この発明は、荷電粒子を加速する円形粒子加速器に関するもので、特に小型で大電流ビームの加速を可能とする荷電粒子加速器に係るものである。
従来の荷電粒子加速器として、偏向電磁石の発生する磁場が一定で、荷電粒子の加速と共に平衡軌道が周回軌道の外側へと広がり加速を行うＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｇｒａｄｉｅｎｔ）加速器が知られている。 （例えば、非特許文献１参照）。
また、平衡軌道が変化せず一定の軌道で加速を行うものとしてベータトロン加速器がある。 （例えば、非特許文献２参照）。
" Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ＦＦＡＧ ｐｒｏｔｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ "Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＰＡＣ ２０００，Ｖｉｅｎｎａ Ａｕｓｔｒｉａ ２０００． Ｐ５８１〜Ｐ５８３，Ｆｉｇ１ 加速器科学（パリティ物理学コース）丸善株式会社 平成５年９月２０日発行 ４章ベータトロンＰ３９〜Ｐ４３Ｆｉｇ４．１ 非特許文献１に示されたＦＦＡＧ加速器は、イオン源で発生したビームを入射し偏向電磁石の偏向磁場で概円軌道上を周回させ、加速空胴に印加された電界で加速を行う。 加速中は偏向電磁石の偏向磁場は一定であり、ビーム加速と共に平衡軌道は加速器の外側へと移動する。 偏向電磁石は外側程磁場強度が大きくなっているが、偏向電磁石の磁場が一定のため、装置全体寸法が大きくなり、小型化は困難であり応用分野が限定されていた。
一方、非特許文献２に示されたベータトロン加速器は、荷電粒子の加速中の平衡軌道は一定であり、クーロン散乱による空間電荷効果によって大電流加速が難しく、時間平均のビーム出力が弱く、産業、医療応用分野への適用が殆どできなかった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、荷電粒子として電子を加速する場合、約３０ｃｍφ程度のラップトップ型の極めて小型で、かつ大電流加速が可能な荷電粒子加速器を提供することを目的とし、産業、医療他各分野への応用を拡大しようとするものである。
また、荷電粒子として陽子や炭素等を加速する場合でも、コンパクトな加速器を提供することを目的とするものである。
この発明の荷電粒子加速器は、荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速手段と真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子は、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速されるものであり、前記加速手段による電界は、前記第１の加速開始時刻から前記第２の加速期間終了時刻まで印加され、前記偏向電磁石の磁場は、前記第１の加速期間は一定値で印加されるとともに、前記第２の加速期間終了時刻まで増加するよう印加されるものである。
また、この発明の荷電粒子加速器は、荷電粒子発生装置と偏向電磁石と加速手段と真空ダクトとを備えた荷電粒子加速器であって、
前記荷電粒子発生装置から前記真空ダクト内に導かれた荷電粒子は、前記偏向電磁石で偏向されるとともに、第１の加速期間と第２の加速期間を経て所定のエネルギに加速され、さらに前記第２の加速期間につながるビーム取り出し期間を有しており、
前記加速手段による電界は、前記第１の加速期間の加速開始時刻から前記取り出し期間終了時刻まで印加され、前記偏向電磁石の磁場は、前記第１の加速期間は一定値で印加され、前記第２の加速期間は第２の加速期間終了時刻まで増加するよう印加されるとともに、前記取り出し期間は前記第２の加速期間での終端値を一定に保つよう印加されるものである。
この発明の荷電粒子加速器によれば、小型、コンパクトで、空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力で質のよいビームを得ることができるという優れた効果を奏する。
第１図は、この発明の実施の形態１〜５による荷電粒子加速器を示す平面図である。
第２図は、この発明の実施の形態１による偏向磁場と加速コア磁界の時間構造を示す図である。
第３図は、この発明の実施の形態２による偏向磁場と加速コア磁界の時間構造を示す図である。
第４図は、この発明の実施の形態３による偏向磁場と加速コア磁界の時間構造を示す図である。
第５図は、この発明の実施の形態４による偏向磁場と加速コア磁界の時間構造を示す図である。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を第１図、第２図に基づいて説明する。
第１図は荷電粒子加速器１００を示す平面図である。
図において、荷電粒子発生装置１１で発生した荷電粒子ビーム（以下、ビームと称す）は、セプタム電極１２から真空ダクト１５に入射される。 ビームは偏向電磁石１３で偏向され概円軌道となり周回する。 ビームの加速は、加速コア１４に加速コア用電源１７からの交流励磁で電磁誘導によって発生した誘導電界により行う。 ビームは、ビームが空気と衝突して失われることのないよう真空ダクト１５内を周回する。 その代表的平衡軌道を模式的に１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄにて示す。
前記偏向電磁石１３は、偏向電磁石用電源１８で励磁される。
なお、前記加速コア１４と加速コア用電源１７を加速手段と称す。
第２図は、この発明の実施の形態１による荷電粒子加速器１００の、ビームを加速するための、前記偏向電磁石１３の発生する偏向磁場２０と前記加速コア１４に発生する加速コア磁界２１の時間構造を示すものである。
この第２図に示す偏向磁場２０の時間構造と加速コア磁界２１の時間構造はベータトロン加速条件を満たしていない。 前記ベータトロン加速条件とは、加速中のビームの周回軌道（平衡軌道）が一定となるような偏向磁場２０と加速コア磁界２１の関係である。
この実施の形態１においては、図に示すように、ビームを加速する第１の加速期間２２と、第２の加速期間２３が設けられている。
第１の加速期間２２においては、例えばイオン源または電子銃である前記荷電粒子発生装置１１からのビームは、セプタム電極１２からビーム入射開始時刻２５（第１の加速開始時刻）で真空ダクト１５に入射される。 加速コア磁界２１の時間構造で示されるように、加速コア磁界２１はビーム入射開始時刻２５から時間と共にビームが所定のエネルギに達するまで増加するよう変化させている。 従って、ビームの進行方向に誘導電界がかかっており、時刻２５で入射された前記ビームは前記第１の加速期間２２内も加速される。 この第１の加速期間２２中は、前記偏向電磁石１３の偏向磁場は一定であり、ビームは第１図の代表的平衡軌道１６ａ〜１６ｄに示すように、徐々に外側へ広がっていく。
前記ビームは第１の加速期間２２の間、連続的に入射されるので、第１の加速期間２２の終了時刻２６では、荷電粒子加速器１００内部では水平方向に広がったビームが周回していることになる。
第１の加速期間２２の終了時刻２６では、入射開始時刻（第１の加速開始時刻）２５で入射されたビームが、最も外側付近の軌道１６ｄを最も高いエネルギで周回している。 また第１の加速期間２２の入射終了時刻２６の直前に入射されたビームは、最も内側付近の軌道１６ａを最も低いエネルギで周回している。 すなわち第１の加速期間終了時刻２６においてはエネルギ幅が大きく、水平に広がったビームが荷電粒子加速器１００中を周回している。 なお、偏向電磁石１３の磁極形状は、平衡軌道からずれたビームが安定に周回するよう、ビーム周回軌道の外側程磁場強度が大きくなるよう設定されている。
第１の加速期間２２が時刻２６で終了後、すなわち第２の加速開始時刻２６で第２の加速期間２３に移行する。 この第２の加速期間２３は、第２図に示すように、偏向磁場２０と加速コア磁界２１の両方を時間と共に増加させるような励磁パターンを有している。 この時の前記励磁パターンは、荷電粒子加速器１００内でベータトロン加速条件に近い条件、すなわち加速中のビームの周回軌道（平衡軌道）が一定となるように偏向磁場２０と加速コア磁界２１の関係を保ち加速を行うよう設定されている。 前記ビームはエネルギ幅が大きい、水平に広がったビーム特性を保ったまま所定のエネルギに到るまで加速される。
このようにして、所定のエネルギに達したビームは、第１図に示すデフレクタ３０より周回軌道から取り出され、出射ビーム輸送系３１によって各種ビーム応用に供される。 あるいは、同じく第１図に示すＸ線ターゲット２９にビームを衝突させてＸ線を発生させ、各種Ｘ線応用に供される。
以上説明したように、この発明の実施の形態１による荷電粒子加速器１００では、コンパクトな構造で空間電荷効果を抑制でき、従来のベータトロン加速器の数１０倍から数１００倍の大出力、大強度のビーム加速が実現できるものである。
なお、本実施の形態では荷電粒子として電子を例に挙げているが、荷電粒子として陽子や炭素等でも同様に加速可能である。 その場合の加速電界の発生手段は、本実施の形態の例の様に誘導電界でも良いし、高周波電源から供給される高周波電界でも良い。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を第３図に基づいて説明する。
第３図は、前記実施の形態１と同様の、実施の形態２による偏向磁場２０と加速コア磁界２１の時間構造図である。
図に示すように、この発明の実施の形態２においては、加速コア磁界２１は、第１の加速期間２２の開始時刻２５、すなわちビーム入射開始時刻２５の時点をマイナス値とし、以後時間の経過と共に、第２の加速期間２３の終了時刻までプラス方向に増加するよう印加されている。
すなわち、加速コア磁界２１は正負の磁界を発生するような時間構造を有しているものである。 このような加速コア磁界２１の時間構造でビームを加速すると、空間電荷効果を抑制でき、大出力ビームをコンパクトな構造で実現することできる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３を第４図に基づいて説明する。
第４図は、実施の形態３における偏向磁場２０と加速コア磁界２１の時間構造図である。
実施の形態３においては、偏向磁場２０の時間構造は、第１の加速期間開始時刻２５から第１の加速期間終了時刻２６に到るまで時間と共に増加する。 すなわち第１の加速期間２２内では偏向磁場２０を変化させている。 この時、荷電粒子発生装置１１のビームエネルギも変化させる必要がある。 このような偏向磁場２０の時間構造でビームを加速すると、前記と同様、空間電荷効果を抑制でき、コンパクトな装置で大出力のビームを加速することが可能となる。
実施の形態４．
この発明の実施の形態４を第５図に基づいて説明する。
第５図は、実施の形態４における偏向磁場２０と加速コア磁界２１の時間構造図である。
この実施の形態４においては、偏向磁場２０と加速コア磁界２１の時間構造は、第５図に示すように、第１の加速期間２２と、第２の加速期間２３と、前記第２の加速期間２３につづくビーム取り出し期間２４を有している。 加速コア磁界２１は、ビーム入射開始時刻２５から時間と共に、前記ビーム取り出し期間の終了時刻２８まで増加するよう印加されている。 偏向磁場２０は、第１の加速期間２２内では一定強度の磁場であり、前記第１の加速期間２２の終了時刻２６、すなわち第２の加速期間２３の開始時刻からその終了時刻２８まで増加するよう印加されている。 そして、ビーム取り出し期間２４においては、前記第２の加速期間２２の終端値の磁場をその終了時刻２８に到るまで一定に保つよう印加されている。
このビーム取り出し期間２４中は、ビームはエネルギ幅が大きく、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速されている。 このビームを第１図に示すＸ線ターゲット２９に衝突させてＸ線を発生させ、このＸ線を産業や医療に利用することが可能である。
以下、この実施の形態４のビーム加速動作の詳細を、第１図、第５図に基づいて説明する。
第２の加速期間２３においては、第１図の代表的平衡軌道１６ａ〜１６ｄに示すように、ビームは水平方向のビーム幅をほぼ保って加速されている。 最も外側のビーム（平衡軌道１６ｄに相当）が所定のエネルギ、すなわち利用側の使用するエネルギに達したら、ビーム取り出し期間２４に入りビームの取り出しを開始する。 この時刻は第５図の２７に相当する。 このビーム取り出し期間２４では偏向電磁石１３の偏向磁場２０の増加を止め、加速中のビームの平衡軌道が時間と共に変化するような偏向磁場２０と加速コア磁界２１の関係を保つよう制御する。
このビーム取り出し期間２４においても加速コア磁界２１は変化しているので、荷電ビームの進行方向に誘導電界がかかっており、代表的平衡軌道１６ａ，１６ｂ，１６ｃで示すビームは徐々に外側に広がっていく。 そして、例えば使用者側がＸ線利用者である場合には、周回軌道の外側に設置されているＸ線ターゲット２９にビームを衝突させＸ線を発生させる。 すなわちＸ線は第５図のビーム取り出し期間２４の間発生させることが可能である。 Ｘ線ターゲット２９に衝突時のビームエネルギはビーム取り出し中も加速を行っているので、ビーム取り出し開始時刻２７にＸ線ターゲット２９に衝突するビームエネルギも、ビーム取り出し終了時刻２８に衝突するビームエネルギもほぼ同じである。
このように、この実施の形態４では、ビームを加速している時には、ビームはエネルギ幅が大きく、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速され、Ｘ線ターゲット２９に衝突する時にはほぼ一定のエネルギとなり、質の良いＸ線を得ることができる。
以上のように、この実施の形態４による荷電粒子加速器によれば、コンパクトな装置で空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力でエネルギ幅のほぼ一定の質のよい電子ビームを用いてＸ線を発生させることができるという効果がある。
実施の形態５．
実施の形態５を第１図に基づいて説明する。
この発明の実施の形態５は、前記実施の形態４のＸ線ターゲット２９に代替し、ビーム取り出し手段としてのデフレクタ３０を設けたものである。 第１図では前記デフレクタ３０はＸ線ターゲット２９と異なる個所に設ける例を示しているが、Ｘ線ターゲット２９にとってかわり同じ位置であってもよい。 前記デフレクタ３０には磁界ないし電界を印加して、最も外側のビーム平衡軌道１６ｄが所定のエネルギに達したら、つまり第５図のビーム取り出し開始時刻２７より、ビーム取り出しを開始する。 このビーム取り出し時の偏向磁場２０、加速コア磁界２１は前記実施の形態４と同じである。
このように、この実施の形態５では、ビームを加速している時には、ビームはエネルギ幅が大きい、水平に広がったビーム特性を保ったまま加速されるが、出射ビーム出力輸送系３１に到達する時にはほぼ一定のエネルギとなり、質の良いビームを取り出すことができる。
以上のように、この実施の形態５による荷電粒子加速器によれば、コンパクトな装置で空間電荷効果を抑制でき、大出力のビームを加速でき、大出力で質の良いビームを得ることができるという効果を奏する。
実施の形態６．
この発明による荷電粒子加速器は、実施の形態１〜５に示したような偏向磁場と加速コア磁界の時間構造を有しているので、偏向電磁石や加速コアを励磁する励磁パターンは、第２図〜第５図に示したような直線状であってもよく、また必ずしも直線状でなく、曲線状や折れ線状であってもよい。
また、直流安定化電源であることは必ずしも必須でなく、必要とされる励磁電流の設定精度が緩やかなものでよい。 それには、例えば直流電圧をＯＮ、ＯＦＦスイッチングを行うスイッチング電源でもよい。 具体的にはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体スイッチング素子で、直流電圧をＯＮ、ＯＦＦして励磁波形を作成する。
また、荷電粒子発生装置１１は、第１図において荷電粒子加速器１００の中央部に設ける例を示しているが、必ずしもこれにこだわることなく、荷電粒子加速器１００の下部または上部とりわけ、偏向電磁石１３に近接した上部または上部に設置することで、装置全体のコンパクト化がはかれる。 また、荷電粒子発生装置１１は荷電粒子加速器１００の真空ダクト内に配置することも可能であり、装置全体のコンパクト化に貢献する。
この発明の荷電粒子加速器は、Ｘ線発生装置や、粒子線治療装置など、産業用あるいは医療分野において幅広く利用することができるものである。 |
