(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを中心ビーム軸に沿って加速するための誘導型線形粒子加速器であって、
電力供給装置（１１０）、
前記電力供給装置（１１０）へ接続されて該電力供給装置から電力を受け取る複数のソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）であって、該ソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）のそれぞれが、前記電力供給装置（１１０）によって選択的に充電されるエネルギー蓄積コンデンサー（１２２）と、オン／オフ電子制御可能であってソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）の出力部に駆動パルスを選択的に与えるソリッドステートスイッチ（１２４）とから成るソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）、前記ソリッドステートスイッチ（１２４）は、エネルギー蓄積コンデンサー（１２２）からの蓄積エネルギーを転送させて前記駆動パルスをスタートするためのターンオン及び前記駆動パルスを終了するためのターンオフができ、それによって誘導型線形粒子加速器の電圧駆動をなすものであり、
前記中心ビーム軸に沿って対称に装置される複数の磁性体コア片（１３０）であって、該磁性体コア片（１３０）の磁性体コアそれぞれが、ソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）の前記出力部へ接続された電気配線を介して、前記ソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）の各１つと接続される前記複数の磁性体コア片（１３０）、及び
前記複数のソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）へ接続され、かつ前記複数のソリッドステートスイッチのオン／オフを制御する制御信号を与えて磁性体コア片（１３０）を駆動させ前記中心ビーム軸に沿って前記荷電粒子のビームを加速させるための電界を誘導するスイッチ制御モジュール（１４０）、から構成される誘導型粒子加速器（１００）。
【請求項２】
磁性体コア片（１３０）のそれぞれが少なくとも１個の環状磁性体コアからなることを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項３】
前記磁性体コア片（１３０）の少なくとも１つが少なくとも２個の磁性体コアから成り、前記少なくとも２個の磁性体コアの外側磁性体コアと呼ばれる一番目の磁性体コアと、前記少なくとも２個の磁性体コアの内側磁性体コアと呼ばれる二番目の磁性体コアとは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項４】
前記磁性体コア片（１３０）のそれぞれに少なくとも２個の磁性体コアが含まれ、前記少なくとも２個の磁性体コアの外側磁性体コアと呼ばれる一番目の磁性体コアと、前記少なくとも２個の磁性体コアの内側磁性体コアと呼ばれる二番目の磁性体コアとは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求項３項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項５】
前記少なくとも１個の環状磁性体コアがメトグラス（Metglas:登録商標）材料からなる磁性体コアであることを特徴とする請求項２項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項６】
前記電力供給装置（１１０）が、電力供給ユニット（１１２）の１以上の前記ソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）への接続が可能とされる接続装置から構成されることを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項７】
前記ソリッドステートスイッチの少なくとも１個が絶縁ゲート双極トランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチであることを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項８】
前記ソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）がソリッドステートスイッチ方式パルス発生部であることを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項９】
それぞれのソリッドステートスイッチ方式駆動部（１２０）は、エネルギー蓄積コンデンサー（１２２）の放電の際の電圧垂下を補正するようにされた電圧垂下補正装置を更に有することを特徴とする請求項１項記載の誘導型線形粒子加速器。
【請求項１０】
前記電圧垂下補償装置はコンデンサーエネルギーが伝送される受動型電圧垂下補償回路であることを特徴とする請求項９記載の誘導型線形粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的には粒子加速器技術に関し、より具体的には粒子加速器及び同加速器に用いられる磁性体コア装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム加速器等の工業用及び医療用粒子加速器は、全世界市場において毎年多額の売上をあげている。これら加速器は製品、例えば医療器具や食品容器の滅菌から、タイヤ加硫、印刷インク硬化、プラスチック架橋、製紙等材料の改質、例えば自動車製造における厚板の電子ビーム溶接、及び放射線治療を含む医療用途まで広く利用されている。他の用途として、化学物質によらない都市上水の殺菌、流出ガスから硫黄及び二酸化窒素を除去するボイラー燃料ガス処理及びその過程における肥料生産なども含まれる。特に、専門の実験素粒子物理学研究所において、線形粒子加速器を高エネルギーシンクロトロン中へインジェクターとして用いることも可能である。
【０００３】
一般論として、主要な粒子加速器のタイプには３種がある。
・粒子が２つの異なる固定電位間の電界によって加速される静電加速器。例として、バンデグラフ(Van der Graft)、ペレトロン、及びタンデム加速器がある。
・電波の電界成分によって、無線周波数（ＲＦ）共振器として働く部分的に閉鎖された導通空洞内部の粒子を加速する無線周波数（ＲＦ）加速器。
・バルス電圧が磁性体コア周囲へ印加されて粒子ビームを加速させる電界が誘導される誘導加速器。
【０００４】
バンデグラフ加速器等の静電加速器は何年も使用されており、また例えば実験粒子施設及び又はイオンビーム施設においては猶使用されている。
【０００５】
現在のＲＦ加速器技術では、一般的に加圧ガスタンク中に封入される多種高電圧発生器が用いられる。主要なＲＦ加速器としては、ダイナミトロン（Radiation Dynamics Inc, ＲＤＩ）と、絶縁コア変圧器又はＩＣＴ（Fujitsu Japan）の２つが挙げられる。ダイナミトロンは真空管発振器からの超音波無線周波振動によって電力供給される。ＩＣＴは通常の電源からのＡ．Ｃによって電力供給される。また、別の高性能加速器であるロードトロン(Rhodotron)も市場から入手可能である。しかしながら、これら加速器のすべてには、高電圧発生器、危険かつ高圧なタンク、及び潜在的に有毒かつ高価なガスなどの１又は２以上の欠点がある。
【０００６】
１９６０年代初期に、所謂線形磁気誘導（ＬＭＩ）加速器が米国政府のローレンスリバーモア国立研究所（ＬＬＮＬ）のニコラス・クリストフォス氏によって設計された。当時、この研究所は「ローレンス放射線研究所」あるいはＬＲＬと呼ばれていた。この加速器の設計は多数の環状（ドーナツ形）磁性体コアの使用をベースとして行われ、各磁性体コアは（スパークギャップスイッチ及びパルス生成ネットワーク（ＰＦＮ）を用いて）高電圧パルス発生器によって数十キロボルト（ｋＶ）で駆動されて数百ｋＶ〜数メガボルト（ＭＶ）の加速電位が生成され、荷電粒子の高電流ビームが加速された。
【０００７】
この種の加速器の主要な特徴は、線形加速器（ＬＩＮＡＣｓ）と同様に、外面が地電位となることである。個々のコアを駆動する電圧はすべて発生すると中心軸下方へ連続して印加され、その他のいずれの部分にも発生しない。このことは、加速器から電磁エネルギーが「外界」へ放射されないこと、及び周囲からの絶縁が必要とされないため加速器の研究所への設置が容易であることを意味するものである。８００ｋＶＬＭＩ加速器であるアストロン線形加速器は、１９６０年代にＬＬＮＬにおいて建設され[1]、融合実験における電子ビーム加速に使用された。より大型のＬＭＩ加速器（ＦＸＲ，フラッシュＸ線）は１９７０年代に建設され、Ｘ線変換ターゲット中への電子ビームパルスの加速に使用された。ＦＸＲ加速器は爆発の静止画像ラジオグラフィーに使用された。
【０００８】
この所謂線形磁気誘導（ＬＭＩ）加速器は図１に概略的に示されている。図１のＬＭＩ加速器は、磁性体コアの中心ホールが、それに沿って粒子ビームが加速される中心ビーム軸と呼ばれる直線を取り巻くように配置される１群の環状磁性体コアの周囲に建設される。磁性体コアのそれぞれには高電圧パルス発生ネットワーク（ＰＦＮ）及び火花ギャップスイッチ等の高電圧スイッチから成る高電圧駆動システムが備えられる。図の簡潔化のため、図１には駆動部は１個のみ示されている。
【０００９】
高電圧スイッチには、典型例として、スイッチオンはできるがスイッチオフはできない水素サイラトロン管等のプラズマあるいはイオン化ガススイッチが用いられる。他方、パルスを生成し、さらにパルス幅に比較して上昇及び下降時間が比較的速い矩形パルスの形状で電力を伝えるためにはＰＦＮが必要である。ＰＦＮは通常、スイッチ操作された末端から「開路された」末端へ移動し、この開路から反射してスイッチ操作した末端へ戻り、移動しながらＰＦＮネットワークのエネルギー貯蔵コンデンサーからエネルギーを取り出し、そしてそのエネルギーをコア片へ「送り込む」電気パルス波を進行波方式で発生する。パルスは、進行波がＰＦＮ構造を両方向に横断し、貯蔵されたすべてのエネルギーがネットワークから引き出された時点で終焉する。スイッチ操作前のＰＦＮ電圧はＶであり、パルス変圧器の一次側へ印加される電圧はＶ／２か、またはそれより僅かに少ない数値である。ＰＦＮ中の成分が不足したならば、最適パルス形状を得るために、該成分の交換後にＰＦＮを再チューニングすることが必要である。この作業は、ＰＦＮへ高電圧を印加しながら行わなければならないため、労力を要し、かつ危険な作業である。その上、別の異なるパルス幅が必要な場合は、ＰＦＮの構造全体を交換するか、あるいは再チューニングする必要がある。高電圧ＰＦＮ及びスイッチにも信頼性及び安全性に関わる欠点がある。
【００１０】
初期のアストロン設計に基づいて数社が加速器を建設している。加速器の駆動に用いられる設計は、火花ギャップ、あるいはサイラトロンスイッチと厄介な高電圧ＰＦＮネックワークを基盤としており、ダイナミトロン及びＩＣＴ等のＲＦ型設計に比較してコスト競合性に劣る。
【００１１】
ＡＣライン電力をＤＣライン電流パルスへ変換し、次いで粒子を要求されるエネルギーレベルまで「キック(kick)」する無線周波数（ＲＦ）パルスへ変換するソリッドステートのモジュラーシステムに基づく最新設計も存在する[2]。
【００１２】
ＲＦ型システムの駆動に使用可能なソリッドステートモジュラーの他の例が文献[3〜5]に開示されている。
【００１３】
ＬＬＮＬからも、小型誘電壁加速器（ＤＷＡ）及び高い傾きで作動して加速パルスを絶縁壁下方へ送り込むパルス発生ラインが、コンパクトな一元作動を可能とするために加速器上へ一体化された荷電粒子発生装置と共に提供されている[6]。ＤＷＡ及び又はブルムライン加速器技術に基づく他の例については[7-8]に記載がある。
粒子加速器設計の改良に関しては、コスト効率性、信頼性、オンライン化可能性、サイズ、エネルギー消費及び安全性の１または２以上の問題について広く必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】“The ASTRON Linear Accelerator”, Beal, Christofilos及びHeater (1969年)
【非特許文献２】“Solid-State Technology Meets Collider Challenge”, S & TR (2004年9月), 22-24頁
【特許文献３】米国特許第5,905,646号
【特許文献４】米国特許第6,741,484号
【特許文献５】米国特許出願 2003/128554 A1
【特許文献６】米国特許出願 2008/051358 A1
【特許文献７】WO 2007/120211 A2
【特許文献８】WO 2008/033149 A2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、従来技術による装置における上述した問題点及び他の欠点を克服することを目的とする。
【００１６】
本発明は、広義には改良された誘導型粒子加速器を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明はさらに、粒子加速器のための改良された磁性体コア装置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】
【００１８】
本発明の上記目的及び他の目的は特許請求の範囲記載の発明によって達成される。
【００１９】
本発明は、第一の観点として、中心ビーム軸に沿って荷電粒子のビームを加速させる誘導型粒子加速器に関する。この粒子加速器は基本的に、電力供給配置、複数のソリッドステートスイッチ方式駆動部、複数の磁性体コア片、及び駆動部のソリッドステートスイッチを制御するためのスイッチ制御モジュールから構成される。ソリッドステートスイッチ方式駆動部は、電力供給装置から電力を受電するために該電力供給装置へ接続され、各ソリッドステートスイッチ方式駆動部は各ソリッドステートスイッチ方式駆動部の出力部に選択的に駆動パルスを与えるための、オン／オフ電子制御可能なソリッドステートスイッチから構成される。磁性体コア片は中央ビーム軸に沿って対称に装置され、磁性体コア片の各磁性体コアはソリッドステートスイッチ方式駆動部の出力部へ接続される電気配線を経由してソリッドステートスイッチ方式駆動部へそれぞれ連結される。スイッチ制御モジュールは、ソリッドステートスイッチのオン／オフを制御する制御信号を与えて磁性体コア片のコアを選択的に駆動させるソリッドステートスイッチ方式駆動部へ接続され、これにより中心ビーム軸に沿って荷電粒子のビームを加速させる電界が誘導される。
【００２０】
このようして、信頼性が高く、オンライン化可能であり、かつ安全性（低電圧駆動）の高い低コストな誘導型加速器を得ることが可能となる。従来の、サイラトロンあるいは火花ギャップスイッチを備える誘導型加速器の高電圧駆動システムを完全に取り除くことが可能である。例えば、１００ｋＶの加速構造を得るためには、１００個の磁性体コアを使用し、各コアを１ｋＶソリッドステートスイッチ方式駆動パルスによって駆動させることが可能である。本発明の新たな概念による加速器設計にはさらに、危険で重量のある高圧タンクを不要とでき、かつ有毒かつ高価なガスの使用も不要できる利点もある。
【００２１】
本発明は、第二の観点として、粒子加速器のための磁性体コア装置に関する。本発明に係る磁性体コア装置は、基本的に中心軸に沿って装置される複数の磁性体コア片から構成される。多数ある磁性体コア片のそれぞれは少なくとも２個の磁性体コアから成り、磁性体コアの外側磁性体コアと呼ばれる一番目のコアは、内側磁性体コアと呼ばれる二番目のコアに対して中心軸から外側へ放射状に装置される。かかる装置に関する概念は加速部毎にある数個の磁性体コアのそれぞれについても同様に適用される。
【００２２】
追加コアを中心から外側へ放射状に「入れ子状に重ね入れる」ことにより、加速電界（ボルト／加速器の長さ（ｍ））は従来の単一コア設計よりも大きく引き上げられる。
【００２３】
上記方法の実施により、装置の長さに対する装置の直径の取り決めに自由度が与えられる。さらに、装置をさらにコンパクトにすることも可能となり、装置を従来装置よりも大幅に短くすることが可能となる。
【００２４】
本発明によって得られる他の利点については、下記実施態様において明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の線形磁気誘導（ＬＭＩ）加速器の基本概念について説明するための概略図である。
【図２】例示的実施態様に従った新規な誘導型粒子加速器について説明するための概略図である。
【図３】例示的実施態様に従った粒子加速器装置の具体例について説明するための概略図である。
【図４】例示的実施態様に従った粒子加速器装置の別の具体例について説明するための概略図である。
【図５】例示的実施態様に従った誘導型粒子加速器の構成及び操作原理について説明するための概略図である。
【図６】例示的実施態様に従った粒子加速器の新規な磁性体コア配置構成の基本概念について説明するための概略図である。
【図７】図６の磁性体コア配置が装備された新規な誘導型粒子加速器について説明するための概略図である。
【発明を実施するための手段】
【００２６】
本発明の構成について、その目的及び利点と共に、以下において添付図面を参照しながら説明する。なお図面中、同一符号は同一のあるいは類似の構成部分を示す。
【００２７】
図２は例示的実施態様に従った新規な誘導型粒子加速器の基本概念について説明するための概略図である。
【００２８】
説明を簡潔にするため、粒子加速器は線形加速器（ＬＩＮＡＣ）であるものとして説明する。本発明においてＬＩＮＡＣは加速器として好ましいタイプではあるが、本発明はＬＩＮＡＣに限定されない。
【００２９】
加速器１００は基本的に、１または２以上の電力供給ユニット１１２を有する電力供給装置１１０、複数のソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０、複数の磁性体コア片１３０、電子スイッチ制御モジュール１４０、及び粒子源１５０から構成される。
【００３０】
電力供給装置１１０には、電力供給ユニット１１２をソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０の１以上、場合によってはすべてへ接続するための接続装置が与えられる。このことは、例えば電力供給装置１１０が１個の電力供給ユニット１１２を有し、該ユニットをソリッドステートスイッチ方式駆動部のそれぞれへ接続することも可能なことを意味している。また、その代替例として、駆動部１２０のそれぞれに専用の電力供給ユニット１１２を備える装置とすることも可能である。
【００３１】
いずれにしても、電力供給装置１１０から電力を受け取るために、ソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０が電力供給装置１１０へ接続される。各ソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０は、好ましくはソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０の出力部において駆動パルスを選択的に与えるために電子的にオン／オフ制御可能なソリッドステートスイッチから構成される。
【００３２】
それぞれが少なくとも１個の環状の磁性体コアを有する磁性体コア片１３０は、中心ビーム軸に対して対称に装置され、各磁性体コアはソリッドステートスイッチ方式駆動部の出力部へ接続される電気巻線を介してソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０の一つへそれぞれ接続される。
【００３３】
スイッチ制御モジュール１４０は、駆動部１２０のソリッドステートスイッチのオン／オフを制御する制御信号（オン／オフ）を与えて磁性体コア片を選択的に駆動させて磁性体コア片１３０の加速構造全体の中心ビーム軸に沿って粒子源１５０から発生された荷電粒子を加速させるための電界を誘導するため、リッドステートスイッチ方式駆動部１２０へ連結される。
【００３４】
このようにして、信頼性が高く、オンライン化可能であり、さらに安全（低電圧駆動可能）な低コスト誘導型加速器を得ることが可能である。従来の誘導型加速器の高電圧駆動システムを使用しなくすることが可能となる。
【００３５】
例えば、１００ｋＶの加速構造を得るために、例として１００個の磁性体コアを用いることができ、各コアは１ｋＶのソリッドステートスイッチ方式駆動パルスによって駆動される。この新しい概念に基づく加速器設計によれば、危険で重い高圧タンクは不要とされ、また有毒かつ硬化なガスも不要とされる。また、１ＭＶ加速器を実現するために、それぞれ１ｋＶで駆動されるコアなら全部で１０００個、あるいは５００Ｖで駆動されるコアなら全部で２０００個のコアを用いることが可能である。
【００３６】
本発明は１０ｋＶより高い電圧の加速構造に特に好ましく、１００ｋＶ以上、あるいはメガボルト加速器にさらに好ましい。
【００３７】
アストロン加速器[1]及び他のすべての「線形誘導」加速器は、今日まで、ビーム軸を多数のパルス型磁性体コアで取り囲むことによってビームを加速させる設計の一部として使用されている。しかしながら、このような使用はそこでとどまり、他のすべての線形誘導加速器ではサイラトロンあるいは火花ギャップスイッチを用いる高電圧駆動システムが使用されている。
【００３８】
本願において提供される新規な加速器設計は、製造及び所有管理(最少の維持管理要求性)の両面における信頼性、安全性、及び低コスト性において新たな世界を開くものである。
【００３９】
図３は本発明の一つの例示的実施態様に従った粒子加速器の具体例について説明するための概略図である。この実施例においては、各駆動部１２０はエネルギー蓄積コンデンサ１２２と絶縁ゲート双極トランジスタ(ＩＧＢＴ)の形態をとるソリッドステートスイッチ１２４とによって構成されている。本実施例では、1個かつ同じＤＣ電力供給ユニット１１２がエネルギー蓄積コンデンサ１２２を選択的に充電するため、駆動部１２０のそれぞれに接続される。スイッチ制御モジュールからの適切なオン／オフ制御により、ＩＧＢＴスイッチ１２４を操作してオンにしてコンデンサ１２２からコンデンサエネルギーを転送させて出力駆動パルスをスタートさせ、またＩＧＢＴスイッチをオフにして出力駆動パルスを止めるように操作可能である。例えば、電圧制御パルス等の適当な信号をゲート(ｇ)電極へ与えることによってスイッチがオンされ、また電圧制御パルスが止まればスイッチがオフされる。
【００４０】
適当なソリッドステートスイッチの別の例として、オン/オフ両操作の制御が可能なＭｏｓＦｅｔｓあるいはＩＧＴＣｓ（絶縁ゲート制御サイリトタ）が挙げられる。
【００４１】
図４は本発明の一つの例示的実施態様に従った粒子加速器装置の別の具体例について説明するための概略図である。この実施例においても、各駆動部１２０はエネルギー蓄積コンデンサ１２２と、絶縁ゲート双極トランジスタ（ＩＧＢＴ)の形態をとるソリッドステートスイッチ１２４を基盤として構成されている。任意ながら有益な補足として、各駆動部１２０には好ましくは電圧ドループ補正（ＶＤＣ）ユニット１２６と電圧スパイクに対する保護のためのデスパイキングあるいはクリッパダイオードと呼ばれる光ダイオード１２８が含まれる。
【００４２】
電圧ドループ補正（ＶＤＣ）ユニット１２６は、エネルギー蓄積コンデンサ１２２の充電中における電圧ドループ、あるいは降下を補正するように、従って所望の平坦程度のパルスが生成されるように出力パルスの形状を制御するように構成される。好ましくは、ＶＤＣ１２６は受動電圧ドループ補正回路（該回路を通してコンデンサエネルギーが移動される）、例えば並列レジスタ・インダクタ（ＲＬ）ネットワーク回路の形態で与えられる。
【００４３】
図５は本発明の一つの例示的実施態様に従った誘導型粒子加速器の構成及び操作原理について説明するための概略図である。
【００４４】
よりよい理解を得るため、線形誘導型加速器の操作原理のいくつかについて、例示的装置のビーム軸を含む平面における断面を示す図５の概略図を参照しながら以下において説明する。
【００４５】
図５に示した複数コア加速器構造の運転について議論するためには、いくつかの「法則(rules of the game)」が必要である。第一に、「右手の法則」が必要とされる。この（不定な）法則は、もし貴方が導体を親指を正の電流が流れる方向に位置させて右手で握るならば、貴方の指は導体の周りを導体を取り囲む磁束線の方向にカールするというものである。図５へこの法則を当て嵌めると、環状の磁性体コア中に誘導される磁束は図示されたように循環する。「点」を用いて読者の方へ向かっている磁束ベクターを示し（点は矢の先端を表す）、×を用いて読者から離れる方向を向く磁束ベクターを示す（この×は矢の後端の羽根を示す）。
【００４６】
この法則を加速器構造の軸に沿って右方向に流れる粒子ビームへ適用することにより、このビームによって発生した磁束が一次電流によって誘導される磁束の反対方向、すなわち正しい方向へ循環することが見出される。もし我々が、これが想像上の「移動(transformer)」であり、ビームを二次巻線を横切る「短絡」であると考えるならば、この二次電流は一次電流によってを誘導される磁束を打ち消す方向に流れ、磁性体コア中に正味の磁束は誘導されず、そして一次電力源へ「短絡」が与えられる。磁性体コア中に磁束変化がないということは一次巻線に電圧がないこと、すなわち短絡と定義される。それゆえ、正の荷電粒子（プロトン）ビームは加速器構造によって右の方へ加速され、また負の荷電粒子（電子）ビームは左の方へ加速される。
【００４７】
次に電磁界理論の別の法則、すなわち磁束を取り囲む導体中に誘導される電圧はその磁束の変化率に等しいという法則（ファラデ−の法則）を適用する。５つの磁性体コアすべての磁束を取り囲むパス(path)について考える。このパスを辿る想像上の「ワイヤ」中に誘導される電圧は、５つの磁性体コアすべてにおける磁束の変化に等しいであろう。しかし、各磁性体コアは一次電圧Ｖによって駆動されることから、各磁性体コアの磁束変化率はＶに等しい。従って、すべての磁性体コアの周りのパスに沿って誘導される電圧は５Ｖとなるであろう。
【００４８】
線形誘導加速器全般の従来操作方法についてさらに詳細に理解したいならば、基本型アストロン加速器[1]を参照されたい。
【００４９】
図６は本発明の例示的実施態様に従った新規な加速器磁性体コア装置の実施例を示す概略図である。磁性体コア装置１６０は基本的に、中心軸に沿って装置される複数の磁性体コア片１３０から構成される。１以上の磁性体コア片１３０のそれぞれは少なくとも２個の磁性体コアから成り、外側磁性体コアと呼ばれる一番目のコアは、内側磁性体コアと呼ばれる二番目のコアに対して中心軸から外側へ放射状に装置される。かかる考え方は、図６に示すように、当然加速部毎に装置される数個のコアに対しても拡大適用される。
【００５０】
１または２以上の追加の磁性体コアを中心から外側へ向けて放射状に入れ子状に重ねることにより、加速電界（ボルト／装置長さ（ｍ））は従来の単一磁性体コア設計よりも大幅に引き上げられる。これにより、装置の長さに対する装置の直径の取り決めに自由度が与えられる。さらに、さらに装置の長さを既存の設計よりも大幅に短くすることができるため、装置をさらにコンパクトにすることが可能となる。
【００５１】
１００ｋＶの加速構造の例では、例示として１００個の磁性体コアを用いることができ、ここで各磁性体コアは１ｋＶソリッドステートスイッチ方式駆動装置パルスによって駆動される。しかしながら、各磁性体コア片に例えば５個の磁性体コアが含まれるように磁性体コアを放射状に入れ子状とすることにより、必要な磁性体コア部は２０個のみとなるため、さらにコンパクトな設計とすることが可能である。
【００５２】
この新規な磁性体コア装置は、先に開示された図２〜５の実施態様のいずれかと組み合わせることが可能であるが、代替として、操作に誘導型加速原理を用いるか用いないかに拘わらず、線形粒子加速器を含めていずれか適当なタイプの粒子加速器中のいずれか適当な電気駆動装置と一緒に用いることも可能である。しかしながら、以下において、線形誘導型粒子加速器の具体例を参照しながら新規な磁性体コア装置について記載する。
【００５３】
図７は、図６に示す磁性体コア装置を備える新規な誘導型粒子加速器の概略図である。加速器１００は、基本的に、１または２以上の電力供給ユニット１１２を有する電力供給ユニット１１０、複数のソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０、複数の磁性体コア片１３０、及び電子スイッチ制御モジュール１４０及び粒子源１５０から構成される。磁性体コア片１３０は新規な磁性体コア装置１６０中において連結される。
【００５４】
ソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０は電力供給装置１１０から電力を受け取るために該電力供給装置１１０へ接続される。各ソリッドステートスイッチ駆動部１２０は、ソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０の出力部において駆動パルスを選択的に与える、オン／オフ電子制御可能なソリッドステートスイッチから構成される。
【００５５】
磁性体コア片１３０は中心ビーム軸に沿って対称的に配置される。１または２以上ある磁性体コア片１３０のそれぞれは少なくとも２個の磁性体コアから成り、外側磁性体コアと呼ばれる一番目の磁性体コアは、内側磁性体コアと呼ばれる二番目の磁性体コアに対して中心軸から外側へ向けて放射状に装置される。このような装置方式は、当然各加速部に配置される数個の磁性体コアに対しても拡大して適用可能である。各磁性体コアは、好ましくはソリッドステートスイッチ方式駆動部の出力部へ接続される電気配線を介してそれぞれのソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０へ接続される。
【００５６】
スイッチ制御モジュール１４０は、駆動部１２０のソリッドステートスイッチのオン／オフを制御する制御信号（オン／オフ）を与えて磁性体コア部１３０の磁性体コアを選択駆動させるソリッドステートスイッチ方式駆動部１２０へ接続され、粒子源（図７には図示せず）から生ずる荷電粒子のビームを加速器構造全体の中心ビーム軸に沿って加速させる電界が誘導される。
【００５７】
このようにして、信頼性、オンライン化可能性、及び安全性（低電圧駆動性）を高度に満たす、極めてコンパクトで低コストな誘導型加速器を得ることが可能となる。
【００５８】
以下に、本発明に係る加速器の利点について従来型加速器と比較して例示する。
・従来型加速器では磁性体コアを駆動するために高電圧（１０ｋＶ〜１００ｋＶ）パルス源が用いられるため、コアによるギャップあるいはサイトロンスイッチ、あるいは飽和コア磁気スイッチのスパークが制限される。
・従来型加速器では、磁性体コア当たり１個の電力供給源が用いられるが、上記において指摘された不要な制限が課される。実際、望まれれば１個の電力供給源で加速器のすべての磁性体コアを駆動できるが、従来装置では設計が複雑となり、またコストも嵩む。
・従来装置では高電圧駆動システムが使用されるため、コア駆動パルス装置に対するオイルあるいは高圧ガスの遮断が要求され、不必要に複雑化してしまう。
・従来型加速器ではすべて各加速片に１個の磁性体コアを用いている。このことは必ずしも必要ではないが、我々は例示的実施態様においても、中心から外側へ向けて放射状に追加磁性体コアを入れ子状に重ね、さらにこの考え方を加速部毎の数個の磁性体コアへも拡大して、それによって単一磁性体コア設計上方における加速電界（ボルト／装置長さ（ｍ））を引き上げている。これにより、装置の長さに対する装置の直径の取り決めに自由度が与えられる。また、これによって装置の長さを既存の設計に比べて大幅に短くすることができるため、装置をさらにコンパクトにすることも可能となる。例えば、アストロン（１９６９年型）の場合は、電圧は４．２ＭｅＶであり、長さは約１００フィート（３９．５ｍ）であった。中心から外側へ向けて放射状に１または２以上の追加磁性体コアを入れ子状に配置することにより、約５ｍの長さで４．２ＭｅＶの加速電圧を生成することが確実に可能となる。
・本発明加速器では、環状のギャップがなく、安価でいかなる所望サイズにも作製可能なメットグラス(Metglas:登録商標)テープ巻き磁性体コアを用いることも可能である。また、（パルス変圧器中に用いられる分節型Ｃ磁性体コアとは異なり）複雑な磁性体コア把持あるいは取付構造も不要である。
・磁性体コアの冷却は強制空気によって遂行され、磁性体コアの断面積は小さいため、効率的な空気冷却に要求される高い容積・表面積比が得られる。従って、冷却液も熱交換器も不要である。
・加速構造全体を「受動型(passive)」とすることが可能である（ダイナミトロンとは異なり、加速構造にダイオードも他の半導体部品も不要である）。このことは、加速器中に、摩耗、あるいは放電による損傷、あるいは放射線による損傷を受ける部品がないことを意味する。寿命制限のある部品は電子源（熱フィラメント）とビーム出口（金属箔）窓だけである。これらの２つの部品は好ましくは加速器外部の延長パイプ中に取り付けられるので、これら部品の手入れのために加速器の取外しは不要である。
・加速器は好ましくはソリッドステート駆動モジュールによって駆動されるため、寿命制限のある部品は使用されない。これらのモジュールは加速器から離れたいかなる便宜のよい部位にも配置可能なため、半導体の放射線による損傷は全く懸念されない。絶縁ゲート双極トランジスタ（ＩＧＢＴ）駆動モジュールは使用可能な多くの駆動モジュールのうちの一つである。
【００５９】
上記の実施態様は単なる例示であり、本発明はこれら例示に限定されないことが理解されなければならない。本発明において開示、クレームに限定された基本原理が包含される他の変更、変形、及び改良は本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
0005768046.tif 000002
【図２】
0005768046.tif 000003
【図３】
0005768046.tif 000004
【図４】
0005768046.tif 000005
【図５】
0005768046.tif 000006
【図６】
0005768046.tif 000007
【図７】
0005768046.tif 000008