JP2009524201A - 高磁場超伝導シンクロサイクロトロン - Google Patents
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Abstract
Description
・磁場により捕獲された所与の運動量の電荷は、軌道を描く。
・閉軌道は、所与の電荷、運動量、およびエネルギーの平衡状態を表す。
・場は、平行軌道の円滑な設定を搬送するためのその能力を分析され得る。
・1つの平衡軌道から別の平衡軌道への遷移として加速が見られる。
一方、摂動論の弱収束原理は、以下のように説明できる。
・粒子は、平均軌跡(中心光線としても知られる)の周囲で振動する。
・振動周波数(νr,νz)は、それぞれ半径方向(r)および軸方向(z)の運動を特徴付ける。
・磁場は、座標場成分と磁場指数(n)とに分解され、
ω=QB/γM
であり、ここで、γは、周波数の増大に伴う粒子質量の増大を表す相対論的因子である。シンクロサイクロトロン内におけるエネルギーの増大に伴うこの周波数減少は、円形粒子加速器のシンクロサイクロトロン加速モードの基礎であり、軸方向復元力のために必要な磁場指数変化に加えて、半径に伴う場のさらなる減少を生み出す。間隙全体にわたる電圧Vは、位相安定性を提供するために必要な最低電圧Vminよりも大きく、Vminにおいて、粒子は、次の間隙を横断する際にさらなるエネルギーを獲得することを可能にするエネルギーを間隙に有する。また、シンクロサイクロトロン加速は位相安定性の原理に関与し、利用可能な加速電圧は、ほぼ常に、加速器の中心から外端付近の全エネルギーまでのイオン加速に必要な電圧を上回っていることを特徴とし得る。イオンの半径rが減少すると、加速電場は増大するはずであり、このことは、磁場Bの増大に伴う加速電圧に対する実用限界があり得ることを示唆している。
ωRF=hω
および(b)周期当たりのエネルギー利得Etが、別の因子に対するEtの比率が特に次式に示すように一定に保持されるように、制約されていることであって、
Claims (52)
- 中央加速面を有する加速チャンバを画定する1対の極を備える磁石ヨークを含む磁石構造体であって、該極は周辺部において接合され、かつ中心領域に極間隙を形成するために分離されており、該磁石ヨークが該加速チャンバの周囲に配置された1対の磁石コイルによって十分に磁化されるとき、および、少なくとも5テスラの中心磁場が該磁石コイルによって該中央加速面内に直接生成されるときに、中心軸から該周辺部へ半径が増加するにつれて磁場が減少する該磁場を該中央加速面内に形成するように、各極が構築される、磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記中央加速面に平行な前記中心軸から計測して約114cmを超えない外半径を有する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記中央加速面に平行な前記中心軸から計測して約89cmを超えない外半径を有する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記加速チャンバ全体にわたる前記極間の分離は、少なくとも6cmである、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記加速チャンバ全体にわたる前記極間の分離は、少なくとも3.8cmである、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記加速チャンバ内に粒子加速電圧を生成するために、前記極間に電極を含む共振器構造を収容する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記共振器構造は、無線周波数電圧源と連結される、請求項6に記載の磁石構造体。
- 前記極間のピーク間隙は、少なくとも約37cmである、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極のそれぞれは、極翼間に前記ピーク間隙の3分の1未満の間隙を生じさせるために、該ピーク間隙を超えて収束する該極翼を含む、請求項8に記載の磁石構造体。
- 前記極のそれぞれは、極翼間に前記ピーク間隙の20%未満の間隙を生じさせるために、該ピーク間隙を超えて収束する該極翼を含む、請求項8に記載の磁石構造体。
- 前記極翼は、前記中央加速面に対して80〜90°の角度で該中央加速面に向かって傾斜する内面を有する、請求項10に記載の磁石構造体。
- 前記極翼は、前記中央加速面に対して約85°の角度で該中央加速面に向かって傾斜する内面を有する、請求項10に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記磁石コイル用の通路を画定する、請求項9に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨーク内に画定された前記通路内に磁石コイルをさらに備える、請求項13に記載の磁石構造体。
- 前記極翼は、前記磁石コイルによって生成される磁場から前記加速チャンバを防護する、請求項14に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、上下の極翼に円周方向に配置された局在磁気チップをさらに備える、請求項9に記載の磁石構造体。
- 前記局在磁気チップは不連続である、請求項16に記載の磁石構造体。
- 前記極は、前記中央加速面内に、少なくとも8.9テスラの中心磁場から半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するために、先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極は、前記中央加速面内に、少なくとも9.5テスラの中心磁場から半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するために、先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極は、前記中央加速面内に、少なくとも10テスラの中心磁場から半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するために、先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極は、前記中央加速面内に、7〜13テスラの中心磁場から半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するために、先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極は、前記中央加速面内に、少なくとも13テスラの中心磁場から半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するために、先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、該磁石ヨークが完全に磁化されるときに、前記中央加速面内に約2テスラの追加の磁場をもたらすように構築される、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、該磁石ヨークが完全に磁化されるときに、前記中央加速面内に約3テスラを超えない磁場をもたらすように構築される、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、ガドリニウムを含む、請求項1に記載の磁石構造体。
- 弱収束磁場指数パラメータnは、実質的に前記中央加速面の全体にわたって0から1の範囲であり、n=−(r/B)(dB/dr)かつdB/dr<0であり、ここでBは前記磁場、rは前記中心軸からの半径である、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極間隙は、前記中心軸からの距離が増大するにつれて内段上で拡張し、該極間隙は、該中心軸からの距離がさらに増大するにつれて外段上で減少する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記中央加速面に対して直角に計測して約100cm未満の高さを有する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、約23,000kg未満の質量を有する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記加速チャンバの周囲に配置された1対の1次磁石コイルをさらに備える、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記1次磁石コイルによって生成される磁場を形成するための追加の磁石コイルをさらに備える、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記1次磁石コイルおよび前記追加の磁石コイルは、少なくとも1つの電圧源と連結される、請求項31に記載の磁石構造体。
- 前記追加の磁石コイルのうちの少なくとも1つは、該追加の磁石コイルを介して第1の方向に電流を伝導するために前記電圧源と連結されており、前記1次磁石コイルは、該1次磁石コイルを介して第2の方向に電流を伝導するために該電圧源と連結され、該第2の方向は、該追加の磁石コイルによって生成される前記磁場が、前記中央加速面の領域に前記1次磁石コイルによって生成される前記磁場を少なくとも部分的に相殺するように、該第1の方向とは逆である、請求項32に記載の磁石構造体。
- 前記追加の磁石コイルは、少なくとも4.5Kの温度において超伝導である材料を含む、請求項32に記載の磁石構造体。
- 前記1次磁石コイルは、少なくとも4.5Kの温度において超伝導である材料を含む、請求項30に記載の磁石構造体。
- 前記1次磁石コイルは、Nb3SnまたはNbTiを含む、請求項35に記載の磁石構造体。
- 前記磁石ヨークは、前記加速チャンバへのイオン注入用の通路を、前記中心軸に沿って画定する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 各極は、前記中心軸から半径方向距離が増大するにつれて減少する磁場を、前記中央加速面内に生じさせるために、その内面に沿って先細になっている、請求項1に記載の磁石構造体。
- 前記極は組成物の変更を含み、該組成物は、前記中央加速面内に前記磁場を形成するために、異なる磁気特性を有する、請求項1に記載の磁石構造体。
- 中央加速面を有する加速チャンバを画定する1対の極を備える磁石ヨークを含む磁石構造体であって、該極は周辺部において接合され、かつ中心領域に極間隙を形成するために分離されており、該磁石ヨークが、該加速チャンバを取り囲んでいる1対の磁石コイルによって十分に磁化されるとき、および、少なくとも5テスラの磁場が該磁石コイルによって該中央加速面内に直接生成されるときに、該中央加速面内に、中心軸から該周辺部まで半径が増大するにつれて磁場が減少する該磁場を形成するために、各極は先細になった内面を有する、磁石構造体。
- 中央加速面を有する加速チャンバを画定する1対の極を備える磁石ヨークであって、該極は周辺部において接合され、かつ中心領域に極間隙を形成するために分離されており、該磁石ヨークは該加速チャンバの周囲に1次磁石コイル用の通路をも画定する、磁石ヨークと、
該加速チャンバ内に収容された、該1次磁石コイルによって生成される磁場と平衡するための少なくとも1つの追加の磁石コイルであって、該磁石ヨークから電気的に絶縁された、追加の磁石コイルと
を含む、磁石構造体。 - 前記追加の磁石コイルは、該磁石ヨークが前記1次コイルによって十分に磁化されるときに、中心軸から前記周辺部まで半径が増大するにつれて前記中央加速面内の磁場が減少するように、該1次コイルによって生成される磁場に平衡する磁場成分を生成するように構成され、かつ配置される、請求項41に記載の磁石構造体。
- イオン加速用の磁場を形成する方法であって、
中央加速面を有する加速チャンバを画定する1対の極を備える磁石ヨークを含む磁石構造体を提供することであって、該極は周辺部において接合され、かつ中心領域に極間隙を形成するために分離されており、各極は、該中央加速面内に、中心軸における約7テスラから該周辺部まで半径が増大するにつれて減少する磁場を形成するように構築される、ことと、
該中心領域内にイオンを注入し、該加速チャンバを介して外向き螺旋軌跡で該イオンを加速させることと
を含む、方法。 - 前記磁石構造体は、前記加速チャンバ内において前記イオンを安定して振動させ続けるために、復元力を提供する、請求項43に記載の方法。
- 前記磁石構造体内に共振器構造を提供することであって、該共振器構造は、前記イオンに少なくとも250MeVのエネルギーを与える、ことをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- 前記磁石ヨークは、前記加速チャンバ内に約2テスラを超えない磁場を生成する、請求項43に記載の方法。
- 各極は、その内面に沿って、前記磁場を形作る先細部を有する、請求項43に記載の方法。
- 前記磁石構造体は、前記加速チャンバの周辺部に、前記加速されたイオンの該加速チャンバからの抽出のために前記磁場を尖鋭化する1対の極翼を含む、請求項47に記載の方法。
- 用途と用途との間で前記磁石構造体を移動させることをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- 前記イオンは1つを超える陽子を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記加速チャンバ内の前記中心軸において、少なくとも約5テスラの前記磁場を直接生成するために、該加速チャンバの周囲に配置された磁石コイルに電流を通すことをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- イオン加速用の磁場を形成する方法であって、
中心軸および中央加速面を含む加速チャンバの周囲に、1対の1次磁石コイルを提供することと、
該1次磁石コイルよりも該中心軸の近くに、入れ子になった複数の追加の磁石コイルを提供することと、
該中央加速面内の該中心軸において少なくとも約5テスラの磁場を直接生じさせるために、該1次磁石コイルに電流を通すことと、
該中心軸から半径方向距離が増大する際に該中央加速面全体にわたって減少する磁場を形成するために、該追加の磁石コイルに電流を通すことであって、該1次磁石コイルによって生成される磁場とは逆の磁場を生成するために、電流が該1次磁石コイルを通過させられる方向とは逆の方向に、電流が該追加の磁石コイルのうちの少なくとも1つを通過させられる、ことと
を含む、方法。
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