JP2017204469A - サイクロトロン用グラディエントコレクタ - Google Patents

Abstract

【課題】効率的かつ費用対効果に優れ、収束性がよく、予測可能な粒子ビームの取出しを可能にする等時性セクタ収束型サイクロトロンを提供する。
【解決手段】中心軸Ｚの周囲に交互に分配された山セクタ３および谷セクタ４を含む等時性セクタ収束型サイクロトロン用の磁極は、各山セクタ３が、４つの縁部、すなわち上側周囲縁部3up、上側中心縁部3uc、第１の上側側縁部3ulおよび第２の上側側縁部3ulによって境界を定められた上表面3Uと、上側周囲縁部3upから下側周囲線3lpまで延在する周囲表面3Pとを含み、少なくとも１つの山セクタの上側周囲縁部3upは、中心軸に対して凹状の部分をさらに含み、この凹状部分は、対応する山セクタ３の周囲表面の一部にわたって少なくとも部分的に延在する窪みを画定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、サイクロトロンに関する。特に、本発明は、エネルギーを付与された荷電粒子の取り出されたビームの収束が向上された等時性セクタ収束型サイクロトロンに関する。

サイクロトロンは一種の円形粒子加速器であり、そこでは負または正に帯電した粒子がサイクロトロンの中心から外側へ、螺旋状経路に沿って数ＭｅＶのエネルギーまで加速される。別段の指示のない限り、用語「サイクロトロン」は、以下、等時性サイクロトロンに言及するために使用される。サイクロトロンは様々な分野、例えば核物理学において、陽子治療などの医療的処置において、または放射性薬理学において使用される。特に、サイクロトロンは、ＰＥＴ画像作成（陽電子放出断層撮影）に好適な短寿命陽電子放出同位元素を生成するために、またはＳＰＥＣＴ画像作成（単一光子放射型コンピュータ断層撮影）用にガンマ放出同位元素、例えばＴｃ９９ｍを生成するために使用可能である。

サイクロトロンはいくつかの要素を含み、それらには、入射システム、荷電粒子を加速するための高周波（ＲＦ）加速システム、加速された粒子を正確な経路に沿って案内するための磁気システム、そのようにして加速された粒子を収集するための取出しシステム、およびサイクロトロン内に真空を生成し維持するための真空システムが含まれる。

荷電イオンから構成された粒子ビームは、相対的に低い初期速度で入射システムによってサイクロトロンの中心またはその近くでギャップに導入される。図３に示されるように、この粒子ビームは連続的かつ反復的にＲＦ加速システムによって加速され、磁気システムによって発生される磁場により、ギャップ内に含められた螺旋経路に沿って外に向かって案内される。粒子ビームはその目標エネルギーに達すると、取出し地点ＰＥに設けられた取出しシステムによってサイクロトロンから取り出され得る。この取出しシステムは例えば、グラファイトの薄いシートから構成された抜取機を含むことができる。例えば、抜取機を通過するＨ⁻イオンは２つの電子を失い、陽性になる。その結果として、磁場のそれらの経路の曲率がそのサインを変化させ、そのようにして粒子ビームはターゲットに向かってサイクロトロンから放出される。当業者に周知の他の取出しシステムが存在する。

磁気システムは磁場を生成し、磁場は、荷電粒子のビームを、それがその目標エネルギーに加速されるまで、螺旋経路に沿って案内かつ収束する。以下、用語「粒子」、「荷電粒子」および「イオン」は、同義語として区別せずに使用される。磁場は、２つの磁極間に画定されたギャップ内に、これら磁極の周囲に巻かれた２つのソレノイド巻きコイル１４によって生成される。サイクロトロンの磁極は、中心軸の周囲に分散された交互に存在する山セクタと谷セクタとに分割されることが多い。２つの磁極間のギャップは、山セクタにおいてより小さく、谷セクタにおいてより大きい。そのようにして強い磁場が山セクタ内の山ギャップ部分中に生成され、より弱い磁場が谷セクタ内の谷ギャップ部分中に生成される。そのような方位角磁場変化は、粒子ビームが山ギャップ部分に達するたびに、粒子ビームの半径方向および垂直方向の収束をもたらす。このため、そのようなサイクロトロンは時にセクタ収束型サイクロトロンと称される。いくつかの実施形態では、山セクタは、一切れのケーキと同様の円形セクタの形状を有し、中心軸に向かって実質的に半径方向に延在する第１および第２の側表面と、全体的に湾曲した周囲表面と、中心軸に隣接する中心表面と、山ギャップ部分の片側を画定する上表面とを有する。上表面は第１および第２の側縁部と、周囲縁部と、中心縁部とによって境界を定められる。

実用時、粒子ビームは断面領域を有する。サイクロトロンの目的は、可能な限り強力に収束される（すなわち小さい断面領域を有する）所与のエネルギーを有する荷電粒子ビームを生成することである。山セクタおよび谷セクタの連続によって生成される磁場の変化は、光ビームをレンズで収束できる方法と同様の方法でビームの収束に寄与する。粒子ビームが２つの磁極間に画定されたギャップから取り出されると、しかしながら、粒子ビームは、磁場がその均一性を失う境界領域と交差し、これは粒子ビームの収束にとって有害である。これは特に繊細な問題であり、なぜなら、一方で、粒子ビームは取出し地点でその最大エネルギーを有するからであり、他方、磁場が急速に低下する磁極の周囲縁部で磁場を制御することはより難しいからである。取り出される粒子ビームの収束を向上させるために、グラディエントコレクタを追加することにより、周囲縁部に突起を形成することによって山セクタの周囲縁部の形状を修正することが当該技術分野で提案されてきた。グラディエントコレクタは、山セクタのサイズに対して比較的小さい鋼のブロックであり、山セクタの周囲表面に結合される。そのようなグラディエントコレクタは、周囲縁部近くの磁場の修正を可能にし、その結果、山セクタの周囲縁部近くの磁場を局所的に修正し、出力される粒子ビームの収束を改善する。しかしながら、突出型グラディエントコレクタの使用はいくつかの欠点を有する。第１に、磁極を収容する真空チャンバの体積をそれに応じて増大しなければならず、その結果、真空チャンバから気体を抜くためにより多くのエネルギーおよび時間を必要とする。第２に、サイクロトロンの全体重量が増大され、なぜなら、一方ではグラディエントコレクタ自体の重量のため、他方では真空チャンバの外壁の増大された全体サイズ、およびその結果としての磁束反転ヨークのサイズのためであり、その両方がサイクロトロンの重量の大幅な増大の原因となる。第３に、突出型グラディエントコレクタの位置は大変重要であり、小さい位置の偏向が大きい磁場の変化をもたらし得る。グラディエントコレクタは、山セクタの周囲表面の正確に同じ位置に熟練者によって手動で固定しなければならない。これは言うまでもなく決定的に重要かつ費用の掛かる作業である。第４に、これらの突出型グラディエントコレクタは、磁場を外側に偏向する効果を有し、これは粒子ビームの経路を、対向する山セクタの対の間の山ギャップ部分の周囲縁部に向かって外側へ引き、そこで磁場はその均一性を失う。このシフトはまた、有用な磁場の喪失につながり、その結果、その損失を補償するためにコイル電流の増大を必要とする。従って、取り出される粒子ビームの特性を制御することはより難しくかつ費用が掛かる。

従って、効率的かつ費用対効果に優れた方法で、より収束され、かつより予測可能な粒子ビームの取出しを可能にする等時性セクタ収束型サイクロトロンを提供する必要性が当該技術分野に依然として残っている。

本発明は、付随する独立請求項中で定義される。好ましい実施形態は、従属項中で定義される。

本発明は、少なくとも３個の山セクタと、底表面を含む同じ数の谷セクタとを含むサイクロトロンの磁極であって、前記山セクタおよび谷セクタが中心軸Ｚの周囲に交互に分散され、各山セクタが、
（ａ）上表面であって、
・第１および第２の上側遠位端によって境界を定められ、かつ中心軸から最も遠くに配置された上表面の縁部として画定される上側周囲縁部、
・第１および第２の上側近位端によって境界を定められ、かつ中心軸の最も近くに配置された上表面の縁部として画定される上側中心縁部、
・第１の上側遠位端および第１の上側近位端を接続する第１の上側側縁部、
・第２の上側遠位端および第２の上側近位端を接続する第２の上側側縁部、
によって画定される上表面と、
（ｂ）第１および第２の側表面であって、第１および第２の上側側縁部から、山セクタの両側に配置された対応する谷セクタの底表面まで横切ってそれぞれ延在し、従って第１および第２の下側側縁部を、側表面を隣接する底表面と交差させる縁部として画定し、前記第１および第２の下側側縁部がそれぞれ中心軸から最も遠くに配置された下側遠位端を有する、第１および第２の側表面と、
（ｃ）上側周囲縁部から、第１および第２の下側側縁部の下側遠位端によって境界を定められるセグメントとして画定される下側周囲線まで延在する周囲表面と
を含む磁極において、
少なくとも１つの山セクタの上側周囲縁部が、対応する山セクタの周囲表面の一部にわたって少なくとも部分的に延在する窪みを画定する、中心軸に対して凹状の部分を含むことを特徴とする磁極に関する。

好ましくは、窪みは概ねくさび形の形状であり、第１および第２の集束線（好ましくは直線）が、好ましくは７０°〜１３０°、より好ましくは８０°〜１１０°、最も好ましくは９０°±５°に含まれる集束角度θで上側周囲縁部から離れて延在する。

窪みは、上側周囲縁部から離れる集束部分を有し、前記集束部分は以下の形状：
・三角形の窪みを形成する鋭角コーナー部分、
・台形の窪みを形成する直線状の縁部、または
・アーチ状の窪みを形成する丸みを帯びた縁部
の１つを有する。

好ましくは、上側周囲縁部は方位角長さＡｈを有し、凹状部分は上側周囲縁部の方位角長さの３％〜３０％、好ましくは５％〜２０％、より好ましくは８％〜１５％に延在する。

好ましくは、窪みは第１および第２の上側側縁部から離される。あるいは、窪みは第１の上側側縁部に隣接する。

窪みは周囲表面の一部にわたって延在することができる。

好ましくは、周囲表面の前記一部は、上側周囲縁部と下側周囲線との間で中心軸と平行に測定される周囲表面の高さの画分ζに対応し、画分ζは２５％〜７５％、好ましくは４０％〜６０％、最も好ましくは４５％〜５５％に含まれる。

磁場の滑らかな変化を有するために、周囲表面は上側周囲縁部に隣接して面取り部を形成する。

好ましくは、上側周囲縁部は、円弧であって、その中心が中心軸に対してオフセットされる円弧であり、その円弧の半径は、中心軸から、第１および第２の上側遠位端まで等距離である上側周囲縁部の中間地点までの距離の８５％以下である。

山セクタの数Ｎは、好ましくは３、４、５、６、７または８であり、より好ましくはＮ＝４である。

本発明はまた、上に記載したような第１および第２の磁極を含む、ギャップ内に含められた所与の経路を介して粒子ビームを加速するためのサイクロトロンに関し、第１および第２の磁極は、間に前記ギャップを形成する第１および第２の磁極の中心軸に対して垂直な中間面に対して対称に配置され、山ギャップ部分は２つの対向する山セクタの間に形成され、および谷ギャップ部分は２つの対向する谷セクタの間に形成される。

好ましくは、サイクロトロンの窪みは、第１および第２の窪み遠位地点を有し、前記第１および第２の窪み遠位地点は距離Ｌ１０だけ互いに分離され、第１および第２の磁極の山セクタの対の間の山ギャップ部分は平均高さＧｈを有し、比率Ｇｈ／Ｌ１０は、５〜１００％、好ましくは１０〜５０％、より好ましくは２０〜３３％に含まれる。

サイクロトロンはまた、第１および第２の磁極の山セクタの２つの対向する上表面の間の山ギャップ部分内に配置された取出し地点を含むことができ、粒子ビームの所与の経路は、前記第１の取出し地点まで中心軸の周囲を回る外向き螺旋経路であり、そのため、粒子ビームは、取出し経路に沿って所与のエネルギーでサイクロトロンから排出されることができ、窪みは前記取出し地点の下流に配置され、ここで、下流は粒子ビームの方向に対して定義され、それにより、取出し経路は、８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°に含まれる角度で窪みの１本の線と交差する。

好ましくは、サイクロトロンは、第２の取出し経路を画定する第２の取出し地点を山セクタ内にさらに含み、かつ第２の取出し地点の下流に配置された第２の窪みを含み、それにより、第２の取出し経路は、８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°に含まれる角度で第２の窪みの１本の線と交差する。

本発明のこれらのおよびさらなる態様を、例としておよび添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、本発明によるサイクロトロンの（ａ）側断面図および（ｂ）上面図を概略的に示す。 図２は、本発明によるサイクロトロンの山および谷セクタの例を示す。 図３は、半分のサイクロトロンおよび加速荷電粒子の経路の部分斜視図を示す（磁束反転ヨーク内の取り出される粒子の出口は視認性を高めるために示されていない）。 図４は、グラディエントコレクタを含む本発明による山セクタの例を示す。 図５は、磁場の線の例をグラディエントコレクタありおよびなしで示す。 図６は、本発明による山セクタの上側周囲線の凹状部分の形状の例を示す。 図７は、本発明による窪みの形状の例を示す。 図８は、２つの窪みおよび２つの取出し地点を有する本発明による磁極の例を示す。 図９は、山セクタの改善された上側周囲縁部の設計を含む本発明による山セクタの別の例を示す。 図１０は、本発明に従い、窪み（ａ）および極インサート（ｂ）を有する、山セクタの第３の例を示す。

本発明によるサイクロトロンの形状
本発明は、等時性セクタ収束型サイクロトロンに関し、以下、上掲の背景技術の節で考察した種類のサイクロトロンとして言及される。図３に示されるように、本発明によるサイクロトロンは、荷電粒子を、サイクロトロンの中心領域から外方へ、螺旋状経路１２に沿って、それらが数ＭｅＶのエネルギーで取り出されるまで加速する。例えば、そのようにして取り出された荷電粒子は、陽子、Ｈ^＋、または重陽子、Ｄ^＋であり得る。好ましくは、取り出される粒子によって到達されるエネルギーは、５〜３０ＭｅＶ、より好ましくは１５〜２１ＭｅＶ、最も好ましくは１８ＭｅＶである。そのようなエネルギーのサイクロトロンは、例えば、ＰＥＴ画像作成（陽電子放出断層撮影）での使用に好適な短寿命陽電子放出同位元素を生成するために、またはＳＰＥＣＴ画像作成（単一光子放射型コンピュータ断層撮影）用にガンマ放出同位元素、例えばＴｃ９９ｍを生成するために使用される。

図１に示されるように、本発明によるサイクロトロン１は、２つの基板５と、一緒にヨークを形成する磁束反転ヨーク６とを含む。磁束反転ヨークは、サイクロトロンの外壁を形成し、およびコイル１４の外側の磁場を、それをサイクロトロン内に含有することによって制御する。サイクロトロンは、第１および第２の磁極２をさらに含み、それらは真空チャンバ内に配置され、中心軸Ｚに対して垂直な中間面ＭＰに対して対称に互いに向き合い、ギャップ７によって互いに分離される。ヨークおよび磁極は全て磁性材料から、好ましくは低炭素鋼から作製され、磁性システムの一部を形成する。磁性システムは、第１および第２の磁極の周囲に巻かれ、磁極と磁束反転ヨークとの間に画成される環状空間内に取り付けられる電気伝導性ワイヤから作製された第１および第２のコイル１４によって完成される。

図１（ｂ）および２に示されるように、第１および第２の磁極２のそれぞれは、中心軸Ｚの周囲に半径方向に分散された少なくともＮ＝３の山セクタ３を含む（図１（ｂ）はＮ＝４の好ましい実施形態を示す）。淡く陰影を付けられた領域として図１（ｂ）に示されている各山セクタ３は、山方位角αｈにわたって延在する上表面３Ｕを有する。第１および第２の磁極２のそれぞれは、中心軸Ｚの周囲に半径方向に分散された、暗く陰影を付けられた領域として図１（ｂ）に示されている同じ数Ｎの谷セクタ４をさらに含む。各谷セクタ４は２つの山セクタ３が側方に位置付けられ、谷方位角αｖにわたって延在する底表面４Ｂを有し、その結果、αｈ＋αｖ＝３６０°／Ｎである。

第１の磁極２の山セクタ３および谷セクタ４は、それぞれ第２の磁極２の対向する山セクタ３および谷セクタ４に面する。図３に示される粒子ビームによって辿られる経路１２は、第１および第２の磁極を分離するギャップ７内に含まれる。第１および第２の磁極間のギャップ７は、従って、２つの対向山セクタ３の上表面３Ｕ間に画定される山ギャップ部分７ｈと、２つの対向谷セクタ４の底表面４Ｂ間に画定される谷ギャップ部分７ｖとを含む。山ギャップ部分７ｈは、２つの対向上表面３Ｕの領域にわたる山ギャップ部分の平均高さとして画定される平均ギャップ高さＧｈを有する。

平均山および谷ギャップ高さは、山セクタおよび谷セクタのそれぞれ上表面および下表面全体にわたるギャップ高さの平均として測定される。谷ギャップ高さの平均は、底表面の何れの開口も無視する。

上表面３Ｕは、
・第１および第２の上側遠位端３ｕｄｅによって境界を定められ、かつ中心軸Ｚから最も遠くに位置する上表面の縁部として画定される上側周囲縁部３ｕｐ、
・第１および第２の上側近位端３ｕｐｅによって境界を定められ、かつ中心軸から最も近くに位置する上表面の縁部として画定される上側中心縁部３ｕｃ、
・ｓｔｒａｉ、
・第２の上側遠位端および第２の上側近位端を接続する第２の上側側縁部３ｕｌ
によって画定される（図２参照）。

山セクタ３は、
・第１および第２の側表面３Ｌであって、それぞれ第１および第２の上側側縁部から、山セクタの両側に配置された対応する谷セクタの床表面まで横切って延在し、従って側表面を隣接底表面と交差させる縁部として第１および第２の下側側縁部３ｌｌを画定し、前記第１および第２の下側側縁部はそれぞれ中心軸から最も遠くに配置された下側遠位端３ｌｄｅを有する、第１および第２の側表面３Ｌ、
・上側周囲縁部から、第１および第２の下側側縁部の下側遠位端３ｌｄｅによって境界を定められるセグメントとして画定される下側周囲線３ｌｐまで延在する周囲表面３Ｐ
をさらに含む（図２参照）。

山セクタの平均高さＨｈは、下側および上側側縁部の間で中心軸と平行に測定される平均距離である。

縁部の端部は、その縁部を画定するセグメントの境界を定める２つの末端のうちの１つとして画定される。近位端は、中心軸Ｚの最も近くに配置された縁部の端部である。遠位端は、中心軸Ｚの最も遠くに配置された縁部の端部である。端部は、２本以上の線が交わる地点として画定されるコーナー地点であり得る。コーナー地点はまた、曲線の接線がサインを変化させるか、または不連続性を示す地点としても画定され得る。

縁部は２つの表面が交わる線セグメントである。縁部は、上で定義されたように２つの端部によって境界を定められ、および２つの交わる表面のそれぞれの片方の側を定める。機械加工工具の制限および応力集中の低減のために、２つの表面は所与の曲率半径Ｒで交わることが多く、これは、両方の表面と交差する縁部の幾何学的位置を正確に決定することを困難にする。この場合、縁部は、無限の曲率（１／Ｒ）で互いに交差するように推定される２つの表面と交差する幾何学的な線として画定される。上側縁部は山セクタの上表面３Ｕと交差する縁部であり、下側縁部は谷セクタの底表面４Ｂと交差する縁部である。

周囲縁部は、中心軸Ｚから最も遠くに配置された地点を含む表面の縁部として画定される。最も遠い地点が２つの縁部によって共有されるコーナー地点である場合、周囲縁部はまた、中心軸Ｚまでの平均距離が最大である表面の縁部である。例えば、上側周囲縁部は、中心軸まで最も遠くに配置された地点を含む上表面の縁部である。山セクタが一切れのタルトと比較される場合、その周囲縁部はタルトの周囲のクラストであろう。

同じように、中心縁部は、中心軸Ｚの最も近くに配置された地点を含む表面の縁部として画定される。例えば、上側中心縁部は、中心軸Ｚの最も近くに配置された地点を含む上表面の縁部である。

側縁部は、近位端の中心縁部を遠位端の周囲縁部に接続する縁部として画定される。そのため、側縁部の近位端は、中心縁部と交差する前記側縁部の端部であり、前記側縁部の遠位端は、周囲縁部と交差する前記側縁部の端部である。

サイクロトロンの設計に依存して、上側／下側中心縁部は様々な形状を有し得る。最も一般的な形状は、中心軸に対して有限長さ（０以外）の、多くの場合に円形である凹状の線（または凹状の曲線）であり、これは、互いに分離された第１および第２の上側／下側近位端によって境界を定められる。この構造は、粒子ビームおよび他の要素をギャップへ導入するための空間をあけるために有用である。第１の代替構造において、第１および第２の近位中心端部は、上表面３Ｕの頂点を形成する単一の近位中心地点に収束され、これは３つの縁部のみを含み、中心縁部はゼロの長さを有する。山セクタが一切れのタルトと再度比較される場合、一切れの鋭利な先端は中心縁部に対応し、従って単一地点に低減される。第２の代替構造において、第１から第２の側縁部への移行部は、中心軸Ｚに対して湾曲した凸状であり得、これはコーナー地点のない滑らかな移行部をもたらす。この構造において、中心縁部はまた、接線がサインを変化する地点として画定される単一地点に低減される。通常、第１および第２の代替構造においてさえ、山セクタは中心軸まで完全に延在せず、中心軸を直接取り囲む中心領域は、粒子ビームの挿入または他の要素の導入を可能にするように一掃される。

図２に示されるように、第１および第２の側表面３Ｌは好ましくは面取りされ、それぞれ第１および第２の上側側縁部に面取り部３ｅｃを形成する。面取り部は、面取り部のない２つの表面によって形成されたであろう縁部を切除することによって得られた２つの表面間の中間表面として画定される。面取り部は、２つの表面間の縁部に形成された角度を低減する。面取り部は、応力集中を低減するために構造において使用されることが多い。サイクロトロンにおいて、しかしながら、山セクタの上表面のレベルにおける面取りされた側表面は、粒子ビームが山ギャップ部分７ｈに到達するとき、粒子ビームの収束を向上させる。山セクタの周囲表面３Ｐも同じく上側周囲縁部に面取りを形成可能であり、これにより周囲縁部の近くの磁場の均一性が改善される。

本発明によるサイクロトロンは、Ｎ＝３〜８の山セクタ３を好ましくは含む。より好ましくは、いくつかの図に示されるように、Ｎ＝４である。偶数値Ｎの場合、山セクタ３および谷セクタ４は、中心軸の周囲に２ｎの対称性で分散され、ここでｎ＝１〜Ｎ／２である。好ましくは、ｎ＝Ｎ／２であり、その結果、Ｎ個の山セクタの全てが互いに同一であり、Ｎ個の谷セクタの全てが互いに同一である。奇数値Ｎの場合、山セクタ３および谷セクタ４は、中心軸の周囲にＮの対称性で分散される。好ましい実施形態において、全てのＮ＝３〜８の場合、Ｎ個の山セクタ３は中心軸の周囲に均一に（すなわちＮの対称性で）分散される。第１および第２の磁極２は、それらの各上表面３Ｕが互いに向き合う状態で、および同軸である第１および第２の磁極２の各中心軸Ｚに対して垂直な中間面ＭＰに対して対称に向き合う状態で配置される。

山セクタの形状は、（しばしば上で考察されるように先端のない）一切れのタルトのようにくさび形であることが多く、その第１および第２の側表面３Ｌは周囲表面から中心軸Ｚに向かって（通常それに到達することなく）収束する。山方位角αｈは、収束角度に一致し、それは中心軸Ｚにおけるまたはそれに隣接する側表面の（推定される）上側側縁部の交差地点のレベルで測定される。山方位角αｈは、好ましくは３６０°／２Ｎ±１０°、より好ましくは３６０°／２Ｎ±５°、最も好ましくは３６０°／２Ｎ±２°に含まれる。

中心軸Ｚのレベルで測定される谷方位角αｖは好ましくは３６０°／２Ｎ±１０°、より好ましくは３６０°／２Ｎ±５°、最も好ましくは３６０°／２Ｎ±２°に含まれる。谷方位角αｖは山方位角αｈに等しい場合がある。Ｎの対称性の程度の場合、αｖ＝３６０°／Ｎ−αｈであり、例えば、Ｎ＝４の場合、αｖはαｈの相補角であり、αｖ＝９０°−αｈである。

中心軸と周囲縁部との間の最大距離Ｌｈは、好ましくは２００〜２０００ｍｍ、より好ましくは４００〜１０００ｍｍ、最も好ましくは５００〜８００ｍｍに含まれる。例えば、１８ＭｅＶ陽子サイクロトロンにおいて、最長距離Ｌｈは通常７５０ｍｍ未満であり、５００〜７５０ｍｍ、典型的には５２０〜５５０ｍｍのオーダーであることができる。上側周囲縁部は、第１および第２の上側周囲端部間で測定される方位角長さＡｈを有し、およそＡｈ＝Ｌｈ×αｈ［ｒａｄ］であり得る。

２つの磁極２および各磁極の周囲に巻かれたソレノイド巻きコイル１４は、（電）磁石を形成し、（電）磁石は、磁極間のギャップ７内に磁場を生成し、磁場は、サイクロトロンの（中心軸Ｚの周囲の）中心領域を起点とする図３に示される螺旋経路１２に沿って荷電粒子のビーム（＝粒子ビーム）を、それが例えば１８ＭｅＶの目標エネルギーに到達するまで案内かつ収束し、その結果としてビームは取り出される。上で考察されたように、磁極は、中心軸Ｚの周囲に分散される交互に存在する山セクタおよび谷セクタに分割される。その結果、強い磁場が、山セクタ内の平均高さＧｈの山ギャップ部分７ｈ内に生成され、より弱い磁場が、谷セクタ内の＞Ｇｈである平均高さＧｖの谷ギャップ部分７ｖ内に生成され、その結果、粒子ビームの垂直収束がもたらされる。

粒子ビームはサイクロトロン内に導入されると、ディー（図示せず）と称される高電圧電極間に、および磁場がより弱い、谷セクタ内に配置された、磁極の側縁部に取り付けられたグラウンド電圧電極間に生成された電界によって加速される。加速粒子は山ギャップ部分７ｈに進入するたびに、前の山セクタ内で有していた速度よりも速い速度を有する。山セクタ内に存在する高い磁場は加速粒子の軌道を逸らし、それにより、それが前の山セクタ内で辿るよりも大きい半径の本質的に円形の経路を辿るようにする。粒子ビームがその目標エネルギーまで加速されると、粒子ビームは図３に示されるように取出し地点ＰＥと称される地点でサイクロトロンから取り出される。例えば、高エネルギー陽子Ｈ^＋は、加速されたＨ⁻イオンのビームを、グラファイトの薄いフォイルシートから構成された抜取機に押し通すことによって取り出すことができる。抜取機を通過するＨ⁻イオンは２つの電子を失い、陽のＨ^＋になる。粒子荷電のサインを変えることによって磁場内のその経路の曲率はサインを変え、そのように粒子ビームはサイクロトロンの外へ目標（図示せず）に向かって出される。他の取出しシステムが当業者に知られており、使用される取出しシステムの種類および詳細は本発明に必須ではない。通常、取出し地点は、山ギャップ部分７ｈに配置される。サイクロトロンは、同一の山部分にいくつかの取出し地点を含むことができる。サイクロトロンの対称要件により、２つ以上の山セクタが取出し地点を含む。Ｎの対称性の程度の場合、Ｎ個全ての山セクタが同じ数の取出し地点を含む。取出し地点は個々に（一度に１つのみ）または同時に（一度に数個）使用可能である。

グラディエントコレクタ
図４（ａ）および図４（ｂ）は、Ｎ＝４の山セクタと、底表面を含むＮ＝４の谷セクタとを含むサイクロトロンの磁極の好ましい実施形態の例を示し、前記山セクタおよび谷セクタは、Ｎ＝４の対称性で中心軸Ｚの周囲に交互に分配される。本発明によるサイクロトロンのそのような山セクタは、上に定義されるような第１および第２の側表面３Ｌと、周囲表面３Ｐと、上表面３Ｕとを含む。少なくとも１つの山セクタの上表面の上側周囲縁部３ｕｐは、対応する山セクタの周囲表面の一部に部分的に延在する窪みを画定する中心軸に対する凹状の部分に隣接する凸状部分を含む。好ましくは、少なくとも１つの山セクタの上表面の上側周囲縁部３ｕｐは、凹状部分によって分離される２つの凸状部分を含む。

上で考察した、偶数値Ｎの場合の２ｎおよび奇数値Ｎの場合のＮの対称要件のため、同じ対称性が、様々な山セクタの上側周囲縁部の中心軸に対する凹状の部分の有無に適用される。従って、各山セクタの上側周囲縁部は、好ましくは、２つの凸状部分間に、対応する山セクタの周囲表面に部分的に延在する窪み１０を画定する中心軸に対する凹状部分３ｕｐｃを含む。

用語「凹状」は、内側に湾曲することまたは内側に窪むことを意味する。縁部の中心軸に対する凹状の部分は、中心軸に向かって湾曲する縁部の部分である。この用語は、用語「凸状」の反対であり、「凸状」は中心軸の外へ湾曲することまたは中心軸から外方へ延在することを意味する。

窪みの位置は、第１および第２の側縁部から分離されるか、または第１および第２の側縁部に隣接するかの何れかであり得る。好ましくは、山セクタは、側縁部から分離された少なくとも１つの窪みを含む。

先行技術のサイクロトロンでは、突出するグラディエントコレクタが使用された。突出するグラディエントコレクタは、以下のようないくつかの欠点を有する。
・真空チャンバの体積の増大、
・ヨークおよびサイクロトロン全体の体積の増大、
・サイクロトロンの重量の増大、
・手動で実行する必要のあるグラディエントコレクタの正確な位置付けの難しさ、
・磁場の外方への偏向。

突出するグラディエントコレクタの代わりに窪んだグラディエントコレクタを使用することには、いくつかの利点がある。第１に、これにより、磁極を受け入れる真空チャンバのサイズの低減が可能になり、これにより、真空チャンバから気体を排出するために必要とされるエネルギーの低減と、気体排出時間の短縮とがもたらされる。第２に、サイクロトロンの全体重量が低減され、なぜなら、一方で、山セクタの重量が増大される代わりにわずかに低減されるからであり、他方で、磁束反転ヨークの内側表面の直径全体が低減されるからである。第３に、粒子ビームが山セクタの周囲縁部と交差する角度の最適化を可能にする数値的に制御される機械加工により、窪みの位置を正確に形成かつ位置付けすることができる。第４に、突出するグラディエントコレクタが磁場を外側に偏向するとき、磁場は窪んだグラディエントコレクタによって内側に偏向され、その結果、粒子経路の最終サイクルが山セクタの周囲縁部からさらに内側へシフトされ、そこで磁場は周囲縁部の近くよりも均一である。図５は、窪んだグラディエントコレクタによって偏向された磁場の線の例（図５（ａ））、およびグラディエントコレクタが一切ない磁場の線の例（図５（ｂ））を示す。従って、取り出される粒子ビームの特性を制御すること、特にその収束を制御することはより簡単であり、より予測可能である。加速領域に向かうこの偏向はまた、コイルに供給される電力を低減することを可能にする。

好ましくは、上側周囲縁部３ｕｐは、第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐを含み、それらは窪みの境界を定め、および上側周囲縁部の接線がサインを変えるか、または不連続性を示す地点として画定される。第１および第２の窪み遠位地点は、距離Ｌ１０によって互いに分離される。窪みはまた、中心軸Ｚの最も近くに位置する窪みの地点として画定される窪み近位地点１０ｒｐｐを含む。第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐは、第１および第２の窪み集束縁部１０ｒｃによって窪み近位地点１０ｒｐｐとつながる。

窪み深さＨ１０は、第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐと窪み近位地点１０ｒｐｐとによって形成されかつ窪み近位地点１０ｒｐｐを通過する三角形の高さとして画定される。窪みの深さＨ１０は、上側周囲縁部の方位角長さＡｈの３％〜３０％、好ましくは５％〜２０％、より好ましくは８％〜１５％に含まれる。好ましくは、中心軸と山セクタの周囲縁部との間の最大距離Ｌｈに対する窪み深さＨ１０の比率Ｈ１０／Ｌｈは、２％〜２０％、好ましくは４％〜１５％、最も好ましくは６％〜１０％に含まれる。

上側周囲縁部３ｕｐは、第１および第２の上側遠位端３ｕｄｅの間で測定される方位角長さＡｈを有する。第１の窪み遠位地点を窪み近位地点につなぐ第１の窪み集束縁部１０ｒ１は長さＬ１０１を有し、第２の窪み遠位地点を窪み近位地点につなぐ第２の窪み集束縁部１０ｒ２は長さＬ１０２を有する。第１および第２の窪み集束縁部の長さＬ１０１およびＬ１０２は、上側周囲縁部の方位角長さＡｈの５〜３０％に含まれる。好ましくは、長さＬ１０１は、長さＬ１０２の±４０％に等しい（Ｌ１０１＝Ｌ１０２±４０％）。

好ましくは、第１および第２の窪み遠位地点間の距離Ｌ１０は、上側周囲縁部の方位角長さＡｈの５％〜５０％、より好ましくは１０％〜３０％、最も好ましくは１５％〜２０％の範囲である。

好ましくは、窪みはまた、上側周囲縁部３ｕｐから下側周囲線３ｌｐに向かって周囲表面３Ｐの一部にわたって延在する。その結果、窪みは上側周囲縁部と下側周囲線との間で中心軸と平行に測定される周囲表面の高さの画分ζにわたって周囲表面にわたり延在する。画分ζは好ましくは２５％〜１００％、好ましくは４０％〜７５％、最も好ましくは４５％〜５５％に含まれる。

図６に示されるように、上側周囲縁部の凹状部分は、以下の形状：（ａ）長方形、（ｂ）台形、（ｃ）直線状の縁部または（内側または外側に）湾曲した縁部を有する三角形（ｄ）円弧、（ｅ）２つの円弧、（ｆ）放物線、（ｇ）正方形、（ｈ）平行四辺形、（ｉ）多角形、（ｊ）滑らかな曲線の何れかを第１および第２の窪み遠位地点の間で開口させることができる。基本的に、数値解析によって決定された任意の形状を実装することができる。例えば、台形の場合、小さい底辺が窪み近位地点１０ｒｐｐを含むことができ、大きい底辺は第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐによって画定することができる。あるいは、小さい底辺は、第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐによって画定可能であり、大きい底辺は、窪み近位地点１０ｒｐｐを含むことができる。三角形は、不等辺三角形、二等辺三角形または正三角形であることができる。それはまた、直角が窪み近位地点１０ｒｐｐに形成されている直角三角形であることもできる。２つ（またはそれを超える）の円弧の場合、それらは内側に（（ｅ）右）、または外側に（（ｅ）左）曲がることができる。凹状部分は、その１つの縁部が粒子ビームの取出し経路と８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°、実質的に９０°で交差するように設計されると好ましい。

好ましくは、窪み１０は、中心軸と平行に周囲表面の一部にわたって延在する。あるいは、それは、中心軸Ｚと角度をなして上表面から下方へ延在し得る。距離Ｌ１０および／または高さＨ１０は、互いに独立してまたは同時に、周囲表面の高さに沿って増大または低減し得る。中心軸Ｚに対して垂直な窪みの断面の面積は、従って、上表面からの距離とともに低減または増大し得る。より複雑な実施形態において、窪みの形状および断面の面積は、周囲表面にわたって変化し得る。同じく窪みの高さは、周囲表面にわたって変化し得る。図７は窪みの形状のいくつかの例を示す。例えば、窪みは、（ａ）中心軸と平行に上表面から延在するプリズム、（ｂ）中心軸Ｚに対して垂直に周囲表面から延在するプリズム、（ｃ）角錐（の一部）または周囲表面にわたって延在するより複雑な体積の形状を有し得る。

好ましくは、窪みは、概ねくさび形であり、第１および第２の窪み集束縁部は直線の（またはわずかに内側または外側に湾曲した）線である。くさびの先端は窪み近位地点に一致し、中心軸の全体方向を指す。くさびの先端の集束角度θは、好ましくは、７０°〜１３０°、より好ましくは８０°〜１１０°、最も好ましくは９０°±５°に含まれる。本明細書で使用される表現「内側」および「外側」は、それぞれ、中心軸「の方」または「から離れる方」として理解される。

より一般的には、くさび形窪みの集束部分は、以下の形状：
・上で考察したくさび状に成形される窪みに対応する、三角形の窪みを形成する鋭角コーナー部分、
・台形状に窪んだくさびを形成する直線縁部、または
・アーチ状の窪みを形成する丸みを帯びた縁部
の１つを有し得る。

本発明はまた、上で定義したような磁極を含むサイクロトロンに関する。上に記載したように、サイクロトロンは、第１の取出し地点まで所与の経路にわたり粒子ビームを加速し、そのため、粒子ビームは所与のエネルギーでサイクロトロンから排出される。サイクロトロンの第１および第２の磁極の山の対の間の山ギャップ部分は、平均高さＧｈを有する。好ましくは、山ギャップ部分の高さＧｈに対する第１および第２の窪み遠位地点１０ｒｄｐ間の距離Ｌ１０の比率は、１〜２０、好ましくは２〜１０、より好ましくは３〜５に含まれる。例えば、高さＧｈ＝２０〜４０ｍｍの山ギャップの場合、距離Ｌ１０は１０〜１００ｍｍのオーダーであり得、これは、１〜５、好ましくは３〜３．５に含まれ得る比率Ｌ１０／Ｇｈ、すなわちＧｈ／Ｌ１０≦１をもたらす。

好ましくは、取出し地点は、対向する山セクタの対の周囲縁部に隣接する山ギャップ部分内に配置される。窪みは、前記第１の取出し地点から下流に配置される。ここで、下流は、粒子ビームの方向に関連して定義される。窪み１０は、粒子ビームが第１の集束窪み縁部１０ｒ１と９０°±１５°の角度で交差するように、取出し地点に対しておよび取出し経路に対して正確に機械加工される。粒子ビームは、その結果、磁場に対して実質的に垂直に山ギャップ部分から離れ、これは、取り出される粒子ビームの収束を改善する。窪みの位置および形状は、数値的な計算および／または試験によって決定される。

図８に示されるように、サイクロトロンは、第１の取出し地点ＰＥ１の下流におよび対向する山セクタの同じ対の同じ山ギャップ部分内に配置された第２の取出し地点ＰＥ２をさらに含み得る。粒子ビームは、前記第１の取出し地点と同じエネルギーで前記第２の取出し地点でサイクロトロンから排出され得る。この場合、２つの取出し地点を含む山セクタは、２つの窪みを同じく含み、そのそれぞれは対応する取出し地点の下流に配置される。

図９は、本発明によるサイクロトロンの磁極の好ましい実施形態の例を示す。この実施形態において、上側周囲縁部３ｕｐは、第１および第２の上側遠位端によって境界を定められ、および山セクタの上側周囲縁部は円弧３ａｃを含み、その中心は中心軸に対してオフセットされ、その半径Ｒｈは、中心軸から、第１および第２の上側遠位端まで等距離である上側周囲縁部の中間地点までの距離Ｌｈの８５％以下である（Ｒｈ／Ｌｈ≦８５％）。

好ましくは、距離Ｌｈに対する半径Ｒｈの比率Ｒｈ／Ｌｈは、７５％以下（Ｒｈ／Ｌｈ≦７５％）、より好ましくは６５％以下（Ｒｈ／Ｌｈ≦６５％）である。

円弧であって、その中心が中心軸に対してオフセットされる円弧を含む上側周囲縁部を有する目的は、上側周囲縁部の少なくとも一部を、サイクロトロンの山ギャップ部分７ｈ内の螺旋経路１２の最大エネルギー（＝最終）の軌道に相似的に近づけることである。「軌道に相似的に近づける」は、上側周囲縁部の円弧部分および取出し地点に隣接する粒子の最終軌道の両方が、異なる半径で同じ中心を共有する円の弧であることを意味する。従って、この円弧は、取出し地点に直接隣接し、かつ、その上流の前記最終軌道の一部とほぼ平行である。取り出される軌道の経路の長さおよび軌道と上側周囲縁部との間の角度は、取出しシステム（例えば抜取機）の方位角位置と無関係になる。結果として、取り出されるビームの特性は、取出し地点の位置と（ほぼ）無関係である。

好ましくは、円弧は、上側周囲縁部の第１の上側遠位端から第２の上側遠位端まで延在し、その結果、山セクタの全周囲縁部を画定し、および円弧の中心は、上表面の二等分線上に横たわり、前記二等分線は中心軸を上側周囲縁部の中間地点につなぐ直線として画定される。

好ましくは、周囲表面は、上側周囲縁部に隣接する面取り部を形成する。

上に記載したように、サイクロトロンは粒子ビームを所与の経路にわたって第１の取出し地点まで加速し、そのため、粒子ビームを所与のエネルギーでサイクロトロンから排出することができる。有利には、山セクタは２つ以上、例えば２つの取出し地点を含み得る。２つの磁極の中間面ＭＰに関連する２つの対向する山セクタの上側周囲縁部の円弧部分は、第１の取出し地点のすぐ上流の所与の経路の一部と平行でありかつそれを相似的に再現する。円弧は、周囲縁部全体にわたって所与の経路の一部と同じ中心を共有し、所与の経路の一部と平行である。用語「上流」および「下流」は、粒子ビームの方向に関連して定義される。

粒子ビームがその目標エネルギーに到達すると、粒子ビームは取出し地点で取り出され、次いで、取出し地点の下流の取出し経路を辿る。この取出し経路の一部は第１および第２の磁極の間に横たわり、従って山ギャップ部分内に依然として含まれ、磁場にさらされる。対向する山セクタの対が第１および第２の取出し地点を含む場合、粒子ビームを第１もしくは第２の取出し地点で、またはその両方で取り出すことができる。粒子ビームは、次いで第１または第２の取出し地点の下流の第１または第２の取出し経路を辿る。本実施形態による上側周囲縁部の少なくとも一部の円形の形状により、第１の取出し地点の下流のギャップ内に含まれる取出し経路の長さＬ１と、第２の取出し地点の下流のギャップ内に含まれる取出し経路の長さＬ２とは実質的に等しい。

第１および第２の取出し地点の下流の取出し経路の同じ長さを有する主な利点は、１つの取出し地点から取り出される粒子ビームが第２の取出し地点から取り出されるものと同様の光学特性を有することを保証することである。

図１０は、サイクロトロンの磁極の好ましい実施形態の例を示し、ここで、少なくとも１つの山セクタの上表面は、
− 上側周囲縁部および上側中心縁部と交差する長手方向軸８ｒｌに沿って窪み近位端８ｒｐｅと窪み遠位端８ｒｄｅとの間の長さＬ８にわたって延在する窪み８であって、その長さＬ８の少なくとも８０％にわたって第１および第２の上側側縁部から離される、窪み８、および
− 前記窪みに適合し、および前記窪み内に位置付けられ、前記窪みに可逆的に結合される極インサート９
をさらに含む。

用語「適合する」は、極インサートが、窪みに正確に挿入かつ組み込み可能な全体形状を有することを意味する。

極インサートを含む先行技術のサイクロトロンにおいて、極インサートは、山セクタの上表面の側縁部から機械加工された窪み内に位置付けられた。そのような極インサートへのアクセスは、しかしながら、上側側縁部領域と重なるＲＦ加速システムの一部によって困難となる。そのような極インサートへアクセスするには、ＲＦシステムの重なっている部分を最初に取り外さなければならない。極インサートを上表面に位置付けることによって、取外し、機械加工および窪みへの再挿入のために極インサートに簡単にかつ直接アクセスすることができる。本実施形態を用いると、予測される磁場および粒子経路をもたらす最適なインサートトポグラフィに到達することは、これまでよりもかなり簡単でありかつ効果的である。

好ましくは、全ての極インサートは同じ形状を有し、同じ材料から作製される。好ましくは、極インサートは、対応する山セクタと同じ材料から作製される。

好ましくは、窪みは中心軸と交差する長手方向軸に沿って延在し、両端部に開放端部を有し、上側中心縁部から上側周囲縁部までの全てにわたり延在する。さらに好ましい実施形態では、長手方向軸は第１および第２の上側遠位端から等距離に配置された地点で上側周囲縁部と交差し、ここで、第１および第２の上側遠位端は、好ましくは長手軸に対して対称である。例えば、中心縁部に隣接する近位部分９ｐを除き、極インサートは、図１０（ｂ）に示されるように、概ね平行六面体の形状を有する。

図１０（ａ）の実施形態では、窪みは上側周囲縁部まで延在し、開放端部を有し、極インサートの遠位端９ｄｃは上側周囲縁部の一部を形成する。極インサートによって形成される上側周囲縁部の部分は、上側周囲縁部の長さＡｈの好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下である。好ましくは、この遠位端は周囲表面に面取り部を形成する。

極インサートは窪みに組み込まれ、対応する山セクタに可逆的に結合される。例えば、極インサートは、ねじを用いて山セクタに結合可能である。

上で考察したように、極インサートは好ましくは、長さＬ９ｐの集束近位部分９ｐを除いて、その長さＬ９の少なくとも８０％にわたって長手方向軸に沿ってプリズム状の形状を有する。山上表面３Ｕと山側表面との間の隆起部は面取りされ、次いで、窪みの近位部分の対応する隆起部も面取りされ得る。

極インサート上表面９Ｕおよび／または第１および第２の側表面９Ｌの、図１０に示されるトポグラフィを機械加工して、上表面または側表面の長手方向軸を横切るか、またはそれと平行な溝９ｇｕ、９ｇｌを形成することができる。溝は直線、曲線または破線に沿って延在し得る。あるいは、穴９ｈｕ、９ｈｌを表面にあけることができる。穴は止まり穴（すなわち有限深さの穴）であり得、または通し穴であり得る。上で説明したように各山セクタは、対称性のために極インサートを含み、極インサートは従って個々に機械加工されるか、または横並びに整列されて全て一緒に機械加工される。機械加工された極インサートの結果として得られる態様は、機械加工前のその態様とかなり異なる場合がある。

まとめると、本発明は、真空チャンバのサイズの低減、およびサイクロトロンの全体重量の低減を可能にするという利点を提供する。第３に、窪みの位置を正確に形成かつ位置付け可能である。第４に、磁場は、窪んだグラディエントコレクタによって内側に偏向され、その結果、粒子経路の最終サイクルが内側へシフトし、そこで磁場は周囲縁部の近くよりも均一である。その結果、取り出される粒子ビームの特性、特にその収束を制御することがより簡単であり、かつより予測可能である。

１ サイクロトロン
２ 磁極
３ 山セクタ
４ 谷セクタ
５ 基板
６ 磁束反転ヨーク
７ ギャップ
８ 窪み
９ 極インサート
１０ 窪み
１２ 螺旋経路
１４ コイル
３ａｃ 円弧
３ｅｃ 面取り部
３Ｌ 側表面
３ｌｄｅ 下側側縁部の下側遠位端
３ｌｌ 下側側縁部
３ｌｐ 下側周囲線
３Ｐ 周囲表面
３Ｕ 上表面
３ｕｃ 上側中心縁部
３ｕｄｅ 上側側縁部の上側遠位端
３ｕｌ 上側側縁部
３ｕｐ 上側周囲縁部
３ｕｐｃ 上側周囲縁部凹状部分
３ｕｐｅ 上側側縁部の上側近位端
４Ｂ 底表面
７ｈ 山ギャップ部分
７ｖ 谷ギャップ部分
８ｌｒ 窪み長手方向軸
８ｒｄｅ 窪み遠位端
８ｒｐｅ 窪み近位端
９ｄｃ 極インサート遠位端
９ｇｌ 溝
９ｇｕ 溝
９ｈｌ 穴
９ｈｕ 穴
９Ｌ 極インサート側表面
９ｌｐ 極インサート近位部分長さ
９ｐ 極インサート近位部分
９ｐｅ 極インサート近位縁部
９Ｕ 極インサート上表面
９ｐｅ 極インサート近位縁部
９ｓ ねじ
９Ｕ 極インサート上表面
１０ｒ１ 第１の窪み集束縁部
１０ｒ２ 第２の窪み集束縁部
１０ｒｄｐ 窪み遠位地点
１０ｒｐｐ 窪み近位地点
Ａｈ 上側周囲縁部の方位角長さ
ｄｈ 上側周囲縁部−最大軌道の距離
Ｇｈ 山のギャップ高さ
Ｇｖ 谷のギャップ高さ
Ｈ１０ 窪み高さ
Ｈｈ 山高さ
Ｌ１、Ｌ２ 取出し地点の下流のギャップ内に含まれる取出し経路の長さ
Ｌ１０ 第１および第２の窪み遠位地点間の長さ
Ｌ１０１、Ｌ１０２ 窪み集束縁部の長さ
Ｌ８ 窪み長さ
Ｌ９ 極インサート長さ
Ｌ９ｐ 近位部分の極インサート長さ
Ｌｈ 中心軸と周囲縁部の間の距離
ＭＰ 中間面
ＰＥ 取出し地点
Ｒｈ ラジアル極輪郭の半径
Ｚ 中心軸
αｈ 山方位角
αｖ 谷方位角

Claims (15)

1. 少なくとも３個の山セクタ（３）と、底表面（４Ｂ）を含む同じ数の谷セクタ（４）とを含むサイクロトロン（１）の磁極（２）であって、前記山セクタおよび谷セクタが中心軸Ｚの周囲に交互に分散され、各山セクタが、
   （ａ）上表面（３Ｕ）であって、
   − 第１および第２の上側遠位端（３ｕｄｅ）によって境界を定められ、かつ前記中心軸から最も遠くに配置された前記上表面の縁部として画定される上側周囲縁部（３ｕｐ）、
   − 第１および第２の上側近位端（３ｕｐｅ）によって境界を定められ、かつ前記中心軸の最も近くに配置された前記上表面の縁部として画定される上側中心縁部（３ｕｃ）、
   − 前記第１の上側遠位端および第１の上側近位端を接続する第１の上側側縁部（３ｕｌ）、
   − 前記第２の上側遠位端および第２の上側近位端を接続する第２の上側側縁部（３ｕｌ）
   によって画定される上表面（３Ｕ）と、
   （ｂ）第１および第２の側表面（３Ｌ）であって、前記第１および第２の上側側縁部から、山セクタの両側に配置された前記対応する谷セクタの前記底表面まで横切ってそれぞれ延在し、従って第１および第２の下側側縁部（３ｌｌ）を、側表面を隣接する底表面と交差させる縁部として画定し、前記第１および第２の下側側縁部がそれぞれ前記中心軸から最も遠くに配置された下側遠位端を有する、第１および第２の側表面（３Ｌ）と、
   （ｃ）前記上側周囲縁部から、前記第１および第２の下側側縁部の下側遠位端（３ｌｄｅ）によって境界を定められるセグメントとして画定される下側周囲線（３ｌｐ）まで延在する周囲表面（３Ｐ）と
   を含む磁極（２）において、
   少なくとも１つの山セクタの前記上側周囲縁部が、前記対応する山セクタの前記周囲表面の一部にわたって少なくとも部分的に延在する窪みを画定する、前記中心軸に対して凹状の部分を含むことを特徴とする磁極（２）。
2. 請求項１に記載の磁極において、前記窪みが概ねくさび形の形状であり、第１および第２の集束線が、好ましくは７０°〜１３０°、より好ましくは８０°〜１１０°、最も好ましくは９０°±５°に含まれる集束角度θで前記上側周囲縁部から離れて延在することを特徴とする、磁極。
3. 請求項２に記載の磁極において、前記窪みが、前記上側周囲縁部から離れる集束部分を有し、前記集束部分は以下の形状：
   ・三角形の窪みを形成する鋭角コーナー部分、
   ・台形の窪みを形成する直線状の縁部、または
   ・アーチ状の窪みを形成する丸みを帯びた縁部
   の１つを有することを特徴とする、磁極。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁極において、前記上側周囲縁部が方位角長さＡｈを有し、前記凹状部分が前記上側周囲縁部の前記方位角長さの３％〜３０％、好ましくは５％〜２０％、より好ましくは８％〜１５％に延在することを特徴とする、磁極。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁極において、前記第１および第２の上側側縁部から離される請求項１に記載の窪みを含むことを特徴とする、磁極。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁極において、前記第１の上側側縁部に隣接する請求項１に記載の窪みを含むことを特徴とする、磁極。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の磁極において、前記窪みが前記周囲表面の一部にわたって延在し、前記周囲表面の一部が、前記上側周囲縁部と前記下側周囲線との間で前記中心軸と平行に測定される前記周囲表面の高さの画分ζに対応し、前記画分ζが２５％〜７５％、好ましくは４０％〜６０％、最も好ましくは４５％〜５５％に含まれることを特徴とする、磁極。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁極において、前記周囲表面が前記上側周囲縁部に隣接して面取り部を形成することを特徴とする、磁極。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁極において、前記上側周囲縁部が、円弧であって、その中心が前記中心軸に対してオフセットされる円弧であり、前記円弧の半径は、前記中心軸から、前記第１および第２の上側遠位端まで等距離である前記上側周囲縁部の中間地点までの距離の８５％以下であることを特徴とする、磁極。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の磁極において、山セクタの数Ｎが３、４、５、６、７または８であり、好ましくはＮ＝４であることを特徴とする、磁極。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の第１および第２の磁極を含む、ギャップ内に含められた所与の経路を介して粒子ビームを加速するためのサイクロトロンにおいて、前記第１および第２の磁極は、間に前記ギャップを形成する前記第１および第２の磁極の中心軸に対して垂直な中間面に対して対称に配置され、山ギャップ部分が２つの対向する山セクタの間に形成され、および谷ギャップ部分が２つの対向する谷セクタの間に形成されることを特徴とする、サイクロトロン。
12. 請求項１１に記載のサイクロトロンにおいて、前記窪みが第１および第２の窪み遠位地点を有し、前記第１および第２の窪み遠位地点が距離Ｌ１０だけ互いに分離され、前記第１および第２の磁極の山セクタの対の間の前記山ギャップ部分が平均高さＧｈを有し、比率Ｇｈ／Ｌ１０が、５〜１００％、好ましくは１０〜５０％、より好ましくは２０〜３３％に含まれることを特徴とする、サイクロトロン。
13. 請求項１１または１２に記載のサイクロトロンにおいて、前記第１および第２の磁極の山セクタの２つの対向する上表面の間の山ギャップ部分内に配置された取出し地点を含み、
    ・前記粒子ビームの前記所与の経路が、前記第１の取出し地点まで前記中心軸の周囲を回る外向き螺旋経路であり、そのため、前記粒子ビームは、取出し経路に沿って所与のエネルギーで前記サイクロトロンから排出されることができ、
    ・前記窪みが前記取出し地点の下流に配置され、ここで、下流は前記粒子ビームの方向に対して定義され、それにより、
    ・前記取出し経路が、８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°に含まれる角度で前記窪みと交差することによって前記対応する山ギャップ部分を出ることを特徴とする、サイクロトロン。
14. 請求項１３に記載のサイクロトロンにおいて、第２の取出し経路を画定する第２の取出し地点を山セクタ内に含み、かつ前記第２の取出し地点の下流に配置された第２の窪みを含み、それにより、前記第２の取出し経路は、８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°に含まれる角度で前記第２の窪みと交差することによって前記対応する山ギャップ部分を出ることを特徴とする、サイクロトロン。
15. 請求項１４に記載のサイクロトロンにおいて、前記第１のおよび第２の取出し地点が同じ山ギャップ部分に配置されることを特徴とする、サイクロトロン。

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