(57)【要約】本発明は、重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用されるイオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置であって、高周波４重極加速器（ＲＦＱ）であって、イオンを約８ｋｅＶ／ｕから約４００ｋｅＶ／ｕに加速する複数の交互ステムによって支持される２つのミニベーン対を有する、高周波４重極加速器と、高周波４重極加速器（ＲＦＱ）からもたらされるイオンビームのパラメータを、後続のドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）によって要求されるパラメータにマッチングさせる完備したタンク間マッチング部とを備える装置に関する。
2004523068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用されるイオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置であって、
高周波４重極加速器（ＲＦＱ）であって、イオンを加速する複数の交互ステム（ＳＴ）によって支持される２つのミニベーン（mini  vane）対（ＥＬ）を有し、該高周波４重極加速器（ＲＦＱ）構造の端部に向かって増加する開口を有し、該高周波４重極加速器（ＲＦＱ）構造の端部に向かって０°へと増加する同期位相を有する、高周波４重極加速器と、
前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）からもたらされるイオンビームのパラメータを、後続のドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）によって要求されるパラメータにマッチングさせる完備したタンク間マッチング部とを備える装置。
【請求項２】
重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用されるイオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置であって、
高周波４重極加速器（ＲＦＱ）であって、イオンを加速する複数の交互ステム（ＳＴ）によって支持される２つのミニベーン対（ＥＬ）を有し、該高周波４重極加速器（ＲＦＱ）構造の端部に向かって増加する同期位相を有する、高周波４重極加速器と、
前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）からもたらされるイオンビームのパラメータを、後続のドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）によって要求されるパラメータにマッチングさせる完備したタンク間マッチング部と、
前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の出口に位置し、前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）タンクに一体化されている２つのリバンチャ・ドリフトチューブとを備える装置。
【請求項３】
前記高周波４重極加速器は、イオンを約８ｋｅＶ／ｕから約４００ｋｅＶ／ｕに加速することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記交互ステム（ＳＴ）は、前記ＲＦＱ内の共通水冷ベースプレート（ＢＰ）上に取り付けられることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記ステム（ＳＴ）は、インダクタンス(inductivity)として働き、電極（ＥＬ）を形成する前記ミニベーン対は、λ／２共振構造に対するキャパシタンスとして働くことを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）は、下流に位置するＩＨドリフトチューブ・リニアック（ＤＴＬ）と同じ周波数で運転されることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記タンク間マッチング部は、前記ＲＦＱの下流のｘｙ操向電磁石を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記タンク間マッチング部は、４重極ダブレットを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記タンク間マッチング部は、容量性位相プローブを収容する診断チャンバおよび／または前記タンク間マッチング部の端部にあるビーム変圧器を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項のプレアンブルによる、重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用される、イオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一プロトン源からプロトンビームを選択的に生成し、輸送するプロトンビームアプリケーションシステムが知られている（特許文献１）。こうしたシステムの短所は、患者を処置する融通性(flexibility)が、比較的低い(relatively low)有効プロトンビームに事実上制限されることである。
【特許文献１】
米国特許第４，８７０，２８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用されるイオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる、改良された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は独立請求項の主題によって達成される。好ましい実施形態の特徴は、従属請求項において定義される。
【０００５】
本発明によれば、重イオンビームアプリケーションシステムにおいて使用されるイオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置であって、イオンを約８ｋｅＶ／ｕから約４００ｋｅＶ／ｕに加速する加速する複数の交互ステムによって支持される２つのミニベーン（mini-vane）対を有する高周波４重極加速器と、前記高周波４重極加速器からもたらされるイオンビームのパラメータを、後続のドリフトチューブ線形加速器によって要求されるパラメータにマッチングさせる完備したタンク間マッチング部とを備える装置が提供される。
【０００６】
高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の横方向ならびに縦方向出力ビームパラメータを、後続のドリフトチューブ・リニアック（ＤＴＬ）（ここで、リニアックは線形加速器の略語である）内への注入部で要求される値にマッチングさせるために、運転を簡単にし、システムの信頼性を増し、ならびに、投資費用および運営費用を節約する、非常に小型のスキームが提案されている。
【０００７】
本発明において、高周波４重極は、その構造の端部に向かって増加する開口を有する。このことが有する利点は、ＲＦＱの端部に向かう横方向集束力が減ること、および、ＲＦＱの出口で約２０ｍｒａｄ以下の最大ビーム角度が得られることである。このことによって、タンク間マッチング部に沿っての非常に滑らかな横方向集束と、横方向位相面における後続のＩＨ型ＤＴＬ（ＩＨ−ＤＴＬ）への最適なマッチングが可能になる。このことは、ＩＨ−ＤＴＬに沿って加速している間のビームエミッタンスの増加を最小にする、したがって、ビーム損失を最小にするという利点を有する。タンク間マッチング部に沿う非常に滑らかな集束の他の利点は、マッチング部に沿いでは最小数の集束要素で十分であることである。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態において、２つのリバンチング・ドリフトチューブは、前記高周波４重極の出口に位置し、縦位相面のビームパラメータをマッチングさせるために、ＲＦＱタンクに一体化される。こうして、ドリフトチューブ・リニアックの入射部での±１５度未満の明確な位相幅、およびＩＨ−ＤＴＬの第１加速部への注入部での縦方向の収束性(convergent)ビームが得られる。この実施形態が有する利点は、十分な縦方向集束(focusing)を達成するのに、タンク間マッチング部において追加のバンチング空洞を設置する必要がないことである。本発明の利点によって、こうした付加的なバンチング空洞、ならびこうした空洞を運転させるのに必要な、付加的なｒｆ機器を省くことができ、それによって、システム全体の信頼性が向上し、ならびにより操作が容易になる。
【０００９】
本発明の他の好ましい実施形態において、前記ＲＦＱは、ＲＦＱの構造の端部に向けて０度へと増加する同期位相を有する。このことが有する利点は、ＲＦＱタンクに一体化されている前記２つのリバンチング・ドリフトチューブの前のドリフト空間を最小できること、および、前記リバンチング間隙の影響を最適にできることである。
【００１０】
本発明の他の好ましい実施形態において、高周波４重極は、下流に位置するドリフトチューブ・リニアック（ここで、リニアックは線形加速器の略語である）と同じ周波数で運転される。このことが有する利点は、周波数適合手段を必要としないことである。
【００１１】
本発明の他の実施形態において、タンク間マッチング部は、前記高周波４重極の下流にあるｘｙ操向電磁石、および前記ｘｙ操向器の下流に位置する４重極ダブレットを備えている。このことが有する利点は、最小数の付加要素を用いて、横方向位相面におけるマッチングが可能になることである。
【００１２】
本発明の他の好ましい実施形態において、タンク間マッチング部は、容量性位相プローブを収容する診断チャンバおよび／または前記タンク間マッチング部の端部に位置するビーム変圧器を備える。これらの診断手段が有する利点は、診断手段が、システムの運転中に、ビームを乱すことなく、ビーム電流およびビームパルスの形状をそれぞれ測定できることである。したがって、これらの診断手段は、ビーム電流およびビームパルスの形状をそれぞれｉｎ  ｓｉｔｕで制御するのに非常に有効である。
【００１３】
次に、後続の図面によって、実施形態について本発明が説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、重イオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置を含むイオンビームアプリケーションシステム用の完備した注入器リニアックの略図である。
図２は、高周波４重極の構造の略図である。
図３は、完備したタンク間マッチング部の略図である。
図４は、低エネルギービーム輸送システムにおけるビームエンベロープの他の例を示す図である。
図５は、ＲＦＱに沿う高周波４重極（ＲＦＱ）構造パラメータを示す図である。
図６は、ＲＦＱ電極の始点での粒子分布の位相空間投影図である。
図７は、ＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の位相空間投影図である。
図８は、ＲＦＱに一体化されたリバンチング間隙における種々の全間隙電圧についての、ＩＨ−ＤＴＬの入射部でのシミュレートされた位相幅を示す図である。
図９は、ＲＦＱ電極の一部およびＲＦＱに一体化された２つのドリフトチューブのｒｆモデルの写真である。
図１０は、図９の前記モデルを用いてビード摂動測定を行なった結果である。
【００１５】
図１、図２、および図４における参照符号は以下のように定義される。
ＥＣＲＩＳ１  １２Ｃ４＋または１６Ｃ６＋のような重イオン用の第１電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＥＣＲＩＳ２  Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ＋のような軽イオン用の第２電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＳＯＬ  ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２の出口および高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の入射部のソレノイド電磁石
ＢＤ  プロファイルグリッドおよび／またはファラデーカップおよび／またはビーム変圧器および／または容量性位相プローブを備えるビーム診断ブロック
ＳＬ  スリット
ＱＳ１  第１分岐の磁気４重極シングレット
ＱＳ２  第２分岐の磁気４重極シングレット
ＱＤ  磁気４重極ダブレット
ＱＴ  磁気４重極トリプレット
ＳＰ１  第１分岐の分光計電磁石
ＳＰ２  第２分岐の分光計電磁石
ＳＭ  切換え電磁石
ＣＨ  マクロパルスチョッパ
ＲＦＱ  高周波４重極加速器
ＩＨ−ＤＴＬ  ＩＨ型ドリフトリニアック
ＳＦ  ストリッパフォイル
ＥＬ  ＲＦＱ構造の電極
ＳＴ  ＲＦＱ電極を保持する支持ステム
ＢＰ  ＲＦＱ構造のベースプレート
ａ）（図４）  開口半径
ｂ）（図４）  変調パラメータ
ｃ）（図４）  同期位相
ｄ）（図４）  横方向のゼロ電流位相進み
ｅ）（図４）  縦方向のゼロ電流位相進み
【００１６】
図１は、重イオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置を含むイオンビームアプリケーションシステム用の完備した注入器リニアックの略図である。重イオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる前記装置、および対応する構成要素を含む図１の種々の部分のタスクは、以下の項目に要約することができる。
【００１７】
１．イオンの生成、８ｋｅＶ／ｕの運動エネルギーへのイオンの予備加速および十分なビーム品質を有するイオンビーム形成は、２つの独立したイオン源およびイオン源抽出システムにおいて行なわれる。日常運転の場合、イオン源の一方は高ＬＥＴイオン種（それぞれ１２Ｃ４＋および１６Ｃ６＋）を送出し、一方、他のイオン源は低ＬＥＴイオンビーム（Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ１＋）を生成する。
【００１８】
２．注入器リニアックにおける加速に使用されるべき荷電状態は、２つの独立した分光計ラインにおいて分離される。２つのイオン源分岐からの選択されたイオン種間の切換え、ビーム強度制御（強度制御ラスター走査法に対して必要とされる）、後続の線形加速器の要件へのビームパラメータのマッチング、およびリニアック内で加速されたビームパルス長の規定は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）ラインにおいて行なわれる。
【００１９】
３．線形加速器は、イオンを８ｋｅＶ／ｕから４００ｋｅＶ／ｕに加速する、長さが約１．４ｍの、短い高周波４重極加速器（ＲＦＱ）から成り、その主パラメータが表１に示されている。
【００２０】
【表１】
2004523068.tif 000003
表１：ＲＦＱの主パラメータ
【００２１】
線形加速器はさらに、長さが約０．２５ｍの小型ビームマッチング部と、７ＭｅＶ／ｕのリニアック端部エネルギーへ効果的に加速するための３．８ｍ長のＩＨ型ドリフトチューブ・リニアック（ＩＨ−ＤＴＬ）から成る。
【００２２】
４．シンクロトロンの加速効率を最適にするために、残留電子は、ＩＨ−ＤＴＬの後ろの、約１ｍに配置された薄いストリッパーフォイルにおいて引き剥がされて、シンクロトロンへの注入前に、可能な最良の荷電状態を生ずるようにする（表２）。
【００２３】
表２は、注入器リニアック（左欄）内での、また、ストリッパフォイル（右欄）の後ろでの、加速用に提案された全てのイオン種の荷電状態を示す。
【００２４】
【表２】
2004523068.tif 000004
【００２５】
本発明を備える注入器システムの設計は、病院環境で設置される医療機械に関する特別な問題を解決できるという利点を有し、その問題とは、高信頼性のパラメータ、ならびに安定で、再現性のあるビームパラメータである。さらに、小型であり、運転要件および維持要件が少ない。さらなる利点は、装置の投資費用および運用費用が安いことである。
【００２６】
ＲＦＱおよびＩＨ−ＤＴＬはどちらも、イオン容積対電荷比Ａ/ｑ≦３（イオン１２Ｃ４＋設計）および運転周波数２１６．８１６ＭＨｚに対して設計される。このかなり高い周波数によって、非常に小型のＬＩＮＡＣ設計を使用すること、したがって、独立した空洞およびｒｆ電力トランスミッタの数を減らすことが可能になる。イオン源およびストリッパフォイルを含む、注入器の全長は約１３ｍである。シンクロトロンから要求されるビームパルスは、低い繰り返しでやや短いので、約０．５％の非常に小さなｒｆデューティサイクルは、十分であり、また、冷却要件を大幅に減少させるという利点を有する。したがって、４ロッド状のＲＦＱ構造の電極、ならびにＩＨ−ＤＴＬ内のドリフトチューブはどちらも、直接冷却を必要とせず（ＲＦＱ構造のグラウンドプレートおよびＩＨ構造のガーダーのみが水冷される）、それによって、建造費用が大幅に減り、システムの信頼性が向上する。
【００２７】
図２は、高周波４重極（ＲＦＱ）の構造の略図を示す。
【００２８】
長さ約１．３ｍのミニベーン状電極を装備した小型４ロッド状ＲＦＱ加速器は、８ｋｅＶ／ｕから４００ｋｅＶ／ｕに加速するように設計されている（表１）。共振器は、４重極として配置されている４つの電極から成る。共通ベースプレート上に取り付けられている１６個の支持ステムによって、対角線上で対向する電極が接続されている。
【００２９】
各ステムは２つの対向するミニベーンに接続されている。電極間のｒｆ４重極磁場は、λ／２共振によって達成され、その共振はキャパシタンスとして働く電極およびインダクタンスとして働くステムから生ずる。完備した構造は、約０．２５ｍの内径を有する円筒タンク内に設置される。電極対がそれぞれ水平面および垂直面にあるため、完備した構造はこれらの面に対して４５°以下で取り付けられる。
【００３０】
構造は、ＩＨ−ＤＴＬに印加されるのと同じ２１６．８１６ＭＨｚのｒｆ周波数で運転される。電極電圧は７０ｋＶであり、要求されるｒｆピーク電力はおよそ１００ｋＷに達する。１０Ｈｚのパルス繰り返し(repetition rate)で、約５００μｓ以下のｒｆパルス長は、０．５％の小さなｒｆデューティサイクルに相当する。したがって、電極に対する直接冷却は必要なくて、ベースプレートのみが水冷される。
【００３１】
図３は、完備したタンク間マッチング部の略図である。
【００３２】
ＲＦＱの横方向ならびに縦方向出力ビームパラメータを、ＩＨ−ＤＴＬ内への注入部で要求される値にマッチングさせるために、運転を簡単にし、機械の信頼性を増す非常に小型のスキームが提供される。
【００３３】
ＲＦＱおよびＩＨ−ＤＴＬのいずれもが同じ周波数で運転されるが、縦方向バンチングは、ＤＴＬの入射部で±１５°未満の明確な位相幅を確保すること、および、ＤＴＬ内の第１φｓ＝０°部への注入部で縦方向の収束性ビームを得ることが要求される。その目的のために、ＲＦＯ共振器の高エネルギー端における２つのドリフトチューブの一体化が行なわれ、その一体化は、ＩＨ−ＤＴＬの第１の２つの間隙から成る、付加的なＩＨ内部φｓ＝−３５°リバンチャ部によって支持される。
【００３４】
横方向ビーム挙動(dynamics)に関して、ＲＦＱおよびＩＨ−ＤＴＬは異なる集束構造を有する。ＲＦＱに沿っては、βλの集束期間を有するＦＯＤＯラティスが適用されるが、ＩＨ−ＤＴＬに沿っては、少なくとも８βλの集束期間を有するトリプレット−ドリフト−トリプレット集束スキームが適用される。ＲＦＱ電極の出口では、ビームは、一つの横方向に収束し、他の横方向に発散するが、ＩＨ−ＤＴＬの入射部では、両方の横方向に集束したビームが必要となる。この横方向マッチングを行なうには、それぞれ４９ｍｍの有効長の４重極電磁石を有する、短い磁気４重極ダブレットで十分であり、そのダブレットは、ＲＦＱとＩＨタンクとの間の、図３の前記タンク間マッチング部内に置かれる。さらに、小さなｘｙ操向器が、４重極ダブレットの直前の前記タンク間マッチンブ部の同じチャンバ内に取り付けられる。この磁気ユニットは、容量性位相プローブおよびビーム変圧器から成る、長さが約５０ｍｍの短い診断チャンバを伴う。ＲＦＱの出口フランジとＩＨ−ＤＴＬの入射部フランジとの間の機械的長さは約２５ｃｍである。
【００３５】
タンク間マッチング部の設計はまた、ＲＦＱの最終エネルギーを決定する。すなわち、マッチング部の所与の機械的長さに基づいてＲＦＱの端部エネルギーは、ＩＨ−ＤＴＬの入射部で要求されるビームパラメータが供給されるように選ばれる。イオンのエネルギーがあまりに小さい場合、明白な縦方向焦点、すなわちビームの位相幅におけるウエスト（waist）が、ＲＦＱとＩＨ−ＤＴＬとの間に現れる。焦点の位置は、ビームエネルギーが小さければ小さいほどＲＦＱに近くなる。したがって、ＲＦＱおよび後続のリバンチャスキームの所定の設計については、ＩＨ−ＤＴＬの入射部での位相幅は、ＲＦＱ端部エネルギーが減少するにつれて増加する。しかし、ＩＨ−ＤＴＬの入射部での位相幅があまりに大きくなる場合、ＤＴＬに沿って、縦方向ならびに横方向ビームエミッタンスの著しい増加が発生し、その増加は本発明によって回避される。最後に、ＲＦＱ、タンク間部およびＩＨ−ＤＴＬに沿う、ビーム挙動シミュレーションの詳細な調査の後に、４００ｋｅＶ／ｕのＲＦＱ端部エネルギーが選ばれた。その理由は、このエネルギーが、ＩＨ−ＤＴＬの入射部で要求されるビームパラメータを供給するからである。そして、このエネルギーによって、中程度のｒｆ電力消費を有する非常に小型のＲＦＱの設計が可能になる。
【００３６】
図４は、ＲＦＱに沿う、高周波４重極（ＲＦＱ）構造パラメータを示す。種々の構造パラメータが、ＲＦＱ加速構造のセル数に対してプロットされている。
【００３７】
曲線ａ）は、構造の開口半径を示す。ＲＦＱの開口半径は、構造のほとんどの部分に沿って約３±０．３ｍｍであり、その値は、βλ／２≒２．９ｍｍの始点でのセル長に匹敵する。開口半径は、第１の数個のＲＦＱセルから成る、短い半径方向マッチング部内で、構造の始点に向かって大きく拡大して、より大きなビーム半径に対するアクセプタンス(acceptance)を増す。
【００３８】
ＲＦＱの開口は、構造の端部に向かっても増加し、ＲＦＱの出口で２０ｍｒａｄの最大ビーム角度を保証する集束力の低下をもたらす。本発明のこの改良が有する利点とは、ＲＦＱによって供給される横方向ビームパラメータを、後続のＩＨ−ＤＴＬによって要求されるパラメータにマッチングさせる非常に短いマッチング部を可能にすること、および、最適なマッチングを達成することであり、それによって、ＩＨ−ＤＴＬに沿ったビームエミッタンスの増加を最小にする。
【００３９】
曲線ｂ）は、ビーム形成、ビームの予備バンチングおよびバンチングの最適化のために、構造の始点では小さく、効率のよい加速のために構造の端部に向かって増加する変調パラメータを示す。
【００４０】
曲線ｃ）は、同期位相を示す。同期位相は、ビーム形成、ビームの予備バンチングおよびバンチングの最適化のために、構造の始点で−９０度に近い。同期位相は、ビームをより大きなエネルギーに加速する間に少し増加する。同期位相は、構造の端部に向かって０度に増加し、ＲＦＱ電極にすぐ続くリバンチング間隙の前で縦方向ドリフトを与えるようにする。本発明のこの利点は、前記リバンチング間隙の効率を高め、ＩＨ−ＤＴＬの入射部で要求される、±１５度の小さな位相幅を得るのに必要である。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｄは、ＲＦＱの横方向アクセプタンスプロットと共に、ＲＦＱ電極の始点での粒子分布の横方向位相空間投影図を示す。
【００４２】
図５Ａは、シミュレーションから得られる、水平方向位相面におけるＲＦＱのアクセプタンス領域を示す。
【００４３】
図５Ｂは、ビーム挙動シミュレーションに対する入力分布として使用される、水平方向位相面におけるＲＦＱ注入部での粒子分布の投影図を示す。
【００４４】
図５Ｃは、シミュレーションから得られる、垂直方向位相面におけるＲＦＱのアクセプタンス領域を示す。
【００４５】
図５Ｄは、ビーム挙動シミュレーションに対する入力分布として使用される、垂直方向位相面におけるＲＦＱ注入部での粒子分布の投影図を示す。
【００４６】
ＲＦＱ構造を最適化するために、またＩＨ−ＤＴＬに最適なマッチングを達成するために、広範囲な粒子挙動シミュレーションが行なわれた。ＲＦＱの入射部で使用される粒子分布の横方向位相空間投影図は、図５の部分ＢおよびＤにそれぞれ示されている。正規化されたビームエミッタンスは、両方の横方向位相面で約０．６π  ｍｍ  ｍｒａｄであり、使用されるイオン源について測定された値に適合する。
【００４７】
図４に示す構造パラメータを用いたシミュレーションから得られるＲＦＱの横方向アクセプタンス領域は、図５の部分ＡおよびＣにそれぞれ示されている。これらは、注入されたビームエミッタンスよりかなり大きく、少なくとも９０％のＲＦＱの大きな伝達を実現する。正規化されたアクセプタンスは、各横方向位相面で約１．３π  ｍｍ  ｍｒａｄに達する。最大受容可能(acceptable)ビーム半径は約３ｍｍである。
【００４８】
図６Ａ〜図６Ｄは、ＲＦＱ電極の端部での粒子分布の位相面投影図を示す。
【００４９】
図６Ａは、ビーム挙動シミュレーションから得られる、水平方向位相面におけるＲＦＱ構造の出口での粒子分布の投影図である。
【００５０】
図６Ｂは、ビーム挙動シミュレーションから得られる、垂直方向位相面におけるＲＦＱ構造の出口での粒子分布の投影図である。
【００５１】
図６Ｃは、ビーム挙動シミュレーションから得られる、ｘ−ｙ面におけるＲＦＱ構造の出口での粒子分布の投影図である。
【００５２】
図６Ｄは、ビーム挙動シミュレーションから得られる、縦方向位相面におけるＲＦＱ構造の出口での粒子分布の投影図である。
【００５３】
ＲＦＱの開口が構造の端部に向かって増加するという点にある、本発明の利点によって、最大ビーム角度は、構造出口で、ＩＨ−ＤＴＬに対する最適なマッチングに要求される、約２０度未満に維持される。
【００５４】
同期位相が構造の端部に向かって０度へと増加するという点にある本発明の利点によって、ビームは、縦方向位相面でぼかされ(defocused)、電極端部の後ろに非常に短い距離で続くリバンチング間隙の効率を高める。
【００５５】
図７Ａ〜図７Ｄは、ＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の位相面投影図を示す。
【００５６】
図７Ａは、ＲＦＱおよびマッチング部のビーム挙動シミュレーションから得られる、水平方向位相面におけるＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の投影図である。
【００５７】
図７Ｂは、ＲＦＱおよびマッチング部のビーム挙動シミュレーションから得られる、垂直方向位相面におけるＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の投影図である。
【００５８】
図７Ｃは、ＲＦＱおよびマッチング部のビーム挙動シミュレーションから得られる、ｘ−ｙ面におけるＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の投影図である。
【００５９】
図７Ｄは、ＲＦＱおよびマッチング部のビーム挙動シミュレーションから得られる、縦方向位相面におけるＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の投影図である。
【００６０】
本発明の利点によって、図７Ｄから見てとれるように、ＩＨ−ＤＴＬの入射部での、約±１５度のビームの位相幅が得られる。したがって、非常に小型のマッチングスキームがＩＨ−ＤＴＬの要件を満たす。
【００６１】
図８は、ＲＦＱに一体化されたリバンチング間隙における種々の全間隙電圧についての、ＩＨ−ＤＴＬの入射部でのシミュレートされたビームの位相幅を示す。
【００６２】
ＩＨ−ＤＴＬの入射部での最小位相幅は、約８７ｋＶの全間隙電圧を用いて得られる。この全間隙電圧は、ＲＦＱ電極電圧の約１．２４倍である（表１参照）。幸い、曲線の最小部は非常に広く、要求される位相幅は、約７５ｋＶとほぼ１００ｋＶの間の全間隙電圧を用いて得ることができる。
【００６３】
図９は、ＲＦＱ電極の一部とＲＦＱタンクに一体化された２つのドリフトチューブから成るｒｆモデルの写真である。モデルは、２つのチューブを保持し、幾何学的形状を最適にする、異なる種類の機構によって得ることができる間隙電圧を確認するために使用した。第１ドリフトチューブは、追加ステム上に取り付けられた。このステムは、ＲＦＱ周波数に同調していなくて、したがって、ほとんどグラウンド電位である。第２ドリフトチューブは、ＲＦＱ構造の最終のステムに取り付けられ、したがって、ＲＦ電位にある。図９のｒｆモデルはタンクなしで示されている。
【００６４】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９の前記モデルを用いたビード摂動(bead-perturbation)測定の結果を示す。
【００６５】
図１０Ａは、構造の軸に対して横方向に測定した、電極でのビード摂動測定の結果を示す。
【００６６】
図１０Ｂは、ドリフトチューブ・セットアップの軸に沿ったビード摂動測定の結果を示す。
【００６７】
ビード摂動測定は、ＲＦＱタンクに一体化されたリバンチング間隙内で得られる間隙電圧を確認するために、図９の前記モデルを用いて行なわれた。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す測定値を比較することによって、測定された、全間隙電圧と電極電圧に対する比は、１．２３に達しており、これは、図８で提示されている曲線の最適値に非常に近い。
【００６８】
したがって、ＲＦＱによって加速されたビームのパラメータをドリフトチューブ・リニアックによって要求されるパラメータにマッチングさせるという本発明の新しい概念は、従来の解決策と比較して、非常に小型で、ずっと容易なマッチングスキームを用いながら、最適なマッチング結果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】重イオンビームを予備加速し、ビームパラメータを最適にマッチングさせる装置を含むイオンビームアプリケーションシステム用の完備した注入器リニアックの略図である。
【図２】高周波４重極の構造の略図である。
【図３】完備したタンク間マッチング部の略図である。
【図４】低エネルギービーム輸送システムにおけるビームエンベロープの他の例を示す図である。
【図５】ＲＦＱに沿う高周波４重極（ＲＦＱ）構造パラメータを示す図である。
【図６】ＲＦＱ電極の始点での粒子分布の位相空間投影図である。
【図７】ＩＨ−ＤＴＬの入射部での粒子分布の位相空間投影図である。
【図８】ＲＦＱに一体化されたリバンチング間隙における種々の全間隙電圧についての、ＩＨ−ＤＴＬの入射部でのシミュレートされた位相幅を示す図である。
【図９】ＲＦＱ電極の一部およびＲＦＱに一体化された２つのドリフトチューブのｒｆモデルの写真である。
【図１０Ａ】図９の前記モデルを用いてビード摂動測定を行なった結果である。
【図１０Ｂ】図９の前記モデルを用いてビード摂動測定を行なった結果である。
【符号の説明】
【００７０】
ＥＣＲＩＳ１  １２Ｃ４＋または１６Ｃ６＋のような重イオン用の第１電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＥＣＲＩＳ２  Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ＋のような軽イオン用の第２電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＳＯＬ  ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２の出口および高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の入射部のソレノイド電磁石
ＢＤ  プロファイルグリッドおよび／またはファラデーカップおよび／またはビーム変圧器および／または容量性位相プローブを備えるビーム診断ブロック
ＳＬ  スリット
ＱＳ１  第１分岐の磁気４重極シングレット
ＱＳ２  第２分岐の磁気４重極シングレット
ＱＤ  磁気４重極ダブレット
ＱＴ  磁気４重極トリプレット
ＳＰ１  第１分岐の分光計電磁石
ＳＰ２  第２分岐の分光計電磁石
ＳＭ  切換え電磁石
ＣＨ  マクロパルスチョッパ
ＲＦＱ  高周波４重極加速器
ＩＨ−ＤＴＬ  ＩＨ型ドリフトリニアック
ＳＦ  ストリッパフォイル
ＥＬ  ＲＦＱ構造の電極
ＳＴ  ＲＦＱ電極を保持する支持ステム
ＢＰ  ＲＦＱ構造のベースプレート
ａ）（図４）  開口半径
ｂ）（図４）  変調パラメータ
ｃ）（図４）  同期位相
ｄ）（図４）  横方向のゼロ電流位相進み
ｅ）（図４）  縦方向のゼロ電流位相進み
【図１】
2004523068.tif 000005
【図２】
2004523068.tif 000006
【図３】
2004523068.tif 000007
【図４】
2004523068.tif 000008
【図５】
2004523068.tif 000009
【図６】
2004523068.tif 000010
【図７】
2004523068.tif 000011
【図８】
2004523068.tif 000012
【図９】
2004523068.tif 000013
【図１０Ａ】
2004523068.tif 000014
【図１０Ｂ】
2004523068.tif 000015
【国際公開パンフレット】
2004523068.tif 000016
2004523068.tif 000017
2004523068.tif 000018
2004523068.tif 000019
2004523068.tif 000020
2004523068.tif 000021
2004523068.tif 000022
2004523068.tif 000023
2004523068.tif 000024
2004523068.tif 000025
2004523068.tif 000026
2004523068.tif 000027
2004523068.tif 000028
2004523068.tif 000029
2004523068.tif 000030
2004523068.tif 000031
2004523068.tif 000032
2004523068.tif 000033
2004523068.tif 000034
2004523068.tif 000035
2004523068.tif 000036
2004523068.tif 000037
2004523068.tif 000038
2004523068.tif 000039
2004523068.tif 000040
2004523068.tif 000041
2004523068.tif 000042
2004523068.tif 000043
2004523068.tif 000044
2004523068.tif 000045
2004523068.tif 000046
2004523068.tif 000047
【国際調査報告】
2004523068.tif 000048
2004523068.tif 000049
2004523068.tif 000050