JP2016081729A - 粒子加速器およびそのビーム出射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低コスト化を図れる粒子加速器およびそのビーム出射方法を提供する。
【解決手段】本発明の粒子加速器は、荷電粒子ビームを周回しつつ、加速させてから出射する粒子加速器１Ｓであって、荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタ８ａおよび最終の出射デフレクタ８ｂと、第１の出射デフレクタ８ａと最終の出射デフレクタ８ｂとの間に配置され、荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段７と、第１の出射デフレクタ８ａと最終の出射デフレクタ８ｂとの間に配置され、周回する荷電粒子ビームの軌道と分離した軌道をもって出射される荷電粒子ビームを、最終の出射デフレクタ８ｂの入口８ｂ１に向かうように曲げる単数または複数の第２の出射デフレクタ８ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを周回させて加速させ出射する粒子加速器およびそのビーム出射方法に関する。

従来、科学、医療、産業分野において、高エネルギービームを生成するための装置として、シンクロトロンと呼ばれる円形加速器が広く使われている。シンクロトロンは、高周波加速空洞でビームにエネルギーを与えながら、ビームエネルギーの変化に合わせて電磁石などでの発生磁場を高めることによって、ビームの所定の軌道半径を保ちつつ様々なエネルギーにビームを加速して、出射することができる。

図７は、従来のシンクロトロンの構成例の上面図である。
一般的なビーム出射では、シンクロトロン１０１にはイオン源１０２から線形加速器１０３で加速された荷電粒子ビームが入射される。そして、入射された荷電粒子ビームは、発散四極電磁石１０５と収束電磁石１０７とにより発散、収束を繰り返して、高周波加速空洞１０９により加速され、偏向電磁石１０６により、偏向されて、シンクロトロンの軌道上を周回する。これにより、荷電粒子ビームは所定のエネルギーに加速される。

そして、図８に示すように、所定のエネルギーの荷電粒子ビームの一部を第１の出射デフレクタ１０８ａの薄い静電デフレクタ電極１０８ｄ間に入れ、電場により周回軌道の中心から離れる方向に曲げ、出射ビームとする。図８は、従来のシンクロトロンでの荷電粒子ビームの出射軌道を示す上面図である。図８では、周回する周回ビーム１１０の中心軌道に対して直交する平面上における水平方向と鉛直方向をそれぞれＸ、Ｙ座標とし、荷電粒子ビームの進行方向をＳ座標としている。このとき、Ｘ座標の正値をシンクロトロンリング１０１ｒの外側、負値をシンクロトロンリングの内側とする。

そして、曲げられた荷電粒子ビーム(出射ビーム)を、ある程度離れたところで最終の出射デフレクタ１０８ｂのセプタム電磁石の磁場によるローレンツ力によりさらに大きく外側に曲げ、シンクロトロンリングの外に荷電粒子ビームを取り出す。
シンクロトロンリングを周回する荷電粒子ビームを出射ビームとして取り出す際、第１の出射デフレクタ(静電デフレクタ)と最終の出射デフレクタ(セプタム電磁石)との二段階構成にするのは下記の理由からである。

第１に、電荷による静電気力で偏向させる静電偏向装置である第１の出射デフレクタだけでは、放電による電界強度制限の問題から高エネルギーのビームを大きく曲げるのは難しい。第２に、電磁石である最終の出射デフレクタは、周回ビームの外側に機器(コア、コイルなど)が配置される構造上、周回ビームと出射ビームが大きく分離されていないと機器に衝突してビームロスが大きくなってしまうからである。

つまり、第１の出射デフレクタと最終の出射デフレクタとの二段階構成にすることで、シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームと出射ビームとを大きく分離でき、ビームロスを少なくシンクロトロンリングの外に加速されたビームを、出射ビームとして取り出すことができる。
なお、本願に係る先行技術文献としては、特許文献１、２がある。特許文献１は本願に関連する技術分野ものであり、特許文献２は本願と課題が共通する。

特許第４８７３５６３号公報 特開２０１２−２３４８０５号公報

ところで、昨今、シンクロトロン１０１の施設面積や装置コストや施設ランニングコストの低減などの観点から、シンクロトロンの小型化に関する要望は多く、超電導技術を用いた高磁場電磁石などが盛んに研究、開発されている。

しかし、シンクロトロンを小型化しようとした場合、さまざまなシンクロトロン構成機器(発散・収束電磁石１０５、１０７、偏向電磁石１０６など)を密に並べる必要が生じる。そのため、第１と最終の出射デフレクタ１０８ａ、１０８ｂの間に収束要素（例えば、収束電磁石や偏向電磁石）が入ってきてしまい、それによってビーム出射を難しくしてしまう。

つまり、一旦は第１の出射デフレクタによって荷電粒子ビームをシンクロトロンリング１０１ｒの周回軌道中心から離しても、収束要素によって再び中心方向に戻されてしまい(図８の出射ビーム１１１の先端側参照)、最終の出射デフレクタ位置で周回ビーム１１０と出射ビームを大きく分離することが困難になる。

周回ビームと出射ビーム軌道が大きく分離されていないと、ビームダクトや最終の出射デフレクタに荷電粒子ビームが衝突してビームロスが多くなってしまい、シンクロトロンリングの外に加速されたビームを効率よく取り出すことができなくなる。

また、それでも最終の出射デフレクタの位置で周回ビームと出射ビームとを大きく分離しようとすると、第１の出射デフレクタを大型化・高電界化することでより大きく曲げる必要があるだけでなく、大きく膨らんだ出射軌道を描く荷電粒子ビームを通すことになるため、第１・最終出射デフレクタ間の電磁石などの磁極幅やボア径、電磁場の有効領域を大きくしなければならない。なお、放電が発生するため、電界強度が制限されるという問題は別にある。

これは結果として、機器サイズや製造コストの増加につながる。特に、超電導技術による高磁場化でシンクロトロンの小型化を目指す場合、電磁石の磁極幅やボア径、電磁場の有効領域を広げることは製造難度や製造コスト、ランニングコストを格段に高めるため、シンクロトロン小型化実現に向けた大きな課題となる。

本発明は上記実状に鑑み、小型化、低コスト化を図れる粒子加速器およびそのビーム出射方法の提供を目的とする。

前記課題を解決するため、第１の本発明の粒子加速器は、荷電粒子ビームを周回しつつ、加速させてから出射する粒子加速器であって、前記荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタおよび最終の出射デフレクタと、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段と、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、周回する前記荷電粒子ビームの軌道と分離した軌道をもって出射される荷電粒子ビームを、前記最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げる単数または複数の第２の出射デフレクタとを備えている。

第１の本発明の粒子加速器によれば、第１の出射デフレクタと最終の出射デフレクタとの間に配置され、周回する荷電粒子ビームの軌道と分離した軌道をもって出射される荷電粒子ビームを、最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げる単数または複数の第２の出射デフレクタとを備えるので、出射する荷電粒子ビームを大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタの入口に向かわせることができる。
そのため、第１の出射デフレクタと最終の出射デフレクタとの間の機器の磁極幅やボア径、電磁場の有効領域も小さくでき、粒子加速器を小型化できる。また、粒子加速器の小型化により、粒子加速器の製造コスト、ランニングコストを低減できる。

第２の本発明の粒子加速器は、荷電粒子ビームを周回しつつ、加速させてから出射する粒子加速器であって、前記荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタおよび最終の出射デフレクタと、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段と、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置される単数または複数の第２の出射デフレクタとを備え、前記第２の出射デフレクタは、出射するために前記第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間の前記粒子加速器を構成する機器の前記荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、前記第２の出射デフレクタが無い場合よりも、小さくなるように曲げている。

第２の本発明の粒子加速器によれば、第２の出射デフレクタにより、出射するために分離された荷電粒子ビームを、第１の出射デフレクタと最終の出射デフレクタとの間の粒子加速器を構成する機器の荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、第２の出射デフレクタが無い場合よりも、小さくなるように曲げるので、粒子加速器を構成する機器の小型化を行える。また、粒子加速器全体の大きさも小型にすることができる。

第３の本発明の粒子加速器は、第１または第２の本発明の粒子加速器において、前記第１の出射デフレクタは、前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、前記最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の位置に配置されている。

第３の本発明の粒子加速器によれば、第１の出射デフレクタは、荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の位置に配置されるので、出射される荷電粒子ビームを荷電粒子ビームが周回する軌道から大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタの入口に向かわせることができる。

第４の本発明の粒子加速器は、第１から第３の本発明の粒子加速器のうちの何れかにおいて、前記第１の出射デフレクタは、前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、前記最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の方向に、出射される荷電粒子ビームを分離している。

第４の本発明の粒子加速器によれば、第１の出射デフレクタは、荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の方向に、出射される荷電粒子ビームを分離するので、出射される荷電粒子ビームを荷電粒子ビームが周回する軌道から大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタの入口に向かわせることができる。

第５の本発明の粒子加速器は、第１から第４の本発明の粒子加速器のうちの何れかにおいて、前記第２の出射デフレクタは、出射のために前記第１の出射デフレクタによって周回する前記荷電粒子ビームから分離される荷電粒子ビームを、周回する前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して前記最終の出射デフレクタの反対側の位置から、前記最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げている。

第５の本発明の粒子加速器によれば、第２の出射デフレクタは、出射のために第１の出射デフレクタによって周回する荷電粒子ビームから分離される荷電粒子ビームを、周回する荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して最終の出射デフレクタの反対側から、最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げるので、出射される荷電粒子ビームを荷電粒子ビームが周回する軌道から大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタの入口に向かわせることができる。

第６の本発明の粒子加速器のビーム出射方法は、荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタ、第２の出射デフレクタ、および最終の出射デフレクタと、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段とを備え、前記荷電粒子ビームを周回しつつ印加される高周波電場でビームを拡散することで出射する粒子加速器のビーム出射方法であって、前記第２の出射デフレクタは、前記最終の出射デフレクタの入口に、出射する前記荷電粒子ビームの軌道が、周回する前記荷電粒子ビームから分離して入るように、出射のために前記第１の出射デフレクタで分離される前記荷電粒子ビームの軌道を、周回する前記荷電粒子ビームの軌道中心方向に曲げている。

第６の本発明の粒子加速器のビーム出射方法によれば、第２の出射デフレクタは、最終の出射デフレクタの入口に、出射する荷電粒子ビームの軌道が、周回する荷電粒子ビームから分離して入るように、出射のために第１の出射デフレクタで分離される前記荷電粒子ビームの軌道を、周回する荷電粒子ビームの軌道中心方向に曲げるので、出射される荷電粒子ビームを荷電粒子ビームが周回する軌道から大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタの入口に導くことができる。

第７の本発明の粒子加速器のビーム出射方法は、荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタ、第２の出射デフレクタ、および最終の出射デフレクタと、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段とを備え、前記荷電粒子ビームを周回しつつ印加される高周波電場でビームを拡散することで出射する粒子加速器のビーム出射方法であって、前記第２の出射デフレクタは、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間の前記粒子加速器を構成する機器の前記荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、前記第２の出射デフレクタが無い場合よりも小さくなるように、出射のために前記第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを、周回する荷電粒子ビームの軌道の中心方向に曲げている。

第７の本発明の粒子加速器のビーム出射方法によれば、第２の出射デフレクタは、第１の出射デフレクタと最終の出射デフレクタとの間の粒子加速器を構成する機器の荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、第２の出射デフレクタが無い場合よりも小さくなるように、出射のために第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを、周回する荷電粒子ビームの軌道の中心方向に曲げるので、粒子加速器を構成する機器の荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域を小さくできる。

また、出射のために第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタに導くことができる。そのため、粒子加速器の小型化を図ることができる。

本発明によれば、小型化、低コスト化を図れる粒子加速器およびそのビーム出射方法を実現できる。

本発明に係る実施形態１の粒子加速器の構成例を示す上面図。 実施形態１のシンクロトロンにおけるビームの出射軌道を示す上面図。 本発明に係る実施形態２の粒子加速器の構成例を示す上面図。 実施形態２のシンクロトロンにおけるビームの出射軌道を示す上面図。 本発明に係る実施形態３の粒子加速器の構成例を示す上面図。 本発明に係る実施形態４の粒子加速器の構成例を示す上面図。 従来のシンクロトロンの構成例を示した図。 従来技術のシンクロトロンにおけるビームの出射軌道を示す上面図。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
＜＜実施形態１＞＞
図１は、本発明に係る実施形態１の粒子加速器の構成例を示す上面図である。
実施形態１の粒子加速器であるシンクロトロン１Ｓは、荷電粒子入射系１Ａから荷電粒子ビームが入射される。
荷電粒子入射系１Ａとシンクロトロン１Ｓとは、図示しないコントローラにより制御される。

＜荷電粒子入射系１Ａ＞
荷電粒子入射系１Ａは、荷電粒子を生成して所定のエネルギーに加速した荷電粒子をシンクロトロン１Ｓに供給する役割をもつ。
荷電粒子入射系１Ａは、イオン源２と線形加速器３とを備える。イオン源２と線形加速器３とシンクロトロン１Ｓとは、高真空に保たれる入射ビーム路１ｍで連結されている。

イオン源２は、中性ガスに高速の電子を衝突させるなどしてイオンを生成し、線形加速器３にてシンクロトロン１Ｓで加速可能な状態に加速する。イオン化される原子、粒子としては、例えば、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、シリコン、アルゴンなどがある。

線形加速器３は、イオン源２から供給される荷電粒子を所定のエネルギーまで加速して、シンクロトロン１Ｓに供給する。線形加速器３としては、例えば、高周波の４極電場によって荷電粒子の加速と集束を行うＲＦＱライナックやドリフトチューブライナックが用いられる。線形加速器３によって、荷電粒子は、例えば、核子あたり数ＭｅＶ程度のエネルギーに加速される。

＜シンクロトロン１Ｓ＞
シンクロトロン１Ｓは、荷電粒子入射系１Ａの線形加速器３から供給される荷電粒子を、シンクロトロン１Ｓから出射される出射ビーム１１(図２参照)のエネルギーまで加速する。
線形加速器３から供給される荷電粒子は、入射インフレクタ４によって、荷電粒子入射系１Ａからの軌道が偏向され、周回軌道をもつシンクロトロン１Ｓに入射される。
シンクロトロン１Ｓは、荷電粒子を出射ビームのエネルギーまで加速するための構成要素として、発散四極電磁石５と偏向電磁石６と収束電磁石７と高周波加速空胴９とを備えている。

シンクロトロン１Ｓは、出射ビーム１１を取り出すための構成要素として、第１の出射デフレクタ８ａと第２の出射デフレクタ８ｃと最終の出射デフレクタ８ｂとを備えている。出射ビーム１１とは、照射対象に照射するために、シンクロトロン１Ｓから取り出される荷電粒子ビームをいう。

第１の出射デフレクタ８ａは、シンクロトロン１Ｓを周回する荷電粒子ビームの外側方向にけり出すために、荷電粒子ビームに電場を印加して分離するデフレクタ電極８ｄを有している。
シンクロトロン１Ｓは、発散電磁石５と偏向電磁石６と収束電磁石７が、シンクロトロンリング１ｒを形成して周回状に構成されている。

シンクロトロン１Ｓにおいて、入射した荷電粒子ビームは、発散電磁石５と収束電磁石７とによって発散と収束とを繰り返しつつ偏向電磁石６によって偏向することで、シンクロトロンリング１ｒの周回軌道上を周回する。

高周波加速空胴９は、内部に設けられる加速ギャップ（図示せず）の間に発生する電界によって、シンクロトロンリング１ｒの周回軌道を周回する荷電粒子を加速するものである。高周波加速空胴９において、加速ギャップの間（図１に示す下から上）を通る荷電粒子は、正のエネルギーゲインを得られる位相で高周波電界が印加されて加速され、周回毎にエネルギーが増加していく。また、出射ビーム１１の出射終了後、加速ギャップの間で発生する電界の位相を逆にすることによって、荷電粒子を減速し放射線の発生を抑制する。

シンクロトロン１Ｓにおいて、荷電粒子は、所定のエネルギー、例えば核子あたり数百ＭｅＶのエネルギーまで加速される。
この際、偏向電磁石６、発散電磁石５および収束電磁石７は、高周波加速空胴９における加速または減速に同期して、加速または減速された荷電粒子のエネルギーに応じて、荷電粒子がシンクロトロンリング１ｒの周回軌道に沿った軌道を描くように磁場強度がコントローラにより制御される。

周回軌道上で所定のエネルギーに加速された荷電粒子ビームは、第１の出射デフレクタ８ａと第２の出射デフレクタ８ｃと最終の出射デフレクタ８ｂとによって、その軌道を変更されて、シンクロトロンリング１ｒから出射され、出射ビーム１１としてビーム輸送系(図示せず)に取り出される。
ビーム輸送系は、照射部(図示せず)に出射ビームである荷電粒子ビームを導く。照射部において、取り出された出射ビーム１１である荷電粒子ビームは、照射対象に照射される。

＜シンクロトロン１Ｓの制御＞
コントローラは、荷電粒子入射系１Ａ（イオン源２、線形加速器３）と、シンクロトロン１Ｓを構成する入射インフレクタ４、発散電磁石５、偏向電磁石６、収束電磁石７、高周波加速空胴９、第１の出射デフレクタ８ａ、第２の出射デフレクタ８ｃ、最終の出射デフレクタ８ｂなどを制御する。これにより、荷電粒子の生成、線形加速器３による前段加速、シンクロトロン１Ｓへの入射、加速および荷電粒子ビームのシンクロトロン１Ｓからの出射、さらに、ビーム輸送系を通過しての照射部における取り出した荷電粒子ビーム(出射ビーム１１)の照射の制御が遂行される。

荷電粒子入射系１Ａ、シンクロトロン１Ｓ、およびビーム輸送系の随所には荷電粒子のモニタ(図示せず)が配置され、荷電粒子の軌道、電流量およびエネルギーが測定され、コントローラにその測定信号がフィードバックされることによって、制御が行われる。

＜荷電粒子ビームの出射軌道＞
図２は、実施形態１のシンクロトロンにおけるビームの出射軌道を示す上面図である。図２では、周回する荷電粒子ビームである周回ビーム１０の中心軌道に対して直交する平面上における水平方向と鉛直方向とをそれぞれＸ、Ｙ座標とし、周回ビーム１０の進行方向をＳ座標としている。このとき、Ｘ座標の正値をシンクロトロンリング１ｒの外側、負値をシンクロトロンリング１ｒの内側とする。

第１の出射デフレクタ８ａにおけるデフレクタ電極８ｄは、周回する荷電粒子ビームである周回ビーム１０の周回軌道中心(Ｓ軸)より内側に配置され、周回ビーム１０の周回軌道中心より内側方向に出射ビームをけり出すように構成されている。

第１の出射デフレクタ８ａとその下流の発散電磁石５との間には、第２の出射デフレクタ８ｃが配置される。つまり、第１の出射デフレクタ８ａの直ぐ下流には、第２の出射デフレクタ８ｃが配置される。
第２の出射デフレクタ８ｃは、第１の出射デフレクタ８ａのデフレクタ電極８ｄにより周回ビーム１０の周回軌道中心より内側方向に分離される出射ビーム１１が入射され、出射ビーム１１を周回ビーム１０の周回軌道中心(Ｓ軸)方向に曲げる。

第２の出射デフレクタ８ｃは、シンクロトロンリング１ｒの外部に向かうまで出射ビーム１１を曲げるものではない。そのため、第２の出射デフレクタ８ｃは、比較的小型のものでよく、第１の出射デフレクタ８ａに近接して配置できる。
第２の出射デフレクタ８ｃの下流には、発散電磁石５、偏向電磁石６、発散電磁石５、偏向電磁石６、収束電磁石７、および最終の出射デフレクタ８ｂが順番に配置される。

シンクロトロン１Ｓにおいて、所定のエネルギーまで加速された周回ビーム１０から出射ビーム１１を取り出す際には、以下のように行われる。
シンクロトロン１Ｓを周回する荷電粒子ビームである周回ビーム１０は、発散電磁石５と収束電磁石７とにより、収束と発散とを繰り返えしつつ、偏向電磁石６により軌道を曲げられ、シンクロトロンリング１ｒを周回して、出射ビーム１１に設定された所定エネルギーまで加速される。

周回ビーム１０が所定エネルギーまで加速されると、図２に示すように、周回ビーム１０の内側縁部の荷電粒子ビームが、第１の出射デフレクタ８ａのデフレクタ電極８ｄの電場により、周回ビーム１０の周回軌道中心から内側に離れる方向に曲げられ分離される。周回ビーム１０から分離される荷電粒子ビームが出射ビーム１１である。

その後、出射ビーム１１は、第２の出射デフレクタ８ｃによって周回ビーム１０の周回軌道中心方向(Ｓ軸方向)に曲げ戻され、収束要素の収束電磁石７を抜けることで、収束電磁石７の収束作用によりもう一度周回軌道中心(図２のＳ軸)に向けて曲げられる。そして、出射ビーム１１は最終の出射デフレクタ８ｂのギャップに、その入口８ｂ１から入射される。
最終の出射デフレクタ８ｂに入射される出射ビーム１１は、最終の出射デフレクタ８ｂによって、周回ビーム１１の周回軌道中心方向から大きく外側に曲げられ、シンクロトロンリング１ｒ外に取り出される。

＜第２の出射デフレクタ８ｃでの出射ビーム１１の軌道の偏向角＞
第２の出射デフレクタ８ｃでの出射ビーム１１の軌道の偏向角θは、以下のような計算から求められる。
偏向角θとは、Ｘ座標の変数ｘの変化量ΔＸをＳ座標の変数Ｓの変化量ΔＳで割ったものであり、
θ＝ΔＸ／ΔＳ＝ΔＸ´ (１)
で表わされる。

第２の出射デフレクタ８ｃの位置での水平方向(Ｘ座標の方向)の出射ビーム１１の位置と角度を(Ｘ₀、Ｘ₀´)とする。
第２の出射デフレクタ８ｃで、ΔＸ´の偏向角を受けた場合、第２の出射デフレクタ８ｃ自体の長さを無視すれば、第２の出射デフレクタ８ｃ自体の長さの項を“０”とおき、出射ビーム１１の位置と角度は、(Ｘ₀、Ｘ₀´＋ΔＸ´)と表わされる。

第２の出射デフレクタ８ｃから最終の出射デフレクタ８ｂの入口８ｂ１までの輸送行列をＭとし、その行列要素をそれぞれ

とすれば、最終の出射デフレクタ８ｂの入口８ｂ１における出射ビーム１１の軌道の位置Ｘと角度Ｘ´は、それぞれ輸送行列Ｍと(Ｘ₀、Ｘ₀´＋ΔＸ´)との積により、
Ｘ ＝ｍ₁₁ Ｘ₀＋ｍ₁₂(Ｘ₀´＋ΔＸ´) (２)
Ｘ´＝ｍ₂₁ Ｘ₀＋ｍ₂₂(Ｘ₀´＋ΔＸ´) (３)
となる。(高エネルギー加速器セミナー OHO'87（1987年）における佐藤高太郎氏のビームの輸送・入射・取り出し 1 .ビームの輸送・入射・取り出し〔I〕（理論）参照)（リンクURL：http://accwww2.kek.jp/oho/OHOtxt/OHO-1987/txt-1987-Ｉ.pdf）

シンクロトロンリング１ｒ内を真空に保つためのビームダクト(図示せず)や最終の出射デフレクタ８ｂでビームロスを少なく、つまり荷電粒子ビームが最終の出射デフレクタ８ｂの機材(ビームダクトなど)に衝突することが少なく、シンクロトロンリング１ｒの外に効率よく取り出すため、最終の出射デフレクタ８ｂの入口８ｂ１においての周回ビーム１０の周回中心(Ｓ軸)の軌道から離すべき出射ビーム１１の軌道までの距離をｄとする。つまり、出射ビーム１１がシンクロトロンリング１ｒの外に効率よく取り出されるｄを求める。

式(２)において、Ｘ＝ｄとおけば、必要となる第２の出射デフレクタ８ｃでの出射ビーム１１の軌道の偏向角ΔＸ´は、式(２)を変形して次式(４)と求まる。
ΔＸ´＝（ｄ−ｍ₁₁Ｘ₀ ）／ｍ₁₂−Ｘ₀´ (４)
式(４)のように偏向角ΔＸ´を求めて、第２の出射デフレクタ８ｃの電極、電磁石やその長さなどを決定することができる。

上記構成によれば、第１の出射デフレクタ８ａをシンクロトロンリング１ｒの周回ビーム１０の周回軌道に対して外側の最終の出射デフレクタ８ｂの反対側である内側に配置する。そして、第２の出射デフレクタ８ｃをシンクロトロンリング１ｒの周回ビーム１０の周回軌道に対して第１の出射デフレクタ８ａと同じ内側に配置する。

これにより、第２の出射デフレクタ８ｃと最終の出射デフレクタ８ｂの間の収束要素の収束電磁石７の収束作用では、従来(図７参照)に比べて、出射ビーム１１は最終の出射デフレクタ８ｂの比較的中心付近を通過するようにできる。

そのため、出射ビーム１１の軌道をシンクロトロンリング１ｒの外側に向けて大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタ８ｂの入口８ｂ１の位置で、周回ビーム１０と出射ビーム１１の軌道とを大きく分離できる。また、出射ビーム１１の軌道を最終の出射デフレクタ８ｂの中央付近に導くことができる。

従って、出射ビーム１１がビームダクト(荷電流子ビームが通過するダクト)や最終の出射デフレクタ８ｂに衝突して荷電粒子を失うビームロスを少なくできる。結果として、シンクロトロンリング１ｒの外部に、加速された荷電粒子ビーム(出射ビーム１１)を効率よく取り出すことができる。

さらに、第２の出射デフレクタ８ｃと最終の出射デフレクタ８ｂとの間で出射ビーム１１の軌道が、シンクロトロンリング１ｒから外れて大きく膨らまないため、電磁石（５、６、７）などの有効磁場領域(電磁石が荷電粒子ビームに磁束をかける空間)(図２の寸法ｓ０〜ｓ４参照)を、従来の有効磁場領域 (図８の寸法ｓ１０〜ｓ１４参照)に比べ、比較的小さくできる。換言すれば、第２の出射デフレクタ８ｃは、電磁石（５、６、７）などの有効磁場領域が第２の出射デフレクタ８ｃが無い場合よりも小さくなるように出射ビーム１１を曲げる。

結果として、粒子加速器(シンクロトロン１Ｓ)の機器サイズが小さくでき、粒子加速器の製造コストの低減につながる。特に、超電導技術による高磁場化でシンクロトロン１Ｓの小型化を目指す場合、電磁石の有効磁場領域 (図２の寸法ｓ０〜ｓ４参照)が小さいことは製造難度が低下し、粒子加速器の製造コストやランニングコストを大幅に低減できる。
そのため、三段構成の出射デフレクタ(８ａ、８ｂ、８ｃ)に変えることで、シンクロトロン１Ｓの小型化を実現できる。

以上のことから、第２と最終の出射デフレクタ８ｃ、８ｂ間機器の有効磁場領域を大きくする必要はないため、製造難度や製造コスト、ランニングコストを下げることができる。また、超電導技術を用いた高磁場電磁石によるシンクロトロン１Ｓの小型化設計も、従来よりも遥かに容易に実現できる。

＜＜実施形態２＞＞
図３は、本発明に係る実施形態２の粒子加速器の構成例を示す上面図である。
図４は、実施形態２のシンクロトロンにおけるビームの出射軌道を示す上面図である。図４では、周回する荷電粒子ビームである周回ビームの中心軌道に対して直交する平面上における水平方向と鉛直方向とをそれぞれＸ、Ｙ座標とし、荷電粒子ビームの進行方向をＳ座標としている。このとき、Ｘ座標の正値をシンクロトロンリング２１ｒの外側、負値をシンクロトロンリング２１ｒの内側とする。

実施形態２の粒子加速器であるシンクロトロン２１Ｓは、三段構成の第１の出射デフレクタ１８ａ、第２の出射デフレクタ１８ｃと最終の出射デフレクタ１８ｂのシンクロトロン２１Ｓに対する内側と外側の配置を、実施形態１のシンクロトロン１Ｓ(図１、図２参照)に対して、入れ替えて配置したものである。
その他の構成は、実施形態１と同様であるから、同一の構成要素には、同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。

実施形態２のシンクロトロン２１Ｓでは、ビーム輸送系に続く最終の出射デフレクタ１８ｂは周回ビーム１０の周回軌道中心の内側に配置される。
そして、第１の出射デフレクタ１８ａにおけるデフレクタ電極１８ｄは、最終の出射デフレクタ１８ｂが周回ビーム１０の周回軌道中心(図４のＳ軸)の内側に配置されるのに伴い、周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置される。

周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置されるデフレクタ電極１８ｄは、荷電流粒子ビームの周回ビーム１０から出射ビーム１１を分離するため、周回ビーム１０の外側縁部の荷電流粒子ビームを外側に蹴り出す。

第１の出射デフレクタ１８ａの下流に配置される第２の出射デフレクタ１８ｃは、第１の出射デフレクタ１８ａと同様、周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置される。

＜出射ビーム１１の生成＞
シンクロトロン２１Ｓにおいて、周回ビーム１０は、発散電磁石５と収束電磁石７とによって発散と収束とを繰り返しつつ偏向電磁石６によって偏向することで、シンクロトロンリング２１ｒの周回軌道上を周回し、高周波加速空胴９で加速される。

そして、出射ビーム１１に設定されるエネルギーに周回ビーム１０が加速されると、図４に示すように、第１の出射デフレクタ１８ａのデフレクタ電極１８ｄは、周回ビーム１０の外側縁部の荷電粒子ビームを、その周回軌道中心(図４のＳ軸)の外側に蹴り出して周回ビーム１０から分離する。デフレクタ電極１８ｄにより分離された荷電粒子ビームが出射ビーム１１である。

周回ビーム１０から分離された出射ビーム１１は、第１の出射デフレクタ１８ａの直ぐ下流の第２の出射デフレクタ１８ｃによりシンクロトロンリング２１ｒの周回軌道の中心(図４のＳ軸)より内側方向に曲げ戻される。
曲げ戻された出射ビーム１１は、収束要素の収束電磁石７を抜けることで、収束電磁石７の収束作用によりもう一度周回軌道中心(図２のＳ軸)の内側から逆側(図４の周回軌道中心のＳ軸側)に曲げられる。

そして、出射ビーム１１は最終の出射デフレクタ８ｂのギャップに、その入口１８ｂ１から入射される。最終の出射デフレクタ１８ｂに入射される出射ビーム１１は、最終の出射デフレクタ１８ｂによって、周回ビーム１１の周回軌道中心方向から大きく曲げられ、シンクロトロンリング２１ｒ外に取り出される。
第２の出射デフレクタ８ｃでの出射ビーム１１の軌道の周回ビーム１０からの偏向角θ(＝ｄＸ／ｄＳ)は、実施形態１と同様にして求められる。

上記構成によれば、図４に示すように、第１の出射デフレクタ１８ａを、シンクロトロンリング２１ｒの周回ビーム１０の周回軌道に対して内側の最終の出射デフレクタ１８ｂの反対側の外側に配置する。そして、第２の出射デフレクタ１８ｃをシンクロトロンリング２１ｒの周回ビーム１０の周回軌道に対して第１の出射デフレクタ１８ａと同じ外側に配置する。これにより、第２の出射デフレクタ１８ｃと最終の出射デフレクタ１８ｂの間の収束要素の収束電磁石７の収束作用では、出射ビーム１１は、従来(図７参照)に比べて、最終の出射デフレクタ１８ｂの入口１８ｂ１の中心付近を通過するようにできる。

つまり、出射ビーム１１の軌道をシンクロトロンリング２１ｒの外側に向けて大きく膨らませることなく、最終の出射デフレクタ１８ｂの入口１８ｂ１の位置で、周回ビーム１０と出射ビーム１１の軌道とを大きく分離できる。そして、出射ビーム１１の軌道を最終の出射デフレクタ１８ｂの入口１８ｂ１中央付近に導くことができる。

また、出射ビーム１１がビームダクトや最終の出射デフレクタ１８ｂに衝突して荷電粒子を失うビームロスを少なくできる。そのため、シンクロトロンリング２１ｒの外部に加速された荷電粒子ビーム(出射ビーム１１)を効率よく取り出すことが可能となる。

さらに、第２の出射デフレクタ１８ｃと最終の出射デフレクタ１８ｂとの間での出射ビーム１１の軌道が大きく膨らまないため、電磁石（５、６、７）などの有効磁場領域(電磁石が荷電粒子ビームに磁束をかける空間)(図２参照)は比較的小さくすることが可能である。

結果として、粒子加速器(シンクロトロン２１Ｓ)の機器サイズが小さくでき、粒子加速器の製造コストの低減につながる。特に、超電導技術による高磁場化でシンクロトロン２１Ｓの小型化を目指す場合、電磁石の有効磁場領域が小さいことは製造難度が低下し、粒子加速器の製造コストやランニングコストを大幅に低減できる。 そのため、三段構成の出射デフレクタ(１８ａ、１８ｂ、１８ｃ)に変えることで、シンクロトロン２１Ｓの小型化を実現できる。

＜＜実施形態３＞＞
図５は、本発明に係る実施形態３の粒子加速器の構成例を示す上面図である。
実施形態３の粒子加速器であるシンクロトロン３１Ｓは、第１の出射デフレクタ２８ａより下流で最終の出射デフレクタ２８ｂの上流(前)に第２の出射デフレクタ２８ｃと第３の出射デフレクタ２８ｅとを設けて構成したものである。

最終の出射デフレクタ２８ｂは、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置される。そして、第１の出射デフレクタ２８ａのデフレクタ電極(図示せず)は、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の内側に配置される。
その他の構成は、実施形態１と同様であるから、同一の構成要素には、同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。

シンクロトロン３１Ｓを小型化する場合、発散電磁石５、偏向電磁石６、収束電磁石７などの電磁石のような様々な機器を密に並べて構成し、小型化を行う。
そのため、シンクロトロン３１Ｓで周回するシンクロトロンリング３１ｒを構成する必要から、荷電粒子ビームの進行方向に長い機器を配置させることは困難である。

そこで、分割可能なもの、例えば図３の第１の出射デフレクタ１８ａは図５の第１の出射デフレクタ２８ａと第２の出射デフレクタ２８ｃとのように分割して配置する。これにより、図３の第１の出射デフレクタ１８ａの出射ビーム１１の軌道を確保するための必要な長さを確保することができる。

そのため、第１の出射デフレクタ２８ａに、収束電磁石７を介して、下流に続く第２の出射デフレクタ２８ｃのデフレクタ電極(図示せず)は、第１の出射デフレクタ２８ａのデフレクタ電極と同様、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の内側に配置される。

この場合、図１や図３での第２の出射デフレクタ８ｃ、１８ｃの役割は、第３の出射デフレクタ８ｅが担うことになる。
そのため、第２の出射デフレクタ２８ｃの下流に続く第３の出射デフレクタ２８ｅは、第２の出射デフレクタ２８ｃのデフレクタ電極と同様、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の内側に配置される。
上述と同様に、出射デフレクタが分割配置されれば、上記の「第３、第４、…、…出射デフレクタでも構わない」任意の複数の出射デフレクタを有する構成を取り得る。

上記構成によれば、第１の出射デフレクタ２８ａより下流で出射デフレクタ２８ｂの上流(前)に、複数の出射デフレクタ２８ｃ、２８ｅやその他の出射デフレクタを配置することで、シンクロトロン３１Ｓの小型化を進めることができる。
なお、実施形態３においても、実施形態１の作用効果は同様に奏する。

＜＜実施形態４＞＞
図６は、本発明に係る実施形態４の粒子加速器の構成例を示す上面図である。
実施形態４の粒子加速器であるシンクロトロン４１Ｓは、第１の出射デフレクタ３８ａより下流で最終の出射デフレクタ３８ｂの上流(前)に第２の出射デフレクタ３８ｃと第３の出射デフレクタ３８ｅとを設けて構成したものである。

そして、実施形態４の粒子加速器では、実施形態３と異なり、最終の出射デフレクタ３８ｂをシンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の内側に配置し、第１の出射デフレクタ３８ａのデフレクタ電極(図示せず)をシンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置する。

図６に示す第１の出射デフレクタ３８ａと第２の出射デフレクタ３８ｃとは、図３の第１の出射デフレクタ１８ａを分割して配置するものである。そこで、第２の出射デフレクタ３８ｃのデフレクタ電極(図示せず)は、第１の出射デフレクタ３８ａのデフレクタ電極と同様、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置される。
この場合、実施形態３と同様、図１や図３での第２の出射デフレクタ１８ｃの役割は、第３の出射デフレクタ３８ｅが担うことになる。

そのため、第３の出射デフレクタ３８ｅは、第２の出射デフレクタ３８ｃのデフレクタ電極と同様、シンクロトロンリング３１ｒの周回ビーム１０の周回軌道中心の外側に配置される。
その他の構成は、実施形態１と同様であるから、同一の構成要素には、同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。

実施形態３と同様に、出射デフレクタが分割配置されれば、上記の「第３、第４、…、…出射デフレクタでも構わない」任意の複数の出射デフレクタを有する構成を取り得る。

上記構成によれば、図３の第１の出射デフレクタ１８ａは図６の第１の出射デフレクタ３８ａと第２の出射デフレクタ３８ｃに分割して配置することで、図３の第１の出射デフレクタ１８ａの出射ビーム１１の軌道を確保するための必要な長さを確保することができる。そのため、小型のシンクロトロン４１Ｓで周回するシンクロトロンリング４１ｒを構成する必要から、荷電粒子ビームの進行方向に長い機器を配置させることを回避できる。

従って、小型のシンクロトロン４１Ｓでは、発散電磁石５、偏向電磁石６、収束電磁石７などの電磁石のような様々な機器を密に並べて構成することに寄与でき、小型化が可能である。
第１の出射デフレクタ３８ａより下流で出射デフレクタ３８ｂの上流(前)に、複数の出射デフレクタ３８ｃ、３８ｅやその他の出射デフレクタを配置することで、シンクロトロン４１Ｓの小型化を進めることができる。
なお、実施形態４においても、実施形態１の作用効果は同様に奏する。

＜＜その他の実施形態＞＞
１．第１、…、最終の出射デフレクタ８ｂ、…は、出射ビーム１１を所定の軌道に導くことができれば、適宜、デフレクタ電極の電場を用いてもよいし、電磁石によるローレンツ力を用いることとしてもよい。

２．第１の出射デフレクタ８ａと最終の出射デフレクタ８ｂとの間に配置する出射デフレクタの数は任意に選択できる。

３．なお、実施形態１〜４では、様々な構成を説明したが、説明した構成を適宜選択して組み合わせて構成してもよい。

４．本発明は、前記した実施形態１〜４に限定されるものでなく、様々な実施形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分り易く説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、説明した構成の一部を含むものであってもよい。また、本発明の具体的形態は、特許請求の範囲に記載した構成を満たせば、様々な変形形態を採用することが可能である。

１Ｓ、２１Ｓ、３１Ｓ、４１Ｓ シンクロトロン(粒子加速器)
５ 発散電磁石(粒子加速器を構成する機器)
６ 偏向電磁石(粒子加速器を構成する機器)
７ 収束電磁石(ビーム収束手段、粒子加速器を構成する機器)
８ａ、１８ａ、２８ａ、３８ａ 第１の出射デフレクタ
８ｂ、１８ｂ、２８ｂ、３８ｂ 最終の出射デフレクタ
８ｂ１、１８ｂ１ 入口
８ｃ、１８ｃ、２８ｃ、３８ｃ 第２の出射デフレクタ
８ｄ、１８ｄ デフレクタ電極
９ 高周波加速空洞
１０ 出射ビーム(出射される荷電粒子ビーム)
１１ 周回ビーム(周回する荷電粒子ビーム)
２８ｅ 第３の出射デフレクタ(第２の出射デフレクタ
３８ｅ 第３の出射デフレクタ(第２の出射デフレクタ)
Ｓ 荷電粒子ビームの周回軌道の中心
１０１ 従来技術におけるシンクロトロン
１０５ 従来技術における発散四極電磁石
１０６ 従来技術における偏向電磁石
１０７ 従来技術における収束電磁石
１０８ａ 従来技術における第１の出射デフレクタ
１０８ｂ 従来技術における最終の出射デフレクタ
１０８ｄ 従来技術における静電デフレクタ電極
１０９ 従来技術における高周波加速空洞
１１０ 周回ビーム
１１１ 出射ビーム

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームを周回しつつ、加速させてから出射する粒子加速器であって、
   前記荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタおよび最終の出射デフレクタと、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段と、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、周回する前記荷電粒子ビームの軌道と分離した軌道をもって出射される荷電粒子ビームを、前記最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げる単数または複数の第２の出射デフレクタとを
   備えることを特徴とする粒子加速器。
2. 荷電粒子ビームを周回しつつ、加速させてから出射する粒子加速器であって、
   前記荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタおよび最終の出射デフレクタと、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段と、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置される単数または複数の第２の出射デフレクタとを備え、
   前記第２の出射デフレクタは、
   出射するために前記第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを、前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間の前記粒子加速器を構成する機器の前記荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、前記第２の出射デフレクタが無い場合よりも、小さくなるように曲げる
   ことを特徴とする粒子加速器。
3. 前記第１の出射デフレクタは、前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、前記最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の位置に配置される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子加速器。
4. 前記第１の出射デフレクタは、前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して、前記最終の出射デフレクタが配置される位置とは反対側の方向に、出射される荷電粒子ビームを分離する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の粒子加速器。
5. 前記第２の出射デフレクタは、
   出射のために前記第１の出射デフレクタによって周回する前記荷電粒子ビームから分離される荷電粒子ビームを、周回する前記荷電粒子ビームの周回軌道の中心に対して前記最終の出射デフレクタの反対側の位置から、前記最終の出射デフレクタの入口に向かうように曲げる
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の粒子加速器。
6. 荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタ、単数または複数の第２の出射デフレクタ、および最終の出射デフレクタと、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段とを備え、前記荷電粒子ビームを周回しつつ印加される高周波電場でビームを拡散することで出射する粒子加速器のビーム出射方法であって、
   前記第２の出射デフレクタは、
   前記最終の出射デフレクタの入口に、出射する前記荷電粒子ビームの軌道が、周回する前記荷電粒子ビームから分離して入るように、出射のために前記第１の出射デフレクタで分離される前記荷電粒子ビームの軌道を、周回する前記荷電粒子ビームの軌道中心方向に曲げることを特徴とする粒子加速器のビーム出射方法。
7. 荷電粒子ビームを出射するための第１の出射デフレクタ、単数または複数の第２の出射デフレクタ、および最終の出射デフレクタと、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間に配置され、前記荷電粒子ビームを収束させるビーム収束手段とを備え、前記荷電粒子ビームを周回しつつ印加される高周波電場でビームを拡散することで出射する粒子加速器のビーム出射方法であって、
   前記第２の出射デフレクタは、
   前記第１の出射デフレクタと前記最終の出射デフレクタとの間の前記粒子加速器を構成する機器の前記荷電粒子ビームに磁界または電界を印加する領域が、前記第２の出射デフレクタが無い場合よりも小さくなるように、出射のために前記第１の出射デフレクタにより分離された荷電粒子ビームを、周回する荷電粒子ビームの軌道の中心方向に曲げる
   ことを特徴とする粒子加速器のビーム出射方法。

Images