JPH076900A - 高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン加速器 - Google Patents
高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン加速器Info
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- JPH076900A JPH076900A JP14327593A JP14327593A JPH076900A JP H076900 A JPH076900 A JP H076900A JP 14327593 A JP14327593 A JP 14327593A JP 14327593 A JP14327593 A JP 14327593A JP H076900 A JPH076900 A JP H076900A
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- acceleration cavity
- cavity
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- accelerating
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Abstract
(57)【要約】
【構成】イオンシンクロトロン加速器の高周波加速空胴
１０において、高周波加速空胴１０内に透磁率の虚数部
の大きいフェライト２１を装荷することにより高周波加
速空胴１０のＱ値を低下させる。Ｑ値の低下に伴い、所
定の加速電圧を得るための高周波加速空胴１０の共振周
波数と高周波電源２３からの印加周波数を一致させる同
調操作の許容誤差が大きくなる。その上で、同調制御と
してシーケンス制御を行う。シーケンス制御は、ディジ
タルコンピュータ２７を用いて行う。 【効果】従来のフィードバック制御を用いた高周波加速
空胴の同調制御に比べ制御系の簡単なシーケンス制御を
行うことにより、製作が容易で、製作費が安価な高周波
加速空胴及びそれを用いたイオンシンクロトロン加速器
を提供することができる。
１０において、高周波加速空胴１０内に透磁率の虚数部
の大きいフェライト２１を装荷することにより高周波加
速空胴１０のＱ値を低下させる。Ｑ値の低下に伴い、所
定の加速電圧を得るための高周波加速空胴１０の共振周
波数と高周波電源２３からの印加周波数を一致させる同
調操作の許容誤差が大きくなる。その上で、同調制御と
してシーケンス制御を行う。シーケンス制御は、ディジ
タルコンピュータ２７を用いて行う。 【効果】従来のフィードバック制御を用いた高周波加速
空胴の同調制御に比べ制御系の簡単なシーケンス制御を
行うことにより、製作が容易で、製作費が安価な高周波
加速空胴及びそれを用いたイオンシンクロトロン加速器
を提供することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオンシンクロトロン
加速器、イオンシンクロトロン加速器に使用される高周
波加速空胴及びそれを用いた加速方法に関する。
加速器、イオンシンクロトロン加速器に使用される高周
波加速空胴及びそれを用いた加速方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、イオンを円形軌道内で加速す
るイオンシンクロトロン加速器は、物理実験や医療等に
用いられている。イオンシンクロトロン加速器には、入
射されたイオンに加速電圧をかけて加速するため、高周
波加速空胴が設けられている。高周波加速空胴を用いて
イオンを加速するには、イオンがシンクロトン内を周回
する際の周回周波数と、高周波電源から高周波加速空胴
に印加される高周波電力の印加周波数とを一致させなけ
ればならない。さらに、高周波加速空胴に励起される加
速電圧を最大にするためには、高周波電力の印加周波数
と加速空胴の共振周波数を一致させる同調制御を行わな
ければならない。
るイオンシンクロトロン加速器は、物理実験や医療等に
用いられている。イオンシンクロトロン加速器には、入
射されたイオンに加速電圧をかけて加速するため、高周
波加速空胴が設けられている。高周波加速空胴を用いて
イオンを加速するには、イオンがシンクロトン内を周回
する際の周回周波数と、高周波電源から高周波加速空胴
に印加される高周波電力の印加周波数とを一致させなけ
ればならない。さらに、高周波加速空胴に励起される加
速電圧を最大にするためには、高周波電力の印加周波数
と加速空胴の共振周波数を一致させる同調制御を行わな
ければならない。
【０００３】また、高周波加速空胴自体の一定入力電力
に対する加速電圧の大きさは、次式、 Ｑ＝２π×（空胴共振器の蓄積エネルギ）÷(１サイク
ルの間に空胴共振器から失われるエネルギ） で定義される空胴共振器のＱ値で評価される。一定入力
電力に対する加速電圧を大きくするには、Ｑ値の高い高
周波加速空胴を用いる必要がある。
に対する加速電圧の大きさは、次式、 Ｑ＝２π×（空胴共振器の蓄積エネルギ）÷(１サイク
ルの間に空胴共振器から失われるエネルギ） で定義される空胴共振器のＱ値で評価される。一定入力
電力に対する加速電圧を大きくするには、Ｑ値の高い高
周波加速空胴を用いる必要がある。
【０００４】次に、共振曲線のＱ値による違いを図５に
示す。図５より、共振周波数の近くでは、加速空胴のＱ
値が高いと印加周波数の変化に対する加速電圧の変化は
大きいことがわかる。従って、高周波加速空胴のＱ値が
高いと、高周波電源の印加周波数と高周波加速空胴の共
振周波数との誤差が小さくても、加速電圧の誤差は大き
い。従来のイオンシンクロトロンの高周波加速空胴で
は、Ｑ値を高く取っているため、印加周波数と共振周波
数は厳密に一致させなければならない。また、粒子を加
速する際に短時間（０.５−１.０sec 程度）で印加周波
数が大きく（十倍程度）変化する。このため、高周波加
速空胴の共振周波数と印加周波数の同調制御では、共振
周波数の僅かな誤差を修正するためフィードバック制御
が必要であった（参考文献 「ＯＨＯ '８９ 高エネル
ギ加速器セミナ」 二宮重史，高エネルギ研究所，Ｖ２
８頁−Ｖ３０頁）。
示す。図５より、共振周波数の近くでは、加速空胴のＱ
値が高いと印加周波数の変化に対する加速電圧の変化は
大きいことがわかる。従って、高周波加速空胴のＱ値が
高いと、高周波電源の印加周波数と高周波加速空胴の共
振周波数との誤差が小さくても、加速電圧の誤差は大き
い。従来のイオンシンクロトロンの高周波加速空胴で
は、Ｑ値を高く取っているため、印加周波数と共振周波
数は厳密に一致させなければならない。また、粒子を加
速する際に短時間（０.５−１.０sec 程度）で印加周波
数が大きく（十倍程度）変化する。このため、高周波加
速空胴の共振周波数と印加周波数の同調制御では、共振
周波数の僅かな誤差を修正するためフィードバック制御
が必要であった（参考文献 「ＯＨＯ '８９ 高エネル
ギ加速器セミナ」 二宮重史，高エネルギ研究所，Ｖ２
８頁−Ｖ３０頁）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べたよう
なフィードバック制御による同調装置を備えることは、
製作が困難で、かつ、製作費がかさむ。
なフィードバック制御による同調装置を備えることは、
製作が困難で、かつ、製作費がかさむ。
【０００６】本発明の目的は、製作が容易で、製作費が
安価な高周波加速空胴、及びそれを用いたイオシンクロ
トロン加速器を提供することにある。
安価な高周波加速空胴、及びそれを用いたイオシンクロ
トロン加速器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、Ｑ値を低下させた加速空胴を用いて共振
周波数制御の許容誤差範囲を大きくする。その上で、共
振周波数制御に、シーケンス制御を行う。
成するために、Ｑ値を低下させた加速空胴を用いて共振
周波数制御の許容誤差範囲を大きくする。その上で、共
振周波数制御に、シーケンス制御を行う。
【０００８】
【作用】以下、本発明の作用を図を用いて説明する。
【０００９】図４に高周波加速空胴の共振曲線を示す。
横軸は高周波電源から高周波加速空胴に印加される印加
周波数を示しており、縦軸は加速電圧を示す。加速電圧
の最大電圧を与える周波数ｆ0が共振周波数である。
横軸は高周波電源から高周波加速空胴に印加される印加
周波数を示しており、縦軸は加速電圧を示す。加速電圧
の最大電圧を与える周波数ｆ0が共振周波数である。
【００１０】次に、Ｑ値が異なる場合の共振曲線の違い
を図５に示す。図５より、共振周波数の近くでは、加速
空胴のＱ値が低いと印加周波数の変化に対する加速電圧
の変化は小さいことがわかる。従って、高周波加速空胴
のＱ値を低下させれば、高周波電源の印加周波数と高周
波加速空胴の共振周波数との誤差が大きくても、加速電
圧の誤差は小さくてすむ。
を図５に示す。図５より、共振周波数の近くでは、加速
空胴のＱ値が低いと印加周波数の変化に対する加速電圧
の変化は小さいことがわかる。従って、高周波加速空胴
のＱ値を低下させれば、高周波電源の印加周波数と高周
波加速空胴の共振周波数との誤差が大きくても、加速電
圧の誤差は小さくてすむ。
【００１１】高周波加速空胴のＱ値を低下させるには、
加速空胴内に搭載するフェライトの透磁率の作用を利用
する。
加速空胴内に搭載するフェライトの透磁率の作用を利用
する。
【００１２】高周波加速空胴は並列共振回路で書き表す
ことができるので、フェライト装荷の作用をＬＣ共振回
路を用いて説明する。
ことができるので、フェライト装荷の作用をＬＣ共振回
路を用いて説明する。
【００１３】図７にＬＣ共振回路中に磁性体試料を挿入
した場合の等価回路の図を示す。インダクタンスＬ0 の
中に透磁率μ＝μ′−ｊμ″の試料を挿入するとそのイ
ンピーダンスＺは、
した場合の等価回路の図を示す。インダクタンスＬ0 の
中に透磁率μ＝μ′−ｊμ″の試料を挿入するとそのイ
ンピーダンスＺは、
【００１４】
【数１】 Ｚ＝ｊωＬ0（μ′−ｊμ″） ＝ωμ″Ｌ0＋ｊωμ′Ｌ0 ＝Ｒ＋ｊωμ′Ｌ0 …（数１） となる。これからわかるように透磁率の実数部μ′はリ
アクタンスを変化させるので、共振周波数を変化させ
る。透磁率の虚数部μ″はエネルギ散逸を増加させるの
で、Ｑ値を低下させる。
アクタンスを変化させるので、共振周波数を変化させ
る。透磁率の虚数部μ″はエネルギ散逸を増加させるの
で、Ｑ値を低下させる。
【００１５】高周波加速空胴内に透磁率の虚数部の大き
いフェライトを装荷し、高周波加速空胴のＱ値を低下さ
せる。Ｑ値を低下させた加速空胴を用いれば、共振周波
数と印加周波数を一致させる同調制御において、共振周
波数の印加周波数に対する許容誤差は大きくできる。従
って、共振周波数と印加周波数を一致させる同調制御は
フィードバック制御を行わなくともシーケンス制御で十
分行うことができる。
いフェライトを装荷し、高周波加速空胴のＱ値を低下さ
せる。Ｑ値を低下させた加速空胴を用いれば、共振周波
数と印加周波数を一致させる同調制御において、共振周
波数の印加周波数に対する許容誤差は大きくできる。従
って、共振周波数と印加周波数を一致させる同調制御は
フィードバック制御を行わなくともシーケンス制御で十
分行うことができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１７】図１は、本発明の実施例で、医療用陽子シ
ンクロトロン加速器の機器配置を示す図である。図１の
加速器は、エネルギが１０ＭｅＶの陽子を入射し、高周
波加速空胴１０を用いて２５０ＭｅＶまで加速し、その
後、出射する。加速器は、前段加速器１からのビーム２
を入射器３から入射する。加速器は入射されたビーム２
にエネルギを与える高周波加速空胴１０，ビーム軌道を
曲げる偏向電磁石４，ビームのベータトロン振動を制御
する４極電磁石５及び９，出射のために用いられる共鳴
励起用電磁石７，出射用静電デフレクタ５，出射用セプ
タム電磁石１２で構成されている。
ンクロトロン加速器の機器配置を示す図である。図１の
加速器は、エネルギが１０ＭｅＶの陽子を入射し、高周
波加速空胴１０を用いて２５０ＭｅＶまで加速し、その
後、出射する。加速器は、前段加速器１からのビーム２
を入射器３から入射する。加速器は入射されたビーム２
にエネルギを与える高周波加速空胴１０，ビーム軌道を
曲げる偏向電磁石４，ビームのベータトロン振動を制御
する４極電磁石５及び９，出射のために用いられる共鳴
励起用電磁石７，出射用静電デフレクタ５，出射用セプ
タム電磁石１２で構成されている。
【００１８】入射器３から入射されたビームは、周回す
る過程で偏向電磁石４で軌道が曲げられる。また、四極
電磁石９は、水平方向にビームを収束する方向に軌道勾
配を変え、四極電磁石５はビームを発散させる方向に軌
道勾配を変える働きをする。垂直方向には、各々の四極
電磁石は、水平方向の収束，発散と反対の機能を持つ。
これらの四極電磁石の励磁量を制御することによって入
射と加速時の過程でビームを安定に周回させることがで
きる。
る過程で偏向電磁石４で軌道が曲げられる。また、四極
電磁石９は、水平方向にビームを収束する方向に軌道勾
配を変え、四極電磁石５はビームを発散させる方向に軌
道勾配を変える働きをする。垂直方向には、各々の四極
電磁石は、水平方向の収束，発散と反対の機能を持つ。
これらの四極電磁石の励磁量を制御することによって入
射と加速時の過程でビームを安定に周回させることがで
きる。
【００１９】ビームは周回する過程で高周波加速空胴１
０からエネルギを与えられる。
０からエネルギを与えられる。
【００２０】図２に同調装置の概念図を示す。同調装置
は、印加周波数と共振周波数との同調操作をシーケンス
制御で実施するためのものである。同調装置は、ディジ
タルコンピュータ２７，バイアス電源２８、および、バ
イアスコイル２２によって構成される。図２の高周波加
速空胴１０は断面図が示してある。高周波加速空胴１０
には透磁率の虚数部が大きいＮｉ−Ｚｎフェライト２１
を装荷し、高周波加速空胴１０のＱ値を低下させる。高
周波加速空胴内への電磁場の励振は、高周波電源２３で
発生した信号を四極真空管２４で増幅し、高周波アンテ
ナ２５を介して行われる。
は、印加周波数と共振周波数との同調操作をシーケンス
制御で実施するためのものである。同調装置は、ディジ
タルコンピュータ２７，バイアス電源２８、および、バ
イアスコイル２２によって構成される。図２の高周波加
速空胴１０は断面図が示してある。高周波加速空胴１０
には透磁率の虚数部が大きいＮｉ−Ｚｎフェライト２１
を装荷し、高周波加速空胴１０のＱ値を低下させる。高
周波加速空胴内への電磁場の励振は、高周波電源２３で
発生した信号を四極真空管２４で増幅し、高周波アンテ
ナ２５を介して行われる。
【００２１】高周波加速空胴１０の共振周波数を印加周
波数に一致させる同調制御を以下のようなシーケンス制
御によって行う。
波数に一致させる同調制御を以下のようなシーケンス制
御によって行う。
【００２２】入射器３からビームをシンクロトロン加速
器に入射する際、入射器３からタイミングパルス発生装
置に信号を送る。タイミングパルス発生装置はディジタ
ルコンピュータ２７に信号を送り、その信号を受信した
ディジタルコンピュータ２７は予め計算しておいたバイ
アス電流プログラムに従ってバイアス電源２８を制御す
る。バイアス電源２８からバイアスコイル２２に電流が
送られバイアス磁場を発生する。バイアスコイル２２の
生じるバイアス磁場の強さによってフェライト２１の透
磁率の実数部分を変化させ、高周波加速空胴１０内に励
起される電磁場の共振周波数を制御する。
器に入射する際、入射器３からタイミングパルス発生装
置に信号を送る。タイミングパルス発生装置はディジタ
ルコンピュータ２７に信号を送り、その信号を受信した
ディジタルコンピュータ２７は予め計算しておいたバイ
アス電流プログラムに従ってバイアス電源２８を制御す
る。バイアス電源２８からバイアスコイル２２に電流が
送られバイアス磁場を発生する。バイアスコイル２２の
生じるバイアス磁場の強さによってフェライト２１の透
磁率の実数部分を変化させ、高周波加速空胴１０内に励
起される電磁場の共振周波数を制御する。
【００２３】バイアス電流プログラムは以下のように設
定する。図３にその具体例としてディジタルコンピュー
タ２７の行う計算手順をフローチャートにして示す。偏
向電磁石４の磁場強度の時間変化パターンをコンソール
から入力する。磁場強度の時間変化パターンに合わせ
て、ビームエネルギの時間変化パターンを計算する。シ
ンクロトロン加速器の周長は一定なので、ビームエネル
ギの時間変化パターンをもとにビームの周回周波数の時
間変化を計算する。印加周波数は周回周波数と一致する
ように別の制御系で制御を行うので、共振周波数の時間
変化が周回周波数と等しくなるようにバイアスコイルの
電流値を時間変化させる。所望の共振周波数を得るため
のバイアス電流値は、予め測定したバイアス電流による
共振周波数特性をもとにディジタルコンピュータで計算
する。
定する。図３にその具体例としてディジタルコンピュー
タ２７の行う計算手順をフローチャートにして示す。偏
向電磁石４の磁場強度の時間変化パターンをコンソール
から入力する。磁場強度の時間変化パターンに合わせ
て、ビームエネルギの時間変化パターンを計算する。シ
ンクロトロン加速器の周長は一定なので、ビームエネル
ギの時間変化パターンをもとにビームの周回周波数の時
間変化を計算する。印加周波数は周回周波数と一致する
ように別の制御系で制御を行うので、共振周波数の時間
変化が周回周波数と等しくなるようにバイアスコイルの
電流値を時間変化させる。所望の共振周波数を得るため
のバイアス電流値は、予め測定したバイアス電流による
共振周波数特性をもとにディジタルコンピュータで計算
する。
【００２４】ビームは目標エネルギまで加速された後、
出射用静電デフレクタ１１，セプタム電磁石１２によっ
て軌道を偏向させられ治療室１４へと送られる。
出射用静電デフレクタ１１，セプタム電磁石１２によっ
て軌道を偏向させられ治療室１４へと送られる。
【００２５】
【発明の効果】本発明によれば、製作が容易でかつ、製
作費が安価な高周波加速空胴及びそれを用いたイオンシ
クロトロン加速器を提供することができる。
作費が安価な高周波加速空胴及びそれを用いたイオンシ
クロトロン加速器を提供することができる。
【図１】本発明の実施例５の加速器の説明図。
【図２】本発明の実施例２の同調装置の説明図。
【図３】バイアス電流プログラムの設定手順を示すフロ
ーチャート。
ーチャート。
【図４】加速電圧の周波数依存性を示す共振曲線の特性
図。
図。
【図５】Ｑ値が変化した場合の共振曲線の変化を示す特
性図。
性図。
【図６】共振回路に強磁性体を挿入したときの等価回路
図。
図。
１０…高周波加速空胴、２１…フェライト、２２…バイ
アスコイル、２３…高周波電源、２４…四極真空管、２
５…高周波アンテナ、２７…ディジタルコンピュータ、
２８…バイアス電源。
アスコイル、２３…高周波電源、２４…四極真空管、２
５…高周波アンテナ、２７…ディジタルコンピュータ、
２８…バイアス電源。
Claims (5)
- 【請求項１】イオンシンクロトロン加速器で用いる高周
波加速空胴において、 共振周波数を変化させる手段を備え、周回周波数の変化
に応じて、共振周波数が周回周波数と等しくなるように
シーケンス制御することを特徴とする高周波加速空胴。 - 【請求項２】イオンシンクロトロン加速器で用いる高周
波加速空胴において、 共振周波数制御用フェライトと、前記フェライトの透磁
率を調節するための磁場を発生させるバイアスコイルと
を装荷し、前記コイルの電流値を共振周波数が周回周波
数と等しくなるようにシーケンス制御することを特徴と
する高周波加速空胴。 - 【請求項３】イオンシンクロトロン加速器における荷電
粒子の加速方法において、 共振周波数を変化させる手段を備えた高周波加速空胴を
用い、周回周波数の変化に応じて前記高周波加速空胴の
共振周波数が周回周波数と等しくなるようにシーケンス
制御することを特徴とする荷電粒子の加速方法。 - 【請求項４】イオンシンクロトロン加速器で行われる荷
電粒子の加速方法において、 フェライトと、前記フェライトの透磁率を調節するため
の磁場を発生させるバイアスコイルとを装荷した高周波
加速空胴を用い、周回周波数の変化に応じて前記高周波
加速空胴の共振周波数が周回周波数と等しくなるように
前記コイルの電流値をシーケンス制御することを特徴と
する荷電粒子の加速方法。 - 【請求項５】請求項１もしくは請求項２の前記高周波加
速空洞を備えたイオンシンクロトロン加速器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14327593A JPH076900A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン加速器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14327593A JPH076900A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン加速器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH076900A true JPH076900A (ja) | 1995-01-10 |
Family
ID=15334962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14327593A Pending JPH076900A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン加速器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH076900A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005353587A (ja) * | 2004-05-19 | 2005-12-22 | Gsi Ges Fuer Schwerionenforschung Mbh | 医療粒子加速器のためのビーム分配装置およびビーム分配方法 |
| US7741781B2 (en) | 2005-09-08 | 2010-06-22 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Radio-frequency accelerating cavity and circular accelerator |
| US8643314B2 (en) | 2011-05-09 | 2014-02-04 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Particle accelerator and charged particle beam irradiation apparatus including particle accelerator |
| US8811746B2 (en) | 2009-07-31 | 2014-08-19 | Fujitsu Limited | Mobile unit position detecting apparatus and mobile unit position detecting method |
| CN111526656A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-08-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体 |
-
1993
- 1993-06-15 JP JP14327593A patent/JPH076900A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005353587A (ja) * | 2004-05-19 | 2005-12-22 | Gsi Ges Fuer Schwerionenforschung Mbh | 医療粒子加速器のためのビーム分配装置およびビーム分配方法 |
| US7741781B2 (en) | 2005-09-08 | 2010-06-22 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Radio-frequency accelerating cavity and circular accelerator |
| US8811746B2 (en) | 2009-07-31 | 2014-08-19 | Fujitsu Limited | Mobile unit position detecting apparatus and mobile unit position detecting method |
| US8643314B2 (en) | 2011-05-09 | 2014-02-04 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Particle accelerator and charged particle beam irradiation apparatus including particle accelerator |
| CN111526656A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-08-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体 |
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