JP2013541170A - シンクロサイクロトロン - Google Patents

Abstract

シンクロサイクロトロンは、半径Ｒの略円形の断面を有し、正中面（２）の両側に配置され、中心軸（１）上に中心のある一対のポール（５、５’）を有する強磁性構造体（４）を備える。これらポール（５、５’）は、正中面（２）に対して実質的に対称なプロファイルを有するキャビティ（９）を形成するギャップによって離隔される。このギャップの高さは半径方向において変化して、ギャップのプロファイルは、中心軸（１）から順に、中心軸（１）上に中心のある半径Ｒ２の円形断面の第一の部分（６、７）であって、その中心におけるギャップの高さがＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}に等しく、ギャップの高さが半径Ｒ２における最大値Ｈ_ｍａｘに向けて徐々に増大する、第一の部分（６，７）と、第一の部分（６、７）を取り囲み、そのギャップの高さがポール（５、５’）の縁における高さＨ_ｅｄｇｅに向けて徐々に減少する環状断面の第二の部分（８）とを備える。

Description

本発明は、シンクロサイクロトロンに関する。

シンクロサイクロトロンは、サイクロトロンと同様に、二本のポールの間に設けられて、粒子を加速させるように設計されたキャビティを半径方向に取り囲む放射状の二つの磁気誘導コイルを備えた磁石構造を有し、そのキャビティは、中心軸を備え、その中心軸に垂直に正中面が広がっている。粒子は、中心軸付近でキャビティ内に配置された粒子源において生成され、高周波交流電圧源によって電力供給される加速電極によって、螺旋軌跡に沿って正中面において粒子源から抽出されて加速される。このようなシンクロサイクロトロンは、ハドロン治療において益々用いられてきている。

同じ周波数で粒子が加速されるサイクロトロンとは異なり、シンクロサイクロトロンでは、加速電極によって印加される電場の周波数は、粒子の速度が増大した際に相対質量の増大を補償するように変調される。

サイクロトロンのサイズを減少させるためには、加速中にイオンを誘導する磁場を増大させる必要がある。ビームの垂直方向集束が空隙内に配置された磁気セクタによって達成されるアイソクロナスサイクロトロンでは、垂直方向集束が不十分になるので、５テスラ以上に平均磁場を増大させることが難しい。逆に、シンクロサイクロトロンでは、原理的には、制限なく、磁場レベルを増大させることができる。また、シンクロサイクロトロンは、サイクロトロンよりも小型であり、シンクロサイクロトロンのサイズは、二本のポールの間に発生する磁場に比例して小さくなる。

特許文献１及び特許文献２には、誘導コイルが４．５Ｋに冷却されて５Ｔ〜１１Ｔの間の磁場を発生させることができる超伝導体製であるシンクロサイクロトロンが記載されている。Ｎｂ_３Ｓｎ製の誘導コイルに対しては、温度を２Ｋに下げることによって、１４Ｔの磁場を発生させることができる。軟鉄製のシリンダーヘッドは略２テスラの追加磁場を提供する。シンクロサイクロトロンのサイズを減少させるため、上記文献では、ポールの空隙内に高磁場を発生させることが提案されている。しかしながら、磁場が６Ｔ以上に増大すると、上記文献で示唆されているように、望ましくない効果が表れる。従って、非常に高い磁場が、粒子によって仮定される第一軌道の半径を減少させて、粒子が第一回転でイオン源を迂回することができないので、サイクロトロンの中心領域を引き出すことが不可能又は非常に難しくなる。６Ｔ以上の磁場の第二の欠点は、抽出デバイスの製造が非常に複雑になる点である。サイクロトロンの中心における６Ｔ以上の磁場の第三の欠点は、このような磁場に対して、コイル内の磁場が、ニオブチタン合金をコイルに使用することができる磁場を超えてしまう点である。従って、はるかに高価なＮｂ_３Ｓｎ合金を使用する必要がある。

上述のシンクロサイクロトロンは、二本のポールを備え、そのプロファイルは、正中面における加速粒子の弱い集束及び位相安定性を許容して、荷電粒子が、ポールの空隙における加速を維持するのに十分なエネルギーを獲得するようにする。シンクロサイクロトロンの空隙に発生する磁場において、荷電加速粒子は、平衡軌道周りで半径方向及び軸方向に振動する。半径方向の振動数ν_ｒは以下のように与えられる：

軸方向の振動数ν_ｚは以下のように与えられる：

ここで、ｎは磁場集束指標であって、以下のように与えられる：
ｎ＝−（ｒ／Ｂ）×（ｄＢ／ｄｒ） （ＩＩＩ）
ここで、ｒは、粒子の軌道半径であり、その半径の原点は中心軸上の点を通過し、Ｂはその半径における磁場である。

理論的には、ｎ＞０、つまりｄＢ／ｄｒが負である場合に、軸方向の集束力が存在することを示すことができる。そうすると、シンクロサイクロトロンは、磁場集束指標によって設定される条件に合致するように半径の関数として減少する発展磁場プロファイルを有さなければならない。一般的に、粒子の加速用のキャビティにおいて、磁場集束指標が０．２以下であるポールプロファイルを有するようにする措置がとられる。ポールの最大半径に近づくと、磁場が半径の関数として急速に減少し、磁場指標が増大し、半径方向の振動数ν_ｒが減少し、軸方向の振動数ν_ｚが増大する。ｎ＝０．２の場合、ν_ｒ＝２ν_ｚの特定の条件となる。この特定の条件では、ウォーキンショー共鳴として知られているように、半径方向の振動のエネルギーを軸方向の振動に移すことができる。これは、ビームの軸方向サイズを増大させて、一般的には、加速イオンの大部分の損失をもたらす。この現象を回避するため、シンクロサイクロトロンは、ポールの縁に配置されたポールウイングを備え、磁場指標が０．２に等しくなる前に空隙を減少させて、磁場を局所的に増大させて、粒子損失を防止する。

上述の二つの特許文献で説明されているように、高磁場のシンクロサイクロトロンの場合、磁場集束指標ｎによって設定される条件に合致して、正中面において粒子を集束することができるようにするためには、ポールのプロファイルが、空隙が十分な磁場を発生させるのに十分狭い中心軸に隣接した領域から、空隙が最大であり高さが中心軸に隣接する空隙の領域の高さよりも少なくとも２倍であるポールウイング近くの領域に向けて展開するものでなければならない。ポールは、ポールの空隙を徐々に広げるように傾斜した表面を備え、空隙が最大であるポールの領域が、互いに鋭角を成す二つの表面の間に設けられる。特許文献２の図２では、ウイング１３４と表面１３０との間の接合が鋭角を成す。このように深くて細い領域を備えたポールプロファイルは正確に機械加工するのが比較的難しい。

非特許文献１には、５．５Ｔの磁場を発生させる空隙を備えたシンクロサイクロトロンが記載されている。粒子源の出力における粒子損失は、このような磁場ではあまり顕著ではない。しかしながら、シンクロサイクロトロンのポール間の空隙は、上述のシンクロサイクロトロンのように、比較的狭く、中心領域内に粒子源を導入するのにシリンダーヘッドの中心軸に沿ってシリンダーヘッドに孔を開ける必要がある。シリンダーヘッドに孔を開けることは、加速器キャビティの中心における磁場を局所的に変更して、粒子源近傍の磁場が初めは半径と共に最大値へと増大し、その後、半径と共に僅かに減少する。従って、磁場集束指標は、初めは負であり、短い半径にわたる粒子の軌跡のデフォーカスを生じさせる。この効果は、粒子源の半径と共に増大して、シリンダーヘッド内の孔の直径及び粒子源の直径を最少化する必要があり、粒子生成性能を低下させる。結果として、磁場を補償する円形金属ピース（一般的にシムと称される）を挿入する必要がある。

上述のシンクロサイクロトロンの他の欠点は、加速電極及び伝送線を備えた高周波振動回路を挿入するのに利用可能な空間の小ささである。この空間の欠如は、加速電極と伝送線との間の距離を短くすることを要して、これら二つの素子間の容量を増大させる。容量の増大は、加速電極において所望のＡＣ周波数を発生させるのにより多くの電力を電圧源において必要とする。

米国特許第７５４１９０５号明細書 米国特許第７６９６８４７号明細書

Ｘ．Ｗｕ、"Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｒｄｅｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａ ２５０ ＭｅＶ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ"、博士課程学位論文、ミシガン州立大学、１９９０年

粒子源からの粒子の抽出の問題を最少化して、シンクロサイクロトロンの製造コストを低下させるため、シンクロサイクロトロンの二本のポール間に設けられた空隙内の磁場を最少化する一方で、シンクロサイクロトロンのサイズを最少化する必要がある。

また、ポールのプロファイルが磁場集束指標によって設定される条件に合致して、機械加工の簡単なシンクロサイクロトロンを製造することも望まれている。

また、二本のポール間の空隙が粒子源及び高周波振動回路の簡単な挿入を可能にして、従来技術のシンクロサイクロトロンにおける問題を回避することができるシンクロサイクロトロンを製造することも望まれている。

本発明は、強磁性構造体、冷質量構造体及び粒子源を備えたシンクロサイクロトロンに関する。強磁性構造体は一般的に、中心軸に対して同軸上に配置され、正中面に対して平行で実質的に対称なディスク状の二つのシリンダーヘッドプレートと、半径Ｒの略円形の断面を有し、正中面の両側に配置され、中心軸上に中心があり、キャビティを形成する空隙によって離隔された一対のポールと、ポールを取り囲み、二つのシリンダーヘッドプレートを接続するフローリターン部とを備える。冷質量構造体は一般的に、少なくとも二つの磁気誘導コイルを含み、フローリターン部によって取り囲まれ、ポールを取り囲む。粒子源は一般的に、キャビティの半径Ｒよりも小さな半径Ｒ１の第一の円形領域内においてキャビティ内に配置され、その半径Ｒ１の原点は中心軸上の点である。キャビティの空隙は通常、正中面に対して実質的に対称なプロファイルを有し、その高さは半径方向において変化する。空隙のプロファイルは、中心軸から順に、中心軸上に中心のある半径Ｒ２の円形断面を有し、その中心における空隙の高さがＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}に等しく、その高さが半径Ｒ２における最大高さＨ_ｍａｘに向けて徐々に増大する第一の部分と、第一の部分を取り囲み、その空隙の高さがポールの縁における高さＨ_ｅｄｇｅに向けて徐々に減少する環状断面の第二の部分（第二の環状領域とも称される）とを含む。本発明の第一の側面によると、空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}は１０ｃｍよりも大きく、最大高さＨ_ｍａｘ対高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の比は１．１から１．５の間であり、有利には１．２から１．５の間であり、好ましくは１．２から１．４の間である。エアギャップのこのプロファイルでは、コイル及び強磁性構造体によってキャビティ内に生成される平均磁場が４Ｔから７Ｔの間となり得る点に留意されたい。

好ましくは、第一の部分は、中心軸上に中心のあるＲ２よりも小さな半径Ｒ１を有し、その空隙の高さが一定で高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}である中心サブ部分（領域６とも称される）を備える。

ポールは、有利には、中心軸上に中心のある一組の傾斜環状表面を備え、その各表面は、それに隣接する表面と、厳密に９０°よりも大きい、好ましくは１２０°よりも大きい、更に好ましくは１４０°よりも大きい角度αを成す。

好ましくは、中心サブ部分（中心領域）は、キャビティの半径Ｒの２０％よりも小さな直径Ｒ１にわたって延伸し、環状サブ部分（第一の環状領域）は、半径Ｒ１と、キャビティ９の半径Ｒの９５％よりも小さな半径Ｒ２との間で延伸する。

好ましい一実施形態では、中心サブ部分（中心領域）は、キャビティの半径Ｒの略１０％の半径Ｒ１にわたって延伸し、第一の環状サブ部分は、その半径Ｒ１と、キャビティの半径Ｒの略７０％の半径Ｒ２との間で延伸する。

粒子源は有利には、中心サブ部分内に配置されて、正中面に実質的に平行にキャビティ内に挿入された支持体によって保持される。

空隙の比較的大きな高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}のため、粒子源が空隙の中心領域内に半径方向に導入可能であるので、ポールは有利には中実であり得る点に留意されたい。

また、比較的弱い磁場のため、磁気誘導コイルがＮｂＴｉ製となり得る点にも留意されたい。

他の側面によると、本発明は、以下のステップを備えたシンクロサイクロトロンの製造方法に関する：
‐ 中心軸の近傍におけるポール間の空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}を１０ｃｍよりも大きくなるように設定するステップと、
‐ 空隙の最大高さＨ_ｍａｘを、高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の少なくとも１．１倍よりも大きくて、且つ高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の１．５倍よりも小さくなるように設定するステップと、
‐ 粒子加速キャビティを形成するポールを取り囲む磁気誘導コイル内の磁場を設定するステップと、
‐ ポール間の空隙が磁場集束指標−（ｒ／Ｂ）×（ｄＢ／ｄｒ）によって設定される条件に合致するようにポール間に粒子加速キャビティが得られるように、Ｈ_{ｃｅｎｔｅｒ}及びＨ_ｍａｘ並びに磁場コイルを考慮して、ポールのプロファイル並びに磁気誘導コイル３の寸法及び位置を最適化するステップとを備え、ここで、ｒは、粒子の軌道半径であり、その半径の中心は中心軸上の点を通過して、Ｂはその半径における磁場であり、ｎは厳密に０から０．２の間である必要がある。

以下、添付図面を参照して、一例として本発明の実施形態を説明する。

本発明の一実施形態に係るシンクロサイクロトロンの単純化した断面図であり、切断面がシンクロサイクロトロンの中心軸を含み、その断面図はシンクロサイクロトロンの強磁性構造体を主に示している。 図１の断面図と同一の断面図であり、粒子源も概略的に示している。

図１及び図２は、本発明に係るシンクロサイクロトロンを概略的に示す。シンクロサイクロトロンの一部が図面を煩雑にしないために図示されていない点に留意されたい。

本発明を非限定的に例示するために図面に示されるシンクロサイクロトロンは、
‐ 強磁性構造体４であって、
○ シンクロサイクロトロンの中心軸１に対して同軸上に且つ正中面２に対して平行で実質的に対称に配置されたディスク状のシリンダーヘッドプレート１６、１６’と称される二枚のベースプレート、
○ 半径Ｒの略円形の断面を有し、シンクロサイクロトロンの正中面２の両側に配置され、中心軸１上に中心が置かれて、且つキャビティ９を形成する空隙で離隔されている一対のポール５、５’、及び
○ ポール５、５’を取り囲み且つ二つのシリンダーヘッド１６、１６’を接続するフローリターン部１７を備えた強磁性構造体４と、
‐ フローリターン部１７によって取り囲まれ且つポール５、５’を取り囲む少なくとも二つの磁気誘導コイル３を含む冷質量構造体と、
‐ キャビティ９の半径Ｒよりも小さい半径Ｒ１を有し、その半径の原点が中心軸１上の点である円形断面を有する第一の領域６内においてキャビティ９内に配置された粒子源１１（図２を参照）と、
‐ フローリターン部１７の外側に配置された高周波電圧源１４（図２を参照）と、
‐ 高周波電圧源１４に結合された加速電極（図２を参照）であって、実質的に半円形であり、ギャップによって互いに離隔されていて、キャビティ９内に配置されていて、正中面２の両側に対して平行で対称的に延伸していて、且つ、粒子源に向き合っている一対の平行プレート１２を備えた加速電極と、
‐ 加速電極１２を取り囲み且つ電極１２から特定の距離に配置された伝送線１３とを備える。

好ましい一側面によると、シンクロトロンのポール５，５’間の空隙内に発生させる磁場は以下のように選択される：
‐ ２００ＭｅＶから２５０ＭｅＶの間のエネルギーで粒子を加速させるのに十分高いように；
‐ 過度に高い磁場の作用の下で粒子源から出て行く粒子が粒子源上に戻るのを防止するように；且つ
‐ シンクロトロンのサイズを最少化するように。

ポール間の空隙内に発生させる磁場は、有利には、４Ｔから７Ｔの間、好ましくは４Ｔから６Ｔの間である。このような磁場の発生には、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導コイルを使用する必要がない点に留意されたい。実際、ＮｂＴｉ超伝導コイルが、３Ｔから５Ｔの間の磁場を生成するように適合されて、これが、一般的には略２Ｔである強磁性構造体４によって発生させられる磁場と組み合わされる。ＮｂＴｉ製の超電導コイルは、Ｎｂ_３Ｓｎ製のコイルよりも安価であり実施が容易である。

好ましい一側面によると、ポール５によって形成されたキャビティ９は、半径Ｒを有し、その半径Ｒの原点は中心軸１上の点を通り、その半径の端はポール５の縁１０と一致する。空隙の高さは、磁場集束指標ｎによって設定される条件に合致するように半径の関数として変化する。好ましくは、空隙は、中心軸から始まってポールの縁に向かう以下の三つの領域６、７及び８を備える：
‐ 有利には平坦であり（これは本発明にとって必須の限定ではない）、キャビティの半径Ｒよりも小さい半径Ｒ１の円形であり、その半径Ｒ１の原点が中心軸１上の点と一致し、中心軸１近くに配置され、ポール５間の空隙が高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}を有する、中心領域６；
‐ 半径Ｒ１の円とキャビティの半径よりも小さい半径Ｒ２の第二の円との間に設けられた第一の環状領域７であって、その原点が半径Ｒ１の原点と一致し、ポール５間の空隙の高さが、最大高さＨｍａｘまで徐々に増大して、正中面２における粒子の集束を保証するように磁場を徐々に減少させる、第一の環状領域７；
‐ 半径Ｒ２の円とポールの縁１０との間に設けられた第二の環状領域８であって、ポール間の空隙がポールの縁１０において最小高さＨｍｉｎになるように徐々に減少して、磁場を再び増大させて、平衡軌道の周りを軸方向に振動する粒子が同じ平衡軌道の周りで半径方向に振動する粒子と共鳴し始める限界値に磁場集束指標ｎが達する前に、磁場集束指標ｎを減少させる、第二の環状領域８。

好ましい一側面によると、空隙の最大高さＨ_ｍａｘと中心軸付近での空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}との間の比は、厳密に１よりも大きくて且つ１．５よりも小さくて、ポール内部の機械加工を容易にする一方で、磁場集束指標によって設定される条件に合致するようにする。より好ましくは、比Ｈ_ｍａｘ／Ｈ_{ｃｅｎｔｅｒ}は１．２から１．５の間である。

好ましい他の側面によると、ポール５の機械加工を容易にしつつ、第一の環状領域７及び第二の環状領域８を備えた領域が、中心軸１上に中心のある一組の二重環状表面によって特徴付けられて、その各表面が、その隣の表面と、厳密に９０°よりも大きい、好ましくは１２０°よりも大きい、更に好ましくは１４０°よりも大きい角度αを成す。

好ましい更に他の側面によると、中心軸１近くの空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}は１０ｃｍよりも大きく、より好ましくは１５ｃｍよりも大きく、より好ましくは１８．４ｃｍよりも大きい。従来技術のシンクロサイクロトロンと比較して高い中心軸近くの空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}によって、粒子源と、加速電極及び伝送線を備えた高周波振動回路との挿入が簡単になる。

例えば、空隙を広げることは、加速電極の二枚のプレート１２の間のギャップを増大させて、粒子とプレート１２との衝突を回避することを可能にする。また、空隙を広げることは、加速電極と伝送線１３との間の距離を増大させて、これらの部品間の容量を減少させることができ、電圧源１４が少ない電力で加速電極に高周波交流電圧を提供することを可能にする。

好ましい追加的な一側面によると、中心軸１に隣接する空隙領域内の高い高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}は、軸方向よりも横方向に粒子源１１を挿入することを許容する（図２を参照）。粒子源１１の挿入は、例えば、キャビティ９の外側から延伸し、粒子源内におけるガスの循環用の管と、粒子源を点火するための電気接続部とを備えた支持体１５によって行われる。横から粒子源を挿入することによって、シリンダーヘッド１６、１６’及びポール５、５’に孔を開けることなく、中心軸１に隣接する空隙領域内の磁場集束指標を負の変化を回避して、従来技術のシンクロサイクロトロンよりも大きな直径の粒子源を使用することが可能になる。このようにして、粒子源がより高い粒子流を生成することができる。結果として、中心軸に隣接する空隙領域内における磁場指標の負の変化なしに、粒子源からの出口における粒子のデフォーカシングの問題が最少化されて、従来技術のシンクロサイクロトロンにおいて使用されているような磁場補償リングが任意のものになり、空隙領域を単純化する。

本発明に係るシンクロサイクロトロンの非限定的で例示的な一実施形態では、二本のポール間の空隙内の平均磁場は５．６Ｔである。中心軸に隣接する領域におけるポール間の空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}は１８．４ｃｍであり、最大空隙の高さＨ_ｍａｘは２５．３ｃｍである。従って、このシンクロサイクロトロンでは、Ｈ_ｍａｘ／Ｈ_{ｃｅｎｔｅｒ}比は１．３７５に等しくなる。ポールの半径ｒ（ｃｍ）の関数として正中面からポールを離隔する距離ｚ（ｃｍ）が表１に与えられている。シンクロサイクロトロンの外半径と高さとはそれぞれ１２５ｃｍ、１５６ｃｍである。比較可能な磁場に対して、本発明に係るこの実施形態の寸法は、非特許文献１に記載されるサイクロトロン（キャビティ内に発生する磁場：５．５３Ｔ，シンクロサイクロトロンの高さ：１７３．４ｃｍ、シンクロサイクロトロンの外半径：１３２．３ｃｍ）よりも小さい。本発明に係る同じ実施形態において、加速電極のプレート間のギャップは２ｃｍであり、これらプレートと伝送線との間のギャップは７．４ｃｍである。

当業者であれば、第一の領域における二本のポール間の空隙の高さが１０ｃｍよりも大きく、又は最大空隙高さＨ_ｍａｘ対中心領域における最小空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の比が１．１から１．５の間、より好ましくは１．２から１．５の間であるという条件を達成しながら、正中面に対するコイルの位置の関数として、またそのコイルの寸法及び形状によって、ポールのプロファイルを最適化することができる点は留意されたい。上記例では、コイルは、中心軸１上に中心のある５５．４ｃｍの内半径、１３ｃｍの幅、及び２８．１ｃｍの高さを有し、互いに２０ｃｍ離れている。

また、本発明は、空隙によって離隔された二本のポールを備えたシンクロサイクロトロンの製造方法にも関し、その方法は、
‐ 中心軸近くの空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}を１０ｃｍよりも大きく、好ましくは１５ｃｍよりも大きく、好ましくは１８．４ｃｍよりも大きくて、３７ｃｍよりも小さいように設定するステップと、
‐ 空隙の最大高さＨ_ｍａｘを厳密に高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}よりも大きくて、Ｈ_{ｃｅｎｔｅｒ}の１．８倍よりも小さく設定するステップと、
‐ 粒子加速キャビティを形成するポールを取り囲む磁気誘導コイル内の磁場を設定するステップと、
‐ ポール間の空隙が磁場集束指標ｎによって設定される条件に合致するようにポール間に設けられる粒子加速キャビティが得られるように、Ｈ_{ｃｅｎｔｅｒ}及びＨ_ｍａｘ並びにコイル内の磁場を考慮して、ポールのプロファイル並びに磁場誘導コイルの寸法及び位置を最適化するステップとを備える。

１ 中心軸
２ 正中面
３ 磁気誘導コイル
４ 強磁性構造体
５ ポール
６ 中心領域
７ 第一の環状領域
８ 第二の環状領域
９ キャビティ
１０ ポールの縁
１１ 粒子源
１２ 加速電極
１３ 伝送線
１４ 高周波電圧源
１５ 支持体
１６ シリンダーヘッド
１７ フローリターン部

Claims (12)

1. 強磁性構造体（４）であって、
   シンクロサイクロトロンの中心軸（１）に対して同軸上に配置され、正中面（２）に対して平行で実質的に対称なディスク状の二つのシリンダーヘッドプレート（１６、１６’）、
   半径Ｒの略円形の断面を有し、前記正中面（２）の両側に配置され、前記中心軸（１）上に中心があり、キャビティ（９）を形成する空隙によって離隔されている一対のポール（５、５’）、及び
   前記ポール（５、５’）を取り囲み、前記二つのシリンダーヘッドプレート（１６、１６’）を接続するフローリターン部（１７）を備えた強磁性構造体（４）と、
   少なくとも二つの磁気誘導コイル（３）を含む冷質量構造体であって、前記フローリターン部（１７）によって取り囲まれ、前記ポール（５、５’）を取り囲む冷質量構造体と、
   前記キャビティ（９）の半径Ｒよりも小さくて且つ前記中心軸（１）上に原点のある半径Ｒ１の円形の断面を有する第一の領域（６）内において前記キャビティ（９）内に配置された粒子源（１１）とを備えたシンクロサイクロトロンであって、
   前記キャビティ（９）を形成する空隙が、前記正中面（２）に対して実質的に対称なプロファイルを有し、前記空隙の高さが半径方向において変化して、前記空隙のプロファイルが、前記中心軸（１）から順に、
   前記中心軸（１）上に中心のある半径Ｒ２の円形の断面を有し、中心における空隙の高さがＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}に等しい第一の部分（６、７）であって、高さが半径Ｒ２における最大高さＨ_ｍａｘに向けて徐々に増大する環状サブ部分（７）を備えた第一の部分（６、７）と、
   環状の断面を有し、前記第一の部分（６、７）を取り囲む第二の部分（８）であって、前記空隙の高さが前記ポール（５、５’）の縁における高さＨ_ｅｄｇｅに向けて徐々に減少する第二の部分（８）とを含み、
   前記空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}が１０ｃｍよりも大きくて、前記最大高さＨ_ｍａｘ対前記高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の比が１．１から１．５の間であることを特徴とするシンクロサイクロトロン。
2. 前記第一の部分（６、７）が、前記中心軸（１）上に中心のあるＲ２よりも小さな半径Ｒ１の中心サブ部分（６）であって、前記空隙の高さが一定であり高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}である中心サブ部分（６）を備えることを特徴とする請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。
3. 前記最大高さＨ_ｍａｘ対前記高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の比が１．２から１．５の間であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシンクロサイクロトロン。
4. 前記最大高さＨ_ｍａｘ対前記高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の比が１．２から１．４の間であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシンクロサイクロトロン。
5. 前記ポール（５、５’）が、前記中心軸（１）上に中心のある一組の傾斜環状表面を備え、各表面が、隣接する表面と、厳密に９０°よりも大きい、好ましくは１２０°よりも大きい、更に好ましくは１４０°よりも大きい角度を成していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
6. 前記中心サブ部分（６）が、前記キャビティの半径Ｒの２０％よりも小さな半径Ｒ１にわたって延伸していて、前記第一の部分（６、７）の前記環状サブ部分（７）が、前記半径Ｒ１と、前記キャビティ（９）の半径Ｒの９５％よりも小さな半径Ｒ２との間で延伸していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
7. 前記中心サブ部分（６）が、前記キャビティ（９）の半径Ｒの略１０％の半径Ｒ１にわたって延伸していて、前記第一の部分（７）の前記環状サブ部分（７）が、前記半径Ｒ１と、前記キャビティ（９）の半径Ｒの略７０％の半径Ｒ２との間で延伸していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
8. 前記粒子源（１１）が、前記中心サブ部分（６）内に配置されていて、前記正中面（２）に実質的に平行に前記キャビティ（９）内に挿入された支持体によって保持されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
9. 前記ポール（５）の各々が中実であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
10. 前記磁気誘導コイル（３）がＮｂＴｉ製であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
11. 前記磁気誘導コイル（３）及び前記強磁性構造体（４）によって前記キャビティ（９）に発生する平均磁場が４Ｔから７Ｔの間であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のシンクロサイクロトロン。
12. 請求項１に記載のシンクロサイクロトロンを製造するための方法であって、
    前記中心軸の近傍における前記ポール間の空隙の高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}を１０ｃｍより大きくなるように設定するステップと、
    前記空隙の最大高さＨ_ｍａｘを、前記高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の少なくとも１．１倍よりも大きくて、且つ前記高さＨ_{ｃｅｎｔｅｒ}の１．５倍よりも小さくなるように設定するステップと、
    粒子加速キャビティを形成する前記ポールを取り囲む磁気誘導コイル（３）内の磁場を設定するステップと、
    前記ポール間の空隙が磁場集束指標−（ｒ／Ｂ）×（ｄＢ／ｄｒ）によって設定される条件に合致するような前記ポール間の粒子加速キャビティが得られるように、前記Ｈ_{ｃｅｔｅｒ}及び前記Ｈ_ｍａｘ並びに前記磁場コイルを考慮して、前記ポールのプロファイル並びに前記磁気誘導コイル（３）の寸法及び位置を最適化するステップとを備え、ｒが粒子の軌道半径であり、前記軌道半径の原点が前記中心軸上の点を通り、Ｂが前記軌道半径における磁場であり、ｎが厳密に０から０．２の間である、方法。

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