JP7352412B2 - サイクロトロン - Google Patents

Description

本発明はサイクロトロンに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のサイクロトロンが知られている。このサイクロトロンは、荷電粒子線を集束すると共に引出軌道に移行させるためのマグネティックチャンネルを備えている。荷電粒子の加速空間の外側にマグネティックチャンネルの位置調整機構が設けられており、位置調整機構は、例えば、真空容器の筐体で保持されている。位置調整機構は加速空間の外周側で径方向に延在しており、位置調整機構の内周側の端部にマグネティックチャンネルが取り付けられている。すなわち、マグネティックチャンネルは、位置調整機構を介して、例えば真空容器の筐体で保持されている。

実開昭62-012299号公報

しかしながら、この種のマグネティックチャンネルは、所定の磁気勾配を高精度で発生させるために、その設置位置を高精度に位置決めする必要がある。本発明は、マグネティックチャンネルの位置精度を高めるサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明のサイクロトロンは、荷電粒子を周回軌道で加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロンであって、荷電粒子を加速するために必要な磁場を発生させる磁極と、周回軌道の外周部に配置され荷電粒子線を引出軌道に誘導すると共に荷電粒子線を集束するマグネティックチャンネルを有するマグネティックチャンネル部と、を備え、マグネティックチャンネル部は、磁極に対して取り付けられる。当該磁極に対するマグネティックチャンネルの相対位置を調整可能であってもよい。
マグネティックチャンネル部は、磁極の外周側面に対して取り付けられるプレートを更に備え、マグネティックチャンネルがプレートの上面に配置される、こととしてもよい。
本発明のサイクロトロンは、周回軌道の最外周部に対応する位置に配置される第一のマグネティックチャンネルと、周回軌道において、第一のマグネティックチャンネルから下流側へ離間して配置される第二のマグネティックチャンネルと、第一のマグネティックチャンネルに対し、磁極の中心位置を基準として対称の位置に配置される第一のカウンタマグネティックチャンネルと、第二のマグネティックチャンネルに対し、磁極の中心位置を基準として対称の位置に配置される第二のカウンタマグネティックチャンネルと、を備え、マグネティックチャンネル部は、第一のマグネティックチャンネル、第二のマグネティックチャンネル、第一のカウンタマグネティックチャンネル、又は第二のカウンタマグネティックチャンネルをマグネティックチャンネルとして有する、こととしてもよい。

マグネティックチャンネル部は、磁極の径方向において磁極に対するマグネティックチャンネルの相対位置を位置決めする径方向位置決め部と、磁極の周方向において磁極に対するマグネティックチャンネルの相対位置を位置決めする周方向位置決め部と、を有することとしてもよい。

本発明によれば、マグネティックチャンネルの位置精度を高めるサイクロトロンを提供することができる。

本発明に係るサイクロトロンの内部の平面図である。 図１のサイクロトロンが備える一対の磁極の模式図である。 マグネティックチャンネルの斜視図である。 磁極の端部を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るマグネティックチャンネル、及びサイクロトロンの実施形態について詳細に説明する。本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。なお、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。

図１に示されるように、サイクロトロン１は、真空容器３、ディ電極５Ａ，５Ｂ、静電デフレクタ９０、及びマグネティックチャンネル９を有する。真空容器３は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。真空容器３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２１，２３が設けられている。磁極２１，２３は、平面視で円形をなし、加速平面であるメディアンプレーンに対して上下面対称の形状を成している。また、磁極２１，２３は、荷電粒子の周回軌道Ｂを挟んで、上下方向（図１の紙面に直交する方向）に対面して配置されている。磁極２１，２３のそれぞれの周囲にコイルが配置され、磁極２１と磁極２３との間に磁場が発生される。

図２は、磁極２１，２３のみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、磁極２１，２３は円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、図１の方向から見た磁極２１，２３の輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。磁極２１の上面には、螺旋状に湾曲した４つの凸部２１ａと、４つの凹部２１ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、磁極２３の下面にも、螺旋状に湾曲した４つの凸部２３ａと、４つの凹部２３ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。凸部２１ａと凸部２３ａ、凹部２１ｂと凹部２３ｂは、互いにメディアンプレーンに対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。

なお、ここで磁極２１，２３の凸部２１ａ，２３ａとは、メディアンプレーンに向けて突出している部分であり、凹部２１ｂ，２３ｂとは、メディアンプレーンから離れるように凹んでいる部分である。また、メディアンプレーンとは、荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面である。厳密には、荷電粒子ビームは、磁極２１，２３が対向する方向（図２における上下方向）に振動しながら進行するので、振動する荷電粒子ビームの、磁極２１，２３が対向する方向の位置のおよそ中央値を取った平面がメディアンプレーンとなる。なお、凸部２１ａ，２３ａ及び凹部２１ｂ，２３ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。

磁極２１と磁極２３との間には、凸部２１ａと凸部２３ａとで挟まれた狭いギャップのヒル領域２５ｈと、凹部２１ｂと凹部２３ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域２５ｖとが形成されている。磁極２１，２３との対称面上に、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。

ディ電極５Ａ，５Ｂは、真空容器３の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させる電極である。ディ電極５Ａ，５Ｂは、両方ともバレー領域２５ｖに配置され、互いに径方向に対向するように配置されている。ディ電極５Ａ，５Ｂは、平面視でバレー領域２５ｖの形状に沿った形状に形成されている。磁極２１の中心部には、サイクロトロン１の外部又は内部に設けられたイオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、メディアンプレーン上に送るインフレクタ１１が配置される。ただし、内部イオン源の場合、メディアンプレーン上に荷電粒子が出るため、インフレクタ１１は設けられない。

静電デフレクタ９０は、磁場中で周回軌道Ｂを周回する荷電粒子を偏向させて、引出軌道Ｆに引き出す機能を有する。マグネティックチャンネル９としては、マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂ、及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄの４つが設けられている。

マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂは、所定の磁場勾配によって荷電粒子線を水平方向に集束する機能と、平均磁場自体を弱めて荷電粒子線を引出軌道Ｆに誘導し移行させる機能と、の両方の機能を有している。なお、マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂが、荷電粒子線を集束する方向としての上記「水平方向」とは、ほぼ径方向であり、より厳密には、荷電粒子線の進行方向に直交する方向であって、且つ磁極２１，２３の対向方向に直交する方向である。マグネティックチャンネル９Ａは、平面視で、周回軌道Ｂの最外周部に対応する位置に配置されている。マグネティックチャンネル９Ｂは、荷電粒子の周回軌道Ｂにおいて、マグネティックチャンネル９Ａから下流側へ離間して設けられている。マグネティックチャンネル９Ｂは、平面視において磁極２１，２３の外側に位置している。

カウンタマグネティックチャンネル９Ｃは、マグネティックチャンネル９Ａに対し、磁極２１の中心位置（例えばインフレクタ１１の位置）を基準として略対称の位置に配置されている。同様に、カウンタマグネティックチャンネル９Ｄは、マグネティックチャンネル９Ｂに対し、磁極２１の中心位置を基準として略対称の位置に配置されている。マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂに対して上記のようにカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄが設けられることにより、周回軌道Ｂの磁場の二回対称性が保たれる。

サイクロトロン１では、磁極２１と磁極２３との間に磁場を発生させると共に、ディ電極５Ａ，５Ｂに高周波電圧が付与されることで、荷電粒子が、加速されつつ、メディアンプレーン上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。磁極２１，２３の外周部の位置に達した荷電粒子は、静電デフレクタ９０で周回軌道から分けられ、更にマグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂの導入ギャップを通過して偏向と集束を繰り返し、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出され出射される。

続いて、マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄの構成について説明する。なお、これら４つのマグネティックチャンネル９の構成は互いに同様であるので、以下では、マグネティックチャンネル９Ｂについて説明し重複説明を省略する。

図３は、マグネティックチャンネル９Ｂの要部を示す斜視図である。図３に示すように、マグネティックチャンネル９Ｂは、湾曲した内周側磁性部材４０と、内周側磁性部材４０よりも外周側に位置し内周側磁性部材４０と同様に湾曲した外周側磁性部材５０と、を備える。外周側磁性部材５０は、上下方向に並んだ２本の磁性部材５０ａ，５０ｂで構成される。上記の内周側磁性部材４０と外周側磁性部材５０との間に形成される湾曲した隙間Ｇが、荷電粒子線の通過路である。このような内周側磁性部材４０及び外周側磁性部材５０によれば、隙間Ｇを通過する荷電粒子線を径方向に収束させる収束タイプ（Ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｕｓｉｎｇ ｔｙｐｅ）のマグネティックチャンネルが構成される。内周側磁性部材４０及び外周側磁性部材５０は、例えば、純鉄、コバルト鉄などの磁性材料によって構成される。なお、実際には、マグネティックチャンネル９Ｂには、内周側磁性部材４０及び外周側磁性部材５０を支持する支持構造体やこれらを冷却するための冷却媒体流路等が含まれるが、これらの図示及び説明は省略する。

マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄは、磁極２１，２３によるメイン磁場を受けて所定の磁気勾配を高精度で発生させる必要がある。従って、マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄの磁極２１，２３に対する相対位置を高精度（例えば、誤差0.1mm以内）に位置決めすることが要求される。そこで、サイクロトロン１においては、マグネティックチャンネル９Ａ，９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｃ，９Ｄのうちの少なくとも１つにおいて、磁極２１，２３に対する相対位置を高精度に位置決めするための設置構造が採用される。本実施形態においては、マグネティックチャンネル９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｄの２つについて、上記設置構造が採用されているものとする。

以下、マグネティックチャンネル９Ｂ及びカウンタマグネティックチャンネル９Ｄに採用されている上記の設置構造について説明する。なお、両者の設置構造は互いに同様であるので、以下では、マグネティックチャンネル９Ｂについて設置構造を説明し重複説明を省略する。図４は、マグネティックチャンネル９Ｂが配置された、磁極２１の外周側の端部を示す平面図である。図４においては、マグネティックチャンネル９Ｂについて、詳細な部位の描写を省略し、主に輪郭のみを図示している。

サイクロトロン１においては、マグネティックチャンネル９Ｂを含むマグネティックチャンネル部６１が、磁極２１に取り付けられ支持されている。具体的には、図４に示すように、円柱面をなす磁極２１の外周側面２２に、マグネティックチャンネル部６１が取り付けられている。マグネティックチャンネル部６１は、外周側面２２に取り付けられたＳＵＳプレート６３と、ＳＵＳプレート６３の上面に設置されたマグネティックチャンネル９Ｂと、を備えている。

また、マグネティックチャンネル部６１は、磁極２１に対するマグネティックチャンネル９Ｂの位置決め及び位置調整をするため、次のような機構を備えている。以下の説明では、平面視において磁極２１の中心位置を原点とするＲθ極座標系を想定し、径方向を「Ｒ方向」、周方向を「θ方向」とする。

ＳＵＳプレート６３の上面には、θ位置決め部材６５（周方向位置決め部）が磁極２１側に突出するように取り付けられている。このθ位置決め部材６５が磁極２１の外周部の所定の位置（例えば、磁極２１のセクター側面）に密着するようにして、磁極２１に対する相対的なＳＵＳプレート６３のθ位置が精度良く位置決めされる。また、マグネティックチャンネル９ＢとＳＵＳプレート６３とを上下方向（図４の紙面に直交する方向）に共に貫通するピン６７が設けられている。このピン６７が、θ方向において精度良くマグネティックチャンネル９ＢとＳＵＳプレート６３とに嵌め合わされる。これにより、ＳＵＳプレート６３に対する相対的なマグネティックチャンネル９Ｂのθ位置が精度良く位置決めされる。以上により、磁極２１に対する相対的なマグネティックチャンネル９Ｂのθ位置が精度良く位置決めされる。

ＳＵＳプレート６３に形成されたピン６７の貫通孔はＲ方向に延びる長孔６３ａであり、ＳＵＳプレート６３に対するマグネティックチャンネル９Ｂの相対的なＲ位置は、ピン６７によっては拘束されていない。ＳＵＳプレート６３の上面にはガイド６９が固定されており、ガイド６９には略Ｒ方向に延びるネジ７１が螺合されており、ネジ７１の先端がピン６７の側面に当接している。ネジ７１を回すと、ピン６７は、ネジ７１の先端に追従すると共に長孔６３ａにガイドされて、マグネティックチャンネル９Ｂ全体と一緒にＲ方向に移動する。このような機構によって、マグネティックチャンネル９ＢをＲ方向のみに細かく移動させることができる。

更に、磁極２１に対する相対的なマグネティックチャンネル９ＢのＲ方向の位置決めを行うため、マグネティックチャンネル９Ｂには、２箇所にＲ位置決め部７３，７５（径方向位置決め部）が設けられている。Ｒ位置決め部７３，７５はθ方向に並んでおり、Ｒ位置決め部７３，７５の間には、前述のピン６７が存在している。Ｒ位置決め部７３は、マグネティックチャンネル９Ｂから磁極２１側に向けてＲ方向に突き出した棒材７７を備えている。棒材７７の先端は、磁極２１の外周側面２２に突き当てられる。棒材７７に係合するナット７９を回すことで、棒材７７の突き出し量を調整することができる。なお、ナット８１を締め付けることで、棒材７７の突き出し量を固定することができる。Ｒ位置決め部７５も、Ｒ位置決め部７３と同様の上記の構成を備えている。以上のように、Ｒ位置決め部７３，７５において棒材７７の突き出し量が調整され、各棒材７７の先端が磁極２１の外周側面２２に突き当てられることで、磁極２１に対する相対的なマグネティックチャンネル９ＢのＲ位置が精度良く位置決めされる。

また、Ｒ位置決め部７３，７５における各棒材７７の突き出し量がそれぞれ個別に調整可能であるので、例えばピン６７の位置を中心としたマグネティックチャンネル９ＢのＲθ平面内の回転方向の位置についても、高精度の位置決め及び位置調整が可能である。

続いて、サイクロトロン１による作用効果について説明する。前述の特許文献１にあるように、仮に、加速空間の外側に設けられた位置調整機構を介してマグネティックチャンネルが保持される方式を採用した場合には、例えば位置調整機構の各部位の位置誤差が蓄積することで、磁極に対する相対的なマグネティックチャンネルの位置精度が十分に得られないと考えられる。これに対し、サイクロトロン１では、マグネティックチャンネル部６１が、磁極２１に対して取り付けられるので、磁極２１に対するマグネティックチャンネル９Ｂの相対位置（Ｒ位置、θ位置）を、直接的に位置決めすることができ、その結果、高精度で位置決めすることができる。

また、仮にマグネティックチャンネル９Ｂが真空容器３の筐体に保持される場合を考える。前述のとおり、荷電粒子の加速空間を高真空状態にするために、真空容器３内は真空引きされる。そうすると、真空引きによって真空容器３の筐体には歪みが発生し、筐体に保持されるマグネティックチャンネル９Ｂの位置精度にも影響する。これに対し、サイクロトロン１では、マグネティックチャンネル部６１が、磁極２１に対して取り付けられる。そして、磁極２１は、真空容器３の筐体に比較して極めて剛性が高く、真空引きに起因する歪み等は極めて小さい。従って、サイクロトロン１の使用時においても、マグネティックチャンネル９Ｂの高い位置精度を維持することができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、マグネティックチャンネル部６１が、磁極２１ではなく磁極２３に取り付けられてもよい。

１…サイクロトロン、９Ａ，９Ｂ…マグネティックチャンネル、９Ｃ，９Ｄ…カウンタマグネティックチャンネル、２１，２３…磁極、６１…マグネティックチャンネル部、６５…θ位置決め部材（周方向位置決め部）、６７…ピン（周方向位置決め部）、７３，７５…Ｒ位置決め部（径方向位置決め部）、Ｂ…周回軌道、Ｆ…引出軌道。

Claims (3)

1. 荷電粒子を周回軌道で加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロンであって、
   前記荷電粒子を加速するために必要な磁場を発生させる磁極と、
   前記周回軌道の外周部に配置され前記荷電粒子線を引出軌道に誘導すると共に前記荷電粒子線を集束するマグネティックチャンネルを有するマグネティックチャンネル部と、を備え、
   前記マグネティックチャンネル部は、前記磁極に対して取り付けられ、
   前記マグネティックチャンネル部は、
   前記磁極の径方向において前記磁極に対する前記マグネティックチャンネルの相対位置を位置決めする径方向位置決め部と、
   前記磁極の周方向において前記磁極に対する前記マグネティックチャンネルの相対位置を位置決めする周方向位置決め部と、を有し、
   前記マグネティックチャンネル部は、前記磁極の外周側面に対して取り付けられるプレートを更に備え、
   前記マグネティックチャンネルが前記プレートの上面に配置される、サイクロトロン。
2. 前記マグネティックチャンネル部は、前記磁極に対する前記マグネティックチャンネルの相対位置を調整可能である、請求項１に記載のサイクロトロン。
3. 前記周回軌道の最外周部に対応する位置に配置される第一のマグネティックチャンネルと、
   前記周回軌道において、前記第一のマグネティックチャンネルから下流側へ離間して配置される第二のマグネティックチャンネルと、
   前記第一のマグネティックチャンネルに対し、前記磁極の中心位置を基準として対称の位置に配置される第一のカウンタマグネティックチャンネルと、
   前記第二のマグネティックチャンネルに対し、前記磁極の中心位置を基準として対称の位置に配置される第二のカウンタマグネティックチャンネルと、を備え、
   前記マグネティックチャンネル部は、
   前記第一のマグネティックチャンネル、前記第二のマグネティックチャンネル、前記第一のカウンタマグネティックチャンネル、又は前記第二のカウンタマグネティックチャンネルを前記マグネティックチャンネルとして有する、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。

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