JPH0935899A - 荷電粒子ビームの取り出し方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】取り出しビームの特性及び出射効率を出射エネ
ルギによらず一定にするビーム取り出し方法を提供す
る。 【構成】ビームの加速終了後、高周波電場を印加してエ
ミッタンスを増大させる。高周波電場の強度を調節する
ことで、ビーム出射開始時のエミッタンスを出射エネル
ギによらず一定に揃える。または、加速と同時に高周波
電場を印加することで、エミッタンスが減少するのを抑
え、加速終了時のエミッタンスを出射エネルギによらず
一定に揃える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷電粒子ビームを周回さ
せる円形加速器のビーム取り出し方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】円形加速器では電子やイオン等の荷電粒
子ビームを加速して周回させ、その周回軌道から取り出
した荷電粒子ビームを輸送系で輸送し、物理実験や医療
等に使用してきた。従来の荷電粒子ビームの取り出しで
は、エー・アイ・ピー・コンファランス・プロシーディ
ングズＮｏ．１２７（１９８３年)(ＡＩＰ Conference
Proceedings ）の第５３頁から第６１頁において論じら
れているようにビームのベータトロン振動の共鳴が用い
られてきた。

【０００３】ベータトロン振動の共鳴とは次のような現
象である。荷電粒子は周回している軌道平面の水平方向
及び垂直方向に振動しながら周回し、この振動をベータ
トロン振動という。ベータトロン振動の周回軌道一周辺
りの振動数をチューンと呼び、チューンは周回軌道上に
設けられた偏向電磁石や四極電磁石などにより制御可能
である。ベータトロン振動振幅は、ビームを構成する粒
子毎に異なり、振幅の大きな粒子から小さな粒子まで混
在している。従って、ビーム径は、ベータトロン振動振
幅の最大値により決まる。

【０００４】従来例では、チューンを整数±１／３に近
付けると同時に、周回軌道上に設けた共鳴発生用六極電
磁石を励磁すると、周回している荷電粒子のうち、ある
境界以上の振幅を持つ荷電粒子のベータトロン振動振幅
が急激に増加する。この現象をベータトロン振動の共鳴
といい、境界を安定限界と呼ぶ。共鳴の安定限界のベー
タトロン振動振幅の大きさはチューンの整数±１／３か
らの偏差に依存し、このチューンを徐々に整数±１／３
に近付け、即ち安定限界の大きさを徐々に小さくし、周
回中の荷電粒子のうちベータトロン振動振幅が大きな荷
電粒子に先ず共鳴を発生させ、その後振動振幅が小さな
荷電粒子に順次共鳴を発生させて徐々に荷電粒子ビーム
を取り出していた。

【０００５】また、特開平5−198397 号公報には、取り
出し時のチューン及び安定限界を一定にしながら、ベー
タトロン振動振幅を増加させて共鳴を発生させ、ビーム
を取り出す円形加速器が記載されている。この方法で
は、安定限界を荷電粒子ビームの大きさ程度にしてお
き、安定限界を一定にしたままの状態でベータトロン振
動振幅を増加させていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、次のよ
うな問題があった。

【０００７】ベータトロン振動振幅の拡がりはエミッタ
ンスと呼ばれ、横軸を粒子の位置、縦軸を粒子の運動の
向きの進行方向からのずれ（軌道勾配）とするグラフ
（図２、位相空間と呼ばれる）上でビームが占める面積
に対応する。荷電粒子は加速によって進行方向の運動量
を得るが、進行方向に垂直な方向の運動量は変化しな
い。そのため、粒子の運動の向きは加速に伴ってビーム
の進行方向へと揃ってくる。従って、エミッタンスは出
射エネルギが高いほど小さくなる。従来、取り出し開始
時に形成する安定限界の大きさは、エミッタンス程度に
設定していたため、その大きさは出射エネルギによって
異なっていた。このため、取り出される荷電粒子の軌道
勾配，出射効率等の出射ビームの各種パラメータが、出
射エネルギ毎に変化するという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、取り出しビームの特性及
び出射効率等の出射ビームの各種パラメータを出射エネ
ルギによらず一定にするビーム取り出し方法及び装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する第
一の手段は、出射エネルギによらず取り出し直前の水平
又は垂直方向のエミッタンスを揃える手段である。

【００１０】第二の手段は、加速開始時又は加速の途中
から加速終了までの間エミッタンスを概ね一定に保つ手
段である。

【００１１】

【作用】第一の手段によれば、出射エネルギによらず出
射時のビームの状態が揃い、取り出しビームの軌道勾
配，出射効率等各種ビームパラメータを一定にすること
ができる。出射エネルギによらず出射時のビームの状態
が同一なので、出射時の電磁石の設定条件を統一するこ
とができ、加速器制御の簡単化及び安定化を実現でき
る。また、出射エネルギの変更を簡略化できる。

【００１２】第二の手段によれば、出射エネルギによら
ず加速終了時のビームの状態が揃うので、取り出しビー
ムの軌道勾配，出射効率等各種ビームパラメータを一定
にすることができる。それによって、加速器制御の簡単
化，安定化及び出射エネルギの変更の簡略化を実現でき
る。また、第二の手段では、エミッタンス調節のための
時間を必要としないため、運転効率が向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１４】図１は本発明の円形加速器の運転方法の概
要を示したフローチャートである。本発明の特徴は、ビ
ームの加速と取り出しの間にエミッタンス調節をすると
ころにある。

【００１５】先ず、本発明の第一の実施例である、加速
を終了してからエミッタンスを調節する円形加速器運転
方法を図９を用いて説明する。

【００１６】図９は加速したビームを３次共鳴と呼ばれ
る共鳴を利用して出射する円形加速器で、本発明の概要
を示す図である。円形加速器は、偏向電磁石１と収束力
又は発散力を持つ四極電磁石２，３，高周波加速空胴
４，共鳴励起用多極電磁石５，出射用デフレクタ８等か
ら構成されている。座標系はビーム周回方向をｓ，水平
方向をｘ（外側を正とする），垂直方向をｙとする。ビ
ームは、周回軌道である中心軌道１４の周囲をベータト
ロン振動しながら周回する。

【００１７】図５は本実施例の円形加速器の運転の手順
を示したフローチャートである。以下この流れに添って
説明する。

【００１８】前段加速器からの荷電粒子ビームは、入射
装置を通じて円形加速器に入射される。入射されたビー
ムの軌道は偏向電磁石によって円形に保たれ、周回毎に
高周波加速空胴４を通過し、その度に加速される。図２
の２３ａはビームの運動エネルギがＥ０まで加速された
ときの粒子の分布を示し、２３ｂはビームの運動エネル
ギが出射エネルギであるＥ１（Ｅ１＞Ｅ０）まで加速さ
れたときの粒子の分布を示す。この図は横軸はビーム中
の粒子の周回毎の水平方向位置ｘ，縦軸は水平方向軌道
勾配ｘ′＝ｄｘ／ｄｓの関係を表しており、位相空間と
呼ばれる。粒子の分布する範囲の位相空間上での面積を
エミッタンスと呼び、円形加速器内のどの部分において
も同じ値である。エミッタンスは加速と共にビームの運
動量に反比例して小さくなる。従って、出射エネルギま
で加速されたビームのエミッタンスは、出射エネルギが
高いほど小さくなる。ビームの運動エネルギがＥ０の時
のエミッタンスをε０，Ｅ１の時のエミッタンスをε１
（ε１＜ε０）とする。

【００１９】出射エネルギＥ１まで加速を終えると、四
極電磁石２及び３を調整して水平方向チューンを５／３
に近付け、１.６７ に設定する。次に、高周波電場印加
用電極６を使って、粒子のベータトロン振動の周期に同
期する周波数成分を含む高周波電場をビームの水平方向
に印加する。すると、粒子は徐々にベータトロン振動振
幅が大きくなり、エミッタンスが増大する。高周波電場
の強度は、出射開始までの時間Ｔの間にエミッタンスを
ε０に増加させる強度に調整する。図６に本実施例によ
る加速器運転時の高周波電場印加用電極の強度の時間変
化の一例を偏向電磁石の磁場強度の時間変化と並べて示
す。

【００２０】共鳴励起用多極電磁石５（本実施例では六
極電磁石）を励磁すると、ベータトロン振動振幅の大き
な粒子に３次共鳴が励起される。出射用デフレクタ８が
設置されている位置における、位相空間上のビーム中の
粒子の周回毎の軌跡を図３に示す。図３中の斜線を施し
た三角形の領域２３ａは、エミッタンスがε０の場合の
位相空間における荷電粒子の範囲、領域２３ｂは、エミ
ッタンスがε１の場合の範囲を表す。また三角形の枠線
は、位相空間における安定限界２１を示す。図に示した
ように、安定限界の大きさが出射エネルギがＥ０の場合
の位相空間における荷電粒子の範囲に概ね一致するよう
に、六極電磁石の磁場強度を選定する。高周波電場を印
加したことによりエミッタンスはε０になっているの
で、ビームの範囲は図３の領域２３ａに一致する。

【００２１】続いて、高周波電場を印加し、荷電粒子の
振幅を徐々に増大させる。安定限界より外側、即ち、ベ
ータトロン振動振幅が安定限界より大きな粒子は、共鳴
により一周毎に振動振幅が急激に増加する。図３の安定
限界の外側に描いた点は、安定限界を越えた場合に粒子
が描く軌跡を表し、点の傍に付けた番号は周回数を示し
ている。ビームが安定限界から外へ出ていく割合は高周
波電場の強度に依存しているので、高周波電場の強度
は、出射開始から出射終了までの時間Ｔｅの間に必要量
のビームを取り出すように調節する。

【００２２】図３の３０（内側を３０ｉ，外側を３０ｏ
で示す）は、図１の出射用デフレクタ８の電極を示して
おり、電極３０に衝突する粒子は失われ、電極３０の間
の領域に入った粒子は円形加速器の外へ取り出される。
六極電磁石及び出射用デフレクタの強度を荷電粒子の運
動量に比例させることで、出射ビームのエミッタンス，
取り出し効率の他、各種ビームパラメータが出射エネル
ギがＥ０の時の出射ビームに一致する。

【００２３】また、取り出す荷電粒子の種類を変更する
場合も、エミッタンスをε０に揃え、出射用デフレクタ
の強度を調節することで、出射ビームのエミッタンス，
取り出し効率の他、各種ビームパラメータが出射エネル
ギ，粒子の種類によらず一定になる。

【００２４】本実施例は、同様の方法で、３次共鳴以外
の共鳴を使ったビームの取り出しにも適用できる。

【００２５】また、エミッタンス調節用と出射用との２
種類の高周波電場印加用電極を備えることで、周波数の
選択及び高周波電場強度の調節をそれぞれ独立に制御で
き、制御を簡易化することができる。

【００２６】次に、ビームを加速しながらエミッタンス
を調節する本発明の第二の実施例を、図９を使って説明
する。図７は、本実施例の円形加速器の運転の手順を示
したフローチャートである。以下この流れに添って説明
する。

【００２７】前段加速器からの荷電粒子ビームは、入射
装置を通じて円形加速器に入射される。入射されたビー
ムの軌道は偏向電磁石によって円形に保たれる。周回毎
に高周波加速空胴４を通過し、その度に加速される。

【００２８】ビームのエネルギがＥ０まで達した時、エ
ミッタンスはε０である。ここで高周波電場印加用電極
６を使って、粒子のベータトロン振動の周期に同期する
周波数成分を含む高周波電場をビームの水平方向に印加
し始める。エネルギが出射エネルギＥ１になるまで、加
速を続けながら高周波電場を印加し続ける。このとき、
ビームのエネルギが増加して周回周波数が高くなるにつ
れて、高周波電場の周波数を高くする。また、高周波電
場の強度は、加速につれてビームの運動量が増加する割
合に合わせることで、ビームのエミッタンスをエネルギ
がＥ０になった時から加速終了まで概ね一定に保つ。図
８に本実施例による高周波電場印加用電極の強度の時間
変化の一例を偏向電磁石の磁場強度の時間変化と並べて
示す。

【００２９】出射エネルギＥ１まで加速を終えた時、ビ
ームのエミッタンスはε０のままである。次に四極電磁
石２及び３の強度を調節してチューンを１.５０３ に設
定し、共鳴励起用多極電磁石５（本実施例では八極電磁
石）を励磁すると、ベータトロン振動振幅の大きな粒子
に２次共鳴が励起される。位相空間上のビーム中の粒子
の周回毎の軌跡を図４に示す。図４中の斜線を施した丸
い領域２３ａは、位相空間における荷電粒子の範囲を表
し、枠線は位相空間における安定限界２１を示す。八極
電磁石の磁場強度は、安定限界の大きさがビームのエミ
ッタンスε０程度になるように選定する。

【００３０】八極電磁石を励磁した後、四極電磁石２及
び３の強度を調節してチューンを徐々に３／２に近付け
る。安定限界の大きさは、チューンの共鳴点（３／２）
からの偏差が小さくなるに従って小さくなり、周回中の
荷電粒子のうちベータトロン振動振幅が大きな荷電粒子
から順に安定限界を越えさせる。安定限界を越えた荷電
粒子は、安定限界から伸びる２本の曲線に添った軌跡を
描きながら急激に振幅を増大する。図４の安定限界の外
側に描いた点は、安定限界を越えた場合に粒子が描く軌
跡を表し、点の傍に付けた番号は周回数を示している。
ビームが安定限界から外へ出ていく割合はチューンを変
化させる速さに依存している。出射開始から出射終了ま
での時間Ｔｅの間に必要量のビームを取り出すように四
極電磁石の磁場強度の変化率を調節する。安定限界の大
きさの変化による出射粒子の軌道勾配の時間変化は、出
射用デフレクタ及び輸送系の電磁石の強度の時間的制御
によって補償する。

【００３１】八極電磁石の強度と、四極電磁石及び出射
用デフレクタの強度変化のパターンを荷電粒子の運動量
に比例させることで、出射ビームのエミッタンス，取り
出し効率の他、各種ビームパラメータが出射エネルギが
Ｅ０の時の出射ビームに一致する。

【００３２】また、取り出す荷電粒子の種類を変更する
場合も、エミッタンスをε０に揃え、出射用デフレクタ
の強度を調節することで、出射ビームのエミッタンス，
取り出し効率の他、各種ビームパラメータが出射エネル
ギ，粒子の種類によらず一定になる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、出射エネルギによらず
取り出しビームの軌道勾配，出射効率を一定にすること
ができる。出射エネルギによらず出射時のビームの状態
が同一なので、出射時の電磁石の設定条件を統一するこ
とができ、加速器制御の簡単化及び安定化を実現でき
る。また、出射エネルギの変更を簡略化できる。

【００３４】また、加速終了時のエミッタンスが常に一
定の場合、エミッタンス調節のための時間を必要としな
いため、運転効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の円形加速器運転方法を
示すフローチャート。

【図２】加速終了後の位相空間におけるビームの範囲を
示す説明図。

【図３】実施例１での位相空間における安定限界と荷電
粒子の周回毎の位置を示した説明図。

【図４】実施例２での位相空間における安定限界と荷電
粒子の周回毎の位置を示した説明図。

【図５】実施例１での円形加速器運転方法を示すフロー
チャート。

【図６】実施例１での高周波電場印加用電極の強度の時
間変化を示す説明図。

【図７】実施例２での円形加速器運転方法を示すフロー
チャート。

【図８】実施例２での高周波電場印加用電極の強度の時
間変化を示す説明図。

【図９】本発明の実施例の円形加速器の構成を示す説明
図。

【符号の説明】

１…偏向電磁石、２…収束用四極電磁石、３…発散用四
極電磁石、４…高周波加速空胴、５…共鳴励起用多極電
磁石、６…高周波電場印加用電極、８…出射用デフレク
タ、９…入射装置、１０…ビーム、１１…ビーム輸送
系、１２…前段加速器、１３…荷電粒子ビーム、１４…
中心軌道、２１…安定限界、２３…ビームの範囲、３０
…電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子ビームを円形加速器で加速して取
   り出すビーム取り出し方法において、 前記荷電粒子ビームの取り出し開始前にエミッタンスを
   増加させることを特徴とする荷電粒子ビームの取り出し
   方法。
2. 【請求項２】荷電粒子ビームを円形加速器で加速して取
   り出すビーム取り出し方法において、 前記荷電粒子ビームの取り出し開始時の水平方向又は垂
   直方向のエミッタンスを、ビームのエネルギによらず概
   ね一定にすることを特徴とする荷電粒子ビームの取り出
   し方法。
3. 【請求項３】荷電粒子ビームを円形加速器で加速して取
   り出すビーム取り出し方法において、 加速開始時又は加速の途中から加速終了までの間、水平
   方向又は垂直方向のエミッタンスを概ね一定に保つこと
   を特徴とする荷電粒子ビームの取り出し方法。