(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号の振幅と位相を調整して加速空洞に加え、前記加速空洞に高周波電圧を発生させるようにした高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を前記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、前記分波手段により分離して検出された前記基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に基づき前記加速空胴に加える高周波電圧波形をフィードバック制御することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項２】
基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号の振幅と位相を調整して荷電粒子ビームを加速する加速空洞に加え、前記加速空洞に高周波電圧を発生させるようにした高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を前記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、前記分波手段により分離して検出された前記基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に基づき前記加速空胴に加える高周波電圧の振幅と位相をフィードバック制御することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項３】
基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号の振幅と位相を調整して荷電粒子ビームを加速する加速空洞に加え、前記加速空洞に高周波電圧を発生させるようにした高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を前記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、前記分波手段により分離して検出された前記基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に基づき前記加速空胴に加える高周波電圧の振幅と位相の一方をフィードバック制御することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項４】
基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号の振幅と位相を調整して荷電粒子ビームを加速する加速空洞に加え、前記加速空洞に高周波電圧を発生させるようにした高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を前記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第１の分波手段と、前記荷電粒子ビームを前記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第２の分波手段とを設け、前記第２の分波手段の出力信号を位相基準信号として第１の分波手段で検出した前記前記加速空胴の高周波電圧の位相を検出し前記加速空胴に加える高周波電圧の位相をフィードバック制御することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項５】
基本波信号と整数倍周波数の高調波信号を発生する発振手段と、前記発振手段の出力信号の振幅を制御する振幅調整手段と、前記発振手段の出力信号の位相を制御する位相調整手段と、前記振幅調整手段で振幅を、あるいは前記位相調整手段で位相を調整された前記発振手段の出力信号を増幅する電力増幅手段と、前記電力増幅手段の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する加速空胴とから構成される高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタと、前記電圧モニタの出力信号を前記基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に分離する分波手段と、前記分波手段の出力信号の振幅あるいはの位相を検出する検出手段とを具備し、前記検出手段の検出信号に基づき前記加速空胴に加える高周波電圧波形をフィードバック制御することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項６】
基本波信号と整数倍周波数の高調波信号を発生する発振手段と、前記発振手段の出力信号の振幅を制御する振幅調整手段と、前記発振手段の出力信号の位相を制御する位相調整手段と、前記振幅調整手段で振幅を、あるいは前記位相調整手段で位相を調整された前記発振手段の出力信号を増幅する電力増幅手段と、前記電力増幅手段の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する加速空胴とから構成される高周波加速装置において、前記加速空胴に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタと、前記電圧モニタの出力信号を前記基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号に分離する分波手段と、前記分波手段の出力信号の振幅を検出する振幅検出手段あるいは前記分波手段の出力信号の位相を検出する位相検出手段と、前記振幅検出手段および／または前記位相検出手段の出力信号を設定値と比較して前記振幅調整手段および／または前記位相調整手段に制御信号を出力する比較手段とを具備することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項７】
請求項６において、環状型加速器を周回する荷電粒子ビームの電荷密度を検出するビームモニタと、前記ビームモニタの出力信号を基本波信号及びその整数倍周波数の高調波信号に分離する分波手段とを設け、前記分波手段の出力信号を前記位相検出器の位相基準信号として用いたことを特徴とする高周波加速装置。
【請求項８】
請求項６において、前記発振手段の出力信号、あるいは前記発振手段の出力信号の周波数に対して一定周波数だけずれた周波数の高周波信号、もしくは前記発振手段の出力信号の位相に対して一定位相だけずれた位相の高周波信号のうち、少なくとも１つを前記分波手段での信号処理に用いることを特徴とする高周波加速装置。
【請求項９】
荷電粒子ビームを発生する前段加速器と、該荷電粒子ビームを入射する入射器と、該荷電粒子ビームが内部を周回する真空ダクトと、該荷電粒子ビームを偏向し周回させる偏向電磁石と、該荷電粒子ビームを収束させる四極電磁石と、該荷電粒子ビームを集群し加速する高周波加速装置と、該荷電粒子ビームを出射する出射器とから構成される環状型加速器において、前記高周波加速装置として、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の高周波加速装置を用いたことを特徴とする環状型加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子ビームを捕獲し加速する高周波加速装置及びそれを用いたシンクロトロンや蓄積リングのような環状型加速器に係わり、特に、空間電荷効果が問題となる大強度で低エネルギーのイオンビームを効率良く捕獲し安定に加速できる高周波加速装置とそれを用いたシンクロトロンや蓄積リングのような環状型加速器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波加速装置及びそれを用いた環状型加速器の動作原理について図１７を用いて説明し、本発明に係わる従来技術について説明する。
【０００３】
高周波線形加速器や静電加速器などの前段加速器２０１からシンクロトロンへ入射したビームは、まず、進行方向に一様連続なビームとして周回する。加速空胴６に高周波電圧を印加すると進行方向の集束力により、ビーム粒子は高周波電圧のある位相を中心とした安定領域に集群（バンチ）する。入射直後はビーム粒子を正味加速せず、進行方向の安定領域に捕獲する。これを高周波捕獲という。
【０００４】
その後、バンチ重心が加速位相にずれるように高周波電圧の周波数（加速周波数）を上昇させ、周回ビームのエネルギー増加とともに上昇する周回周波数に同期して加速周波数を制御する。これらの制御は制御装置２０８の指令に基づき実行される。
【０００５】
シンクロトロンを周回するビームは偏向電磁石２０４で軌道を曲げられ、四極電磁石２０５で水平および垂直方向に集束力を与えられる。ここで、加速中は周回ビームのエネルギー増加とともに偏向電磁石２０４の励磁を強め、ビーム中心軌道が設計軌道を維持するように制御する。また、周回ビームに対して一定の集束力を与えるために、四極電磁石２０５の励磁を偏向電磁石２０４の励磁に比例して強める。ビーム粒子は設計軌道のまわりを水平および垂直方向に振動しながら周回している。これらをベータトロン振動といい、リング１周あたりの振動数をそれぞれ水平および垂直チューンという。
【０００６】
なお、蓄積リングでは周回ビームをバンチ状に高周波捕獲したまま正味加速を行わず、入射ビームを所望のビーム強度に達するまで蓄積する。したがって、高周波電圧の周波数、偏向電磁石と四極電磁石の励磁量が一定である点だけはシンクロトロンと異なる。
【０００７】
ところで、シンクロトロンや蓄積リングを構成する偏向電磁石や四極電磁石には少なからず誤差磁場や設置誤差が存在する。その結果、水平および垂直チューンの組合せで決まる空間上にベータトロン振動が不安定となる領域が存在する。四極電磁石の励磁量は、水平および垂直チューンがその不安定領域からできるだけ離れるように設定される。
【０００８】
ところが、空間電荷力で周回ビームに発散力が作用するとチューンが低下する。これによりベータトロン振動が不安定化しビーム損失が生じる可能性がある。入射ビームのエネルギーが低い場合や周回ビームの強度が大きい場合には問題となる。特に、入射ビームがバンチしピーク電荷密度が高くなる高周波捕獲段階および加速初期が深刻である。チューンの低下が０．２５に達すると、空間電荷の非線形発散力が励起する不安定性で加速不能になると考えられている。
【０００９】
空間電荷効果の緩和方法の一つとして、周回ビームに作用する加速電圧の波形を制御し、バンチ形状を平坦化してピーク電荷密度を低減する方法が用いられる。その場合の高周波加速装置としては、基本波加速電圧を発生する加速空胴以外に２倍高調波電圧を発生する加速空胴と３倍高調波電圧を発生する加速空胴をそれぞれ別々に設け、環状型加速器に各種複数台の加速空胴を設置している。このことは、例えば、Ａ．  Ｈｏｆｍａｎｎ，  「Ｂｕｎｃｈｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｃａｌ  Ｅｌｌｉｐｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」（ＩＥＥＥ，  ＮＳ−２６，  Ｎｏ．３，  １９７９，  ｐ．３５２６）に記載されている。
【００１０】
そのような高周波加速装置では各周波数帯域ごとに独立に高周波信号の制御が可能なため、フィードバック制御により容易に高周波電圧の振幅や位相を制御できる。しかし、必要な加速空胴や電力増幅器の台数が増加してコスト高や環状型加速器の大型化を招くという欠点を有する。
【００１１】
この欠点を解決するために、例えば、特開平９−２１９３００号公報に記載のごとく広帯域動作の加速空胴を用い、１台の加速空胴に基本波加速電圧と同時に高調波電圧を重畳する方法がある。広帯域動作の加速空胴としては、特開平９−１６７６９９号公報に記載されているような装荷磁性体に新素材を用いた加速空胴が採用できる。
【００１２】
ところが、このような高周波加速装置では高周波電圧の振幅や位相のフィードバック制御を実施する際、基本波からその高調波にわたる広帯域の信号処理が不可欠となる。従来、この広帯域信号処理は困難と考えられ、高周波電圧の振幅や位相はプレプログラミングによる調整が考えられてきている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
周回ビームの空間電荷効果を緩和するために最適な加速電圧波形を図１２に示す。加速電圧波形に平坦部を生成しバンチビームに作用する進行方向の集束力を弱め、バンチビームを進行方向に引き伸ばして電荷密度を平坦化する。１台の加速空胴に基本波加速電圧とその高調波電圧を印加する場合には、図１２に示すような電圧波形を加速空胴に発生させる必要がある。
【００１４】
そのためには基本波加速電圧とその高調波電圧の振幅と位相をそれぞれ２％以内及び２度以内の精度で設定する必要がある。設定誤差が大きいとバンチビームの電荷密度の平坦部が無くなり、ピーク電荷密度が増加して空間電荷効果が緩和できなくなる。
【００１５】
上述の特開平９−２１９３００号公報に記載の従来技術（図１６、図１７参照）では、発振器１の出力信号の振幅と位相を振幅調整器２と位相調整器３のプレプログラミング制御２０８により調整し、基本波とその高調波の合成信号を電力増幅器５で増幅したのち広帯域動作の加速空胴６に供給している。
【００１６】
その場合、電力増幅器５での利得と遅延の周波数特性、加速空胴６のインピーダンスの周波数特性、さらには制御系に使用される回路素子の周波数特性を考慮して振幅と位相をプレプログラミングする必要があり極めて多くの時間を要する作業になる。その上、一度、最適値に設定した後でも、周囲温度による電力増幅器５での利得や遅延の変化により、加速空胴６に印加すべき最適な電圧波形が維持できなくなる。
【００１７】
また、周回ビームの強度が大きい場合には、バンチビームが加速空胴６に誘起する高周波電圧が無視できず、周回ビームの強度が変化すると加速空胴の電圧波形が変化する。特に、前段加速器２０１からの入射ビームの強度が変化すると問題となる。なお、特開平９−２１９３００号公報にはビームモニタ１３の検出信号に基づくフィードバック制御が示唆されてはいるが、加速空胴６に発生する実際の電圧波形に基づきフィードバック制御を実施しないかぎりは、振幅と位相の設定精度が悪く所望の電圧波形を維持できないという問題点を有している。
【００１８】
本発明の目的は、加速空胴に実際に発生する電圧波形から基本波電圧とその高調波電圧の振幅と位相をそれぞれ高精度で検出し、その検出信号に基づき発振器の出力信号の振幅と位相をフィードバック制御できる高周波加速装置、及びそれを用いた環状型加速器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、基本波信号とその整数倍周波数の高調波信号の振幅と位相を調整して加速空洞に加え、加速空洞に高周波電圧を発生させるようにした高周波加速装置において、加速空胴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、分波手段により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胴に加える高周波電圧波形をフィードバック制御することにある。
【００２０】
具体的に高周波加速装置は、加速周波数の基本波信号とその整数倍の周波数の高調波信号を発生する発振器、その出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器と位相調整器、その出力信号を増幅する電力増幅器、増幅された高周波電力を入力し加速電圧を発生する広帯域動作の加速空胴、加速空胴に発生した電圧波形を検出する電圧モニタ、その出力信号を各周波数成分（基本波信号と高調波信号）に分離する分波器、各周波数成分の振幅と位相を検出する振幅検出器と位相検出器、それらの出力信号を設定値と比較して振幅調整器と位相調整器に制御信号を出力する比較器とから構成する。
【００２１】
さらに望ましくは、周回するバンチビームの電荷密度を検出するビームモニタ、その出力信号を各周波数成分に分離する分波器とを設け、ビームモニタの出力信号を位相検出器の位相基準信号に用いて、各周波数成分ごとに加速電圧の位相を測定する（図１３参照）。
【００２２】
環状型加速器が蓄積リングや加速周波数の変化が小さいシンクロトロンの場合、分波器として各周波数成分ごとの帯域通過フィルタを用いた高周波加速装置が適用できる。一方、環状型加速器が加速周波数の変化が大きいシンクロトロンの場合、振幅と位相の検出精度向上の観点から、各周波数成分の振幅と位相の情報を維持したまま一定周波数の信号に変換する信号処理が必要である。
【００２３】
分波器での信号処理にヘテロダイン方式を用いる場合（図１４参照）には、加速周波数と一定の関係にある高周波信号が必要となる。この場合、発振器の出力信号から分波用高周波信号を生成する周波数変換器を設けてその出力信号を分波器に供給する高周波加速装置、あるいは発振器自体で分波用高周波信号を発生し分波器に供給する高周波加速装置が適用できる。
【００２４】
また、分波器での信号処理に複素信号処理方式を用いる場合（図１５参照）には、基本波と高調波のそれぞれの周波数において互いに位相が９０度ずれた２信号が必要になる。この場合、発振器の出力信号から分波用高周波信号を生成する９０度分配器を設けてその出力信号を分波器に供給する高周波加速装置、あるいは発振器自体で分波用高周波信号を発生し分波器に供給する高周波加速装置が適用できる。なお、９０度分配器は、入力信号を同相及び９０度ずれた２信号に分配して出力する高周波機器である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関する実施例を説明する。
【００２６】
（実施例１）
図６に本発明の第１の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
【００２７】
図６において、高周波加速装置１６０は、基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号を発生する発振器１、発振器の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その複数の周波数の出力信号を合成する合成器４、合成波信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタの出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ａ、分波器８ａの出力信号の振幅と位相を検出する振幅検出器９と位相検出器１１、振幅検出器と位相検出器の出力信号をそれぞれ設定値と比較して振幅調整器２と位相調整器３に制御信号を出力する比較器１０とから構成される。
【００２８】
また、環状型加速器を周回する荷電粒子ビームの電荷密度を検出するビームモニタ１３、ビームモニタの出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ｂとを設け、その分波器８ｂの出力信号を位相検出器１１の位相基準信号として用いる。
【００２９】
分波器８ａ、８ｂで精度よく基本波信号及び各高調波信号を分離するため、分波器８ａ、８ｂでの信号処理にヘテロダイン検波方式あるいは複素信号処理方式を用いる。信号変換器１４では発振器１の出力信号から分波器での信号処理に必要な高周波信号を生成し、分波器８ａ、８ｂに出力する。
【００３０】
以下、ヘテロダイン検波方式と複素信号処理方式について簡単に説明する。
【００３１】
ヘテロダイン検波方式では、信号変換器１４として周波数変換器を用いる。例えば、加速周波数の基本波信号が０．５−５ＭＨｚ、２倍高調波信号が１−１０ＭＨｚ、３倍高調波信号が１．５−１５ＭＨｚの場合を想定する。分波器８ａ、８ｂでの信号処理で各周波数帯域の高周波信号を一定周波数５０ＭＨｚに変換する場合、周波数変換器１４ではそれぞれ５０ＭＨｚだけずれた周波数である５０．５−５５ＭＨｚ、５１−６０ＭＨｚ、５１．５−６５ＭＨｚの高周波信号を生成する必要がある。
【００３２】
電圧モニタ７から分波器８ａへの入力信号はこれらの高周波信号とのミキシングで、それぞれ分離した５０ＭＨｚの高周波信号に変換できる（図１４参照）。５０ＭＨｚの各高周波信号はそれぞれ電圧モニタでの検出信号の基本波信号、２倍高調波信号、３倍高調波信号の振幅と位相の情報を有している。
【００３３】
一定周波数の高周波信号に変換した後の信号処理は容易であり、同期検波方式や包絡線検波方式を用いた振幅検出器９でそれそれの振幅を検出できる。また、バンチビームに対する加速電圧の位相を検出するため、ビームモニタ信号を同様に分波器８ｂで信号処理し、位相検出器１１では各周波数成分ごとに（電圧モニタ信号の位相）−（ビームモニタ信号の位相）を演算する。
【００３４】
一方、複素信号処理方式では、発振器１の出力信号を入力しその位相に対して同相及び９０度だけずれた位相の２つの高周波信号に分配する９０度分配器１４を設け、その９０度分配器の出力信号を分波器８での信号処理に用いる。すなわち、図１５に示すように、基本波と高調波のそれぞれの周波数において互いに位相が９０度ずれた２信号が必要になる。図６では簡略化のため各周波数成分ごとに１本の信号線で示しているが、実際は互いに位相が９０度ずれた２信号が９０度分配器１４から分波器８に伝送される。
【００３５】
電圧モニタ７から分波器８ａへの入力信号は互いに位相が９０度ずれた２信号とのミキシングで、各周波数成分ごとに正弦波成分と余弦波成分に直交分解できる。直交分解された２信号の絶対値（各振幅値の２乗和の平方根）はその周波数成分の振幅を表し、振幅検出器９では各周波数成分ごとに上記演算を実施する。一方、直交分解された２信号の振幅値の比はその周波数成分の位相を表す。バンチビームに対する加速電圧の位相を検出するため、ビームモニタ信号を同様に分波器８ｂで信号処理し、位相検出器１１では各周波数成分ごとに（電圧モニタ信号の位相）−（ビームモニタ信号の位相）を演算する。
【００３６】
次に、加速電圧の振幅と位相に関するフィードバック制御について、図１８を用いて原理を説明する。なお、基本波成分と複数の高調波成分が本発明の分波器で完全に分離でき、それぞれ独立に制御可能なので、図１８では一周波数成分についてのみ概念を示している。
【００３７】
比較器１０の振幅と位相の設定値は、加速空胴に発生する電圧の振幅と位相がそれぞれ設計値と一致するように与えられる。図１８（ａ）に示すように何らかの外乱で振幅と位相が設計値からずれると、その誤差を補正するように比較器１０の出力信号は振幅調整器２と位相調整器３を駆動する。そのフィードバックにより発振器１の出力信号の振幅と位相は調整され、加速空胴に発生する電圧の振幅と位相の誤差は瞬時に修正される。
【００３８】
図１８（ｂ）に振幅と位相に関するブロックダイアグラムを示している。例えば、外乱として電力増幅器５での利得や位相の温度ドリフト、周回ビームが加速空胴６に誘起する高周波電圧がある。外乱で加速空胴６に発生する電圧の振幅が低下しようとすると、振幅調整器２での利得が上がり自動的に補正される。同様に、外乱で加速空胴６に発生する電圧の位相が遅れようとすると、位相調整器３での位相が進み自動的に補正される。
【００３９】
本実施例では、分波器８ａ、８ｂでの信号処理にヘテロダイン検波方式あるいは複素信号処理方式を用いることで、環状型加速器として加速周波数の変化が大きいシンクロトロンにも適用できる。また、加速電圧の振幅と位相の両者をフィードバック制御することで、加速空胴６に発生する電圧波形（基本波成分＋高調波成分）をより精度良く安定に調整できる。
【００４０】
（実施例２）
図１に本発明の第２の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図１において、高周波加速装置１１０は、基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号を発生する発振器１、発振器１の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その出力信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器５の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴６に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタ７の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８、分波器８の出力信号の振幅を検出する振幅検出器９、振幅検出器９の出力信号を設定値と比較して振幅調整器２に制御信号を出力する比較器１０とから構成される。
【００４１】
本実施例の分波器８としては、例えば、各周波数成分ごとの帯域通過フィルタを用いることができる。ただし、この場合は基本波信号と高調波信号の各周波数帯域が分離されていることが必要条件である。したがって、環状型加速器が蓄積リングや加速周波数の変化が小さいシンクロトロンの場合に適用できる。例えば、基本波信号の周波数帯域が１．８−２．２ＭＨｚ、２倍高調波信号の周波数帯域が３．６−４．４ＭＨｚ、３倍高調波信号の周波数帯域が５．４−６．６ＭＨｚの場合には、分波器として（中心周波数±帯域幅）がそれぞれ（２±０．６）ＭＨｚ、（４±０．８）ＭＨｚ、（６±１）ＭＨｚの帯域通過フィルタが採用できる。
【００４２】
（実施例３）
図２に本発明の第３の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図２において、高周波加速装置１２０は、基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号を発生する発振器１、発振器１の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その出力信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器５の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴６に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタ７の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８、分波器８の出力信号の位相を検出する位相検出器１１、位相検出器１１の出力信号を設定値と比較して位相調整器３に制御信号を出力する比較器１０とから構成される。
【００４３】
本実施例では、発振器１の出力信号を入力し各周波数成分ごとの位相基準信号を生成する移相器１２を設け、位相検出器１１ではその位相基準信号を用いて各周波数成分ごとに加速電圧の位相を測定している。これにより簡単なシステムで位相検出器１１を動作させることができる。
【００４４】
また、図１に示す第２の実施例と同様に本実施例の分波器８として、例えば、各周波数成分ごとの帯域通過フィルタを用いることができ、環状型加速器が蓄積リングや加速周波数の変化が小さいシンクロトロンに適用できる。
【００４５】
（実施例４）
図３に本発明の第４の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図３において、高周波加速装置１３０は、基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号を発生する発振器１、発振器１の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その出力信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器５の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴６に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタ７の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８、分波器８の出力信号の振幅と位相を検出する振幅検出器９と位相検出器１１、振幅検出器９と位相検出器１１の出力信号をそれぞれ設定値と比較して振幅調整器２と位相調整器３に制御信号を出力する比較器１０とから構成される。
【００４６】
本実施例では振幅と位相の両者をフィードバック制御することで、加速空胴６に発生する電圧波形をより精度良く安定に調整できる。図１に示す第２の実施例と同様に本実施例の分波器８として、例えば、各周波数成分ごとの帯域通過フィルタを用いることができ、環状型加速器が蓄積リングや加速周波数の変化が小さいシンクロトロンに適用できる。また、図２に示す第３の実施例と同様に本実施例では、発振器１の出力信号を入力し各周波数成分ごとの位相基準信号を生成する移相器１２を設け、位相検出器１１ではその位相基準信号を用いて各周波数成分ごとに加速電圧の位相を測定している。これにより簡単なシステムで位相検出器を動作させることができる。
【００４７】
（実施例５）
図４に本発明の第５の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図４において、高周波加速装置１４０は図３に示す第４の実施例の構成に加え、環状型加速器を周回する荷電粒子ビームの電荷密度を検出するビームモニタ１３、ビームモニタの出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ｂとを設け、その分波器分波器８ｂの出力信号を位相検出器１１の位相基準信号として用いる。
【００４８】
本実施例では図３に示す第４の実施例と同様に振幅と位相の両者をフィードバック制御することで、加速空胴６に発生する電圧波形をより精度良く安定に調整できる。特に本実施例では、ビームモニタ１３の出力信号を位相検出器１１の位相基準信号に用いることで、環状型加速器を周回する実際のバンチビームに対する加速電圧の位相を精度よく検出できる。
【００４９】
（実施例６）
図５に本発明の第６の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図５の第６の実施例における高周波加速装置１５０は、図１の第２の実施例の構成に加え、発振器１の出力信号を入力しその周波数に対して一定周波数だけずれた周波数の高周波信号を生成する周波数変換器１４を設け、その周波数変換器１４の出力信号を分波器８での信号処理に用いている。本実施例は、分波器８での信号処理にヘテロダイン方式を用い、加速電圧の振幅のフィードバック制御を実施する場合である。
【００５０】
本実施例は環状型加速器として、加速周波数の変化が大きいシンクロトロンにも適用できる。例えば、加速周波数の基本波信号が０．５−５ＭＨｚ、２倍高調波信号が１−１０ＭＨｚ、３倍高調波信号が１．５−１５ＭＨｚの場合を想定する。分波器８での信号処理で各周波数帯域の高周波信号を５０ＭＨｚに変換する場合、周波数変換器１４ではそれぞれ５０ＭＨｚだけずれた周波数である５０．５−５５ＭＨｚ、５１−６０ＭＨｚ、５１．５−６５ＭＨｚの高周波信号を生成する必要がある。
【００５１】
電圧モニタ７から分波器８への入力信号はこれらの高周波信号とのミキシングで、それぞれ分離した５０ＭＨｚの高周波信号に変換できる。５０ＭＨｚの各高周波信号はそれぞれ電圧モニタ７での検出信号の基本波信号、２倍高調波信号、３倍高調波信号の振幅と位相の情報を有している。一定周波数の高周波信号に変換した後の信号処理は容易であり、同期検波方式や包絡線検波方式を用いた振幅検出器９でそれそれの振幅を検出できる。
【００５２】
（実施例７）
図７に本発明の第７の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図７において、高周波加速装置１７０は、分波器８での信号処理に必要な周波数の高周波信号を発生する発振器１、発振器１の出力信号から基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号を生成する周波数変換器１５、周波数変換器１５の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その出力信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器５の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴６に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタ７の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ａ、分波器８ａの出力信号の振幅と位相を検出する振幅検出器９と位相検出器１１、振幅検出器９と位相検出器１１の出力信号をそれぞれ設定値と比較して振幅調整器２と位相調整器３に制御信号を出力する比較器１０とから構成され、発振器１の出力信号を分波器８ａ、に入力しヘテロダイン方式の信号処理を実施する。
【００５３】
また、本実施例では図４に示す第５の実施例と同様に、環状型加速器を周回する荷電粒子ビームの電荷密度を検出するビームモニタ１３、ビームモニタ１３の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ｂとを設け、その分波器８ｂの出力信号を位相検出器１１の位相基準信号として用いている。
【００５４】
本実施例では振幅と位相の両者をフィードバック制御することで、加速空胴６に発生する電圧波形をより精度良く安定に調整できる。
【００５５】
また、第１の実施例（図１）、第６の実施例（図５）と同様に環状型加速器として、加速周波数の変化が大きいシンクロトロンにも適用できる。例えば、加速周波数の基本波信号が０．５−５ＭＨｚ、２倍高調波信号が１−１０ＭＨｚ、３倍高調波信号が１．５−１５ＭＨｚの場合を想定する。分波器８での信号処理で各周波数帯域の高周波信号を５０ＭＨｚに変換する場合、発振器１ではそれぞれ５０ＭＨｚだけずれた周波数である５０．５−５５ＭＨｚ、５１−６０ＭＨｚ、５１．５−６５ＭＨｚの高周波信号を発生する必要がある。
【００５６】
電圧モニタ７から分波器８ａへの入力信号はこれらの高周波信号とのミキシングで、それぞれ分離した５０ＭＨｚの高周波信号に変換できる。５０ＭＨｚの各高周波信号はそれぞれ電圧モニタでの検出信号の基本波信号、２倍高調波信号、３倍高調波信号の振幅と位相の情報を有している。一定周波数の高周波信号に変換した後の信号処理は容易であり、同期検波方式や包絡線検波方式を用いた振幅検出器９でそれそれの振幅を検出できる。
【００５７】
一方、バンチビームに対する加速電圧の位相を検出するため、ビームモニタ信号を同様に分波器８ｂで信号処理し、位相検出器１１では各周波数成分ごとに（電圧モニタ信号の位相）−（ビームモニタ信号の位相）を検出する。図５に示す第６の実施例と比較して、本実施例の発振器１は発振周波数が高くなるため高価となるが、周波数変換器１５に関しては高域から低域に周波数変換する本実施例のほうが製作は容易である。
【００５８】
（実施例８）
図８に本発明の第８の実施例である高周波加速装置の構成を示す。
図８において、高周波加速装置１８０は、基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号と分波器８での信号処理に必要な高周波信号を発生する発振器１、発振器１の出力信号の振幅と位相を制御する振幅調整器２と位相調整器３、その出力信号を増幅する電力増幅器５、電力増幅器５の高周波電力を入力し高周波電圧を発生する広帯域動作の加速空胴６、加速空胴６に発生した高周波電圧を検出する電圧モニタ７、電圧モニタ７の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ａ、分波器８ａの出力信号の振幅と位相を検出する振幅検出器９と位相検出器１１、振幅検出器９と位相検出器１１の出力信号をそれぞれ設定値と比較して振幅調整器２と位相調整器３に制御信号を出力する比較器１０とから構成され、発振器１の出力信号を分波器８ａに入力しヘテロダイン方式あるいは複素信号処理方式の信号処理を実施する。
【００５９】
また、本実施例では図４に示す第５の実施例と同様に、環状型加速器を周回する荷電粒子ビームの電荷密度を検出するビームモニタ１３、ビームモニタ１３の出力信号を基本波信号及びその整数倍の周波数の高調波信号に分離する分波器８ｂとを設け、その分波器８ｂの出力信号を位相検出器１１の位相基準信号として用いている。
【００６０】
分波器８での信号処理がヘテロダイン方式の場合、発振器１では分波器での信号処理に必要な周波数の高周波信号を別途発生する必要がある。一方、分波器８での信号処理が複素信号処理方式の場合、発振器１では基本波と高調波のそれぞれの周波数において互いに位相が９０度ずれた２信号を発生する必要がある。デジタル発振器には互いに位相が９０度ずれた正弦波信号と余弦波信号の２信号が出力可能なものがあり、それを採用することができる。なお、分波器８、振幅検出器９、位相検出器１１での信号処理は実施例１、実施例６、実施例７に記載したことと同様である。
【００６１】
（実施例９）
図９に本発明の第９の実施例である環状型加速器の構成を示す。
図９において、環状型加速器３１０は、荷電粒子ビームを発生する前段加速器２０１、荷電粒子ビームを入射する入射器２０２、荷電粒子ビームが内部を周回する真空ダクト２０３、荷電粒子ビームを偏向し周回させる偏向電磁石２０４、荷電粒子ビームを収束させる四極電磁石２０５、荷電粒子ビームを集群し加速する高周波加速装置２０６、荷電粒子ビームを出射する出射器２０７、偏向電磁石の磁場強度に対応した設定データを高周波加速装置２０６に出力する制御装置２０８とから構成される。
【００６２】
本実施例では環状型加速器に加速空胴６を１台設置している。加速空胴６の１台当たりの高周波電圧は１−２０ｋＶであり、蓄積リングや入射・捕獲・加速・出射の運転サイクルが数Ｈｚ以下の小型シンクロトロンではこれで十分である。医療用イオンシンクロトロンは後者の例である。
【００６３】
加速空胴６を１台設置した高周波加速装置として、蓄積リングや加速周波数の変化が小さいシンクロトロンの場合には実施例１乃至実施例８に記載の高周波加速装置１１０〜１８０が適用できる。一方、加速周波数の変化が大きいシンクロトロンの場合には実施例１、実施例６乃至実施例８に記載の高周波加速装置１５０〜１８０が適用できる。
【００６４】
本実施例では偏向電磁石２０４の磁場強度を検出し、制御装置２０８は偏向電磁石の磁場強度に対応した設定データを高周波加速装置２０６に出力する。設定データとしては基本波信号とその高調波信号の周波数、振幅、位相の設定値が含まれ、それぞれ発振器１、振幅調整器２、位相調整器３に転送される。ただし、フィードバック制御する制御量に関しては設定値を比較器１０に転送する。
【００６５】
シンクロトロンの運転サイクル（入射・捕獲・加速・出射）における設定データの例を図１１に示す。
【００６６】
空間電荷効果が大きい低エネルギー領域（捕獲・加速初期）において、基本波加速電圧に重畳して２倍高調波電圧と３倍高調波電圧を加速空胴に印加する。振幅値の比として１：１：０．４程度で空間電荷効果を緩和するために最適な電圧波形を生成できる。２倍高調波電圧と３倍高調波電圧の位相は周回するバンチビームに対して０度に維持し、正味加速・減速しないように設定する。
【００６７】
一方、基本波加速電圧の振幅と位相は入射ビームを効率良く捕獲し加速できるように設定する。本実施例では検出した偏向電磁石の磁場強度に対応して制御装置２０８から高周波加速装置２０６に設定データを転送しているが、制御装置２０８の内部クロックに同期して設定データを時系列に高周波加速装置に転送する運転も可能である。
【００６８】
（実施例１０）
図１０に本発明の第１０の実施例である環状型加速器の構成を示す。
図１０に示す実施例の環状型加速器３２０の構成は基本的には実施例９と同様であるが、環状型加速器３２０に加速空胴６を複数台設置し高い加速電圧を実現している。例えば、入射・捕獲・加速・出射の運転サイクルが１０Ｈｚ以上の物理研究を目的とした大型シンクロトロンがこれに当てはまる。
【００６９】
複数台の加速空胴６が発生する高周波電圧に対して周回ビームが最大加速電圧を受けるためには、加速空胴６の設置位置に応じて高周波電圧の位相を設定する必要がある。制御装置２０８は実施例９と同様に、各高周波加速装置２０６ａ、２０６ｂに設定データとして基本波信号とその高調波信号の周波数、振幅、位相の設定値を出力する。
【００７０】
本実施例では別途加速空胴６の設置位置に応じた位相を位相調整器３の初期設定値として出力する。位相調整器３の設定値は加速空胴６に発生する高周波電圧の位相を検出してフィードバック制御により補正する。本実施例では高周波加速装置の低コスト化と位相制御の容易さを考慮し、各高周波加速装置２０６ａ、２０６ｂで１台の発振器を共有している。
【００７１】
以上のようにして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するのであるが、加速空胴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、分波手段により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胴に加える高周波電圧波形をフィードバック制御しているので加速空胴の電圧波形を高精度で制御できる。
【００７２】
また、本発明の高周波加速装置では、１台の加速空胴に基本波加速電圧とその高調波電圧を高精度で重畳でき、かつ、安定に周回ビームの空間電荷効果を緩和できる。したがって、本発明の高周波加速装置を用いた環状型加速器では、リングの大型化やコスト高を招くことなく、大強度で低エネルギーのイオンビームを効率良く捕獲し安定に加速できる。特に、本発明の環状型加速器は医療用に好適であり、前段加速器を含む加速器システムの小型化と低コスト化、出射ビームの安定かつ大強度化が実現できる。
【００７３】
なお、上述の実施例１から１０では高調波として２倍高調波と３倍高調波を用いる場合を例として示したが、実際は任意次数の高調波を任意に組み合わせてもよい。また、必ずしも全ての周波数成分について振幅と位相をフィードバック制御する必要はなく、どれか１つだけをフィードバック制御するだけでも効果はある。
【００７４】
さらに、フィードバック制御としては必ずしもリアルタイムで実施する必要はなく、環状型加速器の運転サイクル（入射・捕獲・加速・出射）ごとに振幅と位相の補正量を検出し、次の運転サイクルの振幅と位相の設定値にその補正量を反映したり、数回の運転サイクルにわたる平均的な補正量を演算して定期的に振幅と位相の設定値を補正する運転も考えられる。また、実施例１から１０の説明では発振器、振幅調整器、位相調整器と機能ごとに分離して機器構成を記載したが、振幅調整や位相調整の機能を有した発振器を代用してもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、加速空胴に発生する電圧波形から基本波加速電圧とその高調波電圧の振幅と位相を高精度で検出でき、その検出信号に基づき発振器の出力信号の振幅と位相をフィードバック制御することで、加速空胴の電圧波形を高精度で制御できる。これにより、周囲温度による電力増幅器の利得や遅延の変化、周回ビームの強度変化などの外乱を補償し、周回ビームの空間電荷効果を緩和するために最適な電圧波形を安定に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第３の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図３】本発明の第４の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図４】本発明の第５の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図５】本発明の第６の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図６】本発明の第１の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図７】本発明の第７の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図８】本発明の第８の実施例である高周波加速装置の構成を示す図。
【図９】本発明の第９の実施例である環状型加速器の構成を示す図。
【図１０】本発明の第１０の実施例である環状型加速器の構成を示す図。
【図１１】本発明の高周波加速装置を用いた環状型加速器の運転方法を示す図。
【図１２】高調波電圧重畳による空間電荷効果緩和の原理を示す図。
【図１３】加速電圧とバンチビームの各周波数成分の位相関係を示す図。
【図１４】本発明に係わる分波器でのヘテロダイン信号処理方式の原理を示す図。
【図１５】本発明に係わる分波器での複素信号処理方式の原理を示す図。
【図１６】従来技術の高周波加速装置の構成を示す図。
【図１７】従来技術の環状型加速器の構成を示す図。
【図１８】本発明に係わる加速電圧の振幅と位相に関するフィードバック制御の説明図。
【符号の説明】
１…発振器、２…振幅調整器、３…位相調整器、４…合成器、５…電力増幅器、６…加速空胴、７…電圧モニタ、８…分波器、９…振幅検出器、１０…比較器、１１…位相検出器、１２…移相器、１３…ビームモニタ、１４…信号変換器（周波数変換器あるいは９０度分配器）、１５…周波数変換器、１００…従来の高周波加速装置、１１０〜１８０…本発明の高周波加速装置、２０１…前段加速器、２０２…入射器、２０３…真空ダクト、２０４…偏向電磁石、２０５…四極電磁石、２０６…高周波加速装置、２０７…出射器、２０８…制御装置、３００…従来の環状型加速器、３１０〜３２０…本発明の環状型加速器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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