JPH0439899A - Charged particle beam compression method, charged particle beam compression device, and annular particle accelerator - Google Patents

Charged particle beam compression method, charged particle beam compression device, and annular particle accelerator

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JPH0439899A
JPH0439899A JP14711190A JP14711190A JPH0439899A JP H0439899 A JPH0439899 A JP H0439899A JP 14711190 A JP14711190 A JP 14711190A JP 14711190 A JP14711190 A JP 14711190A JP H0439899 A JPH0439899 A JP H0439899A
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JP
Japan
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frequency
charged particle
mode
particle beam
charged
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JP14711190A
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Japanese (ja)
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Kenji Miyata
健治 宮田
Masatsugu Nishi
西 政嗣
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To have a small charged particle beam size effectively by enlarging energy dispersion of charged particle in a ring type particle accelerator, including a vacuum container, which shuts up beam generated by high frequency acceleration cavity and charged particles. CONSTITUTION:A charged particle beam is extracted finely, and effectively, by an easy operation, which is to enlarge charged particle energy dispersion. For example, a deflection mode by specified high frequency electromagnetic field 7, is generated by excitation, on any point of orbit of charged particles. Also the excitation is made by synchronization, so that generally extended specified synchronized relation is satisfied, between the excitation frequency of the deflection mode and excitation frequency of high frequency acceleration cavity 1, settled on the orbit, and thus synchrotron vibration is grown, betatron vibration is attenuated, and then the charged particle beam is extracted finely, as a phenomenon. By this method, the beam size of the charged particle beam can effectively be compressed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子ビーム圧縮方法、荷電粒子ビーム圧縮
装置及び環状型粒子加速器に関し、特に荷電粒子ビーム
のビームサイズを効果的に細く絞り込むのに好適な荷電
粒子ビーム圧縮方法と、この荷電粒子ビーム圧縮方法を
実現する荷電粒子ビーム圧縮装置と、この荷電粒子ビー
ム圧縮装置を適用して荷電粒子ビームのビームサイズを
小さくし荷電粒子を有効に加速又は蓄積する環状型粒子
加速器に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a charged particle beam compression method, a charged particle beam compression device, and an annular particle accelerator. A suitable charged particle beam compression method, a charged particle beam compression device that realizes this charged particle beam compression method, and an application of this charged particle beam compression device to reduce the beam size of a charged particle beam and effectively accelerate the charged particles. Or it relates to an accumulating annular particle accelerator.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の典型的な環状型粒子加速器の全体構成を概略的に
第15図に示す。この粒子加速器は、正又は負に帯電さ
れた荷電粒子を矢印Aの如く軌道に入射させるための入
射器101と、荷電粒子を加速・蓄積する環状型の加速
器本体102とから構成される。入射器101としてラ
イナック、シンクロトロン、マイクロトロン等が使用さ
れる。
FIG. 15 schematically shows the overall configuration of a typical conventional annular particle accelerator. This particle accelerator is comprised of an injector 101 for injecting positively or negatively charged particles into a trajectory as shown by arrow A, and an annular accelerator body 102 for accelerating and accumulating the charged particles. A linac, synchrotron, microtron, or the like is used as the injector 101.

加速器本体102は、荷電粒子ビーム103を閉じ込め
るための真空容器を形成するビームダクト104、荷電
粒子ビーム103の軌道に偏向を与える偏向磁石105
、荷電粒子ビーム103を収束させる機能を有する複数
の四極磁石106、荷電粒子を加速するための高周波加
速空胴107などで構成されており、荷電粒子の中心軌
道は閉じた周回軌道となる。荷電粒子の軌道は中心軌道
あるいはその近傍に存在し、この軌道は前記の偏向磁石
や四極磁石等の磁石系装置によって形成される。
The accelerator body 102 includes a beam duct 104 that forms a vacuum container for confining the charged particle beam 103, and a deflection magnet 105 that deflects the trajectory of the charged particle beam 103.
, a plurality of quadrupole magnets 106 having the function of converging the charged particle beam 103, a high frequency acceleration cavity 107 for accelerating the charged particles, etc., and the central orbit of the charged particles becomes a closed orbit. The trajectory of the charged particles exists at or near the central trajectory, and this trajectory is formed by a magnetic device such as the deflection magnet or quadrupole magnet described above.

上記構成を有する環状型粒子加速器を用いて、例えば、
荷電粒子ビームの衝突実験を行う場合(環状型衝突加速
器)あるいは放射光を物性研究に利用する場合(放射光
発生用電子蓄積リング)には、荷電粒子ビームをできる
限り細(絞り込む方が良い効果を得ることができる。す
なわち、前者の環状型衝突加速器の場合には衝突の頻度
が上昇し、後者の放射光発生用電子蓄積リングの場合に
は放射光の輝度が高くなるという効果が生じる。
For example, using the annular particle accelerator having the above configuration,
When conducting charged particle beam collision experiments (annular collider) or using synchrotron radiation for physical properties research (electron storage ring for synchrotron radiation generation), it is important to make the charged particle beam as narrow as possible. That is, in the case of the former annular collider, the frequency of collisions increases, and in the case of the latter electron storage ring for synchrotron radiation generation, the brightness of the synchrotron radiation increases.

荷電粒子ビームを細(絞り込む従来の方法としては、電
子の場合には、放射減衰にのみ依存して絞り込む方法や
、本発明者が先に提案した高周波電磁場による偏向モー
ドを利用して絞り込む方法(特開平1−149400号
公報)がある。前者の方法は、荷電粒子ビームが軌道を
一周する間に生じる放射による運動量の低減作用と高周
波加速空胴による加速作用とによって荷電粒子ビームの
束を徐々に中心軌道に集中させる方法である。また後者
の方法は、高周波加速空胴とは別の他の高周波空胴を荷
電粒子の軌道上に設置し、この空胴に対し外部発振器と
結合アンテナを付加し、その空胴内に、外部発振器と結
合アンテナを用いて、荷電粒子の中心軌道方向に電場成
分を有し且つ軌道面の垂直方向に磁場成分を有する偏向
モードを励振させ、更に偏向モードの励振周波数を高周
波加速空胴内の基本高周波モードの励振周波数の整数倍
となるように構成したものである。この他の高周波空胴
は、荷電粒子ビームのビームサイズを小さくするための
圧縮用空胴である。
Conventional methods for narrowing a charged particle beam include, in the case of electrons, a method that relies only on radiation attenuation, and a method that utilizes a deflection mode caused by a high-frequency electromagnetic field, which was previously proposed by the present inventor. (Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-149400).The former method gradually reduces the bundle of charged particle beams by reducing the momentum of the charged particle beam due to radiation that occurs during one orbit and by accelerating the charged particle beam by a high-frequency acceleration cavity. In the latter method, a high-frequency cavity separate from the high-frequency accelerating cavity is installed on the orbit of charged particles, and an external oscillator and a coupling antenna are connected to this cavity. In the cavity, using an external oscillator and a coupled antenna, a deflection mode having an electric field component in the direction of the central orbit of the charged particle and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbit plane is excited, and further the deflection mode The excitation frequency is configured to be an integral multiple of the excitation frequency of the fundamental high-frequency mode in the high-frequency acceleration cavity.Other high-frequency cavities are used for compression to reduce the beam size of the charged particle beam. It is a hollow body.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

特に前述した後者の荷電粒子ビームを絞り込む方法では
、圧縮用の高周波空胴内にて、荷電粒子の中心軌道方向
に電場成分を有し、且つ粒子の中心軌道上に軌道面の垂
直方向に磁場成分を有する偏向モードを励振させ、偏向
モードの励振周波数を、高周波加速空胴内の基本高周波
モードの励振周波数の整数倍となるように構成したため
、偏向モードの条件が狭い範囲に限定されているという
不具合があった。本発明者はその後の研究において、前
記条件を更に拡張できることを知得し、また高周波電磁
場の偏向モードによる荷電粒子ビーム圧縮方法を実現す
る基本的アイデアの本質的理解を得ることができたので
、本願においてこれを明らかにするものである また電子等の荷電粒子を低エネルギーで入射させた場合
には、電子は水平方向に広がったまま加速される特性を
有するので、電子ビームの損失が問題になるが、この場
合にはもともとエネルギーが低いので、前者の放射減衰
による電子ビームの絞り込み方法を適用することが困難
である。このような場合にも、電子ビームの絞り込みを
有効に行える方法を提供する必要がある。
In particular, in the latter method of confining a charged particle beam mentioned above, an electric field component is generated in the direction of the central orbit of the charged particles in the high-frequency cavity for compression, and a magnetic field is generated in the direction perpendicular to the orbital plane on the central orbit of the particles. The conditions of the deflection mode are limited to a narrow range because the deflection mode with the component is excited and the excitation frequency of the deflection mode is configured to be an integral multiple of the excitation frequency of the fundamental high frequency mode in the high frequency acceleration cavity. There was a problem. In subsequent research, the present inventor learned that the above conditions could be further expanded, and also gained an essential understanding of the basic idea of realizing a charged particle beam compression method using the deflection mode of a high-frequency electromagnetic field. This will be clarified in this application. Furthermore, when charged particles such as electrons are incident with low energy, electron beam loss becomes a problem because the electrons have the characteristic of being accelerated while spreading in the horizontal direction. However, in this case, since the energy is originally low, it is difficult to apply the former method of narrowing down the electron beam by radiation attenuation. Even in such a case, it is necessary to provide a method that can effectively narrow down the electron beam.

本発明の目的は、高周波電磁場の偏向モードを利用して
効果的に荷電粒子ビームのビームサイズを小さくするこ
とができ、特に適用条件を一般的に拡張し、荷電粒子ビ
ームの圧縮方法としては原理的に一層簡単な条件により
圧縮を行うことができるもので、一般的に有効に使用す
ることのできる荷電粒子ビーム圧縮方法及び荷電粒子ビ
ーム圧縮装置を提供することにある。
An object of the present invention is to effectively reduce the beam size of a charged particle beam by using the deflection mode of a high-frequency electromagnetic field, and in particular to generally expand the applicable conditions, and to improve the principle of a charged particle beam compression method. It is an object of the present invention to provide a charged particle beam compression method and a charged particle beam compression device that can perform compression under simpler conditions and can be effectively used in general.

本発明の他の目的は、前記荷電粒子ビーム方法を実施で
きる圧縮装置を備え、これを利用して荷電粒子を効果的
に加速又は蓄積する放射光発生用電子蓄積リングあるい
は環状型衝突加速器などの環状型粒子加速器を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to provide an electron storage ring or an annular collider for synchrotron radiation generation, which is equipped with a compression device capable of carrying out the charged particle beam method, and utilizes the compression device to effectively accelerate or accumulate charged particles. An object of the present invention is to provide an annular particle accelerator.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明に係る第1の荷電粒子ビーム圧縮方法は、荷電粒
子の周回軌道を形成する磁石系装置と、荷電粒子を加速
するための高周波加速空胴と、荷電粒子によるビームを
閉じ込める真空容器を含む環状型粒子加速器において、
荷電粒子のエネルギー分散を大きくするようにしたこと
を特徴点として有する。
A first charged particle beam compression method according to the present invention includes a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum container that confines the beam of charged particles. In the annular particle accelerator,
The feature is that the energy dispersion of charged particles is increased.

本発明に係る第2の荷電粒子ビーム圧縮方法は、荷電粒
子の周回軌道を形成する磁石系装置と、荷電粒子を加速
するための高周波加速空胴と、荷電粒子によるビームを
閉じ込める真空容器を含む環状型粒子加速器において、
軌道上を周回する荷電粒子におけるシンクロトロン振動
を成長させ、ベータトロン振動を減衰させることにより
、荷電粒子ビームを圧縮するようにしたことを特徴点と
して有する。
A second charged particle beam compression method according to the present invention includes a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum container that confines the beam of charged particles. In the annular particle accelerator,
A distinctive feature is that the charged particle beam is compressed by growing synchrotron vibrations in charged particles orbiting and damping betatron vibrations.

本発明に係る第3の荷電粒子ビーム圧縮方法は、前記第
1又は第2の方法において、荷電粒子の軌道上に、中心
軌道方向に電場成分を有し且つ軌道面に垂直な方向に磁
場成分を有する高周波の偏向モードを発生させ、この偏
向モードを高周波加速空胴の加速モードと所定の同期条
件で同期させることにより励振し、荷電粒子ビームを圧
縮するようにしたことを特徴点として有する。
A third charged particle beam compression method according to the present invention is characterized in that, in the first or second method, the charged particle has an electric field component in the direction of the center orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbit plane. It is characterized by generating a high-frequency deflection mode having a high-frequency wave, and synchronizing this deflection mode with the acceleration mode of the high-frequency acceleration cavity under a predetermined synchronization condition to excite and compress the charged particle beam.

本発明に係る第4の荷電粒子ビーム圧縮方法は、前記第
3の方法において、偏向モードと加速モードの間の前記
所定の同期条件は、偏向モードの励振周波数が加速モー
ドの励振周波数のn / h倍(n:整数、h:ハーモ
ニック数)であることを特徴点として有する。
In the fourth charged particle beam compression method according to the present invention, in the third method, the predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is such that the excitation frequency of the deflection mode is n/of the excitation frequency of the acceleration mode. The characteristic point is that it is h times (n: integer, h: harmonic number).

前記の各荷電粒子ビーム圧縮方法では、前記偏向モード
を外部から与えられる高周波による励振によって発生さ
せること、あるいは前記偏向モードを荷電粒子のみによ
る励振によって発生させること、前記偏向モードをTM
モード又はTEモードのいずれかにすることが可能であ
る。
In each of the above-mentioned charged particle beam compression methods, the deflection mode is generated by excitation by an externally applied high frequency, or the deflection mode is generated by excitation by only charged particles, and the deflection mode is generated by TM.
mode or TE mode.

本発明に係る第1の荷電粒子ビーム圧縮装置は、内部空
間に、高周波による偏向モードが、内部空間の所定の方
向に移動する荷電粒子を加速するための高周波加速モー
ドと所定の同期条件にて励振され、高周波による偏向モ
ードによって前記荷電粒子によるビームのエネルギー分
散を大きくするように構成されたことを特徴点として有
する。
A first charged particle beam compression device according to the present invention has a high-frequency deflection mode in an internal space under predetermined synchronization conditions with a high-frequency acceleration mode for accelerating charged particles moving in a predetermined direction in the internal space. A characteristic feature of the charged particle is that it is configured to increase the energy dispersion of the beam caused by the charged particles through a high-frequency deflection mode.

本発明に係る第2の荷電粒子ビーム圧縮装置は、内部空
間に、高周波による偏向モードが、内部空間の所定の方
向に移動する荷電粒子を加速するための高周波加速モー
ドと所定の同期条件にて励振され、高周波による偏向モ
ードによって、軌道上を周回する荷電粒子におけるシン
クロトロン振動を成長させ、ベータトロン振動を減衰さ
せることにより、荷電粒子ビームを圧縮するようにした
ことを特徴点として有する。
The second charged particle beam compression device according to the present invention has a high-frequency deflection mode in an internal space under predetermined synchronization conditions with a high-frequency acceleration mode for accelerating charged particles moving in a predetermined direction in the internal space. A distinctive feature is that the charged particle beam is compressed by growing the synchrotron oscillations in the orbiting charged particles and damping the betatron oscillations using the excited high-frequency deflection mode.

本発明に係る第3の荷電粒子ビーム圧縮装置は、前記第
1又は第2の装置構成において、荷電粒子の軌道上に、
中心軌道方向に電場成分を有し且つ軌道面に垂直な方向
に磁場成分を有する高周波の偏向モードを発生させ、こ
の偏向モードを、高周波加速モードと所定の同期条件で
同期させることにより励振し、荷電粒子ビームを圧縮す
るようにしたことを特徴点として有する。
In the third charged particle beam compression device according to the present invention, in the first or second device configuration, on the trajectory of the charged particles,
generating a high-frequency deflection mode having an electric field component in the direction of the central orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbital plane, and exciting this deflection mode by synchronizing it with the high-frequency acceleration mode under predetermined synchronization conditions; The feature is that the charged particle beam is compressed.

本発明に係る第4の荷電粒子ビーム圧縮装置は、前記第
1〜第3の装置構成において、偏向モードと加速モード
の間の前記所定の同期条件は、偏向モードの励振周波数
が加速モードの励振周波数のn / h倍(n:整数、
h:ハーモニック数)であることを特徴点として有する
。
In the fourth charged particle beam compression device according to the present invention, in the first to third device configurations, the predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is such that the excitation frequency of the deflection mode is the excitation frequency of the acceleration mode. n/h times the frequency (n: integer,
h: harmonic number).

本発明に係る第5の荷電粒子ビーム圧縮装置は、前記第
1〜第3の装置構成において、前記内部空間にて、高周
波の偏向モードと高周波の加速モードを励振させたこと
を特徴点として有する。
A fifth charged particle beam compression device according to the present invention is characterized in that, in the first to third device configurations, a high-frequency deflection mode and a high-frequency acceleration mode are excited in the internal space. .

前記の各荷電粒子ビーム圧縮装置において、偏向モード
を発生するため高周波を与える高周波電源を外部に備え
ること、偏向モードを荷電粒子のみによる励振によって
発生させること、高周波による偏向モードの周波数調整
を行うためのチューナを備えること、前記偏向モードを
TMモード又はTEモードのいずれかにすること等がそ
れぞれ可能である。
In each of the above-mentioned charged particle beam compression devices, an external high-frequency power source is provided to generate a high frequency to generate a deflection mode, the deflection mode is generated by excitation only by charged particles, and the frequency of the deflection mode is adjusted by high frequency. It is possible to include a tuner of 1, and to set the deflection mode to either TM mode or TE mode.

本発明に係る第1の環状型粒子加速器は、荷電粒子の周
回軌道を形成する磁石系装置と、荷電粒子を加速するた
めの高周波加速空胴と、荷電粒子によるビームを閉じ込
める真空容器を含む環状型粒子加速器において、荷電粒
子の周回軌道上に、荷電粒子のエネルギー分散を太き(
する高周波空胴を設けたことを特徴点として有する。
A first annular particle accelerator according to the present invention is an annular particle accelerator that includes a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum vessel that confines a beam of charged particles. In a type particle accelerator, the energy dispersion of charged particles is thickened (
It is characterized by the provision of a high-frequency cavity.

本発明に係る第2の環状型粒子加速器は、荷電粒子の周
回軌道を形成する磁石系装置と、荷電粒子を加速するた
めの高周波加速空胴と、荷電粒子によるビームを閉じ込
める真空容器を含む環状型粒子加速器において、軌道上
を周回する荷電粒子におけるシンクロトロン振動を成長
させ、ベータトロン振動を減衰させる高周波空胴を設け
たことを特徴点として有する。
A second annular particle accelerator according to the present invention is an annular particle accelerator that includes a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum vessel that confines a beam of charged particles. The particle accelerator is characterized by the provision of a high-frequency cavity that grows synchrotron oscillations in charged particles orbiting and damps betatron oscillations.

本発明に係る第3の環状型粒子加速器は、前記第1又は
第2の装置構成において、高周波空胴が、中心軌道方向
に電場成分を有し且つ軌道面に垂直な方向に磁場成分を
有してなる偏向モードを発生され、この偏向モードを、
高周波加速空胴の加速モードと所定の同期条件で同期さ
せて励振し、前記荷電粒子ビームを圧縮したことを特徴
点として有する。
In the third annular particle accelerator according to the present invention, in the first or second device configuration, the high-frequency cavity has an electric field component in the direction of the center orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbit plane. A deflection mode is generated, and this deflection mode is
The feature is that the charged particle beam is compressed by excitation in synchronization with the acceleration mode of the high frequency acceleration cavity under predetermined synchronization conditions.

本発明に係る第4の環状型粒子加速器は、前記第3の装
置構成において、偏向モードと加速モードの間の前記所
定の同期条件は、偏向モードの励振周波数が加速モード
の励振周波数のn / h倍(n:整数、h:ハーモニ
ック数)であることを特徴点として有する 本発明に係る第5の環状型粒子加速器は、前記第1〜第
3の装置構成において、高周波空胴と高周波加速空胴の
各機能を1台の空胴により実現し、偏向モードを加速モ
ードの中で励振するようにしたことを特徴点として有す
る。
In the fourth annular particle accelerator according to the present invention, in the third device configuration, the predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is such that the excitation frequency of the deflection mode is n/n of the excitation frequency of the acceleration mode. The fifth annular particle accelerator according to the present invention, which is characterized by being h times (n: integer, h: harmonic number), has a high-frequency cavity and a high-frequency acceleration in the first to third device configurations. The feature is that each cavity function is realized by one cavity, and the deflection mode is excited in the acceleration mode.

前記の各環状型粒子加速器では、高周波電源を備え、こ
の高周波電源で発生した高周波電力を伝送手段で前記高
周波空胴へ伝送し、位相調整手段で前記同期条件を滴た
すように高周波電力を調整し結合アンテナを介して前記
高周波空胴に供給し、前記高周波空胴内の前記偏向モー
ドを励振するように構成することができる。
Each of the annular particle accelerators described above is equipped with a high-frequency power source, and a transmission means transmits the high-frequency power generated by the high-frequency power source to the high-frequency cavity, and a phase adjustment means transmits the high-frequency power so as to satisfy the synchronization condition. A tuned and coupled antenna may be configured to feed the radio frequency cavity to the radio frequency cavity to excite the polarized mode within the radio frequency cavity.

また前記の各環状型粒子加速器では、高周波空胴におけ
る偏向モードを、荷電粒子のみによる励振によって発生
させることができる。
Further, in each of the annular particle accelerators described above, a deflection mode in the high-frequency cavity can be generated by excitation by only charged particles.

〔作用〕[Effect]

本発明による荷電粒子ビーム圧縮方法では、荷電粒子の
エネルギー分散を大きくするという簡単な操作で効率良
く荷電粒子ビームを細く絞り込むものである。また、よ
り具体的には、例えば荷電粒子の周回軌道上の適宜な箇
所に所定の高周波電磁場による偏向モードを励振して発
生させ、且つこの偏向モードの励振周波数と軌道上に設
置された高周波加速空胴の励振周波数との間で一般的に
拡張された所要の同期関係を満たすように同期をとって
励振することにより、シンクロトロン振動が成長し、ベ
ータトロン振動が減衰し、現象的に、荷電粒子ビームが
細く絞り込まれる。
In the charged particle beam compression method according to the present invention, a charged particle beam is efficiently narrowed down by a simple operation of increasing the energy dispersion of charged particles. More specifically, for example, a deflection mode is generated by exciting a predetermined high-frequency electromagnetic field at an appropriate location on the orbit of a charged particle, and the excitation frequency of this deflection mode and a high-frequency acceleration installed on the orbit are By synchronizing the excitation to satisfy a generally extended required synchronization relationship with the excitation frequency of the cavity, synchrotron oscillations grow, betatron oscillations attenuate, and phenomenally, The charged particle beam is narrowed down.

本発明による荷電粒子ビーム圧縮装置では、前記圧縮方
法を簡素な構成で実現でき、更に、高周波の偏向モード
と高周波加速モードを1台の共通の高周波空胴で励振す
ることもできる。
In the charged particle beam compression device according to the present invention, the compression method described above can be realized with a simple configuration, and furthermore, the high-frequency deflection mode and the high-frequency acceleration mode can be excited in one common high-frequency cavity.

また本発明に係る環状型粒子加速器では、前記の荷電粒
子ビームの圧縮方法を実施できる構造を有した高周波空
胴を軌道上に設置して構成されるもので、この高周波空
胴は、所定の電磁波偏向モードを内部に発生させ、当該
偏向モードの励振周波数を高周波加速空胴の励振周波数
との間で所要の同期関係を満たすように同期をとって励
振することにより、当該空胴を通過する荷電粒子ビーム
を細く絞り込むものである。偏向モードの励振は例えば
外部に設けた高周波電源で行われる。
Furthermore, the annular particle accelerator according to the present invention is constructed by installing a high-frequency cavity in orbit, which has a structure capable of carrying out the above-described method of compressing a charged particle beam, and this high-frequency cavity has a structure in which a predetermined An electromagnetic wave deflection mode is generated internally, and the excitation frequency of the deflection mode is synchronously excited with the excitation frequency of the high frequency acceleration cavity to satisfy the required synchronization relationship, thereby passing through the cavity. This narrows down the charged particle beam. Excitation of the deflection mode is performed by, for example, an externally provided high-frequency power source.

〔実施例〕 以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described based on the accompanying drawings.

以下において説明の便宜上荷電粒子の電荷は正であると
仮定し、各図において荷電粒子の進行方向を矢印Bで示
す。第1図は本発明による荷電粒子ビーム圧縮方法を実
施する圧縮装置の第1実施例の内部構造を示す外観斜視
図、第2図は電場と磁場の分布状態を示す当該圧縮装置
の水平断面図、第3図は電場及び磁場の分布図である。
In the following, for convenience of explanation, it is assumed that the charges of the charged particles are positive, and the traveling direction of the charged particles is indicated by an arrow B in each figure. FIG. 1 is an external perspective view showing the internal structure of a first embodiment of a compression device for carrying out the charged particle beam compression method according to the present invention, and FIG. 2 is a horizontal sectional view of the compression device showing the distribution of electric and magnetic fields. , FIG. 3 is a distribution diagram of electric and magnetic fields.

なお第1図等において前記第15図で示した同一要素に
は同一符号を付すものとする。
In FIG. 1, etc., the same elements shown in FIG. 15 are given the same reference numerals.

第1図において、荷電粒子ビーム圧縮装置としての機能
を有するように構成される空胴1は、その内部空間の中
心軸部に前記荷電粒子ビーム103が通過するように、
荷電粒子の軌道上に設置される。軌道上の空胴1の設置
位置は高周波加速空胴107の前側の位置又は後側の位
置のいずれでも良い。空胴1は、全体形状が導電性物質
で形成された円筒部材1aにより例えばほぼ円筒形に形
成され且つ端面部1b、lcを有し、更に当該円筒部材
1aの中心軸が荷電粒子ビーム103の軌道とほぼ一致
するように配置される。空胴1の形状としては、その他
に直方体等の形状であっても構わない。空胴1の円筒部
材1aの各端面部1b。
In FIG. 1, a cavity 1 configured to have a function as a charged particle beam compression device is configured so that the charged particle beam 103 passes through the central axis of its internal space.
It is placed in the orbit of charged particles. The installation position of the cavity 1 on the orbit may be either in front of or behind the high frequency acceleration cavity 107. The cavity 1 is formed, for example, into a substantially cylindrical shape by a cylindrical member 1a made of a conductive material, and has end surfaces 1b and lc, and furthermore, the central axis of the cylindrical member 1a is aligned with the direction of the charged particle beam 103. It is placed so that it almost coincides with the orbit. The shape of the cavity 1 may also be a rectangular parallelepiped or the like. Each end face portion 1b of the cylindrical member 1a of the cavity 1.

ICの外側には小径の例えば円筒形をしたビームダクト
2が設けられる。第1図に示す如く3次元直交座標軸x
、  s、  zをとると、軸Sの方向は荷電粒子ビー
ム103の進行方向Bと一致し、またxs平面は荷電粒
子ビーム103の軌道面であり、これは図中水平な軌道
面となっている。また空胴1内には、端面部ICと一体
的に形成された2つの電極1dが配置される。これらの
2つの電極1dの先端部は端面部1bの内面に接近し所
定の狭い間隙を形成している。このように配設された電
極1dは水平面内において平行となるように配置され、
2つの電極1dの間に平行に荷電粒子ビーム103の軌
道が形成される。
A beam duct 2 having a small diameter, for example a cylindrical shape, is provided outside the IC. As shown in Figure 1, the three-dimensional orthogonal coordinate axis x
, s, and z, the direction of the axis S coincides with the traveling direction B of the charged particle beam 103, and the xs plane is the orbital plane of the charged particle beam 103, which is a horizontal orbital plane in the figure. There is. Further, within the cavity 1, two electrodes 1d integrally formed with the end face IC are arranged. The tips of these two electrodes 1d approach the inner surface of the end surface 1b, forming a predetermined narrow gap. The electrodes 1d arranged in this way are arranged parallel to each other in a horizontal plane,
A trajectory of the charged particle beam 103 is formed in parallel between the two electrodes 1d.

次に、空胴1の筒部材1aによる局面部の外側には外部
発振器3が備えられ、この発振器3の高周波(マイクロ
波)の発振出力は結合アンテナ4を経由して空胴1内に
供給される。空胴1に供給されたマイクロ波により空胴
1内に第2図に示すように偏向モードの一種である例え
ばT M 、+。モードの高周波電磁場が励振される。
Next, an external oscillator 3 is provided outside the curved portion formed by the cylindrical member 1a of the cavity 1, and the high frequency (microwave) oscillation output of this oscillator 3 is supplied into the cavity 1 via a coupling antenna 4. be done. The microwaves supplied to the cavity 1 create a type of polarization mode, for example T M ,+, in the cavity 1 as shown in FIG. A high frequency electromagnetic field of the mode is excited.

このようにして、空胴1は高周波空胴として形成される
。第1図において、5は空胴1における励振周波数を調
整するためのチューナである。第1図及び第2図におい
て、6は電場の向きを表す電気力線(以下電場6という
)を示し、7は磁場の向きを表す磁力線(以下磁場7と
いう)を示している。空胴1における偏向モードに係る
電磁場振動の励振周波数は、高周波加速空胴による荷電
粒子の加速周波数のn / h倍に設定される。ここで
、nは整数、hはハーモニック数である。なお、ハーモ
ニック数とは、光速を高周波加速空胴内の基本加速モー
ドの励振周波数で割ることにより波長を求め、次に、こ
の波長で中心エネルギーを有する荷電粒子の平衡軌道の
周長を割り、その時に得られる整数値と定義される。以
上のように、空胴1内に形成される偏向モードの励振周
波数fは荷電粒子の加速モードの励振周波数f。のn 
/ h倍に設定され、これにより偏向モードを基本加速
モードと同期させる。
In this way, the cavity 1 is formed as a high frequency cavity. In FIG. 1, 5 is a tuner for adjusting the excitation frequency in the cavity 1. In FIGS. 1 and 2, 6 indicates lines of electric force (hereinafter referred to as electric field 6) representing the direction of the electric field, and 7 indicates lines of magnetic force (hereinafter referred to as magnetic field 7) representing the direction of the magnetic field. The excitation frequency of the electromagnetic field vibration related to the deflection mode in the cavity 1 is set to n/h times the acceleration frequency of charged particles by the high-frequency acceleration cavity. Here, n is an integer and h is a harmonic number. The harmonic number is calculated by dividing the speed of light by the excitation frequency of the fundamental acceleration mode in the high-frequency acceleration cavity to find the wavelength, then dividing the circumference of the equilibrium orbit of a charged particle with central energy by this wavelength. It is defined as the integer value obtained at that time. As described above, the excitation frequency f of the deflection mode formed in the cavity 1 is the excitation frequency f of the acceleration mode of charged particles. n of
/ h times, thereby synchronizing the deflection mode with the basic acceleration mode.

第3図は空胴1における荷電粒子ビーム103とその内
部及び周辺における電場6と磁場7の水平面における分
布状態を示す。この図で示すように、空胴1内の荷電粒
子ビーム103の軌道において荷電粒子の中心軌道方向
に電場成分を持ち、且つ水平面(軌道面)に垂直な方向
に磁場成分を持つように、空胴1内の荷電粒子の軌道上
に偏向モードが作られる。
FIG. 3 shows the charged particle beam 103 in the cavity 1 and the distribution state of the electric field 6 and magnetic field 7 in and around it in a horizontal plane. As shown in this figure, the cavity is arranged so that the orbit of the charged particle beam 103 in the cavity 1 has an electric field component in the direction of the central orbit of the charged particles and a magnetic field component in the direction perpendicular to the horizontal plane (orbit plane). A deflection mode is created on the trajectory of the charged particles within the shell 1.

また第4図及び第5図は、前述した偏向モードと加速モ
ードの同期条件を滴定させるための具体的な装置構成の
例を示し、前記外部発振器3の具体的構成を示している
。第4図は2つの発振器を用いた実施例である。第4図
において103は荷電粒子ビーム、1は荷電粒子ビーム
圧縮作用を有する前記高周波空胴、107は高周波加速
空胴である。また8は高周波加速空胴107に高周波を
与えるための発振器であり、9は他の発振器である。空
胴1に供給される高周波の周波数fは加速モードの励振
周波数foのn / h倍に設定し、位相調整器10を
用いて、両高周波間の位相を調整できるように設定され
る。第5図は1つの発振器を用いた構成を示し、11が
発振器であり、この発振出力を逓倍器12で周波数を調
整し、前記関係式を満たす2つの周波数f、foを発生
させて位相器13で2つの高周波の間の位相を調整して
、次段の増幅器14.15で高周波を増幅し、それぞれ
ビーム圧縮用の高周波空胴1と高周波加速空胴107に
対して所定の同期関係を有する高周波を供給する。
Further, FIGS. 4 and 5 show an example of a specific device configuration for titrating the synchronization conditions of the deflection mode and acceleration mode described above, and show a specific configuration of the external oscillator 3. FIG. 4 shows an embodiment using two oscillators. In FIG. 4, 103 is a charged particle beam, 1 is the high frequency cavity having a charged particle beam compression function, and 107 is a high frequency acceleration cavity. Further, 8 is an oscillator for applying a high frequency to the high frequency acceleration cavity 107, and 9 is another oscillator. The frequency f of the high frequency wave supplied to the cavity 1 is set to n/h times the excitation frequency fo of the acceleration mode, and the phase adjuster 10 is used to adjust the phase between both high frequencies. FIG. 5 shows a configuration using one oscillator, 11 is an oscillator, the frequency of this oscillation output is adjusted by a multiplier 12, two frequencies f and fo that satisfy the above relational expression are generated, and a phase shifter is used. 13 adjusts the phase between the two high-frequency waves, and the next-stage amplifier 14.15 amplifies the high-frequency waves, creating a predetermined synchronization relationship for the high-frequency cavity 1 for beam compression and the high-frequency accelerating cavity 107, respectively. Supply high frequency with.

次に、上記構成を有する荷電粒子ビーム圧縮装置におけ
る作用、すなわち本発明による荷電粒子ビーム圧縮方法
の原理について、前述した第1図〜第3図と新たな第6
図〜第12図とを参照して説明する。第6図は空胴1に
おける偏向モードの全体の様子を概念的に示したもので
あり、図中20は中心軌道であり、正の電荷を有する荷
電粒子群の進行状態を示す。なお、第3図の電磁場分布
は、第6図における中心軌道20近傍の電磁場分布を拡
大して示したものである。荷電粒子群の高速な周回移動
によって荷電粒子ビームが形成される。そこで以下の説
明では荷電粒子ビーム103を必要に応じて荷電粒子群
103ともいう。第6図の座標軸Xは中心軌道20に直
角な軸であり、X〉0は中心軌道20よりも外側の位置
を意味し、X〈0は中心軌道20よりも内側の位置を意
味する。このことは第3図においても同様である。また
第7図は、空胴1内にて偏向モードを形成する電場6と
磁場7のそれぞれと、荷電粒子群103で生じるシンク
ロトロン振動とベータトロン振動のそれぞれとの関係を
、表形式で示したものである。第8図〜第12図につい
ては、以下の説明の中で必要に応じて逐次言及する。
Next, we will explain the operation of the charged particle beam compression device having the above configuration, that is, the principle of the charged particle beam compression method according to the present invention, with reference to the above-mentioned FIGS.
This will be explained with reference to FIGS. FIG. 6 conceptually shows the entire state of the deflection mode in the cavity 1. In the figure, reference numeral 20 indicates a central orbit, and shows the progress of a group of positively charged charged particles. The electromagnetic field distribution in FIG. 3 is an enlarged view of the electromagnetic field distribution near the center orbit 20 in FIG. 6. A charged particle beam is formed by the high-speed circular movement of a group of charged particles. Therefore, in the following description, the charged particle beam 103 is also referred to as a charged particle group 103 as necessary. The coordinate axis X in FIG. 6 is an axis perpendicular to the center orbit 20, where X>0 means a position outside the center orbit 20, and X<0 means a position inside the center orbit 20. This also applies to FIG. Furthermore, FIG. 7 shows, in a table format, the relationship between the electric field 6 and magnetic field 7 that form a deflection mode in the cavity 1, and the synchrotron vibration and betatron vibration generated in the charged particle group 103, respectively. It is something that 8 to 12 will be referred to as necessary in the following description.

軸方向に関し所要の厚みを有する空胴1内を荷電粒子群
103が通過すると、前記の第2図及び第3図、更に第
6図で明らかなように、荷電粒子群103は、前述の条
件を満たすように生成された偏向モードによる電場6と
磁場7の影響を受ける。第7図で明らかなように、先ず
、所定の位相関係で同期位相付近の荷電粒子に限定する
という条件の下で、現象的に、電場6は、荷電粒子の軌
道方向の振動であり且つエネルギー振動であるシンクロ
トロン振動に直接的に影響を与え、その振幅を変化させ
、シンクロトロン振動を成長させる。
When the charged particle group 103 passes through the cavity 1 having the required thickness in the axial direction, as is clear from the above-mentioned FIGS. 2 and 3, as well as FIG. It is affected by the electric field 6 and magnetic field 7 due to the deflection mode generated so as to satisfy the following conditions. As is clear from FIG. 7, first, under the condition that it is limited to charged particles near the synchronous phase with a predetermined phase relationship, the electric field 6 is phenomenally the vibration of the charged particles in the orbital direction and the energy Directly affects the synchrotron vibration, changes its amplitude, and grows the synchrotron vibration.

反対に磁場7は、同様にして現象的にシンクロトロン振
動を減衰させる。ここで、シンクロトロン振動の変動に
関し、「シンクロトロン振動の成長」とは荷電粒子のエ
ネルギー分散が大きくなることを意味し、「シンクロト
ロン振動の減衰」とは荷電粒子のエネルギー分散が小さ
くなることを意味する。一方、ベータトロン振動につい
ては、現象的に、電場6は振動を減衰させ、磁場7は振
動を成長させる。以上の作用の最終的な状態としては、
シンクロトロン振動は成長し、ベータトロン振動は減衰
し、結果として荷電粒子ビームのビームサイズは小さく
なり、ビームは圧縮されることになる。
Conversely, the magnetic field 7 similarly damps the synchrotron oscillations phenomenally. Regarding fluctuations in synchrotron oscillations, "growth of synchrotron oscillations" means that the energy dispersion of charged particles becomes larger, and "damping of synchrotron oscillations" means that the energy dispersion of charged particles becomes smaller. means. On the other hand, regarding betatron oscillations, the electric field 6 damps the oscillations, and the magnetic field 7 causes them to grow. The final state of the above actions is:
The synchrotron oscillations grow and the betatron oscillations decay, resulting in the beam size of the charged particle beam becoming smaller and the beam being compressed.

次いでビーム圧縮の原理を数学的表現を用いて説明する
。先ず、説明の便宜上、ベータトロン振動を(x、y)
の位相空間で記述することにする。
Next, the principle of beam compression will be explained using mathematical expressions. First, for convenience of explanation, let's define the betatron oscillation as (x, y)
Let us describe it in the phase space of

ここで、 X:平衡軌道を基準にとったときの水平方向変位 y=αχ十βX′      昏・・(1)α、β:ツ
ウィス・パラメータ(環状型粒子加速器の磁石系で決ま
る定数) x’:xの中心軌道に沿った方向の勾配である。位相空
間(x、 y)上では、荷電粒子は、線形領域の範囲内
で、 x2+y’ =εβ    ・・・(2)の円周上を回
転移動する。εはベータトロン振動のエミツタンスであ
る。以上の数学的関係についての前提の下で、前述した
現象の発生する理由を次の■〜■にて分娩する。
where, : is the gradient in the direction along the central trajectory of x. On the phase space (x, y), a charged particle rotates on the circumference of x2+y' = εβ (2) within a linear region. ε is the emittance of the betatron oscillation. Under the premise of the above mathematical relationships, the reasons for the occurrence of the above-mentioned phenomena will be explained in the following sections.

■:電場6によるシンクロトロン振動の成長の理由 シンクロトロン振動において、荷電粒子の平衡軌道は荷
電粒子の有するエネルギーに対応して決まる。具体的に
、荷電粒子群103が所定の中心エネルギーを有すると
き、荷電粒子群103は、この中心エネルギーに対応す
る中心軌道20を移動する。また荷電粒子群103は、
中心エネルギーよりも高いエネルギーを有するときには
、中心軌道20より外側の平衡軌道(X>O)を移動し
、反対に、中心エネルギーよりも低いエネルギーを有す
るときには、中心軌道20よりも内側の平衡軌道(X<
0)を移動する場合を考える。
(2): Reason for growth of synchrotron oscillation due to electric field 6 In synchrotron oscillation, the equilibrium trajectory of a charged particle is determined according to the energy possessed by the charged particle. Specifically, when the charged particle group 103 has a predetermined central energy, the charged particle group 103 moves along the central trajectory 20 corresponding to this central energy. In addition, the charged particle group 103 is
When it has energy higher than the center energy, it moves on the equilibrium orbit (X>O) outside the center orbit 20, and conversely, when it has energy lower than the center energy, it moves on the equilibrium orbit (X>O) inside the center orbit 20. X<
Consider the case of moving 0).

第9図の(a)、(b)を参照する。荷電粒子群103
において、エネルギーの高い荷電粒子は平均的に中心軌
道20よりも外側を移動することになり、第9図(a)
に示される如(空胴1の偏向モードの電場6 (X>0
の領域)で加速され、エネルギーは一層高くなる。また
エネルギーの低い荷電粒子は平均的に中心軌道20より
も内側を移動することになり、偏向モードの電場6(X
く0の領域)で減速され、エネルギーは一層低くなる。
Refer to FIGS. 9(a) and (b). Charged particle group 103
In this case, charged particles with high energy move on the outside of the central orbit 20 on average, as shown in Fig. 9(a).
As shown in (the electric field 6 of the deflection mode of the cavity 1 (X>0
region), and the energy becomes even higher. Furthermore, charged particles with low energy move on the inside of the central orbit 20 on average, and the electric field 6 (X
(0 region), the energy is lower.

こうして空胴1の偏向モードの電場6によって、荷電粒
子ビーム103の有するエネルギーの分散は大きくなり
、その結果、前述の如くシンクロトロン振動は成長する
。第9図(a)において、21は高エネルギーを有する
荷電粒子の平均的位置を示し、22は低エネルギーを有
する荷電粒子の平均的位置を示す。また第9図(b)は
位相空間(φ、δ)上での作用を模式的に示し、φはシ
ンクロトロン振動の位相、δはエネルギーのずれの比率
である。第9図(b)中に示された多数の矢印23は変
化の方向を示し、矢の長さは変化の大きさを示す。矢印
23については以下の説明でも同様である。
In this way, the electric field 6 in the deflection mode of the cavity 1 increases the dispersion of the energy of the charged particle beam 103, and as a result, the synchrotron vibration grows as described above. In FIG. 9(a), 21 indicates the average position of charged particles with high energy, and 22 indicates the average position of charged particles with low energy. Further, FIG. 9(b) schematically shows the action on the phase space (φ, δ), where φ is the phase of synchrotron vibration and δ is the ratio of energy shift. A large number of arrows 23 shown in FIG. 9(b) indicate the direction of change, and the length of the arrow indicates the magnitude of change. The same applies to the arrow 23 in the following description.

■:磁場7によるシンクロトロン振動の減衰の理由 荷電粒子群103の周回運動に伴って生じる高周波の位
相θは、シンクロトロン振動とベータトロン振動によっ
て変化を受け、 θ=φ+θX+θS    @−・(3)と表現できる
。ここで、 φニシンクロトロン振動による位相変化の項θX :ベ
ータトロン振動による位相変化の項θS :平衡粒子の
周期位相 である。また θx==(k/β)(ζX−ηy)・・(4)ζ=αη
+βη     ・・・・(5)k:偏向モードの励振
波数 (k=2πf/c;fは励振周波数 Cは光速度) η:エネルギー分散関数 η′ :エネルギー分散開数ηの中心軌道に沿った勾配 である。上記において、φの項が存在するのはシンクロ
トロン振動のエネルギー振動に伴って平衡軌道が変化し
、軌道長が変化して周回時間が変化するためであり、θ
8の項が存在するのはベータトロン振動により軌道長が
変化し周回時間が変化するためである。
■: Reason for attenuation of synchrotron oscillation by magnetic field 7 The phase θ of the high frequency generated by the orbiting motion of the charged particle group 103 is changed by synchrotron oscillation and betatron oscillation, and θ=φ+θX+θS @-・(3) It can be expressed as Here, φA term of phase change due to synchrotron vibration θX: A term of phase change due to betatron vibration θS: Periodic phase of the equilibrium particle. Also, θx==(k/β)(ζX−ηy)...(4) ζ=αη
+βη ...(5) k: Excitation wave number of polarization mode (k = 2πf/c; f is excitation frequency C is the speed of light) η: Energy dispersion function η': Along the central trajectory of energy dispersion numerical aperture η It is a slope. In the above, the term φ exists because the equilibrium orbit changes with the energy oscillation of the synchrotron oscillation, the orbit length changes, and the orbit time changes, and θ
The reason why the term 8 exists is that the orbit length changes due to betatron oscillation, and the orbit time changes.

偏向モードの磁場によって粒子軌道の勾配X′が、  
  Δx′=Φ1     ・・・・(6)の関係で変
化する。ここで0厘は偏向モードの磁場による偏向角で
あり、これは、 Φ、 =−Φ。  寝in(φ)   ・ ・ (7)
になるように加速モードとの間で位相調整されている。
Due to the magnetic field of the deflection mode, the gradient X' of the particle trajectory is
Δx'=Φ1...It changes according to the relationship shown in (6). Here, 0 is the deflection angle due to the magnetic field of the deflection mode, which is Φ, = −Φ. in bed (φ) ・ ・ (7)
The phase is adjusted between the acceleration mode and the acceleration mode.

またφは、 φ;φ+θ8+θ。    ・・・(8)で与えられ、
位相定数θ。は概略0になっていればよいのであるが、
ここでは説明の便宜上0として考える。第10図の(a
)にΦ、とψの関係を示す。
Also, φ is φ;φ+θ8+θ. ... is given by (8),
Phase constant θ. should be approximately 0, but
Here, for convenience of explanation, it is assumed to be 0. Figure 10 (a
) shows the relationship between Φ and ψ.

前記式(1)で定義したyは、式(6)式によってΔy
=βΦ厘      ・・・(9)だけ変化することに
なり、式(4)によりθ8は、Δθ。=−にηΦ6  
 ・・・(10)だけ変化する。ここでθ。=0の場合
を考えると、式(7)より Δθx=ky7Φo @in(φ+θx)・(11)と
なる。荷電粒子が空胴1の偏向モードで偏向を受けても
、高周波位相θはすぐに変化するわけではなく、空胴1
の前後で不変であると考えて良いので、式(3)かられ
かるように、θ8が変化した分シンクロトロン振動にお
ける位相変化の項が変化する。それを式で示すと Δφ=−にηΦ。5in(φ+θX)  ・・(12)
となる。θ8はベータトロン振動による高周波位相の微
小揺動項であることを考慮すると、式(12)から、平
均的にφΔφ〈0となり、Δφは平均的にφを小さくす
る方向に働く。第10図の(b)はその作用を模式的に
示すものである。このようにして、偏向モードの磁場に
よりシンクロトロン振動は減衰する。
y defined in equation (1) above is expressed as Δy by equation (6)
=βΦ厘...(9) will change, and according to equation (4), θ8 becomes Δθ. =- to ηΦ6
...(10) changes. Here θ. Considering the case of =0, from equation (7), Δθx=ky7Φo @in(φ+θx)·(11). Even if a charged particle is deflected in the deflection mode of cavity 1, the high frequency phase θ does not change immediately;
Since it can be considered that it remains unchanged before and after , as can be seen from equation (3), the phase change term in the synchrotron oscillation changes as θ8 changes. Expressing it as a formula, Δφ=-ηΦ. 5in(φ+θX)...(12)
becomes. Considering that θ8 is a minute fluctuation term of the high-frequency phase due to betatron oscillation, from equation (12), φΔφ<0 on average, and Δφ works in the direction of decreasing φ on average. FIG. 10(b) schematically shows the effect. In this way, the synchrotron oscillations are damped by the deflection mode magnetic field.

上記説明を要約する。荷電粒子群103の周回運動に伴
って生じる高周波の位相は、シンクロトロン振動及びベ
ータトロン振動によって影響を受け、変化する。高周波
の位相を決定する式に、シンクロトロン振動による位相
変化分の項が含まれるのは、シンクロトロン振動のエネ
ルギーの変動に伴い平衡軌道が変化し、軌道の長さが変
って軌道周回時間が変化するからである。またベータト
ロン振動の位相変化分の項が含まれるのは、同じく軌道
の長さが変って軌道周回時間が変化するからである。磁
場7の存在は荷電粒子の平衡軌道の勾配を変化させ、そ
の変化分は磁場7による偏向角と等しくなるという関係
が存在する。この関係と、前記勾配がベータトロン振動
の前記位相変化分と所定関係にあるという特性に基づく
と、磁界7は、ベータトロン振動の位相変化分を決定す
る関係を得ることができる。ところで、荷電粒子群10
3が空胴1において、磁界7の影響を受けても高周波位
相は即座に変化するわけではなく、空胴1の前後では不
変である。このため、磁場7の作用でベータトロン振動
の位相が変化した分、シンクロトロン振動の位相が変化
し、この変化は、平均的に位相変化分の項を小さくする
方向に作用するので、結果的に偏向モードによる磁場7
はシンクロトロン振動を減衰させる。
The above explanation will be summarized. The phase of high frequency waves generated as the charged particle group 103 circulates is affected by synchrotron vibrations and betatron vibrations and changes. The reason why the equation that determines the phase of high frequency includes a term for the phase change due to synchrotron oscillations is because the equilibrium orbit changes as the energy of synchrotron oscillations changes, the length of the orbit changes, and the orbital orbit time increases. This is because it changes. Also, the term for the phase change of betatron oscillations is included because the length of the orbit also changes and the orbital time changes. There exists a relationship in which the presence of the magnetic field 7 changes the gradient of the equilibrium trajectory of the charged particle, and the amount of the change is equal to the deflection angle due to the magnetic field 7. Based on this relationship and the characteristic that the gradient has a predetermined relationship with the phase change of the betatron oscillation, the magnetic field 7 can obtain a relationship that determines the phase change of the betatron oscillation. By the way, charged particle group 10
3 in the cavity 1, even if it is affected by the magnetic field 7, the high frequency phase does not change immediately, but remains unchanged before and after the cavity 1. Therefore, the phase of the synchrotron oscillation changes by the amount that the phase of the betatron oscillation changes due to the action of the magnetic field 7, and this change acts in the direction of reducing the phase change term on average. Magnetic field due to deflection mode 7
dampens synchrotron oscillations.

■:電場6によってベータトロン振動が減衰する理由 第11図を参照して説明する。第11図(a)は空胴1
の通過前後のベータトロン振動の変位Xを示している。
(2): The reason why betatron oscillations are attenuated by the electric field 6 will be explained with reference to FIG. Figure 11(a) shows cavity 1
The displacement X of the betatron oscillation before and after passing is shown.

荷電粒子の絶対的な変位Xは、X=X+77δ ; δ
=ΔE/E  −−(13)で表される。ηは前述の通
りエネルギー分散関数であり、Eはエネルギー、ΔEは
エネルギーのずれ、δはエネルギーのずれの比率を表す
。上式においてηδは平衡軌道のずれを表している。
The absolute displacement X of a charged particle is X=X+77δ; δ
=ΔE/E --(13) As described above, η is an energy dispersion function, E is energy, ΔE is an energy deviation, and δ is a ratio of energy deviation. In the above equation, ηδ represents the deviation of the equilibrium trajectory.

空胴1の通過前後で荷電粒子の絶対的な変位Xは、軌道
方向の勾配による変化を除けば、不変である。一方、空
胴通過前後でエネルギーのずれδは偏向モードの電場に
よってΔδだけ変化する。
The absolute displacement X of the charged particle before and after passing through the cavity 1 remains unchanged except for changes due to the gradient in the orbital direction. On the other hand, the energy difference δ before and after passing through the cavity changes by Δδ due to the electric field of the deflection mode.

そのため、ベータトロン振動の変位Xは、ΔX=−ηΔ
δ   ・φ・(14) だけ変化する。このことは、平衡軌道がηΔδだけ変化
すると、ベータトロン振動の変位は、反対の方向にηΔ
δだけ変化することを意味する。
Therefore, the displacement X of the betatron oscillation is ΔX=−ηΔ
It changes by δ・φ・(14). This means that if the equilibrium orbit changes by ηΔδ, the displacement of the betatron oscillation will change in the opposite direction by ηΔδ.
This means that it changes by δ.

以上の前提にもとて以下説明する。同期位相付近の荷電
粒子は、水平方向電場勾配’aV/?5Xが正の電場を
感じるため、電場6による加速電圧はX軸方向に関して
第11図(b)に示す如く原点を通り正の傾きを有した
直線の分布を有する。荷電粒子のうちエネルギーの高い
もの(δ〉0の粒子)は平均的にX〉0の領域を通過す
る。このため、エネルギーの高い荷電粒子の場合、第1
1図(C)のX〉0に示すように、Xの変化量はX〈0
の場合よりもx>Oの場合の方が大きい。X〉0のとき
Xはベータトロン振動が減衰する方向に変化し、x〈0
のとき又はベータトロン振動が成長する方向に変化する
。x>0のときの方がXの変化量が大きいので、第11
図(C)のX〉0の場合に示すようにベータトロン振動
は平均的に減衰することになる。
The above premise will be explained below. A charged particle near the synchronous phase has a horizontal electric field gradient 'aV/? Since 5X senses a positive electric field, the accelerating voltage due to the electric field 6 has a linear distribution with a positive slope passing through the origin as shown in FIG. 11(b) in the X-axis direction. Among the charged particles, those with high energy (particles with δ>0) pass through the region of X>0 on average. Therefore, for charged particles with high energy, the first
As shown at X〉0 in Figure 1 (C), the amount of change in X is X〈0
The case where x>O is larger than the case where . When X〉0, X changes in the direction that the betatron oscillation is attenuated, and x〈0
or the betatron oscillation changes in the direction of growth. Since the amount of change in X is larger when x>0, the 11th
As shown in the case of X>0 in Figure (C), the betatron oscillations are attenuated on average.

またエネルギーの低い荷電粒子(δくOの粒子)の場合
は、平均的にXく0の領域を通過する。この場合、第1
1図(C)のx〈0に示すように、x>0よりもx<O
の方がXの変化量が大きく、x<Oの方がベータトロン
振動の減衰に作用するので、同様にしてベータトロン振
動は平均的に減衰することになる。
Furthermore, in the case of charged particles with low energy (particles with δ×O), they pass through the region of X×0 on average. In this case, the first
As shown in x<0 in Figure 1 (C), x<O than x>0
, the amount of change in X is larger, and x<O has a greater effect on damping the betatron oscillations, so the betatron oscillations are similarly damped on average.

以上により、全体として、偏向モードの電場6によって
ベータトロン振動は減衰する。
As a result of the above, as a whole, the betatron oscillation is attenuated by the electric field 6 in the deflection mode.

■:電磁場によってベータトロン振動が成長する理由 第12図を参照して説明する。第12図において、(a
)は式(7)で示した偏向角Φ、とφの関係を示し、(
b)に磁場7によるベータトロン振動への作用を示す。
(2): The reason why betatron oscillations grow due to electromagnetic fields will be explained with reference to FIG. In Figure 12, (a
) indicates the relationship between the deflection angle Φ and φ shown in equation (7), and (
b) shows the effect of magnetic field 7 on betatron oscillations.

第12図(b)におけるX=0の位置は(a)のφ軸上
の位置に対応している。
The position of X=0 in FIG. 12(b) corresponds to the position on the φ axis in FIG. 12(a).

一般的にエネルギー分散開数ηは正であるから、式(4
)が示すように、y>Qのときθ8は平均的に負の値を
とり、y〈0のときθXは平均的に正の値をとる。この
ことは、y〉0の粒子は平均的に高周波位相上わずかに
負側にシフトし、y〈0の粒子は反対に正側にシフトす
ることを意味する。
Generally, the energy dispersion numerical aperture η is positive, so Equation (4
), when y>Q, θ8 takes an average negative value, and when y<0, θX takes an average positive value. This means that, on average, particles with y>0 are slightly shifted to the negative side in terms of high frequency phase, and particles with y<0, on the contrary, are shifted to the positive side.

従って、φ〉0の荷電粒子の場合、yの変化量は、第1
2図(b)に示されるように、y>Qよりもy<Qの方
が大きい。ベータトロン振動は、y>Qのとき減衰し、
y<0のとき成長するが、y<0のときの方が変化量が
大きいので、ベータトロン振動は平均的に成長すること
になる。一方、φ〈0の荷電粒子の場合、yの変化量は
、y<Qよりもy〉0の方が大きい。ベータトロン振動
は、y>Qのとき成長し、y<0のとき減衰するが、y
>Qのときの方が変化量が大きいので、この場合もベー
タトロン振動は平均的に成長することになる。以上によ
って偏向モードの磁場7によってベータトロン振動は成
長する。
Therefore, for a charged particle with φ>0, the amount of change in y is the first
As shown in FIG. 2(b), y<Q is larger than y>Q. Betatron oscillations are damped when y>Q,
It grows when y<0, but since the amount of change is larger when y<0, the betatron oscillation grows on average. On the other hand, in the case of a charged particle with φ<0, the amount of change in y is larger when y>0 than when y<Q. Betatron oscillations grow when y>Q and decay when y<0, but y
Since the amount of change is larger when >Q, the betatron oscillation will grow on average in this case as well. As described above, the betatron oscillation grows due to the magnetic field 7 in the deflection mode.

以上のように、電場6及び磁場7とシンクロトロン振動
及びベータトロン振動とのそれぞれの作用関係に基づき
、これらが相互に作用することにより、第7図に示すよ
うに、結果的にシンクロトロン振動が成長し、ベータト
ロン振動が減衰することになる。そして最終的に荷電粒
子ビーム103のビームサイズが小さくなる。この場合
、空胴1がビーム軌道方向Sについて有限の厚みを有し
ていることが重要な要因となっている。空胴1の厚みが
有限の厚みを有することによって、荷電粒子ビーム10
3が空胴1を通過するためには、有限の時間を要する。
As described above, based on the relationship between the electric field 6, magnetic field 7, synchrotron oscillation, and betatron oscillation, their mutual interaction results in synchrotron oscillation, as shown in FIG. will grow, and the betatron oscillations will be damped. Finally, the beam size of the charged particle beam 103 becomes smaller. In this case, the fact that the cavity 1 has a finite thickness in the beam trajectory direction S is an important factor. By having a finite thickness of the cavity 1, the charged particle beam 10
3 requires a finite amount of time to pass through the cavity 1.

この時間の間に空胴1内の電磁場は時間的変化をし、荷
電粒子ビームへの影響が実質的に小さくなる。この因子
を一般的に“通過時間因子”というが、これはビーム軌
道の付近の電場と磁場の分布で決定される。ところで、
第2図等に示したようにビーム軌道付近の電場と磁場の
分布は同じではなく、電場6は間隙の近傍に集中してい
るの対して、磁場7は電極1dに沿って幅広く分布して
いる。このため、空胴1が有限の厚みを有することは、
荷電粒子に対する電場6の影響よりも荷電粒子に対する
磁場7の影響を小さくする。結果的に、シンクロトロン
振動は成長し、ベータトロン振動は減衰することになり
、現象的には荷電粒子ビーム103のビームサイズは小
さくなる。
During this time, the electromagnetic field within the cavity 1 undergoes a temporal change and its influence on the charged particle beam becomes substantially smaller. This factor is generally called the "transit time factor" and is determined by the distribution of electric and magnetic fields near the beam trajectory. by the way,
As shown in Figure 2, the distribution of the electric and magnetic fields near the beam trajectory is not the same; the electric field 6 is concentrated near the gap, whereas the magnetic field 7 is widely distributed along the electrode 1d. There is. Therefore, the fact that the cavity 1 has a finite thickness means that
The influence of the magnetic field 7 on charged particles is made smaller than the influence of the electric field 6 on charged particles. As a result, the synchrotron oscillations grow, the betatron oscillations attenuate, and the beam size of the charged particle beam 103 becomes smaller.

第8図の(a)〜(d)は数値計算結果の一例を示す。(a) to (d) in FIG. 8 show examples of numerical calculation results.

図中、横軸はすべて周回数であり、(a)は初期位相θ
。が100度の場合のエネルギー偏差の変化を示し、(
b)は初期位相θ。が180度の場合のエネルギー偏差
の変化を示す。(c)はベータトロン振幅の変化を示し
、(d)はビームサイズの変化を示す。第8図より明ら
かなように、荷電粒子のエネルギーの分散が大きくなる
ように偏向モードを与えると、荷電粒子ビームのサイズ
を小さくすることができる。
In the figure, all the horizontal axes are the number of revolutions, and (a) is the initial phase θ
. shows the change in energy deviation when is 100 degrees, and (
b) is the initial phase θ. shows the change in energy deviation when is 180 degrees. (c) shows the change in betatron amplitude, and (d) shows the change in beam size. As is clear from FIG. 8, the size of the charged particle beam can be reduced by providing a deflection mode that increases the energy dispersion of the charged particles.

次いで、前記の荷電粒子ビーム圧縮作用の説明を、更に
他の数式を用いることにより付加しておく。荷電粒子ビ
ーム103の水平方向におけるビームサイズσ(S)は
軌道方向の座標Sの関数となっており、 σ(8) = ε  S +η  8 で定義することができる。ここに、前述の如く、εはベ
ータトロン振動のエミツタンスと称される量であり、一
般に軌道軸座標Sに依存しない。またβ($)とη(S
)はそれぞれ水平方向のベータトロン関数及びエネルギ
ー分散関数であり、粒子加速器を構成する磁石配列で既
に決定されている関数である。ΔE、は荷電粒子のエネ
ルギーの分散を、またE。は平均的なエネルギーを表し
ている。
Next, the above-mentioned charged particle beam compression effect will be further explained by using other mathematical expressions. The beam size σ(S) of the charged particle beam 103 in the horizontal direction is a function of the coordinate S in the orbital direction, and can be defined as σ(8) = ε S +η 8 . Here, as described above, ε is a quantity called the emittance of betatron oscillation, and generally does not depend on the orbit axis coordinate S. Also, β ($) and η (S
) are the horizontal betatron function and energy dispersion function, respectively, and are functions that have already been determined by the magnet arrangement that constitutes the particle accelerator. ΔE, is the energy dispersion of a charged particle, and E. represents the average energy.

上式で明らかなようにビームサイズσ(S)はエミツタ
ンスεとエネルギーの分散ΔEsによって変化させるこ
とができる。
As is clear from the above equation, the beam size σ(S) can be changed by the emittance ε and the energy dispersion ΔEs.

空胴1において励振された偏向モードの電磁場は保存系
であり、リウヴイルの定理に基づくと、ベータトロン振
動が減衰するときはシンクロトロン振動が成長する。す
なわち、前記式においてεが小さくなり、ΔEs/Eo
が大きくなる。しかし、一般的に、ベータトロン振動の
エミツタンスの変化がビームサイズに敏感に作用するの
で、結果的にビームサイズは小さくなる。
The electromagnetic field of the deflection mode excited in the cavity 1 is a conservative system, and based on Liouville's theorem, when the betatron oscillation is attenuated, the synchrotron oscillation grows. That is, in the above equation, ε becomes smaller and ΔEs/Eo
becomes larger. However, since changes in the emittance of betatron oscillations generally affect the beam size, the beam size becomes smaller as a result.

第13図は、n=hの場合における基本加速モードと偏
向モードとの位相関係を示す。本図において基本加速モ
ードの電圧をV。とじ、このV。
FIG. 13 shows the phase relationship between the basic acceleration mode and the deflection mode when n=h. In this figure, the voltage in the basic acceleration mode is V. Bind, this V.

を、 Vo  =Vc  sin   θ とおいて、高周波の位相θに対する基本加速モードと偏
向モードの位相関係を示している。第13図において、
■とVヨは、それぞれ、偏向モードに関し、 V=fEs ctθ5ees(θ−θ5)VW =zo
fHdθ5sin(θ−θ、)で定義された電圧を表す
。ここで、EsはS方向の電界成分、Hは2方向の磁界
成分、zoは真空の特性インピーダンスで、その積分領
域は空胴1内の荷電粒子の中心軌道全体にわたるもので
ある。
, Vo = Vc sin θ, which shows the phase relationship between the basic acceleration mode and the deflection mode with respect to the high frequency phase θ. In Figure 13,
■ and Vyo respectively relate to the deflection mode, V=fEs ctθ5ees(θ-θ5)VW =zo
It represents the voltage defined by fHdθ5sin(θ−θ,). Here, Es is an electric field component in the S direction, H is a magnetic field component in two directions, and zo is a characteristic impedance of vacuum, and its integral region covers the entire central orbit of the charged particle in the cavity 1.

また、θ6は平衡粒子の同期位相である。Moreover, θ6 is the synchronous phase of the equilibrium particles.

第13図に示された位相関係は、同期位相θ8がπ/2
〈θ8〈πの典型的な例を示している。
The phase relationship shown in FIG. 13 is such that the synchronization phase θ8 is π/2
A typical example of 〈θ8〈π is shown.

第14図は本発明に係る荷電粒子ビーム圧縮用の空胴の
第2実施例を示す。この実施例では、前記実施例の空胴
1から外部発振器3と結合アンテナ4を取り除いた構成
となっており、その他の構成は同じである。この構成に
より、荷電粒子ビーム103自身の電荷により偏向モー
ドを励振するように構成されているため、荷電粒子ビー
ム103と空胴1′の中心軸16との位置を故意に水平
方向にずらしている。これは加速器を構成する磁石系装
置の励磁量を変更することにより容易に行うことができ
る。この実施例によれば、外部発振器等の構成部品を省
略することができ、製作コストが低減する。
FIG. 14 shows a second embodiment of a charged particle beam compression cavity according to the invention. This embodiment has a configuration in which the external oscillator 3 and the coupling antenna 4 are removed from the cavity 1 of the previous embodiment, and the other configurations are the same. With this configuration, the deflection mode is excited by the charge of the charged particle beam 103 itself, so the positions of the charged particle beam 103 and the central axis 16 of the cavity 1' are intentionally shifted in the horizontal direction. . This can be easily done by changing the amount of excitation of the magnet system that constitutes the accelerator. According to this embodiment, components such as an external oscillator can be omitted, and manufacturing costs are reduced.

なお、前記各実施例では円筒形空胴1,1′におけるT
 M I I Oモードの例について述べたが、本発明
はこれに限定されるものではなく、他の形状の空胴やそ
の他の電磁場モードを利用しても同様な効果を発揮させ
ることができるのは勿論である。
In each of the above embodiments, T in the cylindrical cavities 1 and 1'
Although the example of the MIIO mode has been described, the present invention is not limited thereto, and the same effect can be achieved by using cavities of other shapes or other electromagnetic field modes. Of course.

また前記の各実施例では、高周波偏向モードを高周波加
速空胴以外の別途の空胴内で励振するように構成してい
たが、第16図及び第17図に示すように、高周波加速
空胴107内で偏向モードを励振することも可能である
。第16図は第4図に示した構成を変更したものであり
、第17図は第5図に示した構成を変更したものである
。このように、偏向モードが励振される高周波空胴と加
速モードが励振される高周波加速空胴を1台の共通の高
周波空胴で作製することもできる。この場合に、偏向モ
ードの励振周波数は、加速モードの励振周波数の数倍の
値をとるようにする。この偏向モードでは、前述の如く
結合アンテナを介して外部から励振することもできるし
、また結合アンテナを設けず、荷電粒子ビーム自身で励
振することもできる。かかる空胴では、加速空胴と基本
的には同じであり、偏向モードの励振周波数が加速モー
ドの励振周波数のn / h倍となるように、構造を決
定する必要がある。
Further, in each of the above embodiments, the high frequency deflection mode was configured to be excited in a separate cavity other than the high frequency acceleration cavity, but as shown in FIGS. It is also possible to excite polarization modes within 107. 16 is a modification of the configuration shown in FIG. 4, and FIG. 17 is a modification of the configuration shown in FIG. 5. In this way, a high-frequency cavity in which the deflection mode is excited and a high-frequency acceleration cavity in which the acceleration mode is excited can be fabricated using one common high-frequency cavity. In this case, the excitation frequency of the deflection mode is set to be several times the excitation frequency of the acceleration mode. In this polarization mode, it is possible to externally excite via a coupling antenna as described above, or it is possible to excite the charged particle beam itself without providing a coupling antenna. Such a cavity is basically the same as the acceleration cavity, and the structure must be determined so that the excitation frequency of the deflection mode is n/h times the excitation frequency of the acceleration mode.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果
を奏する。
As is clear from the above description, the present invention provides the following effects.

本発明の荷電粒子ビーム圧縮方法によれば、荷電粒子の
軌道にて例えば所定の条件を満たす高周波電磁場による
偏向モードを励振し、荷電粒子のエネルギーの分散を大
きくするという簡単な操作で、非常に効率良く荷電粒子
ビームのビームサイズを圧縮することができる。また、
本発明の荷電粒子ビーム圧縮方法によれば、高周波電磁
場による偏向モードを用いて荷電粒子ビームを圧縮する
方法における一般的条件に拡張し、これによって荷電粒
子ビームを数分の−に圧縮することができる。
According to the charged particle beam compression method of the present invention, a simple operation of exciting a deflection mode in the orbit of a charged particle using a high-frequency electromagnetic field that satisfies a predetermined condition to increase the energy dispersion of the charged particles can achieve extremely high energy efficiency. The beam size of a charged particle beam can be efficiently compressed. Also,
According to the charged particle beam compression method of the present invention, the general conditions in the method of compressing a charged particle beam using a deflection mode by a high frequency electromagnetic field are extended, and thereby the charged particle beam can be compressed to a fraction of a fraction of a second. can.

本発明の荷電粒子ビーム圧縮装置によれば、簡素な構造
で製造することでき、有効に荷電粒子ビームを圧縮する
ことができる。特に、高周波偏向モードと高周波加速モ
ードを1台の高周波空胴で実現した場合には、更に取扱
いが容易で、便利である。
The charged particle beam compression device of the present invention can be manufactured with a simple structure and can effectively compress a charged particle beam. In particular, when the high frequency deflection mode and the high frequency acceleration mode are realized by one high frequency cavity, handling is easier and more convenient.

本発明の荷電粒子ビーム圧縮方法を実施できる高周波空
胴を備えた環状型粒子加速器によれば、衝突実験を行う
場合には荷電粒子ビームの衝突頻度を高めることができ
、あるいは放射光を発生させる場合には放射光の輝度を
高めることができる。
According to the annular particle accelerator equipped with a high-frequency cavity capable of carrying out the charged particle beam compression method of the present invention, it is possible to increase the collision frequency of charged particle beams when conducting collision experiments, or to generate synchrotron radiation. In some cases, the brightness of the emitted light can be increased.

また環状型加速器に対し放射減衰が効かない程度に低い
エネルギーで荷電粒子ビームを入射した場合、荷電粒子
の横方向の広がりを長期にわたる周回に関して安定な軌
道領域内に圧縮させ、ビーム損失を少なくすることによ
り、低エネルギーで大電流の荷電粒子ビームの加速・蓄
積が可能となる。
In addition, when a charged particle beam is incident on an annular accelerator with energy so low that radiation attenuation is not effective, the lateral spread of the charged particles is compressed into a stable orbital region for long orbits, reducing beam loss. This makes it possible to accelerate and accumulate a charged particle beam with low energy and high current.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第J−図は本発明に係る荷電粒子ビーム圧縮方法を実施
するための高周波空胴の第1実施例を示す外観斜視図、
第2図は同空胴の第1図中における水平断面図、第3図
は空胴内の荷電粒子の軌道における電磁場の水平面分布
を示す図、第4図は本発明における同期条件を満たすた
めの発振器部分を示す構成図、第5図は発振器部分の他
の実施例を示す構成図、第6図は空胴内の偏向モードの
概念図、第7図は偏向モードの荷電粒子ビームに与える
影響を表で示した図、第8図はシンクロトロン振動とベ
ータトロン振動とビームサイズの変化の一例を示す図、
第9図は電場によってシンクロトロン振動が成長する理
由を説明するための図、第10図は磁場によってシンク
ロトロン振動が減衰する理由を説明するための図、第1
1図は電場によってベータトロン振動が減衰する理由を
説明するための図、第12図は磁場によってベータトロ
ン振動が成長する理由を説明するための図、第13図は
加速モードと偏向モードとの位相関係を示す特性図、第
14図は本発明によるビーム圧縮用の高周波空胴の第2
実施例を示す第1図と同様な図、第15図は環状型粒子
加速器の従来例を示す構成図、第16図及び第17図は
高周波加速空胴の加速モードの中に偏向モードを励振さ
せる構成を示す他の実施例の図である。 〔符号の説明〕 1.1′ ・・・空胴 2・悔・・・中ビームダクト 3・・・・・・外部発振器 4・争・・・・結合アンテナ 5・−・・・拳チューナ 6・・・・・・電場(電気力線) 7・・・・・・磁場(磁力線) 第1図 第3図 第4図 (偏向モード) (加速モード) 第2図 第5図 (偏向モード) (加速モード) 第6図 第7図 偏向モードのビームに与える影響 (正規の位相関係で同期位相付近の荷電粒子に限定した
場合)0日=] 第9図 (a> 偏向モードの電場分布と粒子軌道 環状軌道の外債1 (b) 位相空間(φ、δ)上での作用 第8図 シンクロトロン振動、ベータトロン振動及びビームサイ
ズの変化(θ0:初期位相) (C) (d> N<XIO’) N(XIO・) 第10図 (a) 偏向角ΦHの位相角ψ依存性 (b) 位相空間(φ、δ)上での作用 第14図 第13図 第15図 第16図 第17図 (加速モードと偏向モード) (加速モードと偏向モード)
FIG. J is an external perspective view showing a first embodiment of a high-frequency cavity for carrying out the charged particle beam compression method according to the present invention;
FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view of the same cavity in FIG. 1, FIG. 3 is a diagram showing the horizontal plane distribution of the electromagnetic field in the trajectory of charged particles in the cavity, and FIG. Fig. 5 is a block diagram showing another embodiment of the oscillator part, Fig. 6 is a conceptual diagram of the deflection mode in the cavity, and Fig. 7 is a diagram showing the polarization mode applied to the charged particle beam. Figure 8 shows an example of synchrotron oscillations, betatron oscillations, and changes in beam size.
Figure 9 is a diagram to explain why synchrotron oscillations grow due to an electric field. Figure 10 is a diagram to explain why synchrotron oscillations are attenuated by a magnetic field.
Figure 1 is a diagram to explain why betatron oscillations are attenuated by an electric field, Figure 12 is a diagram to explain why betatron oscillations are grown by a magnetic field, and Figure 13 is a diagram to explain the relationship between acceleration mode and deflection mode. A characteristic diagram showing the phase relationship, FIG.
A diagram similar to FIG. 1 showing an embodiment, FIG. 15 is a configuration diagram showing a conventional example of an annular particle accelerator, and FIGS. 16 and 17 excite a deflection mode in the acceleration mode of a high-frequency acceleration cavity. FIG. 3 is a diagram of another embodiment showing a configuration for causing the problem to occur. [Explanation of symbols] 1.1' ...Cavity 2, Inner beam duct 3, External oscillator 4, Combination, Coupling antenna 5, ---Fist tuner 6 ...... Electric field (electric lines of force) 7... Magnetic field (lines of magnetic force) Fig. 1 Fig. 3 Fig. 4 (deflection mode) (acceleration mode) Fig. 2 Fig. 5 (deflection mode) (Acceleration mode) Fig. 6 Fig. 7 Influence on beam in deflection mode (when limited to charged particles near synchronous phase with normal phase relationship) 0 days =] Fig. 9 (a> Electric field distribution in deflection mode and Particle orbit External equation of circular orbit 1 (b) Effect on phase space (φ, δ) Figure 8 Synchrotron oscillation, betatron oscillation, and change in beam size (θ0: initial phase) (C) (d>N<XIO') N(XIO・) Figure 10 (a) Dependence of deflection angle ΦH on phase angle ψ (b) Effect on phase space (φ, δ) Figure 14 Figure 13 Figure 15 Figure 16 Figure 17 (Acceleration mode and deflection mode) (Acceleration mode and deflection mode)

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)荷電粒子の周回軌道を形成する磁石系装置と、前
記荷電粒子を加速するための高周波加速空胴と、前記荷
電粒子によるビームを閉じ込める真空容器を含む環状型
粒子加速器において、前記荷電粒子のエネルギー分散を
大きくするようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム
圧縮方法。
(1) In an annular particle accelerator that includes a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum vessel that confines a beam of the charged particles, the charged particles A charged particle beam compression method characterized by increasing the energy dispersion of the charged particle beam.
(2)荷電粒子の周回軌道を形成する磁石系装置と、前
記荷電粒子を加速するための高周波加速空胴と、前記荷
電粒子によるビームを閉じ込める真空容器を含む環状型
粒子加速器において、前記軌道上を周回する前記荷電粒
子におけるシンクロトロン振動を成長させ、ベータトロ
ン振動を減衰させることにより、前記荷電粒子ビームを
圧縮するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム圧
縮方法。
(2) In an annular particle accelerator including a magnet-based device that forms an orbit of charged particles, a high-frequency acceleration cavity that accelerates the charged particles, and a vacuum vessel that confines a beam of the charged particles, A charged particle beam compression method, characterized in that the charged particle beam is compressed by growing synchrotron oscillations in the charged particles orbiting the charged particles and attenuating betatron oscillations.
(3)請求項1又は2記載の荷電粒子ビーム圧縮方法に
おいて、前記荷電粒子の軌道上に、中心軌道方向に電場
成分を有し且つ軌道面に垂直な方向に磁場成分を有する
高周波の偏向モードを発生させ、この偏向モードを前記
高周波加速空胴の加速モードと所定の同期条件で同期さ
せることにより励振し、前記荷電粒子ビームを圧縮する
ようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム圧縮方法。
(3) In the charged particle beam compression method according to claim 1 or 2, a high-frequency deflection mode having an electric field component in the direction of the central orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbital plane on the orbit of the charged particle. A charged particle beam compression method, characterized in that the charged particle beam is compressed by exciting the deflection mode by synchronizing the deflection mode with the acceleration mode of the high frequency acceleration cavity under a predetermined synchronization condition, and compressing the charged particle beam.
(4)請求項3記載の荷電粒子ビーム圧縮方法において
、前記偏向モードと前記加速モードとの間の前記所定の
同期条件は、偏向モードの励振周波数が加速モードの励
振周波数のn/h倍(n:整数、h:ハーモニック数)
であることを特徴とする荷電粒子ビーム圧縮方法。
(4) In the charged particle beam compression method according to claim 3, the predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is such that the excitation frequency of the deflection mode is n/h times the excitation frequency of the acceleration mode ( n: integer, h: harmonic number)
A charged particle beam compression method characterized by:
(5)請求項3又は4記載の荷電粒子ビーム圧縮方法に
おいて、前記偏向モードは外部から与えられる高周波に
よる励振によって発生させることを特徴とする荷電粒子
ビーム圧縮方法。
(5) A charged particle beam compression method according to claim 3 or 4, wherein the deflection mode is generated by excitation by externally applied high frequency.
(6)請求項3又は4記載の荷電粒子ビーム圧縮方法に
おいて、前記偏向モードは、荷電粒子のみによる励振に
よって発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム圧縮
方法。
(6) The charged particle beam compression method according to claim 3 or 4, wherein the deflection mode is generated by excitation by only charged particles.
(7)請求項3〜6のいずれか1項に記載の荷電粒子ビ
ーム圧縮方法において、前記偏向モードはΥMモード又
はTEモードのいずれかであることを特徴とする荷電粒
子ビーム圧縮方法。
(7) The charged particle beam compression method according to any one of claims 3 to 6, wherein the deflection mode is either ΥM mode or TE mode.
(8)内部空間に、高周波による偏向モードが、前記内
部空間の所定の方向に移動する荷電粒子を加速するため
の高周波加速モードと所定の同期条件にて励振され、前
記高周波の偏向モードによって前記荷電粒子によるビー
ムのエネルギー分散を大きくするように構成されたこと
を特徴とする荷電粒子ビーム圧縮装置。
(8) A high-frequency deflection mode is excited in the internal space under a predetermined synchronization condition with a high-frequency acceleration mode for accelerating charged particles moving in a predetermined direction in the internal space, and the high-frequency deflection mode causes the high-frequency deflection mode to A charged particle beam compression device characterized in that it is configured to increase energy dispersion of a beam due to charged particles.
(9)内部空間に、高周波による偏向モードが、前記内
部空間の所定の方向に移動する荷電粒子を加速するため
の高周波加速モードと所定の同期条件にて励振され、前
記高周波の偏向モードによって、前記軌道上を周回する
前記荷電粒子におけるシンクロトロン振動を成長させ、
ベータトロン振動を減衰させることにより、前記荷電粒
子ビームを圧縮するようにしたことを特徴とする荷電粒
子ビーム圧縮装置。
(9) A high-frequency deflection mode is excited in the internal space under a predetermined synchronization condition with a high-frequency acceleration mode for accelerating charged particles moving in a predetermined direction in the internal space, and the high-frequency deflection mode: growing synchrotron vibrations in the charged particles orbiting in the orbit;
A charged particle beam compression device, characterized in that the charged particle beam is compressed by attenuating betatron oscillations.
(10)請求項8又は9記載の荷電粒子ビーム圧縮装置
において、前記荷電粒子の軌道上に、中心軌道方向に電
場成分を有し且つ軌道面に垂直な方向に磁場成分を有す
る高周波の偏向モードを発生させ、この偏向モードを、
前記高周波加速モードと所定の同期条件で同期させるこ
とにより励振し、前記荷電粒子ビームを圧縮するように
したことを特徴とする荷電粒子ビーム圧縮装置。
(10) In the charged particle beam compression device according to claim 8 or 9, a high-frequency deflection mode having an electric field component in the direction of the central orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbit plane on the orbit of the charged particle. and this deflection mode,
A charged particle beam compression device characterized in that the charged particle beam is compressed by excitation by synchronizing with the high frequency acceleration mode under a predetermined synchronization condition.
(11)請求項8〜10のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、前記偏向モードと前記加速
モードとの間の前記所定の同期条件は、偏向モードの励
振周波数が加速モードの励振周波数のn/h倍(n:整
数、h:ハーモニック数)であることを特徴とする荷電
粒子ビーム圧縮装置。
(11) In the charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 10, the predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is such that the excitation frequency of the deflection mode is higher than that of the acceleration mode. A charged particle beam compression device characterized in that the excitation frequency is n/h times (n: integer, h: harmonic number).
(12)請求項8〜10のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、前記内部空間にて、前記高
周波の偏向モードと前記高周波の加速モードを励振させ
たことを特徴とする荷電粒子ビーム圧縮装置。
(12) The charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the high-frequency deflection mode and the high-frequency acceleration mode are excited in the internal space. Particle beam compression device.
(13)請求項8〜12のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、前記偏向モードを発生する
ため、高周波を与える高周波電源を外部に備えることを
特徴とする荷電粒子ビーム圧縮装置。
(13) The charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the charged particle beam compression device is equipped with an external high-frequency power source that provides high-frequency waves in order to generate the deflection mode. .
(14)請求項8〜12のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、前記偏向モードを、荷電粒
子のみによる励振によって発生させることを特徴とする
荷電粒子ビーム圧縮装置。
(14) The charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 12, wherein the deflection mode is generated by excitation by only charged particles.
(15)請求項8〜14のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、高周波による偏向モードの
周波数調整を行うためのチューナを備えたことを特徴と
する荷電粒子ビーム圧縮装置。
(15) The charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 14, further comprising a tuner for adjusting the frequency of the deflection mode using high frequencies.
(16)請求項8〜15のいずれか1項に記載の荷電粒
子ビーム圧縮装置において、前記偏向モードはTMモー
ド又はTEモードのいずれかであることを特徴とする荷
電粒子ビーム圧縮装置。
(16) The charged particle beam compression device according to any one of claims 8 to 15, wherein the deflection mode is either a TM mode or a TE mode.
(17)荷電粒子の周回軌道を形成する磁石系装置と、
前記荷電粒子を加速するための高周波加速空胴と、前記
荷電粒子によるビームを閉じ込める真空容器を含む環状
型粒子加速器において、前記荷電粒子の前記周回軌道上
に、前記荷電粒子のエネルギー分散を大きくする高周波
空胴を設けたことを特徴とする環状型粒子加速器。
(17) A magnet-based device that forms an orbit of charged particles;
In an annular particle accelerator including a high frequency acceleration cavity for accelerating the charged particles and a vacuum vessel for confining a beam of the charged particles, the energy dispersion of the charged particles is increased on the orbit of the charged particles. An annular particle accelerator characterized by a high-frequency cavity.
(18)荷電粒子の周回軌道を形成する磁石系装置と、
前記荷電粒子を加速するための高周波加速空胴と、前記
荷電粒子によるビームを閉じ込める真空容器を含む環状
型粒子加速器において、前記荷電粒子の前記周回軌道上
に、前記軌道上を周回する前記荷電粒子におけるシンク
ロトロン振動を成長させ、ベータトロン振動を減衰させ
る高周波空胴を設けたことを特徴とする環状型粒子加速
器。
(18) A magnet-based device that forms an orbit of charged particles;
In an annular particle accelerator including a high-frequency acceleration cavity for accelerating the charged particles and a vacuum vessel for confining a beam of the charged particles, the charged particles orbiting on the orbits are placed on the orbits of the charged particles. An annular particle accelerator characterized by having a high-frequency cavity that grows synchrotron oscillations and damps betatron oscillations.
(19)請求項17又は18記載の環状型粒子加速器に
おいて、前記高周波空胴では、中心軌道方向に電場成分
を有し且つ軌道面に垂直な方向に磁場成分を有してなる
偏向モードが発生され、この偏向モードを前記高周波加
速空胴の加速モードと所定の同期条件で同期させて励振
し、前記荷電粒子ビームを圧縮したことを特徴とする環
状型粒子加速器。
(19) In the annular particle accelerator according to claim 17 or 18, in the high-frequency cavity, a deflection mode having an electric field component in the direction of the center orbit and a magnetic field component in the direction perpendicular to the orbit plane is generated. An annular particle accelerator characterized in that the charged particle beam is compressed by exciting the deflection mode in synchronization with the acceleration mode of the high-frequency acceleration cavity under a predetermined synchronization condition.
(20)請求項19記載の環状型粒子加速器において、
前記偏向モードと前記加速モードとの間の前記所定の同
期条件は、偏向モードの励振周波数が加速モードの励振
周波数のn/h倍(n:整数、h:ハーモニック数)で
あることを特徴とする環状型粒子加速器。
(20) In the annular particle accelerator according to claim 19,
The predetermined synchronization condition between the deflection mode and the acceleration mode is characterized in that the excitation frequency of the deflection mode is n/h times the excitation frequency of the acceleration mode (n: integer, h: harmonic number). An annular particle accelerator.
(21)請求項17〜20のいずれか1項に記載の環状
型粒子加速器において、高周波電源を備え、この高周波
電源で発生した高周波電力を伝送手段で前記高周波空胴
へ伝送し、位相調整手段で前記同期条件を満たすように
高周波電力を調整し結合アンテナを介して前記高周波空
胴に供給し、前記高周波空胴内の前記偏向モードを励振
するようにしたことを特徴とする環状型粒子加速器。
(21) The annular particle accelerator according to any one of claims 17 to 20, comprising a high frequency power source, transmitting high frequency power generated by the high frequency power source to the high frequency cavity by a transmission means, and a phase adjustment means. An annular particle accelerator characterized in that high-frequency power is adjusted so as to satisfy the synchronization condition and supplied to the high-frequency cavity via a coupling antenna to excite the polarized mode in the high-frequency cavity. .
(22)請求項19〜20のいずれか1項に記載の環状
型粒子加速器において、前記高周波空胴における前記偏
向モードは、荷電粒子のみによる励振によって発生させ
ることを特徴とする環状型粒子加速器。
(22) The annular particle accelerator according to any one of claims 19 to 20, wherein the deflection mode in the high-frequency cavity is generated by excitation by only charged particles.
(23)請求項17〜19のいずれか1項に記載の環状
型粒子加速器において、前記高周波空胴と前記高周波加
速空胴の各機能を1台の空胴により実現し、前記偏向モ
ードを加速モードの中で励振するようにしたことを特徴
とする環状型粒子加速器。
(23) In the annular particle accelerator according to any one of claims 17 to 19, each function of the high frequency cavity and the high frequency acceleration cavity is realized by one cavity, and the deflection mode is accelerated. An annular particle accelerator characterized by excitation within a single mode.
JP14711190A 1990-06-05 1990-06-05 Charged particle beam compression method, charged particle beam compression device, and annular particle accelerator Pending JPH0439899A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783914A (en) * 1994-03-17 1998-07-21 Hitachi, Ltd. Particle beam accelerator, and a method of operation

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5783914A (en) * 1994-03-17 1998-07-21 Hitachi, Ltd. Particle beam accelerator, and a method of operation

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