JP2555112B2 - 荷電粒子ビーム冷却法 - Google Patents
荷電粒子ビーム冷却法Info
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- JP2555112B2 JP2555112B2 JP62307550A JP30755087A JP2555112B2 JP 2555112 B2 JP2555112 B2 JP 2555112B2 JP 62307550 A JP62307550 A JP 62307550A JP 30755087 A JP30755087 A JP 30755087A JP 2555112 B2 JP2555112 B2 JP 2555112B2
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- H05H13/04—Synchrotrons
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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- H05H7/14—Vacuum chambers
- H05H7/18—Cavities; Resonators
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- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子を加速する環状型の加速器に係り、
特に大電流を粒子ビームを低エネルギーで入射して高エ
ネルギーの加速・蓄積するのに好適な加速器に関するも
のである。
特に大電流を粒子ビームを低エネルギーで入射して高エ
ネルギーの加速・蓄積するのに好適な加速器に関するも
のである。
環状型加速器の全体図を第２図に示す。本装置は荷電
粒子を入射する入射器３、及び該粒子を加速・蓄積する
環状型加速器50によつて構成されている。入射器３とし
ては、ライナツクやシンクロトロン，マイクロトロン等
が使われている。環状型加速器50は、粒子ビーム２を閉
じこめる真空容器を形成するビームダクト7,粒子ビーム
２の軌道10を偏向させる偏向磁石5,粒子ビームに収束機
能をもたらす四極磁石６、及び粒子を加速する高周波加
速空胴４等で構成されている。
粒子を入射する入射器３、及び該粒子を加速・蓄積する
環状型加速器50によつて構成されている。入射器３とし
ては、ライナツクやシンクロトロン，マイクロトロン等
が使われている。環状型加速器50は、粒子ビーム２を閉
じこめる真空容器を形成するビームダクト7,粒子ビーム
２の軌道10を偏向させる偏向磁石5,粒子ビームに収束機
能をもたらす四極磁石６、及び粒子を加速する高周波加
速空胴４等で構成されている。
このような装置を工業化するには、小型化を図り、し
かも大電流蓄積を可能にすることが重要な課題となつて
いる。そのためのひとつの構想として、100MeV以下の低
エネルギーで粒子を入射して、加速・蓄積する案があ
る。これを実現している実例はあるが、500mAほどの大
電流蓄積をした例は未だない。なお、この種の装置は、
例えば、インステイチユート オブ フイヅクス コン
フアレンス シリーズ ナンバー82（ケンブリツジ 19
86年９月８日〜11日）（Inst.Phys.Conf.Ser.No.82（Ca
mbridge ８−11 Sept.1986））で論じられている。
かも大電流蓄積を可能にすることが重要な課題となつて
いる。そのためのひとつの構想として、100MeV以下の低
エネルギーで粒子を入射して、加速・蓄積する案があ
る。これを実現している実例はあるが、500mAほどの大
電流蓄積をした例は未だない。なお、この種の装置は、
例えば、インステイチユート オブ フイヅクス コン
フアレンス シリーズ ナンバー82（ケンブリツジ 19
86年９月８日〜11日）（Inst.Phys.Conf.Ser.No.82（Ca
mbridge ８−11 Sept.1986））で論じられている。
環状型の加速器では、粒子はそのエネルギーに応じた
閉軌道のまわりをベータトロン振動しながら周回する。
また第３図に示すように加速される粒子群は中心エネル
ギーに対応する閉軌道20を中心軌道とし、中心エネルギ
ーより高いエネルギーに対応する閉軌道21は一般に中心
軌道20よりも外側に位置し、逆に中心エネルギーより低
いエネルギーに対応する閉軌道22は中心軌道20よりも内
側に位置する。このように粒子の閉軌道はエネルギー分
散性をもつ。
閉軌道のまわりをベータトロン振動しながら周回する。
また第３図に示すように加速される粒子群は中心エネル
ギーに対応する閉軌道20を中心軌道とし、中心エネルギ
ーより高いエネルギーに対応する閉軌道21は一般に中心
軌道20よりも外側に位置し、逆に中心エネルギーより低
いエネルギーに対応する閉軌道22は中心軌道20よりも内
側に位置する。このように粒子の閉軌道はエネルギー分
散性をもつ。
一方、これら粒子群を加速するために、粒子の軌道上
には単数あるいは複数の高周波加速空胴が設けられてお
り、これによる高周波電場の加減速機構により粒子はエ
ネルギー的にも振動することになる。これは一般的にシ
ンクロトロン振動と言われている。このシンクロトロン
振動は、前述した閉軌道のエネルギー分散性により、粒
子のベータトロン振動に影響を与える。このため、粒子
の横方向の振動の振幅はシンクロトロン振動によるエネ
ルギー分布の広がりに伴なつて大きくなる。
には単数あるいは複数の高周波加速空胴が設けられてお
り、これによる高周波電場の加減速機構により粒子はエ
ネルギー的にも振動することになる。これは一般的にシ
ンクロトロン振動と言われている。このシンクロトロン
振動は、前述した閉軌道のエネルギー分散性により、粒
子のベータトロン振動に影響を与える。このため、粒子
の横方向の振動の振幅はシンクロトロン振動によるエネ
ルギー分布の広がりに伴なつて大きくなる。
こうしてビームは横方向に大きく広がつてしまうが、
この広がりは横方向のウエイク場（粒子と真空壁との相
互作用による非定常電磁場）を生ぜしめ、このウエイク
場は粒子群のふるまいを不安定化させてしまう。従来、
この現象により、粒子入射後の加速過程において大きな
ビーム損失が生じ、大電流蓄積ができないという問題が
あつた。
この広がりは横方向のウエイク場（粒子と真空壁との相
互作用による非定常電磁場）を生ぜしめ、このウエイク
場は粒子群のふるまいを不安定化させてしまう。従来、
この現象により、粒子入射後の加速過程において大きな
ビーム損失が生じ、大電流蓄積ができないという問題が
あつた。
本発明の目的は、ビームの横方向の広がりを小さくし
て、横方向のウエイク場を弱くし、ビームの不安定化を
抑えてビーム損失を少なくすることにより大電流蓄積を
可能にすることにある。
て、横方向のウエイク場を弱くし、ビームの不安定化を
抑えてビーム損失を少なくすることにより大電流蓄積を
可能にすることにある。
上記目的は、偏向モード電磁場の共振周波数を、高周
波加速空胴内の基本高周波モード電磁場の共振周波数の
整数倍にすることにより、達成される。
波加速空胴内の基本高周波モード電磁場の共振周波数の
整数倍にすることにより、達成される。
本発明によれば、偏向モード電磁場の共振周波数を、
高周波加速空胴内の基本高周波モード電磁場の共振周波
数の整数倍にすることによって、荷電粒子のシンクロト
ロン振動とベータトロン振動は強く結合し、荷電粒子は
強いシンクロ・ベータトロン共鳴を示す。このとき、シ
ンクロトロン振動が減衰してエネルギー分布の広がりが
小さくなるとともに、ベータトロン振動が減衰して中心
軌道を基準に荷電粒子の最大振幅が減衰する。従って、
シンクロトロン振動の減衰、及び、ベータトロン振動の
減衰により、荷電粒子ビームの横方向の広がりを小さく
することができる。
高周波加速空胴内の基本高周波モード電磁場の共振周波
数の整数倍にすることによって、荷電粒子のシンクロト
ロン振動とベータトロン振動は強く結合し、荷電粒子は
強いシンクロ・ベータトロン共鳴を示す。このとき、シ
ンクロトロン振動が減衰してエネルギー分布の広がりが
小さくなるとともに、ベータトロン振動が減衰して中心
軌道を基準に荷電粒子の最大振幅が減衰する。従って、
シンクロトロン振動の減衰、及び、ベータトロン振動の
減衰により、荷電粒子ビームの横方向の広がりを小さく
することができる。
本発明によるビーム冷却用空胴内の偏向モード電磁場
の分布と、この内部を通過するバンチングした荷電粒子
群からなる粒子ビーム２を第１図に示す。
の分布と、この内部を通過するバンチングした荷電粒子
群からなる粒子ビーム２を第１図に示す。
この偏向モード電磁場は、荷電粒子の中心軌道方向に
電場成分をもち、かつ、荷電粒子の中心軌道面に垂直な
方向の磁場成分をもっている。偏向モード電磁場の振動
の共振周波数は、高周波加速空胴内の基本高周波モード
電磁場振動の共振周波数の整数倍である。荷電粒子は、
この偏向モード電磁場に影響を受け、中心軌道方向に対
して横方向の振動であるベータトロン振動の振幅及び位
相が変化し、荷電粒子の周回周期が変動する。荷電粒子
の周回周期の変動は、荷電粒子の位相振動であるシンク
ロトロン振動に変動を生じさせる。このときの荷電粒子
のふるまいの解析例を第４図に示す。
電場成分をもち、かつ、荷電粒子の中心軌道面に垂直な
方向の磁場成分をもっている。偏向モード電磁場の振動
の共振周波数は、高周波加速空胴内の基本高周波モード
電磁場振動の共振周波数の整数倍である。荷電粒子は、
この偏向モード電磁場に影響を受け、中心軌道方向に対
して横方向の振動であるベータトロン振動の振幅及び位
相が変化し、荷電粒子の周回周期が変動する。荷電粒子
の周回周期の変動は、荷電粒子の位相振動であるシンク
ロトロン振動に変動を生じさせる。このときの荷電粒子
のふるまいの解析例を第４図に示す。
第４図は、（ａ）荷電粒子のシンクロトロン振動の位
相、（ｂ）エネルギー偏差、（ｃ）ベータトロン振幅、
及び（ｄ）中心軌道を中心にとった荷電粒子の最大振幅
の時間変化を示している。横軸の時間座標には、荷電粒
子が環状型粒子加速器を周回する周回ターン数を用いて
いる。第４図（ａ）に示すようにシンクロトロン振動の
位相の正弦波状の曲線に、微小な高周波振振動を重畳し
ているが、この微小振動の周波数はベータトロン周波数
と一致しており、これは前述したベータトロン振動によ
るシンクロトロン振動の位相変動によるものである。そ
して、周回ターン数が増加するとともに、シンクロトロ
ン振動の位相の幅が小さくなる、すなわち、シンクロト
ロン振動が減衰する。このとき、エネルギー偏差が減衰
する、すなわち、エネルギー分布の広がりが小さくな
る。
相、（ｂ）エネルギー偏差、（ｃ）ベータトロン振幅、
及び（ｄ）中心軌道を中心にとった荷電粒子の最大振幅
の時間変化を示している。横軸の時間座標には、荷電粒
子が環状型粒子加速器を周回する周回ターン数を用いて
いる。第４図（ａ）に示すようにシンクロトロン振動の
位相の正弦波状の曲線に、微小な高周波振振動を重畳し
ているが、この微小振動の周波数はベータトロン周波数
と一致しており、これは前述したベータトロン振動によ
るシンクロトロン振動の位相変動によるものである。そ
して、周回ターン数が増加するとともに、シンクロトロ
ン振動の位相の幅が小さくなる、すなわち、シンクロト
ロン振動が減衰する。このとき、エネルギー偏差が減衰
する、すなわち、エネルギー分布の広がりが小さくな
る。
一方、ベータトロン振幅には逆にシンクロトロン振動
の周波数と同じ周波数の低周波が重畳している。これ
は、シンクロトロン振動の位相の変化によつて、該空胴
内で粒子が受ける電磁場の影響が頂度シンクロトロン振
動の周期で変動することに起因している。そして、周回
ターン数が増加するとともに、ベータトロン振動は減衰
し、中心軌道を基準に荷電粒子の最大振幅が減衰する。
の周波数と同じ周波数の低周波が重畳している。これ
は、シンクロトロン振動の位相の変化によつて、該空胴
内で粒子が受ける電磁場の影響が頂度シンクロトロン振
動の周期で変動することに起因している。そして、周回
ターン数が増加するとともに、ベータトロン振動は減衰
し、中心軌道を基準に荷電粒子の最大振幅が減衰する。
シンクロトロン振動の減衰、及び、ベータトロン振動
の減衰により、荷電粒子ビームの横方向の広がりが小さ
くなる。
の減衰により、荷電粒子ビームの横方向の広がりが小さ
くなる。
以上述べたように、該空胴の電磁場によつて、粒子の
シンクロトロン振動とベータトロン振動は強く結合す
る。このとき粒子は強いシンクロベータトロン共鳴を示
し、第４図に示すようにシンクロトロン振動及びベータ
トロン振動は減衰し、中心軌道を基準にした粒子の振動
の最大振幅も減衰する。
シンクロトロン振動とベータトロン振動は強く結合す
る。このとき粒子は強いシンクロベータトロン共鳴を示
し、第４図に示すようにシンクロトロン振動及びベータ
トロン振動は減衰し、中心軌道を基準にした粒子の振動
の最大振幅も減衰する。
ここで述べたシンクロ・ベータトロン共鳴は、従来見
られるシンクロ・ベータトロン共鳴とは異質のものであ
り、偏向モードが現象に大きく関わつている。ここにお
いて、シンクロトロン振動とベータトロン振動が複雑に
関係し合つているため、本現象の本質を直観的に理解す
るのは難しい。しかし、本現象では偏向モードにおける
高周波磁場が本質的な役割を果たしていることが明らか
になつている。以下では、本現象の基本原理に近いこと
を簡単に説明しておく。
られるシンクロ・ベータトロン共鳴とは異質のものであ
り、偏向モードが現象に大きく関わつている。ここにお
いて、シンクロトロン振動とベータトロン振動が複雑に
関係し合つているため、本現象の本質を直観的に理解す
るのは難しい。しかし、本現象では偏向モードにおける
高周波磁場が本質的な役割を果たしていることが明らか
になつている。以下では、本現象の基本原理に近いこと
を簡単に説明しておく。
シンクロ・ベータトロン共鳴現象は、シンクロトロン
振動とベータトロン振動の相互作用に基づいている。こ
の相互作用の原因は一般的には色々考えられるが、ここ
では次の現象が主原因である。
振動とベータトロン振動の相互作用に基づいている。こ
の相互作用の原因は一般的には色々考えられるが、ここ
では次の現象が主原因である。
ベータトロン振動がシンクロトロン振動に与える影響
として、ベータトロン振動による周回周期のずれがあ
り、これによりシンクロトロン振動の位相が変化する。
この位相変化量をΔθとおくと、 と書ける。ここに、 h:ハーモニツク数 L:周長 x0:ある観測点での閉軌道からの横方向のずれ y0:α0x0＋β0x0′ x0′:x0と同じ観測点での粒子の軌道の閉軌道に対する
傾き Ｓ＝sinμ Ｃ＝１−cosμ α0,β0:x0と同じ観測点でのツウイスパラメータ η0:x0と同じ観測点でのエネルギー分散値 ξ０＝α０η０＋β０η０′ μ＝２πν（ν＝ベータトロンチユーン） である。式（１）における観測点は、本発明の空胴の直
後にとつて、Δθは、その観測点から本発明の空胴の直
前までのシンクロトロン振動の位相のずれの評価式であ
り、この中には、高周波加速空胴内の高周波電場の影響
は入つていない。もちろん、数値シミユレーシヨンで
は、考慮しているが、ここでは、本発明の空胴内の高周
波磁場の影響のみに着目する。
として、ベータトロン振動による周回周期のずれがあ
り、これによりシンクロトロン振動の位相が変化する。
この位相変化量をΔθとおくと、 と書ける。ここに、 h:ハーモニツク数 L:周長 x0:ある観測点での閉軌道からの横方向のずれ y0:α0x0＋β0x0′ x0′:x0と同じ観測点での粒子の軌道の閉軌道に対する
傾き Ｓ＝sinμ Ｃ＝１−cosμ α0,β0:x0と同じ観測点でのツウイスパラメータ η0:x0と同じ観測点でのエネルギー分散値 ξ０＝α０η０＋β０η０′ μ＝２πν（ν＝ベータトロンチユーン） である。式（１）における観測点は、本発明の空胴の直
後にとつて、Δθは、その観測点から本発明の空胴の直
前までのシンクロトロン振動の位相のずれの評価式であ
り、この中には、高周波加速空胴内の高周波電場の影響
は入つていない。もちろん、数値シミユレーシヨンで
は、考慮しているが、ここでは、本発明の空胴内の高周
波磁場の影響のみに着目する。
式（１）が示す通り、シンクロトロン振動の位相のず
れΔθはx0及びy0と線形関係にある。このため、x0−y0
平面で考えると、点（x0,y0）と点（−x0,−y0）では、
Δθの符号は異なる。このため、ベータトロン振動に対
応した微小な位相信号がシンクロトロン振動に重畳す
る。本発明の空胴内の高周波磁場強度が、シンクロトロ
ン振動の位相に対して変化することを考えると、x0−y0
平面において粒子は第５図のようにふるまう。この図は
ベータトロンチユーンνの端数が0.25付近の例である。
この図が示すように、各（x0,y0）点において、高周波
磁場による粒子の偏向角が異なるため、y0の変化量が各
点で異なり、これがベータトロン振動の振幅の減衰を引
き起こしているものである。
れΔθはx0及びy0と線形関係にある。このため、x0−y0
平面で考えると、点（x0,y0）と点（−x0,−y0）では、
Δθの符号は異なる。このため、ベータトロン振動に対
応した微小な位相信号がシンクロトロン振動に重畳す
る。本発明の空胴内の高周波磁場強度が、シンクロトロ
ン振動の位相に対して変化することを考えると、x0−y0
平面において粒子は第５図のようにふるまう。この図は
ベータトロンチユーンνの端数が0.25付近の例である。
この図が示すように、各（x0,y0）点において、高周波
磁場による粒子の偏向角が異なるため、y0の変化量が各
点で異なり、これがベータトロン振動の振幅の減衰を引
き起こしているものである。
本発明の第１実施例を第６図により以下説明する。第
２図に示すように環状型加速器において、粒子軌道10上
に、高周波加速空胴４とは別個に、第６図に示すような
直方体状の空胴１を設置し、この空胴１内を粒子ビーム
２が通過するようにする。図示のように直交座標軸x,y,
zをとり、xz平面は粒子ビーム軌道面、ｚ方向は粒子ビ
ームの走行方向、ｘ方向は粒子ビームのリングの外側方
向、ｙ方向は粒子ビーム軌道面に垂直にとる。空胴１の
中心軸は粒子ビーム２の中心エネルギーに対応する閉軌
道（中心軌道）に一致するように定める。
２図に示すように環状型加速器において、粒子軌道10上
に、高周波加速空胴４とは別個に、第６図に示すような
直方体状の空胴１を設置し、この空胴１内を粒子ビーム
２が通過するようにする。図示のように直交座標軸x,y,
zをとり、xz平面は粒子ビーム軌道面、ｚ方向は粒子ビ
ームの走行方向、ｘ方向は粒子ビームのリングの外側方
向、ｙ方向は粒子ビーム軌道面に垂直にとる。空胴１の
中心軸は粒子ビーム２の中心エネルギーに対応する閉軌
道（中心軌道）に一致するように定める。
空胴１内に外部発振器100から結合アンテナ101を介し
てマイクロ波を注入し、空胴１内に図示のごとくTM210
モードの高周波電磁場を立たせる。この電磁場振動の共
振周波数は、粒子の加速周波数（高周波加速空胴４の基
本加速モードの共振周波数）の整数倍（ｍ倍）にとる。
このとき、両者の電磁モードの相対的位相は第７図のよ
うにとる。これを式で表わすと、 V1＝V1 0sinθ …（２） V2＝V2 0cos（ｍθ） …（３） となる。ここに、 V1:高周波加速空胴４内の電圧 V2:空胴１内の電圧 θ：高周波位相 V1 0:V1の振幅値 V2 0:V2の振幅値 である。このとき、粒子は前述のごとく、強いシンクロ
・ベータトロン共鳴と引き起こして、粒子ビームの横方
向の広がりは小さくなる。
てマイクロ波を注入し、空胴１内に図示のごとくTM210
モードの高周波電磁場を立たせる。この電磁場振動の共
振周波数は、粒子の加速周波数（高周波加速空胴４の基
本加速モードの共振周波数）の整数倍（ｍ倍）にとる。
このとき、両者の電磁モードの相対的位相は第７図のよ
うにとる。これを式で表わすと、 V1＝V1 0sinθ …（２） V2＝V2 0cos（ｍθ） …（３） となる。ここに、 V1:高周波加速空胴４内の電圧 V2:空胴１内の電圧 θ：高周波位相 V1 0:V1の振幅値 V2 0:V2の振幅値 である。このとき、粒子は前述のごとく、強いシンクロ
・ベータトロン共鳴と引き起こして、粒子ビームの横方
向の広がりは小さくなる。
ここで整数値ｍは該空胴１の偏向モードの共振周波数
からくる空胴の大きさの観点から決定される。通常、高
周波加速空胴の共振周波数は、100MHz帯及び500MHz帯に
大別される。100MHz帯のときは、ｍ＝４〜5,500MHz帯の
ときはｍ＝１として、該空胴１の偏向モードの共振周波
数を500MHz付近に合わせる。こうすると該空胴１は加速
器に適合した大きさになる。具体的に大きさを評価す
る。該空胴１内の電磁共振モードとビームダクト７がな
いときのもので近似する。第６図（ｄ）において、x,y,
z方向の空胴の長さをa,b,lとおくと、このときの電磁共
振モードであるTM210モードの共振周波数r1は、 と表わせる。ここにｃは真空中の光速度である。ａ＝ｂ
とすると、共振周波数r1＝500MHzに対して、ａ＝ｂ＝
67cmであり、適当な大きさである。ｚ方向すなわち粒子
ビーム２の走行方向の空胴の寸法ｌは共振周波数r1で
は定まらず、他の要因を考える適当に決めることができ
る。
からくる空胴の大きさの観点から決定される。通常、高
周波加速空胴の共振周波数は、100MHz帯及び500MHz帯に
大別される。100MHz帯のときは、ｍ＝４〜5,500MHz帯の
ときはｍ＝１として、該空胴１の偏向モードの共振周波
数を500MHz付近に合わせる。こうすると該空胴１は加速
器に適合した大きさになる。具体的に大きさを評価す
る。該空胴１内の電磁共振モードとビームダクト７がな
いときのもので近似する。第６図（ｄ）において、x,y,
z方向の空胴の長さをa,b,lとおくと、このときの電磁共
振モードであるTM210モードの共振周波数r1は、 と表わせる。ここにｃは真空中の光速度である。ａ＝ｂ
とすると、共振周波数r1＝500MHzに対して、ａ＝ｂ＝
67cmであり、適当な大きさである。ｚ方向すなわち粒子
ビーム２の走行方向の空胴の寸法ｌは共振周波数r1で
は定まらず、他の要因を考える適当に決めることができ
る。
一方、高周波電圧Ｖの大きさは次のようち見積ること
ができる。いま仮に中心軌道を走行する粒子のエネルギ
ー（中心エネルギー）が10MeVの低エネルギーでの粒子
の加速を考える。粒子群のエネルギー分布をガウス分布
と見なして、その標準偏差σξを中心エネルギー10MeV
の１％、すなわち100KeVとする。シンクロトロンチユー
ンν（シンクロトロン振動数／粒子の周回周波数）を５
×10-3とすれば（一般的に１よりかなり小さい）、粒子
ビーム２の周辺での高周波電圧Ｖはせいぜい、 である。ここに、ｅは単一粒子の電荷である。空胴１内
の最大高周波電圧Vmは と見積もれるので、rb＝3cmとすれば、ａ＝67cmを用い
て、 となる。ちなみに、第３図の解析例では、高周波加速電
圧V1 0＝5kV、シンクロトロンチユーンν＝6.3×10-3に
対し、Vm＝1.0kVである。この電圧値を、Kilpatrickの
放電限界の公式にあてはめると、ｌ0.05mmで放電する
ことになり、ｌを1cmのオーダで製作する限り、放電の
心配はない。
ができる。いま仮に中心軌道を走行する粒子のエネルギ
ー（中心エネルギー）が10MeVの低エネルギーでの粒子
の加速を考える。粒子群のエネルギー分布をガウス分布
と見なして、その標準偏差σξを中心エネルギー10MeV
の１％、すなわち100KeVとする。シンクロトロンチユー
ンν（シンクロトロン振動数／粒子の周回周波数）を５
×10-3とすれば（一般的に１よりかなり小さい）、粒子
ビーム２の周辺での高周波電圧Ｖはせいぜい、 である。ここに、ｅは単一粒子の電荷である。空胴１内
の最大高周波電圧Vmは と見積もれるので、rb＝3cmとすれば、ａ＝67cmを用い
て、 となる。ちなみに、第３図の解析例では、高周波加速電
圧V1 0＝5kV、シンクロトロンチユーンν＝6.3×10-3に
対し、Vm＝1.0kVである。この電圧値を、Kilpatrickの
放電限界の公式にあてはめると、ｌ0.05mmで放電する
ことになり、ｌを1cmのオーダで製作する限り、放電の
心配はない。
本実施によれば、寸法a,bが約70cm,寸法ｌが数cm程度
の空胴で済み、放射光装置のコンパクト性を保持でき
る。
の空胴で済み、放射光装置のコンパクト性を保持でき
る。
本発明の第２の実施例を第８図により説明する。本実
施例は前記第１実施例における空胴１の代わりに円筒形
の空胴11を用い、その側壁を貫通して粒子ビームを通過
させるようにしたものである。座標軸のとり方は前記と
同様であり、空胴11の円筒軸はｚ方向に一致させる。外
部発振器100から結合アンテナ101を介して空胴11内にマ
イクロ波を注入して空胴11内に図示のごとくTE011モー
ドの高周波電磁場を立たせる。ここでTE011モードの電
磁場振動の共振周波数r2は粒子と加速周波数の整数倍
にとる。高周波加速電圧との位相関係は前述の方程式
（２）（３）に従う。本実施例でも、前記第１実施例で
述べたのと同様な作用効果が奏せられる。
施例は前記第１実施例における空胴１の代わりに円筒形
の空胴11を用い、その側壁を貫通して粒子ビームを通過
させるようにしたものである。座標軸のとり方は前記と
同様であり、空胴11の円筒軸はｚ方向に一致させる。外
部発振器100から結合アンテナ101を介して空胴11内にマ
イクロ波を注入して空胴11内に図示のごとくTE011モー
ドの高周波電磁場を立たせる。ここでTE011モードの電
磁場振動の共振周波数r2は粒子と加速周波数の整数倍
にとる。高周波加速電圧との位相関係は前述の方程式
（２）（３）に従う。本実施例でも、前記第１実施例で
述べたのと同様な作用効果が奏せられる。
ここでも具体的に空胴11の寸法及び必要な高周波電界
強度を見積もると次のようになる。
強度を見積もると次のようになる。
円筒形の空胴11の半径をR,高さをｈとする（第８図
（ｄ）参照）。空胴11内のTE011モードの共振周波数
r2は近似的に と表わせる。ここにj01は０次のベツセル関数の導関数
の１番の零点である。
（ｄ）参照）。空胴11内のTE011モードの共振周波数
r2は近似的に と表わせる。ここにj01は０次のベツセル関数の導関数
の１番の零点である。
例えば、r2＝500MHz,2R＝ｈとおくと、j01＝3.83だ
から、ｈ＝2R＝79cmであり、実現性に問題はない。
から、ｈ＝2R＝79cmであり、実現性に問題はない。
必要な高周波電界強度は次のようになる。第８図
（ｃ）のＰ点における値をEbとおき、粒子ビーム２の走
行方向へ働く電界の実効距離を粒子ビーム２の半径rbぐ
らいとすれば、高周波電圧Ｖは、 ＶEbrb500（Ｖ） より、rb＝3cmとして、Eb＝17KV/mと推定される。第
８図（ａ）における電界強度のピーク値Emは、 で充分実現性のある数値である。この場合、空胴壁面上
の電界は零なので放電の心配は全くない。
（ｃ）のＰ点における値をEbとおき、粒子ビーム２の走
行方向へ働く電界の実効距離を粒子ビーム２の半径rbぐ
らいとすれば、高周波電圧Ｖは、 ＶEbrb500（Ｖ） より、rb＝3cmとして、Eb＝17KV/mと推定される。第
８図（ａ）における電界強度のピーク値Emは、 で充分実現性のある数値である。この場合、空胴壁面上
の電界は零なので放電の心配は全くない。
最後に第３の実施例を示す。第９図に示すように円筒
形の空胴21を粒子ビーム２が貫通するように置き、粒子
ビーム２の中心エネルギーの軌道軸を空胴21の中心軸と
一致するようにする。座標軸は前記と同様にとる。外部
発振器100から結合アンテナ101を介してマイクロ波を空
胴21に注入して、空胴21内にTM111モードの高周波電磁
場を立たせる。ここでもTM111モードの電磁場振動の共
振周波数r3は粒子の加速周波数の整数倍にとる。高周
波加速電圧との位相関係は前述の方程式（２）（３）に
従う。本実施例でも、前記第一実施例で述べたのと同様
な作用効果が奏せられる。
形の空胴21を粒子ビーム２が貫通するように置き、粒子
ビーム２の中心エネルギーの軌道軸を空胴21の中心軸と
一致するようにする。座標軸は前記と同様にとる。外部
発振器100から結合アンテナ101を介してマイクロ波を空
胴21に注入して、空胴21内にTM111モードの高周波電磁
場を立たせる。ここでもTM111モードの電磁場振動の共
振周波数r3は粒子の加速周波数の整数倍にとる。高周
波加速電圧との位相関係は前述の方程式（２）（３）に
従う。本実施例でも、前記第一実施例で述べたのと同様
な作用効果が奏せられる。
ここでも具体的に空胴21の寸法及び必要な高周波電界
強度を見積もつておく。
強度を見積もつておく。
円筒形の空胴21の半径をR,長さをｈとする（第９図
（ｄ）参照）。TM111モードの電磁場振動の共振周波数
r3は、 と表わせる。ここにj11は１次のベツセル関数の導関数
の１番目の零点である。例えば、r3＝500MHz,2R＝ｈ
とおくと、j11＝3.83だから、ｈ＝2R＝79cmであり、第
２の実施例と同様に実現性に問題はない。
（ｄ）参照）。TM111モードの電磁場振動の共振周波数
r3は、 と表わせる。ここにj11は１次のベツセル関数の導関数
の１番目の零点である。例えば、r3＝500MHz,2R＝ｈ
とおくと、j11＝3.83だから、ｈ＝2R＝79cmであり、第
２の実施例と同様に実現性に問題はない。
必要な高周波電界強度は次のようになる。第９図
（ｃ）のＱ点における値をEbとおくと、粒子ビーム２の
走行方向へ働く電界の実効距離はh/2程度なので、高周
波電圧Ｖは、 より、ｈ＝79cmとして、Eb＝1.3KV/mと推定される。
第９図（ａ）における電界強度のピーク値Emは、 Em2Eb2.6KV/m であり、これも充分実現性のある数値であり、放電の心
配もない。
（ｃ）のＱ点における値をEbとおくと、粒子ビーム２の
走行方向へ働く電界の実効距離はh/2程度なので、高周
波電圧Ｖは、 より、ｈ＝79cmとして、Eb＝1.3KV/mと推定される。
第９図（ａ）における電界強度のピーク値Emは、 Em2Eb2.6KV/m であり、これも充分実現性のある数値であり、放電の心
配もない。
本発明によれば、荷電粒子のシンクロトロン振動とベ
ータトロン振動は強く結合し、荷電粒子は強いシンクロ
・ベータトロン共鳴を示す。このとき、シンクロトロン
振動が減衰してエネルギー分布の広がりが小さくなると
ともに、ベータトロン振動が減衰して、中心軌道を基準
に荷電粒子の最大振幅が減衰する。従って、シンクロト
ロン振動の減衰、及び、ベータトロン振動の減衰によ
り、環状型粒子加速器を周回する荷電粒子ビームの横方
向の広がりを小さくすることができる。このため、横方
向のウエイク場が弱くなり、ビームの不安定化が抑えら
れてビーム損失を少なくすることにより、低エネルギー
・大電流の粒子ビームの入射・加速・蓄積が可能にな
る。これにより、粒子ビームの入射器は簡素なもので済
み、工業用放射光装置全体が小型化できる。
ータトロン振動は強く結合し、荷電粒子は強いシンクロ
・ベータトロン共鳴を示す。このとき、シンクロトロン
振動が減衰してエネルギー分布の広がりが小さくなると
ともに、ベータトロン振動が減衰して、中心軌道を基準
に荷電粒子の最大振幅が減衰する。従って、シンクロト
ロン振動の減衰、及び、ベータトロン振動の減衰によ
り、環状型粒子加速器を周回する荷電粒子ビームの横方
向の広がりを小さくすることができる。このため、横方
向のウエイク場が弱くなり、ビームの不安定化が抑えら
れてビーム損失を少なくすることにより、低エネルギー
・大電流の粒子ビームの入射・加速・蓄積が可能にな
る。これにより、粒子ビームの入射器は簡素なもので済
み、工業用放射光装置全体が小型化できる。
また、本発明によれば、従来不可能とされていた低エ
ネルギーでの多重回にわたる入射が可能となり、大電流
入射が容易となる効果もある。
ネルギーでの多重回にわたる入射が可能となり、大電流
入射が容易となる効果もある。
第１図は本発明の基本要素となる空胴内の電磁場の分布
のようすを示す図、第２図は本発明が適用される環状型
加速器を例示した全体構成図、第３図は粒子ビームの閉
軌道のようすを模式的に示した図、第４図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の具体的な効果を示す
解析例の図、第５図は本発明の基本原理を示すベータト
ロン振動の図、第６図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）
は本発明の第１実施例を示す図、第７図は高周波電界強
度と高周波磁界強度の位相関係を示す図、第８図
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び第９図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）はおのおの第2,第３の実施例を
示す図である。 1,11,21……空胴、２……粒子ビーム、３……入射器、
４……高周波加速空胴、５……偏向磁石、６……四極磁
石、10……ビーム軌道、30……電場、31……磁場、50…
…環状型加速器、100……外部発振器、101……結合アン
テナ。
のようすを示す図、第２図は本発明が適用される環状型
加速器を例示した全体構成図、第３図は粒子ビームの閉
軌道のようすを模式的に示した図、第４図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の具体的な効果を示す
解析例の図、第５図は本発明の基本原理を示すベータト
ロン振動の図、第６図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）
は本発明の第１実施例を示す図、第７図は高周波電界強
度と高周波磁界強度の位相関係を示す図、第８図
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び第９図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）はおのおの第2,第３の実施例を
示す図である。 1,11,21……空胴、２……粒子ビーム、３……入射器、
４……高周波加速空胴、５……偏向磁石、６……四極磁
石、10……ビーム軌道、30……電場、31……磁場、50…
…環状型加速器、100……外部発振器、101……結合アン
テナ。
Claims (4)
- 【請求項１】荷電粒子の閉軌道を構成する偏向磁石・四
極磁石などの磁石系と、前記荷電粒子を加速する高周波
加速空胴と、前記荷電粒子のビームを閉じ込める真空容
器と、結合アンテナを介して外部発振器が接続されたビ
ーム冷却用空胴とを備えた環状型粒子加速器において、
前記荷電粒子の中心軌道方向に電場成分をもち、かつ、
前記荷電粒子の中心軌道面に垂直な方向の磁場成分をも
つ偏向モード電磁場を内部に励振させる荷電粒子ビーム
冷却法であって、前記偏向モード電磁場の共振周波数
を、前記高周波加速空胴内の基本高周波モード電磁場の
共振周波数の整数倍にすることを特徴とする荷電粒子ビ
ーム冷却法。 - 【請求項２】前記ビーム冷却用空胴が、前記荷電粒子の
中心軌道面に垂直な稜をもつ直方体状の空胴である特許
請求の範囲第１項の荷電粒子ビーム冷却法。 - 【請求項３】前記ビーム冷却用空胴が円筒状で、かつ、
前記荷電粒子の中心軌道面に垂直な方向に円筒の中心軸
をもつ空胴である特許請求の範囲第１項の荷電粒子ビー
ム冷却法。 - 【請求項４】前記ビーム冷却用空胴が円筒状で、かつ、
前記荷電粒子の中心軌道の方向に円筒の中心軸をもつ空
胴である特許請求の範囲第１項の荷電粒子ビーム冷却
法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307550A JP2555112B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 荷電粒子ビーム冷却法 |
| EP89900142A EP0343259B1 (en) | 1987-12-07 | 1988-12-05 | Charged particle accelerator and cooling method for charged particle beam |
| US07/397,431 US5001438A (en) | 1987-12-07 | 1988-12-05 | Charged particle accelerator and method of cooling charged particle beam |
| DE3850768T DE3850768T2 (de) | 1987-12-07 | 1988-12-05 | Beschleuniger für geladene teilchen und verfahren zur abkühlung eines bündels von geladenen teilchen. |
| PCT/JP1988/001225 WO1989005565A1 (fr) | 1987-12-07 | 1988-12-05 | Accelerateur de particules chargees et procede de refroidissement d'un faisceau de particules chargees |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307550A JP2555112B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 荷電粒子ビーム冷却法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01149400A JPH01149400A (ja) | 1989-06-12 |
| JP2555112B2 true JP2555112B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=17970441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62307550A Expired - Lifetime JP2555112B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 荷電粒子ビーム冷却法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5001438A (ja) |
| EP (1) | EP0343259B1 (ja) |
| JP (1) | JP2555112B2 (ja) |
| DE (1) | DE3850768T2 (ja) |
| WO (1) | WO1989005565A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2782076B2 (ja) * | 1989-02-23 | 1998-07-30 | 栄胤 池上 | 荷電粒子ビーム冷却方法 |
| JP3213186B2 (ja) * | 1994-12-28 | 2001-10-02 | 科学技術振興事業団 | コヒーレント荷電粒子線の発生方法及びその装置 |
| JPH09223850A (ja) * | 1996-02-19 | 1997-08-26 | Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan | スーパーハードレーザーの発生方法及びその装置 |
| US5854531A (en) * | 1997-05-30 | 1998-12-29 | Science Applications International Corporation | Storage ring system and method for high-yield nuclear production |
| US6369585B2 (en) * | 1998-10-02 | 2002-04-09 | Siemens Medical Solutions Usa, Inc. | System and method for tuning a resonant structure |
| JP3705091B2 (ja) * | 2000-07-27 | 2005-10-12 | 株式会社日立製作所 | 医療用加速器システム及びその運転方法 |
| DE10144314A1 (de) * | 2001-09-10 | 2003-05-08 | Ulrich Pfueller | Verfahren zur kohärenten Zerstrahlung von Ladungsträgern und zur Strom- und Feldverstärkung |
| WO2004033613A2 (en) * | 2002-10-11 | 2004-04-22 | Scantech Holdings, Llc | Standing-wave electron linear accelerator |
| US7432516B2 (en) * | 2006-01-24 | 2008-10-07 | Brookhaven Science Associates, Llc | Rapid cycling medical synchrotron and beam delivery system |
| US7501640B2 (en) * | 2007-02-24 | 2009-03-10 | Larson Delbert J | Low energy electron cooling system and method for increasing the phase space intensity and overall intensity of low energy ion beams |
| US20110215720A1 (en) * | 2010-03-03 | 2011-09-08 | Larson Delbert J | Segmented Electron Gun, Beam and Collector System and Method for Electron Cooling of Particle Beams |
| JP7057643B2 (ja) * | 2017-10-30 | 2022-04-20 | 株式会社日立製作所 | 粒子線治療システム |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3472879D1 (en) * | 1984-10-30 | 1988-08-25 | Scanditronix Instr | Method and apparatus for storing an energy-rich electron beam in a race-track microtron |
| JPS6222400A (ja) * | 1985-07-22 | 1987-01-30 | 株式会社東芝 | 電子ビ−ムによるイオンビ−ムの冷却装置 |
| JPS62147641A (ja) * | 1985-12-23 | 1987-07-01 | Hidetsugu Ikegami | 粒子ビ−ム電気冷却法 |
| JPH0732079B2 (ja) * | 1986-02-26 | 1995-04-10 | 株式会社日立製作所 | 電子ビ−ム安定化法 |
| JPH0722040B2 (ja) * | 1986-06-05 | 1995-03-08 | 三菱電機株式会社 | 粒子ビ−ム加速装置 |
| US4780683A (en) * | 1986-06-05 | 1988-10-25 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Synchrotron apparatus |
| JPS63141300A (ja) * | 1986-12-02 | 1988-06-13 | 株式会社東芝 | シンクロトロン加速装置 |
| JPS6471100A (en) * | 1987-09-10 | 1989-03-16 | Hitachi Ltd | Radiation optical device for industry |
| US5291567A (en) * | 1992-07-21 | 1994-03-01 | Eastman Kodak Company | Electro-optic waveguide deflector using a nonlinear optic film or liquid-crystal overlay cell for use in an optical pickup head |
-
1987
- 1987-12-07 JP JP62307550A patent/JP2555112B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-12-05 DE DE3850768T patent/DE3850768T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-12-05 WO PCT/JP1988/001225 patent/WO1989005565A1/ja not_active Ceased
- 1988-12-05 US US07/397,431 patent/US5001438A/en not_active Expired - Fee Related
- 1988-12-05 EP EP89900142A patent/EP0343259B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0343259A1 (en) | 1989-11-29 |
| EP0343259A4 (en) | 1991-04-03 |
| WO1989005565A1 (fr) | 1989-06-15 |
| US5001438A (en) | 1991-03-19 |
| DE3850768D1 (de) | 1994-08-25 |
| DE3850768T2 (de) | 1994-12-01 |
| EP0343259B1 (en) | 1994-07-20 |
| JPH01149400A (ja) | 1989-06-12 |
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