JPH07501171A - 小型アイソクローナル・サイクロトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 小型アイソクローナル・サイクロトロン技術分野 本発明は、粒子ビームをセクターによって集束させる新規構成のサイクロトロン に係わる。具体的には、本発明は、エアギャップが比較的小さい少なくとも３対 の“山”と呼称されるセクターと、エアギャップが比較的大きく、前記山を分離 する“谷”と呼称されるセクター状のスペースとを含む磁気回路を構成する電磁 石から成るアイソクローナル・サイクロトロンに係わる。

さらに具体的には、本発明は、小型アイソクローナル・サイクロトロン、即ち、 電磁石の磁極を囲む少なくとも１対の主円形コイルによって駆動されるサイクロ トロンに係わる。

本発明は、超伝導サイクロトロンにも非超伝導サイクロトロンにも係わる。

背景技術 サイクロトロンは、特に放射性同位体の生成に利用される粒子加速器である。

サイクロトロンは、３組の別々の主要組立体である電磁石、高周波共振器、及び ポンプを含む真空チェンバによって構成されるのが普通である。

電磁石は、加速に伴なって半径が増加するほぼらせん状の軌道に沿ってイオンを 誘導する。

最近のアイソクローナル・サイクロトロンでは、電磁石の磁極が比較的小さいエ アギャップと比較的大きいエアギャップとを交互に有するセクターに分割されて いる。その結果として起こる磁界の方位角の変化は、加速の過程でビームを垂直 及び水平方向に集束させる。

アイソクローナル・サイクロトロンという場合、少なくとも１対の主円形コイル によって駆動される小型サイクロトロンと、磁気構造が完全に独立した別々のユ ニットに分割されているセパレート・セクター型サイクロトロンと呼ばれるサイ クロトロンとを区別して考察するのが便利である。

第１世代アイソクローナル・サイクロトロンは、従来タイプの円形コイル、即ち 、非超伝導コイルを使用するサイクロトロンである。この第１世代サイクロトロ ンで得られる平均誘導磁界は、せいぜい１．４テスラ程度でありた。

このタイプのサイクロトロンの好ましい実施例は、山と呼ばれるセクターのエア ギャップが被加速ビームのサイズに近い値にまで縮小するのに対して、山を分離 させる谷と呼ばれるセクターのエアギャップが極めて広く、このエアギヤ・ノブ における磁界がほぼゼロとなるように構成されたものが特許出願Ｗ〇−Ａ−８６ １０６９２４号に記載されている。

セクターによって集束させられるアイソクローナル・サイクロトロンの他の好ま しい実施例は、特許出願ＷＯ−Ａ−９１１０７８６４号に記載されており、山セ クターの形状及び寸法を適当に設定することによって山セクターが加速システム と一致するように構成している。

いずれの特許出願においても、山セクター間のエアギヤ・ツブは一定である。

米国特許２，８７２，５７４号は、山セクター間のエアギャップが線形に縮小す るプロフィルを有するアイソクローナル・サイクロトロンを記述している。この サイクロトロンは、粒子を数十Ｍ　ｅ　Ｖ陽子にまで加速させようとするもので ある。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅ　（ Ｖｏｌ、Ｎ５−３２．Ｎｏ、５／２，０ｃｔｏｂｅｒ１９８５、ＮＹ−ＵＳ、ｐ ｐ、３３１６−３３１７）誌は、山セクター間の磁気誘導を１．７テスラ程度と し、山セクター間エアーギャップが最大値まで増大し、これを越えると低下する ように構成してＨ−粒子を３０　Ｍ　ｅ　Ｖのエネルギーにまで加速することの できる小型アイソクローナル・サイクロトロンを記述している。

ここ２０年に亘って、超伝導技術を利用する第２世代サイクロトロンと呼ばれる サイクロトロンが現われている。この世代のサイクロトロンでは主コイルが超伝 導タイプであり、１．７ないし５テスラの平均誘導が得られるから、第１世代サ イクロトロンによって供給されるよりもはるかに磁気強度（Ｂｒ）の大きい粒子 ビームを供給することができる。

ただし、得られる誘導が比較的高いから、サイクロトロン内でのビーム回転数が 過度に大きくならないように加速空洞の数を極力多くしなければならなかった。

なぜなら、ビームの回転数が大きいと磁界発生の精度を高める必要があるからで あり、この場合、すべての谷セクターを加速空洞の収容に利用することが好まし い。

従って、超伝導アイソクローナル・サイクロトロンにおける抽出装置を山セクタ ーに設けることはできず、このことが抽出を著しく複雑にする。超伝導サイクロ トロンの場合、高磁界が得られるという事実に起因する第２の欠点として、静電 チャンネル及び／または電磁気チャンネルによって構成される抽出装置では相対 効率が低下し、従って、第２世代サイクロトロンは、第１世代サイクロトロンの 抽出装置よりもはるかに複雑な抽出装置が必要になる。

即ち、公知の第２世代サイクロトロンの抽出装置は、装置のほとんど全周を占有 し、その数は２ないし３基にも及び、これに３ないし１０個の集束素子が続くこ とになる。

超伝導または非超伝導コイルを有し、２つの山セクター間のエアギャップがほぼ 一定である小型アイソクローナル・サイクロトロンにおいては、例外なく磁極半 径の最初の２／３から始まって、山セクターの半径方向端部（内半径）において 最大値の１／２にまで低下する誘導低下が観察される。

この低下を防止する第１の解決策として、最大エネルギーが達成される磁極半径 よりもかなり大きい磁極半径を設定することが提案され、その結果として、磁界 が等時性なしに増大し続ける半径方向ゾーンもまた長くなったが、この磁界は最 大値を通過すると、そこから低下する。この半径方向端部磁界ゾーンの拡大もま た抽出を著しく複雑にする。

発明の開示 本発明は、公知技術の欠点を持たない超伝導または非超伝導小型アイソクローナ ル・サイクロトロンの新規構成を提案するものである。

本発明の第１の目的は、磁極の半径方向端部に近づいても誘導の垂直成分の減衰 を防止する超伝導または非超伝導小型アイソクローナル・サイクロトロンを提供 することにある。

即ち、本発明は、磁極端における利用不能な磁界ゾーンが数ミリメートルにまで 縮小されるアイソクローナル・サイクロトロンを提供しようとするものである。

本発明の補完的な目的は、特に超伝導サイクロトロンの場合、簡単な抽出装置を 有するサイクロトロンを提供することにある。

かかる本発明が特徴とするところは、以下のとおりである。

本発明は、２つの磁極を含み、エアギャップが小さくしである少なくとも３対の “山”と呼称されるセクター、及びエアギャップが比較的大きい寸法を有し、前 記“山”を互いに分離する“谷”と呼称されるセクターの形態を有するスペース を含む磁気回路を構成、する電磁石がら成り、電磁石の磁極を囲む少なくとも１ 対の主円形コイルによって駆動され、粒子ビームを前記セクターによって集束す る超伝導または非超伝導小型アイソクローナル・サイクロトロンに係り、山のエ アギャップが中心平面上、山の半径方向端部（内半径）においてほぼ完全な閉鎖 状態を呈するように、より好ましくは、中心平面上で全周に亘って閉鎖するよう にほぼ楕円形に変化するプロフィルを有することがその特徴である。

なお、“はぼ完全な閉鎖状態を呈する”という表現は（好ましくは被加速ビーム の垂直方向寸法以下の）小さい残留開口がある構成及びエアギャップの楕円プロ フィルが中心平面において完全に閉じる構成を意味する。

山のエアギャップが後者の形状を呈する（エアギャップが完全に閉じている）場 合、鉄の磁化が均一（一定モジュラス及び一定方向）であれば理論上山の半径方 向全域に亘って完全に連続的な誘導が得られ、このことは磁極半径が内半径に等 しい場合でも同様である。

実際には、軟鉄でこの磁化均一状態が達成されるのは、山を形成している鉄が飽 和状態で作用する場合、即ち、山を形成する鉄に発生する誘導が２．２テスラ以 上の場合である。磁極半径がほぼ（１ｍｍ以内の誤差で）内半径に等しい場合、 山のエアギャップのほぼ全域に亘って誘導の完全な連続性が達成される。

しかし、内半径の近傍では鉄の磁化ベクトルが不均一であるから、この内半径の 近傍では誘導が上昇する。

この現象を防止するため、各対の山の間の磁気分路の形で中心平面におけるエア ギャップの閉鎖状態を形成する。この分路は、その半径方向の厚さを好ましくは ２ないし１０ｍｍにして、磁極半径をこの厚さに相当する量だけ内半径よりも太 き（する。

分路の領域におけるエアギャップの閉鎖状態は完全でなくてもよい。即ち、残留 するエアギャップが被加速ビームの垂直方向寸法よりも小さければ充分である。

このように構成すれば、内半径までの範囲に亘って内部誘導のほぼ完全な連続性 が回復されるだけでなく、内半径を境にしてその外側では誘導が極めて急激に低 下し、このことが粒子ビームを抽出するシステムを著しく単純化することを可能 にする。

図面の簡単な説明 添付の図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。添付の図面において： 図１は、小型アイソクローナル・サイクロトロンの下半分を構成する主要素子を 略示する分解図； 図２は、本発明のサイクロトロンの断面図：図３は、本発明の重要な特徴を有す る２つの山の間に画成されるエアギャップの詳細図； 図４ないし１１は、公知のサイクロトロン（図４及び５）及び本発明のサイクロ トロン（図６ないし１１）に関して２つの山の間に位置するエアギャップの中心 平面における半径に対応する誘導の垂直方向成分の値を表わすグラフである。

本発明を実施するための最良の形態 図１に略示するサイクロトロンは、陽子を２３０　Ｍ　ｅ　Ｖのエネルギーにま で加速することを意図したものである。

サイクロトロンの磁気構造ｌは、強磁性材で形成された複数の素子２，３．４及 び５と、好ましくは伝導材または超伝導材で形成されたコイル６から成る。

強磁性構造は： ヨークと呼称される２つの基板２及び２′と：中心平面と呼称される対称平面を 挟んで互いに対称に配置され、比較的小さいエアギャップ８によって分離されて いる少なくとも３つの”山”と呼称される上方セクター３及び同数の下方セクタ ー３′　（図２）と；互いに隣接する２つの山の間にあって前記エアギャップが 広くなる“谷”４と呼称されるスペースと： 下方ヨーク２を上方ヨーク２′　と強固に接続する少なくとも１つのフラックス 　リターン（ｆｌｕｘ　ｒｅｔｕｒｎ）　５と；から成る。

コイル６は、はぼ円形であり、セクター３または３′とフラックス　リターン５ の間の環状スペース内に配置される。

これらのコイルは超伝導材で形成してもよいが、その場合には適切な極低温装置 を設けることが必要となる。

中心導管は、被加速粒子供給源７を少なくとも一部受容するための導管であり、 被加速粒子は、本来公知の手段を介して装置の中心において入射される。

図２は、本発明に係るサイクロトロンの断面図である。

本発明のサイクロトロンの重要な特徴は、２つの山３及び３′の間に位置するエ アギャップ８が山半径圏と呼称される山の半径方向端部において中心平面１０上 で閉じる方向にほぼ楕円形に変化するプロフィルを有することにある。

エアギャップが半径Ｒｃにおいて完全に閉じるか、または少なくとも残留エアギ ャップがビームの垂直方向寸法以下であることが好ましい。

図３に示す他の好ましい実施例では、内半径Ｒ６を越えた位置で各対の山３及び ３′の間に半径方向厚さが２ないし１０ｍｍ。

好ましくは６．５ｍｍ程度の金属スクリーンの形態で磁気分路９を設けている。

この場合には磁極半径Ｒ，と内半径Ｒｃとはもはや一致せず、磁極半径が磁気分 路の半径方向端部に位置することはいうまでもない。

抽出されるビームが通過できるように、少なくとも１つの磁気分路９に少なくと も１つの開口１１を設けることはいうまでもない。好ましくは、それを内半径に 対して斜めに構成する。

図４ないしＩＩは、均一磁化Ｍの場合に半径γに対応する誘導の垂直方向成分Ｂ 、を示す。

図４及び５は、公知サイクロトロンに見られるように２つの山の間のエアギャッ プが一定である場合の上記変化を示す。

グラフから明らかなように、この場合には、半径γの値が増大するに従って垂直 方向誘導成分Ｂ、が急激に低下し、この低下は、磁極半径Ｒ４よりもはるかに手 前の半径値において既に現われる。

即ち、この低下は、磁極半径の最初の２／３から既に観察され、内半径ＲＣにお いて最大値の１／２にまで低下する。

図６及び７は、エアギャップが磁極半径Ｒ２において完全に閉に対する磁気誘導 成分Ｂ２の変化を示す。

このような理論上の設定条件下においては、半径Ｒｃ以内の範囲内で誘導の完全 な連続性が観察され、たとえＲ，＝　Ｒｏの場合でも半径Ｒｃを越えると極めて 急激な低下が観察される。

ただし、既に述べたように、これは飽くまでも理論上のことである。実際には軟 鉄は、磁極半径ＲＰの近傍において磁化Ｍの不均一性を示すから、図８及び９に 示すように誘導が増大する。

この好ましくない効果を回避するためには、中心平面に立ちはだかって磁化の均 一性回復を可能にし、その結果、図１Ｏ及び１１に示すように半径Ｒｃ以下の半 径領域において垂直方向誘導成分のほぼ完全な連続性回復を可能にする磁気分路 を導入しなければならない。

なお、半径Ｒｃ以下の半径領域における静磁気誘導の垂直方向成分Ｂｚ（Ｌ５″ ）値は２つの山の間に形成されるエアギャップのプロフィルを画成する楕円の半 短軸（ｂ）の値に太き（依存する。

本発明のサイクロトロンが採用しているこのエアギャップ形状の主な利点は、粒 子ビーム抽出システムが公知サイクロトロンの抽出システムよりもはるかに単純 化されることにある。

即ち、陽子を１５０　Ｍ　ｅ　Ｖ以上のエネルギーにまで加速することを目ざす 本発明のサイクロトロンは、単一の静電デフレクタ−及びこれに後続する２つま たは３つの集束静磁気チャンネルだけで構成された抽出システムで充分な抽出を 行うことができる。

この場合、上記静磁気チャンネルは小さい矩形断面を有する軟鉄棒から成り、従 って、その製造コストは極めて低い。

総合的には、本発明のサイクロトロンは、ヨークの磁極を形成するのに必要な鉄 の量が公知サイクロトロンに比較して少なくてすむという点で有利である。

国際調査報告 ＋１＋Ｍ−１＋−−−＝、−＋−ρＣＴ／ＢＥ　９２１０００５０、−一−，− −−一−−−−７−ＰＣＴ／ＢＥ９２１０ｏｏ５゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの磁極を有し、エアギャップが比較的小さい少なくとも３対の“山”と 呼称されるセクター（３及び３′）、及びエァギャップが比較的大きい寸法を有 し、前記山を互いに分離する“谷”と呼称されるセクター（４）の形態を有する スペースを含む磁気回路を構成する電磁石から成り、電磁石の磁極を囲む少なく とも１対の主円形コイル（６）によって駆動され、粒子ビームを前記セクターに よって集束する超伝導または非超伝導小型アイソクローナル・サイクロトロンに おいて、２つの山（３及び３′）の間に位置するエアギャップ（８）が中心平面 （１０）上、山半径（Ｒｃ）と呼称される山の半径方向端部においてほぼ完全な 閉鎖状態を呈するほぼ楕円形に変化するプロフィルを有することを特徴とする前 記アイソクローナル・サイクロトロン。 ２．２つの山（３及び３′）の間のエアギャップ（８）が中心平面（１０）上、 山半径（Ｒｃ）において完全に閉鎖することを特徴とする請求項１に記載のサイ クロトロン。 ３．２つの山（３及び３′）の間のエアギャップ（８）が山半径（Ｒｃ）におい て好ましくは抽出ビームの垂直方向寸法以下の小さい開口を有することを特徴と する請求項１に記載のサイクロトロン。 ４．山の半径方向端部（Ｒｃ）を越えた位置で各対の山（３及び３′）の間に電 磁石の磁極を連続するように磁気分路（９）を形成したことを特徴とする請求項 ２または３に記載のサイクロトロン。 ５．抽出ビームが通過できるように少なくとも１つの磁気分路（９）に少なくと も１つの開口（１１）を設けたことを特徴とする請求項４に記載のサイクロトロ ン。 ６．磁気分路（９）を２ないし１０ｍｍ、好ましくは６．５ｍｍ程度の厚さを有 する金属スクリーンで形成したことを特徴とする請求項４または５に記載のサイ クロトロン。 ７．サイクロトロンに設けた抽出システムが１つの静電デフレクター、及びこれ に後続する好ましくは２つまたは３つの集束静電チャンネルから成ることを特徴 とする請求項１ないし６のいずれかに記載のサイクロトロン。 ８．陽子を１５０ＭｅＶ以上のエネルギーにまで加速することに利用する請求項 １ないし７のいずれかに記載のサイクロトロン。