JP2001023798A

JP2001023798A - 偏向磁石及びこの磁石を用いた装置

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Publication number: JP2001023798A
Application number: JP11191692A
Authority: JP
Inventors: Noriyori Hayashizaki; 規託林崎; Toshiyuki Hattori; 俊幸服部; Masatoshi Kodera; 正俊小寺; Takashi Fujisawa; 高志藤澤; Akiko Yamaguchi; 晶子山口; Katsushi Isogawa; 克士五十川; Koichi Nakayama; 光一中山; Kiyokazu Sato; 潔和佐藤; Keiko Iwasaki; 啓子岩崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】副磁極を有する偏向磁石および偏向磁石を用
いた装置を提供する。【解決手段】本発明は、荷電粒子ビームを偏向する主
磁極２を備えた偏向磁石において、前記主磁極２の前方
端面に前記主磁極２とは逆極性の磁場を発生する副磁極
４を設け、この副磁極４により前記主磁極２の漏れ磁場
の分布を変えて、前記ビームの収束力を調整するように
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子加速器や荷
電粒子照射装置などの荷電粒子ビームの軌道を偏向する
偏向磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子ビームに対する磁石の機能に
は，ビームを希望の角度方向に偏向する偏向機能と、ビ
ームを所定の中心軌道に安定して追随させる収束機能と
がある。そして実用化されている偏向磁石としては、両
方の機能を備えた結合型と、偏向機能しか備えていない
分離型がある。前者は磁石本体に加工を必要とするのに
対し、後者はビーム収束用装置の設置が必要とされる。

【０００３】偏向磁石の磁場強度は、偏向させる荷電粒
子の電荷状態とエネルギーに依存する。このため用途に
応じて、荷電粒子のエネルギー量に応じて、磁束密度を
時間的に変化させて粒子ビームの軌道半径を一定に保持
するものと、荷電粒子のエネルギー量が一定である場
合、磁束密度を時間的に変化させず、粒子ビームの軌道
半径を一定にするものがある。

【０００４】ところで、従来の偏向磁石としては、Ｈ型
偏向磁石、窓枠型偏向磁石及びＣ型偏向磁石がある。図
１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＨ型、窓枠型
およびＣ型偏向磁石の断面を示す図である。Ｈ型および
窓枠型の偏向磁石には、磁極周囲部に鉄心が存在してい
るので、漏れ磁場が少なく、鉄心飽和の影響が現れる高
磁場においても一様に高い磁場分布の実現が可能である
が、磁極ギャップへ真空ダクト等の挿入が困難である。

【０００５】これに対して、Ｃ型偏向磁石においては、
磁極周囲部が開放状態になっているため、漏れ磁場が多
いという問題があるが、磁極ギャップへの真空ダクト等
の挿入が容易である。

【０００６】図１２は、荷電粒子ビームの軌道を偏向す
る従来のＣ型偏向磁石を示す図である。このＣ型偏向磁
石は、Ｃ型の磁極鉄心７１、この磁極鉄心７１の開口端
部に互いに向き合うように設けられた一対の主磁極７２
およびこの主磁極７２の周囲部に巻装された励磁用コイ
ル７３を備えている。

【０００７】上記コイル７３に直流電流が流れると、一
対の主磁極７２間に磁場７４が発生する。そして、上記
偏向磁石の磁場７４中に正電荷の荷電粒子が入射される
と、進行方向に対して直角にローレンツ力を受けて、こ
の荷電粒子の中心軌道は、図示するように、円軌跡７５
を描く。

【０００８】この場合、荷電粒子ビームの中心軌道の偏
向角度は任意に選択可能であるが、図１２においては、
例えば１８０度とした場合を示している。また、偏向磁
石内部での荷電粒子ビームの偏向軌道半径も磁束密度と
の一定関係において任意に選択される。これによって、
荷電粒子ビームの軌道半径を一定に保持することができ
る。

【０００９】ここで、上記のＣ型偏向磁石において、荷
電粒子ビームを偏向する場合、荷電粒子ビームの軌道及
び軌道上の磁場分布を図１３により説明する。荷電粒子
ビームは、基本的に同極性の荷電粒子の集合体であるた
め，その生来の性質として発散性を有している。特に、
９０度以上１８０度以下の偏向角を有する偏向磁石は、
荷電粒子ビームを偏向する時、図１３（ａ）に示すよう
に、その荷電粒子ビームが発散する性質を持っているた
め、長い距離を輸送するためには何らかの収束機能が必
要である。

【００１０】また、図１３（ｂ）に示すように、磁極端
部の漏れ磁場によって磁場密度Ｂ_０一定の部分が設計値
に用いた磁場分布（理想的な磁場分布）より小さくなっ
ている。このため、上記磁場により偏向された荷電粒子
の軌道も設計値から外れてしまう。

【００１１】この理由は、漏れ磁場が存在するため、偏
向磁石の磁場強度が小さくなり、同じエネルギーを持つ
荷電粒子ビームは、磁場強度の小さい磁場を通過する
と、その偏向半径は大きくなるためである。

【００１２】図１４は、偏向磁石の磁極ギャップ長が１
を基準とした場合、ギャップ長０．２、ギャップ長０．
６、ギャップ長１、ギャップ長１．４及びギャップ長
１．８のそれぞれ偏向磁石の磁場を通過する荷電粒子ビ
ームの軌道上の２次元磁場分布を示す図である。この図
に示すように、偏向磁石の偏向半径が大きい（ギャップ
長が大きい）ほど、その磁場を通過する荷電粒子ビーム
の軌道上磁場強度Ｂ_０（設計値）の部分は顕著に小さく
なる。

【００１３】偏向磁石は、荷電粒子ビームの軌道を制御
する場合、その制御特性を行列式で表すと下記の通りで
ある。

【００１４】

【数１】

【００１５】上記行列式において、係数-sinθ/ρは、
上記の軌道の収束特性と関係がある。収束、発散の大き
さはｘ′によって決まる。すなわち、上記行列式より
ｘ′＝（-sinθ/ρ）ｘ＋cosθｘ′となり、漏れ磁場に
よってρが変化すると、収束、発散の効果が設計値から
ずれてしまう。言換えれば、同じエネルギーを持つ荷電
粒子は、漏れ磁場の多い偏向磁石を通過する場合、漏れ
磁場の少ない偏向磁石より、荷電粒子ビームの偏向半径
は大きくなる。また、９０度以上１８０度以下の偏向角
を持つ偏向磁石ではＢ_０一定の部分が小さくなると、si
nθも大きくなり、結局、荷電粒子ビームは発散しやす
くなる。

【００１６】従って、偏向角９０度以上の偏向電磁石に
限らず安定輸送のためには、常に収束性であることが望
ましい。また、偏向電磁石にビームの横方向（ビームの
偏向する面）の収束機能を付与するものとして、これま
でに次のような荷電粒子ビームの収束方法が採用されて
きた。

【００１７】（ａ）偏向磁石の半径方向に磁場勾配を設
ける方法図１５は、荷電粒子ビームの進行方向と直交する方向
（Ｘ方向）に磁場勾配を設けた偏向磁石の断面図であ
る。図１５（ａ）に示すように、枠状のヨーク８１の内
側に、上下向合うような主磁極８２が設けられ、その周
囲にコイル８３が巻装されている。

【００１８】上記偏向磁石の端部の漏れ磁場による影響
を排除するために、主磁極８２の端部に設けるシムと呼
ばれる突起部を除き、二つの磁極面は、互いに平行な平
面となる。これらの平面に、偏向磁石の半径方向に磁場
勾配を設け、ビームを収束させる４極電磁石機能を付加
する。

【００１９】上記コイル８３に電流を流すと、図１５
（ｂ）に示すように、主磁極８２の間に、磁力線８４が
発生する。ここでビーム軌道中心８５を原点として、偏
向された方向を原点より左方をマイナスＸ方向及び原点
より右方をプラスＸ方向とし、このＸ方向と垂直な方向
をＹ方向とする。そして、主磁極８２に傾きをもたせる
ことにより、磁力線８４が曲がり、偏向されるＸ方向と
これと垂直なＹ方向にも磁場を持つようになる。

【００２０】図１５（ｂ）に示すように、中心の磁場に
比べ、マイナスＸ方向にいく程Ｘ方向の磁場成分が弱ま
り、Ｙ方向の磁場成分が大きくなる。

【００２１】Ｘ＝０のビーム軌道中心８５での磁極間距
離をｇとし、偏向磁石の偏向半径をρとする。主磁極８
２の傾きをｙ＝０．５ｇ／｛１−（ｎ／ρ）ｘ｝となる
ように加工すると、Ｘ、Ｙ方向それぞれに一様な磁場勾
配を持つようになり、四極電磁石と同様な効果が得られ
る。上記式のｎはｎ値と呼ばれ、収束力の大きさはｎ値
に依存する。

【００２２】（ｂ）荷電粒子ビーム入出射部の磁極形状
を粒子軌道に対して傾斜させる方法図１６は、エッジ角を有する磁極を利用し、荷電粒子ビ
ームを収束する方法を示す図である。

【００２３】図１６（ａ）に示すように、荷電粒子ビー
ムの入出射部(偏向磁石端部)の磁極形状を粒子軌道に対
して傾斜させる（扇形の両端部を平行にする）ことによ
り、荷電粒子ビームの軌道と平行する面Ｘには、中心軌
道の内側軌道（ρ(中心軌道半径ρ_０）は中心軌道に比
べて、荷電粒子ビームの磁場内の進行距離が長いため、
荷電粒子ビームはより多く曲げられ、中心軌道の外側軌
道（ρ(ρ_０）は中心軌道に比べて、荷電粒子ビームの
磁場内の進行距離が短いため、荷電粒子ビームはより少
なく曲げられる。このため、荷電粒子ビームは発散す
る。

【００２４】図１６（ｂ）に示すように、荷電粒子ビー
ムの軌道と垂直な面Ｙには、荷電粒子ビームの進行方向
に対して端部磁場にある角度を存しているため、荷電粒
子ビームは水平方向の磁場ＢＸにより収束する。

【００２５】（ｃ）偏向磁石の前後に収束用四極磁石を
設置する方法偏向磁石とは別に収束用四極磁石を設置し、荷電粒子ビ
ームを収束させる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】上記の三つの方法に
は、次のような問題点がある。

【００２７】（ａ）磁石の半径方向に磁場勾配を設ける
方法の場合には、磁極表面に磁場勾配を形成するための
傾斜加工が必要であり、また、垂直、水平方向ともに収
束が必要な場合、収束力が比較的小さくなる。さらに、
Ｃ型磁石の場合には、Ｃ型の開口部からの漏れ磁場によ
り開口部付近での磁場分布が乱れるという問題点があ
る。

【００２８】（ｂ）荷電粒子入出射部（偏向磁石端部）
の磁極形状に傾斜加工を行う方法の場合には、比較的簡
単な加工で実現できるが、偏向磁石の曲率半径が小さい
場合には、端部磁場の影響により荷電粒子ビームの収束
効果が相殺されてしまうため、荷電粒子ビームに良好な
収束性を与えることはできない。

【００２９】ここで、図１７により、偏向磁石の漏れ磁
場による収束力のなまりについて説明する。図１７
（ａ）の左側には、周辺磁場における荷電粒子ビームに
関する水平方向の偏向の様子を示している。その右側に
は、荷電粒子ビームに関する軌道の偏向角の変化の様子
を示している。磁極端部の漏れ磁場が存在する場合に
は、磁場方向と荷電粒子ビーム進行方向との角度がずれ
るため、荷電粒子ビームの収束性が悪いという問題があ
る。

【００３０】磁極端部の漏れ磁場を考慮した場合の輸送
行列式は以下のようになる。

【００３１】

【数２】

【００３２】上記線形近似でのｋ１およびｋ２の値を図
１７（ｂ）の左側に示す。図１７（ｂ）の右側の図は、
その左側の図のパラメータｂを示している。ｋ１はギャ
ップ長に依存する量である。偏向半径ρが小さくギャッ
プｇが大きい場合、図１７（ａ）の右側に示された偏向
角の変化量Ψが大きくなり、即ち、漏れ磁場により荷電
粒子ビームは、設計値軌道から大きくずれてしまう。

【００３３】上記の係数は、線形近似値であり、偏向半
径が小さい偏向磁石の係数ｋ１およびｋ２を正確に求め
ることは難しい。そのため、荷電粒子ビームの収束に必
要な荷電粒子入出射部（偏向磁石端部）の傾斜加工角度
の正確な算出が困難であり、また、偏向磁石製作後、荷
電粒子ビームの収束力を微調整することも難しいという
問題点がある。

【００３４】（ｃ）偏向磁石の前後に収束用四重極磁石
を設置する方法は、四重極磁石を別個に準備する必要が
あり、また、偏向磁石の場所しか確保できない狭隘空間
への設置は困難である。

【００３５】一方、折畳み式軌道高周波電子加速器（特
開平１０−４１０９９号公報参照）は、偏向磁石の間の
距離とビーム間隔をなるべく短くして小型化を図った構
造が採用されている。この高周波電子加速器のリッジ付
き加速空洞に電子が入射され、加速ギャップを通って加
速、照射及び出射される。上記電子に加速ギャップを何
回も通らせるため、偏向磁石を設置して電子を１８０度
偏向させることが必要である。

【００３６】このような偏向磁石は、漏れ磁場により上
記電子を発散する傾向があるため、何らかの収束機能を
付加しなければならない。しかし、上記偏向磁石間の距
離を短くするためには、収束用四極磁石を設置する空間
がとれない。また、図１８は、Ｈ型偏向磁石及びＣ型偏
向磁石の構造を示している。この図から分かるように、
同じ大きさの磁場（同じ大きさの磁極）を提供するの
に、Ｈ型偏向磁石に比べてＣ型偏向磁石のサイズが小さ
い。このため、Ｃ型偏向磁石は、上記高周波電子加速器
に適用することが明らかである。

【００３７】ところで、上記Ｃ型偏向磁石を利用する場
合には、次のような問題がある。

【００３８】偏向磁石に磁場勾配を設ける方法（ｎ値方
法）により、電子軌道を収束する場合、そのｎ値は、漏
れ磁場の影響を受けてきれいに分布しないため、偏向磁
石の磁極を大きくしなければならない問題がある。ま
た、偏向磁石は、垂直と水平の両方向に電子を収束させ
るには収束力が弱すぎる。一方、磁極の形状を電子軌道
に対して傾斜させる方法（エッジ角方法）により電子軌
道を収束する場合、電子を垂直と水平の両方向に収束さ
せようとすると、電子の入射側と出射側のエッジ角符号
を逆にしなければならず、左右対称が崩れる。また、漏
れ磁場により垂直方向の収束力が不足してしまう問題も
あり、エッジ角はかなり大きな角度となる。さらに、電
子ビームを１８０度偏向する場合、ビームの入射側と出
射側の磁極端部が平行であり、大きなエッジ角を持つと
お互いの磁場が干渉してしまうため、エッジ角を決定す
ることは難しい。

【００３９】本発明は上記のような事情に鑑みなされた
もので、磁石中でのビーム軌道のずれを抑制し、且つ、
偏向された荷電粒子ビームの収束力を容易に調整できる
と共に、全体の小型化を図ることができる偏向磁石を提
供することを目的とする。

【００４０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、荷電粒子ビームを偏向する主磁極を備え
た偏向磁石において、前記主磁極のビーム入出射側端面
に前記主磁極とは逆極性の磁場を発生する副磁極を設
け、この副磁極により前記主磁極の漏れ磁場の分布を変
えて、前記ビームの収束力を調整するようにしたことで
ある。

【００４１】このような手段によれば、副磁極を用いる
ことにより荷電粒子ビームの軌道ずれを抑制し、また、
磁場の荷電粒子ビームに対する収束力を調整することが
可能になる。

【００４２】別の発明は、請求項１記載の偏向磁石にお
いて、前記副磁極にコイルを設け、前記主磁極の磁場方
向と逆方向の磁場を発生させて前記ビームの収束力を調
整するようにしたことである。

【００４３】この手段によれば、副磁極を用いることに
よって、偏向磁場と逆方向の磁場を発生させ、偏向され
た荷電粒子ビームの発散を強く抑えることが可能にな
る。

【００４４】また、別の発明は、請求項１〜２の何れか
に記載の偏向磁石において、前記主磁極及び副磁極の端
部に傾斜角を形成して前記ビームの収束力を調整するよ
うにしたことにある。

【００４５】この手段によれば、荷電粒子ビームは各傾
斜された端部にある磁場を通過する場合、このビームの
磁場入射角度、すなわち、エッジ角度が異なり、これら
のエッジ角度の調整により荷電粒子ビームを収束するこ
とが可能になる。

【００４６】さらに、別の発明は、請求項１〜３の何れ
かに記載の偏向磁石において、前記副磁極に前記逆方向
の磁場の大きさを微調整可能な補助コイルを巻装したこ
とにある。

【００４７】この手段によれば、補助コイルを巻装する
ことにより主磁極および副磁極から生成された合成磁場
を微調整し、荷電粒子ビームの軌道を精確に設定するこ
とが可能になる。

【００４８】さらに、別の発明は、請求項１記載の偏向
磁石において、主磁極、または副磁極に永久磁石を設け
たことにある。

【００４９】この手段によれば、永久磁石を用いること
により、磁極にコイルを巻く必要がないため、コイルを
巻くための空間、または冷却のために必要な空間は不要
となるため、より広い範囲で磁石の調整が可能になる。

【００５０】さらに、別の発明は、請求項１〜５の何れ
かに記載の偏向磁石において、前記主磁極のビーム入出
射側端面で、且つ、前記ビームの進行方向から見て片側
に副磁極を設けることにある。

【００５１】この手段によれば、片側のみしか副磁極の
空間がないの場合、片側の副磁極を設置することによ
り、荷電粒子ビームを収束することが可能になる。

【００５２】さらに、別の発明は、荷電粒子ビームの加
速装置において、荷電粒子ビームを偏向する磁石とし
て、請求項１〜６の何れかに記載の偏向磁石を用いたこ
とにある。

【００５３】この手段によれば、偏向磁石の大型化を避
け、小型な偏向磁石装置により荷電粒子を加速、蓄積、
輸送、照射することが可能になる。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００５５】図１は、本発明による偏向磁石の第１の実
施の形態を示すもので、(ａ)は側面図、(ｂ)は(ａ)のＡ
−Ａ線に沿って切断した断面図である。図１において、
１はＣ型形状の鉄心、２はこの鉄心の開口端部に互いに
向合うように設けられた上下１対の主磁極で、この主磁
極２の端部には中心から見て両側に所定の角度で広がる
エッジ角５を有する傾斜面が形成されている。また、３
は主磁極２の周囲部に巻装された主コイルである。

【００５６】このようなＣ型偏向磁石において、本実施
の形態では、主磁極の前方端面に、コイル３を回避さ
せ、且つ、互いに向合う方向に折曲して形成されたＬ字
形（クランプ形）の副磁極４を主磁極２と磁気的に結合
して取り付ける構成とするものである。

【００５７】このような構成の偏向磁石によれば、主磁
極２の端部の漏れ磁場が抑制され、所望の磁場分布に接
近することができる。その理由について、図２を参照し
て説明する。

【００５８】図２（ａ）は、副磁極４を有する偏向磁石
の一部を示す側面図であり、図２（ｂ）は、前図に示す
Ａ―Ａ線に沿う矢視図であり、図２（ｃ）は、副磁極４
を設けない場合、主磁極２の端部から発生する磁力線の
状態を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、偏向磁石の近傍に副磁極４が設けられると、主磁極
２と副磁極４との間を渡る磁力線により、漏れ磁場が少
なくなる。このため、漏れ磁場によるエッジ角のなまり
も減少し、これと共に、主磁極２、副磁極４の端部が向
き合うことによる主磁極２の中心付近での磁場の干渉が
抑えられる。

【００５９】副磁極４が存在しない場合、図２（ｃ）か
ら分かるように、対称的エッジ角５を有する主磁極２の
磁極端部の中心に磁場干渉が発生し、磁場密度の均一性
が損なわれる。しかし、この実施の形態で、副磁極４を
設けることにより、漏れ磁場の影響を低減すると同時
に、磁場干渉も抑えられる。従って、荷電粒子ビームの
収束および荷電粒子ビームの軌道を修正することが可能
となる。

【００６０】図３は、副磁極４が配置されていない偏向
磁石と、副磁極４を備えた偏向磁石とをそれぞれ通過す
る荷電粒子ビームの軌道上の２次元磁場の分布を示す曲
線である。また、副磁極４がある場合、主磁極２と副磁
極４との間の距離６及び副磁極の厚さ７の調整により得
られた３パターンの２次元磁場分布を示している。さら
に、同図には、理想的な磁場分布１８（磁極の隙間内部
の磁場密度は設計値Ｂ _０、磁極の隙間外部の磁場密度は
０というステップ関数の磁場分布である）を示してい
る。理想的な磁場分布は、偏向磁極の端部に漏れ磁場が
存在しない磁場分布である。

【００６１】副磁極４がない偏向磁石は、副磁極４が無
限大に遠いところに置かれる偏向磁石と考えればよい。
図２から分かるように、主磁極２の近傍に副磁極４を設
け、その距離と副磁極の厚みをパラメータとして調整す
ることにより、荷電粒子ビームの軌道上の磁場分布は、
理想的な磁場分布に近づかせることができる。これによ
って、荷電粒子ビームの軌道を設計値軌道に修正するこ
とが可能になる。

【００６２】図４は、本発明による偏向磁石の第２の実
施の形態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図であり、図１
と同一部品には同一符号を付けてその説明を省略し、こ
こでは異なる部分について述べる。

【００６３】第２の実施の形態では図４に示すように、
主磁極２のビーム入出射側端面に取り付けられた副磁極
４にコイル８を巻装し、主磁極２に巻装されたコイル３
と直列接続する構成とするものである。上記コイル８
は、主磁極２の磁場とは逆の磁場が形成されるように副
磁極４に巻装されている。

【００６４】このような構成の偏向磁石において、主磁
極２に巻装されたコイル３及び副磁極４に巻装されたコ
イル８に電流が順次流れると、主磁極２に磁場が発生す
ると同時に、副磁極４に主磁極２の磁場とは逆極性の磁
場が発生する。この場合、上記副コイル８の巻き数を適
宜選定することにより、上記逆極性の磁場強度を調整す
ることができる。

【００６５】従って、上記逆磁極の磁場強度を予め調整
しておくことにより、主磁極２の磁場及び副磁極４の磁
場を通過する荷電粒子ビームの軌道を修正することがで
きる。

【００６６】また、主磁極２と副磁極４との間を渡る磁
力線により、一定方向の磁場が形成されるので、漏れ磁
場を抑えることができる。

【００６７】さらに、副磁極４に巻装されたコイル８の
巻き数を変更して上記逆磁場の起磁力を調整することに
より、主磁極２周辺の漏れ磁場の分布を変えることがで
きる。

【００６８】図５は、第２の実施の形態における荷電粒
子ビームを１８０°偏向する偏向磁石に関して、上記副
磁極４がある場合と無い場合、荷電粒子ビーム軌道に沿
った２次元磁場計算による磁場分布を示す図である。上
記副磁極４の逆磁場がない場合、主磁極２の漏れ磁場に
よって、主磁極２の隙間から偏向された荷電粒子ビーム
の偏向角が１８０°以下になり、発散してしまう。これ
に対して、上記副磁極４を設け、副磁極４のコイルに電
流を流して、逆磁場を発生させることにより、主磁極２
周辺の漏れ磁場を抑えることができる。

【００６９】図５に示すように、副磁極４を設けること
により、荷電粒子ビームの軌道上の磁場分布を変えるこ
とができる。これによって、荷電粒子ビームの軌道を調
整し、その発散を防止することが可能となる。

【００７０】主磁極２による磁場と副磁極４による逆磁
場を通過する荷電粒子ビームのトータルの偏向角が１８
０°とするには、主磁極２の磁場を通過する荷電粒子ビ
ームの偏向角を大きくしなければならない。従って、Ｂ
_０一定の部分の偏向角が１８０°に近づくため発散が抑
えられる。

【００７１】図６は、上記主磁極２の磁場及び副磁極４
の逆磁場を通過する荷電粒子ビームのエッジ角の変化状
況を説明する図である。図６（ａ）は、偏向磁石の各領
域の磁場密度を示す図であり、図６（ｂ）は、荷電粒子
ビームが偏向磁石に入射する時のエッジ角を示す図であ
り、図６（ｃ）は、各磁場領域を通過する荷電粒子ビー
ムの進行方向を示す図である。図６（ａ）に示すよう
に、仮に磁場分布を五つの領域に分割する。また、図６
（ｂ）に示すように、荷電粒子ビームは、エッジ角θの
傾斜角度で磁場を通過すると、該当ビームが各分割領域
部で曲がって通過するため、各分割部に対応するそれぞ
れのエッジ角が異なる。図６（ｃ）に示すように、荷電
粒子ビームが逆極性の磁場を通過する場合、エッジ角は
逆時計方向に増加し、荷電粒子ビームが正極性の磁場を
通過する場合、エッジ角は順時計方向に増加する。その
ため、荷電粒子ビームの進行方向と垂直及び平行両方向
に軌道の修正が可能となる。従って、逆極性の磁場の密
度を変えることにより、荷電粒子ビームの各分割部に対
するエッシ角を調整し、荷電粒子ビームの発散を抑える
ことができる。

【００７２】図７による偏向磁石は、本発明による偏向
磁石の第３の実施の形態を示すもので、（ａ）はこの偏
向磁石の側面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線を
沿って切断した断面図である。図７において、図１及び
図４と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００７３】図７に示すように、副磁極４に副コイル８
の他、補助コイル９が巻かれている。この補助コイル９
に電流を流し、磁場を発生させると、補助コイル９は、
副磁極の磁場強度を微調整することができる。例えば、
副磁極４の設置位置が多少ずれた場合、補助コイル９に
電流を流して磁場を微調整することによって、主副磁極
周辺の磁場分布を所望状況に修正させることが可能にな
る。

【００７４】従って、この実施の形態により、上記補助
コイル９を利用して磁場を微調整することによって荷電
粒子ビームの軌道を収束及び修正することが可能とな
る。

【００７５】図８は、本発明の第４の実施の形態を説明
する図である。図８に示す偏向磁石の主磁極１０及び副
磁極１１は永久磁石で構成されている。このような構成
の偏向磁石としても前述と同様の作用効果が得られる。
また、主磁極１０及び副磁極１１に永久磁石を用いるこ
とにより、磁極部にコイルを巻く必要がないため、コイ
ルを巻くための空間、または磁石を冷却するに必要な空
間も不要となる。これによって、主磁極１０と副磁極１
１との距離の制限が必要なく、磁極周辺の磁場分布を広
い範囲で調整することができる。この結果、本実施の形
態には、磁極に永久磁石を用いることにより、荷電粒子
ビームの軌道を調整する機能は一段強くなる。

【００７６】図９は、本発明による偏向磁石の第５の実
施の形態を示すもので、（ａ）はこの偏向磁石の断面図
であり、（ｂ）は、（ａ）のＤＤ′線に沿う矢視図であ
り、（ｃ）は、（ａ）のＥＥ′線に沿う矢視図であり、
図１及び図４と同一部分には同一符号を付してその説明
を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

【００７７】図９に示すように、主磁極２の左側のみ
に、副コイル８が巻装された副磁極４は設置されてい
る。また、その主磁極２の間に、荷電粒子ビームを通す
ための真空ダクト１２が挿入されている。

【００７８】第５の実施の形態では、片側のみしか副磁
極４を設置する空間が無い場合に適用されるもので、こ
のような構成の偏向磁石とすれば、狭い空間を有効に利
用し、荷電粒子ビームの軌道を調整することが可能とな
る。

【００７９】図１０は、本発明の第６の実施形態におけ
る偏向磁石を用いた装置の構成図である。この図は、荷
電粒子を加速、蓄積、輸送及び照射する装置を示す図で
ある。この装置は、荷電粒子ビ一ムの進行空間を提供す
る円筒状加速空胴１３、円筒状加速空胴１３の両側に配
置されている偏向磁石１４及び円筒状加速空胴１３内部
の両側にあって、進行中の荷電粒子ビームの進行範囲を
限定するリッジ電極１５で構成されている。１６は、上
記装置の処理対象荷電粒子ビームである。上記偏向磁石
１４は、前述した各実施の形態の偏向磁石を適用でき
る。

【００８０】上記装置は、所定の数の偏向磁石１４があ
る。これらの偏向磁石１４は、互いに所定距離を保って
向合い、上記荷電粒子ビーム１６を毎回１８０°で偏向
する。従って、上記荷電粒子ビーム１６は、偏向磁石１
４毎にリレーで加速され、これら偏向磁石の間で往復に
進行する。このため、荷電粒子ビーム１６を偏向、収束
するための長距離で幅広な空間が必要なく、小型で上記
加速空胴１３の内部に荷電粒子の加速、蓄積、輸送およ
び照射する機能を実現することができる。

【００８１】また、このように、上記荷電粒子ビーム１
６を毎回１８０°で偏向する場合、ｎ値やエッジ角のみ
で収束させようとすると難しい。しかし、本発明による
偏向磁石を用いることによって、上記装置や偏向磁石の
大型化なしで収束機能を付加することができる。この結
果、本実施の形態により、荷電粒子を加速、蓄積、輸送
および照射する機能を有する小型装置を提供することが
可能となる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
偏向磁石の主磁極の近傍に副磁極を設置することによ
り、漏れ磁場の発生を抑え、荷電粒子ビームの発散を防
ぐことができる。

【００８３】この他、本発明の偏向磁石を用いることに
より、荷電粒子を加速、蓄積、輸送及び照射する偏向磁
石の応用装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる第1の実施の形態における偏向
磁石の側面図および断面図。

【図２】本発明に係わる第1の実施の形態を説明する
図。

【図３】本発明に係わる第１の実施の形態における荷電
粒子ビームの軌道上の磁場分布図。

【図４】本発明に係わる第２の実施の形態における偏向
磁石の側面図および断面図。

【図５】本発明に係わる第２の実施の形態における荷電
粒子ビームの軌道上の磁場分布図。

【図６】荷電粒子ビームのエッジ角の変化状況を説明す
る図。

【図７】本発明に係わる第３の実施の形態における偏向
磁石の側面図および断面図。

【図８】本発明に係わる第４の実施の形態における偏向
磁石の側面図。

【図９】本発明に係わる第５の実施の形態における偏向
磁石の断面図及び矢視図。

【図１０】本発明に係わる第６の実施の形態における偏
向磁石の応用装置の構成図。

【図１１】従来のＣ型偏向磁石の傾斜断面図。

【図１２】従来の偏向磁石の断面図。

【図１３】従来の偏向磁石における荷電粒子ビームの軌
道及び軌道上の磁場分布を示す図。

【図１４】ギャップ長が異なる偏向磁石の磁場を通過す
る荷電粒子ビームの軌道上の磁場分布を示す図。

【図１５】磁場勾配を設ける偏向磁石の断面を示す図。

【図１６】エッジ角を持つ従来の偏向磁石による荷電粒
子ビームの収束方法を説明する図。

【図１７】従来の偏向磁石の漏れ磁場による収束力のな
まりを説明する図。

【図１８】同様サイズの磁場を持つ従来のＨ型偏向磁石
とＣ型偏向磁石を示す図。

【符号の説明】

１…鉄心２…主磁極３…主コイル４…副磁極５…エッジ角６…主、副磁極間の距離７…副磁極の厚さ８…副コイル９…補助コイル１０…永久磁石の主磁極１１…永久磁石の副磁極１２…真空ダクト１３…加速空胴１４…偏向磁石１５…リッジ電極１６…荷電粒子ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口晶子神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者五十川克士神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者中山光一神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者佐藤潔和神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者岩崎啓子神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 2G085 AA13 AA16 BA14 BC06 BC09 BC10 BC11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームを偏向する主磁極を備え
た偏向磁石において、前記主磁極の荷電粒子ビーム入出
射側端面に前記主磁極とは逆極性の磁場を発生する副磁
極を設け、この副磁極により前記主磁極の漏れ磁場の分
布を変えて、前記ビームの収束力を調整するようにした
ことを特徴とする偏向磁石。
【請求項２】請求項１記載の偏向磁石において、前記
副磁極にコイルを設け、前記主磁極の磁場方向と逆方向
の磁場を発生させて前記ビームの収束力を調整するよう
にしたことを特徴する偏向磁石。
【請求項３】請求項１〜２の何れかに記載の偏向磁石
において、前記主磁極及び副磁極の端部に傾斜角を形成
して前記ビームの収束力を調整するようにしたことを特
徴とする偏向磁石。
【請求項４】請求項１〜３の何れかに記載の偏向磁石
において、前記副磁極に前記逆方向の磁場の大きさを微
調整可能な補助コイルを巻装したことを特徴とする偏向
磁石。
【請求項５】請求項１記載の偏向磁石において、主磁
極、または副磁極に永久磁石を設けたことを特徴とする
偏向磁石。
【請求項６】請求項１〜５の何れかに記載の偏向磁石
において、前記主磁極の荷電粒子ビーム入出射側端面
で、且つ、前記ビームの進行方向から見て片側に副磁極
を設けることを特徴とする偏向磁石。
【請求項７】荷電粒子ビームの加速装置において、荷
電粒子ビームを偏向する磁石として、請求項１〜６の何
れかに記載の偏向磁石を用いたことを特徴とする装置。