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带电粒子加速器及带电粒子的加速方法

阅读：849发布：2020-05-15

专利汇可以提供带电粒子加速器及带电粒子的加速方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明为层叠配置多个用于向带电粒子（2）赋予加速电位的加速电极管利用控制装置（8）适当控制向各加速电极管施加加速电压的时刻，从而在带电粒子（2）每次通过加速电极管的间隙时，能够获得加速能量。，下面是带电粒子加速器及带电粒子的加速方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带电粒子加速器，其特征在于，该带电粒子加速器具备：
带电粒子发生源，发射带电粒子；
加速电极管，使从上述带电粒子发生源发射的带电粒子通过，并对所通过的带电粒子进行加速；
驱动电路，将用于加速上述带电粒子的电压施加到上述加速电极管上；以及控制部，在带电粒子在加速电极管内移动的过程中，控制上述驱动电路开始向该加速电极管施加电压。
2.如权利要求1所述的带电粒子加速器，其特征在于，
具备直线性配置的多个上述加速电极管，从上述带电粒子发生源发射的带电粒子依次通过上述多个加速电极管，
上述控制部控制上述驱动电路，通过开始向在内部移动带电粒子的加速电极管施加电压，向多个上述加速电极管依次施加电压。
3.如权利要求1所述的带电粒子加速器，其特征在于，
还具备偏向磁铁，该偏向磁铁改变通过了加速电极管的带电粒子的行进方向。
4.如权利要求3所述的带电粒子加速器，其特征在于，
上述偏向磁铁改变通过了加速电极管的带电粒子的行进方向，以使带电粒子再次通过同一加速电极管，
上述控制部控制上述驱动电路，通过开始向在内部移动带电粒子的加速电极管施加电压，向同一加速电极管多次施加电压。
5.如权利要求3或4所述的带电粒子加速器，其特征在于，
还具备调整部，该调整部将上述带电粒子的行进方向向与该行进方向交叉的方向调整。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的带电粒子加速器，其特征在于，还具备电流计，该电流计对在带电粒子通过加速电极管时在该加速电极管中产生的加速电流进行计测，
上述控制部基于上述电流计的加速电流的计测结果，调节开始向加速电极管施加电压的时刻。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的带电粒子加速器，其特征在于，上述驱动电路能够变更向上述加速电极管施加的电压值。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的带电粒子加速器，其特征在于，还具备检测部，该检测部检测用上述加速电极管加速的带电粒子是否在规定的轨道中行进，
在上述检测部检测到上述带电粒子不在上述规定的轨道中行进时，上述控制部使上述驱动电路停止。
9.一种带电粒子的加速方法，其特征在于，该方法包括：
为了使带电粒子依次通过多个加速电极管，从带电粒子发生源发射带电粒子的步骤；
以及
在带电粒子在加速电极管内移动的期间，开始向该加速电极管施加用于加速上述带电粒子的电压，从而向上述多个加速电极管依次施加电压的步骤。

说明书全文

带电粒子加速器及带电粒子的加速方法

技术领域

[0001] 本发明涉及对带电粒子进行加速的带电粒子加速器及带电粒子的加速方法。更具体而言，涉及通过高压脉冲生成装置和控制装置的组合实现了加速电场的产生的线性轨道型加速器及螺旋轨道型加速器，以及基于这些带电粒子加速器的带电粒子的加速方法。

背景技术

[0002] 图23A及图23B示出下述专利文献1所述的现有的带电粒子加速器的结构。该带电粒子加速器是作为螺旋轨道型带电粒子加速器的代表例的回旋加速器。在图23A及图23B中，70是磁铁，71、72是加速电极，73是高频电源，高频电源73向加速电极71、72供给加速高频电压。74是带电粒子，由加速电极71、72进行加速。

[0003] 在回旋加速器中，带电粒子74的旋转周期Tp成为Tp=2nm/eB。在此，π是圆周率，m是带电粒子74的质量，e是带电粒子74的电荷，B是基于磁铁70的粒子轨道上的磁通密度。因此，若m/eB为一定，则带电粒子74的旋转周期不取决于旋转半径而一定，若设高频电源73的加速高频周期Trf的一例为Trf＝Tp/2，则带电粒子74始终被加速电极71、72间的电极间隙进行加速，能够加速到较高能量。

[0004] 在速度达到光速附近时，带电粒子74的质量m的值因相对论效应而增大。其结果，在图23A及图23B所示的回旋加速器中，带电粒子74的加速能量变高，当速度接近光速时不能确保同步性，不能进一步继续加速。作为其对策，例如，提出了一种方案，对应于加速能量的增大而改变磁通密度，或者改变加速高频周期。

[0005] 先前技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1：日本特开2006—32282号公报

发明内容

[0008] 发明所要解决的技术问题

[0009] 在以上所述的现有螺旋轨道型带电粒子加速器中，因相对论能量区域的同步性的缺陷而不能增大能量增益，并且，为了校正同步性的缺陷，需要改变加速高频电压或磁场分布的功能，存在有装置部件数量增大且成本增加等问题。

[0010] 本发明用于解决如上的现有结构所具有的问题，其主要目的在于，提供一种与以往相比价廉且能量增益较大的带电粒子加速器及带电粒子的加速方法。

[0011] 用于解决技术问题的方案

[0012] 为了解决上述技术问题，本发明的一方式的带电粒子加速器具备：带电粒子发生源，发射带电粒子；加速电极管，使从上述带电粒子发生源发射的带电粒子通过，并对所通过的带电粒子进行加速；驱动电路，将用于加速上述带电粒子的电压施加到上述加速电极管上；控制部，在带电粒子在加速电极管内移动的过程中，控制上述驱动电路开始向该加速电极管施加电压。

[0013] 在该方式中，优选上述带电粒子加速器具备线性配置的多个上述加速电极管，并且，从上述带电粒子发生源发射的带电粒子依次通过上述多个加速电极管，上述控制部控制上述驱动电路，通过开始向在内部移动带电粒子的加速电极管施加电压，向多个上述加速电极管依次施加电压。

[0014] 此外，在上述方式中，优选上述带电粒子加速器还具备偏向磁铁，该偏向磁铁改变通过了加速电极管的带电粒子的行进方向。

[0015] 此外，在上述方式中，优选上述偏向磁铁构成为改变通过了加速电极管的带电粒子的行进方向，以使带电粒子再次通过同一加速电极管，上述控制部构成为控制上述驱动电路，通过开始向在其内部移动带电粒子的加速电极管施加电压，向同一加速电极管多次施加电压。

[0016] 此外，在上述方式中，上述带电粒子加速器优选还具备调整部，该调整部将上述带电粒子的行进方向向与该行进方向交叉的方向调整。

[0017] 此外，在上述方式中，优选上述带电粒子加速器还具备电流计，该电流计对在带电粒子通过加速电极管时在该加速电极管中产生的加速电流进行计测，上述控制部构成为基于上述电流计的加速电流的计测结果，调节开始向加速电极管施加电压的时刻。

[0018] 此外，在上述方式中，优选上述驱动电路构成为能够变更向上述加速电极管施加的电压值。

[0019] 此外，在上述方式中，优选上述带电粒子加速器还具备检测部，该检测部检测用上述加速电极管加速的带电粒子是否在规定的轨道中行进，在上述检测部检测到上述带电粒子不在上述规定的轨道中行进时，上述控制部使上述驱动电路停止。

[0020] 此外，本发明的一方式的带电粒子的加速方法包括：为了使带电粒子依次通过多个加速电极管，从带电粒子发生源发射带电粒子的步骤；以及在带电粒子在加速电极管内移动的期间，开始向该加速电极管施加用于加速上述带电粒子的电压，从而依次向上述多个加速电极管施加电压的步骤。

[0021] 发明效果

[0022] 根据本发明的带电粒子加速器及带电粒子的加速方法，与现有技术相比价廉，并且能够得到较大的能量增益。附图说明

[0023] 图1是实施方式1的线性轨道型带电粒子加速器的结构图；

[0024] 图2是示出实施方式1的控制装置的动作定时的时间图；

[0025] 图3是其他线性轨道型带电粒子加速器的结构图；

[0026] 图4A是示出实施方式2的螺旋轨道型带电粒子加速器的结构的俯视图；

[0027] 图4B是示出实施方式2的螺旋轨道型带电粒子加速器的结构的侧视图；

[0028] 图5A是示出实施方式2的加速单元的结构的俯视图；

[0029] 图5B是示出实施方式2的加速单元的结构的主视图；

[0030] 图5C是示出实施方式2的加速单元的结构的侧视图；

[0031] 图6A是示出实施方式2的调整单元的结构的俯视图；

[0032] 图6B是示出实施方式2的调整单元的结构的主视图；

[0033] 图6C是示出实施方式2的调整单元的结构的侧视图；

[0034] 图7A是示出实施方式2的检测单元的结构的俯视图；

[0035] 图7B是示出实施方式2的检测单元的结构的主视图；

[0036] 图7C是示出实施方式2的检测单元的结构的侧视图；

[0037] 图8A是示出奇数号加速单元的结构的俯视图；

[0038] 图8B是示出奇数号加速单元的结构的主视图；

[0039] 图8C是示出奇数号加速单元的结构的侧视图；

[0040] 图9A是示出偶数号加速单元的结构的俯视图；

[0041] 图9B是示出偶数号加速单元的结构的主视图；

[0042] 图9C是示出偶数号加速单元的结构的侧视图；

[0043] 图10A是示出加速单元的射出侧结构的俯视图；

[0044] 图10B是示出加速单元的射出侧结构的主视图；

[0045] 图10C是示出加速单元的射出侧结构的侧视图；

[0046] 图10D是图10A所示的加速单元的剖视图；

[0047] 图10E是图10A所示的加速单元的剖视图；

[0048] 图10F是图10A所示的加速单元的剖视图；

[0049] 图11A是示出奇数号加速单元的入射侧结构的俯视图；

[0050] 图11B是示出奇数号加速单元的入射侧结构的主视图；

[0051] 图11C是示出奇数号加速单元的入射侧结构的侧视图；

[0052] 图11D是图11A所示的奇数号加速单元的剖视图；

[0053] 图11E是图11A所示的奇数号加速单元的剖视图；

[0054] 图12A是示出偶数号加速单元的入射侧结构的俯视图；

[0055] 图12B是示出偶数号加速单元的入射侧结构的主视图；

[0056] 图12C是示出偶数号加速单元的入射侧结构的侧视图；

[0057] 图12D是图12A所示的偶数号加速单元的剖视图；

[0058] 图12E是图12A所示的偶数号加速单元的剖视图；

[0059] 图13A是示出调整单元的结构的俯视图；

[0060] 图13B是示出调整单元的结构的主视图；

[0061] 图13C是示出调整单元的结构的侧视图；

[0062] 图13D是图13A所示的调整单元的剖视图；

[0063] 图13E是图13A所示的调整单元的剖视图；

[0064] 图14A是示出检测单元的结构的俯视图；

[0065] 图14B是示出检测单元的结构的主视图；

[0066] 图14C是示出检测单元的结构的侧视图；

[0067] 图15是加速单元的加速动作说明图；

[0068] 图16是加速单元的移动动作（奇数号加速单元→偶数号加速单元）说明图；

[0069] 图17是加速单元的移动动作（偶数号加速单元→奇数号加速单元）说明图；

[0070] 图18是基于分散加速的带电粒子轨道说明图；

[0071] 图19是调整单元的动作说明图；

[0072] 图20是检测单元的动作说明图；

[0073] 图21是实施方式3的带电粒子计测系统的结构图；

[0074] 图22是其它带电粒子计测系统的结构图；

[0075] 图23A是现有的螺旋轨道型带电粒子加速器的结构图；

[0076] 图23B是图23A所示的螺旋轨道型带电粒子加速器的剖视图。

具体实施方式

[0077] 下面，利用图和表，对本发明的实施方式进行说明。

[0078] （实施方式1）

[0079] 图1是本发明的实施方式1的线性轨道型带电粒子加速器的结构图。在图1中，1是离子源，2是从离子源引出的带电粒子，LA#1～LA#28是用于对带电粒子2进行加速的28台加速电极管，包含最终级的伪电极管7而配置成线性（直线状）。3是20KV直流电源，其输出经由电流计4连接到9台切换电路的I端子。同样，5是200KV直流电源，其输出经由电流计6连接到19台切换电路的I端子。8是控制装置，连接了电流计4及6的输出。切换电路的O端子分别连接到加速电极管控制装置8的输出连接到切换电路构成为能够根据来自控制装置8的指令切换各个切换电路。

[0080] 下面，对上述结构的线性轨道型带电粒子加速器的动作进行说明。此外，在此，作为代表例，对6价碳离子进行加速的情况进行说明。离子源1始终被20KV直流电源3施加20KV的电压。在控制装置8的输出成为“1”时，切换电路S#1～S#28连接O端子和I端子，从O端子输出与I端子相同的电压。反过来，在控制装置8的输出成为“0”时，将O端子的输出设为接地电位。在加速前的初始状态下，控制装置8仅向切换电路S#1输出“1”，向其他S#1～S#28输出“0”。即，在初始状态下，只有加速电极管LA#1具有20KV的电位，其他LA#2～LA#28全部成为接地电位。因此，在该状态下，离子源1和加速电极管LA#1成为相同电位，不会引出带电粒子2。

[0081] 在进行加速动作时，首先，最初控制装置8向切换电路S#1输出规定期间的“0”，从而使加速电极管LA#1降到接地电位。在加速电极管LA#1成为接地电位时，从离子源1引出带电粒子2（6价碳离子）。离子源1被调整为使得离子电流成为1毫安，离子束直径成为5mm，例如，若在100纳秒内将加速电极管LA#1设为接地电位，则能够得到大体包含2.7x108个带电粒子2（6价碳离子）的离子束脉冲。为了加大照射量，并形成包含很多带电粒子2的离子束，只要在长于100纳秒的时间内使加速电极管LA#1降到接地电位就可以。反过来，在想要减少基于1个离子束脉冲的照射量的情况下，只要在短于100纳秒的时间内使加速电极管LA#1降到接地电位就可以。因此，在图1的线性轨道型带电粒子加速器中，能够任意地安排设定每个离子束脉冲的照射量。

[0082] 离子束脉冲在通过离子源1和加速电极管LA#1的电位差进行加速的同时，入射到加速电极管LA#1中。控制装置8在离子束脉冲的前沿到达加速电极管LA#1的中心附近的时刻，将向切换电路S#1的输出设为“1”，将加速电极管LA#1的电位切换为20KV。在从加速电极管LA#1射出时，离子束脉冲受到基于加速电极管LA#1和加速电极管LA#2的电位差的2次加速。

[0083] 接着，控制装置8在离子束脉冲的前沿到达加速电极管LA#2的中心附近的时刻，将加速电极管LA#2的电位切换为20KV。在离子束脉冲从加速电极管LA#2射出时，此次受到基于加速电极管LA#2和加速电极管LA#3的电位差的加速。控制装置8通过对加速电极管LA#2～LA#28重复进行如上所述的施加电压的时序控制，增大离子束脉冲即带电粒子2的加速能量。

[0084] 在每次通过加速电极管时，离子束脉冲就增加速度，因此，在考虑了切换电路S#n的响应延迟的情况下，为了在离子束脉冲位于加速电极管LA#n的中心附近时可靠进行电位切换，需要加长后级加速电极管的长度。在本发明的实施方式1中，设各加速电极管为表1所示的长度。此外，作为参考值，表1示出入射到各加速电极管中的离子束脉冲的能量和脉冲宽度。最后，利用加速电极管LA#28和伪电极管7的电位差对离子束脉冲进行加速，获得总计2MeV/u的加速能量。此外，在需要大电流离子束脉冲的加速等离子束的收敛的应用中，在加速电极管内或离子束输送路径中，例如设置静电四极透镜等离子束收敛电路。关于具体的光学设计，即，离子束收敛电路的设置位置及特性，按照离子束强度和所需的离子束直径，根据每个事例进行设计研究。

[0085] 表1

[0086]

[0087]

[0088] 注1：设从离子源取出离子的时间为100纳秒时的值

[0089] 图2示出从离子源1放出的带电粒子2加速到2MeV/u的能量时控制装置8实施的时序控制的时间图的一例。在图2中，示出了控制装置8最初进行了100纳秒的离子束取出时的时间图。控制装置8通过预定的定时动作，使切换电路按脉冲状进行导通/截止。在实施方式1中，设各加速电极管的电极管距离为5cm，此时，图2的成为表2所示的值。此外，在图2的示例中，将S#2～S#28设为导通状态的时间为1毫秒的固定值。

[0090] 表2

[0091]

[0092]

[0093] 离子束脉冲在从一个加速电极管输出后入射到后级的加速电极管中时，通过其电位差被加速，此时，在20KV直流电源3或200KV直流电源5中流过加速电流。电流计4及电流计6计测该加速电流后传给控制装置8。控制装置8根据电流计4及电流计6的计测值，把握离子束脉冲被加速的时刻即通过加速电极管之间的时刻。根据该时刻数据，计算实际的离子束脉冲的加速能量，在该计算值和预定值上产生了较大的偏差时，判断为在装置上发生了某些异常，并且进行如向搬运人员通知等警报处理。

[0094] 表2所记载的时间是以直流电源3及5输出完整的额定电压值的情况作为前提计算的值。在直流电源3或5的输出电压发生了干扰时，例如，因初级侧电源电压的骤变等原因，电压值发生了变动时，需要根据其状況校正表2的时间值。因此，控制装置8根据电流计4及6的计测值，执行开始向加速电极管施加电压的时刻进行校正的处理。

[0095] 关于向加速电极管LA#n（n=2，3，～，28）施加电压的时刻的校正处理，进一步进行详细说明。假设在前级的加速电极管LA#n-1内存在离子束，并以速度v_n-1朝向后级的加速电极管LA#n。此时，向LA#n-1施加加速电压。假设离子束在通过LA#n-1和LA#n的间隙时，通过两个加速电极管的电位差被进行加速，在到达LA#n时，其速度达到v_n。在进行加速动作的期间，在直流电源中流过加速电流。由于加速电极管的间隙近似平等电场，因此，用式1表示在LA#n-1中流过加速电流的时间T_ai（n-1）。

[0096] [式1]

[0097]

[0098] 在此，d表示加速电极管的间隙的长度，w ib表示离子束的脉冲长度。由于v_n是已知的值，所以通过测定T_ai（n-1），能够根据式1求出加速后的离子束速度v_n。

[0099] 在本实施方式中，来自离子源1的取出电压是20KV，因此，在到达LA#1时的离子束被加速到1.39×10~6m/sec。此外，由于取出时间是100nsec，因此，离子束的脉冲宽度成为0.139m。因此，电极间隙d为
5cm，即d=0.05m。通过测定LA#1的加速电流，能够知道T_ai（1）的值，能够根据式1的关系，计算v_2，即LA#2内的离子束速度。由于LA#2的加速电极管长度是已知的值，所以能够根据v_2的值得到离子束存在于LA#2的中心部分的时刻，即将切换电路S#2设为“1”的最佳时刻。

[0100] 在装置进行额定动作时，离子束在LA#1和LA#2的间隙受到20KV的加速，从而成为v_2≈1.96×10~6m/sec。此时，如表2所示，图2所示的t1的值620nsec成为最佳值。

[0101] 在因电源电压变动等的干扰而在加速动作中由额定值发生了偏差时，根据T_ai（1）测定值计算的v_2的值成为由1.96×10~6m/sec发生了偏差的数值。此时，控制装置8根据由测定值计算的v_2重新设定t1，并利用重新设定的t1继续进行定时控制。控制装置8通过这种归纳性步骤，对向各加速电极管施加电压的定时进行校正和最优化。

[0102] 如上所示，通过测定在加速电极管中流过的加速电流，能够更正确地控制向下级加速电极管施加加速电压的时刻，并且，在规定时间范围内不能确认加速电流的发生时，能够检测到在装置上发生了某种故障的情况。此外，由于能够根据在加速电极管中流过的加速电流实际测量被加速带电粒子的飞行定时，从而能够对电源变动等干扰进行较强的定时控制，能够提供高质量的加速器。

[0103] 此外，在图1中，把固定电压的电源用作直流电源，但是也可以使用可变电压的直流电源。图3示出其实施例。图3是将图1的200KV直流电源5置换为可变电压电源15的实施例，能够通过控制装置8的控制来增减其电源电压。在图3所示的示例中，能够选择各种电压值作为加速电压，因此，能够实现能够对每个离子束脉冲安排任意的加速能量的线性轨道型加速器。此外，在由电流计6计测的实际离子束脉冲的加速能量与预定值产生了偏差时，能够进行对之后的加速电压进行加减来使其值再次恢复到与预定值一致的值的调整操作。如上所示，通过使控制装置具有增减加速电压的功能，能够任意改变带电粒子的加速能量。此外，由于控制装置进行加速电压的增减，能够提供能够安排任意的加速能量的高灵活性的加速器。

[0104] 如上所示，在本实施方式中，在从离子源或电子源引出的带电粒子入射到初级加速电极管时，控制装置估计带电粒子完全流入加速电极管中的时刻，向加速电极管施加加速电压。后续的加速电极管当初保持在接地电位（0V），所以从初级加速电极管射出的带电粒子通过初级与第二级加速电极管之间的电位差进行加速。接着，控制装置估计带电粒子流入到第二级加速电极管中的时刻，向第二级加速电极管施加加速电压。通过对线性配置的n级加速电极管重复进行这种定时控制，能够加大带电粒子的加速能量。此外，第二级之后的加速电极管的电位在带电粒子流入下一级加速电极管中之后返回接地电位。通过设为以上的结构，通过对各加速电极管的施加电压进行分散控制，能够产生加速电场，由此不需要以往所需要的高频电力发生电路，能够提供廉价且高可靠性的加速器。

[0105] （实施方式2）

[0106] 图4A及图4B分别是示出本发明的实施方式2的螺旋轨道型带电粒子加速器的结构的俯视图及侧视图。在图4A及图4B中，40是带电粒子，41是加速单元，42是调整单元，43是检测单元，44及45是偏向磁铁。

[0107] 关于加速单元41、调整单元42及检测单元43的详细结构，分别示于图5A～图5C、图6A～图6C及图7A～图7C。加速单元41是称作加速单元的宽度60mm、高度30mm、纵深30000mm（30m）的模块的集合体。同样，调整单元42是称作调整单元的宽度60mm、高度30mm、纵深6050mm的模块的集合体，此外，检测单元43是称作检测单元的宽度60mm、高度30mm、纵深60mm的模块的集合体。

[0108] 此时，加速单元41包括157条加速单元。同样，调整单元42及检测单元43也包括157条调整单元和157条检测单元。如图5A～图5C所示，157条加速单元
配置了上下2层，在下侧配置了奇数号的加速单元，在上侧配置了偶数号的加速单元。图
8A～图8C示出奇数号加速单元的详细结构。奇数号加速单元在上部设有冲孔，如表3～8所示，其冲孔的位置和大小根据每个号而不同。图9A～图9C示出偶数号加速单元的详细结构。偶数号码加速单元在下部设有冲孔，如表3～8所示，其位置和大小也根据每个号码而不同。

[0109] 表3

[0110]

[0111]

[0112] 表4

[0113]

[0114]

[0115] 表5

[0116]

[0117]

[0118] 表6

[0119]

[0120]

[0121] 表7

[0122]

[0123]

[0124] 表8

[0125]

[0126] 如图10A～图10F所示，在各加速单元的内部内置了加速电极管和伪电极管。其尺寸在所有加速单元中均相同，内置的加速电极管的长度为23000mm（23m），伪电极管的长度为200mm，其电极间隙为100mm。此外，如图11A～图11E及图12A～图12E所示，在各加速单元中内置了4片电极板，即送出电极板U、送出电极板D、接收电极板U及接收电极板D。如表3～8所示，上述4片电极板的尺寸和安装位置根据每个号码而不同。

[0127] 调整单元42及检测单元43也分别包括157条调整单元TU#1～TU#157和157条检测单元DT#1～DT#157。调整单元的结构示于图13A～图13E。在调整单元中内置了4片电极板，即垂直方向调整电极板U、垂直方向调整电极板D、水平方向调整电极板L及水平方向调整电极板R，各调整单元上设置的4片电极板（垂直方向调整电极板U，垂直方向调整电极板D，水平方向调整电极板L，及水平方向调整电极板R）的尺寸全部相同，在各调整单元中，同一电极板安装在同一位置。检测单元的结构示于图14A～图14C。在检测单元中内置了4个带电粒子检测器，即，检测器U、检测器D、检测器L及检测器R，设在各检测单元中的4个检测器（检测器U，检测器D，检测器L，及检测器R）全部是相同的尺寸，在各检测单元中，同一检测器安装在同一位置。

[0128] 下面，对上述结构的螺旋轨道型带电粒子加速器的动作进行说明。此外，在此，与实施方式1同样，对加速6价碳离子的情况进行说明。即，对6价的碳离子作为带电粒子40以能量2MeV/u入射、并被加速到大约430MeV/u的动作进行说明。此外，将磁场强度1.5特斯拉的永久磁铁用作偏向磁铁44及45。如图15所示，带电粒子40通过内置于加速单元AC#m中的加速电极管及伪电极管的电位差被加速。在图15中，控制装置46始终向切换电路S#m输出“0”，将加速单元AC#m内的加速电极管设为接地电位。在入射了基于带电粒子40的离子束脉冲时，控制装置46对应于离子束脉冲的前沿到达加速电极管的中心附近的时刻，向切换电路S#m输出“1”，并将加速电极管的电位设为200KV。离子束脉冲在从加速电极管射出时，通过加速电极管和伪电极管的电位差被加速。控制装置46估计加速结束即离子束已经通过了伪电极的时刻，向切换电路S#m输出“0”，并将加速电极管的电位复位到接地电位。电流计6计测离子束被加速时产生的加速电流，传送给控制装置46。控制装置
46根据该计测结果进行加速动作的健全性检查或加速电压施加定时的校正的结构与本发明的实施方式1相同。

[0129] 从伪电极射出的离子束脉冲经由偏向磁铁44、调整单元TU#m、检测单元DT#m及偏向磁铁45，再次入射到加速单元AC#m中，通过与上述同样的动作进一步被加速。通过这种重复动作，基于带电粒子40的离子束脉冲在同一加速单元内被多次加速。

[0130] 当用一个加速单元多次进行加速，离子束脉冲的加速能量达到规定的能量时，控制装置46操作加速单元内的送出电极板和接收电极板，使离子束脉冲从加速单元AC#x向加速单元AC#x+1移动。首先，对从奇数号的加速单元向偶数号的加速单元移动基于带电粒子40的离子束脉冲的动作进行说明。图16是用于说明该动作的示意图。在此，设x为奇数的整数。由于控制装置46始终向切换电路S#x输出“0”，因此，所有电极板成为接地电位，基于带电粒子40的离子束脉冲直线前进。在使离子束脉冲移动的情况下，控制装置46向切换电路S#x输出“1”，将送出电极板D及接收电极板U的电位设为200KV。离子束脉冲通过4片电极板形成的电场向垂直方向运动，通过加速单元中形成的接收孔，从加速单元AC#x向加速单元AC#x+1移动。控制装置46估计完成了移动的时刻来向切换电路S#x输出“0”，将所有4片电极板的电位复位到接地电位。带电粒子40通过加速单元AC#x+1进一步继续加速。

[0131] 接着，对使离子束脉冲从偶数号的加速单元向奇数号的加速单元移动的动作进行说明。图17是用于说明该动作的示意图。在此，设y为偶数的整数。在控制装置46向切换电路S#y输出“1”时，加速单元S#y的送出电极U及加速单元S#y+1的接收电极D的电位成为200KV。通过其结果生成的电场，由带电粒子40构成的离子束脉冲通过形成在加速单元中被打开的接收孔，从加速单元AC#y向加速单元AC#y+1移动。控制装置46估计完成了移动的时刻而向切换电路S#y输出“0”，将4片电极板的电位复位到接地电位。带电粒子40利用加速单元AC#y+1进一步继续加速。

[0132] 即，在图4A及图4B所示的螺旋轨道型带电粒子加速器中，利用称作加速单元的分散化的线性轨道型加速器的集合体生成较大的加速能量。控制装置46以在各加速单元中始终只存在一个离子束脉冲的方式进行流量控制。因此，即使带电粒子的速度接近光速，能够在各加速单元独立执行考虑了基于相对论效应的质量增大的加速控制，此外，由于在各加速单元蓄积离子束，因此能够持续供给离子束。

[0133] 图18示出基于加速单元的分散加速的说明图。在图18中，向加速单元AC#1入射加速能量2MeV/u的带电粒子（6价的碳离子）。控制装置46基于加速单元AC#1内部的加速电极管进行4次加速，使带电粒子加速到2.4MeV/u。在完成了到2.4MeV/u为止的加速时，控制装置46将加速单元AC#1的送出电极板D和加速单元AC#2的接收电极板U的电位设为200KV，使带电粒子向加速单元AC#2移动。在加速单元AC#2中，使以2.4MeV/u入射的带电粒子通过内部的加速电极管加速5次，加速到2.9MeV/u的能量为止。若带电粒子完成了到2.9MeV/u的加速，则接着使带电粒子向加速单元AC#3移动，执行进一步的加速。这样，随着加速能量变大，带电粒子向外侧的加速单元移动，在最终级的加速单元AC#157，入射能量实现428MeV/u的加速，射出能量实现432MeV/u的加速。关于的所有加速单元，表3～8示出其入射能量和射出能量。即，在图4A及图4B所示的螺旋轨道型带电粒子加速器中，能够实现

[0134] 入射半径：0.27m

[0135] 射出半径：4.99m

[0136] 入射能量：2MeV/u

[0137] 射出能量：432MeV/u

[0138] 的能量增益。

[0139] 接着，用图19，对调整单元的功能进行说明。在图19中，控制装置46经由模拟输出装置，向内置于各调整单元中的2片电极板即垂直方向调整电极板U、水平方向调整电极板R供给适当的电压值。垂直方向调整电极板D、水平方向调整电极板L的电位固定在接地电位上。带电粒子40利用垂直方向调整电极板U/D及水平方向调整电极板L/R所形成的电场，将其飞行轨道向上下左右方向修正。例如，利用该电场，修正偏向磁铁44、45的磁场强度的微妙的偏差或由工作精度等产生的飞行轨道的微小偏差。在装置调试试验中，能够把模拟输出值调整为适合带电粒子40的每个加速能量的值，控制装置46对应于加速能量而输出调整值。通过设置调整单元能够吸收偏向磁铁44、45的某种程度的质量误差，能够实现磁铁成本的削減和调试调整时间的缩短等。如上所示，例如，在因加速电极管或偏向磁铁的工作精度等原因，带电粒子的飞行轨道偏离预定的轨道时，通过由施加到调整电极板上的调整电压产生的电场，能够把带电粒子的飞行轨道修正到本来的轨道上。此外，由于能够对被加速带电粒子的飞行轨道进行微调整，所以能够提供一种能够吸收制作误差和设置误差、且容易进行调试调整操作的加速器。

[0140] 用图20，对检测单元的功能进行说明。图20是用于说明把闪烁器应用于设置在检测单元TU#1～TU#157的各检测单元的内部的、带电粒子检测器上的情况的示例的示意图。带电粒子40在从调整单元TU#m射出之后，入射到检测单元DT#m。此时，若带电粒子40在正常轨道中飞行，则带电粒子40不入射到检测单元DT#m内的4个检测器，即检测器U、检测器D、检测器L、检测器R，而是通过检测单元，入射到偏向磁铁45。控制装置46通过光电变换器47监视闪烁器的发光，若确认闪烁器的发光即带电粒子40入射到检测器中的情况，则直接警告操作员并中断加速动作，以确保装置的安全。如上所述，在装置正常动作的情况下，通过在被加速带电粒子不会通过的区域设置带电粒子的检测器，从而能够确认加速动作是否正常进行。此外，由于能够直接检测被加速带电粒子的飞行轨道偏离了规定的轨道的情况并使加速动作停止，所以能够提供安全性高的加速器。

[0141] 如上所示，在本实施方式中，隔着偏向磁铁将加速电极管连接成环状，由此不需要将加速电极管排列成线形，因此能够缩短加速器的总长度。此外，通过选择具有适当形状和磁场强度的偏向磁铁，能够设计在加速电极间加速的带电粒子再次返回同一加速电极管中的轨道，能够用一个加速电极管多次进行带电粒子的加速。如上所示，能够通过偏向磁铁，用一个加速电极管多次加速带电粒子，因此能够提供一种加速器，该加速器在能量增益较大、且把永久磁铁用作偏向磁铁时，动作中的耗电较少。

[0142] （实施方式3）

[0143] 图21是示出本发明的实施方式3的带电粒子检测系统的结构的示意图。在图21中，40是带电粒子，50是检测用电极管#1，51是检测用电极管#2，52是检测用电极管#3，54是1KV直流电源，55是电流计。为了用图4A及图4B所示的螺旋轨道型带电粒子加速器对带电粒子（6价的碳离子）进行加速，需要用前级的加速器加速到2MeVZu。在图21所示的示例中，加速到2MeV的带电粒子从输送通路56入射到螺旋轨道型带电粒子加速器的初级加速单元AC#1中。

[0144] 下面，对上述结构的带电粒子检测系统的动作进行说明。向设置于输送通路56的终端部分的3个检测用电极管施加固定的电压。即，向检测用电极管#1及检测用电极管#3施加接地电位，向检测用电极管#2施加1KV的电位。带电粒子40在从输送通路56入射到加速单元AC#1中的过程中，通过这些检测用电极管。此时，带电粒子40在通过检测用电极管#1和检测用电极管#2的电位差减速之后，通过检测用电极管#2和检测用电极管#3的电位差再次进行加速。由于减速能量和加速能量成为实质上相等的值，因此带电粒子40的加速能量不会因经过这些检测用电极管而发生实质性的变化。

[0145] 当带电粒子40在检测用电极管#1及检测用电极管#2的间隙被减速时，在1KV直流电源54中流过负的加速电流。另一方面，在检测用电极管#2及检测用电极管#3的间隙被加速时，在1KV直流电源54中流过正的加速电流。电流计55计测这些正负加速电流，并传送到控制装置46。控制装置46根据电流计54的计测值，能够取得带电粒子40的位置、速度、总电荷量。控制装置46能够根据该数据，计算出对内置于初级加速单元AC#1中的加速电极管施加加速电压（200KV）的适当的施加时刻。

[0146] 此外，在把图1所示的线性轨道型带电粒子加速器用作前级的加速器时，不需要检测用电极管。如图22所示，若知道输送通路66的长度，则能够根据对加速电极管LA#28施加的加速电压的施加时刻数据，计算出对内置于加速单元AC#1中的加速电极管施加加速电压的适当的施加时刻，在不设置检测用电极管的情况下，就能够无间断地持续进行加速。

[0147] （其他实施方式）

[0148] 此外，在上述的实施方式2中，对利用偏向磁铁改变带电粒子的行进方向，向同一加速电极管多次通过带电粒子的结构进行了说明，但是不限定于此。将多个加速电极管进行非线性配置，在相邻的加速电极管之间配置偏向磁铁，并利用该偏向磁铁改变行进中的带电粒子的行进方向，由此向非线性配置的加速电极管中依次通过带电粒子。由此，与线性轨道型加速器相比，能够设成长度较短、小型的带电粒子加速器。现有的带电粒子加速器通过高频电源产生加速电压，因此加速电极管的间隙距离需要为始终一定的值，从而不能进行小型化。这种小型带电粒子加速器还可以设置在船舶等设置空间有限的地方，在这一点上较有用。

[0149] 工业实用性

[0150] 本发明的带电粒子加速器及带电粒子的加速方法，作为线性轨道型加速器、螺旋轨道型加速器以及使用了这些带电粒子加速的带电粒子的加速方法有用。

[0151] 附图标记说明

[0152] 1离子源

[0153] 2带电粒子

[0154] 320KV直流电源

[0155] 4电流计

[0156] 5200KV直流电源

[0157] 6电流计

[0158] 7伪电极管

[0159] 8控制装置

[0160] 加速电极管

[0161] 切换电路

[0162] 15可变电压电源

[0163] 40带电粒子

[0164] 41加速单元

[0165] 42调整单元

[0166] 43检测单元

[0167] 44偏向磁铁

[0168] 45偏向磁铁

[0169] 46控制装置

[0170] 47光电变换器

[0171] 加速单元

[0172] 调整单元

[0173] 检测单元

[0174] 50检测用电极管#1

[0175] 51检测用电极管#2

[0176] 52检测用电极管#3

[0177] 541KV直流电源

[0178] 55电流计

[0179] 56输送通路

[0180] 66输送通路

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