JP2021174617A - 二次粒子生成装置、放射性同位体生成装置、二次粒子生成方法、及び放射性同位体生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを形成して、パイオン及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すことが可能な二次粒子生成装置、放射性同位体生成装置、二次粒子生成方法、及び放射性同位体生成方法を提供すること。【解決手段】二次粒子生成装置(1)は、ビーム源(3)において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器(5)と、ターゲット(7)と、加速器とターゲットとの間であって、加速器から出射される荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石(50)と、を具備し、多重極電磁石内に荷電粒子ビームを通過させて中空荷電粒子ビーム(Bm)を生成し、中空荷電粒子ビームをターゲットの断面に照射させて少なくとも二次粒子を生成する。【選択図】 図２

Description

本出願において開示された技術は、二次粒子生成装置、放射性同位体生成装置、二次粒子生成方法、及び放射性同位体生成方法に関する。

加速器にて得られる荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射して、所望の生成物を生成させることが知られている。例えば、荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射して放射性同位体を生成し、生成された放射性同位体を人体に生じた癌の診断や治療等に応用することが提案されている。また、荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射することでパイオン（二次粒子）を生成し、当該パイオンが崩壊することで、正電荷又は負電荷を有するミューオン（三次粒子）を生成して、当該ミューオンを新しい物質の磁性研究や材料の非破壊検査・評価等に応用することが提案されている。さらにまた、ミューオンは、半導体デバイスを通過する際に、デバイス内部で電離相互作用とミューオン捕獲過程を通じた原子核反応を生じさせることが知られているが、当該２つの反応は、半導体デバイス内でソフトエラーを発生させることが報告されている。そこで、宇宙線ミューオン由来のソフトエラー対策として、ミューオンを用いたソフトエラー評価・実験も提案されている。

ここで、ミューオンを用いた非破壊検査やソフトエラー評価を効率的に実施するためには、ミューオンを大量且つ効率的に収集することが重要な鍵となっている。この点、一般的には、一次ビームである荷電粒子ビームの強度を増強することでパイオンの生成量を増加させ、当該パイオンを効率良くターゲットから取り出して輸送して、輸送中のパイオンをミューオンに崩壊させるか、或いは、低エネルギーのため短寿命なパイオンをターゲット内で崩壊させることで放出されるミューオンを高効率に収集して輸送する方法が選択される。同様に、放射性同位体を癌の診断や治療等に応用するためには、放射性同位体を効率的且つ大量に生成することが重要な鍵となる。

しかしながら、一般に、低エネルギーのパイオン及びミューオンは、ターゲットの内部から外部へ通過することができない（ターゲット内部に留まる）ため、ターゲットからパイオン及びミューオンを効率的に取り出すことは難しい。したがって、パイオン及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すためには、一次ビームである荷電粒子ビームを、ターゲットの表面付近に集中的に照射させることが効果的である。

他方、荷電粒子ビームの強度分布（特に、ビーム進行方向に対して直交する面であるビーム断面におけるビーム位置分布であって、荷電粒子密度分布ともいう）は、一般的に、ビーム中心軸付近で高強度、ビーム外縁で低強度となり、例えばガウス分布で近似される。したがって、パイ中間子及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すためには、ビーム強度分布を中空状（ビーム中心軸付近で低強度、ビーム外縁で高強度）とする中空荷電粒子ビーム（ホロウビーム）を形成することが求められている。

非特許文献１には、ビーム強度分布を中空状とするビームを形成する方法として、プラズマレンズを用いた方法が提案されている。

「Ｓｈａｐｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍｓ ｉｎｔｏ Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｆｏｒｍ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、米国、２０００年１１月２０日、Ｖｏｌｕｍｅ８５ Ｎｕｍｂｅｒ２１、４５１８頁乃至４５２１頁

しかしながら、非特許文献１に記載のプラズマレンズを用いた方法においては、プラズマの時間構造に整合したパルスビームを用いる必要があり、サイクロトロン等の加速器から出射される連続的な荷電粒子ビームをそのまま適用することは困難である。

そこで、様々な実施形態により、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを形成して、パイ中間子及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すことが可能な二次粒子生成装置、放射性同位体生成装置、二次粒子生成方法、及び放射性同位体生成方法を提供する。

一態様に係る二次粒子生成装置は、ビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、ターゲットと、前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石と、を具備し、前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成し、前記中空荷電粒子ビームを前記ターゲットの断面に照射させて少なくとも二次粒子を生成する。

この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームから、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを効率的に生成し、これをターゲットに対して照射することで、パイオン等の二次粒子を効率的に大量に生成することができる。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記ターゲットは、柱状、錘状、及び中空状からなる群から選ばれる少なくとも一の形状を呈する。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記中空荷電粒子ビームは、前記中空荷電粒子ビームの少なくとも一部の外縁が、前記ターゲットの前記断面の外縁の一部と略一致するように前記ターゲットに照射される。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記中空荷電粒子ビームは、前記ターゲットの断面に対して垂直となる方向から、前記ターゲットに対して同心上に照射される。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記中空荷電粒子ビームの外径は、前記ターゲットの前記断面の直径よりも小さい。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記ターゲットを含む所定空間内に第２磁場を形成して、生成された前記二次粒子を集束させる集束電磁石をさらに含む。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置において、前記多重極電磁石は、８極の磁極を有する。

また、一態様に係る前記二次粒子生成装置は、前記二次粒子を崩壊させて、前記二次粒子に由来する三次粒子をさらに生成する。

一態様に係る二次粒子生成方法は、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成する工程と、前記中空荷電粒子ビームをターゲットの断面に照射させて少なくとも二次粒子を生成する工程と、を含む。

この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームから、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを効率的に生成し、これをターゲットに対して照射することで、パイオン等の二次粒子を効率的に大量に生成することができる。

また、一態様に係る前記二次粒子生成方法において、前記ターゲットは、柱状、錘状、及び中空状からなる群から選ばれる少なくとも一の形状を呈する。

また、一態様に係る前記二次粒子生成方法において、前記中空荷電粒子ビームは、前記中空荷電粒子ビームの少なくとも一部の外縁が、前記ターゲットの前記断面の外縁の一部と略一致するように、前記ターゲットに照射される。

また、一態様に係る前記二次粒子生成方法において、前記ターゲットを含む所定空間内に第２磁場を形成して、生成された前記二次粒子を集束電磁石によって集束させる工程をさらに含む。

一態様に係る放射性同位体生成装置は、ビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、ターゲットと、前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石と、を具備し、前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成し、前記中空荷電粒子ビームを前記ターゲットの断面に照射させて放射性同位体を生成する。

この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームから、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを効率的に生成し、これをターゲットに対して照射することで、放射性同位体を効率的に大量に生成することができる。

一態様に係る放射性同位体生成方法は、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成する工程と、
前記中空荷電粒子ビームをターゲットの断面に照射させて放射性同位体を生成する工程と、を含む。

この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームから、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを効率的に生成し、これをターゲットに対して照射することで、放射性同位体を効率的に大量に生成することができる。

様々な実施形態によれば、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを形成して、パイオンやミューオン、放射性同位体をターゲットから効率的に取り出すことが可能な二次粒子生成装置、放射性同位体生成装置、二次粒子生成方法、及び放射性同位体生成方法を提供することができる。

図１は、二次粒子であるパイオン、及び三次粒子であるミューオンが生成されるメカニズムを模式的に示す概略図である。 図２は、一実施形態に係る二次粒子生成装置の構成を示す概略図である。 図３は、図２に示された二次粒子生成装置におけるターゲットと、当該ターゲットに照射される中空荷電粒子ビームを拡大して示す概略図である。 図４Ａは、ターゲットの形状の一例を示す概略図である。 図４Ｂは、ターゲットの形状の一例を示す概略図である。 図４Ｃは、ターゲットの形状の一例を示す概略図である。 図５は、一実施形態に係る４極電磁石及び多重極電磁石が形成する磁場の磁束密度分布を示す図である。 図６は、中空荷電粒子ビームの断面形状と大きさを示す概略図である。 図７は、中空荷電粒子ビームにおける、断面水平方向のビーム強度分布を示す図である。 図８は、任意の荷電粒子の初期位置ｘ_０に対する当該任意の荷電粒子のターゲット上での位置ｘ_ｔとの関係、及びターゲットにおけるビーム強度分布を示す図である。 図９は、ターゲットの円形断面（半径２０．０ｍｍ）に対して、外径半径の大きさが異なる様々な種類の陽子ビームＢｍ１（外径半径０ｍｍ）、中空陽子ビームＢｍ２（外径半径１０．０ｍｍ）、及び中空陽子ビームＢｍ３（外径半径１９．５ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示した概略断面図である。 図１０Ａは、陽子ビームＢｍ１をターゲットに照射した場合における、ターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１０Ｂは、図１０Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲットより下流側に設置された検出器によってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１１Ａは、中空陽子ビームＢｍ２をターゲットに照射した場合における、ターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲットより下流側に設置された検出器によってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１２Ａは、中空陽子ビームＢｍ３をターゲットに照射した場合における、ターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１２Ｂは、図１２Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲットより下流側に設置された検出器によってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。 図１３は、１０^８個の中空陽子ビームをターゲットに入射したときに、ターゲットより下流側に設置された検出器によって検出されたミューオンの数と、中空陽子ビームの外径半径との関係を示す図である。 図１４は、ターゲットより下流側に設置された検出器によって検出されたミューオン数をターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成された全ミューオン数で除した値と、中空陽子ビームの外径半径との関係を示す図である。 図１５は、ターゲットより下流側に設置された検出器によって検出されたものであって、ターゲット内部又は表面で生成されたミューオン数をターゲット周辺で生成されたミューオン数で除した値と、中空陽子ビームの外径半径との関係を示す図である。 図１６Ａは、ターゲットの円形断面（半径１．０ｍｍ）に対して、陽子ビームＢｍ１（外径半径０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。 図１６Ｂは、ターゲットの円形断面（半径１０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ４（外径半径９．０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。 図１６Ｃは、ターゲットの円形断面（半径２０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ５（外径半径１９．０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。 図１７は、１０^８個の中空陽子ビームをターゲットの表面近傍に照射させた場合（例えば、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示す場合）であって、ターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成された各ミューオン数と、中空陽子ビームの外径半径との関係を示す図である。 図１８は、１０^８個の中空陽子ビームをターゲットの表面近傍に照射させた場合（例えば、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示す場合）であって、ターゲットより下流側に設置された検出器によって検出されたミューオン数を、ターゲット内部、ターゲット表面、及びターゲット周辺で生成された全ミューオン数で除した値と、中空陽子ビームの外径半径との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。なお、図面において共通した構成要件には同一の参照符号が付されている。また、或る図面に表現された構成要素が、説明の便宜上、別の図面においては省略されていることがある点に留意されたい。さらにまた、添付した図面が必ずしも正確な縮尺で記載されている訳ではないということに注意されたい。

まず、以下に説明する二次粒子生成装置は、図１に示されるミューオンの生成メカニズムを利用するものである。具体的には、ビーム源から出射される荷電粒子ビーム（例えば陽子ビーム）を、ターゲットに衝突（照射）させると、荷電粒子はターゲット中でエネルギーの一部を失うと同時、当該エネルギーによってパイオンが生成され、このパイオンが崩壊することで、ミューオン（三次粒子）が生成される。なお、パイオンの寿命は２６ｎｓｅｃであることが知られている。

１．二次粒子生成装置の構成
一実施形態に係る二次粒子生成装置１の全体構成の概要について、図２乃至図５を参照しつつ説明する。図２は、一実施形態に係る二次粒子生成装置１の構成を示す概略図である。図３は、図２に示された二次粒子生成装置１におけるターゲット７と、当該ターゲット７に照射される中空荷電粒子ビームＢｍを拡大して示す概略図である。図４Ａ乃至図４Ｃは、ターゲット７の形状の一例を示す概略図である。図５は、一実施形態に係る４極電磁石３０及び多重極電磁石５０が形成する磁場の磁束密度分布を示す図である。なお、本明細書において、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子ビームの上流（加速器５側）、下流（搬送電磁石８側）をそれぞれ意味している。また、本明細書において、「水平方向」及び「垂直方向」とは、荷電粒子ビームの輸送方向に直交する平面（荷電粒子ビームの断面）上において互いに直交する方向であって、輸送方向に対して左右方向に延びる方向を「水平方向」とし、輸送方向に対して上下方向に延びる方向を「垂直方向」とする。

図２に示すように、二次粒子生成装置１は、荷電粒子を生成して当該荷電粒子を加速器５へと放出するビーム源３と、当該ビーム源から放出された荷電粒子を加速させて荷電粒子ビームを出射する加速器５と、加速器５から出射された荷電粒子ビームをターゲット７まで輸送する第１輸送ライン１０と、ターゲット７と、生成される二次粒子（例えば、パイオン）をターゲット７から離間する方向へと搬送するための第２磁場を形成する集束電磁石８と、を主に具備する。また、第１輸送ライン１０上には、荷電粒子ビームを輸送する過程において、荷電粒子ビームを水平方向又は垂直方向に集束させるための複数の４極電磁石３０、荷電粒子ビームの輸送方向を変換する複数の偏向電磁石４０、及び非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する少なくとも１つ以上の多重極電磁石５０、が適宜の順に設けられている。

さらに、集束電磁石８よりも下流側には、生成された二次粒子及び／又は二次粒子が崩壊して生成される三次粒子を下流側へと搬送するための第２輸送ライン２０も設けられている。第２輸送ライン２０には、複数の４極電磁石３０、偏向電磁石４０、及びウィーンフィルタ７０等が設けられ、最も下流側には、生成された二次粒子及び／又は三次粒子を回収する回収手段（図示せず）をさらに含むことができる。

なお、二次粒子生成装置１は、ターゲット７の種類を、後述するとおり適宜に変更することができる。したがって、ターゲット７から二次粒子が生成される場合においては、参照符号１は二次粒子生成装置１を意味するものとなる。他方、ターゲット７から放射性同位体が生成される場合においては、参照符号１は放射性同位体生成装置１を意味するものとなる。なお、二次粒子生成装置１は二次粒子（及び三次粒子）を生成するものであるのに対し、放射性同位体生成装置１は放射性同位体を生成するものである点で異なるが、両者の装置の構成は基本的に同様であって、後述するビーム源３及びターゲット７の種類が異なるだけである。

次に、二次粒子生成装置１（放射性同位体生成装置１）を構成する各要素の詳細について説明する。

１−１．ビーム源３
ビーム源３としては、陽子等の荷電粒子を放出することが可能なものであればよく、例えば、マルチカスプイオン源、デュオプラズマトロンイオン源、及び電子サイクロトロン共鳴イオン源等を用いることができる。なお、一実施形態に係る二次粒子生成装置１において、ビーム源３は陽子ビームを放出するものが用いられる。また、一実施形態に係る二次粒子生成装置１を放射性同位体生成装置１として用いる場合、ビーム源３としては、例えばヘリウムビームを放出するものが用いられる。

１−２．加速器５
加速器５としては、荷電粒子を加速することが可能なものであれば、いかなるものも用いることができる。例えば、一般的なリングサイクロトンやＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ）サイクロトン等を用いることができ、その詳細な構成の説明は省略する。

１−３．ターゲット７
ターゲット７としては、ターゲット７から回収する所望の生成物の種類（二次粒子や三次粒子、又は放射性同位体）に応じて、適宜に選択すればよい。ターゲット７からパイオン等の二次粒子を生成する場合には、ターゲット７としては、例えば炭素成分（グラファイト）からなる公知且つ一般的なものを用いることができる。また、ターゲット７から放射性同位体であるアスタチンを回収する場合には、ターゲット７としては、例えばビスマスを用いることができる。

ターゲット７の形状は、例えば、図３に示すような円柱状のものや、図４Ａに示すような断面多角形の角柱、図４Ｂに示すような円錐等の錐体、及び図４Ｃに示すような中空体のものを用いることができる。さらに、図３、及び図４Ａ乃至図４Ｃに示すように、ターゲット７の断面（例えば、図３においては面７ａ）に対して垂直となる方向から荷電粒子ビームとしての陽子ビーム（後述する中空荷電粒子ビームとしての中空陽子ビームＢｍ）を照射させることが好ましい。さらに、図３、図４Ｂ、及び図４Ｃに示すように、中空陽子ビームＢｍをターゲット７に対して同心上に照射させることが好ましい。また、中空陽子ビームＢｍの形状は、ターゲット７の形状（断面形状）に応じて、適宜に変更することが好ましい。例えば、図４Ａに示すように、ターゲット７の形状が直方体（断面形状が長方形）であれば、中空陽子ビームＢｍの形状も、断面が直方体となるように後述するとおり可変されることが好ましい。このように、ターゲット７に対して、上記の条件のうちの少なくとも一つが満たされるように中空陽子ビームＢｍを照射させることで、二次粒子としてのパイオン（又は放射性同位体）をターゲット７から効率的且つ大量に生成させることができる。

１−４．集束電磁石８
集束電磁石８は、ターゲット７が含まれる所定空間Ｍ（図２参照）の内部に、第２磁場を形成して、ターゲット７の表面から飛び出すパイオン等の二次粒子や二次粒子の崩壊によって生成されるミューオン等の三次粒子を、その第２磁場に集束させるために設けられる。具体的には、一実施形態において、集束電磁石８は、ターゲット７の表面から飛び出したパイオンやミューオンを、第２磁場に巻き付けることでパイオン及びミューオンを収集しつつ、第２磁場を介してパイオン及びミューオンをターゲット７から離間する方向（具体的には、第２輸送ライン２０の方向）へ搬送することができる。

なお、集束電磁石８は、一実施形態において、ターゲット７の表面から飛び出すパイオン及びミューオンを効率的に集束させるべく、ターゲット７のＸＹＺ方向における周辺領域において可能な限り隙間なく第２磁場を形成することが好ましい。そのために、集束電磁石８は、ターゲット７を取り囲むように配置され、第２輸送ライン２０の方向へパイオン及びミューオンを集束させる方向に第２磁場を形成する。集束電磁石８に通電させる電流値は、ターゲット７における陽子ビームの入射面（図３における面７ａ又は面７ｂ）だけでなく、ターゲット７の側面（図３における面７ｃ）から放出されるパイオン及びミューオンの進行方向を第２輸送ライン２０の方向へと曲げることが可能な大きさの第２磁場を形成するように制御される。

集束電磁石８としては、例えば、ソレノイド電磁石を用いることができ、集束電磁石８によって形成される所定空間Ｍ内の第２磁場は、パイオン及びミューオンの集束効率の観点から、３．５テスラ程度の高磁場とすることが好ましい。

１−５．第１輸送ライン１０
第１輸送ライン１０は、荷電粒子ビームが通るビームダクト（図示せず）を有し、当該ビームダクト内は真空状態に維持されることで、輸送中の荷電粒子ビーム中の各荷電粒子が散乱することを抑制している。また、第１輸送ライン１０は、図２に示すように、後述する偏向電磁石４０が含まれており、この偏向電磁石４０によって、荷電粒子ビームの進行方向を適宜に調整することができる。以下、第１輸送ライン１０に含まれる、４極電磁石３０、偏向電磁石４０、及び多重極電磁石５０について説明する。

１−５−１．４極電磁石３０
４極電磁石３０は、図２に示すように、加速器５からターゲット７までの間に複数（例えば、図２においては３つ）設けられる。４極電磁石３０は、一般的に知られる構造のものを用いることができる。すなわち、軸対称に配置された４極の磁極にコイルを巻回して、Ｎ極及びＳ極が互い違いとなるような構成とし、巻回されたコイルに電流を通電することで、４極電磁石３０は、その中心軸においては磁場強度が極小化し、中心軸から離れる位置においては次第に磁場強度が増加するような線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する（図５の点線参照）。このような４極電磁石３０を複数配置し、各４極電磁石３０内に荷電粒子ビーム（一実施形態においては陽子ビーム）を通過させることで、４極電磁石３０が形成する磁場は、荷電粒子ビームを集束（例えば、水平方向に対してビーム半径を集束）、又は発散（例えば、垂直方向に対してビーム半径を発散）するよう作用する。したがって、加速器５からターゲット７までの間に複数の４極電磁石３０を適宜に配置することによって、水平方向及び垂直方向において、荷電粒子ビームのビーム半径を適切に集束させて、荷電粒子ビームのビーム強度を落とすことなく、荷電粒子ビームを多重極電磁石５０まで輸送することが可能となる。

１−５−２．偏向電磁石４０
偏向電磁石４０は、荷電粒子ビーム（一実施形態においては陽子ビーム）の進行方向を調整するために配置されるものであって、一実施形態に係る二次粒子生成装置１においては、図２に示すように、第１輸送ライン１０において２つ設けられるが、この数に限定されるものではない。偏向電磁石４０は、一般的に知られる構造のものを用いることができるため、その構造の詳細な説明は省略する。

１−５−３．多重極電磁石５０
多重極電磁石５０は、荷電粒子ビーム（一実施形態においては陽子ビーム）のビーム強度分布（荷電粒子密度分布であり、一実施形態においては陽子密度分布）を、ガウス状から中空状（ビーム強度分布が、ビーム中心軸付近で低強度、ビーム外縁で高強度であること）へと可変させて中空荷電粒子ビーム（中空陽子ビーム）Ｂｍを生成するために設けられる。具体的には、図２に示すように、一例として、多重極電磁石５０は、荷電粒子ビームの進行経路上において、前述した４極電磁石３０よりも下流側であって、ターゲット７の直前に少なくとも１つ以上配置される。なお、多重極電磁石５０は、４極電磁石３０よりも上流側に配置されてもよい。このように、多重極電磁石５０を用いて、ガウス上のビーム強度分布を有する荷電粒子ビームから、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームＢｍを生成して、この中空荷電粒子ビームＢｍを前述のターゲット７に照射させることで、パイオン等の二次粒子、及び二次粒子が崩壊することで生成されるミューオン等の三次粒子を効率的に生成することが可能となる。なお、荷電粒子ビームを中空荷電粒子ビームＢｍへと変化させて、後述のとおり、中空荷電粒子ビームＢｍをターゲット７の表面付近に照射すると、ターゲット７はその表面付近のみで発熱することとなるので、内部で発熱する場合に比して、ターゲット７の除熱効果を高めることが可能となる。

多重極電磁石５０の個数は、特に制限はないが、２つ以上配置されることが好ましい。多重極電磁石５０を荷電粒子ビームの進行経路上に複数設けることで、各多重極電磁石５０が形成する第１磁場の磁束密度分布を適宜に調整して、荷電粒子ビームの断面形状を可変させることも可能となる。

多重極電磁石５０としては、後述するように、非線形の磁束密度分布（図５の実線参照）を有する磁場を形成することが可能な６極以上の磁極を有していればよく、特に８極の磁極（８極電磁石）を有することが好ましい。なお、多重極電磁石５０が形成する磁場が非線形の磁束密度分布を形成する理由については、後述する。

なお、第２輸送ライン２０に設けられる４極電磁石３０及び偏向電磁石４０は、第１輸送ライン１０に設けられるものと同様のものを用いることができる。また、所定空間Ｍの外側には、ターゲット７に照射された中空荷電粒子ビーム（中空陽子ビーム）Ｂｍがターゲット７を貫通した場合に、その貫通した中空荷電粒子ビームＢｍを回収するビームダンプ６０が設けられている。

２．中空荷電粒子ビーム（中空陽子ビーム）Ｂｍの生成
次に、前述の多重極電磁石５０によって実行される中空荷電粒子ビームＢｍの生成の概要について、図６乃至図８を参照しつつ説明する。図６は、中空荷電粒子ビームＢｍの断面形状と大きさを示す概略図である。図７は、二次粒子生成装置１によって生成された中空荷電粒子ビームＢｍにおける、断面水平方向のビーム強度分布を示す図である。図８は、任意の荷電粒子の初期位置ｘ_０に対する当該任意の荷電粒子のターゲット上での位置ｘ_ｔとの関係、及びターゲットにおけるビーム強度分布を示す図である。なお、一実施形態においては、中空荷電粒子ビームＢｍとして中空陽子ビームＢｍが用いられる。したがって、図６乃至図８における荷電粒子は、一実施形態においては陽子に読み替えられる。

前述した加速器５から出射された陽子ビーム（荷電粒子ビーム）は、第１輸送ライン１０上に設けられる複数の４極電磁石３０及び偏向電磁石４０の内部を通過することによって、ビーム半径が発散されることなく適宜に集束されて多重極電磁石５０へと輸送される。さらに、陽子ビームは、非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石５０内を通過することで、ビーム強度分布がガウス状から中空状へと可変されることで中空陽子ビームＢｍが生成される。

すなわち、一実施形態における中空陽子ビームＢｍとは、図６に示すように、一例として、断面略円環状の形状を呈するものである。図６に示されている中空陽子ビームＢｍは、外径半径約２０ｍｍ、内径半径約１９ｍｍのものである。図６に示されている中空陽子ビームＢｍのビーム強度は、図７に示されるように、ビームの中心軸（図７における横軸０ｍｍの位置）から所定半径（例えば、図７における横軸１７ｍｍの位置）にかけて、ビーム強度は略０であり、中心軸から離れた外縁（図７における横軸１８ｍｍ〜２０ｍｍの位置）において、ビーム強度が大きくなっている。

次に、陽子ビーム（荷電粒子ビーム）のビーム強度分布がガウス状から中空状に可変されるメカニズムについて説明する。

８極の磁極を有する多重極電磁石５０は、一般的に、図５の実線で示すように、多重極電磁石５０の中心からの距離が離れるにしたがって、磁束密度が非線形状（三次関数状））に大きくなる磁束密度分布を有する第１磁場を形成することが知られている。この非線形の磁束密度分布を有する多重極電磁石５０、及び４極電磁石３０が組み込まれた第１輸送ライン１０を陽子ビームが通過する際には、近似的に以下式１で示される運動方程式に基づく非線形力が当該陽子ビームに働く。

式１中、ｘは任意の荷電粒子の水平方向における位置を示すものであり、ｙは当該任意の荷電粒子の垂直方向における位置を示すものである。また、Ｋ_ＱＵＡＤは４極電磁石の磁場勾配を示すものであり、Ｋ_ＯＣＴは８極電磁石の磁場勾配を示すものである。

上記式１に基づけば、４極電磁石が形成する磁場（第１磁場における一部の磁場）においては、位置の一次関数として表される非線形力（図５の点線参照）が陽子ビームに働き、８極電磁石が形成する磁場（第１磁場における一部の磁場）においては、三次関数として表される非線形力（図５の実線参照）が陽子ビームに働くこととなる。これにより、例えば、ガウス分布のビーム強度を有していた陽子ビームにおいて、そのビーム強度分布の裾部が折畳まれて、図６及び図７に示すような中空陽子ビームＢｍが生成される。

より詳細には、例えば、多重極電磁石５０としての８極電磁石が第１輸送ライン１０上に２つ配置され、当該２つの８極電磁石内を陽子ビームが通過する場合において、陽子ビームが１つ目の８極電磁石内を通過する直前における任意の１つの陽子の位置（ビーム中心軸からの位置）をｘ_０、陽子ビームが２つ目の８極電磁石内を通過した後（例えば、ターゲット７への照射時）における当該１つの陽子の位置（ビーム中心軸からの位置）をｘ_ｔ（ビーム強度分布に相当する）と捉え、１つ目の８極電磁石の積分磁場勾配（Ｋ_ＯＣＴと当該１つ目の８極電磁石の輸送方向の長さ（例えば、０．３４ｍ）の積に相当し、当該１つ目の８極電磁石の非線形力ともいう。）をＫ_１、２つ目の８極電磁石の積分磁場勾配（Ｋ_ＯＣＴと当該２つ目の８極電磁石の輸送方向の長さ（例えば、０．３４ｍ）の積に相当し、当該２つ目の８極電磁石の非線形力ともいう。）をＫ_２、１つ目の８極電磁石と２つ目の８極電磁石との間の位相進度をφ、２つ目の８極電磁石からターゲット７までの位相進度をθとすると、ｘ_ｔはβ関数を用いる以下の式２にて近似される。

式２に基づけば、ｘ_ｔはβ関数、位相進度φ及びθ、及び８極電磁石の非線形力Ｋ_１並びにＫ_２に依存し、且つｘ_ｔはｘ_０の三次関数として近似的に表すことができ、ｘ_０とｘ_ｔの関係は図７に示すようなものとなる。つまり、ｘ_ｔの分布（陽子ビームのビーム強度分布）は、ｘ_ｔの中心付近で極小となり、当該中心付近から所定距離の離れた位置（極値Ｚ１及びＺ２）において最大となる。なお、極値Ｚ１及びＺ２は、「ｄｘ_ｔ／ｄｘ_０＝０」となる点であって、２つ目の８極電磁石内を通過した後の（ターゲット７上の）陽子ビームのビーム端部（ビーム外縁）となる位置を表すものである。ここで、ターゲット７におけるビーム強度分布は、以下の式３にて近似されて、図８に示すような分布となる。

式３中、ρ_ｔはｘ_ｔの分布を示すものであり、ρ_０は、ｘ_０の分布を示すものである。

ところで、図８に示すｘ_０とｘ_ｔの関係は、前述のとおり、式２に基づけば、８極電磁石の非線形力Ｋ_１及びＫ_２に依存するため、これらの非線形力Ｋ_１及びＫ_２を適宜に可変することで、ｘ_ｔの分布（陽子ビームのビーム強度分布）やビーム端部の位置（ビーム半径）、さらにビームの断面形状を可変することもできる。非線形力Ｋ_１及びＫ_２を適宜に可変する方法としては、１つ目の８極電磁石及び２つ目の８極電磁石各々において通電する電流値を調整することで、各８極電磁石における磁束密度分布を適宜に調整すればよい。

以上のとおりの方法で生成した中空陽子ビームＢｍをターゲット７に後述する方向で照射させることで、二次粒子としてのパイオン及び三次粒子としてのミューオンを効率的に生成することが可能となる。

３．ターゲット７に対する中空陽子ビームＢｍの照射によって生成されるパイオン及びミューオン
次に、前述のとおり生成された中空陽子ビームＢｍのターゲット７への照射により生成されるパイオン及びミューオンについて、図９乃至図１８を参照しつつ説明する。図９は、ターゲットの円形断面（半径２０．０ｍｍ）に対して、外径半径の大きさが異なる様々な種類の陽子ビームＢｍ１（外径半径０ｍｍ）、中空陽子ビームＢｍ２（外径半径１０．０ｍｍ）、及び中空陽子ビームＢｍ３（外径半径１９．５ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示した概略断面図である。図１０Ａは、陽子ビームＢｍ１をターゲット７に照射した場合における、ターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。図１０Ｂは、図１０Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄ（図２参照）によってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。図１１Ａは、中空陽子ビームＢｍ２をターゲット７に照射した場合における、ターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。図１１Ｂは、図１１Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。図１２Ａは、中空陽子ビームＢｍ３をターゲット７に照射した場合における、ターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成されたミューオンの強度分布を示す図である。図１２Ｂは、図１２Ａにて示されたミューオンのうち、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによってもさらに検出されたミューオンの強度分布を示す図である。図１３は、１０^８個の中空陽子ビームＢｍをターゲット７に入射したときに、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたミューオンの数と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係を示す図である。図１４は、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたミューオン数をターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成された全ミューオン数で除した値と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係を示す図である。図１５は、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたものであって、ターゲット７内部又は表面で生成されたミューオン数をターゲット７周辺で生成されたミューオン数で除した値と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係を示す図である。図１６Ａは、ターゲット７の円形断面（半径１．０ｍｍ）に対して、陽子ビームＢｍ１（外径半径０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。図１６Ｂは、ターゲット７の円形断面（半径１０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ４（外径半径９．０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。図１６Ｃは、ターゲット７の円形断面（半径２０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ５（外径半径１９．０ｍｍ）を照射させた場合を模式的に示す概略断面図である。図１７は、１０^８個の中空陽子ビームＢｍをターゲット７の表面近傍に照射させた場合（例えば、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示す場合）であって、ターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成された各ミューオン数と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係を示す図である。図１８は、１０^８個の中空陽子ビームＢｍをターゲット７の表面近傍に照射させた場合（例えば、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示す場合）であって、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたミューオン数を、ターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成された全ミューオン数で除した値と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係を示す図である。

図９において、陽子ビームＢｍ１は、外径半径が０ｍｍであることから、中空荷電粒子ビームではなく、実質的にはガウス状の陽子ビームと捉えることができる。図９において、陽子ビームＢｍ１、中空陽子ビームＢｍ２、及び中空陽子ビームＢｍ３は、ターゲット７と同心上に照射されている。なお、中空陽子ビームＢｍ２及びＢｍ３の断面形状は、ターゲット７の断面形状に対応して、一例として略円環状とされている。このようにして、中空陽子ビームＢｍにおける略円環状のビーム部分を、ターゲット７に対してどのように照射させると、パイオン及びミューオンが効率的に生成されるかを把握することができる。なお、図１０Ａ乃至図１８においては、ミューオンの生成数を分析することでミューオンの生成効率を分析しているが、前述のとおり、パイオンの寿命は２６ｎｓｅｃであるため、ミューオンの生成効率を分析することは実質的にパイオンの生成効率を分析することと同等であると理解されたい。

まず、図１０Ａに示すように、外径半径０ｍｍである陽子ビームＢｍ１を半径２０．０ｍｍの円形断面を有するターゲット７に照射させると、ターゲット７の内部又は表面（図１０Ａの横軸０ｍｍ〜２０．０ｍｍ）であって、特にターゲット７の中心付近（図１０Ａの横軸０ｍｍ〜１０．０ｍｍ）でミューオンが生成される。これは、陽子ビームＢｍ１が図１０Ａに示される方向（図１０Ａにおいて紙面上から下に向かう方向）からターゲット７に照射されると、ターゲット７の中心軸（図１０Ａの横軸０ｍｍ）付近でパイオンがまず生成され、すぐに（２６ｎｓｅｃ後）ターゲット７の内部にてパイオンが崩壊してミューオンが生成されたことを示すものである。

図１０Ａに示すように、ターゲット７の周辺（例えば、図１０Ａの横軸２１ｍｍ〜４０．０ｍｍ）にも、疎らながらミューオンも生成されていることが分かる。これは、陽子ビームＢｍ１がターゲット７に照射されて、ターゲット７の周辺（外側）にパイオンがまず取り出され、すぐに（２６ｎｓｅｃ後）ターゲット７の周辺にてパイオンが崩壊してミューオンが生成されたことを示すものである。

次に、図１０Ａにて示すとおり、ターゲット７の内部又は表面、若しくはターゲット７の周辺（外側）にて生成されたミューオンが、ターゲット７の下流側に設置された検出器Ｄまで搬送される程度について、図１０Ｂを参照しつつ説明する。図１０Ｂに示されるように、ターゲット７の内部で発生したミューオンは、検出器Ｄでは殆ど検出されない。これは、ターゲット７の内部で生成されたミューオンは、ターゲット７の外側（周辺）へと飛び出すことができず、ターゲット７の内部に留まっているためである。他方、ターゲット７の表面（図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて横軸２０．０ｍｍ付近）で生成されたミューオンは、それらの多くが検出器Ｄにおいても検出される。

また、図１０Ｂに示されるように、ターゲット７の周辺のうち、図１０Ｂにおいて点線で囲まれた領域で生成されたミューオンは、検出器Ｄにおいても検出される。これは、図１０Ｂにおいて点線で囲まれた領域（以下、「点線領域」という。）においては、集束電磁石８によって形成される第２磁場（３．５テスラ）が形成されており、点線領域にて生成されたミューオンは、第２磁場に巻き付けられることで集束されて、最終的に検出器Ｄまで第２磁場に沿って搬送されることに起因している。

次に、外径半径１０．０ｍｍの中空陽子ビームＢｍ２を半径２０．０ｍｍの円形断面を有するターゲット７に照射させた場合について、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しつつ説明する。

図１１Ａに示すように、中空陽子ビームＢｍ２を半径２０．０ｍｍの円形断面を有するターゲット７に照射させると、ターゲット７の内部であって中空陽子ビームＢｍ２が照射される付近（図１１Ａの横軸１０．０ｍｍ付近）でミューオンが生成される。また、ターゲット７の表面（図１１Ａの横軸２０．０ｍｍ付近）においても、ミューオンが生成される。

さらにまた、ターゲット７の周辺（例えば、図１１Ａの横軸２１ｍｍ〜４０．０ｍｍ）にも、疎らながらミューオンも生成されていることが分かる。これは、図１０Ａにて説明したとおり、中空陽子ビームＢｍ２がターゲット７に照射されて、ターゲット７の周辺（外側）にパイオンがまず取り出され、すぐに（２６ｎｓｅｃ後）ターゲット７の周辺にてパイオンが崩壊してミューオンが生成されたことを示すものである。但し、図１０Ａと比較すると、ターゲット７の周辺で生成されるミューオンの生成数は若干少ない。

次に、図１１Ａにて示したとおりターゲット７の内部又は表面、若しくはターゲット７の周辺にて生成されたミューオンが、ターゲット７の下流側に設置された検出器Ｄまで搬送される程度について、図１１Ｂを参照しつつ説明する。図１１Ｂに示されるように、ターゲット７の内部で発生したミューオンは、検出器Ｄでは殆ど検出されない。これは、前述にて図１０Ｂを参照しつつ説明した理由と同様、ターゲット７の内部で生成されたミューオンは、ターゲット７の外側（周辺）へと飛び出すことができず、ターゲット７の内部に留まっているためである。他方、ターゲット７の表面（図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて横軸２０．０ｍｍ付近）で生成されたミューオンは、一定程度検出器Ｄにおいても検出される。

また、図１１Ｂに示されるように、ターゲット７の周辺のうち、図１１Ｂにおける点線領域で生成されたミューオンは、検出器Ｄにおいても比較的効率的に検出される。これは、前述にて図１０Ｂを参照しつつ説明した理由と同様、図１１Ｂにおける点線領域においては、集束電磁石８によって形成される第２磁場（３．５テスラ）が形成されており、点線領域にて生成されたミューオンは、第２磁場に巻き付けられることで集束されて、最終的に検出器Ｄまで第２磁場に沿って搬送されることに起因している。

次に、外径半径１９．５ｍｍの中空陽子ビームＢｍ３を半径２０．０ｍｍの円形断面を有するターゲット７に照射させた場合について、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照しつつ説明する。

図１２Ａに示すように、中空陽子ビームＢｍ３を半径２０．０ｍｍの円形断面を有するターゲット７に照射させると、ターゲット７の表面付近（図１２Ａの横軸２０．０ｍｍ付近）でミューオンが大量に生成される。つまり、図１０Ａ及び図１１Ａと比較しても、中空陽子ビームＢｍ３をターゲット７に照射させた場合に、ターゲット７の表面付近でより多くのミューオンが生成されている。これは、中空陽子ビームＢｍ３がターゲット７の表面付近に直接照射されていることに起因する。

また、ターゲット７の周辺（例えば、図１２Ａの横軸２１ｍｍ〜４０．０ｍｍ）にも、大量のミューオンが生成されていることが分かる。これは、中空陽子ビームＢｍ３がターゲット７の表面付近に直接照射されている関係で、図１０Ａ及び図１１Ａの場合と比較して、ターゲット７の表面付近で生成されたより多くのパイオンがターゲット７の外側（周辺）にまで飛び出した後崩壊した結果、大量のミューオンがターゲット７の周辺で生成されたものと理解できる。

次に、図１２Ａにて示したとおりターゲット７の内部又は表面、若しくはターゲット７の周辺にて生成されたミューオンが、ターゲット７の下流側に設置された検出器Ｄまで搬送される程度について、図１２Ｂを参照しつつ説明する。図１２Ｂに示されるように、ターゲット７の表面付近で発生したミューオンは、一定程度検出器Ｄにて検出される。

また、図１２Ｂに示されるように、ターゲット７の周辺のうち、図１２Ｂにおける点線領域で生成されたミューオンは、検出器Ｄにおいても比較的効率的に検出される。これは、前述にて図１０Ｂ及び図１１Ｂを参照しつつ説明した理由と同様、図１２Ｂにおける点線領域においては、集束電磁石８によって形成される第２磁場（３．５テスラ）が形成されており、点線領域にて生成されたミューオンは、第２磁場に巻き付けられることで集束されて、最終的に検出器Ｄまで第２磁場に沿って搬送されることに起因している。なお、図１２Ａを参照しつつ説明したとおり、そもそも、中空陽子ビームＢｍ３がターゲット７に照射された場合、ターゲット７の周辺で生成されるミューオンの総数が図１０Ａ及び図１１Ａの場合と比較しても圧倒的に多いため、図１２Ｂの点線領域にて検出されるミューオンの総数も、図１０Ｂ及び図１１Ｂの場合と比較して当然に多くなる。

以上、図１０Ａ乃至図１２Ｂに基づけば、中空陽子ビームＢｍの少なくとも一部の外縁が、ターゲット７の断面の外縁の一部と略一致するように、ターゲット７の表面付近に照射される場合（例えば、中空陽子ビームＢｍの全ての外縁がターゲット７の断面の外縁と略一致している、中空陽子ビームＢｍ３を用いる場合）、ミューオン（及びパイオン）を効率的且つ大量に生成することが可能となる。なお、一実施形態に係る二次粒子生成装置１を放射性同位体生成装置１として利用した場合においても、前述と同様の構成とすることにより、例えば、アスタチン等の放射性同位体を効率的且つ大量に生成することができる。

次に、図１３を参照しつつ、１０^８個の中空陽子ビームＢｍをターゲット７に入射したときに、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたミューオンの数（生成数）と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒとの関係について説明する。なお、図１３において、Ｒ＝０とは、陽子ビームがターゲット７に入射された場合を意味する。また、図１３に関連して、図１４を参照しつつ、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたミューオン数をターゲット７内部、ターゲット７表面、及びターゲット７周辺で生成された全ミューオン数で除した値と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒ（Ｒ＝０の場合においては、中空陽子ビームＢｍではなく陽子ビームである）との関係について説明する。なお、図１３及び図１４において使用されるターゲット７は、全て２０．０ｍｍの外径を有するものとする。

図１３に示すように、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒが大きくなるほど、検出器Ｄで検出されるターゲット７内部又は表面で生成されるミューオンの生成数、及び検出器Ｄで検出されるターゲット７周辺で生成されるミューオンの生成数は多くなる。つまり、ミューオンの生成は、ターゲット７の表面付近に中空陽子ビームＢｍを照射させる場合（中空陽子ビームＢｍ３を照射させる場合）が効果的であるといえる。なお、この傾向は、高エネルギーを有するミューオン（＞３０ＭｅＶ／ｃ）であっても、低エネルギーを有するミューオン（＜３０ＭｅＶ／ｃ）であっても共通である。高エネルギーを有するミューオンとは、一般に、ターゲット７周辺において所定速度で動く動的なパイオンが崩壊することで生成されるミューオンを意味する。他方、低エネルギーを有するミューオンとは、主にターゲット７の内部又は表面にて滞留し実質的に速度０の状態の静的なパイオンが崩壊することで生成されるミューオンを意味する。

また、図１４に示すように、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒが大きくなるほど、検出器Ｄで検出されるミューオンの検出効率（検出器Ｄで検出されたミューオン数／生成された全ミューオン数）は向上する。つまり、ターゲット７の下流側で収集しうるミューオンの収集効率は、ターゲット７の表面付近に中空陽子ビームＢｍを照射させる場合（中空陽子ビームＢｍ３を照射させる場合）が効果的であるといえる。

次に、図１５を参照しつつ、ターゲット７より下流側に設置された検出器Ｄによって検出されたものであって、ターゲット７内部又は表面で生成されたミューオン数をターゲット７周辺で生成されたミューオン数で除した値と、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒ（Ｒ＝０の場合においては、中空陽子ビームＢｍではなく陽子ビームである）との関係を説明する。なお、図１５においても、使用されるターゲット７は、全て２０．０ｍｍの外径を有するものとする。

ところで、パイオンが崩壊すると、ミューオンとニュートリノを同時に生成するとともに、パリティ非保存の原理に基づき、ミューオンは進行方向に対して前向き又は後向きのいずれかの方向にスピンが向く（偏極する）ことが知られている。ここで、動的なパイオンが崩壊する場合には、前向きのスピンを有するミューオンと後向きのスピンを有するミューオンが混在（以下、「低偏極ミューオン」という。）する。他方、ターゲット７内で捕獲反応が起きない静的な正電荷パイオンが崩壊する場合には、後向きのスピンを有する正電荷ミューオンのみが生成される（以下、「高偏極ミューオン」という。）。したがって、生成されるミューオンの使用用途に応じて、高偏極ミューオンのみを収集する、又は低偏極ミューオンのみを収集することも可能である。

ターゲット７内部又は表面で生成されたミューオンは、前述のとおり静的なパイオンが崩壊することに生成されるため、高偏極ミューオンといえる。したがって、高偏極ミューオンの収集効率を向上させるという目的が存在する場合には、図１５に示すように、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒを大きくすることで、中空陽子ビームＢｍをターゲット７の表面付近に直接照射させることが効果的である。

以上、図１０Ａ乃至図１５を参照しつつ説明したとおり、ミューオンの生成効率及び収集効率、さらに高偏極ミューオンの収集効率の観点から、中空陽子ビームＢｍをターゲット７の表面付近に直接照射させる（より厳密には、中空陽子ビームＢｍ３のように、中空陽子ビームＢｍの外縁が、ターゲット７の断面の外縁と略一致するように、ターゲット７に対して中空陽子ビームＢｍを照射させる）ことが好ましい。

次に、中空陽子ビームＢｍをターゲット７の表面付近に直接照射させることを前提として、ターゲット７の半径の大きさの最適範囲について、図１６Ａ乃至図１８を参照しつつ説明する。

図１６Ａは、ターゲット７の円形断面（半径１．０ｍｍ）に対して、陽子ビームＢｍ１（外径半径０ｍｍであり、実質的にはガウス状の陽子ビームである）を照射させた場合であり、図１６Ｂは、ターゲット７の円形断面（半径１０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ４（外径半径９．０ｍｍ）を照射させた場合であり、図１６Ｃは、ターゲット７の円形断面（半径２０．０ｍｍ）に対して、中空陽子ビームＢｍ５（外径半径１９．０ｍｍ）を照射させた場合を示す。なお、図１７及び図１８においては、図１６Ａ乃至図１６Ｃの場合に加えて、中空陽子ビームＢｍの外径半径を様々な値に適宜調整しつつ、ターゲット７の半径の大きさを、対応する中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒよりも１．０ｍｍ大きくなるように調整した場合を含む。

まず、図１７に示すように、１０^８個の中空陽子ビームＢｍをターゲットに入射したときに、ターゲット７内部又は表面で生成されるミューオン、及びターゲット７周辺（外側）で生成されるミューオンの生成数は、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒが大きくなるほど、つまりターゲット７の半径が大きくなるほど次第に多くなる。

他方、図１８に示すように、中空陽子ビームＢｍの外径半径Ｒが小さいほど、検出器Ｄで検出されるミューオンの検出効率（検出器Ｄで検出されたミューオン数／生成された全ミューオン数）は向上する。つまり、ターゲット７の半径が小さいほど、ターゲット７の下流側で収集しうるミューオンの収集効率は向上する。これは、ターゲット７の半径を小さくするほど、集束電磁石８が形成する第２磁場がターゲット７周辺の領域を隙間なくカバーすることができることに起因する。逆にいえば、ターゲット７の半径を大きくするほど、ターゲット７周辺の領域において、集束電磁石８が形成する第２磁場によって集束しきれない陽子数（荷電粒子数）が増加する。

以上、図１７及び図１８を考慮すれば、ミューオンの生成数及びターゲット７の下流側におけるミューオンの収集効率を両立するためには、ターゲット７の半径を２ｍｍ〜８ｍｍとすることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍとすることが最も好ましい。なお、ターゲット７の半径を８ｍｍ以上とする場合には、第２磁場を形成する集束電磁石８の大きさやターゲット７の形状等を適宜調整することで、ミューオンの生成数とミューオンの収集効率を両立させることが可能である。

以上、様々な実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数等は適宜変更して実施することができる。二次粒子生成装置１、及び放射性同位体生成装置の各部の配置や構成等は、上記実施形態には限定されない。

１ 二次粒子生成装置（放射性同位体生成装置）
３ ビーム源
５ 加速器
７ ターゲット
８ 集束電磁石
１０ 第１輸送ライン
２０ 第２輸送ライン
３０ ４極電磁石
４０ 偏向電磁石
５０ 多重極電磁石
Ｂｍ、Ｂｍ１、Ｂｍ２、Ｂｍ３、Ｂｍ４、Ｂｍ５ 中空荷電粒子ビーム、中空陽子ビーム
Ｍ 所定空間

Claims (14)

1. ビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、
   ターゲットと、
   前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石と、
   を具備し、
   前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成し、前記中空荷電粒子ビームを前記ターゲットの断面に照射させて少なくとも二次粒子を生成する、二次粒子生成装置。
2. 前記ターゲットは、柱状、錘状、及び中空状からなる群から選ばれる少なくとも一の形状を呈する、請求項１に記載の二次粒子生成装置。
3. 前記中空荷電粒子ビームは、前記中空荷電粒子ビームの少なくとも一部の外縁が、前記ターゲットの前記断面の外縁の一部と略一致するように前記ターゲットに照射される、請求項１又は２に記載の二次粒子生成装置。
4. 前記中空荷電粒子ビームは、前記ターゲットの断面に対して垂直となる方向から、前記ターゲットに対して同心上に照射される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二次粒子生成装置。
5. 前記中空荷電粒子ビームの外径は、前記ターゲットの前記断面の直径よりも小さい、請求項４に記載の二次粒子生成装置。
6. 前記ターゲットを含む所定空間内に第２磁場を形成して、生成された前記二次粒子を集束させる集束電磁石をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の二次粒子生成装置。
7. 前記多重極電磁石は、８極の磁極を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の二次粒子生成装置。
8. 前記二次粒子を崩壊させて、前記二次粒子に由来する三次粒子をさらに生成する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の二次粒子生成装置。
9. ６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成する工程と、
   前記中空荷電粒子ビームをターゲットの断面に照射させて少なくとも二次粒子を生成する工程と、
   を含む、二次粒子生成方法。
10. 前記ターゲットは、柱状、錘状、及び中空状からなる群から選ばれる少なくとも一の形状を呈する、請求項９に記載の二次粒子生成方法。
11. 前記中空荷電粒子ビームは、前記中空荷電粒子ビームの少なくとも一部の外縁が、前記ターゲットの前記断面の外縁の一部と略一致するように、前記ターゲットに照射される、請求項９又は１０に記載の二次粒子生成方法。
12. 前記ターゲットを含む所定空間内に第２磁場を形成して、生成された前記二次粒子を集束電磁石によって集束させる工程をさらに含む、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の二次粒子生成方法。
13. ビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、
    ターゲットと、
    前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石と、
    を具備し、
    前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成し、前記中空荷電粒子ビームを前記ターゲットの断面に照射させて放射性同位体を生成する、放射性同位体生成装置。
14. ６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する第１磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する中空荷電粒子ビームを生成する工程と、
    前記中空荷電粒子ビームをターゲットの断面に照射させて放射性同位体を生成する工程と、
    を含む、放射性同位体生成方法。

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