WO2001024593A1

WO2001024593A1 - Method and apparatus for controlling circular particle accelerator, and circular particle accelerator system

Info

Publication number: WO2001024593A1
Application number: PCT/JP1999/005332
Authority: WO
Inventors: Kazuo Hiramoto; Hiroshi Akiyama
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-05
Also published as: AU5998499A; JP3922022B2

Abstract

The amplitude of a betatron oscillation of a circulating charged-particle beam is varied by a high-frequency device, while the tune of the charged-particle beam is varied with the betatron oscillation amplitude by an eight-pole electromagnet. The distribution of particle density of the charged-particle beam is made uniform by repeatedly varying the betatron oscillation amplitude and tune. Since the change in betatron oscillation amplitude by the application of a high-frequency electromagnetic field and the change in tune by the application of eight-pole magnetic fields occur independently of the beam energy and current value, the distribution of particle density of the charged-particle beam can be controlled independently of the beam energy and current value.

Description

明細書 Specification

円形加速器の制御方法及び制御装置、並びに円形加速器システム技術分野 Control method and control device of circular accelerator, and circular accelerator system

本発明は、円形加速器の制御方法及び制御装置、並びに円形加速器システムに関する。背景技術 The present invention relates to a control method and a control device for a circular accelerator, and a circular accelerator system. Background art

イオンビ一ムや電子ビーム等の荷電粒子ビームを周回させながら加速したり、或いは蓄積する円形加速器としては、加速したイオンビームを出射してターゲット（例えば、タングステン）に照射することにより中性子を発生させるためのシンクロトロンや、加速したイオンビームを出射して癌患者の患部に照射することにより癌治療を行うためのシンクロトロン、或いは、電子ビームを加速することにより電子から放出される放射光を得る蓄積リング等が知られている。これらの円形加速器では、入射される荷電粒子ビームの粒子数密度分布はガウス分布となってぉリ粒子数密度分布の平坦化が要求されている。 A circular accelerator that accelerates or accumulates while accumulating or accumulating a charged particle beam such as an ion beam or an electron beam can emit an accelerated ion beam to irradiate a target (for example, tungsten). A synchrotron for generating more neutrons, a synchrotron for emitting cancers by emitting an accelerated ion beam and irradiating the affected part of a cancer patient, or an electron There are known storage rings for obtaining radiation emitted from electrons by accelerating a beam. In these circular accelerators, the particle number density distribution of the incident charged particle beam becomes a Gaussian distribution, and flattening of the particle number density distribution is required.

例えば、上述の中性子を発生させるためのシンクロトロンや癌治療を行うためのシンクロトロンにおいては、共鳴を利用してイオンビームをシンクロトロンから出射するか、若しくは、キッ力一電磁石等を用いてイオンビームを偏向することによってイオンビームをシンクロトロンから出射するが、共鳴を利用して出射を行う場合に周回するイオンビームの粒子数密度分布が平坦化されていないと、出射されるイオンビームの電流値の時間的変動を抑制するのが困難であった。また、周回するィォンビームをキッカー電磁石により偏向して出射を行う場合に周回するィオンビームの粒子数密度分布が平坦化されていないと、出射されるィォンビームにおける粒子数密度分布も不均一となり、タングステンや癌患者の患部といった照射対象に対してイオンビームを均一に照射するために複雑な制御が必要とされた。更に、電子ビームを加速して放射光を取リ出す蓄積リングにおいては、周回する電子ビームの粒子数密度分布が平坦化されていないと、取り出した放射光の強度分布が不均一になるという問題があった。 For example, in the synchrotron for generating neutrons and the synchrotron for cancer treatment described above, the ion beam is emitted from the synchrotron using resonance, or the The ion beam is emitted from the synchrotron by deflecting the ion beam using a force-magnet or the like, but the particle number density distribution of the circulating ion beam when performing the extraction using resonance is Without flattening, it was difficult to suppress temporal fluctuations in the current value of the emitted ion beam. In addition, the orbiting beam is deflected by the kicker magnet and emitted when it is emitted. If the particle number density distribution of the on-beam is not flattened, the particle number density distribution of the emitted ion beam will also be non-uniform, and the ion beam will be uniform with respect to the irradiation target such as tungsten or the affected part of a cancer patient. Complex control was required to irradiate the water. Furthermore, in a storage ring that accelerates an electron beam to extract radiation, if the particle number density distribution of the orbiting electron beam is not flattened, the intensity distribution of the extracted radiation becomes non-uniform. There was a problem.

以上のような問題を解決するためには、前述のように、円形加速器において周回する荷電粒子ビームの粒子数密度分布を平坦化しなければならない。周回する荷電粒子ビームの粒子数密度分布を平坦化する方法としては、特開平 1 1— 1 1 1500号公報に荷電粒子ビームに生じる空間電荷効果を利用した粒子数密度分布平坦化の技術が記載されている。上記公報に記載された技術について、以下に説明する。荷電粒子ビームにはその電流値（粒子数密度）が大きいほど、またエネルギーが低いほど、荷電粒子ビームのチューンを低下させる空間電荷効果が生じるので、粒子数密度分布がガウス分布である荷電粒子ビームの場合、粒子数密度の高い中心部付近に位置する荷電粒子（すなわち、ペータトロン振動振幅の小さな荷電粒子）ほどチューンが低下する。そこで、チューンの低下した中心部付近の荷電粒子がペータ卜ロン振動する周波数の成分を含む高周波電磁場を荷電粒子ビームに印加することによって、中心部付近に位置する荷電粒子のペータトロン振動振幅を増加させることができる。このように中心部付近に位置する荷電粒子のベータトロン振動振幅を増加させることによって、中心部付近の荷電粒子の粒子数密度は低下し、逆に荷電粒子ビームの周辺部付近の粒子数密度が上昇する。よって、荷電粒子ビームの粒子数密度分布は平坦化される。しかしながら、上記従来技術では、空間電荷効果によるチューンの低下を利用するため、空間電荷効果が殆ど発生しないような小電流又は高エネルギーの荷電粒子ビームに対しては粒子数密度分布の平坦化を行うことができない。つまり、従来技術では、円形加速器を周回する荷電粒子ビームの電流とエネルギーの値によっては粒子数密度分布を平坦化できない場合がある。発明の開示 In order to solve the above problems, as described above, the particle number density distribution of the orbiting charged particle beam in the circular accelerator must be flattened. As a method of flattening the particle number density distribution of the orbiting charged particle beam, Japanese Patent Laid-Open No. 111-1500 discloses a method of flattening the particle number density distribution utilizing the space charge effect generated in the charged particle beam. The technology is described. The technology described in the above publication will be described below. As the current value (particle number density) and the energy of a charged particle beam become larger and the energy becomes lower, a space charge effect occurs that lowers the tune of the charged particle beam, so that the charged particle beam has a Gaussian particle number density distribution. In the case of, the tune decreases as the charged particles located near the center with a high particle number density (that is, the charged particles with small Petertron oscillation amplitude). Therefore, by applying a high-frequency electromagnetic field containing a component of the frequency at which the tuned particles near the center where the tune is reduced to Petrotron oscillation to the charged particle beam, the charged particles located near the center are reduced. Can increase the petrol oscillation amplitude. By increasing the beta-tron oscillation amplitude of the charged particles located near the center in this way, the particle number density of the charged particles near the center decreases, and conversely, the density around the periphery of the charged particle beam decreases. The particle number density increases. Therefore, the particle number density distribution of the charged particle beam is flattened. However, in the above-mentioned conventional technology, since the tune reduction caused by the space charge effect is used, the particle number density distribution is flattened for a small current or a high energy charged particle beam in which the space charge effect hardly occurs. Can not do. In other words, in the conventional technology, the particle number density distribution may not be able to be flattened depending on the current and energy values of the charged particle beam orbiting the circular accelerator. Disclosure of the invention

本発明の目的は、周回する荷電粒子ビームの電流及びエネルギーの値によらず荷電粒子ビームの粒子数密度分布を制御することができる円形加速器の制御方法及び制御装置、並びに円形加速器システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control method and a control device for a circular accelerator, and a circular accelerator system that can control the particle number density distribution of the charged particle beam regardless of the current and energy values of the orbiting charged particle beam. It is to do.

上記目的を達成する本発明の特徴は、周回する荷電粒子ビームにベ一タトロン振動の周波数成分を含む高周波電磁場を印加する高周波印加装置と、前記荷電粒子ビームに六極以上の多極磁場を印加する多極電磁石と、前記荷電粒子ビームに四極磁場を印加する四極電磁石と、前記高周波電磁場及び前記多極磁場が荷電粒子ビームに印加されているときに、荷電粒子ビームが 3次以下の共鳴を起こさないように前記四極電磁石に供給される電流を制御する制御装置とを有することにある。 A feature of the present invention that achieves the above object is a high-frequency application device that applies a high-frequency electromagnetic field including a frequency component of betatron oscillation to a circulating charged particle beam, a multi-pole of six or more poles in the charged particle beam. A multipole electromagnet for applying a magnetic field; a quadrupole electromagnet for applying a quadrupole magnetic field to the charged particle beam; and a charged particle beam when the high frequency electromagnetic field and the multipole magnetic field are applied to the charged particle beam. A control device for controlling a current supplied to the quadrupole electromagnet so as not to cause the third or lower order resonance.

周回する荷電粒子ビームにペータトロン振動の周波数成分を含む高周波電磁場を印加することにより、荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅は変化し、また、荷電粒子ビームに六極以上の多極磁場を印加することによリ荷電粒子ビームのチューンはベータトロン振動振幅の大きさに応じて変化する。このベータトロン振動振幅の変化とチューンの変化とを繰り返すことによって、荷電粒子ビームの粒子数密度分布は平坦化される。高周波電磁場の印加によるベータトロン振動振幅の変化と、多極磁場の印加によるチューンの変化は荷電粒子ビームのエネルギーや電流の値によらずに行うことができるため、周回する荷電粒子ビームの電流及びエネルギーの値によらず荷電粒子ビームの粒子数密度分布を制御することができる。図面の簡単な説明 By applying a high-frequency electromagnetic field containing the frequency component of the Petertron oscillation to the orbiting charged particle beam, the beta-ton oscillation amplitude of the charged particle beam changes, and the charged particle beam By applying a multipole magnetic field of six or more poles, the tune of the charged particle beam changes according to the magnitude of the betatron oscillation amplitude. By repeating the change of the betatron oscillation amplitude and the change of the tune, the particle number density distribution of the charged particle beam is flattened. It is. The change in the betatron oscillation amplitude due to the application of a high-frequency electromagnetic field and the change in the tune due to the application of a multipole magnetic field can be performed independently of the energy and current values of the charged particle beam. The particle number density distribution of the charged particle beam can be controlled irrespective of the current and energy values. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

第 1 図は、本発明の好適な一実施例である円形加速器システムの構成図、第 2 図は、イオンビームのベータトロン振動振幅とチューンとの関係を示す図、第 3 図は、高周波印加装置 1 0 5 a と制御装置 2 の構成を示す図、第 4図は、荷電粒子ビームの粒子数密度分布を示す図、第 5 図は、高周波印加装置 1 0 5 b と制御装置 2 の構成を示す図、第 6 図は、本発明の他の実施例である円形加速器システムの構成図、第 7 図は、本発明の他の実施例である円形加速器システムの構成図、第 8 図は、電子ビームのベータトロン振動振幅とチューンとの関係を示す図である。発明を実施するための最良の形態 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a circular accelerator system according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a betatron oscillation amplitude of an ion beam and tune, and FIG. Fig. 4 shows the configuration of the high-frequency application device 105a and the control device 2, Fig. 4 shows the particle number density distribution of the charged particle beam, and Fig. 5 shows the high-frequency application device 105b and the control device 2 FIG. 6 is a configuration diagram of a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention, FIG. 7 is a configuration diagram of a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention, FIG. The figure shows the relationship between the betatron oscillation amplitude of the electron beam and the tune. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施例 1 ) (Example 1)

第 1 図は、本発明の好適な一実施例である円形加速器システムを示す, 本実施例の円形加速器システムは、円形加速器として 5 0 0 [ M e V ] のイオンビームを 5 [ A ] 入射して 2 . 5 〔G e V〕まで加速した後出射するシンクロトロン 1 を用い、シンクロトロン 1 から出射されたイオンビームをターゲット（本実施例ではタングステン）に照射して中性子を発生させる円形加速器システムである。なお、上記入射電流値は、入射された粒子の総電荷数に周回周波数をかけた値である。また、円形加速器とは、本実施例で説明する荷電粒子ビームを加速して出射するシンクロトロンや、荷電粒子ビームを加速 ' 蓄積する蓄積リングのような、荷電粒子ビームを周回させながら加速する加速器のことを指す。 FIG. 1 shows a circular accelerator system according to a preferred embodiment of the present invention. The circular accelerator system according to the present embodiment uses a 500 [MeV] ion beam of 5 [A] as a circular accelerator. Using synchrotron 1 that is incident, accelerates to 2.5 [GeV], and then emits, irradiates the target (tungsten in this embodiment) with the ion beam emitted from synchrotron 1 This is a circular accelerator system that generates neutrons. The above incident current value is It is the value obtained by multiplying the total number of charges of the particles obtained by the orbital frequency. Also, a circular accelerator refers to a charged particle beam such as a synchrotron that accelerates and emits a charged particle beam and a storage ring that accelerates and accumulates a charged particle beam described in this embodiment. Refers to an accelerator that accelerates while orbiting.

第 1 図において、制御装置 2 からの指示に従って前段加速器 3 は 500 〔M e V〕で 7 〔 A〕の水素の正イオン（陽子）のビーム（以下、イオンビームという）を出射する。ここで、電流値が入射時よりも大きくなつているのは、エネルギーの増加に伴って周回周波数が高くなるためであるなお、前段加速器 3 から出射されるイオンビームの粒子数密度分布（すなわち強度分布）は、第 2 図（ a ) に示すようなガウス分布となっている。前段加速器 3 から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系を介してシンクロトロン 1 の入射器 1 0 1 に導かれ、入射器 1 0 1 によってシンクロトロン 1 に入射される。 In FIG. 1, the pre-accelerator 3 emits a 7 [A] hydrogen positive ion (proton) beam (hereinafter referred to as an ion beam) at 500 [MeV] according to an instruction from the controller 2. Here, the reason why the current value is larger than that at the time of incidence is that the orbital frequency increases as the energy increases.The particle number density distribution of the ion beam emitted from the pre-accelerator 3 (That is, the intensity distribution) has a Gaussian distribution as shown in Fig. 2 (a). The ion beam emitted from the pre-accelerator 3 is guided to the injector 101 of the synchrotron 1 via the beam transport system, and is incident on the synchrotron 1 by the injector 101. Is done.

シンクロトロン 1 は、イオンビームをシンクロトロン 1 に入射する入射器 1 0 1 の他に、入射されたイオンビームの軌道を予め設定された設計軌道に合わせるパルス電磁石 1 0 2 , イオンビームが設計軌道に沿つて周回するようにイオンビームを偏向する偏向電磁石 1 0 3 , イオンビームのチューン（シンクロトロンを 1 周する間のベータトロン振動数）を制御する四極発散電磁石 1 0 4 a と四極収束電磁石 1 0 4 b ，イオンビームに高周波の磁場及び電場（以下、高周波電磁場という）を印加してイオンのベータトロン振動振幅を変化させる高周波印加装置 1 0 5 a 1 0 5 b ，イオンビームにエネルギーを与えて加速する高周波加速空胴 1 0 6 ，イオンのチューンをベータトロン振動振幅に応じて変化させる八極電磁石 1 0 7 ，イオンビームを設計軌道から離すパルス電磁石 108，イオンビームをシンクロトロン 1 から出射する出射器 1 0 9 を有する。制御装置 2 は、シンクロトロン 1 にイオンビームが入射されるのに合わせて、イオンビームがシンクロトロン 1 を安定に周回できるようにパルス電磁石 1 0 2 ，偏向電磁石 1 0 3 ，四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b を制御する。具体的には、制御装置 2 は、パルス電磁石 1 0 2 の電源装置 5 a に対し、入射されたイオンビームの軌道を設計軌道に合わせるのにパルス電磁石 1 0 2 で必要とされる電流値を指示する。電源装置 5 aは、指示された値の電流をパルス電磁石 1 0 2 に供給する。電流が供給されたパルス電磁石 1 0 2 は電流の値に応じた磁場を発生し、その磁場によってイオンビームの軌道が設計軌道に合わせられる。 The synchrotron 1 is a pulsed electromagnet that adjusts the trajectory of the incident ion beam to a predetermined design trajectory, in addition to the injector 100 1 for inputting the ion beam to the synchrotron 1. , Bending electromagnet 103 that deflects the ion beam so that the ion beam orbits along the design trajectory, controls the ion beam tune (betatron frequency during one orbit around the synchrotron) A quadrupole diverging electromagnet 104a and a quadrupole focusing electromagnet 104b, a high-frequency application device that changes the betatron oscillation amplitude of ions by applying a high-frequency magnetic field and an electric field (hereinafter referred to as a high-frequency electromagnetic field) to the ion beam 1 0 5 a 1 0 5 b, high-frequency accelerating cavity 10 6 for applying energy to ion beam for acceleration, octopole electromagnet 1 0 7 for changing ion tune according to beta-tron oscillation amplitude, Pulse electromagnet 108 separating the Onbimu from the design orbit, with the exit device 1 0 9 for emitting an ion beam from the sink B collected by filtration down 1. The control device 2 controls the pulse electromagnet 102, the deflection electromagnet 103, and the quadrupole so that the ion beam can orbit the synchrotron 1 as the ion beam is incident on the synchrotron 1. The diverging electromagnet 104a and the quadrupole focusing electromagnet 104b are controlled. Specifically, the control device 2 sends a current value required by the pulsed electromagnet 102 to the power supply device 5a of the pulsed electromagnet 102 to adjust the trajectory of the incident ion beam to the design trajectory. Instruct. The power supply 5a supplies a current of the indicated value to the pulse electromagnet 102. The pulsed electromagnet 102 to which the current is supplied generates a magnetic field according to the value of the current, and the trajectory of the ion beam is adjusted to the design trajectory by the magnetic field.

また、制御装置 2 は、シンクロトロン 1 に入射されたイオンビームのエネルギー（ 5 0 0 〔M e V〕）に応じて、偏向電磁石 1 0 3 に供給する電流の値を電源装置 5 b に指示する。電源装置 5 b は、制御装置 2 から指示された値の電流を偏向電磁石 1 0 3 に供給し、偏向電磁石 1 0 3 は、電源装置 5 b より供給された電流に応じて磁場を発生する。なお、第 1 図では、電源装置 5 b から 1 つの偏向電磁石 1 0 3 にのみ電流が供給されているように示しているが、その他の偏向電磁石 1 0 3 にも同じ電流が供給される。また、偏向電磁石 1 0 3以外の電磁石についても同様に、同一符号の電磁石には同じ電流が供給される。シンクロトロン 1 に入射されたイオンビームは、偏向電磁石 1 0 3 により軌道が曲げられて、設計軌道上を周回する。 In addition, the control device 2 determines the value of the current supplied to the bending electromagnet 103 according to the energy (500 [MeV]) of the ion beam incident on the synchrotron 1. Instruct b. The power supply device 5b supplies a current having a value specified by the control device 2 to the bending electromagnet 103, and the bending electromagnet 103 generates a magnetic field according to the current supplied from the power supply device 5b. . Although FIG. 1 shows that the current is supplied from the power supply device 5b to only one bending electromagnet 103, the same current is also supplied to the other bending electromagnets 103. Is done. Similarly, the same current is supplied to the electromagnets other than the bending electromagnet 103 to the electromagnets having the same reference numerals. The trajectory of the ion beam incident on the synchrotron 1 is bent by the bending electromagnet 103, and orbits the designed trajectory.

更に、制御装置 2 は、四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収朿電磁石 1 0 4 b に供給する電流の値を電源装置 5 c ， 5 d に指示する。電源装置 5 c， 5 dは、制御装置 2 から指示された値の電流を四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b にそれぞれ供給し、四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b は、電源装置 5 c ， 5 d より供給された電流に応じて磁場を発生する。なお、四極発散電磁石 1 0 4 a は、水平方向にイオンビームを収束させて垂直方向にイオンビームを発散させるようにイオンビームの軌道勾配を変える電磁石であり、四極収束電磁石 1 0 4 b は、水平方向にイオンビームを発散させて垂直方向にイオンビームを収束させるようにイオンビームの軌道勾配を変える電磁石である。このような四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 104b によリイオンビームのチューンは制御される。入射と加速の過程でィォンビームを安定に周回させるには、イオンビームのチューンを共鳴が生じない値にしておく必要があり、特に整数共鳴， 2次共鳴及び 3 次共鳴を起こすチューンからは離しておく必要がある。本実施例では、水平方向チューンリ X及び垂直方向チューンが共に 1 . 2 5 になるように四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b の励磁量を制御装置 2及び電源装置 5 c ， 5 d により制御する。なお、本実施例において . 水平方向とはシンクロトロン 1 におけるイオンビームの周回面に水平でかつイオンビームの進行方向に垂直な方向をいい、垂直方向とはシンク口トロン 1 におけるイオンビームの周回面に垂直でかつイオンビームの進行方向に垂直な方向をいう。 Further, the control device 2 instructs the power supply devices 5c and 5d to supply a current value to be supplied to the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole collecting electromagnet 104b. The power supply devices 5c and 5d supply the current of the value specified by the control device 2 to the quadrupole diverging electromagnets 104a and 104b, respectively. The stone 104a and the quadrupole focusing electromagnet 104b generate a magnetic field in accordance with the current supplied from the power supply devices 5c and 5d. The quadrupole diverging electromagnet 104 a is an electromagnet that changes the trajectory gradient of the ion beam so as to converge the ion beam in the horizontal direction and diverge the ion beam in the vertical direction. 4 b is an electromagnetic stone that changes the orbit gradient of the ion beam so that the ion beam diverges in the horizontal direction and converges in the vertical direction. The tune of the ion beam is controlled by the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole focusing electromagnet 104b. In order to stably circulate the ion beam during the process of incidence and acceleration, the ion beam must be tuned to a value that does not cause resonance. In particular, integer resonance, secondary resonance, and tertiary resonance occur. It must be kept away from tune. In the present embodiment, the amount of excitation of the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole converging electromagnet 104b is controlled so that both the horizontal tune X and the vertical tune become 1.25. It is controlled by power supply units 5c and 5d. In this embodiment, the horizontal direction refers to a direction that is horizontal to the orbital surface of the ion beam in the synchrotron 1 and is perpendicular to the traveling direction of the ion beam, and the vertical direction refers to the ion beam in the synchrotron 1. Refers to the direction perpendicular to the orbital plane and perpendicular to the traveling direction of the ion beam.

本実施例では、多重回転入射法を用いてイオンビームをシンクロトロン 1 に入射する。そのために、パルス電磁石 1 0 2 に供給する電流を、時間の経過と共に減少するように制御する。つまり、パルス電磁石 102 から発せられる磁場の強度を徐々に弱くしていくことにより、水平方向におけるイオンビームの位置をずらしながら、イオンビームをシンクロトロン 1 に入射していく。そのことにより、シンクロトロン 1 において周回するイオンビームの径は水平方向に広がり、また水平方向の粒子数密度分布は垂直方向の粒子数密度分布に比べて若干平坦な分布となる。なお、本実施例のシンクロトロン 1 では、イオンビームの電流値が 5 〔 A〕となるまでイオンビームの入射を継続する。 In this embodiment, the ion beam is incident on the synchrotron 1 using the multiple rotation incidence method. For this purpose, the current supplied to the pulse electromagnet 102 is controlled so as to decrease with time. That is, by gradually decreasing the intensity of the magnetic field generated from the pulse electromagnet 102, the ion beam is incident on the synchrotron 1 while shifting the position of the ion beam in the horizontal direction. As a result, the diameter of the orbiting ion beam in the synchrotron 1 expands in the horizontal direction, and the number of particles in the horizontal direction increases. The density distribution is slightly flatter than the particle number density distribution in the vertical direction. In the synchrotron 1 of the present embodiment, the incidence of the ion beam is continued until the current value of the ion beam becomes 5 [A].

以上説明したパルス電磁石 1 0 2 ，偏向電磁石 1 0 3 ，四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b に供給する電流値については、予め計算若しくは実験によリ適切な値を求めておき、各電流値のバタ一ンを制御装置 2 内のメモリ（図示せず）に記憶させておく。 The current values supplied to the pulse electromagnet 102, the bending electromagnet 103, the quadrupole diverging magnet 104a, and the quadrupole converging electromagnet 104b described above may be determined in advance by calculation or experiment. The values of the current values are determined in advance, and the pattern of each current value is stored in a memory (not shown) in the control device 2.

以上のようにして、シンクロトロン 1 に 5 0 0 〔M e V〕で 5 〔A〕のィオンビームが入射されると、イオンビームには空間電荷効果が生じ、ィオンビームのチューンが変化する。第 2 図（ b ) は、イオンの垂直方向のペータトロン振動振幅の大きさとチューンとの関係を示す。第 2 図 ( b ) に示されるように、空間電荷効果によリベ一タトロン振動振幅の小さなイオンほどチューンが低下する。これは、第 2 図（ a ) に示すように垂直方向におけるイオンビームの粒子数密度分布がガウス分布をしているために、イオンビームの中心に近いほど粒子数密度が高く（電流が大きく）、空間電荷効果の影響が大きくなるからである。このようなチューンの低下によリイオンのチューンが 1 . 0 になると、整数共鳴によってイオンのベータトロン振動振幅が急激に増加し、ベータトロン振動振幅が増加したイオンはイオンビームの通路である真空ダクトに衝突して消滅してしまう。なお、水平方向においては、多重回転入射法を用いたことにより粒子数密度分布が垂直方向に比べて若干平坦化されているが、垂直方向と同様に空間電荷効果によるチューンの低下が発生する _c 上述のような空間電荷効果に起因するイオンビームの損失をなくすために、本実施例では、高周波印加装置 1 0 5 a によってイオンビームに垂直方向の高周波電磁場を印加し、高周波印加装置 1 0 5 b によってィオンビームに水平方向の高周波電磁場を印加する。 As described above, when a 5 [A] ion beam is incident on the synchrotron 1 at 500 [MeV], a space charge effect occurs in the ion beam, and the ion beam tunes. Change. Fig. 2 (b) shows the relationship between the magnitude of the petatron oscillation amplitude in the vertical direction of the ions and the tune. As shown in Fig. 2 (b), the tune decreases as the ionizer oscillation amplitude becomes smaller due to the space charge effect. This is because, as shown in Fig. 2 (a), the particle number density distribution of the ion beam in the vertical direction has a Gaussian distribution, so that the particle number density becomes higher near the center of the ion beam (the current increases. This is because the effect of the space charge effect increases. When the tune of the ion becomes 1.0 due to such a decrease in the tune, the beta-tron oscillation amplitude of the ion sharply increases due to the integer resonance, and the ion having the increased beta-tron oscillation amplitude becomes an ion beam. It collides with the vacuum duct, which is the passage of the building, and disappears. In the horizontal direction, the particle number density distribution is slightly flattened compared to the vertical direction due to the use of the multiple rotation incidence method, but the tune decreases due to the space charge effect as in the vertical direction. to but because Star rather Na loss Lee Onbimu due to _c above Yo I Do space charge effects occurring, in this embodiment, the high-frequency applying device 1 0 5 vertical high frequency to the ion beam I by the a Apply an electromagnetic field, and use a high-frequency A high frequency electromagnetic field in the horizontal direction is applied to the on-beam.

まずは、高周波印加装置 1 0 5 aによる垂直方向の高周波電磁場の印加方法について説明する。第 3図は、高周波印加装置 1 0 5 aと、高周波印加装置 1 0 5 aを制御するための制御装置 2の構成を示す。第 3図において、まず高周波信号制御部 2 1 aが、周波数スぺクトル発生部 2 2 aに対して周波数帯域の最小値 f y aと最大値 f y b とを指示する , この最小値 f y a及び最大値 ί y b について説明する。 First, a method of applying a high-frequency electromagnetic field in the vertical direction by the high-frequency application device 105a will be described. FIG. 3 shows a configuration of a high-frequency application device 105a and a control device 2 for controlling the high-frequency application device 105a. In FIG. 3, first, the high-frequency signal controller 21a instructs the frequency spectrum generator 22a with the minimum value fya and the maximum value fyb of the frequency band. ί yb will be described.

第 2図に示すように、垂直方向においてベータトロン振動振幅が最大 As shown in Fig. 2, the amplitude of the betatron oscillation in the vertical direction is

( y b ) であるイオンのチューンがリ bであるとすると、そのイオンのベータトロン振動の周波数を最大値 f y b とする。最大値 f y bは、If the tune of an ion (y b) is ri b, the frequency of the betatron oscillation of that ion is set to the maximum value f y b. The maximum value f y b is

(数 1 ) で表わされる。 (Equation 1).

f y b = f r e v - v b … （数 1 ) なお、 f r e vはイオンの周回周波数である。このように、最大のベータトロン振動振幅を有するイオンのベータトロン振動の周波数を、最大値 f y b として設定する。また、最小値 f y aとしては、垂直方向においてイオンビームの中心に位置するイオンのチューンリ 0 よリも小さな値 aに周回周波数 f r e vを乗算して求められる周波数を設定する周波数スぺクトル発生部 2 2 aは、高周波信号制御部 2 1 _aから与えられた最小値 f y aから最大値 f y b までの周波数帯域を有する周波数スペクトルを逆フーリエ変換部 2 3 a (逆丁部 2 3 ）に出力する逆 F F T部 2 3 aは、入力された周波数スぺクトルから逆フーリエ変換によりディジタルの時間領域信号を得る。なお、逆フーリエ変換により時間領域信号を得る際には、各周波数スぺクトル間の位相をランダムに設定する。得られた時間領域信号はディジタルノアナログ変換部 2 4 afyb = frev-vb (Equation 1) where frev is the orbital frequency of the ion. In this way, the frequency of the betatron oscillation of the ion having the largest betatron oscillation amplitude is set as the maximum value fyb. The minimum value fya is a frequency that sets a frequency obtained by multiplying the value a smaller than the tune 0 of the ion positioned at the center of the ion beam in the vertical direction by the revolving frequency frev. spectral generator 2 2 a high-frequency signal controller 2 1 minimum given from _a value fya inverse Fourier transform unit 2 3 frequency spectrum having a frequency band up to a maximum fyb from a (reverse Ding The inverse FFT unit 23a output to the unit 23) obtains a digital time-domain signal from the input frequency spectrum by inverse Fourier transform. When a time-domain signal is obtained by the inverse Fourier transform, the phase between each frequency spectrum is set at random. The obtained time-domain signal is converted to a digital-to-analog converter 24 a

( 0/ 変換部 2 4 & ) に入力され、 0 / 変換部 2 4 &は、ディジタルの時間領域信号をアナログの高周波信号に変換する。 D / A変換部 2 4 aから出力された高周波信号は高周波印加装置 1 0 5 aの増幅器 3 1 に入力され、増幅器 3 1 は、高周波制御部 2 1 aから与えられる増幅率指示値に従って高周波信号を増幅する。増幅器 3 1 で増幅された高周波信号は、ビームの通路である真空ダクト内において垂直方向に並べられた 2つの電極 3 2 a ， 3 2 b に印加される。高周波信号が印加された電極 3 2 a , 3 2 b は、その高周波信号と同じ周波数成分を有する垂直方向の高周波電磁場を発生し、発生した高周波電磁場は真空ダクト内を通過するイオンビームに印加される。 (0 / conversion unit 24 &), and 0 / conversion unit 24 & To convert analog time domain signals into analog high frequency signals. The high-frequency signal output from the D / A conversion unit 24a is input to the amplifier 31 of the high-frequency application device 105a, and the amplifier 31 operates according to the amplification factor indicated by the high-frequency control unit 21a. Amplify high frequency signals. The high-frequency signal amplified by the amplifier 31 is applied to two vertically arranged electrodes 32a and 32b in a vacuum duct which is a beam path. The electrodes 32a and 32b to which the high-frequency signal is applied generate a vertical high-frequency electromagnetic field having the same frequency component as the high-frequency signal, and the generated high-frequency electromagnetic field is an ion beam that passes through the vacuum duct. Is applied to

この高周波電磁場には、イオンビームのベータトロン振動の周波数成分が含まれているため、高周波電磁場が印加されたイオンビームは軌道勾配が変化し、ペータトロン振動振幅が変化する。なお、逆 F F T部 2 3 a において、各周波数スぺクトル間の位相差をランダムにしたためベータトロン振動振幅の変化の方向（ベータトロン振動振幅が増加するのか減少するのか）は、各イオン毎に異なる。ベータトロン振動振幅が変化したイオンは、第 2 図（ b ) のベータトロン振動振幅とチューンとの関係に従って、チューンも変化する。このベータトロン振動振幅の変化とチューンの変化を繰り返すことによって、イオンビームの粒子数密度分布は第 4図に示すように垂直方向において平坦化される。本実施例の場合、ビーム中心からビーム半径の ± 3 0 %の範囲で粒子数密度の誤差を ± 4 〜 5 %程度に制御できることが確かめられた。 Since this high-frequency electromagnetic field contains the frequency component of the betatron oscillation of the ion beam, the orbit gradient of the ion beam to which the high-frequency electromagnetic field is applied changes, and the Petertron oscillation amplitude changes. In the inverse FFT section 23a, the phase difference between the frequency spectra is randomized, so the direction of the change in the betatron oscillation amplitude (whether the betatron oscillation amplitude increases or decreases) is Different for each ion. The tune of the ion whose betatron oscillation amplitude has changed also changes in accordance with the relationship between the betatron oscillation amplitude and the tune in Fig. 2 (b). By repeating the change of the betatron oscillation amplitude and the change of the tune, the particle number density distribution of the ion beam is flattened in the vertical direction as shown in FIG. In the case of this example, it was confirmed that the error of the particle number density could be controlled to about ± 4 to 5% within a range of ± 30% of the beam radius from the beam center.

次に、高周波印加装置 1 0 5 b による水平方向の高周波電磁場の印加方法について説明する。第 5 図は、高周波印加装置 1 0 5 b と、高周波印加装置 1 0 5 b を制御するための制御装置 2 の構成を示す。第 5 図において、まず高周波信号制御部 2 1 b 力^ 周波数スぺクトル発生部 22 b に対して周波数帯域の最小値 f X a と最大値 f X b を指示する。この最小値 f X a及び最大値 f X b の決定方法は、垂直方向における最小値 f y a及び最大値 f y b の場合と同様に、水平方向において最大のベータトロン振動振幅を有するイオンのペータトロン振動の周波数を最大値 f X b として設定し、最小値 X a としては水平方向においてイオンビームの中心に位置するイオンのチューンよりも小さな値に周回周波数 f r e v を乗算して求められる周波数を設定する。 Next, a method of applying a high-frequency electromagnetic field in the horizontal direction by the high-frequency application device 105b will be described. FIG. 5 shows the configuration of a high-frequency application device 105b and a control device 2 for controlling the high-frequency application device 105b. In FIG. 5, first, the high-frequency signal control unit 21b, the power frequency spectrum generation unit 22b , The minimum value f X a and the maximum value f X b of the frequency band are specified. The method for determining the minimum value f Xa and the maximum value f Xb is similar to the case of the minimum value fya and the maximum value fyb in the vertical direction. The frequency of the vibration of the ton is set as the maximum value fXb, and the minimum value Xa is multiplied by the frequency frev that is smaller than the tune of the ion located at the center of the ion beam in the horizontal direction. And set the required frequency.

周波数スペクトル発生部 2 2 b ，逆 F F T部 2 3 b 、及び D Z A変換部 2 4 b の動作は、垂直方向における周波数スぺクトル発生部 2 2 a , 逆 F F T部 2 3 a、及び0 /八変換部 2 4 a と同様であり、 D Z A変換部 2 4 b から出力された高周波信号は高周波印加装置 1 0 5 b の増幅器 3 3 に入力される。増幅器 3 3 は、高周波制御部 2 1 b から与えられる増幅率指示値に従って高周波信号を増幅する。増幅器 3 3 で増幅された高周波信号は、ビームの通路である真空ダク卜内に水平方向に並べられた 2 つの電極 3 4 a , 3 4 b に印加される。高周波信号が印加された電極 3 4 a , 3 4 b は、その高周波信号と同じ周波数成分を有する水平方向の高周波電磁場を発生し、発生した高周波電磁場は真空ダクト内を通過するイオンビームに印加される。 The operations of the frequency spectrum generating section 22b, the inverse FFT section 23b, and the DZA converting section 24b are performed in the vertical frequency spectrum generating section 22a, the inverse FFT section 23a, and 0 In the same manner as in the / 8 conversion unit 24a, the high-frequency signal output from the DZA conversion unit 24b is input to the amplifier 33 of the high-frequency application device 105b. The amplifier 33 amplifies the high-frequency signal in accordance with the amplification factor indication value provided from the high-frequency control unit 21b. The high-frequency signal amplified by the amplifier 33 is applied to two electrodes 34a and 34b arranged in a horizontal direction in a vacuum duct which is a beam path. The electrodes 34a and 34b to which the high-frequency signal is applied generate a horizontal high-frequency electromagnetic field having the same frequency component as the high-frequency signal, and the generated high-frequency electromagnetic field passes through the vacuum duct. Applied to the ion beam.

この高周波電磁場には、水平方向におけるイオンビームのベータトロン振動の周波数成分が含まれているため、高周波電磁場が印加されたィオンは水平方向における軌道勾配が変化し、ベータトロン振動振幅が変化する。ペータトロン振動振幅が変化したイオンは、チューンも変化しこのべ一タトロン振動振幅の変化とチューンの変化を繰り返すことによつて、イオンビームの水平方向における粒子数密度分布は垂直方向と同様に平坦化される。このように、垂直方向及び水平方向におけるイオンビームの粒子数密度分布を平坦化することによって、イオンビームの中心部付近における粒子数密度が低下し、空間電荷効果によるチューンの低下が抑制されるので、共鳴によってイオンのペータ卜ロン振動振幅が増加するのを防ぐことができる。よって、イオンビームの損失を低減することができる。なお、本実施例では、高周波信号制御部 2 1 a， 2 1 b から増幅器 3 1 ， 3 3 に対して増幅率指示値を出力しているが、この増幅率指示値を高くするほどイオンビームに印加される高周波電磁場の強度が強くなリ、イオンビームの粒子数密度分布の平坦化をよリ早く行うことができる。逆に、増幅率指示値を低くして、高周波電磁場の強度を弱くすると . 粒子数密度分布の平坦化をゆつくりと行うことができる。このように、高周波信号制御部 2 1 a， 2 l b から増幅器 3 1 ， 3 3 に与える増幅率指示値を制御することによリ、イオンビームに印加する高周波電磁場の強度を制御して、粒子数密度分布の平坦化の速度を制御することができる。 Since this high-frequency electromagnetic field contains the frequency component of the betatron oscillation of the ion beam in the horizontal direction, the ion to which the high-frequency electromagnetic field is applied changes the orbit gradient in the horizontal direction, and the betatron oscillation amplitude decreases. Change. The ion with the changed petatron oscillation amplitude also changes the tune, and by repeating the change of the betatron oscillation amplitude and the change of the tune, the particle number density distribution in the horizontal direction of the ion beam is the same as that in the vertical direction. Is flattened as follows. In this way, by flattening the particle number density distribution of the ion beam in the vertical and horizontal directions, the particle number density near the center of the ion beam is reduced, and the decrease in tune due to the space charge effect is suppressed. Therefore, it is possible to prevent an increase in the petatron oscillation amplitude of ions due to resonance. Therefore, the loss of the ion beam can be reduced. In this embodiment, the high-frequency signal control sections 21a and 21b output the amplification rate indication values to the amplifiers 31 and 33, but the higher the amplification rate indication value, the more the ion beam is output. The intensity of the high-frequency electromagnetic field applied to the ion beam can be increased, and the particle number density distribution of the ion beam can be flattened more quickly. Conversely, if the amplification factor indication value is lowered and the intensity of the high-frequency electromagnetic field is reduced, the particle number density distribution can be flattened slowly. In this way, by controlling the amplification factor indication value given to the amplifiers 31 and 33 from the high-frequency signal control units 21a and 2lb, the intensity of the high-frequency electromagnetic field applied to the ion beam can be controlled. In addition, the rate of flattening of the particle number density distribution can be controlled.

また、本実施例では、イオンビームの入射が完全に終了してから粒子数密度分布の平坦化を行うように説明しているが、イオンビームの入射を行う前から高周波電磁場を印加しておくことが望ましい。 In this embodiment, the description is made such that the particle number density distribution is flattened after the ion beam is completely incident.However, a high-frequency electromagnetic field is applied before the ion beam is incident. It is desirable to keep it.

イオンビームの粒子数密度分布が平坦化されたら、高周波印加装置 1 0 5 a , 1 0 5 b からの高周波電磁場の印加を停止する。この状態でイオンビームはシンクロトロン 1 内を安定に周回する。その過程で高周波加速空胴 1 ◦ 6 からイオンビームに高周波電場を印加することによりイオンビームにエネルギーが与えられ、イオンビームは加速される。高周波加速空胴 1 0 6 からイオンビームに印加される高周波電場の周波数は、周回するイオンビームのベータ卜ロン振動周波数の整数倍に設定される。なお、この高周波加速空胴 1 0 6 には、制御装置 2 により指示された値の電流が電源 5 e から供給される。 When the particle number density distribution of the ion beam is flattened, the application of the high-frequency electromagnetic field from the high-frequency application devices 105a and 105b is stopped. In this state, the ion beam stably circulates in synchrotron 1. In the process, energy is given to the ion beam by applying a high-frequency electric field to the ion beam from the high-frequency accelerating cavity 1◦6, and the ion beam is accelerated. The frequency of the high-frequency electric field applied to the ion beam from the high-frequency accelerating cavity 106 is set to an integral multiple of the betatron oscillation frequency of the orbiting ion beam. It is. The high-frequency accelerating cavity 106 is supplied with a current of a value specified by the control device 2 from a power supply 5e.

また、高周波加速空胴 1 0 6 によリビームを加速するときには、偏向電磁石 1 0 3 ，四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b 各々の磁場強度比を一定に保ちつつ磁場強度を増加させる。そのことによリ、周回するイオンビームのエネルギーが上昇しても、チューンが設定された値からずれることなく、またイオンビームの軌道が設計軌道からはずれないため、イオンビームを安定に周回させることができる。 When the beam is accelerated by the high-frequency accelerating cavity 106, the ratio of the magnetic field intensity of the bending electromagnet 103, the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole converging electromagnet 104b is kept constant. While increasing the magnetic field strength. As a result, even if the energy of the circulating ion beam increases, the tune does not deviate from the set value and the trajectory of the ion beam does not deviate from the design trajectory, so that the ion beam circulates stably. be able to.

シンクロトロン 1 内を周回するイオンビームのエネルギーが、ォペレ —タが制御装置 2 に入力した目標エネルギー（本実施例では 2 . 5 〔GeV〕）まで増加したら、高周波加速空胴 1 0 6 によるビームへのエネルギーの付与を停止する。このようにイオンビームを加速すると、平坦であったイオンビームの粒子数密度分布はガウス分布に戻ってしまうと言われている。そこで、再度、粒子数密度分布の平坦化を行う必要がある。しかしながら、加速後のイオンビームのエネルギーは 5 〔 G e V〕に達しておリ、空間電荷効果によるチューンの低下は殆ど起こらないため、この状態で前述のように高周波電磁場をイオンビームに印加したとしても、粒子数密度分布の平坦化を行うことはできない。 When the energy of the ion beam circulating in the synchrotron 1 increases to the target energy (2.5 [GeV] in this embodiment) input by the operator to the controller 2, the high-frequency accelerating cavity 1 Stop applying energy to the beam by 0 6. It is said that when the ion beam is accelerated in this way, the particle number density distribution of the flat ion beam returns to a Gaussian distribution. Therefore, it is necessary to flatten the particle number density distribution again. However, the energy of the ion beam after acceleration reaches 5 [GeV], and there is almost no decrease in tune due to the space charge effect. In this state, the high-frequency electromagnetic field is generated as described above. Even when applied to an ion beam, it is not possible to flatten the particle number density distribution.

そこで、本実施例では、八極電磁石 1 0 7 によリイオンビームに八極磁場を印加することによって、イオンビームのチューンをべ一タトロン振動振幅に応じて変化させる。そのために、まず制御装置 2 から電源装置 5 f に対して電流指令を出力する。電源装置 5 f は指示された値の電流を八極電磁石 1 0 7 に対して出力する。八極電磁石 1 0 7 は、供給された電流に応じた八極磁場を発生し、イオンビームに印加する。八極電磁石 1 0 7 によって発せられる八極磁場は、イオンビームの軌道勾配を変化させるが、イオンのベータトロン振動振幅が大きいほど軌道勾配の変化量が大きくなるように作用するため、八極磁場が印加されたイオンビームのチューンは、第 2 図（ b ) に示すようにベータトロン振動振幅に応じて変化する。つまり、イオンビームに対して空間電荷効果と同様に作用する。なお、八極磁場によるイオンビームのチューンの変化を効率良く行うために、本実施例のシンクロトロン 1 では八極電磁石 1 0 7 を四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b に隣接させて配置している。つまり、シンクロトロン 1 において、四極発散電磁石 104a ではイオンビームの垂直方向のビーム径が最大となっているので、四極発散電磁石 1 0 4 aの隣に配置された八極電磁石 1 0 7 によリ、イオンビームの垂直方向のチューンを効率良く変化させることができ、逆に、四極収束電磁石 1 0 4 b ではイオンビームの水平方向のビ一ム径が最大となるので、四極収束電磁石 1 0 4 aの隣に配置された八極電磁石 107 によリ、イオンビームの水平方向のチューンを効率良く変化させることができる。 Therefore, in this embodiment, the tune of the ion beam is changed in accordance with the oscillation amplitude of the betatron by applying an octopole magnetic field to the ion beam by the octopole electromagnet 107. For this purpose, first, a current command is output from the control device 2 to the power supply device 5f. The power supply 5f outputs a current of the indicated value to the octopole magnet 107. The octopole electromagnet 107 generates an octopole magnetic field corresponding to the supplied current and applies it to the ion beam. The octopole magnetic field generated by the octopole magnet 107 changes the orbit gradient of the ion beam. The tune of the ion beam to which the octopole magnetic field is applied is tuned as shown in Fig. 2 (b), since the larger the betatron oscillation amplitude of the ions, the larger the change in the orbital gradient. As shown, it changes according to the amplitude of the betatron oscillation. That is, it acts on the ion beam in the same manner as the space charge effect. In order to efficiently change the tune of the ion beam due to the octopole magnetic field, in the synchrotron 1 of this embodiment, the octopole electromagnet 107 is replaced by the quadrupole diverging electromagnet 104 a and the quadrupole converging electromagnet 100. It is located adjacent to 4b. That is, in the synchrotron 1, the quadrupole diverging electromagnet 104a has the largest beam diameter in the vertical direction of the ion beam, so that the octopole electromagnet 104 arranged next to the quadrupole diverging electromagnet 104a is used. Thus, the tune of the ion beam in the vertical direction can be changed efficiently, and conversely, the quadrupole focusing electromagnet 104 b has the maximum beam diameter in the horizontal direction of the ion beam, so the quadrupole focusing With the octopole electromagnet 107 arranged next to the electromagnet 104a, the tune of the ion beam in the horizontal direction can be changed efficiently.

上述のようにして、八極電磁石 1 0 7 によリイオンビームのチューンを変化させると共に、再び高周波印加装置 1 0 5 a によってイオンビームに垂直方向の高周波電磁場を印加する。なお、高周波信号制御部 21 a から周波数スぺクトル発生部 2 2 a に出力する周波数帯域の最小値 fy a 及び最大値 f y b の決定方法については、第 2 図（ b ) を用いて説明した加速前の平坦化の場合と同様であるので、詳細な説明は省略するが、加速前よリもイオンビームのエネルギーが高くなっているので、 f r e v が大きく、そのため最小値 f y a ，最大値 f y b共に加速前の平坦化のときよりも大きくなる。この高周波電磁場の印加により、ベータトロン振動振幅の変化とチューンの変化が繰返し起こリ、再びイオンビームの粒子数密度分布が平坦化される。また、水平方向についても垂直方向と同様に、高周波印加装置 1 0 5 b により高周波電磁場を印加して、再度イオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行う。 As described above, the tune of the ion beam is changed by the octopole electromagnet 107, and the high-frequency electromagnetic field in the vertical direction is again applied to the ion beam by the high-frequency application device 105a. The method of determining the minimum value fya and the maximum value fyb of the frequency band output from the high-frequency signal control unit 21a to the frequency spectrum generation unit 22a has been described with reference to FIG. 2 (b). The detailed description is omitted because it is the same as the case of the flattening before acceleration. However, since the energy of the ion beam is higher than before acceleration, frev is large, and therefore the minimum value fya and the maximum value Both fyb are larger than before flattening before acceleration. By the application of this high-frequency electromagnetic field, changes in the amplitude of the betatron oscillation and changes in the tune occur repeatedly, and again the ion beam The particle number density distribution is flattened. In the horizontal direction, similarly to the vertical direction, a high-frequency electromagnetic field is applied by the high-frequency application device 105b to flatten the particle number density distribution of the ion beam again.

イオンビームの粒子数密度分布が平坦化されたら、高周波印加装置 1 0 5 a , 1 0 5 b からの高周波電磁場の印加を停止し、また八極電磁石 1 0 7 からの八極磁場の印加を停止する。次に、パルス電磁石 1 0 8 に対して電源装置 5 gから電流を供給し、パルス電磁石 1 0 8 から発せられる磁場によリイオンビームの軌道を設計軌道からシンクロトロン 1 の外側方向にずらしていく。そしてイオンビームを出射器 1 0 9 に導き出射器 1 0 9 によリイオンビームをシンクロトロン 1 から出射する。シンクロトロン 1 から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系を介して照射室 4 に輸送され、照射室 4 に配置された照射装置（図示せず）によりタングステンに照射される。タングステンはイオンビームが照射されると中性子を発生するが、このタングステンから発生する中性子の強度は照射されるイオンビームの強度（粒子数密度）に依存するため、本実施例のように粒子数密度分布が平坦化されたイオンビームをタングステンに照射することによリ、強度分布の平坦な中性子を得ることができる。 When the particle number density distribution of the ion beam is flattened, the application of the high-frequency electromagnetic field from the high-frequency applying devices 105 a and 105 b is stopped, and the octopole magnetic field from the octopole magnet 107 is removed. Stop the application. Next, a current is supplied to the pulsed electromagnet 108 from the power supply 5 g, and the magnetic field generated from the pulsed electromagnet 108 moves the ion beam trajectory outward from the design trajectory to the outside of the synchrotron 1. I will shift it. Then, the ion beam is guided to the emitter 109 and the ion beam is emitted from the synchrotron 1 by the emitter 109. The ion beam emitted from the synchrotron 1 is transported to the irradiation chamber 4 via a beam transport system, and is irradiated on tungsten by an irradiation device (not shown) arranged in the irradiation chamber 4. You. Tungsten generates neutrons when irradiated with an ion beam, but the intensity of the neutrons generated from the tungsten depends on the intensity (particle number density) of the irradiated ion beam. By irradiating tungsten with an ion beam having a flattened particle number density distribution, neutrons having a flat intensity distribution can be obtained.

以上説明したように、本実施例によれば、空間電荷効果の影響が殆どないような加速後のイオンビームに対しても、八極電磁石 1 0 7 によつてチューンをベータトロン振動振幅に応じて変化させた後、高周波電磁場を印加することで、イオンビームの粒子数密度分布を平坦化することができる。つまり、イオンビームの電流及びエネルギーの値によらず、イオンビームの粒子数密度分布を平坦化することができる。 As described above, according to this embodiment, the tuned beta-tron by the octopole electromagnet 107 can be applied to the ion beam after acceleration, which is hardly affected by the space charge effect. By applying a high-frequency electromagnetic field after changing according to the vibration amplitude, the particle number density distribution of the ion beam can be flattened. That is, the particle number density distribution of the ion beam can be flattened irrespective of the current and energy values of the ion beam.

また、本実施例のように、イオンビームを加速した後に粒子線密度分布の平坦化を行うため、粒子線密度分布が平坦化された状態でイオンビ —ムをシンクロトロン 1 から出射することができる。よって、そのィォンビ一ムをタングステンに照射した場合に、強度分布の平坦な中性子が得られる。 Also, as in this embodiment, after accelerating the ion beam, the particle beam density Since the cloth is flattened, the ion beam can be emitted from the synchrotron 1 in a state where the particle beam density distribution is flattened. Therefore, when the beam is irradiated on tungsten, neutrons with a flat intensity distribution can be obtained.

なお、本実施例では、 5 0 0 〔M e V〕で 5 〔A〕のイオンビームを、 2 . 5 C G e V ] まで加速する例について説明したが、本発明が適用可能なイオンビームのエネルギーや電流は上記の値に限られるものではない例えば、中性子発生に用いられるイオンビームとして一般的な、加速後のエネルギーが 1 〔 G e V〕以上（例えば、 1 〜 2 0 〔 G e V〕）の範囲内で電流が 1 〜 5 0 〔A〕の範囲内であるようなイオンビームを扱うシンクロトロンに対して本発明は有効である。なぜならば、エネルギーが 1 〔G e V〕以上の範囲内で電流が 1 ~ 5 0 〔A〕の範囲内であるようなィォンビームには空間電荷効果によるチューンの変化が起こらないからである。 In this embodiment, an example in which the ion beam of 5 [A] is accelerated at 500 [MeV] to 2.5 CGeV] has been described, but the ion beam to which the present invention can be applied is accelerated. The energy and current are not limited to the above values. For example, the energy after acceleration, which is a general ion beam used for neutron generation, is 1 [GeV] or more (for example, 1 to 20 [G The present invention is effective for a synchrotron that handles an ion beam in which the current is within the range of 1 to 50 [A] within the range of [e V]). This is because the ion beam whose energy is in the range of 1 to 50 [A] and whose energy is in the range of 1 [GeV] or more does not change in tune due to the space charge effect. It is.

また、本実施例では、 5 0 0 〔M e V〕で 5 〔A〕のイオンビームをシンクロトロン 1 に入射して加速を行う前にイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行っているが、シンクロトロン 1 に入射するイオンビームのエネルギーがもっと高いか、若しくは電流が小さいために空間電荷効果によるチューンの変化が発生しないような場合には、イオンビームの加速前にイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行う必要はなく、ィォンビームの加速後にのみイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行えば良い。 In this embodiment, before the ion beam of 500 [A] at 500 [MeV] is incident on the synchrotron 1 and accelerated, the particle number density distribution of the ion beam is flattened. However, if the energy of the ion beam incident on synchrotron 1 is higher or the current is too small to cause a change in tune due to the space charge effect, It is not necessary to flatten the particle number density distribution of the ion beam before accelerating the ion beam, but it is sufficient to flatten the particle number density distribution of the ion beam only after acceleration of the ion beam.

更に、本実施例では、イオンビームを加速する前の粒子数密度分布の平坦化に空間電荷効果によるチューンの変化を利用しているが、八極電磁石 1 0 7 を励磁してチューンを変化させても良い。但し、本実施例のように空間電荷効果を利用した方が八極電磁石 1 0 7 の制御を省くことができ、また八極電磁石に供給する電流も節約できることは言うまでもない。 Furthermore, in this embodiment, the change in tune due to the space charge effect is used to flatten the particle number density distribution before accelerating the ion beam, but the tune is changed by exciting the octupole electromagnet 107. You may let it. However, in this embodiment, It is needless to say that the use of the space charge effect can save the control of the octopole magnet 107 and also reduce the current supplied to the octopole magnet.

(実施例 2 ) (Example 2)

本発明の他の実施例である円形加速器システムについて説明する。なお、本実施例の円形加速器システムは、シンクロトロンからのイオンビ一ムの出射を共鳴を用いて行う点と、シンクロトロンから出射したィォンビームを癌患者の患部に照射して癌治療を行う点で前述の実施例 1 と異なる。以下、実施例 1 と異なる点について主に説明する。 A circular accelerator system according to another embodiment of the present invention will be described. The circular accelerator system according to the present embodiment is characterized in that the ion beam is emitted from the synchrotron using resonance, and that the ion beam emitted from the synchrotron is irradiated to the affected part of the cancer patient. This embodiment differs from the first embodiment in that cancer treatment is performed. Hereinafter, points different from the first embodiment will be mainly described.

第 6 図は、本実施例の円形加速器システムの構成を示す。本実施例の円形加速器システムでは、 3 〔M e V〕のイオンビームをシンクロトロン 1 に 4 0 〔m A〕入射する。本実施例でもイオンビームは多重回転入射法により入射する。また、シンクロトロン 1 にイオンビームを入射してから加速後のイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行うまでのシンクロトロン 1 の運転方法は前述の実施例 1 と同様である。なお、本実施例では、イオンビームを 2 5 0 〔M e V〕まで加速する。 FIG. 6 shows the configuration of the circular accelerator system of the present embodiment. In the circular accelerator system of this embodiment, an ion beam of 3 [MeV] is incident on the synchrotron 1 at 40 [mA]. Also in this embodiment, the ion beam is incident by the multiple rotation incidence method. The operation method of the synchrotron 1 from the injection of the ion beam to the synchrotron 1 to the flattening of the particle number density distribution of the ion beam after acceleration is the same as in the first embodiment. It is. In this embodiment, the ion beam is accelerated to 250 [MeV].

本実施例におけるイオンビームのシンクロトロン 1 からの出射方法について詳細に説明する。加速後のイオンビームの粒子数密度分布の平坦化が終わって、高周波印加装置 1 0 5 a , 1 0 5 b からの高周波電磁場の印加を停止し、また、八極電磁石 1 0 7 からの八極磁場の印加を停止したら、次に、六極電磁石 1 1 1 を励磁すると共に、四極発散電磁石 1 0 4 a及ぴ四極収束電磁石 1 0 4 b の励磁量を変化させる。このとき四極発散電磁石 1 0 4 a及び四極収束電磁石 1 0 4 b からイオンビームに印加される磁場の強度を制御してイオンビームのチューンを 1 . 3 2 に設定すると共に、六極電磁石 1 1 1 からイオンビームに印加する六極磁場の強度を制御して、ベータトロン振動振幅の最も大きなイオンのチユーンが 1 . 3 3 となるように調節する。なお、この六極電磁石 1 1 1 の励磁量は予め計算若しくは実験によリ求めておき、制御装置 2 はその値を六極電磁石 1 1 1 に電流を供給する電源装置 5 h に対して出力する , 次に、高周波印加装置 1 0 5 b によりビームに水平方向の高周波電磁場を印加する。なお、イオンビームに印加する高周波電磁場の周波数帯域は、実施例 1 において説明した粒子数密度分布の平坦化を行うときと同様に、全てのイオンのペータトロン振動周波数が含まれるように設定すれば良い。この高周波電磁場が印加されることによリイオンビームの軌道勾配が変化し、イオンビームのベータ卜ロン振動振幅が増加する。そして、ベータトロン振動振幅の最も大きなイオンのチューンが 1 , 33であるため、チューンが 1 . 3 3 であるイオンのベータトロン振動振幅が増加してチューンが 1 + 1 ノ 3 を超えると、 3 次共鳴によリイオンビームのべ一タトロン振動振幅が急激に増大する。つまり、イオンビームが安定限界をこえることによリペータトロン振動振幅が急激に増加する。ベータトロン振動振幅が増加したイオンビームは出射器 1 0 9 に導かれ出射器 1 0 9 によってシンクロトロン 1 から出射される。上述のようにシンクロトロン 1 において、高周波印加装置 1 0 5 b から高周波電磁場が印加されている間は、イオンビームのベータトロン振動振幅とチューンは絶えず変化しており、チューンが 1 + 1 / 3 を超えたものから順に出射されていく。 The method of extracting the ion beam from the synchrotron 1 in this embodiment will be described in detail. After the flattening of the particle number density distribution of the ion beam after acceleration, the application of the high-frequency electromagnetic field from the high-frequency applying devices 105a and 105b was stopped, and the octupole electromagnet 107 When the application of the octopole magnetic field is stopped, the hexapole electromagnet 111 is excited, and the excitation amounts of the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole converging electromagnet 104b are changed. At this time, the tune of the ion beam is set to 1.32 by controlling the intensity of the magnetic field applied to the ion beam from the quadrupole diverging electromagnet 104a and the quadrupole focusing electromagnet 104b, and the hexapole electromagnet 1 Six poles applied to the ion beam from 1 1 The strength of the magnetic field is controlled so that the ion with the largest betatron oscillation amplitude has a channel of 1.33. The amount of excitation of the hexapole electromagnet 111 is calculated or obtained in advance by experiment, and the controller 2 sends the value to the power supply unit 5 h that supplies current to the hexapole electromagnet 111. Then, a horizontal high-frequency electromagnetic field is applied to the beam by the high-frequency application device 105b. Note that the frequency band of the high-frequency electromagnetic field applied to the ion beam includes the petatron oscillation frequency of all ions as in the case of flattening the particle number density distribution described in the first embodiment. It should be set as follows. The application of this high-frequency electromagnetic field changes the trajectory gradient of the ion beam and increases the amplitude of the betatron oscillation of the ion beam. Since the tune of the ion with the largest betatron oscillation amplitude is 1, 33, the betatron oscillation amplitude of the ion with the tune of 1.33 increases, and the tune exceeds 1 + 1 no3. Then, the beta resonance oscillation amplitude of the ion beam sharply increases due to the third order resonance. In other words, as the ion beam exceeds the stability limit, the amplitude of the repeater-tron oscillation increases sharply. The ion beam having an increased betatron oscillation amplitude is guided to the emitter 109 and is emitted from the synchrotron 1 by the emitter 109. As described above, in the synchrotron 1, while the high-frequency electromagnetic field is being applied from the high-frequency application device 105b, the betatron oscillation amplitude and the tune of the ion beam are constantly changing. Are emitted in order from those exceeding 1 + 1/3.

なお、本実施例では、イオンビームをシンクロトロン 1 から水平方向に取り出すため、高周波印加装置 1 0 5 b によリイオンビームに高周波電磁場を印加しているが、イオンビームをシンクロトロン 1 の垂直方向に取り出す場合には、高周波印加装置 1 0 5 a によってイオンビームに高周波電磁場を印加すれば良い。 In this embodiment, the high-frequency electromagnetic field is applied to the ion beam by the high-frequency application device 105b in order to extract the ion beam in the horizontal direction from the synchrotron 1. When extracting in the vertical direction of the rotor 1, the high-frequency application device 105 a What is necessary is just to apply a high frequency electromagnetic field.

シンクロトロン 1 から出射されたイオンビームはビーム輸送系によリ照射室 4 に導かれ、照射室 4 に設置された照射装置（図示せず）によつて癌患者の患部に照射され、癌治療が行われる。 The ion beam emitted from the synchrotron 1 is guided to the irradiation chamber 4 by the beam transport system, and is irradiated to the affected part of the cancer patient by the irradiation device (not shown) installed in the irradiation chamber 4. The cancer treatment is performed.

本実施例によれば、イオンビームの粒子数密度分布を平坦化した後にイオンビームの出射を行うため、出射の際に印加する高周波電磁場の強度を一定に保つことにより、シンクロトロン 1 から出射されるイオンビームの電流値の変動を抑制することができる。 According to the present embodiment, since the ion beam is emitted after the particle number density distribution of the ion beam is flattened, the intensity of the high-frequency electromagnetic field applied at the time of emission is kept constant. Fluctuations in the current value of the ion beam emitted from the tron 1 can be suppressed.

また、本実施例では、前述の実施例 1 と同様の方法にてイオンビームの粒子数密度分布を平坦化するため、実施例 1 と同様にイオンビームの電流値及びエネルギーによらず、イオンビームの粒子数密度分布を平坦化することができる。 Further, in this embodiment, the particle number density distribution of the ion beam is flattened by the same method as in the first embodiment, and therefore, as in the first embodiment, regardless of the current value and energy of the ion beam. The particle number density distribution of the ion beam can be flattened.

なお、本実施例では、 3 〔M e V〕で 4 0 〔m A〕のイオンビームを、 2 5 0 〔 M e V〕まで加速する例について説明したが、本発明が適用可能なイオンビームのエネルギーや電流は上記の値に限られるものではない例えば、癌治療に用いられるイオンビームとして一般的な、加速後のェネルギ一が 7 0 ~ 2 5 0 〔M e V〕の範囲内で電流が 1 0 〜 1 0 0 〔m A〕の範囲内であるようなイオンビームを扱うシンクロトロンに対して本発明は有効である。なぜならば、エネルギーが 7 0 〜 2 5 0 〔 M e V〕の範囲内で電流が 1 0 〜 1 0 0 〔πι Α〕の範囲内であるようなイオンビームには空間電荷効果によるチューンの変化が起こらないからである。 In the present embodiment, an example in which an ion beam of 40 [mA] is accelerated to 250 [MeV] at 3 [MeV], but an ion beam to which the present invention can be applied is described. The energy and current of the ion beam are not limited to the above values.For example, the energy after acceleration, which is a typical ion beam used for cancer treatment, is in the range of 70 to 250 [MeV]. The present invention is effective for a synchrotron that handles an ion beam in which the current is within the range of 100 to 100 [mA]. This is because the ion beam whose energy is in the range of 70 to 250 [MeV] and the current is in the range of 10 to 100 [πι Α] is not tuned by the space charge effect. No change occurs.

また、本実施例では、 3 〔M e V〕で 4 0 〔m A〕のイオンビームをシンクロトロン 1 に入射して加速を行う前にイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行っているが、シンクロ卜ロン 1 に入射するイオンビームのエネルギーがもっと高いか、若しくは電流が小さいために空間電荷効果によるチューンの変化が発生しないような場合には、イオンビームの加速前にイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行う必要はなく、ィォンビームの加速後にのみイオンビームの粒子数密度分布の平坦化を行えば良い。 In addition, in this embodiment, before the ion beam of 40 [mA] at 3 [MeV] is incident on the synchrotron 1 and accelerated, the particle number density distribution of the ion beam is flattened. Space charge effect due to the higher energy of the ion beam incident on synchrotron 1 or the lower current. If the tune does not change due to the ion beam, it is not necessary to flatten the particle number density distribution of the ion beam before accelerating the ion beam, and only after accelerating the ion beam. What is necessary is to flatten the distribution.

なお、以上説明した実施例 1 及び実施例 2 では、多重回転入射法によリイオンビームをシンクロトロンに入射しているが、電子冷却によるィオンビーム径の減少を利用してイオンビームを多重入射してもよい。 In the first and second embodiments described above, the ion beam is incident on the synchrotron by the multiple rotation incidence method, but the ion beam is reduced by utilizing the reduction of the ion beam diameter due to the electronic cooling. Multiple incidences may be used.

また、前述の実施例 2 におけるシンクロトロン 1 からのイオンビームの出射に、共鳴の安定限界を徐々に狭くしていく方法を用いても構わない。その場合にも共鳴の安定限界を狭くしていく速度を一定に保つことによって、出射されるイオンビームの電流値の変動を抑制することが可能となる。 Further, the method of gradually reducing the stability limit of resonance may be used for the emission of the ion beam from the synchrotron 1 in the second embodiment. Even in such a case, it is possible to suppress the fluctuation of the current value of the emitted ion beam by keeping the speed at which the stability limit of the resonance is narrowed constant.

(実施例 3 ) (Example 3)

本発明の他の実施例である円形加速器システムについて説明する。なお、本実施例の円形加速器システムは、電子ビームを加速 ' 蓄積して電子から発せられる放射光を取り出す蓄積リングを有する円形加速器システムである。以下、前述の実施例 1 と異なる点について説明する。第 7 図は、本実施例の円形加速器システムの構成を示す。第 7 図において、前段加速器 3 は、 2 0 0 〔M e V〕の電子ビームを出射する。前段加速器 3 から出射された電子ビームはビーム輸送系を介して蓄積リング 6 に入射される。蓄積リング 6 に入射された電子ビームは、放射光を放出しながらビーム径が減少する。この現象を放射減衰と呼ぶが、本実施例の蓄積リング 6 ではこの放射減衰によるビーム径の減少を利用して多重入射を行い、最終的には数 1 0 0 〔m A〕程度の電子ビームを蓄積リング 6 に入射する。電子ビームの入射が終了したら、実施例 1 と同様にして粒子数密度分布の平坦化と加速を行う。本実施例では、 5 0 0 〔M e V〕まで電子ビームを加速する。加速された電子ビームは、そのエネルギーに応じた波長の放射光を放出する。前述のように電子ビームは、放射光の放出と共にそのビーム径が減少してしまう。そこで、本実施例では、電子ビームのビーム径の増加を行うが、ビーム径の増加は粒子数密度分布の平坦化と同時に行うことができる。以下、詳細に説明する。 A circular accelerator system according to another embodiment of the present invention will be described. The circular accelerator system according to the present embodiment is a circular accelerator system having a storage ring for accelerating and storing an electron beam and extracting radiation emitted from the electron. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described. FIG. 7 shows the configuration of the circular accelerator system of the present embodiment. In FIG. 7, the pre-accelerator 3 emits an electron beam of 200 [MeV]. The electron beam emitted from the pre-accelerator 3 is incident on the storage ring 6 via the beam transport system. The beam diameter of the electron beam incident on the storage ring 6 decreases while emitting emitted light. This phenomenon is called radiation attenuation.In the storage ring 6 of the present embodiment, multiple incidences are performed by utilizing the reduction of the beam diameter due to the radiation attenuation, and finally several 100 [mA] A small amount of electron beam is incident on the storage ring 6. After the injection of the electron beam is completed, the particle number density distribution is flattened and accelerated in the same manner as in the first embodiment. In this embodiment, the electron beam is accelerated to 500 [MeV]. The accelerated electron beam emits radiation with a wavelength corresponding to its energy. As mentioned above, the beam diameter of an electron beam decreases as the emitted light is emitted. Therefore, in the present embodiment, the beam diameter of the electron beam is increased, but the increase in the beam diameter can be performed simultaneously with the flattening of the particle number density distribution. The details will be described below.

ビーム径の増加及び粒子数密度分布の平坦化に際し、八極電磁石 107 を励磁するとともに、高周波印加装置 1 0 5 a によって垂直方向の高周波電磁場の印加を行う。高周波電磁場の周波数帯域、すなわち高周波信号制御部 2 1 aから出力する周波数帯域の最小値 f y a及び最大値 fyb の決定方法について説明する。第 8 図は、八極電磁石 1 0 7 を励磁したときの電子ビームのベータトロン振動振幅とチューンとの関係を示す。第 8 図において、加速終了後の電子ビームのペータトロン振動振幅は y b O であり、必要とされる（ビーム径増加後の）ベータトロン振動振幅を y b とすると、ベータトロン振動振幅 y b 0 ， y b に対応するチュ —ンはそれぞれ b 0 ， v b であり、更にビーム中心に位置する電子のチューンは υ aである。高周波信号制御部 2 1 aから出力する最小値 f y a にはチューン a に電子ビームの周回周波数 f r e v をかけた値すなわちビーム中心に位置する電子のペータトロン振動周波数を設定し最大値 f y b にはチューン v b に電子ビームの周回周波数 f r e v をかけた値、すなわち必要とされるベータトロン振動振幅の電子のベータト口ン振動周波数を設定する。 Upon increasing the beam diameter and flattening the particle number density distribution, the octupole electromagnet 107 is excited, and a high frequency electromagnetic field in the vertical direction is applied by the high frequency application device 105a. A method of determining the minimum value fya and the maximum value fyb of the frequency band of the high-frequency electromagnetic field, that is, the frequency band output from the high-frequency signal control unit 21a will be described. Fig. 8 shows the relationship between the betatron oscillation amplitude of the electron beam and the tune when the octopole electromagnet 107 was excited. In Fig. 8, the Petertron oscillation amplitude of the electron beam after the end of acceleration is ybO, and if the required betatron oscillation amplitude (after the beam diameter is increased) is yb, the betatron oscillation amplitude is ybO. The tunes corresponding to the vibration amplitudes yb0 and yb are b0 and vb, respectively, and the tune of the electron located at the beam center is υa. The minimum value fya output from the high-frequency signal control unit 21a is set to the value obtained by multiplying the tune a by the revolving frequency frev of the electron beam, that is, the Petertron oscillation frequency of the electron located at the beam center, and the maximum value fyb is set to the tune The value obtained by multiplying vb by the orbital frequency frev of the electron beam, that is, the beta-tone oscillation frequency of the electron with the required beta-ton oscillation amplitude is set.

このような周波数帯域の高周波電磁場を電子ビームに印加することによって、まずは、電子ビームの軌道勾配が変化する。つまり、電子ビ一ムのベータトロン振動振幅が変化する。ベータトロン振動振幅が増加すると、それに応じてビームのチューンも変化する。ここで、例えば、ぺータトロン振動振幅が y b 0 である電子のベータトロン振動振幅が増加する方向に変化した場合を考えると、高周波電磁場の周波数帯域は最大値が f y b であるので、更にベータトロン振動振幅が変化する。つまり . 高周波電磁場が印加されている周波数帯域の範囲内で電子ビームのベータトロン振動振幅は変化を繰返すので、最終的にはビーム径は y b まで広がるとともに、電子ビームの粒子数密度分布が平坦化される。なお、水平方向についても、高周波印加装置 1 0 5 b を用いて同様にイオンビームのビーム径の拡大と、粒子数密度分布の平坦化を行うことができる , なお、八極電磁石 1 0 7 の励磁量を低下させれば、印加する高周波電磁場の周波数帯域を狭くすることも可能である。 By applying a high-frequency electromagnetic field in such a frequency band to the electron beam, first, the orbit gradient of the electron beam changes. In other words, electronic The betatron oscillation amplitude of the system changes. As the betatron oscillation amplitude increases, so does the beam tune. Here, for example, when the betatron oscillation amplitude of an electron whose betatron oscillation amplitude is yb 0 changes in the direction of increasing, the maximum frequency band of the high-frequency electromagnetic field is fyb. Then, the betatron oscillation amplitude changes. In other words, the betatron oscillation amplitude of the electron beam repeatedly changes within the frequency band where the high-frequency electromagnetic field is applied, so that the beam diameter eventually expands to yb and the number of particles in the electron beam. The density distribution is flattened. In the horizontal direction, the beam diameter of the ion beam can be similarly increased and the particle number density distribution can be flattened using the high-frequency application device 105b. If the amount of excitation is reduced, the frequency band of the applied high-frequency electromagnetic field can be narrowed.

このようにして、電子ビームのビーム径を拡大することによって、得られる放射光の照射野を拡大することができ、かつ、電子ビームの粒子数密度分布を平坦化することにより放射光の強度分布を平坦化することが可能となる。本実施例では、電子ビームが偏向電磁石 1 0 3 ' によつて偏向されるときに、放出される放射光を取り出し、放射光利用装置 7 において利用される。 In this way, by expanding the beam diameter of the electron beam, it is possible to expand the irradiation field of the obtained synchrotron radiation, and to radiate by flattening the particle number density distribution of the electron beam. It is possible to flatten the light intensity distribution. In this embodiment, when the electron beam is deflected by the bending electromagnet 103 ′, the emitted radiation is extracted and used in the radiation utilization device 7.

本実施例では、実施例 1 と同様に電子ビームの電流値及びエネルギーによらず、電子ビームの粒子数密度分布を平坦化することができる。なお、本実施例では、 2 0 0 〔1^ 6 〕で 1 0 0 〔]11八〕の電子ビ一ムを 5 0 0 〔M e V〕まで加速する例について説明したが、本発明が適用可能な電子ビームのエネルギーや電流は上記の値に限られるものではない。例えば、放射光取り出しに用いられる電子ビームとして一般的な、加速後のエネルギーが 5 0 0 〜 3 0 0 0 〔M e V〕の範囲内で電流が 1 0 0 〜 1 0 0 0 〔m A〕の範囲内であるような電子ビームを扱うシンクロトロンに対して本発明は有効である。なぜならば、エネルギーが 5 0 0 ~ 3000 〔M e V〕の範囲内で電流が 1 0 0 ~ 1 0 0 0 〔m A〕の範囲内であるような電子ビームには空間電荷効果によるチューンの変化が起こらないからである。 In this embodiment, the particle number density distribution of the electron beam can be flattened irrespective of the current value and energy of the electron beam as in the first embodiment. In this embodiment, an example in which the electron beam of 100 [] 118] is accelerated to 500 [MeV] by 200 [1 ^ 6] has been described. The applicable energy and current of the electron beam are not limited to the above values. For example, when the energy after acceleration, which is a general electron beam used for extracting synchrotron radiation, is within the range of 500 to 300 [MeV], the current is 100 to The present invention is effective for a synchrotron that handles an electron beam in the range of 100 [mA]. This is because the electron beam whose energy is in the range of 500 to 3000 [MeV] and the current is in the range of 100 to 100 [mA] is tuned by the space charge effect. This is because no change occurs.

また、本実施例では、 2 0 0 〔M e V〕で 1 0 0 〔m A〕の電子ビームを蓄積リング 6 に入射して加速を行う前に電子ビームの粒子数密度分布の平坦化を行っている力、蓄積リング 6 に入射する電子ビームのエネルギ一がもっと高いか、若しくは電流が小さいために空間電荷効果によるチユーンの変化が発生しないような場合には、電子ビームの加速前に電子ビームの粒子数密度分布の平坦化を行う必要はなく、電子ビームの加速後にのみ電子ビームの粒子数密度分布の平坦化を行えば良い。 Further, in this embodiment, before the electron beam of 100 [mA] at 200 [MeV] is incident on the storage ring 6 and accelerated, the particle number density distribution of the electron beam is flattened. The energy of the electron beam incident on the storage ring 6 is higher, or the current is small, so that the change in the channel due to the space charge effect does not occur. In this case, it is not necessary to flatten the particle number density distribution of the electron beam before accelerating the electron beam, but it is sufficient to flatten the particle number density distribution of the electron beam only after accelerating the electron beam.

なお、本実施例で説明した粒子数密度分布を平坦化すると共にビーム径を拡大する方法は、前述の実施例 1 及び実施例 2 に対しても適用することができる。 Note that the method of flattening the particle number density distribution and expanding the beam diameter described in the present embodiment can be applied to the above-described first and second embodiments.

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明が適用できる円形加速器は上述の 3 つの円形加速器に限られるものではなく、例えば、イオンビームを出射して生物に照射する実験に用いるシンクロトロンや電子と陽電子とを同時に加速して衝突させる蓄積リングなど、荷電粒子ビームを周回させながら加速する円形加速器であれば、本発明を適用することができる。また、上述の各実施例では、イオンビームのチューンをベータトロン振動振幅に応じて変化させるために八極電磁石を励磁している力^ 八極電磁石に限らず六極以上の多極電磁石であれば用いることができる。産業上の利用可能性 Although the embodiments of the present invention have been described above, the circular accelerator to which the present invention can be applied is not limited to the three circular accelerators described above. The present invention can be applied to any circular accelerator that accelerates while orbiting a charged particle beam, such as a synchrotron to be used or a storage ring for simultaneously accelerating and colliding electrons and positrons. In each of the above-described embodiments, the force that excites the octopole electromagnet to change the tune of the ion beam in accordance with the amplitude of the betatron oscillation is not limited to the octopole electromagnet but is a multipole electromagnet having six or more poles. Can be used. Industrial applicability

本発明は、イオンビームを加速して出射するシンクロトロン、或いは電子ビームを加速して放射光を取り出す蓄積リング等に適用することができる。この適用により、シンクロトロンや蓄積リングにおいてビームの粒子数密度分布を平坦化でき、出射されるイオンビームの電流値変動を抑制するための制御の簡単化や、取り出される放射光の強度の均一化が可能となる。 The present invention can be applied to a synchrotron that accelerates and emits an ion beam, or a storage ring that accelerates an electron beam and extracts emitted light. This application makes it possible to flatten the particle number density distribution of the beam in the synchrotron and the storage ring, simplify control to suppress fluctuations in the current value of the emitted ion beam, and remove the emitted radiation. Light intensity can be made uniform.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims

1 . 周回する荷電粒子ビームにベータトロン振動の周波数成分を含む高周波電磁場を印加する高周波印加装置と、前記荷電粒子ビームに六極以上の多極磁場を印加する多極電磁石と、前記荷電粒子ビームに四極磁場を印加する四極電磁石と、前記高周波電磁場及び前記多極磁場が荷電粒子ビームに印加されているときに、荷電粒子ビームが 3次以下の共鳴を起こさないように前記四極電磁石に供給される電流を制御する制御装置とを有することを特徴とする円形加速器システム。 1. A high-frequency application device that applies a high-frequency electromagnetic field containing a frequency component of betatron oscillation to the orbiting charged particle beam, a multipolar magnet that applies a multipolar magnetic field of six or more poles to the charged particle beam, and A quadrupole electromagnet for applying a quadrupole magnetic field to the particle beam; and the quadrupole electromagnet so that the charged particle beam does not cause tertiary or lower resonance when the high-frequency electromagnetic field and the multipole magnetic field are applied to the charged particle beam. A controller for controlling the current supplied to the circular accelerator.

2 . 前記高周波印加装置は、設定された周波数帯域を有する高周波電磁場を発生するものであって、前記制御装置は、前記荷電粒子ビームのチユーンの最大値と最小値とに基づいて、前記高周波印加装置が発生する前記高周波電磁場の周波数帯域の最小値と最大値とを設定することを特徴とする請求項 1 記載の円形加速器システム。 2. The high-frequency applying device generates a high-frequency electromagnetic field having a set frequency band, and the control device is configured to control the high-frequency electromagnetic field based on a maximum value and a minimum value of the channel of the charged particle beam. The circular accelerator system according to claim 1, wherein a minimum value and a maximum value of a frequency band of the high-frequency electromagnetic field generated by the high-frequency applying device are set.

3 . 前記多極電磁石は前記四極電磁石に隣接して配置されることを特徴とする請求項 1及び 2のいずれかに記載の円形加速器システム。 3. The circular accelerator system according to claim 1, wherein the multipole electromagnet is arranged adjacent to the quadrupole electromagnet.

4 . 周回する荷電粒子ビームの振動振幅を変化させる手段と、前記荷電粒子ビームのチューンをベータトロン振動振幅に応じて変化させる第 1 電磁石と、前記荷電粒子ビームのチューンを制御する第 2電磁石と、荷電粒子ビームが 3次以下の共鳴を起こさないように前記第 2電磁石を制御する手段とを備えたことを特徴とする円形加速器システム。 4. Means for changing the oscillation amplitude of the orbiting charged particle beam, a first electromagnet for changing the tune of the charged particle beam according to the betatron oscillation amplitude, and a second electromagnet for controlling the tune of the charged particle beam Means for controlling the second electromagnet so that the charged particle beam does not cause third or lower order resonance.

5 . 荷電粒子ビームを円形加速器に入射し、前記円形加速器において入射した荷電粒子ビームを加速し、加速した荷電粒子ビームの粒子数密度分布を前記円形加速器において制御することを特徴とする円形加速器の制御方法。 5. A circular accelerator, wherein a charged particle beam is incident on a circular accelerator, the charged particle beam incident on the circular accelerator is accelerated, and the particle number density distribution of the accelerated charged particle beam is controlled by the circular accelerator. Control method.

6 . 荷電粒子ビームを円形加速器に入射し、前記円形加速器において入射した荷電粒子ビームを加速し、加速した荷電粒子ビームの粒子数密度分布を前記円形加速器において平坦化することを特徴とする円形加速器の制御方法。 6. The charged particle beam is incident on the circular accelerator and enters the circular accelerator. A method for controlling a circular accelerator, comprising: accelerating an emitted charged particle beam; and flattening a particle number density distribution of the accelerated charged particle beam in the circular accelerator.

7 . 前記荷電粒子ビームを円形加速器に入射した後で、かつ、前記荷電粒子ビームの加速の前に、前記荷電粒子ビームの粒子数密度分布を前記円形加速器において平坦化することを特徴とする請求項 6記載の円形加速器の制御方法。 7. The particle number density distribution of the charged particle beam is flattened in the circular accelerator after the charged particle beam is incident on the circular accelerator and before the charged particle beam is accelerated. Item 6. A method for controlling a circular accelerator according to item 6.

8 . 前記平坦化された荷電粒子ビームは、ビーム中心からビーム半径の ± 3 0 %の範囲で粒子数密度の誤差が 4〜 5 %であることを特徴とする請求項 6及び 7 のいずれかに記載の円形加速器の制御方法。 8. The flattened charged particle beam has a particle number density error of 4 to 5% within a range of ± 30% of a beam radius from a beam center. 3. The method for controlling a circular accelerator according to item 1.

9 . エネルギーが 1 〔 G e V〕以上で、かつ電流が 1 〜 5 0 〔 A〕の範囲内であるようなイオンビームが周回するシンクロトロンにおいて前記ィォンビームの粒子数密度分布を平坦化した後、前記イオンビームを前記シンクロトロンから出射し、前記シンクロ卜ロンから出射されたイオンビームをターゲットに照射することにより中性子を発生させることを特徴とする円形加速器の制御方法。 9. The particle number density distribution of the ion beam in a synchrotron in which the ion beam circulates such that the energy is 1 [GeV] or more and the current is in the range of 1 to 50 [A]. After flattening, the neutrons are generated by emitting the ion beam from the synchrotron and irradiating the target with the ion beam emitted from the synchrotron. A method for controlling a circular accelerator, characterized in that:

1 0 . エネルギーが 7 0 〜 2 5 0 〔 M e V〕の範囲内で、かつ電流が 1 0 〜 9 0 〔πι Α〕の範囲内であるようなイオンビームが周回するシンクロトロンにおいて前記イオンビームの粒子数密度分布を平坦化した後、前記イオンビームを前記シンクロトロンから出射し、前記シンクロトロンから出射されたイオンビームを患者の患部に照射することを特徴とする円形加速器の制御方法。 10. A synchro rotor in which the ion beam circulates such that the energy is in the range of 70 to 250 [MeV] and the current is in the range of 10 to 90 [πι Α]. After flattening the particle number density distribution of the ion beam in the ion beam, irradiating the ion beam from the synchrotron and irradiating the affected part of the patient with the ion beam emitted from the synchrotron. A method of controlling a circular accelerator characterized by the following.

1 1 . エネルギーが 5 0 0 〜 3 0 0 0 〔 M e V〕の範囲内で、かつ電流が 1 0 0 〜 1 0 0 0 〔m A〕の範囲内であるような電子ビームが周回する蓄積リングにおいて前記電子ビームの粒子数密度分布を平坦化した後、前記電子ビームから発生される放射光を照射対象に照射することを特徴とする円形加速器の制御方法。 1 1. An electron beam whose energy is in the range of 500 to 300 [MeV] and whose current is in the range of 100 to 100 [mA] After flattening the particle number density distribution of the electron beam in the accumulation ring, A method for controlling a circular accelerator, characterized by irradiating an irradiation target with radiation emitted from the electron beam.

1 2 . 周回する荷電粒子ビームにベータトロン振動の周波数成分を含む高周波電磁場を印加する高周波印加装置と前記荷電粒子ビームに六極以上の多極磁場を印加する多極電磁石と前記荷電粒子ビームに四極磁場を印加する四極電磁石とを有する円形加速器を制御する制御装置であって前記荷電粒子ビームに高周波電磁場及び多極磁場が印加されているときに、前記荷電粒子ビームが 3次以下の共鳴を起こさないように前記四極電磁石に供給される電流を制御することを特徴とする円形加速器の制御装置。 1 2. A high-frequency application device that applies a high-frequency electromagnetic field containing the frequency component of betatron oscillation to the orbiting charged particle beam, a multipolar electromagnet that applies a multipolar magnetic field of six or more poles to the charged particle beam, and the charged particle beam A control device for controlling a circular accelerator having a quadrupole electromagnet for applying a quadrupole magnetic field to the charged particle beam when a high-frequency electromagnetic field and a multipole magnetic field are applied to the charged particle beam, A control device for a circular accelerator, wherein a current supplied to the quadrupole electromagnet is controlled so as not to cause a problem.