に出力される。
閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a には、 イ オン ビーム 3 に印加する負のノ、リ ァ
― 圧 2 6、 正のバ リ アー電圧 2 7及び電圧オフの 3 つのノ ターンがある o なお
、 負の リ ァ —電圧値及び正のバリ アー電圧値はイ オンビ —ム 3 の特性や種類に り異なるが 、 加速中は一定でよいので予め閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d にプ口 グラム しておけばよい。 使用する D C充電器 9 c くンク ； n ンデンサ - 2
3 の出力電圧によ り誘導電圧値は定ま
加速用 m導加速装置 1 2 の構成は、 ィォンビ一ム 3 を進行方向に加速させるた めの加速 ¾圧及び磁性体 1 0 c の fe気的飽和を避けるための リ セ ッ 卜電圧からな る加速用の誘導電圧を発生させる加速用誘導加速セル 1 3 、 前記加速用誘導加速 セノレ 1 3 に伝送線 1 2 a を介 して ノレハ *¾圧 1 0 f を与え 繰り 返 し動作可能 な加速用スィ ッチング電源 1 2 b 、 HIJ記加速用スィ ッチング電源 1 2 b に電力を
op
供給する D C充 ¾ ¾5 1 2 C 、 '
、 刖記加速用スィ ッチング電源 1 2 b のォン及びオフ の動作をフ ィ ― ドバッ ク制御する加速用ィ ンテ リ ジェ ン 卜制御装置 1 4 、 前記加 速用誘導加速セル 1 3 よ Ό 印加された誘道電圧値を知るための電圧モ タ一 1 2 d カゝらなる。
加速用誘導加速装置 1 2 は、 イオンビーム 3 に与える誘導電圧の機能が異なる が、 電気的には閉込用誘導加速装置 9 と 同 じである。 磁性体 1 0 c の磁気的飽和 を避けるため発生させる リ セ ッ ト電圧はイオンビーム 3 に何の働き も しないと レ、 う こ と 、 リ セ ク ト電圧の発生タイ ミ ングはイオンビーム 3 が通過していない時間 帯に選ばれる とが閉込用誘導加速装置 9 の場合と異なる。
加速用ィ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 4 は、 前記加速用スィ ツチング電源 1 2 b のオン及びォフの動作を制御する加速用ゲー ト信号パターン 1 4 a を生成する加 速用パターン生成器 1 4 b 、 及び前記加速用パターン生成器 1 4 b によ る加速用 グー ト信号パタ —ン 1 4 a の生成のも と情報である動作を制御する加速用ゲ一卜 親信号 1 4 c を計算する加速用デジタル信号処理装置 1 4 d からなる。 1
前記加速用ゲー ト親信号 1 4 c は、 設計軌道 4 a に置かれたイ オン ビーム 3 の 通過を感知するパンチモニター 7 によって測定されるイオンビーム 3 の通過シグ ナル 7 b及びイオンビーム 3 の重心位置を感知する位置モニタ一 8 によって測定 される位置シグナル 8 a と、 イ オン ビーム 3 に印加された誘導電圧値を知るため の電圧モニタ一 1 2 d によって測定される誘導電圧シグナル 1 2 e を基に、 予め プロ グラムされている処理法に従い加速用デジタル信号処理装置 1 4 d によって 計算され、 リ アルタイ ムに生成される。
具体的には、 前記加速用デジタル信号処理装置 1 4 d において、 前記通過シグ ナル 7 b及び位置シグナル 8 a から印加する加速用の誘導電圧の発生タイ ミ ング を、 前記通過シグナル 7 b及び誘導電圧シグナル 1 2 e から加速用の誘導電圧の 印加時間の長さを計算 し、 デジタル信号に変換され、 加速用パターン生成器 1 4 b に出力される。
加速用ゲー 卜信号パターン 1 4 a には、 イオンビーム 3 に印加する加速電圧 2 8 、 リ セ ッ ト電圧 2 9及び電圧オフの 3 つのパターンがある。 また、 加速電圧値 及びリ セ ッ ト電圧値は D C充電器 1 2 c とバンク コ ンデンサ一 2 3 の出力電圧で 決ま る。 なお、 加速電圧 2 8 は全種イ オン加速器 1 の電磁石の励磁パターンに同 期 して発生させる。
リ アルタイ ムに生成される閉込用及び加速用ゲー ト信号パターン 1 1 a 、 1 4 a が、 ほぼ 0 H z から閉込用及び加速用誘導加速セル 1 0 、 1 3 を駆動する閉込 用及び加速用スィ ツチング電源 9 b 、 1 2 b の半導体スィ ツチング素子の動作限 界に近い 1 M H z まで自在に可変生成でき る こ と を実証した。 このこ と は、 従来 は高周波加速空洞 3 6 a から得られる陽子の周回に同期 した高周波シグナルを用 いていたが、 前述のごと く 、 イ オンの種類によって、 高周波加速空洞 3 6 a を使 用する こ と ができないこ とから、 パンチモニター 7 からイオンビーム 3 の通過シ グナル 7 a 、 7 b を得て、 閉込用及び加速用ゲー ト信号パターン 1 1 a 、 1 4 a を生成する こ と こ と に起因する。
具体的なフ ィー ドバック機能を持った閉込用及び加速用デジタル信号処理装置 l l d 、 1 4 d の閉込用及び加速用ゲー ト親信号 1 1 c 、 1 4 c の処理は以下の よ う になされる。 理想的加速を保証する誘導電圧よ り 高い誘導電圧がイ オンビ一 ム 3 に与え られる と、 イ オン ビーム 3 は設計軌道 4 a から外側にずれる。 このよ う なこ とは、 現実に D C充電器 9 c 、 1 2 c の電圧設定精度誤差がある と起こ る 。 このよ う な場合、 閉込用及び加速用スイ ッチング電源 9 b 、 1 2 b のバンク コ ンデンサー 2 3 の充電電圧が理想値からずれる。 その結果、 閉込用及び加速用誘 導加速セル 1 0 、 1 3 に発生する誘導電圧が加速に必要な値からずれる。
そこで、 位置モニタ一 8 で検出 した位置シグナル 8 a でイ オン ビーム 3 の軌道 のズレを検知 し、 運動量のずれを知る。 こ のズレの補正に必要な分だけ加速電圧 2 8 の発生を意図的に停止する よ う 、 加速用デジタル信号処理装置 1 4 d で計算 し、 加速用ゲー ト親信号 1 4 c の生成をス ト ッ プする。 なお、 位置モニタ一 8 は 、 複数使用する こ と もでき る。 位置モニタ一 8 を複数使用する こ と で、 よ り 精度 よ く イオンビーム 3 の加速が制御されイオンビーム 3 の損失を避ける こ と ができ る。
このよ う なフィ 一 ドバッ ク制御によるイオンビーム 3 の加速によって、 イオン ビーム 3 の設計軌道 4 a を保持し、 全種イ オンを任意のエネルギーレベルまで安 定に加速する こ とができる こ と と なった。
図 4 は閉込用誘導加速装置の等価回路図である。 閉込用誘導加速装置の等価回 路 2 2 は図で示すよ う に、 D C充電器 9 c から常時給電を受ける閉込用スィ ツチ ング電源 9 b が伝送線 9 a を経由 して閉込用誘導加速セル 1 0 に繋がる。 閉込用 誘導加速セル 1 0 は L 、 C 、 Rの並列回路で示す。 並列回路の両端電圧がイ オン ビーム 3 の感じる誘導電圧である。
図 4 の回路状態は、 第 1 及び第 4 スィ ッ チ 2 3 a 、 2 3 d が閉込用ゲー ト信号 パ ターン 1 1 a によ り オンになってお り 、 ノくンク コ ンデンサ一 2 3 に充電された 電圧が閉込用誘導加速セル 1 0 に印加され、 加速ギャ ップ 1 0. i にイオンビーム 3 を閉 じ込めのための誘導電圧が生じている状態である。 次にオンになっていた 第 1 及び第 4 スィ ッ チ 2 3 a 、 2 3 d が閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a によ り オフにな り 、 第 2及び第 3 スィ ッチ 2 3 b 、 2 3 c が閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a によ り オンにな り 、 前記加速ギャ ップ 1 0 i に前記誘導電圧と逆向きの誘 導電圧が生じる と と と もに、 磁性体 1 0 c の磁気的飽和を リ セ ッ トする。 そ して 、 第 2及び第 3 スィ ッチ 2 3 b 、 2 3 c が閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a によ り オフにな り 、 第 1 及び第 4 スィ ッチ 2 3 a 、 2 3 d がオンになる。 この一連の スイ ッチング動作を閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a によ り繰り 返すこ と で、 ィ オンビーム 3 を閉 じ込める こ とができ る。
前記、 閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a は、 閉込用スイ ッチング電源 9 b の駆 動を制御する信号であ り 、 イ オン ビーム 3 の通過シグナル 7 b 、 及び印加 した誘 導電圧値を知るための誘導電圧シグナル 9 e を基に、 閉込用デジタル信号処理装 置 1 1 d及び閉込用パターン生成器 1 1 b からなる閉込用イ ンテ リ ジェ ン ト制御 装置 1 1 でデジタル制御される。
イオンビーム 3 に印加された誘導電圧は、 回路中の電流値とマ ッチング抵抗 2 4 と の積から計算された値と等価である。 従って、 電流値を測定する こ と で印加 した誘導電圧の値を知る こ と ができ る。 そこで、 電流計である電圧モニタ一 9 d で得られる誘導電圧シグナル 9 e を閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d にフ ィ 一 ドバッ ク し、 次の閉込用ゲー ト親信号 1 1 c の生成に利用する。
図 5 は閉込用誘導加速セルによ るイオンビームの閉 じ込め過程を示した図であ る。 図 5 ( A ) は、 閉 じ込め開始直後のイオンビーム 3 の様子を示している。 横 軸が時間で縦軸が誘導電圧値である。 両矢印はイ オンビーム 3 が設計軌道 4 a を 1 周する周回時間 2 5 を表している。 （ B ) においても同 じ。
設計軌道 4 a の全体に広がっているイオンビーム 3 を閉込用誘導加速セル 1 0 に進行方向 と逆向きの誘導電圧である負のバ リ ァー電圧 2 6 が発生する よ ぅ 閉込 用スィ ツチング電源 9 b の各スィ ツチをオンに してイオンビーム 3 の先端を捕捉 する。 この負のバリ ア一電圧 2 6 のイオンビーム 3 に対する印加時間 2 6 a は短 く てよい。 ついで、 閉込用誘導加速セル 1 0 にイオンビーム 3 の末端と なるィォ ンビーム 3 の周回時間 2 5 の終点で、 イオンビーム 3 の進行方向 と 同 じ向きの正 のバ リ アー電圧 2 7 が発生する よ ぅ 閉込用スィ ツチング電源 9 b の各スィ ツチを オンに しイオン ビーム 3 の末端を捕捉する。 こ の正のバ リ アー電圧 2 7 は、 磁性 体 1 O c の磁気的飽和を回避する こ と にも使用 されるから、 負のバリ アー電圧 2 6 と誘導電圧値は等価である こ とが必要である。 従って、 イオンビーム 3 に対す る印加時間 2 7 a も短時間で、 負のバ リ ア一電圧 2 6 と 同 じ誘導電圧を印加 した ならば、 印加時問 2 7 a 同 じ時間と なる。 これらのバ リ ア一電圧によって、 誘導 加速シンク ロ ト ロ ン 2 に入射され、 設計軌道 4 a の全体に分布するイ オン ビーム 3 の全体が閉 じ込められる。
図 5 ( B ) は、 先の図 5 ( A ) で閉 じ込められたイ オンビーム 3 を時間的に有 限な加速用の誘導電圧で加速するために、 イオンビーム 3 のパンチ 3 a の進行方 向における長さを小さ く する過程が示されている。
イオンビーム 3 の先端を補足している負のバ リ アー電圧 2 6 と 、 イオンビーム 3 の末端を補足 している正のバ リ ァー電圧 2 7 と を発生させる時間間隔 （以下、 バリ アー電圧発生間隔 3 0 と い う 。 ） を縮め、 —別の加速用誘導加速セル 1 3 に生 じる加速電圧 2 8 の印加時間 2 8 a でイオンビーム 3 を加速でき る よ う に、 ィォ ンビーム 3 を加速電圧 2 8 の印加時間 2 8 a 內の長さのパンチ 3 a にする。
具体的には、 負のバリ アー電圧 2 6 の発生タイ ミ ングを固定し、 正のバ リ アー 電圧 2 7 の発生タイ ミ ングを早める制御を閉込用イ ンテ リ ジェン ト制御装置 1 1 によ り行 う。 なお、 白抜きの左矢印が正のバリ ア一電圧 2 7 の発生タイ ミ ングの 移動方向である。
図 6 は本発明を構成する誘導加速シンク ロ ト ロ ンによって、 イ オンビームが加 速される と きの様子を示す図である。 V ( t ) は誘導電圧値を意味する。
図 6 ( A ) は、 加速途中のある時間でのイオンビーム 3 のパンチ 3 a 及びス一 パーパンチ 3 e の設計軌道 4 a での存在位置を表している。 図 6 では、 設計軌道 4 a に対峙する各々 1 つの閉込用誘導加速セル 1 0 、 加速用誘導加速セル 1 3 で イオンビーム 3 の閉 じ込めと加速を行 う場合について説明する。 イオンビーム 3 の通過はパンチモニター 7 の通過シグナル 7 a 、 7 b で確認する。
図 6 ( B ) は、 閉込用誘導加速セル 1 0 によ るイオンビーム 3 の閉 じ込めの様 子を示 している。 t ( a ) は、 パンチ 3 a またはス ーパーパンチ 3 e が閉込用誘 導加速セル 1 0 に到達した時間を基準に した、 ノく リ ア一電圧の発生タイ ミ ングと 印加時間 2 6 a 、 2 7 a である。 点線で示した縦線がパンチ 3 a またはスーパ一 パンチ 3 e の周回時間 2 5 を意味する。 図 6 において同 じ。
パンチモニタ一 7 から得られる通過シグナル 7 a を基に、 閉込用デジタル信号 処理装置 1 1 d でパンチ 3 a またはス 一パーパンチ 3 e が閉込用誘導加速セル 1 0 に到達する時間を計算 し、 負のバ リ ア一電圧 2 6 を発生する よ ぅ 閉込用ゲー ト ^ 信号パターン 1 l a を生成し、 パンチ頭部 3 c またはスーパ一パンチ 3 e の頭部 に負のバリ ア一電圧 2 6 が印加される。
パンチモニター 7 から得られる通過シグナル 7 a を基に、 閉込用デジタル信号 処理装置 1 1 d でパンチ 3 a またはスーパ一パンチ 3 e の尾部が閉込用誘導加速 セル 1 0 に到達する時間を計算し、 正のバ リ アー電圧 2 7 を発生する よ う 閉込用 ゲ一 ト信号パターン 1 1 a を生成し、 パンチ尾部 3 d またはスーパーパンチ 3 e の尾部に正の リ ア一電圧 2 7 が印加される。
このよ う に して、 くンチ 3 a またス ンチ 3 e を閉 じ込める こ とができ る。 印加された負及び正のバ リ ア一電圧 2 6 2 7 は、 電圧モニター 9 d からの 誘導電圧シグナル 9 e を基に閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d で計算され、 次 の閉込用ゲー ト親信号 1 1 c に利用 される。 なお、 イ オン ビーム 3 が短いパンチ 3 a であってもバ リ アー電圧発生間隔 3 0 を短く するだけで対応でき る。 · 図 6 ( C ) は、 加速用誘導加速セル 1 3 によ るイオンビーム 3 の加速の様子を 示 している。 t ( b ) は、 ンチ 3 a またはスーパーパンチ 3 e が加速用誘導加 速セル 1 3 に到達する時問を基準に した、 加速用の誘導電圧の発生タイ ミ ングと 印加時間 2 8 a 2 9 a である。
加速電圧 2 8 が、 パンチモニター 7 から得られる通過シグナル 7 b を基に、 加 速用デジタル信号処理装置 1 4 d でパンチ 3 a またはスーパ一パンチ 3 e が加速 用誘導加速セル 1 3 に到達する時間を計算 し、 加速電圧 2 8 を発生する よ う加速 用ゲー ト信号パターン 1 4 a を生成し、 パンチ 3 a またはス一パーパンチ 3 e の 全体に印加される。
リ セ ッ ト電圧 2 9 は、 加速用デジタル信号処理装置 1 4 d によ り 計算され設計 軌道 4 a のイ オンビーム 3 が存在しない時間帯に、 磁性体 1 0 c の磁気的飽和を 回避するため、 加速電圧 2 8 と逆極性の誘導電圧と して印加される。 このよ う に して、 パンチ 3 a またスーパ一パンチ 3 e を加速するこ とができ る。 なお、 （ 1 / 2 ) T。と は、 図 6 ( B ) の t ( a ) と 図 6 ( C ) の t ( b ) の時間基準が周 回時間 2 5 の半分だけずれている こ と を意味する。
図 6 ( D ) は、 ある時間でのパンチ 3 a またはスーパーパンチ 3 e の加速の様 子を示している。 すなわち、 図 6 ( B ) と図 6 ( C ) を合成したものである。 従 つて、 横軸の ！： は、 閉込用誘導加速セル 1 0 と加速用誘導加速セル 1 3 の時間基 準に 1 2 の周回時間 2 5 のズレがある時間基準である。 図 7 の t においても同 じ。
図 7 は、 イオンビーム 3 を複数のパンチ 3 a に した後に、 加速する方法につい て示した図である。 この方法によればバ リ ァー電圧の誘導電圧値が小さ く て済む 利点がある。
イオンビーム 3 を複数のパンチ 3 a に した後に、 加速する方法は、 入射された D C ビーム状のイオンビーム 3 を予め複数のバ ンチ 3 a と し、 最終的に単一のバ ンチ 3 a (スーパーパンチ 3 e ) と して図 7 ( A ) 力、ら （ E ) の順に従う こ と に よ り 可能と なる。
縦軸が誘導電圧値であ り 、 横軸は時間である。 破線で示した縦軸までの長さ を 示す破線の横両矢印は、 入射直後のイ オンが設計軌道 4 a を一周するのに要する 周回時間 2 5 である。 すなわち真空ダク ト 4 の周長である。
図 7 ( A ) は、 前段加速器 1 .7 によって一定のエネルギー レベルまで加速され たイオンビーム 3 が、 真空ダク ト 4 に多重回入射された直後の様子を示している 。 入射されたイオンビーム 3 は、 設計軌道 4 a の全体に渡って D C ビーム状のィ オンビーム 3 と して存在している。 この時の周回時間 2 5 は 1 0 秒、 入射時の 周回周波数は 1 0 0 k H z 程度の 3 9価のウラ ンイオンを例に説明する。
図 7 ( B ) は、 閉込用誘導加速セル 1 0 で印加されるバ リ アー電圧によって、 設計軌道 4 a の全体に存在するイオンビーム 3 を複数のイオンビーム 3 と して閉 じ込める方法を示している。 負及び正のバリ ア一電圧 2 6 、 2 7 の間を示す実線 の横両矢印は、 バ リ ア一電圧発生間隔 3 0 を意味する。 負のバリ アー電圧間を示 す実線の横両矢印は、 同極のバ リ ア一電圧の発生タイ ミ ングの間隔 （以下、 同極 のバリ アー電圧発生間隔 3 1 と いう。 ） を意味する。
このよ う に、 設計軌道 4 a の全体に存在するイオンビーム 3 を複数のイオン ビ ーム 3 に分断する こ と で、 各々 のイオンビーム 3 を加速電圧 2 8 の印加時間 2 8 a になる よ う効率的に短く する こ とができ る。 閉込用誘導加速セル 1 0 のバリ ア —電圧の印加時間 2 6 a 、 2 7 a が各々十分に 0 . 5 μ秒以下であれば、 1 0個 のイオンビーム 3 の断片に分断する こ とができ る。 ^ 図 7 ( C ) は、 分断されたイ オン ビーム 3 を複数のパンチ 3 a にする方法を示 している。 リ ア一電圧発生間隔 3 0 を徐々 に短く する と と もに、 同極のバリ ア —電圧発生間隔 3 1 も短く する こ と加速電圧 2 8 を受け られる よ う にする。 さ ら に、 隣り合 う パンチ 3 a 間 （以下、 パンチ間隔 3 2 と レ、 う。 ） を短く する よ う に 、 正のバ リ ア一電圧 2 7 の次に発生させる負のバ リ ア一電圧 2 6 の間隔を短く し 閉 じ込めたパンチ 3 a 同士を接近させる。
図 7 ( D ) は、 イオンビーム 3 を分断してなる複数のパンチ 3 a を結合して単 一のパンチ 3 a とする過程を示している。 隣り 合うパンチ 3 a 、 または複数のバ ンチ 3 a の最初の負のバ リ ア一電圧 2 6 と最後の正のバリ ア一電圧 2 7以外の負 及び正のバ リ ア一電圧 2 6 b 2 7 b .の印加を行わないこ とで、 複数のパンチ 3 a を結合すこ と ができ る。 最終的に単一のパンチ 3 a にする。 この印加しない負 及び正のバ リ アー電圧 2 6 b 2 7 b の選択は閉込用イ ンテ リ ジェ ン ト制御装置 1 1 の閉込用デジタル信号処理装置 1 1 d に予めイ オンの種類、 到達エネルギー レベルによ ってプロ グラ ムされた処理方法に従い リ アルタイ ムに閉込用ゲー ト信 号パターン 1 l a を生成する こ とで可能である。 同様に不必要な加速電圧 2 8 b 、 リ セ ッ ト電圧 2 9 b の選択、 印加中止は加速用イ ンテ リ ジヱ ン ト制御装置 1 4 で計算される。
さ らに、 イ オンビーム 3 を単一のパンチ 3 a にする前に、 加速用誘導加速セル 1 3 の加速電圧 2 8 の印加時間 2 8 a の範囲内にパンチ 3 a を閉 じ込めまたは結 合できた ら、 加速電圧 2 8及びリ セ ッ ト電圧 2 9 の発生を加速用イ ンテ リ ジヱ ン 卜制御装置 1 4 によって制御する こ と で、 よ り 効率的にイオンビーム 3 を設定ェ ネルギーレベルまで加速する こ とができ る。
図 7 ( E ) は、 イオンビーム 3 を完全に単一の くンチ 3 a (ス 0ンチ） に し、 閉 じ込め及び加速している と き の様子を示 している。 図 7 に示す （A ) ( E ) のよ う な過程をと る こ と で、 図 5及び図 6 に示す閉 じ込め及び加速方法よ り 効率的にイ オンビーム 3 を設定エネルギーレベルまで加速する こ とができ る こ と と なる。 このよ う な方法を採用する こ と ができ るのは、 閉込用及び加速用スィ ツチング電源 9 b 1 2 b の駆動周波数が 0 H z から 1 メ ガヘルツまで自在に可 変可能である こ と 、 閉込用及び加速用ゲー ト信号バタ一ン 1 1 a 1 4 a 、 閉込 用及び加速用デジタル信号処理装置 1 1 d 、 1 4 d及び閉込用及び加速用バタ一 ン生成器 1 1 b 、 1 4 b で リ アルタイ ムに生成する こ とができ る こ と による。 図 8 は、 複数の誘導加速セルによるイ オンビームの加速方法を示す図である。 一般にバ リ ァー電圧は短い印加時間 2 6 a 、 2 7 a で相対的に高圧、 加速電圧 2 8 は長い印加時間 2 8 a で相対的には低圧、 リ セ ッ 卜電圧 2 9 は、 加速電圧 2 8 とエネルギー的に等価になる よ う 印加時間 2 9 a と電圧値が要求される。 複数の 閉込用及び加速用誘導加速セル 1 0 、 1 3 を用いる こ とで、 前記要求を満足させ る こ とができ る。 そこで、 以下に 3連の閉込用及び加速用誘導加速セル 1 0 、 1 3 を用いた と きの運転パターンについて説明する。 この方法によれば、 イオンの 選択、 エネルギー レベルの選択の自 由度を増すこ とできる。
図 8 ( A ) は、 3連の閉込用誘導加速セル 1 0 によって与えられるバ リ ア一電 圧の大き さ と、 印加時間を示している。 縦軸が誘導電圧値であ り 、 横軸がバ リ ア —電圧の印加時間 2 6 a 、 2 7 a を意味する。 （ 1 ) 、 （ 2 ) 及び （ 3 ) はそれ ぞれ第 1 閉込用誘導加速セル 1 0 、 第 2 閉込用誘導加速セル 1 0及び第 3 閉込用 誘導加速セル 1 0 を意味する。 また （ 4 ) は 3連の閉込用誘導加速セル 1 0 によ つて、 イオンビーム 3 に印加された合計の負及び正のバ リ アー電圧 2 6 f 、 2 7 f を示 している。
3連の閉込用誘導加速セル 1 0 に到達したイオンビーム 3 のパンチ 3 a に （ 1 ) カゝら （ 3 ) の順に先ず負のバリ ア一電圧 2 6 c 、 2 6 d 、 2 6 e を印加する。 このと きパンチ 3 a は高速であるため、 ほぼ同時に負のバ リ アー電圧 2 6 c 、 2 6 d 、 2 6 e を印加すればよい。 同様に正のバ リ ア一電圧 2 7 c 、 2 7 d 、 2 7 e をノくンチ尾部 3 d に印加する。 従って、 ノ ンチ頭部 3 c 、 ノくンチ尾部 3 d には 、 （ 4 ) に示す合計の負及び正のバ リ ア一電圧 2 6 f 、 2 7 f と等しレ、ノくリ ア一 電圧がパンチ 3 a に印加されたこ と と なる。 このよ う に閉込用誘導加速セル 1 0 を連ねる こ とで、 実効的に必要なバ リ アー電圧を得る。 すなわち、 各々の閉込用 誘導加速セル 1 0 によ り 印加されるバ リ ア一電圧値 2 6 g 、 2 7 g が低く ても、 高いバリ ア一電圧値 2 6 h 、 2 7 h を得る こ とができ る こ と になる。
図 8 ( B ) は、 3連の加速用誘導加速セル 1 3 によって与えられる加速用の誘 導電庄の大き さ と印加時間を示している。 縦軸が加速用の誘導電圧値であ り 、 横 軸が加速用の誘導電圧の印加時間 2 8 a、 2 9 a を意味する。 （ 1 ) 、 （ 2 ) 及 び （ 3 ) はそれぞれ第 1 加速用誘導加速セル 1 3 、 第 2加速用誘導加速セル 1 3 及び第 3加速用誘導加速セル 1 3 を意味する。 また （ 4 ) は 3連の加速用誘導加 速セル 1 3 によって、 パンチ 3 a に印加された合計の加速電圧 2 8 f 及び合計の リ セッ ト電圧 2 9 f を示している。
3連の加速用誘導加速セル 1 3 に到達したイ オンビーム 3 に （ 1 ) から （ 3 ) の順に先ず一定の加速電圧値 2 8 h である加速電圧 2 8 c 、 2 8 d、 2 8 e を印 加する。 このと き （ 1 ) 力、ら （ 3 ) のよ う に印時間をずらすこ とでイオンビーム 3 の全体に加速電圧 2 8 c、 2 8 d、 2 8 e を印加する こ とができ る。 従って、 イオンビーム 3 の全体に （ 4 ) に示す合計の加速電圧 2 8 f の印加時間 2 8 g を 確保する こ とができ る。 1 つの加速用誘導加速セル 1 3 では短い印加時間 2 8 a しか加速電圧 2 8 を印加できなく ても、 このよ う に加速用誘導加速セル 1 3 を連 ねる こ とで長い印加時間 2 8 a を確保する こ とが可能になる。 つま り 、 低圧の誘 導電圧を発生させ得る共通規格の誘導加速セルの組み合せだけで、 閉 じ込めと加 速の二つの 目的に対応でき る。 ゆえに、 誘導加速装置の製造コス 卜が低く 抑えら れる。
3連の加速用誘導加速セル 1 3 にィ オンビーム 3 が存在 しない時間帯に加速用 誘導加速セル 1 3 の磁気的飽和を回避するため リ セ ッ 卜電圧 2 9 c 、 2 9 d、 2 9 e を印加する。 リ セ ッ 卜電圧値 2 9 g は、 各加速用誘導加速セル 1 3 の磁気的 飽和を回避する必要があるから、 各加速用誘導加速セル 1 3 に発生さ る。 理論的 には、 この リ セ ッ ト電圧 2 9 c、 2 9 d、 2 9 e を印加する時間帯以外は、 カロ速 電圧 2 8 を印加する時間と して利用する こ とができ るため、 全種イオンをスーパ 一パンチ 3 e と して加速する こ とが可能である。
ノく リ ァー電圧発生間隔 3 0 を閉込用スィ ツチング電源 9 b に使用するスィ ツチ ング素子の閉込用ゲー ト信号パターン 1 1 a を自 由にコ ン ト ロ ールするこ とがで き るので、 従来の高周波シンク ロ ト ロ ン 3 5 では原理的に不可能であったパンチ 3 a を進行方向に長い状態で保持でき るので、 一度に加速する こ と のでき るィ ォ ン数が大幅に増大する こ と となった。
図 9 は既存の K E Kの 5 O O M e V P S と 1 2 G e V P S を本発明である全種 ーハ イオン加速器に改装 した ■¾ 口 に可能になる、 最大電価数を持った種々 のィオンの 核子当た り の到達エネルギ一を計算 した結果を示す図である。
ィォンビ一ム 3 の ソ ―ス は 、 H (水素） 、 C (炭素） 、 N (窒素） ゝ N e (ネ オン） 、 A 1 (アルミ 二ゥム ) 、 C a (カルシウム） 、 O (酸素） 、 M g (マグ ネシゥム） 、 A r (ァルゴン ) 、 N i (ニ ッケル） 、 Z n (亜鉛） 、 K Γ (ク リ プ ト ン ) 、 X e (キセ ノ ン） 、 E r (エノレビゥ ム） 、 T a (タ ンタノレ ) 、 B i ( ビスマス） 、 U (ク ラ ン ) 、 T e (テノレノレ）.' 、 C u (銅） 、 T i (チタン ) など
、 軽い原子である陽子から重ィォンである ウラ ンまで試みた。
グラフの横軸は原子 号であ り 、 左から原子番号小さいものから順にプロ ッ 卜 口
した。 グラ フの縦軸は 、 各加速 で加速した、 或いは予測されるィ ォンの核子当 た り のェネノレギ一量を ' 、味する o 左軸の単位はメ ガボル ト （ M e V ) で 右軸の 単位はギガボル 卜 （ G e V ) であ なお右軸は改装 1 2 G e V P Sの 果を参 照する場合のみ使用する o
國は 、 K E Kの現 5 0 0 M e V P S (現在の共振電源である電磁石 源をその まま使用） 、 は、 K E Kの改 3¾ 5 0 O M e V P S (現在の共振電源である電磁 石電源をパターン電源に置き換えた場合） 、 ▲は、 K E Kの 1 2 G e V P S をそ れぞれ本発明である全種イ オン加速器 1 に変更 した場合の各種イ オンビーム 3 の ェネルギ一の予測結果である。
なお 、 従来の加速器と比較するため 、 国内最大のサィ ク ロ ト ロ ンである理化学 研究所で稼働している リ ングサイ ク ロ 卜 P ンにおけるィオンビーム 3 の加速実績
(破線内 ) ち示 した。 破線で囲まれた 〇は 、 各種ィォンビーム 3 を前記サイ ク ト ロ ンに高周波線形加速器入射 3 3 したと きの各種ィォンビーム 3 の至 lj達ェネル ギ一であ 一方の破線で囲まれた口は、 各種イオンビ —ム 3 を前記サイ ク P ロ ンに A V Fサイ ク ロ ト ロ ン入射 3 3 a したと き の各種イ オン ビーム 3 の到達ェ ネ ノレギ一であ
ィォンの進行軸に対して垂直方向の閉 じ込めは従来の強収束方式を採用する o パタ一ン制御電源にて駆動する電磁石を用レ、るス ロ一サイ クノレシンク ロ ト ロ ンで は取り 出 しェネノレギ一は可変と なる。 又、 共振回路で駆動する電磁石を用いる ラ ッ ピ ドサィ クルシンク ロ ト ロ ンでは核子当た り の加速ェネルギ一はィオンの質量 数と電価数によつて決まる
図 9 の 果から 、 本発明である全種ィオン加速器 1 に つて、 以下のこ とがい える。
第 1 に 、 5 0 0 M e V P S (國、 攀 ) は従来のサィ グ 卜 ロ ンでは到達できな レ、エネノレギ一領域を力ノ s ~する 。 即ち 、 従来の特定の重ィオンを加速でき る高周 波線形加速器入射 3 3 (〇） であつて 、 高周波線形加速器 1 7 b の加速距離及 びサイ ク 口 ト ロ ン用電 fe石の物理的限界によ り 、 加速でき るイオンに制限があ り
、 また j記物理的限界によ り 到達でさ るエネノレギ一レベルにも限界がある。 加速 可能なィォンは、 陽子から T a までであ り 、 その到達ェネルギーも格子当た り 7
〜 5 0 M e Vまでであ O
一方、 A V Fサィ ク π 卜 P ン入射 3 3 a (□) では、 问周波線形加速器入射 3
3 (〇） よ り も 、 「¾子のよ ラ な軽いィォンであれば 、 ある程度の高いエネノレギー レべノレ （約 2 0 0 M e V ) 程度までイ オンを加速する こ とが可 でめるがゝ やは り入射器の制限から加速可能なイオンは C u、 Z n まである
第 2 に 、 改良 1 2 G e V P Sでは全てのイオンを核子当た り 約 4 G e V以上の ェネルギ —まで高.める こ とができ る。
従って 、 本発明である全種イ オン加速器 1 を用レ、る こ と で 、 —従来のサイ ク 口 卜 ロ ン、 高周波シンク ロ ト π ン 3 5 では、 不可能でめった直ィォンを含む全種ィォ ンを任意のエネノレギ一レベルまで容易に高める こ とができ る 産業上の利用可能性
本発明は、 以上の構成であるから以下の効果が得られる 第 1 に、 従来の高周 波シンク ロ ト ロ ン 3 5 を间周波加速装置 3 6 以外の装置をそのまま再利用 して、 低コス トで、 本発明である全種イオン加速器 1 に変更する こ とができ る。
第 2 に 、 本発明である全種イ オン加速器 1 は 1 台で全種ィオンを、 任意のェネ ルギ一レベノレまで加速する こ とができ る。
具体的には、 K E Kの 5 O O M e V P S と 1 2 G e V P S を本発明である全種 イオン加速器 1 に変更する こ とで、 5 0 0 M e V P S では 、 現時点では、 最大規 模の理化学研究所のサイ ク 口 ト ロ ンでも到達できないエネルギーレベルまで各種 イ オンを加速する こ とができ、 一方、 1 2 G e V P S では、 全 イオンを核子当 た り最大約 4 G e Vまで加速でき るこ と となる
更に本発明である全種イオン加速器は上記効果が得られる こ とから、 最近癌治 療用に供給される よ う になつた炭素線だけではな < 、 任意の電価状態の更に重い 重イ オンを供給でき るので、 粒子線癌治療の対象部位が大幅に増すと共に、 治療 法の自 由度が広がる と考え られる。 また医療用 R I の製造、 短寿命核によ る放射 化分析及び半導体損傷試験の幅が大幅に広がる さ らに宇宙空間で用いる %r皿に 搭載される各種電子機器の重イ オン宇宙線によ 'る損傷予測のための地上試験が可 能になる。

Claims

請求の範固
1 . 前段加速器や高圧イ オン源によ り 直接入射されたイ オン ビームに、 誘導加速 シンク 口 ト ロ ンに使用される閉込用及び加速用誘導加速セルによって印加する誘 導電圧の発生タイ ミ ング及び印加時間を変動させるため、 イオンビームの通過シ ダナル、 位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘 導電圧シグナルを基に、 閉込用及び加速用デジタル信号処理装置及び閉込用及び 加速用パターン生成器で閉込用及び加速用ゲー ト信号パターンを生成し、 前記閉 込用及び加速用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用及び加速用ィ ンテ リ ジェン ト制御装置によ り フ ィ ー ドバッ ク制御..し、 全てのイ オンの周回に同期させ、 加速 するこ とができ る こ と を特徴とする全種イオン加速器。
2 . 前段加速器や高圧イ オン源よ り 直接入射されたイ オン ビームに、 誘導加速シ ンク 口 ト ロ ンに使用 される閉込用及び加速用誘導加速セルによって印加する誘導 電圧の発生タイ ミ ング及び印加時間を変動させるため、 イオンビームの通過シグ ナル、 位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導 電圧シグナルを基に、 閉込用及び加速用デジタル信号処理装置及び閉込用及び加 速用パターン生成器で閉込用及び加速用ゲー 卜信号パターンを生成し、 前記閉込 用及び加速用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用及び加速用ィ ンテ リ ジェ ン ト 制御装置によ り フ ィ ー ドバッ ク制御 し、 全てのイ オンの周回に同期させ、 加速す る こ とができ る こ と を特徴とする全種イオン加速器の制御方法。
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