JP2011113901A - Induction acceleration sector cyclotron - Google Patents
Induction acceleration sector cyclotron Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011113901A 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
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- charged particle
- induction
- particle beam
- accelerating
- sector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000006698 induction Effects 0.000 title claims abstract description 140
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title claims abstract description 78
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 105
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 150000001793 charged compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H11/00—Magnetic induction accelerators, e.g. betatrons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
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1The 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.
C60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
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,
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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=mv2/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
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
なお、図5のρ2は出射時の回転半径である。また、Δ1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、Δ2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
7b
Claims (7)
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.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009271007A JP2011113901A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Induction acceleration sector cyclotron |
| PCT/JP2010/071210 WO2011065518A1 (en) | 2009-11-30 | 2010-11-29 | Induction acceleration sector cyclotron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009271007A JP2011113901A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Induction acceleration sector cyclotron |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011113901A true JP2011113901A (en) | 2011-06-09 |
Family
ID=44066622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009271007A Pending JP2011113901A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Induction acceleration sector cyclotron |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011113901A (en) |
| WO (1) | WO2011065518A1 (en) |
Cited By (2)
| 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 |
| 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)
| 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 |
-
2009
- 2009-11-30 JP JP2009271007A patent/JP2011113901A/en active Pending
-
2010
- 2010-11-29 WO PCT/JP2010/071210 patent/WO2011065518A1/en not_active Ceased
Cited By (4)
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011065518A1 (en) | 2011-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4174508B2 (en) | Charged particle accelerator | |
| CA1308808C (en) | Proton source | |
| US6433494B1 (en) | Inductional undulative EH-accelerator | |
| US8084965B2 (en) | All-Ion accelerator and control method of the same | |
| US8575867B2 (en) | Electric field-guided particle accelerator, method, and applications | |
| JP6714146B2 (en) | Circular accelerator | |
| EP2620951A2 (en) | Method for changing the direction of a charged particle beam | |
| JP2010529640A (en) | Beam transfer system and method for linear accelerator | |
| JP2010512613A (en) | Compact accelerator for medicine | |
| EP2466997B1 (en) | Method for extracting a charged particle beam using pulse voltage | |
| KR20080059395A (en) | Sequentially pulsed traveling wave accelerator | |
| JP2011113901A (en) | Induction acceleration sector cyclotron | |
| US8456110B2 (en) | Induction accelerating device and acceleration method of charged particle beam | |
| JP4399604B2 (en) | Charged particle beam trajectory control apparatus and control method therefor | |
| US2953750A (en) | Magnetic cable | |
| Courant | Early milestones in the evolution of accelerators | |
| JP3948511B2 (en) | Magnetic field generator that combines electromagnet and permanent magnet in the vertical direction | |
| JP6532611B2 (en) | Circular accelerator | |
| JP6663618B2 (en) | Accelerator and particle beam irradiation device | |
| JP4294158B2 (en) | Charged particle accelerator | |
| CN109862686B (en) | Ion-ion co-beam device | |
| Gussev et al. | Accelerating structure with alternating-phase and permanent magnet focusing | |
| JP5565798B2 (en) | Bending electromagnet system with acceleration function | |
| JP2001052896A (en) | Particle accelerating and accumulating device | |
| RU2482641C1 (en) | Source of braking radiation |