CN109792835A - 粒子加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种粒子加速器，该粒子加速器具备：一对磁极，相互对置而配置；线圈，包围各个磁极，并产生从一个磁极朝向另一个磁极的第1磁通密度；箔带剥离器，设在带电粒子的旋绕轨道上，且从带电粒子剥取电子；及磁通密度调整部，产生朝向与第1磁通密度相反的方向的第2磁通密度，磁通密度调整部使俯视时的箔带剥离器的位置上的磁通密度的绝对值小于第1磁通密度的绝对值。

Description

粒子加速器
技术领域
本发明涉及一种粒子加速器。
背景技术
以往，在回旋加速器等粒子加速器中，为了剥取被加速的H﹣粒子的电子，并作为H+的质子束向粒子加速器外部输出而使用箔带剥离器。专利文献1中记载有具备由碳质薄膜形成的箔带及保持箔带的箔带夹的回旋加速器用剥离箔带。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-256000号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在如上述的粒子加速器中，箔带剥离器的箔带承受高能量的H-的冲突，因此箔带有可能因伴随该冲突的发热而升华。因此，箔带为寿命比较短的消耗品，需要定期更换箔带。并且，H-射束的电流值变得越高，箔带的寿命变得越短，因此更换的频率增加，从而维护步骤或维持成本变大。因此，要求箔带长寿命化。
本发明是为了解决这种课题而完成的，其目的在于提供一种能够实现箔带的长寿命化的粒子加速器。
用于解决技术课题的手段
本发明人等进行深入研究的结果，以致发现如下见解。即，本发明人等发现了在一般粒子加速器中箔带剥离器的箔带的寿命缩短的原因。通过箔带剥取的电子受到第1磁通密度的影响沿加速粒子(负离子)的旋绕轨道的内侧方向弯曲并旋转，从而多次通过箔带。因此，电子的能量赋予到箔带，由此箔带成为高温，从而引起形成箔带的材质的升华等而箔带的寿命缩短。
为了解决上述课题，本发明的一方式所涉及的粒子加速器具备：一对磁极，相互对置而配置；线圈，包围各个磁极，并产生从一个磁极朝向另一个磁极的第1磁通密度；箔带剥离器，设在带电粒子的旋绕轨道上，且从带电粒子剥取电子；及磁通密度调整部，产生朝向与第1磁通密度相反的方向的第2磁通密度，磁通密度调整部使俯视时的箔带剥离器的位置上的磁通密度的绝对值小于第1磁通密度的绝对值。
本发明的一方式所涉及的粒子加速器具备产生朝向与第1磁通密度相反的方向的第2磁通密度的磁通密度调整部。该磁通密度调整部通过在俯视时的箔带剥离器的周边产生第2磁通密度，使箔带剥离器的位置上的磁通密度(第1磁通密度及第2磁通密度的总计)的绝对值小于第1磁通密度的绝对值(削弱磁场)。由此，与在箔带剥离器的位置上产生第1磁通密度的情况比较，电子旋转的旋转半径增大。因此，能够抑制通过箔带剥取的电子再次通过箔带而箔带成为高温。因此，能够实现箔带的长寿命化。
在一方式所涉及的粒子加速器中，磁通密度调整部可通过线圈产生第2磁通密度。根据该结构，通过调整在线圈中流动的电流，能够调整第2磁通密度的大小。因此，能够将第2磁通密度调整为最佳大小。
在一方式所涉及的粒子加速器中，磁通密度调整部可通过磁铁产生第2磁通密度。根据该结构，能够产生第2磁通密度而无需供给电力。
在一方式所涉及的粒子加速器中，磁通密度调整部具有在带电粒子的旋绕轨道的外侧回收电子的回收部，磁通密度调整部通过产生大于第1磁通密度的绝对值的第2磁通密度，将俯视时的箔带剥离器的位置上的磁通密度设为与第1磁通密度相反的方向。根据该结构，箔带剥离器的位置上的磁通密度(第1磁通密度及第2磁通密度的总计)的方向成为与第1磁通密度的方向相反的方向。因此，通过箔带剥离器剥取的电子向带电粒子(负离子)的旋绕轨道的外侧方向弯曲。由此，能够抑制通过箔带剥取的电子再次通过箔带。并且，电子向旋绕轨道的外侧方向弯曲，因此能够将回收部配置在旋绕轨道的外侧而收回电子。因此，能够可靠地抑制通过箔带剥取的电子再次通过箔带。
发明效果
根据本发明，提供一种能够实现箔带的长寿命化的粒子加速器。
附图说明
图1(a)是示意地表示一实施方式所涉及的粒子加速器的图，图1(b)是沿图1(a)的Ib-Ib线的剖视图。
图2是示意地表示图1所示的粒子加速器的作用的图，图2(a)是俯视图，图2(b)是沿图2(a)的IIb-IIb线的剖视图。
图3是示意地表示图1所示的粒子加速器的磁通密度调整部的结构的图。
图4(a)是示意地表示图3的IVa-IVa线的截面的图，图4(b)是示意地表示磁通密度调整部的支承结构的图。
图5(a)是示意地表示比较例所涉及的粒子加速器的箔带剥离器周边的图，图5(b)是图5(a)的箔带部分的放大图。
图6是示意地表示图1所示的粒子加速器的箔带剥离器周边的图。
图7是示意地表示磁通密度调整部的变形例的图。
图8是示意地表示磁通密度调整部的变形例的图。
具体实施方式
以下，参考附图对各种实施方式进行详细说明。另外，在各附图中对相同或相应的部分赋予相同的符号。
参考图1及图2，对本发明的一实施方式所涉及的粒子加速器进行说明。图1(a)是示意地表示一实施方式所涉及的粒子加速器的图，图1(b)是沿图1(a)的Ib-Ib线的剖视图。并且，图2是示意地表示图1所示的粒子加速器的作用的图，图2(a)是俯视图，图2(b)是沿图2(a)的IIb-IIb线的剖视图。粒子加速器100为例如在使用硼中子捕捉疗法(BNCT：BoronNeutoron Capture Therapy)进行癌症治疗的中子捕捉疗法系统中用于使负离子P(带电粒子)加速而生成带电粒子束的回旋加速器。并且，粒子加速器100还能够用作PET用回旋加速器、RI制造用回旋加速器及原子核实验用回旋加速器。如图1及图2所示，粒子加速器100具备一对磁极10A、10B、包围各个磁极10A、10B的线圈20、从负离子P剥取电子的箔带剥离器30及磁通密度调整部40。并且，粒子加速器100具有负离子P旋绕的真空箱50、配置在磁极10A、10B之间的一对加速电极60及取出通过箔带剥离器30变更轨道的质子的射出口51。负离子P例如从负离子源装置(未图示)供给到真空箱50内。
磁极10A、10B相互对置而配置，其形状为圆柱状。磁极10A、10B的相互对置的面以分割成包含多个谷区域(谷)11和多个山区域(山)12的多个扇区且谷区域11与山区域12交替出现的方式形成。根据这种结构，实现利用扇区聚焦使在真空箱50内加速的负离子P会聚。
线圈20为圆环状，且以包围磁极10A、10B的周围的方式分别配置。通过对线圈20供给电流，产生从一个磁极10A朝向另一个磁极10B的第1磁通密度B1(参考图3)。即，通过磁极10A(或磁极10B)及线圈20形成电磁铁。
箔带剥离器30具备：剥离器驱动轴31，沿磁极10A、10B的径向延伸；箔带32，设置于剥离器驱动轴31的前端；及箔带驱动部33，驱动剥离器驱动轴31，使剥离器驱动轴31沿磁极10A、10B的径向进退自如。箔带驱动部33具备高精度的马达等，剥离器驱动轴31通过箔带驱动部33的驱动控制以10-2mm～10-1mm的单位进退，其结果，箔带32以在负离子P的旋绕轨道K上交叉的方式进退自如。箔带剥离器30例如配置于磁极10A、10B的谷区域11。
磁通密度调整部40产生朝向与磁极10A、10B及线圈20所产生的第1磁通密度B1相反的方向(从另一个磁极10B朝向一个磁极10A的方向)的第2磁通密度B2(参考图3)。磁通密度调整部40配置在磁极10A、10B的谷区域11，以便在箔带剥离器30的箔带32周边产生第2磁通密度B2(参考图3)。
真空箱50例如具有箱主体(未图示)及箱盖(未图示)。在真空箱50的底壁部设有与一个磁极10A的外径大致相同直径的开口部，一个磁极10A的具备谷区域11及山区域12的面从该开口向真空箱50内突出。并且，在箱主体设有真空排气用排气口(未图示)，且在该排气口连接有真空泵(未图示)。箱盖封闭箱主体的上部开口，以便能够通过真空泵使真空箱50内成为真空。为了使另一个磁极10B的具备谷区域11及山区域12的面向真空箱50内突出，在箱盖上与箱主体相同地设置与另一个磁极10B的外径大致相同直径的开口部。
一对加速电极60以俯视时分别呈三角形状并使各个顶角抵靠的方式对置配置。各加速电极60例如由铜等导电体构成，由底边上下连结2片三角形。而且，在加速电极60的板面设有用于使冷却用制冷剂流通的管。
一对加速电极60位于磁极10A、10B的谷区域11。而且，加速电极60的前端部彼此通过连接部件机械连接且电连接。另外，连接部件的方式并无特别限定，能够采用各种形状。例如，一对加速电极60的前端部彼此可以不是电连接。此时，可对一对加速电极60分别供给RF电极。
在磁极10A(或磁极10B)的中心位置设有将由负离子源装置生成的负离子P供给到真空箱50内的离子供给口13。负离子源装置为在氢气等原材料中进行电弧放电而生成负离子P的装置。由负离子源装置生成的负离子P以经由离子供给口13引入到真空箱50内的方式被供给，并通过施加高频电压的加速电极60一边旋绕一边加速，从而逐渐增加能量。若能量增加，则负离子P的旋转半径增大，描绘如进行螺旋运动的旋绕轨道K。旋绕轨道K位于一对磁极10A、10B之间的中央平面(中值平面(median plane))上。另外，负离子源装置可配置在粒子加速器100的外部，也可配置在粒子加速器100的内部。
箔带32例如由碳制薄膜形成。若箔带32侵入进行旋绕的负离子P的旋绕轨道K上而与负离子P接触，则从该负离子P剥取电子。关于从被剥夺电子的负电荷变成正电荷的质子(加速粒子)，旋绕轨道K的曲率反转，从而其轨道朝向向旋绕轨道K的外侧飞出的方向变更。在反转后的质子的轨道上设有用于从真空箱50内取出质子的射出口51。更详细而言，在轨道通过箔带剥离器30被变更的质子的轨道上设有射出口51。因此，箔带32通过从负离子P剥夺电子，结果将质子引导至射出口51。
接着，参考图3及图4，对磁通密度调整部40的结构进行详细说明。图3是示意地表示图1所示的粒子加速器的磁通密度调整部的结构的图。并且，图4(a)是示意地表示图3的IVa-IVa线的截面的图，图4(b)是示意地表示磁通密度调整部的支承结构的图。
如图3及图4所示，磁通密度调整部40具有一对空芯线圈41A、41B。空芯线圈41A、41B配置在磁极10A与磁极10B之间。空芯线圈41A、41B分别具有：卷框42，具有椭圆形开口42a；及线圈绕组43，卷绕在卷框42上。空芯线圈41A、41B配置成在与磁极10A、10B所对置的方向(垂直方向)相同的方向上相互对置，且箔带剥离器30的箔带32位于空芯线圈41A、41B之间。并且，如图4(a)所示，箔带32配置成位于卷框42的开口42a的中心。通过这样配置磁通密度调整部40而使电流在线圈绕组43中流动，空芯线圈41A、41B能够在箔带32的周边有效地产生第2磁通密度B2。
例如，如图4(b)所示，空芯线圈41A、41B通过配置在磁极10A的谷区域11的支承台44及固定于支承台44上的支承体45被支承。支承体45包含：延伸部45a，沿垂直方向延伸；一对固定部45b，从延伸部45a的两端部沿与垂直方向交叉的方向延伸，空芯线圈41A、41B分别固定于固定部45b。支承台44及支承体45能够构成为如下，即，为了恒定地保持空芯线圈41A、41B及箔带的位置关系，例如，能够根据箔带剥离器30动作移动。支承台44及支承体45例如由铝或陶瓷等非磁性材料形成。
另外，磁通密度调整部40只要能够在箔带32的周边产生第2磁通密度B2即可，空芯线圈41A、41B及箔带32的位置关系并不限定于上述情况。并且，磁通密度调整部40的支承结构也不限定于图4(b)所示的结构，能够进行任意变更。
接着，参考图5及图6，对比较例所涉及的粒子加速器中的电子的轨道与本实施方式所涉及的粒子加速器中的电子的轨道的相异点进行说明。图5(a)是示意地表示比较例所涉及的粒子加速器的箔带剥离器周边的图，图5(b)是图5(a)的箔带部分的放大图。并且，图6是示意地表示图1所示的粒子加速器的箔带剥离器周边的图。
如图5(a)及图5(b)所示，若箔带32侵入旋绕轨道K上而与负离子P接触，则从负离子P剥取电子，而负离子P成为质子。质子一边描绘向旋绕轨道K的外侧方向弯曲的轨道L一边从射出口51(参考图2)射出。此时，箔带32的位置上的磁通密度B为第1磁通密度B1，从负离子P剥取的电子通过第1磁通密度B1向旋绕轨道K的内侧方向弯曲并描绘轨道M。电子的轨道M的旋转半径小，因此，电子能够再次通过箔带32。由此，电子的能量赋予到箔带32，因此箔带32成为高温，从而箔带的寿命缩短。作为一例，在70MeV的H-(负离子P)回旋加速器中，第1磁通密度B1为1T时，电子的能量为约38keV。作为箔带32使用120μg/cm2的石墨时，电子通过箔带32时赋予约1keV的能量。在这种条件下，电子的轨道M的旋转半径为约0.7mm，因此电子进行旋转而多次通过箔带32，有可能最大约38keV的能量赋予到箔带32。
相对于此，如图6所示，在粒子加速器100中，通过磁通密度调整部40在箔带32的周边产生第2磁通密度B2，因此箔带32的位置上的磁通密度B为第1磁通密度B1及所述第2磁通密度B2的总计。由于第1磁通密度B1与第2磁通密度B2朝向相互相反的方向，因此相互抵消。由此，第1磁通密度B1被第2磁通密度B2抵消，而第2磁通密度B2被第1磁通密度B1抵消，或者相互抵消。因此，若第2磁通密度B2的绝对值小于第1磁通密度B1的绝对值的2倍，则磁通密度B的绝对值小于第1磁通密度B1的绝对值。图6中示出第2磁通密度B2的绝对值为第1磁通密度B1的绝对值以下的情况。如此，通过将磁通密度B的绝对值设为第1磁通密度B1的绝对值以下，电子的轨道M的旋转半径增大，因此能够抑制电子再次通过箔带32。作为一例，设为与上述例相同的条件时，若通过磁通密度调整部40使箔带32的位置上的磁通密度B(第1磁通密度B1及第2磁通密度B2的总计)减小到10mT左右，则电子的轨道M的旋转半径成为约67mm。
另外，优选电子的轨道M的旋转半径大于从负离子P与箔带32相接触的位置到箔带32的端部为止的距离。通过如此设定第2磁通密度B2，能够更可靠地抑制电子再次通过箔带32。并且，通过磁通密度调整部40在箔带32的周边形成磁通密度B的梯度，因此电子的旋转半径在轨道M上的各个位置上不同。由此，即使假定电子再次通过箔带32，电子的轨道M也不会描绘恒定的形状，因此能够抑制多次通过箔带32的相同部位。因此，抑制电子的能量集中赋予到箔带32的特定部位，因此能够实现箔带32的长寿命化。
如以上说明，粒子加速器100具备产生朝向与第1磁通密度B1相反的方向的第2磁通密度B2的磁通密度调整部40。该磁通密度调整部40通过在俯视时的箔带剥离器30的周边产生第2磁通密度B2，使箔带剥离器30的位置上的磁通密度B(第1磁通密度B1及第2磁通密度B2的总计)的绝对值小于第1磁通密度B1的绝对值。由此，与在箔带剥离器30的位置上产生第1磁通密度B1的情况比较，电子所旋转的旋转半径增大。因此，能够抑制通过箔带32剥取的电子再次通过箔带32而箔带32成为高温。因此，能够实现箔带32的长寿命化。
并且，磁通密度调整部40通过空芯线圈41A、41B产生第2磁通密度B2。由此，通过调整在空芯线圈41A、41B中流动的电流，能够调整第2磁通密度B2的大小。因此，能够将第2磁通密度B2调整为最佳大小。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种变更。
例如，上述实施方式中，磁通密度调整部40所产生的第2磁通密度B2的绝对值为第1磁通密度B1的绝对值以下，但也可以使第2磁通密度B2的绝对值大于第1磁通密度B1的绝对值。即，也可以以箔带32的位置上的磁通密度B的方向反转的方式产生第2磁通密度B2。此时，第1磁通密度B1被第2磁通密度B2抵消，磁通密度B的绝对值变得小于第1磁通密度B1的绝对值。并且，此时，磁通密度调整部40可具有在负离子P的旋绕轨道K的外侧回收电子的回收部46。图7是示意地表示磁通密度调整部的变形例的图。如图7所示，使箔带32的位置上的磁通密度B的方向反转时，通过箔带32被剥取的电子描绘向旋绕轨道K的外侧方向弯曲的轨道M。向旋绕轨道K的外侧方向弯曲的电子被回收部46回收。回收部46形成为凹形状，以便即使在伴随电子的冲突产生2次电子情况下也不会使该2次电子逃向回收部46的外部。凹形状可以为弯曲的凹形状，也可以为角形的凹形状。另外，为了抑制2次电子向所有方向逃离，优选回收部46为遍及整周凹陷的形状。回收部46例如由铜等导热率高的材料形成。回收部46具有例如用于使冷却用制冷剂循环的配管46a，从而能够抑制因赋予到电子的能量引起的回收部46的发热。
如上，通过将箔带剥离器30的位置上的磁通密度B(第1磁通密度B1及第2磁通密度B2的总计)的方向设为与第1磁通密度B1的方向相反的方向，通过箔带剥离器30剥取的电子向旋绕轨道K的外侧方向弯曲。由此，能够抑制通过箔带32剥取的电子再次通过箔带32。并且，电子向旋绕轨道K的外侧方向弯曲，因此，能够将回收部46配置在旋绕轨道K的外侧并回收电子。因此，能够更可靠地抑制通过箔带32剥取的电子再次通过箔带32。
并且，上述实施方式中，磁通密度调整部40通过空芯线圈41A、41B产生第2磁通密度B2，但是，磁通密度调整部40也可以通过磁铁产生第2磁通密度B2。图8是示意地表示磁通密度调整部的变形例的图。如图8所示，变形例所涉及的磁通密度调整部70具有C字型铁71、卷绕于铁71的线圈绕组72及通过箔带32剥取的电子抵达的回收部73。铁71及线圈绕组72构成所谓的偏转电磁铁。回收部73例如由铜板等形成，并配置在电子的轨道M上。一例中，回收部73配置在与箔带32相邻的位置上。回收部73例如通过水冷冷却。此时，例如，通过在剥离器驱动轴31内设置冷却水的通路，能够向回收部73供给冷却水。
该结构中，也可以通过将箔带剥离器30的位置上的磁通密度B(第1磁通密度B1及第2磁通密度B2的总计)的方向设为与第1磁通密度B1的方向相反的方向，通过箔带剥离器30剥取的电子向旋绕轨道K的外侧方向弯曲。由此，能够抑制通过箔带32剥取的电子再次通过箔带32。并且，通过磁通密度调整部70具有铁71，即使将供给到线圈绕组72的电流设为低电流也能够产生大的第2磁通密度B2。并且，相比使用空芯线圈41A、41B的情况，能够在更大范围内调整第2磁通密度B2的大小。
并且，磁通密度调整部40可通过磁铁产生第2磁通密度B2。由此，无需供给电力就能够产生第2磁通密度B2。
符号说明
10A、10B-磁极，11-谷区域，12-山区域，13-离子供给口，20-线圈，30-箔带剥离器，31-剥离器驱动轴，32-箔带，33-箔带驱动部，40-磁通密度调整部，40、70-磁通密度调整部，41A、41B-空芯线圈，42-卷框，42a-开口，43-线圈绕组，44-支承台，45-支承体，46-回收部，50-真空箱，51-射出口，60-加速电极，100-粒子加速器，B-磁通密度，B1-第1磁通密度，B2-第2磁通密度，K-旋绕轨道，L-轨道，M-轨道，P-负离子(带电粒子)。

Claims (4)

1.一种粒子加速器，其具备：
一对磁极，相互对置而配置；
线圈，包围各个所述磁极，并产生从一个所述磁极朝向另一个所述磁极的第1磁通密度；
箔带剥离器，设在带电粒子的旋绕轨道上，且从所述带电粒子剥取电子；及
磁通密度调整部，产生朝向与所述第1磁通密度相反的方向的第2磁通密度，
所述磁通密度调整部使俯视时的所述箔带剥离器的位置上的磁通密度的绝对值小于所述第1磁通密度的绝对值。
2.根据权利要求1所述的粒子加速器，其中，
所述磁通密度调整部通过线圈产生所述第2磁通密度。
3.根据权利要求1或2所述的粒子加速器，其中，
所述磁通密度调整部通过磁铁产生所述第2磁通密度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的粒子加速器，其中，
所述磁通密度调整部具有在所述带电粒子的所述旋绕轨道的外侧回收所述电子的回收部，
所述磁通密度调整部通过产生大于所述第1磁通密度的绝对值的所述第2磁通密度，将俯视时的所述箔带剥离器的位置上的磁通密度设为与所述第1磁通密度相反的方向。
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