(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン供給源（１０）を出る粒子を加速するように構成された、少なくとも１つの空洞共振器（３１）を有するＲＦ粒子加速器のための加速器セグメントであって、
−前記イオン供給源（１０）と前記加速器セグメントの前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）との間で、ポテンシャル井戸による静電的な前加速が行われ、
−前記イオン供給源（１０）および前記加速器セグメントが同じ第２の電位（Ｕ０）であり、
前記加速器セグメントの前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）に電極（４１）が取り付けられ、その電極（４１）が前記イオン供給源（１０）に対して第１の電位（Ｕ１）であり、その結果、前記イオン供給源（１０）を出る前記粒子に対して加速するポテンシャル井戸が生成されることを特徴とする加速器セグメント。
【請求項２】
前記電極（４１）が、前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）への入口（ｘ２）にリング電極として構成され、及び前記電極（４１）が前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の入口開口部（３２）を囲むように構成されることを特徴とする請求項１に記載の加速器セグメント。
【請求項３】
前記ポテンシャル井戸、および前記加速器セグメントの動作中に前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）に印加されるＲＦ場が、前記ポテンシャル井戸により、前記粒子の伝播する方向に見たときに前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の前記入口の下流で支配的である減速力が、前記粒子に作用する前記ＲＦ場の同時に存在する加速力によって補償され、前記加速力が前記減速力を上回るように互いに適合されることを特徴とする請求項２に記載の加速器セグメント。
【請求項４】
前記ポテンシャル井戸の最低点が、前記粒子の伝播する方向に見たとき、前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の前記入口（ｘ２）に位置付けられることを特徴とする請求項２または３に記載の加速器セグメント。
【請求項５】
前記電極（４１）が前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の残りの共振器構造体から、環状の絶縁セグメント（４２）によって分離されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の加速器セグメント。
【請求項６】
並列に接続され、かつ前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の動作中、前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の前記残りの共振器構造体に対して前記電極（４１）のＡＣ電圧を抑えるように構成および配置されたコンデンサ（４３）が設けられることを特徴とする請求項１から５の一項に記載の加速器セグメント。
【請求項７】
前記電極（４１）が、前記コンデンサ（４３）を介して前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）の前記残りの共振器構造体に接続されることを特徴とする請求項６に記載の加速器セグメント。
【請求項８】
前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）が、前記粒子の伝播する方向に見たとき、前記ポテンシャル井戸が前記粒子に対する減速効果を有する領域（ｘ２、ｘ３）に位置付けられることを特徴とする請求項１から７の一項に記載の加速器セグメント。
【請求項９】
前記イオン供給源（１０）および前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）が同じ前記第２の電位（Ｕ０）であることを特徴とする請求項１に記載の加速器セグメント。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の加速器セグメントを用いて、前記イオン供給源（１０）を出る前記粒子を加速するための方法であって、前記粒子がポテンシャル井戸を用いて静電的に前加速され、また前記粒子に対する前記ポテンシャル井戸の引きつける作用によって、前記粒子が前記ポテンシャル井戸の最低点を通過した後、再び減速されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記粒子が、前記ポテンシャル井戸全体を通って移動することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ポテンシャル井戸が、前記第１の電位（Ｕ１）にされる電極（４１）によって生成され、一方、少なくとも前記イオン供給源（１０）および前記少なくとも１つの空洞共振器（３１）が、前記第１の電位（Ｕ１）と異なる前記第２の電位（Ｕ０）になることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子をＲＦ粒子加速器の共振器に注入するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なＲＦ粒子加速器は、本質的に、イオン供給源、および多数の空洞共振器を含む加速器セグメントを有する。イオン供給源を出る荷電粒子は、加速器セグメントの第１の空洞共振器に入り、そこからカスケード式に個々の共振器内で加速される。「第１の」空洞共振器とは、ビームの方向または加速の方向に見たときの最初の空洞共振器である。加速器セグメントの共振器または共振器に存在するＲＦ場の必要な同期は、個々の共振器に存在するＲＦ電圧を発生させるＲＦ電圧源を制御する、適切な制御器によって実施される。空洞共振器は、ＲＦ共振器とも呼ばれる。
【０００３】
加速される粒子をＲＦ粒子加速器の加速器セグメントの第１の空洞共振器に注入することによって、そうした粒子加速器の構造はかなり複雑なものになる。ここでの目的は、イオン供給源を出る荷電粒子を、この第１の空洞共振器を通る粒子の飛行時間がＲＦの周期の半分より小さくなるような、したがって、効果的かつ効率的な加速を行うことができるような十分に高い速度で、第１の空洞共振器に注入することである。
【０００４】
典型的なイオン供給源からの荷電粒子の速度がきわめて低いため、例えば以下の措置ａ）およびｂ）が取られる。
ａ）粒子が第１の空洞共振器内へのそれらの入口に達するまでに既に前加速されるように、イオン供給源を加速器構造体に対してある電圧電位まで上昇させる。しかしながら、（通常は空気中での）イオン供給源全体および補助計器の必要な高電圧絶縁によってイオン供給源と加速器構造体の間で可能な電圧がきわめて限られるため、この解決策には限られた効果しかない。通常、高電圧での加速器管の別法は選択することができない。ビーム電流によって負荷される、安定した正確に定められたＤＣ高電圧源も必要である。
ｂ）ビームの方向に見たときの加速器の前部は、後部より低い周波数で動作させるが、それは粒子の初期のより低い速度を考慮したものである。ここで周波数の比は、合理的かつ位相固定になるように選択すべきである。これは、より複雑で高価な制御器に伴うものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ＲＦ粒子加速器のイオン供給源を出る粒子を、十分に高い速度でＲＦ粒子加速器の加速器セグメントの第１の空洞共振器に注入するための１つの選択肢を明示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、独立請求項に示される発明によって実現される。有利な実施形態は、従属請求項から得ることができる。
【０００７】
イオン供給源を出る粒子を加速するように構成された、少なくとも１つの空洞共振器を有するＲＦ粒子加速器のための本発明による加速器セグメントでは、イオン供給源と加速器セグメントの第１の空洞共振器との間で、ポテンシャル井戸による静電的な前加速が行われる。ここで、イオン供給源および加速器セグメント、特に第１の空洞共振器は同じ電位である。
【０００８】
加速器セグメントの第１の空洞共振器に電極が取り付けられ、その電極はイオン供給源に対してある電位であり、その結果、イオン供給源を出る粒子に対して加速するポテンシャル井戸が生成される。
【０００９】
電極は、第１の空洞共振器への入口にリング電極として構成され、特に、電極が第１の空洞共振器の入口開口部を囲むように構成される。この場合の「リング電極」という表現は、必ずしも電極の断面が円形であることを意味する必要はない。他の断面、例えば長方形、楕円形なども可能である。原則として、電極の断面はビームラインの断面に適合させると考えるべきである。
【００１０】
電極は第１の空洞共振器の残りの共振器構造体から、絶縁体によって、好ましくは環状の絶縁セグメントによって分離される。この場合の「環状の」という表現はやはり、必ずしも円形の断面を意味するものではない。理想的には、絶縁体の形状または断面は電極の形状に適合させる。
【００１１】
別法としてまたは追加として、並列に接続され、かつ第１の空洞共振器の動作中、第１の空洞共振器の残りの共振器構造体に対してかなり大きい電極のＡＣ電圧を抑えるように構成および配置されたコンデンサが設けられる。
【００１２】
電極は、このコンデンサを介して第１の空洞共振器の残りの共振器構造体に接続される。
【００１３】
ポテンシャル井戸、および加速器構造体の動作中に第１の空洞共振器に印加されるＲＦ場は、ポテンシャル井戸により、粒子ビームの方向に見たときに第１の空洞共振器の入口の下流で支配的である減速力が、粒子に作用するＲＦ場の同時に存在する加速力によって補償され、この加速力がこの減速力を上回るように互いに適合させる。
【００１４】
第１の空洞共振器は、粒子ビームの方向に見たとき、実質的にポテンシャル井戸が粒子に対する減速効果を有する領域に位置付けられる。
【００１５】
ポテンシャル井戸の最低点は、粒子ビームの方向に見たとき、第１の空洞共振器の入口に位置付けられる。
【００１６】
イオン供給源を出る粒子を加速するように構成された、少なくとも１つの空洞共振器を備えた加速器セグメントを有するＲＦ粒子加速器を用いて、イオン供給源を出る粒子を加速するための本発明による方法では、粒子はポテンシャル井戸を用いて静電的に前加速され、また粒子に対するポテンシャル井戸の引きつける作用によって、粒子がポテンシャル井戸の最低点を通過した後、再び減速される。
【００１７】
粒子は、ポテンシャル井戸全体を通って、すなわち上下に移動する。
【００１８】
ポテンシャル井戸は、第１の電位Ｕｌにされる電極によって生成され、一方、少なくともイオン供給源および第１の空洞共振器は、第１の電位と異なる第２の電位Ｕ０になる。
【００１９】
したがって、本発明は、ポテンシャル井戸を経由する、イオン供給源から加速器セグメントの第１の空洞共振器への静電的な前加速の使用を提案するものである。静電的な前加速をもたらすために、例えば空洞共振器への入口で追加の電極にＤＣ電圧電位を印加することによって、イオン供給源と第１の空洞共振器の間にＤＣ電圧を生じさせる。
【００２０】
したがって、本発明による配置は、第１の空洞共振器の共振器の入口に電位の最低点を有するＤＣ電圧のポテンシャル井戸を構成し、そのポテンシャル井戸が粒子をイオン供給源から離れるように加速し、粒子がある初速度で共振器に入ることを可能にする。
【００２１】
有利には、この場合、イオン供給源と加速器構造体はどちらも同じ電位、好ましくは地電位である。共振器に典型的な加速器の動作に用いられるＲＦ場が存在しない場合には、共振器の出口開口部が供給源と同じ電位を有し、かつ粒子がポテンシャル井戸全体を通過するため、共振器を通過すると、粒子の速度は再びイオン供給源を出るときの粒子の元の低い速度まで減速されることになる。要約すれば、これは有利には以下のことを意味する、すなわち、
ａ）静電ポテンシャル井戸は、粒子の全体的なエネルギーに寄与しない、
ｂ）全体的な加速の効果は、ＲＦ共振器における電圧誘導によってもたらされる、
ｃ）ＤＣ電圧源はビーム電流によって負荷を受けず、したがって、ビーム電流は正確に調節される必要も強力である必要もない。
【００２２】
本発明により、有利には、イオン供給源および加速器構造体、特に第１の空洞共振器の共通の電位によって、完全に、すなわち上方および下方に通じたＤＣ電圧のポテンシャル井戸が利用可能になる。さらに本発明に従って、ＲＦ共振器が減速場領域の領域内に位置付けられる。それに対して、イオン供給源と加速器構造体または共振器との間に異なる電圧が存在する典型的な注入器では、序文で言及したように、電位を下方向に通過させるだけである。
【００２３】
便宜上、第１の空洞共振器に印加されるＲＦ場は、加速段階の間、ＤＣ電圧場の減速力をＲＦ場に同時に存在する加速力によって補償し、この加速力はこの減速力を上回るような十分な強さを有し、したがって、粒子はある特定の速度で第１の空洞共振器を出ることができる。
【００２４】
本発明の他の利点、特徴および詳細は、以下に記載される例示的な実施形態から、また図面の参照によって得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】イオン供給源、および加速電極を備えた第１の空洞共振器を有するＲＦ粒子加速器の細部を示す図である。
【図２】イオン供給源を出る粒子に対する電位プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、イオン供給源１０を有するＲＦ粒子加速器、およびイオン供給源１０から出る粒子ビーム２０を示している。イオン供給源１０の下流には、通常は複数の空洞共振器を有する加速器セグメント３０が、加速方向に、すなわち図１の左から右へ配置される。しかしながら、図１は、部分的な図として、加速器セグメント３０の第１の空洞共振器３１のみを示している。他の空洞共振器の設計は、市販のＲＦ加速器における空洞共振器の設計と異なるものではない。
【００２７】
リング電極として構成され、第１の空洞共振器３１の入口開口部３２を囲む電極４１が、ビームの方向に見たとき、第１の空洞共振器３１の前面に取り付けられる。リング電極４１は、第１の空洞共振器３１の残りの共振器構造体から、理想的には同様に環状の構成である絶縁体４２によって分離される。第１の空洞共振器３１の「残りの共振器構造体」とは、電極４１および絶縁体４２を除く第１の空洞共振器３１のすべての構成要素を意味する。前記絶縁リング４２は、共振器３１の動作中、第１の空洞共振器３１の残りの共振器構造体に対してかなり大きいリング電極４１のＡＣ電圧を抑える。そうしたかなり大きいＡＣ電圧は、例えば共振器におけるＲＦ場への容量結合によって引き起こされる可能性がある。
【００２８】
イオン供給源１０および残りの加速器構造体、特に加速器セグメント３０の空洞共振器は、同じ電位である。例として、こうした構成要素を接地することができる。
【００２９】
同じ目的のために、この絶縁リング４２に加えてまたはそれに換えて、並列に接続され、それを介して電極４１を第１の空洞共振器３１の残りの共振器構造体に接続するコンデンサ４３を使用することができる。電極４１を必要な電位まで上昇させるＤＣ電圧源４４も設けられる。
【００３０】
電極４１は、ＤＣ電圧源４４によってある特定の電位Ｕ１（図２参照）にされ、配置の他の部分は電位Ｕ０になる。ここでＵ１およびＵ０は、イオン供給源１０を出る粒子をリング電極４１の方向に加速するように選択される。したがって、その配置は、共振器の入口に電位の最低点を有するＤＣ電圧のポテンシャル井戸を構成する。イオン供給源１０を出る粒子は、加速されて供給源１０から離れ、ある初速度で共振器３１に入る。
【００３１】
これまでに説明したように、電極４１を除き、イオン供給源１０および加速器セグメント３０は同じ電位Ｕ０である。これによって最終的には、通常の加速器の動作の間、ＲＦ共振器３１および加速器セグメント３０の残りの共振器（図示せず）に印加されるＲＦ場が存在しない場合、共振器３１の出口開口部がイオン供給源１０と同じ電位を有するために、リング電極４１による前加速によって得られた粒子の速度は共振器３１を通過した後に低減され、粒子がイオン供給源１０を出るときに有する初期の低い速度に戻る。したがって、イオン供給源１０を出る粒子の前加速をもたらす静電ポテンシャル井戸は、粒子の全体的なエネルギーに寄与しない。
【００３２】
図２はイオン供給源１０を出る粒子に対する電位プロファイルを示し、破線の曲線は電極４１によるポテンシャル井戸を表している。これまでに言及したように、イオン供給源および加速器構造体または加速器セグメント３０は、共通の電位Ｕ０である。これは、粒子が位置ｘ１でイオン供給源１０を出る電位である。第１の空洞共振器３１は、長手方向に見たとき、位置ｘ２から位置ｘ３まで延びる。リング電極４１に存在する電位Ｕ１のために、イオン供給源１０を出る粒子に対するポテンシャル井戸が生じ、そのポテンシャル井戸は粒子に対する加速作用を有し、また位置ｘ２で最低点を有する。換言すれば、粒子は位置ｘ１と位置ｘ２の間で加速を受ける。電極４１を除き、第１の空洞共振器３１が電位Ｕ０であるため、リング電極４１を通過する粒子は実質的に減速される。
【００３３】
便宜上、第１の空洞共振器３１に存在するＲＦ場は、加速段階の間、すなわちＲＦ共振器３１に生じる電場の向きがビームの方向であるとき、ｘ２とｘ３の間の領域でのポテンシャル井戸の減速力を同時に存在するＲＦ場の加速力によって補償し、この減速力を上回るような十分な強さを有し、その結果、粒子はある特定の速度で第１の空洞共振器を出ることが可能になる。電位Ｕ０、Ｕ１およびＲＦ場は、ＲＦ共振器の加速段階において、ＲＦ場によってもたらされる加速力がポテンシャル井戸によって生じる減速力より大きくなるように、互いに適合させる。
【００３４】
したがって、第１の空洞共振器３１の出口における粒子の速度は、最終的には空洞共振器に存在するＲＦ場のみによって生じ、リング電極４１およびリング電極４１に存在する電位Ｕ１は影響を及ぼさない。
【００３５】
図２は、加速段階におけるＲＦ場の状態を示している。ここで、対応するＲＦのＡＣ電圧ＵＲＦは、振幅Ｕ２を有する。減速段階（ＵＲＦ，ｄｅｃ）と加速段階（ＵＲＦ，ａｃｃ）の両方におけるＲＦのＡＣ電圧ＵＲＦの電位プロファイルが示されている。示される曲線Ｕｐａｒｔｉｃ１ｅ，ｅｆｆは、粒子の運動エネルギーと同義である、加速段階で有効な加速される粒子の電位を示している。
【符号の説明】
【００３６】
１０  イオン供給源
２０  粒子ビーム
３０  加速器セグメント
３１  第１の空洞共振器、ＲＦ共振器、共振器
３２  入口開口部
４１  電極、リング電極
４２  絶縁体、絶縁リング
４３  コンデンサ
４４  ＤＣ電圧源
【図１−２】
0006038778.tif 000002