(57)【要約】      （修正有）【課題】加速用誘導加速セルによる一定電圧の加速電圧であっても、あらゆる磁場励磁パターンに同期して、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のできる誘導電圧制御装置及びその制御方法を提供すること。【解決手段】磁場励磁パターンを基に求められる必要な可変遅延時間パターン、及び等価的な加速電圧値パターと、バンチモニター７からのバンチ３の通過シグナル７ａを基に可変遅延時間を制御するデジタル信号処理装置８ｄ、及びスイッチング電源５ｂのゲート信号パターン８ａへと変換するパターン生成器８ｂからなり、制御単位あたりの加速用の誘導電圧のパルス密度を制御する。【選択図】図１
2007018756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、磁場励磁パターンを基に計算さ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可変遅延時間に相当するパルスを受けて、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オンオフ選択器と、前記オンオフ選択器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し、可変遅延時間の経過後に出力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とからなる加速用の誘導電圧の発生タイミングを制御することを特徴とする誘導電圧制御装置。
【請求項２】
誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、磁場励磁パターンを基に計算さ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可変遅延時間に相当するパルスを受けて、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オンオフ選択器と、前記オンオフ選択器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し、可変遅延時間の経過後に出力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、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速するために制御単位の加速用の誘導電圧のパルス密度を制御することを特徴とする誘導電圧の制御方法。
【請求項３】
誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、前記シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナル、及び設計軌道上の荷電粒子ビームの周回周波数を基に可変遅延時間をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間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、前記シンクロトロンを構成する偏向電磁石からの磁場強度であるビーム偏向磁場強度シグナルを基に加速電圧値をリアルタイムで計算し、前記可変遅延時間発生器からの可変遅延時間に相当するパルスを受けて、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オンオフ選択器と、前記オンオフ選択器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し、可変遅延時間の経過後に出力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、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルに加速するために制御単位の加速用の誘導電圧のパルス密度をリアルタイム制御することを特徴とする誘導電圧の制御方法。
【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、加速用の誘導電圧をシンクロトロンを構成する偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期させ、荷電粒子を加速するための誘導電圧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、高周波加速空洞４によって高周波シンクロトロンを構成する強収束を保証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印加して加速する円形加速器である。図１３に高周波加速空洞による陽子ビームの加速原理を、図１４に誘導加速セルによる陽子ビームの加速原理を示した。
【０００５】
図１３（Ａ）は、入射された陽子が数個のバンチ３として高周波シンクロトロン２１の設計軌道２を周回している様子を示している。バンチ３は、高周波加速空洞４に到達すると、磁場励磁パターンに同期した高周波加速電圧２１ａを印加されることにより、所定のエネルギーレベルまで加速される。
【０００６】
図１３（Ｂ）は、バンチ３とバンチ３に印加される高周波加速電圧２１ａの関係を示している。横軸ｔは、高周波加速空洞４内の時間的変化を表している。縦軸ｖは、高周波加速電圧値である。Ｖｏｆｓは、加速のある瞬間に偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き（時間的変化率）から計算されたバンチ３の加速に必要な高周波加速電圧値２１ｂである。
【０００７】
バンチ３は高周波加速空洞４によって、加速に必要な電圧を偏向電磁石の磁場励磁パターンの傾き（時間的変化率）から計算されたＶｏｆｓ（高周波加速電圧値２１ｂ）を印加される。高周波加速電圧２１ａは、バンチ３の加速に必要な電圧を与える機能と、バンチ３が進行軸方向に拡散することを防止する閉じ込め機能を併せ持っている。
【０００８】
特に、閉じ込め機能を位相安定性と呼ぶことがある。高周波シンクロトロン２１で荷電粒子ビームを加速する場合には、前記二つの機能が必ず必要である。前記二つの機能をもつ高周波加速電圧２１ａの時間帯は限られている。図１３（Ｂ）のグレーで示した時間帯は加速に利用することができないことがこれまでに分かっている。
【０００９】
ここで位相安定性とは、荷電粒子が高周波加速電圧２１ａによって進行軸方向への収束力を受けて、個々の荷電粒子がバンチ３化し、そのバンチ３の中を荷電粒子の進行軸方向に往きつ戻りつしながら高周波シンクロトロン２１の中を周回することをいう。
【００１０】
また、バンチ３とは荷電粒子が位相安定性を受け、設計軌道２を周回する荷電粒子群のことをいう。
【００１１】
図１４（Ａ）は、誘導加速セルを用いたシンクロトロン２２によって、従来の高周波シンクロトロン２１で加速していた荷電粒子ビームの長さに比べて数倍から１０倍の時間幅を持つ、１マイクロ秒にも達するバンチ３（以下、スーパーバンチ３ｂという。）を加速する様子を示している。この場合、誘導加速セルを用いたシンクロトロン２２の陽子ビームが周回する設計軌道２に構造を同じくする誘導加速セルを２台以上配置させる必要がある。
【００１２】
この二つの誘導加速セルの一方はスーパーバンチ３ｂの閉じ込め機能を与える誘導加速セル（以下、閉込用誘導加速セル２３という。）であり、他方は偏向電磁石の磁場励磁パターンに同期して、スーパーバンチ３ｂの加速に必要な電圧を印加する機能を与える誘導加速セル（以下、加速用誘導加速セル６という。）である。この二つの誘導加速セルによって、シンクロトロン２２の運転に必要な閉じ込め機能と加速機能を与える。この二つの誘導加速セルは、通常のバンチ３に対しても同じ機能を与えることができる。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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発生する。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。
【００１６】
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。  
【００１７】
図１４（Ｂ）は、誘導加速セルによってスーパーバンチ３ｂを閉じ込め、及び加速する様子を示している。横軸ｔは、スーパーバンチ３ｂが閉込用誘導加速セル２３に到達した時間を基準にした誘導電圧の発生タイミング、及び誘導電圧を印加する長さ（以下、印加時間という。）である。
【００１８】
なお、加速用誘導加速セル６に印加される誘導電圧の発生タイミングと印加時間は、閉込用誘導加速セル２３と１／２の周回時間２４のズレがある。縦軸ｖは誘導電圧値である。Ｖｏｆｓは、加速のある瞬間に磁場励磁パターンの傾き(時間変化率)から計算されたスーパーバンチ３ｂの加速に必要な加速電圧値９ｋである。
【００１９】
ここで誘導電圧とは、誘導加速セルによって、荷電粒子に印加させる電圧である。閉込用誘導加速セル２３で印加する誘導電圧をバリアー電圧といい、特に荷電粒子ビームの頭部に印加するものを負のバリアー電圧２３ａ、荷電粒子ビームの尾部に印加するものを正のバリアー電圧２３ｂという。スーパーバンチ３ｂである場合も同じである。
【００２０】
その結果、閉込用誘導加速セル２３においては、高周波加速空洞４と同様にバンチ３に位相安定性を与えることができる。しかし、１つの誘導加速セルのみでは、荷電粒子ビームの加速は行えないので、別に加速用誘導加速セル６が必要になる。
【００２１】
加速用誘導加速セル６で印加する誘導電圧を加速用の誘導電圧といい、特に荷電粒子ビームの全体に印加するものを加速電圧９ａ、加速用誘導加速セル６の磁気的飽和を回避するための誘導電圧をリセット電圧９ｂという。スーパーバンチ３ｂである場合も同じである。
【００２２】
なお、リセット電圧９ｂは、閉込用誘導加速セル２３においては、正のバリアー電圧２３ｂに該当するが、正のバリアー電圧２３ｂがバンチ３の尾部に印加されバンチ３の閉じ込めに利用されるに対して、リセット電圧９ｂは、荷電粒子ビームが存在しない時間帯（グレーで示した時間帯）に磁気的飽和を回避させるためだけに印加させる。
【００２３】
ここで閉じ込めとは、荷電粒子ビームを構成する荷電粒子が、必ず運動エネルギーのばらつきを持っているために必要となる機能である。運動エネルギーのばらつきは、荷電粒子ビームが設計軌道２を１周した後、同じ位置へ到達する時間の違いをもたらす。この時間差は閉じ込めを行わない限り、周回を重ねるごとに大きくなり、荷電粒子ビームは設計軌道２の全体に渡って拡散してしまう。
【００２４】
荷電粒子ビームの頭部および尾部に、負および正バリアー電圧２３ａ、２３ｂが印加されるようにすると、エネルギーが過剰で周回が早まった荷電粒子には負のバリアー電圧２３ａによってエネルギーが失われエネルギー不足な状態なり、エネルギーが不足して周回が遅れた荷電粒子には正のバリアー電圧２３ｂによってエネルギーが与えられてエネルギー過剰な状態になる。
【００２５】
これにより、周回が速い粒子は周回が遅れ、逆に周回が遅れた粒子は周回が早まる。結果として荷電粒子ビームを進行軸方向のある領域に局在させることができる。この一連の働きを荷電粒子ビームの閉じ込めと呼ぶ。
【００２６】
従って、閉込用誘導加速セル２３の機能は、従来の高周波加速空洞４の閉じ込めの機能だけを分離したものと等価である。
【００２７】
閉込用とは、入射装置より誘導加速セルを用いたシンクロトロン２２に入射された荷電粒子ビームを、誘導加速セルによる所定のバリアー電圧よって、別の誘導加速セルで誘導加速できるように一定の長さのバンチ３まで縮めたり、その他種々の長さの荷電粒子ビームに変える機能と、加速中のバンチ３に位相安定性を持たせる機能を有しているとの意味である。
【００２８】
加速用とは、バンチ３を形成後にバンチ３の全体に、加速用の誘導電圧を与える機能を有しているとの意味である。
【００２９】
図１４（Ｃ）は、閉込用誘導加速セル２３の閉じ込め機能のみを示している。図１４（Ｄ）は、加速用誘導加速セル６の加速機能のみを示している。横軸ｔ（ａ）は、スーパーバンチ３ｂが閉込用誘導加速セル２３に到達した時間を基準にした、バリアー電圧の発生タイミングと印加時間である。横軸ｔ（ｂ）は、スーパーバンチ３ｂが加速用誘導加速セル６に到達する時間を基準にした、加速用の誘導電圧９の発生タイミングと印加時間である。その他、記号は図１４（Ｂ）と同じ。
【００３０】
誘導加速セルを用いたシンクロトロン２２による加速では、原理的には、リセット電圧９ｂの印加時間（グレーで示した時間領域）を除いては加速として使用することができることとなる。このように加速に使用できる時間帯を大幅に増すことによって、高周波シンクロトロン２１では、原理的に不可能であったスーパーバンチ３ｂも加速することが可能とな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
【００３１】
このようにバリアー電圧によっても、高周波加速電圧２１ａと同様に陽子ビームを閉じ込めることが可能となった。他方、加速するためには、別の加速装置が必要であるが、陽子や特定の加速可能な荷電粒子であれば、高周波加速空洞４からなる加速装置であってもよい。また、高周波加速空洞４によって陽子ビームを閉じ込め、加速用の誘導電圧９によって加速するような構成であってもよい。
【００３２】
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２１（以下、１２ＧｅＶＰＳという。）内に加速用誘導加速セル６を設置し、高周波加速空洞４と加速用誘導加速セル６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９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。
【００３３】
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】
【００３４】
荷電粒子ビームの加速に必要な加速用の誘導電圧９は、偏向電磁石の磁場励磁パターン１５の傾き（時間変化率）によって決定されることは前述したが、磁場の時間変化率は磁場励磁パターンによって時間的に異なった値を持つ。このため、荷電粒子ビームの加速開始から終了までには荷電粒子ビームに与える電圧を時間的に変化させなければならない。
【００３５】
従来、荷電粒子ビームに与える加速用の誘導電圧９を発生する装置は存在せず、加速用の誘導電圧を調整する方法は存在しなかった。一方、パルス電圧を用いた一般の商用周波数電源装置では、出力電圧調節のためにパルス電圧の振幅およびパルス幅を変化させる方法が従来から用いられている。しかし、従来の方法では、加速用の誘導電圧９を磁場励磁パターン１５に同期させることができない。
【００３６】
誘導電圧を発生する装置（以下、誘導加速装置という。）が必要とする数十ｋＷの安定した出力電力を得るためには、パルス電圧の振幅を定めるスイッチング電源の高圧充電部に大きな静電容量（バンクコンデンサー）を装荷しなければならない。このバンクコンデンサー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。
【００３７】
そこで、本発明は上記問題を解決するため、加速用誘導加速セル６による一定電圧の加速電圧９ａであっても、バンチ３が誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射された直後の非線形励磁領域を含むあらゆる磁場励磁パターンに同期して、必要な加速電圧９ａを印加することにより、任意の荷電粒子を誘導加速セルを用いた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。）加速することのできる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。
【００３８】
なお、非特許文献２の内容は、磁場励磁パターンの線形励磁領域おいて、一定間隔で印加する、一定値の加速電圧９ａによって、陽子ビームを加速できたことを報告したものである。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
本発明は、上記の課題を解決するために、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、磁場励磁パターン１５を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１６に対応する必要な可変遅延時間パターン１６ａを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１６ａに基づき可変遅延時間１３に相当する可変遅延時間シグナル１３ｂを生成する可変遅延時間計算機１３ａ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７からのバンチ３の通過シグナル７ａ、前記可変遅延時間計算機１３ａからの可変遅延時間シグナル１３ｂを受けて、可変遅延時間１３に相当するパルス１３ｄを生成する可変遅延時間発生器１３ｃと、磁場励磁パターン１５を基に計算される理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅを格納し、前記可変遅延時間発生器１３ｃからの可変遅延時間１３に相当するパルス１３ｄを受けて、加速用の誘導電圧９のオンオフを制御するパルス１３ｆを生成するオンオフ選択器１３ｅと、前記オンオフ選択器１３ｅからのパルス１３ｆを受けて、パターン生成器８ｂに適したパルスであるゲート親信号８ｃを生成し、可変遅延時間１３の経過後に出力するゲート親信号出力器１３ｇからなるデジタル信号処理装置８ｄ、及び前記ゲート親信号８ｃをスイッチング電源５ｂのゲート信号パターン８ａへと変換するパターン生成器８ｂとからなる加速用の誘導電圧９の発生タイミングを制御することを特徴とする誘導電圧制御装置８の構成とした。
【発明の効果】
【００４０】
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のあらゆる種類の磁場励磁パターンに同期させて、荷電粒子ビームに加速電圧９を印加することができることとなった。
【００４１】
さらに、従来の高周波シンクロトロン２１において、加速する荷電粒子の種類が制限されていたが、その制限を受けることなく、本発明である誘導電圧制御装置８及びその制御方法によって、加速用誘導加速セル６で印加されるほぼ一定値な加速電圧９ａであっても、一定のバンチ３の周回数である制御単位１５ｃにおけるパルス密度１７を制御することにより、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで効率的、かつ容易に高めることができることとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明である誘導電圧の制御方法は、誘導加速セルを用いたシンクロトロンにおいて、磁場励磁パターン１５を基に計算される理想的な可変遅延時間パターン１６に対応する必要な可変遅延時間パターン１６ａを格納し、前記必要な可変遅延時間パターン１６ａに基づき可変遅延時間１３に相当する可変遅延時間シグナル１３ｂを生成する可変遅延時間計算機１３ａ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７からのバンチ３の通過シグナル７ａ、前記可変遅延時間計算機１３ａからの可変遅延時間シグナル１３ｂを受けて、可変遅延時間１３に相当するパルス１３ｄを生成する可変遅延時間発生器１３ｃと、磁場励磁パターン１５を基に計算される理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅを格納し、前記可変遅延時間発生器１３ｃからの可変遅延時間１３に相当するパルス１３ｄを受けて、加速用の誘導電圧９のオンオフを制御するパルス１３ｆを生成するオンオフ選択器１３ｅと、前記オンオフ選択器１３ｅからのパルス１３ｆを受けて、パターン生成器８ｂに適したパルスであるゲート親信号８ｃを生成し、可変遅延時間１３の経過後に出力するゲート親信号出力器１３ｇからなるデジタル信号処理装置８ｄ、及び前記ゲート親信号８ｃをスイッチング電源５ｂのゲート信号パターン８ａへと変換するパターン生成器８ｂにより、任意の荷電粒子ビームを任意のエネルギーレベルに加速するために、制御単位１５ｃの加速用の誘導電圧９のパルス密度１７を制御することによって実現した。
【実施例１】
【００４３】
以下に、添付図面に基づいて、本発明である誘導電圧制御装置について詳細に説明する。図１は本発明である誘導電圧制御装置により制御される誘導加速セルを用いた実験用のシンクロトロンの概略図である。
【００４４】
本発明で使用した実験用のシンクロトロン１は、前段加速器により一定エネルギーレベルまで加速され、入射された陽子ビームが周回する設計軌道２の強収束を保証する偏向電磁石、収束電磁石など、従来のＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳの装置をそのまま利用した。陽子ビームの閉じ込めは、従来の高周波加速空洞４を含む高周波加速装置による高周波４ａの制御で行った。陽子ビームの加速は、新たに組み込んだ加速用誘導加速装置５を用いた。
【００４５】
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３ａに加速するための加速用の誘導電圧９を印加する加速用誘導加速セル６、前記加速用誘導加速セル６に伝送線５ａを介してパルス電圧を与える高繰り返し動作可能なスイッチング電源５ｂ、前記スイッチング電源５ｂに電力を供給するＤＣ充電器５ｃ、前記スイッチング電源５ｂのオンおよびオフの動作を制御する誘導電圧制御装置８、前記加速用誘導加速セル６より印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧モニター５ｄからなる。
【００４６】
本発明である誘導電圧制御装置８は、スイッチング電源５ｂのオンおよびオフの動作を制御するゲート信号パターン８ａを生成するパターン生成器８ｂ、及び前記パターン生成器８ｂによるゲート信号パターン８ａの生成のもと信号であるゲート親信号８ｃを計算するデジタル信号処理装置８ｄからなる。
【００４７】
ゲート信号パターン８ａとは、加速用誘導加速セル６による加速用の誘導電圧９を制御する信号である。具体的には、加速電圧９ａの発生タイミングと印加時間、リセット電圧９ｂの発生タイミングと印加時間を決定する信号と、加速電圧９ａおよびリセット電圧９ｂの間の加速用の誘導電圧９を印加しない時間を決定するための信号からなる。従って、ゲート信号パターン８ａによって、加速用の誘導電圧９の発生タイミングと印加時間を加速する荷電粒子ビームの長さにあわせて調節することが可能である。
【００４８】
パターン生成器８ｂは、ゲート親信号８ｃをスイッチング電源５ｂ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。
【００４９】
スイッチング電源５ｂ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６）に正と負の電圧を発生する（図２）。
【００５０】
バンチ３の通過に加速用の誘導電圧９の発生タイミングと印加時間を合わせるためには、真空ダクトに取り付けられたバンチ３の通過を感知するバンチモニター７から、バンチ３の通過情報である通過シグナル７ａを用いて、デジタル信号処理装置８ｄによって制御する。
【００５１】
なお、加速実験の結果を観察するために、実験用のシンクロトロン１にバンチ３の通過シグナル７ａ、誘導電圧シグナル５ｅを検出するオシロスコープ７ｂを接続した。
【００５２】
図２は加速用誘導加速装置の等価回路である。加速用誘導加速装置の等価回路１０は、ＤＣ充電器５ｃから常時給電を受けるスイッチング電源５ｂが、伝送線５ａを経由して加速用誘導加速セル６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６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が感じる加速電圧９ａである。
【００５３】
図２の回路状態は、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオンになっており、バンクコンデンサー１１に充電された電圧が加速用誘導加速セル６に印加され、加速ギャップ６ａにバンチ３を加速するための加速電圧９ａが生じている状態である。
【００５４】
次に、オンになっていた第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオンになって、前記加速ギャップ６ａに前記誘導電圧と逆向きのリセット電圧９ｂが生じ、加速用誘導加速セル６の磁性体の磁気的飽和をリセットする。
【００５５】
そして、第２スイッチ１１ｂ、及び第３スイッチ１１ｃがゲート信号パターン８ａによりオフになり、第１スイッチ１１ａ、及び第４スイッチ１１ｄ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８ａにより繰り返すことで、バンチ３の加速に必要な加速用の誘導電圧９を発生させることが可能となる。
【００５６】
前記、ゲート信号パターン８ａは、スイッチング電源５ｂの駆動を制御する信号であり、バンチ３の通過シグナル７ａを基に、デジタル信号処理装置８ｄ、及びパターン生成器８ｂからなる誘導電圧制御装置８でデジタル制御される。
【００５７】
なお、バンチ３に印加された加速用の誘導電圧９の値は、回路中の電流値とマッチング抵抗１２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５ｄによって電流値を測定することで、印加した加速用の誘導電圧９の値を知ることができる。そこで、加速用の誘導電圧９の値を誘導電圧シグナル５ｅとして、デジタル信号処理装置８ｄにフィードバックし、誘導電圧制御の方法に利用することもできる。
【００５８】
図３は、バンチの周回と加速用の誘導電圧の発生タイミングを合わせるための可変遅延時間についての説明図である。加速用の誘導電圧９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６に到達した時間に合わせて加速電圧９ａを印加しなければならない。
【００５９】
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。
【００６０】
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３ｄに合わせて加速電圧９ａを印加させ、また、バンチ３が加速用誘導加速セル６に存在しない時間帯にリセット電圧９ｂを発生させなければならない。
【００６１】
また、誘導加速セルを用いたシンクロトロンを含む円形加速器は広い敷地に設置させるため、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。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。
【００６２】
そこで、上記問題を解決するため、デジタル信号処理装置８ｄを用いて、バンチモニター７の通過シグナル７ａの発生から加速電圧９ａ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８ｄの内部で、バンチモニター７からの通過シグナル７ａを受けてから、ゲート親信号８ｃの発生までの時間を制御する。以下、この制御される時間のことを可変遅延時間１３という。
【００６３】
可変遅延時間１３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７から、加速用誘導加速セル６に到達するまでの移動時間３ｄをｔ０、バンチモニター７からデジタル信号処理装置８ｄまでの通過シグナル７ａの伝達時間７ｃをｔ１、及びデジタル信号処理装置８ｄから出力されたゲート親信号８ｃを基に加速用誘導加速セル６で加速電圧９ａを印加するまでに要する伝達時間７ｄをｔ２とすると、次式（１）で求められる。
Δｔ＝ｔ０−（ｔ１＋ｔ２）・・・式（１）
【００６４】
例えば、ある加速時間でのバンチ３の移動時間３ｄが１マイクロ秒であるとし、通過シグナル７ａの伝達時間７ｃが０．２マイクロ秒、ゲート親信号８ｃが発生してから、加速電圧９ａが発生するまでに要する伝達時間７ｄが０．３マイクロ秒であるならば、可変遅延時間１３は、０．５マイクロ秒となる。
【００６５】
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９ａをバンチ３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を構成する各装置を設置すれば、一定の値である。
【００６６】
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７から加速用誘導加速セル６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。
【００６７】
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（２）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（２）
ｆＲＥＶ（ｔ）は次式（３）によって求められる。
【００６８】
ｆＲＥＶ（ｔ）＝β（ｔ）・ｃ／Ｃ０［Ｈｚ］・・・式（３）
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（４）によって求められる。
【００６９】
β（ｔ）＝√（１−（１／（γ（ｔ）２））［無次元］・・・式（４）
ここで、γ（ｔ）は相対論係数である。γ（ｔ）は次式（５）によって求められる。
【００７０】
γ（ｔ）＝１＋ΔＴ（ｔ）／Ｅ０［無次元］・・・式（５）
ここで、ΔＴ（ｔ）は加速電圧９ａ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（６）によって求められる。
【００７１】
ΔＴ（ｔ）＝ρ・Ｃ０・ｅ・ΔＢ（ｔ）［ｅＶ］・・・式（６）
ここで、ρは偏向電磁石の極率半径、Ｃ０は荷電粒子ビームが周回する設計軌道２の全長、ｅは荷電粒子が持つ電荷量、ΔＢ（ｔ）は加速開始からのビーム偏向磁場強度の増加分である。
【００７２】
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。
【００７３】
上述の一連の可変遅延時間１３であるΔｔを求める式を定義式という。可変遅延時間１３をリアルタイムに求める時は、定義式をデジタル信号処理装置８ｄの可変遅延時間計算機１３ａに格納する。
【００７４】
従って、可変遅延時間１３は、バンチモニター７から加速用誘導加速セル６の距離（Ｌ）、荷電粒子ビームが周回する設計軌道２の全長（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１５によって、一意に定まる。
【００７５】
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１３も一意に定まる。従って、バンチ３が、磁場励磁パターン１５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１３を計算しておくこともできる。
【００７６】
しかし、上述したように、荷電粒子ビームに印加される加速電圧９ａは、毎回一定値であるとは限らない。よって、効率的な加速をするためには、可変遅延時間１３をリアルタイムで計算することが望ましい。
【００７７】
図４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８ｄは、可変遅延時間計算機１３ａ、可変遅延時間発生器１３ｃ、オンオフ選択器１３ｅおよびゲート親信号出力器１３ｇからなる。
【００７８】
可変遅延時間計算機１３ａは、可変遅延時間１３を決定する装置である。可変遅延時間計算機１３ａに、荷電粒子の種類に関する情報、磁場励磁パターン１５を基に計算される可変遅延時間１３の定義式を格納することにより、可変遅延時間１３をリアルタイムで計算することができる。
【００７９】
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９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速度は荷電粒子の質量に依存する。従って、可変遅延時間１３の変化は荷電粒子の速度に依存するため、荷電粒子の種類に関する情報を予め与えておく。
【００８０】
また、荷電粒子の種類、磁場励磁パターン１５が予め定まっているときは、可変遅延時間１３を定義式にしたがって予め計算し、必要な可変遅延時間パターン（図７）として格納してもよい。
【００８１】
なお、可変遅延時間１３をバンチ３の周回ごとに、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を構成する偏向電磁石１３ｊからその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル１３ｋとして、可変遅延時間計算機１３ａが受けて、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１３をバンチ３の周回ごとに計算することもできる。
【００８２】
また、バンチ３の周回速度を測定する速度モニター１３ｈを使用し、式（３）のβ（ｔ）・ｃに相当する速度シグナル１３ｉを直接可変遅延時間計算機１３ａにリアルタイムで与えれば、上述の式（１）、及び式（２）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１３を計算することもできる。
【００８３】
リアルタイムで可変遅延時間１３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５ｃ、バンクコンデンサー１１等に起因して、印加する加速電圧値９ｋ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、荷電粒子ビームの周回速度に突発的な変化が起こった場合であっても、加速電圧９ａの発生タイミングを補正することが可能となり、的確に加速電圧９ａ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。
【００８４】
上述のようにして、計算または予め与えられた可変遅延時間１３は、デジタルデーターである可変遅延時間シグナル１３ｂとして、可変遅延時間発生器１３ｃに出力される。
【００８５】
可変遅延時間発生器１３ｃは、ある周波数を基準とするカウンターで、通過シグナル７ａをデジタル信号処理装置８ｄ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。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１３ｃに、可変遅延時間１３に相当する数値を入力することで、可変遅延時間１３の長さの制御を行うことができる。
【００８６】
具体的には、可変遅延時間発生器１３ｃは、バンチモニター７からの通過シグナル７ａ、及び前記可変遅延時間計算機１３ａによって出力された可変遅延時間１３に相当する数値である可変遅延時間シグナル１３ｂを基に、バンチモニター７を通過したバンチ３ごとに、次回の加速用の誘導電圧９を発生させるタイミングを計算して、オンオフ選択器１３ｅに可変遅延時間１３の情報であるパルス１３ｄを出力する。
【００８７】
例えば、可変遅延時間計算機１３ａによって、１５０という数値の可変遅延時間シグナル１３ｂを上記１ｋＨｚのカウンターである可変遅延時間発生器１３ｃに出力した場合、可変遅延時間発生器１３ｃは、バンチモニター７からの通過シグナル７ａを受けてから、０．１５秒後にパルス１３ｄを発生する。
【００８８】
ここで通過シグナル７ａとは、バンチ３がバンチモニター７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。前記通過シグナル７ａを得るためのバンチモニター７は、従来から高周波シンクロトロン２１に使用されている陽子の通過を感知するモニターでよい。
【００８９】
前記通過シグナル７ａは、デジタル信号処理装置８ｄ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３ａでの位置が求められる。すなわち、通過シグナル７ａは、可変遅延時間１３の開始時間の基準である。
【００９０】
オンオフ選択器１３ｅは、加速用の誘導電圧９を発生（オン）させるか、発生させない（オフ）か決定する装置である。
【００９１】
例えば、ある瞬間に必要な加速電圧値９ｋが０．５ｋＶである場合、１＝パルス１３ｆを発生させる、０＝パルス１３ｆを発生させないと定義し、１．０ｋＶの一定値の加速電圧９ａを用いて、バンチ３が１０周回する間に、バンチ３の周回ごとに加速電圧９ａを印加する、しないを、［１、０、・・・、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９ｈは０．５ｋＶとなる。このようにして、オンオフ選択器１３ｅが加速電圧９ａをデジタル制御する。
【００９２】
ある時間に必要な加速電圧値９ｋは、荷電粒子の種類、磁場励磁パターン１５が予め定まっているときは、磁場励磁パターン１５から予め計算される理想的な加速電圧値パターン（図６）に対応する等価的な加速電圧値パターン（図６）として与えることができる。
【００９３】
等価的な加速電圧値パターン（図６）とは、例えば、１秒間に加速電圧値９ｋを０Ｖ〜１ｋＶまで変化させ、０．１秒間隔で制御する場合、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。
【００９４】
また、ある時間に必要な加速電圧値９ｋは、バンチ３の周回ごとに、リアルタイムで計算することも可能である。ある時間に必要な加速電圧値９ｋ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を構成する偏向電磁石１３ｊからその時の磁場強度をビーム偏向磁場強度シグナル１３ｋとして受けて、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。
【００９５】
そして、オンオフ選択器１３ｅは、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９ｋを基にして決定された、ゲート親信号８ｃの発生を制御するパルス１３ｆをゲート親信号出力器１３ｇに出力する。
【００９６】
ゲート親信号出力器１３ｇは、デジタル信号処理装置８ｄを通過した可変遅延時間１３と加速用の誘導電圧９のオンオフの両方の情報を含んだパルス１３ｆをパターン生成器８ｂに伝達するためのパルス、すなわちゲート親信号８ｃを発生させる装置である。
【００９７】
ゲート親信号出力器１３ｇから出力されるゲート親信号８ｃであるパルスの立ち上がりが、加速用の誘導電圧９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１３ｇは、オンオフ選択器１３ｅから出力されるパルス１３ｆを、パターン生成器８ｂ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。
【００９８】
ゲート親信号８ｃは、通過シグナル７ａと同様に、荷電粒子ビームと加速電圧９ａのタイミングを合わせるための可変遅延時間１３を経過した瞬間にゲート親信号出力器１３ｇ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８ｂはゲート親信号８ｃ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。
【００９９】
上述のようにしてなるデジタル信号処理装置８ｄ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７からの通過シグナル７ａを基準に、スイッチング電源５ｂの駆動を制御するゲート信号パターン８ａの基となるゲート親信号８ｃをパターン生成器８ｂに出力する。つまりデジタル信号処理装置８ｄが加速用の誘導電圧９のオンオフを制御しているといえる。
【０１００】
特に、リアルタイムで可変遅延時間１３、必要な加速電圧値９ｋを計算することにより、何ら設定を変更することなく、偏向電磁石１３ｊの磁場励磁パターン１５を基に、荷電粒子ビームの周回周波数に同期した加速電圧９ａを印加することが可能となる。
【０１０１】
また、可変遅延時間１３を予め計算する場合には、可変遅延時間計算機１３ａの中の理想的な可変遅延時間パターン（図７）に対応する必要な可変遅延時間パターン（図７）、オンオフ選択器１３ｅの中の等価的な加速電圧値パターンを、選択した荷電粒子、磁場励磁パターン１５に則した計算結果に書き換えるだけで、荷電粒子ビームと加速用の誘導電圧９の発生タイミングを常に合わせることができる。従って、効率的に任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで加速することが可能となる。
【０１０２】
図５は遅い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。横軸ｔ（ｓ）は実験用のシンクロトロン１の運転時間であり、単位は秒である。第１縦軸Ｂは実験用のシンクロトロン１を構成する偏向電磁石１３ｊの磁場強度である。第２縦軸ｖは誘導電圧値である。なお、これは、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳによる陽子の加速パターンの１つである。
【０１０３】
遅い繰り返しとは、陽子ビームを前段加速器から入射１４ａした時間から開始し、加速を経て、出射１４ｂし、さらに次回の入射１４ａができるまでの時間である１周期１４が約数秒程度の遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５による加速のことをいう。
【０１０４】
この磁場励磁パターン１５は、陽子ビームが入射１４ａされた直後から、磁場強度を徐々に高め、出射１４ｂの時点で最大磁場励磁状態になる。このとき陽子ビームの加速に使える加速時間１４ｃ、すなわち入射１４ａから加速終了１４ｄまでにおいて、磁場強度は大きく変化する。
【０１０５】
特に、陽子ビームの入射１４ａの直後から、磁場強度は二次関数的に増加する。この時間帯の磁場励磁パターン１５を非線形励磁領域１５ａという。これは偏向電磁石１３ｊで発生させる磁場の変化が時間的に連続である要請に起因している。
【０１０６】
その後、加速終了１４ｄまでは、磁場強度は時間に関して、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１５を線形励磁領域１５ｂという。
【０１０７】
従って、荷電粒子ビームを加速するには、この磁場強度の変化に同期して、誘導電圧を発生させる必要がある。そのときの磁場励磁パターン１５に同期して必要となる加速電圧値（Ｖａｃｃ）（以下、理想的な加速電圧値パターン９ｃという。）は、次式（７）に示す関係がある。
【０１０８】
Ｖａｃｃ∝ｄＢ／ｄｔ・・・式（７）
すなわち、ある時間での必要な加速電圧値９ｋは、当該時間での磁場励磁パターン１５の時間変化率に比例するものである。
【０１０９】
よって、非線形励磁領域１５ａでは、磁場強度が二次関数的に増加していることから、必要となる加速電圧値９ｉは、加速時間１４ｃの時間変化の一次に比例して変化することとなる。
【０１１０】
一方、線形励磁領域１５ｂでの必要な加速電圧値９ｊは、加速時間１４ｃの変化に関係なく一定である。なお、先の非特許文献２の内容は、この線形励磁領域１５ｂおいて、一定間隔で印加する、一定値の加速電圧９ａによって、陽子ビームを加速できることを報告したものである。
【０１１１】
また、加速電圧９ａは上述したように、印加し続けることはできないため、加速電圧９ａを印加した次回は、リセット電圧９ｂを印加しなければならないのは勿論である。ここでは、理想的な加速電圧値パターン９ｃと異極のリセット電圧９ｂの集まりを理想的なリセット電圧値パターン９ｄという。
【０１１２】
従って、加速電圧９ａをこの非線形励磁領域１５ａの磁場励磁パターン１５に同期するためには、加速電圧値９ｉを時間変化とともに増加させることが必要である。
【０１１３】
しかし、加速用誘導加速セル６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９ｉは一定でしか得られない。一方、加速用誘導加速セル６で発生させるバンクコンデンサー１１の充電電圧を制御することにより加速電圧値９ｉを変化することも考えられるが、バンクコンデンサー１１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１１の充電電圧を変化させる方法は、加速電圧値９ｉを速やかに制御する目的には使用できない。
【０１１４】
そこで、誘導電圧制御装置８を用いて、加速電圧９ａの発生タイミングを非線形励磁領域１５ａに同期させることとした。
【０１１５】
図６は等価的な加速電圧値をパルス密度変化によって制御する方法を示す図である。図６（Ａ）は、図５の加速時間１４ｃの一部を拡大した図である。また、記号の意味は、図５と同じである。
【０１１６】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）における線形励磁領域１５ｂでの一定のバンチ３の周回回数における加速用の誘導電圧９の発生タイミング群（以下、パルス密度１７という。）を示したものである。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）における非線形励磁領域１５ａでのパルス密度１７を示したものである。
【０１１７】
大きく変化する磁場励磁パターン１５に同期させ、陽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１５ｂで必要な加速電圧値９ｊを印加できる加速用誘導加速セル６によって、陽子ビームの周回ごとに一定電圧値である加速電圧９ａを印加できることが必要である。
【０１１８】
例えば、線形励磁領域１５ｂで式（７）の関係から必要な加速電圧値９ｊが４．７ｋＶであるとすると、４．７ｋＶ以上の加速電圧９ａを印加できる加速用誘導加速セル６が必要である。そのときのパルス密度１７を図６（Ｂ）に示す。
【０１１９】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の線形励磁領域１５ｂでの必要な加速電圧値９ｊが４．７ｋＶであるから、４．７ｋＶの加速電圧９ａをバンチ３の周回ごとに印加するとともに、リセット電圧９ｂを印加するように調整することを示している。このようなパルス密度１７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、制御単位１５ｃという。
【０１２０】
次に、非線形励磁領域１５ａに同期するため理想的な加速電圧値パターン９ｃをバンチ３に与えることが必要になる。それには一定値の加速電圧９ａしか印加できない加速用誘導加速セル６であっても、加速電圧９ａの印加回数を制御単位１５ｃにおいて調整することで、理想的な加速電圧値パターン９ｃと等価な加速電圧値９ｋを与えることが可能になる。
【０１２１】
すなわち、制御単位１５ｃにおける加速電圧９ａの印加回数を０から、バンチ３の周回ごとに印加するよう、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９ｃと一定時間においては、等価な加速電圧値９ｋを与えることができる。この等価な加速電圧値９ｋの集まりを等価的な加速電圧値パターン９ｅという。
【０１２２】
例えば、非線形励磁領域１５ａでの必要な加速電圧値９ｉの最大値が４．７ｋＶ、加速電圧９ａの制御単位１５ｃが１０周回であるとすると、加速電圧値９ｋを０ｋＶ〜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１５ａでの等価的な加速電圧値９ｋは１０段階に分割できることとなる。そのときのパルス密度１７を図６（Ｃ）に示す。
【０１２３】
図６（ｃ）は、非線形励磁領域１５ａにおいて、等価的な加速電圧値９ｋが０．９７ｋＶである場合のパルス密度１７の制御方法の一例を示したものである。制御単位１５ｃのバンチ３の周回回数を１０とすると、１０周回の内の任意の２周回に４．７ｋＶの一定値の加速電圧９ａを印加する。
【０１２４】
具体的には図６（Ｃ）の実線で示した加速電圧９ａ、リセット電圧９ｂを発生させればよい。その方法は、点線で示した加速電圧９ｆ、リセット電圧９ｇの印加をリアルタイムで停止することで可能である。
【０１２５】
このような加速電圧９ａの印加制御を行うことにより、必要な加速電圧値９ｉである０．９７ｋＶを印加したことになる。なお、加速電圧９ａの次には、リセット電圧９ｂが必要なのは当然である。
【０１２６】
また、０．４７ｋＶよりさらに小さい加速電圧値９ｉ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９ａの印加回数の比を調整すればよい。例えば、加速電圧値９ｉとして０．０９３ｋｖを必要とする場合は、バンチ３の１００周回ごとに２回加速電圧９ａを印加すればよい。
【０１２７】
ここで、非線形励磁領域１５ａが０．１秒間あるとすると、制御単位１５ｃを１０と設定した場合の各段階の時間は、０．０１秒となる。
【０１２８】
すなわち、パルス密度１７の制御による加速電圧値９ｉの調整は、バンチモニター７からの通過シグナル７ａを基に、デジタル信号処理装置８ｄ、パターン生成器８ｂからなる誘導電圧制御装置８でゲート信号パターン８ａの生成を停止する制御を行うことで可能である。
【０１２９】
なお、制御単位１５ｃの間にバンチ３に印加された加速電圧値（Ｖａｖｅ）は、加速用誘導加速セル６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１５ｃの加速電圧９ａの印加回数（Ｎｏｎ）と加速電圧９ａがオフの回数（Ｎｏｆｆ）から、次式（８）によって求められる。
Ｖａｖｅ＝Ｖ０・Ｎｏｎ／（Ｎｏｎ＋Ｎｏｆｆ）・・・式（８）
【０１３０】
つまり、本発明である誘導電圧制御装置８によって、上述のような方法によって、制御単位１５ｃのパルス密度１７を調整し、ほぼ一定の電圧値（Ｖ０）の加速電圧９ａしか印加することができない加速用誘導加速セル６であっても、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５に同期して、加速電圧９ａを陽子ビームに印加することが可能となる。
【０１３１】
図７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７（Ａ）は、陽子ビームのエネルギーレベルと可変遅延時間１３の関係を示している。なお、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳに本発明である誘導電圧制御装置８を組み込み、実験用のシンクロトロン１に陽子ビームを入射１４ａしたときの値である。
【０１３２】
横軸ＭｅＶは陽子ビームのエネルギーレベルであり、単位はメガボルトである。１ＭｅＶは、１．６０２×１０−１３ジュールに相当する。縦軸Δｔ（μｓ）は、可変遅延時間１３であり、単位はマイクロ秒である。
【０１３３】
図７（Ａ）のグラフは、理想的な可変遅延時間パターン１６と、理想的な可変遅延時間パターン１６に対応する必要な可変遅延時間パターン１６ａである。
【０１３４】
理想的な可変遅延時間パターン１６とは、陽子ビームの周回速度の変化に合わせて、加速電圧９ａを印加するために、陽子ビームの周回ごとに調節されたとしたならば、バンチ３がバンチモニター７を通過した時間から、デジタル信号処理装置８ｄがゲート親信号８ｃ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１３のことをいう。
【０１３５】
必要な可変遅延時間パターン１６ａとは、理想的には、荷電粒子ビームの周回ごとに、可変遅延時間１３を制御することが望ましいが、可変遅延時間発生器１３ｃの可変遅延時間１３に対応したパルス１３ｄ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１３を制御しなくとも、加速電圧９ａの印加時間に時間的な幅があるため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１６と同様に、加速電圧９ａを荷電粒子ビームに印加することができる、エネルギーレベルの変化に対応した可変遅延時間１３のことをいう。
【０１３６】
従って、可変遅延時間１３は、一定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１６ｂという。ここでは、０．１μｓである。
【０１３７】
図７（Ａ）のグラフより、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳでの加速において、エネルギーレベルの低い入射１４ａの直後の陽子ビームに加速電圧９の発生タイミングを合わせる理想的な可変遅延時間１３は、約１．０μｓの長さを必要とする。
【０１３８】
さらに、陽子ビームは加速時間１４ｃの経過とともに、エネルギーレベルが増加し、それに伴って、可変遅延時間１３も短くなる。特に、約４５００ＭｅＶから加速終了１４ｄまでの間の必要な可変遅延時間パターン１６ａは、ほぼ０に近い値であることが分かる。
【０１３９】
図７（Ｂ）は加速時間１４ｃの経過とともに、デジタル信号処理装置８ｄで計算され、出力されるゲート親信号８ｃの出力までに要する時間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１３であり、単位はマイクロ秒である。なお、横軸Δｔ（μｓ）は、図７（Ａ）の縦軸に対応する。
【０１４０】
例えば、入射１４ａの直後に１．０μｓの可変遅延時間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１３でよい。
【０１４１】
バンチモニター７より得られる通過シグナル７ａを基準に、デジタル信号処理装置８ｄによって、ゲート親信号８ｃの出力までに要する時間を制御することによって、すなわち可変遅延時間１３を制御することによって、入射１４ａ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て加速電圧９ａを印加することが可能になる。
【０１４２】
図８はパルス密度変化による加速電圧値の制御方法を例示した図である。記号ｔおよびｖの意味は、図６と同じである。ｔ１は非線形励磁領域１５ａの制御単位１５ｃが１０数回であるときの制御単位１５ｃに要する時間を意味する。ｔ２は線形励磁領域１５ｂの制御単位１５ｃが１０数回であるときの制御単位１５ｃに要する時間を意味する。
【０１４３】
点線で示した加速電圧９ｆは、バンチ３が加速用誘導加速セル６に到達しても、印加されない加速電圧であることを意味する。同様に点線で示したリセット電圧９ｇも印加されないリセット電圧であることを意味する。
【０１４４】
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９ｈである。ｖ１は、ｔ１の間、すなわちバンチ３が１０回加速用誘導加速セル６を通過する内の７回の通過に対して、一定電圧値ｖ０の加速電圧９ａを印加していることから、ｖ１＝７／１０・ｖ０＝０．７ｖ０として計算できる。リセット電圧９ｂにおいても同様である。
【０１４５】
当然に、線形励磁領域１５ｂで要求される一定値である理想的な加速電圧値９ｊを与えることも可能である。その場合の平均的な加速電圧値９ｈであるｖ２は、ｔ２の間、加速用誘導加速セル６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９ａを印加することから、ｖ２＝１０／１０・ｖ０＝ｖ０である。
【０１４６】
さらに、連続して印加する加速電圧９ａと加速電圧９ａの時間間隔（以下、パルス間隔１７ａという。）は、必要な可変遅延時間パターン１６ａにしたがうことで、必然的にバンチ３の周回時間２４の短縮に対応することができる。
【０１４７】
このようにパルス密度１７を誘導電圧制御装置８で制御することで、一定電圧値の加速電圧９ａのみしか印加できない加速用誘導加速セル６によっても、理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅを与えることで、大きく変動する非線形励磁領域１５ａの磁場励磁パターン１５に同期することが可能になった。
【０１４８】
従って、本発明である誘導電圧制御装置８によって、加速用の誘導電圧９のパルス密度１７を制御することで、あらゆる磁場励磁パターンに対応し、任意の荷電粒子を任意エネルギーレベルに加速することが可能になる。
【０１４９】
図９はパルス密度１７の変化による加速制御の実験原理を説明する図である。なお、横軸ｔは高周波加速空洞４内の時間的変化であり、縦軸Ｖ（ＲＦ）は高周波加速電圧値２１ｂである。
【０１５０】
以下、本発明である誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御によって、陽子ビームの加速が可能か、ＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳに加速用誘導加速セル６を組み込んだ融合型の実験用のシンクロトロン１を用いて確認したときの実験原理について説明する。
【０１５１】
実験原理は、加速電圧９ａと高周波加速空洞４による高周波４ａを併用し、間接的に加速用誘導加速セル６によって印加される加速電圧９ａが磁場励磁パターン１５に同期しているか調べる方法を採用した。
【０１５２】
本実験で使用した高周波加速空洞４は、加速用誘導加速セル６で印加される加速電圧９ａが磁場励磁パターン１５に同期して、バンチ３に等価的な加速電圧値９ｋを印加することができていた場合、バンチ中心３ｃに印加される高周波加速電圧値２１ｂを０にするよう高周波加速電圧２１ａの位相を自動制御できる装置である。
【０１５３】
高周波加速電圧２１ａの位相を自動制御するとは、加速用誘導加速セル６から印加される加速電圧９ａが、磁場励磁パターン１５に基づく理想的な加速電圧値パターン９ｃを超えてバンチ３に印加された場合には、バンチ３に負の電圧４ｅを印加する減速方向４ｇに位相を移動させ、一方、加速電圧９ａが磁場励磁パターン１５に基づく理想的な加速電圧値パターン９ｃに対して過小であった場合には、正の電圧４ｄを印加する加速方向４ｆに位相を移動させることである。
【０１５４】
高周波加速電圧２１ａの位相がどのように制御されているかを確認するために、バンチ中心３ｃの高周波加速電圧値２１ｂを測定した。その結果、バンチ中心３ｃの高周波加速電圧値２１ｂが０である場合は、加速用の誘導電圧９が磁場励磁パターン１５に同期しており、誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御が適正であると評価できることとなる。
【０１５５】
一方、バンチ中心３ｃの高周波加速電圧２１ａが正の電圧４ｄである場合は、理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅに対して加速電圧９ａが過小であるため、正の電圧４ｄがバンチ中心３ｃに印加されるように高周波４ａの位相を加速方向４ｆである高周波４ｂの位置に移動させ、磁場励磁パターン１５に同期させており、誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御が適正でないと評価できる。
【０１５６】
また、バンチ中心３ｃの高周波加速電圧２１ａが負の電圧４ｅである場合にも、理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅに対して加速電圧９ａが過剰であるため、負の電圧４ｅがバンチ中心３ｃに印加されるように高周波４ａの位相を減速方向４ｇである高周波４ｃの位置に移動させ、磁場励磁パターン１５に同期させており、誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御が適正でないと評価できる。
【０１５７】
従って、バンチ中心３ｃの高周波電圧値を測定することで、磁場励磁パターン１５に同期した加速電圧９ａを印加するため、誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御が適性になされていたか知ることができる。
【０１５８】
図１０は実験結果を示す図である。図１の改変したＫＥＫの１２ＧｅＶＰＳである実験用のシンクロトロン１を用いて陽子ビームを加速したときの高周波電圧値を測定した結果である。
【０１５９】
グラフの横軸ｔ（ｍｓ）は、陽子ビームが実験用のシンクロトロン１内に入射１４ａされたときを基準にした加速時間１４ｃの経過であり、単位はミリ秒である。縦軸ｖは、誘導電圧値である。
【０１６０】
実験に利用した磁場励磁パターン１５は、図６（Ａ）に示す非線形励磁領域１５ａの特に理想的な加速電圧値９ｋの変化が著しい入射１４ａの直後（０から１００ｍｓ）を選択した。
【０１６１】
試験区１８は、本発明の誘導電圧制御装置８によるパルス密度１７の制御を、以下の条件で行ったときの結果である。
【０１６２】
パルス密度１７の制御単位１５ｃは、バンチ３の周回回数１０とした。従って、非線形励磁領域１５ａでの等価的な加速電圧値パターンは、１０段階に分割できる。その分割された一定時間は、１０ｍｓとなる。つまり、図６（Ａ）に示す等価的な加速電圧値パターン９ｅと同じである。
【０１６３】
必要な可変遅延時間パターンは、図７（Ａ）に示す理想的な可変遅延時間パターン１６に対応する必要な可変遅延時間パターン１６ａを用いた。そのときの制御時間単位１６ｂは、０．１マイクロ秒である。
【０１６４】
比較例（１）１８ａは、加速用誘導加速セル６によって加速電圧９ａを印加せず、高周波加速電圧２１ａのみによる加速を行ったときの結果である。この比較例（１）１８ａの結果は、非線形励磁領域１５ａの実験領域の理想的な加速電圧値パターン９ｃを意味する。非線形励磁領域１５ａでの最大加速電圧値９ｉは線形励磁領域１５ｂの加速電圧値９ｊと同じ値になり、この場合４．７ｋＶである。従ってリセット電圧９ｂの値は−４．７ｋＶである。
【０１６５】
比較例（２）１８ｂは、パルス密度１７の制御することなく、バンチ３の周回ごとに一定電圧の加速電圧９ａを印加したときの結果である。
【０１６６】
なお、完全に加速用誘導加速セル６によって印加された加速電圧９ａが、磁場励磁パターン１５に同期している場合は縦軸の０の位置にグラフが描かれる。
【０１６７】
図１０の実験結果について説明する。試験区１８では高周波加速空洞４によって、バンチ中心３ｃに印加された高周波加速電圧値２１ｂは、ほぼ０ｋＶであった。
【０１６８】
従って、試験区１８の結果から、本発明である誘導電圧制御装置８によって、パルス密度１７を制御することで、非線形励磁領域１５ａにおいても加速用の誘導電圧９によって、陽子ビームを加速できることが確かめられた。
【０１６９】
一方、比較例（２）１８ｂは、本発明である誘導電圧制御装置８によって、パルス密度１７を制御することなく（等価的な加速電圧値パターン９ｅにしたがわないが、必要な可変遅延時間パターン１６ａによる制御は当然に行っている）、バンチ３の通過ごとに、４．７ｋＶの加速電圧９ａを印加していた。
【０１７０】
よって、比較例（２）１８ｂの入射１４ａの直後においては、加速用誘導加速セル６によって過剰に印加された加速電圧９ａからバンチ３が受けたエネルギーを減じ、磁場励磁パターン１５に同期させるため、高周波４ａが減速方向４ｇに位相を移動させ、約−４．７ｋＶの負の電圧４ｅが印加されていた。
【０１７１】
また、加速時間１４ｃの経過とともに、磁場励磁パターン１５に同期させるための理想的な加速電圧値パターン９ｃも、加速用誘導加速セル６によって印加される４．７ｋＶの加速電圧９ａに近づくため、高周波加速空洞４によって印加される高周波加速電圧２１ａの負の電圧４ｅが減少し、最終的に高周波加速空洞４によって印加させる高周波加速電圧値２１ｂは、ほぼ０ｋＶになった。
【０１７２】
従って、比較例（２）１８ｂの結果から、パルス密度１７を制御しなければ、非線形励磁領域１５ａにおいて、一定電圧値の加速用の誘導電圧９のみでは陽子ビームを加速することができないことが確かめられた。
【０１７３】
以上、図１０の結果から、本発明である誘導電圧制御装置８によって、パルス密度１７を制御することで、陽子ビームを非線形励磁領域１５ａにおいてでも、加速用の誘導電圧９によって、加速できることが確かめられた。
【０１７４】
また、バンチ３の周回時間２４は、加速時間１４ｃの経過とともに徐々に短縮されていることから、実験結果は徐々に短縮される周回時間２４に同期して、加速電圧９ａの発生タイミングを必要な可変遅延時間パターン１６ａにより制御できたとことも確かめられた。
【０１７５】
従って、予め必要な可変遅延時間パターン１６ａを、本発明である誘導電圧制御装置８の可変遅延時間計算機１３ａに与えることで、パルス密度１７を制御し、非線形励磁領域１５ａの磁場励磁パターン１５を基に計算できる理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅを陽子ビームに与えることができたといえる。
【０１７６】
つまり、陽子ビームが加速できることから、荷電粒子の種類や、磁場励磁パターン１５が変更になったとしても、変更した必要な可変遅延時間パターンを可変遅延時間計算機１３ａに与えること、及び磁場励磁パターン１５に基づく理想的な加速電圧値パターン９ｃに対応する等価的な加速電圧値パターン９ｅを、オンオフ選択器１３ｅに与えることにより、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といえる。
【０１７７】
図１１は図１０の実験結果を加工した図である。図１０では、１０分割された非線形領域での加速電圧値９ｉの変化が十分確認することができないため、図１０で得られた結果を以下に示す方法により加工しグラフを作成した。なお、記号の意味は図１０と同じである。
【０１７８】
検証（１）１８ｃは、比較例（１）１８ａの高周波加速電圧値２１ｂから試験区１８の高周波加速電圧値２１ｂを引いた結果を表すグラフである。
【０１７９】
一方、検証（２）１８ｄは、比較例（２）１８ｂの高周波加速電圧値２１ｂから試験区１８の高周波加速電圧値２１ｂを引いた結果を表すグラフである。
【０１８０】
上記加工により、測定過程におけるノイズの影響を取り除くことができる。なお、ｖ＝０の位置がパルス密度１７の制御を行った場合の結果に相当する。
【０１８１】
図１１の結果から、バンチ３の１０周回ごとを制御単位１５ｃとしてパルス密度１７を制御したことから、非線形励磁領域１５ａ（０から１００ｍｓ）において、等価的な加速電圧値パターン９ｅに対応する、１０ｍｓごとの加速電圧値９ｉの上昇を確認できる。
【０１８２】
図１２は速い繰り返しと加速電圧値を示す図である。シンクロトロンの運転方式には、速い繰り返し方式と、遅い繰り返し方式がある。何れも荷電粒子ビームを加速する過程において時間的に変動する磁場励磁パターン１５、１９をもつ。
【０１８３】
上述のように、一定値である加速電圧９ａを用いて、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５に同期して、任意の荷電粒子を任意のエネルギーレベルまで加速できることを説明したが、本発明である誘導電圧制御装置８及びその制御方法によれば、速い繰り返しの磁場励磁パターン１９であっても、加速用の誘導電圧９を同期させることができる。
【０１８４】
速い繰り返しとは、荷電粒子を前段加速器からの入射１４ａから開始し、加速を経て、出射１４ｂし、さらに次回の入射１４ａができるまでの時間である１周期２０が約数十ミリ秒程度の速い繰り返しの磁場励磁パターン１９による加速のことをいう。
【０１８５】
第１縦軸Ｂは、誘導加速セルを用いたシンクロトロンの磁場強度で、第２縦軸ｖは誘導電圧値である。第１横軸ｔは、磁場励磁パターン１９の時間的変化であり、第２横軸ｔ（ｖ）は、加速用の誘導電圧９の発生時間であり、ともに荷電粒子ビームが誘導加速セルを用いたシンクロトロンに入射１４ａした時間を基準としている。
【０１８６】
速い繰り返しの磁場励磁パターン１９は、サインカーブの振幅を描くが、この磁場励磁パターン１９に同期する加速用の誘導電圧９の値は、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５から求めるのと同様に、前述の式（７）により計算される。
【０１８７】
式（７）により計算された加速電圧値９ｋが、理想的な加速電圧値パターン１９ａである。理想的な加速電圧値パターン１９ａは、磁場励磁パターン１９のある時間での磁場変化の時間微分に比例するため、理論的にはコサインカーブ形の加速電圧９ｋの変化が求められる。
【０１８８】
当然に、理想的な加速電圧値パターン１９ａと逆向きの理想的なリセット電圧値パターン１９ｃと等価的なリセット電圧９ｂを、荷電粒子ビームの存在しない時間帯に発生させなければならない。
【０１８９】
この磁場励磁パターン１９に同期し加速電圧９ａを印加させるためには、遅い繰り返しの磁場励磁パターン１５の場合に比べ要求される加速電圧値９ｋは、時間とともに著しく増減する。
【０１９０】
しかし、本発明による誘導電圧制御装置８及びその制御方法により、等価的な加速電圧値パターン１９ｂを用いて、複雑な加速電圧値９ｋの変化を伴う速い繰り返しの磁場励磁パターン１９に問題無く同期して、加速電圧９ａを十分高速、かつ正確に制御することができる。
【０１９１】
従って、あらゆる磁場励磁パターンにおいても、本発明である誘導電圧制御装置８及びその制御方法を用いて、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できるといえる。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明である誘導電圧制御装置８は上記効果が得られることから、従来の高周波加速空洞４を用いた高周波シンクロトロン２１を低コストで誘導加速セルを用いたシンクロトロンに改装することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】本発明を含む実験用のシンクロトロンの概略図である。
【図２】加速用誘導加速装置の等価回路である。
【図３】可変遅延時間についての説明図である。
【図４】デジタル信号処理装置の構成図である。
【図５】遅い繰り返しと加速電圧の関係を示す図である。
【図６】等価的な加速電圧値をパルス密度変化によって制御する方法を示す図である。
【図７】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８】パルス密度変化による加速用の誘導電圧の制御方法を例示した図である。
【図９】パルス密度変化による加速制御の実験原理を説明する図である。
【図１０】実験結果を示す図である。
【図１１】実験結果を加工した図である。
【図１２】速い繰り返しと等価的な加速電圧値の関係を示す図である。
【図１３】高周波加速空洞による陽子ビームの加速原理を示す図である。
【図１４】誘導加速セルによる陽子ビームの加速原理を示す図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１      実験用のシンクロトロン
２      設計軌道
３      バンチ
３ａ    進行軸方向
３ｂ    スーパーバンチ
３ｃ    バンチ中心
３ｄ    移動時間
４      高周波加速空洞
４ａ    高周波
４ｂ    高周波
４ｃ    高周波
４ｄ    正の電圧
４ｅ    負の電圧
４ｆ    加速方向
４ｇ    減速方向
５      加速用誘導加速装置
５ａ    伝送線
５ｂ    スイッチング電源
５ｃ    ＤＣ充電器
５ｄ    誘導電圧モニター
５ｅ    誘導電圧シグナル
６      加速用誘導加速セル
６ａ    加速ギャップ
７      バンチモニター
７ａ    通過シグナル
７ｂ    オシロスコープ
７ｃ    伝達時間
７ｄ    伝達時間
８      誘導電圧制御装置
８ａ    ゲート信号パターン
８ｂ    パターン生成器
８ｃ    ゲート親信号
８ｄ    デジタル信号処理装置
９      加速用の誘導電圧
９ａ    加速電圧
９ｂ    リセット電圧
９ｃ    理想的な加速電圧値パターン
９ｄ    理想的なリセット電圧値パターン
９ｅ    等価的な加速電圧値パターン
９ｆ    加速電圧
９ｇ    リセット電圧
９ｈ    平均的な加速電圧値
９ｉ    加速電圧値
１０    加速用誘導加速装置の等価回路
１１    バンクコンデンサー
１１ａ  第１スイッチ
１１ｂ  第２スイッチ
１１ｃ  第３スイッチ
１１ｄ  第４スイッチ
１２    マッチング抵抗
１３    可変遅延時間
１３ａ  可変遅延時間計算機
１３ｂ  可変遅延時間シグナル
１３ｃ  可変遅延時間発生器
１３ｄ  パルス
１３ｅ  オンオフ選択器
１３ｆ  パルス
１３ｇ  ゲート親信号出力器
１３ｈ  速度モニター
１３ｉ  速度シグナル
１３ｊ  偏向電磁石
１３ｋ  ビーム偏向磁場強度シグナル
１４    １周期
１４ａ  入射
１４ｂ  出射
１４ｃ  加速時間
１４ｄ  加速終了
１５    磁場励磁パターン
１５ａ  非線形励磁領域
１５ｂ  線形励磁領域
１５ｃ  制御単位
１６    理想的な可変遅延時間パターン
１６ａ  必要な可変遅延時間パターン
１６ｂ  制御時間単位
１７    パルス密度
１７ａ  パルス間隔
１８    試験区
１８ａ  比較例（１）
１８ｂ  比較例（２）
１８ｃ  検証（１）
１８ｄ  検証（２）
１９    磁場励磁パターン
１９ａ  理想的な加速電圧値パターン
１９ｂ  等価的な加速電圧値パターン
１９ｃ  理想的なリセット電圧値パターン
２０    １周期
２１    高周波シンクロトロン
２１ａ  高周波加速電圧
２１ｂ  高周波加速電圧値
２２    シンクロトロン
２３    閉込用誘導加速セル
２３ａ  負のバリアー電圧
２３ｂ  正のバリアー電圧
２４    周回時間
【図１】
2007018756.tif 000003
【図２】
2007018756.tif 000004
【図３】
2007018756.tif 000005
【図４】
2007018756.tif 000006
【図５】
2007018756.tif 000007
【図６】
2007018756.tif 000008
【図７】
2007018756.tif 000009
【図８】
2007018756.tif 000010
【図９】
2007018756.tif 000011
【図１０】
2007018756.tif 000012
【図１１】
2007018756.tif 000013
【図１２】
2007018756.tif 000014
【図１３】
2007018756.tif 000015
【図１４】
2007018756.tif 000016