(57)【要約】【課題】本発明は、全種イオンを任意のエネルギーレベルに同一の加速器で加速できる加速器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は前段加速器により入射されたイオンビーム３に、誘導加速シンクロトロン２に使用される閉込用及び加速用誘導加速セル９、１３によって印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａを、イオンビーム３の通過シグナル７ａ、ｂ、位置シグナル８ａ及びイオンビーム３に印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル９ｅ、１２ｅを基に、閉込用及び加速用デジタル信号処理装置１１ｄ、１４ｄ及び閉込用及び加速用パターン生成器１１ｂ、１４ｂで閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａを生成し、前記閉込用及び加速用誘導加速セル９、１３のオン及びオフを閉込用及び加速用インテリジェント制御装置１１、１４によりフィードバック制御する全種イオン加速器１の構成とした。【選択図】  図３
2006310013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前段加速器により入射されたイオンビームに、誘導加速シンクロトロンに使用される閉込用及び加速用誘導加速セルによって印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間を、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用及び加速用デジタル信号処理装置及び閉込用及び加速用パターン生成器で閉込用及び加速用ゲート信号パターンを生成し、前記閉込用及び加速用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用及び加速用インテリジェント制御装置によりフィードバック制御することを特徴とする全種イオン加速器。
【請求項２】
前段加速器により入射されたイオンビームに、誘導加速シンクロトロンに使用される閉込用及び加速用誘導加速セルによって印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間を、イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用及び加速用デジタル信号処理装置及び閉込用及び加速用パターン生成器で閉込用及び加速用ゲート信号パターンを生成し、前記閉込用及び加速用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用及び加速用インテリジェント制御装置によりフィードバック制御することを特徴とする全種イオン加速器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンを加速する加速器に係り、特に、あらゆる種類のイオンを加速することができる誘導加速シンクロトロンを含む加速器及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで、イオンとは元素の周期表のある種の元素が一定の電価状態にあることをいう。また、全種イオンとは、元素の周期表にある全ての元素であって、前記元素が原理的に取り得る全ての電価状態のことをいう。
【０００３】
加速器は、電子、陽子及びイオンなどの荷電粒子を数百万電子ボルト（数ＭｅＶ）から数兆電子ボルト（数ＴｅＶ）程度の高エネルギー状態に加速する装置であり、加速原理により大別すると高周波加速器と陽子用の誘導加速シンクロトロンがある。
【０００４】
高周波加速器には、加速方法により区別すると、線形加速器、サイクロトロン、高周波シンクロトロンなどがある。さらに高周波加速器の大きさも用途により多種多様であり、大きなエネルギーを得る高周波加速器として原子核・素粒子物理学研究用の大型加速器から、最近では、比較的低エネルギーレベルのイオンビームの供給を行う癌治療専用の小型の高周波シンクロトンまである。
【０００５】
高周波加速器では、荷電粒子の加速のために高周波加速空洞を用いてきた。この高周波加速空洞は、荷電粒子の走行に同期して数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電場を高周波空洞の共鳴振動による励振によって発生させる。この高周波電場によるエネルギーを荷電粒子に供給している。荷電粒子ビームのエネルギー変化に応じて高周波加速器の設計軌道上での周回周波数が増大するので、概ね上記範囲程度で共振周波数を変動させる。
【０００６】
図１０に従来の高周波シンクロトロン複合体一式３４を示した。特に、高周波シンクロトロン３５は、原子核物理・高エネルギー物理の実験に不可欠であった。高周波シンクロトロン３５は、共鳴加速、強収束及び位相安定性の原理により荷電粒子を所定のエネルギーレベルまで高めるための加速器であり、以下の構成よりなる。
【０００７】
従来の高周波シンクロトロン複合体一式３４は、イオン源１６で発生させたイオンを高周波線形加速器１７ｂで光速の数パーセントから数十パンセントの速さまで加速し、高周波線形加速器１７ｂからセプタム電磁石、キッカー電磁石、バンプ電磁石などからなる入射機器１８を用いて後続の環状の高周波シンクロトロン３５に入射する入射装置１５と、所定のエネルギーレベルまで加速する高周波シンクロトロン３５と、所定のエネルギーレベルまで加速されたイオンビーム３を実験装置２１ｂなどが置かれた施設２１ａであるイオンビーム利用ライン２１に取り出す各種電磁石からなる出射機器２０を含む出射装置１９などからなる。各装置間は輸送管１６ａ、１７ａ、２０ａで連結されている。
【０００８】
高周波シンクロトロン３５は高真空状態に保たれた環状の真空ダクト４と、設計軌道に沿ってイオンビーム３を偏向させる偏向電磁石５、真空ダクト４の中のイオンビーム３を水平方向と垂直方向の両方向に強収束を保証するように配置された四極電磁石などの収束電磁石６、真空ダクト４の中のイオンビーム３に対して高周波加速電圧を印加してイオンビーム３を加速する高周波加速空洞３６ａ及び印加高周波を制御する制御装置３６ｂからなる高周波加速装置３６と、真空ダクト４の中のイオンビーム３の位置を測定する全周に渡って分布する位置モニター３５ａ及びこの位置モニター３５ａによって得られたイオンビーム３の位置情報からイオンビーム３の軌道（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｏｒｂｉｔ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎと呼ばれる）を補正するためのステアリング電磁石３５ｂ、イオンビーム３の通過を感知するバンチモニター７などからなる。
【０００９】
上記構成による高周波シンクロトロン複合体一式３４において、高周波線形加速器１７ｂよって一定のエネルギーレベルまで加速、入射されたイオンビーム３は、進行軸方向に一様に連続な電荷密度分布を持って真空ダクト４の内の設計軌道を周回する。このとき高周波加速空洞３６ａに高周波電圧を印加すると、進行方向への収束力により、イオンビーム３は高周波電圧のある位相を中心にして荷電粒子群（以下、バンチという。）を形成する。
【００１０】
その後、イオンビーム３の設計軌道を保持する偏向電磁石５の励磁パターンに同期して、高周波加速空洞３６ａに印加する電圧の周波数を上昇させる。又、バンチ中心の高周波電圧に対する位相を加速位相側にずらすことで、周回するイオンビーム３の運動量が増加する。高周波の周波数はイオンの周回周波数の整数倍の関係にある。
【００１１】
ここで、イオンビーム３の中の荷電粒子の電荷をｅ、運動量をｐ、磁束密度をＢ、磁場での偏向による曲率半径をρとすると、ｐ＝ｅＢρの関係にあることが知られており、また、イオンビーム３を水平方向及び垂直方向へ収束させるための四極電磁石の磁場強度もイオンビーム３の運動量の増加に同期して増加させる。この結果、真空ダクト４の内を周回するイオンビーム３は予め定めた固定の軌道に常に位置する。この軌道のことを設計軌道という。
【００１２】
イオンビーム３の運動量増加率と磁場強度の変化率との間で同期を取る方法としては、偏向電磁石５の磁場強度を磁場測定用サーチコイルで測定し、磁場強度の変化毎に制御クロック（Ｂクロック）を発生し、Ｂクロックを基に高周波の周波数を決定する方法がある。
【００１３】
偏向電磁石５の磁場強度変化と高周波周波数変化の完全な同期が取れないと、イオンビーム３は周回軌道が縮んだり又は膨らんだりして、設計軌道から外れ、真空ダクト４などに衝突して失われる。そこで、運動量ずれを検出する位置モニター８によってイオンビーム３の設計軌道からの変位を測定し、イオンビーム３が設計軌道を周回するために必要な高周波電圧の位相を算出し、適切な位相で高周波加速電圧がバンチ中心に印加するようなフィードバックが働く様なシステム構成になっている。  
【００１４】
この高周波加速電圧によって進行方向への収束力を受けて、個々のイオンはバンチ化し、そのバンチ中をイオンビーム３の進行方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン３５の中を周回する。これは高周波シンクロトロン３５の位相安定性と呼ばれている。
【００１５】
図１１に従来の高周波シンクロトロン３５の高周波によるバンチの閉じ込めと加速の原理（位相安定性）を示した。
【００１６】
高周波シンクロトロン３５における荷電粒子の進行軸方向の閉じ込めとその加速方式では、バンチ３ａを閉じ込めることができる位相空間領域の、特に進行軸方向（時間軸方向）が原理的に制限されることが知られている。具体的には高周波３７が負の電圧になる時間領域ではバンチ３ａは減速され、電圧勾配の極性が異なる時間領域では荷電粒子は進行軸方向に発散し、閉じ込められない。すなわち、概ね点線の間を示す加速電圧３７ａの時間帯しかイオンビーム３の加速に使用することができない。
【００１７】
加速電圧３７ａの時間帯では、バンチ中心３ｂに常に一定の電圧である中心加速電圧３７ｂを印加するように高周波３７を制御することから、バンチ頭部３ｃに位置する粒子は、バンチ中心３ｂよりエネルギーが大きく、より速く高周波加速空洞３６ａに到達するため、バンチ中心３ｂが受ける中心加速電圧３７ｂより小さい頭部加速電圧３７ｃを受け減速する。一方、バンチ尾部３ｄに位置する粒子は、バンチ中心３ｂよりエネルギーが小さく、遅く高周波加速空洞３６ａに到達するため、バンチ中心３ｂが受ける中心加速電圧３７ｂより大きい尾部加速電圧３７ｄを受け加速する。加速中、粒子はこの過程を繰り返す。
【００１８】
加速し得るイオンビーム電流の最大値はビームの進行軸に対して垂直な方向にイオンビーム３自身が作る電磁場に起因する発散力である空間電荷力の大きさによって決まる。加速器内の荷電粒子は収束磁石による力を受けてベータートロン振動と呼ばれる調和振動子と類似の運動をしている。イオンビーム電流がある大きさを超えると荷電粒子のベータートロン振動の振幅が真空ダクト４のサイズまでに達して失われる。これを空間電荷制限と呼ぶ。
【００１９】
厳密には局所電流値すなわち線電流密度の最大値によって制限される。従って特別な工夫をしない限り高周波シンクロトロン３５ではバンチ中心３ｂの密度が最大になり、バンチ中心３ｂと、バンチ頭部３ｃ、バンチ尾部３ｄなどのバンチ外縁での電流密度のアンバランスは避けられない。そしてバンチ中心３ｂの電流密度はこの制限以下でなければならない欠点があった。      
【００２０】
すなわち、高周波加速空洞３６ａの共振周波数ｆｒｆは高周波加速空洞３６ａの電気パラメーター（インダクタンスＬ、容量Ｃ）を用いるとｆｒｆ＝１／４（Ｌ・Ｃ）１／２によって与えられる。ここでインダクタンスは主に高周波加速空洞３６ａに装荷した磁性体の形状（長さｌ、内径ａ、外径ｂ）とその比透磁率μ＊を用いてＬ＝ｌ・（μ０μ＊／２π）ｌｏｇ（ｂ／ａ）で与えられる。
【００２１】
加速と共に周回周波数が変化する粒子周回と同期を取るため常に粒子の周回周波数ｆ０と高周波加速空洞３６ａの共振周波数ｆｒｆは常にｆｒｆ＝ｈｆ０（ｈ：整数）の関係を維持しなくてはならない。これには磁性体をバイアス電流と呼ばれる別付けの電流で励磁することによってＢ−Ｈカーブ上の動作点を移動させ、比透磁率をμ＊を制御することによって実現している。
【００２２】
通常使用される高周波加速空洞３６ａの磁性体であるフェライトでは、最も大きなインダクタスはバイアス電流が０Ａ近傍のときであるが、その動作点で決まる共振周波数が最小の共振周波数となる。
【００２３】
陽子や特定のイオンに限定して設計・建設された高周波シンクロトロン３５では高周波加速空洞３６ａ自身と駆動電源である高周波電力増幅器（三極、或いは四極電力真空管）が持つ有限な周波数の可変幅によって許される範囲でしかイオン種と電価数を選べない
【００２４】
従って、従来の高周波シンクロトロン３５では、一旦加速するイオンの種、加速エネルギーレベル、加速器周長を決定すると、高周波３７の周波数バンド幅が一意に決まる。
【００２５】
図１２に種々のイオンを高エネルギー加速器研究機構（以下、ＫＥＫという。）の５００ＭｅＶブースター陽子シンクロトロン（以下、５００ＭｅＶＰＳという。）で加速する場合の入射から加速終了までの高周波シンクロトロン３５の周回周波数を示した。縦軸が周回周波数（メガヘルツ）、横軸が加速時間（ミリ秒）である。なお、ＫＥＫの５００ＭｅＶＰＳは周長約３５メートルの陽子専用の高周波シンクロトロン３５である。
【００２６】
Ｈ（１，１）、Ｕ（２３８，３９）及びＵ（２８３、５）は、それぞれ、陽子、３９価のウランイオン及び５価のウランイオンを意味し、各々について加速周波数変化をグラフに示した。
【００２７】
図１２の結果から、陽子や軽イオンの加速を目的に作られた高周波シンクロトロン３５ではウラン等の重いイオンを著しく周回周波数の低い低エネルギーレベルから高いエネルギーレベルまで加速することはできないことがわかる。なお、縦の破線両矢印が示す範囲に陽子より重く５価のウランイオンより軽いイオンの周波数変化は存在する。
【００２８】
他方、多種イオンを加速する加速器としてサイクロトロンが昔から使用されてきた。これも高周波シンクロトロン３５と同様に高周波加速空洞３６ａをイオンビーム３の加速装置として使用する。従って、高周波３７を使用する原理的限界から、加速できるイオンの質量番号Ａと電価数Ｚの比であるＺ／Ａがほぼ等しいイオン種と電価状態に限られるという欠点がある。
【００２９】
さらに、イオンビーム３の周回軌道はイオン源１６のある中心部から取り出し軌道となる最外部まで一様な磁場で保持され、必要な磁場は鉄を磁性体とした双極の電磁石で発生させる。しかし、このタイプの電磁石には物理的大きさに限界があるという欠点がある。
【００３０】
従って、これまで建設されたサイクロトロンにおける加速エネルギーの最大値は核子当たり５２０ＭｅＶである。因みに鉄の重量は４０００トンに及ぶ。
【００３１】
そこで、高周波加速器と異なる加速器として、近年、陽子の円形加速器として誘導加速シンクロトロンが提案された。陽子用の誘導加速シンクロトロンとは、上記の高周波シンクロトロン３５の欠点を回避できる加速器である。すなわち、制限電流値以下で線密度を一定に保ったまま、進行軸方向に大幅に陽子を詰め込むことができる加速器である。
【００３２】
陽子用の誘導加速シンクロトロンの特徴は、第１に、誘導加速セルに発生させる正負対の誘導電圧で進行軸方向に陽子ビームを閉じ込め、マイクロ秒オーダーの長大な陽子群（スーパーバンチ）を作ることができる。
【００３３】
第２に別の誘導加速セルに発生させる長い印加時間の誘導電圧で閉じ込められたスーパーバンチを加速することができるというものである。
【００３４】
つまり、従来の高周波シンクロトロン３５が進行軸方向について陽子の閉じ込めと加速を共通の高周波３７で行う機能結合型であるのに対して、誘導加速シンクロトロンは閉じ込めと加速を分離した機能分離型といえる。
【００３５】
陽子の閉じ込めと加速の機能を分離することは、別々の機能を発揮する誘導加速装置によって可能になった。誘導加速装置は、磁性体のコアを持つ１体１のトランスである陽子の閉じ込を専門に行う誘導加速セル及び加速を専門に行う誘導加速セルと、前記各々の誘導加速セルを駆動する各スイッチング電源などからなる。
【００３６】
誘導加速セルに陽子ビームの周回周波数に同期してパルス電圧を発生させる。例えば周長３００メートルクラスの加速器であれば、ＣＷ１ＭＨｚの繰り返しでパルス電圧を発生しなくてはならない。
【００３７】
この陽子用の誘導加速シンクロトロンの直接的応用として、次世代のニュートリノ振動を探査する陽子駆動加速器や衝突型加速器（コライダー）が提案されている。これによれば、従来の高周波シンクロトロン３５で構成される陽子加速器の陽子ビーム強度より４倍程度高い陽子ビーム強度が実現できると予想されている。
【００３８】
誘導加速シンクロトロンを応用した衝突型加速器をスーパーバンチ・ハドロンコライダーと呼ぶ。スーパーバンチを閉じ込め・加速できる誘導加速シンクロトロンの特徴を最大限活かしたスーパーバンチ・ハドロンコライダーでは、従来の高周波３７を使用するシンクロトロンを基礎にした同サイズのコライダーより１桁大きなルミノシティーが期待されている。これは建設費３,０００億円程度のコライダーを１０基建設するのと等価になる。
【００３９】
ここで、誘導加速シンクロトロンの加速原理について説明する。誘導加速セルに極性の異なる誘導電圧を発生させる。バンチ中心３ｂに位置する理想的粒子の運動量より大きい運動量をもった陽子の速度は理想粒子のそれより大きいので前に進む、そしてバンチ頭部３ｃに到る。そこに到ったとき負の誘導電圧で減速され、運動量を減じ、理想粒子のそれより速度が遅くなり、バンチ３ａの後方へ動き出す。これがバンチ尾部３ｄに達すると正の誘導電圧を受け始め、加速される。この結果運動量が理想粒子のそれを越える。加速中、陽子ビームは上記過程を繰り返す。
【００４０】
これは従来から知られている高周波シンクロトロン３５の位相安定性（図１１）と本質的に同じものである。この性質によって陽子はバンチ３ａの形で進行軸方向に閉じ込められる。
【００４１】
しかし、極性の異なる誘導電圧だけでは陽子は加速できない。そこで、別途一様な誘導電圧を印加することのできる誘導加速セルで陽子を加速する。閉じ込めと加速の機能分離の結果、進行軸方向のビームハンドリングの自由度が大幅に増すことが知られており、実証されつつある。
【００４２】
ＣＷ１ＭＨｚの繰り返しで２ｋＶの誘導電圧を発生させる誘導加速装置が完成し、ＫＥＫの１２ＧｅＶ陽子高周波シンクロトロン（以下、１２ＧｅＶＰＳという。）に導入された。なお、１２ＧｅＶＰＳは周長約３４０メートルの陽子専用の高周波シンクロトロン３５である。最近の誘導加速の実験において５００ＭｅＶで入射された陽子ビームを８ＧｅＶまで誘導加速することに成功している。
【非特許文献１】日本物理学会誌  ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．９（２００４）ｐ６０１−ｐ６１０
【非特許文献２】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９４，Ｎｏ．１４４８０１−４（２００５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
しかし、一台の加速器で様々な電価状態にある多種のイオンを加速して、高いエネルギーを得ることはこれまで不可能と考えられていた。
【００４４】
なぜなら、従来の高周波シンクロトロン３５では、加速に用いる空洞共振器としての高周波加速空洞３６ａのクオリィティーファクターが高く、有限なバンド幅の高周波３７しか励起できなかった。従って、その高周波シンクロトロン３５の周長、用いる偏向電磁石５の強さ、使用する高周波３７のバンド幅を決めると、相対論的に速度が大幅に変動する低エネルギー領域では、加速し得るイオンの質量数Ａと電価数Ｚはほぼ一意に決まり、限られたイオンしか加速できなかった。
【００４５】
一方、サイクロトロンでも、加速し得るイオンは高周波３７のバンド幅に対応して、質量数と電価数の比が一定のものに限られている。又、任意のイオンを加速できるバンデグラフ等の静電加速器では機器の耐圧の問題から、加速エネルギーは２０ＭｅＶが限界であった。
【００４６】
また、線形誘導加速器では、数百ＭｅＶ以上のエネルギーを得ることは不可能ではないが、そのコストと線形誘導加速器の物理的サイズは膨大なものになる。１億円／１ＭｅＶ、１メートル／１ＭｅＶが概ね現在得られている線形誘導加速器のパラメーターである。従って、１ＧｅＶのエネルギーのイオンビームを得るには、コストは１,０００億円を要し、加速器全長は１ｋｍになる。
【００４７】
さらに、前記、陽子専用の誘導加速シンクロトロンでは、入射エネルギーが既に十分高エネルギーであり、ほぼ光速度の速さを持った陽子のみの加速しか考慮されていなかった。すなわち、陽子ビームは、前段加速器の加速ですでに、入射直後からほぼ、光速近くまで加速されていることから、陽子を誘導加速シンクロトロンで加速する場合は、誘導加速セルの誘導パルス電圧を一定間隔で発生させればよかった。従って、陽子ビームに印加される誘導電圧の発生タイミングは、加速時間とともに変化することを必要としていなかった。
【００４８】
しかし、全種イオンを一台の誘導加速シンクロトロンで加速する場合は、イオン種によって、誘導電圧の発生タイミングを変動しなければならない。なぜなら、図１２で示したようにイオンの種類によってと周回周波数は大幅に異なるからである。
【００４９】
そこで、本発明は、全種イオンを、使用する電磁石で発生する磁場強度が許す任意のエネルギーレベル（以下、任意のエネルギーレベルという。）に同一の加速器で加速することのできる加速器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
本発明は、上記の課題を解決するために、イオンビーム３の設計軌道４ａが中にある環状の真空ダクト４、前記設計軌道４ａの曲線部に設けられイオンビーム３の円軌道を保持する偏向電磁石５、前記設計軌道４ａの直線部に設けられイオンビーム３の拡散を防止する収束電磁石６、前記真空ダクト４の中に設けられイオンビーム３の通過を感知するバンチモニター７、前記真空ダクト４の中に設けられイオンビーム３の重心位置を感知する位置モニター８、前記真空ダクト４に接続されたイオンビーム３を進行方向に閉じ込めるための誘導電圧を印加する閉込用誘導加速セル１０及び前記閉込用誘導加速セル１０の駆動を制御する閉込用インテリジェント制御装置１１からなる閉込用誘導加速装置９、及び前記真空ダクト４に接続されたイオンビーム３を加速するための誘導電圧を印加する加速用誘導加速セル１３及び前記加速用誘導加速セル１３の駆動を制御する加速用インテリジェント制御装置１４からなる加速用誘導加速装置１２から構成させる誘導加速シンクロトロン２と、前記誘導加速シンクロトロン２に、イオン源１６で発生したイオンを前段加速器１７で一定エネルギーレベルまで加速し、イオンビーム３を入射する入射機器１８からなる入射装置１５と、前記誘導加速シンクロトロン２からイオンビーム３をイオンビーム利用ライン２１に取り出す出射装置１９とからなり、前記閉込用インテリジェント制御装置１１が、前記バンチモニター７からの通過シグナル７ａ及びイオンビーム３に印加した誘導電圧値を知るための電圧モニター９ｄからの誘導電圧シグナル９ｅを受けて、前記閉込用誘導加速セル１０を駆動する閉込用スイッチング電源９ｂのオン及びオフを制御する閉込用ゲート信号パターン１１ａを生成する閉込用パターン生成器１１ｂの閉込用ゲート信号パターン１１ａの基になる閉込用ゲート親信号１１ｃを計算する閉込用デジタル信号処理装置１１ｄによって、前記閉込用誘導加速セル１０に印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、前記加速用インテリジェント制御装置１４が、前記バンチモニター７からの通過シグナル７ｂ、前記位置モニター８からの位置シグナル８ａ及びイオンビーム３に印加した誘導電圧値を知るための電圧モニター１２ｄからの誘導電圧シグナル１２ｅを受けて、前記加速用誘導加速セル１３を駆動する加速用スイッチング電源１２ｂのオン及びオフを制御する加速用ゲート信号パターン１４ａを生成する加速用パターン生成器１４ｂの加速用ゲート信号パターン１４ａの基になる加速用ゲート親信号１４ｃを計算する加速用デジタル信号処理装置１４ｄによって、前記加速用誘導加速セル１３に印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、全種イオンを任意のエネルギーレベルに加速制御することを特徴とする全種イオン加速器１の構成とした。
【発明の効果】
【００５１】
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。第１に、従来の高周波シンクロトロン３５を高周波加速装置３６以外の装置をそのまま再利用して、低コストで、本発明である全種イオン加速器１に変更することができる。
【００５２】
第２に、本発明である全種イオン加速器１は１台で全種イオンを、任意のエネルギーレベルまで加速することができる。
【００５３】
具体的には、ＫＥＫの５００ＭｅＶＰＳと１２ＧｅＶＰＳを本発明である全種イオン加速器１に変更することで、５００ＭｅＶＰＳでは、現時点では、最大規模の理化学研究所のサイクロトロンでも到達できないエネルギーレベルまで各種イオンを加速することができ、一方、１２ＧｅＶＰＳでは、全種イオンを核子当たり最大約４ＧｅＶまで加速できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
本発明である全種イオン加速器１を構成する誘導加速シンクロトロン２の収束電磁石６の配位は従来の高周波シンクロトロン３５と同じ強収束配位とする。高周波加速装置３６を閉込用誘導加速装置９と加速用誘導加速装置１２に置き換える。前記閉込用誘導加速装置９及び加速用誘導加速装置１２を構成する閉込用誘導加速セル１０及び加速用誘導加速セル１３は、高繰り返し動作可能なパルス電圧１０ｆを発生させる閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂで駆動される。閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂのオン及びオフ動作は閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂに使われるＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子のゲート駆動を司る閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａの制御で行なわれる。
【００５５】
閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａは閉込用及び加速用パターン生成器１１ｂ、１４ｂで生成される。閉込用及び加速用パターン生成器１１ｂ、１４ｂは閉込用及び加速用ゲート親信号１１ｃ、１４ｃにて動作を開始する。
【００５６】
閉込用ゲート親信号１１ｃは、バンチモニター７で検出したイオンビーム３の通過シグナル７ａ、及び閉込用誘導加速セル１０によってイオンビーム３に印加した誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル９ｅを基に閉込用デジタル信号処理装置１１ｄにより、予めプログラムされた処理法によってリアルタイムで生成される。
【００５７】
加速用ゲート親信号１４ｃはバンチモニター７、及び位置モニター８で検出したイオンビーム３の通過シグナル７ｂ及びイオンビーム３の位置シグナル８ａと、加速用誘導加速セル１３によってイオンビーム３に印加した誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル１２ｅを基に加速用デジタル信号処理装置１４ｄにより、予めプログラムされた処理法によってリアルタイムで生成される。
【００５８】
イオン源１６で生成されたイオンを前段加速器１７で一定の速度に加速されたイオンビーム３をある一定時間連続的に誘導加速シンクロトロン２に入射する。次に、閉込用誘導加速セル１０をオンにして負及び正のバリアー電圧２６、２７（以下、単にバリアー電圧という。）を発生させる。続いて、このバリアー電圧発生間隔３０を徐々に狭め、設計軌道４ａの全周に渡って分布するイオンビーム３を、加速用誘導加速セル１３で発生させる加速電圧２８の印加時間２８ａの長さ程度のバンチ３ａにする。この後、誘導加速シンクロトロン２の偏向電磁石５及び収束電磁石６を励磁する。
【００５９】
バンチモニター７から得られるイオンビーム３の通過情報である通過シグナル７ａ、及びイオンビーム３に印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル９ｅを基に、閉込用誘導加速セル１０の負及び正のバリアー電圧２６、２７のパルス電圧１０ｆを制御して、閉込用ゲート信号パターン１１ａを磁場の励磁に合わせて発生し、同期させる。
【００６０】
バンチモニター７、位置モニター８から得られる通過シグナル７ｂ、位置シグナル８ａ及びイオンビーム３に印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル１２ｅを基に、加速用誘導加速セル１３の加速電圧２８及びリセット電圧２９（以下、単に加速用の誘導電圧という。）のパルス電圧１０ｆを制御して、加速用ゲート信号パターン１４ａを磁場の励磁に合わせて発生し、同期させる。
【００６１】
このような一定電圧のバリアー電圧及び加速用の誘導電圧の発生を時間的に制御して磁場の励磁に合わせてイオンビーム３の加速を追従させる。この結果必然的にイオンビーム３はバンチ３ａとなって加速される。イオンビーム３を閉じ込め、加速するこの一連の制御装置を閉込用及び加速用インテリジェント制御装置１１、１４という。
【００６２】
従って、この閉込用及び加速用インテリジェント制御装置１１、１４によるフィードバック制御をイオンの種類、目的のエネルギーレベルによって閉込用及び加速用デジタル信号処理装置１１ｄ、１４ｄのプログラム設定を変更するだけで、全種イオンを任意のエネルギーレベルに加速することができる。
【００６３】
最後に、加速終了後（最大磁場励磁状態）、所定のエネルギーレベルまで加速されたイオンビーム３を、イオンビーム利用ライン２１に取り出す。取り出し方法としては、キッカー電磁石などの速い出射機器２０にてバンチ３ａの構造を維持したまま１ターンで取り出す方法、及びバリアー電圧発生間隔３０を周回時間相当まで徐々に広げ、その後一端閉込用誘導加速セル１０を駆動する閉込用スイッチング電源９ｂ、１２ｂのゲート駆動をオフにしてバンチ３ａの構造を崩し、ＤＣビーム状のイオンビーム３にした後、ベータートロン共鳴等を用いる出射機器２０にて少量ずつ何ターンにも渡って連続的にイオンビーム３を取り出す方法がある。これらの取り出し方法は、イオンビーム３の利用用途に応じて選択することができる。
【実施例１】
【００６４】
以下に、添付図面に基づいて、本発明である全種イオン加速器１について詳細に説明する。図１は本発明である全種イオン加速器の全体図である。なお、本発明である全種イオン加速器１は、イオンビーム３の加速を制御する閉込用誘導加速装置９及び加速用誘導加速装置１２、高周波線形加速器１７ｂ以外の装置は、従来の高周波シンクロトロン複合体一式３４で使用されていた装置を用いることができる。
【００６５】
全種イオン加速器１は、入射装置１５、誘導加速シンクロトロン２、及び出射装置１９からなる。入射装置１５は、誘導加速シンクロトロン２の上流にあるイオン源１６、前段加速器１７、入射機器１８及びそれぞれの装置を連結し、イオンの連絡通路である輸送管１６ａ、１７ａからなる。
【００６６】
イオン源１６は、電子サイクロトロン共鳴加熱機構を利用したＥＣＲイオン源やレーザー駆動イオン源などがある。
【００６７】
前段加速器１７は、電圧可変の静電加速器や線形誘導加速器などが汎用である。また、利用するイオン種が決まっている場合は小サイクロトロン等も使用可能である。
【００６８】
入射機器１８は、高周波シンクロトロン複合体一式３４で使用されていた機器が利用される。特に本発明である全種イオン加速器１において特別な装置、方法は必要ない。
【００６９】
以上の構成よりなる入射装置１５は、前記誘導加速シンクロトロン２にイオン源１６で発生したイオンビーム３を前段加速器１７で一定のエネルギーレベルまで加速し、入射機器１８で入射するものである。
【００７０】
誘導加速シンクロトロン２は、イオンビーム３の設計軌道４ａが中にある環状の真空ダクト４、前記設計軌道４ａの曲線部に設けられイオンビーム３の円軌道を保持する偏向電磁石５、前記設計軌道４ａの直線部に設けられイオンビーム３の拡散を防止する収束電磁石６、前記真空ダクト４の中に設けられイオンビーム３の通過を感知するバンチモニター７、前記真空ダクト４の中に設けられイオンビーム３の重心位置を感知する位置モニター８、前記真空ダクト４に接続されたイオンビーム３を進行方向に閉じ込めるための誘導電圧を印加する閉込用誘導加速セル１０及び前記閉込用誘導加速セル１０の駆動を制御する閉込用インテリジェント制御装置１１からなる閉込用誘導加速装置９、及び前記真空ダクト４に接続されたイオンビーム３を加速するための誘導電圧を印加する加速用誘導加速セル１３及び前記加速用誘導加速セル１３の駆動を制御する加速用インテリジェント制御装置１４からなる加速用誘導加速装置１２から構成させる。
【００７１】
閉込用とは、入射装置１５より誘導加速シンクロトロン２に入射されたイオンビーム３を、誘導加速セルによる所定の極性の異なる誘導電圧よって別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ３ａまで縮めたり、その他種々の長さのイオンビーム３に変える機能と、加速中のイオンビーム３のバンチ３ａに位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。
【００７２】
加速用とは、イオンビーム３のバンチ３ａを形成後に、バンチ３ａ全体に加速用の誘導電圧を与える機能を有しているとの意味である。      
【００７３】
閉込用誘導加速装置９と加速用誘導加速装置１２の装置自体は同一のものであるが、イオンビーム３に対する機能が異なる。これ以降、誘導加速装置というときは閉込用誘導加速装置９及び加速用誘導加速装置１２の両方を意味する。同様に誘導加速セルというときは閉込用誘導加速セル１０及び加速用誘導加速セル１３の両方を意味する。さらに、電磁石という場合は、偏向電磁石５及び収束電磁石６の両方を意味する。
【００７４】
出射装置１９は、前記誘導加速シンクロトロン２で所定のエネルギーレベルまで達したイオンビーム３を利用する実験装置２１ｂなどが設置された施設２１ａに連結する輸送管２０ａとイオンビーム利用ライン２１に取り出す出射機器２０からなる。なお、実験装置２１ｂには、治療に用いられる医療設備等も含まれる。
【００７５】
出射機器２０は、速い取り出しができるキッカー電磁石、又はベータートロン共鳴等を利用した遅い取り出しを行う装置などがあり、イオンビーム３の種類、用途に応じて選択することができる。
【００７６】
上記構成によって、本発明である全種イオン加速器１は１台で全種イオンを任意のエネルギーレベルに加速することができるようになった。
【００７７】
図２は本発明である全種イオン加速器を構成する閉込用誘導加速セルの断面模式図である。
【００７８】
本発明に利用する閉込用及び加速用誘導加速セル１０、１３はこれまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速空洞と原理的には同じ構造である。ここでは閉込用誘導加速セル１０について説明する。閉込用誘導加速セル１０は、内筒１０ａ及び外筒１０ｂからなる２重構造で、外筒１０ｂの内に磁性体１０ｃが挿入されてインダクタンスを作る。イオンビーム３が通過する真空ダクト４と接続された内筒１０ａの一部がセラミックなどの絶縁体１０ｄでできている。誘導加速セルは使用により発熱することから、外筒１０ｂの内部には冷却用のオイルなどを循環させることがあり、絶縁体のシール１０ｊを必要とする。
【００７９】
磁性体１０ｃを取り囲む１次側の電気回路にＤＣ充電器９ｃからパルス電圧１０ｆを印加すると１次電流１０ｇ（コア電流）が流れ、磁性体１０ｃが励磁されるのでトロイダル形状の磁性体１０ｃを貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体１０ｄを挟んで、導体の内筒１０ａの両端部１０ｈである２次側にファラデーの誘導法則に従って電場１０ｅが誘導される。この電場１０ｅが加速電場となる。この加速電場が生じる部分を加速ギャップ１０ｉという。従って、閉込用誘導加速セル１０は１対１のトランスであるといえる。
【００８０】
閉込用誘導加速セル１０の１次側の電気回路にパルス電圧１０ｆを発生させる閉込用スイッチング電源９ｂを接続し、前記閉込用スイッチング電源９ｂを外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。これはイオンビーム３の加速がデジタル制御され得ることを意味する。
【００８１】
前記加速ギャップ１０ｉにイオンビーム３のバンチ頭部３ｃ（ここにはバンチ中心３ｂにあるイオンより幾分エネルギーの高いイオンが存在する）が進入するとき、閉込用誘導加速セル１０であれば、進行方向と逆向きの電場１０ｅを与える頭部の時間幅に対応する長さの誘導電圧（以下、負のバリアアー電圧という。）を発生させる。この負のバリアー電圧を感じてイオンのエネルギーは減じる。イオンビーム３のバンチ中心３ｂが通過する時間帯は誘導電圧を一切発生させない。
【００８２】
バンチ尾部３ｄ（ここにはバンチ中心３ｂにあるイオンより幾分エネルギーの低いイオンが存在する）が通過する時間帯には進行方向と同じ向きの電場１０ｅを与える誘導電圧（以下、正のバリアー電圧という。）を発生させる。この符号の異なる誘導電圧を感じたイオンのエネルギーは増す。
【００８３】
イオンビーム３が上述の符号の異なる誘導電圧を何度も繰り返し受けると、始めバンチ中心３ｂのイオンのエネルギーより大きなエネルギーを持ったイオンのエネルギーがバンチ中心３ｂのイオンエネルギーより低くなり、閉込用誘導加速セル１０に到達する時刻が遅れ始め、いずれバンチ尾部３ｄに位置することになる。今度は、バンチ尾部３ｄで前述のごとく、イオンビーム３の進行方向と同じ向きの電場１０ｅを与える誘導電圧を感じ、暫くすると到達の遅れとは逆過程のバンチ中心３ｂの追い抜きと閉込用誘導加速セル１０への早期到達という現象が起こる。イオンビーム３は、この一連の過程を繰り返しながら加速する。このことをイオンビーム３の進行方向の閉じ込めという。
【００８４】
これは、従来の高周波シンクロトロン３５による位相安定性（図１１）と同じ効果をイオンビーム３に与えるものである。閉込用誘導加速セル１０の機能は、従来の高周波加速空洞３６ａの閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。また、このような誘導電圧をイオンビーム３にパルス電圧１０ｆとして不連続に印加することから、イオンビーム３が有ろうが無かろうが常時高周波３７が励起された状態にある高周波加速空洞３６ａに対して誘導加速セルはデジタル的動作特性を持つといってよい。
【００８５】
一方、加速用誘導加速セル１３では、その加速ギャップ１０ｉにイオンビーム３が通過している間、進行方向と同一の方向に加速電場が発生するように誘導電圧（以下、加速電圧という。）を発生させる。但し、磁性体１０ｃの磁気的飽和を避けるため、イオンビーム３の通過後、次にイオンビーム３が周回して来る間の任意の時間に誘導電圧を発生させた時とは逆向きの誘導電圧（以下、リセット電圧という。）を加速用誘導加速セル１３に印加（リセット）しなければならない。閉込用誘導加速セル１０の場合はリセットの結果発生する誘導電圧も有効に進行方向の閉じ込めに使用されている。
【００８６】
なお、ここでは１つの誘導加速セルを用いて説明したが、誘導加速セルの数は、加速するイオンビーム３に必要な誘導電圧の印可時間及び到達エネルギーレベル等によって選択する。但し、電圧ドループの小さい誘導加速セルの設計が求められる。
【００８７】
図３は誘導加速装置の構成とイオンビームの加速制御方法を示す図である。
【００８８】
閉込用誘導加速装置９は、イオンビーム３を進行方向に閉じ込めるための極性の異なる誘導電圧であるバリアー電圧を発生させる閉込用誘導加速セル１０、前記閉込用誘導加速セル１０に伝送線９ａを介してパルス電圧１０ｆを与える高繰り返し動作可能な閉込用スイッチング電源９ｂ、前記閉込用スイッチング電源９ｂに電力を供給するＤＣ充電器９ｃ、前記閉込用スイッチング電源９ｂのオン及びオフの動作をフィードバック制御する閉込用インテリジェント制御装置１１、前記閉込用誘導加速セル１０より印加された誘導電圧値を知るための電圧モニター９ｄからなる。
【００８９】
この伝送線９ａは閉込用スイッチング電源９ｂに使用するスイッチが半導体などの高放射線環境下での動作に耐えられない場合に使用する。放射線ダメージが問題ないスイッチ素子、もしくは低放射線環境を維持できる場合は不必要であり、閉込用スイッチング電源９ｂと閉込用誘導加速セル１０は直結できる。      
【００９０】
閉込用インテリジェント制御装置１１は、前記閉込用スイッチング電源９ｂのオン及びオフの動作を制御する閉込用ゲート信号パターン１１ａを生成する閉込用パターン生成器１１ｂ、及び前記閉込用パターン生成器１１ｂによる閉込用ゲート信号パターン１１ａの生成のもと情報である閉込用ゲート親信号１１ｃを計算する閉込用デジタル信号処理装置１１ｄからなる。
【００９１】
前記閉込用ゲート親信号１１ｃは、設計軌道４ａに置かれたイオンビーム３の通過を感知するバンチモニター７によって測定されるイオンビーム３の通過シグナル７ａ、及びイオンビーム３に印加された誘導電圧値を知るための電圧モニター９ｄによって測定される誘導電圧シグナル９ｅを基に、予めプログラムされている処理法に従い閉込用デジタル信号処理装置１１ｄによって計算され、リアルタイムに生成される。
【００９２】
具体的には、前記閉込用デジタル信号処理装置１１ｄにおいて、前記通過シグナル７ａから印加するバリアー電圧の発生タイミングを、前記通過シグナル７ａ及び誘導電圧シグナル９ｅからバリアー電圧の印加時間の長さを計算し、デジタル信号に変換され、閉込用パターン生成器１１ｂに出力される。
【００９３】
閉込用ゲート信号パターン１１ａには、イオンビーム３に印加する負のバリアー電圧２６、正のバリアー電圧２７及び電圧オフの３つのパターンがある。なお、負のバリアー電圧値及び正のバリアー電圧値はイオンビーム３の特性や種類により異なるが、加速中は一定でよいので予め閉込用デジタル信号処理装置１１ｄにプログラムしておけばよい。使用するＤＣ充電器９ｃ、バンクコンデンサー２３の出力電圧により誘導電圧値は定まる。
【００９４】
加速用誘導加速装置１２の構成は、イオンビーム３を進行方向に加速させるための加速電圧及び磁性体１０ｃの磁気的飽和を避けるためのリセット電圧からなる加速用の誘導電圧を発生させる加速用誘導加速セル１３、前記加速用誘導加速セル１３に伝送線１２ａを介してパルス電圧１０ｆを与える高繰り返し動作可能な加速用スイッチング電源１２ｂ、前記加速用スイッチング電源１２ｂに電力を供給するＤＣ充電器１２ｃ、前記加速用スイッチング電源１２ｂのオン及びオフの動作をフィードバック制御する加速用インテリジェント制御装置１４、前記加速用誘導加速セル１３より印加された誘導電圧値を知るための電圧モニター１２ｄからなる。
【００９５】
加速用誘導加速装置１２は、イオンビーム３に与える誘導電圧の機能が異なるが、電気的には閉込用誘導加速装置９と同じである。磁性体１０ｃの磁気的飽和を避けるため発生させるリセット電圧はイオンビーム３に何の働きもしないということ、リセット電圧の発生タイミングはイオンビーム３が通過していない時間帯に選ばれることが閉込用誘導加速装置９の場合と異なる。
【００９６】
加速用インテリジェント制御装置１４は、前記加速用スイッチング電源１２ｂのオン及びオフの動作を制御する加速用ゲート信号パターン１４ａを生成する加速用パターン生成器１４ｂ、及び前記加速用パターン生成器１４ｂによる加速用ゲート信号パターン１４ａの生成のもと情報である動作を制御する加速用ゲート親信号１４ｃを計算する加速用デジタル信号処理装置１４ｄからなる。
【００９７】
前記加速用ゲート親信号１４ｃは、設計軌道４ａに置かれたイオンビーム３の通過を感知するバンチモニター７によって測定されるイオンビーム３の通過シグナル７ｂ及びイオンビーム３の重心位置を感知する位置モニター８によって測定される位置シグナル８ａと、イオンビーム３に印加された誘導電圧値を知るための電圧モニター１２ｄによって測定される誘導電圧シグナル１２ｅを基に、予めプログラムされている処理法に従い加速用デジタル信号処理装置１４ｄによって計算され、リアルタイムに生成される。
【００９８】
具体的には、前記加速用デジタル信号処理装置１４ｄにおいて、前記通過シグナル７ｂ及び位置シグナル８ａから印加する加速用の誘導電圧の発生タイミングを、前記通過シグナル７ｂ及び誘導電圧シグナル１２ｅから加速用の誘導電圧の印加時間の長さを計算し、デジタル信号に変換され、加速用パターン生成器１４ｂに出力される。
【００９９】
加速用ゲート信号パターン１４ａには、イオンビーム３に印加する加速電圧２８、リセット電圧２９及び電圧オフの３つのパターンがある。また、加速電圧値及びリセット電圧値はＤＣ充電器１２ｃとバンクコンデンサー２３の出力電圧で決まる。なお、加速電圧２８は全種イオン加速器１の電磁石の励磁パターンに同期して発生させる。
【０１００】
リアルタイムに生成される閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａが、ほぼ０Ｈｚから閉込用及び加速用誘導加速セル１０、１３を駆動する閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂの半導体スイッチング素子の動作限界に近い１ＭＨｚまで自在に可変生成できることを実証した。このことは、従来は高周波加速空洞３６ａから得られる陽子の周回に同期した高周波シグナルを用いていたが、前述のごとく、イオンの種類によって、高周波加速空洞３６ａを使用することができないことから、バンチモニター７からイオンビーム３の通過シグナル７ａ、７ｂを得て、閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａを生成することことに起因する。
【０１０１】
具体的なフィードバック機能を持った閉込用及び加速用デジタル信号処理装置１１ｄ、１４ｄの閉込用及び加速用ゲート親信号１１ｃ、１４ｃの処理は以下のようになされる。理想的加速を保証する誘導電圧より高い誘導電圧がイオンビーム３に与えられると、イオンビーム３は設計軌道４ａから外側にずれる。このようなことは、現実にＤＣ充電器９ｃ、１２ｃの電圧設定精度誤差があると起こる。このような場合、閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂのバンクコンデンサー２３の充電電圧が理想値からずれる。その結果、閉込用及び加速用誘導加速セル１０、１３に発生する誘導電圧が加速に必要な値からずれる。
【０１０２】
そこで、位置モニター８で検出した位置シグナル８ａでイオンビーム３の軌道のズレを検知し、運動量のずれを知る。このズレの補正に必要な分だけ加速電圧２８の発生を意図的に停止するよう、加速用デジタル信号処理装置１４ｄで計算し、加速用ゲート親信号１４ｃの生成をストップする。なお、位置モニター８は、複数使用することもできる。位置モニター８を複数使用することで、より精度よくイオンビーム３の加速が制御されイオンビーム３の損失を避けることができる。
【０１０３】
このようなフィードバック制御によるイオンビーム３の加速によって、イオンビーム３の設計軌道４ａを保持し、全種イオンを任意のエネルギーレベルまで安定に加速することができることとなった。
【０１０４】
図４は閉込用誘導加速装置の等価回路図である。閉込用誘導加速装置の等価回路２２は図で示すように、ＤＣ充電器９ｃから常時給電を受ける閉込用スイッチング電源９ｂが伝送線９ａを経由して閉込用誘導加速セル１０に繋がる。閉込用誘導加速セル１０はＬ、Ｃ、Ｒの並列回路で示す。並列回路の両端電圧がイオンビーム３の感じる誘導電圧である。
【０１０５】
図４の回路状態は、第１及び第４スイッチ２３ａ、２３ｄが閉込用ゲート信号パターン１１ａによりオンになっており、バンクコンデンサー２３に充電された電圧が閉込用誘導加速セル１０に印加され、加速ギャップ１０ｉにイオンビーム３を閉じ込めのための誘導電圧が生じている状態である。次にオンになっていた第１及び第４スイッチ２３ａ、２３ｄが閉込用ゲート信号パターン１１ａによりオフになり、第２及び第３スイッチ２３ｂ、２３ｃが閉込用ゲート信号パターン１１ａによりオンになり、前記加速ギャップ１０ｉに前記誘導電圧と逆向きの誘導電圧が生じるととともに、磁性体１０ｃの磁気的飽和をリセットする。そして、第２及び第３スイッチ２３ｂ、２３ｃが閉込用ゲート信号パターン１１ａによりオフになり、第１及び第４スイッチ２３ａ、２３ｄがオンになる。この一連のスイッチング動作を閉込用ゲート信号パターン１１ａにより繰り返すことで、イオンビーム３を閉じ込めることができる。
【０１０６】
前記、閉込用ゲート信号パターン１１ａは、閉込用スイッチング電源９ｂの駆動を制御する信号であり、イオンビーム３の通過シグナル７ｂ、及び印加した誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナル９ｅを基に、閉込用デジタル信号処理装置１１ｄ及び閉込用パターン生成器１１ｂからなる閉込用インテリジェント制御装置１１でデジタル制御される。
【０１０７】
イオンビーム３に印加された誘導電圧は、回路中の電流値とマッチング抵抗２４との積から計算された値と等価である。従って、電流値を測定することで印加した誘導電圧の値を知ることができる。そこで、電流計である電圧モニター９ｄで得られる誘導電圧シグナル９ｅを閉込用デジタル信号処理装置１１ｄにフィードバックし、次の閉込用ゲート親信号１１ｃの生成に利用する。
【０１０８】
図５は閉込用誘導加速セルによるイオンビームの閉じ込め過程を示した図である。図５（Ａ）は、閉じ込め開始直後のイオンビーム３の様子を示している。横軸が時間で縦軸が誘導電圧値である。両矢印はイオンビーム３が設計軌道４ａを１周する周回時間２５を表している。（Ｂ）においても同じ。
【０１０９】
設計軌道４ａの全体に広がっているイオンビーム３を閉込用誘導加速セル１０に進行方向と逆向きの誘導電圧である負のバリアー電圧２６が発生するよう閉込用スイッチング電源９ｂの各スイッチをオンにしてイオンビーム３の先端を捕捉する。この負のバリアー電圧２６のイオンビーム３に対する印加時間２６ａは短くてよい。ついで、閉込用誘導加速セル１０にイオンビーム３の末端となるイオンビーム３の周回時間２５の終点で、イオンビーム３の進行方向と同じ向きの正のバリアー電圧２７が発生するよう閉込用スイッチング電源９ｂの各スイッチをオンにしイオンビーム３の末端を捕捉する。この正のバリアー電圧２７は、磁性体１０ｃの磁気的飽和を回避することにも使用されるから、負のバリアー電圧２６と誘導電圧値は等価であることが必要である。従って、イオンビーム３に対する印加時間２７ａも短時間で、負のバリアー電圧２６と同じ誘導電圧を印加したならば、印加時間２７ａ同じ時間となる。これらのバリアー電圧によって、誘導加速シンクロトロン２に入射され、設計軌道４ａの全体に分布するイオンビーム３の全体が閉じ込められる。
【０１１０】
図５（Ｂ）は、先の図５（Ａ）で閉じ込められたイオンビーム３を時間的に有限な加速用の誘導電圧で加速するために、イオンビーム３のバンチ３ａの進行方向における長さを小さくする過程が示されている。
【０１１１】
イオンビーム３の先端を補足している負のバリアー電圧２６と、イオンビーム３の末端を補足している正のバリアー電圧２７とを発生させる時間間隔（以下、バリアー電圧発生間隔３０という。）を縮め、別の加速用誘導加速セル１３に生じる加速電圧２８の印加時間２８ａでイオンビーム３を加速できるように、イオンビーム３を加速電圧２８の印加時間２８ａ内の長さのバンチ３ａにする。
【０１１２】
具体的には、負のバリアー電圧２６の発生タイミングを固定し、正のバリアー電圧２７の発生タイミングを早める制御を閉込用インテリジェント制御装置１１により行う。なお、白抜きの左矢印が正のバリアー電圧２７の発生タイミングの移動方向である。
【０１１３】
図６は本発明を構成する誘導加速シンクロトロンによって、イオンビームが加速されるときの様子を示す図である。Ｖ（ｔ）は誘導電圧値を意味する。
【０１１４】
図６（Ａ）は、加速途中のある時間でのイオンビーム３のバンチ３ａ及びスーパーバンチ３ｅの設計軌道４ａでの存在位置を表している。図６では、設計軌道４ａに対峙する各々１つの閉込用誘導加速セル１０、加速用誘導加速セル１３でイオンビーム３の閉じ込めと加速を行う場合について説明する。イオンビーム３の通過はバンチモニター７の通過シグナル７ａ、７ｂで確認する。
【０１１５】
図６（Ｂ）は、閉込用誘導加速セル１０によるイオンビーム３の閉じ込めの様子を示している。ｔ（ａ）は、バンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅが閉込用誘導加速セル１０に到達した時間を基準にした、バリアー電圧の発生タイミングと印加時間２６ａ、２７ａである。点線で示した縦線がバンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅの周回時間２５を意味する。図６において同じ。
【０１１６】
バンチモニター７から得られる通過シグナル７ａを基に、閉込用デジタル信号処理装置１１ｄでバンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅが閉込用誘導加速セル１０に到達する時間を計算し、負のバリアー電圧２６を発生するよう閉込用ゲート信号パターン１１ａを生成し、バンチ頭部３ｃまたはスーパーバンチ３ｅの頭部に負のバリアー電圧２６が印加される。
【０１１７】
バンチモニター７から得られる通過シグナル７ａを基に、閉込用デジタル信号処理装置１１ｄでバンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅの尾部が閉込用誘導加速セル１０に到達する時間を計算し、正のバリアー電圧２７を発生するよう閉込用ゲート信号パターン１１ａを生成し、バンチ尾部３ｄまたはスーパーバンチ３ｅの尾部に正のバリアー電圧２７が印加される。
【０１１８】
このようにして、バンチ３ａまたスーパーバンチ３ｅを閉じ込めることができる。印加された負及び正のバリアー電圧２６、２７は、電圧モニター９ｄからの誘導電圧シグナル９ｅを基に閉込用デジタル信号処理装置１１ｄで計算され、次の閉込用ゲート親信号１１ｃに利用される。なお、イオンビーム３が短いバンチ３ａであってもバリアー電圧発生間隔３０を短くするだけで対応できる。
【０１１９】
図６（Ｃ）は、加速用誘導加速セル１３によるイオンビーム３の加速の様子を示している。ｔ（ｂ）は、バンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅが加速用誘導加速セル１３に到達する時間を基準にした、加速用の誘導電圧の発生タイミングと印加時間２８ａ、２９ａである。
【０１２０】
加速電圧２８が、バンチモニター７から得られる通過シグナル７ｂを基に、加速用デジタル信号処理装置１４ｄでバンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅが加速用誘導加速セル１３に到達する時間を計算し、加速電圧２８を発生するよう加速用ゲート信号パターン１４ａを生成し、バンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅの全体に印加される。
【０１２１】
リセット電圧２９は、加速用デジタル信号処理装置１４ｄにより計算され設計軌道４ａのイオンビーム３が存在しない時間帯に、磁性体１０ｃの磁気的飽和を回避するため、加速電圧２８と逆極性の誘導電圧として印加される。このようにして、バンチ３ａまたスーパーバンチ３ｅを加速することができる。なお、（１／２）Ｔ０とは、図６（Ｂ）のｔ（ａ）と図６（Ｃ）のｔ（ｂ）の時間基準が周回時間２５の半分だけずれていることを意味する。
【０１２２】
図６（Ｄ）は、ある時間でのバンチ３ａまたはスーパーバンチ３ｅの加速の様子を示している。すなわち、図６（Ｂ）と図６（Ｃ）を合成したものである。従って、横軸のｔは、閉込用誘導加速セル１０と加速用誘導加速セル１３の時間基準に１／２の周回時間２５のズレがある時間基準である。図７のｔにおいても同じ。
【０１２３】
図７は、イオンビーム３を複数のバンチ３ａにした後に、加速する方法について示した図である。この方法によればバリアー電圧の誘導電圧値が小さくて済む利点がある。
【０１２４】
イオンビーム３を複数のバンチ３ａにした後に、加速する方法は、入射されたＤＣビーム状のイオンビーム３を予め複数のバンチ３ａとし、最終的に単一のバンチ３ａ（スーパーバンチ３ｅ）として図７（Ａ）から（Ｅ）の順に従うことにより可能となる。
【０１２５】
縦軸が誘導電圧値であり、横軸は時間である。破線で示した縦軸までの長さを示す破線の横両矢印は、入射直後のイオンが設計軌道４ａを一周するのに要する周回時間２５である。すなわち真空ダクト４の周長である。
【０１２６】
図７（Ａ）は、前段加速器１７によって一定のエネルギーレベルまで加速されたイオンビーム３が、真空ダクト４に多重回入射された直後の様子を示している。入射されたイオンビーム３は、設計軌道４ａの全体に渡ってＤＣビーム状のイオンビーム３として存在している。この時の周回時間２５は１０μ秒、入射時の周回周波数は１００ｋＨｚ程度の３９価のウランイオンを例に説明する。
【０１２７】
図７（Ｂ）は、閉込用誘導加速セル１０で印加されるバリアー電圧によって、設計軌道４ａの全体に存在するイオンビーム３を複数のイオンビーム３として閉じ込める方法を示している。負及び正のバリアー電圧２６、２７の間を示す実線の横両矢印は、バリアー電圧発生間隔３０を意味する。負のバリアー電圧間を示す実線の横両矢印は、同極のバリアー電圧の発生タイミングの間隔（以下、同極のバリアー電圧発生間隔３１という。）を意味する。
【０１２８】
このように、設計軌道４ａの全体に存在するイオンビーム３を複数のイオンビーム３に分断することで、各々のイオンビーム３を加速電圧２８の印加時間２８ａになるよう効率的に短くすることができる。閉込用誘導加速セル１０のバリアー電圧の印加時間２６ａ、２７ａが各々十分に０．５μ秒以下であれば、１０個のイオンビーム３の断片に分断することができる。
【０１２９】
図７（Ｃ）は、分断されたイオンビーム３を複数のバンチ３ａにする方法を示している。バリアー電圧発生間隔３０を徐々に短くするとともに、同極のバリアー電圧発生間隔３１も短くすること加速電圧２８を受けられるようにする。さらに、隣り合うバンチ３ａ間（以下、バンチ間隔３２という。）を短くするように、正のバリアー電圧２７の次に発生させる負のバリアー電圧２６の間隔を短くし閉じ込めたバンチ３ａ同士を接近させる。
【０１３０】
図７（Ｄ）は、イオンビーム３を分断してなる複数のバンチ３ａを結合して単一のバンチ３ａとする過程を示している。隣り合うバンチ３ａ、または複数のバンチ３ａの最初の負のバリアー電圧２６と最後の正のバリアー電圧２７以外の負及び正のバリアー電圧２６ｂ、２７ｂの印加を行わないことで、複数のバンチ３ａを結合すことができる。最終的に単一のバンチ３ａにする。この印加しない負及び正のバリアー電圧２６ｂ、２７ｂの選択は閉込用インテリジェント制御装置１１の閉込用デジタル信号処理装置１１ｄに予めイオンの種類、到達エネルギーレベルによってプログラムされた処理方法に従いリアルタイムに閉込用ゲート信号パターン１１ａを生成することで可能である。同様に不必要な加速電圧２８ｂ、リセット電圧２９ｂの選択、印加中止は加速用インテリジェント制御装置１４で計算される。
【０１３１】
さらに、イオンビーム３を単一のバンチ３ａにする前に、加速用誘導加速セル１３の加速電圧２８の印加時間２８ａの範囲内にバンチ３ａを閉じ込めまたは結合できたら、加速電圧２８及びリセット電圧２９の発生を加速用インテリジェント制御装置１４によって制御することで、より効率的にイオンビーム３を設定エネルギーレベルまで加速することができる。
【０１３２】
図７（Ｅ）は、イオンビーム３を完全に単一のバンチ３ａ（スーパーパンチ）にし、閉じ込め及び加速しているときの様子を示している。図７に示す（Ａ）〜（Ｅ）のような過程をとることで、図５及び図６に示す閉じ込め及び加速方法より効率的にイオンビーム３を設定エネルギーレベルまで加速することができることとなる。このような方法を採用することができるのは、閉込用及び加速用スイッチング電源９ｂ、１２ｂの駆動周波数が０Ｈｚから１メガヘルツまで自在に可変可能であること、閉込用及び加速用ゲート信号パターン１１ａ、１４ａ、閉込用及び加速用デジタル信号処理装置１１ｄ、１４ｄ及び閉込用及び加速用パターン生成器１１ｂ、１４ｂでリアルタイムに生成することができることによる。
【０１３３】
図８は、複数の誘導加速セルによるイオンビームの加速方法を示す図である。一般にバリアー電圧は短い印加時間２６ａ、２７ａで相対的に高圧、加速電圧２８は長い印加時間２８ａで相対的には低圧、リセット電圧２９は、加速電圧２８とエネルギー的に等価になるよう印加時間２９ａと電圧値が要求される。複数の閉込用及び加速用誘導加速セル１０、１３を用いることで、前記要求を満足させることができる。そこで、以下に３連の閉込用及び加速用誘導加速セル１０、１３を用いたときの運転パターンについて説明する。この方法によれば、イオンの選択、エネルギーレベルの選択の自由度を増すことできる。
【０１３４】
図８（Ａ）は、３連の閉込用誘導加速セル１０によって与えられるバリアー電圧の大きさと、印加時間を示している。縦軸が誘導電圧値であり、横軸がバリアー電圧の印加時間２６ａ、２７ａを意味する。（１）、（２）及び（３）はそれぞれ第１閉込用誘導加速セル１０、第２閉込用誘導加速セル１０及び第３閉込用誘導加速セル１０を意味する。また（４）は３連の閉込用誘導加速セル１０によって、イオンビーム３に印加された合計の負及び正のバリアー電圧２６ｆ、２７ｆを示している。
【０１３５】
３連の閉込用誘導加速セル１０に到達したイオンビーム３のバンチ３ａに（１）から（３）の順に先ず負のバリアー電圧２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを印加する。このときバンチ３ａは高速であるため、ほぼ同時に負のバリアー電圧２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを印加すればよい。同様に正のバリアー電圧２７ｃ、２７ｄ、２７ｅをバンチ尾部３ｄに印加する。従って、バンチ頭部３ｃ、バンチ尾部３ｄには、（４）に示す合計の負及び正のバリアー電圧２６ｆ、２７ｆと等しいバリアー電圧がバンチ３ａに印加されたこととなる。このように閉込用誘導加速セル１０を連ねることで、実効的に必要なバリアー電圧を得る。すなわち、各々の閉込用誘導加速セル１０により印加されるバリアー電圧値２６ｇ、２７ｇが低くても、高いバリアー電圧値２６ｈ、２７ｈを得ることができることになる。
【０１３６】
図８（Ｂ）は、３連の加速用誘導加速セル１３によって与えられる加速用の誘導電圧の大きさと印加時間を示している。縦軸が加速用の誘導電圧値であり、横軸が加速用の誘導電圧の印加時間２８ａ、２９ａを意味する。（１）、（２）及び（３）はそれぞれ第１加速用誘導加速セル１３、第２加速用誘導加速セル１３及び第３加速用誘導加速セル１３を意味する。また（４）は３連の加速用誘導加速セル１３によって、バンチ３ａに印加された合計の加速電圧２８ｆ及び合計のリセット電圧２９ｆを示している。
【０１３７】
３連の加速用誘導加速セル１３に到達したイオンビーム３に（１）から（３）の順に先ず一定の加速電圧値２８ｈである加速電圧２８ｃ、２８ｄ、２８ｅを印加する。このとき（１）から（３）のように印時間をずらすことでイオンビーム３の全体に加速電圧２８ｃ、２８ｄ、２８ｅを印加することができる。従って、イオンビーム３の全体に（４）に示す合計の加速電圧２８ｆの印加時間２８ｇを確保することができる。１つの加速用誘導加速セル１３では短い印加時間２８ａしか加速電圧２８を印加できなくても、このように加速用誘導加速セル１３を連ねることで長い印加時間２８ａを確保することが可能になる。つまり、低圧の誘導電圧を発生させ得る共通規格の誘導加速セルの組み合せだけで、閉じ込めと加速の二つの目的に対応できる。ゆえに、誘導加速装置の製造コストが低く抑えられる。
【０１３８】
３連の加速用誘導加速セル１３にイオンビーム３が存在しない時間帯に加速用誘導加速セル１３の磁気的飽和を回避するためリセット電圧２９ｃ、２９ｄ、２９ｅを印加する。リセット電圧値２９ｇは、各加速用誘導加速セル１３の磁気的飽和を回避する必要があるから、各加速用誘導加速セル１３に発生さる。理論的には、このリセット電圧２９ｃ、２９ｄ、２９ｅを印加する時間帯以外は、加速電圧２８を印加する時間として利用することができるため、全種イオンをスーパーバンチ３ｅとして加速することが可能である。
【０１３９】
バリアー電圧発生間隔３０を閉込用スイッチング電源９ｂに使用するスイッチング素子の閉込用ゲート信号パターン１１ａを自由にコントロールすることができるので、従来の高周波シンクロトロン３５では原理的に不可能であったバンチ３ａを進行方向に長い状態で保持できるので、一度に加速することのできるイオン数が大幅に増大することとなった。
【０１４０】
図９は既存のＫＥＫの５００ＭｅＶＰＳと１２ＧｅＶＰＳを本発明である全種イオン加速器に改装した場合に可能になる、最大電価数を持った種々のイオンの核子当たりの到達エネルギーを計算した結果を示す図である。
【０１４１】
イオンビーム３のソースは、Ｈ（水素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｏ（酸素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｒ（アルゴン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｕ（ウラン）、Ｔｅ（テルル）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）など、軽い原子である陽子から重イオンであるウランまで試みた。
【０１４２】
グラフの横軸は原子番号であり、左から原子番号小さいものから順にプロットした。グラフの縦軸は、各加速器で加速した、或いは予測されるイオンの核子当たりのエネルギー量を意味する。左軸の単位はメガボルト（ＭｅＶ）で、右軸の単位はギガボルト（ＧｅＶ）である。なお右軸は改装１２ＧｅＶＰＳの結果を参照する場合のみ使用する。
【０１４３】
■は、ＫＥＫの現５００ＭｅＶＰＳ（現在の共振電源である電磁石電源をそのまま使用）、●は、ＫＥＫの改装５００ＭｅＶＰＳ（現在の共振電源である電磁石電源をパターン電源に置き換えた場合）、▲は、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳをそれぞれ本発明である全種イオン加速器１に変更した場合の各種イオンビーム３の到達エネルギーの予測結果である。
【０１４４】
なお、従来の加速器と比較するため、国内最大のサイクロトロンである理化学研究所で稼働しているリングサイクロトロンにおけるイオンビーム３の加速実績（破線内）も示した。破線で囲まれた○は、各種イオンビーム３を前記サイクロトロンに高周波線形加速器入射３３したときの各種イオンビーム３の到達エネルギーである。一方の破線で囲まれた□は、各種イオンビーム３を前記サイクロトロンにＡＶＦサイクロトロン入射３３ａしたときの各種イオンビーム３の到達エネルギーである。
【０１４５】
イオンの進行軸に対して垂直方向の閉じ込めは従来の強収束方式を採用する。パターン制御電源にて駆動する電磁石を用いるスローサイクルシンクロトロンでは取り出しエネルギーは可変となる。又、共振回路で駆動する電磁石を用いるラッピドサイクルシンクロトロンでは核子当たりの加速エネルギーはイオンの質量数と電価数によって決まる。
【０１４６】
図９の結果から、本発明である全種イオン加速器１によって、以下のことがいえる。
【０１４７】
第１に、５００ＭｅＶＰＳ（■、●）は従来のサイクロトロンでは到達できないエネルギー領域をカバーする。即ち、従来の特定の重イオンを加速できる高周波線形加速器入射３３（○）であっても、高周波線形加速器１７ｂの加速距離及びサイクロトロン用電磁石の物理的限界により、加速できるイオンに制限があり、また前記物理的限界により到達できるエネルギーレベルにも限界がある。加速可能なイオンは、陽子からＴａまでであり、その到達エネルギーも格子当たり７〜５０ＭｅＶまでである。
【０１４８】
一方、ＡＶＦサイクロトロン入射３３ａ（□）では、高周波線形加速器入射３３（○）よりも、陽子のような軽いイオンであれば、ある程度の高いエネルギーレベル（約２００ＭｅＶ）程度までイオンを加速することが可能であるが、やはり入射器の制限から加速可能なイオンはＣｕ、Ｚｎまである。
【０１４９】
第２に、改良１２ＧｅＶＰＳでは全てのイオンを核子当たり約４ＧｅＶ以上のエネルギーまで高めることができる。
【０１５０】
従って、本発明である全種イオン加速器１を用いることで、従来のサイクロトロン、高周波シンクロトロン３５では、不可能であった重イオンを含む全種イオンを任意のエネルギーレベルまで容易に高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明である全種イオン加速器１は上記効果が得られることから、最近癌治療用に供給されるようになった炭素線だけではなく、任意の電価状態の更に重い重イオンを供給できるので、粒子線癌治療の対象部位が大幅に増すと共に、治療法の自由度が広がると考えられる。また医療用ＲＩの製造、短寿命核による放射化分析及び半導体損傷試験の幅が大幅に広がる。さらに宇宙空間で用いる衛星に搭載される各種電子機器の重イオン宇宙線による損傷予測のための地上試験が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明である全種イオン加速器の全体構成図である。
【図２】誘導加速セルの断面図である。
【図３】誘導加速セル及び閉込用及び加速用インテリジェント制御装置の模式図である。
【図４】誘導加速装置の等価回路である。
【図５】閉込用誘導加速セルによってイオンビームを閉じ込める様子を示す図である。
【図６】誘導加速セルによってイオンビームを加速させる様子を示す図である。
【図７】誘導加速セルによるイオンビームの断片的閉じ込め及び加速させる様子を示す図である。
【図８】３連の誘導加速セルによる閉じ込めと加速制御を示す図である。
【図９】各種イオンを加速した場合の到達エネルギーレベルを表す図である。
【図１０】従来の高周波シンクロトロン複合体一式の全体構成図である。
【図１１】高周波シンクロトロンの位相安定性原理を示す図である。
【図１２】現行のＫＥＫ５００ＭｅＶＰＳによって加速した場合の各種イオンの入射から加速終了までの周回周波数変化（推定）を示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１      全種イオン加速器
２      誘導加速シンクロトロン
３      イオンビーム
３ａ    バンチ
３ｂ    バンチ中心
３ｃ    バンチ頭部
３ｄ    バンチ尾部
３ｅ    スーパーバンチ
４      真空ダクト
４ａ    設計軌道
５      偏向電磁石
６      収束電磁石
７      バンチモニター
７ａ    通過シグナル
７ｂ    通過シグナル
８      位置モニター
８ａ    位置シグナル
９      閉込用誘導加速装置
９ａ    伝送線
９ｂ    閉込用スイッチング電源
９ｃ    ＤＣ充電器
９ｄ    電圧モニター
９ｅ    誘導電圧シグナル
１０    閉込用誘導加速セル
１０ａ  内筒
１０ｂ  外筒
１０ｃ  磁性体
１０ｄ  絶縁体
１０ｅ  電場
１０ｆ  パルス電圧
１０ｇ  １次電流
１０ｈ  端部
１０ｉ  加速ギャップ
１０ｊ  シール
１１    閉込用インテリジェント制御装置
１１ａ  閉込用ゲート信号パターン
１１ｂ  閉込用パターン生成器
１１ｃ  閉込用ゲート親信号
１１ｄ  閉込用デジタル信号処理装置  
１２    加速用誘導加速装置
１２ａ  伝送線
１２ｂ  加速用スイッチング電源
１２ｃ  ＤＣ充電器
１２ｄ  電圧モニター
１２ｅ  誘導電圧シグナル
１３    加速用誘導加速セル
１４    加速用インテリジェント制御装置
１４ａ  加速用ゲート信号パターン    
１４ｂ  加速用パターン生成器
１４ｃ  加速用ゲート親信号
１４ｄ  加速用デジタル信号処理装置
１５    入射装置
１６    イオン源
１６ａ  輸送管
１７    前段加速器
１７ａ  輸送管
１７ｂ  高周波線形加速器
１８    入射機器
１９    出射装置
２０    出射機器
２０ａ  輸送管
２１    イオンビーム利用ライン
２１ａ  施設
２１ｂ  実験装置  
２２    閉込用誘導加速装置の等価回路
２３    バンクコンデンサー
２３ａ  第１スイッチ
２３ｂ  第２スイッチ
２３ｃ  第３スイッチ
２３ｄ  第４スイッチ
２４    マッチング抵抗  
２５    周回時間
２６    負のバリアー電圧
２６ａ  印加時間
２６ｂ  負のバリアー電圧
２６ｃ  負のバリアー電圧
２６ｄ  負のバリアー電圧
２６ｅ  負のバリアー電圧
２６ｆ  合計の負のバリアー電圧
２６ｇ  バリアー電圧値
２６ｈ  バリアー電圧値
２７    正のバリアー電圧
２７ａ  印加時間
２７ｂ  正のバリアー電圧
２７ｃ  正のバリアー電圧
２７ｄ  正のバリアー電圧
２７ｅ  正のバリアー電圧
２７ｆ  合計の正のバリアー電圧
２７ｇ  バリアー電圧値
２７ｈ  バリアー電圧値
２８    加速電圧
２８ａ  印加時間
２８ｂ  加速電圧
２８ｃ  加速電圧
２８ｄ  加速電圧
２８ｅ  加速電圧
２８ｆ  加速電圧
２８ｇ  印加時間
２８ｈ  加速電圧値
２９    リセット電圧
２９ａ  印加時間
２９ｂ  リセット電圧
２９ｃ  リセット電圧
２９ｄ  リセット電圧
２９ｅ  リセット電圧
２９ｆ  合計のリセット電圧
２９ｇ  リセット電圧値
３０    バリアー電圧発生間隔
３１    同極のバリアー電圧発生間隔
３２    バンチ間隔
３３    高周波線形加速器入射
３３ａ  ＡＶＦサイクロトロン入射
３４    高周波シンクロトロン複合体一式
３５    高周波シンクロトロン
３５ａ  位置モニター
３５ｂ  ステアリング電磁石
３６    高周波加速装置
３６ａ  高周波加速空洞
３６ｂ  制御装置
３７    高周波
３７ａ  加速電圧
３７ｂ  中心加速電圧
３７ｃ  頭部加速電圧
３７ｄ  尾部加速電圧
【図１】
2006310013.tif 000003
【図２】
2006310013.tif 000004
【図３】
2006310013.tif 000005
【図４】
2006310013.tif 000006
【図５】
2006310013.tif 000007
【図６】
2006310013.tif 000008
【図７】
2006310013.tif 000009
【図８】
2006310013.tif 000010
【図９】
2006310013.tif 000011
【図１０】
2006310013.tif 000012
【図１１】
2006310013.tif 000013
【図１２】
2006310013.tif 000014