誘導加速セクターサイクロトロン
【課題】セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供する。
【解決手段】セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。さらに、その誘導加速サイクロトロンを用いて荷電粒子ビームを加速し、クラスターイオンの加速も可能とした。
【解決手段】セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。さらに、その誘導加速サイクロトロンを用いて荷電粒子ビームを加速し、クラスターイオンの加速も可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃ６０などの低エネルギークラスターイオンを物質に照射することによるナノメーターレベルの表面物性の研究などは近年様々な応用分野を切り開いてきた。しかしながら、これらクラスターイオンの現実的な加速手段は、バンデグラフ等の静電加速器に限られていた。
【０００３】
従来のサイクロトン、セクター収束サイクロトン、高周波シンクロトロンにおいては、高周波空洞は共振器であるため、可変できる周波数のバンド幅に限界があり、質量数Ａと電価数Ｚの比Ｚ／Ａに一定の制限があった。即ち、Ｚ／Ａがほぼ等しいイオン種と電価状態に限られる。特にＣ６０等のクラスターイオンの様な著しく質量ｍの大きいイオンの加速は全く不可能であった。
【０００４】
発明者等は、特許文献１〜５に示すように、シンクロトンの電磁石配列に誘導加速セルを組み込み、荷電粒子ビームに誘導加速電圧（パルス電圧）印可する誘導加速シンクロトロン誘導加速シンクロトンを既に開発している。原理的には、誘導加速シンクロトロンにおいても、クラスターイオンの加速は可能である。クラスターイオンとは、分子状のイオンである。
【０００５】
誘導加速シンクロトロンに関しては、全種イオンを加速可能とする特許文献１、１の誘導加速セルで加速及び閉じ込めを可能とする特許文献２、さらにシンクロトロン振動を制御する特許文献３、誘導電圧の印可制御に関する特許文献４、誘導電圧による荷電粒子ビームの軌道を制御する引用文献５が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１００１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５２２０号公報
【特許文献３】特開２００７−１８７５７号公報
【特許文献４】特開２００７−１８７５６号公報
【特許文献５】特開２００７−１８８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、誘導加速シンクロトロンである全種イオン加速器でも、原理的に、重イオン、クラスターイオンの加速も可能であるが、通常用いる常伝導電磁石の磁場のダイナミックレンジは小さいく、静電加速を大幅に超えた高いエネルギーまでクラスターイオンを加速できない。
【０００８】
他方、偏向磁石として超電導電磁石の磁場の大きなダイナミックレンジ（０．１Ｔｅｓｌａ〜１０Ｔｅｓｌａ）を使うことも原理的には可能である。しかし、ダイナミックレンジの大きな超電導電磁石は低磁場領域の磁場の一様性が十分ではない。加えて、現在製作し得る超電導電磁石の励磁速度は高繰り返しシンクロトロンに使用できる程速くなく、超高磁場まで励磁するのに時間を要するので高繰り返し加速器には向かない。
【０００９】
そこで、本発明は、セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために、セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。
【００１１】
また、前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第１誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第２誘導加速セルとからなり、前記第１誘導加速セルと第２誘導加速セルの１次コイルを交差させ直列に繋ぎ、１のスイッチング電源の駆動によって前記第１、第２誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第１、第２誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。また前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第１、第２誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。
【００１２】
さらに、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第３誘導加速セルを接続したことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速サイクロトロン。
【００１３】
加えて、前記第１、第２の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。また前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。
【００１４】
そして、前記の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法の構成とした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、上記構成であるので以下の効果を発揮する。即ち、セクターサイクロトロンの電磁石配列に、誘導加速セルを組み合わせることで、バンデグラフ等の静電加速しか現実的な加速方法の無かったクラスターイオンをも、極めて高いエネルギーレベルまで繰り返し加速可能になる。また、従来からの原子状イオン、その重イオンなど、周期表にある全ての元素であって、元素が原理的に取り得る全ての電価状態の荷電粒子ビームを電磁石の磁場強度の許容する範囲において、任意のエネルギーレベルまで加速することができる。
【００１６】
また、誘導加速を採用することで、ビームを低エネルギーから高エネルギーまで加速可能になるので、従来のセクターサイクロトロンに必須であった前段加速としてのＳＦサイクロトロンや線形加速器が不要なる。従って、イオン源からのイオンを入射装置によってダイレクトにビームをセクターサイクロトロンに入射できるため、極めて廉価にセクターサイクロトロンを構築することができる。勿論、前段加速器を用いてもよい。
【００１７】
例えば、クラスターイオンとして、７価のＣ６０を加速した場合には、（独）理化学研究所に現存するリングサイクロトロンの規模で、磁極間の磁束密度Ｂ＝１．６Ｔｅｓｌａとすれば、イオン源から直接入射されたＣ６０荷電粒子ビームを約１２６ＭｅＶまで加速可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明である誘導加速セクターサイクロトロンの平面模式図（一例）である。
【図２】荷電粒子ビームの加速用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。
【図３】荷電粒子ビームの閉じ込用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。
【図４】真空チャンバーと連結している誘導加速セルの断面模式図である。
【図５】セクター電磁石のサイクロトロン中心部から半径方向の垂直断面模式図である。
【図６】誘導加速セルの駆動パターンの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１に示すように、誘導加速セクターサイクロトロン１は、セクターサイクロトロンのセクター電磁石２配列と、セクター電磁石２間のギャップ３の真空チャンバー１３に接続し荷電粒子ビーム１０に誘導電圧を印可する３台の誘導加速セル（第１誘導加速セル６（加速用）、第２誘導加速セル７（加速用）、第３誘導加速セル８（閉じ込め用））とからなり、加速用の誘導加速セルを通過する荷電粒子ビーム１０に同期して荷電粒子ビーム１０を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印加する。この構成により荷電粒子ビームの加速を可能にする。
【００２１】
図１に示した破線は、ビーム軌道１０ａである。荷電粒子ビーム１０は、イオン源で生成され、誘導加速セクターサイクロトロン１の真空チャンバー１３内に入射装置４を用いてダイレクトに入射される。そして、誘導加速セルで加速されつつ、セクター電磁石２内で偏向させられ、周回を重ねる毎に、回転半径を増大させ、一定磁場の中を加速する。そして、加速終了後は出射装置５によりリング外に取り出され、種々の用途に利用される。
【００２２】
加速用の誘導加速セルは、セクター電磁石２間のギャップ３の真空チャンバー１３に接続した第１誘導加速セル６と、他のギャップ３の真空チャンバー１３に接続した第２誘導加速セル７とからなる。
【００２３】
そして、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぎ、第１、第２誘導加速セル６、７に同時に正負逆向きの誘導電圧をパルス電圧発生装置１１の制御によって発生させるとともに、第１、第２誘導加速セル６、７を通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビーム１０を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印加する。
【００２４】
前記同期は、前記ギャップ３と異なるギャップ３の真空チャンバー１３に、荷電粒子ビーム１０の通過を感知するバンチモニタ９を接続し、バンチモニタ９からの荷電粒子ビーム１０の通過シグナル９ａに基づき、パルス電圧発生装置１１によって制御される。パルス電圧発生装置１１から、励磁電流１１ａが図１矢印方向に流れることによって、第１、第２誘導加速セル６、７に誘導電圧が生成される。
【００２５】
荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用の誘導電圧を印可する第３誘導加速セル８も、バンチモニタ９からの通過シグナル９ａを基に、誘導電圧の発生タイミングがパルス電圧発生装置１２によって制御される。パルス電圧発生装置１２と第３誘導加速セル８は、１次コイル７ｅで接続され、第３誘導加速セル８もパルス電圧発生装置１２から励磁電流１２ａを受けて発生する誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印可する。
【００２６】
本発明である誘導加速セクターサイクロトロン１は、従来のセクターサイクロトロンのセクター電磁石２配列及び真空チャンバー１３、さらにセクター電磁石２等のシステム全体を再利用することができる。なお、従来のセクターサイクロトロンの加速手段である高周波加速空洞、高周波源及びその制御系は不要である。但し、高周波加速空洞は、本発明においても荷電粒子ビーム１０の種類によっては、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め装置として利用できる。
【００２７】
図１では、３台の誘導加速セル６、７、８を用いた例を示したが、加速用の誘導電圧、閉じ込め用の誘導電圧発生タイミングを１のパルス電圧発生装置１１で制御することも可能である。発明者等は、既に特許文献２で、荷電粒子ビームの加速に際して、周回毎に閉じ込め用の誘導電圧を同時には必ずしも必要としないことを見出している。しかしながら、荷電粒子ビームの加速と閉じ込めは別制御系とする方がその制御が容易であることから望ましい。また、特許文献１に示すように、加速用の誘導加速セルと閉じ込め用の誘導加速セルをそれぞれ１台とし、それらを別々のパルス電圧発生装置で加速用と閉じ込め用の誘導電圧の発生タイミングの制御を行うことも可能である。
【００２８】
図２に示すように、パルス電圧発生装置１１は、デジタル信号装置１４とパターン生成器１５とスイッチング電源１６とＤＣ充電器１７と電送線１８と誘導電圧モニタ１９からなり、誘導加速セル（第１、第２誘導加速セル６、７）で発生する誘導電圧２０の発生タイミングをバンチモニタ９からの荷電粒子ビーム１０の通過シグナル９ａを利用し、荷電粒子ビーム１０の一部に誘導電圧２０（図中に点線で示した。）が印加されるように制御する装置である。詳しくは特許文献１〜５に説明されている。
【００２９】
図２中破線で示された矢印は、荷電粒子ビーム１０のビーム軌道１０ａであり、リング内側から、入射直後のビーム軌道、２周回目のビーム軌道、出射前１周目のビーム軌道、出射周回のビーム軌道である。なお、その間の周回は点線で表し省略した。
【００３０】
バンチモニタ９は、ビーム軌道の全体を取り囲むように真空チャンバー１３に接続され、その中に荷電粒子ビームを通し荷電粒子ビーム１０の通過を感知するモニタで、荷電粒子ビーム１０が通過した瞬間にあわせてパルスである通過シグナル９ａを発生させる。検出された通過シグナル９ａは、デジタル信号装置１４に入力され、誘導電圧２０の発生タイミングを荷電粒子ビーム１０の通過に同期させる制御に用いる。
【００３１】
スイッチング電源１６は、誘導加速セルに伝送線１８を介してパルス電圧を与える。高繰り返し動作可能である。スイッチング電源１６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誘導加速セルに正の誘導電圧２０ａと負の誘導電圧２０ｂを発生させる。ＤＣ充電器１７は、スイッチング電源１６に電力を供給する。スイッチング電源１６のオン及びオフ動作をパターン生成器１５、デジタル信号処理装置１４で制御する。誘導電圧モニタ１９は、誘導加速セルより印加された誘導電圧値を測定するモニタである。
【００３２】
誘導電圧２０は、正及び負の誘導電圧からなる。正の誘導電圧２０ａは、荷電粒子ビーム１０の一部を進行方向（図中破線矢印）に加速するための誘導電圧である。負の誘導電圧２０ｂは誘導加速セルの磁気的飽和を回避する誘導電圧ある。なお、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用の誘導加速セル８においては、負の誘導電圧２０ｂは、荷電粒子ビーム１０の進行方向と逆向きに加速させる。
【００３３】
パターン生成器１５は、スイッチング電源１６のオン及びオフ動作を制御するゲート信号パターン１５を生成する。即ち、ゲート親信号１４ａを基にスイッチング電源１６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。デジタル信号処理装置１４は、パターン生成器１５によるゲート信号パターン１５ａの生成のもと信号であるゲート親信号１４ａを計算する。
【００３４】
ゲート信号パターン７１５は、誘導加速セルより印加される誘導電圧２０を制御するパターンである。誘導電圧２０を印加する際に、その印加時間と発生タイミングを決定する信号及び正の誘導電圧及び負の誘導電圧と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７ｊによって加速する荷電粒子ビーム１０の長さに合わせて誘導電圧２０の印可タイミング、印可時間の調節が可能である。
【００３５】
図３に示すように、パルス電圧発生装置１２は、パルス電圧発生装置１１と同一構成であるので、それら同一構成の説明は省略する。ただし、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用である第３誘導加速セル８の駆動のみを制御する。即ち、荷電粒子ビーム１０の頭部に負の誘導電圧２０ｂを、荷電粒子の尾部に正の誘導電圧２０ａを印加する。それにより、荷電粒子ビーム１０のシンクロトン振動を制御し、荷電粒子ビーム１０の拡散による損失を防ぐ（「（荷電粒子ビームの）閉じ込め」という。）
【００３６】
閉じ込め手段として、閉じ込め用の第３誘導加速セル８及びその駆動を制御するパルス電圧発生装置１２を組み込むことで、荷電粒子ビーム１０の閉じ込めも誘導電圧で行うことができる。これにより、荷電粒子ビームの種類を限定することなく、イオンクラスターの加速をも可能にする。なお、荷電粒子ビーム１０の種類、加速エネルギーレベルによっては誘導加速セル８に換え、従来の高周波加速空洞も閉じ込めに採用することができる。
【００３７】
ここで、誘導加速セル（第１、第２、第３誘導加速セル６、７、８）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セルと原理的には同じ構造である。以下、第２誘導加速セル７の断面を用いて誘導電圧２０の発生原理を説明する。
【００３８】
図４に示すように、第２誘導加速セル７は、内容器７ａ及び外容器７ｂからなる２重構造で、外容器７ｂの内に磁性体７ｃが挿入されてインダクタンスを作る。荷電粒子ビーム１０が周回する真空チャンバー１３と接続された内容器７ａの一部はセラミックなどの絶縁体７ｄでできている。
【００３９】
トロイダル形状の磁性体７ｃを取り囲む１次コイル７ｅにスイッチング電源１６に接続されたＤＣ充電器１７からパルス電圧１６ａを印加すると、１次コイル７ｅには１次電流（励磁電流１１ａ）が流れる。この励磁電流１１ａは１次コイル７ｅの周りに磁束を発生させ、１次コイル７ｅに囲まれた磁性体７ｃが励磁される。
【００４０】
これにより磁性体７ｃを貫く磁束密度Ｂが時間的に増加する。このとき絶縁体７ｃを挟んで、導体の内容器７ａの両端部７ｆである２次側の絶縁体７ｄ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。この誘導電場が荷電粒子ビーム１０を加速させる加速電場７ｇとなる。この加速電場７ｇが生じる部分を加速ギャップ７ｈという。従って、第２誘導加速セル７は１対１のトランスである。
【００４１】
第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅにパルス電圧１６ａを発生させるスイッチング電源１６を接続し、スイッチング電源１６を外部からオン及びオフすることで、加速電場７ｇの発生を自由に制御することができる。従って、第２誘導加速セル７は、１次コイル７ｅにスイッチング電源１６からパルス電圧１６を受けて、２次側絶縁体７ｄ部に誘導され荷電粒子ビーム１０に印加される誘導電圧２０を生成する。第１誘導加速セル７、第３誘導加速セル８においても同じ。
【００４２】
図５に示すように、セクター電磁石２の上下磁極面２ａには、リング中心部１ａに向け内部空間が広がるよう勾配２ｃが設けられている。セクター電磁石２のリング中心部１ａ側は、磁極間が遠くなることで、磁束密度Ｂがリング中心１ａに向かって低下する磁束密度勾配が起きる。
【００４３】
質量ｍで電荷ｅの荷電粒子が、速度ｖで磁束密度Ｂの一様な磁場の中を磁場に直角に運動する時、荷電粒子に働くロ−レンツ力Ｆは、ｅ・ｖ・Ｂである。この時の荷電粒子のリング中心０からの回転半径ｒであればロ−レンツ力Ｆと遠心力の釣り合いの条件から、
Ｆ＝ｍｖ２／ｒ ＝ｅ・ｖ・Ｂ （式１）
となる。
【００４４】
従って、リング中心部１ａ側の磁束密度Ｂが低ければ、式１に明らかなように、入射直後の荷電粒子の回転半径（ρ１）が大きくなる。その結果、誘導加速セルのリング中心部１ａ側の磁性体７ｃ及び磁性体７ｃを収納する外容器７ｂを設置するスペースをリング中心部１ａに十分に確保することができるようになる。
【００４５】
なお、図５のρ２は出射時の回転半径である。また、Δ１は入射時の回転半径と次周回の回転半径の差（軌道分離幅）であり、Δ２は出射時の回転半径と出射１周回前の軌道分離幅である。軌道分離幅は、磁極面２ｂの勾配２ｃ部と、平坦部で異なる。勾配２ｃ部では、磁力密度が低下することから平坦部より広くなる。ｒで示す矢印は、半径軸方向である。
【００４６】
図６（Ａ）は第１誘導加速セル６と第２誘導加速セルの誘導電圧の向きの変動を表している。そして図６（Ｂ）は（Ａ）における第１誘導加速セル６の誘導電圧値（V１（ｔ））、（Ｃ）は（Ａ）における第２誘導加速セル７の誘導電圧値（V２（ｔ））を時間軸ｔで表している。
【００４７】
図６（Ａ）〜（Ｃ）に表されているように、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７は、パルス電圧発生装置１１の１のスイッチング電源１６に、１次コイルを交差させ直列に繋がれている。そして、１次コイル７ｅに励磁電流１１ａが流れ（矢印の向き）で誘導電圧（このタイミング（ｔ１＜ｔ＜ｔ２）では、第１誘導加速セル６において実線で示した正の誘導電圧２ａ、第２誘導加速セル７においては実線で示した負の誘導電圧２０ｂ）が発生する。正の誘導電圧２０ａは荷電粒子ビーム１０に印加され、荷電粒子ビーム１０を加速する。
【００４８】
この時の磁束密度Ｂの向きは、磁性体７ｃ中に表されている。即ち、第１誘導加速セル６の磁性体７ｃ中の○に黒塗りの点が図６奥から手前に、第２誘導加速セル７の磁性体７ｃ中の○に×が図手前から奥に向かって磁束密度７ｉの向きが形成されていることを意味する。
【００４９】
また、荷電粒子ビーム１０が、第２誘導加速セル７に到達する時刻ｔ２＜ｔ＜ｔ３では、スイッチング電源１６からのバルス電圧１６ａの向きが逆向きに代わり、励磁電流１１ａが逆に流れることで、第１誘導加速セル６において破線で示した負の誘導電圧２ｂ、第２誘導加速セル７においては破線で示した正の誘導電圧２０ａが生成される。
【００５０】
このように、２台の第１、第２誘導加速セル６、７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐことで、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、第１、第２誘導加速セル６、７に同時に正負逆向きの誘導電圧２０を発生させることができる。図６（Ｂ）、（Ｃ）に点線で示した縦線は、同時刻（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が対応していることを表している。
【００５１】
従って、２台の第１、第２誘導加速セル６、７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐことで、荷電粒子ビーム１周回辺り、荷電粒子ビームは２度の正の誘導電圧２０ａを受けることになるので、極めて効率的に荷電粒子ビーム１０を加速することが可能になる。また誘導電圧２０の発生を１のスイッチング電源１６の駆動で制御することができるので、制御が容易であるとともに、初期費用を抑えることができる。
【００５２】
また、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐ場合には、セクターサイクロトロンのリングにおいて、第１、第２誘導加速セル６、７を対向するギャップ３に位置する真空チャンバー１３に接続することで、本発明の誘導加速サイクロトロンでは、最も長い荷電粒子ビーム１０の形成が可能になり、一層効率的な荷電粒子ビーム１０の加速が可能になる。
【００５３】
図６において、荷電粒子ビーム１０の１周回時間Ｔの範囲内で、加速用の正の誘導電圧２０ａとリセット用の負の誘導電圧２０ｂは同時にペアーで発生することとなる。従って、加速される荷電粒子ビーム１０の時間幅は必然的に周回時間Ｔの半分以下である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法は、クラスターイオンをも、低コストで従来にない高エネルギーレベルまで加速可能であるので、従来の物質・材料科学の研究、特に材料表面への照射による表面物性の研究分野に加え、材料深部の物性研究に多いに貢献する。産業的には、従来の加速器の応用の他、バルク材を改良、新たな素材を開発することを、可能にする。
【符号の説明】
【００５５】
１ 誘導加速セクターサイクロトロン
１ａ リング中心部
２ セクター電磁石
２ａ 磁極
２ｂ 磁極面
２ｃ 勾配
３ ギャップ
４ 入射装置
５ 出射装置
６ 第１誘導加速セル
７ 第２誘導加速セル
７ａ 内容器
７ｂ 外容器
７ｃ 磁性体
７ｄ 絶縁体
７ｅ １次コイル
７ｆ 端部
７ｇ 電場
７ｈ 加速ギャップ
７ｉ 磁束密度
８ 第３誘導加速セル
９ バンチモニタ
９ａ 通過シグナル
１０ 荷電粒子ビーム
１０ａ ビーム軌道
１１ パルス電圧発生装置
１１ａ 励磁電流
１２ パルス電圧発生装置
１２ａ 励磁電流
１３ 真空チャンバー
１４ デジタル信号処理装置
１４ａ ゲート親信号
１４ａ ゲート信号パターン
１５ パターン生成器
１５ａ パターン生成器
１６ スイッチング電源
１６ａ パルス電圧
１７ ＤＣ充電器
１８ 電送線
１９ 誘導電圧モニタ
２０ 誘導電圧
２０ａ 正の誘導電圧
２０ｂ 負の誘導電圧
【技術分野】
【０００１】
セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃ６０などの低エネルギークラスターイオンを物質に照射することによるナノメーターレベルの表面物性の研究などは近年様々な応用分野を切り開いてきた。しかしながら、これらクラスターイオンの現実的な加速手段は、バンデグラフ等の静電加速器に限られていた。
【０００３】
従来のサイクロトン、セクター収束サイクロトン、高周波シンクロトロンにおいては、高周波空洞は共振器であるため、可変できる周波数のバンド幅に限界があり、質量数Ａと電価数Ｚの比Ｚ／Ａに一定の制限があった。即ち、Ｚ／Ａがほぼ等しいイオン種と電価状態に限られる。特にＣ６０等のクラスターイオンの様な著しく質量ｍの大きいイオンの加速は全く不可能であった。
【０００４】
発明者等は、特許文献１〜５に示すように、シンクロトンの電磁石配列に誘導加速セルを組み込み、荷電粒子ビームに誘導加速電圧（パルス電圧）印可する誘導加速シンクロトロン誘導加速シンクロトンを既に開発している。原理的には、誘導加速シンクロトロンにおいても、クラスターイオンの加速は可能である。クラスターイオンとは、分子状のイオンである。
【０００５】
誘導加速シンクロトロンに関しては、全種イオンを加速可能とする特許文献１、１の誘導加速セルで加速及び閉じ込めを可能とする特許文献２、さらにシンクロトロン振動を制御する特許文献３、誘導電圧の印可制御に関する特許文献４、誘導電圧による荷電粒子ビームの軌道を制御する引用文献５が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１００１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５２２０号公報
【特許文献３】特開２００７−１８７５７号公報
【特許文献４】特開２００７−１８７５６号公報
【特許文献５】特開２００７−１８８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、誘導加速シンクロトロンである全種イオン加速器でも、原理的に、重イオン、クラスターイオンの加速も可能であるが、通常用いる常伝導電磁石の磁場のダイナミックレンジは小さいく、静電加速を大幅に超えた高いエネルギーまでクラスターイオンを加速できない。
【０００８】
他方、偏向磁石として超電導電磁石の磁場の大きなダイナミックレンジ（０．１Ｔｅｓｌａ〜１０Ｔｅｓｌａ）を使うことも原理的には可能である。しかし、ダイナミックレンジの大きな超電導電磁石は低磁場領域の磁場の一様性が十分ではない。加えて、現在製作し得る超電導電磁石の励磁速度は高繰り返しシンクロトロンに使用できる程速くなく、超高磁場まで励磁するのに時間を要するので高繰り返し加速器には向かない。
【０００９】
そこで、本発明は、セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために、セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。
【００１１】
また、前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第１誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第２誘導加速セルとからなり、前記第１誘導加速セルと第２誘導加速セルの１次コイルを交差させ直列に繋ぎ、１のスイッチング電源の駆動によって前記第１、第２誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第１、第２誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。また前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第１、第２誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。
【００１２】
さらに、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第３誘導加速セルを接続したことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速サイクロトロン。
【００１３】
加えて、前記第１、第２の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。また前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。
【００１４】
そして、前記の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法の構成とした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、上記構成であるので以下の効果を発揮する。即ち、セクターサイクロトロンの電磁石配列に、誘導加速セルを組み合わせることで、バンデグラフ等の静電加速しか現実的な加速方法の無かったクラスターイオンをも、極めて高いエネルギーレベルまで繰り返し加速可能になる。また、従来からの原子状イオン、その重イオンなど、周期表にある全ての元素であって、元素が原理的に取り得る全ての電価状態の荷電粒子ビームを電磁石の磁場強度の許容する範囲において、任意のエネルギーレベルまで加速することができる。
【００１６】
また、誘導加速を採用することで、ビームを低エネルギーから高エネルギーまで加速可能になるので、従来のセクターサイクロトロンに必須であった前段加速としてのＳＦサイクロトロンや線形加速器が不要なる。従って、イオン源からのイオンを入射装置によってダイレクトにビームをセクターサイクロトロンに入射できるため、極めて廉価にセクターサイクロトロンを構築することができる。勿論、前段加速器を用いてもよい。
【００１７】
例えば、クラスターイオンとして、７価のＣ６０を加速した場合には、（独）理化学研究所に現存するリングサイクロトロンの規模で、磁極間の磁束密度Ｂ＝１．６Ｔｅｓｌａとすれば、イオン源から直接入射されたＣ６０荷電粒子ビームを約１２６ＭｅＶまで加速可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明である誘導加速セクターサイクロトロンの平面模式図（一例）である。
【図２】荷電粒子ビームの加速用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。
【図３】荷電粒子ビームの閉じ込用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。
【図４】真空チャンバーと連結している誘導加速セルの断面模式図である。
【図５】セクター電磁石のサイクロトロン中心部から半径方向の垂直断面模式図である。
【図６】誘導加速セルの駆動パターンの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１に示すように、誘導加速セクターサイクロトロン１は、セクターサイクロトロンのセクター電磁石２配列と、セクター電磁石２間のギャップ３の真空チャンバー１３に接続し荷電粒子ビーム１０に誘導電圧を印可する３台の誘導加速セル（第１誘導加速セル６（加速用）、第２誘導加速セル７（加速用）、第３誘導加速セル８（閉じ込め用））とからなり、加速用の誘導加速セルを通過する荷電粒子ビーム１０に同期して荷電粒子ビーム１０を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印加する。この構成により荷電粒子ビームの加速を可能にする。
【００２１】
図１に示した破線は、ビーム軌道１０ａである。荷電粒子ビーム１０は、イオン源で生成され、誘導加速セクターサイクロトロン１の真空チャンバー１３内に入射装置４を用いてダイレクトに入射される。そして、誘導加速セルで加速されつつ、セクター電磁石２内で偏向させられ、周回を重ねる毎に、回転半径を増大させ、一定磁場の中を加速する。そして、加速終了後は出射装置５によりリング外に取り出され、種々の用途に利用される。
【００２２】
加速用の誘導加速セルは、セクター電磁石２間のギャップ３の真空チャンバー１３に接続した第１誘導加速セル６と、他のギャップ３の真空チャンバー１３に接続した第２誘導加速セル７とからなる。
【００２３】
そして、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぎ、第１、第２誘導加速セル６、７に同時に正負逆向きの誘導電圧をパルス電圧発生装置１１の制御によって発生させるとともに、第１、第２誘導加速セル６、７を通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビーム１０を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印加する。
【００２４】
前記同期は、前記ギャップ３と異なるギャップ３の真空チャンバー１３に、荷電粒子ビーム１０の通過を感知するバンチモニタ９を接続し、バンチモニタ９からの荷電粒子ビーム１０の通過シグナル９ａに基づき、パルス電圧発生装置１１によって制御される。パルス電圧発生装置１１から、励磁電流１１ａが図１矢印方向に流れることによって、第１、第２誘導加速セル６、７に誘導電圧が生成される。
【００２５】
荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用の誘導電圧を印可する第３誘導加速セル８も、バンチモニタ９からの通過シグナル９ａを基に、誘導電圧の発生タイミングがパルス電圧発生装置１２によって制御される。パルス電圧発生装置１２と第３誘導加速セル８は、１次コイル７ｅで接続され、第３誘導加速セル８もパルス電圧発生装置１２から励磁電流１２ａを受けて発生する誘導電圧を荷電粒子ビーム１０に印可する。
【００２６】
本発明である誘導加速セクターサイクロトロン１は、従来のセクターサイクロトロンのセクター電磁石２配列及び真空チャンバー１３、さらにセクター電磁石２等のシステム全体を再利用することができる。なお、従来のセクターサイクロトロンの加速手段である高周波加速空洞、高周波源及びその制御系は不要である。但し、高周波加速空洞は、本発明においても荷電粒子ビーム１０の種類によっては、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め装置として利用できる。
【００２７】
図１では、３台の誘導加速セル６、７、８を用いた例を示したが、加速用の誘導電圧、閉じ込め用の誘導電圧発生タイミングを１のパルス電圧発生装置１１で制御することも可能である。発明者等は、既に特許文献２で、荷電粒子ビームの加速に際して、周回毎に閉じ込め用の誘導電圧を同時には必ずしも必要としないことを見出している。しかしながら、荷電粒子ビームの加速と閉じ込めは別制御系とする方がその制御が容易であることから望ましい。また、特許文献１に示すように、加速用の誘導加速セルと閉じ込め用の誘導加速セルをそれぞれ１台とし、それらを別々のパルス電圧発生装置で加速用と閉じ込め用の誘導電圧の発生タイミングの制御を行うことも可能である。
【００２８】
図２に示すように、パルス電圧発生装置１１は、デジタル信号装置１４とパターン生成器１５とスイッチング電源１６とＤＣ充電器１７と電送線１８と誘導電圧モニタ１９からなり、誘導加速セル（第１、第２誘導加速セル６、７）で発生する誘導電圧２０の発生タイミングをバンチモニタ９からの荷電粒子ビーム１０の通過シグナル９ａを利用し、荷電粒子ビーム１０の一部に誘導電圧２０（図中に点線で示した。）が印加されるように制御する装置である。詳しくは特許文献１〜５に説明されている。
【００２９】
図２中破線で示された矢印は、荷電粒子ビーム１０のビーム軌道１０ａであり、リング内側から、入射直後のビーム軌道、２周回目のビーム軌道、出射前１周目のビーム軌道、出射周回のビーム軌道である。なお、その間の周回は点線で表し省略した。
【００３０】
バンチモニタ９は、ビーム軌道の全体を取り囲むように真空チャンバー１３に接続され、その中に荷電粒子ビームを通し荷電粒子ビーム１０の通過を感知するモニタで、荷電粒子ビーム１０が通過した瞬間にあわせてパルスである通過シグナル９ａを発生させる。検出された通過シグナル９ａは、デジタル信号装置１４に入力され、誘導電圧２０の発生タイミングを荷電粒子ビーム１０の通過に同期させる制御に用いる。
【００３１】
スイッチング電源１６は、誘導加速セルに伝送線１８を介してパルス電圧を与える。高繰り返し動作可能である。スイッチング電源１６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誘導加速セルに正の誘導電圧２０ａと負の誘導電圧２０ｂを発生させる。ＤＣ充電器１７は、スイッチング電源１６に電力を供給する。スイッチング電源１６のオン及びオフ動作をパターン生成器１５、デジタル信号処理装置１４で制御する。誘導電圧モニタ１９は、誘導加速セルより印加された誘導電圧値を測定するモニタである。
【００３２】
誘導電圧２０は、正及び負の誘導電圧からなる。正の誘導電圧２０ａは、荷電粒子ビーム１０の一部を進行方向（図中破線矢印）に加速するための誘導電圧である。負の誘導電圧２０ｂは誘導加速セルの磁気的飽和を回避する誘導電圧ある。なお、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用の誘導加速セル８においては、負の誘導電圧２０ｂは、荷電粒子ビーム１０の進行方向と逆向きに加速させる。
【００３３】
パターン生成器１５は、スイッチング電源１６のオン及びオフ動作を制御するゲート信号パターン１５を生成する。即ち、ゲート親信号１４ａを基にスイッチング電源１６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。デジタル信号処理装置１４は、パターン生成器１５によるゲート信号パターン１５ａの生成のもと信号であるゲート親信号１４ａを計算する。
【００３４】
ゲート信号パターン７１５は、誘導加速セルより印加される誘導電圧２０を制御するパターンである。誘導電圧２０を印加する際に、その印加時間と発生タイミングを決定する信号及び正の誘導電圧及び負の誘導電圧と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７ｊによって加速する荷電粒子ビーム１０の長さに合わせて誘導電圧２０の印可タイミング、印可時間の調節が可能である。
【００３５】
図３に示すように、パルス電圧発生装置１２は、パルス電圧発生装置１１と同一構成であるので、それら同一構成の説明は省略する。ただし、荷電粒子ビーム１０の閉じ込め用である第３誘導加速セル８の駆動のみを制御する。即ち、荷電粒子ビーム１０の頭部に負の誘導電圧２０ｂを、荷電粒子の尾部に正の誘導電圧２０ａを印加する。それにより、荷電粒子ビーム１０のシンクロトン振動を制御し、荷電粒子ビーム１０の拡散による損失を防ぐ（「（荷電粒子ビームの）閉じ込め」という。）
【００３６】
閉じ込め手段として、閉じ込め用の第３誘導加速セル８及びその駆動を制御するパルス電圧発生装置１２を組み込むことで、荷電粒子ビーム１０の閉じ込めも誘導電圧で行うことができる。これにより、荷電粒子ビームの種類を限定することなく、イオンクラスターの加速をも可能にする。なお、荷電粒子ビーム１０の種類、加速エネルギーレベルによっては誘導加速セル８に換え、従来の高周波加速空洞も閉じ込めに採用することができる。
【００３７】
ここで、誘導加速セル（第１、第２、第３誘導加速セル６、７、８）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セルと原理的には同じ構造である。以下、第２誘導加速セル７の断面を用いて誘導電圧２０の発生原理を説明する。
【００３８】
図４に示すように、第２誘導加速セル７は、内容器７ａ及び外容器７ｂからなる２重構造で、外容器７ｂの内に磁性体７ｃが挿入されてインダクタンスを作る。荷電粒子ビーム１０が周回する真空チャンバー１３と接続された内容器７ａの一部はセラミックなどの絶縁体７ｄでできている。
【００３９】
トロイダル形状の磁性体７ｃを取り囲む１次コイル７ｅにスイッチング電源１６に接続されたＤＣ充電器１７からパルス電圧１６ａを印加すると、１次コイル７ｅには１次電流（励磁電流１１ａ）が流れる。この励磁電流１１ａは１次コイル７ｅの周りに磁束を発生させ、１次コイル７ｅに囲まれた磁性体７ｃが励磁される。
【００４０】
これにより磁性体７ｃを貫く磁束密度Ｂが時間的に増加する。このとき絶縁体７ｃを挟んで、導体の内容器７ａの両端部７ｆである２次側の絶縁体７ｄ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。この誘導電場が荷電粒子ビーム１０を加速させる加速電場７ｇとなる。この加速電場７ｇが生じる部分を加速ギャップ７ｈという。従って、第２誘導加速セル７は１対１のトランスである。
【００４１】
第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅにパルス電圧１６ａを発生させるスイッチング電源１６を接続し、スイッチング電源１６を外部からオン及びオフすることで、加速電場７ｇの発生を自由に制御することができる。従って、第２誘導加速セル７は、１次コイル７ｅにスイッチング電源１６からパルス電圧１６を受けて、２次側絶縁体７ｄ部に誘導され荷電粒子ビーム１０に印加される誘導電圧２０を生成する。第１誘導加速セル７、第３誘導加速セル８においても同じ。
【００４２】
図５に示すように、セクター電磁石２の上下磁極面２ａには、リング中心部１ａに向け内部空間が広がるよう勾配２ｃが設けられている。セクター電磁石２のリング中心部１ａ側は、磁極間が遠くなることで、磁束密度Ｂがリング中心１ａに向かって低下する磁束密度勾配が起きる。
【００４３】
質量ｍで電荷ｅの荷電粒子が、速度ｖで磁束密度Ｂの一様な磁場の中を磁場に直角に運動する時、荷電粒子に働くロ−レンツ力Ｆは、ｅ・ｖ・Ｂである。この時の荷電粒子のリング中心０からの回転半径ｒであればロ−レンツ力Ｆと遠心力の釣り合いの条件から、
Ｆ＝ｍｖ２／ｒ ＝ｅ・ｖ・Ｂ （式１）
となる。
【００４４】
従って、リング中心部１ａ側の磁束密度Ｂが低ければ、式１に明らかなように、入射直後の荷電粒子の回転半径（ρ１）が大きくなる。その結果、誘導加速セルのリング中心部１ａ側の磁性体７ｃ及び磁性体７ｃを収納する外容器７ｂを設置するスペースをリング中心部１ａに十分に確保することができるようになる。
【００４５】
なお、図５のρ２は出射時の回転半径である。また、Δ１は入射時の回転半径と次周回の回転半径の差（軌道分離幅）であり、Δ２は出射時の回転半径と出射１周回前の軌道分離幅である。軌道分離幅は、磁極面２ｂの勾配２ｃ部と、平坦部で異なる。勾配２ｃ部では、磁力密度が低下することから平坦部より広くなる。ｒで示す矢印は、半径軸方向である。
【００４６】
図６（Ａ）は第１誘導加速セル６と第２誘導加速セルの誘導電圧の向きの変動を表している。そして図６（Ｂ）は（Ａ）における第１誘導加速セル６の誘導電圧値（V１（ｔ））、（Ｃ）は（Ａ）における第２誘導加速セル７の誘導電圧値（V２（ｔ））を時間軸ｔで表している。
【００４７】
図６（Ａ）〜（Ｃ）に表されているように、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７は、パルス電圧発生装置１１の１のスイッチング電源１６に、１次コイルを交差させ直列に繋がれている。そして、１次コイル７ｅに励磁電流１１ａが流れ（矢印の向き）で誘導電圧（このタイミング（ｔ１＜ｔ＜ｔ２）では、第１誘導加速セル６において実線で示した正の誘導電圧２ａ、第２誘導加速セル７においては実線で示した負の誘導電圧２０ｂ）が発生する。正の誘導電圧２０ａは荷電粒子ビーム１０に印加され、荷電粒子ビーム１０を加速する。
【００４８】
この時の磁束密度Ｂの向きは、磁性体７ｃ中に表されている。即ち、第１誘導加速セル６の磁性体７ｃ中の○に黒塗りの点が図６奥から手前に、第２誘導加速セル７の磁性体７ｃ中の○に×が図手前から奥に向かって磁束密度７ｉの向きが形成されていることを意味する。
【００４９】
また、荷電粒子ビーム１０が、第２誘導加速セル７に到達する時刻ｔ２＜ｔ＜ｔ３では、スイッチング電源１６からのバルス電圧１６ａの向きが逆向きに代わり、励磁電流１１ａが逆に流れることで、第１誘導加速セル６において破線で示した負の誘導電圧２ｂ、第２誘導加速セル７においては破線で示した正の誘導電圧２０ａが生成される。
【００５０】
このように、２台の第１、第２誘導加速セル６、７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐことで、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、第１、第２誘導加速セル６、７に同時に正負逆向きの誘導電圧２０を発生させることができる。図６（Ｂ）、（Ｃ）に点線で示した縦線は、同時刻（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が対応していることを表している。
【００５１】
従って、２台の第１、第２誘導加速セル６、７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐことで、荷電粒子ビーム１周回辺り、荷電粒子ビームは２度の正の誘導電圧２０ａを受けることになるので、極めて効率的に荷電粒子ビーム１０を加速することが可能になる。また誘導電圧２０の発生を１のスイッチング電源１６の駆動で制御することができるので、制御が容易であるとともに、初期費用を抑えることができる。
【００５２】
また、第１誘導加速セル６と第２誘導加速セル７の１次コイル７ｅを交差させ直列に繋ぐ場合には、セクターサイクロトロンのリングにおいて、第１、第２誘導加速セル６、７を対向するギャップ３に位置する真空チャンバー１３に接続することで、本発明の誘導加速サイクロトロンでは、最も長い荷電粒子ビーム１０の形成が可能になり、一層効率的な荷電粒子ビーム１０の加速が可能になる。
【００５３】
図６において、荷電粒子ビーム１０の１周回時間Ｔの範囲内で、加速用の正の誘導電圧２０ａとリセット用の負の誘導電圧２０ｂは同時にペアーで発生することとなる。従って、加速される荷電粒子ビーム１０の時間幅は必然的に周回時間Ｔの半分以下である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法は、クラスターイオンをも、低コストで従来にない高エネルギーレベルまで加速可能であるので、従来の物質・材料科学の研究、特に材料表面への照射による表面物性の研究分野に加え、材料深部の物性研究に多いに貢献する。産業的には、従来の加速器の応用の他、バルク材を改良、新たな素材を開発することを、可能にする。
【符号の説明】
【００５５】
１ 誘導加速セクターサイクロトロン
１ａ リング中心部
２ セクター電磁石
２ａ 磁極
２ｂ 磁極面
２ｃ 勾配
３ ギャップ
４ 入射装置
５ 出射装置
６ 第１誘導加速セル
７ 第２誘導加速セル
７ａ 内容器
７ｂ 外容器
７ｃ 磁性体
７ｄ 絶縁体
７ｅ １次コイル
７ｆ 端部
７ｇ 電場
７ｈ 加速ギャップ
７ｉ 磁束密度
８ 第３誘導加速セル
９ バンチモニタ
９ａ 通過シグナル
１０ 荷電粒子ビーム
１０ａ ビーム軌道
１１ パルス電圧発生装置
１１ａ 励磁電流
１２ パルス電圧発生装置
１２ａ 励磁電流
１３ 真空チャンバー
１４ デジタル信号処理装置
１４ａ ゲート親信号
１４ａ ゲート信号パターン
１５ パターン生成器
１５ａ パターン生成器
１６ スイッチング電源
１６ａ パルス電圧
１７ ＤＣ充電器
１８ 電送線
１９ 誘導電圧モニタ
２０ 誘導電圧
２０ａ 正の誘導電圧
２０ｂ 負の誘導電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロン。
【請求項２】
前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第１誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第２誘導加速セルとからなり、前記第１誘導加速セルと第２誘導加速セルの１次コイルを交差させ直列に繋ぎ、１のスイッチング電源の駆動によって前記第１、第２誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第１、第２誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項１に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項３】
前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第１、第２誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項２に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項４】
前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第３誘導加速セルを接続したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項５】
前記第１、第２の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロン。
【請求項６】
前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロン。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。
【請求項１】
セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロン。
【請求項２】
前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第１誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第２誘導加速セルとからなり、前記第１誘導加速セルと第２誘導加速セルの１次コイルを交差させ直列に繋ぎ、１のスイッチング電源の駆動によって前記第１、第２誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第１、第２誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項１に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項３】
前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第１、第２誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項２に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項４】
前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第３誘導加速セルを接続したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の誘導加速サイクロトロン。
【請求項５】
前記第１、第２の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロン。
【請求項６】
前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロン。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１３９０１（Ｐ２０１１−１１３９０１Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１００７（Ｐ２００９−２７１００７）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【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２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【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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