WO2016174700A1 - 円形加速器 - Google Patents

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circular accelerator
vertical
charged particle
particle beam
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Inventor
重充 原
孝道 青木
Original Assignee
株式会社日立製作所
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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
    • H05H7/10—Arrangements for ejecting particles from orbits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to a circular accelerator for extracting charged particles to the outside with low loss by accelerating to a high energy by a high-frequency electric field while deflecting charged particles in a magnetic field and orbiting a circular orbit.
  • a conventional cyclotron or synchrocyclotron is a kind of circular accelerator.
  • the acceleration of a charged particle beam by a cyclotron is a so-called Dee electrode installed to introduce a charged particle beam from an ion source into a circular orbit in a plane perpendicular to the magnetic field and generate an electric field on the circular orbit.
  • a high-frequency AC voltage is applied to (Dee electrode) to accelerate the charged particle beam passing therethrough.
  • the accelerated beam extraction method is achieved by installing an electrostatic deflector in a region where the maximum energy is reached and deflecting the beam to the outside of the circular orbit.
  • a deflector (electrostatic deflector) is arranged on the outer side along a circular trajectory and operates as an anode (electrostatic partition wall) and circulates with respect to the septum electrode.
  • a high voltage electrode which is disposed opposite to the septum electrode and acts as a cathode.
  • betatron oscillation amplitude amplifying means for amplifying the betatron oscillation amplitude of the particle beam is placed in a cavity disposed in series with the particle beam orbit. Is formed by a high-frequency cavity in which a TM110 mode having a magnetic field component perpendicular to the particle beam is excited, and these are the main features.
  • JP 2010-186631 A Japanese Patent Laid-Open No. 2000-21600
  • the thickness of the portion (partition wall) facing the high voltage electrode in the septum electrode is as thin as about 0.1 mm so as not to prevent the progress of the charged particles.
  • a high-frequency cavity can be applied only to a circular accelerator that draws a donut-shaped circular orbit like a synchrotron.
  • the beam trajectory spacing cannot be greatly expanded due to the mechanism of the accelerator, so the beam inside the beam trajectory of the electrostatic deflector electrode for extraction is thinned to reduce the beam loss and extract the beam
  • this method still has a problem that the shielding device becomes large as the electrostatic deflector electrode is activated.
  • the beam trajectory spacing there is also an idea that the beam is greatly accelerated by the acceleration electric field using the acceleration cavity and the beam trajectory spacing is expanded by the centrifugal force in the horizontal direction.
  • the present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and this apparatus is a circular accelerator, and the beam trajectory is not limited to a donut-shaped circular accelerator, and the beam extraction position is not limited to a planar beam trajectory.
  • An object of the present invention is to provide a circular accelerator capable of reducing the loss of the outgoing beam by expanding the distance between adjacent beam trajectories.
  • the present invention provides an iron core that forms a magnetic field so as to circulate the charged particle beam, an acceleration electrode that accelerates the charged particle beam, and electrodes that are vertically arranged so as to sandwich an orbit around the charged particle beam. And a deflector for an outgoing beam that takes out the charged particle beam, Solve the above problems.
  • a plurality of vertical electrodes and a high-frequency power source are provided in the radial direction, so Since the beam trajectory spacing can be expanded and the amount of beam colliding with the electrostatic deflector can be reduced, it is possible to improve the performance, size and cost of the entire circular accelerator system, including reducing the loss of the outgoing beam. In addition, it is possible to extract a highly efficient beam with less beam loss and reduce the radiation of the electrostatic deflector electrode, so that the radiation shielding structure can be downsized, resulting in higher performance, smaller size, and lower cost. Can contribute.
  • FIG. 3 is a view showing a bird's-eye view of a schematic configuration of a circular accelerator using the beam extraction method according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the vertical cross-sectional schematic structure of the circular accelerator using the beam extraction method by 1st Example of this invention. It is a figure which shows the relationship between the beam vertical position of a circular accelerator using the beam extraction method by 1st Example of this invention, and the frequency
  • FIG. 3 is a diagram showing an outline of a beam trajectory of a circular accelerator using the beam extraction method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an outline of a beam trajectory of a circular accelerator using the beam extraction method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a vertical position and a radial position in the vicinity of the electrostatic deflector of the beam trajectory of the circular accelerator using the beam extraction method according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the bird's-eye view of schematic structure of the circular accelerator using the beam extraction method by 2nd Example of this invention. It is a figure which shows the equipotential line which generate
  • FIG. 1 is a three-dimensional bird's-eye view showing a schematic configuration of a horizontal section of a circular accelerator 100 of the present embodiment.
  • the circular accelerator 100 according to the charged particle beam extraction method of the present embodiment will be described.
  • the circular accelerator 100 capable of extracting a beam with high efficiency (low loss) includes a main electromagnet core 1 and a coil 2 for forming a circular trajectory by deflecting the beam trajectory into a circle.
  • FIG. 1 shows the main electromagnet core 1 in a fan shape so that the cross section can be seen in order to clarify the internal shape of the circular accelerator 100.
  • a coil 2 installed so as to surround the electromagnet core 1 and its protruding portion is installed facing each other so as to be vertically symmetrical across the raceway surface.
  • the Dee electrode 3 and the dummy Dee electrodes 4 existing on both sides of the Dee electrode 3 are installed so as to cross the circular accelerator 100 from one end to the other end thereof, a high frequency power source 5 for supplying high frequency power to the Dee electrode 3, a dummy A ground wiring 6 for grounding the D-electrode 4 is provided.
  • These accelerating electrodes, the dee electrode 3 and the dummy dee electrode are installed facing each other so as to sandwich the track surface.
  • the high frequency electric field between the dee electrode 3 and the dummy dee electrode 4 accelerates the charged particle beam to a high energy by drawing a spiral orbit 7.
  • the vertical electrode 8 is provided.
  • the vertical electrode 8 is vertically arranged so as to sandwich the raceway surface, and a positive electrode is provided on one side thereof and a negative electrode is provided on the other side thereof, so that a velocity component perpendicular to the raceway surface is given to the beam particles.
  • the vertical electrode 8 is installed at various positions on the spiral track 7, in this embodiment, the vertical electrode 8 is one track inner circumference than the output deflector electrode 10 installed on the outermost periphery of the spiral track 7.
  • a vertical electrode 8 is provided at the same circumferential position as the outgoing deflector electrode 10.
  • the vertical electrode 8 is locally provided at a predetermined position in the circumferential direction so as to influence one beam trajectory or a plurality of beam trajectories in one of the spiral trajectories.
  • a high-frequency power source 9 for generating a high-frequency electric field is connected to the vertical electrode 8 so that the vertical displacement of the beam is changed to a solid line trajectory (without the high-frequency electric field of the vertical electrode 8) and a broken-line trajectory (with the high-frequency electric field of the vertical electrode 8).
  • the orbital spacing is enlarged in the outgoing deflector electrode 10 after making a round from the vertical electrode 8. Thereafter, the outgoing deflector electrode 10 deflects the beam outward in the orbit radius, and the beam is taken out.
  • the vertical electrode 12 corrects the vertical orbit displacement again.
  • DC high voltage power supplies 11 and 13 are connected to the deflector electrode 10 and the vertical electrode 12 for emission.
  • the vertical electric field distribution generated by the vertical electrode 8 is shown in FIG.
  • the vertical axis zero point in the figure is the beam trajectory plane, and an electrode of ⁇ 15 kV is provided on the upper side and +15 kV is provided on the lower side. It can be seen that when the electrodes are placed on the left and right electrodes of 0V, the electric field distribution can generate an almost vertical electric field as shown in the figure.
  • FIG. 3 shows the vertical displacement of the beam in the high frequency electric field applied to the vertical electrode 8 of the present invention.
  • the beam in contact with the electric field generated by the vertical electrode 8 around the 40th week is gradually increased in the vertical direction as the number of turns increases as shown in FIG.
  • the turn separation is expanded by the vertical displacement as shown in FIGS.
  • FIG. 4 is an example of a beam trajectory when charged particles are accelerated while applying a vertical electric field synchronized with vertical betatron oscillation.
  • FIG. 5 is a diagram plotting the position where the beam arrives at the exit deflector electrode 10 provided 0.005 m above the beam trajectory plane shown in FIG. 4 and the vertical plane formed between the electrodes.
  • the beam trajectory interval (turn separation) in the vicinity of the exit deflector electrode is expanded by the vertical displacement.
  • the amount lost by hitting the beam passing through the adjacent track of the beam track entering the deflector electrode for output is reduced.
  • the outgoing beam can be extracted with high efficiency. Since the extracted beam is deflected in the vertical direction, the charged particle beam is extracted by being deflected by the vertical electrode 12 for returning it.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a vertical cross section of a circular accelerator 100 which is an embodiment using this beam extraction method.
  • the circular accelerator 100 according to the present embodiment includes a primary harmonic coil 14 for adjusting the drift of the charged particle beam, and an isochronous magnetic field for adjusting the drift of the charged particle beam, in addition to the components shown in FIG.
  • An auxiliary magnetic field coil 15 and a vacuum vessel 16 are provided.
  • the circular accelerator 100 expands the orbit interval of the outgoing beam so that the beam can be taken out with low loss and high efficiency.
  • the deflection electrode can be activated by the beam collision with the deflector electrode. The beam performance can be prevented from deteriorating due to the increase in emittance, and the performance and reliability of the accelerator system can be improved.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of a horizontal cross section of the circular accelerator 101 of the present embodiment.
  • the description is abbreviate
  • the circular accelerator 101 of the present embodiment includes a main electromagnet core 1 and a coil 2 for deflecting the beam trajectory in a circular manner, like the circular accelerator 100 of the first embodiment. Further, the D-electrode 3, the dummy D-electrodes 4 existing on both sides thereof, a high-frequency power source 5 for supplying high-frequency power to the D-electrode 3, and a ground wiring 6 for grounding the dummy D-electrode 4 are provided. Due to the high-frequency electric field between the dummy dee electrodes 4 and the dummy dee electrodes 4, the charged particle beam is accelerated to a high energy in a spiral orbit.
  • the difference from the first embodiment is that, in the first embodiment, the electric field generated by the vertical electrode 8 is in the vertical direction, but in the present embodiment, a horizontal electric field is generated using the vertical electrode 8.
  • the horizontal electric field increases the amplitude of the center of gravity of the betatron oscillation in the horizontal direction, thereby expanding the horizontal beam trajectory displacement and increasing the trajectory interval.
  • the vertical electrode 8 is configured such that the electrodes are installed vertically so as to sandwich the track surface.
  • a plurality of vertical electrodes 8 are installed to generate an electric field in the horizontal direction, and a plurality of high-frequency power sources 17, 18, and 19 are connected to generate different high-frequency electric fields.
  • the horizontal displacement of the beam causes a difference between the solid line trajectory (without the high frequency electric field of the vertical electrode 8) and the broken line trajectory (with the high frequency electric field of the vertical electrode 8), and the beam gravity center amplitude is increased in the horizontal direction on the orbital plane.
  • the orbital interval is enlarged at the outgoing deflector electrode 10 after making a round from the vertical electrode 8 and incident on the outgoing deflector 10, the beam lost by colliding with the outgoing deflector electrode 10 is reduced. .
  • the exit deflector electrode 10 deflects the beam outward in the orbit radius, and the beam is taken out of the accelerator.
  • a direct current high voltage power supply 20 is connected to the deflector electrode 10 for emission.
  • the beam direction changed in the horizontal direction by the vertical electrode 8 may be separately returned by the electrostatic deflection electrode.
  • FIG. 7 shows equipotential lines representing the horizontal electric field distribution generated by the plurality of vertical electrodes 8 of the present embodiment.
  • the beam trajectory surface of the spiral trajectory 7 is formed around the vertical axis zero, and two +20 kV electrodes are provided vertically so as to sandwich the trajectory surface.
  • two 0V electrodes are provided vertically so as to sandwich the track surface.
  • FIG. 7 shows a state in which a horizontal electric field is generated on the orbital plane around the vertical axis zero point by the +20 kV electrode and the 0 V electrode. A horizontal electric field is obtained.
  • FIG. 9 shows an equivalent circuit for generating a high frequency voltage on the vertical electrode.
  • a resonance circuit for generating a high-frequency voltage by a high-frequency power source 21 at the vertical electrode 23 is shown, and impedance is matched by a circuit 22 that matches resonance characteristics.
  • the orbit interval of the outgoing beam is expanded by the circular accelerator 101 so that the beam can be extracted with low loss and high efficiency.
  • the activation of the deflector electrode and the emittance of the beam caused by the beam collision with the deflector electrode It is possible to prevent the beam performance from being deteriorated due to an increase in the number of beams and the like, and the high performance and high reliability of the accelerator system can be expected.
  • the charged particle beam has been described.
  • the beam emitting method in the circular accelerator according to the present invention is naturally valid if the beam is an electron or a positron.

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Abstract

荷電粒子を加速する円形加速器において、高エネルギーに加速したビームを垂直方向へ偏向して出射直前のビームの軌道間隔を拡大して出射ビーム出射用静電デフレクタへのビーム衝突による損失を低減して高効率でビームを取り出せる円形加速器を提供すること。　円形加速器（１００）が、荷電粒子ビームを垂直方向へ偏向するための高周波垂直電場を印加する電極（８）と、垂直方向上下のいずれかの片側に設置されて出射ビームを軌道外側へ偏向する静電デフレクタ（１０）と垂直方向へ偏向したビームを元に戻す静電偏向電極（１２）を備えることによって、本発明は上記課題を解決する。

Description

円形加速器
　本発明は、磁場中で荷電粒子を偏向して円形に近い軌道を周回させながら、高周波電場により高いエネルギーまで加速して、加速された荷電粒子を低損失で外部へ取り出すための円形加速器に関する。
　従来のサイクロトロンもしくはシンクロサイクロトロン等は円形加速器の一種である。サイクロトロンによる荷電粒子ビームの加速は、イオン源から出てきた荷電粒子ビームを磁場に対して垂直な平面における円形軌道に導入し、その円形軌道上に電場を生じさせるように設置されたいわゆるディー電極（Ｄｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に高周波の交流電圧を印加して、通過する荷電粒子ビームを加速する。そして、その加速したビームの取出し方法においては、その最大エネルギーに達した領域に静電デフレクタを設置して、ビームを円形軌道外側に偏向することによって達成される。
　特許文献１に記載のビーム取り出し方法において、デフレクタ（静電偏向器）は、周回軌道に沿ってその外側に配置されて陽極として作用するセプタム電極（静電隔壁）と、セプタム電極に対して周回軌道と反対側に、セプタム電極と対向して配置されて陰極として作用する高圧電極とを備える。このデフレクタでは、高圧電極に負の高電圧を印加すると、高圧電極とセプタム電極と電位差によりこれらの間に電場が発生する。これにより、周回軌道内を周回する荷電粒子は、電場の力を受けて、軌道がセプタム電極と高圧電極との間へと偏向され、サイクロトロンから引き出される。
　また、特許文献２に記載された円形粒子加速器のビーム取り出し方法においては、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段を、粒子ビーム周回軌道に直列に配置された空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振した高周波空洞で形成したもので、これらが主な特徴となっている。
特開２０１０－１８６６３１号公報 特開２０００－２１６００号公報
　　特許文献１のデフレクタでは、荷電粒子の進行を妨げないように、セプタム電極において高圧電極に対向する部分（隔壁部）の厚さが０．１ｍｍ程度と薄くなっている。これにより、ビームの損失を低減して、高効率でビームを取り出す様に工夫がなされているが、出射ビームの軌道間隔の拡大は工夫されてないなめ、大幅にビーム出射効率を向上させることは困難である。　特許文献２に記載された装置では、シンクロトロンの様にドーナツ状の円形軌道を描く円形加速器にしか高周波空洞を適用できない。サイクロトロンの様な螺旋状の平面上に軌道を描く円形加速器では高周波空洞を出射ビーム近傍に設置しても、今度は設置した高周波空洞の電極に出射直前のビームが衝突して失われる量を低減することが技術的に非常に困難である。このように、前記従来のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、出射ビームを低損失で取り出すには、取り出し用静電デフレクタ電極の厚さを薄くするか、もしくはビーム取り出し方向の電界を強くするために高周波加速空洞を設置する必要があった。
　現状のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、加速器の仕組み上ビーム軌道間隔は大きくは拡大できないので、取り出し用の静電デフレクタ電極のビーム軌道内側の電極を薄くしてビーム損失を低減してビームを取り出しているが、この方法でもなお、静電デフレクタ電極が放射化すると伴に遮蔽装置が大きくなってしまうという問題があった。また、ビーム軌道間隔を拡大するため、加速空洞を用いてその加速電界でビームを大きく加速してその遠心力で水平方向にビーム軌道間隔を広げるアイデアもあるが、シンクロトロンの様なドーナツ状またはリング状の円形加速器にしか適用困難であり、平面上で螺旋軌道を描くシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンに適用すると、軌道間隔拡大用の加速空洞にビームの一部が衝突して失われるという問題があった。
　本発明は、上述した問題を考慮して考案されたもので、本装置は円形加速器において、ビーム軌道がドーナツ状の円形加速器のみに限らず、平面状のビーム軌道であってもそのビーム取り出し位置近傍のビーム軌道間隔を拡大して、出射ビームの損失低減が可能な円形加速器を提供することを目的とする。
　本発明は、円形加速器において、前記荷電粒子ビームを周回させるように磁場を形成する鉄心と、前記荷電粒子ビームを加速する加速電極と、前記荷電粒子ビームが周回する軌道を挟むように上下に電極を備えた垂直電極と、前記荷電粒子ビームを取り出す出射ビーム用デフレクタを備えることにより、
上記課題を解決する。
　本発明によれば、ある半径以上で垂直電界を印加して、軌道の垂直方向位置をシフトさせるために、半径方向に複数に設置された垂直電極と高周波電源を具備ことで、円形加速器の出射ビームの軌道間隔拡大が可能になり、静電デフレクタに衝突するビーム量も低減できるため、出射ビームの低損失化まで含めた全体円形加速器システムとしての高性能化、小型化、低コスト化が可能となり、またビーム損失の少ない高効率なビームの取り出しが可能になり、静電デフレクタ電極の放射化を低減できるため放射線遮蔽構造も小型化出来て、より高性能化、小型化、低コスト化に寄与できる。
本発明の第1の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器の概略構成の鳥瞰図を示す図である。 本発明の第１の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器の垂直断面概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器のビーム垂直位置と周回数の関係を示す図である。 本発明の第1の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器のビーム軌道の概略を示す図である。 本発明の第1の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器のビーム軌道の静電デフレクタ近傍の垂直位置と半径位置の関係を示す図である。 本発明の第２の実施例によるビーム取り出し方法を用いた円形加速器の概略構成の鳥瞰図を示す図である。 本発明の水平電場を発生する等電位線を示す図である。 本発明の垂直電場を発生する等電位線を示す図である。 本発明の高周波垂直電場を発生する電極と高周波電源間の共振回路の概略構成を示す図である。
　本発明は円形ビーム加速装置の全般に適用可能であるが、ここでは本発明の出射方法を用いた円形加速器とそのビーム出射方法について記述している。
　本発明の代表的な一実施例である円形加速器について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例の円形加速器１００の水平断面の概略構成を示す３次元鳥瞰図である。以下、本実施例の荷電粒子ビームの取り出し方法による円形加速器１００について説明する。
　本実施例の高効率(低損失)でビームを取り出せる円形加速器１００は、ビーム軌道を円形に偏向し周回する軌道を形成するための主電磁石鉄心１とコイル２を具備する。図１は、円形加速器１００の内部形状を明らかにするために、主電磁石鉄心１は扇形状に切断され断面が見えるように示されているが、実際は図２のように、略円形状の主電磁石鉄心１とその突出部を囲うように設置されるコイル２が、軌道面を挟み上下対称となるように対向して設置される。また、その一端から他端にかけて円形加速器１００を横断するように、ディー電極３と、その両側に存在するダミーディー電極４が設置され、ディー電極３に高周波電力を供給する高周波電源５と、ダミーディー電極４を接地するための接地配線６を具備する。これら加速電極であるディー電極３とダミーディー電極は、それぞれ軌道面を挟むように対向して設置される。このディー電極３とダミーディー電極４の間の高周波電界によって荷電粒子ビームは螺旋軌道７を描いて高エネルギーまで加速をされる。
　本実施例の円形加速器１００は垂直電極８が設けられている。垂直電極８は軌道面を挟むように上下垂直に、その一方に正極、他方に負極が設けられ、軌道面に垂直な速度成分をビーム粒子に与えるように構成されている。垂直電極８は螺旋軌道７の様々な位置に設置することが考えられるが、本実施例では、螺旋軌道７の最外周に設置された出射用デフレクタ電極１０より軌道一周分内周であって、出射用デフレクタ電極１０と同じ周方向の位置に垂直電極８が設置されている。垂直電極８は螺旋軌道のうちいずれか一周の１つのビーム軌道若しくは複数のビーム軌道に影響を与えるように周方向の所定の位置に局所的に設けられている。垂直電極８には高周波電場を発生するための高周波電源９が接続されており、これによりビームの垂直変位が実線軌道（垂直電極８の高周波電場なし）と破線軌道（垂直電極８の高周波電場あり）の違いが生じて、円形加速器１００外周における軌道で、軌道面に垂直方向にビーム重心振幅を増大させる。その結果、垂直電極８から一周した後の出射用デフレクタ電極１０において軌道間隔が拡大される。その後、出射用デフレクタ電極１０でビームを軌道半径外側方向に偏向してビームが取り出され、再び垂直電極１２で垂直方向軌道変位を修正される。なお出射用デフレクタ電極１０および垂直電極１２には直流高電圧電源１１と１３が接続されている。
　垂直電極８によって発生した垂直電場分布を図８に示す。図の縦軸ゼロ点がビーム軌道面であり、その上側に-15kV、下側に+15kVの電極を設ける。左右に0Vの電極に配置した場合、その電場分布は図のようなほぼ垂直方向の電場が発生できる事がわかる。
　本発明の垂直電極８に印加された高周波電場でビームの垂直方向変位を図３に示す。４０週目あたりで垂直電極８が発生する電場に接したビームはその後、図３の様に周回数を増す毎に垂直方向変位は次第に大きくなり、これにより出射用デフレクタ電極近傍のビーム軌道間隔（ターンセパレーション）は図４と図５の様に垂直変位の分だけ拡大される。図４は垂直方向ベータトロン振動と同期した垂直電場を印加しながら荷電粒子を加速した場合のビーム軌道の一例である。また、図５は図４に示されたビーム軌道面から0.005m上方に設けられた出射用デフレクタ電極１０とその電極間に形成される垂直面にビームが到達した位置をプロットした図である。図５より、明らかに出射用デフレクタ電極近傍のビーム軌道間隔（ターンセパレーション）は垂直変位の分だけ拡大されていることがわかる。なお、出射用デフレクタ電極は軌道面の上下どちらか片方に変位した位置にシフトして設置することにより、出射用デフレクタ電極に入るビーム軌道の近隣軌道を通過するビームが当たって失われる量は低減されて、高効率で出射ビームを取り出すことができる。なお、取り出されたビームは垂直方向に偏向しているので、それを戻すための垂直電極１２で偏向して荷電粒子ビームは取り出される。
　図２は本ビーム取り出し方法を用いた実施例である円形加速器１００の垂直断面の概略図を示している。図２に示すとおりに、本実施例の円形加速器１００は、図１の構成機器以外に、荷電粒子ビームのドリフトを調整するための１次のハーモニックコイル１４、等時性磁場を調整するための補助磁場コイル１５、真空容器１６を備えている。
　本実施例によれば、円形加速器１００により出射ビームの軌道間隔を拡大して、低損失、高効率でビームを取り出せると共に、デフレクタ電極へのビーム衝突と伴に発生するデフレクタ電極の放射化やビームのエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができ、加速器システムの高性能化、高信頼性化が期待できる。
　本発明の第２の実施例である円形加速器について、図６を用いて説明する。図６は、本実施例の円形加速器１０１の水平断面の概略構成を示す。なお、上述の実施例と重複する箇所についてはその説明を省略する。
　本実施例の円形加速器１０１は、実施例１の円形加速器１００と同様に、ビーム軌道を円形に偏向するための主電磁石鉄心１とコイル２を具備する。また、ディー電極３とその両側に存在するダミーディー電極４と、ディー電極３に高周波電力を供給する高周波電源５とダミーディー電極４を接地するための接地配線６を備える。このダミーディー電極４ダミーディー電極４の間の高周波電界によって荷電粒子ビームは螺旋軌道を描いて高エネルギーまで加速をされる。
　前記実施例１との違いは、実施例１では垂直電極８によって発生する電界が垂直方向であったのに対し、本実施例では垂直電極８を用いて水平電界を発生させることである。水平電場により水平方向のベータトロン振動の重心の振幅が増大することで水平方向のビーム軌道変位を拡大し、軌道間隔を増大させることができる。本実施例においても実施例１と同様に、垂直電極８は軌道面を挟むように上下に電極が設置されるように構成されている。垂直電極８は水平方向に電場を発生させるために複数設置され、それぞれが異なる高周波電場を発生するために複数の高周波電源１７,１８,１９が接続されている。これによりビームの水平変位が実線軌道（垂直電極８の高周波電場なし）と破線軌道（垂直電極８の高周波電場あり）の違いが生じて軌道面に水平方向にビーム重心振幅を増大させる。その結果、垂直電極８から一周した後の出射用デフレクタ電極１０において軌道間隔が拡大されて出射用デフレクタ１０に入射されるため、出射用デフレクタ電極１０に衝突することで失われるビームが低減される。その後、出射用デフレクタ電極１０でビームを軌道半径外側方向に偏向し、ビームは加速器の外に取り出される。なお出射用デフレクタ電極１０には直流高電圧電源２０が接続されている。また、出射用デフレクタ電極１０で取出された後に、別途、静電偏向電極で垂直電極８により水平方向に変更されたビーム方向を戻してもよい。
　本実施例の複数の垂直電極８によって発生した水平電場分布を表す等電位線を図７に示す。図７では、螺旋軌道７のビーム軌道面が縦軸ゼロ周辺に形成され、２つの+20ｋＶの電極が軌道面を挟むように上下に設けられている。その左側（軌道の内周方向）に２つの0Vの電極が軌道面を挟むように上下に設けられている。図７は、これら＋20kV電極と0V電極により、縦軸ゼロ点周辺にある軌道面において水平方向の電場を発生した様子であるが、左右に電位の異なる電極を上下線対称に配置することによりほぼ水平な電場が得られる。なお、本実施例では垂直電極８により軌道面外側にビームを偏向させることでビーム重心振幅を増大させたため、軌道の内周方向である左側に低い電位の電極を設置したが、その逆も成立する。垂直電極に高周波電圧を発生するための等価回路を図９に示す。この回路において垂直電極23に高周波電源21により高周波電圧を発生させるための共振回路を示したもので、共振特性を整合する回路22によりインピーダンスをマッチングする。
　本実施例によれば、円形加速器１０１により出射ビームの軌道間隔を拡大して、低損失、高効率でビームを取り出せると共に、デフレクタ電極へのビーム衝突により発生するデフレクタ電極の放射化やビームのエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができ、加速器システムの高性能、高信頼性化が期待できる。
　なお、実施例１～２では、荷電粒子ビームについて述べたが、電子や陽電子等であっても、ビームであれば、本発明の円形加速器におけるビーム出射方法は当然ながら成立する。
１　主電磁石の鉄心
２　主電磁石のコイル
３　ディー電極の高電圧側
４　ディー電極のダミー電極側(接地側)
５　高周波電源
６　ダミーディー電極の接地配線
７　荷電粒子ビーム軌道
８　垂直電極
９　垂直電極用電源
１０　出射用静電デフレクタ
１１　直流電源
１２　出射ビーム軌道補正電極
１３　出射ビーム軌道補正電極用電源
１４　１次のハーモニックコイル
１５　等時性磁場を調整するための補助磁場コイル
１６　真空容器
１７、１８、１９　水平電場を発生する場合の電源
２０　垂直電極と高周波電源間の等価回路
２１　高周波電源
２２　高周波共振回路のインピーダンス調整回路
２３　垂直電極
１００、１０１　円形加速器

Claims (7)

  1. 　荷電粒子ビームを加速する装置であって、
    　前記荷電粒子ビームを周回させるように磁場を形成する鉄心と、
    　前記荷電粒子ビームを加速する加速電極と、
    　前記荷電粒子ビームが周回する軌道を挟むように上下に電極を備えた垂直電極と、
    　前記荷電粒子ビームを取り出す出射ビーム用デフレクタを備えることを特徴とする円形加速器。
  2. 　荷電粒子ビームを加速する装置において、
    　前記荷電粒子ビームを垂直方向に偏向する垂直電極と、
    　前記垂直に偏向された出射ビームに応じて垂直位置を上下いずれかの片側に設置された出射ビーム用静電デフレクタと、
    　を備えることを特徴とする円形加速器。
    　
  3. 　請求項２に記載された円形加速器であって、
    　前記垂直方向に偏向されたビーム方向を戻すための静電偏向電極
    　を備えることを特徴とする円形加速器。
  4. 　請求項２に記載された円形加速器であって、
    　前記垂直電極は、前記荷電粒子ビームを垂直方向のベータトロン振動数に応じた高周波電場を発生することを特徴とする円形加速器。
    　
  5. 　前記荷電粒子ビームを加速する装置において、
    　高周波電場を印加するディー電極及びダミーディー電極と、
    　前記荷電粒子ビームが周回する軌道を挟むように上下に電極を備えた垂直電極と、
    　前記荷電粒子を取り出す出射ビーム用静電デフレクタと、を備え、
    　前記垂直電極は前記荷電粒子ビームを水平方向に偏向することを特徴とする円形加速器。
  6. 　請求項５に記載された円形加速器であって、
    　前記出射ビーム用静電デフレクタは、前記垂直電極により水平方向に偏向された出射ビームに応じて水平位置を任意の位置に設置されることを特徴とする円形加速器。
  7. 　請求項５に記載された円形加速器であって、
    　前記水平方向に偏向されたビーム方向を戻すための静電偏向電極を備えることを特徴とする円形加速器。
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