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JP2011113901A - Induction acceleration sector cyclotron - Google Patents

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JP2011113901A JP2009271007A JP2009271007A JP2011113901A JP 2011113901 A JP2011113901 A JP 2011113901A JP 2009271007 A JP2009271007 A JP 2009271007A JP 2009271007 A JP2009271007 A JP 2009271007A JP 2011113901 A JP2011113901 A JP 2011113901A
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charged particle
induction
particle beam
accelerating
sector
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Takeshi Takayama
健 高山
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High Energy Accelerator Research Organization
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Abstract

【課題】セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供する。
【解決手段】セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。さらに、その誘導加速サイクロトロンを用いて荷電粒子ビームを加速し、クラスターイオンの加速も可能とした。
【選択図】図1
The present invention provides an induction accelerating sector cyclotron that accelerates a charged particle beam by an induced voltage in an electromagnet array of a sector cyclotron, and further provides a charged particle beam acceleration method capable of repeatedly and effectively accelerating cluster ions.
A charged particle beam that includes a sector electromagnet array of a sector cyclotron and an induction accelerating cell that is connected to a vacuum chamber in a gap between the sector electromagnets and applies an induced voltage to the charged particle beam, and passes through the conductive acceleration cell. The induction acceleration cyclotron is characterized in that a positive induction voltage for accelerating the charged particle beam in the traveling direction is applied to the charged particle beam in synchronization with the charged particle beam. Furthermore, the charged particle beam was accelerated using the induced acceleration cyclotron, and cluster ions could be accelerated.
[Selection] Figure 1

Description

セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供する。   An induction acceleration sector cyclotron for accelerating a charged particle beam by an induced voltage in an electromagnet array of the sector cyclotron is provided, and a charged particle beam acceleration method capable of repeatedly and efficiently accelerating cluster ions is also provided.

60などの低エネルギークラスターイオンを物質に照射することによるナノメーターレベルの表面物性の研究などは近年様々な応用分野を切り開いてきた。しかしながら、これらクラスターイオンの現実的な加速手段は、バンデグラフ等の静電加速器に限られていた。 Such low energy cluster ions of the surface properties of nanometer level by irradiating the material research, such as C 60 has been opened up in recent years various applications. However, the practical means for accelerating these cluster ions has been limited to electrostatic accelerators such as bandegraphs.

従来のサイクロトン、セクター収束サイクロトン、高周波シンクロトロンにおいては、高周波空洞は共振器であるため、可変できる周波数のバンド幅に限界があり、質量数Aと電価数Zの比Z/Aに一定の制限があった。即ち、Z/Aがほぼ等しいイオン種と電価状態に限られる。特にC60等のクラスターイオンの様な著しく質量mの大きいイオンの加速は全く不可能であった。 In the conventional cycloton, sector focusing cyclotron, and high-frequency synchrotron, the high-frequency cavity is a resonator, so there is a limit to the bandwidth of the variable frequency, and the ratio Z / A of the mass number A and the valence number Z is limited. There were certain restrictions. That is, it is limited to an ion species and a valence state in which Z / A is substantially equal. Particularly the acceleration of large ions significantly mass m, such as cluster ions, such as C 60 was absolutely impossible.

発明者等は、特許文献1〜5に示すように、シンクロトンの電磁石配列に誘導加速セルを組み込み、荷電粒子ビームに誘導加速電圧(パルス電圧)印可する誘導加速シンクロトロン誘導加速シンクロトンを既に開発している。原理的には、誘導加速シンクロトロンにおいても、クラスターイオンの加速は可能である。クラスターイオンとは、分子状のイオンである。   As shown in Patent Documents 1 to 5, the inventors have already introduced an induction acceleration synchrotron induction acceleration synchroton in which an induction acceleration cell is incorporated in an electromagnet array of synchroton and an induction acceleration voltage (pulse voltage) is applied to a charged particle beam. We are developing. In principle, cluster ions can also be accelerated in the induction acceleration synchrotron. A cluster ion is a molecular ion.

誘導加速シンクロトロンに関しては、全種イオンを加速可能とする特許文献1、1の誘導加速セルで加速及び閉じ込めを可能とする特許文献2、さらにシンクロトロン振動を制御する特許文献3、誘導電圧の印可制御に関する特許文献4、誘導電圧による荷電粒子ビームの軌道を制御する引用文献5が公開されている。   As for the induction accelerating synchrotron, Patent Document 1 that enables acceleration of all species ions, Patent Document 2 that enables acceleration and confinement in the induction accelerating cell of Patent Document 1, Patent Document 3 that controls synchrotron oscillation, Patent Document 3 Patent Literature 4 relating to application control and Cited Literature 5 for controlling the trajectory of a charged particle beam by induced voltage are disclosed.

特開2006−310013号公報JP 2006-310013 A 特開2007−165220号公報JP 2007-165220 A 特開2007−18757号公報JP 2007-18757 A 特開2007−18756号公報JP 2007-18756 A 特開2007−18849号公報JP 2007-18849 A

一方、誘導加速シンクロトロンである全種イオン加速器でも、原理的に、重イオン、クラスターイオンの加速も可能であるが、通常用いる常伝導電磁石の磁場のダイナミックレンジは小さいく、静電加速を大幅に超えた高いエネルギーまでクラスターイオンを加速できない。   On the other hand, all types of ion accelerators, which are induction-accelerated synchrotrons, can in principle accelerate heavy ions and cluster ions, but the normal magnetic field has a small dynamic range, and electrostatic acceleration is greatly increased. The cluster ions cannot be accelerated to a high energy exceeding this.

他方、偏向磁石として超電導電磁石の磁場の大きなダイナミックレンジ(0.1Tesla〜10Tesla)を使うことも原理的には可能である。しかし、ダイナミックレンジの大きな超電導電磁石は低磁場領域の磁場の一様性が十分ではない。加えて、現在製作し得る超電導電磁石の励磁速度は高繰り返しシンクロトロンに使用できる程速くなく、超高磁場まで励磁するのに時間を要するので高繰り返し加速器には向かない。   On the other hand, it is also possible in principle to use a large dynamic range (0.1 Tesla to 10 Tesla) of a superconducting electromagnet as a deflection magnet. However, superconducting electromagnets with a large dynamic range do not have sufficient magnetic field uniformity in the low magnetic field region. In addition, the excitation speed of superconducting electromagnets that can be manufactured at present is not so fast that it can be used for a high repetition synchrotron, and it takes time to excite even a very high magnetic field, so it is not suitable for a high repetition accelerator.

そこで、本発明は、セクターサイクロトロンの電磁石配列において、誘導電圧により荷電粒子ビームを加速する誘導加速セクターサイクロトロンを提供し、さらにクラスターイオンも効率的かつ現実的に繰り返し加速できる荷電粒子ビームの加速方法を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides an induction accelerating sector cyclotron that accelerates a charged particle beam by an induced voltage in an electromagnet arrangement of a sector cyclotron, and further provides a charged particle beam acceleration method that can efficiently and realistically accelerate cluster ions. The issue is to provide.

本発明は、上記の課題を解決するために、セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロンの構成とした。   In order to solve the above problems, the present invention comprises a sector electromagnet array of a sector cyclotron and an induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in a gap between the sector electromagnets to apply an induced voltage to a charged particle beam, The induction accelerating cyclotron has a configuration in which a positive induced voltage for accelerating the charged particle beam in the traveling direction is applied to the charged particle beam in synchronization with the charged particle beam passing through the guiding acceleration cell.

また、前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第1誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第2誘導加速セルとからなり、前記第1誘導加速セルと第2誘導加速セルの1次コイルを交差させ直列に繋ぎ、1のスイッチング電源の駆動によって前記第1、第2誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第1、第2誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。また前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第1、第2誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする前記記載の誘導加速サイクロトロンの構成とした。   The induction accelerating cell includes a first induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in a gap between sector electromagnets and a second induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in another gap, and the first induction accelerating cell. And the first coils of the second induction accelerating cell are crossed and connected in series, and the first and second induction accelerating cells simultaneously generate induced voltages in the positive and negative directions by driving one switching power source, and the first, The structure of the induction accelerating cyclotron described above is characterized in that a positive induction voltage for accelerating the charged particle beam in the traveling direction is applied to the charged particle beam in synchronization with the charged particle beam passing through the second induction accelerating cell. . Further, the synchronization is connected to a vacuum chamber of any gap or a gap different from the gap, and a bunch monitor that senses the passage of a charged particle beam is connected, and based on the passing signal of the charged particle beam from the bunch monitor, The induction accelerating cyclotron according to the above, wherein the driving timing of the switching power source is controlled, and a positive induced voltage is applied to the charged particle beam at a timing when the charged particle beam passes through the first and second induction accelerating cells. The configuration was as follows.

さらに、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第3誘導加速セルを接続したことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速サイクロトロン。   Further, a negative induced voltage that accelerates in the direction opposite to the traveling direction is applied to the head of the charged particle beam in the vacuum chamber of any one of the gaps or another gap different from the gap, and the tail of the charged particle beam The induction accelerating cyclotron according to any one of the above, wherein a third induction accelerating cell for confining a charged particle beam is connected by applying a positive induction voltage that accelerates in the traveling direction.

加えて、前記第1、第2の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。また前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする前記何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロンの構成とした。   In addition, the structure of the induction accelerating sector cyclotron according to any one of the above, wherein the first and second induction accelerating cells are connected to vacuum chambers located in opposing gaps in the ring of the sector cyclotron. It was. The induction accelerating sector cyclotron according to any one of the above, wherein a gradient is provided on the upper and lower magnetic pole surfaces of the sector electromagnet so that an internal space extends toward the center of the ring, and the magnetic field strength of the sector electromagnet is given a gradient. The configuration.

そして、前記の何れか1項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法の構成とした。   Then, the charged particle beam acceleration method is characterized in that the charged particle beam of cluster ions is accelerated by the induction acceleration sector cyclotron described in any one of the above.

本発明は、上記構成であるので以下の効果を発揮する。即ち、セクターサイクロトロンの電磁石配列に、誘導加速セルを組み合わせることで、バンデグラフ等の静電加速しか現実的な加速方法の無かったクラスターイオンをも、極めて高いエネルギーレベルまで繰り返し加速可能になる。また、従来からの原子状イオン、その重イオンなど、周期表にある全ての元素であって、元素が原理的に取り得る全ての電価状態の荷電粒子ビームを電磁石の磁場強度の許容する範囲において、任意のエネルギーレベルまで加速することができる。   Since this invention is the said structure, the following effects are exhibited. That is, by combining an induction acceleration cell with the electromagnet array of the sector cyclotron, it is possible to repeatedly accelerate a cluster ion, such as a bandegraph, which has only an actual acceleration method, such as a bandegraph, to an extremely high energy level. In addition, all the elements in the periodic table, such as conventional atomic ions and their heavy ions, and the charged particle beam of all the valence states that the element can take in principle, the allowable range of the magnetic field strength of the electromagnet Can be accelerated to any energy level.

また、誘導加速を採用することで、ビームを低エネルギーから高エネルギーまで加速可能になるので、従来のセクターサイクロトロンに必須であった前段加速としてのSFサイクロトロンや線形加速器が不要なる。従って、イオン源からのイオンを入射装置によってダイレクトにビームをセクターサイクロトロンに入射できるため、極めて廉価にセクターサイクロトロンを構築することができる。勿論、前段加速器を用いてもよい。 Further, by adopting induction acceleration, the beam can be accelerated from low energy to high energy, so that the SF cyclotron and the linear accelerator as the pre-stage acceleration which are essential for the conventional sector cyclotron are not required. Therefore, since the beam from the ion source can be directly incident on the sector cyclotron by the injection device, the sector cyclotron can be constructed at a very low cost. Of course, a pre-stage accelerator may be used.

例えば、クラスターイオンとして、7価のC60を加速した場合には、(独)理化学研究所に現存するリングサイクロトロンの規模で、磁極間の磁束密度B=1.6Teslaとすれば、イオン源から直接入射されたC60荷電粒子ビームを約126MeVまで加速可能になる。 For example, the cluster ions, when accelerated heptavalent C 60 is the (German) Ring Cyclotron scale of extant RIKEN, if the magnetic flux density B = 1.6Tesla between the magnetic poles, from the ion source The directly incident C 60 charged particle beam can be accelerated to about 126 MeV.

本発明である誘導加速セクターサイクロトロンの平面模式図(一例)である。It is a plane schematic diagram (an example) of the induction acceleration sector cyclotron which is the present invention. 荷電粒子ビームの加速用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。It is an example of the block diagram of the pulse voltage generator for acceleration of a charged particle beam. 荷電粒子ビームの閉じ込用のパルス電圧発生装置の構成図の一例である。It is an example of the block diagram of the pulse voltage generator for the confinement of a charged particle beam. 真空チャンバーと連結している誘導加速セルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the induction | guidance | derivation acceleration cell connected with the vacuum chamber. セクター電磁石のサイクロトロン中心部から半径方向の垂直断面模式図である。It is a vertical cross-sectional schematic diagram of the radial direction from the cyclotron center part of a sector electromagnet. 誘導加速セルの駆動パターンの模式図である。It is a schematic diagram of the drive pattern of an induction acceleration cell.

以下、本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an induction acceleration sector cyclotron and a charged particle beam acceleration method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示すように、誘導加速セクターサイクロトロン1は、セクターサイクロトロンのセクター電磁石2配列と、セクター電磁石2間のギャップ3の真空チャンバー13に接続し荷電粒子ビーム10に誘導電圧を印可する3台の誘導加速セル(第1誘導加速セル6(加速用)、第2誘導加速セル7(加速用)、第3誘導加速セル8(閉じ込め用))とからなり、加速用の誘導加速セルを通過する荷電粒子ビーム10に同期して荷電粒子ビーム10を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム10に印加する。この構成により荷電粒子ビームの加速を可能にする。   As shown in FIG. 1, the induction accelerating sector cyclotron 1 is connected to a sector electromagnet 2 array of sector cyclotrons and a vacuum chamber 13 in a gap 3 between the sector electromagnets 2 to apply an induced voltage to the charged particle beam 10. It consists of induction acceleration cells (first induction acceleration cell 6 (for acceleration), second induction acceleration cell 7 (for acceleration), third induction acceleration cell 8 (for confinement)), and passes through the induction acceleration cell for acceleration. A positive induced voltage that accelerates the charged particle beam 10 in the traveling direction in synchronization with the charged particle beam 10 is applied to the charged particle beam 10. This configuration enables acceleration of the charged particle beam.

図1に示した破線は、ビーム軌道10aである。荷電粒子ビーム10は、イオン源で生成され、誘導加速セクターサイクロトロン1の真空チャンバー13内に入射装置4を用いてダイレクトに入射される。そして、誘導加速セルで加速されつつ、セクター電磁石2内で偏向させられ、周回を重ねる毎に、回転半径を増大させ、一定磁場の中を加速する。そして、加速終了後は出射装置5によりリング外に取り出され、種々の用途に利用される。   The broken line shown in FIG. 1 is the beam trajectory 10a. The charged particle beam 10 is generated by an ion source and directly incident on the vacuum chamber 13 of the induction accelerating sector cyclotron 1 using the injection device 4. Then, while being accelerated by the induction accelerating cell, it is deflected in the sector electromagnet 2, and the rotation radius is increased and the constant magnetic field is accelerated each time the circuit is repeated. And after completion | finish of acceleration, it takes out out of a ring with the extracting device 5, and is utilized for various uses.

加速用の誘導加速セルは、セクター電磁石2間のギャップ3の真空チャンバー13に接続した第1誘導加速セル6と、他のギャップ3の真空チャンバー13に接続した第2誘導加速セル7とからなる。   The acceleration induction cell for acceleration includes a first induction acceleration cell 6 connected to the vacuum chamber 13 in the gap 3 between the sector electromagnets 2 and a second induction acceleration cell 7 connected to the vacuum chamber 13 in the other gap 3. .

そして、第1誘導加速セル6と第2誘導加速セル7の1次コイル7eを交差させ直列に繋ぎ、第1、第2誘導加速セル6、7に同時に正負逆向きの誘導電圧をパルス電圧発生装置11の制御によって発生させるとともに、第1、第2誘導加速セル6、7を通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビーム10を進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビーム10に印加する。 Then, the primary coils 7e of the first induction accelerating cell 6 and the second induction accelerating cell 7 are crossed and connected in series, and induced voltages in the positive and negative directions are simultaneously generated in the first and second induction accelerating cells 6 and 7. A positive induced voltage is generated in the charged particle beam 10 that is generated by the control of the apparatus 11 and accelerates the charged particle beam 10 in the traveling direction in synchronization with the charged particle beam passing through the first and second induction accelerating cells 6 and 7. Apply.

前記同期は、前記ギャップ3と異なるギャップ3の真空チャンバー13に、荷電粒子ビーム10の通過を感知するバンチモニタ9を接続し、バンチモニタ9からの荷電粒子ビーム10の通過シグナル9aに基づき、パルス電圧発生装置11によって制御される。パルス電圧発生装置11から、励磁電流11aが図1矢印方向に流れることによって、第1、第2誘導加速セル6、7に誘導電圧が生成される。   The synchronization is performed by connecting a bunch monitor 9 that senses the passage of the charged particle beam 10 to the vacuum chamber 13 in the gap 3 different from the gap 3, and based on the passage signal 9 a of the charged particle beam 10 from the bunch monitor 9. It is controlled by the voltage generator 11. When the exciting current 11a flows in the direction of the arrow in FIG. 1 from the pulse voltage generator 11, an induced voltage is generated in the first and second induction accelerating cells 6 and 7.

荷電粒子ビーム10の閉じ込め用の誘導電圧を印可する第3誘導加速セル8も、バンチモニタ9からの通過シグナル9aを基に、誘導電圧の発生タイミングがパルス電圧発生装置12によって制御される。パルス電圧発生装置12と第3誘導加速セル8は、1次コイル7eで接続され、第3誘導加速セル8もパルス電圧発生装置12から励磁電流12aを受けて発生する誘導電圧を荷電粒子ビーム10に印可する。   In the third induction accelerating cell 8 that applies an induction voltage for confining the charged particle beam 10, the generation timing of the induction voltage is controlled by the pulse voltage generator 12 based on the passing signal 9 a from the bunch monitor 9. The pulse voltage generator 12 and the third induction accelerating cell 8 are connected by a primary coil 7e, and the third induction accelerating cell 8 also receives an excitation current 12a from the pulse voltage generator 12 to generate an induction voltage generated by the charged particle beam 10. Apply to.

本発明である誘導加速セクターサイクロトロン1は、従来のセクターサイクロトロンのセクター電磁石2配列及び真空チャンバー13、さらにセクター電磁石2等のシステム全体を再利用することができる。なお、従来のセクターサイクロトロンの加速手段である高周波加速空洞、高周波源及びその制御系は不要である。但し、高周波加速空洞は、本発明においても荷電粒子ビーム10の種類によっては、荷電粒子ビーム10の閉じ込め装置として利用できる。   The induction accelerating sector cyclotron 1 according to the present invention can reuse the entire system of the sector electromagnet 2 array and the vacuum chamber 13 of the conventional sector cyclotron, and the sector electromagnet 2 and the like. Note that a high-frequency accelerating cavity, a high-frequency source, and a control system therefor are not required as conventional sector cyclotron acceleration means. However, the high-frequency accelerating cavity can also be used as a confining device for the charged particle beam 10 in the present invention depending on the type of the charged particle beam 10.

図1では、3台の誘導加速セル6、7、8を用いた例を示したが、加速用の誘導電圧、閉じ込め用の誘導電圧発生タイミングを1のパルス電圧発生装置11で制御することも可能である。発明者等は、既に特許文献2で、荷電粒子ビームの加速に際して、周回毎に閉じ込め用の誘導電圧を同時には必ずしも必要としないことを見出している。しかしながら、荷電粒子ビームの加速と閉じ込めは別制御系とする方がその制御が容易であることから望ましい。また、特許文献1に示すように、加速用の誘導加速セルと閉じ込め用の誘導加速セルをそれぞれ1台とし、それらを別々のパルス電圧発生装置で加速用と閉じ込め用の誘導電圧の発生タイミングの制御を行うことも可能である。   In FIG. 1, an example using three induction accelerating cells 6, 7, and 8 has been shown. Is possible. The inventors have already found in Patent Document 2 that, at the time of acceleration of a charged particle beam, an induced voltage for confinement is not necessarily required for each revolution. However, acceleration and confinement of the charged particle beam are desirable because separate control systems are easier to control. Further, as shown in Patent Document 1, each of the acceleration induction cell for acceleration and the induction acceleration cell for confinement is set as one unit, and the generation timing of the induction voltage for acceleration and confinement is determined by separate pulse voltage generators. It is also possible to perform control.

図2に示すように、パルス電圧発生装置11は、デジタル信号装置14とパターン生成器15とスイッチング電源16とDC充電器17と電送線18と誘導電圧モニタ19からなり、誘導加速セル(第1、第2誘導加速セル6、7)で発生する誘導電圧20の発生タイミングをバンチモニタ9からの荷電粒子ビーム10の通過シグナル9aを利用し、荷電粒子ビーム10の一部に誘導電圧20(図中に点線で示した。)が印加されるように制御する装置である。詳しくは特許文献1〜5に説明されている。   As shown in FIG. 2, the pulse voltage generator 11 includes a digital signal device 14, a pattern generator 15, a switching power supply 16, a DC charger 17, a transmission line 18, and an induced voltage monitor 19. , The generation timing of the induced voltage 20 generated in the second induction accelerating cell 6, 7) is determined by using the passing signal 9 a of the charged particle beam 10 from the bunch monitor 9 and the induced voltage 20 (see FIG. This is a device for controlling so as to be applied. Details are described in Patent Documents 1 to 5.

図2中破線で示された矢印は、荷電粒子ビーム10のビーム軌道10aであり、リング内側から、入射直後のビーム軌道、2周回目のビーム軌道、出射前1周目のビーム軌道、出射周回のビーム軌道である。なお、その間の周回は点線で表し省略した。   An arrow indicated by a broken line in FIG. 2 is a beam trajectory 10a of the charged particle beam 10. From the inside of the ring, a beam trajectory immediately after incidence, a second beam trajectory, a beam trajectory in the first round before emission, and an outgoing orbit. The beam trajectory. In addition, the lap | rotation in the meantime was represented with the dotted line, and was abbreviate | omitted.

バンチモニタ9は、ビーム軌道の全体を取り囲むように真空チャンバー13に接続され、その中に荷電粒子ビームを通し荷電粒子ビーム10の通過を感知するモニタで、荷電粒子ビーム10が通過した瞬間にあわせてパルスである通過シグナル9aを発生させる。検出された通過シグナル9aは、デジタル信号装置14に入力され、誘導電圧20の発生タイミングを荷電粒子ビーム10の通過に同期させる制御に用いる。   The bunch monitor 9 is connected to the vacuum chamber 13 so as to surround the entire beam trajectory, and detects the passage of the charged particle beam 10 through the charged particle beam. Then, a passing signal 9a which is a pulse is generated. The detected passage signal 9 a is input to the digital signal device 14 and used for control to synchronize the generation timing of the induced voltage 20 with the passage of the charged particle beam 10.

スイッチング電源16は、誘導加速セルに伝送線18を介してパルス電圧を与える。高繰り返し動作可能である。スイッチング電源16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誘導加速セルに正の誘導電圧20aと負の誘導電圧20bを発生させる。DC充電器17は、スイッチング電源16に電力を供給する。スイッチング電源16のオン及びオフ動作をパターン生成器15、デジタル信号処理装置14で制御する。誘導電圧モニタ19は、誘導加速セルより印加された誘導電圧値を測定するモニタである。 The switching power supply 16 applies a pulse voltage to the induction accelerating cell via the transmission line 18. High repeatability is possible. The switching power supply 16 generally has a plurality of current paths, adjusts the current passing through each branch, and controls the direction of the current to generate a positive induced voltage 20a and a negative induced voltage 20b in the induction accelerating cell. Let The DC charger 17 supplies power to the switching power supply 16. The on / off operation of the switching power supply 16 is controlled by the pattern generator 15 and the digital signal processing device 14. The induced voltage monitor 19 is a monitor for measuring the induced voltage value applied from the induction accelerating cell.

誘導電圧20は、正及び負の誘導電圧からなる。正の誘導電圧20aは、荷電粒子ビーム10の一部を進行方向(図中破線矢印)に加速するための誘導電圧である。負の誘導電圧20bは誘導加速セルの磁気的飽和を回避する誘導電圧ある。なお、荷電粒子ビーム10の閉じ込め用の誘導加速セル8においては、負の誘導電圧20bは、荷電粒子ビーム10の進行方向と逆向きに加速させる。   The induced voltage 20 is composed of positive and negative induced voltages. The positive induced voltage 20a is an induced voltage for accelerating a part of the charged particle beam 10 in the traveling direction (broken arrow in the figure). The negative induced voltage 20b is an induced voltage that avoids magnetic saturation of the induction accelerating cell. In the induction accelerating cell 8 for confining the charged particle beam 10, the negative induced voltage 20 b is accelerated in the direction opposite to the traveling direction of the charged particle beam 10.

パターン生成器15は、スイッチング電源16のオン及びオフ動作を制御するゲート信号パターン15を生成する。即ち、ゲート親信号14aを基にスイッチング電源16の電流路のオン及びオフの組み合わせへと変換する装置である。デジタル信号処理装置14は、パターン生成器15によるゲート信号パターン15aの生成のもと信号であるゲート親信号14aを計算する。   The pattern generator 15 generates a gate signal pattern 15 that controls the on / off operation of the switching power supply 16. That is, the device converts the current path of the switching power supply 16 into a combination of on and off based on the gate parent signal 14a. The digital signal processing device 14 calculates a gate parent signal 14a which is a signal based on the generation of the gate signal pattern 15a by the pattern generator 15.

ゲート信号パターン715は、誘導加速セルより印加される誘導電圧20を制御するパターンである。誘導電圧20を印加する際に、その印加時間と発生タイミングを決定する信号及び正の誘導電圧及び負の誘導電圧と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7jによって加速する荷電粒子ビーム10の長さに合わせて誘導電圧20の印可タイミング、印可時間の調節が可能である。   The gate signal pattern 715 is a pattern for controlling the induced voltage 20 applied from the induction accelerating cell. When the induced voltage 20 is applied, it is a signal for determining the application time and generation timing, and a signal for determining a pause time between the positive induced voltage and the negative induced voltage. Therefore, the application timing and application time of the induced voltage 20 can be adjusted according to the length of the charged particle beam 10 accelerated by the gate signal pattern 7j.

図3に示すように、パルス電圧発生装置12は、パルス電圧発生装置11と同一構成であるので、それら同一構成の説明は省略する。ただし、荷電粒子ビーム10の閉じ込め用である第3誘導加速セル8の駆動のみを制御する。即ち、荷電粒子ビーム10の頭部に負の誘導電圧20bを、荷電粒子の尾部に正の誘導電圧20aを印加する。それにより、荷電粒子ビーム10のシンクロトン振動を制御し、荷電粒子ビーム10の拡散による損失を防ぐ(「(荷電粒子ビームの)閉じ込め」という。)   As shown in FIG. 3, the pulse voltage generator 12 has the same configuration as the pulse voltage generator 11, and thus the description of the same configuration is omitted. However, only the driving of the third induction accelerating cell 8 for confining the charged particle beam 10 is controlled. That is, a negative induced voltage 20b is applied to the head of the charged particle beam 10, and a positive induced voltage 20a is applied to the tail of the charged particle. Thereby, the synchronous oscillation of the charged particle beam 10 is controlled, and loss due to the diffusion of the charged particle beam 10 is prevented (referred to as “(charged particle beam) confinement”).

閉じ込め手段として、閉じ込め用の第3誘導加速セル8及びその駆動を制御するパルス電圧発生装置12を組み込むことで、荷電粒子ビーム10の閉じ込めも誘導電圧で行うことができる。これにより、荷電粒子ビームの種類を限定することなく、イオンクラスターの加速をも可能にする。なお、荷電粒子ビーム10の種類、加速エネルギーレベルによっては誘導加速セル8に換え、従来の高周波加速空洞も閉じ込めに採用することができる。   By incorporating the third induction accelerating cell 8 for confinement and the pulse voltage generator 12 for controlling the driving thereof as the confinement means, the charged particle beam 10 can also be confined by the induced voltage. This also enables acceleration of ion clusters without limiting the type of charged particle beam. Depending on the type of the charged particle beam 10 and the acceleration energy level, a conventional high-frequency acceleration cavity can be used for confinement instead of the induction acceleration cell 8.

ここで、誘導加速セル(第1、第2、第3誘導加速セル6、7、8)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。以下、第2誘導加速セル7の断面を用いて誘導電圧20の発生原理を説明する。 Here, the induction accelerating cells (first, second, and third induction accelerating cells 6, 7, and 8) have the same structure in principle as the induction accelerating cells for linear induction accelerators that have been manufactured so far. . Hereinafter, the principle of generation of the induced voltage 20 will be described using the cross section of the second induction accelerating cell 7.

図4に示すように、第2誘導加速セル7は、内容器7a及び外容器7bからなる2重構造で、外容器7bの内に磁性体7cが挿入されてインダクタンスを作る。荷電粒子ビーム10が周回する真空チャンバー13と接続された内容器7aの一部はセラミックなどの絶縁体7dでできている。   As shown in FIG. 4, the second induction accelerating cell 7 has a double structure including an inner container 7a and an outer container 7b, and a magnetic body 7c is inserted into the outer container 7b to create an inductance. A part of the inner container 7a connected to the vacuum chamber 13 around which the charged particle beam 10 circulates is made of an insulator 7d such as ceramic.

トロイダル形状の磁性体7cを取り囲む1次コイル7eにスイッチング電源16に接続されたDC充電器17からパルス電圧16aを印加すると、1次コイル7eには1次電流(励磁電流11a)が流れる。この励磁電流11aは1次コイル7eの周りに磁束を発生させ、1次コイル7eに囲まれた磁性体7cが励磁される。   When a pulse voltage 16a is applied from the DC charger 17 connected to the switching power supply 16 to the primary coil 7e surrounding the toroidal magnetic body 7c, a primary current (excitation current 11a) flows through the primary coil 7e. The exciting current 11a generates a magnetic flux around the primary coil 7e, and the magnetic body 7c surrounded by the primary coil 7e is excited.

これにより磁性体7cを貫く磁束密度Bが時間的に増加する。このとき絶縁体7cを挟んで、導体の内容器7aの両端部7fである2次側の絶縁体7d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。この誘導電場が荷電粒子ビーム10を加速させる加速電場7gとなる。この加速電場7gが生じる部分を加速ギャップ7hという。従って、第2誘導加速セル7は1対1のトランスである。   As a result, the magnetic flux density B penetrating the magnetic body 7c increases with time. At this time, an induction electric field is generated in accordance with Faraday's induction law at the secondary insulator 7d, which is both ends 7f of the conductor inner container 7a, across the insulator 7c. This induction electric field becomes an acceleration electric field 7 g for accelerating the charged particle beam 10. A portion where the acceleration electric field 7g is generated is referred to as an acceleration gap 7h. Therefore, the second induction accelerating cell 7 is a one-to-one transformer.

第2誘導加速セル7の1次コイル7eにパルス電圧16aを発生させるスイッチング電源16を接続し、スイッチング電源16を外部からオン及びオフすることで、加速電場7gの発生を自由に制御することができる。従って、第2誘導加速セル7は、1次コイル7eにスイッチング電源16からパルス電圧16を受けて、2次側絶縁体7d部に誘導され荷電粒子ビーム10に印加される誘導電圧20を生成する。第1誘導加速セル7、第3誘導加速セル8においても同じ。 A switching power supply 16 for generating a pulse voltage 16a is connected to the primary coil 7e of the second induction accelerating cell 7, and the generation of the acceleration electric field 7g can be freely controlled by turning the switching power supply 16 on and off from the outside. it can. Accordingly, the second induction accelerating cell 7 receives the pulse voltage 16 from the switching power supply 16 in the primary coil 7e, and generates the induced voltage 20 that is induced in the secondary insulator 7d and applied to the charged particle beam 10. . The same applies to the first induction acceleration cell 7 and the third induction acceleration cell 8.

図5に示すように、セクター電磁石2の上下磁極面2aには、リング中心部1aに向け内部空間が広がるよう勾配2cが設けられている。セクター電磁石2のリング中心部1a側は、磁極間が遠くなることで、磁束密度Bがリング中心1aに向かって低下する磁束密度勾配が起きる。   As shown in FIG. 5, the upper and lower magnetic pole surfaces 2a of the sector electromagnet 2 are provided with a gradient 2c so that the internal space is widened toward the ring central portion 1a. On the ring center portion 1a side of the sector electromagnet 2, a magnetic flux density gradient in which the magnetic flux density B decreases toward the ring center 1a occurs due to the distance between the magnetic poles becoming far.

質量mで電荷eの荷電粒子が、速度vで磁束密度Bの一様な磁場の中を磁場に直角に運動する時、荷電粒子に働くロ−レンツ力Fは、e・v・Bである。この時の荷電粒子のリング中心0からの回転半径rであればロ−レンツ力Fと遠心力の釣り合いの条件から、
F=mv/r =e・v・B (式1)
となる。
When a charged particle of charge e at mass m moves in a uniform magnetic field of magnetic flux density B at velocity v at right angles to the magnetic field, the Lorentz force F acting on the charged particle is e · v · B. . At this time, if the radius of rotation of the charged particle from the ring center 0 is r, from the condition of the balance between the Lorentz force F and the centrifugal force,
F = mv 2 / r = e · v · B (Formula 1)
It becomes.

従って、リング中心部1a側の磁束密度Bが低ければ、式1に明らかなように、入射直後の荷電粒子の回転半径(ρ1)が大きくなる。その結果、誘導加速セルのリング中心部1a側の磁性体7c及び磁性体7cを収納する外容器7bを設置するスペースをリング中心部1aに十分に確保することができるようになる。   Therefore, if the magnetic flux density B on the ring center portion 1a side is low, as is apparent from Equation 1, the rotational radius (ρ1) of the charged particles immediately after incidence increases. As a result, a sufficient space can be secured in the ring center portion 1a for installing the magnetic body 7c on the ring center portion 1a side of the induction accelerating cell and the outer container 7b for storing the magnetic body 7c.

なお、図5のρ2は出射時の回転半径である。また、Δは入射時の回転半径と次周回の回転半径の差(軌道分離幅)であり、Δは出射時の回転半径と出射1周回前の軌道分離幅である。軌道分離幅は、磁極面2bの勾配2c部と、平坦部で異なる。勾配2c部では、磁力密度が低下することから平坦部より広くなる。rで示す矢印は、半径軸方向である。 Note that ρ2 in FIG. 5 is a rotation radius at the time of emission. Also, delta 1 is a difference in rotational radii of the rotational radius and the next lap of the time of incidence (orbital separation width), delta 2 is a track width of separation before exiting one round and the rotation radius at the time of emission. The orbit separation width differs between the gradient 2c portion of the magnetic pole surface 2b and the flat portion. The gradient portion 2c is wider than the flat portion because the magnetic density decreases. The arrow indicated by r is the radial axis direction.

図6(A)は第1誘導加速セル6と第2誘導加速セルの誘導電圧の向きの変動を表している。そして図6(B)は(A)における第1誘導加速セル6の誘導電圧値(V1(t))、(C)は(A)における第2誘導加速セル7の誘導電圧値(V2(t))を時間軸tで表している。   FIG. 6A shows the variation in the direction of the induced voltage of the first induction accelerating cell 6 and the second induction accelerating cell. 6B shows the induced voltage value (V1 (t)) of the first induction accelerating cell 6 in (A), and FIG. 6C shows the induced voltage value (V2 (t) of the second induced acceleration cell 7 in (A). )) Is represented by a time axis t.

図6(A)〜(C)に表されているように、第1誘導加速セル6と第2誘導加速セル7は、パルス電圧発生装置11の1のスイッチング電源16に、1次コイルを交差させ直列に繋がれている。そして、1次コイル7eに励磁電流11aが流れ(矢印の向き)で誘導電圧(このタイミング(t1<t<t2)では、第1誘導加速セル6において実線で示した正の誘導電圧2a、第2誘導加速セル7においては実線で示した負の誘導電圧20b)が発生する。正の誘導電圧20aは荷電粒子ビーム10に印加され、荷電粒子ビーム10を加速する。   As shown in FIGS. 6A to 6C, the first induction accelerating cell 6 and the second induction accelerating cell 7 cross the primary coil with one switching power supply 16 of the pulse voltage generator 11. Connected in series. The exciting current 11a flows through the primary coil 7e (in the direction of the arrow) and the induced voltage (at this timing (t1 <t <t2), the positive induced voltage 2a indicated by the solid line in the first induction accelerating cell 6 is In the two-induction acceleration cell 7, a negative induction voltage 20b) indicated by a solid line is generated. A positive induced voltage 20 a is applied to the charged particle beam 10 to accelerate the charged particle beam 10.

この時の磁束密度Bの向きは、磁性体7c中に表されている。即ち、第1誘導加速セル6の磁性体7c中の○に黒塗りの点が図6奥から手前に、第2誘導加速セル7の磁性体7c中の○に×が図手前から奥に向かって磁束密度7iの向きが形成されていることを意味する。   The direction of the magnetic flux density B at this time is represented in the magnetic body 7c. That is, a black dot on the circle in the magnetic body 7c of the first induction accelerating cell 6 is from the back of FIG. 6, and a circle in the magnetic body 7c of the second induction acceleration cell 7 is from the front to the back. This means that the direction of the magnetic flux density 7i is formed.

また、荷電粒子ビーム10が、第2誘導加速セル7に到達する時刻t2<t<t3では、スイッチング電源16からのバルス電圧16aの向きが逆向きに代わり、励磁電流11aが逆に流れることで、第1誘導加速セル6において破線で示した負の誘導電圧2b、第2誘導加速セル7においては破線で示した正の誘導電圧20aが生成される。   Further, at the time t2 <t <t3 when the charged particle beam 10 reaches the second induction accelerating cell 7, the direction of the pulse voltage 16a from the switching power supply 16 is reversed and the excitation current 11a flows in reverse. In the first induction accelerating cell 6, a negative induced voltage 2b indicated by a broken line is generated, and in the second induced accelerating cell 7, a positive induced voltage 20a indicated by a broken line is generated.

このように、2台の第1、第2誘導加速セル6、7の1次コイル7eを交差させ直列に繋ぐことで、図6(B)、(C)に示したように、第1、第2誘導加速セル6、7に同時に正負逆向きの誘導電圧20を発生させることができる。図6(B)、(C)に点線で示した縦線は、同時刻(t1、t2、t3)が対応していることを表している。   As shown in FIGS. 6B and 6C, the primary coils 7e of the two first and second induction accelerating cells 6 and 7 are crossed and connected in series as described above. The induced voltages 20 in the positive and negative directions can be simultaneously generated in the second induction accelerating cells 6 and 7. The vertical lines indicated by dotted lines in FIGS. 6B and 6C indicate that the same time (t1, t2, t3) corresponds.

従って、2台の第1、第2誘導加速セル6、7の1次コイル7eを交差させ直列に繋ぐことで、荷電粒子ビーム1周回辺り、荷電粒子ビームは2度の正の誘導電圧20aを受けることになるので、極めて効率的に荷電粒子ビーム10を加速することが可能になる。また誘導電圧20の発生を1のスイッチング電源16の駆動で制御することができるので、制御が容易であるとともに、初期費用を抑えることができる。   Therefore, the primary coil 7e of the two first and second induction accelerating cells 6 and 7 is crossed and connected in series, so that the charged particle beam has a positive induced voltage 20a twice around the charged particle beam. Therefore, the charged particle beam 10 can be accelerated very efficiently. In addition, since the generation of the induction voltage 20 can be controlled by driving one switching power supply 16, the control is easy and the initial cost can be reduced.

また、第1誘導加速セル6と第2誘導加速セル7の1次コイル7eを交差させ直列に繋ぐ場合には、セクターサイクロトロンのリングにおいて、第1、第2誘導加速セル6、7を対向するギャップ3に位置する真空チャンバー13に接続することで、本発明の誘導加速サイクロトロンでは、最も長い荷電粒子ビーム10の形成が可能になり、一層効率的な荷電粒子ビーム10の加速が可能になる。   When the primary coils 7e of the first induction accelerating cell 6 and the second induction accelerating cell 7 are crossed and connected in series, the first and second induction accelerating cells 6 and 7 are opposed to each other in the sector cyclotron ring. By connecting to the vacuum chamber 13 located in the gap 3, the induction accelerating cyclotron according to the present invention can form the longest charged particle beam 10 and can accelerate the charged particle beam 10 more efficiently.

図6において、荷電粒子ビーム10の1周回時間Tの範囲内で、加速用の正の誘導電圧20aとリセット用の負の誘導電圧20bは同時にペアーで発生することとなる。従って、加速される荷電粒子ビーム10の時間幅は必然的に周回時間Tの半分以下である。   In FIG. 6, the positive induction voltage 20a for acceleration and the negative induction voltage 20b for reset are simultaneously generated in pairs within the range of one round time T of the charged particle beam 10. Therefore, the time width of the charged particle beam 10 to be accelerated is inevitably less than half the circulation time T.

本発明である誘導加速セクターサイクロトロン及び荷電粒子ビームの加速方法は、クラスターイオンをも、低コストで従来にない高エネルギーレベルまで加速可能であるので、従来の物質・材料科学の研究、特に材料表面への照射による表面物性の研究分野に加え、材料深部の物性研究に多いに貢献する。産業的には、従来の加速器の応用の他、バルク材を改良、新たな素材を開発することを、可能にする。   According to the present invention, the accelerated acceleration sector cyclotron and the charged particle beam acceleration method can accelerate cluster ions to low energy levels at an unprecedented high energy level. In addition to the research field of surface physical properties by irradiation, it contributes to the research of physical properties in the deep part of materials. Industrially, in addition to the application of conventional accelerators, it will be possible to improve bulk materials and develop new materials.

1 誘導加速セクターサイクロトロン
1a リング中心部
2 セクター電磁石
2a 磁極
2b 磁極面
2c 勾配
3 ギャップ
4 入射装置
5 出射装置
6 第1誘導加速セル
7 第2誘導加速セル
7a 内容器
7b 外容器
7c 磁性体
7d 絶縁体
7e 1次コイル
7f 端部
7g 電場
7h 加速ギャップ
7i 磁束密度
8 第3誘導加速セル
9 バンチモニタ
9a 通過シグナル
10 荷電粒子ビーム
10a ビーム軌道
11 パルス電圧発生装置
11a 励磁電流
12 パルス電圧発生装置
12a 励磁電流
13 真空チャンバー
14 デジタル信号処理装置
14a ゲート親信号
14a ゲート信号パターン
15 パターン生成器
15a パターン生成器
16 スイッチング電源
16a パルス電圧
17 DC充電器
18 電送線
19 誘導電圧モニタ
20 誘導電圧
20a 正の誘導電圧
20b 負の誘導電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Induction acceleration sector cyclotron 1a Ring center part 2 Sector electromagnet 2a Magnetic pole 2b Magnetic pole surface 2c Gradient 3 Gap 4 Injector 5 Outlet 6 First induction acceleration cell 7 Second induction acceleration cell 7a Inner container
7b outer container 7c magnetic body 7d insulator 7e primary coil 7f end 7g electric field 7h acceleration gap 7i magnetic flux density 8 third induction acceleration cell 9 bunch monitor 9a passing signal 10 charged particle beam 10a beam trajectory 11 pulse voltage generator 11a excitation Current 12 Pulse voltage generator 12a Excitation current 13 Vacuum chamber 14 Digital signal processor 14a Gate parent signal 14a Gate signal pattern 15 Pattern generator 15a Pattern generator 16 Switching power supply 16a Pulse voltage 17 DC charger 18 Transmission line 19 Induction voltage monitor 20 Inductive voltage 20a Positive induced voltage 20b Negative induced voltage

Claims (7)

セクターサイクロトロンのセクター電磁石配列と、前記セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続し荷電粒子ビームに誘導電圧を印可する誘導加速セルとからなり、前記導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする誘導加速サイクロトロン。 A sector cyclotron sector electromagnet array and an induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in the gap between the sector electromagnets to apply an induced voltage to the charged particle beam, synchronized with the charged particle beam passing through the conducting acceleration cell. An induction accelerating cyclotron, wherein a positive induced voltage for accelerating a charged particle beam in a traveling direction is applied to the charged particle beam. 前記誘導加速セルが、セクター電磁石間のギャップの真空チャンバーに接続した第1誘導加速セルと、他のギャップの真空チャンバーに接続した第2誘導加速セルとからなり、前記第1誘導加速セルと第2誘導加速セルの1次コイルを交差させ直列に繋ぎ、1のスイッチング電源の駆動によって前記第1、第2誘導加速セルに同時に正負逆向きの誘導電圧を発生させるとともに、前記第1、第2誘導加速セルを通過する荷電粒子ビームに同期して荷電粒子ビームを進行方向に加速する正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項1に記載の誘導加速サイクロトロン。 The induction accelerating cell includes a first induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in a gap between sector electromagnets and a second induction accelerating cell connected to a vacuum chamber in another gap. The primary coils of the two induction accelerating cells are crossed and connected in series, and the first and second induction accelerating cells are simultaneously generated in the first and second induction accelerating cells by driving one switching power source. 2. The induction accelerating cyclotron according to claim 1, wherein a positive induction voltage for accelerating the charged particle beam in the traveling direction is applied to the charged particle beam in synchronization with the charged particle beam passing through the induction accelerating cell. 前記同期が、前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なるギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタを接続し、前記バンチモニタからの荷電粒子ビームの通過シグナルに基づき、前記スイッチング電源の駆動タイミングを制御し、荷電粒子ビームが前記第1、第2誘導加速セル内を通過するタイミングに正の誘導電圧を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする請求項2に記載の誘導加速サイクロトロン。 The synchronization is performed by connecting a bunch monitor that senses the passage of a charged particle beam to any one of the gaps or a vacuum chamber different from the gap, and the switching is performed based on a passing signal of the charged particle beam from the bunch monitor. 3. The induction according to claim 2, wherein the driving timing of the power source is controlled, and a positive induced voltage is applied to the charged particle beam at a timing when the charged particle beam passes through the first and second induction accelerating cells. Accelerated cyclotron. 前記何れかのギャップ又は前記ギャップと異なる他のギャップの真空チャンバーに、荷電粒子ビームの頭部に進行方向と逆向きに加速する負の誘導電圧を印加するとともに、荷電粒子ビームの尾部に進行方向に加速する正の誘導電圧を印加し、荷電粒子ビームを閉じ込める第3誘導加速セルを接続したことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の誘導加速サイクロトロン。 A negative induced voltage that accelerates in the direction opposite to the traveling direction is applied to the head of the charged particle beam in the vacuum chamber of any one of the gaps or another gap different from the gap, and the traveling direction is applied to the tail of the charged particle beam. 4. The induction accelerating cyclotron according to claim 2, wherein a positive induction voltage for acceleration is applied to the third induction accelerating cell and a third induction accelerating cell for confining the charged particle beam is connected. 前記第1、第2の誘導加速セルが、セクターサイクロトロンのリングにおいて、対向するギャップに位置する真空チャンバーに接続されたことを特徴とする請求項2〜請求項4の何れか1項に記載の誘導加速セクターサイクロトロン。 The said 1st, 2nd induction | guidance | derivation acceleration cell is connected to the vacuum chamber located in the opposing gap in the ring of a sector cyclotron, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Induction acceleration sector cyclotron. 前記セクター電磁石の上下磁極面にリング中心部に向け内部空間が広がるよう勾配が設け、前記セクター電磁石の磁場強度に勾配をつけたことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れかに記載の誘導加速セクターサイクロトロン。 6. The gradient according to claim 1, wherein a gradient is provided on the upper and lower magnetic pole surfaces of the sector electromagnet so as to expand an internal space toward the center of the ring, and the gradient of the magnetic field strength of the sector electromagnet is provided. Induction acceleration sector cyclotron. 請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の誘導加速セクターサイクロトロンによって、クラスターイオンの荷電粒子ビームを加速することを特徴とする荷電粒子ビームの加速方法。
A charged particle beam acceleration method comprising accelerating a charged particle beam of cluster ions by the induction accelerating sector cyclotron according to any one of claims 1 to 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015507332A (en) * 2012-02-03 2015-03-05 イオン・ビーム・アプリケーションズ・エス・アー Magnetic structure for isochronous superconducting miniature cyclotron
JP2021144853A (en) * 2020-03-11 2021-09-24 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 Induction acceleration synchrotron

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0766877B2 (en) * 1987-06-09 1995-07-19 岩 三浦 Acceleration cavity resonator
JP4296001B2 (en) * 2003-02-10 2009-07-15 三菱電機株式会社 Circular accelerator
JP3896420B2 (en) * 2005-04-27 2007-03-22 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 All ion accelerator and its control method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015507332A (en) * 2012-02-03 2015-03-05 イオン・ビーム・アプリケーションズ・エス・アー Magnetic structure for isochronous superconducting miniature cyclotron
JP2018063949A (en) * 2012-02-03 2018-04-19 イオン・ビーム・アプリケーションズ・エス・アー Magnetic structure for isochronous superconducting miniature cyclotron
JP2021144853A (en) * 2020-03-11 2021-09-24 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 Induction acceleration synchrotron
JP7523781B2 (en) 2020-03-11 2024-07-29 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 Induction Synchrotron

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