(57)【要約】【課題】従来の加速器のビームの入射方法では、セプタム電極とバンプ電極を用い、バンプ電極に電界をかけて入射軌道を作成、その立下り時のタイミングに合わせてビームを入射してセプタム電極への衝突をなくして周回可能な軌道上にビームを入射している。しかし、パルス電界を用いる入射システムでは入射ターン数に限界があり、大電流ビーム加速は困難であるという問題点があった。これを解決するために直流電磁界（セプタム電極）のみを用い、ビーム入射点を平衡軌道の内側とし、ビームを振動させながら入射することにより、連続入射可能な装置を提供する。【解決手段】セプタム電極を介して入射するビーム入射位置が周回軌道平面上の平衡軌道より内周側にある。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子加速装置であって、前記荷電粒子加速装置には荷電粒子発生装置と粒子加速手段と偏向電磁石とセプタム電極および真空ダクトが備えられており、前記荷電粒子発生装置から出射された荷電粒子は、前記セプタム電極のみによって周回軌道に入射されるものであり、前記入射された荷電粒子は前記偏向電磁石で偏向され前記粒子加速手段で加速されるとともに前記真空ダクト内軌道上を周回するものであり、前記セプタム電極を介して入射される前記荷電粒子の入射位置が前記周回軌道平面上の平衡軌道より内周側にあることを特徴とする荷電粒子加速装置。
【請求項２】
前記セプタム電極を介して入射された荷電粒子は、前記平衡軌道の周囲を振動するよう入射軌道が作成されるとともに、１周回当たりの振動の周期の整数部が１以上で少数部が０．０８〜０．９２とすることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
【請求項３】
前記粒子加速手段が、誘導電界であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
【請求項４】
前記粒子加速手段が、高周波電界であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
【請求項５】
前記真空ダクト内の前記周回軌道上に、ファーストハーモニック磁場発生装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子を加速する円形荷電粒子加速器に関するもので、特にＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）加速器やベータトロン加速器と呼ばれる繰り返し加速型の荷電粒子加速装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＦＡＧ加速器への荷電粒子（以下ビームと称す）の入射は、ビーム発生源から出射されたビームをセプタム電極でもって直線軌道から円軌道に曲げられて加速器に入射される。このときビームを入射させるタイミングで軌道上に設けられたバンプ電極に電界を印加して入射軌道を作り、ビームを入射させることが示されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ＦＦＡＧ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ  ２０００，  Ｖｉｅｎｎａ，  Ａｕｓｔｒｉａ，  ２０００，  （Ｐ５８１〜Ｐ５８３  Ｆｉｇ１．）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記非特許文献１に示された従来技術によるビーム入射方法では、セプタム電極から入射されたビームが無制御の場合、数ターン後にセプタム電極に衝突してビームが失われるので、２台のバンプ電極に電界をかけて入射軌道を作成し、その立下り時のタイミングに合わせてビームを入射することでセプタム電極への衝突をなくし、安定周回可能な軌道上にビームを入射させている。
バンプ電極の電界の立下り時間が長い程、荷電粒子加速装置に長い時間ビームを入射できるのでビーム電流は増加するが、数ターンでセプタム電極に衝突するビームの割合が増加するので、立下り時間を長くするには限界がある。
このため従来は数１０ターン（数１０周回）分のビームを入射させていたのにすぎなかったという問題点があり、大電流のビーム入射に適した方法ではなかった。
また、バンプ電極用のパルス電源がコスト高で、特に、数ＫＨｚ以上の繰り返しの電源は高コストであり、またさらにパルス電界の立下りのタイミングでビームを入射するという高精度のタイミング制御が必要とされ、その制御が煩雑となるという問題点もあった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セプタム電極から入射されたビームは、従来のようなパルス電界の制御を必要とせず周回軌道上を周回するようビーム入射位置を定めるとともに振動の周期を最適に選択して、大電流のビーム入射を可能とした加速器を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
荷電粒子加速装置であって、荷電粒子発生装置と粒子加速手段と偏向電磁石とセプタム電極および真空ダクトが備えられており、前記荷電粒子発生装置から出射された荷電粒子は、前記セプタム電極のみによって周回軌道に入射されるものであり、前記入射された荷電粒子は前記偏向電磁石で偏向され前記粒子加速手段で加速されるとともに前記真空ダクト内軌道上を周回するものであり、前記セプタム電極を介して入射される前記荷電粒子の入射位置が前記周回軌道平面上の平衡軌道より内周側にあるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
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。
図１は円形荷電粒子加速器で、例えばＦＦＡＧ加速器１００を示す平面図である。荷電粒子発生装置（イオン源または電子銃）１１より出射した荷電粒子（以下ビームと称す）は真空ダクト１５内のセプタム電極１２から入射される。偏向電磁石１３で前記ビームは概円軌道となり周回する。加速は粒子加速手段である加速コア１４に交流磁界をかけて電磁誘導によって発生した誘導電界により行う。真空ダクト１５内は高真空に保持されており、ビームが残留分子と衝突して失われることなく周回する。
本実施の形態１ではビーム入射位置とセプタム電極１２の設置位置に関して鋭意検討を行い、パルス電磁界を形成する必要のない構成を採用することで、ビームの入射は連続的に可能となり、数１００ターン〜数万ターンのビームの入射が行える加速器である。以下、この発明の入射方法によるビーム入射時のセプタム出口部の水平方向の位相平面図を各検討例について詳しく説明する。
【０００８】
検討例１．
本実施の形態１による検討例１のセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図を図２に示す。図２において横軸は水平方向座標（ｍ）、縦軸は水平方向傾き（ｒａｄ）を示す。なお、図２のセプタム電極１２は周回軌道に近い側の接地電極部分のみを示している。
入射ビーム２２は１回周回して戻ってビーム２３に示す位置と形状に、２回周回して戻ったビームは２４、３回周回して戻ったビームは２５、４回周回して戻ったビームは２６に示すようになる。
この図２におけるビーム２２〜２６はビームの中心点とビーム境界をドットでつないだ楕円で表示している。ビーム入射位置２２はビームを加速しない場合のビームが安定に周回する平衡軌道０．７９ｍ上でなく、水平方向に３ｃｍずれた０．７６ｍの点から入射している。入射したビーム２２は前記平衡軌道の周囲を振動するようにビームの入射軌道を作成している。１周回当たりの前記振動の周期が、本検討例１と以降の検討例を含むすべての実施の形態１では２．７５を選んでいる。図２に示すように、ビームは４周回回転してセプタム電極１２に一番近い位置まで戻る。ビームは周回毎にエネルギを得て平衡軌道が周回軌道の外側（図２において横軸の右方向）に移動するよう加速電圧を設定することが可能であり、図２の例では４周回後のビーム２６はセプタム電極１２の外側にきている。
【０００９】
１周回当たりの振動の周期の少数部が０．０８未満であると、１周回目のビームがセプタム電極に衝突し、入射効率が非常に悪くなるので０．０８以上であることが必須である。１周回当たりの前記振動の周期の少数部が０．９２以上１未満であると、前記と同様に１周回目のビームがセプタム電極に衝突してしまい、これまた入射効率が悪い。以上により、１周回当たりの前記振動の周期の少数部は０．０８以上、０．９２未満であることが望ましく、最適は０．２５また０．７５の近傍である。その場合ビームは４周回してセプタム電極の位置に戻るので、加速電圧を下げることが可能となり、加速電源が小型化、安価となる。１周回当たりの前記振動の周期の整数部が０であると、ビームの周回ビームサイズが大きくなり、入射効率が下がる。以上により、本実施の形態１が有効なのは、１周回当たりの前記振動の周期の整数部が１以上で、かつ１周期当たりの前記振動の周期の少数部は０．０８以上、０．９２未満であることが望ましい。
【００１０】
次にセプタム電極１２の設置位置について述べる。
図２から判るように、ビーム入射位置２２と４回周回して戻ったビーム２６との間に約２ｃｍ程度のビーム間隔が存在する。ここにセプタム電極１２を設けると、周回ビームと衝突することはない。このようにこの検討例１では、ビーム周回軌道平面上の平衡軌道を０．７９ｍとし、これより内周側の０．７７ｍ付近にセプタム電極１２を設置し、このセプタム電極１２を介して入射されるビームの入射点を０．７６ｍとしているので、セプタム電極１２には周回ビームの衝突することはなく、また振動の周期を最適化しているのでビームの連続的な入射が可能となり大電流のビーム加速が行える。
【００１１】
検討例２．
次に本実施の形態１による検討例２を図３に示す。ビームはγ＝０．７８ｍの位置に入射され４０ターン周回した場合のビーム中心点とビーム境界をドットでつないだ楕円でセプタム電極出口部での位相平面を示す。この検討例においても図３に示す位置にセプタム電極１２を設置してもよく、この例でも大電流の加速が可能となる。
【００１２】
検討例３．
検討例３を図４に示すビームはγ＝０．７７５ｍの位置に入射され、同じく４０ターン周回した場合のセプタム電極出口部の位相平面を示す。この検討例においても、図に示す位置にセプタム電極１２を設置してもよい。
【００１３】
検討例４．
検討例４を図５に示す。ビームはγ＝０．７６ｍの位置に入射され、同じく４０ターン周回した場合のセプタム電極出口部の位相平面を示す。この例では加速中にビーム形状が楕円から歪んで、ビームサイズ、傾きが大きくなっている。非線形磁場がある場合に共鳴の影響でビームが不安定になりやすいが、加速可能な条件を作ることは可能であり、図５に示す位置にセプタム電極１２を設置することもできる。
【００１４】
検討例５．
検討例５を図６に示す。ビームはγ＝０．７８５ｍの位置に入射され、同じく４０ターン周回した場合のセプタム電極（図には示してない）の出口部における位相平面を示す。この例では、セプタム電極１２に周回ビームが衝突することのない位置を見出すことはむつかしく本実施の形態１による加速器１００には採用することが出来ない。
【００１５】
検討例６．
検討例６を図７に示す。ビームはγ＝０．７９ｍの位置に入射され、４０ターン周回した場合のセプタム電極出口部の位相平面を示す。この例は従来のセプタム電極、バンプ電極を用いたビーム入射方法であり、γ＝０．７９ｍの位置に入射されたビームの４０ターン周回のセプタム電極（図には示してない）の出口部における位相平面を示す。この図から判るように、従来の入射方法では周回後のビームがセプタム電極に衝突することが明らかであり、ビーム入射効率が悪く、連続的なビーム入射を行うことは出来ず、従って大電流のビーム加速は不可能である。
【００１６】
以上の検討例で説明したように、この発明による実施の形態１では、セプタム電極１２を介して加速器１００に入射されるビームの入射位置を最適となるよう鋭意検討を加えたものであり、その結果、周回後のビームがセプタム電極１２に衝突することがなく、また振動の周期を最適化したので従来のようなバンプ電極の複雑な制御を必要とせずに数１００ターンないし数万ターンのビーム、つまり連続的なビーム入射が可能である。
【００１７】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。実施の形態１で示した図１にはファーストハーモニック磁場発生装置１６を設けたのがこの実施の形態２である。前述した実施の形態１のように入射時の振動をそのまま保存して加速するとビームサイズが大きくなる。また加速中に共鳴線をよぎる場合には、ビームが安定周回しなくなる可能性がある。本実施の形態２では、加速器１００にファーストハーモニック磁場発生装置１６を設けている。このファーストハーモニック磁場発生装置１６は加速器１００の一部に２極の偏向磁場を発生させる電磁石を配置することで実現できる。入射時に平衡軌道の周辺を振動していたビームの振動振幅は、前記ファーストハーモニック磁場発生装置１６を通過後に小さくなる。これによりビームサイズを小さくすることが可能となる。また加速中に共鳴線をよぎる条件の場合でも、高次の共鳴の場合にはビームが不安定になることはないという効果を奏する。
なお前記ファーストハーモニック磁場発生装置１６の磁場は数ガウス程度でよく、また磁場に替わり、電界であってもよい。
【００１８】
前述の実施の形態１ではビーム加速を誘導電界による例を示したが、高周波電界であってもよい。
また、荷電粒子発生装置１１がドーナッツ状加速器１００の内側中心部付近に設置されている例を示したが、これに限らず、加速器１００の外側に設置してもよく、またさらに加速器１００を形成する偏向電磁石の上部または下部に設置しても、前記セプタム電極１２によって所望のビーム入射点を設定できる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明は、以上述べたような構成であるので以下に示すような効果を奏する。
荷電粒子加速装置であって、荷電粒子発生装置と粒子加速手段と偏向電磁石とセプタム電極および真空ダクトが備えられており、前記荷電粒子発生装置から出射された荷電粒子は、前記セプタム電極のみによって周回軌道に入射されるものであり、前記入射された荷電粒子は、前記偏向電磁石で偏向され前記粒子加速手段で加速されるとともに前記真空ダクト内軌道上を周回するものであり、前記セプタム電極を介して入射される前記荷電粒子の入射位置が前記周回軌道平面上の平衡軌道より内周側にあるので、周回ビームがセプタム電極に衝突することなく、ビーム入射効率が上昇する。またバンプ電極を必要とせず、それに伴う高周波電源およびその制御も不必要となり装置の大幅な簡略化、単純化がはかれるとともに、大幅なコスト低減が達成可能となる。またさらに簡単な制御で入射ビームの直流化も行え、大電流加速の加速器を提供できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１、２による荷電粒子加速器の平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１の検討例１によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１の検討例２によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１の検討例３によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【図５】この発明の実施の形態１の検討例４によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【図６】この発明の実施の形態１の検討例５によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【図７】従来のバンプ電極、セプタム電極を用いたビーム入射方法によるセプタム電極出口部の水平方向の位相平面図である。
【符号の説明】
１１  荷電粒子発生装置、１２  セプタム電極、１３  偏向電磁石、
１４  加速コア、１５  真空ダクト、１００  荷電粒子加速器。
【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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