粒子加速器
【課題】波形ひずみの影響を考慮して効率良く荷電粒子を加速できる粒子加速器を得ることを目的とする。
【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速空洞４に高周波加速電圧を印加する制御装置２０は、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９と、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を増幅する高周波電力増幅器１０を有し、低電力信号Ｖｏ（ｔ）は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞４に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器９から出力される正弦波信号の発生器信号振幅Ｖｏａと加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞電圧振幅Ｖａとの比である伝達倍率ｇ（ｆ）、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞４に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延φ（ｆ）があらかじめ測定され、測定された伝達倍率ｇ（ｆ）及び位相遅延φ（ｆ）に基づいて生成される。
【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速空洞４に高周波加速電圧を印加する制御装置２０は、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９と、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を増幅する高周波電力増幅器１０を有し、低電力信号Ｖｏ（ｔ）は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞４に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器９から出力される正弦波信号の発生器信号振幅Ｖｏａと加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞電圧振幅Ｖａとの比である伝達倍率ｇ（ｆ）、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞４に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延φ（ｆ）があらかじめ測定され、測定された伝達倍率ｇ（ｆ）及び位相遅延φ（ｆ）に基づいて生成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波電圧を加速空洞に印加し、加速空洞に発生した電界にて荷電粒子を加速する粒子加速器に関し、特に環状の加速管内にて粒子を周回させて加速させる環状粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子を所望のエネルギーまで加速する装置としてシンクロトロン加速器等の環状加速器が用いられる。シンクロトロン加速器は、荷電粒子ビームが周回する環状の加速管や、荷電粒子ビームの周回軌道を制御するための偏向電磁石や収束電磁石、高周波加速電圧によって発生する電界にて荷電粒子ビームを加速する加速空洞、荷電粒子ビームを加速管内に導入する入射装置、および、加速した荷電粒子ビームを外部に取り出す出射装置等で構成される。
【０００３】
前段加速器により所定のエネルギーまで加速され、シンクロトロン加速器に入射された一様連続な荷電粒子ビームは、加速空洞に印加された周波数一定の高周波電圧で周回ビームが安定に加速する領域（高周波バケット）に集群化（バンチ）する。この高周波電圧で荷電粒子ビームを集群化させることを高周波捕獲と呼ぶ。高周波捕獲後、加速空洞に印加する加速電圧の周波数を増加させ、荷電粒子ビームを加速していく。このとき、荷電粒子ビームの周回半径が一定となるよう、加速電圧の周波数は偏向電磁石によって発生される偏向磁場強度の変化に同調して増加させられる。また、加速電圧の振幅も効率的な加速ができるよう変化させられる。所望のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームは、出射装置により周回軌道から後段のビーム軌道へと出射される。
【０００４】
上述のシンクロトロン加速器においては、高周波バケット内に集群化した荷電粒子ビームの電荷のピーク密度が高くなると荷電粒子の空間電荷力によって荷電粒子ビームが発散し、加速できない荷電粒子が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
これを解決する方法は先行文献１に記載されている。先行文献１の高周波加速装置は、加速空洞に発生した高周波電圧を基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に分離して検出する分波手段を設け、分離して検出された基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に基づき、加速空洞に加える高周波電圧波形をフィードバック制御によってリアルタイムで制御することにより、進行方向における荷電粒子分布の平坦化制御を効率よく行い、ビーム発散を低減させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６７８００号公報（図１、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、我々はシンクロトロン加速器において、低電力信号発生器の出力を高周波電力増幅器によって増幅し、インピーダンス変換器にて加速空洞のインピーダンスに整合させて、加速電圧を加速空洞に印加する際、低電力信号発生器と加速空洞間の信号の増幅において、非線形な増幅効果により高調波が発生し、図４に示すように加速電圧にひずみが生じ、このため、加速電圧は設計上の理想的な波形から乖離して、効率的に粒子を加速出来無くなることを発見した。図４はこの発明の課題を説明する図である。Ｖｏｏは加速空洞に発生した空洞信号であり、Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３は、それぞれ空洞信号Ｖｏｏ
の基本波、第２次高調波、第３次高調波である。
【０００８】
発生する高調波Ｖｂ２、Ｖｂ３は、低電力信号発生器により出力される発生器信号Ｖｏの発生器信号振幅Ｖｏａと、加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅Ｖａとの比(以
下、伝達倍率)ｇ（ｆ）＝Ｖａ／Ｖｏａが大きい場合には、大きくなる。上述したように
、加速電圧は設計上の理想的な波形から乖離して、効率的に粒子を加速出来無くなる問題があった。特に高調波を用いて空間電荷力によるビーム発散を低減する技術においては、加速空洞に必要な電力の高調波を印加できるように、低電力信号発生器から出力する高調波の周波数領域のｇ（ｆ）を大きくする必要があるため、波形ひずみの影響が大きくなるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、波形ひずみの影響を考慮して効率良く荷電粒子を加速できる粒子加速器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
荷電粒子ビームを加速する加速空洞と加速空洞に高周波加速電圧を印加する制御装置を備える。制御装置は、所定の低電力信号を出力する低電力信号発生器と、低電力信号を高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器を有し、低電力信号は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器から出力される正弦波信号の発生器信号振幅と加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅との比である伝達倍率、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延があらかじめ測定され、測定された伝達倍率及び位相遅延に基づいて生成される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る粒子加速器は、効率良く荷電粒子を加速できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１における粒子加速器の構成図である。
【図２】出力信号テーブルＴｓの作成手順を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２における低電力信号発生器の出力波形を示す図である。
【図４】この発明の課題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における粒子加速器の構成図である。図１に示した粒子加速器はシンクロトロン加速器であり、加速管１と、４つの偏向電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと、５つの収束電磁石３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅと、加速空洞４と、入射装置５と、出射装置６と、磁場モニタ７と、前段加速器１２と、制御装置２０と、偏向磁石制御装置２１で構成されている。制御装置２０は加速空洞４に荷電粒子ビームを加速する高周波加速電圧を印加する。制御装置２０は、同期信号生成器８と、低電力信号発生器９と、高周波電力増幅器１０と、インピーダンス変換器１１を有する。偏向電磁石２ａの磁場は磁場モニタ７によってモニタされ、同期信号生成器８は磁場強度の変化量を基準として、パルス信号を出力する。加速空洞４には低電力信号発生器９から出力された低電力信号を高周波電力増幅器１０にて増幅し、インピーダンス変換器１１によりインピーダンス整合して高周波加速電圧を印加する。低電力信号発生器９は、同期信号発生器８の出力パルス信号と同期してメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき制御された波形の低電力信号である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生する。偏向磁石制御装置２１は、加速された荷電粒子ビームの周回半径が一定となるように、偏向電磁石２によって発生される偏向磁場強度を制御する。
【００１４】
低電力信号発生器９の出力信号テーブルＴｓは同期信号発生器８のパルス出力からの時刻ｔと、低電力信号発生器９により出力される発生器信号Ｖｏ（ｔ）の指示値により構成される。図２に出力信号テーブルＴｓの作成手順を示す。まず、ステップＳ００１として、低電力信号発生器９により発生させた正弦波である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を加速空洞４に入力し、加速空洞４に発生する電圧である空洞電圧Ｖ（ｔ）を測定する。測定された空洞電圧Ｖ（ｔ）から伝達倍率ｇ１（ｆ）および、発生器信号Ｖｏ（ｔ）の発生器信号位相φｉｎと空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞位相φｃａｂとの差である位相遅延φ（ｆ）＝φｃａｂ−φｉｎを求める。
【００１５】
また、入力正弦波に対して発生する高調波の振幅Ｖａｉ（ｉは１からｎの整数）を測定する。ｎは高調波の次数であり、考慮する次数までの数である。ｉ＝１の場合は基本波であり、基本波の伝達倍率ｇ１（ｆ）はＶａ１／Ｖｏａとして求める。考慮する次数までの非線形な増幅効果による伝達倍率ｇ２（ｆ）、ｇ３（ｆ）、・・・ｇｎ（ｆ）を求める。ｇ２（ｆ）、ｇ３（ｆ）、ｇｎ（ｆ）は、それぞれ、基本波周波数ｆの２次高調波の伝達倍率、３次高調波の伝達倍率、ｎ次高調波の伝達倍率であり、式で表わすとｇ２（ｆ）＝Ｖａ２／Ｖｏａ、ｇ３（ｆ）＝Ｖａ３／Ｖｏａ、ｇｎ（ｆ）＝Ｖａｎ／Ｖｏａである。発生器信号振幅Ｖｏａ及び空洞電圧振幅Ｖａｉ（ｉは１からｎ）は、伝達倍率ｇｉ（ｆ）（ｉは１からｎの整数）が振幅によって変化しない範囲で使用する。
【００１６】
次にステップＳ００２として、これらの求めた値を用いて、加速空洞４に発生する空洞電圧Ｖ（ｔ）を以下の（１）式のように定義し、決定する。
Ｖ（ｔ）＝ΣＶｏａ（ｔ）ｇｉ（ｆ）ｓｉｎ（θｉ（ｔ）−φｉ（ｆ）） ・・（１）
θｉ（ｔ）＝２πｉ∫ｆ（ｔ）ｄｔ ・・・（２）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖｏａ（ｔ）は発生器信号Ｖｏ（ｔ）の発生器信号振幅Ｖｏａの関数であり、θｉ（ｔ）は次数ｉの位相であり、φｉ（ｆ）は次数ｉの位相差である。ｆ（ｔ）は発生器信号の周波数であり、∫は０からｔまでの積分である。
【００１７】
ステップＳ００３として、（１）式の空洞電圧Ｖ（ｔ）によるビーム電流が最大となるＶｏａ（ｔ）を、ビームシミュレーション等を用いて求める。ステップＳ００４として、ステップＳ００３で求めたＶｏａ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９の指令値を求め、出力信号テーブルＴｓが決定される。
【００１８】
出力信号テーブルＴｓの時間分割幅は、最も高い周波数の波形を十分な精度で実現できる分割幅に設定する。最も高い周波数は、f(t)が最大となる時の、考慮する最高次の高調波成分である。
【００１９】
粒子加速器の動作を説明する。前段加速器１２により所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームは、入射装置５から加速管１に入射される。入射された荷電粒子ビームは偏向電磁石２により加速管１内を周回する。低電力信号発生器９は、周波数一定の発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生させる。発生器信号Ｖｏ（ｔ）は高周波電力増幅器１０にて増幅され、インピーダンス変換器１１によりインピーダンス整合されて加速空洞４に高周波加速電圧が印加される。荷電粒子ビームは、周波数一定の高周波加速電圧により高周波捕獲される。
【００２０】
高周波捕獲後に、低電力信号発生器９は、同期信号発生器８の出力パルス信号を受け、この出力パルス信号に同期してメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき制御された波形の発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生する。このとき発生器信号Ｖｏ（ｔ）の周波
数は、加速された荷電粒子ビームの周回半径が一定となるように、偏向電磁石によって発生し、偏向磁石制御装置２１により制御される、偏向磁場強度の変化と同調するように設定されている。出射装置６は、所望のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームを、周回軌道から後段のビーム軌道に出射する。
【００２１】
実施の形態1の粒子加速器は、低電力信号発生器９の出力部から加速空洞４までの間の
非線形な増幅効果によって発生する高調波があらかじめ含まれた形で、加速電圧を最適化することができる。したがって非線形な増幅効果によって生じる高調波の影響を含めて、最適な加速電圧を加速空洞４に印加することができ、効率的に粒子を加速することができる。
【００２２】
また、高周波電力増幅器１０の非線形な増幅効果に起因して発生する高調波を考慮して加速電圧を最適化することができるので、高周波電力増幅器１０を線形性の低い範囲においても使用することができる。したがって高周波電力増幅器１０として線形性の低いものを適用することができる。これにより高周波電力増幅器１０の大型化や高性能化を抑制することができ、制御装置２０を小型化することができる。
【００２３】
以上のように、実施の形態１の粒子加速器によれば、荷電粒子ビームを加速する加速空洞４と加速空洞４に高周波加速電圧を印加する制御装置２０を備え、制御装置２０は、所定の低電力信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９と、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器１０を有し、低電力信号Ｖｏ（ｔ）は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞４に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器９から出力される正弦波信号の発生器信号振幅Ｖｏａと加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞電圧振幅Ｖａとの比である伝達倍率ｇ（ｆ）、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞４に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延φ（ｆ）があらかじめ測定され、測定された伝達倍率ｇ（ｆ）及び位相遅延φ（ｆ）に基づいて生成されるので、効率良く荷電粒子を加速できる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２の粒子加速器は、基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、低電力信号発生器９の出力信号Ｖｏ（ｔ）を、荷電粒子の空間電荷力による荷電粒子ビームの発散が抑制されるように、基本波に対し、高調波を重畳させた点で異なる。図３はこの発明の実施の形態２における低電力信号発生器の出力波形を示す図である。Ｖｂ１は基本波であり、Ｖｏは基本波に高調波を重畳させた発生器信号である。
【００２５】
低電力信号発生器９が発生する発生器信号Ｖｏ（ｔ）は（３）式のように表わす。
Ｖｏ（ｔ）＝ΣＶｏｉ（ｔ） ・・・（３）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖｏｉ（ｔ）は低電力信号発生器９の出力信号の周波数成分であり、ｉは１からｎまでの整数である。ｉ＝１の場合は基本波成分であり、ｉ＝ｎの場合は第ｎ次高調波成分である。低電力信号発生器９は発生器信号Ｖｏ（ｔ）をメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき発生する。
【００２６】
出力信号テーブルＴｓの作成手順を図２のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ００１として、低電力信号発生器９により発生させた正弦波である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を加速空洞４に入力し、加速空洞４に発生する電圧である空洞電圧Ｖ（ｔ）を測定する。測定する空洞電圧Ｖ（ｔ）の周波数は、低電力信号発生器９の出力信号の周波数成分、すなわち重畳する第ｎ次高調波に相当する周波数を含む範囲で測定する。測定された空洞電圧Ｖ（ｔ）から伝達倍率ｇｉ（ｆ）および位相遅延φ（ｉｆ）（ｉは１からｎの整数）を求める。
【００２７】
ステップＳ００２として、加速空洞４に発生する空洞電圧Ｖ（ｔ）を以下の（４）式のように定義する。
Ｖ（ｔ）＝ΣＶａｉ（ｔ） ・・・（４）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖａｉ（ｔ）は空洞電圧Ｖ（ｔ）の振幅の周波数成分であり、ｉは１からｎまでの整数である。ｉ＝１の場合は基本波成分であり、ｉ＝ｎの場合は第ｎ次高調波成分である。
【００２８】
加速空洞４における伝達倍率は（５）式に示す行列として定義する。このとき低電力信号発生器９の出力電圧Ｖｏ（ｔ）の周波数成分は（６）式のように表わすことができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
【００３１】
（５）式の伝達倍率ｇｉ（ｆ）は基本波周波数ｆに対するｉ次高調波の伝達倍率である。伝達倍率ｇ１（ｉｆ）はｉ次高調波の１次伝達倍率であり、すなわちｉ次高調波の発生器信号に対する加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）のｉ次高調波の伝達倍率である。伝達倍率行列式Γ（ｆ）における左側の第１列には、各行に伝達倍率ｇ１（ｉｆ）が配置される。伝達倍率行列式Γ（ｆ）の左対角成分は伝達倍率ｇ１（ｉｆ）が配置される。また、伝達倍率行列式Γ（ｆ）のｉ行目におけるｊ列目の成分について、ｊがｉの約数となる場合についてはｇｋ(ｊｆ)が配置され、その他は０が配置される。ここでｋ＝ｉ／ｊである。
【００３２】
（６）式は実施の形態１の式（１）とは異なり、位相成分であるsinの部分は空洞電圧
Ｖ（ｔ）の周波数成分側に付けている。θｉ（ｔ）は（２）式で表わされ、φ（ｆ）、φ（ｉｆ）は位相遅延である。φ（ｆ）は基本波成分における発生器信号位相φｉｎと空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞位相φｃａｂとの差である。φ（ｉｆ）はｉ次高調波の位相遅延である。ψｉは初期位相である。Γ（ｆ）−１は伝達倍率行列式Γ（ｆ）の逆行列である。
【００３３】
ステップＳ００３として、（４）式の空洞電圧Ｖ（ｔ）によるビーム電流が最大となるｉ次成分の振幅Ｖａｉ（ｔ）及び初期位相ψｉを、ビームシミュレーション等を用いて求める。ビーム電流が最大となるのは、基本波と高調波の組み合わせによる空間電荷効果ビームの発散の抑制効果が最大となる場合である。ステップＳ００４として、ステップＳ００３で求めた発生器信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９の指令値を求め、出力信号テーブルＴｓが決定される。
【００３４】
高調波の重畳により、ビーム発散の抑制効果が得られる高調波として第３次高調波までを考慮する場合の式について説明する。基本波に起因する高調波についても、第３次高調波以上の高次の高調波に対しては伝達倍率が十分小さく無視できる。加速空洞４における伝達倍率は、（５）式を３行３列行列にした（７）式で表わすことができる。低電力信号発生器９の出力電圧Ｖｏ（ｔ）の周波数成分は、（６）式を３次までの成分にした（８）式のように表わすことができる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
【数４】
【００３７】
実施の形態２の粒子加速器は、低電力信号発生器９の発生器信号Ｖｏ（ｔ）は、基本波に高調波を重畳させると共に、高周波電力増幅器１０の非線形な増幅効果に起因して発生する高調波を考慮して、低電力信号発生器９の発生器信号Ｖｏ（ｔ）の各周波数成分の振幅は決定される。この発生器信号Ｖｏ（ｔ）が各周波数成分に対する伝達倍率に従って増幅され、各周波数成分に対する位相遅れが発生し、精度良く各高調波成分の振幅及び位相が制御された加速電圧を発生することができる。したがって、空間電荷力によるビーム発散の低減に効果的な加速電圧を加速空洞４に発生することができ、効率的に粒子を加速することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明に係る粒子加速器は、高周波電圧を加速空洞に印加し、加速空洞に発生した電界にて荷電粒子を加速する粒子加速器に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００３９】
４ 加速空洞 ９ 低電力信号発生器
１０ 高周波電力増幅器 １５ メモリ
２０ 制御装置 Ｖｏａ 発生器信号振幅
Ｖａ 空洞電圧振幅 ｇ（ｆ） 伝達倍率
ｇ１（ｆ） 基本波の伝達倍率 ｇ２（ｆ） 第２次高調波の伝達倍率
ｇ３（ｆ） 第３次高調波の伝達倍率 ｇｉ（ｆ） 第ｉ次高調波の伝達倍率
ｇｎ（ｆ） 第ｎ次高調波の伝達倍率 Ｖｏ（ｔ） 発生器信号
Ｖｏｉ（ｔ） 発生器信号の第ｉ次高調波 Ｖｏ１（ｔ） 発生器信号の基本波
Ｖｏ２（ｔ） 発生器信号の第２次高調波 Ｖｏ３（ｔ） 発生器信号の第３次高調波
φ（ｆ） 位相遅延 φｉ（ｆ） 位相遅延
Ｔｓ 出力信号テーブル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波電圧を加速空洞に印加し、加速空洞に発生した電界にて荷電粒子を加速する粒子加速器に関し、特に環状の加速管内にて粒子を周回させて加速させる環状粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子を所望のエネルギーまで加速する装置としてシンクロトロン加速器等の環状加速器が用いられる。シンクロトロン加速器は、荷電粒子ビームが周回する環状の加速管や、荷電粒子ビームの周回軌道を制御するための偏向電磁石や収束電磁石、高周波加速電圧によって発生する電界にて荷電粒子ビームを加速する加速空洞、荷電粒子ビームを加速管内に導入する入射装置、および、加速した荷電粒子ビームを外部に取り出す出射装置等で構成される。
【０００３】
前段加速器により所定のエネルギーまで加速され、シンクロトロン加速器に入射された一様連続な荷電粒子ビームは、加速空洞に印加された周波数一定の高周波電圧で周回ビームが安定に加速する領域（高周波バケット）に集群化（バンチ）する。この高周波電圧で荷電粒子ビームを集群化させることを高周波捕獲と呼ぶ。高周波捕獲後、加速空洞に印加する加速電圧の周波数を増加させ、荷電粒子ビームを加速していく。このとき、荷電粒子ビームの周回半径が一定となるよう、加速電圧の周波数は偏向電磁石によって発生される偏向磁場強度の変化に同調して増加させられる。また、加速電圧の振幅も効率的な加速ができるよう変化させられる。所望のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームは、出射装置により周回軌道から後段のビーム軌道へと出射される。
【０００４】
上述のシンクロトロン加速器においては、高周波バケット内に集群化した荷電粒子ビームの電荷のピーク密度が高くなると荷電粒子の空間電荷力によって荷電粒子ビームが発散し、加速できない荷電粒子が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
これを解決する方法は先行文献１に記載されている。先行文献１の高周波加速装置は、加速空洞に発生した高周波電圧を基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に分離して検出する分波手段を設け、分離して検出された基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に基づき、加速空洞に加える高周波電圧波形をフィードバック制御によってリアルタイムで制御することにより、進行方向における荷電粒子分布の平坦化制御を効率よく行い、ビーム発散を低減させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６７８００号公報（図１、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、我々はシンクロトロン加速器において、低電力信号発生器の出力を高周波電力増幅器によって増幅し、インピーダンス変換器にて加速空洞のインピーダンスに整合させて、加速電圧を加速空洞に印加する際、低電力信号発生器と加速空洞間の信号の増幅において、非線形な増幅効果により高調波が発生し、図４に示すように加速電圧にひずみが生じ、このため、加速電圧は設計上の理想的な波形から乖離して、効率的に粒子を加速出来無くなることを発見した。図４はこの発明の課題を説明する図である。Ｖｏｏは加速空洞に発生した空洞信号であり、Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３は、それぞれ空洞信号Ｖｏｏ
の基本波、第２次高調波、第３次高調波である。
【０００８】
発生する高調波Ｖｂ２、Ｖｂ３は、低電力信号発生器により出力される発生器信号Ｖｏの発生器信号振幅Ｖｏａと、加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅Ｖａとの比(以
下、伝達倍率)ｇ（ｆ）＝Ｖａ／Ｖｏａが大きい場合には、大きくなる。上述したように
、加速電圧は設計上の理想的な波形から乖離して、効率的に粒子を加速出来無くなる問題があった。特に高調波を用いて空間電荷力によるビーム発散を低減する技術においては、加速空洞に必要な電力の高調波を印加できるように、低電力信号発生器から出力する高調波の周波数領域のｇ（ｆ）を大きくする必要があるため、波形ひずみの影響が大きくなるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、波形ひずみの影響を考慮して効率良く荷電粒子を加速できる粒子加速器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
荷電粒子ビームを加速する加速空洞と加速空洞に高周波加速電圧を印加する制御装置を備える。制御装置は、所定の低電力信号を出力する低電力信号発生器と、低電力信号を高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器を有し、低電力信号は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器から出力される正弦波信号の発生器信号振幅と加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅との比である伝達倍率、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延があらかじめ測定され、測定された伝達倍率及び位相遅延に基づいて生成される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る粒子加速器は、効率良く荷電粒子を加速できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１における粒子加速器の構成図である。
【図２】出力信号テーブルＴｓの作成手順を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２における低電力信号発生器の出力波形を示す図である。
【図４】この発明の課題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における粒子加速器の構成図である。図１に示した粒子加速器はシンクロトロン加速器であり、加速管１と、４つの偏向電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと、５つの収束電磁石３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅと、加速空洞４と、入射装置５と、出射装置６と、磁場モニタ７と、前段加速器１２と、制御装置２０と、偏向磁石制御装置２１で構成されている。制御装置２０は加速空洞４に荷電粒子ビームを加速する高周波加速電圧を印加する。制御装置２０は、同期信号生成器８と、低電力信号発生器９と、高周波電力増幅器１０と、インピーダンス変換器１１を有する。偏向電磁石２ａの磁場は磁場モニタ７によってモニタされ、同期信号生成器８は磁場強度の変化量を基準として、パルス信号を出力する。加速空洞４には低電力信号発生器９から出力された低電力信号を高周波電力増幅器１０にて増幅し、インピーダンス変換器１１によりインピーダンス整合して高周波加速電圧を印加する。低電力信号発生器９は、同期信号発生器８の出力パルス信号と同期してメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき制御された波形の低電力信号である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生する。偏向磁石制御装置２１は、加速された荷電粒子ビームの周回半径が一定となるように、偏向電磁石２によって発生される偏向磁場強度を制御する。
【００１４】
低電力信号発生器９の出力信号テーブルＴｓは同期信号発生器８のパルス出力からの時刻ｔと、低電力信号発生器９により出力される発生器信号Ｖｏ（ｔ）の指示値により構成される。図２に出力信号テーブルＴｓの作成手順を示す。まず、ステップＳ００１として、低電力信号発生器９により発生させた正弦波である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を加速空洞４に入力し、加速空洞４に発生する電圧である空洞電圧Ｖ（ｔ）を測定する。測定された空洞電圧Ｖ（ｔ）から伝達倍率ｇ１（ｆ）および、発生器信号Ｖｏ（ｔ）の発生器信号位相φｉｎと空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞位相φｃａｂとの差である位相遅延φ（ｆ）＝φｃａｂ−φｉｎを求める。
【００１５】
また、入力正弦波に対して発生する高調波の振幅Ｖａｉ（ｉは１からｎの整数）を測定する。ｎは高調波の次数であり、考慮する次数までの数である。ｉ＝１の場合は基本波であり、基本波の伝達倍率ｇ１（ｆ）はＶａ１／Ｖｏａとして求める。考慮する次数までの非線形な増幅効果による伝達倍率ｇ２（ｆ）、ｇ３（ｆ）、・・・ｇｎ（ｆ）を求める。ｇ２（ｆ）、ｇ３（ｆ）、ｇｎ（ｆ）は、それぞれ、基本波周波数ｆの２次高調波の伝達倍率、３次高調波の伝達倍率、ｎ次高調波の伝達倍率であり、式で表わすとｇ２（ｆ）＝Ｖａ２／Ｖｏａ、ｇ３（ｆ）＝Ｖａ３／Ｖｏａ、ｇｎ（ｆ）＝Ｖａｎ／Ｖｏａである。発生器信号振幅Ｖｏａ及び空洞電圧振幅Ｖａｉ（ｉは１からｎ）は、伝達倍率ｇｉ（ｆ）（ｉは１からｎの整数）が振幅によって変化しない範囲で使用する。
【００１６】
次にステップＳ００２として、これらの求めた値を用いて、加速空洞４に発生する空洞電圧Ｖ（ｔ）を以下の（１）式のように定義し、決定する。
Ｖ（ｔ）＝ΣＶｏａ（ｔ）ｇｉ（ｆ）ｓｉｎ（θｉ（ｔ）−φｉ（ｆ）） ・・（１）
θｉ（ｔ）＝２πｉ∫ｆ（ｔ）ｄｔ ・・・（２）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖｏａ（ｔ）は発生器信号Ｖｏ（ｔ）の発生器信号振幅Ｖｏａの関数であり、θｉ（ｔ）は次数ｉの位相であり、φｉ（ｆ）は次数ｉの位相差である。ｆ（ｔ）は発生器信号の周波数であり、∫は０からｔまでの積分である。
【００１７】
ステップＳ００３として、（１）式の空洞電圧Ｖ（ｔ）によるビーム電流が最大となるＶｏａ（ｔ）を、ビームシミュレーション等を用いて求める。ステップＳ００４として、ステップＳ００３で求めたＶｏａ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９の指令値を求め、出力信号テーブルＴｓが決定される。
【００１８】
出力信号テーブルＴｓの時間分割幅は、最も高い周波数の波形を十分な精度で実現できる分割幅に設定する。最も高い周波数は、f(t)が最大となる時の、考慮する最高次の高調波成分である。
【００１９】
粒子加速器の動作を説明する。前段加速器１２により所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームは、入射装置５から加速管１に入射される。入射された荷電粒子ビームは偏向電磁石２により加速管１内を周回する。低電力信号発生器９は、周波数一定の発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生させる。発生器信号Ｖｏ（ｔ）は高周波電力増幅器１０にて増幅され、インピーダンス変換器１１によりインピーダンス整合されて加速空洞４に高周波加速電圧が印加される。荷電粒子ビームは、周波数一定の高周波加速電圧により高周波捕獲される。
【００２０】
高周波捕獲後に、低電力信号発生器９は、同期信号発生器８の出力パルス信号を受け、この出力パルス信号に同期してメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき制御された波形の発生器信号Ｖｏ（ｔ）を発生する。このとき発生器信号Ｖｏ（ｔ）の周波
数は、加速された荷電粒子ビームの周回半径が一定となるように、偏向電磁石によって発生し、偏向磁石制御装置２１により制御される、偏向磁場強度の変化と同調するように設定されている。出射装置６は、所望のエネルギーまで加速された荷電粒子ビームを、周回軌道から後段のビーム軌道に出射する。
【００２１】
実施の形態1の粒子加速器は、低電力信号発生器９の出力部から加速空洞４までの間の
非線形な増幅効果によって発生する高調波があらかじめ含まれた形で、加速電圧を最適化することができる。したがって非線形な増幅効果によって生じる高調波の影響を含めて、最適な加速電圧を加速空洞４に印加することができ、効率的に粒子を加速することができる。
【００２２】
また、高周波電力増幅器１０の非線形な増幅効果に起因して発生する高調波を考慮して加速電圧を最適化することができるので、高周波電力増幅器１０を線形性の低い範囲においても使用することができる。したがって高周波電力増幅器１０として線形性の低いものを適用することができる。これにより高周波電力増幅器１０の大型化や高性能化を抑制することができ、制御装置２０を小型化することができる。
【００２３】
以上のように、実施の形態１の粒子加速器によれば、荷電粒子ビームを加速する加速空洞４と加速空洞４に高周波加速電圧を印加する制御装置２０を備え、制御装置２０は、所定の低電力信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９と、低電力信号Ｖｏ（ｔ）を高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器１０を有し、低電力信号Ｖｏ（ｔ）は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び基本波信号に起因して加速空洞４に発生する高調波信号の周波数毎に、低電力信号発生器９から出力される正弦波信号の発生器信号振幅Ｖｏａと加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞電圧振幅Ｖａとの比である伝達倍率ｇ（ｆ）、及び正弦波信号と正弦波信号により加速空洞４に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延φ（ｆ）があらかじめ測定され、測定された伝達倍率ｇ（ｆ）及び位相遅延φ（ｆ）に基づいて生成されるので、効率良く荷電粒子を加速できる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２の粒子加速器は、基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、低電力信号発生器９の出力信号Ｖｏ（ｔ）を、荷電粒子の空間電荷力による荷電粒子ビームの発散が抑制されるように、基本波に対し、高調波を重畳させた点で異なる。図３はこの発明の実施の形態２における低電力信号発生器の出力波形を示す図である。Ｖｂ１は基本波であり、Ｖｏは基本波に高調波を重畳させた発生器信号である。
【００２５】
低電力信号発生器９が発生する発生器信号Ｖｏ（ｔ）は（３）式のように表わす。
Ｖｏ（ｔ）＝ΣＶｏｉ（ｔ） ・・・（３）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖｏｉ（ｔ）は低電力信号発生器９の出力信号の周波数成分であり、ｉは１からｎまでの整数である。ｉ＝１の場合は基本波成分であり、ｉ＝ｎの場合は第ｎ次高調波成分である。低電力信号発生器９は発生器信号Ｖｏ（ｔ）をメモリ１５に格納された出力信号テーブルＴｓに基づき発生する。
【００２６】
出力信号テーブルＴｓの作成手順を図２のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ００１として、低電力信号発生器９により発生させた正弦波である発生器信号Ｖｏ（ｔ）を加速空洞４に入力し、加速空洞４に発生する電圧である空洞電圧Ｖ（ｔ）を測定する。測定する空洞電圧Ｖ（ｔ）の周波数は、低電力信号発生器９の出力信号の周波数成分、すなわち重畳する第ｎ次高調波に相当する周波数を含む範囲で測定する。測定された空洞電圧Ｖ（ｔ）から伝達倍率ｇｉ（ｆ）および位相遅延φ（ｉｆ）（ｉは１からｎの整数）を求める。
【００２７】
ステップＳ００２として、加速空洞４に発生する空洞電圧Ｖ（ｔ）を以下の（４）式のように定義する。
Ｖ（ｔ）＝ΣＶａｉ（ｔ） ・・・（４）
ここで、Σはｉ＝１からｎまでの和であり、Ｖａｉ（ｔ）は空洞電圧Ｖ（ｔ）の振幅の周波数成分であり、ｉは１からｎまでの整数である。ｉ＝１の場合は基本波成分であり、ｉ＝ｎの場合は第ｎ次高調波成分である。
【００２８】
加速空洞４における伝達倍率は（５）式に示す行列として定義する。このとき低電力信号発生器９の出力電圧Ｖｏ（ｔ）の周波数成分は（６）式のように表わすことができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
【００３１】
（５）式の伝達倍率ｇｉ（ｆ）は基本波周波数ｆに対するｉ次高調波の伝達倍率である。伝達倍率ｇ１（ｉｆ）はｉ次高調波の１次伝達倍率であり、すなわちｉ次高調波の発生器信号に対する加速空洞４に発生した空洞電圧Ｖ（ｔ）のｉ次高調波の伝達倍率である。伝達倍率行列式Γ（ｆ）における左側の第１列には、各行に伝達倍率ｇ１（ｉｆ）が配置される。伝達倍率行列式Γ（ｆ）の左対角成分は伝達倍率ｇ１（ｉｆ）が配置される。また、伝達倍率行列式Γ（ｆ）のｉ行目におけるｊ列目の成分について、ｊがｉの約数となる場合についてはｇｋ(ｊｆ)が配置され、その他は０が配置される。ここでｋ＝ｉ／ｊである。
【００３２】
（６）式は実施の形態１の式（１）とは異なり、位相成分であるsinの部分は空洞電圧
Ｖ（ｔ）の周波数成分側に付けている。θｉ（ｔ）は（２）式で表わされ、φ（ｆ）、φ（ｉｆ）は位相遅延である。φ（ｆ）は基本波成分における発生器信号位相φｉｎと空洞電圧Ｖ（ｔ）の空洞位相φｃａｂとの差である。φ（ｉｆ）はｉ次高調波の位相遅延である。ψｉは初期位相である。Γ（ｆ）−１は伝達倍率行列式Γ（ｆ）の逆行列である。
【００３３】
ステップＳ００３として、（４）式の空洞電圧Ｖ（ｔ）によるビーム電流が最大となるｉ次成分の振幅Ｖａｉ（ｔ）及び初期位相ψｉを、ビームシミュレーション等を用いて求める。ビーム電流が最大となるのは、基本波と高調波の組み合わせによる空間電荷効果ビームの発散の抑制効果が最大となる場合である。ステップＳ００４として、ステップＳ００３で求めた発生器信号Ｖｏ（ｔ）を出力する低電力信号発生器９の指令値を求め、出力信号テーブルＴｓが決定される。
【００３４】
高調波の重畳により、ビーム発散の抑制効果が得られる高調波として第３次高調波までを考慮する場合の式について説明する。基本波に起因する高調波についても、第３次高調波以上の高次の高調波に対しては伝達倍率が十分小さく無視できる。加速空洞４における伝達倍率は、（５）式を３行３列行列にした（７）式で表わすことができる。低電力信号発生器９の出力電圧Ｖｏ（ｔ）の周波数成分は、（６）式を３次までの成分にした（８）式のように表わすことができる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
【数４】
【００３７】
実施の形態２の粒子加速器は、低電力信号発生器９の発生器信号Ｖｏ（ｔ）は、基本波に高調波を重畳させると共に、高周波電力増幅器１０の非線形な増幅効果に起因して発生する高調波を考慮して、低電力信号発生器９の発生器信号Ｖｏ（ｔ）の各周波数成分の振幅は決定される。この発生器信号Ｖｏ（ｔ）が各周波数成分に対する伝達倍率に従って増幅され、各周波数成分に対する位相遅れが発生し、精度良く各高調波成分の振幅及び位相が制御された加速電圧を発生することができる。したがって、空間電荷力によるビーム発散の低減に効果的な加速電圧を加速空洞４に発生することができ、効率的に粒子を加速することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明に係る粒子加速器は、高周波電圧を加速空洞に印加し、加速空洞に発生した電界にて荷電粒子を加速する粒子加速器に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００３９】
４ 加速空洞 ９ 低電力信号発生器
１０ 高周波電力増幅器 １５ メモリ
２０ 制御装置 Ｖｏａ 発生器信号振幅
Ｖａ 空洞電圧振幅 ｇ（ｆ） 伝達倍率
ｇ１（ｆ） 基本波の伝達倍率 ｇ２（ｆ） 第２次高調波の伝達倍率
ｇ３（ｆ） 第３次高調波の伝達倍率 ｇｉ（ｆ） 第ｉ次高調波の伝達倍率
ｇｎ（ｆ） 第ｎ次高調波の伝達倍率 Ｖｏ（ｔ） 発生器信号
Ｖｏｉ（ｔ） 発生器信号の第ｉ次高調波 Ｖｏ１（ｔ） 発生器信号の基本波
Ｖｏ２（ｔ） 発生器信号の第２次高調波 Ｖｏ３（ｔ） 発生器信号の第３次高調波
φ（ｆ） 位相遅延 φｉ（ｆ） 位相遅延
Ｔｓ 出力信号テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速空洞と前記加速空洞に高周波加速電圧を印加する制御装置を備えた粒子加速器であって、
前記制御装置は、所定の低電力信号を出力する低電力信号発生器と、前記低電力信号を前記高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器を有し、
前記低電力信号は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び前記基本波信号に起因して前記加速空洞に発生する高調波信号の周波数毎に、前記低電力信号発生器から出力される正弦波信号の発生器信号振幅と前記加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅との比である伝達倍率、及び前記正弦波信号と前記正弦波信号により前記加速空洞に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延があらかじめ測定され、測定された前記伝達倍率及び前記位相遅延に基づいて生成されることを特徴とする粒子加速器。
【請求項２】
前記低電力信号は、所定の周波数の基本波信号と前記基本波信号の周波数の整数倍の周波数の高調波信号を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子加速器。
【請求項３】
前記低電力信号発生器は出力信号テーブルが記憶されたメモリを有し、前記所定の低電力信号は前記出力信号テーブルに基づいて出力されることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子加速器。
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速空洞と前記加速空洞に高周波加速電圧を印加する制御装置を備えた粒子加速器であって、
前記制御装置は、所定の低電力信号を出力する低電力信号発生器と、前記低電力信号を前記高周波加速電圧に増幅する高周波電力増幅器を有し、
前記低電力信号は、正弦波信号である基本波信号の周波数及び前記基本波信号に起因して前記加速空洞に発生する高調波信号の周波数毎に、前記低電力信号発生器から出力される正弦波信号の発生器信号振幅と前記加速空洞に発生した空洞電圧の空洞電圧振幅との比である伝達倍率、及び前記正弦波信号と前記正弦波信号により前記加速空洞に発生する正弦波空洞電圧との位相差である位相遅延があらかじめ測定され、測定された前記伝達倍率及び前記位相遅延に基づいて生成されることを特徴とする粒子加速器。
【請求項２】
前記低電力信号は、所定の周波数の基本波信号と前記基本波信号の周波数の整数倍の周波数の高調波信号を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子加速器。
【請求項３】
前記低電力信号発生器は出力信号テーブルが記憶されたメモリを有し、前記所定の低電力信号は前記出力信号テーブルに基づいて出力されることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子加速器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−５４５２４（Ｐ２０１１−５４５２４Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０４７３１（Ｐ２００９−２０４７３１）
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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