JP6392666B2 - 磁界生成デバイス及び磁気スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、導電体を具備する少なくとも１つの電気コイルデバイスおよび少なくとも１つの磁気ヨーク（ｙｏｋｅ）デバイスを含む、磁界生成デバイスに関する。本発明は、さらに粒子ビーム加速器のための磁気スイッチ配置に関する。

近年、高エネルギー帯電粒子が、様々な目的に利用されている。最初の頃は、高エネルギー帯電粒子は、科学的な実験にのみ利用されてきたが、一方で産業および医薬分野においても利用されてきた。例として、高エネルギー帯電粒子は、表面硬化または半導体中へ不純物を注入するために利用されている。医療分野への応用のために、高エネルギー帯電粒子による癌治療は、益々重要な役目を果たしている。

帯電粒子として、原則としてすべての種類の帯電粒子が利用可能である。特に、レプトン（電子、陽電子）、ハドロン粒子（プロトン、ヘリウム核、重イオン、中間子、反陽子）は挙げられなければならないものである。獲得されるエネルギー（例えば、粒子のスピード）が比較的低い場合は、通常は線形加速器が利用される。しかしながら、獲得されるエネルギーがより高い場合は、線形加速器は、長いものとなり、よって、そのような高いエネルギーレベルに達するには、とても高価なものになる。したがって、代替として、円形加速器（いわるゆるシンクロトロン）が、荷電粒子をとても高いエネルギーレベルに加速するために（さらには蓄積するためにも）利用されている。

円形加速器が利用される場合、どのようにして粒子を円形加速器に導入（投入）するか、および円形加速器から取り出しするか、の問題が起こる。

この目的を果たすために、特別な（粒子）スイッチが利用される。一般的に、いわゆるキッカー（ｋｉｃｋｅｒ）磁石およびセプタム磁石の組み合わせが利用される。キッカー磁石は、粒子ビームの経路を選択的に“歪曲させる”、非常に速いスイッチング電磁石（スイッチング時間が一般的にほぼ０．１マイクロ秒程度）である。キッカー磁石がスイッチオフの場合（歪曲されていない経路）、粒子ビームは、真っ直ぐに飛び、円形加速器内で周回し続ける。キッカー磁石がスイッチオンの場合は、しかしながら、粒子ビームは、数センチメートルの差で、横へキックされる（よってキッカー磁石と名付けられる）。２つの可能性のある粒子経路をさらに離すために、いわゆるセプタム磁石（基本的に静磁界を示す）が利用される。セプタム磁石は、強力な磁界（約１テスラ程度）が存在する第一キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）が提供される一方で、第二キャビティにおいては、磁界のない、または、とても小さな磁界しか存在しない、というように設計される。キッカー磁石の“キック距離”次第で、２つの空洞は、一般的にわずか数センチメートルしか離れていない。このようにすることが困難であることは、容易に理解できる。

セプタム磁石のための標準的な設計は、Ｃ形状の鉄ヨークを具備する電気コイルであり、Ｃ形状の鉄ヨーク内のギャップが、帯電粒子ビームに磁界が適用される領域を形成する。

セプタム磁石のための他の可能性のある設計が、米国特許第４，９３９，４９３号、および、科学出版物、“The Truncated Double Cosine Theta Superconducting Septum Magnet” by F. Krienen, D. Loomba and W. Meng, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 283 (1989), pages 5 - 12 and in “The Superconducting Inflector for the BNL g-2 Experiment” by A. Yamamoto et al, in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 491 (2002), pages 23 - 40に開示されている。

しかしながら、現存するセプタム磁石は、未だに不備を示す。
したがって、本発明の目的は、特にセプタム磁石として有益な、磁界生成デバイスを提供することにある。
ここで提案される磁界生成デバイスは、この目的を解決する。

したがって、少なくとも１つの電気コイルデバイスを含む、磁界生成デバイスを設計することが提案され、そこでは、前記電気コイルデバイスの少なくとも１つの横断面内で、導電体が、少なくとも第一の角度範囲内で基本的に円弧に沿って配置され、少なくとも第二の角度範囲内で前記円弧から偏移し、少なくとも１つの磁気ヨークデバイスが、前記第一の角度範囲の一部に少なくとも沿って配置される。

本発明者らは、このような磁界生成デバイスを利用することで、セプタム磁石として利用するために有利な、高度に不均質な磁界を生成することが可能であることを見出した。特に、横断面の平面内の特定の有限サイズの領域（一般的に数平方センチメートル程度）内で、とても強力な（および、比較的均質な）磁界を生成することが可能である一方、前記磁界生成デバイスの横断面の平面内の他の有限領域（これもまた、一般的に少なくとも数平方センチメートル程度）内では、それはとても小さい（および、比較的均質である）。

言うまでもなく、より大きなおよびより小さな領域が、強力な磁界区分および／または小さな磁界区分のために可能である。結果的なそのような磁界の分布は、磁界生成デバイスをセプタム磁石として利用するために高度に有利である。しかしながら、このような磁界生成デバイスの異なる利用もまた可能であり、言うまでもなく、本発明によって想定されている。少なくとも１つの電気コイルデバイスの個々の導体は、お互いに隣接、および／または、間に特定の空間を介して、配置することができる。

言うまでもなく、これは電気コイルデバイス周囲に沿って変更することができる。特に、２つの個々の導体の間の空間の距離は、様々であってよい。特に、少なくとも１つの電気コイルデバイスの導電体は、少なくとも１つの電気コイルデバイスの縦軸に対して、基本的に任意の角度で配置することができる（さらにまた、角度は、少なくともいくつかの導電体の間で異なることができる）。導電体の一部またはすべてを、直列に接続することも可能であり（これは実際に通常利用される標準的な設計である）、よってこれらは、同じ電源によって電気エネルギーが供給される。

しかしながら、この点において導電体がグループ化されることもまた可能であり、よって、異なるグループが互いに直列に接続され、個々のグループが、それぞれ個々の電源によって供給される。極端な場合は、基本的に各個々の導体が、その自己の電源を有することも可能である。言うまでもなく、導体の少なくとも一部を、並列に配置することもまた可能である。導体（導体グループ）のワイヤパターンを、少なくとも部分的に同じおよび／または異なるようにすることも可能である。特に、いくつかの導体は、磁気双極子に従ってワイヤリングすることができる一方、他の導体は、四重極磁場等に従ってワイヤリングすることができる。

言うまでもなく、少なくともいくつかの導体／電気コイルのワイヤリングパターンは、基本的にまたは少なくとも原理的に同じである。提案された少なくとも第一の角度範囲内の円弧形状のレイアウト、および、少なくとも第二の角度範囲内の円弧形状から偏移したレイアウトが、多少の“ジグザグ形の円形”または“切頂の円形”として考慮される。円弧のくぼみは、基本的に任意の種類であってもよい。特にそれは直線（わずかに凸状またはわずかに凹状）または、任意の種類の曲線（ヒステリシス、円形、楕円等）を進む、“本質的に”凸状または凹状の形状であってもよい。特に、電気コイルの“切頂部分”および“円形部分”の間のいくつかの“整合曲線”または“平滑曲線”もまた、予想できる。

好ましくは、第一の角度範囲内および第二の角度範囲内における前記導電体は別として、基本的に磁気生成デバイスおよび／またはその近辺には、追加の導体は配置されない。“基本的に追加の導体はない”という用語によって、異なる目的を果たす、および／または、磁界全体の小さな部分だけを生成する、いくつかの導電体を利用することは、勿論可能である、ということを意味している。例として、検出器、または、電気が流れる電気ポンプを提供するため、および／または、センサーデータ（およびそれに類するもの）を伝達するために利用される、導電体は、本出願の意味においては、一般的に“追加の導体”ではない。

しかしながら、磁界を生成するため、および／または、磁界に影響を与えるため、および／または、磁界を調整するために利用される導電体は、それらが磁界全体の小さな部分のみ（例えば、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％または０．５％より少ない）を生成する限り、および／または、それらが短い時間割合（例えば、３３．３％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％または０．５％より少ない）だけ磁界を生成する限りは、“追加の導体”として考慮されないとすることさえもできる。そのような導電体の例は、磁界全体を平滑化するため、および／または、浮遊磁界を平滑化するための小さなコイル、または同様のまたはキッカー磁石（より正確には、キッカー磁石の導電体）であってもよい。

提案された磁気ヨークデバイスを利用することで、結果的な磁界を改善するだけでなく、磁界の質を改善することもまた可能である（すなわち、強い磁界領域および弱い磁界領域を含む、“２進数”フィールドパターン）。この磁気ヨークに起因して、提供されるべき電流を大幅に小さくすることも可能になるため、エネルギーを保存することができる。磁気ヨークデバイスは、基本的に任意の形状であってもよく、必ずしも閉じられていなければならないということはない。それでも、磁気ヨークデバイスは、たとえ“開いた”形状であっても、有益なものである。現在提案されている磁界生成デバイスの他の重要な利点は、動作のための外部磁界を通常必要としないことである。

代わりに、本提案による磁界生成デバイスは、それ自身にセプタム機能（ある種の“スタンド−アローン”セプタムデバイス）を提供することができる。これは、エネルギーおよび費用を節約することができる。それにも拘らず、磁界生成デバイスを外部磁界内で利用することもまた可能である。このように、現在提案されている磁界生成デバイスは、“暫定的な”（drop-in）解決策として利用可能である。通常は、“関連性のある”導電体の重要な割合（好ましくは、多数の、基本的にまたはすべて）が、磁気ヨークの内側に配置される。このように、通常はより良い磁界（例えば、より均質な磁界）が得られる。

好ましくは、磁界生成デバイスは、前記少なくとも１つの磁気ヨークデバイスが、基本的に第一の角度範囲全体に少なくとも沿って配置される方法、および／または、前記磁気ヨークデバイスが、閉磁界デバイスを形成する方法で、設計される。そのような磁界生成デバイスの態様によって、結果的な磁界分布の質および強度は、通常改善される。

磁界の強度を改善することは、特に、高い磁界強度の有限サイズ領域における磁界の強度を改善することを通常意味する。これらの効果、すなわち、より良い磁界分布、および、強い磁界領域におけるより強い磁界は、磁界生成デバイスをセプタム磁石として利用するために、特に有利である。それにも拘らず、磁界生成デバイスは、磁気ヨークデバイスが、第一の角度範囲のようにより小さい、および／または、閉じられている場合であっても、利用可能である。

好ましくは、磁界生成デバイスは、磁気ヨークデバイスが少なくとも２つのチャネル区分を含む方法で設計され、好ましくは、少なくとも１つの第一チャネル区分が、前記少なくとも１つの電気コイルの内側に配置され、少なくとも１つの第二チャネル区分が、前記少なくとも１つの電気コイルの外側に配置され、好ましくは、前記少なくとも２つのチャネル区分は、前記第一チャネル区分および前記第二チャネル区分の間に横たわる磁気ヨーク壁によって少なくとも部分的に離される。

特に、第一チャネル区分は、取り出し／投入された粒子ビームのために利用可能であり、一方で、第二チャネル区分は、粒子ビームを周回させるために利用可能であり、またはその逆にする利用も可能である。チャネル区分は、これらを真空状態にすることができるように、および／または、これらが真空チューブ（パイプ／ビーム線等）を含むことができるように設計することができる。これらの真空状態レベルは、特に、高真空準位、超高真空準位、および／または、極高真空準位である。このような真空は、帯電粒子ビームが磁界生成デバイスを介して導かれなければならない場合に必要不可欠である。

チャネル区分を離す磁気ヨーク壁が、かなりのサイズになってしまうことも有り得るが、第一の実験は、磁気ヨーク壁が比較的薄い、例えば１ｃｍまたは同様の場合であれば、有利な磁気分布パターンが実現できることを示している。原理的には、磁気ヨークデバイスは、任意の厚さであってもよい。通常、改善された結果を得るために、磁気ヨークデバイスの厚さは、少なくとも特定の部分において、５、８、１０、１５または２０ｃｍ程度である。言うまでもなく、磁気ヨークデバイスの厚さは、様々である（特に、閉磁気ヨークデバイスの場合）。

原理的には、磁気ヨークデバイスは、基本的にあらゆる素材から作られるおよび／またはあらゆる素材を含むことができる。しかしながら、磁界生成デバイスの特に有利な態様は、前記磁気ヨークデバイスが、少なくとも部分的に強磁性体素材を含む場合、特に、鉄および／またはスチールおよび／または、前記磁気ヨークデバイスが、少なくとも部分的に積層されたシート層を含む場合に実現可能である。第一の実験は、提案された素材を利用する場合に、特に強い磁界を、比較的低い消費電力および比較的低いコストで実現できることを示した。特に、積層されたシート層を利用する場合、磁気ヨーク素材の一般的な渦電流が抑制または基本的に回避されるため、磁界強度の変化を通常より速く行うことができる。

磁界生成デバイスの好ましい態様によれば、前記少なくとも１つの電気コイルデバイスは、チューブ状の電気コイルデバイス、好ましくは、細長いチューブ状の電気コイルデバイス、および／または、少なくとも１つの電気コイルデバイスの前記横断面が、少なくとも１つの電気コイルデバイスの長軸に基本的に垂直に横たわるように構成される。このようにして、通常でも低コストが実現できる非常に効果的で効率的な設計が実現可能になる。特に、電気コイルのチューブ状（細長い）設計が利用される場合、帯電粒子ビームの帯電粒子に作用する“連続的な”力は“まとめられ”、かなりの曲げ角度が、過度に高い磁界強度なしで実現可能である。大きな曲率直径によって、シンクロトロン放射（したがって、粒子のエネルギーロス）の低減が可能であり、このことは通常は有利なことである。

好ましくは、磁界生成デバイスは、導体の一部を、横断面の平面に対して、および／または、少なくとも１つの電気コイルデバイスの主軸に対して傾けたままにし、そして導体の少なくとも部分が、好ましくは、コサインシータ（ｃｏｓｉｎｅ ｔｈｅｔａ）磁石巻線および／またはコサインｎシータ（ｃｏｓｉｎｅ ｎ−ｔｉｍｅｓ ｔｈｅｔａ）磁石巻線（特に、ｎ＝２、３、４、５、６、７、８、９または１０）として配置されるような方法で設計される。導体のこのレイアウト（最先端の電気コイル設計において既知の）は、現在提案されている磁界生成デバイスに対しても有利であることが証明されている。

さらにまた、磁界生成デバイスにおいて、前記第二の角度範囲内の導電体が、基本的に直線に沿って配置、および／または、好ましくは前記円弧の内側に向く曲線に沿って配置される場合も好ましい。たとえ特定の応用のためにはこの設計とは異なる設計が同様に有利であるかもしれないが、この設計は特に有益であるということが証明された。特に、曲線は、円形（円形の一部）、楕円、双曲線、放物線または同様のものであってもよい。特に“平滑”曲線（“整合”曲線）は、特に、前記少なくとも１つの円弧および円弧から偏移した（すなわち、“切頂部分”）前記少なくとも１つの組の間の接続ポイントの間の付近で利用可能である。

通常、曲線が“切頂された”円弧の内側に向かってジグザグ形である場合に好ましい。しかしながら、ある特定の状況では、異なる設計もまた有益であることが証明されている。

現在提案されている磁界生成デバイスのもう一つの好ましい態様によれば、前記少なくとも１つの第二の角度範囲内の少なくとも１つのグループの導電体の導電体が、磁力線（複数）に沿って配置され、該磁力線は、少なくともこのグループのすべての導電体が、少なくとも１つの基本的に一周の線に沿って配置される場合に得られてもよい。この記述は、特に、複数のグループの導電体の個々のグループに関する。

“グループ化”は、電力供給および／または機能性の両方に対して行うことができる。特にこれは、磁界生成デバイスのステアラー（ｓｔｅｅｒｅｒ）部分、および／または、セプタム部分、および／または、双極子部分、および／または、四重極子部分に関連させることができる。理論計算および第一の実験は、そのような線に沿って導電体を置く場合に、結果的な磁界の強度および特に室が、通常大きく改善されることを示した。言うまでもなく、“切頂線”の“外側”の導電体は、通常この計算（“思考実験”）の後に“除去”されなければならない。

通常、磁界生成デバイスのもう一つの好ましい態様は、導電体が好ましくはお互いにわずかに空間を介したグループにおいて配置される場合に達成することができる。第一の実験は、特定の領域における導体のより高い“密度”が、磁界生成デバイスの結果的な磁界を改善し、および／または、結果的な磁界の大きな劣化を招くことなくコストおよび／または消費電力を低下させることが可能であることを示した。したがって、それぞれの領域において、“高密度に空配置された”導体の一般的なグループが提供され、一方で、“中間の空間”においては、（基本的に）導体は配置されない。異なる設計も可能であるが、異なるグループの導体が、異なる電源を装備していることが、通常は好ましい。

磁界生成デバイスにおいて、導体、特に導体のグループが、異なった目的のために、設計され配置されるならば、特に、少なくとも第一の割合の導体（および／または、第一の割合の導体グループ）が、ステアラー導体として設計され配置され、および／または、少なくとも第二の割合の導体（および／または、第二の割合の導体グループ）が、セプタム導体として設計され配置される、ならば、さらに好ましい。このようにして、特定の粒子ビームが特定の柔軟な対応で誘導することができるので、一般的に有利である。特に、セプタム導体は、周回している粒子ビームに対して投入／取り出しされる粒子ビームを分離させることを助け、一方で、ステアラー導体は、粒子ビームをその指定／意図された飛び経路に向けて誘導することになる。

磁界生成デバイスのもう一つの可能性のある設計は、好ましくは、少なくとも前記第一の角度範囲内において、導電体が少なくとも部分的に磁気ヨークデバイスに隣接する場合に達成される。このように、磁気ヨークデバイスは、特に磁界の“増幅”に関して、および／または、結果的な磁界の質に関して、特に効果的であり得る。

第一の実験は、前記第一の角度範囲が、約２００°以下、約２５０°以下、および／または、約３００°以下のサイズを有する場合は、磁界生成デバイスにとって好ましいことを示した。しかしながら、異なる角度もまた可能である。他の“上限”は、（限定することなく）１８０°、１９０°、２１０°、２２０°、２３０°、２４０°、２６０°、２７０°、２８０°、２９０°、３１０°、３２０°および／または３３０°を含む。追加的にまたは代替的に、第一の角度範囲は、最小値もまた示すことができ、特に、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°、８５°、９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°および／または１８０°より大きい（または等しい）。

追加的および／または代替的に、“角度範囲”の最小値は、（関連する）導電体の数によって画定することができる。例として、第一の角度範囲の“角度範囲”は、少なくとも３つの導電体、または、それよりも多い（または、追加的または代替的に、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、２０、２５、３０、４０、４５、５０またはそれより多い）。いくつかの導電体が、積層体として配置される場合、与えられる数はそれに応じて増加させることができる（例として、２つの導電体が、常にお互いの上部に置かれる場合、個々の導電体の指示された数は、その結果として倍になる）。万一、導電体が円形の横断面を有さない場合、これらを“角度範囲”に“指定する”場合に、横断面の配置（特に傾き）に注意を払って検討することができる（このようにして、お互いに対していくらかの角度で傾けられた２つの導電体は、例えば、一般的には直線に沿って配置されたものではないと考慮される）。

上記最小および／または最大角度（導電体の数を参照することを含み得る）は、好ましくは第二の角度範囲にも適用可能である。好ましくは（必ずしも必要であるとは限らないが）、角度の値は、第一の角度範囲の“基準座標系”において理解される。

磁界生成デバイスのために、導電体を、少なくとも部分的に単層として、二重層として、および／または、積層された層として配置することも可能である。積層された層は、いくつかの層、例えば３、４、５、６、７、８、９、１０またはより多くの導電体の層を含むことができる。このようにして、特に結果的な磁界生成デバイスのコンパクトな設計が達成される。さらにまた、結果的な磁界の質および／または強度もまた改善可能である。

特に、磁界生成デバイスは、磁界生成デバイスの少なくとも第一区分において、低い強度の磁界が現れ、および／または、磁界生成デバイスの少なくとも第二区分において、高い強度の磁界が現れるような方法で、設計および配置されてもよい。特に、高い強度の磁界は、０．５Ｔｅｓｌａ、０．７５Ｔｅｓｌａ、１Ｔｅｓｌａ、１．２５Ｔｅｓｌａ、１．５Ｔｅｓｌａまたは１．７５Ｔｅｓｌａより大きくてもよい。

むしろ、低い強度の磁界は、０．０５Ｔｅｓｌａ、０７５Ｔｅｓｌａまたは０．１Ｔｅｓｌａ以下の磁界強度を有していてもよい。そのような設計を利用して、結果的な磁界生成デバイスは、特にセプタム磁石としての利用に適している。特に、高い強度の磁界は、投入／取り出しされる粒子ビームのために利用可能である一方、低い強度の磁界は、ビームを周回させるため、またはその逆のために利用可能である。

上記説明にしたがった少なくとも１つの磁界生成デバイスおよび少なくとも１つのキッカー磁石デバイスを含む、粒子ビーム加速器のための磁気スイッチ配置を提供することがさらに提案される。このようにして、円形加速器（例えば、シンクロトロン）の中へおよび外への粒子ビームのための特に適合された投入ユニット／取り出しユニットが提供される。さらにまた、粒子ビーム加速器、特に、粒子ビーム加速器のための少なくとも１つの磁気スイッチ配置、および／または、上記詳細に従った少なくとも１つの磁界生成デバイスを含む、円形粒子ビーム加速器が提案される。

本発明およびその有利な点は、添付の図面を参照して説明される本発明の可能性のある態様の以下の詳細な説明を見るとより明らかになる。

図１は、セプタム磁石の第一の態様の概略断面図である。 図２は、キッカー磁石およびセプタム磁石を含む、粒子スイッチビームの態様を上から見た概略図である。 図３は、鉄スクリーン（ｉｒｏｎ ｓｃｒｅｅｎ）を具備しない双極子セプタム磁石の異なる態様のそれぞれの概略断面図である。 図４は、鉄スクリーンを具備する双極子セプタム磁石の異なる態様のそれぞれの概略断面図である。 図５は、鉄スクリーンを具備しない四重極子セプタム磁石の異なる態様のそれぞれの概略断面図である。 図６は、鉄スクリーンを具備する四重極子セプタム磁石の異なる態様のそれぞれの概略断面図である。 図７は、単四分円（ｓｉｎｇｌｅ ｑｕａｄｒａｎｔ）双極子セプタム磁石の概略断面図である。

図１において、セプタム磁石１の第一の可能性のある態様が、概略断面で示される。断面は、セプタム磁石１の縦軸に垂直に選択される（図２も参照）。セプタム磁石１は、現在鉄ヨーク２として設計されている固体磁気ヨークから成る。鉄ヨーク２は、すなわち取り出しビームキャビティ３および円形ビームキャビティ４の２つの内側キャビティ３、４を含む。取り出しビームキャビティ３は、イオンビーム（より正確にはイオンビーム束）が、円形加速器から取り出しされなければならない場合に利用される。イオンビームが円形加速器を介して周回し続けなければならない場合であっても、円形ビームキャビティ４は、イオンビームのために利用される。通常の加速器設備のように、キャビティ３、４の両方は、超高真空準位（時には、極高真空準位）である。キャビティ３、４を真空に引くために、ターボポンプまたはクライオポンプのような適したポンプが利用される。

ここで示されているセプタム磁石１の態様において、２つのキャビティ３、４は、ここでは鉄ヨーク２自体と同じ素材で作られている薄い鉄壁５によって離されている。鉄ヨーク２の寸法の概算を与えるため：ここでは鉄ヨーク２の薄い部分は８ｃｍで、全幅３３ｃｍおよび全高３８．５ｃｍのセプタム磁石１を具備する。取り出しビームキャビティ３の直径は１７ｃｍで、円形ビームキャビティ４の寸法は、１３．５ｃｍ×６．５ｃｍである。鉄壁５の厚さは、ここでは０．５ｃｍであるが、セプタム磁石１の縦軸に沿って増加がある。

図１から分かるように、取り出しビームチャンバ３の内側に、鉄ヨーク２の隣接する内側壁、複数のグループの導体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂが配置される。取り出しビームキャビティ３の上側６ａおよび下側６ｂ上には（図１における方向）、２つのグループのセプタム導体６ａ、６ｂが配置される。十分に高い磁界を利用可能にするため、セプタム導体６ａ、６ｂが、この例においては２つの層に配置される。言うまでもなく、セプタム導体６を単層だけ、むしろ３つおよびそれ以上利用することも可能である。結果的な磁界Ｂｓｅｐおよび結果的な力Ｆｓｅｐは、図１に表示されている。

取り出しチャンバ３の左側および右側上には、他のグループの導体７、いわゆるステアラー導体７ａ、７ｂが配置される。これらの導体は、取り出しされたイオンビームを左および右に進ませるために利用される。このようにして、イオンビームの位置は、取り出しビームキャビティ３の中間に保持することができる（言うまでもなく、セプタム導体６ａ、６ｂを介した電流は様々である）。磁界Ｂｓｔおよび結果的な力Ｆｓｔもまた、図１に表示される。粒子加速器において通常そうであるように、セプタムの曲げる方向のための磁界は、セプタム磁石１のステアラー部分の磁界と比較してとても大きくなければならない。したがって、ステアラー導体７ａ、７ｂは、単層のみとして、および、セプタム導体６ａ、６ｂと比較して数を少なくして配置することで十分である。

さらにまた、図１から分かるように、セプタム導体６ａ（および、好ましくは６ｂ）およびステアラー導体７ａ、７ｂは、円弧８に沿って配置される。同じように、取り出しビームキャビティ３は、この領域においてまた、円形様に形成される。セプタム磁石１の下部において、しかしながら、セプタム導体６は、切頂線９に沿って配置され、この例の場合、直線である。切頂線９は、セプタム磁石の種類の導体６ａ、６ｂのすべてが、切頂線９によって乱されたものでないひとつの円弧８に沿って配置されたとした場合に現れる磁力線に沿っていなければならない。

導体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂのこの配置を利用して、セプタム磁石１の取り出しビームキャビティ３内に、とても高い磁界を生成することが可能であり、それはこの例の場合１．８５Ｔｅｓｌａである。同時に、円形ビームキャビティ４における磁界は、とても低く、現在示されている態様において３ｍＴまたはより小さい。

図２において、セプタム磁石１は、上から見た概略図で示される。取り出しビームキャビティ３（取り出しビーム１１を誘導するために、適切な取り出しビーム線１０に接続される）が表示されている。同様に、円形ビーム１３（点線として表示される）を誘導する円形ビーム路１２が、図２に表示される。図２は、円形加速器の小さな部分のみを示しており、円形ビーム１３および円形ビーム線１２は閉じられて、図２の外側に閉ループを形成するものとなることも注意すべきことである。しかしながら、言うまでもなく、セプタム磁石１を線形加速器において利用することも可能である（例えば、２つの実験の間で素早くスイッチングするための粒子スイッチとして）。

セプタム磁石１は、取り出し配置１４の一部を形成する。取り出し配置１４の他の部分は、従来公知のいわゆるキッカー磁石１５である。キッカー磁石１５は、一般的に０．１マイクロ秒のとても短い時間内で、磁化および消磁することができる。キッカー磁石１５が励起された場合、入射粒子ビームは、セプタム磁石１の取り出しビームキャビティ３に向けて曲げられ（一点鎖線１１で表示される）、さらに他の設備に向けて外側に曲げられる（例えば実験；この例では図示せず）。キッカー磁石１５が消磁される場合、しかしながら、粒子ビームは、セプタム磁石２の円形ビームキャビティ４を貫通する円形ビーム１３（点線で表示される）に残る

現在提案されているセプタム磁石１の２つの極めて基本的な設計パラメータ、すなわち、円形の線８部分に沿って配置され鉄ヨーク２に隣接する、導体６ａ、７ａ、７ｂ、および、切頂線９部分、この部分に沿って導体６ａが配置され、この部分は導体６ａが閉円形線に沿って配置されたとしたら存在するであろう磁力線の方向に通常沿っているというパラメータは、複数の異なる設計によって実現される。これらの基本的な条件を実現するいくつかの可能性のある設計が、図３に示される。

例えば、図３において、導体１６ａ、１６ｂは、直線部分１８を具備する切頂円形線１７に沿って配置される。導体１６ａ、１６ｂは、鉄ヨーク１９によって囲まれ、そこでは、鉄ヨーク１９が、切頂円形線１７の円形部分上に横たわる導体１６ａに直接隣接する方法で設計される。切頂円形線１７の直線部分１８に沿って配置される導体１６ｂの付近において、拡大されたキャビティ２０が、鉄ヨーク１９において設けられる。しかしながら、鉄壁または同様のものは、鉄ヨーク１９の内側キャビティ内に置かれない。

図３ｂに示されるように、切頂円形線１７（より正確には、切頂線１７に沿って置かれる導電体１６ｂ；ここでは図示せず）は、異なる形状の鉄ヨーク２１と共に配置することもできる。現在示される図３ｂの例において、鉄ヨーク２１は、円形鉄ヨーク２１として設計される。現在示される鉄ヨーク２１の態様にも関わらず、切頂円形線１７の円弧部分に沿って配置される導体１６ａは、鉄ヨーク２１に直接隣接し、一方で、拡大されたキャビティ２０は、切頂円形線１７の直線部分１８の外側の鉄ヨーク２１によって形成される。

鉄ヨークを閉じた鉄ヨーク（図３ａおよび図３ｂの態様において行われたように）として設計する必要は必ずしもないことは注意すべきことである。代わりに、図３ｃおよび図３ｄの態様に示されるように、開いた鉄ヨーク２２、２３さえも利用することも可能である。鉄ヨーク２２、２３は、開いたヨーク２２、２３ではあるが、図３ｃおよび図３ｄに示されるように、やはり切頂円形線１７の円形部分に直接隣接するものである。

図３ｃと図３ｄとの間の主な違いは、円形部分の（角度）サイズおよび切頂円形線１７の直線部分のサイズ（および、位置）である。それにも関わらず、この非常に削減された設計であっても、切頂円形線１７の内側において比較的強く均質な磁界、および、切頂円形線１７の外側において比較的低い（および、均質な）磁界が達成される。

図４において、図３の態様がもう一度示される。しかしながら、今回は鉄スクリーン２４（鉄で作られる、薄い金属壁）が、切頂円形線１７の直線部分１８に隣接して配置される。第一の実験は、そのような鉄スクリーン２４を提供した場合に、結果的な磁界分布が、図３に示される態様に比べて改善されることを示した。
図１〜４に従ってここに示された例においては、双極子が考慮されたが、同様に四極子を考慮することも可能である。これは図５および図６に示される。

図５ａ〜５ｄにおいて、図３の態様に非常に似ている例が示される。特に、切頂円形線２７の円形部分２８に沿って配置される導体２６ａ、２６ｂ、２６ｃに隣接する鉄ヨーク１９、２１、２５が利用されているものである。これは四極子であるため、全部で４つのグループとなる導体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが提供される。切頂円形線２７の円形部分２８においては、しかしながら、３つのグループの導電体２６ａ、２６ｂ、２６ｃのみが配置される。切頂円形線２７の曲線側２９上には、第四グループの導体２６ｂが配置される。標準の四極子は、内側に向けられた双曲線を具備する磁界パターンを提供するため、切頂円形線２７の曲線２９はそれ故に、内側に向けられた双曲線に続く。同様に、導体２６の第四グループの導体２６ｄは、この曲線２９に続く。

双極子の場合と同様に、四極子の場合であっても、切頂円形線２７の曲線部分２９に近い付近においては鉄ヨーク１９、２１、２５は必要ではない（または、この領域のすべてにおいてヨーク部分は必要ない；鉄ヨーク２５−図５ｂ参照）。それにも拘らず、切頂円形線２７の内側には、強力な磁界（四重極）が存在し、一方で、切頂円形線２７の外側には、非常に小さな磁界が残るであろう。図５ｄにおいて、切頂円形線３０の他の可能性のある形状が示され、それは２つの円形部分２８、および、“乱されていない”四重極磁界の磁力線に沿った２つの曲線２９（内側に向けられた）を有する。

図６において、基本的に図５と同じ配置が示される。しかしながら、切頂円形線２７、３０の曲線２９の近くに、適切な形状の鉄シールド３１が提供される（それぞれに）。

図７において、最後に、セプタム磁石３２の他の態様が示される。ここに示されるセプタム磁石３２の態様において、一周の内の単四分円３３のみが利用される。セプタム導体６の配置（ここに示される例においては、一側に２つの層、他側にもう１つの層）は、図７に示される。ここに示されている、セプタム磁石２の非常に簡単な設計においても、単四分円３３内に強力で、比較的均質な磁界が得られ、一方で、四分円３３の外側では、とても小さく均質な磁界が起こるであろう。

網羅性の問題としていえば、図７に示されるセプタム磁石３２は、セプタム導体６のみを含み、ステアラー導体は含んでいない。

１．セプタム磁石
２．鉄ヨーク
３．取り出しビームキャビティ
４．円形ビームキャビティ
５．鉄壁
６ａ、６ｂ．セプタム導体
７ａ、７ｂ．ステアラー導体
８．円弧
９．切頂線
１０．取り出しビーム線
１１．取り出しビーム
１２．円形ビーム線
１３．円形ビーム
１４．取り出し配置
１５．キッカー磁石
１６．導体
１７．切頂円形線
１８．直線力
１９．鉄ヨーク
２０．拡大されたキャビティ
２１．鉄ヨーク
２２．開鉄ヨーク
２３．開鉄ヨーク
２４．鉄スクリーン
２５．鉄ヨーク
２６．導体
２７．切頂円形線
２８．円形部分
２９．曲線
３０．切頂円形線
３１．鉄シールド
３２．セプタム磁石
３３．四分円

Claims (15)

1. 少なくとも１つの電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）を含む、磁界生成デバイス（１、３２）であって、前記電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）の少なくとも１つの横断面において、複数の導電体の一部が、第一の角度範囲内で円弧（８、２８）に沿って配置され、前記複数の導電体の他の部分が、第二の角度範囲内で前記円弧の円周から偏移（９、１８、２９）して配置され、少なくとも１つの磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、前記第一の角度範囲内の前記円弧（８、２８）に沿って配置された前記導電体の一部に沿って配置され、
   前記磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、少なくとも２つのチャネル区分（３、４）を含み、少なくとも第１のチャネル区分（３）が、前記少なくとも１つの電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）の内側に配置され、少なくとも第２のチャネル区分（４）が、前記少なくとも１つの電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）の外側に配置され、前記少なくとも２つのチャネル区分（３、４）は、粒子ビームが貫通するように構成される、前記磁界生成デバイス。
2. 前記少なくとも１つの磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、第一の角度範囲全体に少なくとも沿って配置され、および／または、前記磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、閉磁気ヨークデバイス（２、１９、２１）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
3. 前記少なくとも２つのチャネル区分（３、４）が、前記第１のチャネル区分（３）および前記第２のチャネル区分（４）の間に横たわる、磁気ヨーク壁（５、２４、３１）によって少なくとも部分的に離されることを特徴とする、請求項２に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
4. 前記磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、少なくとも部分的に強磁性体素材を含み、および／または、前記磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）が、少なくとも部分的に積層されたシート層を含むようにデザインされる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
5. 前記少なくとも１つの電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）が、チューブ状電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）であり、および／または、前記横断面が、前記少なくとも１つの電気コイルデバイスの縦軸に対して垂直に横たわる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
6. 前記導電体の少なくとも一部が、横断面表面に対して、および／または、前記少なくとも１つの電気コイルデバイス（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）の縦軸に対して傾けられており、前記導電体の少なくとも一部が、ｃｏｓθ磁石巻線および／またはｃｏｓｎθ磁石巻線として配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
7. 前記第二の角度範囲内の導電体が、直線に沿って配置、および／または、前記第一の角度範囲内の前記円弧（８、２８）の内側に向く曲線に沿って配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
8. 前記少なくとも１つの第二の角度範囲内（６ｂ、１６ｂ、２６ｄ）の少なくとも１つの導電体グループの導電体が、このグループの導電体のすべて（６ａ、６ｂ、１６ａ、１６ｂ、２６ｂ、２６ｄ）が、少なくとも１つの円を描く線に沿って配置されたとしたら得られる磁力線に沿って配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
9. 導電体が、お互いにわずかに空間を介してグループ内に配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
10. 導電体が、異なる目的に用いられるように、少なくとも第一の割合の導電体が、ステアラー導体として設計され配置され、および／または、少なくとも第二の割合の導電体が、セプタム導体として設計され配置されるように、設計され配置されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
11. 導電体が、少なくとも前記第一の角度範囲内で、少なくとも部分的に磁気ヨークデバイス（２、１９、２１、２２、２３、２５）に隣接することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
12. 前記第一の角度範囲が、３００°以下のサイズを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
13. 導電体が、少なくとも部分的に単層として、二重層として、および／または、積層された層として配置されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
14. 磁界生成デバイス（１、３２）の少なくとも第一のチャネル区分（３）において、低い強度の磁界が存在し、磁界生成デバイス（１、３２）の少なくとも第二のチャネル区分（４）において、高い強度の磁界が存在する方法で、磁界生成デバイス（１、３２）が設計され配置されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁界生成デバイス（１、３２）。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つの磁界生成デバイス（１、３２）、および、少なくとも１つのキッカー磁石デバイス（１５）を含み、粒子ビーム加速器において、粒子をキッカー磁石デバイス（１５）により少なくとも２つのチャネル区分（３、４）に誘導するための磁気スイッチ（１４）。