JP4865934B2 - 荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法に関する。更に詳しくは、加速電場の発生を高電圧パルス発生装置と制御装置の組み合わせで実現した、線形軌道型加速器及び螺旋軌道型加速器並びにこれらの荷電粒子加速器による荷電粒子の加速方法に関する。

図２３Ａ及び図２３Ｂに、下記特許文献１に記載された従来の荷電粒子加速器の構成を示す。この荷電粒子加速器は、螺旋軌道型荷電粒子加速器の代表例であるサイクロトロンである。図２３Ａ及び図２３Ｂにおいて、７０は磁石、７１，７２は加速電極、７３は高周波電源であり、高周波電源７３は加速電極７１，７２に加速高周波電圧を供給する。７４は荷電粒子であり、加速電極７１，７２により加速される。

サイクロトロンでは、荷電粒子７４の回転周期T_pが、T_p=2πm/eBとなる。ここでπは円周率、mは荷電粒子７４の質量、eは荷電粒子７４の電荷、Bは磁石７０による粒子軌道上の磁束密度である。従って、m/eBが一定であれば荷電粒子７４の回転周期は回転半径によらず一定であり、高周波電源７３の加速高周波周期T_rfを、例えばT_rf=T_p/2としてやれば、荷電粒子７４は加速電極７１，７２間の電極ギャップで常に加速されることになり、高いエネルギーまで加速することができる。

荷電粒子７４の質量mの値は、速度が光速近くにまで達すると相対論効果により増大する。その結果、図２３Ａ及び図２３Ｂに示すサイクロトロンでは荷電粒子７４の加速エネルギーが高くなって、速度が光速に近くなると等時性が確保できなくなり、更なる加速の継続が出来なくなる。この対策として、例えば、加速エネルギーの増大に対応して磁束密度を変化させる、或いは加速高周波周期を変化させる等の手段が提案されている。

特開２００６−３２２８２号公報

以上に述べた従来の螺旋軌道型荷電粒子加速器では、相対論エネルギー領域での等時性の破綻からエネルギー利得を大きくすることができず、また等時性の破綻を補正するため加速高周波電圧或いは磁場分布を変動させる機能が必要となり、装置の部品点数が増大し高コスト化する等の問題があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、その主たる目的は、従来に比して安価でエネルギー利得の大きな荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の荷電粒子加速器は、荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子を通過させ、通過する荷電粒子を加速する加速電極管と、前記荷電粒子を加速するための電圧を前記加速電極管に印加する駆動回路と、荷電粒子が加速電極管内を移動している間に、当該加速電極管への電圧の印加を開始するように、前記駆動回路を制御する制御部と、を備える。

この態様において、前記荷電粒子加速器が、直線的に配置された複数の前記加速電極管を備え、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記複数の加速電極管を順次通過するように構成されており、前記制御部が、荷電粒子が内部を移動している加速電極管に対して電圧の印加を開始することにより、複数の前記加速電極管へ順次電圧を印加するように前記駆動回路を制御すべく構成されていていることが好ましい。

また、上記態様においては、前記荷電粒子加速器が、加速電極管を通過した荷電粒子の進行方向を変化させる偏向磁石をさらに備えることが好ましい。

また、上記態様においては、前記偏向磁石が、荷電粒子に同一の加速電極管を再度通過させるように、加速電極管を通過した荷電粒子の進行方向を変化させるべく構成されており、前記制御部が、荷電粒子が内部を移動している加速電極管に対して電圧の印加を開始することにより、同一の加速電極管に複数回電圧を印加するように前記駆動回路を制御すべく構成されていることが好ましい。

また、上記態様においては、前記荷電粒子加速器が、前記荷電粒子の進行方向を、当該進行方向と交差する方向へ調整する調整部をさらに備えることが好ましい。

また、上記態様においては、前記荷電粒子加速器が、荷電粒子が加速電極管を通過するときに当該加速電極管に発生する加速電流を計測する電流計をさらに備え、前記制御部が、前記電流計による加速電流の計測結果に基づいて、加速電極管への電圧の印加開始タイミングを調節するように構成されていることが好ましい。

また、上記態様においては、前記駆動回路が、前記加速電極管への印加電圧値を変更可能に構成されていることが好ましい。

また、上記態様においては、前記荷電粒子加速器が、前記加速電極管によって加速された荷電粒子が所定の軌道を進行しているか否かを検出する検出部をさらに備え、前記制御部が、前記検出部により前記荷電粒子が前記所定の軌道を進行していないと検出された場合に、前記駆動回路を停止させるように構成されていることが好ましい。

また、本発明の一の態様の荷電粒子の加速方法は、荷電粒子に複数の加速電極管を順次通過させるために、荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、荷電粒子が加速電極管内を移動している間に、当該加速電極管に対して、前記荷電粒子を加速するための電圧の印加を開始することにより、前記複数の加速電極管に対して順次電圧を印加するステップと、を有する。

本発明に係る荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法によれば、従来に比して安価でありながら、大きなエネルギー利得を得ることができる。

実施の形態１に係る線形軌道型荷電粒子加速器の構成図。 実施の形態１に係る制御装置の動作タイミングを示すタイミングチャート。 他の線形軌道型荷電粒子加速器の構成図。 実施の形態２に係る螺旋軌道型荷電粒子加速器の構成を示す平面図。 実施の形態２に係る螺旋軌道型荷電粒子加速器の構成を示す側面図。 実施の形態２に係る加速ユニットの構成を示す平面図。 実施の形態２に係る加速ユニットの構成を示す正面図。 実施の形態２に係る加速ユニットの構成を示す側面図。 実施の形態２に係る調整ユニットの構成を示す平面図。 実施の形態２に係る調整ユニットの構成を示す正面図。 実施の形態２に係る調整ユニットの構成を示す側面図。 実施の形態２に係る検出ユニットの構成を示す平面図。 実施の形態２に係る検出ユニットの構成を示す正面図。 実施の形態２に係る検出ユニットの構成を示す側面図。 奇数番号加速セルの構成を示す平面図。 奇数番号加速セルの構成を示す正面図。 奇数番号加速セルの構成を示す側面図。 偶数番号加速セルの構成を示す平面図。 偶数番号加速セルの構成を示す正面図。 偶数番号加速セルの構成を示す側面図。 加速セルの出射側構成を示す平面図。 加速セルの出射側構成を示す正面図。 加速セルの出射側構成を示す側面図。 図１０Ａに示した加速セルの断面図。 図１０Ａに示した加速セルの断面図。 図１０Ａに示した加速セルの断面図。 奇数番号加速セルの入射側構成を示す平面図。 奇数番号加速セルの入射側構成を示す正面図。 奇数番号加速セルの入射側構成を示す側面図。 図１１Ａに示した奇数番号加速セルの断面図。 図１１Ａに示した奇数番号加速セルの断面図。 偶数番号加速セルの入射側構成を示す平面図。 偶数番号加速セルの入射側構成を示す正面図。 偶数番号加速セルの入射側構成を示す側面図。 図１２Ａに示した偶数番号加速セルの断面図。 図１２Ａに示した偶数番号加速セルの断面図。 調整セルの構成を示す平面図。 調整セルの構成を示す正面図。 調整セルの構成を示す側面図。 図１３Ａに示した調整セルの断面図。 図１３Ａに示した調整セルの断面図。 検出セルの構成を示す平面図。 検出セルの構成を示す正面図。 検出セルの構成を示す側面図。 加速セルの加速動作説明図。 加速セルの移動動作（奇数番号加速セル→偶数番号加速セル）説明図。 加速セルの移動動作（偶数番号加速セル→奇数番号加速セル）説明図。 分散加速による荷電粒子軌道説明図。 調整セルの動作説明図。 検出セルの動作説明図。 実施の形態３に係る荷電粒子計測システムの構成図。 他の荷電粒子計測システムの構成図。 従来の螺旋軌道型荷電粒子加速器の構成図。 図２３Ａに示した螺旋軌道型荷電粒子加速器の断面図。

発明を実施するため形態

以下、図及び表を用いて本発明の実施形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る線形軌道型荷電粒子加速器の構成図である。図１において、１はイオン源、２はイオン源から引き出された荷電粒子、LA#1〜LA#28は荷電粒子２を加速するための２８台の加速電極管であり、最終段のダミー電極管７を含めて線形（直線状）に配置されている。３は20KV直流電源であり、その出力は電流計４を介して９台のスイッチング回路S#1〜S#9のＩ端子に接続されている。同様に５は200KV直流電源であり、その出力は電流計６を介して１９台のスイッチング回路S#10〜S#28のＩ端子に接続されている。８は制御装置であり、電流計４及び６の出力が接続されている。スイッチング回路S#1〜S#28のO端子は、それぞれ加速電極管LA#1〜LA#28に接続されている。制御装置８の出力はスイッチング回路S#1〜S#28に接続されており、制御装置８からの指令で、それぞれスイッチング回路を切り替えることが可能な構成となっている。

以下、上記構成の線形軌道型荷電粒子加速器の動作を説明する。なお、ここでは、代表例として６価の炭素イオンを加速する場合について説明する。イオン源１は20KV直流電源３により常に20KVの電圧が印加されている。スイッチング回路S#1〜S#28は、制御装置８からの出力が“1”になったとき、O端子とI端子とを接続して、O端子よりI端子と同じ電圧を出力する。逆に“0”の場合はO端子の出力をアース電位にする。加速前の初期状態において、制御装置８はスイッチング回路S#1にのみ“1”を出力し、他のS#1〜S#28には“0”を出力している。すなわち、初期状態においては加速電極管LA#1のみ20KVの電位を持っており、他のLA#2〜LA#28は全てアース電位となっている。従って、この状態ではイオン源１と加速電極管LA#1は同電位となっており荷電粒子２が引き出されることはない。

加速動作を行うとき、まず最初に制御装置８はスイッチング回路S#1に所定期間“0”を出力し、加速電極管LA#1をアース電位に落とす。加速電極管LA#1がアース電位になったとき、イオン源１からは荷電粒子２（６価の炭素イオン）が引き出される。イオン源１は、イオン電流が1ミリアンペア、イオンビーム直径が５ミリメートルになるよう調整させており、例えば１００ナノ秒間、加速電極管LA#1をアース電位にしたとすると、約2.7×10⁸個の荷電粒子２（６価の炭素イオン）が含まれるイオンビームパルスが得られることになる。照射量を多くするため、更に多くの荷電粒子２を含んだイオンビームを形成するためには、１００ナノ秒より長い時間、加速電極管LA#1をアース電位に落とせばよい。逆に、１つのイオンビームパルスによる照射量を少なくしたい場合には、１００ナノ秒よりも短い時間、加速電極管LA#1をアース電位に落とせばよい。従って、図１の線形軌道型荷電粒子加速器では、イオンビームパルス毎の照射量を任意にプログラム設定することが可能である。

イオンビームパルスは、イオン源１と加速電極管LA#1の電位差で加速されながら、加速電極管LA#1に入射される。制御装置８は、イオンビームパルスのリーディングエッジが加速電極管LA#1の中心付近に到達したタイミングでスイッチング回路S#1への出力を“1”とし、加速電極管LA#1の電位を20KVに切り替える。イオンビームパルスは加速電極管LA#1から出射されるとき、加速電極管LA#1と加速電極管LA#2の電位差で２度目の加速を受ける。

次に制御装置８は、イオンビームパルスのリーディングエッジが加速電極管LA#2の中心付近に到達したタイミングで、加速電極管LA#2の電位を20KVに切り替える。イオンビームパルスは、加速電極管LA#2から出射されるとき、今度は加速電極管LA#2と加速電極管LA#3の電位差で加速を受ける。制御装置８は、上記のような印加電圧のシーケンス制御を加速電極管LA#2〜LA#28に対して繰り返すことでイオンビームパルス、すなわち荷電粒子２の加速エネルギーを増大させていく。

イオンビームパルスは加速電極管を通過する毎に速度を増していくので、スイッチング回路S#nの応答遅れを考慮した場合、イオンビームパルスが加速電極管LA#nの中心付近にあるときに確実に電位の切り替えを行うためには、後段の加速電極管の長さを長くしておく必要がある。本発明の実施の形態１では各加速電極管を表１に示す長さとした。なお参考値として、各加速電極管に入射されるイオンビームパルスのエネルギーとパルス幅を表１に示す。イオンビームパルスは、最後に加速電極管LA#28とダミー電極管７の電位差で加速されて、総計２MeV/uの加速エネルギーを獲得する。なお、大電流イオンビームパルスの加速等、ビームの収束が必要となるような応用では加速電極管内、又はイオンビーム輸送路に、例えば静電４重極レンズ等のビーム収束回路を設置する。具体的な光学設計、すなわち、ビーム収束回路の設置位置および特性については、イオンビーム強度と必要とするビーム径に従って事例毎に設計検討することになる。

イオン源１から放出された荷電粒子２が、２MeV/uのエネルギーまで加速する際の制御装置８が実施するシーケンス制御のタイミングチャート図の一例を図２に示す。図２では、制御装置８が最初に１００ナノ秒のビーム取出しを行った場合についてのタイミングチャートを示している。制御装置８は予め決められたタイミング動作で、スイッチング回路S#1〜S#28をパルス状にON/OFFさせていく。実施の形態１では、各加速電極管の電極管距離を５ｃｍとしており、この場合図２のt1〜t27は表２に示す値となる。なお、図２の例では、S#2〜S#28をON状態にしている時間は１マイクロ秒の固定値としている。

イオンビームパルスは、一つの加速電極管から出射されて後段の加速電極管に入射される際、その電位差により加速され、このとき20KV直流電源３、又は200KV直流電源５に加速電流が流れる。電流計４及び電流計６は、この加速電流を計測して制御装置８に伝える。制御装置８は、電流計４及び電流計６の計測値から、イオンビームパルスが加速されるタイミング、すなわち加速電極管の間を通過するタイミングを把握する。このタイミングデータから実際のイオンビームパルスの加速エネルギーを算出し、その算出値と予定値とに大きな偏差が生じた場合は、装置に何らかの異常が発生したと判断し、例えば運転員に知らせる等の警報処理を行う。

表２に記載されている時間は、直流電源３及び５が完全な定格電圧値を出力していることを前提に計算した値である。直流電源３又は５の出力電圧に外乱が発生した場合、例えば、一次側電源電圧の急変等の原因によって電圧値が変動したような場合には、その状況に合わせて表２の時間値を補正する必要がある。このため、制御装置８は、電流計４及び６の計測値に基づいて、加速電極管への電圧印加開始時刻を補正する処理を実行する。

加速電極管LA#n（n=2,3,…,28）への電圧印加タイミングの補正処理についてさらに詳しく説明する。前段の加速電極管LA#n-1内にイオンビームが存在し、速度v_n-1で後段の加速電極管LA#nに向かっているものとする。このとき、LA#n-1には加速電圧が印加されている。イオンビームは、LA#n-1とLA#nのギャップを通過するとき両加速電極管の電位差により加速され、LA#nに到達したときその速度がv_nまで到達したものとする。加速動作が行われている間、直流電源に加速電流が流れる。加速電極管のギャップは平等電界と近似できるため、LA#n-1に加速電流が流れる時間T_ai(n-1)は式１で表される。

ここで、dは加速電極管のギャップの長さ、w_ibはイオンビームのパルス長を示す。v_nは既知の値であるので、T_ai(n-1)を測定することで加速後のイオンビーム速度v_nを式１から求めることが可能となる。

本実施の形態では、イオン源1からの取出電圧は20KVであるから、LA#1に到達したときのイオンビームは1.39×10~6m/secに加速されている。また、取出時間が100nsecであるから、イオンビームのパルス幅は0.139ｍとなる。従って、v_1≒1.39×10~6m/sec、w_ib≒v_1×10~-9nsec=0.139m、電極ギャップdは5cm、すなわちd＝0.05ｍとなる。LA#1の加速電流を測定することでT_ai(1)の値を知ることができ、式１の関係からv_2、すなわちLA#2内でのイオンビーム速度を計算することができる。LA#2の加速電極管長は既知の値であるので、v_2の値からイオンビームがLA#2の中心部分に存在するタイミング、すなわちスイッチング回路S#2を“1”にする最適なタイミングが得られることになる。

装置が定格動作をしている場合、イオンビームはLA#1とLA#2のギャップで20KVの加速を受けるため、v_2≒1.96×10~6m/secとなる。この場合、図２に示したt1の値は、表２に示した通り620nsecが最適な値となる。

電源電圧変動等の外乱により加速動作に定格値からの偏差が発生した場合、 T_ai(1)測定値から演算されたv_2の値が1.96×10~6m/secからずれた数値となる。このような場合、制御装置8は測定値から演算されたv_2からt1を再設定し、再設定されたt1を使ってタイミング制御を継続する。制御装置8は、このような帰納的な手順で、各加速電極管への電圧印加タイミングを補正し、最適化する。

以上のように、加速電極管に流れる加速電流を測定することで、次段の加速電極管に加速電圧を印加するタイミングをより正確に制御することができるとともに、所定時間範囲内に加速電流の発生が確認できなかった場合に装置に何らかの故障が起きたことを検出することができる。また、加速電極管に流れる加速電流から被加速荷電粒子の飛行タイミングを実測できるようにしたので、電源変動等の外乱に強いタイミング制御が行えるようになり、品質の高い加速器を提供することができる。

なお、図１では直流電源に固定電圧の電源を用いたが、可変電圧の直流電源を用いてもよい。図３にその実施例を示す。図３は、図１の200KV直流電源５を可変電圧電源１５に置き換えたものであり、その電源電圧は制御装置８の制御により増減可能に構成されている。図３に示す例では、加速電圧として様々な電圧値を選択することが可能となるので、イオンビームパルス毎に任意の加速エネルギーをプログラム可能な線形軌道型加速器を実現することができる。また、電流計６により計測される実際のイオンビームパルスの加速エネルギーに予定値との偏差が生じた場合に、以降の加速電圧を加減して再び予定値と一致する値に戻すという調整操作が可能となる。このように、制御装置に加速電圧を増減する機能を持たせることで、荷電粒子の加速エネルギーを任意に変更することが可能となる。また、加速電圧の増減を制御装置によって行えるため、任意の加速エネルギーをプログラム可能な柔軟性の高い加速器を提供することができる。

以上のように、本実施の形態においては、イオン源又は電子源から引き出された荷電粒子が、初段の加速電極管に入射されるときに、制御装置は荷電粒子が加速電極管に完全に流入したタイミングを見計らって、加速電極管に加速電圧を印加する。後続の加速電極管は当初はアース電位（０Ｖ）に保たれているため、初段の加速電極管から出射された荷電粒子は、初段および２段目の加速電極管の間の電位差により加速される。次に制御装置は荷電粒子が２段目の加速電極管に流入したタイミングを見計らって、２段目の加速電極管に加速電圧を印加する。このようなタイミング制御を線形配置されたｎ段の加速電極管に対して繰り返して行くことで、荷電粒子の加速エネルギーを増大させていくことができる。なお、２段目以降の加速電極管の電位は、荷電粒子が次段の加速電極管に流入した後にアース電位に戻される。以上の構成とすることにより、各加速電極管の印加電圧を分散制御することで加速電場を発生できるので、従来必要であった高周波電力発生回路が不要となり、安価でありしかも信頼性の高い加速器を提供することができる。

（実施の形態２）
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本発明の実施の形態２に係る螺旋軌道型荷電粒子加速器の構成を示す平面図及び側面図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、４０は荷電粒子、４１は加速ユニット、４２は調整ユニット、４３は検出ユニット、４４及び４５は偏向磁石である。

加速ユニット４１、調整ユニット４２、及び検出ユニット４３の詳細な構成についてはそれぞれ図５Ａ乃至図５Ｃ、図６Ａ乃至図６Ｃ、及び図７Ａ乃至図７Ｃに示す。加速ユニット４１は、加速セルと呼ばれる幅60ミリメートル、高さ30ミリメートル、奥行き30000ミリメートル（30メートル）のモジュールの集合体で構成されている。同様に、調整ユニット４２は調整セルと呼ばれる幅60ミリメートル、高さ30ミリメートル、奥行き6050ミリメートルのモジュールの集合体で、また検出ユニット４３は検出セルと呼ばれる幅60ミリメートル、高さ30ミリメートル、奥行き60ミリメートルのモジュールの集合体で構成されている。

この場合、加速ユニット４１は１５７本の加速セルで構成される。同様に、調整ユニット４２、及び検出ユニット４３についても、１５７本の調整セル、１５７本の検出セルで構成される。図５Ａ乃至図５Ｃに示す通り、１５７本の加速セルAC#1〜AC#157は上下２層に配置され、下側には奇数番号の加速セルが、上側には偶数番号に加速セルが配置される。図８Ａ乃至図８Ｃに奇数番号加速セルの詳細な構成を示す。奇数番号加速セルは上部に抜き穴が設けられており、その抜き穴の位置と大きさは表３〜８に示す通り番号毎に異なる。図９Ａ乃至図９Ｃに偶数番号加速セルの詳細な構成を示す。偶数番号加速セルは下部に抜き穴が設けられており、その位置と大きさも表３〜８に示す通り番号毎に異なっている。

図１０Ａ乃至図１０Ｆに示すように、各加速セルの内部には加速電極管とダミー電極管とが内蔵されている。その寸法は全ての加速セルで共通であり、内蔵された加速電極管の長さは23000mm（23m）、ダミー電極管の長さは200mm、その電極ギャップは100mmである。また図１１Ａ乃至図１１Ｅ、及び図１２Ａ乃至図１２Ｅに示すように、各加速セルには４枚の電極板、すなわち、送出電極板Ｕ、送出電極板Ｄ、受取電極板Ｕ、および受取電極板Ｄが内蔵されている。上記４枚の電極板の寸法、取り付け位置は表３〜８に示す通り番号毎に異なっている。

調整ユニット４２および検出ユニット４３も、それぞれ１５７本の調整セルTU#1〜TU#157、１５７本の検出セルDT#1〜DT#157で構成される。調整セルの構成を図１３Ａ乃至図１３Ｅに示す。調整セルには４枚の電極板、すなわち垂直方向調整電極板Ｕ、垂直方向調整電極板Ｄ、水平方向調整電極板Ｌ、および水平方向調整電極板Ｒが内蔵されており、各調整セルに設けられた４枚の電極板（垂直方向調整電極板Ｕ、垂直方向調整電極板Ｄ、水平方向調整電極板Ｌ、および水平方向調整電極板Ｒ）は全て同じ寸法であり、各調整セルにおいて同一の電極板は同一の位置に取り付けられている。検出セルの構成を、図１４Ａ乃至図１４Ｃに示す。検出セルには４つの荷電粒子検出器、すなわち、検出器Ｕ、検出器Ｄ、検出器Ｌ、および検出器Ｒが内蔵されており、各検出セルに設けられた４つの検出器（検出器Ｕ、検出器Ｄ、検出器Ｌ、および検出器Ｒ）は全て同じ寸法であり、各検出セルにおいて同一の検出器は同一の位置に取り付けられている。

以下、上記構成の螺旋軌道型荷電粒子加速器の動作を説明する。なお、ここでは、実施の形態１と同じく、６価の炭素イオンを加速する場合について説明する。すなわち、荷電粒子４０として、６価の炭素イオンがエネルギー２MeV/uで入射され、約４３０MeV/uまで加速される動作を説明する。また、偏向磁石４４及び４５には、磁場強度１．５テスラの永久磁石が用いられているものとする。図１５に示すように、荷電粒子４０は加速セルAC#mに内蔵された加速電極管、及びダミー電極管の電位差によって加速されていく。図１５において、制御装置４６は常時はスイッチング回路S#mへ“0”を出力しており、加速セルAC#m内の加速電極管をアース電位にしている。荷電粒子４０によるイオンビームパルスが入射されたとき、制御装置４６はイオンビームパルスのリーディングエッジが加速電極管の中心付近に到達するタイミングに合わせてスイッチング回路S#mへ”1”を出力し、加速電極管の電位を200KVにする。イオンビームパルスは加速電極管から出射されるとき、加速電極管とダミー電極管の電位差により加速される。制御装置４６は加速が完了、すなわちイオンビームがダミー電極を通過し終わったタイミングを見計らってスイッチング回路S#mへ“0”を出力し、加速電極管の電位をアース電位へリセットする。電流計６はイオンビームが加速されたときに発生する加速電流を計測し、制御装置４６に伝える。制御装置４６が、この計測結果より、加速動作の健全性チェック、或いは加速電圧印加タイミングの補正を行う構成は、本発明の実施の形態１と同様である。

ダミー電極から出射されたイオンビームパルスは、偏向磁石４４、調整セルTU#m、検出セルDT#m、及び偏向磁石４５を経由して、再度加速セルAC#mに入射され、上記と同じ動作により更に加速を受ける。この繰り返しにより、荷電粒子４０によるイオンビームパルスは同一加速セル内で複数回の加速を受けることになる。

一つの加速セルで複数回の加速が行われ、イオンビームパルスの加速エネルギーが所定のエネルギーに到達すると、制御装置４６は加速セル内の送出電極板、受取電極板を操作して、イオンビームパルスを加速セルAC#xから加速セルAC#x+1へ移動させる。まず、奇数番号の加速セルから偶数番号の加速セルへ、荷電粒子４０によるイオンビームパルスを移動させる動作について説明する。図１６は、当該動作を説明するための模式図である。ここでxを奇数の整数とする。制御装置４６は、常時スイッチング回路S#xへ“0”を出力しているので、電極板は全てアース電位になっており、荷電粒子４０によるイオンビームパルスは直進する。イオンビームパルスを移動させる場合、制御装置４６はスイッチング回路S#xへ“1”を出力し、送出電極板Ｄ及び受取電極板Ｕの電位を200KVにする。イオンビームパルスは４枚の電極板が作る電界によって垂直方向に運動し、加速セルに空けられた受け穴を通して、加速セルAC#xから加速セルAC#x+1へ移動する。制御装置４６は移動が完了したタイミングを見計らってスイッチング回路S#xへ“0”を出力し、４枚の電極板の電位を全てアース電位へリセットする。荷電粒子４０は、加速セルAC#x+1にて更に加速が継続される。

次に、偶数番号の加速セルから奇数番号の加速セルへ、イオンビームパルスを移動させる動作について説明する。図１７は、当該動作を説明するための模式図である。ここでyを偶数の整数とする。制御装置４６が、スイッチング回路S#yへ“1”を出力した場合、加速セルS#yの送出電極Ｕ、及び加速セルS#y+1の受取電極Ｄの電位が200KVとなる。その結果生じた電界により、荷電粒子４０からなるイオンビームパルスは加速セルに空けられた受け穴を通して、加速セルAC#yから加速セルAC#y+1へ移動する。制御装置４６は移動が完了したタイミングを見計らってスイッチング回路S#yへ“0”を出力し、４枚の電極板の電位をアース電位へとリセットする。荷電粒子４０は、加速セルAC#y+1にて更に加速が継続される。

すなわち、図４Ａ及び図４Ｂに示した螺旋軌道型荷電粒子加速器では、加速セルと呼ばれる分散化された線形軌道型加速器の集合体で大きな加速エネルギーを生成する。制御装置４６は、常に各加速セルにイオンビームパルスが一つだけ存在するようトラフィック制御する。このため、荷電粒子の速度が光速に近付いても、相対論効果による質量増大を考慮した加速制御を各加速セルで独立して実行でき、また、各加速セルでビームが蓄積されるので連続的なビーム供給が可能となる。

加速セルによる分散加速の説明図を図１８に示す。図１８において、加速セルAC#1には加速エネルギー２MeV/uの荷電粒子（６価の炭素イオン）が入射される。制御装置４６は、加速セルAC#1内部の加速電極管による加速を４回行い、荷電粒子を２．４MeV/uまで加速させる。２．４MeV/uまでの加速を完了させると、制御装置４６は加速セルAC#1の送出電極板Ｄと加速セルAC#2の受取電極板Ｕの電位を200KVとして、荷電粒子を加速セルAC#2に移動させる。加速セルAC#2では、２．４MeV/uで入射された荷電粒子を内部の加速電極管により５回加速し、２．９MeV/uのエネルギーまで加速する。制御装置４６は、荷電粒子の２．９MeV/uまでの加速を完了すれば、次に荷電粒子を加速セルAC#3に移動させ、更なる加速を実行する。こうして荷電粒子は加速エネルギーが大きくなるに従って外側の加速セルへと移動していき、最終段の加速セルAC#157では入射エネルギーが４２８MeV/u、出射エネルギーが４３２MeV/uの加速を達成することになる。AC#1〜AC#157の全ての加速セルについて、その入射エネルギーと出射エネルギーを表３〜８に示す。すなわち、図４Ａ及び図４Ｂに示した螺旋軌道型荷電粒子加速器では、
入射半径：０．２７ｍ
出射半径：４．９９ｍ
入射エネルギー：２MeV/u
出射エネルギー：４３２MeV/u
のエネルギー利得を達成することができる。

次に調整セルTU#1〜TU#157の機能を図１９を用いて説明する。図１９において、制御装置４６は各調整セルに内蔵されている２枚の電極板、すなわち垂直方向調整電極板Ｕ、水平方向調整電極板Ｒにアナログ出力装置を経由して適切な電圧値を供給している。垂直方向調整電極板Ｄ、水平方向調整電極板Ｌの電位はアース電位に固定されている。荷電粒子４０は、垂直方向調整電極板Ｕ／Ｄ、及び水平方向調整電極板Ｌ／Ｒが形成する電場によって、その飛行軌道が上下左右方向に修正される。例えば、偏向磁石４４、４５の磁場強度の微妙な偏差、或いは工作精度等により発生する、飛行軌道の微小なずれを、この電場によって修正する。アナログ出力値は、装置の立上試験において荷電粒子４０の加速エネルギー毎に適切な値に調整されており、制御装置４６は加速エネルギーに対応して調整値を出力する。調整セルTU#1〜TU#157の設置により、偏向磁石４４，４５のある程度の品質誤差を吸収できるようになり、磁石コストの削減、立上調整時間の短週化等を実現できる。このように、例えば加速電極管、又は偏向磁石の工作精度等の原因により荷電粒子の飛行軌道が想定された軌道よりずれた場合に、調整電極板に印加された調整電圧により発生される電場により、荷電粒子の飛行軌道を本来の軌道に修正することができる。また、被加速荷電粒子の飛行軌道を微調整することができるので、製作誤差、設置誤差の吸収が可能となり立上調整操作が容易な加速器を提供することができる。

検出セルの機能を図２０を用いて説明する。図２０は、検出セルTU#1〜TU#157の各検出セルの内部に設置される、荷電粒子検出器にシンチレータを適用した場合の例について説明するための模式図である。荷電粒子４０は、調整セルTU#mから出射された後、検出セルDT#mに入射される。このとき、荷電粒子４０が正常な軌道を飛行していれば、荷電粒子４０が検出セルDT#m内の４つの検出器、すなわち、検出器Ｕ、検出器Ｄ、検出器Ｌ、検出器Ｒに入射されることはなく、検出セルを通過し、偏向磁石４５に入射される。制御装置４６は、シンチレータの発光を光電変換器４７経由で監視し、シンチレータの発光、すなわち荷電粒子４０が検出器に入射されるような事態が確認されたならば、直ちに運転員に警報するとともに加速動作を中断し、装置の安全を確保する。このように、装置が正常動作している場合には被加速荷電粒子が通過するはずのない領域に荷電粒子の検出器を設置することで、加速動作が正常に行われているか否かを確認することができる。また、被加速荷電粒子の飛行軌道が所定の軌道から外れたことを直ちに検出して加速動作を停止させることができるため、安全性の高い加速器を提供することができる。

以上のように、本実施の形態においては、偏向磁石を介して加速電極管をループ状に接続することによって、加速電極管を線形に並べる必要がなくなるため、加速器の総長を短くすることができる。さらに、適当な形状と磁場強度を持つ偏向磁石を選択することで、加速電極間で加速された荷電粒子が再び同じ加速電極管に戻ってくるような軌道設計が可能となり、一つの加速電極管で複数回の荷電粒子の加速を行うことができる。このように偏向磁石により一つの加速電極管で荷電粒子を複数回加速できるので、エネルギー利得が大きく、かつ偏向磁石として永久磁石を用いた場合には、動作中の電力消費が少ない加速器を提供することができる。

（実施の形態３）
図２１は、本発明の実施の形態３に係る荷電粒子検出システムの構成を示す模式図である。図２１において、４０は荷電粒子、５０は検出用電極管＃１、５１は検出用電極管＃２、５２は検出用電極管＃３、５４は1KV直流電源、５５は電流計である。図４Ａ及び図４Ｂに示した螺旋軌道型荷電粒子加速器で荷電粒子（６価の炭素イオン）を加速するためには、前段の加速器で２ＭｅＶ／ｕまで加速しておく必要がある。図２１に示した例では、２ＭｅＶ／ｕまで加速された荷電粒子が輸送路５６から螺旋軌道型荷電粒子加速器の初段の加速セルAC#1に入射する構成としている。

以下、上記構成の荷電粒子検出システムの動作について説明する。輸送路５６の終端部分に設置された３つの検出用電極管には、固定の電圧が印加されている。すなわち、検出用電極管＃１及び検出用電極管＃３にはアース電位が、検出用電極管＃２には1KVの電位が印加されている。荷電粒子４０は、輸送路５６から加速セルAC#1に入射される途中で、これらの検出用電極管を通過する。このとき、荷電粒子４０は、検出用電極管＃１と検出用電極管＃２の電位差で減速された後、検出用電極管＃２と検出用電極管＃３の電位差で再度加速される。減速エネルギーと加速エネルギーが実質的に等しい値となるので、これらの検出用電極管を通過することによって荷電粒子４０の加速エネルギーは実質的に変化しない。

荷電粒子４０が検出用電極管＃１および検出用電極管＃２のギャップで減速されるとき、1KV直流電源５４には負の加速電流が流れる。一方、検出用電極管＃２および検出用電極管＃３のギャップで加速されるとき、1KV直流電源５４には正の加速電流が流れる。電流計５５は、これら正負の加速電流を計測し、制御装置４６に伝える。制御装置４６は、電流計５４の計測値から、荷電粒子４０の位置、速度、総電荷量を取得することができる。制御装置４６は、このデータを基に初段の加速セルAC#1に内蔵される加速電極管への加速電圧（200KV）の適切な印加タイミングを算出することが可能となる。

なお、前段の加速器として図１に示した線形軌道型荷電粒子加速器を用いる場合には、検出用電極管は不要となる。図２２に示すように、輸送路６６の長さが分かれば、加速電極管LA#28への加速電圧印加タイミングデータから、加速セルAC#1に内蔵される加速電極管への適切な加速電圧印加タイミングを算出でき、検出用電極管を設置することなくシームレスな加速の引き継ぎが可能となる。

（その他の実施の形態）
なお、上述した実施の形態２においては、偏向磁石を用いて荷電粒子の進行方向を変化させ、同一の加速電極管に荷電粒子を複数回通過させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。複数の加速電極管を非線形に配置し、隣り合う加速電極管の間に偏向磁石を配置して、当該偏向磁石によって進行中の荷電粒子の進行方向を変化させて、非線形に配置された加速電極管に順次荷電粒子を通過させる構成としてもよい。これにより、線形軌道型加速器に比べて長さが短く、小型の荷電粒子加速器とすることができる。従来の荷電粒子加速器は、高周波電源により加速電圧を発生させているので、加速電極管のギャップ距離は常に一定の値であることが必要であるという理由により小型化することができない。このような小型の荷電粒子加速器は、船舶等の設置空間が限られた場所でも設置可能である点で有用である。

本発明の荷電粒子加速器および荷電粒子の加速方法は、線形軌道型加速器及び螺旋軌道型加速器並びにこれらの荷電粒子加速器を使用した荷電粒子の加速方法として有用である。

１ イオン源
２ 荷電粒子
３ 20KV直流電源
４ 電流計
５ 200KV直流電源
６ 電流計
７ ダミー電極管
８ 制御装置
LA#1〜LA#28 加速電極管
S#1〜S#28 スイッチング回路
１５ 可変電圧電源
４０ 荷電粒子
４１ 加速ユニット
４２ 調整ユニット
４３ 検出ユニット
４４ 偏向磁石
４５ 偏向磁石
４６ 制御装置
４７ 光電変換器
AC#1〜AC#157 加速セル
TU#1〜TU#157 調整セル
DT#1〜DT#157 検出セル
５０ 検出用電極管＃１
５１ 検出用電極管＃２
５２ 検出用電極管＃３
５４ 1KV直流電源
５５ 電流計
５６ 輸送路
６６ 輸送路

Claims (9)

1. 荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
   前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子を通過させ、通過する荷電粒子を加速する加速電極管と、
   前記荷電粒子を加速するための電圧を前記加速電極管に印加する駆動回路と、
   荷電粒子が加速電極管内を移動している間に、当該加速電極管への電圧の印加を開始するように、前記駆動回路を制御する制御部と、
   を備える、荷電粒子加速器。
2. 直線的に配置された複数の前記加速電極管を備え、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記複数の加速電極管を順次通過するように構成されており、
   前記制御部は、荷電粒子が内部を移動している加速電極管に対して電圧の印加を開始することにより、複数の前記加速電極管へ順次電圧を印加するように前記駆動回路を制御すべく構成されている、
   請求項１に記載の荷電粒子加速器。
3. 加速電極管を通過した荷電粒子の進行方向を変化させる偏向磁石をさらに備える、
   請求項１に記載の荷電粒子加速器。
4. 前記偏向磁石は、荷電粒子に同一の加速電極管を再度通過させるように、加速電極管を通過した荷電粒子の進行方向を変化させるべく構成されており、
   前記制御部は、荷電粒子が内部を移動している加速電極管に対して電圧の印加を開始することにより、同一の加速電極管に複数回電圧を印加するように前記駆動回路を制御すべく構成されている、
   請求項３に記載の荷電粒子加速器。
5. 前記荷電粒子の進行方向を、当該進行方向と交差する方向へ調整する調整部をさらに備える、
   請求項３又は４に記載の荷電粒子加速器。
6. 荷電粒子が加速電極管を通過するときに当該加速電極管に発生する加速電流を計測する電流計をさらに備え、
   前記制御部は、前記電流計による加速電流の計測結果に基づいて、加速電極管への電圧の印加開始タイミングを調節するように構成されている、
   請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子加速器。
7. 前記駆動回路は、前記加速電極管への印加電圧値を変更可能に構成されている、
   請求項１乃至６の何れかに記載の荷電粒子加速器。
8. 前記加速電極管によって加速された荷電粒子が所定の軌道を進行しているか否かを検出する検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記検出部により前記荷電粒子が前記所定の軌道を進行していないと検出された場合に、前記駆動回路を停止させるように構成されている、
   請求項１乃至７の何れかに記載の荷電粒子加速器。
9. 荷電粒子に複数の加速電極管を順次通過させるために、荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、
   荷電粒子が加速電極管内を移動している間に、当該加速電極管に対して、前記荷電粒子を加速するための電圧の印加を開始することにより、前記複数の加速電極管に対して順次電圧を印加するステップと、
   を有する、荷電粒子の加速方法。

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