WO2009154071A1 - 荷電粒子加速装置 - Google Patents

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WO2009154071A1
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acceleration
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charged particle
tube
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博文 惠郷
雄次 大竹
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独立行政法人理化学研究所
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    • 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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle acceleration device.
  • the disk load type dipole accelerating tube is used as a high frequency deflector for deflecting the beam for measuring the traveling direction profile of the electron beam and separating the orbit.
  • a circular iris is provided on the disk to couple the cells (acceleration cavities), thereby causing a delay in energy propagation and phase velocity.
  • the dipole resonance mode is excited in the acceleration tube and used.
  • a degeneration separation dedicated iris called “suppressor” has been provided.
  • the acceleration tube is manufactured in a high frequency band such as C band (4 to 8 GHz) or X band (8 to 12 GHz) in order to increase the acceleration efficiency, it is difficult to precisely process the suppressor because the acceleration tube body is small. There was a problem that there was.
  • the present invention has been made in consideration of such problems, and aims to improve the resonance stability of the dipole mode in the accelerator tube and facilitate the manufacture of the accelerator tube.
  • a charged particle acceleration device is a charged particle acceleration device in which a plurality of acceleration cavities are coupled by providing a disk including an iris between a plurality of acceleration cavities, and the shape of the iris is flat. It is a shape.
  • the shape of the iris is preferably symmetrical with respect to each of two orthogonal axes, and is a flat shape.
  • a racetrack shape including two semicircular portions and two parallel straight portions connecting the two semicircular portions.
  • a magnetic field parallel to the long axis direction is likely to leak to adjacent cells, and the area where the magnetic field can exist is expanded. Then, it can be separated into a mode (mode having a magnetic field parallel to the long axis) and a dead mode (mode having a magnetic field orthogonal to the long axis) that are greatly affected by the influence.
  • the depolarization of the dipole mode is solved only by a single iris without providing a suppressor as used in a conventional accelerator tube, and the beam deflection direction is stable. Particle acceleration is possible. Further, since the structure of the acceleration tube can be simplified, the acceleration tube can be easily manufactured even in a high frequency region.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a disk load type multi-cell dipole accelerating tube according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the shape of the racetrack type iris provided on the disk in this embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing simulation results showing the relationship between the transition phase and the passband in the multi-cell dipole accelerator tube according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a view showing a disk provided with a degenerate separation iris according to the prior art.
  • inter-cell coupling is performed by a racetrack type iris in a disk load type dipole acceleration tube having a plurality of cells.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a disk load type acceleration tube having a 7-cell racetrack type iris as an example. Note that the number of cells may be changed as necessary.
  • this accelerating tube includes cylindrical small chambers (acceleration cavities) C1 to C7 called cells, and each cell is connected by disks D1 to D6. In the center of each of the disks D1 to D6, racetrack-shaped irises (holes) A1 to A6 are provided.
  • B1 is a high-frequency inlet, and B2 is a high-frequency outlet.
  • E1 is an entrance port of a charged particle group (bunch), and E2 is an exit port of the bunch.
  • Fig. 2 shows the detailed shape of the racetrack iris.
  • the racetrack shape is a shape constituted by two opposing semicircular portions R1, R2 and two parallel straight portions L1, L2 connecting these semicircular portions. .
  • the radius of the semicircular part and the length of the straight part are determined from the transition phase employed for operation, the required group velocity, the acceleration voltage, and the like.
  • the size of the racetrack iris can be adjusted by the following procedure. (1) First, an opening (radius of a semicircular portion) necessary for beam passage is set. (2) Next, the length of the linear portion is adjusted so as to obtain the necessary group velocity and acceleration voltage. Here, the group velocity defines the high frequency filling time for the accelerating tube. (3) If necessary performance cannot be obtained by adjusting the straight line in (2) above, the transition phase (cell length) is changed. In this way, it is possible to obtain a racetrack type iris corresponding to the high-frequency source to be used and the purpose of use (for example, a wide opening even when the acceleration voltage is low, or a short high-frequency filling time).
  • the shape of the iris is symmetric with respect to the beam deflection surface and its orthogonal plane, and is not limited to the racetrack shape as long as the cross-sectional shape on each surface is different. good.
  • it can also be expressed as a shape that is line symmetric with respect to each of two orthogonal axes and that the lengths on these axes are different. Therefore, for example, shapes such as an ellipse, a rectangle, and a rhombus can be employed.
  • the racetrack shape is preferable.
  • a high frequency is input to the cell C1 from the input port B1, and the high frequency is propagated to the cells C2 to C7 via the racetrack type irises A1 to A6.
  • the frequency of the input high frequency is matched with the frequency of the natural state (mode) resonating in the accelerating tube, the electromagnetic field distribution specific to the mode is excited in the cells C1 to C7.
  • the frequency of the input high frequency is set to the frequency of the acceleration tube dipole mode, an electromagnetic field (lateral electromagnetic field) having an orientation in the xy plane in the figure appears in the cells C1 to C7.
  • the high frequency input from the input port B1 passes from the cell C1 to the cell C7 while generating a unique electromagnetic field distribution in each cell and exits from the output port B2 to the outside.
  • the bunch While a lateral electromagnetic field is generated in the cells C1 to C7 by applying a high frequency, the bunch is incident in the z direction from the incident port E1, passes through the cells C7 to C1 and the irises A6 to A1, and exits from the emission port E2. Exit. Since the disks D1 to D6 provided with the irises A1 to A6 exert a delay action on the high frequency, by setting the iris shape and the z-direction length of the cells to appropriate values, the cell passage time of the bunch and the inside of the cell are set. It is possible to synchronize the phase change times of the excitation electromagnetic fields.
  • the bunch synchronized with the electromagnetic field in the cell is accelerated by receiving additional lateral force when passing through the cells C1 to C7.
  • the phase value at the time of incidence changing the incidence timing
  • the movement of the center of gravity is used for separating the trajectory of the bunch, and the pitch motion is used for observing the traveling direction (z direction) profile of the bunch.
  • an acceleration tube composed of a plurality of cells as shown in FIG. 1 causes resonance having a phase difference between adjacent cells even if the electromagnetic field state of each cell is the same.
  • the resonance frequency of the acceleration tube is also different, and a resonance frequency region unique to the acceleration tube called a passband is formed.
  • the frequency of the high frequency used must be a value within this passband.
  • the irises A1 to A6 have a flat shape that is long in the x direction and short in the y direction, so that a magnetic field parallel to the long axis direction (x direction) is more likely to leak to the adjacent cell. , Has the effect of expanding the possibility of existence of a magnetic field. This perturbs the dipole mode and degenerates. Then, the dipole mode is split in two directions, x and y.
  • FIG. 3 shows a passband simulation result in the C-band accelerator tube of the present invention as an example.
  • any mode with a transition phase of ⁇ / 2 or more can be used as the acceleration mode without mixing with the x-direction mode, which is an unnecessary parasitic mode It becomes.
  • the conventional accelerator tube has a mode with a large transition phase (such as a 5 ⁇ / 6 mode) in which the group velocity is small and unstable resonance occurs. Use is also possible.
  • the present invention makes it possible to manufacture a small accelerating tube that can change the beam stably with a high acceleration gradient, thus reducing the installation space limitation and enabling high-accuracy beam diagnosis and time-of-flight analysis at many accelerator facilities.
  • the small high-frequency deflector can be incorporated into many devices. Further, not only can the charged particle beam be distributed at a short distance, but also the distribution angle is variable, which contributes to the efficiency of processing equipment and medical equipment using the charged particle beam and the expansion of the application range.

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Abstract

　アイリスを設けたディスクを設けることによって複数のセルを結合した、ディスクロード型加速管において、アイリスの形状をレーストラック形状（２つの半円を直線でつないだ形状）などの扁平な形状とする。これにより、２つのダイポールモードの縮退が解け、サプレッサーなどの追加のアイリスを設けなくても、ビーム偏向方向が安定した荷電粒子加速が可能となる。また、単一のアイリスを設ければよいだけなので、製造も容易となる。

Description

荷電粒子加速装置
　本発明は、荷電粒子加速装置に関する。
　ディスクロード型ダイポール加速管は、電子ビームの進行方向プロファイル測定や軌道分離のためにビームを偏向させる高周波デフレクターとして用いられている。このようなディスクロード型ダイポール加速管では、円形アイリスをディスクに設けることによってセル（加速空洞）間を結合し、エネルギー伝搬と位相速度の遅延を生じさせている。そして、この加速管を高周波デフレクターとして機能させるためには、ダイポール共振モードを加速管内に励起させて利用する。
　ここで、円形アイリスを有する完全軸対称のディスクロード型加速管内では、２つのダイポールモードが縮退（同一化）してしまい、電磁場の向きが確定せず、加速方向の不定性が回避できない。
　そのため従来は、図４に示すように、セル間結合用のアイリス以外に「サプレッサー」と呼ばれる縮退分離専用アイリスを設けていた。縮退分離用アイリスによって軸対称を破る構造とすることで、この構造に合うように非対称な磁場分布が発生して、モードの向きを固定することができる。
H.Hahn, "Deflecting Mode in Circular Iris-Loaded Waveguides", The Review of Scientific Instruments, 34-10, pp.1094-1100, October 1963. O.H.Altenmuller et al., "INVESTIGATIONS OF TRAVELING-WAVE SEPARATORS FOR THE STANFORD TWO-MILE LINEAR ACCELERATOR", SLAC-PUB-17, September 1963. H.G.Hereward et al., "DISC-LOADED DEFLECTING WAVEGUIDE", CERN 63-33, October 1963. Pierre M. Lapostolle, Albert L. Septier ed., "Linear Accelerators", North Holland Publishing Company, 1970. R. B. Neal ed., "The Stanford Two-Mile Accelerator", W. A. Benjamin. inc, 1968.
　しかしながら、加速効率を上げるためにＣバンド（４～８ＧＨｚ）やＸバンド（８～１２ＧＨｚ）等の高周波帯域で加速管を製作する場合、加速管本体が小さくなるため、サプレッサーの精密加工が困難であるという問題が生じていた。
　本発明はこのような問題点を考慮してなされたものであり、加速管内でダイポールモードの共振安定性を向上させるとともに、加速管製造を容易にすることを目的とするものである。
　本発明に係る荷電粒子加速装置は、複数の加速空洞の間に、アイリスを備えるディスクを設けることで、これら複数の加速空洞を結合した荷電粒子加速装置であって、アイリスの形状が、扁平な形状であることを特徴とする。
　より具体的には、アイリスの形状は、直交する２つの軸のそれぞれに対して軸対称であって、扁平な形状であることが好適である。このような形状の例としては、２つの半円部と、これら２つの半円部を接続する２つの平行な直線部からなるレーストラック形状を挙げることができる。
　このようにアイリスの形状を扁平にすることで、長軸方向に平行な磁場が隣接するセルに漏れやすくなり、磁場の存在可能領域が広げられる。そして、その影響を大きく受けるモード（長軸に平行な磁場を持つモード）と、不感モード（長軸に直交する磁場を持つモード）とに分離することができる。
　本発明に係る荷電粒子加速装置によれば、従来の加速管で採用されているようなサプレッサーを設けずに、単一のアイリスのみによってダイポールモードの縮退を解き、ビームの偏向方向が安定した荷電粒子加速が可能となる。また、加速管の構造を簡素化できるため、高い周波数領域でも加速管の製造が容易となる。
図１は本実施形態に係るディスクロード型マルチセルダイポール加速管の断面斜視図である。 図２は本実施形態においてディスクに設けられたレーストラック型アイリスの形状を示す図である。 図３は本実施形態に係るマルチセルダイポール加速管における遷移位相とパスバンドの関係を示すシミュレーション結果を示すグラフである。 図４は従来技術に係る縮退分離用アイリスを設けたディスクを示す図である。
　本実施形態に係る加速管では、複数セルを持つディスクロード型ダイポール加速管において、レーストラック型アイリスでセル間結合を行う。以下では、図面を参照して、本実施形態に係る加速管の構造と動作について説明する。
〈加速管構成〉
　図１に、例として７セル構成のレーストラック型アイリスを持つディスクロード型加速管の断面図を示す。なお、セルの数については必要に応じて変えれば良い。図に示すように、本加速管は、セルと呼ばれる円筒状の小室（加速空洞）Ｃ１～Ｃ７を備えており、各セルはディスクＤ１～Ｄ６で結合されている。各ディスクＤ１～Ｄ６の中央には、レーストラック形状のアイリス（孔部）Ａ１～Ａ６が設けられている。また、Ｂ１は高周波の投入口であり、Ｂ２は高周波の排出口である。また、Ｅ１は荷電粒子群（バンチ）の入射ポートであり、Ｅ２はバンチの射出ポートを表す。
　図２に、レーストラック型アイリスの詳細な形状を示す。図２に示すように、レーストラック形状とは、対向する２つの半円部Ｒ１，Ｒ２と、これらの半円部を接続する２つの平行な直線部Ｌ１，Ｌ２とから構成される形状である。半円部の半径や直線部の長さは、運転に採用する遷移位相や、必要な群速度、加速電圧などから決定される。
　より具体的には、以下の手順によって、レーストラック型アイリスのサイズを調整することができる。
　（１）まず、ビーム通過に必要な開口（半円部の半径）を設定する。
　（２）次に、必要な群速度、加速電圧を得るように直線部の長さを調整する。ここで、群速度は加速管への高周波充満時間を規定するものである。
　（３）上記（２）の直線部の調整で必要な性能が得られない場合には、遷移位相（セル長）を変える。
　このようにして、使用する高周波源や使用目的（例えば、加速電圧が低くても開口部の広いものや、高周波の充填時間が短いものなど）に応じたレーストラック型アイリスを得ることができる。
　なお、アイリスの形状は、ビーム偏向面およびその直交面に関して対称であり、それぞれの面における断面形状が異なるような形状であれば、上記のレーストラック形状に限られずどのような形状であっても良い。ディスク面（図２のｘｙ平面）上で考えると、直交する２つの軸のそれぞれに対して線対称であって、これらの軸上での長さが異なるような形状と表現することもできる。したがって、例えば、楕円、長方形、菱形などの形状も採用可能である。もっとも、製作の容易性や、運転時の熱応力の大きさ等を考慮すると、レーストラック形状とすることが好ましい。
〈加速管動作〉
　次に、本実施形態における加速管の動作について説明する。
　まず、投入口Ｂ１から高周波をセルＣ１に投入し、レーストラック型アイリスＡ１～Ａ６を介して、セルＣ２～Ｃ７に高周波を伝搬させる。この時、投入高周波の周波数を加速管内で共振する固有姿態（モード）の周波数に合わせれば、そのモード固有の電磁場分布がセルＣ１～Ｃ７に励起される。投入高周波の周波数を、加速管ダイポールモードの周波数に設定すれば、図のｘｙ平面内に向きを持つ電磁場（横方向電磁場）がセルＣ１～Ｃ７に現れる。このように投入口Ｂ１から投入された高周波は、固有の電磁場分布を各セルに発生させながらセルＣ１からセルＣ７を通過し、排出口Ｂ２から外部へ抜けていく。
　高周波の投入でセルＣ１～Ｃ７に横方向電磁場が発生している間に、バンチを入射ポートＥ１からｚ方向に入射し、セルＣ７からＣ１およびアイリスＡ６からＡ１を通過させて、出射ポートＥ２から出射する。アイリスＡ１～Ａ６を設けたディスクＤ１～Ｄ６は高周波に遅延作用を及ぼすので、アイリスの形状およびセルのｚ方向長さを適切な値に設定しておくことによって、バンチのセル通過時間とセル内の励起電磁場の位相変化時間を同期させることが可能となる。
　セル内電磁場に同期したバンチは、セルＣ１～Ｃ７を通過する際に、加算的に横方向の力を受けて加速されていく。入射時の位相値を選択する（入射タイミングを変える）ことにより、バンチに対して横方向の重心移動やピッチ動作、あるいはその両方を与えることができる。重心移動はバンチの軌道分離に用いられ、ピッチ動作はバンチの進行方向（ｚ方向）プロファイルを観測するために用いられる。
　一般に、図１のような複数のセルから構成される加速管（マルチセル加速管）は各セルの電磁場姿態が同じでも、隣り合うセル間で位相差を持つ共振を起こす。隣接セル間の位相差（遷移位相）が異なると、加速管としての共振周波数も異なり、パスバンドと呼ばれる加速管固有の共振周波数領域を形成する。マルチセル加速管を動作させるためには、使用する高周波の周波数がこのパスバンド内の値でなければならない。
　アイリスＡ１～Ａ６は、図２に示すようにｘ方向に長くｙ方向に短い扁平な形をしているため、長軸方向（ｘ方向）に平行な磁場の方が隣のセルに漏れやすくなり、磁場の存在可能性を広げる作用を持つ。これによりダイポールモードに摂動が与えられ、縮退が解かれる。そして、ｘ，ｙの２方向にダイポールモードが分裂する。
　分裂したダイポールモードは異なる共振周波数を持つようになるので、必要な方向（ｙ方向）へ確実に偏向したダイポールモードのみを励起して使用することが可能となる。図３に例として本発明方式のＣバンド加速管におけるパスバンドのシミュレーション結果を表す。
　ｙ方向モードのパスバンドのみ広帯域化させることが可能であるため、不要な寄生モードとなっているｘ方向モードと混合することなく遷移位相がπ／２以上の任意のモードを加速モードとして使用可能となる。また、ｘ方向モードに依存することなくｙ方向モードの群速度を高めることができるため、従来の加速管では群速度が小さく不安定共振となる遷移位相の大きいモード（５π／６モード等）の使用も可能となる。
　このようにレーストラック型アイリスを導入したダイポール加速管によって安定した荷電粒子加速が可能となる。
〈本実施形態の作用／効果〉
　単一のアイリスでセル結合とダイポールモードの分離を行うため、ディスクの加工が簡素である。そのため、本体が小さくなり、加速効率の良いＣバンドやＸバンド等の高い周波数領域の加速管に対しても製作が容易となる。サプレッサーを設ける従来の手法では、ディスクに複数のアイリスを精密加工する必要があり、ＣバンドやＸバンドの小型加速管では加工精度やディスク強度等の観点から製作が困難になると予測される。また、遷移位相の大きいモードも使用可能になるため、ｚ方向長さが長いセルで製作できるので、部品数や接合部位の減少による製造コストの削減に寄与する。
　本発明によって高加速勾配でビームを安定に変更させる小型加速管が製造できるようになるため、設置スペースの制限が緩和され、多くの加速器施設で高精度のビーム診断や飛行時間法解析が可能となる。また、小型高周波デフレクターは多くの機器に組み込むことが可能となる。さらに、荷電粒子ビームを短距離で振り分けできるようになるだけでなく、その振り分け角度も可変となるため、荷電粒子ビームを用いた加工機器や医療機器の効率化や応用範囲の拡大に寄与する。
　Ａ１－Ａ６　　アイリス
　Ｂ１　　高周波投入口
　Ｂ２　　高周波排出口
　Ｃ１－Ｃ７　　セル
　Ｄ１－Ｄ６　　ディスク
　Ｅ１　　バンチ入射ポート
　Ｅ２　　バンチ出射ポート

Claims (2)

  1. 　複数の加速空洞の間に、アイリスを備えるディスクを設けることによって、前記複数の加速空洞を結合した荷電粒子加速装置であって、
    　前記アイリスの形状が、扁平な形状であることを特徴とする荷電粒子加速装置。
  2. 　前記アイリスの形状が、２つの半円部と、該２つの半円部を接続する２つの平行な直線部からなる、レーストラック形状であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
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