シンクロトロン振動周波数制御装置及びその制御方法
【課題】誘導加速セルにより、バリアー電圧をバンチの周回に同期して印加するシンクロトロン振動周波数制御装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】シンクロトロン１は、バンチ３にバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６と、誘導加速セル６を駆動するスイッチング電源５ｂ、及びスイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、ゲート信号パターン８ａの基になるゲート親信号８ｃのオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置８ｄからなるインテリジェント制御装置８より構成される。
【解決手段】シンクロトロン１は、バンチ３にバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６と、誘導加速セル６を駆動するスイッチング電源５ｂ、及びスイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、ゲート信号パターン８ａの基になるゲート親信号８ｃのオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置８ｄからなるインテリジェント制御装置８より構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンに係り、誘導電圧の発生タイミングを制御することにより、シンクロトロン振動周波数を制御する装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロンには、高周波シンクロトロン、誘導加速セルを用いたシンクロトロンがある。図６に高周波加速空洞４による荷電粒子の加速原理を、図７に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理を示す。
【０００３】
高周波シンクロトロン１６は、入射機器により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子を、高周波シンクロトロン１６を構成する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期した高周波加速空洞４によって高周波加速電圧を印加して、加速しながら荷電粒子を真空ダクト中のバンチ３が周回する設計軌道２を周回させる円形加速器である。
【０００４】
一方、誘導加速セルを用いたシンクロトロンは、高周波シンクロトロン１６と加速方法が異なり誘導加速セルによって誘導電圧を印加して加速する円形加速器である。
【０００５】
図６（Ａ）は、入射された陽子が数個のバンチ３として高周波シンクロトロン１６の設計軌道２を周回している様子を示している。バンチ３は、高周波加速空洞４に到達すると、磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を印加されることにより、所定のエネルギーレベルまで加速される。
【０００６】
ここで、バンチ３とは、荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道２を周回する荷電粒子群のことをいう。
【０００７】
また、荷電粒子とは元素の周期表のある種の元素が一定の正または負の電価状態にあるイオンおよび電子に始まる「電荷を持った粒子」の総称をいう。さらに、荷電粒子には化合物、タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含む。
【０００８】
図６（Ｂ）は、バンチ３と印加される高周波加速電圧４ｂの関係を示している。横軸ｔは、高周波加速空洞４内の時間的変化を表している。縦軸ｖは、高周波４ａの電圧値である。Ｖｏｆｓは、加速のある瞬間に偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き(時間変化率)から計算されたバンチ３の加速に必要な高周波加速電圧値４ｃである。
【０００９】
加速に必要な電圧を偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き（時間的変化率）から計算された高周波加速電圧４ｂとしてバンチ３に印加する。高周波加速電圧４ｂは、バンチ３の加速に必要な電圧を与える機能と、バンチ３が進行軸方向に拡散することを防止する閉じ込め機能を併せ持っている。
【００１０】
高周波シンクロトロン１６でバンチ３を加速する場合には、この二つの機能が必ず必要である。この二つの働きをもつ高周波加速電圧４ｂの時間帯は限られており、高周波加速空洞４では、グレーで示した時間帯は加速に利用することができないことがこれまでに分かっている。
【００１１】
特に閉じ込め機能を位相安定性と呼ぶことがある。ここで位相安定性とは、高周波加速電圧４ｂによって進行軸方向への収束力を受けて、個々の荷電粒子がバンチ３化し、そのバンチ３の中を荷電粒子の進行軸方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン１６の中を周回することをいう。
【００１２】
図７に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理と、誘導電圧の種類について示した。誘導加速セルには、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるための誘導加速セル（以下、閉込用誘導加速セルという。）と、荷電粒子ビームを進行軸方向に加速するための誘導電圧を印加する誘導加速セル（以下、加速用誘導加速セルという。）がある。
【００１３】
なお、閉込用誘導加速セルに代えて、バンチ３を進行軸方向に閉じ込めるために高周波加速空洞４を用いることもある。
【００１４】
図７（A）は、閉込用誘導加速セルによるバンチ３の閉じ込めの様子を示している。閉込用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧をバリアー電圧９という。
【００１５】
特に、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向と逆向きの誘導電圧のことを負のバリアー電圧９ａといい、その電圧値を負のバリアー電圧値９ｃという。
【００１６】
また、バンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向と同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧９ｂといい、その電圧値を正のバリアー電圧値９ｄという。
【００１７】
これらによって、従来の高周波４ａと同様にバンチ３に位相安定性を与えるものである。なお、横軸ｔは、加速用誘導加速セル内の時間的変化であり、縦軸ｖは、印加させるバリアー電圧値（図７（B）においては、加速用の誘導電圧値）である。
【００１８】
図７（B）は、加速用誘導加速セルによるバンチ３の加速の様子を示している。加速用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧１７という。
【００１９】
特に、バンチ頭部３ｄからバンチ尾部３ｅに至るバンチ３の全体に印加するバンチ３の進行軸方向の加速に必要な加速用の誘導電圧１７のことを加速電圧１７ａという。
【００２０】
また、加速用誘導加速セルにバンチ３が存在しない時間に、加速電圧１７ａと異極の加速用の誘導電圧１７をリセット電圧１７ｂという。このリセット電圧１７ｂは、加速用誘導加速セルの磁気的飽和を回避するためのものである。
【００２１】
これらバリアー電圧９、及び加速用の誘導電圧１７によって、任意の荷電粒子を一台の加速器で誘導加速セルを用いたシンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場強度が許す任意のエネルギーレベル（以下、任意のエネルギーレベルという。）に加速することができると考えられている。
【００２２】
さらに、誘導加速セルを使用することにより、従来の高周波シンクロトロン１６で加速していたビーム長に比べて数倍から１０倍の時間幅を持つ、１マイクロ秒もの長さをしたバンチ３（スーパーバンチ）を加速することも可能になると考えられている。
【非特許文献１】日本物理学会誌 ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．９（２００４）ｐ６０１−ｐ６１０
【００２３】
ここで、誘導加速セルとは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速空洞と原理的には同じ構造である。誘導加速セルは、内筒、及び外筒からなる２重構造で、外筒の内に磁性体が挿入されてインダクタンスを作る。バンチ３が周回する真空ダクトと接続された内筒の一部がセラミックなどの絶縁体でできている。
【００２４】
磁性体を取り囲む１次側の電気回路にＤＣ充電器からパルス電圧を印加すると、１次側導体には１次電流（コア電流）が流れる。この１次電流は１次側導体の周りに磁束を発生させ、１次側導体に囲まれた磁性体が励磁される。
【００２５】
これによりトロイダル形状の磁性体を貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体を挟んで、導体の内筒の両端部である２次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が発生する。この誘導電場が電場となる。この電場が生じる部分を加速ギャップという。従って、誘導加速セルは１対１のトランスであるといえる。
【００２６】
誘導加速セルの１次側の電気回路にパルス電圧を発生させるスイッチング電源を接続し、前記スイッチング電源を外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。
【００２７】
図８にシンクロトロン振動と従来のシンクロトロン振動周波数の制御を示す。
【００２８】
高周波シンクロトロン１６における荷電粒子の進行軸方向の閉じ込めとその加速方式では、バンチ３を閉じ込めることができる位相空間領域の、特に進行軸方向（時間軸方向）が原理的に制限されることが知られている。
【００２９】
具体的には高周波４ａが負の電圧になる時間領域ではバンチ３は減速され、電圧勾配の極性が異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、閉じ込められない。すなわち、概ね点線矢印の間を示す加速領域４ｄしかバンチ３の加速に使用することができない。
【００３０】
加速領域４ｄでは、バンチ中心３ｃに常に一定の電圧である中心加速電圧３ｆを印加するように高周波４ａの位相を移動制御することから、バンチ頭部３ｄに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞４に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより小さい頭部加速電圧３ｇを受け減速する。
【００３１】
一方、バンチ尾部３ｅに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞４に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより大きい尾部加速電圧３ｈを受け加速する。加速中、粒子はこの過程を繰り返す。
【００３２】
これが位相安定性といわれ、共鳴加速、強収束とともに、荷電粒子のシンクロトロン加速を可能にする３大原理の内の１つの機能である。
【００３３】
このバンチ３が位相安定性を受けて、バンチ３を構成する荷電粒子がバンチ中心３ｃを点対称に加速方向の前後に回転することをシンクロトロン振動３ｉといい、そのときの荷電粒子の回転周波数をシンクロトロン振動周波数という。
【００３４】
ここで閉じ込めとは、バンチ３を構成する荷電粒子が、必ず運動エネルギーのばらつきを持っているために必要となる機能である。運動エネルギーのばらつきは、バンチ３が設計軌道２を１周した後、同じ位置へ到達する時間の違いをもたらす。この時間差は閉じ込めを行わない限り、周回を重ねるごとに大きくなり、荷電粒子は設計軌道２の全体にわたって拡散してしまう。
【００３５】
バンチ３の両端に正および負の誘導電圧が印加されるようにすると、エネルギーが不足して周回が遅れた粒子には正の誘導電圧によってエネルギーが与えられてエネルギー過剰な状態になり、エネルギーが過剰で周回が早まった荷電粒子には負の誘導電圧によってエネルギーが失われエネルギー不足な状態になる。
【００３６】
これにより、周回が遅れた粒子は周回が早まり、逆に周回が速い粒子は周回が遅れ、結果としてバンチ３を進行軸方向のある領域に局在させることができる。この一連の働きをバンチ３の閉じ込めと呼ぶ。
【００３７】
閉込用誘導加速セルの機能は、従来の高周波加速空洞４の閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。
【００３８】
閉込用とは、入射装置より誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射された荷電粒子ビームを、誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よって別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ３まで縮めたり、その他種々の長さのバンチ３に変える機能と、加速中のバンチ３に位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。
【００３９】
加速用とは、バンチ３を形成後に、バンチ３全体に加速用の誘導電圧１７を与える機能を有しているとの意味である。
【００４０】
従来の高周波シンクロトロン１６において、バンチ３は高周波シンクロトロン１６を構成する装置から設計する段階では予想できない高周波を受ける現象が知られている。この現象を外乱と呼ぶ。この外乱は、シンクロトロンを構成する各装置が発する電磁波であり、設置状態により、加速毎に常に決まった高周波周波数としてバンチ３に与えられる。
【００４１】
たまたま、バンチ３のシンクロトロン振動３ｉの周波数と外乱の周波数が一致もしくは整数倍になると、シンクロトロン振動３ｉに共鳴を誘起し、荷電粒子が理想的エネルギーからずれ、バンチ３が進行軸方向に拡散し、高周波４ａの加速領域４ｄの時間幅を超え、損失してしまう。同様に、荷電粒子ビームの加速に加速用誘導加速セルを用いた場合には、加速電圧１７ａの印加時間１７ｃの長さを超え、損失してしまう。
【００４２】
例えば、バンチ頭部３ｄの荷電粒子は、加速方向と逆向きの高周波加速電圧４ｂを受け、シンクロトロンの磁場励磁パターンに同期できなくなり、真空ダクト壁面に衝突して、消失する。
【００４３】
荷電粒子の加速において、粒子の損出は加速効率が低下する問題だけでなく、如何なる荷電粒子であっても、高エネルギー状態であるから、真空ダクト壁面に衝突した付近を少なからず放射化する重大な問題を伴う。
【００４４】
そこで、従来の荷電粒子の加速において、外乱による荷電粒子の損失を防止するため、高周波４ａの振幅を変更することができる振幅変動装置１６ａによって、シンクロトロン振動周波数を制御し、外乱の周波数との同調を避けていた。
【特許文献１】特開平８−８８１００号報
【００４５】
具体的には、通常の磁場励磁パターンに同期した高周波４ａに対して、振幅増加４ｅした高周波４ｆに変動させ、さらに、位相移動４ｇをおこなった高周波４ｈをバンチ３に印加する。
【００４６】
上述の様な制御を行うことにより、バンチ３の中心加速電圧３ｆを一定に保つことによって、磁場励磁パターンにバンチ３の周回周波数を同期させることができる。なお、単に振幅を変動させただけの高周波４ｆでは、バンチ中心３ｃに印加される中心加速電圧３ｆが変化し、磁場励磁パターンに同期させることはできない。
【００４７】
加えて、バンチ頭部３ｄには、通常の高周波４ａによって与えられた頭部加速電圧３ｇと逆向きの減速電圧４ｉが印加される。一方、バンチ尾部３ｅには、通常の高周波４ａによって与えられた頭部加速電圧３ｇに対して、増加分４ｊが印加される。その結果、シンクロトロン振動３ｉが増すこととなる。
【００４８】
従って、振幅変動装置１６ａによって、シンクロトロン振動３ｉを制御することにより、外乱周波数を避けることができた。よって、高周波加速空洞４による加速においては、荷電粒子の損出による放射化を防止することが可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４９】
しかしながら、誘導加速セルによる荷電粒子の加速を行う場合、閉込用誘導加速セルによる負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄを変更することは、回路上困難である。また、負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄはバンチ頭部３ｄとバンチ尾部３ｅにのみ印加され、その他の荷電粒子に対して印加させることができないため、従来の高周波シンクロトロン１６で用いられていた電圧値を変更する方法を採用することは効果が薄い。
【００５０】
また、当然に、振幅変動装置１６ａを必要とする従来の方法では、シンクロトロンの建設コストが高くなる点問題となる。
【００５１】
そこで、本発明は誘導加速セルにより、誘導電圧をバンチ３の周回に同期して印加することのできるシンクロトロン振動周波数制御装置５、及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
本発明は、上記課題を解決するために、シンクロトロンにおいて、バンチ３の設計軌道２が中にある環状の真空ダクトに接続され、バンチ３にバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６と、前記誘導加速セル６を駆動するスイッチング電源５ｂ、及び前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、前記ゲート信号パターン８ａの基になるゲート親信号８ｃを、前記真空ダクトの中にあるバンチモニター７からのバンチ３の通過の信号である通過シグナル７ａによって、バンチ３の周回に同期させ、予め可変遅延時間計算機１３ａに与えられていたバリアー電圧９の中止パターン１４にしたがって、一定のバンチ３の周回数にバリアー電圧９を中止するデジタル信号処理装置８ｄからなるインテリジェント制御装置８より構成されるシンクロトロン振動周波数を制御することを特徴とするシンクロトロン振動周波数制御装置５の構成とした。
【発明の効果】
【００５３】
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。振幅変動装置１６ａを必要としないから、安価でシンクロトロンを設置することができる。また、シンクロトロン振動周波数の可変幅が広がることにより、ビーム不安定性を回避することができる。
【００５４】
従って、ビームロスが低減でき、ビームロスによる環境の放射化を防止することができる。高周波加速空洞４を用いることなく誘導加速セル６のみによって、荷電粒子を加速することが可能であるから、従来の加速器を利用して、加速する荷電粒子に制限されることなく、原理的に取り得る全ての荷電状態の荷電粒子を任意のエネルギー状態に加速することが容易にできることとなる。また、加速器の運転コストが低く抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
シンクロトロンにおいて、誘導加速セル６によってバンチ３に間欠的にバリアー電圧９を印加することを特徴とするシンクロトロン振動周波数の制御方法によって実現した。
【実施例１】
【００５６】
以下に、添付図面に基づいて、本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５及びその制御方法について詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本発明であるシンクトロン振動周波数制御装置を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【００５８】
本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５を利用した誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１は、真空ダクト内にある入射されたバンチ３が周回する設計軌道２と強収束を保証する偏向電磁石１３ｈ、収束電磁石などの装置によりなる。
【００５９】
ここでは、従来の高周波加速空洞４を含む高周波加速装置によって高周波４ａを制御する場合を示した。バンチ３のシンクロトロン振動周波数制御は、新たに組み込んだ、シンクロトロン振動周波数制御装置５により行う。
【００６０】
シンクロトロン振動周波数制御装置５は、バンチ３が周回する設計軌道２が中にある真空ダクトに接続された、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと逆向きの誘導電圧である負のバリアー電圧９ａ、及びバンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧９ｂであるバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６、前記誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧を与える高繰り返し動作可能なスイッチング電源５ｂ、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃ、前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作をフィードバック制御するインテリジェント制御装置８、前記誘導加速セル６より印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧モニター５ｄからなる。
【００６１】
本発明であるインテリジェント制御装置８は、スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作を制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、及び前記パターン生成器８ｂによるゲート信号パターン８ａの生成のもと信号であるゲート親信号８ｃを計算するデジタル信号処理装置８ｄからなる。
【００６２】
ゲート信号パターン８ａとは、誘導加速セル６のバリアー電圧９を制御するパターンである。バリアー電圧９を印加する際に、負のバリアー電圧９ａの印加時間１７ｃと発生タイミング、及び正のバリアー電圧９ｂを印加する際に、正のバリアー電圧９ｂの印加時間１７ｃと発生タイミングを決定する信号と、負のバリアー電圧９ａおよび正のバリアー電圧９ｂの間の休止時間を決定するための信号である。従って、ゲート信号パターン８ａは加速するバンチ３の長さにあわせて調節が可能である。
【００６３】
パターン生成器８ｂは、ゲート親信号８ｃをスイッチング電源５ｂの電流路のオン及びオフの組み合わせへと変換する装置である。
【００６４】
スイッチング電源５ｂは一般に複数の電流路を持ち、その各枝路を通過する電流を調整し、電流の方向を制御することで負荷（ここでは誘導加速セル６）に正と負の電圧を発生する（図２）。
【００６５】
誘導加速セル６は、従来の閉込用誘導加速セルと同様な機能を有するものである。しかし、従来の閉込用誘導加速セルが、荷電粒子に位相安定性を与えるため、バンチ３の周回毎にバリアー電圧９を印加するのに対して、本発明を構成する誘導加速セル６は、他の閉じ込めの機能を有した装置と併用することで、閉込用としてのみ機能するのでは無く、シンクロトロン振動周波数制御を行うこともできる点相違する。
【００６６】
図２はシンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路である。シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路１０は、ＤＣ充電器５ｃから常時給電を受けるスイッチング電源５ｂが、伝送線５ａを経由して誘導加速セル６に繋がったものとして表すことができる。
【００６７】
誘導加速セル６は誘導成分Ｌ、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒの並列回路で示す。並列回路の両端電圧がバンチ３が感じる負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂである。
【００６８】
図２の回路状態は、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオンになっており、バンクコンデンサー１１に充電された電圧が誘導加速セル６に印加され、加速ギャップ６ａにバンチ３を加速するための負のバリアー電圧９ａが生じている状態である。
【００６９】
次にオンになっていた第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオンになって、前記加速ギャップ６ａに前記誘導電圧と逆向きの正のバリアー電圧９ｂが生じるとともに、誘導加速セル６の磁性体の磁気的飽和をリセットする。
【００７０】
そして、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがオンになる。このような一連のスイッチング動作をゲート信号パターン８ａにより繰り返すことで、バンチ３を閉じ込めること、及びシンクロトロン振動周波数を制御することが可能となる。
【００７１】
前記、ゲート信号パターン８ａは、スイッチング電源５ｂの駆動を制御する信号であり、バンチ３の通過シグナル７ａを基に、デジタル信号処理装置８ｄ及びパターン生成器８ｂからなるインテリジェント制御装置８でデジタル制御される。
【００７２】
なお、バンチ３に印加された負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂは、回路中の電流値とマッチング抵抗１２との積から計算された値と等価である。従って、誘導電圧モニター５ｄである電流計で、電流値を測定することで印加した負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄを知ることができる。
【００７３】
そこで、電流計である誘導電圧モニター５ｄで得られる誘導電圧シグナル５ｅをデジタル信号処理装置８ｄにフィードバックし、次のゲート親信号８ｃの生成に利用することもできる。
【００７４】
図３はデジタル信号処理装置の構成図である。デジタル信号処理装置８ｄは、可変遅延時間計算機１３ａ、可変遅延時間発生器１３ｃ、オンオフ選択器１３ｅ及びゲート親信号出力器１３ｇからなる。
【００７５】
可変遅延時間計算機１３ａは、可変遅延時間１３を決定する装置である。可変遅延時間計算機１３ａには、荷電粒子の種類に関する情報、磁場励磁パターンを基に計算される可変遅延時間１３の定義式が与えられている。後述する可変遅延時間１３を計算する一連の式（１）−式（６）、または必要な可変遅延時間パターンである。
【００７６】
荷電粒子の種類に関する情報とは、加速する荷電粒子の質量と電価数である。上述したように、荷電粒子がバリアー電圧９から得るエネルギーは電価数に比例し、これによって得られる荷電粒子の速度は荷電粒子の質量に依存する。可変遅延時間１３の変化は荷電粒子の速度に依存するため、これらの情報を予め与えておく。
【００７７】
可変遅延時間１３とは、バリアー電圧９の発生タイミングをバンチ３が誘導加速セル６を通過した時間に合わせるため、デジタル信号処理装置８ｄを用いて、バンチモニター７の通過シグナル７ａの発生から負のバリアー電圧９ａまたは、正のバリアー電圧９ｂを印加するまでの間を調整する時間のことである。
【００７８】
具体的には、デジタル信号処理装置８ｄの内部で、バンチモニター７からの通過シグナル７ａを受けてから、ゲート親信号８ｃの発生までの時間を制御する。
【００７９】
可変遅延時間１３であるΔｔは、バンチ３が設計軌道２のいずれかに置かれたバンチモニター７から、誘導加速セル６に到達するまでの移動時間をｔ０、バンチモニター７からデジタル信号処理装置８ｄまでの通過シグナル７ａの伝達時間をｔ１、及びデジタル信号処理装置８ｄから出力されたゲート親信号８ｃを基に誘導加速セル６で負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂを印加するまで要する伝達時間をｔ２とすると次式（１）で求められる。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（１）
【００８０】
例えば、ある加速時間でのバンチ３の移動時間が１マイクロ秒であるとし、通過シグナル７ａの伝達時間が０．２マイクロ秒、ゲート親信号８ｃが発生してから、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂが発生するまでに要する伝達時間７ｄが０．３マイクロ秒であるならば、可変遅延時間１３は、０．５マイクロ秒となる。
【００８１】
Δｔは、加速の経過とともに変化する。バンチ３の加速に伴ってｔ０が加速の経過とともに変化するためである。従って、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂをバンチ３に印加するためには、Δｔをバンチ３の周回ごとに計算する必要がある。一方ｔ１及びｔ２は、一端誘導加速セル６を用いたシンクロトロンを構成する各装置を設置すれば、一定の値である。
【００８２】
ｔ０は、バンチ３の周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））、及びバンチモニター７から誘導加速セル６までのバンチ３が移動する設計軌道２の長さ（Ｌ）から求めることができる。また、実測してもよい。
【００８３】
ここで、ｔ０をバンチ３の周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））から求める方法を示す。Ｃ０をバンチ３が周回する設計軌道２の全長とすると、ｔ０は次式（２）によってリアルタイムで計算することができる。
ｔ０＝Ｌ／（ｆＲＥＶ（ｔ）・Ｃ０）［秒］・・・式（２）
ｆＲＥＶ（ｔ）は次式（３）によって求められる。
【００８４】
ｆＲＥＶ（ｔ）＝β（ｔ）・ｃ／Ｃ０［Ｈｚ］・・・式（３）
ここで、β（ｔ）は相対論的粒子速度、ｃは光速（ｃ＝２．９９８×１０８［ｍ／ｓ］）である。β（ｔ）は次式（４）によって求められる。
【００８５】
β（ｔ）＝√（１−（１／（γ（ｔ）２））［無次元］・・・式（４）
ここで、γ（ｔ）は相対理論係数である。γ（ｔ）は次式（５）によって求められる。
【００８６】
γ（ｔ）＝１＋ΔＴ（ｔ）／Ｅ０［無次元］・・・式（５）
ここで、ΔＴ（ｔ）は加速電圧１７ａによって与えられるエネルギーの増加分、Ｅ０は荷電粒子の静止質量である。ΔＴ（ｔ）は次式（６）によって求められる。
【００８７】
ΔＴ＝ρ・Ｃ０・ｅ・ΔＢ（ｔ）［ｅＶ］・・・式（６）
ここで、ρは偏向電磁石１３ｈの極率半径、Ｃ０はバンチ３が周回する設計軌道２の全長、ｅは荷電粒子が持つ電荷量、ΔＢ（ｔ）は加速開始からのビーム偏向磁場強度の増加分である。
【００８８】
荷電粒子の静止質量（Ｅ０）、荷電粒子の電荷量（ｅ）は、荷電粒子の種類によって異なる。
【００８９】
上述の一連の可変遅延時間１３（Δｔ）を求める式を定義式によって、可変遅延時間１３（Δｔ）をリアルタイムに求める時は、定義式をデジタル信号処理装置８ｄの可変遅延時間計算機１３ａにあたえる。
【００９０】
従って、可変遅延時間１３は、バンチモニター７から誘導加速セル６の距離（Ｌ）、バンチ３が周回する設計軌道２の全長（Ｃ０）が定まれば、バンチ３の周回周波数によって、一意に定まる。さらに、バンチ３の周回周波数も、磁場励磁パターンによって、一意に定まる。
【００９１】
また、荷電粒子の種類、誘導加速セル６を用いたシンクロトロンの設定が定まれば、ある加速時点での必要な可変遅延時間１３も一意に定まる。従って、バンチ３が、磁場励磁パターンに従って、理想的な加速をするとすれば、予め上記定義式に従って可変遅延時間１３を計算しておくこともできる。
【００９２】
上述のようにして与えられた可変遅延時間１３は、デジタルデーターである可変遅延時間シグナル１３ｂとして、可変遅延時間発生器１３ｃに出力される。
【００９３】
可変遅延時間発生器１３ｃは、ある周波数を基準とするカウンターで、通過シグナル７ａをデジタル信号処理装置８ｄ内に一定時間保持したのち通過させる装置である。例えば、１ｋＨｚのカウンターであれば、カウンターの数値１０００は、１秒と等価である。すなわち、可変遅延時間発生器１３ｃに、可変遅延時間１３に相当する数値を入力することで、可変遅延時間１３の長さの制御を行うことができる。
【００９４】
具体的には、可変遅延時間発生器１３ｃは、前記可変遅延時間計算機１３ａによって出力された可変遅延時間１３に相当する数値である可変遅延時間シグナル１３ｂを基に、ゲート親信号８ｃの発生を可変遅延時間１３に相当する時間の間停止する制御を行う。その結果、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂの発生タイミングをバンチ３が誘導加速セル６に到達した時間に合わせることができることとなる。
【００９５】
例えば、可変遅延時間計算機１３ａによって、１５０という数値の可変遅延時間シグナル１３ｂを上記１ｋＨｚのカウンターである可変遅延時間発生器１３ｃに出力した場合、可変遅延時間発生器１３ｃは、０．１５秒の間パルス１３ｄの発生を遅らせる制御を行う。
【００９６】
可変遅延時間発生器１３ｃは、バンチモニター７からの通過シグナル７ａ、及び可変遅延時間計算機１３ａからの可変遅延時間シグナル１３ｂを受けて、バンチモニター７を通過したバンチ３毎に、次回のバリアー電圧９を発生させるタイミングを計算して、オンオフ選択器１３ｅに可変遅延時間１３の情報であるパルス１３ｄを出力する。
【００９７】
ここで、通過シグナル７ａとは、バンチ３がバンチモニター７を通過した瞬間にあわせて発生するパルスである。前記パルスはそれを伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切な強度を持つ電圧型、電流型、光型などがある。前記通過シグナル７ａを得るためのバンチモニター７は、従来から高周波シンクロトロン１６に使用されている陽子の通過を感知するモニターでよい。
【００９８】
前記通過シグナル７ａは、デジタル信号処理装置８ｄにバンチ３の通過タイミングを時間情報として与えるために用いられる。バンチ３の通過により、発生したパルスの立ち上がり部によって、設計軌道２でのバンチ３の進行軸方向３ａでの位置が求められる。すなわち、通過シグナル７ａは、可変遅延時間１３の開始時間の基準である。
【００９９】
オンオフ選択器１３ｅは、バリアー電圧９を発生（オン）させるか、発生させない（オフ）か決定する装置である。
【０１００】
例えば、ある瞬間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ（正のバリアー電圧値９ｄ）が−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）である場合、１＝パルス１３ｆを発生させる、０＝パルス１３ｆを発生させないと定義する。
【０１０１】
−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）の一定値の負のバリアー電圧９ａ（正のバリアー電圧９ｂ）を用いて、バンチ３が１０周回する間に周回毎に負のバリアー電圧９ａ（または正のバリアー電圧９ｂ）を印加する、しないを、［１、０、・・・、１］と表す。
【０１０２】
すると、１が５回、０が５回とすると、バンチ３が１０周回の間に受けた平均的な負のバリアー電圧値（正のバリアー電圧値）は−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）となる。このようにして、オンオフ選択器１３ｅが負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂをデジタル制御することが可能である。
【０１０３】
例えば、等価的なバリアー電圧値パターンとは、１秒間に負のバリアー電圧値９ｃ（正のバリアー電圧値９ｄ）を０Ｖから−１ｋＶ（１ｋＶ）まで変化させ、０．１秒間隔で制御する場合、等価的なバリアー電圧値パターンは、加速開始から０．１秒間は０ｋＶ、０．１〜０．２秒間は−０．１ｋＶ（０．１ｋＶ）、０．２〜０．３秒間は−０．２ｋＶ（０．２ｋＶ）・・・０．９〜１．０秒間は−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）とする等のデーターテーブルである。
【０１０４】
また、ある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄは、バンチ３の周回毎に、リアルタイムで計算することも可能である。ある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄをリアルタイムで計算する場合は、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石１３ｈからその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル１３ｉとして受け取り、予め計算する場合と同様な演算式により計算すればよい。
【０１０５】
上述のようにして与えられた加速中のある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄを基にして決定された、ゲート親信号８ｃの発生を制御するパルス１３ｆをゲート親信号出力器１３ｇに出力する。
【０１０６】
ゲート親信号出力器１３ｇは、デジタル信号処理装置８ｄを通過した可変遅延時間１３とバリアー電圧９のオンオフの両方の情報を含んだパルス１３ｆをパターン生成器８ｂに伝達するためのパルス、すなわちゲート親信号８ｃを発生させる装置である。
【０１０７】
ゲート親信号出力器１３ｇから出力されるゲート親信号８ｃであるパルスの立ち上がりが、バリアー電圧９の発生タイミングとして用いられる。また、ゲート親信号出力器１３ｇは、オンオフ選択器１３ｅから出力されるパルス１３ｆを、パターン生成器８ｂに伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切なパルス強度を持つ電圧型、電流型、光型などに変換する役割を持っている。
【０１０８】
ゲート親信号８ｃは、通過シグナル７ａと同様に、バンチ３の通過と負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂの発生タイミングを合わせるための可変遅延時間１３を経過した瞬間にゲート親信号出力器１３ｇから出力される矩形の電圧パルスである。パターン生成器８ｂはゲート親信号８ｃであるパルスの立ち上がりを認識することで動作を開始する。
【０１０９】
上述のようにしてなるデジタル信号処理装置８ｄは、バンチ３が周回する設計軌道２にあるバンチモニター７からの通過シグナル７ａを基に、スイッチング電源５ｂの駆動を制御するゲート信号パターン８ａの基となるゲート親信号８ｃをパターン生成器８ｂに出力する。つまりデジタル信号処理装置８ｄが誘導電圧のオン及びオフを制御しているといえる。
【０１１０】
リアルタイムで可変遅延時間１３、必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄを計算することにより、何ら設定を変更することなく、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１の磁場励磁パターンに対応して、バンチ３の周回周波数に同期した負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂを印加することが可能となる。
【０１１１】
また、可変遅延時間１３を予め計算する場合には、可変遅延時間計算機１３ａの中の理想的な可変遅延時間パターン（図７）に対応する必要な可変遅延時間パターン（図７）、オンオフ選択器１３ｅの中の等価的な加速電圧値パターンを、選択した荷電粒子、磁場励磁パターンに則した計算結果に書き換えるだけで、バンチ３の通過とバリアー電圧９の発生タイミングを常に合わせることができる。よって、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで加速することが可能となる。
【０１１２】
以下、本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５を用いて、シンクロトロン振動周波数の制御方法について説明する。
【０１１３】
図４はシミュレーション用のゲート信号パターンである。従来、閉込用誘導加速セルで印加させるバリアー電圧９は、荷電粒子の進行軸方向３ａへの拡散防止のため、バンチ３の周回ごとに印加しなければならないと考えられていた。
【０１１４】
しかし、荷電粒子の閉じ込めの様子をシミュレーションする間に、間欠的にバリアー電圧９を印加しても、一定以上の回数のバリアー電圧９を確保すれば、一定時間バンチ３が拡散することなく閉じ込めることが可能であることが見出された。
【０１１５】
そこで、バンチ３が設計軌道２を１００周回する間に、バリアー電圧９の印加する時間帯を変更した３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４を用いて、バンチ３の中の荷電粒子の周回周波数をシミュレーションを用いて解析した。なお、ここで示す３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４は、本発明の実施の一例である。その解析結果を図５に示す。
【０１１６】
図４の横軸（Ｔ）は、バンチ３の周回数３ｊである。縦軸のＯｎは、バリアー電圧９の発生を意味し、ｏｆｆは、バリアー電圧９の中止を意味する。
【０１１７】
ケース（１）１４ａは、バンチ３の周回数３ｊ１−７０周、及び８１−９０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ７１−８０周、及び９１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１１８】
ケース（２）１４ｂは、バンチ３の周回数３ｊ１−８０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ８１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１１９】
ケース（３）１４ｃは、バンチ３の周回数３ｊ１−４０周、及び５１−９０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ４１−５０周、及び９１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１２０】
従って３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４は、バリアー電圧９の総印加回数（８０回）は同一であるが、印加する位置（周回数）が異なる。すなわち、異なるパターンのバリアー電圧９を間欠的にバンチ３に印加することを意味する。
【０１２１】
図５は図３のシミュレーション解析結果である。図５のグラフは、シンクロトロン振動周波数スペクトラム１５である。
【０１２２】
横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は荷電粒子の分布を意味する。ケース（１）１４ａ、ケース（２）１４ｂ、ケース（３）１４ｃは、図３の３種類のゲート信号パターン８ａに対応する。
【０１２３】
バンチ３を構成する荷電粒子は、全て同一のシンクロトロン振動周波数をもって存在しているのではなく、一定のシンクロトロン振動周波数範囲をもった集団として存在する。
【０１２４】
よって、バンチ３に存在する最も多いシンクロトロン振動周波数の荷電粒子が、バンチ３のシンクロトロン振動周波数と近似した性質を示す。
【０１２５】
そこで、荷電粒子の分布を比較することで、すなわち、バンチ３に存在する最も多いシンクロトロン振動周波数を比較することで、ゲート信号パターン８ａの違いによるバンチ３のシンクロトロン振動周波数の変化との関係を確認することができる。
【０１２６】
ケース（１）１４ａのメディアンは３５０Ｈｚ、ケース（２）１４ｂのメディアンは２８５Ｈｚ、ケース（３）１４ｃのメディアンは３１０Ｈｚ付近である。
【０１２７】
この結果から、ゲート信号パターン８ａ、すなわちバリアー電圧９の発生タイミングを調整することで、シンクロトロン振動周波数を２８５Ｈｚから３５０Ｈｚまで制御することが可能であるといえる。
【０１２８】
したがって、外乱の周波数と共鳴しないように、シンクロトロン振動周波数を変更する制御ができることを意味する。よって、誘導加速セル６をシンクロトロンに組み込むだけで、外乱に起因するビームロスを削減することができ、環境の放射化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【図２】シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路である。
【図３】デジタル信号処理装置の構成図である。
【図４】シミュレーション用のゲート信号パターンである。
【図５】図３のシミュレーション解析結果である。
【図６】高周波加速空洞による荷電粒子の加速原理を示す図である。
【図７】誘導電圧による荷電粒子の加速原理を示す図である。
【図８】高周波によるシンクロトロン振動を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１ シンクロトロン
２ 設計軌道
３ バンチ
３ａ 進行軸方向
３ｃ バンチ中心
３ｄ バンチ頭部
３ｅ バンチ尾部
３ｆ 中心加速電圧
３ｇ 頭部加速電圧
３ｈ 尾部加速電圧
３ｉ シンクロトロン振動
３ｊ 周回数
４ 高周波加速空洞
４ａ 高周波
４ｂ 高周波加速電圧
４ｃ 高周波加速電圧値
４ｄ 加速領域
４ｅ 振幅増加
４ｆ 高周波
４ｇ 位相移動
４ｈ 高周波
４ｉ 減速電圧
４ｊ 増加分
５ シンクロトロン振動周波数制御装置
５ａ 伝送線
５ｂ スイッチング電源
５ｃ ＤＣ充電器
５ｄ 誘導電圧モニター
５ｅ 誘導電圧シグナル
６ 誘導加速セル
６ａ 加速ギャップ
７ バンチモニター
７ａ 通過シグナル
８ インテリジェント制御装置
８ａ ゲート信号パターン
８ｂ パターン生成器
８ｃ ゲート親信号
８ｄ デジタル信号処理装置
９ バリアー電圧
９ａ 負のバリアー電圧
９ｂ 正のバリアー電圧
９ｃ 負のバリアー電圧値
９ｄ 正のバリアー電圧値
１０ シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路
１１ バンクコンデンサー
１１ａ 第１スイッチ
１１ｂ 第２スイッチ
１１ｃ 第３スイッチ
１１ｄ 第４スイッチ
１２ マッチング抵抗
１３ 可変遅延時間
１３ａ 可変遅延時間計算機
１３ｂ 可変遅延時間シグナル
１３ｃ 可変遅延時間発生器
１３ｄ パルス
１３ｅ オンオフ選択器
１３ｆ パルス
１３ｇ ゲート親信号出力器
１３ｈ 偏向電磁石
１３ｉ ビーム偏向磁場強度シグナル
１４ 中止パターン
１４ａ ケース（１）
１４ｂ ケース（２）
１４ｃ ケース（３）
１５ シンクロトロン振動周波数スペクトラム
１６ 高周波シンクロトロン
１６ａ 振幅変動装置
１７ 加速用の誘導電圧
１７ａ 加速電圧
１７ｂ リセット電圧
１７ｃ 印加時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンに係り、誘導電圧の発生タイミングを制御することにより、シンクロトロン振動周波数を制御する装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロンには、高周波シンクロトロン、誘導加速セルを用いたシンクロトロンがある。図６に高周波加速空洞４による荷電粒子の加速原理を、図７に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理を示す。
【０００３】
高周波シンクロトロン１６は、入射機器により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子を、高周波シンクロトロン１６を構成する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期した高周波加速空洞４によって高周波加速電圧を印加して、加速しながら荷電粒子を真空ダクト中のバンチ３が周回する設計軌道２を周回させる円形加速器である。
【０００４】
一方、誘導加速セルを用いたシンクロトロンは、高周波シンクロトロン１６と加速方法が異なり誘導加速セルによって誘導電圧を印加して加速する円形加速器である。
【０００５】
図６（Ａ）は、入射された陽子が数個のバンチ３として高周波シンクロトロン１６の設計軌道２を周回している様子を示している。バンチ３は、高周波加速空洞４に到達すると、磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を印加されることにより、所定のエネルギーレベルまで加速される。
【０００６】
ここで、バンチ３とは、荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道２を周回する荷電粒子群のことをいう。
【０００７】
また、荷電粒子とは元素の周期表のある種の元素が一定の正または負の電価状態にあるイオンおよび電子に始まる「電荷を持った粒子」の総称をいう。さらに、荷電粒子には化合物、タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含む。
【０００８】
図６（Ｂ）は、バンチ３と印加される高周波加速電圧４ｂの関係を示している。横軸ｔは、高周波加速空洞４内の時間的変化を表している。縦軸ｖは、高周波４ａの電圧値である。Ｖｏｆｓは、加速のある瞬間に偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き(時間変化率)から計算されたバンチ３の加速に必要な高周波加速電圧値４ｃである。
【０００９】
加速に必要な電圧を偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き（時間的変化率）から計算された高周波加速電圧４ｂとしてバンチ３に印加する。高周波加速電圧４ｂは、バンチ３の加速に必要な電圧を与える機能と、バンチ３が進行軸方向に拡散することを防止する閉じ込め機能を併せ持っている。
【００１０】
高周波シンクロトロン１６でバンチ３を加速する場合には、この二つの機能が必ず必要である。この二つの働きをもつ高周波加速電圧４ｂの時間帯は限られており、高周波加速空洞４では、グレーで示した時間帯は加速に利用することができないことがこれまでに分かっている。
【００１１】
特に閉じ込め機能を位相安定性と呼ぶことがある。ここで位相安定性とは、高周波加速電圧４ｂによって進行軸方向への収束力を受けて、個々の荷電粒子がバンチ３化し、そのバンチ３の中を荷電粒子の進行軸方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン１６の中を周回することをいう。
【００１２】
図７に誘導加速セルによる荷電粒子の加速原理と、誘導電圧の種類について示した。誘導加速セルには、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるための誘導加速セル（以下、閉込用誘導加速セルという。）と、荷電粒子ビームを進行軸方向に加速するための誘導電圧を印加する誘導加速セル（以下、加速用誘導加速セルという。）がある。
【００１３】
なお、閉込用誘導加速セルに代えて、バンチ３を進行軸方向に閉じ込めるために高周波加速空洞４を用いることもある。
【００１４】
図７（A）は、閉込用誘導加速セルによるバンチ３の閉じ込めの様子を示している。閉込用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧をバリアー電圧９という。
【００１５】
特に、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向と逆向きの誘導電圧のことを負のバリアー電圧９ａといい、その電圧値を負のバリアー電圧値９ｃという。
【００１６】
また、バンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向と同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧９ｂといい、その電圧値を正のバリアー電圧値９ｄという。
【００１７】
これらによって、従来の高周波４ａと同様にバンチ３に位相安定性を与えるものである。なお、横軸ｔは、加速用誘導加速セル内の時間的変化であり、縦軸ｖは、印加させるバリアー電圧値（図７（B）においては、加速用の誘導電圧値）である。
【００１８】
図７（B）は、加速用誘導加速セルによるバンチ３の加速の様子を示している。加速用誘導加速セルによってバンチ３に印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧１７という。
【００１９】
特に、バンチ頭部３ｄからバンチ尾部３ｅに至るバンチ３の全体に印加するバンチ３の進行軸方向の加速に必要な加速用の誘導電圧１７のことを加速電圧１７ａという。
【００２０】
また、加速用誘導加速セルにバンチ３が存在しない時間に、加速電圧１７ａと異極の加速用の誘導電圧１７をリセット電圧１７ｂという。このリセット電圧１７ｂは、加速用誘導加速セルの磁気的飽和を回避するためのものである。
【００２１】
これらバリアー電圧９、及び加速用の誘導電圧１７によって、任意の荷電粒子を一台の加速器で誘導加速セルを用いたシンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場強度が許す任意のエネルギーレベル（以下、任意のエネルギーレベルという。）に加速することができると考えられている。
【００２２】
さらに、誘導加速セルを使用することにより、従来の高周波シンクロトロン１６で加速していたビーム長に比べて数倍から１０倍の時間幅を持つ、１マイクロ秒もの長さをしたバンチ３（スーパーバンチ）を加速することも可能になると考えられている。
【非特許文献１】日本物理学会誌 ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．９（２００４）ｐ６０１−ｐ６１０
【００２３】
ここで、誘導加速セルとは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速空洞と原理的には同じ構造である。誘導加速セルは、内筒、及び外筒からなる２重構造で、外筒の内に磁性体が挿入されてインダクタンスを作る。バンチ３が周回する真空ダクトと接続された内筒の一部がセラミックなどの絶縁体でできている。
【００２４】
磁性体を取り囲む１次側の電気回路にＤＣ充電器からパルス電圧を印加すると、１次側導体には１次電流（コア電流）が流れる。この１次電流は１次側導体の周りに磁束を発生させ、１次側導体に囲まれた磁性体が励磁される。
【００２５】
これによりトロイダル形状の磁性体を貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体を挟んで、導体の内筒の両端部である２次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が発生する。この誘導電場が電場となる。この電場が生じる部分を加速ギャップという。従って、誘導加速セルは１対１のトランスであるといえる。
【００２６】
誘導加速セルの１次側の電気回路にパルス電圧を発生させるスイッチング電源を接続し、前記スイッチング電源を外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。
【００２７】
図８にシンクロトロン振動と従来のシンクロトロン振動周波数の制御を示す。
【００２８】
高周波シンクロトロン１６における荷電粒子の進行軸方向の閉じ込めとその加速方式では、バンチ３を閉じ込めることができる位相空間領域の、特に進行軸方向（時間軸方向）が原理的に制限されることが知られている。
【００２９】
具体的には高周波４ａが負の電圧になる時間領域ではバンチ３は減速され、電圧勾配の極性が異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、閉じ込められない。すなわち、概ね点線矢印の間を示す加速領域４ｄしかバンチ３の加速に使用することができない。
【００３０】
加速領域４ｄでは、バンチ中心３ｃに常に一定の電圧である中心加速電圧３ｆを印加するように高周波４ａの位相を移動制御することから、バンチ頭部３ｄに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞４に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより小さい頭部加速電圧３ｇを受け減速する。
【００３１】
一方、バンチ尾部３ｅに位置する荷電粒子は、バンチ中心３ｃよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞４に到達するため、バンチ中心３ｃが受ける中心加速電圧３ｆより大きい尾部加速電圧３ｈを受け加速する。加速中、粒子はこの過程を繰り返す。
【００３２】
これが位相安定性といわれ、共鳴加速、強収束とともに、荷電粒子のシンクロトロン加速を可能にする３大原理の内の１つの機能である。
【００３３】
このバンチ３が位相安定性を受けて、バンチ３を構成する荷電粒子がバンチ中心３ｃを点対称に加速方向の前後に回転することをシンクロトロン振動３ｉといい、そのときの荷電粒子の回転周波数をシンクロトロン振動周波数という。
【００３４】
ここで閉じ込めとは、バンチ３を構成する荷電粒子が、必ず運動エネルギーのばらつきを持っているために必要となる機能である。運動エネルギーのばらつきは、バンチ３が設計軌道２を１周した後、同じ位置へ到達する時間の違いをもたらす。この時間差は閉じ込めを行わない限り、周回を重ねるごとに大きくなり、荷電粒子は設計軌道２の全体にわたって拡散してしまう。
【００３５】
バンチ３の両端に正および負の誘導電圧が印加されるようにすると、エネルギーが不足して周回が遅れた粒子には正の誘導電圧によってエネルギーが与えられてエネルギー過剰な状態になり、エネルギーが過剰で周回が早まった荷電粒子には負の誘導電圧によってエネルギーが失われエネルギー不足な状態になる。
【００３６】
これにより、周回が遅れた粒子は周回が早まり、逆に周回が速い粒子は周回が遅れ、結果としてバンチ３を進行軸方向のある領域に局在させることができる。この一連の働きをバンチ３の閉じ込めと呼ぶ。
【００３７】
閉込用誘導加速セルの機能は、従来の高周波加速空洞４の閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。
【００３８】
閉込用とは、入射装置より誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射された荷電粒子ビームを、誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よって別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ３まで縮めたり、その他種々の長さのバンチ３に変える機能と、加速中のバンチ３に位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。
【００３９】
加速用とは、バンチ３を形成後に、バンチ３全体に加速用の誘導電圧１７を与える機能を有しているとの意味である。
【００４０】
従来の高周波シンクロトロン１６において、バンチ３は高周波シンクロトロン１６を構成する装置から設計する段階では予想できない高周波を受ける現象が知られている。この現象を外乱と呼ぶ。この外乱は、シンクロトロンを構成する各装置が発する電磁波であり、設置状態により、加速毎に常に決まった高周波周波数としてバンチ３に与えられる。
【００４１】
たまたま、バンチ３のシンクロトロン振動３ｉの周波数と外乱の周波数が一致もしくは整数倍になると、シンクロトロン振動３ｉに共鳴を誘起し、荷電粒子が理想的エネルギーからずれ、バンチ３が進行軸方向に拡散し、高周波４ａの加速領域４ｄの時間幅を超え、損失してしまう。同様に、荷電粒子ビームの加速に加速用誘導加速セルを用いた場合には、加速電圧１７ａの印加時間１７ｃの長さを超え、損失してしまう。
【００４２】
例えば、バンチ頭部３ｄの荷電粒子は、加速方向と逆向きの高周波加速電圧４ｂを受け、シンクロトロンの磁場励磁パターンに同期できなくなり、真空ダクト壁面に衝突して、消失する。
【００４３】
荷電粒子の加速において、粒子の損出は加速効率が低下する問題だけでなく、如何なる荷電粒子であっても、高エネルギー状態であるから、真空ダクト壁面に衝突した付近を少なからず放射化する重大な問題を伴う。
【００４４】
そこで、従来の荷電粒子の加速において、外乱による荷電粒子の損失を防止するため、高周波４ａの振幅を変更することができる振幅変動装置１６ａによって、シンクロトロン振動周波数を制御し、外乱の周波数との同調を避けていた。
【特許文献１】特開平８−８８１００号報
【００４５】
具体的には、通常の磁場励磁パターンに同期した高周波４ａに対して、振幅増加４ｅした高周波４ｆに変動させ、さらに、位相移動４ｇをおこなった高周波４ｈをバンチ３に印加する。
【００４６】
上述の様な制御を行うことにより、バンチ３の中心加速電圧３ｆを一定に保つことによって、磁場励磁パターンにバンチ３の周回周波数を同期させることができる。なお、単に振幅を変動させただけの高周波４ｆでは、バンチ中心３ｃに印加される中心加速電圧３ｆが変化し、磁場励磁パターンに同期させることはできない。
【００４７】
加えて、バンチ頭部３ｄには、通常の高周波４ａによって与えられた頭部加速電圧３ｇと逆向きの減速電圧４ｉが印加される。一方、バンチ尾部３ｅには、通常の高周波４ａによって与えられた頭部加速電圧３ｇに対して、増加分４ｊが印加される。その結果、シンクロトロン振動３ｉが増すこととなる。
【００４８】
従って、振幅変動装置１６ａによって、シンクロトロン振動３ｉを制御することにより、外乱周波数を避けることができた。よって、高周波加速空洞４による加速においては、荷電粒子の損出による放射化を防止することが可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４９】
しかしながら、誘導加速セルによる荷電粒子の加速を行う場合、閉込用誘導加速セルによる負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄを変更することは、回路上困難である。また、負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄはバンチ頭部３ｄとバンチ尾部３ｅにのみ印加され、その他の荷電粒子に対して印加させることができないため、従来の高周波シンクロトロン１６で用いられていた電圧値を変更する方法を採用することは効果が薄い。
【００５０】
また、当然に、振幅変動装置１６ａを必要とする従来の方法では、シンクロトロンの建設コストが高くなる点問題となる。
【００５１】
そこで、本発明は誘導加速セルにより、誘導電圧をバンチ３の周回に同期して印加することのできるシンクロトロン振動周波数制御装置５、及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
本発明は、上記課題を解決するために、シンクロトロンにおいて、バンチ３の設計軌道２が中にある環状の真空ダクトに接続され、バンチ３にバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６と、前記誘導加速セル６を駆動するスイッチング電源５ｂ、及び前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフを制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、前記ゲート信号パターン８ａの基になるゲート親信号８ｃを、前記真空ダクトの中にあるバンチモニター７からのバンチ３の通過の信号である通過シグナル７ａによって、バンチ３の周回に同期させ、予め可変遅延時間計算機１３ａに与えられていたバリアー電圧９の中止パターン１４にしたがって、一定のバンチ３の周回数にバリアー電圧９を中止するデジタル信号処理装置８ｄからなるインテリジェント制御装置８より構成されるシンクロトロン振動周波数を制御することを特徴とするシンクロトロン振動周波数制御装置５の構成とした。
【発明の効果】
【００５３】
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。振幅変動装置１６ａを必要としないから、安価でシンクロトロンを設置することができる。また、シンクロトロン振動周波数の可変幅が広がることにより、ビーム不安定性を回避することができる。
【００５４】
従って、ビームロスが低減でき、ビームロスによる環境の放射化を防止することができる。高周波加速空洞４を用いることなく誘導加速セル６のみによって、荷電粒子を加速することが可能であるから、従来の加速器を利用して、加速する荷電粒子に制限されることなく、原理的に取り得る全ての荷電状態の荷電粒子を任意のエネルギー状態に加速することが容易にできることとなる。また、加速器の運転コストが低く抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
シンクロトロンにおいて、誘導加速セル６によってバンチ３に間欠的にバリアー電圧９を印加することを特徴とするシンクロトロン振動周波数の制御方法によって実現した。
【実施例１】
【００５６】
以下に、添付図面に基づいて、本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５及びその制御方法について詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本発明であるシンクトロン振動周波数制御装置を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【００５８】
本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５を利用した誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１は、真空ダクト内にある入射されたバンチ３が周回する設計軌道２と強収束を保証する偏向電磁石１３ｈ、収束電磁石などの装置によりなる。
【００５９】
ここでは、従来の高周波加速空洞４を含む高周波加速装置によって高周波４ａを制御する場合を示した。バンチ３のシンクロトロン振動周波数制御は、新たに組み込んだ、シンクロトロン振動周波数制御装置５により行う。
【００６０】
シンクロトロン振動周波数制御装置５は、バンチ３が周回する設計軌道２が中にある真空ダクトに接続された、バンチ頭部３ｄに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと逆向きの誘導電圧である負のバリアー電圧９ａ、及びバンチ尾部３ｅに印加するバンチ３の進行軸方向３ａと同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧９ｂであるバリアー電圧９を印加する誘導加速セル６、前記誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧を与える高繰り返し動作可能なスイッチング電源５ｂ、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃ、前記スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作をフィードバック制御するインテリジェント制御装置８、前記誘導加速セル６より印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧モニター５ｄからなる。
【００６１】
本発明であるインテリジェント制御装置８は、スイッチング電源５ｂのオン及びオフの動作を制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、及び前記パターン生成器８ｂによるゲート信号パターン８ａの生成のもと信号であるゲート親信号８ｃを計算するデジタル信号処理装置８ｄからなる。
【００６２】
ゲート信号パターン８ａとは、誘導加速セル６のバリアー電圧９を制御するパターンである。バリアー電圧９を印加する際に、負のバリアー電圧９ａの印加時間１７ｃと発生タイミング、及び正のバリアー電圧９ｂを印加する際に、正のバリアー電圧９ｂの印加時間１７ｃと発生タイミングを決定する信号と、負のバリアー電圧９ａおよび正のバリアー電圧９ｂの間の休止時間を決定するための信号である。従って、ゲート信号パターン８ａは加速するバンチ３の長さにあわせて調節が可能である。
【００６３】
パターン生成器８ｂは、ゲート親信号８ｃをスイッチング電源５ｂの電流路のオン及びオフの組み合わせへと変換する装置である。
【００６４】
スイッチング電源５ｂは一般に複数の電流路を持ち、その各枝路を通過する電流を調整し、電流の方向を制御することで負荷（ここでは誘導加速セル６）に正と負の電圧を発生する（図２）。
【００６５】
誘導加速セル６は、従来の閉込用誘導加速セルと同様な機能を有するものである。しかし、従来の閉込用誘導加速セルが、荷電粒子に位相安定性を与えるため、バンチ３の周回毎にバリアー電圧９を印加するのに対して、本発明を構成する誘導加速セル６は、他の閉じ込めの機能を有した装置と併用することで、閉込用としてのみ機能するのでは無く、シンクロトロン振動周波数制御を行うこともできる点相違する。
【００６６】
図２はシンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路である。シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路１０は、ＤＣ充電器５ｃから常時給電を受けるスイッチング電源５ｂが、伝送線５ａを経由して誘導加速セル６に繋がったものとして表すことができる。
【００６７】
誘導加速セル６は誘導成分Ｌ、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒの並列回路で示す。並列回路の両端電圧がバンチ３が感じる負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂである。
【００６８】
図２の回路状態は、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオンになっており、バンクコンデンサー１１に充電された電圧が誘導加速セル６に印加され、加速ギャップ６ａにバンチ３を加速するための負のバリアー電圧９ａが生じている状態である。
【００６９】
次にオンになっていた第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオンになって、前記加速ギャップ６ａに前記誘導電圧と逆向きの正のバリアー電圧９ｂが生じるとともに、誘導加速セル６の磁性体の磁気的飽和をリセットする。
【００７０】
そして、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがオンになる。このような一連のスイッチング動作をゲート信号パターン８ａにより繰り返すことで、バンチ３を閉じ込めること、及びシンクロトロン振動周波数を制御することが可能となる。
【００７１】
前記、ゲート信号パターン８ａは、スイッチング電源５ｂの駆動を制御する信号であり、バンチ３の通過シグナル７ａを基に、デジタル信号処理装置８ｄ及びパターン生成器８ｂからなるインテリジェント制御装置８でデジタル制御される。
【００７２】
なお、バンチ３に印加された負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂは、回路中の電流値とマッチング抵抗１２との積から計算された値と等価である。従って、誘導電圧モニター５ｄである電流計で、電流値を測定することで印加した負のバリアー電圧値９ｃ、及び正のバリアー電圧値９ｄを知ることができる。
【００７３】
そこで、電流計である誘導電圧モニター５ｄで得られる誘導電圧シグナル５ｅをデジタル信号処理装置８ｄにフィードバックし、次のゲート親信号８ｃの生成に利用することもできる。
【００７４】
図３はデジタル信号処理装置の構成図である。デジタル信号処理装置８ｄは、可変遅延時間計算機１３ａ、可変遅延時間発生器１３ｃ、オンオフ選択器１３ｅ及びゲート親信号出力器１３ｇからなる。
【００７５】
可変遅延時間計算機１３ａは、可変遅延時間１３を決定する装置である。可変遅延時間計算機１３ａには、荷電粒子の種類に関する情報、磁場励磁パターンを基に計算される可変遅延時間１３の定義式が与えられている。後述する可変遅延時間１３を計算する一連の式（１）−式（６）、または必要な可変遅延時間パターンである。
【００７６】
荷電粒子の種類に関する情報とは、加速する荷電粒子の質量と電価数である。上述したように、荷電粒子がバリアー電圧９から得るエネルギーは電価数に比例し、これによって得られる荷電粒子の速度は荷電粒子の質量に依存する。可変遅延時間１３の変化は荷電粒子の速度に依存するため、これらの情報を予め与えておく。
【００７７】
可変遅延時間１３とは、バリアー電圧９の発生タイミングをバンチ３が誘導加速セル６を通過した時間に合わせるため、デジタル信号処理装置８ｄを用いて、バンチモニター７の通過シグナル７ａの発生から負のバリアー電圧９ａまたは、正のバリアー電圧９ｂを印加するまでの間を調整する時間のことである。
【００７８】
具体的には、デジタル信号処理装置８ｄの内部で、バンチモニター７からの通過シグナル７ａを受けてから、ゲート親信号８ｃの発生までの時間を制御する。
【００７９】
可変遅延時間１３であるΔｔは、バンチ３が設計軌道２のいずれかに置かれたバンチモニター７から、誘導加速セル６に到達するまでの移動時間をｔ０、バンチモニター７からデジタル信号処理装置８ｄまでの通過シグナル７ａの伝達時間をｔ１、及びデジタル信号処理装置８ｄから出力されたゲート親信号８ｃを基に誘導加速セル６で負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂを印加するまで要する伝達時間をｔ２とすると次式（１）で求められる。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（１）
【００８０】
例えば、ある加速時間でのバンチ３の移動時間が１マイクロ秒であるとし、通過シグナル７ａの伝達時間が０．２マイクロ秒、ゲート親信号８ｃが発生してから、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂが発生するまでに要する伝達時間７ｄが０．３マイクロ秒であるならば、可変遅延時間１３は、０．５マイクロ秒となる。
【００８１】
Δｔは、加速の経過とともに変化する。バンチ３の加速に伴ってｔ０が加速の経過とともに変化するためである。従って、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂをバンチ３に印加するためには、Δｔをバンチ３の周回ごとに計算する必要がある。一方ｔ１及びｔ２は、一端誘導加速セル６を用いたシンクロトロンを構成する各装置を設置すれば、一定の値である。
【００８２】
ｔ０は、バンチ３の周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））、及びバンチモニター７から誘導加速セル６までのバンチ３が移動する設計軌道２の長さ（Ｌ）から求めることができる。また、実測してもよい。
【００８３】
ここで、ｔ０をバンチ３の周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））から求める方法を示す。Ｃ０をバンチ３が周回する設計軌道２の全長とすると、ｔ０は次式（２）によってリアルタイムで計算することができる。
ｔ０＝Ｌ／（ｆＲＥＶ（ｔ）・Ｃ０）［秒］・・・式（２）
ｆＲＥＶ（ｔ）は次式（３）によって求められる。
【００８４】
ｆＲＥＶ（ｔ）＝β（ｔ）・ｃ／Ｃ０［Ｈｚ］・・・式（３）
ここで、β（ｔ）は相対論的粒子速度、ｃは光速（ｃ＝２．９９８×１０８［ｍ／ｓ］）である。β（ｔ）は次式（４）によって求められる。
【００８５】
β（ｔ）＝√（１−（１／（γ（ｔ）２））［無次元］・・・式（４）
ここで、γ（ｔ）は相対理論係数である。γ（ｔ）は次式（５）によって求められる。
【００８６】
γ（ｔ）＝１＋ΔＴ（ｔ）／Ｅ０［無次元］・・・式（５）
ここで、ΔＴ（ｔ）は加速電圧１７ａによって与えられるエネルギーの増加分、Ｅ０は荷電粒子の静止質量である。ΔＴ（ｔ）は次式（６）によって求められる。
【００８７】
ΔＴ＝ρ・Ｃ０・ｅ・ΔＢ（ｔ）［ｅＶ］・・・式（６）
ここで、ρは偏向電磁石１３ｈの極率半径、Ｃ０はバンチ３が周回する設計軌道２の全長、ｅは荷電粒子が持つ電荷量、ΔＢ（ｔ）は加速開始からのビーム偏向磁場強度の増加分である。
【００８８】
荷電粒子の静止質量（Ｅ０）、荷電粒子の電荷量（ｅ）は、荷電粒子の種類によって異なる。
【００８９】
上述の一連の可変遅延時間１３（Δｔ）を求める式を定義式によって、可変遅延時間１３（Δｔ）をリアルタイムに求める時は、定義式をデジタル信号処理装置８ｄの可変遅延時間計算機１３ａにあたえる。
【００９０】
従って、可変遅延時間１３は、バンチモニター７から誘導加速セル６の距離（Ｌ）、バンチ３が周回する設計軌道２の全長（Ｃ０）が定まれば、バンチ３の周回周波数によって、一意に定まる。さらに、バンチ３の周回周波数も、磁場励磁パターンによって、一意に定まる。
【００９１】
また、荷電粒子の種類、誘導加速セル６を用いたシンクロトロンの設定が定まれば、ある加速時点での必要な可変遅延時間１３も一意に定まる。従って、バンチ３が、磁場励磁パターンに従って、理想的な加速をするとすれば、予め上記定義式に従って可変遅延時間１３を計算しておくこともできる。
【００９２】
上述のようにして与えられた可変遅延時間１３は、デジタルデーターである可変遅延時間シグナル１３ｂとして、可変遅延時間発生器１３ｃに出力される。
【００９３】
可変遅延時間発生器１３ｃは、ある周波数を基準とするカウンターで、通過シグナル７ａをデジタル信号処理装置８ｄ内に一定時間保持したのち通過させる装置である。例えば、１ｋＨｚのカウンターであれば、カウンターの数値１０００は、１秒と等価である。すなわち、可変遅延時間発生器１３ｃに、可変遅延時間１３に相当する数値を入力することで、可変遅延時間１３の長さの制御を行うことができる。
【００９４】
具体的には、可変遅延時間発生器１３ｃは、前記可変遅延時間計算機１３ａによって出力された可変遅延時間１３に相当する数値である可変遅延時間シグナル１３ｂを基に、ゲート親信号８ｃの発生を可変遅延時間１３に相当する時間の間停止する制御を行う。その結果、負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂの発生タイミングをバンチ３が誘導加速セル６に到達した時間に合わせることができることとなる。
【００９５】
例えば、可変遅延時間計算機１３ａによって、１５０という数値の可変遅延時間シグナル１３ｂを上記１ｋＨｚのカウンターである可変遅延時間発生器１３ｃに出力した場合、可変遅延時間発生器１３ｃは、０．１５秒の間パルス１３ｄの発生を遅らせる制御を行う。
【００９６】
可変遅延時間発生器１３ｃは、バンチモニター７からの通過シグナル７ａ、及び可変遅延時間計算機１３ａからの可変遅延時間シグナル１３ｂを受けて、バンチモニター７を通過したバンチ３毎に、次回のバリアー電圧９を発生させるタイミングを計算して、オンオフ選択器１３ｅに可変遅延時間１３の情報であるパルス１３ｄを出力する。
【００９７】
ここで、通過シグナル７ａとは、バンチ３がバンチモニター７を通過した瞬間にあわせて発生するパルスである。前記パルスはそれを伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切な強度を持つ電圧型、電流型、光型などがある。前記通過シグナル７ａを得るためのバンチモニター７は、従来から高周波シンクロトロン１６に使用されている陽子の通過を感知するモニターでよい。
【００９８】
前記通過シグナル７ａは、デジタル信号処理装置８ｄにバンチ３の通過タイミングを時間情報として与えるために用いられる。バンチ３の通過により、発生したパルスの立ち上がり部によって、設計軌道２でのバンチ３の進行軸方向３ａでの位置が求められる。すなわち、通過シグナル７ａは、可変遅延時間１３の開始時間の基準である。
【００９９】
オンオフ選択器１３ｅは、バリアー電圧９を発生（オン）させるか、発生させない（オフ）か決定する装置である。
【０１００】
例えば、ある瞬間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ（正のバリアー電圧値９ｄ）が−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）である場合、１＝パルス１３ｆを発生させる、０＝パルス１３ｆを発生させないと定義する。
【０１０１】
−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）の一定値の負のバリアー電圧９ａ（正のバリアー電圧９ｂ）を用いて、バンチ３が１０周回する間に周回毎に負のバリアー電圧９ａ（または正のバリアー電圧９ｂ）を印加する、しないを、［１、０、・・・、１］と表す。
【０１０２】
すると、１が５回、０が５回とすると、バンチ３が１０周回の間に受けた平均的な負のバリアー電圧値（正のバリアー電圧値）は−０．５ｋＶ（０．５ｋＶ）となる。このようにして、オンオフ選択器１３ｅが負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂをデジタル制御することが可能である。
【０１０３】
例えば、等価的なバリアー電圧値パターンとは、１秒間に負のバリアー電圧値９ｃ（正のバリアー電圧値９ｄ）を０Ｖから−１ｋＶ（１ｋＶ）まで変化させ、０．１秒間隔で制御する場合、等価的なバリアー電圧値パターンは、加速開始から０．１秒間は０ｋＶ、０．１〜０．２秒間は−０．１ｋＶ（０．１ｋＶ）、０．２〜０．３秒間は−０．２ｋＶ（０．２ｋＶ）・・・０．９〜１．０秒間は−１．０ｋＶ（１．０ｋＶ）とする等のデーターテーブルである。
【０１０４】
また、ある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄは、バンチ３の周回毎に、リアルタイムで計算することも可能である。ある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄをリアルタイムで計算する場合は、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石１３ｈからその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル１３ｉとして受け取り、予め計算する場合と同様な演算式により計算すればよい。
【０１０５】
上述のようにして与えられた加速中のある時間に必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄを基にして決定された、ゲート親信号８ｃの発生を制御するパルス１３ｆをゲート親信号出力器１３ｇに出力する。
【０１０６】
ゲート親信号出力器１３ｇは、デジタル信号処理装置８ｄを通過した可変遅延時間１３とバリアー電圧９のオンオフの両方の情報を含んだパルス１３ｆをパターン生成器８ｂに伝達するためのパルス、すなわちゲート親信号８ｃを発生させる装置である。
【０１０７】
ゲート親信号出力器１３ｇから出力されるゲート親信号８ｃであるパルスの立ち上がりが、バリアー電圧９の発生タイミングとして用いられる。また、ゲート親信号出力器１３ｇは、オンオフ選択器１３ｅから出力されるパルス１３ｆを、パターン生成器８ｂに伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切なパルス強度を持つ電圧型、電流型、光型などに変換する役割を持っている。
【０１０８】
ゲート親信号８ｃは、通過シグナル７ａと同様に、バンチ３の通過と負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂの発生タイミングを合わせるための可変遅延時間１３を経過した瞬間にゲート親信号出力器１３ｇから出力される矩形の電圧パルスである。パターン生成器８ｂはゲート親信号８ｃであるパルスの立ち上がりを認識することで動作を開始する。
【０１０９】
上述のようにしてなるデジタル信号処理装置８ｄは、バンチ３が周回する設計軌道２にあるバンチモニター７からの通過シグナル７ａを基に、スイッチング電源５ｂの駆動を制御するゲート信号パターン８ａの基となるゲート親信号８ｃをパターン生成器８ｂに出力する。つまりデジタル信号処理装置８ｄが誘導電圧のオン及びオフを制御しているといえる。
【０１１０】
リアルタイムで可変遅延時間１３、必要な負のバリアー電圧値９ｃ、または正のバリアー電圧値９ｄを計算することにより、何ら設定を変更することなく、誘導加速セル６を用いたシンクロトロン１の磁場励磁パターンに対応して、バンチ３の周回周波数に同期した負のバリアー電圧９ａ、または正のバリアー電圧９ｂを印加することが可能となる。
【０１１１】
また、可変遅延時間１３を予め計算する場合には、可変遅延時間計算機１３ａの中の理想的な可変遅延時間パターン（図７）に対応する必要な可変遅延時間パターン（図７）、オンオフ選択器１３ｅの中の等価的な加速電圧値パターンを、選択した荷電粒子、磁場励磁パターンに則した計算結果に書き換えるだけで、バンチ３の通過とバリアー電圧９の発生タイミングを常に合わせることができる。よって、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで加速することが可能となる。
【０１１２】
以下、本発明であるシンクロトロン振動周波数制御装置５を用いて、シンクロトロン振動周波数の制御方法について説明する。
【０１１３】
図４はシミュレーション用のゲート信号パターンである。従来、閉込用誘導加速セルで印加させるバリアー電圧９は、荷電粒子の進行軸方向３ａへの拡散防止のため、バンチ３の周回ごとに印加しなければならないと考えられていた。
【０１１４】
しかし、荷電粒子の閉じ込めの様子をシミュレーションする間に、間欠的にバリアー電圧９を印加しても、一定以上の回数のバリアー電圧９を確保すれば、一定時間バンチ３が拡散することなく閉じ込めることが可能であることが見出された。
【０１１５】
そこで、バンチ３が設計軌道２を１００周回する間に、バリアー電圧９の印加する時間帯を変更した３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４を用いて、バンチ３の中の荷電粒子の周回周波数をシミュレーションを用いて解析した。なお、ここで示す３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４は、本発明の実施の一例である。その解析結果を図５に示す。
【０１１６】
図４の横軸（Ｔ）は、バンチ３の周回数３ｊである。縦軸のＯｎは、バリアー電圧９の発生を意味し、ｏｆｆは、バリアー電圧９の中止を意味する。
【０１１７】
ケース（１）１４ａは、バンチ３の周回数３ｊ１−７０周、及び８１−９０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ７１−８０周、及び９１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１１８】
ケース（２）１４ｂは、バンチ３の周回数３ｊ１−８０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ８１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１１９】
ケース（３）１４ｃは、バンチ３の周回数３ｊ１−４０周、及び５１−９０周まで毎回バリアー電圧９を印加し、バンチ３の周回数３ｊ４１−５０周、及び９１−１００周までバリアー電圧９の発生を中止する。
【０１２０】
従って３種類のゲート信号パターン８ａの中止パターン１４は、バリアー電圧９の総印加回数（８０回）は同一であるが、印加する位置（周回数）が異なる。すなわち、異なるパターンのバリアー電圧９を間欠的にバンチ３に印加することを意味する。
【０１２１】
図５は図３のシミュレーション解析結果である。図５のグラフは、シンクロトロン振動周波数スペクトラム１５である。
【０１２２】
横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は荷電粒子の分布を意味する。ケース（１）１４ａ、ケース（２）１４ｂ、ケース（３）１４ｃは、図３の３種類のゲート信号パターン８ａに対応する。
【０１２３】
バンチ３を構成する荷電粒子は、全て同一のシンクロトロン振動周波数をもって存在しているのではなく、一定のシンクロトロン振動周波数範囲をもった集団として存在する。
【０１２４】
よって、バンチ３に存在する最も多いシンクロトロン振動周波数の荷電粒子が、バンチ３のシンクロトロン振動周波数と近似した性質を示す。
【０１２５】
そこで、荷電粒子の分布を比較することで、すなわち、バンチ３に存在する最も多いシンクロトロン振動周波数を比較することで、ゲート信号パターン８ａの違いによるバンチ３のシンクロトロン振動周波数の変化との関係を確認することができる。
【０１２６】
ケース（１）１４ａのメディアンは３５０Ｈｚ、ケース（２）１４ｂのメディアンは２８５Ｈｚ、ケース（３）１４ｃのメディアンは３１０Ｈｚ付近である。
【０１２７】
この結果から、ゲート信号パターン８ａ、すなわちバリアー電圧９の発生タイミングを調整することで、シンクロトロン振動周波数を２８５Ｈｚから３５０Ｈｚまで制御することが可能であるといえる。
【０１２８】
したがって、外乱の周波数と共鳴しないように、シンクロトロン振動周波数を変更する制御ができることを意味する。よって、誘導加速セル６をシンクロトロンに組み込むだけで、外乱に起因するビームロスを削減することができ、環境の放射化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【図２】シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路である。
【図３】デジタル信号処理装置の構成図である。
【図４】シミュレーション用のゲート信号パターンである。
【図５】図３のシミュレーション解析結果である。
【図６】高周波加速空洞による荷電粒子の加速原理を示す図である。
【図７】誘導電圧による荷電粒子の加速原理を示す図である。
【図８】高周波によるシンクロトロン振動を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１ シンクロトロン
２ 設計軌道
３ バンチ
３ａ 進行軸方向
３ｃ バンチ中心
３ｄ バンチ頭部
３ｅ バンチ尾部
３ｆ 中心加速電圧
３ｇ 頭部加速電圧
３ｈ 尾部加速電圧
３ｉ シンクロトロン振動
３ｊ 周回数
４ 高周波加速空洞
４ａ 高周波
４ｂ 高周波加速電圧
４ｃ 高周波加速電圧値
４ｄ 加速領域
４ｅ 振幅増加
４ｆ 高周波
４ｇ 位相移動
４ｈ 高周波
４ｉ 減速電圧
４ｊ 増加分
５ シンクロトロン振動周波数制御装置
５ａ 伝送線
５ｂ スイッチング電源
５ｃ ＤＣ充電器
５ｄ 誘導電圧モニター
５ｅ 誘導電圧シグナル
６ 誘導加速セル
６ａ 加速ギャップ
７ バンチモニター
７ａ 通過シグナル
８ インテリジェント制御装置
８ａ ゲート信号パターン
８ｂ パターン生成器
８ｃ ゲート親信号
８ｄ デジタル信号処理装置
９ バリアー電圧
９ａ 負のバリアー電圧
９ｂ 正のバリアー電圧
９ｃ 負のバリアー電圧値
９ｄ 正のバリアー電圧値
１０ シンクロトロン振動周波数制御装置の等価回路
１１ バンクコンデンサー
１１ａ 第１スイッチ
１１ｂ 第２スイッチ
１１ｃ 第３スイッチ
１１ｄ 第４スイッチ
１２ マッチング抵抗
１３ 可変遅延時間
１３ａ 可変遅延時間計算機
１３ｂ 可変遅延時間シグナル
１３ｃ 可変遅延時間発生器
１３ｄ パルス
１３ｅ オンオフ選択器
１３ｆ パルス
１３ｇ ゲート親信号出力器
１３ｈ 偏向電磁石
１３ｉ ビーム偏向磁場強度シグナル
１４ 中止パターン
１４ａ ケース（１）
１４ｂ ケース（２）
１４ｃ ケース（３）
１５ シンクロトロン振動周波数スペクトラム
１６ 高周波シンクロトロン
１６ａ 振幅変動装置
１７ 加速用の誘導電圧
１７ａ 加速電圧
１７ｂ リセット電圧
１７ｃ 印加時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンクロトロンにおいて、バンチにバリアー電圧を印加する誘導加速セルと、前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源、及び前記スイッチング電源のオン及びオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器、前記ゲート信号パターンの基になるゲート親信号のオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置からなるインテリジェント制御装置より構成されることを特徴とするシンクロトロン振動周波数制御装置。
【請求項２】
シンクロトロンにおいて、誘導加速セルによって、バンチに間欠的にバリアー電圧を印加することを特徴とするシンクロトロン振動周波数の制御方法。
【請求項１】
シンクロトロンにおいて、バンチにバリアー電圧を印加する誘導加速セルと、前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源、及び前記スイッチング電源のオン及びオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器、前記ゲート信号パターンの基になるゲート親信号のオン及びオフを制御するデジタル信号処理装置からなるインテリジェント制御装置より構成されることを特徴とするシンクロトロン振動周波数制御装置。
【請求項２】
シンクロトロンにおいて、誘導加速セルによって、バンチに間欠的にバリアー電圧を印加することを特徴とするシンクロトロン振動周波数の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１８７５７（Ｐ２００７−１８７５７Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９６２５８（Ｐ２００５−１９６２５８）
【出願日】平成１７年７月５日（２００５．７．５）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月５日（２００５．７．５）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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