WO2013002303A1 - 荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法 - Google Patents

荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法 Download PDF

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WO2013002303A1
WO2013002303A1 PCT/JP2012/066477 JP2012066477W WO2013002303A1 WO 2013002303 A1 WO2013002303 A1 WO 2013002303A1 JP 2012066477 W JP2012066477 W JP 2012066477W WO 2013002303 A1 WO2013002303 A1 WO 2013002303A1
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electrode tube
charged particle
charged particles
electric field
accelerating
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Inventor
雄二 古久保
Original Assignee
株式会社Ｑｕａｎ Ｊａｐａｎ
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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
    • 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
    • H05H9/00—Linear accelerators
    • H05H9/04—Standing-wave linear accelerators
    • H05H9/041—Hadron LINACS
    • H05H9/042—Drift tube LINACS

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle accelerator for accelerating charged particles and a method for accelerating charged particles.
  • a charged particle accelerator that accelerates charged particles such as electrons, protons, and heavy ions is known.
  • the charged particle accelerator includes a linear accelerator that accelerates charged particles on a straight line and a circular accelerator that accelerates charged particles on a circular orbit.
  • the basic principle is that a voltage is applied to electrodes so that a potential difference is generated between the electrodes arranged opposite to each other, and charged particles are accelerated by the electric field generated between the electrodes. Yes (see, for example, Patent Document 1).
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the high-frequency voltage and the position of charged particles in a conventional charged particle accelerator.
  • the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time.
  • the solid line indicates the voltage
  • the black circle indicates the time when the charged particles pass between the electrodes.
  • the conventional charged particle accelerator the charged particles pass between the electrodes immediately before reaching the peak of one polarity of the high-frequency voltage. That is, in the conventional charged particle accelerator, the phase of the high-frequency voltage is synchronized with the passage of the gap (cavity) between the electrodes of the charged particles.
  • the conventional charged particle accelerator as described above requires a high-power high-frequency power source.
  • the time for a charged particle accelerated through a gap length of 30 cm to 50% of the speed of light is about 2 nanoseconds.
  • a high frequency voltage to be applied needs to be several hundred megahertz or higher, and a water-cooled klystron tube (vacuum tube) is required to drive an accelerator over a long distance.
  • the high frequency power supply used was indispensable. For this reason, there are disadvantages that the price of the apparatus becomes expensive and the failure rate of the apparatus becomes high. Further, as described above, when the charged particles pass through the gap, it is necessary that the high-frequency voltage always has a constant phase.
  • the conventional charged particle accelerator as described above adjusts the length of the acceleration electrode tube to synchronize the charged particle gap passage and the phase of the high-frequency voltage. I am letting. Since the charged particle gap passing speed is very high, the charged particle cannot be accelerated if the length of the accelerating electrode tube is slightly shifted. Therefore, it is necessary to manufacture the accelerating electrode tube precisely, and the manufacturing cost is high.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and its main object is to provide a charged particle accelerator and a charged particle acceleration method capable of accelerating charged particles without using a high-frequency power supply device. It is in.
  • a charged particle accelerator includes a charged particle generation source that emits charged particles and a traveling trajectory of the charged particles emitted from the charged particle generation source.
  • a charged particle generation source that emits charged particles and a traveling trajectory of the charged particles emitted from the charged particle generation source.
  • the charged particle accelerator is connected to the switch, and increases the strength of an electric field formed in the space according to time when the switch is switched from off to on or from on to off.
  • a response delay generation unit is further provided, and the control unit temporally increases the strength of the electric field formed in the space while the charged particles emitted from the charged particle generation source pass through the space.
  • the switch may be configured to be turned on / off.
  • the response delay generation unit may include a resistor and a capacitor.
  • the capacitor may be a stray capacitance included in one of the electrodes that can be switched between connection and non-connection with the DC power source by the switch.
  • the resistor may be an on-resistance included in the switch.
  • the response delay generation unit may be a primary delay circuit.
  • the time constant of the first-order lag circuit may be 5 nanoseconds to 450 nanoseconds.
  • the charged particle accelerator further includes a plurality of electrode tubes that are spaced apart from each other along a traveling trajectory of the charged particles emitted from the charged particle generation source, and the pair of electrodes includes A pair of adjacent electrode tubes among the plurality of electrode tubes may be used.
  • the pair of electrode tubes includes a grounded first electrode tube and a second electrode tube connected to the switch, and the switch includes the DC power source and the second electrode tube. May be configured to form an electric field in the space.
  • the charged particle generation source may be configured such that the emitted charged particles pass through the second electrode tube and the first electrode tube in the order of the second electrode tube and the first electrode tube.
  • the controller is configured to turn off the switch before the charged particles emitted from the charged particle generation source enter the second electrode tube, and the charged particles are transferred to the second electrode.
  • An electric field for accelerating the charged particles may be generated in the space by turning on the switch while traveling in the tube.
  • the plurality of electrode tubes include a grounded third electrode tube adjacent to the second electrode tube with a second space therebetween
  • the charged particle accelerator includes a second DC power source
  • the controller emits from the charged particle generation source
  • the switch is turned off and the second switch is turned on so that an electric field having a certain strength is formed in the second space while the charged particles pass through the second space. While the charged particles pass through the space, the switch is turned on and the second switch is turned off so that an electric field whose strength changes with time is formed in the space. It may be configured.
  • a charged particle accelerator includes a charged particle generation source that emits a plurality of charged particles to each of a plurality of different traveling trajectories, and a space along each of the plurality of traveling trajectories.
  • a plurality of electrode tubes arranged in series and through which charged particles pass, a DC power source for generating a voltage to be applied to the electrode tube, and a DC voltage generated by the DC power source are applied to the electrode tube.
  • a switch for controlling the switch, and an electrode tube group composed of a plurality of electrode tubes corresponding to each of the plurality of traveling trajectories, the charged particles emitted by the charged particle generation source A plurality of stages are provided in the order of passage, and the switch connects the DC power source and the one-stage electrode tube group, or cuts off the connection, thereby the one-stage electrode tube group, An electric field for accelerating charged particles is formed in a space between the electrode tube group of the first stage and another electrode tube group adjacent to the first stage, and the control unit includes the charged particles After the charged particles are emitted from the generation source, an electric field for accelerating the charged particles is formed in the space by on / off controlling the switch.
  • the charged particle acceleration method includes a step of emitting charged particles from a charged particle generation source so that the charged particles pass through a space between a pair of electrodes, and the charged particle generation source. Connecting the DC power source and one of the pair of electrodes after the charged particles have been launched from, and accelerating the charged particles while the charged particles pass through the space Forming an electric field in the space.
  • the charged particle accelerator and charged particle acceleration method of the present invention it is possible to accelerate charged particles without using a high frequency power supply device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a charged particle accelerator according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a part of the configuration of the charged particle accelerator according to the first embodiment.
  • the schematic diagram which shows the circuit for forming an electric field in the gap between an acceleration electrode tube and a dummy electrode tube.
  • 3 is a flowchart showing a processing flow of a control unit included in the charged particle accelerator according to the first embodiment.
  • the timing chart which shows switching control of a switching element.
  • the graph which shows the time change of the voltage in the gap between an acceleration electrode tube and a dummy electrode tube.
  • the schematic diagram explaining the principle of the reduction
  • FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of a charged particle accelerator according to a second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a part of the configuration of a charged particle accelerator according to a second embodiment.
  • the perspective view which shows the connection structure of the acceleration electrode tube of the charged particle accelerator which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a part of the configuration of a charged particle accelerator according to a third embodiment.
  • the graph which shows the relationship between the high frequency voltage and the position of a charged particle in the conventional charged particle accelerator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a charged particle accelerator according to the first embodiment.
  • the charged particle accelerator 100 according to this embodiment is a linear accelerator.
  • a charged particle accelerator 100 includes an ion firing unit 101 for emitting charged particles, a plurality of accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., and a T 28.
  • the ion launcher 101 is configured to be able to launch an ion beam made of charged particles.
  • the charged particle emission direction of the ion emission unit 101 is referred to as “front”, and the opposite direction of the charged particle emission direction is referred to as “rear”.
  • Acceleration electrode tubes T 1 , T 2 , T 3 ,..., T 28 are arranged in front of the ion launching unit 101.
  • Dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 are provided before and after the accelerating electrode tube T 1 closest to the ion emitter 101, respectively.
  • the acceleration electrode tube T 1 is arranged in a state sandwiched between the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 .
  • Accelerating electrode tubes T 2 , T 3 ,..., T 28 are arranged in order behind the rear dummy electrode tube DT 2 .
  • High-voltage direct-current power source P1 the cathode is connected to the accelerating electrode tube T 1 through the switching element SWR 1.
  • the cathode of the high-voltage DC power supply P1 is connected to the accelerating electrode tube T 2 via the switching element SWR 2, is connected to the accelerating electrode tube T 3 through the switching element SWR 3, similarly the switching elements SWR 4, , SWR 28 is connected to each of acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWR 5 ,.
  • the anode of the high voltage DC power supply P1 is grounded.
  • High-voltage direct-current power source P2 the anode is connected to the accelerating electrode tube T 1 through the switching element SWF 1.
  • the anode of the high voltage DC power source P2 is connected to the accelerating electrode tube T 2 via the switching element SWF 2, is connected to the accelerating electrode tube T 3 through the switching element SWF 3, similarly the switching elements SWF 4, , SWF 28 are connected to acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWF 5 ,.
  • the cathode of the high voltage DC power supply P2 is grounded.
  • Accelerating electrode tube T 1 is has a stray capacitance, one electrode of the capacitor C due to the stray capacitance is connected to the accelerating electrode tube T 1, the other electrode of the capacitor C is grounded.
  • the potential of the accelerating electrode tube T 1 is changed.
  • the circuit including the accelerating electrode tube T 1 , the high-voltage DC power source P 1, and the capacitor C is a first-order lag system. Therefore, after the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the potential of the accelerating electrode tube T 1 changes with a first-order lag and finally becomes ⁇ 60 kV.
  • a gap of a predetermined distance is provided between the accelerating electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 1.
  • this space hereinafter referred to as “gap”
  • GD 1 the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 1 are insulated.
  • a gap GD 2 is also provided between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 2 .
  • a gap G 1 is also provided between the dummy electrode tube DT 2 and the acceleration electrode tube T 2, and the gaps G 2 to G 27 are also formed between the adjacent acceleration electrode tubes T 2 to T 28. Is provided. Further, each of the dummy electrode tube DT 1 and DT 2 is grounded.
  • the gaps GD 1 and GD 2 are provided between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 , when a voltage is applied to the acceleration electrode tube T 1 , the gap An electric field is formed in GD 1 and GD 2 .
  • an electric field is formed in the gap Gn provided between the acceleration electrode tubes Tn and Tn + 1 . This electric field accelerates charged particles passing through the gap.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a circuit for forming an electric field in the gaps GD 1 and GD 2 between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 .
  • the switching element SWR 1 has on-resistances RR 1 and RR 2 . As shown in FIG. 3, the switching element SWR 1 is connected to the rear portion of the acceleration electrode tube T 1 , and the resistor RR 1 , the switching element SWR 1 , and the resistor RR 2 are shown as being connected in series. Further, the resistor RR 2, is connected to the cathode of the high-voltage DC power supply P1, the anode of the high voltage DC power source P1 is grounded.
  • the gap G 2, G 3, G 4 , ... the potential difference between G 27 switches to 80kV from 0 sequentially, the gap G 2, G 3, G 4 , ..., by passing through a G 27, charged Particles are accelerated.
  • the ion beam is expanded in the radial direction (direction perpendicular to the axial length direction) by the space charge effect.
  • the electric field generated in each gap GD 1 , GD 2 , G 1 , G 2 ,..., G 27 functions as an electrostatic lens. That is, when the ion beam passes through the gap G n, by an electric field the electrostatic lens effect that occurs in the gap G n, the ion beam is reduced in the radial direction.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the principle of reduction of the ion beam in the radial direction.
  • step 8 when the value of variable q is 28 (YES in step S8), control unit 102 ends the process.
  • the gap GD 1 when the ion beam emitted from the ion firing unit 101 passes through the gap GD 1, an electric field is generated that the gap GD 1 does not change with time.
  • the direction of the electric field coincides with the traveling direction of the ion beam, and the ion beam is accelerated when passing through the electric field.
  • the beam condensing (converging) in the axial direction is not performed.
  • the gap GD 2 is generated the electric field strength increases with time.
  • the direction of the electric field coincides with the traveling direction of the ion beam, and the ion beam is accelerated when passing through the electric field.
  • the ion beam as it passes through the gap GD 2 the temporal change in intensity of the electric field, are condensed in the axial direction.
  • the potential is switched by a switching element having a small on-resistance, so that the time constant is as small as less than 5 nanoseconds and a substantial delay occurs.
  • the potential of the accelerating electrode tube T n is 20 kV. Therefore, when the ion beam passes through the gap G n, it is not to be time varying potential difference at the gap G n. Therefore, when the ion beam passes through the gap Gn , the entire ion beam receives a predetermined acceleration voltage evenly.
  • the charged particle accelerator 100 includes the element that uniformly accelerates the ion beam and the element that condenses the ion beam in the axial length direction. Compatible bunch (charged particle group) formation.
  • Such a configuration eliminates the need for the charged particle accelerator 100 to include a high-frequency power source. Further, in the conventional charged particle accelerator, it is necessary to synchronize the phase of the high frequency with the gap passage of the ion beam, and therefore it is necessary to precisely adjust the length of the acceleration electrode tube.
  • charged particle accelerator 100 by adjusting the length of the accelerating electrode tube, the ion beam passes through the gap instead of synchronizing the gap passing of the ion beam and the generation timing of the acceleration electric field.
  • the on / off switching timing of the switching element may be adjusted so that the strength of the acceleration electric field increases during this time. For this reason, it is not necessary to precisely adjust the length of the acceleration electrode tube as compared with the conventional case, and the manufacturing cost of the acceleration electrode tube can be reduced.
  • the charged particle accelerator 100 according to the present embodiment does not require a high frequency power source.
  • a high-frequency voltage with a frequency of several hundred megahertz or higher is necessary to accelerate charged particles in a minute time passing through the gap, and a water-cooled voltage is required to drive an accelerator over a long distance.
  • a high-frequency power supply device using a klystron tube (vacuum tube) is indispensable. Since it is not necessary to use such an expensive high-frequency power source, the charged particle accelerator 100 according to the present embodiment can greatly reduce the cost as compared with the conventional case.
  • the cathode of the high-voltage DC power supply P1 via the switching element SWR 2 is connected to one of the accelerating electrode tube T 2
  • the switching elements SWR 3 is connected to one of the accelerating electrode tube T 3
  • the switching elements , SWR 28 is connected to each of acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWR 4 , SWR 5 ,.
  • the acceleration electrode tubes T 2 , T 2 , T 2 ,... Included in the second-stage acceleration electrode tube group are connected to each other by a conductor.
  • the control unit turns on the switching element SWR 1 and turns off the switching element SWF 1 .
  • the switching element SWR 2, SWR 3, SWR 4 , ..., the SWR 28 is turned on, the switching element SWF 2, SWF 3, SWF 4 , ..., to turn off the SWF 28 (step S1).
  • the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, each of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,.
  • the control unit controls the ion emitting unit 202 to emit an ion beam (step S2).
  • the ion launching unit 202 applies an ion beam having an ion current value, a diameter, and a length determined by setting to dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,... Of each charged particle acceleration unit 201, 201, 201. Fire at the same time.
  • the ion beam emitted from the ion emission unit 202 passes through the dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,... And simultaneously enters the gaps GD 1 , GD 1 , GD 1 ,.
  • the potential difference in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,... Is positive, the direction of the electric field in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,. Therefore, as the electric field strength in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,... Increases, the charged particles are strongly accelerated in the traveling direction. Therefore, when each ion beam passes through the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,..., Each ion beam is condensed in the axial direction to form a bunch.
  • step S4 the control unit assigns 2 to the variable q (step S5), and determines whether or not a predetermined switching time corresponding to the next entering acceleration electrode tube Tq has been reached (step S5). S6) If it is determined that the switching time has not been reached (NO in step S6), the process in step S6 is repeated again. Corresponding switching times are predetermined for each of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 . Each switching time, the ion beam is emitted, the time until the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T q corresponding to the switching time. That is, when it is determined in step S6 that the switching time has been reached, the leading edge of each ion beam of the acceleration electrode tubes T q , T q ,. It is located in the center part.
  • step S6 when the switching time has been reached (YES in step S6), the control unit turns off switching element SWR q and simultaneously turns on switching element SWF q (step S7).
  • the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th stage accelerating electrode tube group are connected to the high-voltage DC power supply P2, and are included in the q-th stage accelerating electrode tube group. Accelerating electrode tubes T q , T q , T q ,... And the high voltage DC power supply P1 are disconnected. Therefore, a positive potential is applied to the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th acceleration electrode tube group.
  • the acceleration electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1 ,... Included in the q + 1-th acceleration electrode tube group following the q-th acceleration electrode tube group are connected to the high-voltage DC power supply P2. It is not connected to the high voltage DC power supply P1. Therefore, the potentials of the acceleration electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1 ,... Included in the q + 1 stage acceleration electrode tube group are ⁇ 60 kV. Therefore, the potential difference in the gaps G q , G q , G q ,... Between the accelerating electrode tubes T q , T q , T q ,...
  • the control unit determines whether or not the value of the variable q at that time is 28 (step S8). If the value of variable q is not 28 (NO in step S8), the control unit increments the value of variable q by 1 (step 9), and returns the process to step S6. As a result, the potentials of the acceleration electrode tube groups in the second and subsequent stages, which were applied to ⁇ 60 kV at the initial operation of the charged particle accelerator 200, are sequentially switched to 20 kV.
  • step 8 when the value of variable q is 28 (YES in step S8), control unit 102 ends the process.
  • a plurality of parallel ion beams are simultaneously emitted by the ion emitting unit 202 as described above, and this is accelerated by the respective charged particle acceleration units 201, 201, 201.
  • the respective charged particle acceleration units 201, 201, 201 Compared to a charged particle accelerator having the same configuration as that of one charged particle acceleration unit, it is possible to output an ion beam having a large energy as a whole.
  • the charged particle accelerator 300 according to the present embodiment is a linear accelerator.
  • the charged particle accelerator 300 is accelerated by the plurality of charged particle acceleration units 301, 301, 301,... And the charged particle acceleration units 301, 301, 301,.
  • a plurality of solid metal targets (not shown) that generate neutron beams by nuclear reaction when irradiated with charged particles.
  • the ion emission part is comprised so that the ion beam which consists of charged particles can be emitted.
  • Switching elements SW 1, SW 2, SW 3 , ..., SW 28 is by switching the switch, accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., T 28 each high voltage direct current power supply DC1 connected to each The poles of DC2, DC3,..., DC28 can be switched to an anode or a cathode.
  • the switching elements SW 1, SW 2, SW 3 , ..., by switching the SW 28, an accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., the sign of the voltage in the reverse applied to T 28 respectively be able to.
  • Switching elements SW 1, SW 2, SW 3 , ... by operating the SW 28, an accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., each and T 28, respectively high-voltage direct-current power source DC1, DC2, DC3, ..., When the anode of the DC 28 is connected , the voltage of each acceleration electrode tube T 1 , T 2 , T 3 ,..., T 28 changes to 60 kV.
  • the switching elements SW 1, SW 2, SW 3 , ... by operating the SW 28, an accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., each and T 28, respectively high-voltage direct-current power source DC1, DC2, DC3
  • the voltages of the acceleration electrode tubes T 1 , T 2 , T 3 ,..., T 28 change to ⁇ 60 kV.
  • Switching of the switching elements SW 1 , SW 2 , SW 3 ,..., SW 28 is performed by control from a control unit (not shown) as in the first embodiment.
  • the switching element SW 1 anode and accelerating electrode tube T 1 of the high-voltage direct-current power supply DC1, T 1, T 1, and disconnects the ... and anode and accelerating electrode tube T 1 of the high-voltage direct-current power supply DC1,
  • T 1 , T 1 ,... are connected
  • the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group change.
  • the circuit including the acceleration electrode tube T 1 , the high-voltage DC power source DC 1, and the capacitor C forms a first-order lag system. Therefore, after switching SW 1 , the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Change with a first-order lag and finally become 60 kV.
  • the control unit controls the switching element SW 1 to connect each of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... And the cathode of the high-voltage DC power source DC 1, and the first-stage acceleration electrode tube group A negative potential is applied to the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,.
  • the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group become ⁇ 60 kV.
  • An ion beam having an ion current value, a diameter, and a length determined by the setting from the ion launching unit is applied to the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Of each charged particle acceleration unit 301, 301, 301,. Fired simultaneously at each. Ion beam emitted from the ion firing unit enters the accelerating electrode tube T 1.
  • the control unit switches the switching element SW 1. By doing so, the connection between each of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group and the cathode of the high-voltage DC power supply DC1 is cut off, and the first-stage acceleration is performed.
  • Each acceleration electrode tube T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the electrode tube group is connected to the anode of the high voltage DC power source DC1.
  • the control unit assigns 2 to the variable q, and determines whether or not a predetermined switching time corresponding to the acceleration electrode tube T q that enters next has been reached.
  • This switching time is predetermined for each of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 .
  • Each switching time the ion beam is emitted, the time until the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T q corresponding to the switching time. That is, when it is determined here that the switching time has been reached, the leading edge of each ion beam is located at the central portion of the acceleration electrode tubes T q , T q , T q,.
  • the control unit switches the switching element SW q .
  • the connection between each acceleration electrode tube T q , T q , T q ,... Included in the q-th stage acceleration electrode tube group and the cathode of the high-voltage DC power source DCq is cut off, and the q-th stage acceleration is performed.
  • Each accelerating electrode tube T q , T q , T q ,... Included in the electrode tube group is connected to the anode of the high voltage DC power source DCq. Therefore, a positive potential is applied to the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th acceleration electrode tube group. Therefore, when the switching element SW q is switched, the potentials of the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th acceleration electrode tube group change to 60 kV.
  • the directions of the electric fields in q 1 , G q , G q ,... are directions from the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... to the acceleration electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1,. Thereby, while the charged particles pass through the gaps G q , G q , G q ,..., The charged particles are accelerated by this electric field.
  • the control unit determines whether or not the value of the variable q at that time is 28. When the value of the variable q is not 28, the control unit increments the value of the variable q by 1, and determines whether or not a predetermined switching time corresponding to the next accelerating electrode tube Tq has been reached. Return to. As a result, the potentials of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 of the acceleration electrode units 301, 301, 301. It is sequentially switched to 60 kV.
  • the gap G 2, G 3, G 4 , ... the potential difference between G 27 switches to 120kV from 0 sequentially, the gap G 2, G 3, G 4 , ..., by passing through a G 27, charged Particles are accelerated.
  • the acceleration electrode tube T 1 is disposed between the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 , and the gap GD between the dummy electrode tube DT 1 and the acceleration electrode tube T 1 is set. 1 , an electric field that does not change in time is formed while the ion beam passes, and the ion beam is accelerated by this electric field. In the gap GD 2 between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 2 , An electric field whose strength increases with time during the passage of the beam is formed and the ion beam is accelerated by this electric field.
  • the present invention is not limited to this.
  • the dummy electrode tube DT 2 of the front may be placed accelerating electrode tube connectable to the respective high-voltage direct-current power source P1, P2.
  • a potential of -60kV the initial state to the accelerating electrode tube arranged on the front side of the accelerating electrode tube T 1.
  • the strength of the electric field is changed in a first-order lag in the gap between the accelerating electrode tube T 1 and the accelerating electrode tube of the adjacent, by the gap ion beam passes while changing ion
  • the beam can be shortened in the axial direction.
  • the capacitor C is a stray capacitance of the accelerating electrode tube T 1, it has been described in terms of forming a first-order lag circuit, but is not limited thereto. Connecting a capacitor to the acceleration electrode tube T 1, thereby may be provided with a first-order lag circuit.
  • the present invention is not limited to this. It is good also as a structure which changes the strength of an electric field by a secondary delay in the gap between adjacent electrode tubes.
  • the accelerating electrode tube T 1 connects two capacitors, accelerating electrode tube T 1, the high voltage DC power source P1, and a circuit including two capacitors may be a secondary delay system.
  • the attenuation ratio is 1 or less.
  • the charged particle accelerator 100 is a linear accelerator, but is not limited to this.
  • a plurality of accelerating electrode tubes are arranged non-linearly, a deflection magnet is arranged between adjacent accelerating electrode tubes, and the traveling direction of charged particles in progress is changed by the deflecting magnet, thereby accelerating electrodes arranged non-linearly.
  • a configuration may be adopted in which charged particles are sequentially passed through the tube.
  • a switching element having a large on-resistance is connected to at least one accelerating electrode tube, and the switching element is turned on / off so that a gap between the accelerating electrode tube and the adjacent accelerating electrode tube is obtained.
  • an electric field whose strength increases with time is formed. The ion beam can be passed through the gap while the electric field strength is increasing.
  • the length of the ion beam can be adjusted by controlling the voltage applied to the electrode (dee) of the cyclotron.
  • a switching element having a large on-resistance is connected to one of the electrodes of a cyclotron to form a first-order lag system, and the electrode is connected to a DC power source via the switching element. While the ion beam emitted from the ion emitter passes through the inside of one electrode, a negative potential is applied to the one electrode by switching the switch, and a positive potential is applied to the other electrode. To do. The ion beam is passed through the gap while the electric field strength of the gap increases due to the first order lag.
  • the ion beam passes through the gap by performing on / off control of the switching element when the leading edge of the ion beam reaches the center of the acceleration electrode tube.
  • the present invention is not limited to this. What is the time at which the on / off control of the switching element is performed as long as an electric field whose intensity increases with time is formed in the gap while the ion beam passes through the gap? Also good.
  • an acceleration electrode tube is formed so that an electric field whose strength increases with time is formed in the gap while the ion beam passes through the gap.
  • the voltage application start time may be adjusted.
  • the charged particle accelerator and charged particle acceleration method of the present invention are useful as a charged particle accelerator and a charged particle acceleration method for accelerating charged particles.

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Abstract

　加速電極管Ｔ１の前後に、接地されたダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２を配置する。加速電極管Ｔ１には、高電圧直流電源Ｐ１の陰極がスイッチング素子ＳＷＲ１を介して接続されている。また、加速電極管Ｔ１には、高電圧直流電源Ｐ２の陽極がスイッチング素子ＳＷＦ１を介して接続されている。さらに、加速電極管Ｔ１は、コンデンサＣの一方の電極に接続されており、コンデンサＣの他方の電極は接地されている。加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。イオンビームがギャップＧＤ１を通過する間には、ギャップＧＤ１に時間的に変化しない加速電界が形成され、イオンビームがギャップＧＤ２を通過する間には、ギャップＧＤ２に時間的に強さが増大する加速電界が形成される。

Description

荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法
　本発明は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法に関する。
　電子、陽子、重イオン等の荷電粒子を加速する荷電粒子加速器が知られている。荷電粒子加速器には、荷電粒子を直線上で加速する線形加速器、及び荷電粒子を円形の軌道上で加速する円形加速器が存在する。線形加速器及び円形加速器の何れにおいても、その基本原理は、対向配置された電極間に電位差が生じるように電極に電圧を印加し、この電極間に生じた電界によって荷電粒子を加速するというものである（例えば、特許文献１参照）。
　かかる従来の線形加速器及び円形加速器では、電極間に高周波電圧が印加され、これによって荷電粒子が加速される（例えば、特許文献１の図２及び図４参照）。図１３は、従来の荷電粒子加速器における高周波電圧と荷電粒子の位置との関係を示すグラフである。図中、縦軸が電圧であり、横軸が時間を示している。また、実線は電圧を示しており、黒い丸印は荷電粒子が電極間を通過する時刻を示している。図に示すように、従来の荷電粒子加速器では、高周波電圧の一方の極性のピークに達する直前において、荷電粒子が電極間を通過している。つまり、従来の荷電粒子加速器では、高周波電圧の位相と、荷電粒子の電極間のギャップ（空洞）の通過とを同期させている。
特開２００６－３２２８２号公報
　しかしながら、上述したような従来の荷電粒子加速器にあっては、大電力の高周波電源が必要となる。例えば、３０ｃｍのギャップ長を光速の５０％まで加速された荷電粒子が通過する時間は約２ナノ秒である。このような微少な時間に荷電粒子を加速するためには、印加する高周波電圧は数百メガＨｚ以上の周波数が必要であり、長距離にわたる加速器を駆動するためには水冷クライストロン管（真空管）を用いた高周波電源装置が不可欠であった。このため、装置の価格が高価になり、また装置の故障率が高くなるという欠点があった。また、上述したように、荷電粒子がギャップを通過するときに、高周波電圧が常に一定の位相となるようにする必要がある。荷電粒子の速度は計算により求めることが可能であるので、上記のような従来の荷電粒子加速器では、加速電極管の長さを調整して、荷電粒子のギャップ通過と高周波電圧の位相とを同期させている。荷電粒子のギャップ通過速度は非常に高速であるため、加速電極管の長さがごく僅かであってもずれていれば、荷電粒子を加速させることができない。したがって、加速電極管を精密に製造する必要があり、製造コストが嵩んでいた。
　本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、高周波電源装置を使うことなく荷電粒子を加速することが可能な荷電粒子加速器及び荷電粒子の加速方法を提供することにある。
　上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の荷電粒子加速器は、荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された一対の電極と、前記一対の電極に直流電圧を印加するための直流電源と、前記直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記空間に電界を形成するためのスイッチと、前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させる制御部と、を備える。
　この態様において、前記荷電粒子加速器は、前記スイッチに接続され、前記スイッチがオフからオン又はオンからオフに切り替えられたときに、前記空間に形成される電界の強さを時間に応じて増加させる応答遅れ生成部をさらに備え、前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に形成される電界の強さが時間的に増加するように、前記スイッチをオン／オフ制御するように構成されていてもよい。
　また、上記態様において、前記応答遅れ生成部は、抵抗と、コンデンサとを具備していてもよい。
　また、上記態様において、前記コンデンサは、前記スイッチにより前記直流電源との接続及び非接続を切り替えられる一方の前記電極に含まれる浮遊容量であってもよい。
　また、上記態様において、前記抵抗は、前記スイッチに含まれるオン抵抗であってもよい。
　また、上記態様において、前記応答遅れ生成部は、一次遅れ回路であってもよい。
　また、上記態様において、前記一次遅れ回路の時定数は、５ナノ秒～４５０ナノ秒であってもよい。
　また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された複数の電極管をさらに備え、前記一対の電極は、前記複数の電極管のうちの隣り合う一対の電極管であってもよい。
　また、上記態様において、前記一対の電極管は、接地された第１電極管と、前記スイッチに接続された第２電極管とを具備し、前記スイッチは、前記直流電源と前記第２電極管とを接続させることにより、前記空間に電界を形成するように構成されていてもよい。
　また、上記態様において、前記荷電粒子発生源は、発射された荷電粒子が、前記第２電極管、前記第１電極管の順番で前記第２電極管及び前記第１電極管の内部を通過するように構成されており、前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記第２電極管内に進入する前には、前記スイッチをオフにし、前記荷電粒子が前記第２電極管内を進行する間に前記スイッチをオンにすることで、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に発生させるように構成されていてもよい。
　また、上記態様において、前記複数の電極管は、前記第２電極管と第２空間を隔てて隣り合う、接地された第３電極管を含み、前記荷電粒子加速器は、第２直流電源と、前記第２直流電源と前記第２電極管とを接続させることにより、前記第２空間に電界を形成するための第２スイッチと、をさらに備え、前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記第２空間内を通過する間に、前記第２空間に一定の強さの電界が形成されるように、前記スイッチをオフにするとともに、前記第２スイッチをオンにし、前記荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に時間に応じて強さが変化する電界が形成されるように、前記スイッチをオンにするとともに、前記第２スイッチをオフにするように構成されていてもよい。
　また、本発明の他の態様の荷電粒子加速器は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、前記電極管に印加するための電圧を発生する直流電源と、前記直流電源によって発生される直流電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、を備え、前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、前記スイッチは、前記直流電源と、一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されており、前記制御部は、前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させるように構成されている。
　また、本発明の一の態様の荷電粒子の加速方法は、荷電粒子に一対の電極の間の空間を通過させるために、荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させるステップと、前記空間を前記荷電粒子が通過する間に、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成するステップと、を有する。
　本発明に係る荷電粒子加速器及び荷電粒子の加速方法によれば、高周波電源装置を使うことなく荷電粒子を加速することが可能となる。
実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図。 実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。 加速電極管とダミー電極管との間のギャップに電界を形成するための回路を示す模式図。 実施の形態１に係る荷電粒子加速器が有する制御部の処理の流れを示すフローチャート。 スイッチング素子の切り替え制御を示すタイミングチャート。 加速電極管とダミー電極管との間のギャップにおける電圧の時間的変化を示すグラフ。 スイッチング素子のオン／オフ制御を説明するための図。 イオンビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図。 実施の形態２に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図。 実施の形態２に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。 実施の形態２に係る荷電粒子加速器の加速電極管の連結構造を示す斜視図。 実施の形態３に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。 従来の荷電粒子加速器における高周波電圧と荷電粒子の位置との関係を示すグラフ。
　以下、図及び表を用いて本発明の実施形態について説明する。
　（実施の形態１）
　まず、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、線形加速器である。図１に示すように、荷電粒子加速器１００は、荷電粒子を発射するイオン発射部１０１と、複数の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。イオン発射部１０１は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。以下の説明では、イオン発射部１０１の荷電粒子発射方向を「前方」といい、前記荷電粒子発射方向の反対方向を「後方」という。
　イオン発射部１０１の前方には、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が並べて配置されている。イオン発射部１０１に最も近接した加速電極管Ｔ１の前後それぞれには、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２が設けられている。つまり、加速電極管Ｔ１は、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２によって挟まれた状態で配置されている。後側のダミー電極管ＤＴ２のさらに後方には、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が順番に配置されている。
　図２は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図である。図２に示すように、荷電粒子加速器１００は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１の出力電圧は６０ｋＶであり、高電圧直流電源Ｐ２の出力電圧は２０ｋＶである。
　高電圧直流電源Ｐ１は、陰極がスイッチング素子ＳＷＲ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
　高電圧直流電源Ｐ２は、陽極がスイッチング素子ＳＷＦ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＦ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＦ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＦ４，ＳＷＦ５，…，ＳＷＦ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
　加速電極管Ｔ１は浮遊容量を持っており、浮遊容量によるコンデンサＣの一方の電極は加速電極管Ｔ１に接続されており、コンデンサＣの他方の電極は接地されている。
　これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここで、後述するように、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に－６０ｋＶとなる。
　他方、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１との接続は遮断され、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここでも、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ２、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に２０ｋＶとなる。
　他の加速電極管Ｔ２～Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷＲｎをオンにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオフにすると、加速電極管Ｔｎの電位は一次遅れで－６０ｋＶに漸近する（ｎは２～２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷＲｎをオフにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオンにすると、加速電極管Ｔｎの電位は２０ｋＶに漸近する。
　図２に示すように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１との間には所定距離の間隙が設けられている。この空間（以下、「ギャップ」という。）ＧＤ１が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１とは絶縁されている。同様に、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間にもギャップＧＤ２が設けられている。また、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ２との間にもギャップＧ１が設けられており、隣り合う加速電極管Ｔ２～Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２～Ｇ２７が設けられている。さらに、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２のそれぞれは接地されている。
　このように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間にギャップＧＤ１，ＧＤ２が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１に電圧が印加されると、ギャップＧＤ１，ＧＤ２には電界が形成される。同様に、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、これらの加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップを通過する荷電粒子が加速される。
　図３は、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間のギャップＧＤ１，ＧＤ２に電界を形成するための回路を示す模式図である。スイッチング素子ＳＷＲ１は、オン抵抗ＲＲ１及びＲＲ２を有している。図３に示すように、スイッチング素子ＳＷＲ１は加速電極管Ｔ１の後部に接続されており、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、及び抵抗ＲＲ２は直列接続されているものとして示される。また、抵抗ＲＲ２には、高電圧直流電源Ｐ１の陰極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。一方、加速電極管Ｔ１の前部には、スイッチング素子ＳＷＦ１が接続されている。スイッチング素子ＳＷＦ１はオン抵抗ＲＦ１及びＲＦ２を有しており、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、及び抵抗ＲＦ２のそれぞれは直列接続されているものとして示される。抵抗ＲＦ２には、高電圧直流電源Ｐ２の陽極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。また、加速電極管Ｔ１には、上述したように浮遊容量としてのコンデンサＣが存在する。等価回路として、この浮遊容量であるコンデンサＣの一方の電極が加速電極管Ｔ１接続されており、コンデンサＣの他方の電極が接地されていると考えることができる。したがって、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、抵抗ＲＲ２、及び高電圧直流電源Ｐ１の回路が形成される。この回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで負の電位が印加される。また、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路が形成される。この回路もまた一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで正の電位が印加される。
　荷電粒子加速器１００は、ＦＰＧＡにより構成された制御部１０２を有している。この制御部１０２は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１に接続されており、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１を駆動することが可能である。また、図では省略したが、制御部１０２は、各スイッチング素子ＳＷＲ２～ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２～ＳＷＦ２８にも接続されており、これらのスイッチング素子ＳＷＲ２～ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２～ＳＷＦ２８も駆動することができる。さらに、制御部１０２は、イオン発射部１０１にも接続されており、イオン発射部１０１を制御することができる。
　次に、実施の形態に係る荷電粒子加速器１００の動作について説明する。図４は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器１００が有する制御部１０２の処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１０２は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔ１には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、加速電極管Ｔ１の電位は－６０ｋＶとなる。
　また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、－６０ｋＶとされる。
　次に制御部１０２は、イオン発射部１０１を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部１０１は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを発射する。イオン発射部１０１から発射されたイオンビームは、ダミー電極管ＤＴ１を通過し、ギャップＧＤ１に進入する。この時点において、ダミー電極管ＤＴ１の電位はアース電位であり、加速電極管Ｔ１の電位は－６０ｋＶであるため、ギャップＧＤ１には、電界が形成されている。この電界の向きは、ダミー電極管ＤＴ１から加速電極管Ｔ１へ向かう方向、即ち前方である。イオンビームに含まれる荷電粒子は正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧＤ１を通過する間にこの電界によって加速され、加速電極管Ｔ１に進入する。ギャップＧＤ１では全てのイオンビームが等電界で加速を受けるため、後述するようなイオンビームの軸長方向への収束作用は働かない。
　次に制御部１０２は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央部分に位置していることになる。
　ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部１０２はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ１には、正の電位が印加される。
　図５は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１の切り替え制御を示すタイミングチャートである。図において、横軸は時間を、縦軸はスイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１のオン／オフ状態を示している。ｔ０はイオン発射部１０１からイオンビームが発射される時刻を、t１はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の後端に到達する時刻を、t２はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の前端に到達する時刻を、t３はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に到達する時刻を、t４はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達する時刻を、t５はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の前端に到達する時刻を、t６はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の後端に到達する時刻を、t７はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の前端に到達する時刻を、それぞれ示している。また、ｔｓ１は時刻ｔ１から時刻ｔ２に至る期間を、ｔｓ２は時刻ｔ２から時刻ｔ３に至る期間を、ｔｓ３は時刻ｔ３から時刻ｔ５に至る期間を、ｔｓ４は時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る期間を、ｔｓ５は時刻ｔ６から時刻ｔ７に至る期間を、それぞれ示している。
　図５に示すように、イオンビームが発射される時刻ｔ０において、スイッチング素子ＳＷＲ１はオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１はオフとされている。イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に位置する時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられる。
　図６は、ギャップＧＤ１における電圧の時間的変化を示すグラフである。図に示すように、時刻ｔ０～ｔ４においては、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされているため、加速電極管Ｔ１の電位は－６０ｋＶである。また、ダミー電極管ＤＴ１の電位は０であるから、ギャップＧＤ１における電位差は６０ｋＶとなる。上述したように、時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。これにより、加速電極管Ｔ１の電位は上昇する。
　コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１の電位（つまり、ギャップＧＤ１における電位差）は、時間の経過に応じて上昇する。
　ここで、ダミー電極管ＤＴ２の電位は０であるため、ギャップＧＤ２における電位差は、時間の経過に応じて上昇する。イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に位置する時点ｔ５において、加速電極管Ｔ１の電位は０Ｖ以上となっている。すなわち、加速電極管Ｔ１の長さ、ギャップＧＤ２の長さ、コンデンサＣの容量、抵抗ＲＦ１及びＲＦ２の抵抗値等は、時刻ｔ５においてギャップＧＤ２にイオンビームを加速させる電界を発生させ、且つ、その電界の強さが更に過渡現象による上昇過程の途中となるように設定される。つまり、時刻ｔ５においては、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達していない。本実施の形態においては、時刻ｔ６においても、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達せず、時刻ｔ７の付近において２０ｋＶとなるように設定されている。
　このように、ギャップＧＤ２に発生した電界は、イオンビームがギャップＧＤ２を通過する期間ｔｓ４において単調増加する。ギャップＧＤ２における電位差が正であれば、ギャップＧＤ２における電界の向きはイオンビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧＤ２における電界の強さが大きい程、荷電粒子はその進行方向へ強く加速される。つまり、イオンビームに含まれる荷電粒子は、イオンビームの中で後方に位置する程、ギャップＧＤ２に発生する電界によって進行方向へ強く加速される。したがって、イオンビームがギャップＧＤ２を通過することにより、当該イオンビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
　イオンビームが加速電極管Ｔ１の中央に位置してから、ギャップＧＤ２を通過するまでの期間は、加速電極管Ｔ１の長さ、ギャップＧＤ２の大きさ、及びイオンビームの速度によって様々であるが、５ナノ秒～４５０ナノ秒である。このため、イオンビームがギャップＧＤ２を通過する間に、ギャップＧＤ２に発生する電界の強さを一次遅れで変化させるためには、ＲＣ回路の時定数を５～４５０ナノ秒の範囲で設定することが好ましい。本実施の形態では、時定数を５０ナノ秒として設定する。
　図４に示す制御部１０２の処理の説明に戻る。制御部１０２は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、対応する切替時間が予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑの中央部分に位置していることになる。
　ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部１０２はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔｑには、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、加速電極管Ｔｑに含まれる浮遊容量の影響で加速電極管Ｔｑの電位は＋２０ｋＶに漸近する。
　ここで、加速電極管Ｔｑに後続する加速電極管Ｔｑ＋１には、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、加速電極管Ｔｑ＋１の電位は－６０ｋＶである。したがって、加速電極管ＴｑとＴｑ＋１との間のギャップＧｑにおける電位差は８０ｋＶであり、ギャップＧｑにおける電界の向きは加速電極管Ｔｑから加速電極管Ｔｑ＋１へ向かう方向、即ち前方である。これにより、イオンビームはギャップＧｑを通過する間にこの電界によって加速されることになる。加速電極管Ｔ１の場合と異なり、加速電極管Ｔｑではスイッチング素子ＳＷＲｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、イオンビームがギャップＧｑを通過する時刻では加速電極管Ｔｑの電位はほぼ２０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑを通過することでイオンビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
　制御部１０２は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部１０２は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器１００の動作初期には－６０ｋＶに印加されていた加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の電位が順次２０ｋＶに切り替えられる。
　図７は、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を説明するための図である。以下の説明では、ｎが２～２６の整数を示すものとする。イオンビームに含まれる荷電粒子が加速電極管Ｔｎの軸長方向中央を通過するときには（図中、１行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎがオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦｎがオフとされる。このため、加速電極管Ｔｎの電位は＋２０ｋＶとなっている。一方、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１及びＳＷＲｎ＋２はオフ（初期状態）とされ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１及びＳＷＦｎ＋２がオン（初期状態）とされている。つまり、加速電極管Ｔｎに後続する加速電極管Ｔｎ＋１，加速電極管Ｔｎ＋２の電位は－６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎには８０ｋＶの電位差が生じており、ギャップＧｎにおける電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致している。なお、ギャップＧｎ＋１の電位差は０であり、ギャップＧｎ＋１には電界が生じていない。
　荷電粒子はギャップＧｎを通過し、このときギャップＧｎの電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋１に進入する（図中、２行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋１の軸長方向中央を通過するときには（図中、３行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋１の電位は＋２０ｋＶに変化する。このとき、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２及びＳＷＦｎ＋２のそれぞれは初期状態から変化しない。したがって、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は－６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎ＋１には８０ｋＶの電位差が生じ、ギャップＧｎ＋１における電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致する。
　荷電粒子はギャップＧｎ＋１を通過し、ギャップＧｎ＋１の電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋２に進入する（図中、４行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋２の軸長方向中央を通過するときには（図中、５行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋２がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は＋２０ｋＶに変化する。
　このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から８０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
　イオンビームは、静電レンズ又は４極電場回路を設けなければ、空間電荷効果によってその半径方向（軸長方向に直交する方向）に拡大される。本実施の形態においては、各ギャップＧＤ１，ＧＤ２，及びＧ１，Ｇ２，…，Ｇ２７に発生する電界が静電レンズとして機能する。つまり、イオンビームがギャップＧｎを通過するとき、ギャップＧｎに生じている電界の静電レンズ効果によって、イオンビームが半径方向に縮小される。図８は、イオンビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図である。加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶであり、加速電極管Ｔｎ＋１の電位が－６０ｋＶである場合、図に示すように、ギャップＧｎには電界が発生する。この電界は、静電凸レンズとして機能し、ギャップＧｎを通過するイオンビームをその半径方向に収束させる。イオンビームの収束作用の強さ、つまり、静電レンズの焦点距離は、電界の強さにより変化する。電界の強さは、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差の大きさ、ギャップＧｎの軸長方向の長さにより定まる。したがって、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差、又は、ギャップＧｎの軸長方向の長さを調整することで、イオンビームが加速電極管の内壁に衝突しないよう、イオンビームの半径方向の大きさを適切に設定することができる。
　ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部１０２は、処理を終了する。
　以上のように、本実施の形態においては、イオン発射部１０１から発射されたイオンビームがギャップＧＤ１を通過するときに、ギャップＧＤ１には時間に応じて変化しない電界が発生している。この電界の向きは、イオンビームの進行方向と一致しており、イオンビームはこの電界を通過するときに加速される。また、イオンビームがギャップＧＤ１を通過するときには、軸長方向へのビーム凝縮（収束）は行われない。また、イオンビームがギャップＧＤ２を通過するときに、ギャップＧＤ２には時間に応じて強度が大きくなる電界が発生している。この電界の向きは、イオンビームの進行方向と一致しており、イオンビームはこの電界を通過するときに加速される。また、イオンビームはギャップＧＤ２を通過するときに、電界の強さの時間的変化により、その軸長方向に凝縮される。
　また、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８では、オン抵抗が小さなスイッチング素子で電位が切り替えられるため、時定数が５ナノ秒未満と小さく、実質的に遅れを生じることなく加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶになる。したがって、イオンビームがギャップＧｎを通過するとき、このギャップＧｎにおける電位差が時間的に変化することがない。したがって、イオンビームはギャップＧｎを通過するときに、イオンビーム全体が均等に所定の加速電圧を受けることになる。このように、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、イオンビームを均等に加速する要素と、イオンビームを軸長方向に凝縮する要素とを有しているので、イオンビームの加速及び適切なバンチ（荷電粒子群）形成の両立が可能となる。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器から、イオンビームを軸長方向に凝縮する要素がなくなれば、イオンビームは空間電荷効果等により軸長方向に長くなってしまう。例えば、隣り合う２つの加速電極管のうち、前方の加速電極管の中央位置をイオンビームのリーディングエッジが通過する時点で、そのイオンビームの後端が後方の加速電極管から出ていない場合には、前方の加速電極管の電位を切り替えると、これらの２つの加速電極管の間の電位差が０になる。したがって、この場合にはイオンビームの前側部分は加速されるが、後側部分は加速されなくなる。このように、加速電極管の長さに対してイオンビームが長くなり過ぎると、適切な加速を行うことができない。したがって、荷電粒子加速器では、イオンビームの電気力線が遮断されている間、即ち、イオンビームの全体が加速電極内部（導体の内部）に収納されている間に加速電極管の電位を切り替える必要がある。このため、生成するイオンビームの長さよりも長い加速電極管が必要となる（例えば、長さ６ｍのイオンビームを加速しようとすれば長さ６ｍ以上の加速電極管が必要となる）。イオンビームが常に３０ｃｍの長さを維持するよう制御される場合には、加速電極管はたかだか３０ｃｍ程度の長さがあればよい。１０段の線形加速器の場合（加速電極管が１０個直列配置される場合）、前者では加速電極管の総長は６０ｍ以上に至るのに対し、後者では３ｍ程度でおさまる。
　また、イオンビームに含まれる電荷量は用途によって様々である。例えば、医療用では、電荷量の少ないイオンビームが求められる。一方、エネルギー分野の用途では、電荷量の多いイオンビームが求められる。本実施の形態に係る荷電粒子加速器では、イオンビームを凝縮する電界を１つのギャップＧＤ２において発生させるように構成したが、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を増やすことで、電荷量が多く空間電荷効果のさらに大きなイオンビームを凝縮することも可能となる。つまり、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を調節することで、様々な電荷量を持つイオンビームに対して適切な凝縮（バンチ形成）を行うことが可能となる。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００において、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の少なくとも１つに、オン抵抗の大きなスイッチング素子を接続してもよい。このようにすることで、当該スイッチング素子が接続された加速電極管の浮遊容量とオン抵抗とによって一次遅れ系が構成される。これにより、その加速電極管Ｔｎに対応するスイッチング素子ＳＷＲｎがオフにされ、同時にスイッチング素子ＳＷＦｎがオンにされると、加速電極管Ｔｑの電位が－６０ｋＶから一次遅れで２０ｋＶに変化する。このように、オン抵抗の大きなスイッチング素子を取り付ける加速電極管の数を調節することで、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を調節することが可能となる。
　このような構成とすることにより、荷電粒子加速器１００に高周波電源を備える必要がない。また、従来の荷電粒子加速器では、高周波の位相をイオンビームのギャップ通過と同期させる必要があり、このため、加速電極管の長さを精密に調整することが必要であった。本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、加速電極管の長さを調整することで、イオンビームのギャップ通過と加速電界の発生タイミングとの同期を取るのではなく、イオンビームがギャップを通過する間に加速電界の強さが増加するように、スイッチング素子のオン／オフ切替のタイミングを調整すればよい。このため、従来に比べて加速電極管の長さを精密に調整する必要がなく、加速電極管の製造コストを低減することが可能となる。
　また、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、高周波電源を必要としない。高周波電源を使用する場合、ギャップを通過する微少な時間に荷電粒子を加速するためには、数百メガＨｚ以上の周波数の高周波電圧が必要であり、長距離にわたる加速器を駆動するためには水冷クライストロン管（真空管）を用いた高周波電源装置が不可欠である。このような高価な高周波電源を使用する必要がないため、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、従来に比して大幅なコスト低減が可能となる。
　（実施の形態２）
　図９は、実施の形態２に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００は、複数の荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…を備えている。各荷電粒子加速ユニット２０１の構成は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器１００の構成と同様である。即ち、荷電粒子加速ユニット２０１は、複数の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８を具備する線形加速器である。また、各荷電粒子加速ユニット２０１は、加速電極管Ｔ１を挟むように、２つのダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２を具備している。
　図１０は、実施の形態２に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図である。図１０に示すように、荷電粒子加速器２００は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１の出力電圧は６０ｋＶであり、高電圧直流電源Ｐ２の出力電圧は２０ｋＶである。
　各荷電粒子加速ユニット２０１は、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が直列的に複数段（２８段）配置された構成である。つまり、複数の荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…のそれぞれには、２８段の加速電極器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が設けられており、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…のそれぞれに含まれる同じ段の加速電極管によって加速電極管群が構成される。即ち、荷電粒子加速器２００は、２８段の加速電極管群を備えている。
　高電圧直流電源Ｐ１の陰極には、スイッチング素子ＳＷＲ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット２０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導電体により接続されている。つまり、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導通可能に接続されている。さらに高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…は導電体により互いに接続されており、同様に、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれについても、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が互いに導通可能に接続されている。高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
　上記の構成についてさらに詳しく説明する。図１１は加速電極管の構成を示す模式図である。互いに平行に配置された加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…、即ち、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は加速電極管保持部材２０４によって保持されている。この加速電極管保持部材２０４は導電体であるステンレス合金により構成されている。このため、加速電極管保持部材２０４により加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は電気的に接続されることになる。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれの加速電極管についても、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と同様に、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が加速電極管保持部材２０４によって保持されており、加速電極管保持部材２０４によって電気的に接続されている。
　高電圧直流電源Ｐ２の陽極には、スイッチング素子ＳＷＦ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット２０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。かかる高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
　各加速電極管Ｔ１は浮遊容量を有している。浮遊容量によるコンデンサＣは、一方の電極が加速電極管Ｔ１に接続されており、他方の電極が接地されているものとして考えることができる。
　これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここで、実施の形態１と同様に、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにした後、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に－６０ｋＶとなる。
　他方、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…との接続は遮断され、高電圧直流電源Ｐ２と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここでも、実施の形態１と同様に、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ２、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにした後、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に２０ｋＶとなる。
　他の加速電極管Ｔ２～Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷＲｎをオンにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオフにすると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は一次遅れで－６０ｋＶに漸近する（ｎは２～２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷＲｎをオフにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオンにすると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は２０ｋＶに漸近する。
　図１０に示すように、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と各ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…との間には等距離のギャップＧＤ１，ＧＤ１，ＧＤ１，…が設けられている。同様に、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…との間にもギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…が設けられている。また、ダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…と加速電極管Ｔ２との間にもギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられており、隣り合う加速電極管Ｔ２～Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２～Ｇ２７が設けられている。さらに、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…及びＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…のそれぞれは接地されている。
　このように、各加速電極管Ｔ１と各ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間にギャップＧＤ１，ＧＤ２が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１に電圧が印加されると、ギャップＧＤ１，ＧＤ２には電界が形成される。同様に、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、これらの加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップを通過する荷電粒子が加速される。
　また、本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００は、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…へイオンビームを発射するイオン発射部２０２と、ＦＰＧＡからなる制御部（図示せず）とを有している。イオン発射部２０２は、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…のダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…へ同時にイオンビームを発射することが可能である。また、制御部は、イオン発射部２０２、及び各スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８に接続されており、イオン発射部２０２及びスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を駆動することができる。
　次に、本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００の動作について説明する。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器２０の処理手順は、実施の形態１と同様、図４により示される。まず、制御部は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は－６０ｋＶとなる。
　また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、－６０ｋＶとされる。
　次に制御部は、イオン発射部２０２を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部２０２は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…のダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…へ同時に発射する。イオン発射部２０２から発射されたイオンビームは、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…を通過し、同時にギャップＧＤ１，ＧＤ１，ＧＤ１，…に進入する。この時点において、ダミー電極管ＤＴ１の電位はアース電位であり、加速電極管Ｔ１の電位は－６０ｋＶであるため、ギャップＧＤ１には、電界が形成されている。この電界の向きは、ダミー電極管ＤＴ１から加速電極管Ｔ１へ向かう方向、即ち前方である。イオンビームに含まれる荷電粒子は正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧＤ１を通過する間にこの電界によって加速され、加速電極管Ｔ１に進入する。ギャップＧＤ１では全てのイオンビームが等電界で加速を受ける。
　次に制御部は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
　ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、正の電位が印加される。
　コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１の電位（つまり、ギャップＧＤ１における電位差）は、時間の経過に応じて上昇する。
　ここで、ダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…の電位は０であるため、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電位差は、時間の経過に応じて上昇する。
　このように、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…に発生した電界は、イオンビームがギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…を通過する期間において単調増加する。ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電位差が正であれば、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電界の向きはイオンビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電界の強さが大きい程、荷電粒子はその進行方向へ強く加速される。したがって、各イオンビームがギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…を通過することにより、各イオンビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
　制御部は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、対応する切替時間が予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジがｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
　ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…に含まれる浮遊容量の影響で加速電極管Ｔｑの電位は＋２０ｋＶに漸近する。
　ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…には、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は－６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は８０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向、即ち前方である。これにより、イオンビームはギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過する間にこの電界によって加速されることになる。加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の場合と異なり、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…ではスイッチング素子ＳＷＲｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、イオンビームがギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過する時刻では加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の電位はほぼ２０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過することでイオンビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
　制御部は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器２００の動作初期には－６０ｋＶに印加されていた２段目以降の各段の加速電極管群の電位が順次２０ｋＶに切り替えられる。
　スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
　ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部１０２は、処理を終了する。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００では、上記のように複数の平行なイオンビームを同時にイオン発射部２０２により発射し、これを各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…によって加速するため、１つの荷電粒子加速ユニットと同様の構成の荷電粒子加速器に比べて、全体として大きなエネルギーを有するイオンビームを出力することが可能となる。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００は、２つの直流電源Ｐ１，Ｐ２で、全ての荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…を駆動する構成である。また、１つのスイッチング素子ＳＷＲｎをオン／オフ制御することで、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…と直流電源Ｐ１との接続／非接続を切り替えることができ、１つのスイッチング素子ＳＷＦｎをオン／オフ制御することで、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…と直流電源Ｐ２との接続／非接続を切り替えることができる（ｎは１～２８の整数）。このため、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１…のそれぞれに対して、直流電源Ｐ１，Ｐ２及びスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を設ける構成に対して、製造コストを抑制することが可能となる。
　（実施の形態３）
　実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の構成について説明する。本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００は、線形加速器である。荷電粒子加速器３００は、実施の形態２における荷電粒子加速器２００と同様に、複数の荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…と、荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット（図示せず）と、を備えている。イオン発射部は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。
　図１２は、実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の構成を示す模式図である。図１２に示すように、荷電粒子加速器３００は複数の高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８を備えている。高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の出力電圧は６０ｋＶであり、これらは商用交流電源バス３０２と接続されており、商用交流電源バス３０２からの交流電圧を直流電圧に変換するよう構成されている。各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極及び陰極は、対応する加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれとスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を介して接続されている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８はスイッチを切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに接続される各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の極を、陽極又は陰極に切り替えることができるよう構成されている。これにより、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに印加する電圧の符号を逆にすることができる。
　スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は６０ｋＶに変化する。逆に、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は－６０ｋＶに変化する。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８の切り替えは、実施の形態１と同様に制御部（図示せず）からの制御によって行われる。
　各加速電極管Ｔ１は浮遊容量を有している。浮遊容量によるコンデンサＣは、一方の電極が加速電極管Ｔ１に接続されており、他方の電極が接地されているものとして考えることができる。
　これにより、スイッチング素子ＳＷ１によって高電圧直流電源ＤＣ１の陰極と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とを接続すると、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここで、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源ＤＣ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷ１を切り替えた後、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に－６０ｋＶとなる。
　他方、スイッチング素子ＳＷ１により、高電圧直流電源ＤＣ１の陽極と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…との接続を遮断し、高電圧直流電源ＤＣ１の陽極と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とを接続すると、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここでも、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源ＤＣ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、ＳＷ１を切り替えた後、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に６０ｋＶとなる。
　他の加速電極管Ｔ２～Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷｎによって高電圧直流電源ＤＣ１の陰極とｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…とを接続すると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は一次遅れで－６０ｋＶに漸近する（ｎは２～２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷｎによって高電圧直流電源ＤＣ１の陽極と加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…とを接続すると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は６０ｋＶに漸近する。
　荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部の構成は、実施の形態２における荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部２０２と同様であるので、説明を省略する。
　次に、実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の動作について説明する。まず、制御部は、スイッチング素子ＳＷ１を制御し、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１との陰極とを接続させ、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…に、負の電位を印加させる。これにより、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は－６０ｋＶとなる。
　また、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，…，ＳＷ２８も同様に切り替えられ、各荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、－６０ｋＶとなる。
　イオン発射部から、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームが各荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれへ同時に発射される。イオン発射部から発射されたイオンビームは加速電極管Ｔ１に進入する。
　次に制御部は、所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
　切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷ１を切り替える。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陰極との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陽極とが接続される。
　加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…との間のギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…に発生した電界は、イオンビームが当該ギャップを通過する期間において単調増加する。当該ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，における電位差が正であれば、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，における電界の向きはイオンビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，における電界の強さが大きい程、荷電粒子はその進行方向へ強く加速される。したがって、各イオンビームがギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，を通過することにより、各イオンビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
　制御部は、ＳＷ１の切り替えを実行した後、変数ｑに２を代入し、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
　切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷｑを切り替える。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陰極との接続が遮断され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陽極とが接続される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷｑを切り替えると、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…それぞれの電位は６０ｋＶに変化する。
　ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…は、高電圧直流電源ＤＣｑの陰極と接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は－６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は１２０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向である。これにより、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を荷電粒子が通過する間に、この電界によって荷電粒子は加速されることになる。加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の場合と異なり、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…ではスイッチング素子ＳＷｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、イオンビームがギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過する時刻では加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の電位はほぼ６０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過することでイオンビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
　制御部は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する。変数ｑの値が２８でない場合には、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別する処理に戻る。これにより、荷電粒子加速器３００の動作初期においては－６０ｋＶに印加されていた各加速電極ユニット３０１，３０１，３０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８それぞれの電位が順次６０ｋＶに切り替えられる。
　このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から１２０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
　変数ｑの値が２８である場合には、制御部は、処理を終了する。
　本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００では、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８に印加する電圧を切り替えるためのスイッチング素子が、陽極又は陰極の何れか片方に接続を切り替えるように構成されている。これにより、単一のスイッチング素子により加速電極管に印加する電圧を切り替えることができ、簡易な制御で荷電粒子を加速することができる。
　（その他の実施の形態）
　なお、上述した実施の形態１，２においては、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２の間に加速電極管Ｔ１を配置し、ダミー電極管ＤＴ１と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ１では、イオンビームが通過する間において時間的に変化しない電界を形成し、この電界によってイオンビームを加速し、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間のギャップＧＤ２では、イオンビームが通過する間において時間的に強さが増大する電界を形成し、この電界によってイオンビームを加速する構成としたがこれに限定されるものではない。例えば、前側のダミー電極管ＤＴ２に代えて、高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに接続可能な加速電極管を配置してもよい。この場合、加速電極管Ｔ１の前側に配置された加速電極管に初期状態として－６０ｋＶの電位を印加しておく。加速電極管Ｔ１の軸長方向中央をイオンビームのリーディングエッジが通過する時点で、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１の電位が一次遅れで増大する。これにより、加速電極管Ｔ１とその隣の加速電極管との間のギャップにおける電界の強さが一次遅れで変化し、変化している間に当該ギャップをイオンビームが通過することで、イオンビームを軸長方向に短縮することができる。
　また、上述した実施の形態１～３においては、加速電極管Ｔ１の浮遊容量であるコンデンサＣにより、一次遅れ回路を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。加速電極管Ｔ１にコンデンサを接続し、これによって一次遅れ回路を形成する構成としてもよい。
　また、上述した実施の形態１～３においては、ギャップにおける電界の強さを一次遅れで増加させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。隣り合う電極管の間のギャップにおいて、電界の強さを２次遅れにより変化させる構成としてもよい。例えば、加速電極管Ｔ１に２つのコンデンサを接続し、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及び２つのコンデンサを含む回路を二次遅れ系とすることもできる。但し、この場合には、イオンビームがギャップを通過する間に、当該ギャップにおける電界が増加するように構成する必要があり、減衰比が１以下となるようにすることが特に好ましい。
　また、上述した実施の形態１においては、荷電粒子加速器１００を線形加速器としたが、これに限定されるものではない。複数の加速電極管を非線形に配置し、隣り合う加速電極管の間に偏向磁石を配置して、当該偏向磁石によって進行中の荷電粒子の進行方向を変化させて、非線形に配置された加速電極管に順次荷電粒子を通過させる構成としてもよい。この場合、少なくとも１つの加速電極管に大きなオン抵抗を有するスイッチング素子を接続し、このスイッチング素子をオン／オフ制御することで、当該加速電極管と、その隣の加速電極管との間のギャップに、時間的に強さが増加する電界を形成する。この電界の強さが増加している途中において、当該ギャップにイオンビームを通過させる構成とすることができる。
　また、サイクロトロンの電極（ディー）に印加する電圧を制御することによって、イオンビームの長さを調整するように構成することもできる。例えば、サイクロトロンの電極の一方にオン抵抗の大きなスイッチング素子を接続して一次遅れ系とし、当該スイッチング素子を介して直流電源に電極を接続する。イオン発射部から発射されたイオンビームが１つの電極の内部を通過している間に、スイッチを切り替えることで前記一方の電極に負の電位を印加し、前記他方の電極に正の電位を印加する。ギャップの電界の強さが一次遅れにより増加する間に、イオンビームにギャップを通過させる。
　また、上述した実施の形態１，２においては、イオンビームが加速電極管Ｔ１を進行している間に、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１に正の電位を印加し、接地されているダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、次のような構成とすることもできる。ダミー電極管ＤＴ２に一定の負の電位を印加しておき、負の電位が印加されている加速電極管に接続されたスイッチング素子をオフに切り替えることで、加速電極管と直流電源との接続を遮断する。これにより加速電極管の電位が０へ向かって変化し、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界が形成される。
　また、上述した実施の形態１，２においては、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管の中央に到達した時点でスイッチング素子のオン／オフ制御を行うことで、イオンビームがギャップを通過している間に当該ギャップにおいて生じる電界の強さを増大させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。イオンビームがギャップを通過している間に当該ギャップにおいて時間に応じて強さが増大する電界を形成する構成であれば、スイッチング素子のオン／オフ制御を行う時刻はどのようなものであってもよい。例えば、加速電極管の浮遊容量が非常に小さい場合には、一次遅れ回路の時定数が小さくなり、加速電極管の電位変化が極めて短時間に完了するため、イオンビームの先端（リーディングエッジ）がギャップの途中（例えば中央）にある時点で、スイッチング素子のオン／オフ制御を行い、ギャップに電界を発生させる構成としたり、イオンビームの末端（トレーディングエッジ）がギャップに進入した時点（つまり、加速電極管とギャップとの境界位置に到達した時点）で、スイッチング素子のオン／オフ制御を行い、ギャップに電界を発生させる構成としたりしてもよい。つまり、一次遅れ系を構成する抵抗成分及び容量成分に応じて、イオンビームがギャップを通過している間に当該ギャップにおいて時間に応じて強さが増大する電界を形成するように、加速電極管への電圧印加の開始時刻を調整すればよい。
　本発明の荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法として有用である。
　１００，２００，３００　　加速電極管
　１０１，２０２　　イオン発射部
　１０２　　制御部
　Ｃ　　コンデンサ
　ＧＤ１，ＧＤ２　　ギャップ
　ＤＴ１，ＤＴ２　　ダミー電極管
　Ｐ１，Ｐ２　　高電圧直流電源
　ＤＣ１，ＤＣ２，…，ＤＣ２８　　高電圧直流電源
　ＲＲ１，ＲＲ２，ＲＦ１，ＲＦ２　　抵抗
　ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８　　スイッチング素子
　ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８　　スイッチング素子
　ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８　　スイッチング素子
　Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔ２８　　加速電極管
 
　

Claims (13)

  1. 　荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
    　前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された一対の電極と、
    　前記一対の電極に直流電圧を印加するための直流電源と、
    　前記直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記空間に電界を形成するためのスイッチと、
    　前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させる制御部と、
    　を備える、
    　荷電粒子加速器。
  2. 　前記スイッチに接続され、前記スイッチがオフからオン又はオンからオフに切り替えられたときに、前記空間に形成される電界の強さを時間に応じて増加させる応答遅れ生成部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に形成される電界の強さが時間的に増加するように、前記スイッチをオン／オフ制御するように構成されている、
    　請求項１に記載の荷電粒子加速器。
  3. 　前記応答遅れ生成部は、抵抗と、コンデンサとを具備する、
    　請求項２に記載の荷電粒子加速器。
  4. 　前記コンデンサは、前記スイッチにより前記直流電源との接続及び非接続を切り替えられる一方の前記電極に含まれる浮遊容量である、
    　請求項３に記載の荷電粒子加速器。
  5. 　前記抵抗は、前記スイッチに含まれるオン抵抗である、
    　請求項３又は４に記載の荷電粒子加速器。
  6. 　前記応答遅れ生成部は、一次遅れ回路である、
    　請求項３乃至５の何れかに記載の荷電粒子加速器。
  7. 　前記一次遅れ回路の時定数は、５ナノ秒～４５０ナノ秒である、
    　請求項３乃至６の何れかに記載の荷電粒子加速器。
  8. 　前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された複数の電極管をさらに備え、
    　前記一対の電極は、前記複数の電極管のうちの隣り合う一対の電極管である、
    　請求項１乃至７の何れかに記載の荷電粒子加速器。
  9. 　前記一対の電極管は、接地された第１電極管と、前記スイッチに接続された第２電極管とを具備し、
    　前記スイッチは、前記直流電源と前記第２電極管とを接続させることにより、前記空間に電界を形成するように構成されている、
    　請求項８に記載の荷電粒子加速器。
  10. 　前記荷電粒子発生源は、発射された荷電粒子が、前記第２電極管、前記第１電極管の順番で前記第２電極管及び前記第１電極管の内部を通過するように構成されており、
    　前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記第２電極管内に進入する前には、前記スイッチをオフにし、前記荷電粒子が前記第２電極管内を進行する間に前記スイッチをオンにすることで、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に発生させるように構成されている、
    　請求項９に記載の荷電粒子加速器。
  11. 　前記複数の電極管は、前記第２電極管と第２空間を隔てて隣り合う、接地された第３電極管を含み、
    　第２直流電源と、
    　前記第２直流電源と前記第２電極管とを接続させることにより、前記第２空間に電界を形成するための第２スイッチと、
    　をさらに備え、
    　前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記第２空間内を通過する間に、前記第２空間に一定の強さの電界が形成されるように、前記スイッチをオフにするとともに、前記第２スイッチをオンにし、前記荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に時間に応じて強さが変化する電界が形成されるように、前記スイッチをオンにするとともに、前記第２スイッチをオフにするように構成されている、
    　請求項１０に記載の荷電粒子加速器。
  12. 　互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
    　前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、
    　前記電極管に印加するための電圧を発生する直流電源と、
    　前記直流電源によって発生される直流電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、
    　前記スイッチを制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、
    　前記スイッチは、前記直流電源と、一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されており、
    　前記制御部は、前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させるように構成されている、
    　荷電粒子加速器。
  13. 　荷電粒子に一対の電極の間の空間を通過させるために、荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、
    　前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させるステップと、
    　前記空間を前記荷電粒子が通過する間に、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成するステップと、
    　を有する、
    　荷電粒子の加速方法。
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