JP2009231006A - フォイルストリッパー及び粒子加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームスペースを阻害することなく、１個のフォイルストリッパーにより複数のターゲットに加速粒子を誘導させることができるフォイルストリッパーを提供する。
【解決手段】本発明に係るフォイルストリッパー４６は、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパー４６であって、弧状に形成されたガイド５１と、加速粒子の軌道を曲げるためのフォイル４７がガイド５１の弧状の軌道より内側に位置するように備えられ、ガイド５１に沿って移動可能な移動体５２と、移動体５２に連結され、移動体５２を移動させるための駆動力を与える駆動機構５６と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパー及びこれを備える粒子加速器に関する。

サイクロトロンなどの粒子加速器では、通常、一様な磁場がかかっている状態で引き出された加速粒子が、高周波加速空洞（ＲＦキャビティ）において生成される電界により多重加速される。そして、加速に伴って軌道半径が大きくなり、最後にフォイルストリッパーのフォイルにより軌道を曲げられて、放射性同位元素を生成するためのターゲットに誘導される（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−３８６２８号公報

このような粒子加速器において、１つのフォイルストリッパーで、より多くのターゲットに対応することができれば好ましい。そこで、マグネットの外周における円周方向に複数のターゲットを設け、１個のフォイルストリッパーを加速粒子の軌道に沿って移動させることにより、各ターゲットに加速粒子を誘導することが考えられる。

しかしながら、フォイルストリッパーを移動させて複数のターゲットに加速粒子を誘導する場合、加速粒子を加速させるビーム加速空間の中に、フォイルストリッパーを移動させるための機構が配置されると、ビームスペースが阻害されてサイクロトロンにより生成されるビーム量が減少する可能性があった。

本発明は、上記の問題点を解決し、ビームスペースを阻害することなく、１個のフォイルストリッパーにより複数のターゲットに加速粒子を誘導させることができるフォイルストリッパー及び粒子加速器を提供することを目的とする。

本発明に係るフォイルストリッパーは、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパーであって、弧状に形成されたガイドと、加速粒子の軌道を曲げるためのフォイルがガイドの弧状の軌道より内側に位置するように備えられ、ガイドに沿って移動可能な移動体と、移動体に連結され、移動体を移動させるための駆動力を与える駆動手段と、を備えている。

この構成により、フォイルストリッパーの全ての構成要素を、加速粒子の軌道上に配置されるフォイルより外側に設置することができるので、ビームスペースを阻害することなく、１個のフォイルストリッパーにより複数のターゲットに加速粒子を誘導させることできる。

本発明に係るフォイルストリッパーでは、移動体は、ガイドによる軌道に沿って延びる外周部を備え、この外周部にはセクターギアが設けられており、駆動手段は、セクターギアを介して移動体に駆動力を与えるのが好適である。

この構成により、セクターギアを介して移動体に駆動力が与えられるので、ワイヤ等で駆動する場合と比較して移動体と駆動手段との連結部分が磨耗や劣化を生じにくくなり、長期の安定した制御が実現できる。

本発明に係るフォイルストリッパーでは、移動体には、ローラが回転自在に設けられており、ローラはガイドの側面からガイドに係合されることによって、移動体がガイドに沿って移動可能となるのが好適である。

この構成により、ガイドと移動体との係合部分は、少なくとも一対のローラが回転可能な状態でガイドに係合されていれば良いので、例えば嵌合によるスライド機構などのように加工精度や摩擦抵抗について厳密に考慮する必要がないので、係合部分の設計や整備が簡便になる。

また、本発明に係る粒子加速器は、それぞれが円板状に形成されて対向配置される一対の磁極と、一対の磁極の外周側に配置され、弧状に形成されたガイドと、加速粒子の軌道を曲げるためのフォイルが一対の磁極の間に配置されるように備えられ、ガイドに沿って移動可能な移動体と、移動体に連結され、移動体を移動させるための駆動力を与える駆動手段と、を備えている。

この構成により、フォイルを移動させるための全ての構成要素が、加速粒子の軌道がある一対の磁極の外周部に設置されるので、ビームスペースを阻害することなく、１個のフォイルストリッパーにより複数のターゲットに加速粒子を誘導させることできる。

本発明に係るフォイルストリッパー及び粒子加速器によると、ビームスペースを阻害することなく、１個のフォイルストリッパーにより複数のターゲットに加速粒子を誘導させることできる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る粒子加速器としてサイクロトロン１０の構成を示す正面図である。図１に示すように、サイクロトロン１０は、一対の磁極１６と、図示しない一対のコイルと、真空箱２０と、一対の加速電極２２と、フォイルストリッパー４６と、ターゲット４８ａ〜４８ｃと、を備えている。

一対の磁極１６は、図１及び図２に示すように、それぞれ円板状の外形を有する。これら磁極１６の対向する面には、それぞれ谷領域１６ａと山領域１６ｂとが交互に連続して設けられている。より詳細には、これら磁極１６の対向する面は、それぞれ４つの谷領域１６ａと４つの山領域１６ｂとが交互に現れる８つの扇形のセクタに分割されている。このように構成することで、セクターフォーカシングを利用して加速粒子の軌道の収束効果を高めている。

真空箱２０は、図１に示すように、箱本体２１と図示しない箱蓋とを有している。箱本体２１の底壁部２１ａには、磁極１６の外形と略同径の開口部２１ｂが設けられており、この開口部２１ｂから、一方の磁極１６の谷領域１６ａ及び山領域１６ｂを備える面が、真空箱２０に突出されている。また、箱本体２１には真空排気用の排気口（図示せず）が設けられており、この排気口には図示しない真空ポンプが接続されている。箱蓋は、真空ポンプによって真空箱２０内を真空化できるように、箱本体２１の上部開口を塞いでいる。箱蓋には、箱本体２１と同様に、他方の磁極１６の谷領域１６ａ及び山領域１６ｂを備える面を真空箱２０に突出させるために、磁極１６の外形と略同径の開口部が設けられている。

図示しない一対のコイルは、一対の磁極１６の側面の周りにそれぞれ設けられており、電磁石が構成されている。

一対の加速電極２２は、図１に示すように、それぞれ正面視において三角形状をなす。各加速電極２２は、例えば銅等の電気導体から構成されており、上下２枚の三角板を底辺で連結して構成されている。そして、加速電極２２の板面には冷却用の冷媒を通すための管３２が設けられている。

これら一対の加速電極２２は、一対の磁極１６の谷領域１６ａに位置する。そして、加速電極２２の先端部同士が、図１に示すように、蝶の羽のような外形を有する接続部材３４により、機械的且つ電気的に接続されている。

加速電極２２の一方の側方には、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパー４６が設けられている。フォイルストリッパー４６には４枚のフォイル４７（図３参照）が備えられており、そのうちの１枚のフォイルが、加速粒子の軌道上に配置されている。このフォイルは、加速粒子の軌道上の第１の所定位置１０１ａ、第２の所定位置１０１ｂ、第３の所定位置１０１ｃ及び第４の所定位置１０１ｄに位置決めされるように、フォイルストリッパー４６により移動される。

フォイルストリッパー４６のフォイル４７が第１の所定位置１０１ａ、第２の所定位置１０１ｂ及び第３の所定位置１０１ｃに位置決めされたときのフォイル４７通過後の加速粒子の軌道上には、放射性同位元素を生成するための第１のターゲット４８ａ、第２のターゲット４８ｂ、第３のターゲット４８ｃがそれぞれ設けられている。各ターゲットには、加速粒子を導入する入口に、ターゲットに導入される加速粒子のビーム幅を限定するためのコリメータ４９ａ、４９ｂ、４９ｃが設けられている。

次に、図３及び図４を参照して、フォイルストリッパー４６の詳細について説明する。図３は、フォイルストリッパー４６の詳細な構成を示す図である。図４は、図３のIV−IV断面図である。

フォイルストリッパー４６は、図３に示すように、ガイド５１と、移動体５２と、駆動機構５６と、フォイルチェンジャ６３と、図示しない制御装置と、を備えている。

ガイド５１は、一対の磁極１６の外周側に配置され、弧状の形状に沿った外側、内側に側面５１ａ、５１ｂをもつ板材である。ガイド５１がなす弧は、ガイド５１近傍の加速粒子のビーム軌道上の３点１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを通る円弧と同一の中心点をもつように設計してある。ガイド５１のなす弧の曲率中心は、磁極１６の中心Ｏとは異なる点Ｐであり、また、その曲率半径は、磁極１６の半径より小さい。

ガイド５１には、移動体５２がガイド５１に沿って移動可能に係合されている。移動体５２は、４枚のフォイル４７を有するフォイルカセットユニット５０を備える。フォイルカセットユニット５０は、４枚のフォイル４７のうち１枚のフォイルがガイド５１のなす弧より内側に位置し、加速粒子の軌道上に配置されるように移動体５２に備えられている。この１枚のフォイルが、加速粒子を通過させて軌道を磁極１６の遠心方向に曲げるために用いられ、残りの３枚のフォイルは交換用の予備フォイルとしてフォイルカセットユニット５０に備えられている。

また、移動体５２には、フォイルカセットユニット５０を備える面の裏面に、二対のつば付ローラ５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂが、それぞれ移動体５２の裏面と直交する回転軸で回転自在に設けられている。このうち、ローラ５３ａ、５４ａは、ガイドの外側面５１ａと係合するように配置されており、ローラ５３ｂ、５４ｂは、ガイドの内側面５１ｂと係合するように配置されている。すなわち、移動体５２は、図４に示すように、一対のつば付ローラ５３ａ、５３ｂのそれぞれによって、ガイド５１の外側の側面５１ａ及び内側の側面５１ｂからガイドに係合されている。また、移動体５２は、一対のつば付ローラ５４ａ、５４ｂのそれぞれによって、ガイド５１の外側の側面５１ａ及び内側の側面５１ｂからガイドに係合されている。これにより、移動体５２は、ガイド５１に沿って移動可能となる。

また、移動体５２は、ガイド５１の弧状の軌道に沿って外周面を備えており、この外周面にはセクターギア５５が設けられている。

移動体５２のセクターギア５５を介して、移動体５２を移動させるための駆動力を与える駆動機構５６が、移動体５２に連結されている。駆動機構５６は、図４に示すように、ステッピングモータ５７と、回転を減速するとともに、直交方向の回転に変換する歯車機構を有している。この歯車機構は、ステッピングモータ５７の回転軸である第１の軸５８と、この第１の軸５８に取り付けられた第１のかさ歯車５９と、第１のかさ歯車５９に噛み合わされ、これと直交する第２のかさ歯車６０と、第２のかさ歯車６０の回転中心である第２の軸６１と、この第２の軸６１に取り付けられたピニオンギア６２と、を備えている。図３に示すように、ピニオンギア６２が、移動体５２のセクターギア５５と噛み合わされている。

また、フォイルストリッパー４６には、フォイルチェンジャ６３が設けられている。フォイルストリッパー４６は、加速粒子の軌道上に配置されるフォイル４７が長期使用などにより消耗して劣化や破損を生じた場合に、フォイルチェンジャ６３を利用して新たなフォイルに交換することができる。フォイルチェンジャ６３は、フォイル４７が第３の所定位置１０１ｃから第４の所定位置１０１ｄまで移動されるときに、フォイルカセットユニット５０と接触することにより、加速粒子の軌道上に配置されるフォイル４７を交換するよう構成されている。

フォイルストリッパー４６は、図示しない制御装置を有しており、この制御装置により、フォイル４７の位置のフィードバック制御を行う。具体的には、各ターゲット４８ａ〜４８ｃの入口に備えられた一対のコリメータ４９ａ〜４９ｃによって、電流値が検出される。これらの電流値はビームが当たる面積が多いほど大きな値をとるので、これらの電流値を比較することで、ビーム径の中心とターゲット入口の中心との相対的なずれを検知することができる。すなわち、一方の電流値が大きいときには、その電流値の検出箇所の方向にビームが偏っていることを示し、また、両方の電流値が同一のときには、ビーム径の中心とターゲット入口の中心が一致して、ビームが所望のターゲットに正確に導入されていることを示す。

フォイルストリッパー４６の図示しない制御装置は、ターゲット４８ａ〜４８ｃのうちビームを導入させたいターゲットの入口に備えられた一対のコリメータにより測定された電流値の差分に応じて、ステッピングモータ５７への制御指令をフィードバック制御する。これにより、ビーム軌道上のフォイル４７の位置が調整されて、ビーム径の中心がターゲット入口の中心と一致するようになる。

次に、上述したような構成のサイクロトロン１０及びフォイルストリッパー４６の作用について説明する。

磁極１６の中心部に設けられたビーム引出し部Ｏから、陽子或いは重陽子といった加速粒子が、磁極１６により一様な磁場がかけられている空間に引き出され、ＲＦキャビティにより生成される電界により多重加速される。加速粒子は、加速に伴って軌道半径が大きくなっていく。

フォイルストリッパー４６において、駆動機構５６のステッピングモータ５７が駆動されて、駆動機構５６内の歯車機構を介してピニオンギア６２が回転する。このピニオンギア６２に噛み合っている移動体５２のセクターギア５５が連動し、移動体５２がガイド５１に沿って移動する。そして、移動体５２に搭載されたフォイルカセットユニット５０のフォイル４７は、第１の所定位置１０１ａ、第２の所定位置１０１ｂ又は第３の所定位置１０１ｃに位置決めされる。

多重加速され、軌道半径が大きくなった加速粒子は、最後にフォイルストリッパー４６のフォイル４７により軌道の曲率中心が、磁極１６の内側から外側に変わるような軌道となってターゲットに導入される。本実施形態では、フォイル４７が第１の所定位置１０１ａにある場合には、加速粒子は第１のターゲット４８ａに導入される。フォイル４７が第２の所定位置１０１ｂにある場合には、加速粒子は第２のターゲット４８ｂに導入される。フォイル４７が第３の所定位置１０１ｃにある場合には、加速粒子は第３のターゲット４８ｃに導入される。

以上説明したように、本実施形態に係るサイクロトロン１０及びフォイルストリッパー４６は、フォイルストリッパー４６を加速粒子の軌道に沿って移動させることができるので、１個のフォイルストリッパー４６により複数のターゲット４８ａ〜４８ｃに加速粒子を誘導させることできる。また、フォイルストリッパー４６の構成要素であるガイド５１、移動体５２及び駆動機構５６が、加速粒子の軌道がある磁極１６の外周側に設置されるので、ビームスペースを阻害することがない。

また、フォイルストリッパー４６において、駆動機構５６のピニオンギア６２と、移動体５２のセクターギア５５とを介して、移動体５２に駆動力が与えられるので、ワイヤ等で駆動する場合と比較して移動体５２と駆動機構５６との連結部分が磨耗や劣化を生じにくくなり、長期の安定した制御が実現できる。

また、フォイルストリッパー４６において、移動体５２の二対のつば付ローラ５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂが、ガイド５１の両側面５１ａ、５１ｂからガイド５１に係合されるので、例えば嵌合によるスライド機構などのように加工精度や摩擦抵抗について厳密に考慮する必要がなく、ガイド５１と移動体５２との係合部分の設計や整備が簡便になる

なお、本発明は上記の実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、フォイルストリッパー４６の駆動機構５６は、ギヤ機構以外のフリクション機構などでもよく、また、クランクを利用したシリンダ機構でもよい。

また、１個のフォイルストリッパー４６から加速粒子を導入するターゲットの数は、３個以外の複数個でもよい。

さらに、上記実施形態では、１個のフォイルストリッパー４６を用いて１箇所から加速粒子を取り出していたが、複数のフォイルストリッパーを加速粒子の軌道上に等間隔に配列して、同時に複数箇所から加速粒子を取り出すように構成してもよい。

本実施形態に係る粒子加速器としてサイクロトロンの構成を示す正面図である。 一対の磁極の構成を示す斜視図である。 フォイルストリッパーの詳細な構成を示す図である。 図３のIV−IV断面図である。

符号の説明

１０…サイクロトロン、１６…磁極、２２…加速電極、４６…フォイルストリッパー、４７…フォイル、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ…ターゲット、５０…フォイルカセットユニット、５１…ガイド、５１ａ…外側面、５１ｂ…内側面、５２…移動体、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ…つば付ローラ、５５…セクターギア、５６…駆動機構（駆動手段）。

Claims (4)

1. 加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパーであって、
   弧状に形成されたガイドと、
   前記加速粒子の軌道を曲げるためのフォイルが前記ガイドの弧状の軌道より内側に位置するように備えられ、前記ガイドに沿って移動可能な移動体と、
   前記移動体に連結され、前記移動体を移動させるための駆動力を与える駆動手段と、
   を備えるフォイルストリッパー。
2. 前記移動体は、前記ガイドによる軌道に沿って延びる外周部を備え、該外周部にはセクターギアが設けられており、
   前記駆動手段は、前記セクターギアを介して前記移動体に駆動力を与える、
   請求項１に記載のフォイルストリッパー。
3. 前記移動体には、ローラが回転自在に設けられており、
   前記ローラは前記ガイドの側面から前記ガイドに係合されることによって、前記移動体が前記ガイドに沿って移動可能となる、
   請求項１又は２に記載のフォイルストリッパー。
4. それぞれが円板状に形成されて対向配置される一対の磁極と、
   前記一対の磁極の外周側に配置され、弧状に形成されたガイドと、
   加速粒子の軌道を曲げるためのフォイルが前記一対の磁極の間に配置されるように備えられ、前記ガイドに沿って移動可能な移動体と、
   前記移動体に連結され、前記移動体を移動させるための駆動力を与える駆動手段と、
   を備える粒子加速器。
   

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