JP2003332099A - Ｈ型偏向電磁石及び荷電粒子加速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 荷電粒子加速器の荷電粒子入射部に使用する
複数偏向電磁石からなる偏向電磁石群において、前記入
射軌道と前記偏向電磁石群を構成する偏向電磁石との物
理的干渉を避けるために、当該複数の偏向電磁石の設置
間隔を大きく取る必要があり、当該偏向電磁石群の全長
の短縮化が困難で、加速器小型化の制約要因となってい
た。 【解決手段】 入射軌道と物理的に干渉する偏向電磁
石をＨ型偏向電磁石とし、そのリターンヨークの干渉に
係る部分を切り欠き、当該リターンヨーク切り欠き部の
厚さを小さくし、当該リターンヨークの他の部分の厚さ
は、切り欠いた部分の厚さよりも大きくした。切り欠き
部の厚さは、当該リターンヨーク全面を同じ厚さにした
場合に、切り欠き部近傍のリターンヨーク内における磁
力線の向きと当該偏向磁場の磁力線の向きとが同じにな
る厚さとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、他の物体と物理
的な干渉を起こしにくく、かつ漏洩磁場の小さなＨ型偏
向電磁石と、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部で使用
する偏向電磁石群にこのＨ型偏向電磁石を含む荷電粒子
加速装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１６はProceedings of the seventh E
uropean Particle Accelerator Conferenceの「Beam Dy
namics in a CW Microtron for Industrial Applicatio
ns」掲載の、荷電粒子加速装置の１種であるCW（Contin
uous Wave）マイクロトロンの概念（平面）図である。
ここでは、荷電粒子加速装置として、このCWマイクロト
ロンを例にとり説明する。

【０００３】図１６において、１は荷電粒子を発生しCW
マイクロトロンに入射する入射器、２は荷電粒子の入射
のために使用する入射部偏向電磁石群、３はその内部を
通過する際に荷電粒子を加速する機能を有する高周波加
速空洞、４は軸対象に設置された２台の偏向電磁石Ａ、
５は軸対称に設置された２台の偏向電磁石Ｂ、６は入射
器１からの荷電粒子をCWマイクロトロンに入射させるた
めの入射軌道、７は入射後の加速装置内での荷電粒子の
加速軌道、８は入射直後の荷電粒子が高周波加速空洞３
で加速された後、偏向電磁石４および５を通過する際の
最初の１８０度偏向軌道、９は荷電粒子の入射後、偏向
軌道８を経由して高周波加速空洞３により再度加速され
エネルギーが増加した荷電粒子に対する先に述べた偏向
電磁石Ａ４及び偏向電磁石Ｂ５と対称の位置関係にある
偏向電磁石Ａ４と偏向電磁石Ｂ５による第ニ回目の１８
０度偏向軌道、１０は前記偏向軌道９を経由してきた荷
電粒子の最初の直線周回軌道である。入射軌道６、加速
軌道７、偏向軌道８、９等、および最初の直線周回軌道
１０等は通常真空に保つ必要があるので真空のダクト
（図では省略してある。）内に設定されている。尚、本
明細書でいう各軌道は設計上の軌道、所謂、設計軌道を
指すものとする。

【０００４】また、図１５は荷電粒子加速装置の荷電粒
子入射部近傍に設置される入射部偏向電磁石群２の近傍
を荷電粒子の入射軌道６、及び加速軌道７と共に拡大し
て示した概念(平面)図であり入射軌道６、加速軌道７を
含む平面による断面図表示となっている。入射部偏向電
磁石群２は、第１の偏向電磁石２１、第２の偏向電磁石
２２(後述する通りＨ型偏向電磁石)、第３の偏向電磁石
２３の３台で構成されている場合を示す。

【０００５】次に動作について説明する。図１６におい
て、入射器１で発生させた荷電粒子は入射軌道６を経由
して図１５に示す入射部偏向電磁石群２の端の第１の偏
向電磁石２１により偏向され加速軌道７に導かれる。加
速軌道７に導かれた荷電粒子は加速軌道７上を進行し、
図１６に示す高周波加速空洞３に入り、ここを進行中に
加速され、偏向電磁石Ａ４、および偏向電磁石Ｂ５によ
り偏向軌道８を通り、進行方向を逆転させ、元の加速軌
道７に戻される。その後、加速軌道７を今度は最初とは
逆の方向に進行し、高周波加速空洞３で更に加速され、
入射部偏向電磁石群２を経由して最初とは反対側に設置
された偏向電磁石Ａ４、および偏向電磁石Ｂ５により進
行方向を更に１８０度変える。但し、このときは最初の
進行方向逆転時に比べ荷電粒子のエネルギーが増加して
いるため、偏向電磁石４、５による偏向半径がより大き
な偏向軌道９上を進行する。従って、荷電粒子は、元の
加速軌道７には戻らず、最初の直線周回軌道１０を通
り、偏向軌道９と同じ偏向半径を有する軌道（但し前記
偏向軌道９とは軸対象の位置にある偏向軌道）を通り、
加速軌道７に戻される。その後は、加速の都度、偏向半
径のより大きな軌道を経由し、従って、最初の直線周回
軌道１０もより外側の直線周回軌道に移りながら、且
つ、周回毎に加速軌道７に戻されつつ所望のエネルギー
にまで加速される。目的のエネルギーにまで加速された
荷電粒子は加速装置外に取り出され利用されるが、図で
は荷電粒子の取り出し部分は省略してある。

【０００６】次に、入射部偏向電磁石群２の動作につい
て説明する。上述の通り、図１５の第１の偏向電磁石２
１を介して、荷電粒子が入射軌道６から、加速軌道７に
導かれる。しかし、一旦入射された荷電粒子は、２回目
の加速以降は、加速軌道７を入射時とは逆方向に進行
し、第１の偏向電磁石２１を通過するに際して、偏向磁
場の存在により、荷電粒子が偏向されるため、そのまま
の状態で放置しておけば、本来の加速軌道からそれて、
加速軌道を囲む形で設置してある前記真空ダクト内壁に
衝突して荷電粒子が消失するなど、うまく周回させるこ
とができなくなる。そのため、第１の偏向電磁石２１で
偏向された荷電粒子軌道を早い段階で元の加速軌道に戻
してやる必要が生じる。図１５の第２の偏向電磁石２
２、第３の偏向電磁石２３はそのために設置された電磁
石であり、図に示すように、第１の偏向電磁石２１で一
旦偏向を受けた荷電粒子の加速軌道を、第２の偏向電磁
石２２、第３の偏向電磁石２３で元の加速軌道に戻して
いる。尚、図１６のケースでは入射の際の荷電粒子の進
行方向と次の加速時の進行方向とは逆になっているた
め、上記偏向を受けた加速軌道７の偏向方向は入射荷電
粒子の偏向方向とは逆になっている。図１６に示す加速
装置の設計によっては入射方向と加速方向とを揃えるこ
ともでき、その場合は、加速軌道７の偏向方向は図１５
に示す方向とは反対になる。

【０００７】尚、第２の偏向電磁石２２はその近傍に入
射軌道６があることから、漏洩磁場を小さくして、入射
軌道６上を進行する荷電粒子に対する悪影響を低減する
必要がある。そのため、通常、図１３の断面模式図に示
すような、所謂Ｈ型偏向電磁石を使用する（以後、第２
の偏向電磁石２２については、Ｈ型偏向電磁石とする。
以下、後述するようにＨ型偏向電磁石の各種型式の採用
について言及することになるが、全て２２の番号で統一
することとする。Ｈ型偏向電磁石の各種型式を区別する
必要があるときはＨ型偏向電磁石イ２２〜Ｈ型偏向電磁
石ホ２２等と記載することにする。）。なお、ヨーク内
の空隙の形状がアルファベットのＨをイメージさせるこ
とからこのような名称で呼ばれている。図１３に示すＨ
型偏向電磁石は、従来から使用されている標準的なもの
で、ここでは、後述する本発明に係るＨ型偏向電磁石と
区別するためにＨ型偏向電磁石ホ２２と呼ぶこととす
る。図において、２２１、２２２はＨ型偏向電磁石ホ２
２の両側面に互いに鏡面対称に配置された、Ｈ型偏向電
磁石ホ２２を構成する厚さｔ１の第１、第２のヨーク戻
り部（リターンヨーク部）、２２３はヨークに巻いた電
磁石用コイル(上下各１セットある。)、２２４、２２５
は、リターンヨーク２２２の、コイル２２３近傍、及
び、後述する偏向軌道平面１１に近い部位でのリターン
ヨーク内磁力線の様子を示すために設定したリターンヨ
ーク部領域Ａ及びＢである。２２７は、このＨ型偏向電
磁石ホ２２の偏向磁場形成領域で、この部分を荷電粒子
が紙面に垂直方向に走行することにより(加速軌道とし
て番号７で示す。)、偏向磁場形成領域２２７に形成さ
れている偏向磁場による偏向を受けつつ走行し、所謂、
偏向軌道を形成する。

【０００８】１１はこのＨ型偏向電磁石ホ２２による前
記偏向軌道により形成される平面（偏向軌道平面）であ
り、紙面に垂直方向に広がっているものである。このＨ
型偏向電磁石ホ２２内では荷電粒子は、基本的には入射
粒子、加速粒子ともこの偏向軌道平面１１上を走行す
る。図１６の例では入射粒子および加速粒子の走行方向
を逆にしたので、図１３での入射軌道６と加速軌道７の
表示には各々を通過する入射粒子、加速粒子の走行方向
が紙面に垂直な方向で互いに逆向きであるということを
示す表示にしてある。既に述べたように、粒子線加速装
置１６の設計によっては、両者が同一方向になることも
ある。

【０００９】Ｈ型偏向電磁石ホ２２は両側にリターンヨ
ークがあるため、それが片側にしかない、所謂C型偏向
電磁石に比べ、漏洩磁場が小さいという特徴を有する。
そのため、既に述べたように、入射粒子等、磁場に影響
されやすい対象へのＨ型偏向電磁石からの漏洩磁場によ
る影響が低減できるという利点を有しており、これが、
図１５に示す偏向電磁石２２にＨ型偏向電磁石を採用す
る理由となっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の加速装置、およ
びそこに荷電粒子を入射する際に使用する偏向電磁石お
よび偏向電磁石群は以上のような構成となっていたが、
このような構成で荷電粒子を加速装置内に入射する際に
問題となるのが、入射軌道６と偏向電磁石２２の物理的
な干渉である。この干渉を避けるには、図１５に示すよ
うに、偏向電磁石２１と２２間の距離Ｌ１を一定の大き
さ以上にしなければならない。また、通常、偏向電磁石
群２の各偏向電磁石は対称に設計配置するので偏向電磁
石２２と２３の間の距離もＬ１にするケースが多い。従
って、上記干渉を避けようとすると、偏向電磁石群２全
体の長さが、Ｌ１の大きさに伴い、大きくなってしま
い、それを組み込む加速装置の直線部(図１６の２台の
偏向電磁石４の間の領域)も長くする必要が生じる。そ
うすると、直線部を長くした分、余分の真空ダクトが必
要になると共に、その分真空排気系の負荷も大きくなる
ため、加速装置製作コストが上昇する。さらに、必要設
置スペースも大きくなることから、建て屋コストも上昇
してしまう。

【００１１】これらの諸点を解決するために、偏向電磁
石２１の偏向磁場強度を大きくし、入射軌道をもっと急
角度で加速軌道に接続することによりＬ１を小さくする
という方法が考えられる。しかし、この場合は、偏向電
磁石２１の偏向軌道の修正のために設置されている偏向
電磁石２２、及び２３の軌道修正効果も大きくする必要
が生じる。すなわち、偏向電磁石２２、２３の偏向磁場
強度も大きくする必要がある。そうすると、偏向電磁石
２２のリターンヨーク厚ｔ１が増加することになり、結
局、Ｌ１がどこまで短縮化できるかは疑問であるし、偏
向電磁石２１〜２３全てについて、費用も増加する。

【００１２】従って、同一偏向磁場強度を有する従来型
のＨ型偏向電磁石であれば、物理的に干渉してしまう位
置にある対象物に対して、物理的に干渉せず、且つ、そ
の対象物位置での漏洩磁場を当該従来型のＨ型偏向電磁
石と同程度にまで低くし、且つ、その従来型Ｈ型偏向電
磁石の長さ、幅を超えないＨ型偏向電磁石を実現するこ
とが求められていた。このような要請は、荷電粒子加速
装置の粒子入射部近傍に使用する偏向電磁石のみに特有
の問題ではなく、一般的な課題としても捉えることがで
きるものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のＨ型偏向電磁石
は、Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が走行する
際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により決められ
る偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道平面に直
交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道に沿っ
て、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部を設
け、その切り欠き部のリターンヨーク厚をｔ２とし、前
記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨーク厚を
ｔ２よりも大きく且つ、他方のリターンヨーク厚ｔ１よ
りも小さい値であるｔ３とすることを特徴とするもので
ある。

【００１４】本発明のＨ型偏向電磁石は、前記切り欠き
部のリターンヨーク厚ｔ２を、当該リターンヨーク全面
を一定の厚さにした時に、当該リターンヨーク内の偏向
軌道平面位置での磁力線の向きが、当該Ｈ型偏向電磁石
の偏向磁場形成部における磁力線の向きと同じになる厚
さとしたことを特徴とするものである。

【００１５】本発明のＨ型偏向電磁石は、リターンヨー
ク厚がｔ２からｔ３に変化する切り欠き部境界部分にお
いて、リターンヨーク厚をｔ２からｔ３に傾斜的若しく
は段階的に変化させたことを特徴とするものである。

【００１６】本発明の荷電粒子加速装置は、荷電粒子加
速装置の荷電粒子入射部に使用される、荷電粒子入射用
の偏向電磁石を含む、３以上の偏向電磁石で構成される
偏向電磁石群において、荷電粒子入射用の軌道と隣接す
る少なくとも１の偏向電磁石に、本発明に係るＨ型偏向
電磁石を使用したことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 本発明は、

【従来の技術】で述べた様に、同一偏向磁場強度を有す
る従来型のＨ型偏向電磁石であれば、物理的に干渉して
しまう位置にある対象物に対して、物理的に干渉せず、
且つ、その対象物位置での漏洩磁場を当該従来型のＨ型
偏向電磁石と同程度にまで低くし、且つ、その従来型Ｈ
型偏向電磁石の長さ、幅を超えないＨ型偏向電磁石を実
現することを目的とする。

【００１８】ある物体がＨ型偏向電磁石と物理的に干渉
する場合の例として、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射
部近傍に設置される偏向電磁石群を取り上げて説明す
る。図１に、偏向電磁石群２が入射軌道６と物理的に干
渉する場合の、偏向電磁石２１側から見た、偏向電磁石
２２の、本発明による模式（側面）図を示す。なお、通
常の本電磁石設置条件下では、紙面上部方向が垂直上方
に相当するため、以下の説明では、そのような前提で説
明するが、これに限定されるものではない。図１に示す
Ｈ型偏向電磁石２２を、以後Ｈ型偏向電磁石イ２２と呼
ぶことにする。図において、２２１、２２２、２２３は
図１３の場合と同じである。但し、リターンヨーク２２
２の厚さは図１３の場合と異なり、後述するように、厚
さｔ１より薄くなっている。２２４はリターンヨーク部
領域Ａを示し、図示するように、コイル設置位置近傍で
のリターンヨーク部に対応する部分であり、偏向軌道面
１１に対して対称の位置に設定され、次に述べるリター
ンヨーク部領域Ｂ２２５を除く（簡略化のために対称の
位置の図示は省略した。）部分である。２２５はリター
ンヨーク部領域Ｂを示し、偏向軌道平面１１に対して対
称に設定される。リターンヨーク部領域Ｂ２２５の高さ
はｈで、別途定める。２２６はリターンヨーク部領域Ａ
と同領域Ｂとの切り欠き部境界部分を示す。偏向軌道平
面１１を中心とした高さｈに相当するリターンヨーク部
領域Ｂ２２５の厚さはｔ２、リターンヨーク部領域Ａ２
２４の厚さはｔ３とする。ｔ３はリターンヨーク厚ｔ２
よりも大きく、ｔ１よりも小さい値にし、後述するよう
に、ｔ２に依存する形で設定する。２２７は図１３と同
じく、偏向磁場領域を示し、この部分を荷電粒子が走行
する。この荷電粒子の走行軌道が７で示されており、紙
面に垂直方向に走行する。図１５との対応で言えば、加
速軌道に対応するものである。

【００１９】偏向電磁石２２と入射軌道６との物理的干
渉を避けるためには、次のいずれかの方法が考えられ
る。(1)図６のＨ型偏向電磁石ハ２２に示すように、偏
向軌道平面１１を中心に、リターンヨーク部２２２を、
入射軌道との物理的干渉（実際は、入射軌道を含む真空
ダクトとの干渉）を避けるために必要な高さｈおよび厚
さｔ２まで電磁石全長にわたり切り欠く方法。(2)図９
のＨ型偏向電磁石ニに示すように、リターンヨーク部２
２２全体を厚さｔ２まで薄くする方法。

【００２０】このように、例えば図６に示す偏向電磁石
の場合であれば、図８に示すように偏向電磁石２２と入
射軌道６とが本来ならば物理的に干渉する位置まで偏向
電磁石２１と２２間の距離を小さくしても(Ｌ１からＬ
２(＜Ｌ１)にまで。)、両者の干渉を避けることができ
る。入射軌道の入射角度に沿う形でリターンヨーク部２
２２を切り欠いても良いし、図９に示す場合も同様であ
る。

【００２１】問題は、漏洩磁場強度である。図１１に、
当該リターンヨーク部２２２近傍の磁場強度が、偏向軌
道平面１１上の位置によって、どのように変化するかを
模式的に示す。図１１は、荷電粒子走行方向の電磁石中
央部において、偏向軌道平面上のヨーク外端面を原点に
とり、正方向を電磁石外部方向にとって、横軸の位置Ｘ
とし、磁場強度の位置Ｘ依存性を示したものである。図
中のの番号を付して示した線は、以下の条件に対応
した磁場強度の位置Ｘ依存性を示す。 「軌道平面のみ切り欠き」；図６に示すＨ型偏向電磁
石ハ２２に対応。図６に示すリターンヨーク部領域Ｂ２
２５に対応する、偏向軌道平面を中心とした一定高さｈ
にわたる部分の厚さをｔ２になるまで切り欠いた場合で
ある。 「ヨーク全面薄い」；、図９に示すＨ型偏向電磁石ニ
２２に対応。片側のリターンヨーク部について、全面に
わたり（図９に示すリターンヨーク部領域Ａ２２４およ
び領域Ｂ２２５共）厚さｔ２になるまでリターンヨーク
厚を薄くした場合である。（、の番号を付した線に
ついては後述する。） 図１１では、リターンヨーク厚ｔ２＝約０．２ｃｍと
し、Ｘ＝０〜−０．２ｃｍ間をリターンヨーク部２２２
に対応させ、リターンヨーク部領域Ｂ２２５近傍の磁場
強度のＸ依存性を模式的に示している。Ｘ＞０ｃｍの領
域(図１１において「電磁石外部方向」と記載した部
分。)が入射軌道の隣接する部分になり、漏洩磁場強度
が問題となる領域になる。

【００２２】図１１は、のいずれの偏向電磁石であ
っても、リターンヨーク２２２の端面から離れるにつ
れ、磁場強度が漸減し、一定距離離れると、漏洩磁場強
度は、実質上、無視できる程度にまで低減することを模
式的に示している。しかし、Ｘが小さい領域では、
いずれのケースでもリターンヨーク２２２外への漏洩磁
場強度は大きなもので、問題が残ることを示唆するもの
である。

【００２３】ここで、留意すべき点はとの磁場極性
が互いに反転していることである。この磁場極性の反転
について、磁力線図を使って見ることにする。図１４
は、リターンヨーク部に切り欠きのない、図１３に示す
従来型のＨ型偏向電磁石ホ２２について、図１０は、片
側のリターンヨーク全面の厚さを低減した図９に示すＨ
型偏向電磁石ニ２２について(図１１ののケースに対
応)、図７は、従来型のＨ型偏向電磁石の片側のリター
ンヨークについて、偏向軌道平面を中心に高さｈ分だけ
リターンヨークを切り欠いて、切り欠いた部分の厚さを
ｔ２とした図６に示すＨ型偏向電磁石ハ２２について
(図１１ののケースに対応)、それぞれ磁力線分布を示
すものである。図１４、図１０は偏向軌道平面１１の上
半分について、図７は、図６に示す電磁石コイル２２３
の近傍のヨーク部領域Ｃ２２８についての磁力線分布を
示したものである。

【００２４】図１４に示す従来型のＨ型偏向電磁石ホ２
２の場合、図７に示すＨ型偏向電磁石ハ２２の場合は、
リターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場は、同偏向磁場領
域２２７の磁場の極性と同一であるが、図１０に示すＨ
型偏向電磁石ニ２２の場合は、リターンヨーク部領域Ｂ
２２５の磁場は、同偏向磁場領域２２７の磁場の極性と
逆極性になっていることがわかる。これは、リターンヨ
ーク部領域Ｂ２２５の磁場が、リターンヨーク部領域Ａ
２２４の磁場と偏向磁場領域２２７からの漏洩磁場の大
小関係から決められるために起こる現象であり、図１０
に示すようにリターンヨーク厚を全面にわたって薄くし
ていくと、ある厚さ以上に薄くすると、リターンヨーク
部領域Ｂ２２５の磁場が偏向磁場極性と同じになる。

【００２５】このリターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場
極性の反転現象から、図１に示すような形状のリターン
ヨークを設けることにより、そのリターンヨーク外部で
の漏洩磁場強度を所定の条件下で低減することができる
ことがわかる。以下、その理由と共に、漏洩磁場低減の
条件について述べる。まず、図９に示すような一方のリ
ターンヨーク全面でその厚さを薄くしたＨ型偏向電磁石
ニ２２を考える。そのリターンヨーク厚を、上述したよ
うに、薄くしていくと、ある厚さＴ０以下になると当該
リターンヨーク部の領域Ｂ２２５の磁場極性が、偏向磁
場領域２２７における偏向磁場極性と同じになる。図１
に示す一方のリターンヨーク部の領域Ｂ２２５の厚さｔ
２を前記Ｔ０以下に設定する。この状態では、このリタ
ーンヨーク外(すなわち位置Ｘが正の領域)での漏洩磁場
強度は図１１のの線で示すように比較的大きなものと
なる。次に、当該リターンヨーク部の領域Ａ２２４の厚
さを増加させていく。この領域Ａ２２４の厚さをｔ２か
らｔ１まで変化させたときのこのリターンヨーク外での
漏洩磁場強度は図１１の線から、、そしてで示
すように変化していく。これは、上述したように、リタ
ーンヨーク部領域Ａ２２４から同領域Ｂ２２５へ回り込
む磁力線の増加によるキャンセリング効果によるもので
ある。このことから、リターンヨーク部領域Ａ２２４の
厚さｔ３をｔ２からｔ１の間の適当な値に設定すること
で漏洩磁場強度を低減できることがわかる。

【００２６】図１２は、以上の効果を詳細に調べるため
に、このリターンヨーク外への漏洩磁場強度の位置Ｘに
よる変化を詳細に計算し示したものである。図１２にお
いて、縦軸、横軸、および〜で示す線の意味、条件
は図１１の場合と同じである。但し、Ｘ≧０ｃｍの領域
についてのみ示してある。尚、漏洩磁場強度の低減の目
安となるように、図１３に示す、両方のリターンヨーク
とも、切り欠き部を設けない標準的なヨークで、その厚
さがｔ１であるＨ型偏向電磁石ホ２２における漏洩磁場
強度をの線で示した。ちなみに、この場合はリターン
ヨーク厚ｔ１を約５ｃｍと設定したことから、リターン
ヨークの外端面位置は、、の場合の原点から見る
と、ほぼ５ｃｍ付近に来ることになり、の線はＸ≧約
５ｃｍについてのみ示されている。図１２の〜のい
ずれの場合もその漏洩磁場強度、Ｘが大きな所では０に
漸近する。しかし、やの場合は、漏洩磁場強度の絶
対値は、有限の位置Ｘ＝Ｘ０で０となる。この０となる
位置Ｘ０は、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚さｔ２
と、同領域Ａ２２４の厚さｔ３に依存して決まる。更に
領域部Ｂの高さｈにも依存する。例えば、のケースで
は、ｔ２を小さくすると、Ｘ０の位置はリターンヨーク
端面から遠ざかるものの、依然Ｘ０に対応する位置は存
在する。但しｔ２が小さくなると、リターンヨーク部領
域Ａの部分からの漏洩磁場強度が増加していくため、偏
向軌道平面から上下に少し外れた位置での漏洩磁場強度
は顕著に増加する。

【００２７】また、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚
さｔ２を固定して、ｔ３をｔ２から増加していくと、あ
る厚さまでは、偏向軌道平面上で漏洩磁場強度が０とな
る位置Ｘ０はリターンヨーク部領域Ｂ２２５の外端部表
面に近接してくる。しかし、ある厚さ以上にｔ３を増や
しても、やに示すように漏洩磁場強度の低減という
点では効果がなくなってしまう。

【００２８】このように、ｔ３をｔ２からｔ１まで増加
させる場合、ｔ２の値を小さくすることも含めて考えれ
ば、Ｘ０の位置は大きく変動するが、現実的な選択を考
えると、Ｘ０の位置はリターンヨーク部領域Ｂ２２５の
外端部表面、すなわちＸ＝０からＸ＝ｔ１−ｔ２までの
間に来ることが多い。

【００２９】図１２の例で言えば、入射軌道の位置を、
例えばＸ＝２ｃｍ近傍とすると、その位置では、、
、の電磁石とも、漏洩磁場強度はの線で示された
磁場強度に比べ無視できない程に大きいが、上述したよ
うに、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さをｔ２から
増やし、図１２ので示す線に対応する厚さにした場合
は、Ｘ＝約２ｃｍ近傍で漏洩磁場強度はほぼ０に近い値
になる。このことは、ｔ２が前記の条件に従って設定さ
れ、且つ、Ｈ型偏向電磁石に対する入射軌道位置に応じ
て、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さを適切に選定
すれば、その位置における漏洩磁場強度を最小にするこ
とが可能となることを示すものである。

【００３０】以上をまとめると、まず、この偏向電磁石
と入射軌道の物理的干渉の程度、及びリターンヨーク領
域Ｂ２２５内の磁力線の極性が偏向磁場領域２２７の磁
力線の極性と同じになる厚さから、ｔ２を決め、次に入
射軌道の位置関係を勘案して、どの位置で磁場強度を最
小にすべきかを決め、上記ｔ２の値に応じてｔ３値を決
めるという手順で本偏向電磁石の片側のリターンヨーク
厚を決めていくことになる。他方のリターンヨーク厚ｔ
１は、当初設計のままであり変更はない。このようにし
て定めた本発明に係るＨ型偏向電磁石の一例を示したも
のが図１であり、図２はそのときの磁力線分布を示す。

【００３１】尚、上記ｔ３の決定においては、図３に示
すように、入射軌道６の位置が、偏向電磁石２２との関
係において一定でないことにも留意する必要がある。こ
のような場合には、例えば、偏向電磁石２２の近傍を、
入射粒子が通過する際の、入射粒子に対する漏洩磁場の
影響の積分値が最小になるように、ｔ３を決めることが
できる。

【００３２】以上は、電磁石長さ方向にわたって一方の
リターンヨーク部領域Ｂ２２５、すなわち切り欠き部の
深さを一定にしたものである。先に述べたように、入射
軌道に沿って切り欠いても、入射軌道とリターンヨーク
との干渉は避けることができる。図１に示すＨ型偏向電
磁石イ２２の方が、通常、漏洩磁場対策の点から優れて
いるが、厚さｔ２を一定値以下にする必要があることか
ら、何らかの事情により、ｔ２厚を実現できない場合
に、入射軌道に沿って切り欠くという方式を選択肢とす
ることができる。このように、一方のリターンヨーク部
を上記ｔ２とｔ３(ｔ２より大きく且つｔ１よりも小)の
２種類の厚さにすることにより、目的とする位置でのこ
のＨ型偏向電磁石からの漏洩磁場強度を、従来型のＨ型
偏向電磁石並にまで低減することができる。

【００３３】以上の様に構成された偏向電磁石であれ
ば、従来型のＨ型偏向電磁石であれば物理的に干渉を起
こしてしまうような位置にでも、漏洩磁場による悪影響
を受けやすい対象物を設置することができる。しかも、
本発明に係るＨ型偏向電磁石の大きさは従来型のＨ型偏
向電磁石の大きさを超えない。従って、この発明に係る
図１に示すＨ型偏向電磁石イ２２を、図３に示すよう
に、偏向電磁石群２の偏向電磁石２２として採用する
と、偏向電磁石２１〜２３のサイズを大きくすることな
く、また、入射軌道６と偏向電磁石２２の物理的干渉を
起こすこともなく、偏向電磁石２１と２２の間の距離Ｌ
２をＬ１よりも短縮化して設置できるため、偏向電磁石
群２の全長を短縮化できる。従って、このように短縮化
された偏向電磁石群２を荷電粒子入射点近傍に採用した
加速装置については、加速装置直線部の短縮化も図るこ
とができ、本発明を採用しない場合に比べて、真空ダク
トの必要長が低減できると共に、その分、真空排気系の
負荷も小さくなるため、真空排気系の簡略化が可能とな
り、当該加速装置をより小型・安価に製作することがで
きる。また、当該加速装置全長の短縮化を図ることによ
り、必要設置スペースもその分小さくて済むことから、
建て屋コストの低減化も図ることができるという効果も
ある。

【００３４】尚、上記偏向電磁石群２は３台の偏向電磁
石から構成されるものとして説明したが、３台に限定す
る必要はない。偏向電磁石２１により偏向を受けた荷電
粒子の加速軌道を元の加速軌道に戻すための電磁石群で
あるから、例えば４台、５台等、３台以上の偏向電磁石
の構成であっても同様の効果を持たせることができる。
当然その分全長は長くなるが、この選択は加速装置ビー
ムダイナミックスの設計上の問題である。

【００３５】また、偏向電磁石群２の内１台を本発明の
Ｈ型偏向電磁石イ２２にするということで説明したが、
これに限定する必要もない。入射軌道の入射角によって
は複数の偏向電磁石と物理的に干渉を生じることも考え
られる。そのような場合は、干渉する偏向電磁石を全て
本発明に係るＨ型偏向電磁石にすることができる。

【００３６】更に、偏向電磁石群２は荷電粒子加速軌道
に沿って対称軌道になるように電磁石を配置・構成する
ことを前提に述べてきたが、加速装置の全体設計上、対
称性についての特段の要請（ビームダイナミックスから
の要請等。）がなければ、対称性にこだわる必要性は必
ずしもない。

【００３７】実施の形態２ 図４に、本発明の別の実施の形態であるＨ型偏向電磁石
ロ２２の断面模式図を示す。図４に示す偏向電磁石ロ２
２は、図１に示す本発明に係るＨ型偏向電磁石イ２２に
おいて、リターンヨーク部領域Ａ２２４とリターンヨー
ク部領域Ｂ２２５の境界で、両者の厚さを１ステップで
階段状に変えるのではなく、傾斜部２４を介して変える
ことを特徴とする。

【００３８】図１に対応する磁力線分布を図２に示す
が、リターンヨーク部領域Ａ２２４とリターンヨーク部
領域Ｂ２２５の厚さを１ステップで階段状に変えた場合
は、図２の２２６で示した領域Ａ、Ｂ間の切り欠き部境
界部分では磁力線の集中が起こっており、漏洩磁場対策
上好ましくない。そこで、上述の通り、傾斜部２４を設
けることにより、図５の切り欠き部境界部分２２６で示
す個所の磁力線分布から判るように、磁力線の集中を緩
和することができ、図１に示す偏向電磁石イ２２を図４
の偏向電磁石ロ２２に置き換えることにより、実施の形
態１で述べた効果と同等な効果をも享受しつつ、より漏
洩磁場強度の小さな偏向電磁石を供給することができ
る。

【００３９】尚、傾斜部２４の形状は図４では直線で示
したが、必ずしもこれにこだわる必要はない。多数ステ
ップの階段状にしたり、曲線を介したり等することによ
り、ヨーク厚の急変を避けるようにできれば同様の効果
を奏することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、Ｈ型偏向電磁石におい
て、Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が走行する
際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により決められ
る偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道平面に直
交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道に沿っ
て、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部を設
け、その切り欠き部のリターンヨーク厚をｔ２とし、前
記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨーク厚を
ｔ２よりも大きく、且つ、他方のリターンヨーク厚ｔ１
よりも小さい値であるｔ３とすることにより、当該Ｈ型
偏向電磁石の近傍に、その位置での当該Ｈ型偏向電磁石
からの漏洩磁場強度を小さく保ったままで、物理的干渉
が問題となる機器等を配置することが容易となる。

【００４１】本発明によれば、Ｈ型偏向電磁石の一方の
リターンヨークについて、前記切り欠き部のリターンヨ
ーク厚ｔ２を、当該リターンヨーク全面を一定の厚さに
した時に、当該リターンヨーク内の偏向軌道平面位置で
の磁力線の向きが、当該Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場形成
部における磁力線の向きと同じになる厚さとすることに
より、当該Ｈ型偏向電磁石の近傍に、その位置での当該
Ｈ型偏向電磁石からの漏洩磁場強度を小さく保ったまま
で、物理的干渉が問題となる機器等を配置することが容
易となる。

【００４２】本発明によれば、上述のＨ型偏向電磁石に
おいて、リターンヨーク厚がｔ２からｔ３に変化する切
り欠き部境界部分において、リターンヨーク厚をｔ２か
らｔ３に傾斜的若しくは段階的に変化させたことによ
り、リターンヨーク厚の薄い領域から厚い領域へ変化す
る部分で、磁束の集中を緩和することができ、ヨーク内
における磁気的な飽和を抑制できるので、電磁石外部へ
の漏洩磁場強度をより低減できる。そのため、当該偏向
電磁石の近傍に物理的干渉が問題となり、且つ磁場によ
る影響が問題になる機器等を配置することが一層容易と
なる。

【００４３】本発明によれば、荷電粒子加速装置の荷電
粒子入射部に使用される、荷電粒子入射用の偏向電磁石
を含む、３以上の偏向電磁石で構成される偏向電磁石群
において、荷電粒子入射用の軌道と隣接する少なくとも
１の偏向電磁石に、本発明に係るＨ型偏向電磁石の何れ
かを使用することにより、この偏向電磁石群を構成する
各偏向電磁石の設置間距離を小さくすることができるた
め、この偏向電磁石群の全長を短縮化できる。従って、
この偏向電磁石群を採用した荷電粒子加速装置の真空系
の簡略化を通じて荷電粒子加速装置の小型化及び費用低
減に資することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石
イの断面模式図

【図２】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石
イの磁力線分布を示す図

【図３】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石
イを採用した入射部偏向電磁石群と入射軌道および加速
軌道を示す平面断面配置図

【図４】 本発明の実施の形態２に係るＨ型偏向電磁石
ロの断面模式図

【図５】 本発明の実施の形態２に係るＨ型偏向電磁石
ロの磁力線分布を示す図

【図６】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハの断面模式図

【図７】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハに対する電磁
石コイル近傍ヨーク部領域Ｃの磁力線分布図

【図８】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハを採用した入
射部偏向電磁石群と入射軌道および加速軌道を示す平面
断面配置図

【図９】 極薄型リターンヨーク付Ｈ型偏向電磁石ハの
断面模式図

【図１０】 極薄型リターンヨーク付Ｈ型偏向電磁石ハ
の磁力線分布図

【図１１】 リターンヨーク近傍の磁場強度分布のリタ
ーンヨーク形状依存性を示す概念図

【図１２】 漏洩磁場強度のリターンヨーク形状依存性
を示す図

【図１３】 従来型のＨ型偏向電磁石ホの断面模式図

【図１４】 従来型のＨ型偏向電磁石ホの磁力線分布図

【図１５】 従来型のＨ型偏向電磁石ホを採用した入射
部偏向電磁石群と入射軌道および加速軌道を示す平面断
面配置図

【図１６】 ＣＷマイクロトロンの概念平面図

【符号の説明】

１ 入射器、２ 入射部偏向電磁石群、３ 高周波加速
空洞、４ 偏向電磁石Ａ、５ 偏向電磁石Ｂ、６ 入射
軌道、７ 加速軌道、８ 最初の１８０度偏向軌道、９
第２回目の１８０度偏向軌道、１０ 最初の直線周回
軌道、１１ 偏向軌道平面、２１ 第１の偏向電磁石、
２２ 第２の偏向電磁石（Ｈ型偏向電磁石）、２３ 第
３の偏向電磁石、２４ 傾斜部、２２１ 第１のリター
ンヨーク部、 ２２２ 第２のリターンヨーク部、２２
３ 電磁石用コイル、２２４ リターンヨーク部領域
Ａ、２２５ リターンヨーク部領域Ｂ、２２６ 切り欠
き部境界部分、２２７ 偏向磁場形成領域、２２８ ヨ
ーク部領域Ｃ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が
   走行する際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により
   形成される偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道
   平面に直交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道
   に沿って、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部
   を設け、その切り欠き部のリターンヨーク厚をｔ２と
   し、前記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨー
   ク厚をｔ２よりも大きく且つ、他方のリターンヨーク厚
   ｔ１よりも小さい値であるｔ３とすることを特徴とする
   Ｈ型偏向電磁石。
2. 【請求項２】前記切り欠き部のリターンヨーク厚ｔ２
   を、当該リターンヨーク全面を一定の厚さにした時に、
   当該リターンヨーク内の偏向軌道平面位置での磁力線の
   向きが、当該Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場形成部における
   磁力線の向きと同じになる厚さとしたことを特徴とする
   請求項１に記載したＨ型偏向電磁石。
3. 【請求項３】リターンヨーク厚がｔ２からｔ３に変化す
   る切り欠き部境界部分において、リターンヨーク厚をｔ
   ２からｔ３に傾斜的若しくは段階的に変化させたことを
   特徴とする請求項１又は２に記載したＨ型偏向電磁石。
4. 【請求項４】荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部に使用
   される、荷電粒子入射用の偏向電磁石を含む、３以上の
   偏向電磁石で構成される偏向電磁石群において、荷電粒
   子入射用の軌道と隣接する少なくとも１の偏向電磁石
   に、請求項１から３の何れかに記載するＨ型偏向電磁石
   を使用したことを特徴とする荷電粒子加速装置。