(57)【要約】【課題】ＦＦＡＧベータトロンでは、粒子の周回軌道半径はエネルギーの大きさにより変る。粒子入射した後、加速途中に加速電圧が変動すると、先頭粒子と後方粒子との間に加速エネルギー差が生じる。その結果、先頭粒子と後方粒子との間に軌道半径の差が生じ、全粒子が同じ出射口に集まらず、出射効率が低下するという課題があった。【解決手段】加速電圧を検出する電圧測定手段１６、この電圧を積分する積分手段１７，粒子が出射口を通過するとき、加速電圧の積分値が粒子の前後位置にかかわらず同じ値になるように、加速電圧誘起手段１８の出力を補正する加速電圧補正手段１１７を備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、
前記荷電粒子を前記通路に入射する荷電粒子入射手段、
前記通路にほぼ直交して配置され、入射された前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場を発生する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子を前記通路から外部に出射させる出射口、
前記加速電圧を測定する電圧測定手段、
前記荷電粒子が入射した時点から、前記出射する時点の前の任意の時点までの間に、前記電圧測定手段の測定した前記加速電圧の積分値を求める積分手段、
前記求めた積分値にもとづき、前記加速電圧誘起手段の前記任意の時点以降の出力を補正する加速電圧補正手段を備えたことを特徴とするＦＦＡＧベータトロン。
【請求項２】
前記加速電圧誘起手段は、前記中心導体に加速電圧を誘起する加速コアと、前記加速コアを励磁するコア駆動電源とを含み、前記加速電圧補正手段は前記コア駆動電源の出力を補正するものであることを特徴とする請求項１に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項３】
前記加速コアは所定の加速電圧を発生する第１の加速コアと、前記加速電圧の積分値を補正するための補正加速電圧を発生する第２の加速コアとを含み、
前記コア駆動電源は前記第１の加速コアを励磁する第１の駆動電源と、前記第２の加速コアを励磁する第２の駆動電源とを含み、
前記加速電圧補正手段は、前記第２の駆動電源の出力を補正するものであることを特徴とする請求項２に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項４】
前記第２の加速コアを構成する磁性材料の透磁率は前記第１の加速コアを構成する磁性材料の透磁率より高い透磁率を有することを特徴とする請求項３に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項５】
前記加速電圧補正手段は、前記荷電粒子の全てが入射した後で、前記荷電粒子の一部が出射される前に、前記第２の加速コイルに印可する予め定めた所定の電圧パルスのパルス時間幅を変化させることにより、前記加速電圧の積分値を補正するパルス補正回路を備えたことを特徴とする請求項３に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項６】
前記加速電圧補正手段は、前記荷電粒子の一部が入射し一部が未入射、もしくは一部が出射して一部が未出射の状態にある時間内において、前記加速電圧の積分値が等しくなるように補正するものであることを特徴とする請求項３に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項７】
荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、
前記通路にほぼ直交し、前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子が前記通路から離れて外部に出射するための出射口、
前記通路に設けた荷電粒子の入射位置検出器と、前記出射口近傍に設けた出射位置検出器とを設け、前記入射位置検出器の出力が発生してから前記出射位置検出器の出力が発生するまでの時間と、前記入射位置検出器の出力が消滅してから前記出射位置検出器の出力が消滅するまでの時間長さとを測定し、両時間長さが同一となるように前記加速電圧誘起手段の出力を補正する粒子速度補正手段を備えたことを特徴とするＦＦＡＧベータトロン。
【請求項８】
荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、
前記通路にほぼ直交し、前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、
前記荷電粒子を前記通路から外部に出射させる出射口、
前記出射口の近傍に設けられた偏向電極により、前記荷電粒子の軌道を曲げるビーム偏向器、
前記出射口の近傍に設けられ前記荷電粒子の前記通路内での径方向の位置を検出するビーム位置検出器、
前記ビーム位置検出器により測定した出射した前記荷電粒子の軌道が予め定めた所定の位置になるように、前記ビーム偏向器を制御する第２制御手段を備えたことを特徴とするＦＦＡＧベータトロン。
【請求項９】
前記出射口の近傍に設けられ補正偏向磁界を加える偏向磁界装置を備え、
前記偏向磁界装置、もしくは前記磁場発生手段を、前記積分手段の出力信号に応じて制御する第３制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項１０】
前記荷電粒子の前記出射口の側に設けた電極に流入する電流により、前記荷電粒子の前記通路内での径方向の位置を測定して位置信号を出力するビーム位置検出器を備え、前記位置信号により、前記加速電圧補正手段を調整することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【請求項１１】
前記荷電粒子の前記出射口の側に設けた電極に流入する電流により、前記荷電粒子の前記通路内での径方向の位置を測定して位置信号を出力するビーム位置検出器を備え、前記位置信号により、前記粒子速度補正手段を調整することを特徴とする請求項７に記載のＦＦＡＧベータトロン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野等に用いられる高エネルギーＸ線、もしくは高エネルギー荷電粒子線などを発生させるＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）ベータトロン加速器の出射効率向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円形加速器では特許文献１に示されるように、電子銃などから打ち出された粒子（以下ビームという場合もある）は、円形軌道上を周回しつつ加速され、この円形軌道からビーム出射の際は、電界、もしくは磁界によって、ビーム軌道を曲げ、出射用ディフレクター（以後出射セプタムと称する）の入口まで誘導し、出射セプタムでビームを取り出す。
電子加速のためのＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）加速器は米国のＭＵＲＡ（Ｍｉｄｗｅｓｔｅｒｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）での試作例しか報告（特許文献２に）されていない（Ｔｈｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｐ４０３  Ｖｏｌ．２８  Ｎｕｍ．６  １９５７）。
【０００３】
しかし、ＦＦＡＧベータトロンにおいては、ビームは連続ビームであり、加速されるに従って徐々に回転半径が大きくなる。この特別な特性のため、上記の例とは取り出し方法が若干異なっているが、入射時の加速電圧の違いによって、出射セプタムに達した時の加速電圧の積分値が異なる。一方、周回軌道半径は加速電圧の積分値によって定まるので、加速電圧の積分値が異なると周回軌道がずれてしまう。この結果、出射セプタムへの入射位置がずれ、それに応じてビームの偏向量が変わるため、出射アクセプタンス（出射可能領域）に入るビームの割合が変化する。このため、ビーム出射に最適な位置に出射セプタムを設置しても、軌道のずれにより出射効率が低下することとなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２５８９００  円形加速器並びにそのビーム出射方法
【特許文献２】
Ｔｈｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．  Ｖｏｌｕｍｅ２８  ＮＵＭＢＥＲ  ６．  ＪＵＮＥ，  １９５７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＦＦＡＧベータトロンは、加速電圧の変動によって、出射セプタムに達した時の加速電圧の積分値が異なる。一方、周回軌道半径は加速電圧の積分値によって定まるので、加速電圧の積分値が異なると周回軌道がずれてしまう。この結果、出射セプタムへの入射位置がずれ、それに応じてビームの偏向量が変わるため、出射アクセプタンス（出射可能領域）に入るビームの割合が変化する。このため、ビーム出射に最適な位置に出射セプタムを設置しても、軌道のずれにより出射効率が低下するという課題があった。
また、加速電圧は加速させる粒子の通過によって変動するなどの要素があり、安定に保つことが困難であるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、加速電圧の変動により出射効率が低下することがないＦＦＡＧベータトロンを得ることを目的とする。
【０００７】
【発明を解決する手段】
この発明によるＦＦＡＧベータトロンは、荷電粒子の通路を形成する環状の真空容器、前記荷電粒子を前記通路に入射する荷電粒子入射手段、前記通路にほぼ直交して配置され、入射された前記荷電粒子を前記通路に誘導する磁場を発生する磁場発生手段、
前記通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体、この環状の中心導体に交差して配置され、前記加速間隙に加速電圧を誘起する加速電圧誘起手段、
前記荷電粒子を前記通路から外部に出射させる出射口、
前記加速電圧を測定する電圧測定手段、前記荷電粒子が入射された時点から、前記出射される時点の前の任意の時点までの間に、前記電圧測定手段の測定した前記加速電圧の積分値を求める積分手段、
前記求めた積分値にもとづき、前記加速電圧誘起手段の前記任意の時点以降の出力を補正する加速電圧補正手段を備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、ＦＦＡＧベータトロンの基本的な構造は、この技術の分野に属する通常の知識を有する者にも、必ずしも良く知られていないと思われる。またその構成を理解することは本願発明を理解する上で不可欠なので、図により概要を説明する。図１６にＦＦＡＧ加速器の模式図を、図１７に、その水平断面図を示す。
次に動作を説明する。電子銃１により生成された電子（以下、説明の都合上、粒子又は荷電粒子又は粒子ビームという場合がある）は、静電偏向器２によりリング状真空容器３（荷電粒子ビームの通路を形成する環状の真空容器）の中に誘導される。電子銃１と静電偏向器２とは荷電粒子入射手段という。電子は電磁石４（磁場発生手段）により生成されたフィールド磁界により曲げられ螺旋軌道１０（荷電粒子ビームの通路）上に閉じこめられる。フィールド磁界は電子が加速される間一定に保たれるので、電子のエネルギーが上がるにつれ軌道半径が大きくなり、エネルギーによって決まる軌道半径上を周回する。磁界の強さは半径が大きいほど強くなるように構成されているので、軌道の半径の増大は抑制される。
リング状の真空容器３には軌道に直交して加速ギャップ５（真空を保持しつつリングの一部を電気的に切断したもの）が設けられており、加速コア６内の磁束Φが変化するとき、電磁誘導の法則によりリング状真空容器３に電圧が誘起され加速ギャップ５に電界が発生する。この場合、真空容器３は、通路に沿った方向に加速間隙を有する環状の中心導体を兼ねている。加速コア６は加速電圧誘起手段である。前記電界により周回を重ねる毎に電子は加速され、高エネルギー電子ビーム７となり、出射セプタム１１から引き出される。出射セプタム１１は荷電粒子を周回軌道から出射軌道に変更する。引き出された高エネルギー電子ビーム７は、そのまま利用される場合もあれば、Ｘ線変換ターゲット８に照射され、Ｘ線９に変換される場合もある。
【０００９】
本加速器は、ベータトロン加速方式であり、加速ギャップ５にかかる交番電界の加速フェーズ（電界の方向が電子を加速する方向である期間）の間に、周回粒子が何度も通過することで高エネルギーを得る。すなわち、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。これを加速ギャップ５にかかる加速電圧と、電子入射、出射のタイミングを示す図１８により説明する。図１８において、加速フェーズ１２の中に加速時間１３、入射時間１４が入る。通常、コア駆動に用いられる正弦波の加速フェーズ１２は、全体の１／２の時間のみ加速電圧が正の値をとる。次に電子の入射、出射のタイミングと、加速時間１３、入射時間１４の関係を説明する。電子はリング状真空容器３に、加速時間１３が始まると同時に導入され始める。導入は、入射時間１４の間続けられる。
【００１０】
図１９は電子出射の様子を説明する模式図であり、螺旋軌道１０の一部に偏向磁界１５が設けてある。電子が設定したエネルギーに到達すると、それに対応する軌道半径に達する。エネルギーは電子が加速中に受けた加速電圧の積分値に相当するから、この値がある一定の値に達したときに、出射に適した軌道半径（出射軌道半径という）に到達する。出射軌道半径には偏向磁界１５が設けられており、この偏向磁界１５により電子は大きく外側へ曲げられ、軌道間に出射セプタム１１を配置出来るだけのスペースを生ずる。出射セプタム１１に入射した電子は、電界、もしくは磁界により軌道が曲げられ、出射口（図示しないが出射セプタム１１の出口側近傍のことを言う）へと向かう。この際、電子エネルギーが所定値Ｅ１でない電子（Ｅ０，Ｅ２等）が含まれると、磁界による偏向量に差が出るため、出射セプタム１１の出射アクセプタンス（出射可能領域）からはずれてしまうので、ビームの出射効率が低下する。
【００１１】
加速電圧を与えるコア駆動回路の例を図２０に示す。この回路の発生する電圧には、交流源の電圧変動やコンデンサＣ１，Ｃ２からの放電に伴う電圧低下が表れるため、数％程度の電圧変動を生ずる。その結果、加速電圧の積分値が一定になる時間が数％変動したり、入射初期電子と最終電子では、加速電圧の積分値が異なったりし、結果として出射効率が低下する。
【００１２】
実施の形態１．
以下、発明の実施の形態１のＦＦＡＧベータトロンについて図１、２に基づいて説明する。図１は、実施の形態１のＦＦＡＧベータトロンの構成を示す模式図、図２は図１のものの動作を説明するためのコア電圧の説明図である。
次に動作について説明する。コア駆動電源１８により加速コア６が駆動され、これにより加速コア６に巻回された環状の中心導体（ここでは真空容器３）に加速電圧が誘起され、加速キャップ５に電圧が生じる。図２（ａ）は、加速ギャップ５にかかる加速電圧の加速時間１３の期間内における変化の一例を示している。計画値Ｖｃのように一定の電圧が得られれば出射効率は変動しない。しかし、例えば５ｋＶで１０００回加速して、出射エネルギー５ＭｅＶを得る想定をした場合、出射時のエネルギーレベルに１％の誤差を許容するとすれば、誤差が０．００１％以下の加速電圧再現性が、毎回要求されることになるが、この精度は通常の電子回路技術では実現は困難であるため、図中２０１に示すように変動してしまう。
【００１３】
そこで、加速電圧を電圧計１６（電圧測定手段）でモニタし、粒子のエネルギーに相当する（比例する）加速電圧の積分値を積分回路１７（積分手段）により、加速開始（時刻０）から、加速期間中のある時間（時刻ｔ１）まで計測する。図２（ｂ）は加速電圧の積分計測値を示している。この測定した積分計測値を元に、出射時に生じるであろうと推定される粒子のエネルギー誤差を演算し、この誤差を補正するように、時刻ｔ１以後のコア駆動電源１８の出力電圧を補正する。この演算は加速電圧補正回路１１７（加速電圧補正手段）で実施される。この様子を示したのが図２（ｃ）である。このように補正することで、図２（ｄ）に示すように、粒子出射時（荷電粒子が出射セプタム１１を通過して出射口を出るとき）の加速電圧を当初の所定値に修正することが出来る。
【００１４】
次に効果について説明する。図１の構成をとれば、コア駆動電源１８に要求される電圧制御精度が緩和される。即ち、入射から出射までに必要な時間長さをＴａ、補正している時間長さをＴｃとし、許容誤差電圧をそれぞれΔＶａ、ΔＶｃとする。誤差の許容値は、これらの積（Ｔａ・ΔＶａ、及びＴｃ・ΔＶｃ）となるので、ΔＶｃ／ΔＶａ＝Ｔａ／Ｔｃの関係が成り立つ。例えば補正時間Ｔｃが加速時間Ｔａの１／１０の場合、前述の電源電圧精度０．００１％のときに得られる出力エネルギー精度を得るための電源の電圧精度は０．０１％まで緩和される（但し加速電圧のモニタ精度は緩和されない）。
【００１５】
実施の形態２．
実施の形態２のＦＦＡＧベータトロンの構成を図３により説明する。図３の構成では、加速コア６（図３では第１の加速コアという）及び、第１の加速コア６を駆動する第１の駆動電源１８とは別に、第２の加速コア１９（補助コアとも言う）と、このコアに電流を供給する第２の駆動電源２０とを設けている。第２の駆動電源２０は主たる加速電圧を発生させる必要がなく、誤差電圧ΔＶを補正する補正電圧を発生するための磁場のみを供給するものなので、コアの大きさもより小さい。補正後の電圧精度は二つの電源精度の積となる。すなわち、０．００１％の精度を実現するためには、各々がほぼ０．３％の精度があればよい。
【００１６】
補正回路１１８は積分回路１７の信号にもとづいて補正量を演算し、第２駆動電源２０を制御する。
図には示さないが、上記に、更に、実施の形態１で説明した補正手段を組み合わせれば、各々の電源に要求される精度は１％となり、容易に実現可能な精度となる。但し、実施の形態１と同様、加速電圧のモニタ精度は緩和されない。十分な精度でモニタできない場合は、後述する実施の形態６，及び７に示す、より精度の高いモニタを行う必要がある。
また、図３の構成の第２の加速コア１９を複数個組み合わせれば、等比級数的に精度の要求が緩和される。加速コア６（第１の加速コア）とは別に補助コア１９（第２の加速コア）を用いると、各コアを駆動する電源同士の干渉が少なくなるという利点もある。同一のコアを複数の電源で励磁すると、他の電源により励磁された磁束により発生する誘導電圧が電源に印加されるため、保護回路が必要となるが、図３のように電源毎にコアを別に設ければお互いの電圧が干渉する程度は減少する。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態３のＦＦＡＧベータトロンの構成は、実施の形態２の図３と同じ構成であって、第２の加速コア１９を構成する磁性材の透磁率を、第１の加速コア６の磁性材の透磁率よりも高い透磁材料にしたものである。第１の加速コア６は加速電圧を長く維持するため、変動磁束量Φ＝Ｂ・Ｓ（Ｂ：コア内磁束密度、Ｓ：コア断面積）を大きくすることが求められる。コア断面積が大きいと、高価な材料だと割高になるため、安価で飽和磁束密度の高い珪素鋼板等の材料が望ましい。一方、第２の加速コア１９は、飽和磁束密度が高く、補正信号に対する応答性が良いこと、すなわち高い周波数で駆動出来るものが要求される。コスト面では第２の加速コア１９に必要なコア断面積が第１の加速コア６の断面積の数％以内であることから、少々高価な材料を用いても、全体のコストへの影響は小さい。
【００１８】
駆動電流Ｉ＝Ｂ・Ｌ／μ（Ｌ：平均磁路長、μ：透磁率）はコアの透磁率が大きい程小さい。即ち、第２の加速コア１９の磁性材料に、珪素鋼板と比較して透磁率が５〜３０倍大きい高飽和磁束密度高透磁率材料（パーマロイ、鉄系アモルファス、鉄系ナノクリスタル材料等）を用いることで、補正信号に対する応答性が良い補助コアを得ることが出来る。更に加えて、図４はパワーエレクトロニクス（矢野昌雄、内田良平著、丸善（株）発行）の３８ページに記載されているパワー半導体の周波数特性と電源容量の関係を示している。図に示されるように、電源容量が小さいほど高い周波数で駆動できる。第２の加速コアの場合は、補正する電圧が決められているから、駆動電流を小さくし、駆動電力を小さくすれば高い周波数で駆動でき、更に応答性を高めることが可能となる。
【００１９】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１や実施の形態２で説明した補正電圧の時間的変化、即ち、補正電圧パターンに関するものである。前述の通り、荷電粒子はある長さに連なって入射されるので、先頭の粒子が入射し始めた入射開始時点から、最後の粒子が入射し終わるまで有限の時間が掛かる（入射期間と言う）。また先頭の粒子が出射し始めた出射開始時点から、最後の粒子が出射し終わるまで有限の時間が掛かる（出射期間と言う）。
実施の形態１と２では、出射効率を上げるために加速電圧の積分値（粒子のエネルギー）を加速終了時点（粒子の出射口通過時点）で一定になるように補正するものであるが、より厳密に検討すれば、加速電圧が変動したタイミングが、入射開始から入射終了までの入射期間内、及び、出射開始から出射終了までの出射期間内のいずれかであるか、あるいは入射終了から出射開始までであるかによって、粒子エネルギーの変動の仕方が異なるのである（詳細は後述）。このため、補正方法もそれらの条件の差によって異なる電圧パターンで補正するのが望ましい。
【００２０】
この状況を図５を用いて説明する。図５（ａ）は入射開始から出射終了までの間の加速電圧の変化の一例を示している。図において、Ｖｃ（破線）は設定電圧であり、実線２０２が実際の加速電圧を示す。本加速器では、一定の長さを持つ連続ビームが入射される。ビームの先頭から終わりまでの長さは、真空容器３内の軌道の数ターンから１００ターン程度（螺旋回転数が１０００ターンの場合）で適当に設定される。
このため、入射直後は連続ビームの先端部のみが加速器の真空容器３の内部にあり、残りは未入射である。この状況が図５（ａ），（ｂ）の区間Ａに相当する。ビームの終端が加速器内部に入ると、全てのビームが加速器内部に存在するフェーズになる。この状況が区間Ｂに相当する。最後にビームの先頭が出射され、残りが加速器内に存在するフェーズとなる。この状況が区間Ｃに相当する。
【００２１】
次に、先頭粒子（図５（ｂ）の▲１▼）、中程の粒子（▲２▼）、及び最終粒子（▲３▼）に加えられる加速電圧の積分値（粒子エネルギーと同意）に注目してみる。先頭粒子は、入射開始から出射開始の間に加速器内に存在するから、加速電圧は区間Ａ＋区間Ｂの間加えられる。同様に最終粒子は、区間Ｂ＋区間Ｃの間の加速電圧で加速される。すなわち、区間Ｂにおける加速電圧は全ての粒子に共通に加えられるのに対し、区間Ａ、及び区間Ｃの加速電圧は、加速器内に存在している粒子のみに加えられるため、連続ビーム中の粒子位置によって、加速電圧の変動の影響は異なることとなる。
【００２２】
図５（ｃ）は、図５（ａ）のように加速電圧が変化した場合の、ビーム内での位置の差による粒子のエネルギー分布を示したものである。区間Ｂにおける加速電圧変動は、全ての粒子に影響を与えるため、平均エネルギーの増減のみに関係することになるが、区間Ａと区間Ｃの加速電圧に差があると、連続ビーム内の位置の異なる粒子の間にエネルギー差を生じてしまう。
本実施の形態４の電圧補正は、上記の内、平均エネルギーの補正（即ち、▲２▼のレベルを所定値に合わせる）を目的とするものであり、上記連続ビーム内の粒子間のエネルギー差の補正（即ち、▲１▼と▲３▼のレベルとを合わせる）は実施の形態５で説明する。
区間Ｂにおける加速電圧は、その波形によらず全ての粒子に均等にエネルギーを与えるため、補正加速電圧の積分値を所望の補正値に合わせるように電圧を補正すればよい。
積分値を合わせるための加速電圧補正方法の一つとして、補正電圧を一定にし、補正時間を変化させて積分値を補正する例を図６に示す。この補正電圧パターンはＩＧＢＴ等のスイッチング回路を用いて簡単に構成することができる。積分値を合わせる方法には他にも
時間を一定にして電圧を変化させる。
任意波形（正弦波など）から積分値が一定になるようにスイッチング回路で切り出す。等の方法が考えられるが、いずれも電子回路としては周知の技術なので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２３】
図６（ａ），（ｂ），（ｃ）のＴ１は、加速電圧平均値の補正量を予測するためのモニタリング時間である。Ｔ２は先頭粒子が加速器内に存在する時間であり、Ｔ２−Ｔ１が平均値補正可能時間となる。補正は以下のように行う。まず、時間Ｔ１までの間で加速電圧をサンプリングしたデータを基に、Ｔ２時間全域の加速電圧波形を予測し、それから求まる加速電圧の誤差量の積分値（補正量＝ＶＴｏ）を求める（図６（ｂ））。この際、過去に入手していたサンプリングデータのデータベースをもとに作成した変換係数を用いるなどの方法をとれば、短時間で補正量を予測することができる。補正量を補正電圧Ｖ１で除せば、必要な補正時間Ｔｐが得られるので、この時間、加速電圧を印加すればよい。
勿論、Ｔｐ＜Ｔ２−Ｔ１    となるように、Ｖ１を選定する。
このような補正により、多少精度の悪い、安価な電源を用いても、ビームの平均エネルギーを所望の値に設定でき、ビームエネルギーのずれによって失われるビーム損失を低減できるという効果がある。
【００２４】
一方、積分値（粒子のエネルギー）の最大補正量は、加速電圧Ｖｃと出射エネルギーにおける周回時間Ｔｃとの積Ｅｃ（＝Ｖｃ・Ｔｃ）となる。この量は、粒子を一回余分に周回させることで補正可能なため、周回数を調整することでも補正可能である。例えば、補正値ΔＥ＝３Ｅｃ＋Ｅｈだったとすれば、３回余分に周回させることで３Ｅｃの補正が可能であるから、残りのＥｈ分を補正すれば良い。この様子を図７に示す。所定エネルギーに到達するためには、周回によって補正できない分（即ちＶｈ）のみ補正すればよいことがわかる。
このように補正すれば、補正電源電圧を小さくでき、電源コストを下げられると共に、補正コア（図３の第２の加速コア１９）の断面積を小さくすることが出来るため、コアコストが小さくなるという効果がある。この実施の形態で説明した補正は図示しないが、図３の加速電圧補正回路１１８内に設けたパルス補正回路により実行する。
【００２５】
実施の形態５．
発明の実施の形態５は、ビームの平均エネルギーを補正するのではなく、実施の形態４で説明した、ビーム内の粒子の位置による加速電圧変動の影響の差に起因する粒子のエネルギー分布（即ち図５（ｃ）の▲１▼と▲３▼の差）を補正するものに関する。図８は、加速電圧の変動に起因する粒子のエネルギー分布の補正電圧と、補正後の粒子エネルギー分布を示している。粒子にエネルギー差を与えるのは、実施の形態４で説明した区間Ａ、及びＣ（区間Ａ，Ｂ，Ｃについては実施の形態４と同じなので説明を省略する）であるから、粒子エネルギー差の補正はこの範囲で調整することになる。調整方法としては、図８（ｂ）に示すように、区間Ａのみ（３０１）、区間Ｃのみ（３０２）、及びＡ，Ｃ共（３０３）という３ケースがある。
【００２６】
区間ＡまたはＣで補正する場合（３０１，３０２）には、この区間内で加速電圧が一定になるように電圧を補正する必要がある。この補正により、図８（ｃ）に示されるようにビーム中のエネルギーが一定になる。
加速電圧を一定に保つには、
加速電圧をモニタし、加速電圧が一定になるようにフィードバックする。
加速電圧の変化のパターンが一定の場合は、以前の加速電圧変化のパターンからフィードフォワードして、事前補正したレベルを出力させる。
の方法がある。
【００２７】
実施の形態６．
実施の形態５で説明した、区間Ｃでの補正（図８（ｂ）の３０２）については、実施の形態５で説明した（１）、（２）の他に、出射ビームの位置情報をフィードバックする方法もある。そのように構成したものを図９に示す。図において、出射セプタム１１の出口側の近傍（出射口とも言う）の軌道の両側にビーム位置検出電極２１ａ，２１ｂを周回軌道の径の方向にずらせて配置する。ビーム位置検出電極２１ａ，２１ｂはセプタム電極と共用することもできる。両電極の電流は電流検出手段Ａにより測定される。ビームの位置が電極２１ａに接近したときは電流Ｉ１が増え、電極２１ｂに接近したときは電流Ｉ２が増える。
【００２８】
偏向磁界１５により偏向される方向は、ビームが所定のエネルギーの場合にセプタム１１の中央Ｘ０に入射するとすれば、エネルギーが変化すると、正もしくは負の方向に変化する。
その結果ビーム位置検出電極２１ａ，２１ｂに入射するビーム電流は図１０に示すようにビームの入射位置の変化に対応して変化する。図１０の横軸は電極２１ａから２１ｂに向かう方向の距離（ビームが通過する位置）を示す。この電流が両者ともに最小になるように、あるいは一方のレベルが予め定めた低いレベルになるように）加速電圧を変化させれば、ビームの出射効率を向上させることができる。
【００２９】
本構成では、加速電圧信号をフィードバックする必要がないので、加速電圧モニタによる電圧補正は概略で良く、モニタに必要な精度を大幅に緩和することが出来る。
尚、実施の形態４、５、６については、４と６、もしくは４と５、もしくは４と５と６を組み合わせることで、より高速で高精度なビームエネルギー制御が可能となる。これは、実施の形態３で説明したように、補正に必要なパワーが小さければ小さいほど、より高速な素子を用いることが出来る。例えば４の制御には、ＩＧＢＴ等のパワースイッチング素子で対応し、５、６に付いては概略の制御をスイッチング素子で行い、スイッチング素子で追随出来ない高速な応答を必要とされる部分についてはＦＥＴなどを用いたパワーアンプで対応すればよい。その際、実施の形態３でも触れたように、パワーアンプで制御するコアを高透磁率材で構成し、必要な電力を最小化することで、より高速の制御が可能となる。
以上のように、実施の形態４，５，６を組み合わせることで、高速性を要求される電源の電力を抑制でき、高速化が可能となるため、早い加速電圧変動に対しても追随でき、より効率の良い出射が可能となるという効果がある。
【００３０】
実施の形態７．
今までの実施例では、加速電圧をモニタして積分値を求めていた。しかし、加速電圧の積分値を正確に求めるためには、前述したとおり超高精度のモニタが必要となる。しかし、加速電圧の高精度測定は、ノイズの影響が避けられないため、ノイズの多い環境で使用することは困難である場合が多い。
そこで、加速電圧の積分値をモニタすることで粒子のエネルギーを求める代わりに、粒子の到達時間（粒子の速度に対応する）を用いて粒子のエネルギーをモニタする方法を図１１について説明する。図において、入射位置周辺（近傍）に、軌道を取り巻くように置かれた電極２２（入射ビーム検出器）と、出射位置周辺（近傍）に置かれた電極（出射ビーム検出器）２３を設ける。これらの電極の中をビームが通過すると、ビームの粒子の電荷極性と反対の極性を持つ電荷が電極に誘起される。
誘起された電荷による検出器の電圧は、図１２（ａ）のようになる。すなわち、ビームが入射している間は入射位置の検出器に電圧Ｖ１を生じ、出射している間に出射位置の検出器に電圧Ｖ２を生ずる。ビームが入射してから出射するまでの時間ΔＴは、ビームのエネルギーに依存する粒子の速度で決まる。ビームの加速器内における周回回数が同じなら、ΔＴからエネルギーを逆算することが出来る。周回回数が同じかどうかの判定については、加速電圧モニタに頼ることになるが、モニタリングには一回の加速電圧相当の分解能があればよいため、精度の要求が大幅に緩和される。上記補正を行うもの粒子速度補正手段という。
【００３１】
図１２（ａ）のＨ１は、入射ビームが入射ビーム検出器２２を通過している時間長さを示している。Ｈ２は、出射ビームが出射ビーム検出器２３を通過している時間長さを示している。
図１２（ｂ）は、先頭ビームのエネルギーばかりでなく、ビーム内のエネルギー分布を測定する方法を示している。入射ビームが加速器に入射する前に、例えば図示しない静電ディフレクター等にパルス電圧を一定の間隔で加えることで、図に示されるように一定の間隔で粒子の流れを寸断しておく。この入射時間間隔をｆ１＝  ｆ２＝  ｆ３＝  ｆ４とする。全区間でビームエネルギーが一定の場合は、ビーム出射時の寸断されたパルス時間幅Ｆは、ｆに等しくなる。仮に図のｆ１＞Ｆ１だとすると、この領域では最初のビームより最後のビームのエネルギーが小さい（遅い）ことになる。すなわち、出射時のパルス幅を測定し、入射時と比べることで、加速電圧の増減を知ることが出来、この信号を加速電圧にフィードバックすることで加速電圧を一定に保つことができる。
尚、この計測においては、検出器に誘起された電荷による電圧の絶対値Ｖ１，Ｖ２を測定する必要がなく、電圧の立ち上がりのタイミングのみを計測すればよいため、ノイズの影響を大幅に軽減できる。このため、容易に高精度なエネルギー測定が出来るという効果がある。
【００３２】
実施の形態８．
これまでに述べた実施の形態１〜７では、ビームのエネルギーを一定になるように制御する手段により、ビームのどの部分も同様に出射セプタムの通路に正確に入るようにして、出射効率を向上させていた。しかし、エネルギーを一定にしなくてもビームの部分、部分に応じてビーム軌道を曲げることによりどの部分も同様に通路にはいるようにすることができる。本構成を図１３について説明する。図のものではビーム偏向器（ビームディフレクタとも言う）２４と、ビーム偏向器制御電源２５とを用いている。加速電圧の積分値の誤差により生ずるビームの偏向を補正するため、相当する補正偏向電界を加えて軌道を修正し、ビームの出射効率を向上させるように制御する。これを第２制御手段という。この際、フィードバック制御もしくはフィードフォワード制御の手法として、実施の形態６，７で述べた方法を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３３】
実施の形態９．
実施の形態８では、ビームの偏向のために、新たにビーム偏向器２４を取り付けたが、加速器構成要素の運転条件を変えてビームを偏向することもできる。
図１４、１５は、加速器構成要素のうち、偏向磁界１５の励磁電源２９９、もしくは電磁石４の電磁石電源３００を、前述の手法を用いて制御し（これを第３の制御手段という）、ビームの出射効率を向上させる構成を示している。これらの構成では、新たにビーム偏向器２４を取り付ける必要がないため、コストを低減できるという効果がある。
【００３４】
【発明の効果】
この発明のＦＦＡＧベータトロンでは、加速電圧の電圧積分値が補正されるので、加速電圧の電圧制御精度に高精度が要求されないという効果が得られる。
また、加速電圧が適切に補正されることにより、荷電粒子の出射効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１のＦＦＡＧベータトロンの構成図である。
【図２】図１のものの動作を説明する説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２のＦＦＡＧベータトロンの構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３の動作を説明する特性図である。
【図５】この発明の実施の形態４の動作を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態４の動作を説明する説明図である。
【図７】この発明の実施の形態４の動作を説明する説明図である。
【図８】この発明の実施の形態５の動作を説明する説明図である。
【図９】この発明の実施の形態６のＦＦＡＧベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図１０】図９の動作を説明する説明図である。
【図１１】実施の形態７のＦＦＡＧベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図１２】図１１のものの動作を説明する説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態８のＦＦＡＧベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態９のＦＦＡＧベータトロンの動作を説明する説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態９のＦＦＡＧベータトロンの構成を説明する説明図である。
【図１６】ＦＦＡＧベータトロンの構造を説明する説明図である。
【図１７】図１６の水平断面図である。
【図１８】図１６のものの動作を説明する説明図である。
【図１９】図１６のものの動作を説明する説明図である。
【図２０】図１６のＦＦＡＧベータトロンに使用される電源装置の回路図である。
【符号の説明】
１  電子銃、  ２  静電偏向器、  ３  リング状真空容器、
４  電磁石、    ５  加速ギャップ、    ６  加速コア、
１１  出射セプタム、    １５  偏向磁界装置、  １６  電圧計、
１８  第１駆動電源、  １９  第２の加速コア、
２０  第２駆動電源、  ２１ａ，２１ｂ  ビーム位置検出器、
１７７  加速電圧補正回路、
１８８  補正回路、  ２９９  励磁電源、
３００  電磁石電源。
【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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