JP2003504628A - 等時性サイクロトロンおよびそのサイクロトロンから荷電粒子を抽出する方法 - Google Patents

等時性サイクロトロンおよびそのサイクロトロンから荷電粒子を抽出する方法

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H7/10—Arrangements for ejecting particles from orbits

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 超伝導式または非超伝導式の等時性セクタ集束型サイクロトロンが磁気回路を構成する上側の磁極と下側の磁極とを備えた電磁石から成っており、磁極が「山」と呼ばれる少なくとも３対のセクタ（３，４）から成っており、「山」では前記セクタ相互間の鉛直方向ギャップが小さく、これらの山セクタは「谷」（５）と呼ばれるセクタを構成するスペースによって分離されており、「谷」では鉛直方向ギャップが大きく、前記サイクロトロンが、少なくとも一対の主コイル（６）によって給電されるようになっている。このサイクロトロンにおいて、少なくとも一対の拡張された山セクタ（３）と、少なくとも一対の拡張されていない山セクタ（４）とを有するために、少なくとも一対の上側および下側の山が残りの対の山セクタよりも著しく長く形成されており、磁界内の凹部（２００）を形成するために、抽出された軌道の形状に追従する切欠き（７）または「平坦部」（７’）が、拡張された山セクタ（３）の前記対に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の等時性サイクロトロンならびに個別セクタ型サイクロトロン
であり得る等時性サイクロトロンに関する。
【０００２】 本発明は、超伝導性及び非超伝導性のサイクロトロンの双方に適用される。
【０００３】 本発明はさらに、等時性セクタ集束型サイクロトロンから荷電粒子を抽出する
ための新しい方法に関する。
【０００４】
【先行技術】
サイクロトロンは、陽または陰イオンを数ＭｅＶ以上のエネルギーにまで加速
するのに使用される円形の粒子加速器である。サイクロトロンは（放射性同位元
素の生産または陽子療法のための）医療用途に使用できるだけでなく、別の加速
器内へのインジェクタとして工業用途にも、または、基礎研究にも使用すること
ができる。
【０００５】 サイクロトロンは、いくつかのサブシステムから成っており、これらのサブシ
ステムのうち最も重要なものは、主に、磁気回路、ＲＦ加速システム、真空シス
テム、注入システムおよび抽出システムである。
【０００６】 最も重要なものは、磁界を形成する磁気回路である。この磁気回路は、加速さ
れた粒子を装置の中心から装置の外径に向かってその粒子の軌道が渦巻きを描く
ように導くものである。最も初期のサイクロトロンの場合、磁界は、円筒形に形
成された２つの磁極の間の鉛直方向ギャップ内で、これらの磁極の周りに巻かれ
た２つのソレノイドコイルによって形成されていた。最近の等時性サイクロトロ
ンの場合、これらの磁極は、もはや１つのソリッドな円筒から成っているのでは
なく、複数のセクタに分けられていて、円運動するビームが、山セクタで形成さ
れた高磁界と谷セクタで形成された低磁界をを交互に通るようになっている。こ
の山セクタでは、磁極相互間のギャップは小さく、山セクタで形成された高磁界
に続いて谷セクタで形成された低磁界がもうけられている。この谷セクタでは、
磁極相互間のギャップは大きい。このように方位的に磁界が変化する方式では、
それが適切に形成されている場合には、半径方向および鉛直方向への集束作用を
可能にして、同時に装置を全体を通して、粒子回転周波数を一定にすることを可
能にする。
【０００７】 ２つのタイプの等時性サイクロトロンが存在する：第１のタイプは小型サイク
ロトロンである。このサイクロトロンにおいては、磁極全体の周りに巻かれた一
組の円形コイルによって磁界が形成される。第２のタイプは個別セクタ型サイク
ロトロンである。このサイクロトロンにおいては、各セクタはそれぞれのコイル
セットを備えている。
【０００８】 欧州特許出願公開ＥＰ−Ａ−０２２２７８６号明細書には、「深い谷型(deep-
valley)サイクロトロン」と呼ばれる小型のセクタ集束型等時性サイクロトロン
が記載されている。このサイクロトロンのコイルにおける電力消費量は極めて低
い。このことは、磁気回路を閉じるために働くコイルの周りに配置された円形形
状の１つの帰路ヨークとを組み合わせて山セクタの著しく小さい磁極ギャップと
、谷セクタの著しく大きい磁極ギャップとを有する独得な磁気構造により達成さ
れる。
【０００９】 国際公開ＷＯ９３／１０６５１号には、小型のセクタ集束型等時性サイクロト
ロンが記載されている。このサイクロトロンは、山セクタでは楕円形または準楕
円形に形成された磁極ギャップを持つという特徴を有している。磁極ギャップは
山セクタの外径に向かって閉じる傾向を有し、山セクタの外径に対して極めて接
近している粒子を加速するのを可能にする。しかもこの場合、磁界の集束作用お
よび等時性が失われることはない。このことは後で指摘するように、ビームの抽
出を容易にする。
【００１０】 サイクロトロンの第２の主サブシステムはＲＦ加速システムである。このシス
テムは普通「ディー」と呼ばれる加速電極で終わる共鳴無線周波数キャビティか
ら成っている。ＲＦシステムは、粒子の回転周波数に等しい周波数、または、そ
れよりも高い調波周波数で、数キロボルトからその数十分の一までの交番電圧を
ディーに発生する。このような交番電圧は、粒子が磁極のエッジ方向に外側に向
かって螺旋運動をする時に粒子を加速するのに用いられる。深い谷型サイクロト
ロンの別の主要な利点は、ＲＦキャビティとディーとを谷に配置することができ
、これにより、極めてコンパクトなサイクロトロンの構成が得られることである
。
【００１１】 サイクロトロンの第３の主サブシステムは真空システムである。真空システム
の目的は、粒子が運動しているギャップ内を排気し、これにより真空タンク内の
残留ガスによる加速粒子の過度の散乱を回避し、また、ＲＦシステムによって形
成される電気的なスパークや放電を阻止する。
【００１２】 第４のサブシステムは注入システムである。注入システムは、基本的にはイオ
ン源から成る。イオン源では、加速プロセスの開始前に荷電粒子が形成される。
イオン源は、サイクロトロン内部の中心に設けるか、または、装置の外側に取り
付けることができる。装置の外側に取り付ける場合、注入システムは、イオン源
からサイクロトロンの中心に粒子を導くための手段をも含んでいる。サイクロト
ロンの中心で、粒子は加速プロセスを開始する。
【００１３】 粒子が加速を完了し、磁極セクタの外径に達すると、粒子は装置から抽出され
るか、または、装置内でそれ自体で使用することができる。装置内でそれ自体で
使用される場合、真空チャンバー内には同位元素生産のためのターゲットが設け
られる。しかしながら、このことの主な欠点は、粒子がターゲットから部分的に
散乱し、次いで制御不能な状態で真空タンク全体で失われてしまうことである。
このことは、装置を強く放射化させるおそれがある。
【００１４】 多くの用途では、ビームを装置の外側に取り出しこのビームが使用されるター
ゲットに導くことが望まれる。この場合には、抽出システムは装置内で外径近く
に組み込まれる。ビーム抽出は、サイクロトロンビームを発生させる上で最も困
難なプロセスのうちの１つと考えられている。ビーム抽出は、基本的には、加速
領域から、ビームが自由に装置から飛び出しうるほど磁界が十分に低い外径領域
へビームを制御された状態で運ぶことにある。
【００１５】 正に帯電した粒子を抽出することに関して、共通の方法は、外方に向かって電
界を形成する静電デフレクタを使用することである。この電界は、磁界の閉じ込
め作用から粒子を引き出す。このような作用を達成するために、セプタムと呼ば
れる極めて薄い電極が装置内の最後の内部軌道と抽出されることになる軌道との
間に配置される。しかしながら、セプタムはビームの一部を遮断し、従って、こ
の抽出法は２つの大きな欠点を有している。第１の欠点は、抽出効率が限定され
ることであり、これにより遮断されたビームによりセプタムが加熱され、抽出可
能な最大ビーム強度が限定されることである。第２の欠点は、セプタムによる粒
子の遮断がサイクロトロンを強く放射化することである。
【００１６】 良く知られた別の抽出方法は負に帯電した粒子に関するものである。この場合
、抽出は薄いフォイルにビームを透過させることにより達成される。陰イオンは
、自らの電子を奪われ、陽イオンに変換される。このような技術は、１００％近
くの抽出効率を可能にし、さらに、先のシステムよりも相当シンプルな抽出シス
テムを可能にする。しかし、この場合にも不都合が生じる。これは、陰イオンは
余り安定ではなく、従って、真空タンク内の残留ガスとの衝突により、または、
イオンに作用する過度に大きな磁力により、簡単に消失してしまうという事実に
よるものである。このようなビーム損失はまた、サイクロトロンの望ましくない
放射化の原因となる。さらに、陽イオンを加速するサイクロトロンは、加速器の
信頼性を高めるとともに、より強度の高いビームの生産を可能にし、これと同時
に、装置のサイズおよび重量を著しく小さくすることを可能にする。
【００１７】 また、刊行物「The Review of Scientific Instruments, 27 (1956), No. 7」
および刊行物「Nuclear Instruments and Methods 18, 19 (1962) pp. 41-45e
（J. Reginald Richardson）」から公知のように、抽出システムを使用せずにサ
イクロトロンからビームを抽出することができるという方法が公知である。この
自動抽出に必要となる条件は、磁界における粒子軌道についてのある共鳴条件で
ある。しかし、この方法は、実現するのが難しく、また、実際には適用できない
ほど品質の悪い状態で抽出された光ビームを提供するおそれがある。
【００１８】 米国特許第３０２４３７９号明細書において報告されたサイクロトロンシステ
ムも公知である。このシステムでは、磁界は、方位角とは本質的に無関係である
。すなわち、このシステムは非等時性サイクロトロンである。なお、本明細書に
記載したサイクロトロンは、磁界の摂動によりビームの抽出を可能にする「再生
器」と「圧縮機」とから成るビーム抽出のための手段を含む。
【００１９】 欧州特許ＥＰ−０８５３８６７には、サイクロトロンからの抽出のための方法
が記載されている。このサイクロトロンにおいては、最大半径の近くで山セクタ
に設けられた磁極ギャップと、同一半径での粒子の１旋回当たりの半径方向ゲイ
ンとの間の比率は２０未満であり、山セクタに設けられた磁極ギャップは、山セ
クタの最大半径で閉じる傾向を備えた楕円形状または準楕円形状を有し、山セク
タのうちの少なくとも１つが、他の山セクタに比べて本質的に非対称的な幾何学
的形状または磁界を有している。本発明は、なかんずくこのような狭い準楕円形
の磁極ギャップ、および少なくとも１つのセクタの非対称に関連しており、同時
に、ビームを自動抽出できるように適用可能な非対称の種類の概要を示したもの
である。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前述のようなストリッピング機構または静電デフレクタを使
用することなく、サイクロトロンから荷電粒子を抽出する新しい方法を提案する
ことである。
【００２１】 このようにして、現在入手可能なサイクロトロンよりもよりシンプルなコンセ
プトを有し、より経済的な等時性サイクロトロンを得ることもこの発明の課題で
ある。
【００２２】 特に正に帯電した粒子に対する抽出効率と、最大抽出ビーム強度とを増加させ
ることも本発明の課題である。
【００２３】
【本発明の主な特徴】
本発明は、超伝導式または非超伝導式の等時性セクタ集束型サイクロトロンで
あって、磁気回路を構成する上側の磁極と下側の磁極とを備えた電磁石から成っ
ており、磁極が「山」と呼ばれる少なくとも３対のセクタから成っており、「山
」では前記セクタ相互間の鉛直方向ギャップが小さく、これらの山セクタは「谷
」と呼ばれるセクタを構成するスペースによって分離されており、「谷」では鉛
直方向ギャップが大きく、前記サイクロトロンが、少なくとも一対の主コイルに
よって給電されるようになっている形式のものにおいて、少なくとも一対の拡張
された山セクタと、少なくとも一対の拡張されていない山セクタとを有するため
に、少なくとも一対の上側および下側の山が残りの対の山セクタよりも著しく長
く形成されており、磁界内の凹部を形成するために、抽出された軌道の形状に追
従する切欠きまたは「平坦部」が、拡張された山セクタの前記対に設けられてい
ることを特徴とする超伝導式または非超伝導式の等時性セクタ集束型サイクロト
ロンに関する。
【００２４】 本発明の好ましい構成によれば、切欠きの半径方向幅が、拡張された山セクタ
に完全に配置されるように、数センチメートル、好ましくは２ｃｍオーダに限定
されている。
【００２５】 本発明の別の構成によれば、切欠きの外縁部が、拡張された山セクタの半径方
向端部を超えて移動されていてもよい。この場合、一種の「平坦部」が形成され
る。しかしながら、この「平坦部」は山の鉛直方向ギャップが段状に増大し、「
平坦部」の内縁部近くの磁界がこれに関連して突然減小するという特徴をなおも
有している。
【００２６】 拡張されていない山セクタの鉛直方向ギャップ、ならびに、拡張された山セク
タの鉛直方向ギャップが、本質的に楕円形輪郭を有しており、この楕円形輪郭が
、山セクタの半径方向端部で、中央平面に向かって閉じる傾向を有していること
が好ましい。
【００２７】 好ましい１つの構成によれば、山セクタの鉛直方向ギャップに、少なくとも一
組の調波コイルが配置されており、該コイルが本質的に、その場所での局地的な
軌道の形状を有している。これらのコイルは、現存の磁界に第１の調波磁界成分
を付加し、切欠きの入口で旋回分離を増加させるのに役立つ。
【００２８】 本発明の別の好ましい構成によれば、方位的に互いに対向する山セクタに形成
される鉛直方向ギャップ輪郭が、一方の輪郭が軌道の最後の旋回において高い凸
部を示し、他方の輪郭が軌道の最後の旋回に深い凹部を示すように変形されてい
る。このような変形は、現存の磁界に第１の調波磁界成分を付加し、切欠きの入
口で旋回分離を増大するのに役立つ。
【００２９】 第３の好ましい構成によれば、互いに対向する２つの谷に、永久磁石が配置さ
れて、一方の谷には、シャープな磁界凸部が軌道の最後の旋回において形成され
、対向する谷には、磁界凹部が軌道の最後の旋回に形成されるようになっている
。このような配置は、現存の磁界に第１の調波磁界成分を付加し、切欠きの入口
で旋回分離を増大させるのに役立つ。
【００３０】 切欠きの出口として勾配補正体が存在していることが好ましい。このような勾
配補正体は、シールドされていない永久磁石から成っており、内部軌道で摂動す
る磁界を最小限にするために、完全に開いた鉛直方向ギャップと、小さな補償用
永久磁石とを有している。
【００３１】 抽出されたビームと軌道の最後の旋回との間に著しい旋回分離が生じている方
位で、勾配補正体の出口の後方に、損失ビームストッパが配置されていると有利
である。このようなビームストッパは、内部ビームならびに抽出されたビームの
悪い部分を遮断するように配置されている。
【００３２】 帰路ヨークに、水平方向および鉛直方向に集束作用を有する一対の四極子が、
シールドされていない永久磁石から成る真空出口の後方に配置されていることが
好ましい。
【００３３】 本発明はさらに、上述のような等時性セクタ集束型サイクロトロンから荷電粒
子ビームを抽出する方法であって、静電デフレクタまたはストリッパ機構の助け
なしに、軌道の最後の旋回に生じる磁界のシャープな凹部を粒子のビームを抽出
するのに用いる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明は、小型の等時性セクタ集束型サイクロトロンから荷電粒子を抽出する
ための新しい方法に関する。サイクロトロンの最も重要なサブシステムは、図１
および図２によって示したような、電磁石により形成された磁気回路である。こ
の磁気回路は次の主エレメントから成っている： − ２つのベースプレート（１）および磁束帰路（２）、これらは共に結合して
、ヨークと呼ばれる剛性構造を形成する； − 少なくとも３つの上側の山セクタおよび少なくとも３つの下側の山セクタ。
好ましくは図１および図２に示したような、４つの上側の山セクタおよび４つの
下側の山セクタ（３，４）。これらは中央平面（１００）と呼ばれる対称平面に
対して対称的に配置されており、真ん中に約３６ｍｍの鉛直方向ギャップを、ま
た抽出領域に約１５ｍｍの鉛直方向ギャップを有している； − ２つの山セクタ相互間には、谷セクタ（５）と呼ばれるセクタが設けられて
おり、山セクタのギャップよりも実質的に大きい鉛直方向ギャップが形成されて
いる。この谷セクタは、約６７０ｍｍの鉛直方向ギャップを有している； − 山セクタと磁束帰路（２）との間に配置された２つの円形コイル（６）。
【００３５】 抽出方法は、サイクロトロンに静電デフレクタ機構または静電ストリッパ機構
が組み込まれていないという事実によって特徴付けられる。抽出方法はさらに、
山セクタの鉛直方向ギャップは山セクタの半径方向端部に向かって狭まる準楕円
形の輪郭（２０）を有しているという事実により特徴付けられる。抽出方法はさ
らに、サイクロトロンの少なくとも一対の山セクタ（３）が他方の対の山セクタ
（４）よりもかなり長い（約数センチメートル、好ましくは約４．０ｃｍ）とい
う事実によって特徴付けられる。
【００３６】 サイクロトロン内では、ビームはローレンツ力と呼ばれる力によって、磁界領
域内に閉じ込められる。この力は、磁界の大きさに対して比例し、粒子速度に対
しても比例する。この力は、磁界の方向と粒子の軌道方向の両者に対して垂直で
あってサイクロトロンのほぼ中心方向を向いている。
【００３７】 粒子が磁極の半径方向エッジに達したとき、粒子に作用する力が突然実質的に
減じられて、粒子を磁界の閉じ込め領域内に保持するのにもはや十分に大きいも
のでなくなると、抽出を達成することができる。この場合の重要な点は、このよ
うな力の減小は、最後の内部軌道が妨害されないように半径方向に僅かな距離で
実現されなければならない。
【００３８】 ローレンツ力をこのように突然低下させるための一般的な方法は、静電デフレ
クタを組み込むことである。このような装置の場合、極めて薄い内側のセプタム
と外側の電極との間に、静電界が形成される。このデフレクタは、ローレンツ力
を打ち消す働きをする外方に向けられた電気的な力を形成する。最後の内部軌道
と、抽出された軌道との間に配置されたセプタムは、電気的に接地電位にあるの
で、内部軌道の摂動はほとんどない。しかしながら、静電デフレクタを使用する
ことの主な欠点は、セプタムがビームの一部を遮断することである。これにより
、セプタムは放射化され、加熱され、従って最大抽出効率およびビーム強度が制
限されることになる。
【００３９】 本発明により提案される抽出スキームが、図３に示されている。この図３は、
サイクロトロンの中央平面を示す図である。欧州特許出願公開ＥＰ−Ａ−０２２
２７８６号明細書に記載されたものと同様の深い谷を有する小型のサイクロトロ
ンが、本発明を実施するのに好ましいサイクロトロンである。従って、４つの山
セクタ（３，４）と４つの谷セクタ（５）とから成る４重対称構造を有するこの
ようなサイクロトロンを、一例として取り上げる。しかしながら、３重対称構造
を有する、または４重対称構造よりも多重の同様の実施態様も可能である。前述
のようないくつかの部材、例えば、山セクタ、谷セクタ、真空チャンバー（９）
、円形コイル（６）、帰路ヨーク（２）および加速電極（１４）が、図３に示さ
れている。また、サイクロトロン内の最後の全旋回（１１）および抽出されたビ
ーム（１２）も図示されている。
【００４０】 本発明の１つの重要な特徴は、求められるローレンツ力の突然の低下は、磁極
エッジ近くの磁界が急速に低下することにより行われることである。磁界の急速
で十分な低下を実現させるために、山セクタにおける磁極相互間の鉛直方向ギャ
ップは小さくなければならない。最大半径の近くの山セクタにおける鉛直方向ギ
ャップと、この半径における粒子１旋回当たりの半径方向ゲインとの間の比率は
２０未満であるべきである。
【００４１】 磁極の外径近くの山セクタに設けられた鉛直方向ギャップの輪郭は、磁極最大
半径に向かって閉じる傾向を有する楕円または準楕円形状（２０）を備えている
と有利である。このような輪郭により、山セクタの外径に向かって極めて接近し
た粒子を加速することができ、しかもこの場合、磁界の集束作用および等時性は
失われない。また、上記輪郭により、磁極の半径を僅かに越えて急激な降下を示
す磁界を形成することが可能になる。その結果、抽出された軌道に作用する磁力
は、最後の内部軌道に作用する磁力よりも実質的に低い。
【００４２】 本発明の別の新しい重要な特徴は、サイクロトロンにおける少なくとも一対の
山セクタ（３）が他の対の山セクタ（４）よりも著しく長いことである。少なく
とも一対の山セクタが拡張していることにより、このセクタにおける磁界マップ
が拡張される。このセクタは、抽出プロセスと抽出されたビームの光学特性とを
最適化するように形成することができる。
【００４３】 本発明の別の新しい重要な特徴は、山セクタの上述のような拡張部において、
切欠き（７）が機械加工されており、この切欠きは、このセクタ上の抽出された
ビーム（１２）の形状に追従し、山セクタの小さなギャップと上述のような準楕
円形のギャップ輪郭（２０）とを組み合わせて、求められる磁界およびローレン
ツ力の突然の低下を引き起こすことである。この切欠き（７）の効果は、静電デ
フレクタの効果に匹敵するものであり、切欠きは静電デフレクタの代わりとなる
と云える。実際、切欠きは次のような意味において磁界にシャープな凹部を形成
する。すなわち、半径の関数として、磁界は急激に最小値まで降下するが、続い
て再び上昇し、程度の差こそあれ同じ初期値になるからである。このことは重要
である。なぜならば、よく知られた降下する磁界の形状の水平的な集束ずれ作用
により、抽出されたビームの品質が破壊されてしまうことを阻止するからである
。切欠きの幾何学的形状が、図４に山セクタのギャップの準楕円形状と共に示さ
れている。この図面は、磁界の形状および、特に、切欠き（７）によって形成さ
れた磁界のシャープな凹部（２００）をも示している。
【００４４】 図５においてさらに精確に説明した別の好ましい実施例によれば、切欠きの外
縁部が、拡張された山セクタの半径方向端部を超えて移動されていてもよい。こ
の場合、一種の「平坦部」（７’）が形成されるが、この平坦部はさらに山セク
タの鉛直方向ギャップが段状に増大し、それに関連して「平坦部」の内部近くで
磁界が突然低下すること（図示せず）により、特徴付けられる。
【００４５】 なお、サイクロトロン内のビームの密度分布は、旋回の中心で最大値を、２つ
の旋回の間で非ゼロの最小値を示す連続的なプロフィールである。このような最
小値に位置する粒子は、抽出プロセスにおけるビーム損失を引き起こす。このよ
うなビーム損失は、装置内の最後の内部軌道と、切欠きが配置されている方位角
における抽出された軌道との間の旋回分離を増大することにより減少される。ロ
ーレンツ力の突然の低下に加えて、このことは、ビームの効果的な抽出にとって
第２の非常に重要な要素となる。
【００４６】 本発明によれば、抽出半径の近くで旋回分離を増大するために、３つの個別の
方法が提供される。これら３つの方法全ては、抽出半径の上流側のサイクロトロ
ン磁界における第１の調波フーリエ成分を形成することに関連する。第１の調波
磁界成分は、その磁界が３６０度の範囲を有する方位角の正弦関数または余弦関
数のように挙動するという事実により特徴付けられる。このような第１の調波磁
界成分の振幅および方位位相を適正に選択することにより、ビームのコヒーレン
ト振動が引き起こされる。このビームのコヒーレント振動は、サイクロトロンに
おける所望の位置における旋回分離を増大する。
【００４７】 第１の好ましい実施例によれば、旋回分離を増大するための方法は、装置内の
比較的低い半径で、小さな調波補正コイル（４０ａおよび４０ｂ）を使用するこ
とにより特徴付けられる。図３に示す可能な構造が、１つの山セクタのギャップ
に上側および下側のコイル（４０ａ）を組み込むことになる。これらのコイルは
正の磁界成分を形成し、対向するセクタには負の磁界成分を形成する同じコイル
対が設けられる。このような第１の調波コイルセットで、コヒーレント振動の振
幅を変えることができるが、位相は固定されている。しかしこの第１の好ましい
実施例では、ビームは調波コイルと抽出半径との間でなおも数回旋回しなければ
ならない。さらに、コヒーレント振動の振幅だけを調節するのでは十分ではない
。第１のセットに対して９０度の方位角を成して、第２のコイルセットが組み込
まれているようなよりフレキシブルな構造がある。このような構造で、コヒーレ
ント振動の振幅および位相を変えることができる。４対の調波コイルの代わりに
３つの対が使用されるような他の構造も可能である。これらの３対の調波コイル
は１２０度だけ間隔を置いた方位角で取り付けられる。この３対の調波コイルは
、３重対称構造を有するサイクロトロンにとって好ましい構造となる。
【００４８】 第２の好ましい実施例によれば、旋回分離を増大するための方法は、拡張され
た山セクタに対して＋９０度および−９０度の方位に配置された２つの山セクタ
のギャップの輪郭を変えることにより特徴付けられる。このギャップの輪郭の変
更は、１つのセクタにおいてギャップ輪郭が凸部を含み、従って急速に閉じ、次
いで再び開き、また対向するセクタにおいてギャップ輪郭が凹部を含み、従って
急速に開き、次いで再び閉じるように行われる。両山セクタのギャップ輪郭は図
６の（ａ）および（ｂ）に示されている。このような抽出スキームは前述の方法
の変化実施例であり、図７に示されている。図７において、符号（４２ａ）は凸
部の所要の近似位置を示し、符号（４２ｂ）は凹部の所要の近似位置を示してい
る。このような構造は、切欠きが配置されている方位に対して９０度を成す方位
位相を有する強力な第１の調波成分を形成する。この方法において、第１の調波
半径と抽出半径との間の旋回はただ１回だけであり、従って第１の調波位相を調
節する必要はない。山セクタにおける第１の調波の半径方向輪郭および半径方向
位置は、装置内の最後の旋回がこの摂動によって強い影響を受け、最後から２番
目の旋回は影響を受けないようになっているのが理想的である。このことは磁界
輪郭の突然の変化を必要とする。この変化はやはり、山セクタの鉛直方向ギャッ
プが前述のように十分に小さい場合にだけ可能である。
【００４９】 図８に示した第３の好ましい実施例によれば、旋回分離を増大するための方法
は、対向する２つの谷に永久磁石（４４ａおよび４４ｂ）を配置することによっ
て特徴付けられる。永久磁石の配置は、一方の谷に正の鉛直方向磁界成分を形成
し、対向する谷に負の鉛直方向磁界成分を形成するように行われる。ビームの光
学的挙動に関する限り、この方法は前記方法と等価である。永久磁石は切欠きの
入口の方位に対して＋９０度および−９０度の方位に配置され、また、装置内の
最後の旋回が永久磁石の磁界によって影響を受け、最後から２番目の旋回が影響
を受けないような半径で配置されるべきである。このような方法は、谷セクタに
おいては、磁界レベルが、永久磁石の消磁の不都合を伴わずに永久磁石材料を使
用可能にするのに十分に低いという事実を利用するものである。この実施例にお
いても、第１の調波成分の半径方向輪郭のシャープな勾配が必要となる。このこ
とは、後で説明するように、永久磁石の特別な構造により達成することができる
。前記２つの方法の変化実施例であるこの抽出スキームは、図８に示されている
。図８において符号（４４ａ）および（４４ｂ）は所要の第１の調波磁界成分を
形成する永久磁石の、サイクロトロン内での近似位置を示す。
【００５０】 抽出されたビームが拡張された山セクタから出ると、このビームは切欠きによ
って形成された磁界形状の光学的影響により、水平方向に発散する。ビームを再
集束するために、勾配補正体が切欠きの出口で谷セクタに組み込まれている。図
面において、この勾配補正体は符号１０により示されている。
【００５１】 この勾配補正体の構成は以下のような特性を有していることが好ましい： −勾配補正体は永久磁石から構成され、永久磁石をシールドするために鉄また
は他の軟強磁性体を使用しない；このことは、谷内の外部磁界が比較的低いこと
により可能である、 −サイクロトロン内の内部軌道の摂動がほとんどない、 −完全に開いた鉛直方向ギャップがあり、従って、中央平面内の障害物により
、ビームの一部が不所望に遮断されることがない。
【００５２】 図９は勾配補正体の概略的な縦断面図である。抽出されたビームならびに内部
ビームの半径方向位置がこの図面に示されている。磁界の所要の負の勾配は基本
的には、図示の極性を有する４つの比較的大きい永久磁石（２５０）によって得
られる。しかしながら、内側には付加的な２つのより小さな永久磁石（３００）
が配置されている。これらの付加的な永久磁石は、内部ビームの位置で摂動する
磁界の大きさを補償するのに役立つ。こうして得られた磁界の形状は、実線によ
って図９に示されている。比較のために、このような補正なしで得られる磁界も
図示されている（破線）。
【００５３】 第１の調波磁界成分を谷に配置された永久磁石によって形成する抽出スキーム
に関連して、図９に示したものと同様の構成を、図８の符号（４４ａ）および（
４４ｂ）に使用することができる。しかしこの場合、活用されるのは集束作用で
はなく、装置の内径側における磁界の急速な上昇である。このような磁界の増大
は、小さな補償用永久磁石によって実現することもできる。既に前述したように
、このようなシャープな上昇は、最後の旋回が第１の調波磁界成分によって大き
な影響を受けるが、しかし最後から２番目の旋回は影響を受けないようにするた
めに必要となる。
【００５４】 図３，７および８に示したいくつかの実施例に、損失ビームストッパ（８）の
使用を提案することができると有利である。このビームストッパの目的は、不適
当に抽出され、ストッパなしでは放射化するか、またはサイクロトロンの不所望
の部分を損傷してしまうような僅かな量のビームを遮断することである。このビ
ームストッパにおけるビーム損失は、静電デフレクタを使用した通常の抽出法で
生じるセプタムにおけるビーム損失に匹敵する。しかしながら、提案した抽出法
の主な利点は、内部ビームと分離されたビームとの間の旋回分離が既に１０ｃｍ
オーダであるような場所に、このビームストッパを組み込むことができることで
ある。これにより、損失ビームのビーム密度が実質的に減じられ、水冷却がより
簡単かつ有効になる。従って加熱の問題はセプタムにおける加熱の問題よりも、
著しく少なくなる。さらに、冷却水中の熱のほとんど全てを放散させ、中性子放
射の形成を最小限に抑えるために、ビームストッパの構成および構造材料を最適
に選択することができる。静電デフレクタの場合、このような選択は自由ではな
い。なぜならば、高電界が存在するからである。損失ビームストッパの使用は、
静電デフレクタを用いたコンベンショナルな抽出を介して獲得するよりも、著し
く高い強度のビームを抽出することを可能にする。図１０は損失ビームストッパ
（８）の提案された構成を示している。この損失ビームストッパは、抽出された
ビーム（１２）の内側の後部を遮断するだけでなく、内部ビーム（１１）の外側
の後部をも遮断するように構成されている。こうして、ビームストッパを適切に
位置決めすることにより、ビームの低品質部分すべてを効果的に除去することが
できる。水圧を高くすることにより、冷却水は高速で狭い通路内に押し込まれる
。この高い速度は、実質的に冷却効果を高める。冷却水は薄いアルミニウム壁内
を通過する。従って熱のほとんどは水中で放散される。アルミニウムならびに水
における中性子の生産性は低い。
【００５５】 勾配補正体（１０）を通過した後、ビームは、真空チャンバーの出口（１７）
および帰路ヨークの出口（１８）を介してサイクロトロンを去る。この出口には
、ビームを水平方向および鉛直方向に集束させるために、二重につながる四極子
（１３）が配置されている。コンパクトな構成を可能にするために、四極子はシ
ールドされていない永久磁石（４００）から成っている。この実施例においても
、出口では外部磁界が低いので、シールドはやはり不要である。図１１は、四極
子の縦断面を示している。永久磁石（４００）の磁性が矢印によって示されてい
る。永久磁石の寸法は、四極子の内径のすべてにわたって生じる磁界内での制御
不能な非線形の影響を最小限にするために最適化されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施例による、小型のセクタ集束型サイクロトロンのための
磁気回路の下半部を三次元的に示す図である。
【図２】 図１に示したような磁気回路を示す縦断面図である。
【図３】 本発明の第１の好ましい実施例による小型のセクタ集束型サイクロトロンを、
中央平面に沿って示す図である。
【図４】 本発明の第１の好ましい実施例に対応する拡張された山セクタを示す縦断面図
である。
【図５】 本発明の好ましい他の実施例に対応する拡張された山セクタを示す縦断面図で
ある。
【図６】 （ａ）および（ｂ）は、本発明のさらに他の好ましい実施例による小型のセク
タ集束型サイクロトロンのための、互いに対向する山セクタに設けられたギャッ
プの輪郭を示す図である。
【図７】 図６の（ａ）および（ｂ）に示したような山セクタのギャップを有する、小型
のセクタ集束型サイクロトロンを中央平面に沿って示す図である。
【図８】 本発明の第３の好ましい実施例として、小型のセクタ集束型サイクロトロンを
中央平面に沿って示す図である。
【図９】 永久磁石の構造と磁界の形状とを示す、勾配補正体の縦断面図である。
【図１０】 冷却機構を説明するための損失ビームダンパの横断面図および縦断面図である
。
【図１１】 帰路ヨークの出口に配置された永久磁石四極子を示す縦断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年６月１２日（２００１．６．１２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超伝導式または非超伝導式の等時性セクタ集束型サイクロト
    ロンであって、磁気回路を構成する上側の磁極と下側の磁極とを備えた電磁石か
    ら成っており、磁極が「山」と呼ばれる少なくとも３対のセクタ（３，４）から
    成っており、「山」では前記セクタ間の鉛直方向ギャップは小さく、これらの山
    セクタは「谷」（５）と呼ばれるセクタを構成するスペースによって分離されて
    おり、「谷」では鉛直方向ギャップが大きく、前記サイクロトロンが少なくとも
    一対の主コイル（６）によって給電されるようになっている形式のものにおいて
    、 少なくとも一対の拡張された山セクタ（３）と、少なくとも一対の拡張されて
    いない山セクタ（４）とを有するために、少なくとも一対の上側および下側の山
    が残りの対の山セクタよりも著しく長く形成されており、磁界内の凹部（２００
    ）を形成するために、抽出された軌道の形状に追従する切欠き（７）または「平
    坦部」（７’）が、拡張された山セクタ（３）の前記対に設けられている ことを特徴とする前記超伝導式または非超伝導式の等時性セクタ集束型サイクロ
    トロン。
  2. 【請求項２】 拡張された２つのセクタ（３）が、拡張されていないセクタ
    （４）に比べて数センチメートル、好ましくは２〜１０センチメートルだけ長い
    請求項１記載のサイクロトロン。
  3. 【請求項３】 切欠きが、拡張された山セクタに完全に配置されるように、
    数センチメートルに限定されている請求項１または２記載のサイクロトロン。
  4. 【請求項４】 拡張された山セクタ（３）の半径方向端部を超えて切欠きの
    外縁部を移動することにより、「平坦部」（７’）が形成されている請求項１ま
    たは２記載のサイクロトロン。
  5. 【請求項５】 拡張されていない山セクタ（４）の鉛直方向ギャップ、なら
    びに、拡張された山セクタ（３）の鉛直方向ギャップが、本質的に楕円形輪郭（
    ２０）を有しており、この楕円形輪郭が、山セクタの半径方向端部で、中央平面
    （１００）に向かって閉じる傾向を有している請求項１から４までのいずれか１
    項記載のサイクロトロン。
  6. 【請求項６】 山セクタの鉛直方向ギャップに、少なくとも一組の調波コイ
    ル（４０ａおよび４０ｂ）が配置されており、該コイルが本質的に、その場所で
    の局地的な軌道の形状を有している請求項１から５までのいずれか１項記載のサ
    イクロトロン。
  7. 【請求項７】 互いに対向する山セクタに形成される鉛直方向ギャップ輪郭
    が、一方の輪郭が軌道の最後の旋回（１１）に高い凸部（４２ａ）を示し、他方
    の輪郭が軌道の最後の旋回（１１）に深い凹部（４２ｂ）を示すように変形され
    ている請求項１から５までのいずれか１項記載のサイクロトロン。
  8. 【請求項８】 互いに対向する２つの谷に、永久磁石（４４ａおよび４４ｂ
    ）が配置されて、一方の谷にはシャープな磁界凸部が軌道の最後の旋回（１１）
    に形成され、対向する谷には磁界凹部が軌道の最後の旋回（１１）に形成される
    ようになっている請求項１から５までのいずれか１項記載のサイクロトロン。
  9. 【請求項９】 切欠き（７）の出口として勾配補正体（１０）が存在してい
    る請求項１から８までのいずれか１項記載のサイクロトロン。
  10. 【請求項１０】 勾配補正体（１０）が、シールドされていない永久磁石（
    ２５０）から成っており、内部軌道で摂動する磁界を最小限にするために、完全
    に開いた鉛直方向ギャップと、小さな補償用永久磁石（３００）とを有している
    請求項９記載のサイクロトロン。
  11. 【請求項１１】 抽出されたビーム（１２）と軌道の最後の旋回（１１）と
    の間に著しい旋回分離が生じている方位で、勾配補正体（１０）の出口の後方に
    、損失ビームストッパ（８）が配置されている請求項１から１０までのいずれか
    １項記載のサイクロトロン。
  12. 【請求項１２】 帰路ヨーク（２）に、水平方向および鉛直方向に集束作用
    を有する一対の四極子（１３）が、シールドされていない永久磁石（４００）か
    ら成る真空出口（１７）の後方に配置されている請求項１から１１までのいずれ
    か１項記載のサイクロトロン。
  13. 【請求項１３】 請求項１から１２までのいずれか１項記載の等時性セクタ
    集束型サイクロトロンから荷電粒子ビームを抽出する方法であって、軌道の最後
    の旋回（１１）に生じる磁界のシャープな凹部（２００）を、粒子のビームを抽
    出するのに用いることを特徴とする等時性セクタ集束型サイクロトロンから荷電
    粒子ビームを抽出する方法。
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