JP4042675B2 - 偏向電磁石および荷電粒子加速装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速装置の構成要素の一つである偏向電磁石と、この偏向電磁石を使用した荷電粒子加速装置に関するものである。

近年、FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)加速装置と呼ばれる荷電粒子加速装置の開発がクローズアップされている。この加速装置は、荷電粒子を加速する加速手段を備え、この加速装置に入射した荷電粒子を、その磁場により偏向させる偏向電磁石を複数個、円周方向に配置することにより、全体形状を略円形に構成したものである。荷電粒子は加速手段による加速でエネルギーを増加させながら、この加速装置内を周回する。周回軌道は加速とともに加速装置の径方向に広がっていくため、偏向電磁石への荷電粒子の入射点位置は加速と共に加速装置の径方向外側に移動していく。これに伴い偏向電磁石からの荷電粒子の出射点位置も入射点位置の移動に伴い移動していく。この加速装置に使用されている偏向電磁石は、磁場強度が時間的に一定で変化せず、且つ、周回軌道が広がるに伴い磁場強度が大きくなっているため、周回軌道の径方向の広がりの程度は抑制され、その結果、加速装置の小型化が可能になっている。

このような加速装置において、荷電粒子を安定に周回させるための周回条件を満たすような収束力をいかにして付与するかが重要である。磁場を時間的に変化させて周回軌道を一定に保つ従来型のシンクロトロン加速装置では、偏向電磁石磁場および、偏向電磁石の間に配置した収束力を有する４極電磁石の磁場を時間的に可変にすることにより周回条件を満たすような収束力を得ることは容易であった。しかし、加速に伴い荷電粒子周回軌道が径方向に大きくなっていく加速装置においては、荷電粒子の周回軌道が径方向に広がっていることから、通常の周回軌道一定型のシンクロトロン加速装置で採用している4極電磁石を使用することができず、径方向に広がる軌道全体に対して、周回条件を満たす収束力を有する手段の実現は容易でなかった。

なお、「周回条件を満たす収束力」とは、加速装置の運転パラメータであるチューンが、共鳴線にかからないようにするために必要とされる収束力という意味である。荷電粒子が加速装置内を周回する際には、周回荷電粒子はその時々のエネルギーに対応した平衡軌道と呼ばれる周回軌道の周りに振動しながら周回する（ベータトロン振動と呼ぶ。）。チューンとは、一周あたりのこの振動回数のことで、走行方向に垂直な面上で互いに直交するＸ、Ｙ方向−一般には水平方向と垂直方向−にその振動成分を分け、Ｘ方向（以後、水平方向と呼ぶ。）チューン、Ｙ方向（以後、垂直方向と呼ぶ。）チューンと呼ぶ。

ベータトロン振動は収束力に依存するので、チューンは収束力と平衡軌道の周長に依存する。周長は加速装置内での荷電粒子エネルギーと偏向電磁石の磁場強度に依存し、収束力は加速装置に設置した電磁石の運転条件により決まるものである。したがってチューンは加速装置の運転パラメータであるということができる。「共鳴」とは、水平、垂直方向チューンの組の中で、加速装置が不安定になるときのことを言い、通常、この「組」は水平、垂直方向チューンをそれぞれ座標軸にとった平面上で表した場合、直線を形成することから「共鳴線」と呼ばれる。この直線は複数存在するのが一般的である。また、ここでいう「不安定」とは、加速装置内を周回する荷電粒子のベータトロン振動の振幅が許容値以上に大きくなる現象のことである。加速装置では、荷電粒子を真空環境下で周回させるために真空容器を導入し、荷電粒子はこの真空容器の中を周回している。チューンが共鳴線にかかると、わずかな外乱によってもベータトロン振動の振幅が大きくなり、その結果、上記真空容器の内壁に荷電粒子が衝突することにより、当該荷電粒子が消失してしまい、周回できなくなる。したがって荷電粒子を安定に周回させるには、加速過程において、チューンがいずれの共鳴線にもかからないように運転条件を決めなければならないということになる。このような事情から、「周回条件を満たす収束力」とは、「加速装置の運転パラメータであるチューンが、共鳴線にかからないようにするために必要とされる収束力」を意味することになる。

なお、以下では収束力として垂直方向の収束力のみを扱うことにする。共鳴線にかからないようにするためには、水平・垂直方向チューンを一組として共鳴線にかからないようにしなければならないが、FFAG加速装置では、水平方向チューンの変化は小さく心配する必要がないからであり、水平方向チューンの変化を考慮しなければならないような、FFAG加速装置以外の加速装置についても、垂直方向の収束力に関する本稿の議論はそのまま適用可能であるという事情による。このような事情から、以下では特にことわらない限り、「収束力」とは「垂直方向の収束力」のことを言い、「チューン」とは「垂直方向チューン」のことを言うものとする。

このように、FFAG加速装置ではその周回軌道が径方向に広がっているため、上述したような収束力を4極電磁石で実現することは困難である。そのため、偏向電磁石の収束作用を利用して所定の収束力を得ることが考えられている。所謂エッジフォーカスと呼ばれる手法である(非特許文献１参照)。通常のセクター型偏向電磁石を加速装置に組み込んだ場合、このエッジフォーカスによる垂直方向の収束力は加速装置の径方向に依存して増加していく。そのため、加速エネルギーの増加により荷電粒子の周回軌道が大きくなるに従い、チューンは急速に増大することになる。これは周回軌道周長の増加と収束力の増大によるベータトロン振動の周期の減少とが同時に起こるこためである。このようにチューンの変化が著しい場合、いずれかの共鳴線にかかってしまい、荷電粒子は周回できなくなる。従って、通常のエッジフォーカスによる収束力では「周回条件を満たす収束力」になり得ないこととなる。

そこで、「周回条件を満たすような収束力」を付与するための方策として、通常のセクター型偏向電磁石の両側に逆極性の偏向電磁石を設置するという構成の偏向電磁石が提案されている(非特許文献２)。両側の偏向電磁石の設置によりエッジフォーカスの機能を持たせると共に、両側を逆極性の偏向電磁石にすることで偏向半径の符号を反転させることにより、水平方向の収束力を垂直方向の収束力に変えて「周回条件を満たす収束力」を実現している。

「高エネルギー加速器セミナーＯＨＯ’８７」テキスト、1987.8、I−p6 「DEVELOPMENT OF A FFAG PROTON SYNCHROTRON」,Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria,p.582,Fig.1

しかし、このように逆極性の偏向電磁石を本来の偏向電磁石の両側に配置して構成された一組の偏向電磁石を用いて加速装置を構成すると、所期の収束力は得られるが、加速装置が大きくなってしまうという欠点がある。例えば、本来の偏向電磁石の偏向角をθ１、逆極性の偏向電磁石の偏向角をθ２とする。そうすると、上記、一組の偏向電磁石全体としての偏向角θｔはθ１−θ２＊２に等しくなり、逆極性の偏向電磁石のない場合に比べるとθ２＊２だけ小さな値になる。荷電粒子を周回させるには、偏向電磁石による偏向角の合計が２πに等しくなるように複数の偏向電磁石を配置しなければならないから、逆極性の偏向電磁石がない場合に比べると、どうしても余分な偏向電磁石の組みを必要とし、しかも、逆極性の偏向電磁石のスペースまで必要になることから、加速装置全体の大きさが大きくなってしまうことになる。このように、加速装置の小型化の観点から、加速装置での荷電粒子の周回条件を満たす収束力を有するコンパクトな偏向電磁石が求められていた。

本発明の偏向電磁石は、入射した荷電粒子を偏向し、出射する偏向電磁石において、入射前の荷電粒子の軌道を入射軌道、出射後の荷電粒子の軌道を出射軌道として、荷電粒子の入射位置が、偏向磁場と上記荷電粒子の入射する軌道とに対して略直交する方向に分布する偏向電磁石であって、当該偏向電磁石への前記荷電粒子の入射位置に対応する入射軌道方向、及び当該偏向電磁石からの前記荷電粒子の出射位置に対応する出射軌道方向への前記偏向磁場からの漏洩磁場分布を、磁場の漏洩率を調節することにより、上記入射又は出射する位置に依存して異なる分布形状にする漏洩磁場調整手段を備えたものである。

本発明の偏向電磁石は、上記の構成により、コンパクトな形状で、荷電粒子の周回条件を満たす収束力を得ることができる。

実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかる偏向電磁石を図１乃至図３に示す。以下では、偏向電磁石の２つの磁極を垂直上下方向にとり、この間を荷電粒子が周回するという配置で説明する。また、ここでは、この偏向電磁石の磁極が、平面図において、荷電粒子の入射、及び出射のそれぞれの側で、螺旋形状を平面投影した形状の一部をからなる形状(以下、螺旋形状と略称する)である場合を示している。
図１は本発明にかかる偏向電磁石１の上半分を示す鳥瞰図である。偏向電磁石１は荷電粒子偏向軌道面１４(図３参照)に対して上下で対称な形状となっているので、上半分のみを示したものである。図２はこの偏向電磁石１の平面図、図３は図２のＡ−Ａ’方向からの側面図を示す。図２のＢ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’はそれぞれ偏向電磁石１の荷電粒子の入射位置又は出射位置の違いに対応させたものである。図１乃至図３において、偏向電磁石１は、鉄心１０と、磁極形成のためにこの鉄心１０に巻き回すコイル１２ａ,１２ｂ（図１、図２では１２ｂは省略）と、この巻き回されたコイル１２ａ,１２ｂにより形成される磁極１１ａ、１１ｂ（図１、図２では省略）と、荷電粒子が偏向電磁石１へ入射または出射する側のコイル１２ａ,１２ｂの外側面を覆い、その覆う面積を、上記偏向電磁石１への入射又は出射する位置に対応して変化させた、磁性材からなる磁極板１３ａ,１３ｂ（図１、図２では１３ｂは省略）と、磁極板１３ａ,１３ｂを、鉄心１０に磁気的に結合、固定するための磁性材で作られた支持材１８ａ、１８ｂ（図１では１８ｂは省略、図２では１８ａ、１８ｂとも省略）とを有する。鉄心１０は、図３の両端に示すとおり、磁束に対するリターンヨークとしての役割も担っている。同じく図３に、偏向電磁石１を加速装置に組み込んだ場合の荷電粒子偏向軌道面１４を示す。この荷電粒子偏向軌道面１４はこの偏向電磁石部では荷電粒子の周回軌道面と一致する。この偏向電磁石内を通過する特定のエネルギーに対応した荷電粒子を番号１５として例示した。

次に、磁極板１３ａ,１３ｂについてもう少し詳しく説明する。磁極板１３ａ,１３ｂは、偏向軌道面と、磁極板のこの偏向軌道面に対向する面との距離が、上記偏向電磁石１への入射又は出射する位置に依存して設定されている。図４の(a),(b),(c)は、そのことを示したもので、それぞれ図２のＢ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’断面図を示したものである。図４(a)では、磁極板１３ａ,１３ｂは、荷電粒子が偏向電磁石を通過するために必要な高さ分を除き、コイル１２ａ,１２ｂの側面をほぼ完全に覆っている。図４(b)では、磁極板１３ａ,１３ｂは、前記荷電粒子の通過に必要な高さ分に加え、さらにコイル１２ａ,１２ｂの側面のほぼ半分程度を露出させ、コイル側面の残り半分程度を覆っている。図４(c)では、磁極板１３ａ,１３ｂは、前記荷電粒子の通過に必要な高さ分に加え、さらにコイル１２ａ,１２ｂの側面のほぼ全面を露出させている。このことは図１の磁極板１３ａ、図３の磁極板１３ａ、１３ｂの形状からも読み取れる。

次に、本発明にかかる偏向電磁石の動作について説明する。図１に示すようにコイル１２ａの側面に上述の磁性材からなる磁極板１３ａを、支持材１８ａを介して鉄心１０に取り付けることにより、コイル１２ａによる磁場の漏洩率を、そのコイル１２ａの側面を磁極板１３ａが覆う面積に応じて低減することができる。ここでは、偏向電磁石１のＢ−Ｂ’位置からＤ−Ｄ’位置に行くに従って、磁極板１３ａがコイル１２ａを覆う面積を小さくしていくことにより、Ｂ−Ｂ’近傍では漏洩磁場が小さく、Ｄ−Ｄ’に近づくにつれて漏洩磁場が大きくなる。このことは図３に示す偏向軌道面１４をはさんで磁極板１３ａと対称に配置されている磁極板１３ｂについても同様である。従って、この両者の効果により、荷電粒子の周回軌道近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場の分布形状が、偏向電磁石１への入射又は出射する位置に依存して大きく変化することとなる。

磁極板１３ａ、１３ｂの形状については、この偏向電磁石１を使用する加速装置があらかじめ決められていることを前提として、加速装置内での荷電粒子ビーム力学計算および偏向電磁石１の磁界解析計算によってあらかじめ求めることができる。荷電粒子ビーム力学の計算から、必要な収束力の条件が求められ、この収束力を得るための偏向電磁石の漏洩磁場分布が求められる。次に、この必要な漏洩磁場分布を実現するために３次元磁場解析計算を行うことにより、磁極板１３の形状を求めることができる。図３の側面図では偏向軌道面１４と、磁極板１３の偏向軌道面１４と対向する面との距離は荷電粒子の入射又は出射位置と共に直線的に変化しているように描かれているが、必ずしも直線的に変化するとは限らない。上記の通り、計算により求められるものである。また、磁極板１３ａ,１３ｂとも、偏向電磁石１の入射側、出射側にそれぞれ設置するが、入射側と出射側の形状は必ずしも同じである必要は無い。荷電粒子の入射、出射の位置に応じて漏洩率が変化する形状であり、上記計算により所定の収束力を得られる組み合わせである限り、形状の制約はない。

次に、このような偏向電磁石１を加速装置に設置した場合のこの偏向電磁石１の動作と効果について説明する。図６は、複数台の偏向電磁石１を組み込み、構成したFFAG加速装置２の概念図である。FFAG加速装置２は、偏向電磁石１(この例では６台)と、荷電粒子を入射するために用いる入射手段３と、入射した荷電粒子を加速する加速手段４とを併せ備えている。荷電粒子は、荷電粒子発生手段(図示していない)により生成され、生成された荷電粒子は、荷電粒子輸送手段(図示していない)により入射手段３に入射される。入射された荷電粒子は入射手段３を介して荷電粒子周回軌道５に入り、この周回軌道５に沿って加速装置２内を周回する。この周回する荷電粒子は、途中、加速手段４により加速され、エネルギーが増加する。そうすると、荷電粒子が偏向電磁石１を通過するときにこの偏向電磁石１により偏向を受ける際の偏向半径が大きくなり、より外側の軌道を周回することになる。このように、加速装置２内を周回する荷電粒子は加速手段４を通過する毎に周回軌道が大きくなり、周回軌道は周回軌道６にまで増大していく。従って荷電粒子は加速に伴い偏向電磁石１を通過する軌道は加速装置の径方向外側に移動していく。

先に、「背景技術」で説明したとおり、通常のセクター型偏向電磁石のエッジフォーカスによる収束力は、周回軌道が広がるにつれて大きくなるが、これは、通常のセクター型偏向電磁石では、周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状が荷電粒子の入射、出射の位置に依存しないためである。上記のように磁場漏洩率を荷電粒子の入射、出射の位置に応じて変え、加速装置径方向内側で漏洩率を小さくすることにより、偏向電磁石１へ荷電粒子が入射、又は出射する軌道近傍での軌道に沿った漏洩磁場分布を加速装置の径方向位置に依存した分布形状とすることでき、これにより、磁極板１３ａのない場合に比べて、加速装置径方向内側での収束力を大きくすることができる。収束力が大きくなるとチューンは増加するので、磁極板無しの場合に比べて、荷電粒子が加速装置の径方向内側を周回するときのチューンが増加することとなる。従って、この発明による偏向電磁石１を加速装置２に採用することにより、加速エネルギーによるチューンの変化を低減することが可能となる。

図７(ａ)、図７(ｂ)は本発明の効果をシミュレーション計算により示した図である。図７(ａ)は、図１乃至図３に示す偏向電磁石１から磁極板１３ａ、１３ｂを取り外して、図６に示す加速装置に使用した場合の、チューンの荷電粒子エネルギー依存性を示したもので、図７(ｂ)は、これに磁極板１３ａ、１３ｂを取り付けた場合のチューンの荷電粒子エネルギー依存性を示したものである。荷電粒子エネルギーは加速とともに増加するので、図７(ａ)、(ｂ)共、加速時のチューン変化を示すものである。磁極板１３ａ、１３ｂを取り付けない場合はチューンの変化が大きく、特に加速初期にその変化が著しいが、磁極板１３ａ、１３ｂを取り付けた場合は、加速初期も含めて、全体としてチューンの変化が小さくなっている。従って、チューンが共鳴線にかかることはなくなり、安定した加速が可能となる。

このように、本発明では、偏向電磁石に磁極板を設置し、荷電粒子の入射又は出射する位置に依存して磁場漏洩率を変えることにより、この入射又は出射する位置に依存して、荷電粒子周回軌道近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状が変化する。これにより、この偏向電磁石は、加速装置に組み込んだ場合に、簡便な構造で荷電粒子の周回条件を満たす収束力を付与することができるようになる。従って、この偏向電磁石を使用した加速装置の小型化も可能になる。

なお、図４(a)に磁極１１ａに取り付けたトリムコイル１６ａを示した。このトリムコイルは「背景技術」で説明したように、加速装置径方向外側に近づくにつれて偏向電磁石１の磁場強度を大きくするために設置したものである。磁極１１ｂにも同様に取り付けてあるが、符号は省略してある。図４(ｂ)、(ｃ)も同様である。図５は、平面図において矩形の磁極形状を例に、トリムコイル１６ａの設置状況を模式的に示したものである。このトリムコイル１６ａはコイル１２ａの内側に設置されているが、その設置状況がわかるように、コイル１２ａ,１２ｂは省略してある。このトリムコイルにより磁場強度が分布することになるので漏洩磁場分布も不均一なものになる。しかし、この荷電粒子の軌道に沿った漏洩磁場分布を見ると、どの入射、出射位置においても相似であり、その形状は変わらないものである。従って、トリムコイルの有無は本発明の効果に影響しないといえる。

トリムコイル以外にも、磁場勾配を持たせる方法がある。磁極間間隔を偏向電磁石への荷電粒子入出射位置に依存して変えるという方法である。この様な偏向電磁石に対しても本発明は同様に適用できる。例えば、図２を例にとると、Ｂ−Ｂ’部分の磁極間隔を大きくし、Ｄ−Ｄ’部分の磁極間隔を小さくすれば、上記トリムコイルを配置した場合と同様の磁場勾配が得られる。しかし、この構成では磁極間間隔の大きい部分即ちＢ−Ｂ’部で漏洩磁場が大きくなってしまい、漏洩磁場について逆の傾向になってしまう。図６示すような加速装置に、この様な偏向電磁石を利用した場合は、このままでは周回条件を満たす収束力を与えることはできなくなるが、磁極板により、この磁場漏洩率の逆転状況を補償してやれば、周回条件を満たす収束力を与えることができる偏向電磁石になりうる余地がある。

また、以上の説明では螺旋形状の磁極を例にしたが、これまで説明した効果は偏向電磁石磁極形状に関係なく成立する。そのことの詳細は実施の形態５で説明する。ここで、螺旋形状の偏向電磁石を例に持ってきた理由は、本発明の有力な適用先であるFFAG加速装置で本発明と螺旋形状とを組み合わせるのが現実的であるためである。この点についても実施の形態５で説明する。なお、以上の説明では偏向電磁石の偏向面を水平面であるとして説明してきたが、これに限る必要はなく、任意の方向に設置することが可能で、同様の効果を奏することが出来る。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る偏向電磁石１の磁極板１３ａは、磁極板１３ａと荷電粒子周回軌道面１４との距離を可変とする位置調節部を備えた位置調整型の磁極板である。
図８、図９に具体例を示す。図８は本発明の実施の形態の磁極板１３ａで、図に示すように、偏向電磁石１の荷電粒子の入射又は出射位置に対応した磁極板１３ａの長手方向には位置調節部１７ａが複数箇所設けられている。位置調節部１７ａは、例えば、磁極板１３ａに開けた位置調整穴１９ａと、この位置調整穴１９ａを介して支持板１８ａに磁極板１３ａを固定するねじ等の位置調整用留め具２０ａとで構成されており、位置調節部１７ａにより、図８に白抜きの矢印で示す方向に磁極板１３ａを移動させて支持板１８ａに固定することにより、磁極板１３ａと荷電粒子周回軌道面１４との距離を変えることができる。図９は図８に示すＥ−Ｅ'での断面図である。図１０は位置調整型磁極板１３ａの別の例である。ここでは、磁極板１３ａを支持する支持板１８ａをなくし、鉄心１０に直接磁極板１３ａを取り付けている。又、磁極板１３ａと支持板１８ａとを一体にし、支持板１８ａに位置調節部１７ａを設置し、これを介して鉄心１０に固定するという方法でもよい。

このように偏向軌道面からの磁極板の距離を可変にすることで、偏向電磁石の漏れ磁場の分布を簡単に調整することが可能となる。従って、この偏向電磁石による径方向の収束力を、偏向電磁石製作後でも簡便に調整することが出来、より高い精度で周回条件を満たす収束力を有する偏向電磁石を得ることが出来る。このような漏洩磁場分布形状の調整が可能な偏向電磁石を加速装置に使用することにより、実施の形態１で述べた理由と同じ理由で、加速過程でのチューン変化を、簡便に、より小さくすることが出来るため、加速装置のチューンが共鳴線に掛からなくなり、より安定した加速が可能となる。

なお、図１０では磁極板を全体として上下させることで偏向軌道面からの磁極板距離を可変にしたが、図１１に示すように回転運動、またはこれに上下動を併用することにより偏向軌道面からの磁極板距離を可変にしてもよい。図１１では、図８に示した位置調整部１７ａと同じものに加え、この位置調整部１７ａの位置調整用留め具２０ａを中心に回転できるように作られた回転位置調整部２１ａを備えている。この回転は、回転位置調節穴２２ａの回転角度範囲内で許される。また、位置調整用留め具２０ａに対して、位置調整穴１９ａの範囲で磁極板を上下に調整することが出来、その上下調整後、回転可能に固定した位置調整用留め具２０ａを中心に回転させることもできる。このようにして、偏向軌道面からの磁極板距離を可変にすることが出来る。

実施の形態３
本発明の実施の形態３に係る偏向電磁石１の磁極板１３ａを図１２に示す。この実施の形態の磁極板１３ａは、磁極板をその長手方向に複数に分割して、偏向軌道面１４からの磁極板距離を分割磁極板毎に調整できるようにした。この磁極板１３ａは分割磁極板毎に位置調整部１７ａを少なくとも１箇所備えている。偏向電磁石１への磁極板１３ａの支持方法は実施の形態２で説明した方法と同様である。

分割磁極板の設計(分割枚数と、形状若しくは偏向面からの距離)は、実施の形態１の場合と同じく、周回軌道近傍で必要な漏洩磁場分布が得られるように、加速装置の荷電粒子ビーム力学計算、及び３次元磁界解析計算に基づき決定する。なお、分割磁極板形状は、図１２に示すように矩形にしても良いし、図８に示す磁極板を単にその長手方向に分割しただけのものであっても良く、自由に決めることができる。このように、偏向軌道面からの磁極板距離を分割磁極板毎に調節できることにより、偏向電磁石の漏れ磁場の分布を簡単により高精度に調整することが可能となる。従って、この偏向電磁石による収束力の加速装置径方向依存性を偏向電磁石製作後でも簡便により高精度に調整することが出来、より高い精度で周回条件を満たす収束力を有する偏向電磁石を得ることが出来る。このような漏洩磁場分布の微調整が可能な偏向電磁石を加速装置に使用することにより、実施の形態１及び２で述べた効果に加えて、加速過程でのチューン変化を、簡便に、より小さくすることが出来るため、加速装置のチューンが共鳴線にかからなくなり、より安定した加速が可能となる。

実施の形態４
本発明の実施の形態４に係る偏向電磁石１を図１３に示す。本実施の形態は、磁極板以外の漏洩磁場調整手段を有する偏向電磁石についての発明である。図１３ではトリムコイルの設置状況が見やすいようにコイル１２ａ、１２ｂは省略した。磁極形状も矩形とし、単純化して示した。図１３の偏向電磁石１では、この偏向電磁石１を加速装置２に設置した場合に、磁極１１ａ、１１ｂ間の間隔を加速装置の径方向内側に近づくにつれてより狭くしてある。磁極間間隔が小さいと磁場漏洩率は小さくなるので、磁極間間隔を径方向に沿って広げていくことで磁極板でコイル側面を覆う面積を径方向外側に沿って小さくしていくということと同様の効果を得ることができる。しかし、この様にすると、径方向内側に近づくにつれて磁場が強くなってしまい、FFAG加速装置２で要請されている偏向磁場強度分布の径方向依存性が逆転してしまう。この発明では、これを補正するためにトリムコイル２１ａ、２１ｂを設置し、磁場強度分布を補償している。トリムコイルによる補償の具体的な方法としては偏向半径の小さいところで磁極とは逆向きに強い磁場を発生させ磁場強度分布を補償する方法と、偏向半径の大きいところで磁極と同じ向きに強い磁場を発生させて磁場強度分布を補償する方法とがある。図１３は前者の例を示した。補償の程度はトリムコイルの設置態様やトリムコイルへの通電量を変えることにより、用途に応じて変えることができる。

上記、磁極間間隔は、実施の形態１で説明したように、まず、周回条件を満たす収束力を得るために要請される漏洩磁場分布形状がビーム力学計算から決められ、この漏洩磁場分布形状を実現するために必要な磁極間間隔形状を３次元磁界解析計算により求める。

このように、磁極板以外にも漏洩磁場調整手段は存在する。どの様な方法にせよ、漏洩磁場調整手段を偏向電磁石に付加し、この漏洩磁場調整手段より偏向電磁石からの偏向面近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状を径方向に応じて変化させることで偏向電磁石の垂直方向の収束力の加速装置径方向依存性を調整するというものはこれまでになかったもので、実施の形態１から４に述べたとおりの効果を奏することができる点で有用な発明である。

実施の形態５
本実施の形態は、実施の形態１から４で説明した漏洩磁場調整手段のいずれかと螺旋形状の磁極を有する偏向電磁石とを組み合わせたものである。初めに、螺旋形状の磁極の必要性について説明する。FFAG加速装置２では偏向電磁石１の径方向に磁場強度を大きくしているが、この磁場勾配により荷電粒子には垂直方向に発散力が働いてしまい、荷電粒子の安定な周回の妨げになる。この発散力を抑えるための収束力を得るために螺旋形状磁極を有する偏向電磁石１を採用する。螺旋形状の磁極にすることにより、偏向電磁石への荷電粒子の入射角、および偏向電磁石からの荷電粒子の出射角φ（φは平衡軌道の進行方向に垂直な線と偏向電磁石の磁極面とのなす角度である。）は、通常のセクター型偏向電磁石に比べて大きくすることができ、しかも、いずれの周回軌道からの入射、出射においても同じ角度にすることができる。エッジフォーカスによる垂直方向の収束力はtanφに比例することから、通常のセクター形状の偏向電磁石に比べた場合、この様な螺旋形状の偏向電磁石では、荷電粒子に対する垂直方向の収束力を、加速装置の周回軌道位置に依存することなく一様に、大きくすることができる。従って、螺旋形状磁極は加速装置の径方向の大きさを抑えるための有効な選択と言える。しかし、これだけではこれまで述べてきたように、加速過程でのチューンの変化による共鳴線との抵触を避けられないことから、実施の形態１から４で説明した漏洩磁場調整手段のいずれかを選択して、上記螺旋形状磁極を有する偏向電磁石と組み合わせることにより、加速過程でのチューンの変化を低減することが可能で、且つ、従来の偏向電磁石に比べて周方向にもコンパクトな偏向電磁石を実現することが出来る。この偏向電磁石を加速装置に採用することにより、加速装置もコンパクトにすることが出来る。尚、漏洩磁場分布形状は磁極形状により影響を受けるので、磁極板の形状設計には磁極形状が影響するが、これまで説明してきた本発明の意義と効果は、螺旋形状以外の形状であっても、磁極形状によらず成立する。

また、本発明に係る偏向電磁石を利用する加速装置として、図６に示すようなFFAG加速装置を例にとり説明したが、必ずしもFFAG加速装置に限る必要はない。荷電粒子の加速過程において、垂直方向のチューンの変化が大きくなるような加速装置に対して、垂直方向の収束力を偏向電磁石の径方向に依存して変化させることにより、このチューンの変化を小さくするという用途であれば共通に使用できるものである。

本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石の上半分鳥瞰図 本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石の平面図 本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石の側面図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石のＢ−Ｂ’断面図 （ｂ）本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石のＣ−Ｃ’断面図 （ｃ）本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石のＤ−Ｄ’断面図 本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石のトリムコイル敷設状況を示す斜視図(概念図) 本発明の実施の形態１に係る偏向電磁石を使用したFFAG加速装置の概念図 （ａ）垂直方向チューンの加速エネルギーによる変化(磁極板なし) （ｂ）垂直方向チューンの加速エネルギーによる変化(磁極板あり) 本発明の実施の形態２に係る偏向電磁石の側面図 本発明の実施の形態２に係る偏向電磁石の断面図１ 本発明の実施の形態２に係る偏向電磁石の断面図２ 本発明の実施の形態２に係る偏向電磁石の他の例による側面図 本発明の実施の形態３に係る偏向電磁石の側面図 本発明の実施の形態４に係る偏向電磁石の斜視図(概念図)

符号の説明

１ 本発明に係る偏向電磁石、２ 本発明に係る偏向電磁石を組み込んだ円形加速装置、３ 荷電粒子入射手段、 ４ 加速手段、 ５ 加速初期の荷電粒子周回軌道、 ６ 加速終期の荷電粒子周回軌道、 １０ 鉄心、 １１ａ，１１ｂ 磁極、 １２ａ，１２ｂ コイル、 １３ａ，１３ｂ 磁極板、 １４ 荷電粒子周回軌道面、 １５ 荷電粒子、 １６ａ トリムコイル、１７ａ 位置調整部、１８ａ 支持材、 １９ａ 位置調整穴、 ２０ａ 位置調整用留め具、２１ａ 回転位置調整部、２２ａ 回転位置調整穴、２３ａ 回転位置調整用留め具

Claims (7)

1. 入射した荷電粒子を偏向し、出射する偏向電磁石において、入射前の荷電粒子の軌道を入射軌道、出射後の荷電粒子の軌道を出射軌道として、荷電粒子の入射位置が、偏向磁場と上記荷電粒子の入射する軌道とに対して略直交する方向に分布する偏向電磁石であって、当該偏向電磁石への前記荷電粒子の入射位置に対応する入射軌道方向、及び当該偏向電磁石からの前記荷電粒子の出射位置に対応する出射軌道方向への前記偏向磁場からの漏洩磁場分布を、磁場の漏洩率を調節することにより、上記入射又は出射する位置に依存して異なる分布形状にする漏洩磁場調整手段を備えた偏向電磁石。
2. 漏洩磁場調整手段は、荷電粒子が偏向電磁石に入射又は出射する側の上記偏向電磁石を構成するコイル最外側面に、磁性材で構成される磁極板を、上記偏向電磁石を構成する鉄心を介して配置し、上記偏向電磁石による上記荷電粒子の偏向軌道面に対向する上記磁極板の面と上記偏向軌道面との空隙間距離が、上記偏向電磁石の上記荷電粒子の入射又は出射する位置に依存して設定されたものであることを特徴とする請求項１に記載の偏向電磁石。
3. 磁極板は、位置調整部を備え、この位置調整部により上記空隙間距離を可変にしたことを特徴とする請求項２に記載の偏向電磁石。
4. 磁極板は、荷電粒子が上記偏向電磁石に入射又は出射する位置に対応して複数に分割された分割磁極板で構成されるとともに、この分割磁極板毎に、位置調整部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の偏向電磁石。
5. 漏洩磁場調整手段は、偏向電磁石磁極間の間隔を、荷電粒子が上記偏向電磁石に入射又は出射する位置に依存して変化させた構成であり、かつ、上記入射又は出射する位置に依存した磁場強度分布を調節するトリムコイルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の偏向電磁石。
6. 偏向電磁石磁極の荷電粒子偏向軌道面への投影形状が、荷電粒子の入射及び出射のそれぞれの側で、螺旋形状を平面投影して形成される形状の一部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の偏向電磁石。
7. 請求項１から６の何れかに記載の２以上の偏向電磁石を使って構成したことを特徴とする荷電粒子加速装置。

Images