高频加速器的制造方法、高频加速器以及圆形加速器系统 |
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| 申请号 | CN201380073920.X | 申请日 | 2013-02-28 | 公开(公告)号 | CN105027686A | 公开(公告)日 | 2015-11-04 |
| 申请人 | 三菱电机株式会社; | 发明人 | 菅原贤悟; 花川和之; 岸井保人; 山本和男; | ||||
| 摘要 | 在将从第一级线性 加速 器(2)射出的带电粒子入射并通过第二级线性加速器(3)进行加速的高频加速器的制造方法中，包括如下的设定步骤：对提供至功率分配装置(7)的第二级线性加速器(3)的高频功率的功率分配率(R)的值、以及从第一级线性加速器(2)的出口到第二级线性加速器(3)的入口为止的匹配部(8)的长度L与高频功率的 角 频率 ω之间的比L/ω的值进行设定，以使得在第二级线性加速器(3)中的比基于针对各 相位 的入射带电粒子的相位接受度而决定的所述全高频功率的容许范围中的最大容许范围还要大的全高频功率的范围内，从第二级线性加速器(3)射出带电 粒子束 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高频加速器的制造方法，该高频加速器包括： |
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| 说明书全文 | 高频加速器的制造方法、高频加速器以及圆形加速器系统技术领域背景技术[0002] 粒子射线癌症治疗装置中，入射器被用作为入射至圆形加速器的前级加速装置。入射器大多使用线性加速器。离子射束中将离子射束的各粒子(离子)间的互相作用(电斥力)称为空间电荷效应(space charge)。该斥力随着能量的增加而得到缓和，因此要求在向圆形加速入射的前级尽量预先得到加速。 [0003] 已知例如是质子的情况下，适于对来自离子源的射束进行加速的线性加速器与可作为两级加速来形成得较小型的线性加速器之间的结构不同。在粒子射线癌症治疗装置以外的用途中，也将多种线性加速器串联连接，将粒子射线加速至较高的能量。 [0004] 通常在向使用两台高频腔体的加速器(高频加速器)的各个高频腔体提供高频的情况下，需要使得所提供的高频与射束同步。因此，需要在各个高频腔体中接通相同频率的高频，并使其相位同步。另外，对接通至各个高频腔体的高频功率以及接通至两个高频腔体的高频各自的相位进行设计并调整，以使得射束质量及透过效率变好(例如专利文献1)。 [0005] 提供至高频加速器的高频需要大功率。高频的大功率产生装置较为昂贵，且大多用真空管来构成，因此需要更换，存在维护费用增加的问题。因此，对两台高频腔体供电具有如下优点：在使用功率分配装置的情况下，功率产生装置的数量减少，因此能降低成本，提高可靠性(例如专利文献2)。 [0006] 然而，在用一台功率产生装置来实现，通过谐振型的功率分配装置来分配高频功率的情况下，由于该功率分配装置的原理性的问题，使得无法独立地对提供至各个腔体的高频功率的相位进行调整。另外，也比较难以对各腔体的功率进行调整，以使得射束质量及透过效率变好。现有技术文献 专利文献 [0007] 专利文献1：日本专利特开平3－34252号公报专利文献2：日本专利特开2010－27529号公报 发明内容发明所要解决的技术问题 [0008] 如上所述，在将两台不同方式的高频加速器串联配置来对带电粒子进行加速的情况下，以往，考虑分别将提供至两台高频加速器的高频功率及相位分别调整为最佳，高频功率及相位能仅在设计值附近较小的范围内对带电粒子进行加速。 [0010] 本申请的目的在于，在将第一级线性加速器与第二级线性加速器串联配置并利用功率分配装置将这两台线性加速器相结合而成的高频加速器中，得到如下的高频加速器：即使所提供的高频功率发生变化，第一级加速器与第二级加速器之间的匹配也不会变差，且容易调整。 解决技术问题所采用的技术方案 [0011] 本发明涉及高频加速器的制造方法，该高频加速器包括：第一级线性加速器，向该第一级线性加速器入射从离子源射出的带电粒子，且该第一级线性加速器对其进行加速；第二级线性加速器，经由匹配部向该第二级线性加速器入射从该第一级线性加速器射出的带电粒子束，且该第二级线性加速器对其进行加速；高频电源，该高频电源产生提供给第一级线性加速器及第二级线性加速器的高频功率；以及功率分配装置，该功率分配装置将由高频电源提供的全高频功率分配并提供给第一级线性加速器及第二级线性加速器，所述高频加速器的制造方法包含如下设定步骤：对提供至功率分配装置的第二级线性加速器的高频功率的功率分配率R的值、以及从第一级线性加速器的出口到第二级线性加速器的入口为止的匹配部的长度L与高频功率的角频率ω之间的比L/ω的值进行设定，以使得在比基于针对各相位的入射带电粒子的相位接受度而决定的所述全高频功率的容许范围中的最大容许范围还要大的所述全高频功率的范围内，从第二级线性加速器射出带电粒子束。 发明效果 [0012] 由于对提供至功率分配装置的第二级线性加速器的高频功率的功率分配率R的值、以及从第一级线性加速器的出口到第二级线性加速器的入口为止的匹配部的长度L与高频功率的角频率ω之间的比L/ω的值进行设定，以使得在由高频电源产生的高频功率Prf,total的较宽的范围内，从第二级线性加速器射出带电粒子束，因此，能够获得如下的高频加速器：即使所提供的高频功率发生变化，第一级加速器与第二级加速器之间的匹配也不会变差，且容易调整。其结果是，还可起到能提供如下的高频加速器的效果：在将该高频加速器用作为对于圆形加速器的入射器的情况下，通过调整高频功率能得到作为入射至圆形加速器的带电粒子束较为理想的带电粒子束特性。附图说明 [0013] 图1是表示本发明的实施方式1的高频加速器的简要结构的框图。图2是说明本申请所使用的各参数的标记的示意图。 图3是表示本发明的高频加速器的从第一级线性加速器射出的带电粒子束的能量特性例的图。 图4是表示本发明的实施方式1的高频加速器的作为射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的设计值的能量特性例的图。 图5是表示本发明的实施方式1的高频加速器的将从第一级线性加速器射出的带电粒子束的功率分配率作为参数的能量特性例的图。 图6是表示本发明的实施方式1的高频加速器的作为射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的以功率分配率作为参数的设计值的能量特性例的图。 图7是表示本发明的实施方式1的高频加速器的从第一级线性加速器射出的带电粒子束的能量特性与射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的能量特性例之间的匹配的图。 图8是说明本发明的实施方式1的高频加速器的作为射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的设计值的相位特性与设计容许范围的图。 图9是说明本发明的实施方式1的高频加速器的作为射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的设计值的相位特性与设计容许范围的另一个图。 图10是表示本发明的实施方式1的高频加速器的从第一级线性加速器射出的带电粒子束的相位特性例的图。 图11是表示本发明的实施方式1的高频加速器的从第一级线性加速器射出的带电粒子束到达第二级线性加速器的入口时的相位特性例的图。 图12是说明本发明的实施方式1的高频加速器的从第一级线性加速器射出的带电粒子束到达第二级线性加速器的入口时的相位特性、与作为射入第二级线性加速器的带电粒子束所要求的设计值的相位特性之间的匹配的图。 图13是将本发明的实施方式1的高频加速器的动作特性与作为比较例的现有的高频加速器的动作特性一起示出的图。 图14是说明本发明的实施方式1的高频加速器的动作的示意图。 图15是说明现有的高频加速器的动作的示意图。 图16是表示本发明的实施方式1的高频加速器的制造步骤的流程图。 图17是表示包含本发明的实施方式2的高频加速器的圆形加速系统整体的简要结构的框图。 图18是以相位-能量空间来表示从本发明的实施方式1的高频加速器输出的带电粒子束的特性的示意图。 图19是表示从本发明的实施方式1的高频加速器输出的带电粒子束的能量宽度的特性的图。 具体实施方式[0014] 图1是表示本发明实施方式1的高频加速器10的简要结构的框图。将离子源1所产生的离子(带电粒子)入射至构成高频加速器10的第一级线性加速器2。经第一级线性加速器2加速后的带电粒子入射至第二级线性加速器3，进一步得到加速。从第二级线性加速器3射出的带电粒子束是从本发明的实施方式1的高频加速器10射出的带电粒子束9。此处，第一级线性加速器2使用RFQ(Radio Frequency Quadrupole：射频四极场)型线性加速器，第二级线性加速器3使用APF(Alternating Phase Focus：交替相位聚焦)方式IH(Interdigital-H：交叉指-H)型DTL(Drift Tube Linac：漂移管直线)加速器，以此为例进行说明。此外，第一级加速器并不限于是RFQ，也可以是RFI(Rf-Focused Interdigital： RF-聚焦交叉指)。另外，第二级加速器并不限于是APF，也可以是一般的DTL。 [0015] 在高频加速器10中，利用高频电源6来产生用于使带电粒子加速的高频，并提供至作为APF方式IH型DTL加速器的第二级线性加速器3。利用被称为谐振耦合器(resonant coupler、谐振型功率分配装置)的功率分配装置7与第二级线性加速器3进行高频耦合，从而向作为RFQ型线性加速器的第一级线性加速器2提供高频。 [0016] 设置匹配部8以作为对相位及横向射束分布(纵向是射束行进方向)进行调整的部分，使得从第一级线性加速器2射出的带电粒子的射入第二级线性加速器3的相位成为适于APF方式IH型DTL加速器即第二级线性加速器3的加速的相位。 [0017] 采用如下结构：使用高频的带电粒子的加速器将高频功率提供至高频加速腔体，利用高频加速腔体中产生的电场对带电粒子进行加速。若将高频功率提供至高频腔体，则会在高频腔体内部感应出高频电场，以作为驻波。高频电场根据其相位而会变为正值也会变为负值，因此以与带电粒子的加速相同步的方式来设计该产生的电场。若不利用计算机来实施最佳设计，则会交替地接受到正电场及负电场，因此带电粒子重复进行加速与减速，从而无法加速至高能量。因该电场分布设计策略的不同，从而存在RFQ、DTL、RFI等加速器种类。以下，对RFQ型线性加速器、APF方式IH型DTL型线性加速器及谐振型功率分配装置的动作的特性进行说明。 [0018] (1)RFQ(Radio Frequency Quadrupole：射频四极场)型线性加速器RFQ型线性加速器是对从离子源产生的离子束进行高频捕获(bunching)，从而进行初级加速的直线型加速器。使被称为叶片的电极对相对置，从而产生高频四极电场。通过在叶片上设置被称为调制的位移，从而使得带电粒子的速度与高频相位同步，使带电粒子加速。在叶片外侧设置腔体，从而成为在某个频率上谐振的结构。RFQ型线性加速器是适合于使在50keV左右的较低的能量下相位不一致的带电粒子加速至MeV级别的能量为止的加速器。因此，RFQ型线性加速器适合作为直接射入从离子源产生的带电粒子来进行加速的第一级加速器。 [0019] (2)APF(Alternating Phase Focus：交替相位聚焦)方式IH(Interdigital-H)型DTL(Drift Tube Linac：漂移管直线)型线性加速器IH型DTL加速器是具有如下结构的线性加速器：在谐振器内部上下的加速射束轴方向上安装的被称作为脊部的板上，上下交替地安装有被称为漂移管的中空圆筒形导体。此外，APF方式是指利用谐振器内产生的高频电场，同时进行离子加速与离子聚焦的聚焦方式。由此，在现有的线性加速器中，无需任何的用于射束聚焦的四极电磁铁等聚焦构件，能够实现IH型的DTL线性加速器的小型化。然而，该加速器中，由于利用电场既进行加速又进行聚焦，因此，对于入口的射束能量以及入口的射束相位非常敏感，能量、相位偏离于设计值的带电粒子即使入射进来也无法进行加速。 [0020] (3)谐振型功率分配装置谐振型功率分配装置是通过利用同轴管来连接多台加速腔体，并积极地设计同轴管的长度，从而进行谐振，使得三个腔体像耦合腔体(coupled cavities)那样动作的技术。通过使得三个腔体以π/2模式进行动作，从而将较多的高频功率接通至位于两端的加速腔体，然而谐振型功率分配装置本身未接通高频功率，通过安装于谐振型功率分配装置的具有短棒结构等的同轴管的长度等来调节高频功率的分配。若非π/2模式，则谐振型功率分配装置本身也接通有高频功率，从而产生放电等。若设为π/2模式，则向两端的腔体提供两腔体间的相位差被严格固定于180°的高频。 [0021] 以往，对于两个不同的加速器，分别从两个高频电源来分别提供高频功率。在使用两个高频电源的情况下，通过控制等来使相位相一致，因此会因温度、外部干扰使得控制变得不稳定而发生变动等，但在使用谐振型功率分配装置的情况下，因这些外部干扰因素而产生的不稳定性将消失。然而，无法调整初始设置阶段的相位的设定值。另外，为了改变功率分配率，需要进行改变，例如改变安装于谐振型分配装置的具有短棒结构等的同轴管的长度，由于难以像在电源的设定面板上改变电源的接通功率那样改变功率分配率，因此在初始设置阶段进行调整是较为困难的。 [0022] 接下来，对各加速器的射出带电粒子束的特性、入射至作为APF方式IH型DTL型线性加速器的第二级线性加速器3中的带电粒子束所要求的特性等进行说明。尤其是，通过阐述带电粒子束的能量及相位相对于高频功率的变动，来说明得出本发明的结构的过程。 [0023] 在说明中，对参数的标记进行说明。用E来表示带电粒子束所包含的带电粒子的能量分布的中心能量，用φ来表示相位分布的中心相位。另外，后缀i表示加速器的入口相关的参数，后缀o表示出口相关的参数，后缀1表示第一级线性加速器2相关的参数，后缀2表示第二级线性加速器3相关的参数。例如，用Eo,1来表示第一级线性加速器2的出口的带电粒子束的中心能量，用φo,1来表示中心相位。另外，用Prf,1来表示提供至第一级线性加速器2的高频功率，用Prf,2来表示提供至第二级线性加速器3的高频功率。上述标记示于图2。 [0024] 对于高频功率，提供至两加速器的高频功率之和Prf,1+Prf,2成为由高频电源6提供的全高频功率Prf,total。此处，通过下式来定义通过使用谐振型功率分配装置7来分配至第二级线性加速器3的高频功率的功率分配率R。Prf,2＝R*Prf,total Prf,1＝(1－R)*Prf,total [0025] 本发明的高频加速器将从作为RFQ型线性加速器的第一级线性加速器2射出的带电粒子通过匹配部8，入射至作为APF方式IH型DTL型线性加速器的第二级线性加速器3。从第一级线性加速器2射出的带电粒子成为行进方向的位置(相位)集中于中心值附近的射束状的块体。将上述射束的块体称为聚束(bunched-beam)。入射至第二级线性加速器3的带电粒子束中的带电粒子中，仅有适于第二级线性加速器3中的加速的中心能量与中心相位附近的带电粒子被加速。第二级线性加速器3中，适于加速所入射的带电粒子的中心能量及中心相位为某一值，其附近存在能容许的范围。仅有进入该容许范围中的粒子被加速。因此，若所入射的带电粒子的能量及相位的中心值发生偏离，则会产生第二级线性加速器3中带电粒子完全没有被加速的状态。另外，在所入射的带电粒子的能量及相位的分布宽于容许范围的情况下，即使中心值不发生偏离，透过效率也会下降。 [0026] 在加速器领域中，将该容许范围称作接受度(acceptance)。此处，将针对能量的接受度称作能量接受度，将针对相位的接受度称作相位接受度。通过利用计算机来进行分析，从而求出上述适于加速的中心能量、中心相位、能量接受度、相位接受度。 [0027] 首先，对带电粒子的能量进行研究。由于匹配部8通常不具有电场产生装置，磁场也不进行工作，所以能量不会发生变化，因此即使通过匹配部8带电粒子的能量也不会发生变化。由此，从第一级线性加速器2射出的带电粒子的能量成为射入第二级线性加速器3的带电粒子的能量。图3中示出了从第一级线性加速器2射出的带电粒子束的中心能量Eo,1相对于提供至第一级线性加速器2的高频功率Prf,1进行变化的情况。第一级线性加速器2中，能够以某一范围的高频功率Prf,1来对带电粒子进行加速，其特性呈现为若在该范围内使Prf,1增加，则Eo,1减小。另一方面，图4中示出了适于APF方式IH型DTL型线性加速器即第二级线性加速器3中的加速的带电粒子束在入口处的能量Ei,2相对于提供至第二级线性加速器3的高频功率Prf,2进行变化的情况。特性呈现为若使Prf,2增加，则适于加速的Ei,2减小。图4中，实线表示中心能量，利用两根虚线曲线表示上述能量接受度的边界。能量在能量接受度以外的带电粒子均无法加速。 [0028] 本发明的实施方式1所涉及的高频加速器的结构中，提供至第一级线性加速器2及第二级线性加速器3的高频功率通过谐振型功率分配装置7来进行分配、供给，因此提供至两加速器的高频功率的变化比例相同。若使高频电源6的输出增加，则从第一级线性加速器2射出的带电粒子的能量Eo,1减小，适于射入第二级线性加速器3的带电粒子的能量Ei,2的加速的能量也减小，因此若设计恰当，则能获得即使使高频功率发生变化也可能量匹配的加速器。 [0029] 图5及图6示出了将图3及图4的横轴替换为高频电源6的输出P rf,total、且以分配至第二级线性加速器3的高频功率的功率分配率R作为参数来表示特性的图。由于分配至第二级线性加速器3的高频功率Prf,2是R*P rf,total，因此若R较大则Prf,total较小一侧成为适于加速的高频功率。若R较小则相反地Prf,total较大一侧成为适于加速的高频功率。因此，图6中示出了以具有R1＞R2＞R3这一关系的R作为参数，适于入射至第二级线性加速器3的带电粒子束的能量Ei,2的加速的能量的特性。图6中，实线表示适于加速的中心能量，两根虚线表示能量接受度的边界。也就是说，图6中示出了对于某一R，能量在两根虚线之间的范围内的带电粒子能被加速。另一方面。由于分配至第一级线性加速器2的高频功率是(1－R)*Prf,total，因此若R较大则Prf,total较大一侧成为适于加速的高频功率。若R较小则相反地Prf,total较小一侧成为适于加速的高频功率。因此，图5中与上述同样地以R1、R2、R3作为参数示出了从第一级线性加速器2射出的带电粒子束的能量特性。 [0030] 图5的特性中的Eo,1的变化特性中功率分配率R2的特性、与图6的能量接受度特性中的Ei,2的变化特性中功率分配率R2的能量接受度特性相匹配。通过将谐振型功率分配装置7的功率分配率设定为R2，从而从第一级线性加速器2射出的带电粒子束的能量在高频电源6的输出的较宽的范围内成为适于射入第二级线性加速器3的带电粒子的能量Ei,2的加速的能量。由此可知，存在适于射入第二级线性加速器3的带电粒子的能量Ei,2的加速的能量相对于高频功率的变化的特性即能量接受度特性、与从第一级线性加速器2射出的带电粒子的能量Eo,1相对于高频功率的变化的特性即射出能量特性相匹配的功率分配率R。 [0031] 此处，对上述两个特性的匹配达到何种程度即可进行说明。在某个R下使得图5的特性曲线即Eo,1(Prf,total)与图6的特性曲线、即能量接受度中的中心能量完全相一致是困难的。若从第一级线性加速器2射出的带电粒子束的中心能量Eo,1(Prf,total)位于图6的能量接受度内，则从第一级线性加速器2射出的所有带电粒子通过第二级线性加速器3进行加速，或者即使在透过效率下降的情况下也有一部分带电粒子通过第二级线性加速器3进行加速。图7示意性地示出该情况。图5中的R2下的射出能量特性曲线即Eo,1(Prf,total)位于图6中的R2下的能量接受度的范围内时，成为图7所示的关系。 [0032] 接着，研究带电粒子的相位。为了使射入第二级线性加速器3的带电粒子被加速，作为带电粒子位于第二级线性加速器3的入口时的高频相位φi,2，具有适合的相位。图8中示出了该适合的相位，其中横轴表示高频电源所提供的全高频功率Prf,total。图8中，实线表示适于加速的带电粒子束的中心相位，两根虚线曲线表示其附近进行加速的容许范围的边界、即相位接受度的边界。通过计算机分析、即设计能够求出中心相位及相位接受度。如图8所示，相位接受度的范围成为相对于某个相位φd用Δφd来表示的范围。基于该相位接受度特性可知，某个相位φd的带电粒子束能通过第二级线性加速器3进行加速的高频功率的范围、即容许范围成为图9所示的ΔPb。以往，考虑能进行加速的高频功率的范围仅为该ΔPb的范围。然而，通过本发明人以下的分析可知，存在能够在比ΔPb要宽的范围的高频功率的范围内在第二级线性加速器3中进行加速的条件。 [0033] 从第一级线性加速器2射出的带电粒子在第一级线性加速器2的出口处的相位、即带电粒子位于第一级线性加速器2的出口时带电粒子的速度设为vo,1，此时的高频相位设为φo,1。带电粒子的速度vo,1能够从Eo,1简单地进行换算。若将匹配部的长度、即从第一级线性加速器2的出口到第二级线性加速器3的入口为止的距离设为L，将高频的角频率设为ω，则带电粒子在匹配部中行进的期间中，高频的相位前进L/(ω*vo,1)，因此，位于第一级线性加速器2的出口时的高频的相位为φo,1的带电粒子到达第二级线性加速器3的入口时的高频的相位成为：φo,1+L/(ω*vo,1) (1)。 [0034] 第一级线性加速器2的出口处的带电粒子束的相位φo,1如图10所示，相对于高频功率没有较大变化。另外，在带电粒子的速度并非相对论性速度的情况下，带电粒子的能量E与速度v的平方成正比。考虑图10与图3及图5所示的特性，若将高频电源所提供的全高频功率Prf,total作为横轴，则从第一级线性加速器2射出的带电粒子束到达第二级线性加速器3的入口时的带电粒子束的相位、即式(1)的值如图11所示。图11中，以匹配部的长度L作为参数，示出了L1＞L2＞L3这三个L。L越大，则相位变化就越大，因此斜率变大。从式(1)可知，实际上L/ω为参数，但在上述说明中假定ω恒定来进行说明。 [0035] 因此，在以图11那样的L为参数的特性中、更优选为在成为进入图9的相位接受度范围最多的特性的L被选出的情况下，即使使得高频电源的输出功率在较大范围内发生变化，带电粒子也在第二级线性加速器3中被加速。图12示出该情况。图12与图8、图9同样地，示意性地示出了能够在第二级线性加速器3中进行加速的带电粒子束的中心相位φi,2(细实线)以及相位接受度的范围(用虚线曲线来表示的范围)、以及式(1)的特性中进入该相位接受度内最多的L的值的特性(粗实线)。在图12所示的特性的情况下，能够在作为高频功率的ΔPa的范围内通过第一级及第二级线性加速器来加速带电粒子，并能从第二级线性加速器3射出带电粒子束。由此可知，在第一级线性加速器2用RFQ型线性加速器，第二级线性加速器3用APF方式IH型DTL型线性加速器这样的组合的高频加速器10中，通过恰当地设定匹配部8的长度，从而能获得可在较宽范围的高频功率下射出带电粒子束的高频加速器。 [0036] 此外，从第一级线性加速器2输出的带电粒子束到达第二级线性加速器3的入口时的相位的中心值与第二级线性加速器3的相位接受度的中心值相一致，从第一级线性加速器2输出的带电粒子束的相位扩展进入相位接受度内的情况下，透过效率变为100％。若第二级线性加速器3的入口处的带电粒子束的相位的中心值发生偏离，则即使相位扩展进入相位接受度内，透过效率也下降。此外，若第二级线性加速器3的入口处的带电粒子束的相位的中心值超过相位接受度，则透过效率变为0％，而与相位扩展无关。尤其是，在APF-IH型的DTL中，由于相位接受度较窄，因此需要使从第一级线性加速器2输出的带电粒子束到达第二级线性加速器3的入口时的相位的中心值接近于第二级线性加速器3的相位接受度的中心值。 [0037] 本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10构成为，对于第一级线性加速器2为RFQ型线性加速器、第二级线性加速器3为APF方式IH型DTL型线性加速器这一组合的高频加速器10，从一台高频电源利用高频分配器来分配高频，并提供至第一级线性加速器2及第二级线性加速器3，以将带电粒子进行加速。发现了：在上述结构的高频加速器中，通过恰当地设定高频分配器的功率分配率R、第一级线性加速器2的出口与第二级线性加速器3的入口之间的距离、即匹配部8的长度L，从而能提供可在较宽范围的高频功率下射出大电流的带电粒子束的高频加速器。其中，第一级加速器并不限于RFQ，也可以是RFI(Rf-Focused Interdigital)，第二级加速器并不限于APF，也可以是一般的DTL，在这些线性加速器的情况下，也示出了与上述说明相同的特性。 [0038] 图13示出了本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10的输出特性的一个示例。图13中，以高频电源所提供的全高频功率Prf,total为横轴，示出了与从第二级线性加速器3射出的带电粒子每单位时间的射出量相当的带电粒子束的电流值Io,2。实线表示从本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10射出的Io,2的特性例，虚线表示通过以往设计来获得的Io,2的特性例。以往，如虚线所示，认为只能在全高频功率较窄的范围、即图9所示的第二级线性加速器中的容许范围ΔPb左右的范围内被适当地加速，难以在较大范围内使高频功率的值发生变化来获得加速器的输出。然而，根据本发明可知如图13中的实线所示，即使在较大的范围ΔPa内使全高频功率的值发生变化，也能获得加速器的输出。 [0039] 如上所说明的那样，本申请发明人发现，通过恰当地设定分配至两个加速器的高频功率的功率分配率、以及两个加速器之间的匹配部的长度，从而能获得如下的高频加速器，该高频加速器能够在高频功率的较宽的范围ΔPa内使带电粒子加速，即使高频功率发生变化，所射出的带电粒子束的电流值的变化也较小。虽然图9所示的第二级线性加速器3中针对入射带电粒子的相位的全高频功率Prf,total的容许范围ΔPb因相位φd的值而发生变化，但发现了存在能够在比ΔPb的最大值要宽的范围内在第二级线性加速器3中进行加速的条件。 [0040] 利用示意图来说明上述本发明的高频加速器的动作以及通过现有设计制作而成的高频加速器的动作。图14是说明本发明的高频加速器的动作的示意图，图15是说明通过现有设计制作而成的高频加速器的动作的示意图。图14及图15中，横向是带电粒子的相位，箭头标记方向是全高频功率Prf,total，实线表示从第一级线性加速器射出的带电粒子的相位分布，虚线表示第二级线性加速器的相位接受度。如图14所示，根据本发明，在使全高频功率发生变化时，从第一级线性加速器射出的带电粒子的相位分布的变化跟随第二级线性加速器的相位接受度的变化，因此从第一级线性加速器射出的带电粒子的相位分布与第二级线性加速器的相位接受度在全高频功率的较宽的整个范围内相匹配。 [0041] 与此不同的是，如图15所示，在现有设计中，设计成在某个全高频功率P0下，从第一级线性加速器射出的带电粒子的相位分布与第二级线性加速器的相位接受度相匹配，此时，随着全高频功率偏离P0，两者间的匹配急速偏离。由此，从第一级线性加速器射出的带电粒子仅能在全高频功率P0前后较窄的功率范围内通过第二级线性加速器来进行加速。 [0042] 如上所述可知，根据本发明，能够对提供至功率分配装置7的第二级线性加速器3的高频功率的功率分配率R的值、以及从第一级线性加速器2的出口到第二级线性加速器3的入口为止的匹配部8的长度L与高频功率的角频率ω之间的比L/ω的值进行调整或设定，以使得在第二级线性加速器中的比基于针对各相位的入射带电粒子的相位接受度而决定的全高频功率的容许范围中的最大容许范围(图9中是指使φd改变来决定每个φd的ΔPb时的各ΔPb内的最大值)还要大的Prf,total的范围内，从第二级线性加速器射出带电粒子束。至于带电粒子能在多宽的高频功率的范围内射出，这取决于第一级线性加速器及第二级线性加速器的结构等。其中可知，能够在第二级线性加速器中的基于针对各相位的入射带电粒子的相位接受度而决定的全高频功率的容许范围内最大容许范围的至少两倍以上的范围内射出带电粒子束。 [0043] 图16是总结示出上述本发明的实施方式1的高频加速器10的设计方法的步骤的流程图。首先，如图5所示，对于由高频电源产生的高频功率P rf,total，求出从第一级线性加速器2射出的带电粒子的以功率分配装置7的功率分配率R为参数的射出能量特性(ST1)。与步骤ST1并行进行，如图6所示，求出入射至第二级线性加速器3的带电粒子束的能量Ei,2相对于Prf,total的以功率分配率R为参数的能量接受度特性(ST2)。接着，从步骤ST1中求出的射出能量特性中，决定能尽量多得进入步骤ST2中求出的能量接受度特性的范围内的特性、即相匹配的功率分配率R(ST3)。 [0044] 接着，利用步骤ST3中决定的功率分配率R，如图10所示那样，求出从第一级线性加速器2射出的带电粒子束在第一级线性加速器2的出口处的中心相位φo,1(Prf,total)相对于Prf,total的特性、即射出相位特性(ST4)。接着，利用该射出相位特性，求出如图11所示那样的从第一级线性加速器2射出的带电粒子束到达第二级线性加速器3的入口时的带电粒子束的中心相位即φo,1(Prf,total)+(L/ω)/v(Prf,total)的以L/ω的值为参数的特性、即入口相位特性(ST5)。 [0045] 另一方面，利用步骤ST3中决定的功率分配率R，求出入射至第二级线性加速器3的带电粒子束相对于Prf,total的相位接受度特性(ST6)。接着，基于步骤ST5中求出的以L/ω的值为参数的入口相位特性中、与在步骤ST6中求出的相位接受度特性相匹配的特性来决定L/ω的值(ST7)。也就是说，基于步骤ST5中求出的以L/ω的值为参数的入口相位特性中的如下范围内所包含的入口相位特性，来决定L/ω的值，该范围是在步骤ST6中求出的相位接受度特性的范围内、比基于针对各相位的入射带电粒子的相位接受度特性而决定的全高频功率的容许范围中的最大容许范围还要大的范围、至少是最大容许范围的两倍以上的全高频功率的范围。 [0046] 通过包含上述步骤的设计、调整而制成的高频加速器可成为如下的高频加速器：即使使所提供的高频功率在图9所说明的比基于针对各相位的入射带电粒子的相位接受度特性而决定的全高频功率的容许范围中的最大容许范围还要大的范围内进行改变，第一级加速器与第二级加速器之间的匹配也不会变差，且容易调整。另外，如实施方式2所说明的那样，能够获得如下的高频加速器：在将该高频加速器用作为对于圆形加速器的入射器的情况下，通过调整高频功率能得到作为入射至圆形加速器中的带电粒子束较为理想的带电粒子束特性。 [0047] 实施方式2.图17是表示本发明的实施方式2所涉及的圆形加速器系统的简要结构的框图。图17中的高频加速器10是实施方式1中所说明的高频加速器。本实施方式2所涉及的圆形加速器系统中，将从高频加速器10射出的带电粒子束射入同步加速器等圆形加速器5，并加速至粒子射线治疗装置等向照射对象进行照射而能使用的能量为止，并使其作为带电粒子束射出。 [0048] 在使用现有的高频加速器的情况下，需要经由被称作散束器的使带电粒子束的带电粒子能量相一致、并扩大相位宽度的设备，将带电粒子束射入同步加速器。然而，若使用本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10，则所射出的带电粒子束无需经由散束器那样的对能量的扩展与相位的扩展之间的关系进行调整的设备，而是经由像用于使射束行进方向弯曲的偏转磁铁、对射束的横向扩展进行控制的四极电磁铁、对射束的轨道进行修正的转向电磁铁那样、作用于带电粒子束的物理量仅为磁场的射束传输系统4，而入射至圆形加速器5中。 [0049] 说明了实施方式1所涉及的高频加速器10的相对于高频功率的输出特性如图13的实线那样。即使改变高频功率，所射出的带电粒子束的电流值也不会有较大变化，然而所射出的带电粒子束的性质会发生变化。图18是说明该变化的图。图18是用相位φ与能量E的空间来表现所射出的带电粒子束所包含的带电粒子的分布的示意图。图18(a)、(b)、(c)分别示出了高频功率Prf,total不同时的带电粒子束中的各个带电粒子的分布，示出了所射出的各个带电粒子在各图的椭圆内分布的情况。由此，在使高频功率发生变化的情况下，所射出的带电粒子束示出了在φ－E空间内椭圆的面积发生变化的同时进行旋转的特性。 [0050] 图19是将如图18那样变化的带电粒子的分布，作为相当于能量宽度的动量扩展2 宽度√|ΔP/Po,2|(也称为动量谱)相对于高频功率Prf,total的特性来表示的图。如图19所示，动量谱的宽度对应于高频功率的变化而变化。 [0051] 为了利用像同步加速器那样的圆形加速器5来使带电粒子加速，需要入射动量谱为所希望的较小值的带电粒子束。例如，在适于圆形加速器5的加速的动量谱为图17的Δpi的情况下，如图19所示，通过将本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10的高频功率设定为P1或P2，从而能从高频加速器10射出适于圆形加速器5的加速的动量谱的带电粒子束。其结果是，在使用现有的高频加速器的情况下，需要像散束器那样对能量的扩展与相位的扩展之间的关系进行调整的设备，但通过使用本发明的实施方式1所涉及的高频加速器10，能够获得可通过圆形加速器5高效地使从高频加速器10射出的带电粒子束加速的圆形加速器系统，而无需配置对能量的扩展与相位的扩展之间的关系进行调整的设备。 [0052] 另外，本发明在其发明的范围内可对各实施方式进行适当变形、省略。标号说明 [0053] 1离子源、2第一级线性加速器、3第二级线性加速器、4射束传输系统、5圆形加速器、6高频电源、7谐振型功率分配装置、8匹配部、10高频加速器。 |
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