荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法
【課題】従来の線形加速器よりも容易に設計及び製作することが可能な、任意の大きさの加速電流が得られる荷電粒子加速器を提供する。
【解決手段】
荷電粒子加速器１００は、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って配列する加速電極によって構成される荷電粒子加速ユニット１０１を複数備え、イオン発射部１０２から発射される複数のイオンビームそれぞれを、複数の荷電粒子加速ユニット１０１により、同期して加速することができるよう構成されている。
【解決手段】
荷電粒子加速器１００は、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って配列する加速電極によって構成される荷電粒子加速ユニット１０１を複数備え、イオン発射部１０２から発射される複数のイオンビームそれぞれを、複数の荷電粒子加速ユニット１０１により、同期して加速することができるよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子を加速する方式として、線形加速器が知られている。線形加速器は、加速電極管を線形に配置し、その間に加速電界を形成することで、加速器内部を通過する荷電粒子を加速する加速器である（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５７４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
医療、エネルギー、産業分野への応用を考えると、加速器の加速電流が大きく、かつ単位時間当たりに加速する荷電粒子の個数が多い程、その応用範囲は広くなる。従来、線形加速器では、荷電粒子の軌道方向に配列する加速電極管の数を増やし、荷電粒子を加速する加速電界の数を増やすことで、高エネルギーの荷電粒子を得ていた。しかしながら、この方法では、複数の荷電粒子からなるイオンビームを、大きな加速電流で加速しようとするため、空間電荷効果によって、イオンビームの膨張速度が増大し、イオンビームを形成する荷電粒子が外壁と衝突してしまう。これを回避するためには、加速電極管の内径を大きくしなければならない。このため、必要となる加速電流にあわせて加速電極管の内径サイズを設計しなければならず、設計及び試験に要するコストが増大するという問題がある。また、加速電極管の内径サイズの設計を行うためには、シミュレーションによる計算を行う必要があるため、設計に膨大な時間が必要となるといった問題もある。これらの理由から、従来型の線形加速器では、加速電流の大きな加速器を安価に、かつ短期間で、設計及び製作することは困難であった。
【０００５】
本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の荷電粒子加速器は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、前記電極管に印加するための電圧を発生する電源と、を備え、前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、前記電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている。
【０００７】
また、上記態様において、前記電源によって発生される電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、をさらに備え、前記電源は、直流電圧電源であり、前記スイッチは、前記電源と、一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されていてもよい。
【０００８】
上記態様において、前記荷電粒子発生源は、前記複数の荷電粒子を同時に発射することができるように構成されていてもよい。
【０００９】
上記態様において、前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、互いに平行になるように配設されていてもよい。
【００１０】
上記態様において、前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、前記複数の進行軌道を集束すべく、互いに傾斜するように配設されていてもよい。
【００１１】
また、本発明の一の態様の荷電粒子加速方法は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するステップと、前記荷電粒子を発射するステップにより発射される複数の荷電粒子それぞれの進行軌道に沿って、空間を隔てて直列的に並べられている電極管からなり、荷電粒子が通過する順番に複数段設けられている電極管群のうち、一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための加速電界を形成するステップと、を有する。
【００１２】
前記一の段の電極管群の一方を荷電粒子が通過する間に、電源と前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させるステップをさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法によれば、前記電極管群それぞれの電極管の数を増減するだけで、任意の大きさの加速電流が得られる荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図。
【図２】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図３】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。
【図４】実施の形態１に係る加速電極管群の構成を示す模式図。
【図５】実施の形態１に係る荷電粒子加速器が有する制御部の処理の流れを示すフローチャート。
【図６】スイッチング素子の切替制御を示すタイミングチャート。
【図７】実施の形態２に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図８】実施の形態３に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図９】その他の実施の形態に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。
【図１０】その他の実施の形態に係る固体金属ターゲットの概略構成を示す斜視図。
【図１１】その他の実施の形態に係る固体金属ターゲットのＡ−Ａ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…と、荷電粒子を発射するイオン発射部１０２と、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット１０３，１０３，１０３，…と、を備えている。イオン発射部１０２は、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…に対して、荷電粒子からなるイオンビームを同時に発射可能に構成されている。
【００１７】
複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…は、図１に示すように、並列に配置されている。各荷電粒子加速ユニット１０１は、２８本の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれは、イオン発射部１０２の荷電粒子を発射する方向に沿って、順番に配置されている。また、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８は、イオン発射部１０２から遠ざかる毎に長くなるよう構成されている。
【００１８】
図２及び図３は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図である。図２に示すように、荷電粒子加速器１００は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２それぞれの出力電圧は６０ｋＶである。
【００１９】
各荷電粒子加速ユニット１０１は、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が直列的に２８段配置された構成である。つまり、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１…のそれぞれには、２８段の加速電極器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が設けられており、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１…のそれぞれに含まれる同じ段の加速電極管によって加速電極管群が構成される。即ち、荷電粒子加速器１００は、２８段の加速電極管群を備えている。
【００２０】
高電圧直流電源Ｐ１の陰極には、スイッチング素子ＳＷＲ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット１０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導電体により接続されている。つまり、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導通可能に接続されている。さらに高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…は導電体により互いに接続されており、同様に、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれについても、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が互いに導通可能に接続されている。高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
【００２１】
上記の構成についてさらに詳しく説明する。図４は加速電極管の構成を示す模式図である。互いに平行に配置された加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…、即ち、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は加速電極管保持部材１０４によって保持されている。この加速電極管保持部材１０４は導電体であるステンレス合金により構成されている。このため、加速電極管保持部材１０４により加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は電気的に接続されることになる。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…それぞれの加速電極管についても、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と同様に、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が加速電極管保持部材１０４によって保持されており、加速電極管保持部材１０４によって電気的に接続されている。
【００２２】
高電圧直流電源Ｐ２の陽極には、スイッチング素子ＳＷＦ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット１０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。かかる高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
【００２３】
これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶに変化する。逆に、スイッチング素子スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…との接続が遮断され、高電圧直流電源Ｐ２と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は６０ｋＶに変化する。
【００２４】
図２に示すように、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれと加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれとの間には、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられている。これと同様に、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。
【００２５】
このように、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間にギャップＧｎが設けられていることにより、Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、ギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップＧｎを通過する荷電粒子が加速される（ｎは２〜２７の整数）。
【００２６】
また、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…へイオンビームを発射するイオン発射部１０２と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）からなる制御部１０５とを有している。イオン発射部１０２は、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれの加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…へ同時にイオンビームを発射することが可能である。また、図４に示すように、制御部１０５は、各スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８に接続されており、スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を駆動することができる。また、制御部１０５は、イオン発射部１０２にも接続されており、イオン発射部を駆動することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００の動作について説明する。図５は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器１００が有する制御部の処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１０５は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶとなる。
【００２８】
また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとなる。
【００２９】
次に制御部１０５は、イオン発射部１０２を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部１０２は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれへ同時に発射する。イオン発射部１０２から発射されたイオンビームは加速電極管Ｔ１に進入する。
【００３０】
次に制御部１０５は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
【００３１】
ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部１０５はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高圧直流電源Ｐ２とが接続される。このとき、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれの電位は６０ｋＶ、１段目の加速電極管群に後続する２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれの電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…それぞれにおける電位差は１２０ｋＶである。この電圧によりギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…には電界が形成される。この電界の向きは、加速電極管Ｔ１から加速電極管Ｔ２へ向かう方向である。本実施の形態におけるイオンビームに含まれる荷電粒子は、正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧ１を通過する間に、電界によって加速され、加速電極管Ｔ２に進入する。
【００３２】
制御部１０５は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。切替時間は加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジがｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
【００３３】
ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…それぞれの電位は６０ｋＶに変化する。
【００３４】
ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…は、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は１２０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向である。これにより、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を荷電粒子が通過する間に、この電界によって荷電粒子は加速されることになる。
【００３５】
制御部は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップＳ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器１００の動作初期には−６０ｋＶに印加されていた２段目以降の各段の加速電極管群の電位が順次６０ｋＶに切り替えられる。
【００３６】
図６は、スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＦ１，ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を説明するための図である。以下の説明では、ｎが１〜２６の整数を示すものとする。イオンビームに含まれる荷電粒子が加速電極管Ｔｎの軸長方向中央を通過するときには（図中、１行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎがオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦｎがオフとされる。このため、加速電極管Ｔｎの電位は＋６０ｋＶとなっている。一方、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１及びＳＷＲｎ＋２はオフ（初期状態）とされ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１及びＳＷＦｎ＋２がオン（初期状態）とされている。つまり、加速電極管Ｔｎに後続する加速電極管Ｔｎ＋１，加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎには１２０ｋＶの電位差が生じており、ギャップＧｎにおける電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致している。なお、ギャップＧｎ＋１の電位差は０であり、ギャップＧｎ＋１には電界が生じていない。
【００３７】
荷電粒子はギャップＧｎを通過し、このときギャップＧｎの電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋１に進入する（図中、２行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋１の軸長方向中央を通過するときには（図中、３行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋１の電位は＋６０ｋＶに変化する。このとき、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２及びＳＷＦｎ＋２のそれぞれは初期状態から変化しない。したがって、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎ＋１には１２０ｋＶの電位差が生じ、ギャップＧｎ＋１における電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致する。
【００３８】
荷電粒子はギャップＧｎ＋１を通過し、ギャップＧｎ＋１の電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋２に進入する（図中、４行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋２の軸長方向中央を通過するときには（図中、５行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋２がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は＋６０ｋＶに変化する。
【００３９】
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から１２０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
【００４０】
ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部は、処理を終了する。
【００４１】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、上記のように複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…によって荷電粒子を加速するため、単一の荷電粒子加速ユニットしか持たない通常の荷電粒子加速器と比べて、出力されるイオンビーム全体の電荷量、すなわち加速電流値を高くすることができる。
【００４２】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数のイオンビームを同時にイオン発射部から発射し、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…によって同時に荷電粒子を加速するため、単位時間当たりに発射するイオンビームの総電荷量をより大きくすることができる。
【００４３】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数の平行なイオンビームをイオン発射部１０２から発射し、並列に配置された複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれによって荷電粒子を加速するため、同一の方向又は対象に対してより大きな加速電流のイオンビームを照射することができる。
【００４４】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…を前述のように並列に配置することで、加速電流を大きくしている。これにより、配列する荷電粒子加速ユニット１０１の数を増減することで任意の大きさの加速電流を実現でき、加速電極管の内径サイズを固定化することができる。例えば、電荷量が１．８×１０−８クーロン／パルス、直径が６０ｍｍのイオンビームを加速する場合、加速電極管の内径サイズは１０８ｍｍに固定化することができる。このような構成の場合、加速周波数が５００ｋＨｚであれば、１つの荷電粒子加速ユニットあたり、９ｍＡの加速電流のイオンビームを得ることができる。また、電荷量が８．５×１０−８クーロン／パルス、直径１３０ｍｍのイオンビームを加速する場合、加速電極管の内径サイズは２１３ｍｍに固定化することができる。このような構成の場合、加速周波数が５００ｋＨｚであれば、１つの荷電粒子加速ユニットあたり、４２．５ｍＡの加速電流のイオンビームを得ることができる。
【００４５】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、内径サイズを固定し、配列する荷電粒子加速ユニット１０１の数を増減することで、任意の大きさの加速電流を実現できるため、荷電粒子加速器の設計及び試験に要するコストを低減することができる。このため、従来の線形加速器よりも安価に荷電粒子加速器を提供することができる。
【００４６】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を用い、イオンビームの通過するタイミングに基づいてスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＦ１，ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８を切り替えることにより、イオンビームを加速している。これにより、従来の高周波電圧を利用した加速器と比較して、加速電極管及びギャップの長さを精密に調整する必要がなく、装置の製造コストを低減することができる。
【００４７】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれに対応する被照射面を有するように固体金属ターゲット１０３が構成されている。これにより、従来は点源であった中性子線の発生源を面源とすることができ、偏向等の手段を用いなくとも広範囲に照射できる中性子線を発生させることができる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の構成について説明する。本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００は、線形加速器である。荷電粒子加速器２００は、実施の形態１における荷電粒子加速器１００と同様に、複数の荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…と、荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット（図示せず）と、を備えている。イオン発射部は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。
【００４９】
図７は、実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の構成を示す模式図である。図７に示すように、荷電粒子加速器２００は複数の高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８を備えている。高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の出力電圧は６０ｋＶであり、これらは商用交流電源バス２０２と接続されており、商用交流電源バス２０２からの交流電圧を直流電圧に変換するよう構成されている。各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極及び陰極は、対応する加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれとスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を介して接続されている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８はスイッチを切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに接続される各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の極を、陽極又は陰極に切り替えることができるよう構成されている。これにより、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに印加する電圧の符号を逆にすることができる。
【００５０】
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は６０ｋＶに変化する。逆に、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は−６０ｋＶに変化する。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８の切り替えは、実施の形態１と同様に制御部（図示せず）からの制御によって行われる。
【００５１】
荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部の構成は、実施の形態１における荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部１０３と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
次に、実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の動作について説明する。まず、制御部は、スイッチング素子ＳＷ１を制御し、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１と陰極とを接続させ、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…に、負の電位を印加させる。これにより、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶとなる。
【００５３】
また、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，…，ＳＷ２８も同様に切り替えられ、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとなる。
【００５４】
イオン発射部から、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームが各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれへ同時に発射される。イオン発射部から発射されたイオンビームは加速電極管Ｔ１に進入する。
【００５５】
次に制御部は、実施の形態１におけるステップＳ３と同様に所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は、実施の形態１と同様に予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
【００５６】
切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷ１を切り替える。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陰極との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陽極とが接続される。このとき、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれの電位は６０ｋＶ、１段目の加速電極管群に後続する２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれの電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…それぞれにおける電位差は１２０ｋＶである。この電圧によりギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…には電界が形成される。この電界の向きは、加速電極管Ｔ１から加速電極管Ｔ２へ向かう方向である。本実施の形態におけるイオンビームに含まれる荷電粒子は、正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧ１を通過する間に、電界によって加速され、加速電極管Ｔ２に進入する。
【００５７】
制御部は、ＳＷ１の切り替えを実行した後、実施の形態１におけるステップＳ５と同様に、変数ｑに２を代入し、実施の形態１におけるステップＳ６と同様に、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、予め定められている。各切替時間は、実施の形態１と同様にイオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
【００５８】
切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷｑを切り替える。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陰極との接続が遮断され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陽極とが接続される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷｑを切り替えると、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…それぞれの電位は６０ｋＶに変化する。
【００５９】
ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…は、高電圧直流電源ＤＣｑの陰極と接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は１２０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向である。これにより、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を荷電粒子が通過する間に、この電界によって荷電粒子は加速されることになる。
【００６０】
制御部は、実施の形態１のステップＳ８と同様に、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する。変数ｑの値が２８でない場合には、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし、実施の形態１と同様に処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器２００の動作初期においては−６０ｋＶに印加されていた各加速電極ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８それぞれの電位が順次６０ｋＶに切り替えられる。
【００６１】
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から１２０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
【００６２】
変数ｑの値が２８である場合には、制御部は、処理を終了する。
【００６３】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００では、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８に印加する電圧を切り替えるためのスイッチング素子が、陽極又は陰極の何れか片方に接続を切り替えるように構成されている。これにより、単一のスイッチング素子により加速電極管に印加する電圧を切り替えることができ、簡易な制御で荷電粒子を加速することができる。
【００６４】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の構成について説明する。本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００は、線形加速器である。荷電粒子加速器３００は、実施の形態１における荷電粒子加速器１００と同様に、複数の荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…と、荷電粒子を発射するイオン発射部（図示せず）と、荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット（図示せず）と、を備えている。イオン発射部は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。荷電粒子加速ユニット３０１は、実施の形態１における荷電粒子加速ユニット１０１と同様に、２８本の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。また、荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…は、並列に配置されている。加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれは、イオン発射部の荷電粒子を発射する方向に沿って、順番に配置されている。
【００６５】
図８は、実施の形態３に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図である。図８に示すように、荷電粒子加速器３００は高周波電圧電源ＡＣを備えている。高周波電圧電源ＡＣの出力電圧及び周波数は、荷電粒子の加速エネルギー、加速電極管の長さ、加速ギャップの長さ等の加速条件から、適切な値を設定する。高周波電圧電源ＡＣは、隣り合う加速電極管に異符号の電位が印加されるように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと接続されている。
【００６６】
図８に示すように、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれと加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれとの間には、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられている。これと同様に、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。
【００６７】
隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１それぞれに異符号の電圧を印加することで、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じる。この電位差により、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。ここで、印加する電圧は高周波電圧であるため、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８には時間に伴って正負が変化する電圧が印加される。このため、ギャップＧｎに形成される電界の向きは、電圧の変化に伴い、荷電粒子の進行方向に向く位相（加速位相）と、荷電粒子の進行方向とは逆に向く位相（減速位相）とに変化する。よって、荷電粒子のギャップ通過タイミングが加速位相と同期するように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８及びギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７の長さを調整する。これにより、荷電粒子がギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子は加速される。
【００６８】
次に、実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の動作について説明する。まず、イオン発射部は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを発射する。ここで、イオンビームの発射と同期して、高周波電圧電源ＡＣは、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに高周波電圧を印加する。すると、ギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７に電界が形成される。その後、イオンビームは加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれを順次通過しながら、各ギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を順次通過していく。ここで、前述のように、ギャップ通過タイミングが加速位相と同期するように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８及びギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７の長さは調整されている。このため、荷電粒子はギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を通過するたびに、順次加速される。
【００６９】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００では、電源として、高周波交流電圧電源を利用しており、スイッチング素子等による加速電極管へ印加する電圧の切り替えをせずに、前記実施の形態１と同様の効果を有する線形加速器を実現できる。
【００７０】
（その他の実施の形態）
なお、上記の各実施の形態において、各加速電極管群に含まれる加速電極管それぞれは平行に設置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷電粒子加速器から発生する中性子線を集束すべく、加速電極管群に含まれる加速電極管それぞれが互いに傾斜するように設置されてもよい。例えば、図９に示すように、各荷電粒子加速ユニットから射出される荷電粒子の進行方向を集束すべく、最後尾の２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のうち外側に設けられた加速電極管がより傾斜するように配設されていてもよい。なお、この場合、図９では省略しているが、他の段の加速電極管群についても同様に、外側に設けられた加速電極管がより傾斜するように配設されている。このような構成の場合、各加速電極管に対応する固体金属ターゲット４００，４００，４００，…に対して荷電粒子が射出され、その結果固体金属ターゲット４００，４００，４００，…から中性子線照射スポット４０１に対して集中して中性子線が照射される。これにより、中性子線の利用効率を高めることができる。
【００７１】
また、上記の各実施の形態においては、イオン発射部は、全ての荷電粒子加速ユニットに対して、同時にイオンビームを発射するよう構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７２】
また、上記の各実施の形態においては、各荷電粒子加速ユニットは２８本の加速電極管で構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷電粒子を加速する加速電界を形成するためのギャップを設けることができれば、加速電極管の本数はいくつでもよい。
【００７３】
また、上記の各実施の形態においては、互いに平行に配置された加速電極管それぞれは加速電極管保持部材で保持され、加速電極管それぞれが加速電極管保持部材により電的に接続されるように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、互いに平行に配置された加速電極管それぞれを電気的に接続されるように構成されていれば、導線等の導電体を用いてもよい。
【００７４】
また、上記の各実施の形態においては、荷電粒子加速器により加速された荷電粒子を固体金属ターゲットに照射することで中性子線を発生するよう構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１０及び図１１に示すようにイオンビームの進行方向に伸びる中空の突起を複数有しその底部には、荷電粒子加速ユニットそれぞれで加速されたイオンビームが照射されることにより、中性子線を発生する被照射面を有するように構成されていてもよい。ここで、図１０は本具体例の固体金属ターゲットの概略構成を示す斜視図、図１１は、図１０におけるＡ−Ａ断面の断面図である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法として有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１００，２００，３００ 荷電粒子加速器
１０１，２０１，３０１ 荷電粒子加速ユニット
１０２ イオン発射部
１０３，４００ 固体金属ターゲット
１０４ 制御部
２０２ 商用交流電源バス
４０１ 中性子線照射スポット
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８ 加速電極管
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７ ギャップ
ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８ スイッチング素子
ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８ スイッチング素子
ＳＷ１，ＳＷ２，…，ＳＷ２８ スイッチング素子
Ｐ１，Ｐ２ 高電圧直流電源
ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８ 高電圧直流電源
ＡＣ 高周波電圧電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子を加速する方式として、線形加速器が知られている。線形加速器は、加速電極管を線形に配置し、その間に加速電界を形成することで、加速器内部を通過する荷電粒子を加速する加速器である（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５７４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
医療、エネルギー、産業分野への応用を考えると、加速器の加速電流が大きく、かつ単位時間当たりに加速する荷電粒子の個数が多い程、その応用範囲は広くなる。従来、線形加速器では、荷電粒子の軌道方向に配列する加速電極管の数を増やし、荷電粒子を加速する加速電界の数を増やすことで、高エネルギーの荷電粒子を得ていた。しかしながら、この方法では、複数の荷電粒子からなるイオンビームを、大きな加速電流で加速しようとするため、空間電荷効果によって、イオンビームの膨張速度が増大し、イオンビームを形成する荷電粒子が外壁と衝突してしまう。これを回避するためには、加速電極管の内径を大きくしなければならない。このため、必要となる加速電流にあわせて加速電極管の内径サイズを設計しなければならず、設計及び試験に要するコストが増大するという問題がある。また、加速電極管の内径サイズの設計を行うためには、シミュレーションによる計算を行う必要があるため、設計に膨大な時間が必要となるといった問題もある。これらの理由から、従来型の線形加速器では、加速電流の大きな加速器を安価に、かつ短期間で、設計及び製作することは困難であった。
【０００５】
本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の荷電粒子加速器は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、前記電極管に印加するための電圧を発生する電源と、を備え、前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、前記電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている。
【０００７】
また、上記態様において、前記電源によって発生される電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、をさらに備え、前記電源は、直流電圧電源であり、前記スイッチは、前記電源と、一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されていてもよい。
【０００８】
上記態様において、前記荷電粒子発生源は、前記複数の荷電粒子を同時に発射することができるように構成されていてもよい。
【０００９】
上記態様において、前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、互いに平行になるように配設されていてもよい。
【００１０】
上記態様において、前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、前記複数の進行軌道を集束すべく、互いに傾斜するように配設されていてもよい。
【００１１】
また、本発明の一の態様の荷電粒子加速方法は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するステップと、前記荷電粒子を発射するステップにより発射される複数の荷電粒子それぞれの進行軌道に沿って、空間を隔てて直列的に並べられている電極管からなり、荷電粒子が通過する順番に複数段設けられている電極管群のうち、一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための加速電界を形成するステップと、を有する。
【００１２】
前記一の段の電極管群の一方を荷電粒子が通過する間に、電源と前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させるステップをさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法によれば、前記電極管群それぞれの電極管の数を増減するだけで、任意の大きさの加速電流が得られる荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図。
【図２】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図３】実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。
【図４】実施の形態１に係る加速電極管群の構成を示す模式図。
【図５】実施の形態１に係る荷電粒子加速器が有する制御部の処理の流れを示すフローチャート。
【図６】スイッチング素子の切替制御を示すタイミングチャート。
【図７】実施の形態２に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図８】実施の形態３に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。
【図９】その他の実施の形態に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。
【図１０】その他の実施の形態に係る固体金属ターゲットの概略構成を示す斜視図。
【図１１】その他の実施の形態に係る固体金属ターゲットのＡ−Ａ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…と、荷電粒子を発射するイオン発射部１０２と、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット１０３，１０３，１０３，…と、を備えている。イオン発射部１０２は、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…に対して、荷電粒子からなるイオンビームを同時に発射可能に構成されている。
【００１７】
複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…は、図１に示すように、並列に配置されている。各荷電粒子加速ユニット１０１は、２８本の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれは、イオン発射部１０２の荷電粒子を発射する方向に沿って、順番に配置されている。また、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８は、イオン発射部１０２から遠ざかる毎に長くなるよう構成されている。
【００１８】
図２及び図３は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図である。図２に示すように、荷電粒子加速器１００は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２それぞれの出力電圧は６０ｋＶである。
【００１９】
各荷電粒子加速ユニット１０１は、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が直列的に２８段配置された構成である。つまり、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１…のそれぞれには、２８段の加速電極器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が設けられており、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１…のそれぞれに含まれる同じ段の加速電極管によって加速電極管群が構成される。即ち、荷電粒子加速器１００は、２８段の加速電極管群を備えている。
【００２０】
高電圧直流電源Ｐ１の陰極には、スイッチング素子ＳＷＲ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット１０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導電体により接続されている。つまり、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導通可能に接続されている。さらに高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…は導電体により互いに接続されており、同様に、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれについても、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が互いに導通可能に接続されている。高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
【００２１】
上記の構成についてさらに詳しく説明する。図４は加速電極管の構成を示す模式図である。互いに平行に配置された加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…、即ち、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は加速電極管保持部材１０４によって保持されている。この加速電極管保持部材１０４は導電体であるステンレス合金により構成されている。このため、加速電極管保持部材１０４により加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は電気的に接続されることになる。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…それぞれの加速電極管についても、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と同様に、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が加速電極管保持部材１０４によって保持されており、加速電極管保持部材１０４によって電気的に接続されている。
【００２２】
高電圧直流電源Ｐ２の陽極には、スイッチング素子ＳＷＦ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット１０１の加速電極管Ｔ１が接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。かかる高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
【００２３】
これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶに変化する。逆に、スイッチング素子スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…との接続が遮断され、高電圧直流電源Ｐ２と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は６０ｋＶに変化する。
【００２４】
図２に示すように、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれと加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれとの間には、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられている。これと同様に、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。
【００２５】
このように、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間にギャップＧｎが設けられていることにより、Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、ギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップＧｎを通過する荷電粒子が加速される（ｎは２〜２７の整数）。
【００２６】
また、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００は、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…へイオンビームを発射するイオン発射部１０２と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）からなる制御部１０５とを有している。イオン発射部１０２は、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれの加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…へ同時にイオンビームを発射することが可能である。また、図４に示すように、制御部１０５は、各スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８に接続されており、スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を駆動することができる。また、制御部１０５は、イオン発射部１０２にも接続されており、イオン発射部を駆動することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００の動作について説明する。図５は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器１００が有する制御部の処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１０５は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶとなる。
【００２８】
また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとなる。
【００２９】
次に制御部１０５は、イオン発射部１０２を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部１０２は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを各荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれへ同時に発射する。イオン発射部１０２から発射されたイオンビームは加速電極管Ｔ１に進入する。
【００３０】
次に制御部１０５は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
【００３１】
ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部１０５はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高圧直流電源Ｐ２とが接続される。このとき、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれの電位は６０ｋＶ、１段目の加速電極管群に後続する２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれの電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…それぞれにおける電位差は１２０ｋＶである。この電圧によりギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…には電界が形成される。この電界の向きは、加速電極管Ｔ１から加速電極管Ｔ２へ向かう方向である。本実施の形態におけるイオンビームに含まれる荷電粒子は、正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧ１を通過する間に、電界によって加速され、加速電極管Ｔ２に進入する。
【００３２】
制御部１０５は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。切替時間は加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジがｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
【００３３】
ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…それぞれの電位は６０ｋＶに変化する。
【００３４】
ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…は、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は１２０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向である。これにより、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を荷電粒子が通過する間に、この電界によって荷電粒子は加速されることになる。
【００３５】
制御部は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップＳ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器１００の動作初期には−６０ｋＶに印加されていた２段目以降の各段の加速電極管群の電位が順次６０ｋＶに切り替えられる。
【００３６】
図６は、スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＦ１，ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を説明するための図である。以下の説明では、ｎが１〜２６の整数を示すものとする。イオンビームに含まれる荷電粒子が加速電極管Ｔｎの軸長方向中央を通過するときには（図中、１行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎがオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦｎがオフとされる。このため、加速電極管Ｔｎの電位は＋６０ｋＶとなっている。一方、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１及びＳＷＲｎ＋２はオフ（初期状態）とされ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１及びＳＷＦｎ＋２がオン（初期状態）とされている。つまり、加速電極管Ｔｎに後続する加速電極管Ｔｎ＋１，加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎには１２０ｋＶの電位差が生じており、ギャップＧｎにおける電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致している。なお、ギャップＧｎ＋１の電位差は０であり、ギャップＧｎ＋１には電界が生じていない。
【００３７】
荷電粒子はギャップＧｎを通過し、このときギャップＧｎの電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋１に進入する（図中、２行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋１の軸長方向中央を通過するときには（図中、３行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋１の電位は＋６０ｋＶに変化する。このとき、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２及びＳＷＦｎ＋２のそれぞれは初期状態から変化しない。したがって、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎ＋１には１２０ｋＶの電位差が生じ、ギャップＧｎ＋１における電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致する。
【００３８】
荷電粒子はギャップＧｎ＋１を通過し、ギャップＧｎ＋１の電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋２に進入する（図中、４行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋２の軸長方向中央を通過するときには（図中、５行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋２がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は＋６０ｋＶに変化する。
【００３９】
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から１２０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
【００４０】
ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部は、処理を終了する。
【００４１】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、上記のように複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…によって荷電粒子を加速するため、単一の荷電粒子加速ユニットしか持たない通常の荷電粒子加速器と比べて、出力されるイオンビーム全体の電荷量、すなわち加速電流値を高くすることができる。
【００４２】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数のイオンビームを同時にイオン発射部から発射し、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…によって同時に荷電粒子を加速するため、単位時間当たりに発射するイオンビームの総電荷量をより大きくすることができる。
【００４３】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数の平行なイオンビームをイオン発射部１０２から発射し、並列に配置された複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれによって荷電粒子を加速するため、同一の方向又は対象に対してより大きな加速電流のイオンビームを照射することができる。
【００４４】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…を前述のように並列に配置することで、加速電流を大きくしている。これにより、配列する荷電粒子加速ユニット１０１の数を増減することで任意の大きさの加速電流を実現でき、加速電極管の内径サイズを固定化することができる。例えば、電荷量が１．８×１０−８クーロン／パルス、直径が６０ｍｍのイオンビームを加速する場合、加速電極管の内径サイズは１０８ｍｍに固定化することができる。このような構成の場合、加速周波数が５００ｋＨｚであれば、１つの荷電粒子加速ユニットあたり、９ｍＡの加速電流のイオンビームを得ることができる。また、電荷量が８．５×１０−８クーロン／パルス、直径１３０ｍｍのイオンビームを加速する場合、加速電極管の内径サイズは２１３ｍｍに固定化することができる。このような構成の場合、加速周波数が５００ｋＨｚであれば、１つの荷電粒子加速ユニットあたり、４２．５ｍＡの加速電流のイオンビームを得ることができる。
【００４５】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、内径サイズを固定し、配列する荷電粒子加速ユニット１０１の数を増減することで、任意の大きさの加速電流を実現できるため、荷電粒子加速器の設計及び試験に要するコストを低減することができる。このため、従来の線形加速器よりも安価に荷電粒子加速器を提供することができる。
【００４６】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を用い、イオンビームの通過するタイミングに基づいてスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＦ１，ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８を切り替えることにより、イオンビームを加速している。これにより、従来の高周波電圧を利用した加速器と比較して、加速電極管及びギャップの長さを精密に調整する必要がなく、装置の製造コストを低減することができる。
【００４７】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１００では、複数の荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…それぞれに対応する被照射面を有するように固体金属ターゲット１０３が構成されている。これにより、従来は点源であった中性子線の発生源を面源とすることができ、偏向等の手段を用いなくとも広範囲に照射できる中性子線を発生させることができる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の構成について説明する。本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００は、線形加速器である。荷電粒子加速器２００は、実施の形態１における荷電粒子加速器１００と同様に、複数の荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…と、荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット（図示せず）と、を備えている。イオン発射部は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。
【００４９】
図７は、実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の構成を示す模式図である。図７に示すように、荷電粒子加速器２００は複数の高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８を備えている。高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の出力電圧は６０ｋＶであり、これらは商用交流電源バス２０２と接続されており、商用交流電源バス２０２からの交流電圧を直流電圧に変換するよう構成されている。各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極及び陰極は、対応する加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれとスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を介して接続されている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８はスイッチを切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに接続される各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の極を、陽極又は陰極に切り替えることができるよう構成されている。これにより、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を切り替えることで、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに印加する電圧の符号を逆にすることができる。
【００５０】
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陽極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は６０ｋＶに変化する。逆に、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８を操作し、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと各高電圧直流電源ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とを接続した場合、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８の電圧は−６０ｋＶに変化する。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…，ＳＷ２８の切り替えは、実施の形態１と同様に制御部（図示せず）からの制御によって行われる。
【００５１】
荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部の構成は、実施の形態１における荷電粒子加速ユニット１０１，１０１，１０１，…、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８、及びイオン発射部１０３と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
次に、実施の形態２に係る荷電粒子加速器２００の動作について説明する。まず、制御部は、スイッチング素子ＳＷ１を制御し、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１と陰極とを接続させ、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…に、負の電位を印加させる。これにより、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶとなる。
【００５３】
また、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，…，ＳＷ２８も同様に切り替えられ、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８の陰極とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとなる。
【００５４】
イオン発射部から、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームが各荷電粒子加速ユニット２０１，２０１，２０１，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれへ同時に発射される。イオン発射部から発射されたイオンビームは加速電極管Ｔ１に進入する。
【００５５】
次に制御部は、実施の形態１におけるステップＳ３と同様に所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は、実施の形態１と同様に予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
【００５６】
切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷ１を切り替える。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陰極との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源ＤＣ１の陽極とが接続される。このとき、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれの電位は６０ｋＶ、１段目の加速電極管群に後続する２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれの電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…それぞれにおける電位差は１２０ｋＶである。この電圧によりギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…には電界が形成される。この電界の向きは、加速電極管Ｔ１から加速電極管Ｔ２へ向かう方向である。本実施の形態におけるイオンビームに含まれる荷電粒子は、正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧ１を通過する間に、電界によって加速され、加速電極管Ｔ２に進入する。
【００５７】
制御部は、ＳＷ１の切り替えを実行した後、実施の形態１におけるステップＳ５と同様に、変数ｑに２を代入し、実施の形態１におけるステップＳ６と同様に、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別する。この切替時間は加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、予め定められている。各切替時間は、実施の形態１と同様にイオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ここで切替時間に到達したと判断された場合、各イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
【００５８】
切替時間に到達している場合、制御部はスイッチング素子ＳＷｑを切り替える。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陰極との接続が遮断され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源ＤＣｑの陽極とが接続される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷｑを切り替えると、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…それぞれの電位は６０ｋＶに変化する。
【００５９】
ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…は、高電圧直流電源ＤＣｑの陰極と接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は１２０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向である。これにより、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を荷電粒子が通過する間に、この電界によって荷電粒子は加速されることになる。
【００６０】
制御部は、実施の形態１のステップＳ８と同様に、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する。変数ｑの値が２８でない場合には、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし、実施の形態１と同様に処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器２００の動作初期においては−６０ｋＶに印加されていた各加速電極ユニット２０１，２０１，２０１…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８それぞれの電位が順次６０ｋＶに切り替えられる。
【００６１】
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から１２０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
【００６２】
変数ｑの値が２８である場合には、制御部は、処理を終了する。
【００６３】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器２００では、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８に印加する電圧を切り替えるためのスイッチング素子が、陽極又は陰極の何れか片方に接続を切り替えるように構成されている。これにより、単一のスイッチング素子により加速電極管に印加する電圧を切り替えることができ、簡易な制御で荷電粒子を加速することができる。
【００６４】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の構成について説明する。本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００は、線形加速器である。荷電粒子加速器３００は、実施の形態１における荷電粒子加速器１００と同様に、複数の荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…と、荷電粒子を発射するイオン発射部（図示せず）と、荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…それぞれによって加速された荷電粒子が照射されることで核反応により中性子線を発生する、複数の固体金属ターゲット（図示せず）と、を備えている。イオン発射部は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。荷電粒子加速ユニット３０１は、実施の形態１における荷電粒子加速ユニット１０１と同様に、２８本の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。また、荷電粒子加速ユニット３０１，３０１，３０１，…は、並列に配置されている。加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれは、イオン発射部の荷電粒子を発射する方向に沿って、順番に配置されている。
【００６５】
図８は、実施の形態３に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図である。図８に示すように、荷電粒子加速器３００は高周波電圧電源ＡＣを備えている。高周波電圧電源ＡＣの出力電圧及び周波数は、荷電粒子の加速エネルギー、加速電極管の長さ、加速ギャップの長さ等の加速条件から、適切な値を設定する。高周波電圧電源ＡＣは、隣り合う加速電極管に異符号の電位が印加されるように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれと接続されている。
【００６６】
図８に示すように、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…それぞれと加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…それぞれとの間には、ギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられている。これと同様に、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。
【００６７】
隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１それぞれに異符号の電圧を印加することで、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じる。この電位差により、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。ここで、印加する電圧は高周波電圧であるため、各加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８には時間に伴って正負が変化する電圧が印加される。このため、ギャップＧｎに形成される電界の向きは、電圧の変化に伴い、荷電粒子の進行方向に向く位相（加速位相）と、荷電粒子の進行方向とは逆に向く位相（減速位相）とに変化する。よって、荷電粒子のギャップ通過タイミングが加速位相と同期するように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８及びギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７の長さを調整する。これにより、荷電粒子がギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子は加速される。
【００６８】
次に、実施の形態３に係る荷電粒子加速器３００の動作について説明する。まず、イオン発射部は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを発射する。ここで、イオンビームの発射と同期して、高周波電圧電源ＡＣは、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれに高周波電圧を印加する。すると、ギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７に電界が形成される。その後、イオンビームは加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８それぞれを順次通過しながら、各ギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を順次通過していく。ここで、前述のように、ギャップ通過タイミングが加速位相と同期するように、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８及びギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７の長さは調整されている。このため、荷電粒子はギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７を通過するたびに、順次加速される。
【００６９】
本実施の形態に係る荷電粒子加速器３００では、電源として、高周波交流電圧電源を利用しており、スイッチング素子等による加速電極管へ印加する電圧の切り替えをせずに、前記実施の形態１と同様の効果を有する線形加速器を実現できる。
【００７０】
（その他の実施の形態）
なお、上記の各実施の形態において、各加速電極管群に含まれる加速電極管それぞれは平行に設置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷電粒子加速器から発生する中性子線を集束すべく、加速電極管群に含まれる加速電極管それぞれが互いに傾斜するように設置されてもよい。例えば、図９に示すように、各荷電粒子加速ユニットから射出される荷電粒子の進行方向を集束すべく、最後尾の２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のうち外側に設けられた加速電極管がより傾斜するように配設されていてもよい。なお、この場合、図９では省略しているが、他の段の加速電極管群についても同様に、外側に設けられた加速電極管がより傾斜するように配設されている。このような構成の場合、各加速電極管に対応する固体金属ターゲット４００，４００，４００，…に対して荷電粒子が射出され、その結果固体金属ターゲット４００，４００，４００，…から中性子線照射スポット４０１に対して集中して中性子線が照射される。これにより、中性子線の利用効率を高めることができる。
【００７１】
また、上記の各実施の形態においては、イオン発射部は、全ての荷電粒子加速ユニットに対して、同時にイオンビームを発射するよう構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７２】
また、上記の各実施の形態においては、各荷電粒子加速ユニットは２８本の加速電極管で構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷電粒子を加速する加速電界を形成するためのギャップを設けることができれば、加速電極管の本数はいくつでもよい。
【００７３】
また、上記の各実施の形態においては、互いに平行に配置された加速電極管それぞれは加速電極管保持部材で保持され、加速電極管それぞれが加速電極管保持部材により電的に接続されるように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、互いに平行に配置された加速電極管それぞれを電気的に接続されるように構成されていれば、導線等の導電体を用いてもよい。
【００７４】
また、上記の各実施の形態においては、荷電粒子加速器により加速された荷電粒子を固体金属ターゲットに照射することで中性子線を発生するよう構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１０及び図１１に示すようにイオンビームの進行方向に伸びる中空の突起を複数有しその底部には、荷電粒子加速ユニットそれぞれで加速されたイオンビームが照射されることにより、中性子線を発生する被照射面を有するように構成されていてもよい。ここで、図１０は本具体例の固体金属ターゲットの概略構成を示す斜視図、図１１は、図１０におけるＡ−Ａ断面の断面図である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器及び荷電粒子加速方法として有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１００，２００，３００ 荷電粒子加速器
１０１，２０１，３０１ 荷電粒子加速ユニット
１０２ イオン発射部
１０３，４００ 固体金属ターゲット
１０４ 制御部
２０２ 商用交流電源バス
４０１ 中性子線照射スポット
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８ 加速電極管
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，Ｇ２７ ギャップ
ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８ スイッチング素子
ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８ スイッチング素子
ＳＷ１，ＳＷ２，…，ＳＷ２８ スイッチング素子
Ｐ１，Ｐ２ 高電圧直流電源
ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…，ＤＣ２８ 高電圧直流電源
ＡＣ 高周波電圧電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、
前記電極管に印加するための電圧を発生する電源と、
を備え、
前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、
前記電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている、
荷電粒子加速器。
【請求項２】
前記電源によって発生される電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、
前記スイッチを制御する制御部と、
をさらに備え、
前記電源は、直流電圧電源であり、
前記スイッチは、前記電源と、前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている、
請求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】
前記荷電粒子発生源は、前記複数の荷電粒子を同時に発射することができるように構成されている、
請求項１又は２に記載の荷電粒子加速器。
【請求項４】
前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、互いに平行になるように配設されている、
請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項５】
前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、前記複数の進行軌道を集束すべく、互いに傾斜するように配設されている、
請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するステップと、
前記荷電粒子を発射するステップにより発射される複数の荷電粒子それぞれの進行軌道に沿って、空間を隔てて直列的に並べられている電極管からなり、荷電粒子が通過する順番に複数段設けられている電極管群のうち、一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための加速電界を形成するステップと、
を有する、
荷電粒子加速方法。
【請求項７】
前記一の段の電極管群の一方を荷電粒子が通過する間に、電源と前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させるステップをさらに有する、
請求項６に記載の荷電粒子加速方法。
【請求項１】
互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられ、荷電粒子が通過する複数の電極管と、
前記電極管に印加するための電圧を発生する電源と、
を備え、
前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、
前記電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている、
荷電粒子加速器。
【請求項２】
前記電源によって発生される電圧を、前記電極管に印加するためのスイッチと、
前記スイッチを制御する制御部と、
をさらに備え、
前記電源は、直流電圧電源であり、
前記スイッチは、前記電源と、前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている、
請求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】
前記荷電粒子発生源は、前記複数の荷電粒子を同時に発射することができるように構成されている、
請求項１又は２に記載の荷電粒子加速器。
【請求項４】
前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、互いに平行になるように配設されている、
請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項５】
前記電極管群に含まれる複数の電極管それぞれは、前記複数の進行軌道を集束すべく、互いに傾斜するように配設されている、
請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するステップと、
前記荷電粒子を発射するステップにより発射される複数の荷電粒子それぞれの進行軌道に沿って、空間を隔てて直列的に並べられている電極管からなり、荷電粒子が通過する順番に複数段設けられている電極管群のうち、一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための加速電界を形成するステップと、
を有する、
荷電粒子加速方法。
【請求項７】
前記一の段の電極管群の一方を荷電粒子が通過する間に、電源と前記一の段の電極管群とを接続させ、又は接続を遮断させるステップをさらに有する、
請求項６に記載の荷電粒子加速方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１６２８４（Ｐ２０１３−１６２８４Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６６８５（Ｐ２０１１−１４６６８５）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（５１１１４３５５３）株式会社Ｑｕａｎ Ｊａｐａｎ (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（５１１１４３５５３）株式会社Ｑｕａｎ Ｊａｐａｎ (3)
【Ｆターム（参考）】
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