JP3729645B2 - 円形粒子加速器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、円形粒子加速器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な円形粒子加速器は、図３のように構成されている。図３において、１は粒子ビームが入射される入射ダクト、２は入射された粒子ビームを周回方向に曲げる入射セプタム、３は粒子ビームが周回する粒子ビーム周回軌道、４は四極電磁石、５は粒子ビーム軌道の曲部に配置され粒子ビームを周回方向に曲げる偏向電磁石、６は粒子ビームを加速する加速空洞、７は高次モード空洞、８は加速された粒子ビームを出射ダクトに導く出射セプタム、９は六極電磁石、１０は加速された粒子を出射する出射ダクトである。
【０００３】
図３に示すような円形粒子加速器から粒子ビームを取り出す方法には大きく分けて低エネルギーの粒子ビームを取り出す“早い取り出し”と、高エネルギーの粒子ビームを取り出す“遅い取り出し”と呼ばれる２つの方法があり、この発明は“遅い取り出し”に関するものである。
【０００４】
粒子ビーム周回軌道を周回する粒子ビームのセパラトリクスと呼ばれる安定領域と不安定領域の境界が形成されている場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に動かす方法としては、セパラトリクスを徐々に小さくする方法と、セパラトリクスは動かさずに安定領域にいた粒子ビームに高周波電場で振動を加えてセパラトリクスまでエミッタンスを増加させる方法があり、後者の方法がｒｆノックアウトを用いた遅い取り出しと呼ばれる。
【０００５】
従来の円形粒子加速器から粒子ビームを取り出すｒｆノックアウトを用いた取り出しは、例えば特公平５−１９８３９７号公報に開示された方法がある。図４に粒子ビームの粒子ビーム周回軌道の直線部にｒｆノックアウト電極が挿入された状態の模式図を示す。図において、１１は粒子ビーム周回軌道、１２はｒｆノックアウト電極、１３は高周波電源、１４は出射セプタム、１５はデフレクターである。
【０００６】
円形粒子加速器では、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の中を周回する粒子ビームは粒子ビーム周回軌道１１の水平方向と垂直方向に微小振動して周回している。この微小振動をベータトロン振動と呼び、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の１周当たりの振動数をベータトロンチューンまたは単にチューン呼んでいる。このチューンは粒子ビームが安定に周回するように選ばれるが、粒子ビームの取り出しには不安定になるチューンを選んで行われる。例えばチューンを１／３整数に選び、六極電磁石により粒子ビームに振動を与えて位相空間上にセパラトリクスを形成した場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に出た粒子ビームが粒子ビーム周回軌道１１を周回する毎に振幅が大きくなり、最終的に取り出し用に設置された出射セプタム１４に到達し、出射セプタム１４に形成されている静的な電場または磁場により外側に蹴り出されて下流に設置されたデフレクター１５により出射ダクトに導かれる。
【０００７】
ｒｆノックアウト電極１２は一対の平行平板からなり、この間に周波数Ｆrfの高周波電圧が加えられる。この周波数Ｆrfはベータトロンチューンの小数部分をｎ、周回周波数をＦrev、任意の整数をｍとすると、（式１）で表される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ｒｆノックアウト電極１２の間の電場により蹴られる角度θは（式２）の関係になる。
【００１０】
【数２】

【００１１】
ここでそれぞれのパラメータの値が次の表１の場合について電場を求める。
【００１２】
【表１】

【００１３】
この条件において、電極間のギャップが１００ｍｍの場合、高周波電圧は１０ｋＶを加える必要がある。このように電場による運動量ｐが１０ＧｅＶ／ｃを越えるような領域では、必要な高周波電圧は１０ｋＶよりも高くなり、非常に高い値が必要となる。この電圧を印加するためには、発生させる高周波電源およびｒｆノックアウト電極は高電圧に耐える絶縁構成となり、寸法が大きくなり、装置構成として大きくなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の円形加速器のｒｆノックアウト電極の高周波電場を用いた粒子ビームの取り出し方法は、低エネルギーでの取り出しには適した方法であるが、高エネルギーの粒子の取り出しを行う場合には、必要とする高周波電圧が高くなり、ｒｆノックアウト電極および高周波電源の絶縁構成が難しく、装置として非現実的な大がかりな構成となる問題点があった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る円形粒子加速器は、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段を、粒子ビーム周回軌道に直列に配置された空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振した高周波空洞で形成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１は、粒子ビームの振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段を磁場でキックする構成としたものである。粒子ビームを磁場でキックする場合のキック角θは（式３）で与えられる。
【００１７】
【数３】

【００１８】
式３のキック角θを満足する磁場Ｂは、Ｂ＝３．６×１０^−４Ｔである。
【００１９】
実施の形態１のベータトロン振動振幅増幅手段は、空洞を粒子ビームの周回軌道に直列に配置し、空洞に電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振し、粒子ビームの中心軸に対して垂直方向の磁場を形成する高周波空洞で構成としたものである。高周波空洞は、Ｈigher Ｏrder Ｍode（ＨＯＭ）を利用するという意味で以下ＨＯＭ空洞と呼称する。図１にＨＯＭ空洞を粒子ビーム周回軌道１１に装着した状態を模式的に示した構成を示す。
【００２０】
図１において、粒子ビーム軌道１１、出射セプタム１４、デフレクタ１５は、従来の粒子ビーム周回軌道にｒｆノックアウト電極を配置した構成の図８の対応する部分と同一である。３１は電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振し、粒子ビームの中心軸に対して垂直方向に磁場を生成するＨＯＭ空洞、３３は高周波電源である。
【００２１】
図２はＨＯＭ空洞３１の部分拡大断面図である。図２の３５は電磁波を導入する導波管、３６はＴＭ１１０モードを励振するループカプラーである。ＨＯＭ空洞３１に電磁波を導入すると粒子ビームの中心軸に対して直角方向に磁場を生成し、粒子ビームと平行に電場を生成する。粒子ビームが高速で通過すると横方向にキックを受け、徐々に振幅を増幅して行き、従来技術欄で説明した電場でキックする場合と同様にセパラトリクスに到達した粒子ビームがさらに共鳴（この場合は３次共鳴）して振幅を増し出射セプタム１４到達する。出射セプタム１４では一様で静的な電場または磁場により、外側に蹴り出され、下流に設置されたデフレクタ１５により、出射ダクトに導かれる。
【００２２】
このように、粒子ビーム周回軌道１１の直線部にＨＯＭ空洞３１を装着し、このＨＯＭ空洞３１に導波管３５より電磁波を導入し、ループカプラー３６によりカップルしてＴＭ１１０モードを励振することにより、粒子ビームの中心軸に対して直角方向に磁場を生成し、高エネルギーの粒子ビームの遅い取り出しが可能となる。ＨＯＭ空洞３１に導入する電磁波は、通常の加速空洞等に使用されている高周波電源より供給でき、ＨＯＭ空洞３１は軽量に構成できるので、円形粒子加速器を軽量に構成できる。以上は円形粒子加速器について説明したが粒子ビーム周回軌道が同じ構成の粒子蓄積リングにも同様の構成が適用できる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る円形粒子加速器は、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段を、粒子ビーム周回軌道に直列に配置された空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振した高周波空洞で形成したので、円形粒子加速器を軽量に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１のベータトロン振動振幅増幅手段の構成を模式的に示した構成図である。
【図２】 図１のＨＯＭ空洞のビームと磁場の関係を示す断面図である。
【図３】 従来の粒子加速器の構成図である。
【図４】 従来の粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅する増幅手段の構成を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
１１ 粒子ビーム周回軌道、１４ 出射セプタム、１５ デフレクター、
３１ ＨＯＭ空洞、３３ 高周波電源、３５ 導波管、３６ ループカプラー。

Claims (1)

1. 粒子ビーム周回軌道、粒子ビーム周回軌道に配置され、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道に沿って周回させる四極電磁石、偏向電磁石および粒子ビームを加速させる加速空洞、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段および粒子ビームを粒子ビーム周回軌道から取り出す出射セプタムを備えた円形粒子加速器において、ベータトロン振動振幅増幅手段が、粒子ビーム周回軌道に直列に配置された空洞に電磁波を導入して、粒子ビーム中心軸に対して垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振した高周波空洞で構成されていることを特徴とする円形粒子加速器。

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