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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-24
(45)【発行日】2023-08-01
(54)【発明の名称】加速器及び加速器システム
(51)【国際特許分類】
H05H 9/00 20060101AFI20230725BHJP
【ＦＩ】
H05H9/00 B
H05H9/00 C
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019565700
(86)(22)【出願日】2018-08-31
(86)【国際出願番号】 JP2018032453
(87)【国際公開番号】W WO2019142389
(87)【国際公開日】2019-07-25
【審査請求日】2021-08-05
(31)【優先権主張番号】P 2018008235
(32)【優先日】2018-01-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）「核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 博儀
(72)【発明者】
【氏名】奥野 広樹
(72)【発明者】
【氏名】森 義治
(72)【発明者】
【氏名】藤田 玲子
(72)【発明者】
【氏名】川島 正俊
【審査官】鳥居 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－３４９５９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２３１９００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０８５１９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２６０１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－２１４０００（ＪＰ，Ａ）
【文献】J-L. Biarrotte, et al.，"HIGH-INTENSITY PROTON SC LINAC USING SPOKE CAVITIES"，Proceedings of EPAC 2002，2002年，Page 1010-1012，https://accelconf.web.cern.ch/e02/PAPERS/THPLE038.pdf
【文献】稲岡悠士、他，「九州大学FFAG加速器における速い繰り返し運転に向けた ビーム捕獲法に関する研究」，Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan，2013年，Page 452-455，https://www.pasj.jp/web_publish/pasj10/proceedings/PDF/SAP0/SAP020.pdf
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つまたは２つの加速ギャップを有する、複数の加速空洞と、複数の多重極磁石と、
前記複数の加速空洞のそれぞれに対して設けられた制御手段であって、各々が独立して、対応する加速空洞内のイオンビームの運動を制御する複数の制御手段とを、
を備え、
１つの前記加速空洞の後に、１つまたは複数の前記多重極磁石が接続され、
前記制御手段のそれぞれは、加速空洞ごとに独立して決定された振幅および位相を有する電場を、前記加速ギャップに印加し、
前記複数の加速空洞のそれぞれは、２つの加速ギャップを有しており、
１つの加速空洞内の２つの加速ギャップの間の距離は印加電場の１／２周期の間に粒子が進む距離であり、隣り合う２つの加速空洞間の距離は、印加電場の１／２周期の間に粒子が進む距離よりも短い、
加速器。
【請求項2】
前記制御手段は、加速空洞内に振動電場を生成する、請求項１に記載の加速器。
【請求項3】
前記制御手段は、それぞれが独立して、ＲＦカプラーを介して前記加速空洞内に高周波電力を供給する、請求項２に記載の加速器。
【請求項4】
前記加速空洞と前記多重極磁石は、１つずつ交互に接続される、請求項１から３のいずれか１項に記載の加速器。
【請求項5】
前記多重極磁石は、四重極磁石であり、隣り合う四重極磁石の収束方向は異なる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の加速器。
【請求項6】
前記加速空洞のボア径は、２ｃｍ以上ある、請求項１から５のいずれか１項に記載の加速器。
【請求項7】
複数の加速器が接続された加速器システムであって、少なくとも、ビーム発生源から直流ビームの入力を受け、ビームを断熱捕獲する機能を有する前段加速器が、請求項１から６のいずれか１項に記載の加速器である、
加速器システム。
【請求項8】
前記複数の加速器の全てが、請求項１から６のいずれか１項に記載の加速器である、請求項７に記載の加速器システム。
【請求項9】
少なくとも０．１Ａのイオンビームを連続ビームとして加速する、請求項７または８に記載の加速器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、加速器および加速器システムに関する。
【背景技術】
【0002】
線形加速器システムは、一般的に複数の加速器を縦続接続した複数段構成であり、対象ビームを順次加速して目的のエネルギーのビームを得ている。最終的に得られるビームの基本的な特性の大部分は前段加速器によって決定されるため、前段加速器が特に重要である。１９７０年代に高周波四重極加速器（以下、ＲＦＱ加速器）が登場してからは、前段加速器としてＲＦＱ加速器が用いられることが多い。
【0003】
ＲＦＱ加速器は、４つの電極を有し、向かい合う電極が同電位、隣り合う電極が逆電位になるように高周波電圧をかけることで、ビームの加速、収束、および断熱捕獲（バンチ化）が同時に行える。なお、断熱捕獲とは、イオン源（イオン発生源）からの直流ビームを高周波加速が可能なバンチ構造を持たせる様にすることである。
【0004】
ところで、加速器の重要な研究テーマの一つにビームの大強度（大電流）化がある。現在稼働している加速器のビーム強度は１ＭＷ（メガワット）程度であり、計画段階にある加速器でも１０ＭＷ程度が最大である。これに対し、本発明者らは、高レベル放射性廃棄物の核変換法を確立するために、従来よりも１桁以上強力な１００ＭＷ超のビーム強度を生成可能な加速器システムの開発に取り組んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平１１－２８３７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
加速器の加速空洞は、多数の加速ギャップを有しており、供給される高周波電力によって各加速ギャップにおいてビームの加速を行う。各加速ギャップにおいて加速が行われるように、ギャップ間の間隔はビームの速度に応じて決定する必要がある。すなわち、ビームが高速になるほどギャップ間の間隔を大きくする必要があり、装置の大型化ひいては高コスト化につながる。
【0007】
また、ビームの大強度化を目指す場合、ＲＦＱ加速器は、ビーム径に対してアクセプタンス（ボア径）を十分に取ることができないため利用できない。
【0008】
ＲＦＱ加速器は、ビームの加速と収束を同時に行うことができるものの、通過可能なビームの径は１ｃｍ程度が上限となる。ＲＦＱ加速器のボア径を広げると放電限界に達するためである。
【0009】
これに対して、ビームの大強度化が進むと、イオン源から供給されるビームの直径（以下、ビーム径）は大きくなる。たとえば、１Ａの重陽子ビームをイオン源から得る場合、ビーム径は例えば１０ｃｍ程度以上となる。単孔から引き出し可能な質の良いイオンビームの最大電流は引き出し電圧のみに依存し、たとえば３０ｋＶの重陽子ビームを引き出す場合は約１００ｍＡである。したがって、１Ａのビームを得るためには、少なくとも１０個、プラズマ特性やデュートロン比などの尤度を考慮すると３０個程度の多孔電極からビームを引き出す必要がある。大強度のビームを絞りすぎると空間電荷力が過大となるため、単孔径は１ｃｍ程度とする必要があり、したがって全体のビーム径は例えば１０ｃｍ程度以上となる。
【0010】
このように、ビームの大強度化のためには大きなビーム径を受け入れ可能な加速器を利用する必要があるが、従来のＲＦＱ加速器は利用できない。
【0011】
上述したような従来技術の課題を考慮し、本発明は、断熱捕獲・加速・収束がされた大強度のビームを生成可能な、低コストな加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、本発明に係る加速器は、１つまたは２つの加速ギャップを有する、複数の加速空洞と、前記複数の加速空洞のそれぞれに対して設けられた複数の第一の制御手段であって、各々が独立して、対応する加速空洞内のイオンビームの運動を制御する複数の第一の制御手段と、を備えることを特徴とする。
【0013】
本態様において第一の制御手段は、例えば、振動電場を加速空洞内に生成するものであり、電場の振幅および位相を独立して決定可能でありうる。本態様において、第一の制御手段は、ＲＦカプラーを介して高周波電力を供給し、前記複数の第一の制御手段は、それぞれが独立して高周波電力を供給してもよい。第一の制御手段が供給する振動電場によって、加速空洞内でのイオンビームの進行方向の運動、すなわち、加速および断熱捕獲が制御される。
【0014】
このように、１つあたりの加速ギャップを１つまたは２つである加速空洞を用いることで、それぞれの加速空洞を個別に制御することができる。装置の設計自由度が大幅に向上する。ＲＦＱ加速器では隣り合うギャップ間の間隔をβλ／２（β＝速度／光速，λ＝高周波の波長，βλは１周期で粒子が移動する距離）とする必要があり、ビームが高速になるほどギャップ間の間隔を大きくする必要がある。本発明に係る加速器では、振動電場を独立に制御できるので、加速空洞の間隔を自由に設計できる。すなわち、ギャップ間の間隔を短くすることができ、加速器の全長を短くすること、さらには製造コストの低減が可能である。また、加速器の前段において、ＲＦＱと同様な断熱捕獲の機能を持たせることも可能である。
【0015】
本態様に係る加速器は、磁場を生成して前記イオンビームの運動を制御する第二の制御手段をさらに備えてもよい。前記第二の制御手段は、直流磁場を生成するものである。本態様において、第二の制御手段は多重極磁石であってよく、Ｎ個（Ｎは自然数）の加速空洞の後に、Ｍ個（Ｍは自然数）の多重極磁石が接続される構成が繰り返されていてもよい。第二の制御手段が生成する直流磁場によって、イオンビームの横方向の運動、すなわち、イオンビームの収束が制御される。
【0016】
ある実施形態では、加速空洞と多重極磁石は、１つずつ交互に接続されてよい（Ｎ＝Ｍ＝１）。別の実施形態では、１つの加速空洞の後に、複数の多重極磁石が接続されてもよい（Ｎ＝１，Ｍ＞１）。さらに別の実施形態では、複数個の加速空洞が接続された後に、１つの多重極磁石が接続されてよい（Ｎ＞１，Ｍ＝１）し、複数の加速空洞が接続された後に、複数の多重極磁石が接続されてもよい（Ｎ＞１，Ｍ＞１）。複数個の加速空洞を接続する形態（Ｎ＞１）は、特に、ビームのエネルギーが高く、ビームの広がりの影響が相対的に小さいときに好適に利用可能である。ＮおよびＭの上限は本発明の効果が得られる範囲で適宜設定可能である。たとえば、Ｎは、４以下であることが好ましく、２以下であることがさらに好ましい。Ｍも、４以下であることが好ましく、２以下であることがさらに好ましい。
【0017】
本発明において、多重極磁石は、典型的には四重極磁石であるが、６重極磁石、８重極磁石、１０重極磁石、ソレノイド磁石なども採用可能である。また、隣り合う多重極磁石（間に加速空洞が含まれてもよい）は、収束の方向が異なるように配置されることが好ましい。磁石は、永久磁石であっても電磁石であってもよいが、永久磁石を採用することで、省エネルギー化が図れる。
【0018】
本発明における複数の加速空洞のそれぞれは、独立して高周波電力を供給する電力供給部を備えることも好ましい。
【0019】
このように、本発明に係る加速器では、ビームの収束を磁界方式で行うので、ビームを通過させるための円筒等の内直径（以下、ボア径）を大きくしても加速空洞内で必要電圧が変化せず、放電限界を超えない。すなわち、本発明の加速器はボア径を大きくできるので、大強度のビームを受け入れ可能である。たとえば、本発明に係る加速器はボア径を２ｃｍ以上とすることができる。
【0020】
また、本発明における加速空洞は加速ギャップが１つまたは２つであるので、加速空洞１つあたりの高周波結合系（ＲＦカプラー）を減らすことができ、１つまたは数個（例：２個、４個）とすることができる。１つの加速空洞に多数のＲＦカプラーを配置することは困難であるが、１つまたは数個であれば容易に実現可能であり、各ＲＦカプラーの入力の制御はデジタル回路によって可能である。また、本発明によれば、加速ギャップの加速勾配を大きくすることができるので、加速器の全長を短くすることが可能である。
【0021】
また、加速空洞に対して独立して高周波電力を供給可能とすることで、装置の設計自由度が大幅に向上する。ＲＦＱ加速器では隣り合うギャップ間の間隔をβλ／２（β＝速度／光速，λ＝高周波の波長，βλは１周期で粒子が移動する距離）とする必要があり、ビームが高速になるほどギャップ間の間隔を大きくする必要がある。本発明に係る加速器では、高周波の位相を独立に制御できるので、加速空洞の間隔を自由に設計できる。すなわち、ギャップ間の間隔を短くすることができ、加速器の全長を短くすることが可能である。また、加速器の前段において、RFQと同様な断熱捕獲の機能を持たせることも可能である。
【0022】
本発明の別の態様は、複数の加速器が接続された加速器システムであり、少なくとも、ビーム発生源から直流ビームの入力を受け、ビームを断熱捕獲する機能を有する前段加速器（初段加速器）が、上述の加速器であることを特徴する。本態様における加速器システムの全ての加速器が、上述の加速器であってもよい。
【0023】
本実施形態に係る加速器または加速器システムは、少なくとも０．１Ａ、より好適には少なくとも１Ａの大電流のイオンビームを、連続（ＣＷ）ビームとして加速してもよい。なお、本開示において、連続ビームとは、ミクロに見ればイオンがバンチ化されているが、マクロに見ればイオンが連続的しているビームである。例えば、１Ａの連続ビームは、平均電流が１Ａのビームである。一方、ミクロに見ても連続なビームを直流ビームと称し、マクロに見て間欠的なビームをパルスビームと称する。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、大強度のビームを生成可能な低コストな加速器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本実施形態に係る線形加速器システム１００の概略構成を示す図。
【図2】本実施形態に係る低βセクション加速器３０の概略構成を示す図。
【図3】本実施形態における四重極磁石を説明する図。
【図4】本実施形態に係る中セクション加速器４０の概略構成を示す図。
【図5】本実施形態に係る高クション加速器５の概略構成を示す図。
【図6】本実施形態における加速条件決定処理のフローチャート。
【図7】ビームの位相安定性を説明する図。
【図8】本実施形態に係る線形加速器システム１００の有利な効果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下では、図面を参照しながら、この発明を実施するための形態例を説明する。
【0027】
＜構成＞
本実施形態は、約１Ａの重陽子（デューテロン）または陽子（プロトン）の連続(CW)イオンビームを核子当り１００ＭｅＶ（以下、100MeV/u、同種の記載も同様）まで加速する、１００ＭＷ級の線形加速器システム１００である。図１は、本実施形態に係る線形加速器システム１００の概略構成例を示す図である。なお、本明細書において、線形加速器システムとは、縦続接続された複数の加速器の全体を総称的に指す用語である。
本実施形態は、約１Ａの重陽子（デューテロン）または陽子（プロトン）の連続(CW)イオンビームを核子当り１００ＭｅＶ（以下、100MeV/u、同種の記載も同様）まで加速する、１００ＭＷ級の線形加速器システム１００である。図１は、本実施形態に係る線形加速器システム１００の概略構成例を示す図である。なお、本明細書において、線形加速器システムとは、縦続接続された複数の加速器の全体を総称的に指す用語である。
【0028】
線形加速器システム１００は、概略、イオン源１０、バンチャー２０、低β（低速）セクション加速器３０、中β（中速）セクション加速器４０、高β（高速）セクション加速器５０を備える。
【0029】
イオン源（ビーム発生源）１０は、プラズマ生成容器内にカスプ磁場を形成するカスプ型のイオン源（電子衝撃型イオン源とも言う）である。イオン源１０は、ガスを電離してプラズマを生成し、３０ｋＶの電界によりイオンを引き出す。イオン源１０は、１Ａのイオンビームを得るために、３０個の多孔電極からビームを引き出す。ビームを絞りすぎると空間電荷力が過大となるため、単孔径は１ｃｍ程度で有り、イオン源１０から引き出されるビームの全体の径は１０ｃｍ程度以上となる。
【0030】
バンチャー２０は、イオン源１０から引き出されたイオンビームを加速せずにバンチ化する。なお、低βセクション加速器３０もビームのバンチ機能を有するため、バンチャー２０は省略してもよい。イオン源１０から引き出されたイオンビームのエネルギーは、50~300keV/uである。図１に示す実施例では100keV/uとしている。
【0031】
低βセクション加速器３０は、イオン源１０において発生したイオンビームを最初に加速する前段加速器（初段加速器）である。以下、低βセクション加速器３０のことを単に加速器３０とも称する。加速器３０は、イオンを２～７ＭｅＶ／ｕまで加速する。図１の実施例ではイオンを５ＭｅＶ／ｕまで加速する例を示している。加速器３０は、イオン源１０にて発生したビームを受け入れられるように１０ｃｍ以上のボア径を有する。
【0032】
図２を参照して、加速器３０のより詳細な構成を説明する。図２に示すように、加速器３０は、２０個程の加速空洞３１＿１，３１＿２，・・・，３１＿２０と、２０個程の四重極磁石（Ｑ磁石）３２＿１，３２＿２，・・・，３２＿２０が交互に接続された構成を有する。それぞれの加速空洞およびＱ磁石は同様の構成であるため、以下では添え字を省略して、加速空洞３１、Ｑ磁石３２のように総称的に参照する。
【0033】
加速空洞３１は、単一の加速ギャップ３５を有するシングルギャップキャビティである。加速空洞３１には、高周波電力供給部３３からＲＦカプラー（高周波結合系）３４を介して高周波電力（振動電場）が供給される。高周波電力供給部３３は、イオンが加速ギャップ３５を通過するときにイオンが加速されるような位相で高周波電力を供給する。図１における本実施形態例においては、加速電圧が３００ｋＶであり、周波数が２５ＭＨｚである。
【0034】
なお、それぞれの加速空洞３１に設けられる高周波電力供給部３３は、独立して高周波の位相を制御可能である。したがって、隣り合う加速空洞の間隔（加速ギャップ間の間隔）に応じてそれぞれの位相を決定すればイオンの加速が行えるため、加速空洞の間隔を自由に設定することができる。
【0035】
このように、高周波電力供給部３３によって供給される高周波電力（振動電場）によって、イオンの進行方向の運動・挙動、すなわち加速および断熱捕獲が制御され、高周波電力供給部３３は、本発明における第一の制御手段に相当する。
【0036】
四重極磁石３２は、図３（Ａ），３（Ｂ）に示すように、直流磁場（静磁場）によってビームの収束を行う。隣り合う四重極磁石３２の収束方向は互いに異なる。すなわち、ビームを水平方向に収束させ垂直方向に発散させるＦ四重極（図３（Ａ））と、ビームを垂直方向に収束させ水平方向に発散させるＤ四重極（図３（Ｂ））が交互に配置される。四重極磁石３２による磁場の強さは、イオンのエネルギーに応じて決定することが望ましいが、概ね数ｋガウス程度である。四重極磁石３２は、永久磁石であっても電磁石であってもよいが、永久磁石を採用することで、省エネルギー化が図れる。
【0037】
四重極磁石３２によって供給される直流磁場によって、イオンの横方向の運動・挙動、すなわち収束が制御される。四重極磁石３２が、本発明における第二の制御手段に相当する。
【0038】
中βセクション加速器４０は、低βセクション加速器３０が加速したイオンビームをさらに加速する加速器である。以下、中βセクション加速器４０のことを単に加速器４０とも称する。加速器４０は、イオンを１０～５０ＭｅＶ／ｕまで加速する。図１の実施例ではイオンを４０ＭｅＶ／ｕまで加速する例を示した。
【0039】
図４（Ａ）を参照して、加速器４０のより詳細な構成を説明する。加速器４０は原理的には加速器３０と同様であり、加速空洞４１とＱ磁石４２が交互に１０個ずつ接続されて構成される。
【0040】
加速空洞４１は、２つの加速ギャップ４６，４７を有するダブルギャップキャビティである。加速空洞４１には、高周波電力供給部４３からＲＦカプラー（高周波結合系）４４を介して高周波電力が供給される。ＲＦカプラー４４は１つであっても複数であってもよい。また、ＲＦカプラー４４は、デジタル回路によって、高周波電力の位相が制御される。高周波電力供給部４３は、イオンが加速ギャップ４６，４７を通過するときにイオンが加速されるような位相で高周波電力を供給する。図１の本実施形態においては、加速条件を加速電圧が２．５ＭＶであり、周波数が５０ＭＨｚと決めた例である。
【0041】
図４（Ｂ），４（Ｃ）に示すように、イオンが加速ギャップ４６を通過するときと加速ギャップ４７を通過するときとで高周波の位相を逆にする必要があるので、加速ギャップ４６と加速ギャップ４７の間の距離は高周波の１／２周期の間に進む距離（βλ／２）と一致している必要がある。一方、隣り合う加速空洞４１の間隔は自由に設定できる。
【0042】
Ｑ磁石４２は、Ｆ四重極とＤ四重極が交互に配置される。
【0043】
高βセクション加速器５０は、中βセクション加速器４０が加速したイオンビームをさらに加速する加速器である。以下、高βセクション加速器５０のことを単に加速器５０とも称する。加速器５０は、イオンを７５～１０００ＭｅＶ／ｕまで加速する。図１の実施例ではイオンを２００ＭｅＶ／ｕまで加速する例を示した。
【0044】
図５を参照して、加速器５０のより詳細な構成を説明する。加速器４０は原理的には加速器３０、４０と同様であるが、２つの加速空洞５１が接続された後に１つのＱ磁石５２が接続される構成が繰り返される。加速条件を決めた結果より加速空洞５１は合計で８０個、Ｑ磁石５２は合計で４０個とした例である。
【0045】
加速空洞５１は、単一の加速ギャップ５５を有するシングルギャップキャビティである。加速空洞５１には、高周波電力供給部５３からＲＦカプラー（高周波結合系）５４を介して高周波電力が供給される。高周波電力供給部５３は、イオンが加速ギャップ５５を通過するときにイオンが加速されるような位相で高周波電力を供給する。本実施形態例においては、加速電圧が２．５ＭＶであり、周波数が１００ＭＨｚという加速条件を決めた例である。
【0046】
Ｑ磁石５２は、Ｆ四重極とＤ四重極が交互に配置される。加速器５０において、Ｑ磁石５２が２つの加速空洞５１ごとに配置されるのは、ビームのエネルギーが高いのでビームの広がりの影響が相対的に小さいためである。
【0047】
加速器５０によって加速されたビームは、高エネルギービーム輸送系を介して標的エリアに導かれる。
【0048】
＜加速条件の決定処理＞
それぞれの加速ギャップにおける高周波磁場の電圧および位相と、Ｑ磁石の磁場勾配の決定方法について説明する。加速条件は、全てのセクションについて同様の処理によって決定できる。したがって、以下では、主に低βセクション加速器３０を例にして説明を行う。
それぞれの加速ギャップにおける高周波磁場の電圧および位相と、Ｑ磁石の磁場勾配の決定方法について説明する。加速条件は、全てのセクションについて同様の処理によって決定できる。したがって、以下では、主に低βセクション加速器３０を例にして説明を行う。
【0049】
前提として、加速器の装置構造（形状や大きさ）は所与である。また、それぞれの加速器においてイオンをどの程度まで加速させるかも条件として与えられる。
【0050】
図６を参照して、低βセクション加速器３０における加速条件の決定処理を説明する。図６の上部には、加速器３０の加速ギャップgと四重極磁石Q、および黒丸で示すバンチの速度vが模式的に示されている。なお、i番目の加速ギャップをgi、i番目のQ磁石をQi、加速ギャップgiを通過後のバンチの速度をviと表記する。
【0051】
図６に示すフローチャートは、１段分の高周波磁場および収束用磁場を決定する処理を示す。この処理は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現される。
【0052】
ステップＳ１１～Ｓ１３はViおよびφiを決定する処理であり、ステップＳ２１～Ｓ２３はFGiを決定する処理である。Viは、加速ギャップgiに印加する高周波電場の振幅であり、φiは、バンチの中心が加速ギャップgiを通過するときの振動電場の位相である。Qiは、Q磁石Qiの磁場勾配であり、水平方向収束・鉛直方向発散を正とし、鉛直方向収束・水平方向発散を負とする。
【0053】
まず、加速ギャップgiの高周波電場を決定する処理を説明する。ステップＳ１１において、Viおよびφiを選定する。そして、ステップＳ１２において、ビームの位相安定性と断熱性が満たされるかを判定する。
【0054】
位相安定性は、同期粒子との位相差および同期粒子とのエネルギー差で定義される位相空間内において、ビームが安定領域内に位置するか否かによって判定できる。図７にφi=0°、φi=30°およびφi=60°の安定領域を示している。太線Ｓがセパラトリクス（安定限界）であり、その内部が安定領域である。すなわち、ビームが、位相空間内において上記の安定領域内に位置すれば安定である。
【0055】
断熱条件は、安定領域の変化がビームのシンクロトロン振動に比べて十分にゆっくりであるという条件である。具体的に、シンクロトロン振動数をΩsとして、(1/Ωs ) × dΩs/dt << Ωs という条件である。
【0056】
ステップＳ１２において、位相安定性と断熱性を満たさない場合には、ステップＳ１１に戻ってViおよびφiをあらためて選定する。ステップＳ１２の条件を満たす場合には、加速ギャップgiにおけるViとφiをステップＳ１１で選定した値に決定する。なお、Viとφiは、ステップＳ１２の条件を満たす範囲で、加速効率が最も高いように決定することが望ましい。
【0057】
ステップＳ１３では、加速ギャップgiを通過した後のビームの非相対論的エネルギーEi
+1および速度vi+1を算出する。加速ギャップgiにて、エネルギーはq/m×Vi sinφiだけ増加するので、Ei+1= Ei + q/m×Vi sinφiである。なお、mはイオンの質量であり、qはイオンの電荷量である。
【0058】
次に、Ｑ磁石Qiの磁場勾配FGiを決定する処理を説明する。ステップＳ２１において、FGiを選定する。そして、ステップＳ２２において、Ｑ磁石による収束力が、空間電荷力による反発力よりも大きいという条件、すなわち横方向に安定であるという条件を満たすか否かを判定する。ステップＳ２２の条件を満たさない場合には、ステップＳ２１に戻ってFGiを改めて選定する。ステップＳ２２の条件を満たす場合には、ステップＳ２３に進んで磁場勾配の向きを決定する。例えば、奇数番目のＱ磁石では磁場勾配を正方向とし、偶数番目のＱ磁石では磁場勾配を負方向とする。もちろん、正負は逆であっても構わない。
【0059】
以上の処理により、i番目の加速ギャップgiとＱ磁石qiにおける加速条件が決定される。以上の処理はi=1から順に全ての加速ギャップおよびＱ磁石について実施される。これにより、加速器３０内の全てのgi， φi， FGiが決定される。また、ここでは低βセクション加速器３０を例に説明をしたが、その他のセクションの加速についても同様に加速条件が決定される。
【0060】
Viとφiの決め方は以下の通りである。
【0061】
図７より、φiが小さい程、安定領域は広く、φi=0の場合、ビームが直流ビームであっても、ビームのほぼすべてを安定領域に取り込むことが可能である。その後、φiとViを適宜設定し、進行方向に対して断熱捕獲を行う。Viは先述の断熱条件が満たされていれば任意に決めてよい。図６よりφiが小さという事は、加速電圧が小さいことを意味するため、φiはなるべく速やかに、通常の加速時を行う値（φa、例えば60°）まで増やすことが加速効率を向上する上では好ましいが、先述の断熱条件を守るためには、ゆっくりと変化させ、ビームを安定領域からこぼさないことが重要である。
【0062】
加速システム全域に渡って周波数は、固定と言うわけではなく、例えば中βセクションの周波数は、低βセクションのＫ倍、高βセクションについては低βセクションのＬ倍と言う様に、高周波電場の周波数を上げていき、加速器システム全体をコンパクトにする。その際に、図７におけるビームの位相方向の広がりが、周波数の変化に伴い、Ｋ（Ｌ）倍することに注意すること。そのため、中βや高βの初段で、φiをφaより少しさげ、安定領域を広げ、ビームを取りこぼさず安定領域に取り込んだ後に、ゆっくりと（断熱的に）φiをφaに近づけていく。
【0063】
本実施形態に係る加速器は、シングルギャップまたはダブルギャップの加速空洞を複数並べたものであるため、加速空洞ごとに高周波電場の電圧および位相を上述の様に決定できる。
【0064】
＜有利な効果＞
以下、本実施形態に係る線形加速器システム１００の有利な点を、国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ: International Fusion Material Irradiation Facility）と比較して説明する。ＩＦＭＩＦは、２本の重陽子ビーム（４０ＭｅＶ，１２５ｍＡ×２）を照射する１０ＭＷ級の加速器である。
以下、本実施形態に係る線形加速器システム１００の有利な点を、国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ: International Fusion Material Irradiation Facility）と比較して説明する。ＩＦＭＩＦは、２本の重陽子ビーム（４０ＭｅＶ，１２５ｍＡ×２）を照射する１０ＭＷ級の加速器である。
【0065】
図９は、ＩＦＭＩＦにおける初段加速器であるＲＦＱ加速器の特性（列６０１）と、ＩＦＭＩＦのＲＦＱ加速器のボア径を単純に１０倍した場合の特性（列６０２）と、本実施形態に係る初段加速器３０の特性（列６０３）とを対比した表である。
【0066】
ＲＦＱ加速器は電場方式でビームの水平方向の収束を行っているため、ボア径を１０倍にすると必要な電圧も１０倍（８０ｋＶ→８００ｋＶ）となる。そのため放電限界を超えてしまう。これに対して、本実施形態の加速器は、ビームの水平方向の収束はＱ磁石による磁場方式で行っているのでボア径を大きくしてもビームの収束のために高電圧をかける必要がなく、放電限界以内での実現が可能である。
【0067】
また、高周波損失は電圧の２乗に比例するため、ＲＦＱ加速器のボア径を１０倍にすると高周波損失は１００倍（１ＭＷ→１００ＭＷ）と膨大になる。これに対して本実施形態の加速器における高周波損失は１０ＭＷ以下に抑えることができる。
【0068】
また、ＲＦＱ加速器では加速ギャップの間隔をβλ／２とする必要がある。これに対して本実施形態に係る加速器では、加速空洞毎に高周波の位相を独立して制御可能であるため、加速空洞の間隔を自由に設計できる。加速空洞が単一の加速ギャップを有する場合には、このことは、全ての加速ギャップの間隔を自由に設計できることを意味する。したがって、加速ギャップの間隔を短くすることが可能であり、加速装置の全長の短縮化が図れる。なお、１つの加速空洞が複数の加速ギャップを有する場合は、加速空洞内の加速ギャップの間隔には上述の制約が生じるが、加速空洞間の間隔は短縮できるので従来よりも全長の短縮化が可能である。また、加速器の全長の短縮により、製造コストを削減できる。
【0069】
ＲＦＱ加速器は、ビームの加速および水平方向の収束とともに、ビームを進行方向について断熱捕獲する機能も有する。本実施形態に係る加速器も同様に、直流ビームの進行方向についての断熱捕獲が可能である。
【0070】
また、図９の表には示していないが、加速空洞あたりのＲＦカプラーの数を減らすことができることも有利な点として挙げられる。ＲＦカプラー１つから供給できる電力には制限があるので複数のＲＦカプラーから高周波電力を供給する必要がある。たとえば、５００ｋＷの電力を投入するために少なくとも８～９本のＲＦカプラーが必要となる。１つの加速空洞にこれだけ多数のＲＦカプラーを接続することは困難で有り、さらに拡張して加速勾配を強くすることはほぼ不可能である。これに対して、本実施形態に係る加速器では加速空洞あたり１つのＲＦカプラーでよいので容易に実現できるとともに、ＲＦカプラーの数をさらに増やして加速勾配を増加させることも可能である。
【0071】
本実施形態では、加速空洞を個別制御することで制御の自由度が向上し、それによりＲＦＱ加速器が不要となるので、ビームの大電流化が実現できる。また、加速器システムの全体容量や仕様に応じて加速空洞（セル）の段数を適宜選定することで、例えば、低速領域の加速器サブシステムを構成でき、速度領域に対応して適正制御が実現可能である。また、各速度領域に対応する複数の加速器を別の場所で製造し、それらを加速器システムの設置場所に個別に搬送して、各速度領域のサブシステムを組み立てさらに全体のシステムを構築する製造手法も可能となり、組み立て後に現場にて各種調整を競るレベルで柔軟に行うこともできる。
【0072】
以上述べたことから明らかなように、ＲＦＱ加速器では、ビームの加速と収束をともに振動電場による制御に基づき実施しており、他方実施形態では、前者は振動電場に基づく制御、後者は静磁場に基づく制御とを区分けして使い分け、例えば、図６に示されるような手順で実施している。特にイオン発生源に最も近接した空洞におけるビームの挙動は、その次段側で空洞のビームの挙動に少なからず影響をもたらし、該当次段側でのビームの制御し易さにも影響する。そのように特定段の空洞におけるビームの挙動は次段側以降の空洞でのビーム挙動、その制御等に漸化式的に影響を及ぼす。したがって、特にイオン発生源に最も近接した空洞に上記電場、磁場の区分け制御を実施することは、次段側への影響、ひいてはシステム全体への影響を考慮すると、その意義は大きい。
【0073】
＜変形例＞
上記の実施形態の構成は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、適宜変更して構わない。上記の実施形態における、具体的なパラメータは一例に過ぎず、要求に応じて適宜変更して構わない。
上記の実施形態の構成は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、適宜変更して構わない。上記の実施形態における、具体的なパラメータは一例に過ぎず、要求に応じて適宜変更して構わない。
【0074】
上記の実施形態では、加速器のボア径（内直径）を１０cmとしているが、ボア径は、より小さくても大きくても構わない。従来のRFQ加速器で実現可能なボア径が１ｃｍ程度であることを考慮すると、本実施形態における加速器のボア径を２ｃｍ以上とすれば、従来は不可能な大口径ビームの加速が実現できる。加速器のボア径は、５ｃｍ以上であってもよいし、１０ｃｍ以上であってもよいし、２０ｃｍ以上であってもよいし、５０ｃｍ以上であってもよい。
【0075】
上記の実施形態では、１つまたは２つの加速空洞に対して１つのＱ磁石が接続される構成を有していたが、その他の構成も可能である。たとえば、Ｑ磁石が複数連続して配置されても良い。一般には、Ｎ個（Ｎは自然数）の加速空洞の後に、Ｍ個（Ｍは自然数）の多重極磁石が接続される構成を採用できる。
【0076】
また、上記の実施形態に係る線形加速器システムは、低βセクション、中βセクション、高ベータセクションの３つの加速器から構成されているが、２つまたは４つ以上の加速器から構成しても構わない。また、全ての加速器が、１つまたは２つの加速ギャップを有する加速空洞から構成される加速器である必要はない。初段の加速器は、このような構成を有していることが好ましいが、２段目以降の加速器については従来の加速器を採用しても構わない。
【0077】
加速される粒子は陽子または重陽子としたが、トリチウム（三重水素）や水素より重い元素を加速しても構わない。
【0078】
なお、ビーム電流が１A程度の場合には本発明の顕著な効果を期待できるが、ビーム電流が少なくとも0.1A程度の場合にも相応の効果が得られる。
【符号の説明】
【0079】
１０：イオン源， ２０：バンチャー， ３０：低βセクション加速器，
４０：中βセクション加速器， ５０：高βセクション加速器
３１，４１，５１：加速空洞
３２，４２，５２：四重極磁石（Ｑ磁石）
３３，４３，５３：高周波電力供給部
３４，４４，５４：高周波結合系
３５，４５，４６，５５：加速ギャップ
４０：中βセクション加速器， ５０：高βセクション加速器
３１，４１，５１：加速空洞
３２，４２，５２：四重極磁石（Ｑ磁石）
３３，４３，５３：高周波電力供給部
３４，４４，５４：高周波結合系
３５，４５，４６，５５：加速ギャップ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】