WO2012008255A1 - ドリフトチューブ線形加速器 - Google Patents

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linear accelerator
cylindrical resonator
particle beam
tube electrode
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山本　和男
田中　博文
博光 井上
定博 川▲崎▼
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三菱電機株式会社
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    • H05H9/04—Standing-wave linear accelerators
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    • 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
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    • 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
    • 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
    • H05H2007/222—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes drift tubes

Definitions

  • the present invention provides a drift tube linear accelerator that supplies high-frequency power to a vacuum cylindrical resonator and accelerates charged particles with an electric field generated between electrodes (drift tubes) supported by rods (stems) in the cylindrical resonator. It is about.
  • the drift tube linear accelerator is configured by arranging one or more pairs of hollow cylindrical drift tube electrodes in a cylindrical resonator along the beam traveling direction. High frequency power is supplied into the cylindrical resonator, and a high frequency electric field generated between the drift tube electrodes accelerates charged particles (for example, protons and carbon ions) along the beam traveling direction.
  • the arrangement of the drift tube electrodes is designed so that charged particles exist in the drift tube electrodes when the direction of the high-frequency electric field is opposite to the beam traveling direction.
  • the drift tube linear accelerator using the TM mode includes an Alvara type drift tube linear accelerator.
  • the electromagnetic field mode in the cylindrical resonator is used as it is for the acceleration and convergence electric field generated between the drift tube electrodes, so the drift tube electrode is supported by the stem so as to be suspended from the cylindrical resonator. Is done.
  • drift tube linear accelerators using the TE mode include IH (Interdigital-H) type drift tube linear accelerators.
  • the electromagnetic field mode in the cylindrical resonator cannot be used for acceleration / focusing electric field as it is, so the stems supporting the drift tube electrode are alternately arranged from the top and bottom (or left and right) of the cylindrical resonator. Then, an acceleration / focusing electric field is indirectly generated between the drift tube electrodes by an induced current.
  • Patent Document 1 An Alternate-Phase Focusing (APF) method has been proposed (Patent Document 2) that obtains a beam convergence force by coupling and designing the timing of passing between drift tube electrodes.
  • APF Alternate-Phase Focusing
  • the APF-IH linear accelerator which applies the APF method to the IH linear accelerator, does not require the use of a drift tube electrode with a built-in focusing device, and thus has a low-cost and simple structure. For example, the reliability of a medical device or the like is required. Used in the field.
  • an APF-IH linear accelerator is used as the latter stage accelerator of the injector.
  • the carbon ions are converged by a triple quadrupole magnet so as to satisfy the incident condition (acceptance) of the APF-IH linear accelerator.
  • This APF-IH type linear accelerator has achieved a reduction in length of about 1/6 compared to a conventional drift tube linear accelerator (Alvare type linear accelerator) using a drift tube electrode with a built-in focusing device (non-barrel type linear accelerator).
  • Patent Document 1 1).
  • the particle beam is a set of charged particles, a force that repels each other acts between the particles due to individual charges.
  • This space charge effect becomes a problem because the divergence in the radial direction with respect to the beam traveling direction becomes relatively large, especially when the charged particles are light and large current particle beams such as protons, and the particle energy is low.
  • the APF-IH linear accelerator has a track record of accelerating the carbon beam to a small current (100 ⁇ A) up to 4MeV / u.
  • the APF convergence power is weak, so it is necessary as an injector for medical synchrotron facilities using proton beams. High current protons over 10mA could not be accelerated up to 7MeV.
  • the focusing power required to converge the proton beam is three times that of the carbon tetravalent beam, and the current amount is 100 ⁇ A to 10 mA or more, which is 100 times or more, that is, it is necessary to obtain a focusing power of 300 times or more compared to the carbon beam. Therefore, the APF-IH linear accelerator cannot be applied for acceleration of a large current proton.
  • the present invention has been made to solve the problems of the conventional accelerator as described above, and an object thereof is to obtain a drift tube linear accelerator capable of accelerating a large current particle beam.
  • the present invention causes an incident particle beam to pass through the inside of a plurality of cylindrical drift tube electrodes arranged along the beam traveling direction of the particle beam in the cylindrical resonator and is generated between the plurality of drift tube electrodes.
  • a focusing device for converging a particle beam inside an end drift tube electrode arranged on the most incident side of a cylindrical resonator among a plurality of drift tube electrodes is an end drift tube electrode It is arranged so that the position can be adjusted independently.
  • a drift tube linear accelerator capable of accelerating a large-current particle beam can be provided.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a cross section taken along the lines AA and BB in FIG. 1 of the drift tube linear accelerator according to the first embodiment of the present invention. It is an expanded sectional view which shows an example of the end drift tube electrode of the drift tube linear accelerator by Embodiment 1 of this invention. It is an expanded sectional view which shows an example of the housing of the convergence apparatus of the drift tube linear accelerator by Embodiment 1 of this invention. It is a diagram explaining the influence of the position shift of the incident particle beam of a drift tube linear accelerator. It is a diagram explaining the electric field distribution of the drift tube linear accelerator by Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a drift tube linear accelerator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the drift tube linear accelerator of FIG. 1 is an APF-IH type linear accelerator.
  • the cylindrical resonator 1 also serving as a vacuum vessel, a plurality of drift tube electrodes 3 are arranged in the beam traveling direction 2 such as first, second,.
  • the first drift tube electrode is denoted by reference numeral 12
  • the drift tube electrode adjacent to the incident side of the first drift tube electrode 12 that is, the drift tube electrode arranged on the most incident side is the end drift tube. This is referred to as an electrode, and is designated by 13.
  • a ridge 5 is provided in the cylindrical resonator 1 as a pair of upper and lower (or left and right) of the cylindrical resonator 1.
  • the drift tube electrode 3 is installed on a ridge 5 supported by a stem 6 and installed in the cylindrical resonator 1. In FIG. 1, the cross section on the emission side of the cylindrical resonator 1 is omitted.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the drift tube electrode 3.
  • the stem 6 In order to generate a highly accurate acceleration / convergence electric field distribution between the drift tube electrodes 3, the stem 6 needs to have an alignment position adjustment of about ⁇ 0.2 mm in the beam traveling direction and about ⁇ 0.2 mm in the radial direction. Therefore, a position adjusting mechanism is provided in the beam traveling direction, and a final machining margin is provided in the radial direction.
  • a position adjustment mechanism in the beam traveling direction a method of providing a stem base 7 on the stem 6 and adjusting the stem base screw hole 8 is simple.
  • the final machining margin in the radial direction is the bottom surface portion 9 of the stem pedestal 7 (the portion in surface contact with the ridge 5), or the portion where the drift tube electrode 3 and the stem 6 are joined when the drift tube electrode 3 and the stem 6 are separated. 10 is provided as a final allowance.
  • FIG. 2 shows a case where a final machining margin is provided on the stem base 7.
  • the cavity diameter (inner diameter) of the cylindrical resonator 1 increases toward the beam traveling direction 2 of the particle beam. This is equivalent to the fact that the drift tube electrode is concentrated on the incident side, so that the capacitance is concentrated on the incident side when viewed from the entire cylindrical resonator 1, and is generated between the drift tube electrodes in the cylindrical resonator 1. This is to prevent the electric field intensity distribution to be concentrated on the incident side.
  • l is the length between the drift tube electrodes 3
  • E DT is the electric field strength generated between the drift tube electrodes 3
  • B is the magnetic field strength generated in the APF-IH type linear accelerator
  • the dots indicate time differentiation
  • S is It is a cross-sectional area (diameter of the cylindrical resonator 1) surrounded by a high-frequency current path.
  • the diameter of the cylindrical resonator 1 is increased in order to increase the electric field between the drift tube electrodes 3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view at the AA position in FIG. 1 (left side of FIG. 3) and a cross-sectional view at the BB position in FIG.
  • the diameter D2 on the exit side is made larger than the diameter D1 on the entrance side of the cylindrical resonator 1.
  • the electric field strength distribution concentrated on the incident side is increased toward the output side, and as a result, the electric field strength uniform in the entire cylindrical resonator 1 is obtained. Distribution can be obtained.
  • the particle beam from the front stage accelerator 27 such as an RFQ linear accelerator is made incident on the cylindrical resonator 1 through a triple permanent magnet type quadrupole magnet 14 that is a focusing device.
  • End plates 11 are installed at both ends of the cylindrical resonator 1 (the end plate on the emission side is not shown in FIG. 1). This end plate 11 is for forming the cylindrical resonator 1, or when the cylindrical resonator 1 also serves as a vacuum vessel, it is necessary for forming a vacuum vessel.
  • An end drift tube electrode 13 is attached to the end plate 11 as an electrode paired with the first drift tube electrode 12.
  • a part of the triple permanent magnet type quadrupole magnet 14 is arranged as a focusing device inside the incident side of the end drift tube electrode 13.
  • the converging device In the first embodiment, an example in which a part of the converging device is arranged inside the end drift tube electrode 13 is shown, but all of the converging device may be arranged inside the end drift tube electrode 13. . In short, as long as at least a part of the converging device is arranged inside the end drift tube electrode 13, the effect of the present invention is achieved.
  • FIG. 4 is a detailed sectional view of the end drift tube electrode 13.
  • the end drift tube electrode 13 also needs to have an alignment position adjustment of about ⁇ 0.2 mm in the axial direction and about ⁇ 0.2 mm in the radial direction as position adjustment with respect to the other drift tube electrodes 3. Therefore, a final machining margin is provided in the beam traveling direction, and a position adjusting mechanism is provided in the radial direction.
  • the surface 15 joined to the end plate 11 of the end drift tube electrode pedestal 17 becomes the final machining margin in the beam traveling direction, and the radial position adjustment mechanism becomes the end drift tube electrode pedestal screw hole 16 for attaching to the end plate 11. .
  • the radial position adjustment is performed at the end plate screw hole 23 for joining the end plate 11 and the cylindrical resonator 1 shown in FIG. To do.
  • the end drift tube electrode 13 In order to generate an acceleration / convergence electric field distribution between the end drift tube electrode 13 and the first drift tube electrode 12, the end drift tube electrode 13 includes a first region 18 expanded in a radial direction for disposing the focusing device,
  • the second region 19 has the same outer diameter as the other drift tube electrodes 3.
  • the length of the second region 19 does not substantially affect the intensity of the electric field generated between the end drift tube electrode 13 and the first drift tube electrode 12. For example, when no second region is provided, the lines of electric force generated between the first drift tube electrode 12 and the end drift tube electrode 13 are clearly different from those generated between the other drift tube electrodes.
  • the second region is moved from the end face of the first drift tube electrode 12 facing the end drift tube electrode 13 to the first drift.
  • the length should be longer than the distance to the stem that supports the tube electrode 12.
  • the permanent magnet type quadrupole magnet 14 is a magnet in which N poles and S poles are arranged every 90 degrees, and the magnetic field distribution by the arrangement of the magnets converges or diverges the beam diameter in the horizontal direction or the vertical direction. For example, three lines are arranged in a horizontal direction such as divergence-convergence-divergence.
  • FIG. 5 is a detailed cross-sectional view showing an example of a housing in which triple permanent magnet type quadrupole magnets 14 as convergence devices are installed. Since the triple permanent magnet type quadrupole magnets 14 need to be individually adjusted by about ⁇ 0.01 mm with respect to the radial direction and the beam traveling direction, the position of each permanent magnet type quadrupole magnet 14 can be adjusted with respect to the housing.
  • a position adjusting mechanism is provided. The position is adjusted by processing the spacer 20 in the beam axis direction or by preparing a spacer 20 having a different thickness and exchanging the spacer 20. In the radial direction, the position is adjusted with a push screw 21 with respect to the inner diameter of the housing.
  • a mechanism capable of adjusting the radial direction between the housing structure center and the beam center axis is provided.
  • This position adjusting mechanism is a mechanism capable of adjusting the position independently of the end drift tube electrode 13.
  • the joint surface 22 with the structure (for example, the vacuum vessel of the front accelerator 27) disposed upstream of the APF-IH type linear accelerator is used as the final machining margin in the beam traveling direction, and the upstream structure and It adjusts with the screw hole 23 for joining. If a CT or the like is built in the housing as a current measuring device together with the focusing device, the amount of incident particle beam current to the APF-IH linear accelerator can be measured. Further, when the housing is provided with an automatic adjustment mechanism, adjustment can be performed even during a beam test performed in a vacuum.
  • a particle beam that is a high-current proton beam of 10 mA or more is incident on the APF-IH linear accelerator from the incident side.
  • the incident particle beam does not necessarily coincide with the central axis of the triple permanent magnet type quadrupole magnet 14.
  • an incident particle beam that is off-axis with respect to the center of the quadrupole magnet passes, in addition to the effect of converging or diverging in the radial direction, an effect of deflecting the beam itself occurs.
  • the magnetic field gradient of the quadrupole magnet for converging a high-current proton beam is 100 T / m class, the amount of deflection cannot be ignored, and the beam axis and the center of the quadrupole magnet can be adjusted by adjusting the position to about ⁇ 0.1 mm. It is necessary to align.
  • FIG. 6 shows a permanent magnet quadrupole magnet having a magnetic field gradient of 100 T / m class (divergence-convergence-divergence in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1) in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • Deflection received by the incident particle beam offset by 1 mm from the center (dashed line curve 24), Deflection received by the incident particle beam offset by 0.5 mm (dashed curve 25), and Deflection received by the incident particle beam offset by 0.2 mm (Solid curve 26) is shown. Since the APF-IH linear accelerator has a weak radial convergence force, the allowable value for the beam angle error is as small as 1 mrad or less.
  • Deflection amount received by an incident particle beam offset by 0.2 mm (in FIG. 6, the value obtained by evaluating the inclination of each curve is shown with the inclination at the right end of the solid curve 26 together with an arrow indicating the inclination). Is about 1.3 mrad, and it can be seen that even an offset amount of 0.2 mm cannot be ignored. Therefore, the incident particle beam position is measured, the beam deflection amount when the triple permanent magnet type quadrupole magnets 14 are installed is measured, and the permanent magnet type quadrupole magnets 14 are within the allowable beam angle error. Adjust the position.
  • the drift tube linear accelerator Since the drift tube linear accelerator is accelerated by a high-frequency electric field between the drift tube electrodes 3, it cannot be accelerated while a high-frequency electric field opposite to the beam traveling direction is generated.
  • the arrangement of the drift tube electrode 3 is designed so that the particle beam is in the drift tube electrode 3 during this period so as not to be affected by the high-frequency electric field in the direction opposite to the beam traveling direction. Therefore, even if a DC beam (time-continuous beam) is incident on the drift tube linear accelerator, all particle beams cannot be accelerated. For this reason, in order to extract the necessary amount of current from the drift tube linear accelerator, for example, an RFQ linear accelerator capable of performing particle beam acceleration and crowding (bunch) in the low energy region is used as the pre-stage accelerator 27. .
  • the end drift tube electrode 13 needs a length that generates a magnetic field in the beam traveling direction of the IH linear accelerator and generates a magnetic field up to both ends of the cylindrical resonator 1. Cannot be shortened due to beam divergence. Therefore, the permanent magnet type quadrupole magnet 14 that can shorten the beam traveling direction of the focusing device is used, and a part of the permanent magnet type quadrupole magnet 14 as the focusing device is disposed in the end drift tube electrode 13. .
  • the APF-IH type linear accelerator 1 is a matching section for injecting a proton beam into the APF-IH type linear accelerator.
  • the distance from the electrode end of the front stage accelerator 27 to the first drift tube electrode 12 of the APF-IH type linear accelerator is about three cycles of the operating frequency 200 MHz.
  • the particle beam can be incident on the APF-IH linear accelerator (within the beam traveling direction acceptance) before the particle beam diverges in the beam traveling direction.
  • the proportion of the end drift tube electrode 13 in the resonator becomes larger than that of the other drift tube electrodes 3. Therefore, in the structure of the cylindrical resonator 1 that expands from the incident side to the emission side, the substantial magnetic field region of the high-frequency magnetic field generated by the high frequency on the incident side is reduced, and the acceleration / convergence electric field is reduced. When the accelerating / converging electric field is reduced, the space charge effect action is remarkable in the low energy region, so that the high-current particle beam cannot be converged. Therefore, the cylindrical resonator 1 on the incident side is enlarged beyond the cavity diameter that is enlarged toward the emission side in order to make the electric field strength uniform.
  • the inner diameter D3 of the portion of the cylindrical resonator 1 where the end drift tube electrode 13 is disposed is equal to the inner diameter D1 of the portion of the cylindrical resonator 1 where the first drift tube electrode 12 is disposed. Larger than.
  • FIG. 7 is a diagram showing a difference in electric field distribution due to a difference in inner diameter D3 of the cylindrical resonator in the portion where the end drift tube electrode 13 is disposed.
  • the electric field distribution 30 indicated by a dotted line is an electric field distribution in the case where the inner diameter D3 of the incident side cylindrical resonator is not enlarged and is the same as the inner diameter D1 in the vicinity of the first drift tube electrode 12 of the cylindrical resonator 1,
  • the electric field distribution 31 shown is an electric field distribution when the inner diameter D3 of the cylindrical resonator in the portion where the end drift tube electrode 13 is arranged is larger than D1 as shown in FIG. As shown in FIG.
  • the end drift tube electrode 13 of the cylindrical resonator 1 is arranged by enlarging the diameter of the cylindrical resonator 1 in this portion. A space region for generating a magnetic field necessary for the portion can be obtained, and the acceleration / convergence electric field on the incident side increases. In this way, by expanding the inner diameter of the cylindrical resonator at the portion where the end drift tube electrode 13 is disposed, it is possible to cope with the increase in the diameter of the end drift tube electrode 13 due to the arrangement of the converging device.
  • the emitted particle beam from the front stage accelerator or the like is converged without being deflected by the permanent magnet type quadrupole magnet 14 having a large magnetic field gradient, and is matched with the radial incident condition of the APF-IH type linear accelerator.
  • the incident conditions in the beam traveling direction are also matched.
  • the diameter of the cylindrical resonator 1 on the incident side is enlarged between the end drift tube electrode 13 and the first drift tube electrode 12 as well. Thus, it is possible to obtain an electric field strength that is generated between other drift tubes.
  • the shape of the portion of the end drift tube electrode 13 facing the first drift tube electrode 12 is the same as the shape of the first drift tube electrode, non-uniformity due to the permanent magnet being disposed inside the end drift tube electrode 13 Generation of an electric field can be suppressed. Further, since the converging device and the end drift tube electrode 13 can be adjusted independently of each other, the incident particle beam condition and the particle beam acceleration condition can be achieved independently, and the high-current particle beam can be accelerated. I was able to do that.
  • Cylindrical resonator 2 Beam traveling direction 3: Drift tube electrode 12: First drift tube electrode 13: End drift tube electrode 14: Permanent magnet type quadrupole electromagnet (convergence device) 18: First region of the end drift tube electrode 19: Second region of the end drift tube electrode D1: Inner diameter of the cylindrical resonator near the first drift tube electrode D3: The portion of the cylindrical resonator where the end drift tube electrode is disposed Inner diameter

Abstract

　大電流の粒子ビームを加速できるドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的とする。　入射される粒子ビームを、円筒共振器（１）内の上記粒子ビームのビーム進行方向（２）に並べて配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極（３、１２、１３）内部を通過させるとともに、複数のドリフトチューブ電極（３、１２、１３）間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、複数のドリフトチューブ電極（３、１２、１３）のうち円筒共振器（１）の最も入射側に配置されるエンドドリフトチューブ電極（１３）内部に、粒子ビームを収束させる収束機器（１４）をエンドドリフトチューブ電極（１３）とは独立して位置調整可能に配置した。

Description

ドリフトチューブ線形加速器
　本発明は、真空の円筒共振器に高周波電力を供給し、円筒共振器内の棒（ステム）により支持された電極（ドリフトチューブ）同士間に発生する電界で荷電粒子を加速するドリフトチューブ線形加速器に関するものである。
　ドリフトチューブ線形加速器は、円筒共振器内に中空円筒状のドリフトチューブ電極をビーム進行方向に沿って１対以上配列して構成される。円筒共振器内に高周波電力が供給され、ドリフトチューブ電極間に発生する高周波電界が荷電粒子（たとえば、陽子や炭素イオンなど）をビーム進行方向に沿って加速する。ドリフトチューブ電極の配列は、高周波電界の向きがビーム進行方向と逆向きのときに、荷電粒子がドリフトチューブ電極内に存在するように設計される。
　円筒共振器内に発生する電磁界モードはＴＭモード（円筒共振器長手方向に電界が発生）とＴＥモード（円筒共振器長手方向に磁界が発生）の２種類ある。ＴＭモードを用いたドリフトチューブ線形加速器にはアルバレ型ドリフトチューブ線形加速器がある。このアルバレ型ドリフトチューブ線形加速器においては、円筒共振器内の電磁界モードをそのままドリフトチューブ電極間に発生する加速・収束電界に用いるため、ドリフトチューブ電極は円筒共振器から吊り下げるようにステムにより支持される。一方、ＴＥモードを用いたドリフトチューブ線形加速器にはＩＨ（Interdigital-H）型ドリフトチューブ線形加速器等がある。ＩＨ型ドリフトチューブ線形加速器では、円筒共振器内の電磁界モードはそのままでは加速・収束電界に用いることができないため、ドリフトチューブ電極を支持するステムを円筒共振器上下（もしくは左右）から交互に配列し、誘導電流により間接的にドリフトチューブ電極間に加速・収束電界を発生させる。
　それら共振器内部に、所定の周波数の高周波電力を投入すると共振が起こり、ドリフトチューブ電極間に電界が発生する。このドリフトチューブ電極間に発生した電界により粒子はドリフトチューブ電極間を超えるごとに次々と加速される。
　粒子ビームは荷電粒子の集合体であるため、粒子間でお互いに発散力が働く（これを空間電荷効果と呼ぶ）。そのため粒子ビームは進行方向に進むにつれ径方向・進行方向ともに広がり、とくに径方向の発散により真空ダクト壁に衝突し粒子ビームは損失する。そのため、径方向ビーム発散を抑えるビーム径方向収束機器が必要となる。従来は収束機器とドリフトチューブ電極を一体にした収束機器内蔵型ドリフトチューブ電極によってビーム発散を抑えていた（特許文献１）が、近年ドリフトチューブ電極間に発生する湾曲の電界分布と、荷電粒子がドリフトチューブ電極間を通過するタイミングを連成設計することでビーム収束力を得るAlternating-Phase Focusing（ＡＰＦ）法が提案された（特許文献２）。
　ＡＰＦ法をＩＨ型線形加速器に適用したＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器は、収束機器内蔵型ドリフトチューブ電極を使用する必要がないため安価で単純な構造となり、たとえば医療装置などの信頼性が必要となる分野において用いられている。
　炭素イオンなどの重粒子線（陽子は含まず）を用いた医療用シンクロトロン施設では、入射器の後段加速器にＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器が利用されている。イオン源にて生成した炭素イオンを前段加速器にて予備加速した後、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器の入射条件（アクセプタンス）を満たすように３連の四重極電磁石により収束した後、入射された炭素４価ビームを4MeV/uまで400eμA(=100μA)加速する。このＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器により、従来の収束機器内蔵型ドリフトチューブ電極を使用したドリフトチューブ線形加速器（アルバレ型線形加速器）に比べ、全長が１/６程度の小型化が達成されている（非特許文献１）。
特開平１１-３２９７５号公報 特開２００６－３５１２３３号公報
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 572(2007) 1007-1021
　粒子ビームは荷電粒子の集合である為、個々の電荷により粒子間には互いに反発する力が働く。この空間電荷効果は、とくに荷電粒子が陽子のように軽く大電流の粒子ビームに対し、さらには粒子エネルギが低い場合、ビーム進行方向に対する径方向の発散力が相対的に大きくなるため問題となる。特にＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器では炭素ビームを4MeV/uまで小電流（100μA）加速した実績があるが、ＡＰＦ収束力が弱いため、陽子線を用いた医療用シンクロトロン施設用入射器として必要な7MeVまで10mA以上の大電流の陽子を加速することはできなかった。たとえば、陽子ビームを収束するために必要な収束力は炭素４価ビームの３倍、さらに電流量も100μAから10mA以上と１００倍以上、つまり炭素ビームに比べ３００倍以上収束力を得る必要があるため、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器を大電流陽子加速用に適用することはできなかった。
　この発明は、以上のような従来の加速器の問題点を解消するためになされたもので、大電流の粒子ビームを加速できるドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的とする。
　本発明は、入射される粒子ビームを、円筒共振器内の上記粒子ビームのビーム進行方向に沿って配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極内部を通過させるとともに、複数のドリフトチューブ電極間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、複数のドリフトチューブ電極のうち円筒共振器の最も入射側に配置されるエンドドリフトチューブ電極内部に、粒子ビームを収束させる収束機器をエンドドリフトチューブ電極とは独立して位置調整可能に配置したものである。
　この発明によれば、大電流の粒子ビームを加速できるドリフトチューブ線形加速器を提供できる。
本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の図１のＡ－Ａ部およびＢ－Ｂ部の断面を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器のエンドドリフトチューブ電極の一例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の収束機器のハウジングの一例を示す拡大断面図である。 ドリフトチューブ線形加速器の入射粒子ビームの位置ずれの影響を説明する線図である。 本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の電界分布を説明する線図である。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の要部の構成を示す断面図である。図１のドリフトチューブ線形加速器は、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器である。真空容器を兼ねた円筒共振器１内にビーム進行方向２にドリフトチューブ電極３が入射側から第１、第２・・・第ｎ個と複数個配列されている。なお、ドリフトチューブ電極のうち、第１ドリフトチューブ電極を符号１２とし、この第１ドリフトチューブ電極１２の入射側に隣り合うドリフトチューブ電極、すなわち最も入射側に配置されるドリフトチューブ電極をエンドドリフトチューブ電極と称し、符号１３とする。このドリフトチューブ線形加速器はＡＰＦ収束法を適用しているため、ドリフトチューブ電極３の間隔は一様に広がらず、周期を持って広がることが特徴である。円筒共振器１内にはリッジ５が円筒共振器１の上下（もしくは左右）一対に設けられる。ドリフトチューブ電極３はステム６により支持され円筒共振器１に設置されたリッジ５上に設置される。なお、図１では、円筒共振器１の出射側の断面は省略して示している。
　図２は、ドリフトチューブ電極３の拡大断面図である。ドリフトチューブ電極３間に高精度な加速・収束電界分布を発生させるために、ステム６にはビーム進行方向に±0.2mm、径方向に±0.2mm程度のアライメント位置調整が必要である。そのため、ビーム進行方向には位置調整機構が、径方向には最終加工しろが、設けられている。ビーム進行方向の位置調整機構としてはステム６にステム台座７を設け、ステム台座ネジ穴８で調整する手法が簡便である。径方向最終加工しろは上記ステム台座７の底面部９（リッジ５と面接触する部分）、もしくはドリフトチューブ電極３とステム６が分離型である場合はドリフトチューブ電極３とステム６が接合する部分１０を最終加工しろとして設ける。図２は、ステム台座７に最終加工しろを設けた場合である。
　円筒共振器１の空胴径（内径）は粒子ビームのビーム進行方向２に向けて拡大する。これは、ドリフトチューブ電極が入射側に集中することで円筒共振器１全体から見ると入射側に静電容量が集中していることと等価となり、円筒共振器１内のドリフトチューブ電極間に発生する電界強度分布が入射側に集中するのを防ぐためである。
　ドリフトチューブ電極間に発生する電界強度は、次式（１）で表されるファラデーの法則に従う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｌはドリフトチューブ電極３間長、ＥＤＴはドリフトチューブ電極３間に発生する電界強度、ＢはＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器内に発生する磁界強度、ドットは時間微分を示し、Ｓは高周波電流の経路により囲まれる断面積（∝円筒共振器１の径）である。上式に従うと、ドリフトチューブ電極３間の電界を増加させるためには円筒共振器１の径を拡大させることになる。この様子を図３に示す。図３は、図１のＡ－Ａ位置における断面図（図３の左側）および図１のＢ－Ｂ位置における断面図である。逆に、図３のＣ－Ｃ位置における断面図が図１となる。図３に示すように、円筒共振器１の入射側における径Ｄ１よりも、出射側における径Ｄ２を大きくしている。このように円筒共振器１の径を出射側に向かって増加させることで、入射側に集中する電界強度分布を出射側に向かって増加させて、結果として円筒共振器１全体で均一の電界強度分布を得ることができる。
　円筒共振器１には、例えばＲＦＱ線形加速器などの前段加速器２７からの粒子ビームを、収束機器である３連の永久磁石型四重極磁石１４を通して入射させる。円筒共振器１の両端には端板１１が設置される（図１では出射側の端板は図示されていない。）。この端板１１は円筒共振器１を形成するためであり、あるいは円筒共振器１が真空容器と兼ねている場合は真空容器を形成するために必要である。第１ドリフトチューブ電極１２と対を成す電極として、端板１１にはエンドドリフトチューブ電極１３が取り付けられている。とくにエンドドリフトチューブ電極１３の入射側内部には収束機器として３連の永久磁石型四重極磁石１４の一部が配置されている。本実施の形態１では、収束機器の一部がエンドドリフトチューブ電極１３の内部に配置されている例を示しているが、収束機器の全てをエンドドリフトチューブ電極１３の内部に配置しても良い。要するに、少なくとも収束機器の一部がエンドドリフトチューブ電極１３の内部に配置される構成であれば本発明の効果を奏する。
　図４はエンドドリフトチューブ電極１３の詳細な断面図である。エンドドリフトチューブ電極１３にも他のドリフトチューブ電極３に対する位置調整として軸方向に±0.2mm、径方向に±0.2mm程度のアライメント位置調整が必要である。そのため、ビーム進行方向には最終加工しろが、径方向には位置調整機構が設けられている。例えば、エンドドリフトチューブ電極台座１７の端板１１と接合する面１５がビーム進行方向の最終加工しろとなり、径方向位置調整機構は端板１１に取り付けるためのエンドドリフトチューブ電極台座ねじ穴１６となる。あるいは、端板１１とエンドドリフトチューブ電極１３をはめ合いにて接合した場合は、図１に示す端板１１と円筒共振器１との接合用端板ねじ穴２３にて径方向位置調整を実施する。
　エンドドリフトチューブ電極１３と第１ドリフトチューブ電極１２との間に加速・収束電界分布を発生させるため、エンドドリフトチューブ電極１３は、収束機器を配置するための径方向に拡大した第１領域１８と、他のドリフトチューブ電極３と同じ外径をもつ第２領域１９とから構成される。第２領域１９の長さは、エンドドリフトチューブ電極１３と第１ドリフトチューブ電極１２との間に発生する電界強度に実質的に影響を及ぼさないようにする。例えば、第２領域を全く設けない場合、第１ドリフトチューブ電極１２とエンドドリフトチューブ電極１３間に発生する電気力線は、明からに他のドリフトチューブ電極間に発生するものと異なってしまう。そのため、少なくとも、粒子のエネルギが一番低い第１ドリフトチューブ電極１２を支えるステム位置を指標にすると、第２領域は第１ドリフトチューブ電極１２のエンドドリフトチューブ電極１３に対向する端面から第１ドリフトチューブ電極１２を支えるステムまでの距離以上の長さで設けるべきである。ＡＰＦ法を適用する為に、第１ドリフトチューブ電極の全長よりも短いドリフトチューブ電極がある場合は、そちらを指標に考える。
　永久磁石型四重極磁石１４は９０度おきにＮ極とＳ極が配置されている磁石であり、この磁石の配置による磁場分布は、ビーム径を水平方向や垂直方向に、収束させたり発散させたりする効果があり、たとえば水平方向に発散-収束-発散のように３連配置する。
　図５は収束機器としての３連の永久磁石型四重極磁石１４を設置するハウジングの一例を示す詳細断面図である。３連の永久磁石型四重極磁石１４は個別に径方向およびビーム進行方向に対し±0.01mm程度調整する必要があるため、各永久磁石型四重極磁石１４がハウジングに対して位置調整できるよう位置調整機構が設けられている。ビーム軸方向にはスペーサ２０を加工、あるいは厚みの異なるスペーサ２０を準備しておきスペーサ２０を交換、することで、位置調整する。また、径方向にはハウジング内径に対して押しねじ２１にて位置調整する。ハウジング構造中心と各永久磁石型四重極磁石１４磁界中心が一致する機構とは別に、ハウジング構造中心とビーム中心軸との径方向を位置調整ができる機構が設けられている。この位置調整機構はエンドドリフトチューブ電極１３とは独立に位置調整できる機構である。ビーム進行向にはＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器の上流に配置する構造物（たとえば前段加速器２７の真空容器）との接合面２２を最終の加工しろとして利用して、径方向には上流構造物との接合用ねじ穴２３にて調整する。ハウジングには収束機器とともに電流測定器としてＣＴ等を内蔵すると、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器への入射粒子ビーム電流量を測定することができる。また、ハウジングには自動調整機構が設けられていると、真空中にて実施されるビーム試験中であっても調整を行う事ができる。
　10mA以上の大電流陽子ビームである粒子ビームが入射側からＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器に入射される。入射される粒子ビームは必ずしも３連の永久磁石型四重極磁石１４中心軸と一致していない。四重極磁石中心に対し軸ずれした入射粒子ビームが通過すると、径方向に収束または発散する作用に加え、ビーム自体が偏向される作用が生じる。とくに大電流陽子ビームを収束するための四重極磁石の磁場勾配は100T/m級であるため、その偏向量も無視できず±0.1mm程度の位置調整でビーム軸と四重極磁石中心をそろえる必要がある。
　図６は100T/m級の磁場勾配を有する３連（図１の紙面に垂直な方向に発散-収束-発散）の永久磁石四重極磁石に対し、図１の紙面に垂直な方向に、中心から1mmオフセットした入射粒子ビームが受ける偏向量（一点鎖線の曲線２４）、0.5mmオフセットした入射粒子ビームが受ける偏向量（破線の曲線２５）、そして0.2mmオフセットした入射粒子ビームが受ける偏向量（実線の曲線２６）を示している。ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器は径方向の収束力が弱いため、ビーム角度誤差に対する許容値が1mrad以下と小さい。0.2mmのオフセットした入射粒子ビームが受ける偏向量（図６において、実線の曲線２６の右端での傾きで、それぞれの曲線の傾きを評価した値を、傾きを示す矢印とともに記載している。）は、1.3mrad程度となっており、0.2mmのオフセット量でも無視できない事がわかる。そのため、入射粒子ビーム位置を測定し、３連の永久磁石型四重極磁石１４を設置したときのビーム偏向量を測定し、許容ビーム角度誤差内に収まるように永久磁石型四重極磁石１４の位置を調整する。
　ドリフトチューブ線形加速器はドリフトチューブ電極３間での高周波電界で加速するため、ビーム進行方向とは逆向きの高周波電界が発生している間は加速することができない。ビーム進行方向とは逆方向の高周波電界の影響を受けないよう、この期間は粒子ビームがドリフトチューブ電極３内にいるようにドリフトチューブ電極３の配列が設計される。したがって、かりにＤＣビーム（時間的に連続したビーム）がドリフトチューブ線形加速器に入射してもすべての粒子ビームを加速する事ができない。このため、ドリフトチューブ線形加速器から必要な電流量を出射するためには、たとえば低エネルギ領域にて粒子ビームの加速と群集化（バンチ）を行うことができるＲＦＱ線形加速器を前段加速器２７として使用する。ただし、粒子ビームのバンチのみを実施するバンチャーなどを用いてＤＣビームやビーム進行方向に拡がった粒子ビームをバンチしてからドリフトチューブ線形加速器に入射する必要がある。しかしながら、たとえばＲＦＱ線形加速器を前段加速器２７として採用し、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器の径方向アクセプタンスを達成するために従来型の四重極電磁石を用いると、その電磁石本体の大きさによりビーム輸送距離が長尺になり、粒子ビームはビーム進行方向の空間電荷効果により発散してしまう。
　その結果、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器に入射することができても、入射粒子ビームはビーム進行方向のアクセプタンスに収まることができず大電流を加速することはできない。しかもエンドドリフトチューブ電極１３は、ＩＨ型線形加速器でのビーム進行方向に磁界が発生し、円筒共振器１両端まで磁界を発生させるだけの長さが必要であり、エンドドリフトチューブ電極１３の長さをビーム発散の都合で短くすることはできない。そのため、収束機器のビーム進行方向を短縮化できる永久磁石型四重極磁石１４を使用するとともに、収束機器としての永久磁石型四重極磁石１４の一部をエンドドリフトチューブ電極１３内に配置した。図１におけるＬの領域は陽子ビームをＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器に入射するためのマッチングセクションである。全長50mm程度の永久磁石型四重極磁石１４を用いた結果、前段加速器２７の電極末端からＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器の第１ドリフトチューブ電極１２間までの距離を運転周波数200MHzの３周期分程度に抑えることができ、ビーム進行方向に粒子ビームが発散する前にＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器に入射すること（ビーム進行方向アクセプタンス内）ができる。
　エンドドリフトチューブ電極１３に永久磁石型四重極磁石１４の一部を配置すると、他のドリフトチューブ電極３に比べ共振器内でのエンドドリフトチューブ電極１３が占める割合が大きくなってしまう。そのため、入射側から出射側に行くに従って拡大する円筒共振器１の構造において、入射側で高周波によって発生する高周波磁界の実質磁界領域が減少するので、加速・収束電界が減少してしまう。加速・収束電界が減少すると、低エネルギ領域で空間電荷効果作用が著しいため、大電流粒子ビームを収束することができなくなってしまう。そのため入射側の円筒共振器１は電界強度を均一化させるために出射側に向けて拡大している空胴径以上に拡大させる。すなわち、図１で示したように、エンドドリフトチューブ電極１３が配置される部分の円筒共振器１の内径Ｄ３を、第１ドリフトチューブ電極１２が配置されている部分の円筒共振器１の内径Ｄ１よりも大きくする。
　図７は、エンドドリフトチューブ電極１３が配置される部分の円筒共振器の内径Ｄ３の違いによる電界分布の違いを示す図である。図７において、点線で示す電界分布３０は入射側円筒共振器の内径Ｄ３が拡大されず、円筒共振器１の第１ドリフトチューブ電極１２付近の内径Ｄ１と同じ場合の電界分布であり、実線で示す電界分布３１はエンドドリフトチューブ電極１３が配置される部分の円筒共振器の内径Ｄ３を図１に示すようにＤ１より拡大した場合の電界分布である。図７で示すように、エンドドリフトチューブ電極１３内に収束機器を配置しても、この部分の円筒共振器１の径を拡大することで、円筒共振器１のエンドドリフトチューブ電極１３を配置した部分に必要な磁界発生のための空間領域を得る事ができ、入射側での加速・収束電界が増加する。このように、エンドドリフトチューブ電極１３が配置される部分の円筒共振器の内径を拡大することで、収束機器を配置したことによるエンドドリフトチューブ電極１３の径拡大に対応できる。
　前段加速器等からの出射粒子ビームは、大強度磁場勾配の永久磁石型四重極磁石１４により偏向されずに収束のみ実施され、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器の径方向の入射条件にマッチングされる。また、前段加速器と後段加速器の輸送距離も短縮することができるため、ビーム進行方向の入射条件もマッチングされる。一方、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器内で発生する加速・収束電界に関し、エンドドリフトチューブ電極１３と第１ドリフトチューブ電極１２間においても、入射側の円筒共振器１の径が拡大していることで、他のドリフトチューブ間に発生する程度の電界強度を得る事ができる。さらに、エンドドリフトチューブ電極１３の第１ドリフトチューブ電極１２と対向する部分の形状が第１ドリフトチューブ形状と同形状のため、エンドドリフトチューブ電極１３内部に永久磁石を配置していることによる不均一電界の発生を抑えることができる。また、収束機器とエンドドリフトチューブ電極１３を互いに独立して位置調整できるよう構成したため、入射粒子ビーム条件と粒子ビーム加速条件を独立して達成することが可能であり、大電流の粒子ビームを加速することができるようになった。
　１：円筒共振器　　　　　　　　　　　２：ビーム進行方向
　３：ドリフトチューブ電極　　　　　１２：第１ドリフトチューブ電極
１３：エンドドリフトチューブ電極
１４：永久磁石型四重極電磁石（収束機器）
１８：エンドドリフトチューブ電極の第一領域
１９：エンドドリフトチューブ電極の第二領域
Ｄ１：第１ドリフトチューブ電極付近の円筒共振器の内径
Ｄ３：エンドドリフトチューブ電極が配置される部分の円筒共振器の内径

Claims (5)

  1. 　入射される粒子ビームを、円筒共振器内の上記粒子ビームのビーム進行方向に沿って配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極内部を通過させるとともに、上記複数のドリフトチューブ電極間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、上記複数のドリフトチューブ電極のうち上記円筒共振器の最も入射側に配置されるエンドドリフトチューブ電極内部に、上記粒子ビームを収束させる収束機器の少なくとも一部を上記エンドドリフトチューブ電極とは独立して位置調整可能に配置したことを特徴とするドリフトチューブ線形加速器。
  2. 　上記エンドドリフトチューブ電極は、上記粒子ビームの入射側であって内部に上記収束機器を配置した第一領域と、この第一領域より内径および外径が小さい第二領域とを有し、この第二領域は、上記エンドドリフトチューブ電極に隣り合う第１ドリフトチューブ電極の外径と同じ外径を有することを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
  3. 　上記円筒共振器は、この円筒共振器の内径が粒子ビームのビーム進行方向に向けて拡大するＴＥモード型円筒共振器であり、上記エンドドリフトチューブ電極が配置される部分の上記円筒共振器の内径を、上記エンドドリフトチューブ電極に隣り合う第１ドリフトチューブ電極が配置される部分の上記円筒共振器の内径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
  4. 　上記収束機器は永久磁石型四重極電磁石であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ線形加速器。
  5. 　上記複数のドリフトチューブ電極の配列がＡＰＦ法を適用したＩＨ型であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ線形加速器。
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