JPH0722040B2 - 粒子ビ−ム加速装置 - Google Patents
粒子ビ−ム加速装置Info
- Publication number
- JPH0722040B2 JPH0722040B2 JP12910286A JP12910286A JPH0722040B2 JP H0722040 B2 JPH0722040 B2 JP H0722040B2 JP 12910286 A JP12910286 A JP 12910286A JP 12910286 A JP12910286 A JP 12910286A JP H0722040 B2 JPH0722040 B2 JP H0722040B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- particle beam
- energy
- mode
- cooling
- acceleration cavity
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、粒子ビームの加速もしくは蓄積を行う粒子
ビーム加速装置に関するものである。
ビーム加速装置に関するものである。
第３図は例えば、ミヤハラ・ヨシカズ他；スーパーコン
ダクテイング・レーストラツク・エレクトロン・ストレ
ージ・リング・アンド・コエグジスタント・インジエク
タ・マイクロトロン・フオー・シンクロトロン・ラジエ
ーシヨン（Superconducting Racetrack Electron Stora
ge Ring and Coexistent Ingector Microtron for Sync
hrotron Radiation），テクニカルレポート・オブ・ISS
P,No.21（1984年９月）に示された、従来の電子ビーム
加速装置の模式図である。図において、（１）は電子ビ
ーム平衡軌道、（２）は高周波加速空胴（以下RF加速空
胴とする）、（３）は収束用磁石、（４）は偏向用磁石
である。
ダクテイング・レーストラツク・エレクトロン・ストレ
ージ・リング・アンド・コエグジスタント・インジエク
タ・マイクロトロン・フオー・シンクロトロン・ラジエ
ーシヨン（Superconducting Racetrack Electron Stora
ge Ring and Coexistent Ingector Microtron for Sync
hrotron Radiation），テクニカルレポート・オブ・ISS
P,No.21（1984年９月）に示された、従来の電子ビーム
加速装置の模式図である。図において、（１）は電子ビ
ーム平衡軌道、（２）は高周波加速空胴（以下RF加速空
胴とする）、（３）は収束用磁石、（４）は偏向用磁石
である。
次に動作について説明する。電子ビームは、そのエネル
ギー、偏向用磁石（４）および収束用磁石（３）の磁界
値で決まる一定の閉軌道である平衡軌道（１）上を周回
する。この平衡軌道（１）で示された電子蓄積リングで
は、電子が偏向される際に生ずるシンクロトロン放射光
によるエネルギーの損失分を、RF加速空胴（２）により
補給し、常に一定のエネルギーの電子を蓄積している。
しかしながら、通常この電子のエネルギーには一定の幅
（これはエネルギー分散と呼ぶ）がある。このエネルギ
ー分散がどのようにして決まるかを、以下に説明する。
ギー、偏向用磁石（４）および収束用磁石（３）の磁界
値で決まる一定の閉軌道である平衡軌道（１）上を周回
する。この平衡軌道（１）で示された電子蓄積リングで
は、電子が偏向される際に生ずるシンクロトロン放射光
によるエネルギーの損失分を、RF加速空胴（２）により
補給し、常に一定のエネルギーの電子を蓄積している。
しかしながら、通常この電子のエネルギーには一定の幅
（これはエネルギー分散と呼ぶ）がある。このエネルギ
ー分散がどのようにして決まるかを、以下に説明する。
電子がRF加速空胴（２）に来た時間を、RF電圧の位相に
変換して考える。電子の一周当りの放射光量、すなわち
エネルギーの損失分と、RF電圧すなわち補給分による加
速が等しくなる位相をφ０とする。もし何らかの原因で
電子のエネルギーが基準値より高ければ、電子は平衡軌
道（１）の外を通ることとなる。この場合、RF加速空胴
（２）に到達した時にはψ０より位相が多少遅れた状態
となり、加速電圧は放射光によるエネルギー損失よりも
小さくなる。このため、電子のエネルギーは毎回転減少
してゆく。しかし、基準値より低いエネルギーになると
逆の現象が発生し、エネルギーは上昇する。このように
して高周波の位相上で電子はψ０の回りを振動運動する
こととなる（シンクロトロン振動）。しかし実際には、
一回転当りの粒子の放射光量はエネルギーの二乗に比例
するため、上記の振動運動に一種の制動が加えられる
（シンクロトロン減衰）。従つて、リング内の電子のエ
ネルギー分散は、シンクロトロン放射光によるエネルギ
ーのゆらぎと、シンクロトロン減衰の釣り合いによつて
決定される。この結果として、エネルギー分散は偏向用
磁石（４）の曲率半径の平方根に逆比例する。
変換して考える。電子の一周当りの放射光量、すなわち
エネルギーの損失分と、RF電圧すなわち補給分による加
速が等しくなる位相をφ０とする。もし何らかの原因で
電子のエネルギーが基準値より高ければ、電子は平衡軌
道（１）の外を通ることとなる。この場合、RF加速空胴
（２）に到達した時にはψ０より位相が多少遅れた状態
となり、加速電圧は放射光によるエネルギー損失よりも
小さくなる。このため、電子のエネルギーは毎回転減少
してゆく。しかし、基準値より低いエネルギーになると
逆の現象が発生し、エネルギーは上昇する。このように
して高周波の位相上で電子はψ０の回りを振動運動する
こととなる（シンクロトロン振動）。しかし実際には、
一回転当りの粒子の放射光量はエネルギーの二乗に比例
するため、上記の振動運動に一種の制動が加えられる
（シンクロトロン減衰）。従つて、リング内の電子のエ
ネルギー分散は、シンクロトロン放射光によるエネルギ
ーのゆらぎと、シンクロトロン減衰の釣り合いによつて
決定される。この結果として、エネルギー分散は偏向用
磁石（４）の曲率半径の平方根に逆比例する。
従来の粒子ビーム加速装置では、エネルギー分散は前述
のようにして決定されるが、エネルギー分散の大きさは
できるだけ小さいことが要求される。もし、エネルギー
分散が大きければ、電子ビームの軌道が拡がり、ビーム
断面積が大きくなる、ビーム長が長くなる等の粒子密度
の減少をもたらす。このことは、粒子ビームの衝突実験
を行う際、衝突頻度の減少につながる。このため、非常
に大きな電流を蓄積する必要があり、ビームの不安定性
等の問題点がある。さらに、ビーム径が増大すると、ビ
ームを通す真空容器（第３図では省略）を大きくした
り、磁石の有効磁界領域を広げる必要が生じ、これら
は、装置全体の大形化を招くこととなり、コストや専有
面積での問題も生じてくることになる。
のようにして決定されるが、エネルギー分散の大きさは
できるだけ小さいことが要求される。もし、エネルギー
分散が大きければ、電子ビームの軌道が拡がり、ビーム
断面積が大きくなる、ビーム長が長くなる等の粒子密度
の減少をもたらす。このことは、粒子ビームの衝突実験
を行う際、衝突頻度の減少につながる。このため、非常
に大きな電流を蓄積する必要があり、ビームの不安定性
等の問題点がある。さらに、ビーム径が増大すると、ビ
ームを通す真空容器（第３図では省略）を大きくした
り、磁石の有効磁界領域を広げる必要が生じ、これら
は、装置全体の大形化を招くこととなり、コストや専有
面積での問題も生じてくることになる。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、粒子ビームのエネルギー分散を非常に小さく
できる粒子ビーム加速装置を得ることを目的とする。
たもので、粒子ビームのエネルギー分散を非常に小さく
できる粒子ビーム加速装置を得ることを目的とする。
この発明に係る粒子ビーム加速装置においては、横方向
偶数次TMモードの高周波磁界を形成するビーム冷却用高
周波加速空胴を粒子ビームの閉軌道上に設け、その近傍
における蓄積リングの分散関数ηを大きくしたものであ
る。
偶数次TMモードの高周波磁界を形成するビーム冷却用高
周波加速空胴を粒子ビームの閉軌道上に設け、その近傍
における蓄積リングの分散関数ηを大きくしたものであ
る。
この発明においては、ビーム冷却用高周波加速空胴が横
方向偶数次TMモードの高周波電磁界を励振して、高速電
子を減速し、低速電子を加速するので、エネルギー分散
を小さく取ることができる。すなわち、従来の電子蓄積
リングにおいてビームエネルギー分散（δ/E）、シンク
ロトロン放射減衰と放射励起の釣り合いで決定され、約
0.1％程度であつた。そこでこの発明では、ビームエネ
ルギーの違いによりビーム軌道が中心軌道（平衡軌道）
よりわずかに異なる性質に着目し、電子ビームを横方向
偶数次TMモード、例えばTM10モードの定在波中を通過さ
せることにより、エネルギーの大きい粒子には減速作
用、小さい粒子には加速作用を行わせる。この発明のビ
ーム冷却用高周波加速空胴は非常に高い高周波（1GHz）
でも効果があり、従つて装置が小さなサイズででき、ビ
ームエネルギー分散（δ/E）も約10-5が達成可能とな
る。
方向偶数次TMモードの高周波電磁界を励振して、高速電
子を減速し、低速電子を加速するので、エネルギー分散
を小さく取ることができる。すなわち、従来の電子蓄積
リングにおいてビームエネルギー分散（δ/E）、シンク
ロトロン放射減衰と放射励起の釣り合いで決定され、約
0.1％程度であつた。そこでこの発明では、ビームエネ
ルギーの違いによりビーム軌道が中心軌道（平衡軌道）
よりわずかに異なる性質に着目し、電子ビームを横方向
偶数次TMモード、例えばTM10モードの定在波中を通過さ
せることにより、エネルギーの大きい粒子には減速作
用、小さい粒子には加速作用を行わせる。この発明のビ
ーム冷却用高周波加速空胴は非常に高い高周波（1GHz）
でも効果があり、従つて装置が小さなサイズででき、ビ
ームエネルギー分散（δ/E）も約10-5が達成可能とな
る。
以下、この発明の一実施例を第１図に示し、これについ
て説明する。第１図において、（１）〜（４）は第３図
に示した粒子ビーム加速装置のものと同じであり、
（５）はこの発明において設けられたビーム冷却用高周
波加速空胴（以下冷却用RF加速空胴とする）である。ま
た、第２図には冷却用RF加速空胴（５）の断面図が示さ
れており、（1a）は電子ビームの平衡軌道（１）の向
き、（6a）および（6b）は冷却用RF加速空胴（５）がTM
210モードで発生する高周波電界の向きを示している。
なお、（6a）側が蓄積リングの内側になる。
て説明する。第１図において、（１）〜（４）は第３図
に示した粒子ビーム加速装置のものと同じであり、
（５）はこの発明において設けられたビーム冷却用高周
波加速空胴（以下冷却用RF加速空胴とする）である。ま
た、第２図には冷却用RF加速空胴（５）の断面図が示さ
れており、（1a）は電子ビームの平衡軌道（１）の向
き、（6a）および（6b）は冷却用RF加速空胴（５）がTM
210モードで発生する高周波電界の向きを示している。
なお、（6a）側が蓄積リングの内側になる。
ここで、TM,TEモードについて簡単に説明しておくと、
今、x,y,zの３次元の空間を考え、ｚ方向を電磁波の進
行方向とする。今回は、この方向と電子ビームの進行方
向とが一致している。ここで、Ｅを電界、Ｈを磁界とす
ると、Ｅｚ≠０、Ｈｚ＝０、すなわち磁界のｚ方向成分
Ｈｚが零の電磁波をTMモード、Ｅｚ＝０、Ｈｚ≠０、す
なわち電界のｚ方向成分Ｅｚが零の電磁波をTEモードと
いう。次にモードについてであるが、例えばTMモードを
考えてみる。Ｅｚの方程式は次式のようになる。
今、x,y,zの３次元の空間を考え、ｚ方向を電磁波の進
行方向とする。今回は、この方向と電子ビームの進行方
向とが一致している。ここで、Ｅを電界、Ｈを磁界とす
ると、Ｅｚ≠０、Ｈｚ＝０、すなわち磁界のｚ方向成分
Ｈｚが零の電磁波をTMモード、Ｅｚ＝０、Ｈｚ≠０、す
なわち電界のｚ方向成分Ｅｚが零の電磁波をTEモードと
いう。次にモードについてであるが、例えばTMモードを
考えてみる。Ｅｚの方程式は次式のようになる。
今、第４図に示すような直方体内のTM波を考える。Ｅｚ
の境界条件は、 ｘ＝0,aでＥｚ＝0, ｙ＝0,bでＥｚ＝0, となり、（１）式を解くと、 と表わされる。l,m,nをモード数といい、そのモードの
波をTMl,m,nモードを呼ぶ。例えば、第５図（Ａ）はTM
110モード、第５図（Ｂ）は実施例のTM210モード、第図
（Ｃ）はTM120モード、第５図（Ｄ）はTM111モードのそ
れぞれＥｚを示したものである。l,nはそれぞれx,y,z方
向に関して０からa,b,cの間にＥｚが極大もしくは極小
になる山の数を示している。従つて、例えばTM310モー
ドであれば、ｘ方向の０からａの間でＥｚは０から極大
になり、また０を通つて極小となり、さらにまた０を通
つて極大となり、ａで０に戻るようなものになる。
の境界条件は、 ｘ＝0,aでＥｚ＝0, ｙ＝0,bでＥｚ＝0, となり、（１）式を解くと、 と表わされる。l,m,nをモード数といい、そのモードの
波をTMl,m,nモードを呼ぶ。例えば、第５図（Ａ）はTM
110モード、第５図（Ｂ）は実施例のTM210モード、第図
（Ｃ）はTM120モード、第５図（Ｄ）はTM111モードのそ
れぞれＥｚを示したものである。l,nはそれぞれx,y,z方
向に関して０からa,b,cの間にＥｚが極大もしくは極小
になる山の数を示している。従つて、例えばTM310モー
ドであれば、ｘ方向の０からａの間でＥｚは０から極大
になり、また０を通つて極小となり、さらにまた０を通
つて極大となり、ａで０に戻るようなものになる。
そこで、蓄積リング内の電子の運動を考える。冷却用RF
加速空胴（５）のある部分では、エネルギーの高い電子
（粒子）は平衡軌道（１）の外側を通り、エネルギーの
低い電子は内側を通る。この冷却用RF加速空胴（５）
に、第５図（Ｂ）に示すようなTM210モードを励振させ
たとする。粒子との位相関係は、第２図に示すように外
側の粒子は減速、内側の粒子は加速の状態になるように
する。このRF電圧により、高エネルギー粒子は減速さ
れ、低エネルギー粒子は加速される。このため、粒子の
エネルギー分散は、より小さな値となる。
加速空胴（５）のある部分では、エネルギーの高い電子
（粒子）は平衡軌道（１）の外側を通り、エネルギーの
低い電子は内側を通る。この冷却用RF加速空胴（５）
に、第５図（Ｂ）に示すようなTM210モードを励振させ
たとする。粒子との位相関係は、第２図に示すように外
側の粒子は減速、内側の粒子は加速の状態になるように
する。このRF電圧により、高エネルギー粒子は減速さ
れ、低エネルギー粒子は加速される。このため、粒子の
エネルギー分散は、より小さな値となる。
なお、上記実施例では電子蓄積リングの場合について説
明したが、自由電子レーザもしくはイオン蓄積リングで
あつてもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。ま
た、上記実施例では、TM210モードを用いたが、TM410モ
ードもしくはTM610モード等の横方向偶数次TMモードを
用いても同様の結果が得られる。
明したが、自由電子レーザもしくはイオン蓄積リングで
あつてもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。ま
た、上記実施例では、TM210モードを用いたが、TM410モ
ードもしくはTM610モード等の横方向偶数次TMモードを
用いても同様の結果が得られる。
以上のように、この発明によれば従来の粒子ビーム加速
装置に冷却用RF加速空胴を備えたことにより、エネルギ
ー分散の小さい粒子ビームが得られ、かつ装置自体も安
価になるという効果が得られる。
装置に冷却用RF加速空胴を備えたことにより、エネルギ
ー分散の小さい粒子ビームが得られ、かつ装置自体も安
価になるという効果が得られる。
第１図はこの発明の一実施例による粒子ビーム加速装置
の構成図、第２図は冷却用高周波加速空胴の断面図、第
３図は従来の粒子ビーム加速装置の構成図、第４図およ
び第５図（Ａ）〜（Ｄ）はTMモードを説明するための図
である。 図において、（１）は電子ビーム平衡軌道、（２）は高
周波加速空胴、（３）は収束用磁石、（４）は偏向用磁
石、（５）は冷却用高周波加速空胴である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
の構成図、第２図は冷却用高周波加速空胴の断面図、第
３図は従来の粒子ビーム加速装置の構成図、第４図およ
び第５図（Ａ）〜（Ｄ）はTMモードを説明するための図
である。 図において、（１）は電子ビーム平衡軌道、（２）は高
周波加速空胴、（３）は収束用磁石、（４）は偏向用磁
石、（５）は冷却用高周波加速空胴である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
Claims (3)
- 【請求項１】粒子ビームの加速，偏向，収束を行うそれ
ぞれ高周波加速空胴，偏向用磁石および収束用磁石によ
って粒子ビームの閉軌道を形成し、粒子ビームの加速も
しくは蓄積を行う粒子ビーム加速装置において、粒子ビ
ームのエネルギー分散を小さくするビーム冷却用高周波
加速空胴を備えたことを特徴とする粒子ビーム加速装
置。 - 【請求項２】ビーム冷却用高周波加速空胴が、上記粒子
ビームに対する横方向偶数次TMモードの高周波電磁界を
形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
粒子ビーム加速装置。 - 【請求項３】ビーム冷却用高周波加速空胴を、粒子ビー
ムの閉軌道中、分散関数が極大の位置に配置したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の粒子ビーム加速
装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12910286A JPH0722040B2 (ja) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | 粒子ビ−ム加速装置 |
| US07/056,781 US4780683A (en) | 1986-06-05 | 1987-06-02 | Synchrotron apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12910286A JPH0722040B2 (ja) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | 粒子ビ−ム加速装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62287600A JPS62287600A (ja) | 1987-12-14 |
| JPH0722040B2 true JPH0722040B2 (ja) | 1995-03-08 |
Family
ID=15001115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12910286A Expired - Lifetime JPH0722040B2 (ja) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | 粒子ビ−ム加速装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0722040B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2555112B2 (ja) * | 1987-12-07 | 1996-11-20 | 株式会社日立製作所 | 荷電粒子ビーム冷却法 |
| JP2782076B2 (ja) * | 1989-02-23 | 1998-07-30 | 栄胤 池上 | 荷電粒子ビーム冷却方法 |
-
1986
- 1986-06-05 JP JP12910286A patent/JPH0722040B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62287600A (ja) | 1987-12-14 |
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