(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側電気回路にスイッチング電源からパルス電圧を受けて、２次側絶縁部に誘導され、荷電粒子ビームに印加される誘導電圧を生成する誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて用いられる荷電粒子ビームの軌道制御装置であって、
前記シンクロトロンの設計軌道にある荷電粒子ビームの設計軌道からのズレを感知する位置モニターからの位置シグナルを受け予め格納された制御単位中のパルス密度を必要に応じ過剰な加速電圧値を減じる修正又は予め与えられた軌道修正用のパルス密度を選択する修正をし、バンチの通過を感知するバンチモニターからの通過シグナルを受けてゲート親信号を生成するデジタル信号処理装置と、
前記ゲート親信号を基に前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源のオンオフを制御するゲート信号パターンを生成するパターン生成器とからなり、
前記ゲート信号パターンにより、スイッチング電源のオンオフを制御し、前記誘導電圧の発生タイミングを制御単位のパルス密度に基づき荷電粒子ビームの周回毎に制御することを特徴とする荷電粒子ビームの軌道制御装置。
【請求項２】
前記デジタル信号処理装置が、荷電粒子ビームの周回軌道を維持する荷電粒子ビームの加速に伴い変動する偏向磁石の磁場強度の変化パターンである磁場励磁パターンを基に計算される誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームと誘導電圧の発生タイミングとを合わせるため、下記式（６）で求められる理想的な可変遅延時間パターンに対応する必要な可変遅延時間パターンを格納し、前記必要な可変遅延時間パターンに基づき可変遅延時間シグナルを生成する可変遅延時間計算機と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道にあるバンチモニターからのバンチの通過シグナル、前記可変遅延時間計算機からの可変遅延時間シグナルを受けて、可変遅延時間に相当するパルスを生成する可変遅延時間発生器と、磁場励磁パターンを基に計算される理想的な荷電粒子ビームの加速段階で変化する加速に必要な誘導電圧の電圧値の変化パターンである加速電圧値パターンに対応する等価的な加速電圧値パターンを格納し、前記可変遅延時間発生器からの誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームと誘導電圧の発生タイミングとを合わせるための可変遅延時間に相当するパルス、及び設計軌道にある荷電粒子ビームの設計軌道からのズレを感知する位置モニターからの位置シグナルを受け、荷電粒子ビームの周回毎に磁場励磁パターンに同期するために必要な誘導電圧値の過不足を計算し、必要に応じ予め格納されたパルス密度から過剰な誘導電圧分に相当する誘導電圧の発生を停止又は不足する誘導電圧分に相当する誘導電圧を発生させる修正をし、加速用の誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成する加速電圧演算機、及び前記加速電圧演算機からのパルスを受けて、パターン生成器に適したパルスであるゲート親信号を生成するゲート親信号出力器からなることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビームの軌道制御装置。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（６）
Δｔ：可変遅延時間
ｔ０：バンチモニターから誘導加速セルに到達するまでのバンチの移動時間
ｔ１：バンチモニターからデジタル信号処理装置までの通過シグナルの伝達時間
ｔ２：デジタル信号処理装置から出力されたゲート親信号を基に誘導加速セルで誘導電圧を印加するまでに要する時間
【請求項３】
１次側電気回路にスイッチング電源からパルス電圧を受けて、２次側絶縁部に誘導され、荷電粒子ビームに印加される誘導電圧を生成する誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、
誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームと誘導電圧の発生タイミングとを合わせるため、下記式（６）で求められる可変時間に相当する可変遅延時間シグナルを生成する可変遅延時間計算機と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道にあるバンチモニターからのバンチの通過シグナル、前記可変遅延時間計算機からの可変遅延時間シグナルを受けて、可変遅延時間に相当するパルスを生成する可変遅延時間発生器と、前記可変遅延時間発生器からの誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームと誘導電圧の発生タイミングとを合わせるための可変遅延時間に相当するパルス、及び設計軌道にある荷電粒子ビームの設計軌道からのズレを感知する位置モニターからの位置シグナルを受け予め格納されたパルス密度を必要に応じ過剰な加速電圧値を減じる修正又は予め与えられた軌道修正用のパルス密度を選択する修正をし、加速用の前記誘導電圧のオンオフを制御するパルスを生成する加速電圧演算機と、前記加速電圧演算機からのパルスを受けて、パターン生成器に適したパルスであるゲート親信号を生成するゲート親信号出力器からなるデジタル信号処理装置、及び前記ゲート親信号を前記誘導加速セルを駆動するスイッチング電源のゲート信号パターンへと変換するパターン生成器により、
前記誘導電圧の発生タイミングを制御単位のパルス密度に基づき荷電粒子ビームの周回毎に制御することを特徴とする荷電粒子ビームの軌道制御方法。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（６）
Δｔ：可変遅延時間
ｔ０：バンチモニターから誘導加速セルに到達するまでのバンチの移動時間
ｔ１：バンチモニターからデジタル信号処理装置までの通過シグナルの伝達時間
ｔ２：デジタル信号処理装置から出力されたゲート親信号を基に誘導加速セルで誘導電圧を印加するまでに要する時間
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、誘導電圧の発生タイミングを制御することにより、荷電粒子ビームを設計軌道に維持することのできる荷電粒子ビームの軌道制御装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
ここで、荷電粒子とは、元素の周期表のある種の元素が一定の正または負の電価状態にあるイオンおよび電子に始まる「電荷を持った粒子」の総称をいう。また、荷電粒子には、化合物、タンパク質などの構成分子数の大きな粒子も含む。
【背景技術】
【０００３】
シンクロトロンには、高周波シンクロトロン、誘導加速セルを用いたシンクロトロンがある。高周波シンクロトロンは、入射機器により真空ダクト内に入射した陽子などの荷電粒子を、高周波加速空洞によって、高周波シンクロトロンを構成する、ビーム周回軌道を維持する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧を印加して、加速しながら荷電粒子を真空ダクト中の荷電粒子ビームが周回する設計軌道を周回させる円形加速器である。
【０００４】
一方、誘導加速セルを用いたシンクロトロンは、高周波シンクロトロンと加速方法が異なり、誘導加速セルによって誘導電圧を荷電粒子ビームに印加して加速する円形加速器である。
【０００５】
図８に誘導加速セルによる荷電粒子ビームの加速原理と、誘導電圧の種類について示した。誘導加速セルには、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるための閉込用誘導加速セル（以下、閉込用誘導加速セルという。）と、荷電粒子ビームを進行軸方向に加速するための誘導電圧を印加する誘導加速セル（以下、加速用誘導加速セルという。）がある。
【０００６】
なお、閉込用誘導加速セルに代えて、荷電粒子ビームを進行軸方向に閉じ込めるために高周波加速空洞を用いることもある。
【０００７】
図８（A）は、閉込用誘導加速セルによる荷電粒子ビームの閉じ込めの様子を示している。閉込用誘導加速セルによって荷電粒子ビームに印加する誘導電圧をバリアー電圧２２という。
【０００８】
特に、荷電粒子群（以下、バンチ３という。）の先端に印加する荷電粒子ビームの進行軸方向と逆向きの誘導電圧のことを負のバリアー電圧２２ａといい、バンチ３の尾部に印加する荷電粒子ビームの進行軸方向と同一方向の誘導電圧を正のバリアー電圧２２ｂという。これは、従来の高周波と同様に荷電粒子ビームに位相安定性を与えるものである。
【０００９】
なお、横軸ｔは、加速用誘導加速セル内の時間的変化であり、縦軸ｖは、印加させるバリアー電圧値（図８（B）においては、加速用の誘導電圧値）である。
【００１０】
図８（B）は、加速用誘導加速セルによる荷電粒子ビームの加速の様子を示している。加速用誘導加速セルによって荷電粒子ビームに印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧８という。特に、バンチ３の全体に印加する荷電粒子ビームの進行軸方向の加速に必要な加速用の誘導電圧８のことを加速電圧８ａといい、その電圧値を加速電圧値８ｉという。
【００１１】
また、加速用誘導加速セルにバンチ３が存在しない時間に、加速電圧８ａと異極の加速用の誘導電圧８をリセット電圧８ｂという。このリセット電圧８ｂは、加速用誘導加速セルの磁気的飽和を回避するためのものである。
【００１２】
これら加速用の誘導電圧８、及びバリアー電圧２２によって、従来の高周波シンクロトロンのように、陽子や一定の荷電粒子に限らず、任意の荷電粒子を一台の円形加速器でシンクロトロンを構成する偏向電磁石の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。）に加速することができると考えられている。
【００１３】
さらに、誘導加速セルを使用することにより、従来の高周波シンクロトロンで加速していた荷電粒子ビームの長さ比べて数倍から１０倍の時間幅を持つ、１マイクロ秒もの長さをしたバンチ３（スーパーバンチ）を加速することも可能になる。これにより原子核物理・高エネルギー物理の実験が飛躍的に進歩すると考えられている。
【非特許文献１】日本物理学会誌  ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．９（２００４）ｐ６０１−ｐ６１０
【００１４】
ここで誘導加速セルとは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速セルと原理的には同じ構造である。誘導加速セルは、内筒、及び外筒からなる２重構造で、外筒の内に磁性体が挿入されてインダクタンスを作る。荷電粒子ビームが通過する真空ダクトと接続された内筒の一部がセラミックなどの絶縁体でできている。
【００１５】
磁性体を取り囲む１次側の電気回路にＤＣ充電器からパルス電圧を印加すると、１次側導体には１次電流（コア電流）が流れる。この１次電流は１次側導体の周りに磁束を発生させ、１次側導体に囲まれた磁性体が励磁される。
【００１６】
これによりトロイダル形状の磁性体を貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体を挟んで、導体の内筒の両端部である２次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が誘導される。この誘導電場が加速電場となる。この加速電場が生じる部分を加速ギャップという。従って、誘導加速セルは１対１のトランスであるといえる。
【００１７】
誘導加速セルの１次側の電気回路にパルス電圧を発生させるスイッチング電源を接続し、前記スイッチング電源を外部からオンおよびオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。
【００１８】
ここで、スイッチング電源、及び加速用誘導加速セルの等価回路について説明する（図９）。加速用誘導加速装置の等価回路２３は、ＤＣ充電器５ｂから常時給電を受けるスイッチング電源５ａが、伝送線を経由して加速用誘導加速セル７に繋がったものとして表すことができる。加速用誘導加速セル７は誘導成分Ｌ、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒの並列回路で示す。並列回路の両端電圧がバンチ３が感じる加速用の誘導電圧８である。
【００１９】
図９の回路状態は、第１スイッチ２４ａ、及び第４スイッチ２４ｄがゲート信号パターン１３ａによりオンになっており、バンクコンデンサー２４に充電された電圧が加速用誘導加速セル７に印加され、加速ギャップ７ａにバンチ３を加速するための加速電圧８ａが生じている状態である。
【００２０】
次にオンになっていた第１スイッチ２４ａ、及び第４スイッチ２４ｄがゲート信号パターン１３ａによりオフになり、第２スイッチ２４ｂ、及び第３スイッチ２４ｃがゲート信号パターン１３ａによりオンになって、前記加速ギャップ７ａに前記誘導電圧と逆向きであるリセット電圧８ｂが生じ、加速用誘導加速セル７の磁性体の磁気的飽和をリセットする。
【００２１】
そして、第２スイッチ２４ｂ、及び第３スイッチ２４ｃがゲート信号パターン１３ａによりオフになり、第１スイッチ２４ａ、及び第４スイッチ２４ｄがオンになる。このような一連のスイッチング動作をゲート信号パターン１３ａにより繰り返すことで、荷電粒子ビームの加速に必要な加速用の誘導電圧８を発生させることが可能となる。
【００２２】
前記、ゲート信号パターン１３ａは、スイッチング電源５ａの駆動を制御する信号であり、バンチ３の通過シグナル９ａを基に、デジタル信号処理装置１２、及びパターン生成器１３からなる加速用誘導電圧制御装置でデジタル制御される。
【００２３】
なお、バンチ３に印加された加速電圧８ａは、回路中の電流値とマッチング抵抗２５との積から計算された値と等価である。従って、電流計である誘導電圧モニター２６などで電流値を測定することで印加した加速電圧８ａの値を知ることができる。
【００２４】
既に、発明者等は高エネルギー加速器研究機構（以下、ＫＥＫという。）の陽子高周波シンクロトロン（以下、１２ＧｅＶＰＳという。）内に加速用誘導加速セル７を設置し、高周波加速空洞と加速用誘導加速セル７とを組み合わせることにより、一定間隔で発生させる加速用の誘導電圧８によって、運動エネルギー５億電子ボルトで入射された陽子ビームを８０億電子ボルトまで加速することに成功している。
【００２５】
ここで電子ボルトとは、電圧の単位であるボルトに電子の単位電荷を乗じたものを１電子ボルトとして与えられるものである。１電子ボルトは１．６０２×１０−１９ジュールに等しい。
【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】
【００２６】
図１０に、荷電粒子ビームの軌道と磁場による水平方向の閉じ込めの様子を示した。シンクロトロンはシンクロトロンを構成する偏向電磁石による磁場強度３ａによって、バンチ３を設計軌道２上に維持している。
【００２７】
偏向電磁石による磁場強度３ａがなければ、バンチ３は、荷電粒子ビームがもつ遠心力３ｂにより、真空ダクトの壁面に衝突して失われる。この磁場強度３ａは、加速時間とともに変化する。その変化を磁場励磁パターン（図５）という。この磁場励磁パターンは、一旦加速する荷電粒子の種類、加速エネルギーレベル、円形加速器の周長を決定すると、荷電粒子ビームの周回周波数バンド幅が一意に定まる。
【００２８】
従って、加速用の誘導電圧８を、高周波加速電圧と同様に、この磁場励磁パターンに同期して進行軸方向に加速する電圧を荷電粒子ビームに印加しなければならない。
【００２９】
荷電粒子ビームの軌道は、シンクロトロンの真空ダクト中心２ａではなく、シンクロトロンを構成する偏向電磁石の配置によって定められた、真空ダクト中心２ａより外側、又は内側の周回する設計軌道２である。なお、ρ０は円形加速器の中心から、真空ダクト中心２ａまでの平均半径２ｄである。
【００３０】
ここで、同期とは、シンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場強度３ａに基づくローレンツ力と、荷電粒子ビームの加速により外向きに働く遠心力３ｂとのバランスを取るよう、磁場励磁パターンの変化に合わせて加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することをいう。
【００３１】
しかし、バンチ３の周回毎に印加する加速電圧値８ｉは一定ではなく、多少の増減がある。これは、バンクコンデンサー２４の充電電圧が理想値からズレることなど種々の要因に由来する。
【００３２】
その結果、磁場励磁パターンに同期するため理想的な加速電圧値８ｉより、実際に印加された加速電圧値８ｉが過小であった場合は、荷電粒子ビームは設計軌道２から内側２ｂにズレることとなる。一方、理想的な加速電圧値８ｉより、実際に印加した加速電圧値８ｉが過剰であった場合は、荷電粒子ビームが設計軌道２から外側２ｃにズレる。
【００３３】
従来の高周波シンクロトロンにおいては、高周波の位相を加速方向、減速方向にずらすことで、荷電粒子ビームを加速および減速し、荷電粒子ビームを設計軌道２上に加速中維持することが可能であった。
【００３４】
しかし、閉込用誘導加速セルにおいては、バリアー電圧２２の発生時間をずらすことは可能であるが、一端、設計軌道２から外側２ｃにズレたバンチ３を、すなわち磁場励磁パターンに同期できなくなったバンチ３を設計軌道２に戻すことはできない。
【００３５】
また、従来からステアリング磁石などによって、実際の陽子ビームの周回する軌道を設計軌道２上に補正することも行われている。しかし、ステアリング磁石による補正は、設計軌道２よりズレたバンチ３を局所的に補正するものである。
【００３６】
上述のように、磁場強度３ａでは、荷電粒子ビームに運動エネルギーを与えることができないため、荷電粒子ビームの周回速度３ｃと磁場励磁パターンとを一致させることができない。従って、荷電粒子エネルギーが設計値から外れたバンチ３をステアリング磁石を用いて設計軌道２に修正することはできない。
【００３７】
さらに、荷電粒子ビームを設計軌道２に修正する方法としては、加速電圧値８ｉの大きさを変更することが考えられる。しかし、加速電圧値８ｉを発生する装置（以下、加速用誘導加速装置という。）は、加速用誘導加速セル７が必要とする数十ｋＷの安定した出力電力を得るために、パルス電圧の振幅を定めるスイッチング電源５ａの高圧充電部には大きなバンクコンデンサー２４（静電容量）を装荷しなければならない。
【００３８】
このバンクコンデンサー２４の充電圧はパルス電圧の出力安定を目的とするため、高速に変化できない。このため現実的にはパルス電圧の振幅を高速に制御させることができない。
【００３９】
従って、使用するＤＣ充電器５ｂ、バンクコンデンサー２４が定まれば、出力電圧は一意に定まるため、電圧値を大きく、短時間で変化させることはできない。このためパルス電圧の振幅を変化させる方法では、加速電圧８ａを磁場励磁パターンに同期させることができない。
【００４０】
或いは、高周波加速空洞を荷電粒子ビームの軌道制御用として併用することも考えられる。しかし、任意の荷電粒子を一台のシンクロトロンで任意のエネルギーレベルに加速するためには、高周波加速空洞を使用することは現実的に不可能である。
【００４１】
なぜなら、磁場励磁パターンに荷電粒子ビームの周回周波数を同期させる必要があるが、特に重い荷電粒子では、入射直後から加速終了時点までの周回周波数が極低周波になる。
【００４２】
全ての高周波加速空洞では、インダクタンスとコンデンサーの共振原理によって高周波電圧を発生させるが、高周波電圧の周波数はインダクタンスのほぼ−１／２乗に比例するため、発生できる高周波加速電圧の周波数に限界がある。このため高周波加速空洞では必要な高周波加速電圧を印加することができないからである。
【００４３】
また、高周波を使用する原理的限界から、高周波加速空洞を用いたシンクロトロンでは、加速できる荷電粒子の質量番号Ａと電価数Ｚの比であるＺ／Ａが異なる場合、加速中の周波数変化自体を変えなければならない。
【００４４】
上述した印加させる加速電圧値８ｉの誤差を解消しなければ、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいては、一端必要な加速電圧値８ｉよりも高い、加速電圧値８ｉを荷電粒子ビームが受けてしまうと、荷電粒子ビームのもつ遠心力３ｂによって、設計軌道２の外側２ｃにズレてしまい、荷電粒子ビームを加速することができない。
【００４５】
そこで、本発明は上記問題を解決するため、理想的な加速電圧値８ｉに対し荷電粒子ビームの所定周回数の中で、理想的な加速電圧値８ｉと等価的な加速電圧値８ｉを与える単位（以下、制御単位（図６）という。）において、理想的な加速電圧値８ｉと等価な加速電圧値８ｉを発生する、制御単位中の加速電圧の発生頻度（以下、パルス密度（図７）という。）を、リアルタイムで補正して、補正したパルス密度に基づく加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することで、荷電粒子ビームの軌道のズレを修正する軌道制御装置及びその制御方法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】
【００４６】
誘導加速セルを用いたシンクロトロン１において、磁場励磁パターン１９を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１８ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１８ｂを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１８ｂに基づき可変遅延時間１８に相当する可変遅延時間シグナル１４ａを生成する可変遅延時間計算機１４と、バンチ３が周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からのバンチ３の通過シグナル９ａ、前記可変遅延時間計算機１４からの可変遅延時間シグナル１４ａを受けて、可変遅延時間１８に相当するパルス１５ａを生成する可変遅延時間発生器１５と、磁場励磁パターン１９を基に計算される理想的な加速電圧値パターン８ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン８ｄを格納し、前記可変遅延時間発生器１５からの可変遅延時間１８に相当するパルス１５ａ、及び設計軌道２にある荷電粒子ビームの設計軌道２からのズレを感知する位置モニター１１からの位置シグナル１１ａを受けて、加速用の誘導電圧８のオンオフを制御するパルス１６ａを生成する加速電圧演算機１６と、及び前記加速電圧演算機１６からのパルス１６ａを受けて、パターン生成器１３に適したパルスであるゲート親信号１２ａを生成するゲート親信号出力器１７からなるデジタル信号処理装置１２、及び前記デジタル信号処理装置１２で生成されたゲート親信号１２ａを基に誘導加速セルを駆動するスイッチング電源５ａのオンおよびオフ制御するゲート信号パターン１３ａを生成するパターン生成器１３からなることを特徴とする荷電粒子ビームの軌道制御装置６の構成とした。
【発明の効果】
【００４７】
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、荷電粒子ビームの軌道のズレを修正することで、安定かつ確実に任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することができることとなった。
【００４８】
さらに、誘導加速セルによって荷電粒子ビームの軌道のズレを修正することができるため、高周波加速空洞を用いる必要がなく、閉じ込め機能を閉込用誘導加速セルに行わせることが可能となり、その結果、従来の高周波シンクロトロンの装置を利用して、任意の荷電粒子に対応した誘導加速セルを用いたシンクロトロンを低コストでつくることが可能になった。
【００４９】
また、あらゆるシンクロトロンの運転方式、すなわち、あらゆる偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期させて、荷電粒子ビームの軌道のズレを修正することができる。
【００５０】
加えて、荷電粒子ビームを、設計軌道２に対して、内側２ｂ、又は外側２ｃの任意の軌道を周回させることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
誘導加速セルを用いたシンクロトロン１において、磁場励磁パターン１９を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１８ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１８ｂを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１８ｂに基づき可変遅延時間１８に相当する可変遅延時間シグナル１４ａを生成する可変遅延時間計算機１４と、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からのバンチ３の通過シグナル９ａ、前記可変遅延時間計算機１４からの可変遅延時間シグナル１４ａを受けて、可変遅延時間１８に相当するパルス１５ａを生成する可変遅延時間発生器１５と、磁場励磁パターン１９を基に計算される理想的な加速電圧値パターン８ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン８ｄを格納し、前記可変遅延時間発生器１５からの可変遅延時間１８に相当するパルス１５ａ、及び設計軌道２にある荷電粒子ビームの設計軌道２からのズレを感知する位置モニター１１からの位置シグナル１１ａを受けて、加速用の誘導電圧８のオンオフを制御するパルス１６ａを生成する加速電圧演算機１６と、前記加速電圧演算機１６からのパルス１６ａを受けて、パターン生成器１３に適したパルスであるゲート親信号１２ａを生成するゲート親信号出力器１７からなるデジタル信号処理装置１２、及び前記ゲート親信号１２ａをスイッチング電源５ａの電流路のオンおよびオフの組み合わせであるゲート信号パターン１３ａへと変換するパターン生成器１３により、制御単位２１のパルス密度２０から過剰な加速電圧８ａの印加を停止することを特徴とする荷電粒子ビームの軌道制御方法によって実現した。
【実施例１】
【００５２】
以下に、添付図面に基づいて、本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置及びその制御方法について詳細に説明する。図１は本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【００５３】
本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を利用するシンクロトロン１は、前段加速器により一定のエネルギーレベルまで加速され、入射された荷電粒子ビームが周回する設計軌道２を覆う真空ダクト、周回するバンチ３に強収束を保証する収束電磁石、偏向電磁石４など、バンチ３にバリアー電圧２２を印加する閉込用誘導加速装置、バンチ３に加速用の誘導電圧８を印加する加速用誘導加速装置５、バンチ３の通過を知るためのバンチモニター９、バンチ３の加速速度をリアルタイムで測定するための速度モニター１０、荷電粒子ビームが設計軌道２からどれだけ水平方向の内側２ｂ、または外側２ｃにズレているかを検出する位置モニター１１などからなる。
【００５４】
偏向電磁石４は、荷電粒子ビームの軌道を円形状に維持するために使用する装置である。偏向電磁石４は鉄心、あるいは空芯に導体をコイル状に巻きつけた構造をしており、導体に電流を流すことで荷電粒子ビームの進行軸と垂直な磁場強度３ａを発生させる。偏向電磁石４に発生している磁場強度３ａは導体に流れる電流と比例関係にあるため、この比例係数をあらかじめ求めておき、電流量を測定して換算することで磁場強度３ａを求めることができる。
【００５５】
バンチモニター９は、バンチ３の通過を検出してパルスを出力する装置である。バンチモニター９は設計軌道２内に設置された導体、あるいは磁性体内を荷電粒子ビームが通過する際に生じる電磁エネルギーの一部を電圧または電流のパルスに変換するもので、バンチ３が通過する際に真空ダクトに誘起する壁電流を利用するものと、磁性体コアにコイルを巻きつけた形状の装置内をバンチ３が通過して生じる誘起電圧を利用する方法などがある。
【００５６】
速度モニター１０は、バンチ３の周回速度３ｃに応じた電圧値あるいは電流値、あるいはデジタル値を発生させる装置である。速度モニター１０はバンチモニター９のように荷電粒子ビームが通過した際に発生する電圧パルスあるいは電流パルスを、コンデンサーに蓄積して電圧値に変換するアナログ構造のものと、電圧パルスの数自体をデジタル回路で計数するデジタル構造のものが存在する。
【００５７】
位置モニター１１は、バンチ３の設計軌道２に対するズレに比例した電圧値を出力する装置である。位置モニター１１は、例えば、進行軸方向３ｄに対して斜めのスリットを持つ２枚の導体によって構成されており、荷電粒子ビームが通過した位置によって２枚の導体が荷電粒子ビームを感じる時間が異なり、結果として２枚の導体に誘起される電圧値に差が生じることを利用する。
【００５８】
例えば、バンチ３が位置モニター１１の中心を通過した場合、誘起される電圧は等しいため、二つの導体に発生した電圧を差分した出力電圧値は０であり、設計軌道２の外側２ｃを通過した場合には中心からのズレに比例した正の電圧値、同様に内側２ｂを通過した場合には負の電圧値を出力する。
【００５９】
従って、偏向電磁石４、バンチモニター９、速度モニター１０、位置モニター１１は、高周波シンクロトロンの加速において用いられるものを利用することができる。
【００６０】
加速用誘導加速装置５は、バンチ３が周回する設計軌道２が中にある真空ダクトに接続され、バンチ３を進行軸方向３ｄに加速するための加速用の誘導電圧８を印加する加速用誘導加速セル７、前記加速用誘導加速セル７にパルス電圧５ｃを与える高繰り返し動作可能なスイッチング電源５ａ、前記スイッチング電源５ａに電力を供給するＤＣ充電器５ｂ、前記スイッチング電源５ａのオンおよびオフの動作をフィードバック制御して荷電粒子ビームの設計軌道２からのズレを修正する荷電粒子ビームの軌道制御装置６などからなる。
【００６１】
本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６は、設計軌道２に設けられた各種検出器でリアルタイムに検出された荷電粒子ビームの情報である各種シグナルを受けて加速用の誘導電圧８の発生タイミングを計算するデジタル信号処理装置１２、及び前記デジタル信号処理装置１２より出力されたゲート親信号１２ａを基にスイッチング電源５ａのオンおよびオフを駆動するゲート信号パターン１３ａを生成するパターン生成器１３からなる。
【００６２】
ゲート親信号１２ａは、通過シグナル９ａと同様に、荷電粒子ビームと加速用の誘導電圧８のタイミングを合わせるための可変遅延時間（図３）を経過した瞬間にデジタル信号処理装置１２から出力される矩形の電圧パルスである。パターン生成器１３はゲート親信号１２ａであるパルスの立ち上がりを認識することで動作を開始する。
【００６３】
パターン生成器１３は、ゲート親信号１２ａをスイッチング電源５ａの電流路のオンおよびオフの組み合わせへと変換する装置である。
【００６４】
スイッチング電源５ａは一般に複数の電流路を持ち、その各枝路を通過する電流を調整し、電流の方向を制御することで負荷（ここでは加速用誘導加速セル７）に正と負の電圧を発生する（図９）。
【００６５】
ゲート信号パターン１３ａとは、加速用誘導加速セル７の加速用の誘導電圧８を制御するパターンである。加速電圧８ａを印加する際に、加速電圧８ａの印加時間と発生タイミング、リセット電圧８ｂを印加する際に、リセット電圧８ｂの印加時間と発生タイミングを決定する信号と、加速電圧８ａおよびリセット電圧８ｂの間の休止時間を決定するための信号である。従って、ゲート信号パターン１３ａは加速するバンチ３の長さにあわせて調節が可能である。
【００６６】
加速用の誘導電圧８の発生タイミングの制御に使用される具体的シグナルは、偏向電磁石４から荷電粒子ビームが前段加速器から入射された瞬間に偏向電磁石４（円形加速器の制御装置を介して）から出力されるサイクルシグナル４ａ、さらにリアルタイムの磁場励磁パターンであるビーム偏向磁場強度シグナル４ｂ、バンチモニター９から荷電粒子ビームが該バンチモニター９を通過した情報である通過シグナル９ａ、バンチ３の周回速度３ｃである速度シグナル１０ａ、及び位置モニター１１から周回する荷電粒子ビームが設計軌道２からどれだけズレているかを示す情報である位置シグナル１１ａなどである。
【００６７】
図２は、デジタル信号処理装置の構成図である。デジタル信号処理装置１２は、可変遅延時間計算機１４、可変遅延時間発生器１５、加速電圧演算機１６、及びゲート親信号出力器１７からなる。
【００６８】
可変遅延時間計算機１４は、可変遅延時間１８を決定する装置である。可変遅延時間計算機１４には、荷電粒子の種類に関する情報、後述の磁場励磁パターン（図５）を基に計算される可変遅延時間１８の定義式が与えられている。
【００６９】
荷電粒子の種類に関する情報とは、加速する荷電粒子の質量と電価数である。上述したように、荷電粒子が加速用の誘導電圧８から得るエネルギーは電価数に比例し、これによって得られる荷電粒子の周回速度３ｃは荷電粒子の質量に依存する。可変遅延時間１８の変化は荷電粒子の周回速度３ｃに依存するため、これらの情報を予め与えておく。
【００７０】
可変遅延時間１８は、荷電粒子の種類、磁場励磁パターンが予め定まっているときは、予め計算し、必要な可変遅延時間パターン（図４）として与えることができる。
【００７１】
しかし、予め計算しておく場合は、荷電粒子ビームが設計軌道２から内側２ｂまたは外側２ｃに外れた場合には、荷電粒子ビームの軌道の修正ができない。そこで、予め可変遅延時間１８を計算した場合は、後述の加速電圧演算機１６で加速電圧８ａの修正を行うこととなる。
【００７２】
また、可変遅延時間１８をバンチ３の周回毎に、リアルタイムで計算する場合は、シンクロトロン１を構成する偏向電磁石４（円形加速器の制御装置を介して）からその時の磁場強度３ａをビーム偏向磁場強度シグナル４ｂとして、可変遅延時間計算機１４が受け取り、荷電粒子の種類に関する情報を与えることによって、予め計算する場合と同様に可変遅延時間１８をバンチ３の周回ごとに計算すればよい。
【００７３】
さらに、荷電粒子ビームの周回速度３ｃを測定する速度モニター１０を使用し、リアルタイムで荷電粒子ビームの周回速度３ｃである速度シグナル１０ａを可変遅延時間計算機１４に入力すれば、後述の式（６）、及び式（７）に従って、荷電粒子の種類に関する情報を与えることなく、リアルタイムで可変遅延時間１８を計算することもできる。
【００７４】
リアルタイムで可変遅延時間１８を計算することにより、加速用誘導加速装置５を構成するＤＣ充電器５ｂ、バンクコンデンサー２４等に起因して、印加する加速電圧値８ｉが所定の設定値から変動した場合、何らかの外乱によって、バンチ３の周回速度３ｃに突発的な変化が起こった場合であっても、加速電圧８ａの発生タイミングを補正することで、荷電粒子ビームの軌道を修正することが可能となる。これを荷電粒子ビームの軌道制御という。
【００７５】
すなわち、荷電粒子ビームの軌道制御を行うことによって、的確に加速電圧８ａをバンチ３に印加することが可能となる。その結果、より効率的に荷電粒子ビームを加速することができることとなる。つまり、誘導加速セルによって、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することが可能となる。
【００７６】
上述のようにして与えられた可変遅延時間１８は、デジタルデーターである可変遅延時間シグナル１４ａとして、可変遅延時間発生器１５に出力される。
【００７７】
なお、可変遅延時間計算機１４には、偏向電磁石４（円形加速器の制御装置を介して）からサイクルシグナル４ａが入力される。サイクルシグナル４ａとは、荷電粒子ビームがシンクロトロン１に入射される際に偏向電磁石４（円形加速器の制御装置を介して）から発生するパルス電圧であり、加速開始の情報である。通常、シンクロトロン１は、荷電粒子ビームの入射、加速、出射を何度も繰り返す。
【００７８】
従って、予め可変遅延時間１８を開始している場合には、可変遅延時間計算機１４は、加速の開始であるサイクルシグナル４ａを得て、予め計算された可変遅延時間１８に基づいて、可変遅延時間シグナル１４ａを可変遅延時間発生器１５に出力する。
【００７９】
可変遅延時間発生器１５は、バンチモニター９からの通過シグナル９ａ、及び可変遅延時間計算機１４からの可変遅延時間シグナル１４ａを受けて、バンチモニター９を通過したバンチ３毎に、次回のバンチ３の周回における加速用の誘導電圧８を発生させるタイミングを計算して、加速電圧演算機１６に可変遅延時間１８の情報であるパルス１５ａを出力する。
【００８０】
可変遅延時間発生器１５は、ある周波数を基準とするカウンターで、通過シグナル９ａをデジタル信号処理装置１２内に一定時間保持したのち通過させる機能を持つ装置である。
【００８１】
例えば、１ｋＨｚのカウンターであれば、カウンターの数値１０００は、１秒と等価である。すなわち、可変遅延時間発生器１５に、可変遅延時間１８に相当する数値を入力することで、可変遅延時間１８の長さの制御を行うことができる。
【００８２】
具体的には、可変遅延時間発生器１５は、前記可変遅延時間計算機１４によって出力された可変遅延時間１８に相当する数値である可変遅延時間シグナル１４ａを基に、ゲート親信号１２ａの発生を可変遅延時間１８に相当する時間の間停止する制御を行う。その結果、加速電圧８ａの発生タイミングをバンチ３が加速用誘導加速セル７に到達した時間に合わせることができることとなる。
【００８３】
例えば、可変遅延時間計算機１４によって、１５０という数値の可変遅延時間シグナル１４ａを上記１ｋＨｚのカウンターである可変遅延時間発生器１５に出力した場合、可変遅延時間発生器１５は、０．１５秒の間パルス１５ａの発生を遅らせる制御を行う。
【００８４】
ここで、通過シグナル９ａとは、バンチ３がバンチモニター９を通過した瞬間にあわせて発生するパルスである。パルスはそれを伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切な強度を持つ電圧型、電流型、光型などがある。
【００８５】
前記通過シグナル９ａは、デジタル信号処理装置１２に荷電粒子ビームの通過タイミングを時間情報として与えるために用いられる。荷電粒子ビームの通過により、発生したパルスの立ち上がり部によって、設計軌道２での荷電粒子ビームの進行軸方向３ｄでの位置が求められる。すなわち、通過シグナル９ａは、可変遅延時間１８の開始時間の基準である。
【００８６】
加速電圧演算機１６は、加速用の誘導電圧８を発生（オン）させるか、発生させない（オフ）かを決定する装置である。
【００８７】
例えば、ある瞬間に必要な加速電圧値８ｉが０．５ｋＶである場合、１＝パルス１６ａを発生させる、０＝パルス１６ａを発生させないと定義し、１．０ｋＶの一定値の加速電圧８ａを用いて、バンチ３が１０周回する間に周回毎に加速電圧８ａを印加する、しないを、［１、０、・・・、１］（１が５回、０が５回）とすると、バンチ３が１０周回の間に受けた平均的な加速電圧値（図６）は０．５ｋＶとなる。このようにして、加速電圧演算機１６が加速電圧８ａをデジタル制御する。
【００８８】
ある時間に必要な加速電圧値８ｉは、荷電粒子の種類、磁場励磁パターンが予め定まっているときは、磁場励磁パターンから予め計算される理想的な加速電圧値パターン（図５）に対応する等価的な加速電圧値パターン（図５）として与えることができる。
【００８９】
例えば、等価的な加速電圧値パターンとは、１秒間に加速電圧値８ｉを０Ｖから１ｋＶまで変化させ、０．１秒間隔で制御する場合、等価的な加速電圧値パターンは、加速開始から０．１秒間は０ｋＶ、０．１〜０．２秒間は０．１ｋＶ、０．２〜０．３秒間は０．２ｋＶ・・・０．９〜１．０秒間は１．０ｋＶとする等のデーターテーブルである。
【００９０】
制御単位あたりの荷電粒子位ビームの周回数がｎ周であるとき、その間に加速電圧８ａをｍ回荷電粒子ビームに与えた場合、荷電粒子ビームが制御単位の内に受ける等価的な加速電圧値は、加速用誘導加速セル７の出力する加速電圧値８ｉのｍ／ｎ倍になる。
【００９１】
なお、ｍはｎより必ず小さくなることは明らかである。この条件は荷電粒子ビームの軌道が変化する速さに比べて、制御単位内に含まれる荷電粒子ビームの周回数が十分少ない場合に成り立つ。この制御単位中の荷電粒子ビームの周回数は、制御単位中の荷電粒子ビームの周回数を少なくすることで電圧精度が下がり適切な電圧を与えられなくなる下限から制御単位中の荷電粒子ビームの周回数を多くすることで軌道の変化に反応できなくなる上限の範囲内において、任意に選択することができる。
【００９２】
例えば、制御単位を１０周回とし、加速電圧値をＶ０とすると、加速電圧値を０．１・Ｖ０ごとに１０段階に制御することができる。制御単位をバンチ３の２０周回とすると、０．０５・Ｖ０ごとに２０段階に等価的な加速電圧値パターンを制御することができる。
【００９３】
しかし、上述のように、加速電圧８ａが一定でないこと、また加速中の突発的なトラブルにより、荷電粒子ビームが設計軌道２よりズレた場合に軌道を修正するために、加速電圧８ａの発生の停止、すなわちパルス密度（図６）の変更を行う必要がある（図７）。
【００９４】
加速電圧演算機１６で、荷電粒子ビームの軌道を修正するためには、予め、修正のための基礎データーとして、どれだけの加速電圧値８ｉを荷電粒子ビームに与えると、どれだけ荷電粒子ビームの軌道が設計軌道２から外側２ｃへ移動するかの情報を加速電圧演算機１６に与えておく必要がある。
【００９５】
次に、加速電圧演算機１６は、設計軌道２にある位置モニター１１から、加速中のある時点において、荷電粒子ビームがどれだけ設計軌道２からズレているかを位置シグナル１１ａとして受け、荷電粒子ビームの軌道を修正するための計算をバンチ３の周回毎にリアルタイムで行う。
【００９６】
荷電粒子ビームの軌道を制御単位の周回数ｎで修正するために必要な１周当たりの加速電圧は、現在の軌道半径をρ、その時間微分をρ’、磁場強度３ａをＢ、その時間微分をＢ’、及び円形加速器の全長をＣ０とすると、次式（１）によって近似的に求められる。
Ｖ＝Ｃ０×（Ｂ’×ρ＋Ｂ×ρ’）・・・式（１）
このＶは、制御単位における誘導加速セルで印加される平均的な加速電圧値である。
【００９７】
Ｖ＝（ｍ／ｎ）Ｖａｃｃ（ｍ＜ｎ）・・・式（２）
ここで、Ｖａｃｃは、後述の式（１２）によって求められる、理想的な加速電圧値（図７）である。
【００９８】
ρ’およびＢ’は、１周当たりのバンチ３の周回時間をｔ、制御単位内の軌道半径をΔρ、及び制御単位内の磁場強度３ａの変化をΔＢ、ｔを周回数ｎだけ足し合わせた量をΣｔとすると、次式（３）、式（４）によって求められる。
ρ’＝Δρ／（Σｔ）・・・式（３）
Ｂ’＝ΔＢ／（Σｔ）・・・式（４）
なお、これらのρ’、Ｂ’は、リアルタイムで加速用の誘導電圧８を制御する場合は、加速電圧演算機１６で計算する。
【００９９】
１周当たりのバンチ３の周回時間ｔは、速度モニター１０などから得られた周回速度３ｃをｖ、及び円形加速器の全長をＣ０とすると、次式（５）で求められる。
ｔ＝Ｃ０／ｖ・・・式（５）
このｔは、バンチ３の周回ごとに異なる値をとる。
【０１００】
これらの過程より加速電圧値を計算して、その計算結果に基づいて、必要な加速電圧８ａを印加する、又は、過剰な加速電圧値に相当する加速電圧８ａの印可を停止する。
【０１０１】
加速電圧８ａの印加を停止するとは、次回に予定されていた加速電圧８ａの発生自体を行わないことをいう。
【０１０２】
荷電粒子ビームの軌道が設計軌道２から外側２ｃにズレるのは、荷電粒子ビームに印加された加速電圧値８ｉがその瞬間に必要な加速電圧値８ｉより過剰であるため、偏向電磁石４の磁場励磁パターンと同期がとれないことによる（図１０）。
【０１０３】
従って、予め、又はリアルタイムで磁場励磁パターン（図５）から計算される等価的な加速電圧値パターン（図５）と、位置シグナル１１ａによってえられる軌道のズレから、過剰な加速電圧値８ｉを計算し、予め与えられている等価的な加速電圧値から過剰な加速電圧値８ｉを減じたパルス密度（図７）に修正する。
【０１０４】
パルス密度を修正するとは、予め与えられていた、その瞬間に必要な加速電圧値８ｉ、及び制御単位におけるパルス密度から、過剰分の加速電圧値８ｉに相当する加速電圧８ａの印加を停止することによって可能である。
【０１０５】
なお、予め与えられる等価的な加速電圧値パターンとは別に、例えば、少しでも荷電粒子ビームが設計軌道２から外側２ｃに外れた場合は、「大きく修正する」、「緩やかに修正する」などの荷電粒子ビームの軌道修正用のパルス密度などを予め与え、適宜必要なパルス密度を選択する方法で、荷電粒子ビームの軌道を制御することも可能である。
【０１０６】
なお、式（１）の右辺を現代制御理論などから求められた、数値計算式によって表される任意の式に拡張することができることは当然である。
【０１０７】
このような制御法を採用することにより、円形加速器の大きさによって異なる荷電粒子ビームの軌道変動の様子に対しても適切な軌道制御が可能になる。
【０１０８】
なお、磁場励磁パターン、或いは等価的な加速電圧値パターン、修正用の基礎データー、修正用のパルス密度は書き換え可能なデーターとして、選択した荷電粒子の種類、磁場励磁パターンによって変更できる。
【０１０９】
これらデーターを書き換えるだけで、本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することにも利用することができる。
【０１１０】
又は、荷電粒子ビームの軌道を制御するためには、ある時間に必要な加速電圧値８ｉを、バンチ３の周回毎にリアルタイムで計算することが必要である。ある時間に必要な加速電圧値８ｉをリアルタイムで計算する場合は、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４（円形加速器の制御装置を介して）からその時の磁場強度３ａをビーム偏向磁場強度シグナル４ｂとして受け取り、予め計算する場合と同様な演算式により計算すればよい。
【０１１１】
リアルタイムで、ある時間に必要な加速電圧値８ｉを計算することにより、加速用誘導加速装置５を構成するＤＣ充電器５ｂ、バンクコンデンサー２４等に起因して、印加する加速電圧値８ｉが所定の設定値から変動した場合であっても、加速電圧８ａの発生タイミング、及び加速電圧値８ｉを補正することが可能となり、的確に加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することが可能となる。その結果、より効率的に荷電粒子ビームを加速することができることとなる。
【０１１２】
なお、図９で示した電流計である誘導電圧モニター２６で得られる誘導電圧値である誘導電圧シグナル２６ａをデジタル信号処理装置１２の可変遅延時間計算機１４、及び加速電圧演算機１６の一方、或いは両方にフィードバックすることでも、可変遅延時間１８、理想的な加速電圧値８ｉに対応する等価的な加速電圧値８ｉを計算することもできる。
【０１１３】
また、位置モニター１１と誘導電圧モニター２６とを併用することで、より精度よく荷電粒子ビームの軌道のズレを知ることができるため、荷電粒子ビームの軌道制御をより精度よく行うことができる。
【０１１４】
上述のようにして与えられた荷電粒子ビームの加速中のある時間に必要な加速電圧値８ｉを基にして決定された、ゲート親信号１２ａの発生を制御するパルス１６ａをゲート親信号出力器１７に出力する。
【０１１５】
従って、加速電圧演算機１６は、バンチモニター９から送られてくる通過シグナル９ａを用いて、単にバンチ３の周回ごとに加速電圧８ａを毎回出力するのではなく、リアルタイムで荷電粒子ビームの軌道修正に必要な加速電圧値８ｉを測定し、加速電圧演算機１６に予め与えられた等価的な加速電圧値パターン（図６）に基づくパルス密度を修正するためにパルス１６ａを間欠出力する機能を持つものである。
【０１１６】
ゲート親信号出力器１７は、デジタル信号処理装置１２を通過した可変遅延時間１８と加速用の誘導電圧８のオンオフの両方の情報を含んだパルス１６ａをパターン生成器１３に伝達するためのパルス、すなわちゲート親信号１２ａを発生させる装置である。
【０１１７】
ゲート親信号出力器１７から出力されるゲート親信号１２ａであるパルスの立ち上がりが、加速用の誘導電圧８の発生タイミングとして用いられる。また、ゲート親信号出力器１７は、加速電圧演算機１６から出力されるパルス１６ａを、パターン生成器１３に伝送する媒体あるいはケーブルの種類によって、適切なパルス強度を持つ電圧型、電流型、光型などに変換する役割を持っている。
【０１１８】
上述のようにしてなるデジタル信号処理装置１２は、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２にあるバンチモニター９からの通過シグナル９ａを基に、スイッチング電源５ａの駆動を制御するゲート信号パターン１３ａの基となるゲート親信号１２ａをパターン生成器１３に出力する。つまりデジタル信号処理装置１２が加速用の誘導電圧８のオンおよびオフをデジタル制御しているといえる。
【０１１９】
リアルタイムで可変遅延時間１８、必要な加速電圧値８ｉを計算することにより、何ら設定を変更することなく、シンクロトロン１の磁場励磁パターンに対応して、荷電粒子ビームの周回周波数に同期した加速電圧８ａを印加することが可能になった。
【０１２０】
図３は、荷電粒子ビームの周回と加速電圧８ａの発生とタイミングを取るための可変遅延時間についての説明である。バンチモニター９からの通過シグナル９ａが可変遅延時間発生器１５に入力されてからゲート親信号１２ａが出力するまでの間の時間が可変遅延時間１８である。
【０１２１】
この可変遅延時間１８を制御することは、加速電圧８ａの発生タイミングを制御することと同じである。ゲート親信号１２ａの発生から加速電圧８ａの発生までは、常に一定時間であるためである。
【０１２２】
加速用の誘導電圧８で荷電粒子ビームを加速するためには、バンチ３が加速用誘導加速セル７に到達した時間に合わせて加速電圧８ａを印加しなければならない。
【０１２３】
さらに、加速中の荷電粒子ビームは、加速時間の経過とともに、単位時間当たりに設計軌道２を周回する回数（周回周波数（ｆＲＥＶ））が変化する。例えば、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳにおいて陽子ビームを加速する場合、陽子ビームの周回周波数は、６６７ｋＨｚから８８２ｋＨｚまで変化する。
【０１２４】
従って、荷電粒子ビームを意図した通りに加速するためには、加速時間とともに変化するバンチ３の移動時間３ｅに合わせて加速電圧８ａを印加させ、また、バンチ３が加速用誘導加速セル７に存在しない時間帯にリセット電圧８ｂを発生させなければならない。
【０１２５】
また、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１を含む円形加速器は広い敷地に設置させるため、円形加速器を構成する各装置間を接続する信号線のケーブルを長く引き回す必要がある。そして信号線を伝播する信号の速度は有限の値を持っている。
【０１２６】
従って、円形加速器の構成を改変した場合、信号が各装置を通過する時間が、改変する前と同じである保証がない。そのため、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１を含む円形加速器では構成要素の改変の都度、印加時間のタイミングを設定しなおさなければならない。
【０１２７】
そこで、上記問題を解決するため、デジタル信号処理装置１２を用いて、バンチモニター９の通過シグナル９ａの発生から加速電圧８ａを印加するまでの時間を調整することとした。具体的には、デジタル信号処理装置１２の内部で、バンチモニター９からの通過シグナル９ａを受けてから、ゲート親信号１２ａの発生までの可変遅延時間１８を制御することとした。
【０１２８】
上述の条件下でも荷電粒子ビームが加速用誘導加速セル７を通過するタイミングに合わせ、加速電圧８ａを印加しなければならない。可変遅延時間発生器１５を使用することにより、バンチ３の通過に合わせて加速電圧８ａを印加することが可能となる。
【０１２９】
可変遅延時間１８であるΔｔは、バンチ３が設計軌道２のいずれかに置かれたバンチモニター９から、加速用誘導加速セル７に到達するまでの移動時間３ｅをｔ０、バンチモニター９からデジタル信号処理装置１２までの通過シグナル９ａの伝達時間９ｂをｔ１、及びデジタル信号処理装置１２から出力されたゲート親信号１２ａを基に加速用誘導加速セル７で加速電圧８ａを印加するまでに要する伝達時間９ｃをｔ２とすると次式（６）で求められる。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（６）
【０１３０】
例えば、ある加速時間でのバンチ３の移動時間３ｅが１マイクロ秒であるとし、通過シグナル９ａの伝達時間９ｂが０．２マイクロ秒、ゲート親信号１２ａが発生してから、加速電圧８ａが発生するまでに要する伝達時間９ｃが０．３マイクロ秒であるならば、可変遅延時間１８は、０．５マイクロ秒となる。
【０１３１】
Δｔは、加速の経過とともに変化する。荷電粒子ビームの加速に伴ってｔ０が加速の経過とともに変化するためである。従って、加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加するためには、Δｔをバンチ３の周回ごとに計算する必要がある。一方、ｔ１およびｔ２は、一端誘導加速セルを用いたシンクロトロン１を構成する各装置を設置すれば、一定の値である。
【０１３２】
ｔ０は、荷電粒子ビームの周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））、及びバンチモニター９から加速用誘導加速セル７までの荷電粒子ビームが周回する設計軌道２の長さ（Ｌ）から求めることができる。また、実測してもよい。
【０１３３】
ここで、ｔ０を荷電粒子ビームの周回周波数（ｆＲＥＶ（ｔ））から求める方法を示す。荷電粒子ビームが周回する設計軌道２の全長をＣ０とすると、ｔ０は次式（７）によってリアルタイムで計算することができる。
ｔ０＝Ｌ／（ｆＲＥＶ（ｔ）・Ｃ０）［秒］・・・式（７）
ｆＲＥＶ（ｔ）は次式（８）によって求められる。
【０１３４】
ｆＲＥＶ（ｔ）＝β（ｔ）・ｃ／Ｃ０［Ｈｚ］・・・式（８）
ここで、β（ｔ）は相対論的粒子速度、ｃは光速（ｃ＝２．９９８×１０８［ｍ／ｓ］）である。β（ｔ）は次式（９）によって求められる。
【０１３５】
β（ｔ）＝√（１−（１／（γ（ｔ）２））［無次元］・・・式（９）
ここで、γ（ｔ）は相対論係数である。γ（ｔ）は次式（１０）によって求められる。
【０１３６】
γ（ｔ）＝１＋ΔＴ（ｔ）／Ｅ０［無次元］・・・式（１０）
ここで、ΔＴ（ｔ）は加速電圧８ａによって与えられるエネルギーの増加分、Ｅ０は荷電粒子の静止質量である。ΔＴ（ｔ）は次式（１１）によって求められる。
【０１３７】
ΔＴ（ｔ）＝ρ・Ｃ０・ｅ・ΔＢ（ｔ）［ｅＶ］・・・式（１１）
ここで、ｅは荷電粒子が持つ電荷量、ΔＢ（ｔ）は加速開始開始からの磁場強度３ａの増加分である。
【０１３８】
荷電粒子の静止質量（Ｅ０）、荷電粒子の電荷量（ｅ）は、荷電粒子の種類によって異なる。
【０１３９】
上述の一連の可変遅延時間１８であるΔｔを求める式を定義式という。可変遅延時間１８をリアルタイムに求める時は、定義式をデジタル処理装置８ｄの可変遅延時間計算機１４に格納する。
【０１４０】
従って、可変遅延時間１８は、バンチモニター９から加速用誘導加速セル７の距離（Ｌ）、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２の長さ（Ｃ０）が定まれば、荷電粒子ビームの周回周波数によって、一意に定まる。さらに、荷電粒子ビームの周回周波数も、磁場励磁パターンによって、一意に定まる。
【０１４１】
また、荷電粒子の種類、誘導加速セルを用いたシンクロトロンの設定が定まれば、ある加速時点での必要な可変遅延時間１８も一意に定まる。従って、バンチ３が、磁場励磁パターンにしたがって理想的な加速をするとすれば、予め可変遅延時間１８を計算しておくこともできる。
【０１４２】
図４は加速エネルギーレベルと可変遅延時間の関係を示す図である。図４（Ａ）は、陽子ビームのエネルギーレベルと可変遅延時間１８の出力時間の関係を示している。なお、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳに本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を組み込み、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１に陽子ビームを入射１９ｃしたときの値である。
【０１４３】
横軸ＭｅＶは陽子ビームのエネルギーレベルであり、単位はメガ電子ボルトである。１ＭｅＶは、１．６０２×１０−１３ジュールに相当する。
【０１４４】
縦軸Δｔ（μｓ）は、バンチ３がバンチモニター９を通過した時間を０として、加速用誘導加速セル７に発生させる加速電圧８ａを制御するゲート信号パターン１３ａの出力タイミングの遅れ（可変遅延時間１８）であり、単位はマイクロ秒である。可変遅延時間１８は、バンチモニター９からの通過シグナル９ａを受けて、前述のようにデジタル信号処理装置１２によって計算される。
【０１４５】
陽子ビームのエネルギーレベルは、周回速度３ｃによって一意に定まる。また、陽子ビームの周回速度３ｃは、シンクロトロン１の磁場励磁パターンに同期している。従って、可変遅延時間１８は、リアルタイムで計算しなくとも、周回速度３ｃ、或いは磁場励磁パターンから予め計算しておくことも可能である。
【０１４６】
図４（Ａ）のグラフは、理想的な可変遅延時間パターン１８ａと、理想的な可変遅延時間パターン１８ａに対応する必要な可変遅延時間パターン１８ｂである。
【０１４７】
理想的な可変遅延時間パターン１８ａとは、陽子ビームの周回スピードの変化に合わせて、加速電圧８ａを印加するために、陽子ビームのバンチ３の周回毎に調節されたとしたならば、バンチ３がバンチモニター９を通過した時間から、デジタル信号処理装置１２がゲート親信号１２ａを出力するまでに要する、エネルギーレベルの変化に対応した可変遅延時間１８のことをいう。
【０１４８】
必要な可変遅延時間パターン１８ｂとは、エネルギーレベルの変化に対応した可変遅延時間１８のことをいう。必要な可変遅延時間パターン１８ｂは、理想的には、荷電粒子ビームの周回ごとに、可変遅延時間１８を制御することが望ましいが、可変遅延時間発生器１５の可変遅延時間１８に対応したパルス１５ａの制御精度が±０．０１μ秒であること、バンチ３の周回ごとに可変遅延時間１８を計算制御しなくとも、荷電粒子を損失することなく十分効率的な加速を行うことができることから、理想的な可変遅延時間パターン１８ａと同様に、加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することができる。
【０１４９】
従って、可変遅延時間１８は、一定時間の時間単位で制御することとなる。この単位のことを、制御時間単位１８ｃという。ここでは、０．１μｓである。
【０１５０】
図４（Ａ）のグラフから、エネルギーレベルの低い入射１９ｃの直後の陽子ビームは、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳでの加速においては、約１．０μｓの長さの可変遅延時間１８を必要とする。さらに、陽子ビームは加速時間とともに、エネルギーレベルが増加し、それに伴って、可変遅延時間１８も短くなる。特に、約４５００ＭｅＶ以上から加速終了の付近では、可変遅延時間１８はほぼ０に近くなる。
【０１５１】
図４（Ｂ）は加速時間とともに、デジタル信号処理装置１２で計算され、出力されるゲート親信号１２ａの可変遅延時間１８が短くなっている様子を示している。横軸Δｔ（μｓ）は可変遅延時間１８であり、単位はマイクロ秒である。図４（Ａ）の縦軸に対応する。
【０１５２】
例えば、入射１９ｃの直後に１μｓの可変遅延時間１８を要する陽子ビームは、２０００ＭｅＶ付近のエネルギーレベルの時間帯では、０．２μｓの可変遅延時間１８でよい。
【０１５３】
バンチモニター９より得られる通過シグナル９ａを基に、デジタル信号処理装置１２によって、ゲート親信号１２ａの可変遅延時間１８を制御することで、入射１９ｃの直後の低いエネルギーレベルから、加速後半の高いエネルギーレベルまで、バンチ３の周回周波数に合わせ得て加速電圧８ａを印加することが可能であることを意味する。
【０１５４】
従って、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１において、本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を用いることで、任意の荷電粒子の周回周波数に対しても、可変遅延時間計算機１４の磁場励磁パターンから計算される等価的な加速電圧値パターン８ｄを、選択した荷電粒子に対応した磁場励磁パターンに書き換えること、又は磁場励磁パターンから計算される理想的な可変遅延時間パターン１８ａに対応した必要な可変遅延時間パターン１８ｂに書き換えることで、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速することができることなる。
【０１５５】
図５は、遅い繰り返しと理想的な加速電圧値、及び等価的な加速電圧値の関係を示す図である。なお、図５はＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳによる陽子ビームを加速する場合の磁場励磁パターン１９である。
【０１５６】
横軸ｔは誘導加速セルを用いたシンクロトロン１に荷電粒子ビームが入射１９ｃされた時間を基準にした運転時間である。第１縦軸Ｂは誘導加速セルを用いたシンクロトロン１を構成する偏向電磁石４の磁場強度３ａである。第２縦軸ｖは加速電圧値８ｉである。
【０１５７】
遅い繰り返しとは、荷電粒子が前段加速器から入射１９ｃされた時間を基準に、加速を経て、出射し、さらに次回の入射１９ｃができるまでの時間である１周期が約数秒程度の遅い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１９による加速のことをいう。
【０１５８】
この磁場励磁パターン１９は、荷電粒子ビームが入射１９ｃされた直後から、磁場強度３ａを徐々に高め、出射の時点で最大磁場励磁状態になる。特に、荷電粒子ビームの入射１９ｃの直後から、磁場強度３ａは指数関数的に増加する。この時間帯の磁場励磁パターン１９を非線形励磁領域１９ａという。その後、加速終了までは、一次関数的な増加になる。この時間帯の磁場励磁パターン１９を線形励磁領域１９ｂという。
【０１５９】
従って、荷電粒子ビームを誘導加速セルを用いたシンクロトロン１によって加速するためには、この磁場励磁パターン１９に同期して、加速電圧８ａを発生させることが必要である。そのときのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１９に同期する理想的な加速電圧値（Ｖａｃｃ）は、次式（１２）に示す関係がある。
Ｖａｃｃ∝ｄＢ／ｄｔ・・・式（１２）
すなわち、ある時間での必要な加速電圧値８ｉは、当該時間での磁場励磁パターン１９の時間変化率と比例関係にある。
【０１６０】
よって、非線形励磁領域１９ａでは、磁場強度３ａが二次関数的に増加していることから、必要となる誘導電圧値は、加速時間の時間変化の一次に比例して変化することとなる。
【０１６１】
一方、線形励磁領域１９ｂでの理想的な加速電圧値８ｋは、加速時間の変化に関係なく一定である。先の非特許文献２の内容は、この線形励磁領域１９ｂおいて、一定電圧値の加速電圧８ａを一定間隔で印加するによって、陽子が加速できることを実証したものである。また、加速電圧８ａは上述したように、印加し続けることはできないので、加速電圧８ａを印加した次回は、リセット電圧８ｂが必要である。
【０１６２】
従って、加速電圧８ａをこの非線形励磁領域１９ａの磁場励磁パターン１９に同期するためには、加速電圧値８ｊを時間変化とともに増加させることが必要である。
【０１６３】
しかし、加速用誘導加速セル７自体は、誘導電圧調整機構をもっていないため加速電圧値８ｉは、一定の値でしか得られない。一方、加速用誘導加速セル７で発生させるバンクコンデンサー２４の充電電圧を制御することにより加速電圧値８ｉを変化することも考えられるが、バンクコンデンサー２４は本来、出力変動に伴う充電電圧の変動を制御する目的で装荷されているものであるため、現実的にはバンクコンデンサー２４の充電電圧を変化させる方法は、加速電圧値８ｉを速やかに制御する目的にには使用できない。
【０１６４】
そこで、図６に示すパルス密度を採用し、荷電粒子ビームの軌道制御装置６を用いて、加速電圧８ａの発生タイミングを非線形励磁領域１９ａの磁場励磁パターン１９に同期させることとした。
【０１６５】
制御単位における加速電圧８ａの印加回数を０から、バンチ３の周回毎に印加するよう、段階的に増加させることで、理想的な加速電圧値パターン８ｃと制御単位においては、等価な加速電圧値８ｉを与えることができる。この等価な加速電圧値８ｉの集まりを等価的な加速電圧値パターン８ｄという。
【０１６６】
例えば、４．７ｋＶの加速電圧８ａの制御単位を１０周回と設定すると、加速電圧値８ｉは０ｋＶから４．７ｋＶまで０．４７ｋＶ間隔で段階的に調整することができる。その結果、非線形励磁領域１９ａでの等価的な加速電圧値パターン８ｄを１０段階の加速電圧値８ｉに分割できることとなる。
【０１６７】
さらに小さい加速電圧値８ｉが要求される場合には、バンチ３の周回数に対する加速電圧８ａの印加回数の比を調整すればよい。例えば、加速電圧値８ｉとして０．０９３ｋｖを必要とする場合は、バンチ３の１００周回毎に２回加速電圧８ａを印加すればよい。
【０１６８】
非線形励磁領域１９ａが０．１秒間あるとすると、制御単位を１０と設定した場合の各段階の時間は、０．０１秒となる。
【０１６９】
パルス密度変化によって加速電圧８ａの発生タイミングで制御することで、一定値の加速電圧８ａでも、理想的な加速電圧値パターン８ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン８ｄによって、一定時間１９ｄでは、理想的な加速電圧値パターン８ｃを与えたことになる。
【０１７０】
なお、大きく変化するシンクロトロン１の磁場励磁パターン１９に同期させ、荷電粒子ビームを加速するためには、まず、前提として線形励磁領域１９ｂで必要な加速圧値９ｋを印加できる加速用誘導加速セル７によって、陽子ビームのバンチ３の周回毎に一定電圧値である加速電圧８ａを印加することが必要である。
【０１７１】
図６はパルス密度変化による加速電圧値の制御方法を示した図である。記号ｔおよびｖの意味は、図５と同じである。
【０１７２】
図６に示す加速用の誘導電圧８の発生タイミング群をパルス密度２０という。このようなパルス密度２０をある周回数ごとにまとめて制御するバンチ３の周回数を、ここでは、制御単位２１という。
【０１７３】
ｔ１は、非線形励磁領域１９ａの制御単位２１が１０周回であるときの制御単位２１に要する時間を意味する。ｔ２は、線形励磁領域１９ｂの制御単位２１が１０周回であるときの制御単位２１に要する時間を意味する。
【０１７４】
パルス密度２０は、等価的な加速電圧値パターン８ｄとして、上述したように、加速電圧演算機１６に予め与えることも、加速電圧演算機１６でリアルタイム計算することができる。
【０１７５】
Ｖ１は、ｔ１の間にバンチ３に印加された平均的な加速電圧値８ｈである。Ｖ１の値は、ｔ１の間、すなわちバンチ３が１０回、加速用誘導加速セル７を通過する時間の内の７回の通過に対して、一定電圧値Ｖ０の加速電圧８ａを印加したとき、Ｖ１＝７／１０・Ｖ０＝０．７Ｖ０として計算できる。
【０１７６】
点線で示した加速電圧８ｆは、バンチ３が加速用誘導加速セル７に到達しても、加速電圧８ａを印加されないことを意味する。同様に点線で示したリセット電圧８ｇも印加されないことを意味する。
【０１７７】
このようにパルス密度２０を荷電粒子ビームの軌道制御装置６で制御することで、一定電圧値の加速電圧８ａのみしか印加できない加速用誘導加速セル７によっても、理想的な加速電圧値パターン８ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン８ｄを与えることで、大きく変動する非線形励磁領域１９ａの磁場励磁パターン１９に同期することが可能になった。
【０１７８】
当然に、線形励磁領域１９ｂで要求される一定値である理想的な加速電圧値８ｋにも同期することが可能である。その場合の、平均的な加速電圧値８ｈであるＶ２は、加速用誘導加速セル７を通過するバンチ３に対して、毎周回、一定電圧Ｖ０の加速電圧８ａを印加する。すなわちＶ２＝１０／１０・Ｖ０＝Ｖ０である。
【０１７９】
従って、前記制御単位２１に荷電粒子ビームに印加された加速電圧値（Ｖａｖｅ）は、加速用誘導加速セル７によって印加される一定値の加速電圧値（Ｖ０）、及び前記制御単位２１の加速電圧８ａの印加回数（Ｎｏｎ）と停止した加速電圧８ｆの回数（Ｎｏｆｆ）から、次式（１３）によって計算できる。
Ｖａｖｅ＝Ｖ０・Ｎｏｎ／（Ｎｏｎ＋Ｎｏｆｆ）・・・式（１３）
【０１８０】
なお、連続して印加する加速電圧８ａと加速電圧８ａを印加する時間（以下、パルス間隔２０ａという。）を徐々に短くすることで、バンチ３の周回時間の短縮に対応することができる。
【０１８１】
図７は加速電圧発生の停止による荷電粒子ビームの軌道制御方法を示す図である。図７は図５における線形励磁領域１９ｂの制御単位２１（１０周回）に実際に印加された加速電圧８ａのパルス密度２０ｂである。横軸Ｔは荷電粒子ビームの周回数を示す。縦軸ｖは加速電圧値８ｉである。
【０１８２】
線形励磁領域１９ｂでの理想的な加速電圧値８ｋは、時間変化に関係なく一定である。従って、理想的な加速電圧値８ｋを印加できる加速用誘導加速セル７によって、バンチ３の周回毎に一定電圧値である加速電圧８ａを印加すればよいこととなる。
【０１８３】
しかし、例えば、式（１２）により計算される線形励磁領域１９ｂでの理想的な加速電圧値８ｋが時間変化に関係なく一定であったとしても、一定電圧の加速電圧値８ｉを印加することはできない。
【０１８４】
印加する実際の加速電圧値８ｉは、ある程度の幅で高くなったり、低くなったり加速電圧の設定値８ｅからズレる。これは、バンクコンデンサー２４の充電電圧が理想値からズレることに由来する。
【０１８５】
従って、加速電圧演算機１６に予め計算した等価的な加速電圧値パターン８ｄを格納し、等価的な加速電圧値パターン８ｄに基づく、パルス密度２０ｂにより加速電圧８ａを印加したとしても、いずれ荷電粒子ビームは設計軌道２からズレることとなる。
【０１８６】
例えば、実際に印加した加速電圧値８ｉが、理想的な加速電圧値８ｋ（一定時間１９ｄにおける等価的な加速電圧値）より低い場合には、荷電粒子ビームは、設計軌道２より内側２ｂの軌道を周回し、いずれ偏向電磁石４の磁場励磁パターン１９と同期することができず、真空ダクト壁面に衝突し、消失してしまう。
【０１８７】
一方、実際に印加した加速電圧値８ｉが、理想的な加速電圧値８ｋ（一定時間１９ｄにおける等価的な加速電圧値）より高い場合には、荷電粒子ビームは、設計軌道２より外側２ｃの軌道を周回し、いずれ偏向電磁石４の磁場励磁パターン１９と同期することができず、真空ダクト壁面に衝突して、同じく消失してしまう。
【０１８８】
そこで、誘導加速セルを用いたシンクロトロン１で、荷電粒子ビームの損失を低減し、効率的な加速を繰り返すために、予め計算した等価的な加速電圧値パターン８ｄに基づくパルス密度２０を修正することで、荷電粒子ビームを設計軌道２に維持することを可能にした。
【０１８９】
パルス密度２０の修正は、第１に制御単位２１当たり、予め計算した等価的な加速電圧値パターン８ｄに対して、過剰分に相当する点線で示した加速電圧８ｌの発生を停止することによって可能である。
【０１９０】
具体的には、加速電圧演算機１６が、位置モニター１１から、荷電粒子ビームがどれだけ外側２ｃにズレているかの情報である位置シグナル１１ａを受けて、予め加速電圧演算機１６に格納された等価的な加速電圧値パターン８ｄに基づくパルス密度２０の過剰分の加速電圧値に相当するパルス１６ａの発生を停止する方法である。
【０１９１】
他に、上述した、等価的な加速電圧値パターン８ｄのある時間の制御単位２１のパルス密度２０を、加速電圧演算機１６に格納した別のパルス密度２０に置換することでも荷電粒子ビームの軌道を設計軌道２に維持することができる。
【０１９２】
また、リアルタイムで、可変遅延時間１８、加速電圧８ａのオンおよびオフを制御する場合においては、バンチ３の周回毎に加速電圧８ａを制御することにより、結果的に荷電粒子ビームの軌道は設計軌道２に位置することができる。
【０１９３】
なお、非線形励磁領域１９ａにおいても、線形励磁領域１９ｂと同様に荷電粒子ビームの軌道制御が必要であるが、ビーム偏向磁場強度シグナル４ｂの値から、式（１）によって加速用の誘導電圧８の値が自動的に計算される。
【０１９４】
従って、外側２ｃにズレた荷電粒子ビームは、過剰分に相当する加速電圧８ｌの発生を停止することで、設計軌道２に維持させることが可能であるから、加速電圧の設定値８ｅは、理想的な加速電圧値パターン８ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン８ｄより、高い加速電圧値８ｉを得られるように設定することが望ましい。
【０１９５】
その結果、実際の加速電圧値８ｉは、理想的な加速電圧値パターン８ｃより大きくなる。そこで、磁場励磁パターン１９に同期させるためには、一定の制御単位２１において、加速電圧８ａの発生を上述した方法により停止し、パルス密度２０を修正すればよい。
【０１９６】
本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６を用いて、上述のように制御単位２１のパルス密度２０を修正することによって、ほぼ一定の電圧値（Ｖ０）の加速電圧８ａしか印加することができない加速用誘導加速セル７であっても、遅い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１９に同期して、加速電圧８ａを陽子ビームに印加することが可能である。
【０１９７】
さらに、過剰な加速電圧値を受け、設計軌道２から外側２ｃにズレた荷電粒子ビームは、本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６により、リアルタイムでパルス密度を修正することで、外側２ｃにズレた荷電粒子ビームを、基の設計軌道２に位置させることができることとなった。
【０１９８】
また、この荷電粒子ビームの軌道制御装置６及びその制御方法によれば、速い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターンであっても、制御単位２１当たりのパルス密度２０を修正して、一定電圧値の加速電圧８ａを印加することで、速い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターンに同期して、加速電圧８ａを荷電粒子ビームに印加することが可能となる。
【０１９９】
さらに、外側２ｃにズレた荷電粒子ビームの軌道を基の設計軌道２に位置させることもできることとなる。
【０２００】
速い繰り返しとは、荷電粒子ビームを前段加速器からの入射から開始し、加速を経て、出射し、さらに次回の入射ができるまでの時間である１周期が約数十ミリ秒程度の速い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターンによる加速のことをいう。
【０２０１】
速い繰り返しの磁場励磁パターンに同期させるためには、遅い繰り返しのシンクロトロン１の磁場励磁パターン１９に比べ、要求される理想的な加速電圧値パターンは時間とともに著しく増減する。
【０２０２】
しかし、本発明による荷電粒子ビームの軌道制御装置６及びその制御方法を用いることで、荷電粒子ビームの軌道を基の設計軌道２に位置させることができる。
【０２０３】
従って、本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６及びその制御方法を用いて、可変遅延時間１８、誘導電圧のパルス密度２０を制御することで、あらゆる磁場励磁パターンに対しても、荷電粒子ビームが設計軌道２を外れることなく、設計軌道２に維持させることが可能になった。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
本発明である荷電粒子ビームの軌道制御装置６及びその制御方法は、上記効果が得られることから、従来のサイクロトロン、高周波シンクロトロンでは不可能であった重い荷電粒子を含む任意の荷電粒子を、任意のエネルギーレベルまで効率的に加速することができることとなる。特に、医療分野、物理分野において、自動で荷電粒子ビームの軌道維持を行う運転が容易な円形加速器として幅広い応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】本発明を含む誘導加速セルを用いたシンクロトロンの概略図である。
【図２】デジタル信号処理装置の構成図である。
【図３】可変遅延時間の説明図である。
【図４】加速エネルギーレベルと可変遅延時間との関係を示す図である。
【図５】理想的な加速電圧値と等価的な加速電圧値の説明図である。
【図６】パルス密度変化による加速電圧の制御方法を示す図である。
【図７】加速電圧発生の停止による荷電粒子ビームの軌道制御方法を示す図である。
【図８】誘導電圧による加速の原理を示す図である。
【図９】加速用誘導加速装置の等価回路である。
【図１０】荷電粒子ビームの軌道と磁場による水平方向の閉じ込めの様子を示す図である。
【符号の説明】
【０２０６】
１      シンクロトロン
２      設計軌道
２ａ    真空ダクト中心
２ｂ    内側
２ｃ    外側
２ｄ    平均半径
３      バンチ
３ａ    磁場強度
３ｂ    遠心力
３ｃ    周回速度
３ｄ    進行軸方向
３ｅ    移動時間
４      偏向電磁石
４ａ    サイクルシグナル
４ｂ    ビーム偏向磁場強度シグナル
５      加速用誘導加速装置
５ａ    スイッチング電源
５ｂ    ＤＣ充電器
５ｃ    パルス電圧
６      軌道制御装置
７      加速用誘導加速セル
７ａ    加速ギャップ
８      加速用の誘導電圧
８ａ    加速電圧
８ｂ    リセット電圧
８ｃ    理想的な加速電圧値パターン
８ｄ    等価的な加速電圧値パターン
８ｅ    加速電圧の設定値
８ｆ    加速電圧
８ｇ    リセット電圧
８ｈ    平均的な加速電圧値
８ｉ    加速電圧値
８ｊ    加速電圧値
８ｋ    加速電圧値
８ｌ    加速電圧
９      バンチモニター
９ａ    通過シグナル
９ｂ    伝達時間
９ｃ    伝達時間
１０    速度モニター
１０ａ  速度シグナル
１１    位置モニター
１１ａ  位置シグナル
１２    デジタル信号処理装置
１２ａ  ゲート親信号
１３    パターン生成器
１３ａ  ゲート信号パターン
１４    可変遅延時間計算機
１４ａ  可変遅延時間シグナル
１５    可変遅延時間発生器
１５ａ  パルス
１６    加速電圧演算機
１６ａ  パルス
１７    ゲート親信号出力器
１８    可変遅延時間
１８ａ  理想的な可変遅延時間パターン
１８ｂ  必要な可変遅延時間パターン
１８ｃ  制限時間単位
１９    磁場励磁パターン
１９ａ  非線形励磁領域
１９ｂ  線形励磁領域
１９ｃ  入射
１９ｄ  一定時間
２０    パルス密度
２０ａ  パルス間隔
２０ｂ  パルス密度
２１    制御単位
２２    バリアー電圧
２２ａ  負のバリアー電圧
２２ｂ  正のバリアー電圧
２３    加速用誘導加速装置の等価回路
２４    バンクコンデンサー
２４ａ  第１スイッチ
２４ｂ  第２スイッチ
２４ｃ  第３スイッチ
２４ｄ  第４スイッチ
２５    マッチング抵抗
２６    誘導電圧モニター
２６ａ  誘導電圧シグナル
【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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