(57)【要約】【課題】  加速高周波電圧の周波数を変えるための複雑な構造を廃止し、かつ大きな電力損失を軽減する。【解決手段】  加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期Ｔrfに対する荷電粒子の回転周期ＴPの比であるハーモニック数Ｎが、荷電粒子が１回転するごとに、整数単位で減少するように加速高周波電圧の振幅を変調する。【選択図】          図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調する振幅変調回路を備えた周回型荷電粒子加速器。
【請求項２】
前記振幅変調回路は、前記ハーモニック数が整数で変化するような加速条件を満たす電圧変調波形を生成する任意波形発生器と、高周波電圧信号の振幅を変調する振幅変調器と、変調された高周波電圧信号を増幅して加速器の加速空洞に供給する増幅器と、前記加速空洞に発生した高周波電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された高周波電圧の波形と前記電圧変調波形とを比較して両波形が等しくなるように前記振幅変調器を制御する作動増幅器を備えた請求項１に記載の周回型荷電粒子加速器。
【請求項３】
周回型荷電粒子加速器における荷電粒子の加速方法において、加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調する加速方法。
【請求項４】
荷電粒子の回転周期が短くなるにつれて前記ハーモニック数が整数単位で減少するように加速高周波電圧の振幅を変調する請求項３に記載の加速方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子加速器に関し、特に、周回軌道型荷電粒子加速器及びその加速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在世界で稼働している荷電粒子加速器をその加速方式によって分類すると、高周波加速器と直流高圧加速器に大きく分けられる。またその形状で分類すると、直線型加速器と円形加速器に分けられる。円形加速器はさらに粒子の軌道によって周回軌道型と螺旋軌道型に分類できる。さらに加速周波数を変調するかしないかによってもその構造は異なる。本発明は、周回軌道型荷電粒子加速器すなわちイオンシンクロトロンに関するものである。
【０００３】
イオンシンクロトロンでは、図１に示されるように一定の軌道１１を荷電粒子が周回する。図１において、１２は荷電粒子を一定の周回軌道上に維持するための偏向磁石、１３は荷電粒子に高周波電界を加えて加速する高周波加速空洞である。Ｏは粒子軌道１１の軌道中心で、Ｒは粒子軌道１１の平均半径すなわち平均軌道半径である。
【０００４】
荷電粒子が粒子軌道１１上を周回する時、粒子の運動エネルギーＥp（ジュール）と粒子軌道上の平均磁束密度Ｂには（１）式の関係が成り立っている。
eｃＢＲ＝（Ｅp（Ｅp＋２ｍ0ｃ2））1/2              （１）
ここで、ｅはイオンの電荷（クーロン）、ｃは光の速度（約３×１０8ｍ／秒）、Ｂは軌道上の平均磁束密度（テスラ）、ｍ0はイオンの静止質量（ｋｇ）である。
【０００５】
そして、Ｒは平均軌道半径（ｍ）であり、粒子軌道の１回転の長さをＬとした場合、
Ｌ＝２πＲ                                        （２）
で与えられる。従って軌道を一定に保つためにはエネルギーの増加につれて軌道上の平均磁場を増加させる必要がある。
【０００６】
そしてこの時の粒子の回転周期Ｔp（秒）は（３）式で与えられる。
Ｔp＝Ｌ／ｖ＝２πＲ／ｖ＝２πｍ／ｅＢ              （３）
ここで、πは円周率、ｍはイオンの質量（ｋｇ）、ｖはイオンの速度（ｍ／秒）である。
【０００７】
相対論によれば、質量ｍは、静止質量ｍ0と異なり、速度とともに、（４）式のように変化する。
ｍ＝ｍ0／（１−（ｖ／ｃ）2）1/2                      （４）
【０００８】
従って、（３）式は、次のように書き表される。
Ｔp＝２πｍ0／ｅＢ（１−（ｖ／ｃ）2）1/2            （５）
【０００９】
従って、粒子のエネルギーが増加するにつれてすなわち速度が速くなるのにつれて、粒子の周回周期が短くなるので、粒子を加速する高周波の周期も図２に示すように徐々に短くしなければならない。図２は、電圧を縦軸にし時間を横軸とした加速高周波電圧の波形図である。加速高周波の周期（Ｔrf）と粒子回転周期（Ｔp）の比は、ハーモニック数Ｎと呼ばれ次式で与えられる。
Ｎ＝Ｔp／Ｔrf                                      （６）
【００１０】
図２の加速高周波電圧では、常にＮ＝２であり、加速高周波の周期（Ｔrf）と粒子回転周期（Ｔp）とが、この関係を維持するように、加速高周波の周波数が変調される。そこで、加速粒子の位相は、加速高周波電圧の位相と一定の関係に維持される。
【００１１】
しかしながら、粒子を加速する加速空洞は図３に示すように高周波の共振回路の一部になっている。図３の（ａ）は、加速空洞の断面を示したもので、図３の（ｂ）は、（ａ）に示す加速空洞の集中定数回路表示である。図３の（ａ）に示されるように、加速空洞は、内導体３１と外導体３２で構成される一対の導体部分を、加速ギャップ３３を隔てて配置することにより形成されている。図３の（ｂ）に示されるように、内外導体３１、３２は、抵抗ｒとインダクタンスＬを与え、加速ギャップ３３は静電容量Ｃを与える。すなわち、加速空洞は、抵抗ｒ、インダクタンスＬ、静電容量Ｃを有する共振回路を構成する。
【００１２】
この共振回路の共振周波数を変えないで、電源の周波数のみを変えても図４の実線で示すように加速空洞に十分な電圧を発生することはできない。図４は、共振回路（加速空洞）の電圧利得の周波数特性を示したものである。ここでＱはクオリティーファクターと呼ばれ共振回路の特性を示す量であり、Ｑ＝１０の場合を実腺で示し、Ｑ＝２の場合を点線で示している。
【００１３】
上述した共振回路の問題を解決するために、図５に示すように共振回路（加速空洞）内にフェライト等の磁性体（リング状フェライト５１）を入れこの磁性体の透磁率を変えることにより共振周波数そのものを変える方法が採られている。なお磁性体の透磁率を変化させる方法は、磁性体にコイルを巻きこれに流す電流（バイアス電源５２からのバイアス電流５３）を変えることによりなされる。これは磁性体の透磁率が外部磁場によって変化することを利用したものである（非特許文献１参照）。
【００１４】
上述した方法はシンクロトロン開発当初から採用された方法であるが大変複雑である。そこで損失の大きい磁性体を使用することにより共振回路の共振幅を広くする方法も考えられる（図４の点線）。すなわち共振幅を広くすることにより、共振回路の同調をとることをしない方法である。ただしこの方法は共振幅を広くしたことに反比例し、必要電圧を発生するための電力損失が大きくなる欠点がある。
【００１５】
【非特許文献１】亀井亨、木原元央共著、「パリティ物理学コース  加速器科学」丸善株式会社、平成５年９月２０日  Ｐ．６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、加速高周波電圧の周波数を変えるための複雑な構造を廃止し、かつ大きな電力損失を軽減するための新規な周回型荷電粒子加速器及びその加速方法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】
【００１７】
本発明によれば、加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調する振幅変調回路を備えた周回型荷電粒子加速器が提供される。
【００１８】
本発明によれば、前記振幅変調回路は、前記ハーモニック数が整数で変化するような加速条件を満たす電圧変調波形を生成する任意波形発生器と、高周波電圧信号の振幅を変調する振幅変調器と、変調された高周波電圧信号を増幅して加速器の加速空洞に供給する増幅器と、前記加速空洞に発生した高周波電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された高周波電圧の波形と前記電圧変調波形とを比較して両波形が等しくなるように前記振幅変調器を制御する作動増幅器を備えることが好ましい。
【００１９】
本発明によれば、周回型荷電粒子加速器における荷電粒子の加速方法において、加速高周波電圧の周波数を固定し、加速高周波周期に対する荷電粒子の回転周期の比であるハーモニック数が整数で変化するように加速高周波電圧の振幅を変調する加速方法が提供される。
【００２０】
本発明によれば、荷電粒子の回転周期が短くなるにつれて前記ハーモニック数が整数単位で減少するように加速高周波電圧の振幅を変調するようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、加速空胴の共振周波数を変えるための複雑な構造や磁性体を必要としない。その結果、加速空胴のＱ値すなわちクオリティーファクターが高くなり加速のための電力損失を大幅に減らすことができる。さらに損失が減った分加速電圧を上げることができ、加速ビーム取り出しの周期を大幅に短くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の基本原理は、加速粒子が一回転するごとに、加速高周波の周波数を変調する代わりに、ハーモニック数Ｎを整数単位で減少させる方法であり、式で書けば
ΔＴp＝ｋＴrf                                  (７)
となるよう加速電圧の振幅を変調する方法である。ここでΔＴpは一回転ごとの加速粒子の周期の減少量、ｋは任意の整数である。
【００２３】
例えば、ｋ＝１の場合には、図６に示されるように、加速高周波の周波数を固定して、加速粒子の位相が高周波の位相を２πずつ飛び越えて行くように加速電圧を変調している。言い換えれば、加速粒子が一回転するごとに、すなわち、一回転周期ごとに、ハーモニック数Ｎが７から４へと１つづつ減少している。なお、図６は、本発明の基本原理を簡単に示すもので、実際のハーモニック数Ｎは、後述する実施例の説明にあるようにはるかに大きい数である。
【００２４】
図７は、ｋ＝１の場合における粒子回転数と粒子回転周期Ｔpの関係を示している。図７に示されているように、本発明では、式（７）の関係を満たすように加速電圧の振幅を変調するので、粒子回転周期Ｔpは粒子回転数の増加に伴って直線的に減少する。すなわち、ｋ＝１の場合には、ΔＴp＝Ｔrfとなり、一回転ごとの粒子回転周期の減少量ΔＴpが高周波周期Ｔrfに等しくなり、粒子回転数が１回づつ増すごとに、粒子回転周期Ｔpが一高周波周期Ｔrfづつ短くなっている。これに対して、従来の加速方法では、粒子の回転周期は、本発明のように直線的に減少せず、イオンシンクロトロンの磁場に依存して緩やかな曲線を描く。
【００２５】
実際の加速器の設計に於いては、加速電圧を時間と共にどのように変調するかは式（１）、（５）を用いて式（７）を満たす加速条件を計算する必要がある。その一例として図１のイオンシンクロトロンの例を図８に示す。ここで各パラメータは以下の通りである。
平均軌道半径：１３．５ｍ
加速イオン：炭素１２の＋６荷イオン
入射エネルギー：４０ＭｅＶ／核子
取り出しエネルギー：３８８ＭｅＶ／核子
入射時粒子回転周期：１μｓ
加速高周波周期：０．５ｎｓ
【００２６】
この例では、入射時粒子回転周期が１μｓであり、加速高周波周期が０．５ｎｓであるので、入射時のハーモニック数Ｎは、２０００となる。粒子回転周期Ｔpは粒子回転数の増加に伴って、式（７）の加速条件を満たしながら、図７に示すように直線的に減少する。従って、加速電圧Ｖは、加速が進むにつれて、磁場Ｂの増加の割合に比べて急峻に増大する。それに伴って、エネルギーＥも大きく増大する。
【００２７】
なおこれは一例を示したものであり、様々なイオン及び加速エネルギーに対し、本発明の方法を適用できる。
【００２８】
以上述べた振幅変調を実現する一つの方法として、図９に示すような振幅変調回路がある。この振幅変調回路では、信号発生器９１より生成された高周波信号は振幅変調器９２で変調され、そして前段増幅器９３と終段増幅器９４で必要な電力まで増幅され、インピーダンス変換器９５を通して加速空胴９６に供給される。一方任意波形発生器９７は先に述べた加速条件を満たす電圧変調波形を生成する。また加速空胴９６に発生した高周波加速電圧は電圧ピックアップ９７で検出され整流器９８で直流電圧に変換される。任意波形生成器９７の任意波形と、整流された加速電圧波形とが差動増幅器９９に送られ、比較される。そして差動増幅器９９は加速電圧波形が任意波形と等しくなるよう振幅変調器９２を制御する。また電圧ピックアップ９７からの高周波信号は信号分割器１００によりオッシロスコープ１０１にも分割電送され直接観測される。なお、電圧ピックアップ９７は、本発明の電圧検出器を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】イオンシンクロトロンの簡単な平面図と加速粒子軌道を示す図である。
【図２】イオンシンクロトロンの加速高周波周期と粒子回転周期との関係を示す図である。
【図３】（ａ）は加速空胴の断面図、（ｂ）は（ａ）の加速空胴の集中定数回路表示を示す図である。
【図４】共振回路の電圧利得の周波数特性を示す図ある。
【図５】従来のイオンシンクロトロンの加速空胴共振周波数可変方法の例を示す図である。
【図６】本発明の加速原理を示す図である。
【図７】粒子回転数と粒子回転周期の関係を示す図である。
【図８】イオンシンクロトロン用磁場を使った場合の本発明に於ける磁場（ガウス）、加速電圧（ｋＶ）、粒子エネルギー（ＭｅＶ／核子）の時間変化の一例を示す図である。
【図９】本発明の加速空胴振幅変調回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１１  粒子加速軌道
１２  偏向磁石
１３  高周波加速空洞
３１  内導体
３２  外導体
３３  加速ギャップ
５１  リング状フェライト
５２  バイアス電源
５３  バイアス電流
９１  信号発生器
９２  振幅変調器
９３  前段増幅器
９４  終段増幅器
９５  インピーダンス変換器
９６  加速空洞
９７  電圧ピックアップ
９８  整流器
１００  信号分割器
１０１  オシロスコープ
Ｒ  平均軌道半径
Ｏ  軌道中心
ＴP  粒子回転周期
Ｔrf  加速高周波周期
【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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