JP4655046B2 - 線形イオン加速器 - Google Patents

Description

この発明は、炭素や陽子等のイオンビームを高エネルギーに加速するＡＰＦ型線形イオン加速器に関するものである。

ＡＰＦ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｐｈａｓｅ−Ｆｏｃｕｓｅｄ）型線形イオン加速器は、加速空胴を有し、その中で、そこに入射されるイオンビームの通過する直線径路上に円筒電極と呼ばれる円筒電極（以下では円筒電極と呼ぶ。）が複数個配設され、イオンビーム通過方向に対してその長さが所定の周期をもって正弦波状に変化するように構成されている。このような電極長の変化を以下では所定の周期をもった振動と呼ぶこととする。また、この円筒電極間にはギャップが設けられ、各ギャップ間には高周波加速電界が印加されている。前記イオンビームは、前記ギャップ（以下加速ギャップと呼ぶ）を通過するときにその加速ギャップ間の高周波加速電界により加速されるとともに横方向（ビーム進行方向に垂直な方向。ビーム進行方向は縦方向と呼ぶ。）の収束力をも受けつつ、所定数の加速ギャップを通過することにより、所期の出射エネルギーにまで加速された後、この線形イオン加速器から外部に出射ビームとして取り出される（非特許文献１）。

Ｙ．Ｉｗａｔａ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｐｈａｓｅ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｌｉｎａｃ ｆｏｒ ａｎ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＰＡＣ ２００４， Ｌｕｃｅｒｎｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ， ｐ２６３１．

線形イオン加速器では、ビームをビーム進行方向とこれに直交する方向とで収束しながら加速器中を輸送する必要がある。ＡＰＦ型線形イオン加速器は、加速ギャップ３の高周波電界により上記ビーム収束を行なうものである。一般に、ビーム進行方向に収束なら垂直方向に発散、ビーム進行方向に発散なら垂直方向に収束となるが、このビーム収束・発散を決めるのは高周波電界の加速位相である。高周波電界をＥ＝Ｅ０Ｃｏｓ（φ０）とした時、φ０が正の時はビーム進行方向に発散、垂直方向に収束、φ０が負の時はビーム進行方向に収束、垂直方向に発散となる。よってＡＰＦ型線形イオン加速器に入射してから出射するまで、縦方向と横方向の双方向にビームを収束するにはある所定の間隔毎に加速位相φ０を正と負に変える必要がある。高周波電磁界による収束力は一般に電磁石による収束力よりも弱く、ビーム収束力Ｆは近似的にＦ＝Ｆ０・Ｓｉｎ（φ０）であらわせるので、ＡＰＦ型線形イオン加速器では、加速位相φ０を±π／２程度まで大きく正負に変化させてビーム収束力を大きくする必要があった。（非特許文献１）なお、このように加速位相を正負に大きく変化させるすなわち振動させるということは円筒電極長（以下では電極長と呼ぶ。）をある所定の値に対して増減させることに相当する。この電極長の所定の値とは、加速ギャップごとに所定の加速電界位相が来るように定めたものであり、その円筒電極内を走行するイオンビームの速度に比例して定められたものである。

実用的な線形イオン加速としては、配置設計やコストの点から加速器全長の短縮化および、後段でイオンビームを用いる時のビーム強度増強のために、大電流加速が要求される。しかし、ＡＰＦ型線形イオン加速器には全長の短縮化、大電流加速ともに、下記のような課題があり、特に陽子を加速する場合には実用レベルの装置は未だ実現されていない。

（１）加速器全長の短縮化
従来はφ０を±π／２程度まで大きく変える必要があり、加速電界ＥはＥ＝Ｅ０・Ｃｏｓ（φ０）で決まるため、実効的な高周波加速電界は小さくなる。そのため、高エネルギーまで加速するには加速電界のかかる加速ギャップの数を増やす必要が生じ、その結果、円筒電極の数も多くなるため、ＡＰＦ型線形イオン加速器の全長が長くなってしまうという、全長の短縮化にとり本質的な問題があった。

（２）大電流加速
加速器でイオンを加速しようとすると、イオン相互間にクーロン反発力が生じ、これにより発散力が生じる。これを空間電荷効果という。空間電荷効果はイオンの質量が軽いほど大きいので、特にイオン種が陽子の場合には発散力が大きくなる。
従来方式のＡＰＦ型線形イオン加速器では、上記の理由から全長の長い線形イオン加速器でビームをゆっくり加速する必要があったので、空間電荷効果の影響が大きくなってしまい、イオンビームが発散して、特に陽子を高エネルギーまで大電流加速することは難しいという問題があった。
さらに、従来は加速位相φ０を±π／２程度まで大きく変える必要があった。一方、加速ビームはビーム進行方向にある広がりをもって加速されるが加速ビームの中の加速位相が少し異なると、高周波電界が大きく変わってしまい、結果的に加速ビームの中心にいるイオンと端にいるイオンのビーム収束力が大きく異なってしまい、端のビームが発散し、加速の安定領域からはみ出したり、円筒電極に衝突したりして、中心近傍にいるイオンしか安定に加速できず、通過効率（入射ビームに対する出射ビームの比）が低くなってしまう。この点からも大電流加速が難しかった。

このような発散力に対して、これに勝る収束力を加速ギャップの高周波電界で発生させないと線形イオン加速器として成り立たない。この様な事情から、陽子によるＡＰＦ型線形イオン加速器は、世界中で研究されてはいるが、実用レベルのものを実現するには至っていない。

この発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器は、高周波電界が投入された加速空胴と、前記加速空胴内に入射するイオンビームの走行経路である直線上に、互いに所定の間隔からなる加速ギャップを有して直線状に配設された複数の円筒電極とを備え、前記高周波電界により前記各加速ギャップで前記入射イオンビームを加速するＡＰＦ型線形イオン加速器において、前記円筒電極の電極長を、その電極を通過する前記イオンビームの走行速度に比例して設定された速度依存電極長に、円筒電極列の位置に依存して所定の周期で電極長を正負に増減した振動成分を加えたものであり、且つ、前記振動成分の正の部分では、前記速度依存電極長に前記イオンビームの走行方向の位相幅に対応するイオンビーム走行方向の長さで定義される所定値を加えた値を超える電極長を有する長い電極長の電極組、および前記振動成分の負の部分では前記速度依存電極長から前記所定値を除いた値を下回る電極長を有する短い電極長の電極組が交互に配設され、前記各電極組の電極数は前記所定の周期の半周期に含まれる電極数よりも小さく、且つ３以下であるものである。

この発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器は、上記の構成を有することにより従来のＡＰＦ型線形イオン加速器に比べて全長を短くすることができるとともに、高エネルギーまでより大きな電流のイオンビームを加速することができる。

実施の形態１
図１は本願発明の実施の形態１によるＡＰＦ型線形イオン加速器の概念を断面図で示したものである。図１において、横軸方向は線形イオン加速器の長さ方向（又は中心軸方向）、縦軸方向は線形イオン加速器の中心軸方向に直交する方向で、縦軸、横軸に付された数値はそれぞれの方向の位置をｍ単位で示したものである。１は高周波電界を閉じ込めるための加速空胴、２は円筒電極（ドリフトチューブ）と呼ばれる円筒状の電極で、加速空胴１の中心軸（図１の縦軸目盛り０を通る横軸）に沿って図示する通り複数個配置されており、その個数は加速条件に応じて数個から数百個になることもある。２ａは最初の円筒電極２で、２ｂは最終の円筒電極２を示す。３は隣接する円筒電極２間の隙間を示したもので加速ギャップと呼ばれている。図１には記載されていないが、円筒電極２は加速空胴１にステムと呼ばれる棒で固定されている。同じく図１には記載されていないが、ステムと加速空胴１の間にリッジと呼ばれる金属の板を取り付ける場合もある。
横軸方向は最初の円筒電極２ａの終端位置、即ち最初の加速ギャップの始まりの位置を原点とし、また、縦軸方向は、その方向での加速空胴１の断面形状が円の場合を例にとり、加速空胴１の中心軸位置を原点として示している。

図２は本発明による加速空胴１の中心軸上に配置された複数個の円筒電極２の長さを示したものである。図２の横軸は各円筒電極２に付される識別番号で、電極番号と呼ばれているものである。この電極番号は入射後の最初の円筒電極２ａ（図１の２ａ）の次の円筒電極２を１とする連続番号であり、図２の例では最後の円筒電極２ｂ（図１の２ｂ）の電極番号を３５とした（したがって全電極数は３６個になる。）。また縦軸は各円筒電極２の長さ（以下、電極長と呼ぶ）であり、図２中の黒丸印が電極番号に対応する電極長を示している。

このように構成されているＡＰＦ型線形イオン加速器中でのイオンビームの加速について説明する。加速空胴１の中には高周波電源（図には、記載されていない）からカプラー（図には、記載されていない）を通して高周波電界が供給され、これにより、加速ギャップ３には高周波の加速電界が励起される。イオンビームは、図１の左側から右側に向けて縦軸の原点近傍、即ち加速空胴１の中心軸上に配置された複数の円筒電極２内及び各加速ギャップ３を進む。そして、イオンビームは、所定のタイミング（位相）で各加速ギャップ３を通過するごとに、各加速ギャップ３にかかる高周波加速電界により加速される。

なお、本願にかかるＡＰＦ型線形イオン加速器では、加速ギャップ３には縦方向、即ちビーム進行方向の加速電界のみでなく、これと直交する横方向にも、ビームを収束させたり、発散させたりする電界が存在することを利用して、縦方向のみでなく、横方向のビーム収束をも同時に達成している。

次に、円筒電極２の電極長の設定について図２に基づき説明する。
図２に示す電極長の特徴は以下のとおりである。
（ｉ）各電極長は基本的にはイオンの速度に依存した電極長になっている。
イオンビームの速度は加速とともに大きくなるので、加速ギャップ位置での加速位相の条件をそろえるためには電極長に加速ギャップ長を加えたいわゆるセル長は、イオンの加速とともに長くしなければならない。すなわち、ある加速ギャップ３を通過した時から次の加速ギャップ３を通過する時までに、高周波電界の位相が特定の位相、たとえば２π（２πモード）又はπ（πモード）変化する長さをセル長とすることから、セル長はその時点でのイオンの速度に比例させる。加速ギャップ長は加速効率を上げる為に、イオンの速度に比例して大きくするのが一般的である。
従って、イオン速度に比例して設定したセル長から同じくイオン速度に比例して設定された加速ギャップ長を引いて得られる円筒電極２の電極長もイオン速度に比例したものになり、図２にあらわすとすれば電極番号の増加とともに増加する直線となるはずである。実際の電極長は図２に示すように途中に凹凸の周期的な変動部分があるがこの凹凸分を平均すると、図２の４で示す直線になり、イオンビームの加速とともに電極長は長くなる。この直線４で示された電極長のことを以下では速度依存電極長と呼ぶこととする。
なお、電極長が短くなりすぎる場合にはその部分だけ３π／２モードとすることもある。
以上はＡＰＦ型に限らず一般の線形イオン加速器の基本的な設計指針を踏襲したものである。なお、速度依存電極長４を示す直線は、実は縦軸方向に所定の幅を有している。加速されるイオンは一群になって移動しており、進行方向に対して加速位相にして略±１５度に相当する幅を有している。そのため、この加速位相に対応する長さの分、速度依存電極長４は幅を持つことになる。たとえば図２では、入射部近傍のセル長は３ｃｍであり、πモード加速を例に取ると、この速度依存電極長４は３ｃｍ×（±１５度／１８０度）＝±０．２５ｃｍほどの幅を有していることになる。以下では、説明の便宜上、速度依存電極長４は幅を有しないものとして扱い、これに別途、上記所定幅の１／２に相当する値を所定値として定め、この所定値を速度依存電極長４に対して増減するという形で上記所定幅を扱うこととする。

（ｉｉ）実際の電極長は速度依存電極長４を基準に、電極番号に依存して電極長を所定の周期で正負に振動させた長さになっている。
これは従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の基本的な設計指針を踏襲したものである。このように電極長を所定周期で同期条件に対して振動させることで所期の収束・発散力をイオンビームに付与することができる。

（ｉｉｉ）前記所定の周期のうち、電極長を速度依存電極長４よりも所定値以上増加させた電極、および減少させた電極（これらをそれぞれ増加電極組、減少電極組と呼ぶことにする）の電極数は、それぞれ、前記所定の周期の１／２周期に含まれる電極数よりも小さな値であり、かつ３個以下とする。
例えば図２ではイオンビーム入射端から１／２周期ごとに順に増加電極組の電極数１個、減少電極組の電極数２個、増加電極組の電極数２個、減少電極組の電極数２個、増加電極組の電極数２個、減少電極組の電極数２個、増加電極組の電極数２個、減少電極組の電極数２個となっている。「所定値」とは上記（ｉ）で説明した加速される一群のイオンの進行方向に対する加速位相幅の１／２に対応して決まる電極長のことで、図２の速度依存電極長４を示す直線の上下に示した線が所定値に対応する線である。この上下の線からはみ出した一群の点の数が各電極組の電極数になる。次に、各電極組の電極数が「３個以下」であることとする根拠を図４に示す。図４は電極組の電極数に対して、最終のセルまで残存して加速できるイオンビームの割合（出射ビーム／入射ビーム）、すなわち通過効率（％）を示す図である。電極組の電極数が５個以上では通過効率がほぼ０となり、安定にイオンビームを加速できないことがわかる。電極組の電極数が４個ではかろうじて加速できるという状態に対応する値で、通過効率は２％程度となり、従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の場合の通過効率２０％よりも小さい。この２０％を超える通過効率であることを基準とすると、電極組の電極数が４個以上の場合は基準を満たさないことになる。一方、電極組の電極数が１個の場合は通過効率５０％、２個の場合は９０％、３個の場合は６０％程度となり、いずれも従来の２０％を大きく上回るため、前記基準を満たすためには各電極組の電極数は３以下でなければならない。本規定は、上記（ｉ）と（ｉｉ）の規定を前提条件として、図４の効果を奏することができ、本願発明のポイントとなるものである。

（ｉｖ）各電極組の電極数が２個以上ある場合は、電極組ごとに、各電極組の最初の電極番号の電極長よりも、次の電極番号の電極長を長くする。
これは、電極長に対応する値である加速位相が正側に振れている振幅の方が、負側に振れている振幅より大きいことに対応しているが、これは後述の図５の形状によるものである。本規定によれば上記（ｉ）から（ｉｉｉ）までの規定と合わせて通過効率を改善することができる。

（ｖ）最終の円筒電極２ｂは、速度依存電極長４よりも減少させる半周期に含まれ、電極番号とともに電極長が増加する部分に位置し、かつ速度依存電極長４に対する増減値が略０となる電極長とする。
電極長の周期的な変化の中で、上記位置は、縦方向、即ちビーム進行方向のビーム収束力が最大となる位置に相当する。一般にビームの収束、発散を繰り返しつつ全体として収束力を得ている加速器ではビームを収束させる機能を有する収束要素が存在する位置で加速位相幅が極大、ビームを発散させる機能を有する発散要素が存在する位置で加速位相幅が極小となる。加速位相幅と運動量分散の積は規格化エミッタンスとしてその加速器の所定の運転条件下では保存されるので、加速位相幅が極大の位置で運動量分散が極小となる。即ち電極長が増加する部分で、かつ速度依存電極長４に対する増減値が略０となる電極長となる位置は運動量分散が極小の位置となる。後段の円形加速器に入射されるイオンビームの加速利用効率を向上させるためには、運動量分散の小さいビームを取り出し、後段円形加速器に入射することが必要という理由から、最終円筒電極２ｂの電極長をこのように設定することとしたものである。なお、この効果は（ｉ）から（ｉｖ）の規定による効果とは独立のものであるから、選択することが可能である。

（ｖｉ）最初の円筒電極２ａの次に配置される円筒電極は、速度依存電極長４よりも所定値以上増加させる半周期に含まれ、かつ増減値が速度依存電極長４から前記所定値以内の電極長である。
電極長の周期的な変化の中で、上記位置は、（ｖ）で説明したとおり、加速位相幅が極大の位置となる。一般に加速器に入射されるビームの加速位相幅は、前段加速器、又はイオン発生源との距離で決まる。一方、ビームが入射されたほうの加速器（ここでは本願の対象となるＡＰＦ型線形イオン加速器）は、ある範囲内の加速位相幅のビームしか安定に加速することができない。よって加速位相幅が極大の位置を入射位置にしておくと、ビーム加速可能なビーム電流を極大にすることができる。これが、最初の円筒電極２ａの次に配置される円筒電極について上記の条件を課した理由である。なお、この効果は（ｉ）から（ｖ）の規定による効果とは独立のものである。従ってこの規定については選択することができる。なお、（ｖ）の規定とあいまって、目的とする最終エネルギーのビーム電流を大きくすることに寄与するものである。

従来のＡＰＦ型線形イオン加速器と本発明にかかるＡＰＦ型線形イオン加速器との効果の違いを説明する。両方とも陽子ビームを対象とし、入射エネルギー０．７ＭｅＶ、出射エネルギー７．０ＭｅＶ、高周波電界の加速周波数は、線形イオン加速器で良く用いられている周波数である２００ＭＨｚ、また最大電界強度はキルパトリック最大表面電界の１．８倍とした。本願発明に係る電極長は上記（ｉ）から（ｖｉ）に従って設定した電極長とし、従来型のＡＰＦ型線形イオン加速器の電極長は（ｉ）、（ｉｉ）、（ｖ）について本願発明に係る電極長と同じであるが、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）については、これを採用せずに図４に示すように連続的な周期変化をさせている。さらに、（ｖｉ）については、従来型ではこれを考慮していない。これは、考慮してもその効果をほとんど期待できないからであり、考慮したものとして扱ってもその効果を比較する上では実質的に差し支えない。一方、本願発明については（ｖｉ）を考慮した結果を示している。

図５に各電極番号に対応する加速ギャップ３の加速位相の変化を示す。破線は従来型のＡＰＦ型線形イオン加速器について、実線は本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器について、それぞれ加速位相の変化を示している。従来型の加速位相は電極長と同様に正弦波的に変化するが、本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器は先が折れた鋸波状に変化していることが特長となっている。これはＡＰＦ型線形イオン加速器の全長が長くなるのは加速位相の絶対値が最大π／２にもなることに起因していることから、本願発明ではこれをπ／３程度に抑えることにしたためである。これにより、実効的な加速電圧は従来のＡＰＦ型線形イオン加速器と比較して大きくなる。その結果、従来型では要求される出射エネルギーを実現するために、電極数は４７個、空胴長さにして３．０ｍが必要であるのに対して、本願発明の場合、電極数は３６個、空胴長さにして２．１ｍでよいという結果が得られている。したがって、電極番号に対する加速位相の変化を、このように、フラットトップ形状にしたことが本願発明のポイントであるということもでき、そうすることによって実効的な加速電圧を大きくすることができ、このように少ない電極数、従って短い加速空胴で所定の出射エネルギーを達成できるのである。加速空胴１の長さが短くなると、加速器全長もその分短縮化でき、加速器のコストも低減できる。更に、配置設計上の自由度も大きくなり使い勝手の良い加速器になるという効果も派生してくる。
なお、図５に示す加速位相の負の側の極小値は、加速が進むにつれてその絶対値がπ／３よりもさらに小さくなりπ／６程度にまでなっている。これは、更に最適化を行った結果であり、このことも実効的な加速電圧の増加に寄与している。なお、加速位相をこのようなフラットトップ形状にしたことから上記（ｉｖ）の結果が導き出されている。

このフラットトップ形状のトップ平坦部から外れた点の数Ｎは、電極長振動成分の絶対値が前記所定値を超える電極数、言い換えれば前記電極組の電極数Ｍと次のように対応している。すなわち、Ｎが０の場合Ｍは１、Ｎが１の場合であってこの点が加速位相０に位置する場合、またはＮが２の場合Ｍは２、Ｎが３の場合Ｍも３、Ｎが４の場合Ｍも４になる。これを図２と図５とで対比してみると、図２ではＭは１、２、２、２、２、２、２、２であるのに対して、図５ではＮは０、１、１、１、１、１、１、１であり、このＮが１に該当する加速位相はすべて０に位置している。したがって、上記説明のとおりの対応関係になっていることがわかる。

次に、ＡＰＦ型線形イオン加速器では各円筒電極２を０．２ｍｍ程度の精度でアライメントする必要があるが、加速空胴１の長さが長くなり、円筒電極２の数が増えると、そのアライメントは極端に難しくなる。一つの空胴の長さが３ｍ程度になると、真ん中の円筒電極２は入射側・出射側のいずれからも１．５ｍ程度の距離となり、真ん中部分の円筒電極２には直接手が届かず、アライメント非常に難しいものになる。一方、本発明の加速空胴１では真ん中の部分の円筒電極２も両端から１ｍ程度であり十分手が届く距離であるためアライメントはそれ程難しものではなくなる。ただし、この効果は入出射エネルギーに依存して加速器全長は変わるものであるため、常にこのような差異が生じるわけではない。本願発明によれば加速空胴長の短縮化が可能なため、アラインメントしやすくなる場合が増えてくるということである。

従来のＡＰＦ型線形イオン加速器、および本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器のいずれも、表面の最大電界は同じ程度であり、加速空胴に投入するパワーは加速空胴長にほぼ比例する。上記の条件で実際に３次元電界計算をすると、従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の消費電力は２３０ｋＷ、本発明のＡＰＦ型線形イオン加速器の消費電力は１５０ｋＷ程度であり（いずれも、ビームが消費する電力は除いている）、加速空胴１の消費電力は従来型に比して本発明のＡＰＦ型線形イオン加速器の方が大幅に減少したものとなっている。従って、本発明のＡＰＦ型線形イオン加速器では従来型に比してランニングコストも低減する。

従来のＡＰＦ型線形イオン加速器はすでに説明したように長い加速空胴に多数の円筒電極を配置し、各加速ギャップでの加速エネルギーは比較的小さなものとしてビームをゆっくり加速するので、低エネルギー状態でイオンビームを輸送する時間が長くなる。そのため、空間電荷効果の影響が大きく、イオンビームが発散する割合が大きくなる。特に陽子を高エネルギーまで大電流で加速することはこの空間電荷効果により難しく、空間電荷効果を考慮したビーム解析を実施した結果では、前記条件で加速可能なビーム電流は２ｍＡ程度であった。一方、本発明のＡＰＦ型線形イオン加速器は加速位相φ０を±π／３程度までしか変化させないのでイオンのエネルギーの増加率は従来型よりも大きくなる。そのため加速過程での空間電荷効果は小さくなる。上記条件で空間電荷効果を考慮したビーム解析を実施した結果、加速可能なビーム電流は２０ｍＡ程度であった。従って、本発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器では最大加速可能なビーム電流値が従来の１０倍程度に増大する。粒子線がん治療装置の入射器として本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器を用いる為には５ｍＡ程度のビーム加速電流が必要となる場合が多く、従来のＡＰＦ型線形イオン加速器ではこのビーム強度を達成することはできないが、本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器では達成可能である。

従来のＡＰＦ型線形イオン加速器ではすでに説明したとおり十分な収束力を得るためにはφ０を±π／２程度まで大きく変える必要がある。一方、Ｅ＝Ｅ０・Ｃｏｓ（φ０）より、一群の加速イオンビームの中で加速位相が少し異なると、高周波電界は大きくことなってしまう。その結果、一群のイオンビームの中心にいるイオンと端にいるイオンの収束力が大きく変化してしまい、端にいるイオンに対する収束力が低下する。そのため、端のイオンは発散し、加速の安定領域からはずれたり、電極に衝突したりして消滅するので、一群のイオン中、中心近傍のイオンしか加速できず、通過効率が低くなり、大電流加速が難しかった。一方本願発明に係る加速器では加速位相φ０は最大±π／３程度までしか変化しない。そのため、端にいるイオンに対する収束力は、中心にいるイオンに対する収束力と比べて、従来型の場合程大きな違いはない。従って、ビーム中心近傍のイオンに対して収束力を最適化しても、従来型に比べて、より多くのイオンの加速が可能となる。上記条件で空間電荷効果を考慮したビーム解析を実施した結果、従来型のＡＰＦ型線形イオン加速器の通過効率は２０％程度であるが、本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器の通過効率は９０％程度にすることができることがわかった。本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器は、通過効率の点で優れているため、より大電流加速に適したものといえる。

以上、従来のＡＰＦ型線形イオン加速器と本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器を比較した結果をまとめると図６に示す表の様になる。本計算結果は、陽子を０．７ＭｅＶから７ＭｅＶまで加速した時のものであり、これらのパラメータが変わると表中の数値は異なるものになるが、加速するイオンの質量が軽い程、加速するエネルギー倍率（出射エネルギー／入射エネルギー）が大きい程、従来のＡＰＦ型線形イオン加速器に対して本発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器の利点が大きくなる。

本願発明に係るＡＰＦ型線形イオン加速器は粒子線治療装置等の入射器として有用なものである。

本発明の実施の形態１によるＡＰＦ型線形イオン加速器の断面図である。 本発明の実施の形態１によるＡＰＦ型線形イオン加速器の円筒電極円筒電極列の各電極長を示す図である。 本発明の実施の形態１によるＡＰＦ型線形イオン加速器の電極組の電極数と通過効率の関係を示す図である。 従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の円筒電極円筒電極列の各電極長を示す図である。 本発明と従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の各加速ギャップでの加速位相を示す図である。 本発明と従来のＡＰＦ型線形イオン加速器の性能等を比較した表である。

符号の説明

１ 加速空胴１、２ 円筒電極、２ａ、最初の円筒電極、２ｂ 最終円筒電極、３ 加速ギャップ、４ 速度依存電極長を表す直線

Claims (4)

1. 高周波電界が投入された加速空胴と、前記加速空胴内に入射するイオンビームの走行経路である直線上に、互いに所定の間隔からなる加速ギャップを有して直線状に配設された複数の円筒電極とを備え、前記高周波電界により前記各加速ギャップで前記入射イオンビームを加速するＡＰＦ型線形イオン加速器において、
   前記円筒電極の電極長を、その電極を通過する前記イオンビームの走行速度に比例して設定された速度依存電極長に、円筒電極列の位置に依存して所定の周期で電極長を正負に増減した振動成分を加えたものであり、且つ、前記振動成分の正の部分では、前記速度依存電極長に前記イオンビームの走行方向の位相幅に対応するイオンビーム走行方向の長さで定義される所定値を加えた値を超える電極長を有する長い電極長の電極組、および前記振動成分の負の部分では前記速度依存電極長から前記所定値を除いた値を下回る電極長を有する短い電極長の電極組が交互に配設され、前記各電極組の電極数は前記所定の周期の半周期に含まれる電極数よりも小さく、且つ３以下であることを特徴とするＡＰＦ型線形イオン加速器。
2. 各電極組の中でイオンビームの入射側に一番近い電極の電極長よりも次の電極の電極長の方が長いことを特徴とした請求項１に記載のＡＰＦ型線形イオン加速器。
3. イオンビームの出射直前に配置する電極は、振動成分の負の部分から、イオンビーム進行方向に対して電極長が増加する部分にあり、且つ振動成分の値が０の電極長であることを特徴とした請求項１または２に記載のＡＰＦ型線形イオン加速器。
4. イオンビーム入射端円筒電極の次の円筒電極は、振動成分の負の部分から、イオンビーム進行方向に対して電極長が増加する部分にあり、且つ振動成分の値が０の電極長であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＡＰＦ型線形イオン加速器。

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