(57)【要約】【課題】  従来、ベータトロン加速装置の高出射効率化を図るため、主励磁用加速コアと副励磁用加速コアを設け、加速電圧パターンを主コアの主励磁電源、副コアの副励磁電源による電圧を重畳しているが、粒子加速期間中に副励磁電源の逆励磁過程における負電圧が重畳され、粒子加速電圧が若干低下するという課題解消を目的としている。【解決手段】  粒子加速期間中に副励磁電源には、これにつながるコイル両端を短絡し、自由電流を流し、副励磁用加速の磁束を保持する動作を備え、加速期間中に負の電圧が印加されないようにした。【選択図】        図６
2006147386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビーム加速用電場を誘起するとともに、前記荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる真空容器と、
前記真空容器の外回りに設けられた主励磁用加速コアおよび副励磁用加速コアと、前記主、副励磁用加速コアにそれぞれ装着されたコイルと、前記コイルに正負両極性のパルス電圧波形を繰り返し出力する主励磁電源および副励磁電源とを備え、前記荷電粒子ビームの加速は、前記主励磁電源の前記主励磁用加速コア励磁で生成される正電圧波形と、前記副励磁電源の前記副励磁用加速コア励磁で生成されるビーム出射時の正電圧波形とを、重畳することにより形成される加速電圧波形によってなされるとともに、前記加速電圧波形の１周期内に、前記荷電粒子ビームが入射から出射までの加速を行うベータトロン加速装置において、
前記副励磁電源は、前記荷電粒子ビームの加速期間中に、該電源につながるコイルの両端を短絡して前記該電源と該コイルの間に自由電流を流し、前記該コイルを装着した前記副励磁用加速コアの磁束を保持する動作を有することを特徴とするベータトロン加速装置。
【請求項２】
荷電粒子ビーム加速用電場を誘起するとともに、前記荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる真空容器と、
前記真空容器の外回りに設けられた加速コアと、前記加速コアにそれぞれ装着されたコイルと、前記コイルに正負両極性のパルス電圧波形を繰り返し出力する励磁電源とを備え、前記励磁電源で前記コイルを励磁することによって生成される加速電圧波形の１周期内に、前記荷電粒子ビームの入射から出射までの加速を行うベータトロン加速装置において、
前記励磁電源の電圧波形は、逆励磁、粒子加速、消磁の各過程からなるものであり、さらに前記励磁電源には、前記コイルに設けられた電流検出手段が検出する前記逆励磁過程における負値のピーク電流値、および前記粒子加速過程における正値のピーク電流値をホールドする負、正のピークホールド回路が設けられているとともに、前記ピークホールド回路の出力を入力するパルス発生回路は、前記負、正のピーク電流値から前記加速コアの偏磁量を演算し、前記消磁過程における電圧パルスの印加時間幅にフィードバックすることにより、加速コアの偏磁を補正することを特徴とするベータトロン加速装置。
【請求項３】
荷電粒子ビーム加速用電場を誘起するとともに、前記荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる真空容器と、
前記真空容器の外回りに設けられた主励磁用加速コアおよび副励磁用加速コアと、前記主、副励磁用加速コアにそれぞれ装着されたコイルと、前記コイルに正負両極性のパルス電圧波形を繰り返し出力する主励磁電源および副励磁電源とを備え、前記荷電粒子ビームの加速は、前記主励磁電源の前記主励磁用加速コア励磁で生成される正電圧波形と、前記副励磁電源の前記副励磁用加速コア励磁で生成されるビーム出射時の正電圧波形とを、重畳することにより形成される加速電圧波形によってなされるとともに、前記加速電圧波形の１周期内に、前記荷電粒子ビームが入射から出射までの加速を行うベータトロン加速装置において、前記主、副励磁電源の電圧波形は逆励磁、粒子加速、消磁の各過程からなるものであり、
前記副励磁電源は、前記粒子加速過程中に、該電源につながるコイルの両端を短絡して前記該電源と該コイルの間に自由電流を流し、前記該コイルを装着した前記副励磁用加速コアの磁束を保持する動作を有し、さらに前記主、副励磁電源には、前記コイルに設けられた電流検出手段が検出する前記逆励磁過程における負値のピーク電流値、および前記粒子加速過程における正値のピーク電流値をホールドする負、正のピークホールド回路が設けられているとともに、前記ピークホールド回路の出力を入力するパルス発生回路は、前記負、正のピーク電流値から前記加速コアの偏磁量を演算し、前記主、副電源の消磁過程における電圧パルスの印加時間幅にフィードバックすることにより、加速コアの偏磁を補正することを特徴とするベータトロン加速装置。
【請求項４】
荷電粒子ビーム加速用電場を誘起するとともに、前記荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる真空容器と、
前記真空容器の外回りに設けられた主励磁用加速コアおよび副励磁用加速コアと、前記主、副励磁用加速コアにそれぞれ装着されたコイルと、前記コイルに正負両極性のパルス電圧波形を繰り返し出力する主励磁電源および副励磁電源とを備え、前記荷電粒子ビームの加速は、前記主励磁電源の前記主励磁用加速コア励磁で生成される正電圧波形と、前記副励磁電源の前記副励磁用加速コア励磁で生成されるビーム出射時の正電圧波形とを、重畳することにより形成される加速電圧波形によってなされるとともに、前記加速電圧波形の１周期内に、前記荷電粒子ビームが入射から出射までの加速を行うベータトロン加速装置において、前記主、副励磁電源の電圧波形は逆励磁、粒子加速、消磁の各過程からなるものであり、
前記副励磁電源は、前記粒子加速過程中に、該電源につながるコイルの両端を短絡して前記該電源と該コイルの間に自由電流を流し、前記該コイルを装着した前記副励磁用加速コアの磁束を保持する動作を有し、さらに前記主、副励磁電源には、前記コイルに設けられた電流検出手段が検出する前記逆励磁過程における負値のピーク電流値、および前記粒子加速過程における正値のピーク電流値をホールドする負、正のピークホールド回路が設けられているとともに、前記ピークホールド回路の出力を入力する演算回路は、前記負、正の電流値から前記加速コアの偏磁量を演算し、前記主、副電源の消磁過程における電圧値を制御することにより、加速コアの偏磁を補正することを特徴とするベータトロン加速装置。
【請求項５】
加速コアの数と、主、副励磁電源の台数は、以下の（１）〜（４）のいずれかとすることを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４のいずれか１項に記載のベータトロン加速装置。
（１）１個の主励磁用加速コアと、１個の副励磁用加速コアと、１台の主励磁電源および１台の副励磁電源。
（２）１個の主励磁用加速コアと、複数個の副励磁用加速コアと、１台の主励磁電源および１台あるいは複数台の副励磁電源。
（３）複数個の主励磁用加速コアと、１個の副励磁用加速コアと、１台あるいは複数台の主励磁電源および１台の副励磁電源。
（４）複数個の主励磁用加速コアと、複数個の副励磁用加速コアと、１台あるいは複数台の主励磁電源および１台あるいは複数台の副励磁電源。
【請求項６】
前記主、副励磁電源は、スイッチ素子をブリッジ回路に構成したことを特徴とする請求項１または請求項３のいずれか１項に記載のベータトロン加速装置。
【請求項７】
前記主、副励磁電源は、３個のスイッチ素子を用い、正電圧側に１個、負電圧側に２個設けた非対称ブリッジ回路に構成したことを特徴とする請求項１または請求項４のいずれか１項に記載のベータトロン加速装置。
【請求項８】
前記副励磁電源は、３個のスイッチ素子を用い、正電圧側に１個、負電圧側に２個設けた非対称ブリッジ回路に構成したことを特徴とする請求項１または請求項４のいずれか１項に記載のベータトロン加速装置。
【請求項９】
前記副励磁電源の出力する負電圧の絶対値は、正電圧の絶対値より低くしたことを特徴とする請求項８に記載のベータトロン加速装置。
【請求項１０】
前記主、副励磁電源の負電圧側の２個のスイッチ素子のうち、１個をサイリスタとしたことを特徴とする請求項８に記載のベータトロン加速装置。
【請求項１１】
前記真空容器の外部に設けられ、生成する磁場が、前記周回軌道の径方向に単調増加あるいは単調減少で時間的には一定としたＦＦＡＧ方式の偏向電磁石とを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のベータトロン加速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、医療、工業、研究分野に用いられている荷電粒子加速器のうち、特にベータトロン加速装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のベータトロン加速装置において、その加速装置の性能の重要な指標の一つに、ビーム出射効率η＝（出射ビーム電流Ｉｏｕｔ／（入射ビーム電流）Ｉｉｎ）があり、高出射効率が求められている。この命題を解消するのに本願発明者は、下記する特許文献１に示す構成により、ビーム入射時の加速電圧を高くし、ビーム入射時のクーロン散乱による空間電荷効果の低減と、出射時ビーム電流の増大化によるビーム出射効率の向上を実現している。このとき、加速電圧パターンの形成は、主加速コアとその主励磁電源および重畳用の副加速コアとその副励磁電源とにより実現している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４７１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に示された構成をさらに詳細に検討を加えたところ、主加速コアによる励磁波形と、副加速コアによる励磁波形を重畳した場合に、荷電粒子加速期間中に、主励磁電圧に対して副励磁電源の逆励磁過程における負の電圧が重畳され、粒子加速電圧が若干低下しているという課題が明らかとなった。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためのものであって、電圧重畳により荷電粒子ビームの入射時や出射時に加速電圧の高電圧化を行う方式において、加速期間中に負の副励磁電圧が印加されないようにして、加速電圧を向上できるベータトロン加速装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るベータトロン加速装置は、荷電粒子ビーム加速用電場を誘起するとともに、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる真空容器と、
真空容器の外回りに設けられた主励磁用加速コアおよび副励磁用加速コアと、主、副励磁用加速コアにそれぞれ装着されたコイルと、コイルに正負両極性のパルス電圧波形を繰り返し出力する主励磁電源および副励磁電源とを備え、前記荷電粒子ビームの加速は、前記主励磁電源の前記主励磁用加速コア励磁で生成される正電圧波形と、前記副励磁電源の前記副励磁用加速コア励磁で生成されるビーム出射時の正電圧波形とを、重畳することにより形成される加速電圧波形によってなされるとともに、前記加速電圧波形の１周期内に、荷電粒子ビームが入射から出射までの加速を行うものであって、副励磁電源は、荷電粒子ビームの加速期間中に、該電源につながるコイルの両端を短絡して該電源と該コイルの間に自由電流を流し、該コイルを装着した副励磁用加速コアの磁束を保持する動作を有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によるベータトロン加速装置は、主、副励磁用加速コアと、主、副励磁電源を備え、主、副励磁電源の出力する電圧波形を重畳した加速電圧波形によって荷電粒子ビームを加速し、荷電粒子ビームの加速期間中に副励磁電源につながるコイルの両端を短絡して電源とコイル間に自由電流を流し、副励磁用加速コアの磁束を保持する動作を有するので、粒子加速電圧波形に対して負の励磁電圧が印加されず、従って加速電圧の低下現象が発生せず、効率よく粒子加速を行うことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
この実施の形態１に係るベータトロン加速装置は、図１に示すように、環状の中空導体からなり、内部には荷電粒子ビームの通路を形成し、該荷電粒子ビーム加速用電場を誘起する加速間隙２４を有する真空容器２３と、この真空容器２３の外回りに巻きつくように設けた主励磁用加速コア２１と副励磁用加速コア２２および前記各加速コア２１，２２に設けた励磁コイル１１と、前記各励磁コイル１１に電圧を印加する主励磁電源１０１、副励磁電源１０２とを備えている。
主励磁電源１０１および副励磁電源１０２の回路構成は図２に示すようになっており、図示省略の給電設備からの交流電力を整流・平滑回路３０により整流電圧を形成し、ブリッジ回路に構成したスイッチング回路３１により正負両極性に矩形波電圧（パルス電圧波形）を出力するインバータ電源で構成されている。スイッチ素子として本実施の形態１ではＩＧＢＴ３２を使用しているが、これに限らず、ＦＥＴ等のスイッチ動作を行える素子であってもよい。通常のインバーター動作では図３、図４に示すように接続を交互に切り替えて加速コア２１，２２に対して矩形波を印加している。このとき、回路の短絡を避けるため、図５に示すように、切り替えの途中では全ＩＧＢＴを切にする短時間（数μｓ程度）のデッドタイムを設けている。この実施の形態１による副励磁電源１０２ではさらに、図６に示すＩＧＢＴ動作を有している。
図３に示した方向に電流が流れている状態で、図５に示すスイッチ素子全切状態を維持した場合、図５に示すように電流の流れに対して逆電圧となるので、電流値は減少し始め、従って、副励磁用加速コア２２の２次側には正電圧が発生するので、前記加速コア２２の磁束が減少する結果、後述する図７に示すその後の粒子加速過程における電圧値が低下、または加速時間を若干伸ばす必要がある。これに対し、図６に示す状態にスイッチングを行なうと、コイル１１に対して電源からの電圧が印加されず、コイル１１に自由に電流が流れるようになっているので、前記加速コア２２の磁束は変化せず保持されたままとなる。このように磁束が保持されるのでこの間前記加速コア２２を取り巻く粒子に働く加速電圧は零電圧となっている。これが磁束保持動作であり、後述の図７に示す粒子加速過程における電圧値または加速時間を副励磁用加速コア２１，２２の性能一杯まで伸ばすことが可能となる。
【０００９】
主励磁電源１０１の電圧波形は図７の「主コア電圧」に示すように初めに負電圧の逆励磁過程、次に粒子加速電圧を発生する正電圧の粒子加速過程、最後にコア２１の磁化を解消する消磁過程からなり、それぞれ電庄の絶対値は等しく、３つの過程は連続的につながっている。副励磁電源１０２の電圧波形は図７の「副コア電圧」に示すように、初めに逆励磁過程、次に主励磁電源１０１の粒子加速過程にほぼ全過程に対応した期間内に磁束保持動作により零電圧とする磁束保持期間、次に粒子加速電圧を発生する正電圧の粒子加速過程、最後にコア２２の磁化を解消する消磁過程からなり、それぞれ電圧Ｖ１、Ｖ２の絶対値は等しく、４つの過程は連続的につながっている。また、副励磁電源１０２の磁束保持期間と正電圧粒子加速過程の和の時間は、主励磁電源１０１の粒子加速過程の時間に一致するように励磁している。
以上の構成によれば、主励磁電源の出力する励磁電圧波形と、副励磁電源の出力する励磁電圧波形とを重畳して得られた加速電圧波形は、図７の「加速電圧」に示す波形となる。尚、ここで前記特許文献１で示した加速電圧波形ではビーム入射時とビーム出射時と両方で加速電圧を向上させているが、ビーム入射時はエネルギーが低く軌道間隔を広く取れるので加速器仕様によっては入射時の高加速電圧を利用しない場合がある。この実施の形態１では出射時だけで高加速電圧となる波形を発生させている。
このようにこの実施の形態１によれば、主励磁電源１０１による主コアの粒子加速電圧波形に対して負の副励磁電圧が印加されないので、加速電圧の低下が発生することなく効率的に粒子加速を行うことが可能となる。しかも、電源回路は簡単なインバーター回路であって、そのスイッチング素子タイミングを変更するだけで実現できるので、追加の回路コストを省くことが出来るという利点がある。
【００１０】
実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。
実施の形態１と同様に構成したベータトロン加速装置において、この実施の形態２では主励磁電源１０１および副励磁電源１０２の回路構成を図８に示すように構成し、給電設備からの交流電力を整流・平滑回路３０ａおよび３０ｂにより正負の整流電圧を形成し、３つのスイッチ素子である例えばＩＧＢＴ３２を用いて非対称ブリッジ回路を構成し、正、負両極性に矩形波電圧を出力する。この構成において、通常のインバーター動作では図９、図１０の接続を交互に切り替えてコア２１，２２に対して矩形波を印加する。ただしこのとき、回路の短絡を避けるため、切り替えの途中では全ＩＧＢＴを切にする数μｓ程度のデッドタイムを設けてある。この実施の形態２の副励磁電源１０２は、前述した実施の形態１と同様の動作、すなわち図１１に示すようなＩＧＢＴ動作を追加している。例えば図９の方向に電流が流れている状態で、図１１に示す状態にスイッチングを行なうと、副励磁用加速コア２２に対して電源１０２からの電圧が印加されず、かつ前記加速コア２２に巻いたコイル１１に自由に電流が流れるようになっているので、前記加速コア２２の磁束は変化せず保持されたままとなる。磁束が保持されるのでこの間前記加速コア２２を取り巻く粒子に働く加速電圧は零電圧となり磁束保持動作が可能となる。
この実施の形態２では上記のような構成により磁束保持動作が可能となっているので、主励磁電源電圧１０１の粒子加速過程電圧に負電圧が重畳されず高い加速が得られると同時に、回路に使用しているスイッチング素子３２の数を実施の形態１に示したブリッジ回路（インバーター回路）の４素子に比較して、３素子に低減できるので、回路のコスト低減ができると言う効果がある。
【００１１】
実施の形態３．
実施の形態２と同様に構成したベータトロン加速装置において、この実施の形態３では副励磁電源１０２の正負両電源電圧の関係を図７に示した｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜の条件ではなく、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように設定し、通常のインバーター動作では図９、図１０の接続を交互に切り替えてコア２１，２２に対して矩形波を印加する。この方式により得られる加速電圧は図１２に示すような波形となる。尚、この実施の形態３でも前記実施の形態１，２で説明したように、回路切り替え時のデットタイム、副励磁用加速コアの磁束保持動作を有しているが、説明を省略する。
この実施の形態３は上記のような構成により、加速に必要な粒子加速過程の電圧波形には高電圧値Ｖ１を実現しながらも、加速に不必要な負電圧値Ｖ２には高電圧値とせず低電圧で時間をかけて逆励磁や消磁を行うようにしている。通常、コア２１，２２材料の発熱（鉄損）は電圧波形が高周波数ほど増大する傾向にあるので、図１２に示す電圧波形を実現するこの実施の形態３によれば負側の短パルス幅すなわち高周波成分がなくなっているので、同じ加速電圧波形を得ながら副励磁用加速コア２１材料の発熱を低減でき、前記加速コア２２冷却構造の簡単化によるコスト低減や電源ランニングコスト低減の効果がある。
【００１２】
実施の形態４．
この実施の形態４は、実施の形態２で示した図８の電源回路構成を図１３に示す回路に置き換えたものであり、基本動作は実施の形態２および３と同様であるが、負電圧側にサイリスタ３３を１個使用したパルス発生回路を使用している点が異なっている。そして、この回路構成は、主、副励磁電源に用いてもよいが、下記する図１４に示すようにこの実施の形態４においては、副励磁電源として用いた場合を示している。負電圧側のパルス発生回路は電源部と、それに直列に設けた充電制限抵抗、コンデンサ、サイリスタ３３からなっている。初めにサイリスタ３３入と同時にコイル１１に電圧が印加され電流が流れ始める。コンデンサは放電を始めるが、電流側に充電制限抵抗が設けてあるのでコンデンサ両端の電圧は低下し始め、電圧が０となったところでサイリスタ切となる。従って、発生電圧は図１４に示すように、逆励磁過程および消磁過程に対応する負側電圧波形は部分正弦波形状であり各過程の終了時刻近傍においてほぼ零電圧となっている。逆励磁過程および消磁過程はコア２２の磁化を変化させることが目的であって電圧の一定性は不要なのでこのような波形であっても問題なく、一方、実施の形態３と比較して、高価なＩＧＢＴ素子３２を１個減らし安価なサイリスタ３３に置き換えているので、構造が簡単となり回路コストが低減するという効果がある。
【００１３】
実施の形態５．
前記した実施の形態１から３におけるベータトロン加速装置において、図７や図１２に示したような電圧波形を繰返し加速コア２１，２２に印加した場合、消磁過程において正確な消磁が出来ない場合が生じ、このように消磁がされない状態で、励磁を繰り返すと、コア２１，２２の磁化が片側に飽和してしまい、それ以上の加速電圧発生が出来なくなるという場合がある。そこで、この実施の形態５では偏磁を検出し消磁パルス幅を調整することで偏磁を補正している。
この実施の形態５によるベータトロン加速装置の構成は、前記実施の形態１〜３に示したもの、および前記特許文献１に示された構成の正、副励磁用加速コアの双方を偏磁補正することや、特許文献１中に記載の従来例（図６）の構成にも適用可能である。従って、その構成の説明は省略する。
【００１４】
以下、この実施の形態５における偏磁補正のための装置構成は次の通りであり、図示省略しているが、正、副励磁用加速コアについて行う場合を述べる。
図１５に示すように、励磁コイル１１に対して電流トランス（ＣＴ）３４を設けている。電流トランス３４で検出した電流値は負値のピークホールド回路３６、正値のピークホールド回路３５によりそれぞれ逆励磁時の電流ピークと粒子加速時の電流ピークを検出する。次に両値をパルス発生回路３７に入力演算し、図１６に示したように正電流ピークが大きい場合は、次のパルスにおける消磁過程の電圧パルス幅を拡大し、逆の場合は縮小するような制御、補正を行う。
この実施の形態５では、以上のような構成で偏磁補正方式をとっているので、逆励磁過程の電圧パルス幅や粒子加速過程の電圧パルス幅を変化させないので、粒子加速タイミングのコントロールが可能で粒子加速器での使用に問題のない電圧波形を発生でき、しかも偏磁を起こすことなく長時間繰り返しての動作が可能となる。尚、この実施の形態５では、正、副励磁用加速コアの偏磁補正を行うことを述べたが、正、副励磁用加速コアそれぞれ単独に設ける場合があってもよい。また、電流検出に電流トランスを使用しているが、電流検出抵抗等、電流を検出する機能を備えた電流検出手段であればよい。
【００１５】
実施の形態６．
この実施の形態６は、前記した実施の形態５の偏磁補正構成の他の実施例を示すものである。
この実施例における偏磁補正のための装置構成は、次の通りである。
図１７に示すように、励磁コイル１１に対して電流トランス（ＣＴ）３４を設けている。電流トランス３４で検出した電流値は負値のピークホールド回路３６、正値のピークホールド回路３５によりそれぞれ逆励磁時の電流ピークＩ１と粒子加速時の電流ピークＩ２を検出する。次に両値を負電源３９の電圧Ｖ２を決定する演算回路３８に入力演算し、図１８に示したように正電流ピークＩ２が大きい場合は次のパルスの消磁過程の負電源電圧増加させ、逆の場合は減少させるよう補正を行う。
この実施例は、以上のような構成の偏磁補正方式であることから、逆励磁過程の電圧パルス幅や粒子加速過程の電圧パルス幅を変化させないので、粒子加速タイミングのコントロールが可能で粒子加速器での使用に問題のない電圧波形を発生でき、また逆励磁や消磁過程のパルス幅も変化させないのでパルス波形が連続となる高繰り返し励磁も問題なく実現できるようになり、しかも偏磁を起こすことなく長時間繰り返しての動作が可能となる。なお、前記実施の形態５と同様、電流トランスに代わり電流検出手段であってもよい。
【００１６】
実施の形態７．
この実施の形態７は、本願発明の前記実施の形態１，３，５の構成要素の内からそれぞれ、後述の各構成要素を取り出して組み合わせた構成とするとともに、図１９に示すように、荷電粒子ビームの軌道を規定するための偏向電磁石２５を設け、この偏向電磁石２５の磁場を荷電粒子ビーム軌道の径方向に単調増加または単調減少で変化させ、時間的には一定としたＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）方式のベータトロンとしている。
【００１７】
この実施の形態７の構成は、実施の形態１で示した真空容器２３と、主励磁用加速コア２１，副励磁用加速コア２２，励磁コイル１１，主励磁電源１０１，副励磁電源１０２と、前記偏向電磁石２５とを備えている。尚、この図１９では、主、副励磁用加速コアを１つのコア２１で示すとともに、主、副励磁電源１０１，１０２も１個の絵で示している。そして、主励磁電源１０１は、実施の形態１で示した図１の回路構成を、副励磁電源１０２は、実施の形態２で示した図８の回路構成を採用し、そして、副励磁電源の正負電源電圧の関係は、実施の形態３で示したように、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように設定し、これら主、副励磁電源による主、副加速用コアに印加される電圧波形を図１２に示すように設定する。なお、この実施の形態では、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるよう設定しているが、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜であってもよい。この場合、副励磁電源１０２は図１の回路構成であってもよい。さらに主励磁用加速コア２１の偏磁補正は、実施の形態５で示した図１５の回路構成を、副励磁用加速コア２２の偏磁補正は実施の形態６で示した図１７の回路構成を採用している。なお、副励磁電源１０２として図１の回路構成を採用する場合は、副励磁用加速コア２２の偏磁補正は実施の形態５で示した図１５の回路構成を採用すればよい。
これにより、実施の形態１で説明したように、副励磁波形の逆励磁過程による負電圧が加速電圧に重畳されない高効率な加速が可能となり、実施の形態４に示したように加速に寄与しない電圧波形によるコアロスを低減した低消費電力の加速が可能となり、実施の形態５および実施の形態６に示したようにパルス動作時のコアの偏磁を抑制した長時間安定動作が可能となった。
また、荷電粒子ビーム軌道維持のための磁場を従来の変動磁場から定磁場としたことで粒子ビームパルスの繰り返し周波数を従来の１０〜１００Ｈｚに対し１０ｋＨｚ程度まで向上し取り出しビーム量を増大することが可能となった。なお、この実施の形態７のＦＦＡＧ方式を前記実施の形態１〜６に適用すると、同様に取り出しビーム量を増大できる効果がある。
【００１８】
実施の形態８．
この実施の形態８に係るベータトロン加速装置は、実施の形態１の構成と同様の図２０に示すように、環状の中空導体からなり、内部には荷電粒子ビームの通路を形成し、該荷電粒子ビーム加速用電場を誘起する加速間隙２４を有する真空容器２３と、この真空容器２３の外回りに巻きつくように設けた主励磁用加速コア２１を設けている。さらにこの実施の形態８の特徴とする第１副励磁用加速コア２２ａの第２副励磁用加速コア２２ｂ、各加速コアに巻きつけた３台の励磁コイル１１，各励磁コイル１１に電圧を印加する主励磁電源１０１，第１副励磁電源１０２ａ、第２副励磁電源１０２ｂとを備えている。
主励磁電源１０１および第１副励磁電源１０２ａ、第２副励磁電源１０２ｂの回路構成は実施の形態１で示した図１のようになっており、各副励磁電源１０２ａは実施の形態１と同様の磁束保持動作により、粒子加速過程における電圧値の低下、または加速時間をコア２１の性能一杯まで伸ばすことが可能となる。
図２２に主励磁電源１０１による主コアの電圧波形と第１副励磁電源１０２ａによる副コア２２ａの電圧波形、第２励磁電源１０２ｂによる副コア２２ｂの電圧波形、それらの合成による加速電圧波形を示す。この実施の形態８では２種の副励磁電源により、ビーム入射時と出射時の両方で高加速電圧としているので、加速器仕様に応じてビーム入射時の入射効率を高めたい場合に有効である。この実施の形態８においても、主励磁電源１０１の粒子加速電圧波形に対して負の副励磁電圧が印加されないので、加速電圧の低下が発生することなく効率的に粒子加速を行うことが可能となる。しかも、電源回路は簡単なインバーター回路であって、そのスイッチング素子タイミングを変更するだけで実現できるので、追加の回路コストを省くことが出来るという利点がある。なお、この実施の形態８も前記実施の形態７に示すＦＦＡＧ方式を適用することにより取り出しビーム量を増大できる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
この発明の実施の形態１〜８は、医療、工業、研究分野に用いられる荷電粒子ビーム加速器に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１のベータトロン加速装置を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１の主、副励磁電源の回路構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１の加速電圧波形を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態２の主、副励磁電源の回路構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２の主、副励磁電源の動作を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３の加速電圧波形を説明する図である。
【図１３】この発明の実施の形態４の主、副励磁電源の回路構成を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態４の副励磁電源による加速電圧波形を説明する図である。
【図１５】この発明の実施の形態５の主、副電源の回路、偏磁補正回路を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態５の加速電圧波形を説明する図である。
【図１７】この発明の実施の形態６の主、副電源の回路、偏磁補正回路を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態６の加速電圧波形を説明する図である。
【図１９】この発明の実施の形態７のベータトロン加速装置を示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態８のベータトロン加速装置を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態８の加速電圧波形を説明する図である。
【符号の説明】
【００２１】
１１  コイル、２１  主励磁用加速コア、２２  副励磁用加速コア、２３  真空容器、
２５  偏向電磁石、３２  スイッチ素子、３３  サイリスタ、３４  ＣＴ、
３５  正のピークホールド回路、３６  負のピークホールド回路、
３７  パルス発生回路、３８  演算回路、１０１  主励磁電源、１０２  副励磁電源。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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