JPS5924520B2 - 等時性サイクロトロンの磁極の構造とそれの使用方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサイクロトロンの磁極の構造に関するものであ
り、特に等時性サイクロトロンの磁極の構造に係るもの
である。

等時性サイクロトロンとは加速粒子の回転の周期Ｔが半
径ｒに無関係に一定であるようなサイクロトロンをいう
。

磁場分布Ｂ（ｒ）、加速粒子の質量ｍ１加速粒子の電荷
ｑ１加速粒子の角速度ωとすれば、次式が成立する。

加速粒子の質量ｍは静止質量ｍい光速Ｃとすれば次式で
与えられる。

このｍを式（１）に代入すれば次式が得られる。

一方、加速粒子の最大運動エネルギーＥｍは、そのとき
の加速粒子の回転半径をｒｍとすると次式で与えられる
。

ここでＢ。

は中心磁束密度である。そこで中心磁束密度Ｂ。

と最大運動エネルギーＥｍを用いて磁束分布Ｂ（ｒ）を
次のように置く。

Ｂ（ｒ）＝Ｂ□＋ＫＥｍ′／２ｒ２（４）式（３）を式
（４）に代入して整理するととなる。

この式を式（２）に代入するとＴ−、−となってＴは半
径ｒに無関係となる。

すなわち式（４）を満足するように磁束を分布させると
等時性サイクロトロンを実現できる。

この磁束分布の要求に応じる従来の等時性サイクロトロ
ンの磁極構造としては、磁極表面に複数組の独立した同
心円形コイル群を配置して各組のコイルに流す電流の大
きさと方向とを調整して上式のＫ Ｅ ｍ％ｒ２に相当
する補正磁場を生成していた。

しかしこのような磁場補正コイルの設計製作は困難であ
り、個別に異なる電流を供給する電流源の設置に伴う経
済的不利もある。

更に、コイルは特定の複数の電流値について設計製作さ
れているためこれらの特定の電流値の中間値で等時性磁
場をつくるためにはその中間値を特定電流値についての
データからコンピュータを使用して内挿もしくは外挿し
て決定しなければならないという操作上の不都合があっ
た。

本発明の目的は構造が簡単であり、操作も容易である等
時性サイクロトロンの磁極の構造を提供することである
。

この目的は本発明に従って電磁石の対向する２つの磁極
面に半径方向の単位長さ尚りの巻線数（以下「巻線密度
」という）が半径に比例する一組の渦巻状コイルを配置
することにより達成される。

本発明の実施例を以下に添付図を参照して詳細に説明す
る。

第１図の上半部に等時性磁場の半径方向の分布を示し、
第１図の下半部に本発明による磁極構造の縦断面図を第
１図の上半部の分布曲線に対応して示す。

主磁場を形成する電磁石は、主磁場強度が変化した場合
にも半径方向の磁場の相対的分布かほぼ一定となるよう
な先細の磁極１を使用する。

先ず磁極表面上に設けた巻線密度が一様な渦巻う状コイ
ルが磁極中央面につくる磁場を求める。

第３図を参照する。

一方の磁極面上の連続した渦巻状コイルの半径ａの巻回
（黒丸）に流れる電流■が磁極間隙の中央面にＣ−Ｃ’
につくる磁場について考える。

上方磁極面を鏡面として現われる鏡像（白丸）と、前記
の巻回とこの鏡像との第１の組Ｉか下方磁極面を鏡面と
して現われる鏡像の第２の組■と、この第２の組■が上
方磁極面を鏡面として現われる鏡像の第３の組■と、こ
の第３の組■か下方の磁極面を鏡面として現われる鏡像
の第４の組■と、そして以下このようにして現われる一
連の鏡像が中央面Ｃ−Ｃ’につくる磁場として半径ａの
巻回による磁場を計算できる（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ ｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ 、Ｖｏ ｌ 、 ８゜４１ ０、
０ｃｔｏｂｅｒ 、 １ ９６ ９． ″ Ｏｎ
ＣｉｒｃｕｌａｒＴｒｉｍｍｉｎｇ Ｃｏ１１ｓ
Ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ＭａｇｎｅｔＰｏｌｅ
Ｆａｃｅｓ ｂｙ Ｎｏｒｉｙｏｓｈｉ Ｎａｋａ
ｎｉｓｈｉ＋５ｈｏｓｈｉｃｈｉ Ｍｏｔｏｎａｇａ
、 Ｙｏｓｈｉｔｏｓｈｉ Ｍｉ−ｙａｚａｗａ
ａｎｄ Ｔａｋａｓｈｉ Ｋａｒａｓａｗａ参照）○
この逐次鏡像法によると、磁極間距離２ｄ、半径ａで両
磁極面に配置された一組の単一円形線輪に流れる電流■
による磁極中央面Ｃ−Ｃ’の磁場Ｂ（ｒ ）は次式で表
わされる。

ここでμは鉄の比透磁率、 ｒ′は、ａにより正規化した半径でｒ”” ｒ ／ ａ
％ＦｉとＥｉはＫｉをモヂュールとする第１種と第２
種の完全楕円積分、たゾしＫｉは次式で定義される。

Ｋ１２＝＝４ｒ’／ （（１＋ｒ’）２＋（２ｉ−１）
２ｄ２）ｄに比べａか十分に大きい場合には近似的には
μ０ 第４図に示すようｔこ−■の大きさで半径方向にのびる
一連の磁場の重畳として中央面の磁場を表わすことがで
きる。

すなわち、μ０ ｒ＝ｏの中心磁場Ｂ（ｏ）は、Ｂ（’０ ）＝７Ｉ ｒ
ｍとなる。

補正磁場のみを求めるとすると、Ｂ（ｒ）−μ０ − Ｂ （ｏ ） ＝−１ｒとなる。

これは巻線密度が一様な渦巻状コイルがつくる補正磁場
は半径に比例して変化することを示している。

第１図の上半部の等磁性磁場は半径の自乗に比例して変
化しているのであるから、そのような補正磁場を実現す
るには半径方向の単位長さ当りの巻線数すなわち巻線密
度が半径に比例する渦巻状コイルを磁極面に配置すれは
よい。

すなわち、磁極中心から距離ｒにおける巻線数か基準半
径（例えは最大半径ｒｍ）における巻線密度をｎとして
、ｎｒ△ｒとなる渦巻状コイルを磁極面に配置する。

このときの中央面の磁場Ｂ（ｒ）は次式のようになる。

′−μ０ 主磁場の中心磁場強度を−ｎＩｒｍ′とし、ｄ 電流の向きを反転すれは補正磁場は五ｎ Ｉ ｒ ２と
ｄ なり、等磁性磁場が得られる。

上式から明らかなように巻線密度が半径に比例する渦巻
状コイルに一定電流Ｉを流すときは半径の自乗に比例す
る磁場か得られ、そしてこのコイルに加速粒子の運動エ
ネルギーの２分の３乗に比例する電流を流すことにより
補正磁場か得られる。

サイクロトロンの運転に際しては加速粒子の最大運動エ
ネルギーＥｍか与えられるので、このＥｍから中心磁場
の強さＢ。

が決定しＪ１丁７冒７ （Ｂｏ−）、この中心磁場をつくるよ ｒｍ う主電流を手動又は自動的に設定する。

次に調整電流をＥ−％に比例するよう手動又は自動的に
設定して補正磁場をつくる。

第２図に本発明の具体的な実施例の斜視図を示す。

図に示すように先細の磁極１の表面に渦巻状コイル２を
配置している。

この実施例では鉄シム３の上にコイルを配置しているか
、鉄シム３の下に配置してもよい。

この鉄シムは扇形鉄片であり、磁極面に垂直な方向への
粒子の偏向を阻止して回転する粒子を磁極面に平行な面
、すなわちティーの内部空間に拘束するためのものであ
る。

この鉄シムは、磁場強度が変化しても方位角方向の磁場
の相対的分布がほぼ一定となるように周辺の面取りをし
た扇形鉄片である。

先細の磁極としては磁極周面かｃｏｓｈ ｒ又はεｒの
形で変化するものでよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は等磁性磁場の分布を示す曲線と本発明の等時性
サイクロトロンの磁極の構造の縦断面図とを示す。 第２図は本発明の実施例の斜視図である。 第３図は単一巻回が中央面につくる磁場を求めるための
鏡像を説明する図であり、第４図は一様密度の渦巻コイ
ルが中央面につくる半径方向の磁場を近似的に示す図で
ある。 １：磁極、２：渦巻状コイル、３：鉄シム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電磁石の対向する２つの磁極面に半径方向の単位長
   さ当りの巻線数が半径に比例する一組の渦巻状コイルを
   配置したことを特徴とする等時性サイクロトロンの磁極
   の構造。 ２ 電磁石の対向する２つの磁極面に配置した半径方向
   の単位長さ当りの巻線数が半径に比例する一組の渦巻状
   コイルに粒子の運動エネルギーの２分の３乗に比例する
   電流を流すことを特徴とする等時性サイクロトロンの磁
   極の使用方法。