本發(fā)明涉及在一個(gè)同步加速器系統(tǒng)中，為了形成為能使不同種類的離子加速的系統(tǒng)，而使不同種類的離子入射至同步加速器的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

將在同步加速器中使帶電粒子加速，并從同步加速器射出的高能量的帶電粒子束即粒子射線例如利用于進(jìn)行癌治療。在治療用的粒子射線中，有時(shí)優(yōu)選根據(jù)治療對(duì)象選擇粒子射線的種類。由此，期望能從一個(gè)同步加速器系統(tǒng)中射出不同種類的粒子射線。同步加速器對(duì)射入的帶電粒子、即離子進(jìn)行加速，為了使其能射出不同種類的粒子射線，需要將不同種類的離子入射至同步加速器的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

專利文獻(xiàn)1中，公開了通過同一個(gè)同步加速器能使所有種類的離子加速至任意能級(jí)的技術(shù)。記載了在用于使離子入射至該同步加速器的入射器系統(tǒng)中，通過前級(jí)加速器使加速至一定能級(jí)的離子射束入射。

此外，專利文獻(xiàn)2中雖然記載了為了將質(zhì)子射束和碳射束合并利用，需要產(chǎn)生各自的射束的離子源，但針對(duì)用于使離子入射至同步加速器的前級(jí)加速器沒有詳細(xì)的記載。

此外，專利文獻(xiàn)3中，公開了在apf-ih型漂移管直線加速器中，能使大電流的質(zhì)子等粒子射束加速的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利特開2006－310013號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本專利特開2009－217938號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：國際公開wo2012/008255號(hào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

例如，在用于能通過同步加速器使質(zhì)子和碳離子那樣、不同種類的離子加速而進(jìn)行預(yù)加速的同步加速器用入射器系統(tǒng)中，例如專利文獻(xiàn)1所記載的那樣，使不同種類的離子加速至同一能量。像這樣，以往受限于兩種相同的預(yù)加速能量、以及相同的加速器這樣的條件。由于像這樣的以往的入射器系統(tǒng)是無法針對(duì)各個(gè)種類的離子提供最適宜的預(yù)加速能量的入射器系統(tǒng)，因此效率較差且設(shè)備較大。由于荷質(zhì)比(電荷/質(zhì)量)較大的離子(例如質(zhì)子：電荷/質(zhì)量＝1/1)中，空間電荷效應(yīng)較大，因此期望與荷質(zhì)比較小的離子(例如四價(jià)碳離子：電荷/質(zhì)量＝4/12)相比，荷質(zhì)比較大的離子向同步加速器的入射能較高。為了使荷質(zhì)比較小的離子加速，需要比使荷質(zhì)比較大的離子加速時(shí)更高的加速電壓，使得加速器變大，因此期望與荷質(zhì)比較大的離子相比，荷質(zhì)比較小的離子向同步加速器的入射能較低。以往，上述需求未得到解決，無論荷質(zhì)比較大的離子還是較小的離子，向同步加速器的入射能都固定為相同，設(shè)備較為大型。

本發(fā)明是為了解決上述那樣以往的同步加速器用入射器系統(tǒng)的問題點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種能使不同種類的離子加速的、小型的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

本發(fā)明的同步加速器用入射器系統(tǒng)包括：第一離子源，該第一離子源產(chǎn)生第一離子；第二離子源，該第二離子源產(chǎn)生比第一離子的荷質(zhì)比q1/a1小的荷質(zhì)比q2/a2的第二離子；漂移管直線加速器，該漂移管直線加速器包括圓筒諧振器、以及以直線狀排列于該圓筒諧振器的圓筒軸向上的多個(gè)漂移管，在通過這些多個(gè)漂移管形成的多個(gè)漂移管間隙中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)成為加速相位的高頻的半周期即加速半周期期間對(duì)離子進(jìn)行加速；高頻發(fā)生器，該高頻發(fā)生器向漂移管直線加速器提供高頻功率；以及低能射束傳輸路徑，該低能射束傳輸路徑使第一離子和所述第二離子中的任一種離子入射至漂移管直線加速器，高頻發(fā)生器在低能射束傳輸路徑使第一離子入射的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率，使得在多個(gè)漂移管間隙中的一個(gè)漂移管間隙中使所述第一離子加速的加速半周期、與被加速的該第一離子到達(dá)所述一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙而被加速的加速半周期的差成為第一加速周期差，該高頻發(fā)生器在低能射束傳輸路徑使第二離子入射的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率，使得在所述一個(gè)漂移管間隙中使所述第二離子加速的加速半周期、與被加速的該第二離子到達(dá)所述一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙而被加速的加速半周期的差即第二加速周期差大于第一加速周期差。

本發(fā)明的漂移管直線加速器的運(yùn)轉(zhuǎn)方法中，該漂移管直線加速器包括圓筒諧振器、以及以直線狀排列于該圓筒諧振器的圓筒軸向的多個(gè)漂移管，在通過這些多個(gè)漂移管形成的多個(gè)漂移管間隙中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)成為加速相位的高頻的半周期即加速半周期期間，對(duì)第一離子、或比第一離子的荷質(zhì)比q1/a1小的荷質(zhì)比q2/a2的第二離子中的任一種離子進(jìn)行加速，其中，以如下方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)：在對(duì)第一離子加速的情況下，向所述漂移管直線加速器提供高頻功率，從而產(chǎn)生第一加速周期差，該第一加速周期差是在多個(gè)漂移管間隙中的一個(gè)漂移管間隙中使所述第一離子加速的加速半周期、與被加速的該第一離子到達(dá)所述一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙而被加速的加速半周期的差，在對(duì)第二離子加速的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率，從而產(chǎn)生在所述一個(gè)漂移管間隙中使所述第二離子加速的加速半周期、與被加速的該第二離子到達(dá)所述一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙而被加速的加速半周期的差即第二加速周期差大于第一加速周期差的周期差。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，使不同種類的離子以不同的能量射出，因此，能提供小型且能射出不同種類的離子的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。

圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管加速器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。

圖3是表示離子粒子在漂移管間隙被加速同時(shí)前進(jìn)的情況的示意圖。

圖4是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器中第一離子的加速動(dòng)作的線圖。

圖5是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器中第二離子的加速動(dòng)作的線圖。

圖6是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的另一個(gè)漂移管直線加速器中第一離子的加速動(dòng)作的線圖。

圖7是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的另一個(gè)漂移管直線加速器中第二離子的加速動(dòng)作的線圖。

圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器的漂移管的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的一例的剖視圖。

圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管加速器的主要部位的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的一例的側(cè)面剖視圖。

圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管加速器的主要部位的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的一例的立體圖。

圖11是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管加速器的圖9的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的動(dòng)作的圖。

圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管加速器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。

圖13是說明本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器中第一離子的加速動(dòng)作的線圖。

圖14是說明本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器中第二離子的加速動(dòng)作的線圖。

具體實(shí)施方式

在同步加速器用入射器系統(tǒng)中，由于對(duì)重的離子進(jìn)行加速比對(duì)輕的離子加速需要更大功率，因此例如在能對(duì)作為不同離子的質(zhì)子和碳離子進(jìn)行加速的情況下，首先設(shè)計(jì)能對(duì)作為重的離子的碳離子加速到所需能量的加速器。對(duì)于輕的質(zhì)子，在加速到碳離子所需能量的加速器中，基于考慮到若減少功率則能將其加速至與碳離子相同的能量，從而在以往實(shí)現(xiàn)將碳離子和質(zhì)子加速到相同能量并射出的入射器系統(tǒng)。然而，優(yōu)選地，對(duì)于像質(zhì)子這樣荷質(zhì)比較大的離子，其向同步加速器的入射能要高于像碳離子這樣荷質(zhì)比較小的離子。由于以往將重的碳離子的設(shè)計(jì)放在第一位來考慮，因此在相同的入射器系統(tǒng)中，沒有設(shè)想實(shí)現(xiàn)使碳離子和質(zhì)子以不同的能量射出的入射器系統(tǒng)。

與此相對(duì)，本發(fā)明中，舍棄了將最適合于荷質(zhì)比較小的離子的入射器系統(tǒng)也用于荷質(zhì)比較大的離子的加速這樣的想法，基于將對(duì)荷質(zhì)比較大的離子加速至適合同步加速器的入射能的入射器系統(tǒng)用于對(duì)荷質(zhì)比較小的離子的加速、這樣與以往相反的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了將不同離子分別加速到不同能量的入射器系統(tǒng)。通過該設(shè)想，能以小型化實(shí)現(xiàn)在荷質(zhì)比較小的離子和荷質(zhì)比較大的離子中能射出分別適合作為向同步加速器的入射能的能量的入射器系統(tǒng)。下面，利用實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。

實(shí)施方式1.

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的框圖。該同步加速器用入射器系統(tǒng)10是可切換兩種離子并入射至同步加速器100的系統(tǒng)。同步加速器用入射器10包括：產(chǎn)生第一離子的第一離子源1；和產(chǎn)生荷質(zhì)比小于第一離子的第二離子的第二離子源2。下面，將質(zhì)子作為第一離子，四價(jià)碳離子作為第二離子，以此為例進(jìn)行說明。但是，只要是滿足第二離子的荷質(zhì)比(q2/a2)小于第一離子的荷質(zhì)比(q1/a1)的組合，則本發(fā)明能適用于各種離子的組合。例如，也能適用于第一離子為質(zhì)子(荷質(zhì)比＝1)、第二離子為1價(jià)氦離子(荷質(zhì)比＝1/4)的組合，或第一離子為氦離子、第二離子為碳離子的組合等。

若質(zhì)子的電荷q為1價(jià)，質(zhì)量a設(shè)為1，則質(zhì)子的荷質(zhì)比q/a為1/1，碳離子為4價(jià)，質(zhì)子設(shè)為1時(shí)的質(zhì)量為12，因此，碳離子的荷質(zhì)比為4/12。由此，與質(zhì)子相比，碳離子的荷質(zhì)比較小。從第一離子源1產(chǎn)生的質(zhì)子通過第一低能射束傳輸路徑41入射至合成器43，從第二離子源2產(chǎn)生的碳離子通過第二低能射束傳輸路徑42入射至合成器43。構(gòu)成為通過合成器43使第一低能射束傳輸路徑41和第二低能射束傳輸路徑42合流成一個(gè)射束線44來切換質(zhì)子和碳離子，使任一種離子入射至漂移管直線加速器5。將質(zhì)子從第一離子源1射出并入射至漂移管直線加速器5的傳輸路徑、以及碳離子從第二離子源2射出并入射至漂移管直線加速器5的傳輸路徑合并稱作低能射束傳輸路徑4。

在合成器43中，使來自第二離子源2的碳離子偏轉(zhuǎn)并合流至射束線44。從第二離子源2射出的碳離子包含除4價(jià)之外、價(jià)數(shù)不同的碳離子。在加速器中僅對(duì)4價(jià)的碳離子進(jìn)行加速。因此，構(gòu)成為通過在合成器43的部分使來自第二離子源2的碳離子偏轉(zhuǎn)從而僅使4價(jià)的碳離子合流至射束線44。

圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器5的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。漂移管直線加速器5在圓筒諧振器6內(nèi)將多個(gè)漂移管t1、t2……排列在圓筒諧振器6的圓筒軸向上。圖2中為了簡(jiǎn)便圖示出排列了七個(gè)漂移管的情況，但多數(shù)情況排列有更多的漂移管。圓筒諧振器6內(nèi)被抽真空。各漂移管形成為沿著離子通過的加速軸20在中央設(shè)有貫通孔的圓筒形，利用基桿(stem)3支承圓筒諧振器壁7。圖2的漂移管直線加速器中，相鄰的漂移管的基桿向相反側(cè)延伸。像這樣構(gòu)成的漂移管直線加速器被稱為ih(interdigital-h：一段交叉指)型漂移管直線加速器。漂移管直線加速器中，從高頻發(fā)生器50向圓筒諧振器內(nèi)提供高頻功率，在相鄰的漂移管間的間隙(以下稱為漂移管間隙)g1、g2……產(chǎn)生高頻電場(chǎng)，通過該高頻電場(chǎng)對(duì)沿著加速軸20前進(jìn)的離子加速。

離子成為粒子射束被逐漸加速。由于粒子射束是離子(帶電粒子)的集合體，因此在粒子間發(fā)散力相互作用(這被稱為空間電荷效應(yīng))。因此粒子射束隨著在前進(jìn)方向上前進(jìn)的同時(shí)在徑向和前進(jìn)方向上擴(kuò)大，特別是由于徑向的發(fā)散而與真空管壁碰撞，粒子射束產(chǎn)生損耗。因此，需要抑制徑向發(fā)散的射束徑向集束設(shè)備。然而，在被稱為apf(alternating-phasefocusing：交變相聚焦)-ih型漂移管直線加速器的漂移管直線加速器中，通過對(duì)漂移管間隙中產(chǎn)生的彎曲的電場(chǎng)分布、和粒子射束通過漂移管間隙的定時(shí)進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)從而獲得射束集束力，因此不需要射束徑向集束設(shè)備。

圖3是表示離子粒子在漂移管間隙被加速的同時(shí)前進(jìn)的情況的示意圖。離子粒子在圖3中沿著加速軸20從左向右前進(jìn)。離子粒子在第i個(gè)漂移管間隙gi中被加速，在漂移管ti內(nèi)不被加速而前進(jìn)，在下一個(gè)漂移管間隙gi+1被加速。再次在漂移管ti+2內(nèi)不被加速而前進(jìn)，進(jìn)而在下一個(gè)漂移管間隙gi+2被加速。像這樣，離子粒子每次通過漂移管間隙時(shí)被加速。圖3中示意性地以雙圓圈表示被加速的離子粒子，以黑色圓圈表示不被加速而前進(jìn)的離子粒子。

這里，利用圖4簡(jiǎn)單說明通過ih型漂移管直線加速器對(duì)離子粒子加速的動(dòng)作。圖4是說明離子粒子依次通過某個(gè)漂移管間隙gi、gi+1、gi+2來被加速的情況的線圖。橫軸是高頻電場(chǎng)的相位，由于相位推進(jìn)表示時(shí)間推進(jìn)，因此橫軸也是時(shí)間。即，時(shí)間向橫軸右方向推進(jìn)。在各漂移管間隙中產(chǎn)生與提供至圓筒諧振器內(nèi)的高頻功率對(duì)應(yīng)的高頻電場(chǎng)。高頻電場(chǎng)強(qiáng)度如圖4所示描繪正弦波曲線來變化。圖4中，在漂移管間隙gi產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到峰值的相位作為0度來記載相位的值。ih型漂移管直線加速器中，如圖4的漂移管間隙gi和gi+1、或gi+1和gi+2的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度所示，設(shè)計(jì)為在相鄰的漂移管間隙中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)呈相反相位。圖4中示出了使離子加速的方向?yàn)檎?上方)來作為高頻電場(chǎng)的方向。高頻電場(chǎng)強(qiáng)度為正時(shí)具有對(duì)離子加速的能力，因此這里將高頻電場(chǎng)強(qiáng)度為正的半周期稱為加速半周期。例如漂移管間隙gi的加速半周期pai、gi+2的加速半周期pai+2是從-90度到+90度、270度到450度這樣的、從(360*n-90)度到(360*n+90)度的半周期。漂移管間隙gi+1的加速半周期pai+1成為從(360*n+90)度到(360*n+270)度的半周期。這里n是包含0的整數(shù)。

雙圓圈表示某個(gè)離子粒子的位置，隨著相位推進(jìn)即時(shí)間推進(jìn)，用箭頭表示該離子粒子前進(jìn)至什么位置。圖4的最上部示出了與高頻相位對(duì)應(yīng)的離子粒子的位置、即在與相位對(duì)應(yīng)的時(shí)間該離子粒子存在于什么位置。離子粒子在漂移管間隙gi中從漂移管間隙gi中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)獲取能量而被加速。離子粒子進(jìn)入漂移管ti后不被加速地以原本的能量前進(jìn)，在下一個(gè)漂移管間隙gi+1中從漂移管間隙gi+1中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)獲取能量而被加速。圖4示出了像這樣使離子粒子加速的同時(shí)前進(jìn)的情況。

通常，在ih型漂移管直線加速器中，調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度使得加速半周期中電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值之前，在圖4的漂移管間隙gi中從電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值起例如-30度左右的相位下供離子粒子通過。由此，對(duì)稍許延遲通過的離子粒子進(jìn)一步加速，從而形成離子的集合體。ih型漂移管直線加速器中，在下一個(gè)漂移管間隙中產(chǎn)生相反相位的高頻電場(chǎng)，因此漂移管間隙gi+1的加速半周期pai+1成為從漂移管間隙gi的加速半周期pai起延遲了半周期的半周期。即，相鄰的漂移管間隙中加速半周期的差成為半周期。設(shè)計(jì)為在該加速半周期的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值之前，即相位在150度左右的相位下使離子的集合體通過漂移管間隙gi+1。像這樣使離子的集合體通過漂移管間隙從而被加速。

以往的ih型漂移管直線加速器中，進(jìn)行如上文那樣的設(shè)計(jì)，通過在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供可達(dá)到依照設(shè)計(jì)的加速動(dòng)作的高頻功率，從而對(duì)離子粒子的集合體、即離子射束加速，使所設(shè)計(jì)的能量的離子射束射出，入射至同步加速器100。本發(fā)明的實(shí)施方式1中，荷質(zhì)比較大的第一離子(例如質(zhì)子)與以往同樣地，通過與圖4說明的相同的動(dòng)作進(jìn)行加速。然而，在對(duì)荷質(zhì)比較小的第二離子(例如四價(jià)的碳離子)加速的情況下，使相鄰的漂移管間隙中用于加速的加速半周期的差成為比第一離子的加速半周期的差要大的差來進(jìn)行加速。這里，將對(duì)第一離子加速的、相鄰的漂移管間隙之間的加速半周期的差稱為第一加速周期差，將對(duì)第二離子加速的加速半周期的差稱為第二加速周期差。上述內(nèi)容中，第一加速周期差為半周期(0.5周期)。

圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器中、將四價(jià)碳離子作為第二離子時(shí)的加速的情況的圖。第二離子的集合體在漂移管間隙gi中在相位-30度左右通過而被加速。在漂移管間隙gi+1中調(diào)整高頻電場(chǎng)強(qiáng)度、即提供至圓筒諧振器的高頻功率，使其不是在下一個(gè)半周期，而是在比下一個(gè)半周期再多延遲一周期從而成為加速半周期的半周期期間的相位510度左右被加速。上述內(nèi)容中第二加速周期差為1.5周期。像這樣的加速中，第二離子的加速比第一離子的速度慢。即，從漂移管直線加速器射出的第二離子的能量比第一離子的能量小。設(shè)有第一離子的電荷q1、質(zhì)量a1、第二離子的電荷q2、質(zhì)量a2時(shí)，優(yōu)選地，使第二離子的能量為第一離子的能量的(q2/a2)/(q1/a1)(荷質(zhì)比的比例)倍。

此外，在第一離子和第二離子的荷質(zhì)比的差較大的情況下，可以使第二加速周期差進(jìn)一步增大到2.5周期、3.5周期。像這樣，進(jìn)行動(dòng)作從而使對(duì)第二離子加速時(shí)的第二加速周期差大于對(duì)第一離子加速時(shí)的第一加速周期差。優(yōu)選地，可以使第一加速周期差為半周期(0.5周期)，使第二加速周期差為(0.5+n)周期(n為正整數(shù))。像這樣，在荷質(zhì)比較小的第二離子中，設(shè)計(jì)為與第一離子相比射出能量較低，從而使對(duì)第一離子加速時(shí)提供的高頻功率、和對(duì)與第一離子相比荷質(zhì)比較小即較重的第二離子進(jìn)行加速時(shí)提供的高頻功率的差變得較小即可，不需要較大的高頻發(fā)生器。

以往只有如下內(nèi)容的設(shè)計(jì)思想，即，首先，對(duì)進(jìn)行加速而需要較大高頻功率的重的(質(zhì)量大、荷質(zhì)比小)第二離子(例如四價(jià)碳離子)的加速動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過降低高頻功率從而能使輕的(質(zhì)量小、荷質(zhì)比大)第一離子(例如質(zhì)子)加速到與第二離子相同的能量。即，只有如下內(nèi)容的設(shè)計(jì)思想，即，無論第一離子的加速還是第二離子的加速都通過圖4所說明的動(dòng)作進(jìn)行加速。像這樣，在第一離子的加速中，從第二離子的加速時(shí)的高頻功率起降低功率，將其加速到與第二離子相同的能量。從而，需要具有能輸出高頻功率的能力的高頻發(fā)生器，該高頻功率是用于將第二離子加速到與第一離子相同能量的高頻功率。然而，本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)了利用與能對(duì)較輕、荷質(zhì)比較大的第一離子加速的高頻發(fā)生器幾乎相同能力的高頻發(fā)生器，通過使第二加速周期差大于第一加速周期差，從而即使射出的離子的能量較低，也能使較重、荷質(zhì)比較小的第二離子加速，由此成功實(shí)現(xiàn)了能加速兩種離子的漂移管直線加速器。

圖6是說明屬于ih型漂移管直線加速器的、apf(alternating-phasefocusing：交變相聚焦)-ih型漂移管直線加速器的動(dòng)作的圖。該漂移管直線加速器被設(shè)計(jì)為在漂移管間隙gi中-60度左右的相位下使離子通過，在下一個(gè)漂移管間隙gi+1中高頻電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值的相位+50度左右、即230度左右的相位下使離子通過，在再下一個(gè)漂移管間隙gi+2中與漂移管間隙gi同樣地高頻電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值的相位-60度左右、即300度左右的相位下使離子通過。通過這樣的設(shè)計(jì)，僅在高頻電場(chǎng)中抑制射束發(fā)散，能實(shí)現(xiàn)不需要另行設(shè)置集束設(shè)備就能進(jìn)行加速的加速器。apf-ih型漂移管直線加速器中，如圖6所示，也與圖4說明的ih型漂移管直線加速器同樣地、在相鄰的漂移管間隙中進(jìn)行動(dòng)作使其以半周期不同的加速半周期進(jìn)行加速。本發(fā)明中，在該apf-ih型漂移管直線加速器中，設(shè)計(jì)為使得第一離子進(jìn)行圖6所示的加速動(dòng)作，利用這樣設(shè)計(jì)成的apf-ih型漂移管直線加速器，通過圖7所示的加速動(dòng)作從而對(duì)比第一離子的荷質(zhì)比小的第二離子進(jìn)行加速。

如圖7所示，第二離子的集合體在漂移管間隙gi中相位-60度左右通過而被加速。在漂移管間隙gi+1中調(diào)整高頻電場(chǎng)強(qiáng)度、即提供至圓筒諧振器的高頻功率，使離子不是在下一個(gè)半周期、而是在比下一個(gè)半周期再多延遲一周期來成為加速半周期的半周期期間，在高頻電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值的相位+50度左右的相位、即590度左右的相位下通過。根據(jù)以上的動(dòng)作，與圖4和圖5中說明的動(dòng)作同樣地，第二離子比第一離子速度慢，從漂移管直線加速器射出時(shí)的能量低。該動(dòng)作中，第一離子能僅利用高頻電場(chǎng)抑制發(fā)散，第二離子可能無法僅利用高頻電場(chǎng)抑制發(fā)散。該情況下，如圖8所示，通過在漂移管t中內(nèi)置產(chǎn)生磁場(chǎng)的集束設(shè)備8，從而在第二離子加速時(shí)使集束設(shè)備8動(dòng)作來抑制發(fā)散即可。

此外，如圖9至圖11所示，能將在漂移管間隙產(chǎn)生的電場(chǎng)設(shè)為集束性的電場(chǎng)從而抑制發(fā)散。圖9是表示沿著加速軸20排列的漂移管t中從漂移管ti到漂移管ti+2的部分的截面的示意圖，圖10是表示漂移管ti和漂移管ti+1的部分的立體圖，圖11是表示從加速軸方向觀察形成于漂移管間隙的電場(chǎng)的示意圖。圖9以及圖10所示的結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成為在各漂移管t中設(shè)有向間隙側(cè)突出的指狀的電極tf。各電極tf被設(shè)為使形成于漂移管間隙的高頻電場(chǎng)成為圖11所示的四極電場(chǎng)。例如圖9、圖10所示，可以各將兩個(gè)電極tf設(shè)置于各漂移管中，使各漂移管間隙中，從構(gòu)成漂移管間隙的一個(gè)漂移管突出的電極、和從另一個(gè)漂移管突出的電極位于加速軸20的周圍彼此相差90度的位置。利用該結(jié)構(gòu)，在漂移管間隙形成有四極電場(chǎng)，使離子被集束的同時(shí)被加速。利用該結(jié)構(gòu)，在對(duì)第一離子加速的情況、和對(duì)第二離子加速的情況下，分別適當(dāng)設(shè)計(jì)加速相位以及形成的四極電場(chǎng)，從而在對(duì)任何離子加速的情況下均不發(fā)散，能抑制損耗并進(jìn)行加速。此外，也能并用圖8所示的磁場(chǎng)進(jìn)行的集束和上述電場(chǎng)進(jìn)行的集束。

像這樣，允許第一離子和第二離子中射出的離子的能量不同來進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使對(duì)第一離子加速時(shí)提供的高頻功率、和與第一離子相比荷質(zhì)比較小即較重的第二離子進(jìn)行加速時(shí)提供的高頻功率的差較小即可，不需要較大的高頻發(fā)生器。

對(duì)上述的實(shí)施方式1的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器、即ih型漂移管直線加速器中的本發(fā)明的動(dòng)作進(jìn)行總結(jié)如下。在對(duì)第一離子進(jìn)行加速的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率，使得多個(gè)漂移管間隙中的一個(gè)漂移管間隙中使第一離子加速的加速半周期、和被加速的該第一離子到達(dá)該一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙并被加速的加速半周期的差成為第一加速周期差，在對(duì)與第一離子相比荷質(zhì)比小的第二離子進(jìn)行加速的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率的高頻，使得所述一個(gè)漂移管間隙中被加速的加速半周期、和被加速的該第二離子到達(dá)該一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙并被加速的加速半周期的差、即第二加速周期差大于第一加速周期差，從而利用能對(duì)第一離子加速的高頻發(fā)生器，能構(gòu)成雖然射出的離子的能量為低于第一離子的能量、但也能對(duì)第二離子進(jìn)行加速的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

實(shí)施方式2.

實(shí)施方式2中，說明利用了阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器作為構(gòu)成圖1所示的同步加速器用入射器系統(tǒng)10的漂移管直線加速器5的情況的動(dòng)作。利用了阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器的情況下，也通過以大于第一離子的加速周期差的加速周期差對(duì)第二離子加速，從而利用能加速第一離子的高頻發(fā)生器，能構(gòu)成雖然射出的離子的能量為低于第一離子的能量、但也能對(duì)第二離子進(jìn)行加速的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器5、即阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器5的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器5中，也在圓筒諧振器6內(nèi)將多個(gè)漂移管t1、t2……排列在圓筒諧振器6的圓筒軸向上。圖12中為了簡(jiǎn)便圖示出排列了七個(gè)漂移管，但多數(shù)情況排列有更多的漂移管。圓筒諧振器6內(nèi)被抽真空。各漂移管形成為在中央沿著供離子通過的加速軸20設(shè)有貫通孔的圓筒形，利用基桿3支承于圓筒諧振器壁7。阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，全部的漂移管的基桿向同一方向延伸。從圖1所示的高頻發(fā)生器50向圓筒諧振器內(nèi)提供高頻功率，在相鄰的漂移管間隙g1、g2……產(chǎn)生高頻電場(chǎng)，通過該高頻電場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速。在阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，通常與圖8所示的內(nèi)容同樣地，將利用磁場(chǎng)的集束設(shè)備內(nèi)置于漂移管內(nèi)來抑制徑向的射束發(fā)散。此外，也可以并用圖9～11所說明的、利用電場(chǎng)的集束。

這里，利用圖13簡(jiǎn)單說明通過阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器對(duì)離子粒子加速的情況。圖13是說明離子粒子依次通過某個(gè)漂移管間隙gi、gi+1、gi+2來被加速的情況的線圖。圖13中，在漂移管間隙gi產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到峰值的相位作為0度來記載相位。阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，與ih型漂移管直線加速器不同，如圖13的漂移管間隙gi和gi+1、或gi+1和gi+2的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度所示，設(shè)計(jì)為在相鄰的漂移管間隙中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)呈同相位。圖13中示出了使離子加速的方向?yàn)檎?上方)來作為高頻電場(chǎng)的方向。由于高頻電場(chǎng)強(qiáng)度為正時(shí)具有對(duì)離子進(jìn)行加速的能力，因此與實(shí)施方式1的ih型漂移管直線加速器的情況同樣地，將高頻電場(chǎng)強(qiáng)度為正的半周期稱為加速半周期。在阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，由于全部的漂移管間隙中高頻相位呈相同相位，因此從(360＊n－90)度到(360＊n+90)度的半周期成為加速半周期。這里n是包含0的整數(shù)。

雙圓圈表示某個(gè)離子粒子的位置，隨著相位推進(jìn)即時(shí)間推進(jìn)，用箭頭表示該離子粒子前進(jìn)至哪個(gè)位置。圖13的最上部示出了與高頻相位對(duì)應(yīng)的離子粒子的位置、即在與相位對(duì)應(yīng)的時(shí)間該離子粒子存在于什么位置。離子粒子在漂移管間隙gi中從漂移管間隙gi中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)獲取能量而被加速。離子粒子進(jìn)入漂移管ti后不被加速而以原本的能量前進(jìn)，在下一個(gè)漂移管間隙gi+1中從漂移管間隙gi+1中產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)獲取能量而進(jìn)一步被加速。圖13示出了像這樣使離子粒子前進(jìn)的情況。

通常，在阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度使得加速半周期中電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值之前，在圖13的漂移管間隙gi中從電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值起例如-30度左右的相位下使離子粒子通過。由此，對(duì)稍許延遲通過的離子粒子進(jìn)一步加速，從而使離子的集合體形成。阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，在下一個(gè)漂移管間隙中也產(chǎn)生相同相位的高頻電場(chǎng)，因此漂移管間隙gi+1的加速半周期pai+1成為從漂移管間隙gi的加速半周期pai起延遲了一個(gè)周期的半周期。即，相鄰的漂移管間隙中加速半周期的差成為一個(gè)周期。設(shè)計(jì)為在該加速半周期的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值之前，即在330度左右的相位下使離子的集合體通過漂移管間隙gi+1。像這樣使離子的集合體通過漂移管間隙從而被加速。

以往的阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，進(jìn)行如上文那樣的設(shè)計(jì)，通過在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供可達(dá)到依照設(shè)計(jì)的加速動(dòng)作的高頻功率，從而對(duì)離子粒子的集合體、即離子射束加速，使所設(shè)計(jì)的能量的離子射束射出，入射至同步加速器100。本發(fā)明的實(shí)施方式2中，荷質(zhì)比較大的第一離子(例如質(zhì)子)與以往同樣地，通過與圖13說明的相同的動(dòng)作進(jìn)行加速。然而，在荷質(zhì)比較小的第二離子(例如四價(jià)的碳離子)中，使相鄰的漂移管間隙之間的加速半周期的差成為比第一離子的加速半周期的差要大的差的加速半周期來進(jìn)行加速。與實(shí)施方式1同樣地，將對(duì)第一離子加速的加速半周期的差稱為第一加速周期差，將對(duì)第二離子加速的加速半周期的差稱為第二加速周期差。上述內(nèi)容中，第一加速周期差為1周期。

圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器、即阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中，將四價(jià)碳離子作為第二離子的情況的加速的狀態(tài)的圖。第二離子集合體在漂移管間隙gi中高頻電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值前的相位下通過并被加速。在漂移管間隙gi+1中調(diào)整高頻電場(chǎng)強(qiáng)度、即提供至圓筒諧振器的高頻功率，使其不是在下一個(gè)周期、而是在比下一個(gè)周期再多延遲一周期來成為加速半周期的半周期期間的、高頻電場(chǎng)強(qiáng)度快要達(dá)到峰值之前的相位下被加速。上述內(nèi)容中第二加速周期差為2周期。像這樣的加速中，第二離子的加速比第一離子的速度慢。即，從漂移管直線加速器射出的第二離子的能量比第一離子的能量小。設(shè)有第一離子的電荷q1、質(zhì)量a1、第二離子的電荷q2、質(zhì)量a2時(shí)，優(yōu)選地，使第二離子的能量為第一離子的能量的(q2/a2)/(q1/a1)(荷質(zhì)比部分)倍。

此外，在第一離子和第二離子的荷質(zhì)比的差較大的情況下，可以使第二加速周期差進(jìn)一步增大到3周期、4周期。像這樣，進(jìn)行動(dòng)作從而使對(duì)第二離子加速時(shí)的第二加速周期差大于對(duì)第一離子加速時(shí)的第一加速周期差。優(yōu)選地，可以使第一加速周期差為1周期，使第二加速周期差為(1+n)周期(n為正整數(shù))。像這樣，在阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中也與ih型漂移管直線加速器同樣地，在荷質(zhì)比較小的第二離子中，設(shè)計(jì)為與第一離子相比射出能量較低，從而使對(duì)第一離子加速時(shí)提供的高頻功率、和對(duì)與第一離子相比荷質(zhì)比較小即較重的第二離子進(jìn)行加速時(shí)提供的高頻功率的差變得較小即可，不需要較大的高頻發(fā)生器。

以上，對(duì)實(shí)施方式2的同步加速器用入射器系統(tǒng)的漂移管直線加速器、即阿爾瓦雷斯型漂移管直線加速器中的本發(fā)明的動(dòng)作進(jìn)行總結(jié)，與如實(shí)施方式1說明的ih型漂移管直線加速器中的動(dòng)作同樣地，如下文所述。在對(duì)第一離子進(jìn)行加速的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率，使得多個(gè)漂移管間隙中的一個(gè)漂移管間隙中使第一離子加速的加速半周期、和被加速的該第一離子到達(dá)該一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙并被加速的加速半周期的差成為第一加速周期差，在對(duì)與第一離子相比荷質(zhì)比小的第二離子進(jìn)行加速的情況下，向漂移管直線加速器提供高頻功率的高頻，使得所述一個(gè)漂移管間隙中被加速的加速半周期、和被加速的該第二離子到達(dá)該一個(gè)漂移管間隙的相鄰的漂移管間隙并被加速的加速半周期的差、即第二加速周期差大于第一加速周期差，從而利用能對(duì)第一離子加速的高頻發(fā)生器，能構(gòu)成雖然射出的離子的能量為低于第一離子的能量、但也能對(duì)第二離子進(jìn)行加速的同步加速器用入射器系統(tǒng)。

此外，本發(fā)明在該發(fā)明的范圍內(nèi)能對(duì)各實(shí)施方式進(jìn)行適宜變形、省略。

標(biāo)號(hào)說明

1第一離子源

2第二離子源

3基桿

4低能射束傳輸路徑

5漂移管直線加速器

6圓筒諧振器

8集束設(shè)備

10同步加速器用入射器系統(tǒng)

20加速軸

43合成器

50高頻發(fā)生器

100同步加速器

g1～g7漂移管間隙

t、t1～t7漂移管

pai、pai+1、pai+2加速半周期

tf電極