JP3945601B2 - 等時性サイクロトロン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、主磁界発生手段、ヒル磁極及びバレー磁極の相互作用により、荷電粒子の軌道平面に等時性磁場が形成される等時性サイクロトロンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図8は例えば「CYCLOTRONS AND THEIR APPLICATIONS」(Proceedings of the 13th International Conference,Vancouver,1992)第244頁に示された従来のAVF(Alternating Varying Field)サイクロトロン、即ち等時性サイクロトロンを一部破断して示す斜視図、図9は図8の軌道平面に沿う断面図、図10は図8の軌道平面に直角な面に沿う要部断面図である。
【0003】
図において、1は遮蔽体、2は遮蔽体1内に設けられている円環状の主磁界発生手段(主コイル)、3,4は遮蔽体1内の中空部に設けられ、主磁界発生手段2とともに軌道平面100に等時性磁場を形成するヒル磁極及びバレー磁極であり、これらのヒル磁極3及びバレー磁極4は、円周方向に交互にそれぞれ4セクションずつ設けられている。また、ヒル磁極3及びバレー磁極4は、軌道平面100を挟んで上下対称に配置されている。即ち、この例では、ヒル磁極3及びバレー磁極4が8個ずつ配置されている。また、バレー磁極4と軌道平面100との間の間隔は、ヒル磁極3と軌道平面100との間の間隔よりも大きくなっている。
【0004】
5は4つのバレー磁極4のセクションのうちの対向する2つのセクションに配置されている複数の加速空洞であり、これらの加速空洞5には、両側のヒル磁極3にねじ止めされるフランジ5aがそれぞれ設けられている。6は加速空洞5内にそれぞれ固定されている円筒状のステム、7は軌道平面100に対向してステム6に固定されているディー電極、8はディー電極7よりも径方向外側で軌道平面100に対向して設けられているダミーディー電極であり、これらのディー電極7及びダミーディー電極8により荷電粒子を加速するための高周波電界が形成される。また、これらの加速空洞5、ステム6、ディー電極7及びダミーディー電極8も、軌道平面100を挟んで上下対称に配置されている。
【0005】
9は加速された荷電粒子を取出軌道に偏向する荷電粒子取出手段(デフレクタ)、10は加速された荷電粒子をサイクロトロンの外部へ導出する荷電粒子取出管、11は天板、12は真空排気装置である。
【0006】
上記のような従来の等時性サイクロトロンは、荷電粒子を周回させながら加速し外部へ取り出す装置であり、主に2つのコンポーネント、即ち高周波電界により荷電粒子を加速する加速部分と、磁界により荷電粒子を偏向、集束させ荷電粒子の軌道を制御する軌道制御部分とにより構成されている。具体的には、加速空洞5、ステム6、ディー電極7及びダミーディー電極8が加速部分であり、主磁界発生手段2、ヒル磁極3及びバレー磁極4が軌道制御部分である。荷電粒子は、サイクロトロンの中心部から加速を始め、軌道平面100上を螺旋状に周回し、最終的には荷電粒子取出管10から取り出される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の等時性サイクロトロンにおいては、加速空洞5のフランジ5aをヒル電極3に固定るすためのねじ及びねじ穴が軌道平面における磁場特性に影響を及ぼすため、設計通りの磁場を形成することができず、別途磁場調整等を施す必要があった。また、加速空洞5のフランジ5aがヒル磁極3に直接接触しているため、加速空洞5で発生した熱がヒル磁極3に伝わり易く、この熱も磁場特性に悪影響を及ぼしていた。
【0008】
さらに、故障時や定期点検時に加速空洞5を解体する場合、フランジ5aがヒル磁極3にねじ止めされているため、ヒル磁極3の位置が微妙にずれる恐れがあり、加速空洞5を再度取り付ける際には、ヒル磁極3及び加速空洞5の位置精度をそれぞれ再度慎重に確認する必要があった。さらにまた、複数の加速空洞5相互の間の直接の位置決めは行っていないため、例えばサイクロトロンの中心部等で、加速空洞5の位置精度が良好に保たれないことがあった。
【0009】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、加速空洞の固定部分による磁場特性への影響を低減することができ、また加速空洞の位置精度を向上させることができる等時性サイクロトロンを得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係る等時性サイクロトロンは、円環状の主磁界発生手段と、この主磁界発生手段の内側に設けられ、主磁界発生手段との相互作用により荷電粒子の軌道平面に等時性磁場を形成する複数のヒル磁極と、主磁界発生手段の内側にヒル磁極と円周方向に交互に設けられ、かつ軌道平面との間の距離がヒル磁極よりも大きくなっており、主磁界発生手段との相互作用により軌道平面に等時性磁場を形成する複数のバレー磁極と、隣接するヒル磁極間に配置されているとともに、非磁性材製の空洞固定具を介してバレー磁極に固定されている加速空洞と、この加速空洞に固定され、加速電界を発生するディー電極とを備えたものである。
【0011】
請求項2の発明に係る等時性サイクロトロンは、筒状のステムを介してディー電極を加速空洞内に固定し、ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したものである。
【0012】
請求項3の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に配置されている複数の加速空洞と、これらの加速空洞にそれぞれ固定され、荷電粒子の加速電界を発生するディー電極と、加速空洞間を連結する補強部材とを備えたものであり、荷電粒子の軌道の中心部において補強部材により加速空洞相互を連結したものである。
【0013】
請求項4の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道の外径部側において補強部材により加速空洞相互を連結したものである。
【0015】
請求項5の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状の補強部材を用い、この補強部材の両側に加速空洞を固定したものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。3,4は主磁界発生手段2(図8)とともに軌道平面100(図10)に等時性磁場を形成するヒル磁極及びバレー磁極であり、これらのヒル磁極3及びバレー磁極4は、軌道平面100を挟んで上下対称に配置されている。また、バレー磁極4と軌道平面100との間の間隔は、ヒル磁極3と軌道平面100との間の間隔よりも大きくなっている。11は天板である。
【0017】
21はバレー磁極4のセクション、即ち隣接するヒル磁極3間の凹部に配置されている加速空洞であり、この加速空洞21は、非磁性材製の空洞固定具22a,22bを介してバレー磁極4に固定されている。また、空洞固定具22a,22bは、ねじ等により加速空洞21及びバレー磁極4に固定されている。図では省略したが、加速空洞21は、その下方のバレー磁極4に対しても同様に空洞固定具22a,22bを介して固定されている。
【0018】
加速空洞21内には、円筒状のステム6を介してディー電極7が固定されている。これらのステム6及びディー電極7は、軌道平面100を挟んで上下対称に配置されている。図1に示す加速空洞21は、上下のディー電極7を収容するものであり、側面部には荷電粒子の軌道を妨げないように開口部(図示せず)が設けられている。他の構成は、図8〜図10に示した従来例とほぼ同様である。
【0019】
このような等時性サイクロトロンでは、加速空洞21が空洞固定具22a,22bを介してバレー磁極4に固定されているため、等時性磁場を形成する上で重要度の高いヒル磁場3にはねじ及びねじ穴等を設ける必要がなく、加速空洞21の固定部分による磁場特性への影響を低減することができる。また、ヒル磁極3と比べると、バレー磁極4の磁場の制限はさほど厳しくなく、バレー磁極4にねじやねじ穴を設けることによる磁場特性への影響は許容できるものである。
【0020】
また、加速空洞21がヒル磁極3に直接接触していないため、加速空洞21で発生した熱がヒル磁極3に直接伝熱されることがなく、熱による磁場特性への影響も低減される。さらに、故障時や定期点検時に加速空洞21を解体する場合にも、ヒル磁極3の磁場特性や位置精度に影響を及ぼすことがない。
【0021】
実施の形態2.
なお、空洞固定具の形状や個数は、実施の形態1に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、図2に示すように、円筒状の空洞固定具23を用いて加速空洞21をバレー電極4に固定してもよい。この場合、円筒状のステム6及び空洞固定具23を通して真空排気装置12によりビーム加速領域の真空引きを行うことができる。
【0022】
また、実施の形態1,2では1個の加速空洞21に上下のディー電極7を固定したが、従来例と同様に上下別々の加速空洞を設けてもよい。
【0023】
実施の形態3.
次に、図3はこの発明の実施の形態3による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に等角度間隔で配置された複数(ここでは3個)の加速空洞21間が、円環状の補強部材31により連結されている。補強部材31は、加速空洞21の上下両端部に固定されている。加速空洞21内には、図1と同様に、ステム6を介してディー電極7が固定されている。
【0024】
このような等時性サイクロトロンでは、荷電粒子の軌道の外径部側において加速空洞21相互が補強部材31を介して連結されているため、加速空洞21相互の位置精度、特に外径部側における位置精度が向上する。
【0025】
実施の形態4.
なお、実施の形態3では、円環状の補強部材31を示したが、補強部材の形状はこれに限定されるものではなく、例えば図4に示すように円弧状の補強部材32を隣接する加速空洞21の外径部間に固定してもよい。
【0026】
実施の形態5.
また、例えば図5に示すように、扇形の補強部材33を隣接する加速空洞21の内径部間に固定してもよく、等時性サイクロトロンの中心部側の加速空洞21の位置精度を向上させることができるとともに、応力や歪みによる中心部の加速空洞21の変形、破損を防止することができる。
【0027】
実施の形態6.
さらに、例えば図6に示すように、円板状の補強部材34を加速空洞21の上下に固定してもよく、等時性サイクロトロンの中心部側の加速空洞21の位置精度を向上させることができるとともに、応力や歪みによる中心部の加速空洞21の変形、破損を防止することができる。
【0028】
実施の形態7.
さらにまた、例えば図7に示すように、荷電粒子の軌道平面を囲むように、即ち荷電粒子が衝突しないように中空部が設けられている円板状の補強部材35を上下の加速空洞21間に固定してもよい。この場合、r,θ,z方向の加速空洞21全体の位置精度を向上させることができる。また、加速空洞21自身と補強部材35とが真空容器の機能も果たすため、磁極からのアウトガスが含まれず、真空度が向上する。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明の等時性サイクロトロンは、非磁性材製の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したので、磁場特性への影響の大きいヒル磁極にねじやねじ穴等を設ける必要がなく、加速空洞の固定部分による磁場特性への影響を低減することができる。
【0030】
請求項2の発明の等時性サイクロトロンは、筒状のステムを介してディー電極を加速空洞内に固定し、ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したので、ステム及びディー電極を通してビーム加速領域の真空引きを行うことができる。
【0031】
請求項3の発明の等時性サイクロトロンは、複数の加速空洞間を補強部材により連結したので、加速空洞相互の位置精度を向上させることができる。
また、荷電粒子の軌道の中心部において補強部材により加速空洞相互を連結したので、中心部での加速空洞の位置精度を向上させることができるとともに、構造的に弱い中心部を強化し、応力や歪みによる中心部の加速空洞の変形、破損を防止することができる。
【0032】
請求項4の発明の等時性サイクロトロンは、補強部材により外径部側で加速空洞相互を連結したので、外径部側における加速空洞相互の位置精度を向上させることができる。
【0034】
請求項5の発明の等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状の補強部材を用い、この補強部材の両側に加速空洞を固定したので、加速空洞自身及び補強部材が真空容器の機能も果たすことができ、真空度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。
【図2】 この発明の実施の形態2による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。
【図3】 この発明の実施の形態3による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図4】 この発明の実施の形態4による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図5】 この発明の実施の形態5による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図6】 この発明の実施の形態6による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図7】 この発明の実施の形態7による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図8】 従来の等時性サイクロトロンの一例を一部破断して示す斜視図である。
【図9】 図8の軌道平面に沿う断面図である。
【図10】 図8の軌道平面に直角な面に沿う要部断面図である。
【符号の説明】
2 主磁界発生手段、3 ヒル磁極、4 バレー磁極、6 ステム、7 ディー電極、21 加速空洞、22a,22b,23 空洞固定具、31〜35 補強部材。
Claims (5)
- 円環状の主磁界発生手段と、
この主磁界発生手段の内側に設けられ、上記主磁界発生手段との相互作用により荷電粒子の軌道平面に等時性磁場を形成する複数のヒル磁極と、
上記主磁界発生手段の内側に上記ヒル磁極と円周方向に交互に設けられ、かつ上記軌道平面との間の距離が上記ヒル磁極よりも大きくなっており、上記主磁界発生手段との相互作用により上記軌道平面に等時性磁場を形成する複数のバレー磁極と、
隣接するヒル磁極間に配置されているとともに、非磁性材製の空洞固定具を介して上記バレー磁極に固定されている加速空洞と、
この加速空洞に固定され、加速電界を発生するディー電極と
を備えていることを特徴とする等時性サイクロトロン。 - ディー電極は、筒状のステムを介して加速空洞内に固定されており、上記加速空洞は、上記ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介してバレー磁極に固定されていることを特徴とする請求項1記載の等時性サイクロトロン。
- 荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に配置されている複数の加速空洞と、これらの加速空洞にそれぞれ固定され、荷電粒子の加速電界を発生するディー電極と、上記加速空洞間を連結する補強部材とを備え、
補強部材は、荷電粒子の軌道の中心部において加速空洞相互を連結していることを特徴とする等時性サイクロトロン。 - 補強部材は、荷電粒子の軌道の外径部側において加速空洞相互を連結していることを特徴とする請求項3記載の等時性サイクロトロン。
- 補強部材は、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状のものであり、この補強部材の両側に加速空洞が固定されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の等時性サイクロトロン。
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