(57)【要約】【課題】周回軌道からの荷電粒子ビームの取出精度を向上させることができるシンクロトロンを提供する。【解決手段】本発明は、荷電粒子ビームを周回軌道Ｔｒに沿って加速させるシンクロトロン１であって、周回軌道Ｔｒ上に設けられ、荷電粒子ビームの分布と荷電粒子ビームの位置とを検出するピックアップ７と、荷電粒子ビームを周回軌道Ｔｒから取り出すキッカー電極８及びデフレクター９と、ピックアップ７の検出結果に基づいて、キッカー電極８及びデフレクター９を制御する制御部１０と、を備える。【選択図】図１
2014053194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを周回軌道に沿って加速させるシンクロトロンであって、
前記周回軌道上に設けられ、前記荷電粒子ビームの分布と前記荷電粒子ビームの位置とを検出する軌道内検出手段と、
前記荷電粒子ビームを前記周回軌道から取り出す取出手段と、
前記軌道内検出手段の検出結果に基づいて、前記取出手段を制御する制御手段と、
を備える、シンクロトロン。
【請求項２】
前記取出手段は、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道の安定領域から不安定領域へ移行させることで前記荷電粒子ビームを取り出すキッカー電極を有し、
前記制御手段は、前記軌道内検出手段の検出結果に基づいて前記キッカー電極を制御する、請求項１に記載のシンクロトロン。
【請求項３】
前記周回軌道から外れた位置に設けられ、前記取出手段によって前記周回軌道から取り出された前記荷電粒子ビームの電流値又は放射線量を検出する軌道外検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記軌道外検出手段の検出結果及び前記軌道内検出手段の検出結果に基づいて、前記取出手段を制御する、請求項１又は２に記載のシンクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を加速させるシンクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シンクロトロンに関する技術文献として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１には、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って加速させるシンクロトロンであって、周回軌道上の荷電粒子ビームを安定領域から不安定領域に移行させるための高周波印加装置と、不安定領域に移行した荷電粒子ビームを周回軌道から取り出すデフレクターと、取り出された荷電粒子ビームを計測する計測装置と、を備えたものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１９８３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シンクロトロンによる荷電粒子ビームの出力には高い安定性が求められている。安定性には、周回軌道からの荷電粒子ビームの取出精度が大きく影響しており、前述した従来のシンクロトロンにおいては取出精度の向上に改善の余地があった。
【０００５】
そこで、本発明は、周回軌道からの荷電粒子ビームの取出精度を向上させることができるシンクロトロンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って加速させるシンクロトロンであって、周回軌道上に設けられ、荷電粒子ビームの分布と荷電粒子ビームの位置とを検出する軌道内検出手段と、荷電粒子ビームを周回軌道から取り出す取出手段と、軌道内検出手段の検出結果に基づいて取出手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るシンクロトロンによれば、周回軌道上に設けられた軌道内検出手段の検出結果に基づいて取出手段を制御するので、周回軌道上の荷電粒子ビームの状態に応じた適切なビームの取り出しを実現することができ、取り出された後のビームのみを計測していた従来のシンクロトロンと比べて、荷電粒子ビームの取出精度を格段に向上させることができる。このことは、シンクロトロンの出力安定性を大幅に向上させる。
【０００８】
本発明に係るシンクロトロンにおいて、取出手段は、荷電粒子ビームを周回軌道の安定領域から不安定領域へ移行させることで荷電粒子ビームを取り出すキッカー電極を有し、制御手段は、軌道内検出手段の検出結果に基づいてキッカー電極を制御してもよい。
このシンクロトロンによれば、軌道内検出手段の検出結果に基づいてキッカー電極を制御して荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅増加を正確に調整することで、従来のシンクロトロンと比べて、より繊細なビームの取り出しを行うことができる。
【０００９】
本発明に係るシンクロトロンにおいて、周回軌道から外れた位置に設けられ、取出手段によって周回軌道から取り出された荷電粒子ビームの電流値又は放射線量を検出する軌道外検出手段を更に備え、制御手段は、軌道外検出手段の検出結果及び軌道内検出手段の検出結果に基づいて、取出手段を制御してもよい。
このシンクロトロンによれば、周回軌道から取り出されたビームの電流値又は放射線量について軌道外検出手段の検出結果を利用することで、取出手段のフィードバック制御を実現することができるので、フィードバック制御を行わない場合と比べて、荷電粒子ビームの取出精度をより一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、周回軌道からの荷電粒子ビームの取出精度を向上させることができるシンクロトロンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るシンクロトロンの第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】シンクロトロンの制御部を説明するためのブロック図である。
【図３】荷電粒子ビームの代表粒子の位相空間における軌跡を示す模式図である。
【図４】本発明に係るシンクロトロンの第２の実施形態を示す概略図である。
【図５】第２の実施形態に係る制御部を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［第１の実施形態］
図１に示す第１の実施形態のシンクロトロン１は、周回軌道Ｔｒに沿って荷電粒子ビームを加速させる加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子などが挙げられる。以下、図１に示すように、周回軌道Ｔｒにおける荷電粒子ビームの周回方向をＳ、周回方向Ｓに直交する水平方向をＸ、垂直方向をＹとして説明を行う。周回方向Ｓ、水平方向Ｘ、及び垂直方向Ｙは互いに直交する方向であり、ＳＸＹは、周回軌道Ｔｒ上の位置によって向きが変わる局所座標である。
【００１４】
シンクロトロン１は、前段加速器２、入射器３、水平方向収束用四極磁石４、垂直方向収束用四極磁石５、多極磁石６、ピックアップ（軌道内検出手段）７、キッカー電極８、及びデフレクター９を備えている。
【００１５】
また、シンクロトロン１は、図２に示す制御部（制御手段）１０を備えている。制御部１０は、ＣＰＵ[Central  Processing  Unit]、ＲＯＭ[Read  Only  Memory]、ＲＡＭ[Random  Access  Memory]などからなる電子制御ユニットであり、シンクロトロン１を制御する。制御部１０は、前段加速器２、入射器３、水平方向収束用四極磁石４、垂直方向収束用四極磁石５、多極磁石６、ピックアップ７、キッカー電極８、及びデフレクター９と接続されている。
【００１６】
図１に示すシンクロトロン１では、前段加速器２で加速された荷電粒子ビームが入射器３を通じて周回軌道Ｔｒに入射される。前段加速器２としては、主に線形加速器が用いられる。周回軌道Ｔｒに入射した荷電粒子ビームは、図示しない偏向電磁石によって進行方向を曲げられ、周回軌道Ｔｒ上を周回する。
【００１７】
周回軌道Ｔｒにおける荷電粒子ビームの位置は、水平方向収束用四極磁石４及び垂直方向収束用四極磁石５によって調整されている。水平方向収束用四極磁石４は、荷電粒子ビームを水平方向Ｘに収束させると共に垂直方向Ｙに発散させるように軌道勾配を変更する電磁石である。また、垂直方向収束用四極磁石５は、荷電粒子ビームを垂直方向Ｙに収束させると共に水平方向Ｘに発散させるように軌道勾配を変更する電磁石である。水平方向収束用四極磁石４及び垂直方向収束用四極磁石５は、周回軌道Ｔｒ上に複数配置（例えば四組）されている。
【００１８】
荷電粒子ビームは、その周回方向（進行方向）Ｓ及び横方向（水平方向Ｘ及び垂直方向Ｙ）に振動しながら周回軌道Ｔｒ上を周回する。荷電粒子ビームの横方向の振動をベータトロン振動と呼び、周回軌道Ｔｒにおける一周あたりのベータトロン振動数をチューンと呼ぶ。荷電粒子ビームを安定して周回させるためには、チューンを共鳴の生じない値に制御する必要がある。
【００１９】
荷電粒子ビームのチューンは、水平方向収束用四極磁石４及び垂直方向収束用四極磁石５の励磁量によって制御される。制御部１０は、特に次数の低い共鳴を起こすチューンとならないように水平方向収束用四極磁石４及び垂直方向収束用四極磁石５を制御する。周回軌道Ｔｒ上を周回する荷電粒子ビームには、図示しない高周波加速空洞からエネルギーを与えられ、荷電粒子ビームはチューンを制御された状態で周回しながら次第に加速する。
【００２０】
次に、目標エネルギーまで加速した荷電粒子ビームの周回軌道Ｔｒからの取り出しについて図３を参照して説明する。図３は、荷電粒子ビームの代表粒子（荷電粒子ビームに含まれる任意の粒子）の位相空間における軌跡を示す模式図である。
【００２１】
図３の横軸は代表粒子の水平方向Ｘの位置を示しており、縦軸は代表粒子の水平方向の変化ｄｘ及び周回方向の変化ｄｓの関係（水平方向の軌道勾配）ｄｘ／ｄｓを示している。すなわち、図３には、代表粒子の周回毎のＸとｄｘ／ｄｓの関係（位相空間）が示されている。
【００２２】
また、図３の破線Ｗ１〜Ｗ３は、セパラトリクス（安定限界）を示している。セパラトリクスは、安定領域Ａと不安定領域Ｂの境界線に当たる。すなわち、安定領域Ａは、図３に示す位相空間において破線Ｗ１〜Ｗ３に囲まれた領域であり、安定領域Ａ内の荷電粒子ビームはベータトロン振動の共鳴が生じることなく、安定的に周回軌道Ｔｒ上を周回する。一方、不安定領域Ｂは、図３に示す位相空間において破線Ｗ１〜Ｗ３の外側の領域であり、不安定領域Ｂの荷電粒子ビームは、共鳴によってベータトロン振動の振幅が増加する。
【００２３】
図３において、不安定領域Ｂの代表粒子には周回数を番号として付している。図３に示されるように、不安定領域Ｂの荷電粒子ビームは不安定な状態となり、ベータトロン振動の振幅が急激に増加する。
【００２４】
セパラトリクスは、多極磁石６によって形成されている。多極磁石６は、例えば六極電磁石や八極電磁石であり、周回軌道Ｔｒ上に配置されている。セパラトリクスに囲まれた安定領域Ａは、多極磁石６の磁場強度が大きいほど小さくなる。また、安定領域Ａは、荷電粒子ビームの水平方向のチューンの整数±１／３からの偏差が小さいほど小さくなる。
【００２５】
図１に示されるように、周回軌道Ｔｒ上を周回する荷電粒子ビームは、ピックアップ７によって検出される。ピックアップ７は、周回軌道Ｔｒ上に設けられ、周回軌道Ｔｒ内の荷電粒子ビームの分布と位置（例えば重心位置）を検出する検出器である。なお、周回軌道Ｔｒ上に設けられるとは、厳密に周回軌道Ｔｒと重なるように設けられる場合に限られず、周回軌道Ｔｒを囲むように設けられる場合や周回軌道Ｔｒを挟むように設けられる場合等も含む表現である。
【００２６】
また、ピックアップ７の構成は特に限定されない。ピックアップ７としては、例えば複数のピックアップ電極を用いることができる。更に、ピックアップ７は、荷電粒子ビームの大きさや重心位置を検出してもよい。ピックアップ７の精度によっては、その検出結果から図３に示す位相空間における荷電粒子の軌道を求めることもできる。ピックアップ７は、検出した荷電粒子ビームの分布及び位置に対応する検出信号を制御部１０に送信する。
【００２７】
制御部１０では、ピックアップ７の検出信号（検出結果）に基づいてキッカー電極８を制御する。キッカー電極８は、周回軌道Ｔｒ上に設けられ、荷電粒子ビームの一部を安定領域Ａから不安定領域Ｂに移行させる電極である。
【００２８】
キッカー電極８は、周回軌道Ｔｒ上でデフレクター９と正反対の位置（周回軌道Ｔｒ上でデフレクター９と最も離れた位置）に設けられている。なお、ピックアップ７は、キッカー電極８及びデフレクター９の間の周回軌道Ｔｒ上に設けられている。キッカー電極８は、荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を増加させることで、荷電粒子ビームの一部を安定領域Ａから不安定領域Ｂに移行させる。
【００２９】
キッカー電極８によるベータトロン振動の振幅を増加させる方法は特に限定されない。ベータトロン振動の振幅を増加させる方法としては、（ａ）荷電粒子ビームに時間的に変動する磁場を印加する方法、（ｂ）荷電粒子ビームに時間的に変動する電場を印加する方法、（ｃ）荷電粒子ビームと異なる粒子を荷電粒子ビームに衝突させる方法、等が知られている。
【００３０】
制御部１０は、ピックアップ７の検出信号に基づいてキッカー電極８を制御し、荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を適切なタイミングで増加させることで、安定領域Ａから不安定領域Ｂに移行させる。なお、制御部１０は、ピックアップ７の検出信号を加工した後、アンプで増幅及び極性の反転を行ってキッカー電極８に送信する態様であってもよい。
【００３１】
キッカー電極８によって不安定領域Ｂに移行された荷電粒子ビームは、図３に示す代表粒子のように周回数が増えるほどベータトロン振動の振幅が急激に増加する。振幅が増加した荷電粒子ビームは、デフレクター９によって周回軌道Ｔｒから取り出される（図１参照）。キッカー電極８及びデフレクター９は、特許請求の範囲に記載の取出手段を構成している。
【００３２】
デフレクター９は、例えばＥＳＤ［Electro Static Deflector］であり、図３に示す導電板９Ａと電極９Ｂを有している。導電板９Ａ及び電極９Ｂの間には、強力な電場が形成されており、導電板９Ａ及び電極９Ｂの間に入り込んだ荷電粒子ビーム（例えば図３の代表粒子の５８周目）は偏向により周回軌道Ｔｒから取り出される。
【００３３】
デフレクター９によって周回軌道Ｔｒから取り出された荷電粒子ビームは、図示しないセプタム磁石によって大きく偏向され、シンクロトロン１から出射される。なお、取出しを容易にするため、荷電粒子ビームをデフレクター９側に寄せるバンプ磁石を周回軌道Ｔｒに備えていてもよい。
【００３４】
また、デフレクター９の導電板９Ａの厚さが小さいほど、荷電粒子ビームは導電板９Ａを乗り越えて取り出し易くなる。一方、導電板９Ａを乗り越えられない荷電粒子ビームは導電板９Ａに衝突して消滅する。このため、デフレクター９は、導電板９Ａを薄くできるＥＳＤであることが望ましい。なお、デフレクター９としてＥＳＤ以外の構成（例えばコイルを用いる構成）を採用してもよい。
【００３５】
以上説明した第１の実施形態に係るシンクロトロン１によれば、安定領域Ａにある荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を増加させることで不安定領域Ｂに移行させるので、ビーム取出しのためにセパラトリクス（安定領域Ａの範囲）を変更しなくても、荷電粒子ビームの取出効率（出射効率）を向上させることができる。また、このシンクロトロン１では、セパラトリクスを変更しなくても良いので、水平方向収束用四極磁石４、垂直方向収束用四極磁石５、及び多極磁石６の励磁力をほぼ一定にすることができ、制御が容易である。更に、このシンクロトロン１では、セパラトリクスを一定にすることにより、デフレクター９に入射する荷電粒子ビームのビーム径をほぼ一定とすることができるので、荷電粒子ビームの出力安定性を向上できる。
【００３６】
しかも、このシンクロトロン１によれば、周回軌道Ｔｒ上に設けられたピックアップ７の検出結果に基づいてキッカー電極８及びデフレクター９を制御するので、周回軌道上の荷電粒子ビームの状態に応じた適切なビームの取り出しを実現することができ、取り出された後のビームのみを計測していた従来のシンクロトロンと比べて、荷電粒子ビームの取出精度を格段に向上させることができる。このことは、シンクロトロン１の出力安定性を大幅に向上させる。なお、必ずしもデフレクター９をピックアップ７の検出結果に基づいて制御する必要はない。
【００３７】
また、このシンクロトロン１によれば、ピックアップ７の検出結果に基づいてキッカー電極８を制御して荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅増加を正確に調整することができるので、従来のシンクロトロンと比べて、より繊細なビームの取り出しを行うことができる。
【００３８】
［第２の実施形態］
図４及び図５に示されるように、第２の実施形態に係るシンクロトロン２１は、第１の実施形態に係るシンクロトロン１と比べて、取出ビーム検出部（軌道外検出手段）２２を備えている点が大きく異なっている。なお、図４及び図５において、第１の実施形態に係るシンクロトロン１と同一の構成には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３９】
取出ビーム検出部２２は、周回軌道Ｔｒから外れた位置に設けられ、デフレクター９によって周回軌道Ｔｒから取り出された荷電粒子ビームの電流値又は放射線量を検出する検出器である。取出ビーム検出部２２の構成は特に限定されないが、電極などを採用してもよい。
【００４０】
第２の実施形態に係る制御部２３は、取出ビーム検出部２２の検出結果及びピックアップ７の検出結果に基づいてキッカー電極８及びデフレクター９を制御する。制御部２３は、取出ビーム検出部２２の検出結果を利用してキッカー電極８及びデフレクター９のフィードバック制御を行う。なお、制御部２３は、水平方向収束用四極磁石４、垂直方向収束用四極磁石５、及び多極磁石６について、取出ビーム検出部２２の検出結果を利用したフィードバック制御を行ってもよい。
【００４１】
以上説明した第２の実施形態に係るシンクロトロン２１によれば、周回軌道Ｔｒから取り出されたビームの電流値又は放射線量について取出ビーム検出部２２の検出結果を利用することで、キッカー電極８及びデフレクター９のフィードバック制御を実現することができるので、フィードバック制御を行わない場合と比べて、荷電粒子ビームの取出精度をより一層向上させることができる。
【００４２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、水平方向収束用四極磁石、垂直方向収束用四極磁石、多極磁石、ピックアップ、キッカー電極、及びデフレクターの位置関係は図１に示すものに限定されない。ピックアップは、周回軌道上で入射器側ではなく、入射器と反対側（図１の紙面の下側）に設けられていてもよく。キッカー電極は必ずしもデフレクターから最も離れた位置に設ける必要はない。
【００４３】
また、水平方向収束用四極磁石、垂直方向収束用四極磁石、及び多極磁石の個数も図１に示すものに限定されない。
【００４４】
更に、本発明に係るシンクロトロンは、多極磁石を必ずしも備える必要はない。ピックアップによって荷電粒子ビームを高精度に検出し、適切なタイミングでキッカー電極が十分な強さのキックを行うことで、セパラトリクスを作らずとも荷電粒子ビームを周回軌道から取り出すことも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１，２１…シンクロトロン  ２…前段加速器  ３…入射器  ４…水平方向収束用四極磁石  ５…垂直方向収束用四極磁石  ６…多極磁石  ７…ピックアップ（軌道内検出手段）  ８…キッカー電極（取出手段）  ９…デフレクター（取出手段）  ９Ａ…導電板  ９Ｂ…電極  １０，２３…制御部（制御手段）  ２２…取出ビーム検出部（軌道外検出手段）  Ａ…安定領域  Ｂ…不安定領域  Ｔｒ…周回軌道  Ｗ１-Ｗ３…セパラトリクス
【図１】
2014053194.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2014053194.tif 000006
【図５】
2014053194.tif 000007