JP2022044405A

JP2022044405A - 荷電粒子加速装置及び荷電粒子加速方法

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Publication number: JP2022044405A
Application number: JP2020150015A
Authority: JP
Inventors: 浩樹神田; Hiroki Kanda; 隆文原; Takafumi Hara; 光宏福田; Mitsuhiro Fukuda; 哲彦依田; Tetsuhiko Yoda; 勉篠塚; Tsutomu Shinozuka
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: JP7497870B2

Abstract

【課題】場面や場所、電力効率等の要請に応じた様々なバリエーションで利用することが可能な荷電粒子加速装置及び荷電粒子加速方法を提供すること。【解決手段】荷電粒子加速装置(1)は、空洞容器(10)と、空洞容器の軸方向に相当するｚ軸に沿って第１の荷電粒子のビームを入射させるビーム供給部(20)と、ｚ軸に沿って磁場を形成し、且つ前記ｚ軸に沿って前記磁場の強さを可変する電磁石(30)と、ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される空洞容器内のｘｙ平面に、第１電磁波(W1)と、第１電磁波に対してπ／２の位相差を有する第２電磁波(W2)と、を供給し、ｘｙ平面内に第１の荷電粒子を加速する回転電場を形成する電磁波供給部(40)と、を具備する。【選択図】図１

Description

本出願において開示された技術は、荷電粒子加速装置及び荷電粒子加速方法に関する。

荷電粒子を加速する装置としてサイクロトロンが知られている。サイクロトロンは、磁場によって荷電粒子を円運動させるとともに、電極に高周波電圧が印加されることによって形成される電場によって、当該荷電粒子を加速させるものである。つまり、電極に印加される高周波電圧の周波数と、荷電粒子の円運動の周波数とが一致するサイクロトロン共鳴を利用して、荷電粒子を円周方向に加速するものである。

このようなサイクロトロン共鳴を利用した技術は従来から種々報告されている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、ソレノイドコイルを用いて一様の磁場を形成しつつ、高周波の電磁波を供給することでサイクロトロン共鳴を生じさせて、電子及び陽子を加速する加速装置が開示されている。

米国特許第６６１７８１０号明細書米国特許第６９１４３９６号明細書

特許文献１及び特許文献２に記載される加速装置において、サイクロトロン共鳴を生じさせるためには、荷電粒子の円運動に関する角速度Ωと、電磁波の角速度ωが同一となる必要がある。なお、荷電粒子の円運動に関する角速度Ωは以下の式１から求められる。

式１中、ｑは荷電粒子の電荷、γは荷電粒子の相対論的因子、及びｍは荷電粒子の静止質量を示す。ここで、電子の静止質量は０．５１１ＭｅＶ／ｃ^２であるのに対し、陽子の静止質量は電子の質量の約２０００倍の９３８ＭｅＶ／ｃ^２である。したがって、電子の円運動に関する角速度Ω１と、陽子の円運動に関する角速度Ω２を同じにしようとすると（電磁波の角速度ωが一定である場合に、荷電粒子として電子を用いた場合でも陽子を用いた場合でもサイクロトロン共鳴を生じさせようとすると）、陽子を加速する際に用いる磁場の強さを、電子を加速する際に用いた磁場の強さの約２０００倍にする必要がある。つまり、荷電粒子として陽子を用いる場合においては、磁場を形成するために用いられる電磁石に大量の電流を流す必要が生じてしまい、消費電力が嵩んでしまう。

また、サイクロトロン共鳴を利用した荷電粒子の加速に関する電力効率は、荷電粒子ビームの電流量と空洞容器の長さに依存する。具体的には、当該電力効率は、［荷電粒子ビームのエネルギー×荷電粒子ビームの電流量］／［加速に用いられる電力］、から算出される。したがって、電力効率の向上には、荷電粒子ビームの電流量を増加させるか、荷電粒子ビーム（荷電粒子）のエネルギーを向上させるために空洞容器のストローク（軸方向長さ）を長くする必要がある。他方で、空洞容器のストロークを短くして装置全体をコンパクトなものとする実用的な要請もある。また、荷電粒子ビームの電流量の増加にも限界がある。

そこで、様々な実施形態により、場面や場所、電力効率等の要請に応じた様々なバリエーションで利用することが可能な荷電粒子加速装置及び荷電粒子加速方法を提供する。

一態様に係る荷電粒子加速装置は、空洞容器と、前記空洞容器の一端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記空洞容器内の軸方向に相当するｚ軸に沿って第１の荷電粒子のビームを入射させるビーム供給部と、前記ｚ軸に沿って磁場を形成し、且つ前記ｚ軸に沿って前記磁場の強さを可変する電磁石と、前記ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される前記空洞容器内のｘｙ平面に、第１電磁波と、前記第１電磁波に対してπ／２の位相差を有する第２電磁波とを供給し、前記ｘｙ平面内に前記第１の荷電粒子を加速する回転電場を形成する電磁波供給部と、を具備する。

この構成の荷電粒子加速装置によれば、空洞容器内に形成される磁場を可変することが可能であるため、場面や場所、電力効率等の要請に応じた様々なバリエーションで利用することが可能となる。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速装置において、前記電磁石は、超伝導電磁石又は常伝導電磁石である。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速装置において、前記磁場の強さは、前記空洞容器内において、前記ｚ軸において所定位置において強く、前記ｚ軸において前記所定位置以外の位置において弱くなるミラー磁場を形成するように前記ｚ軸に沿って可変される。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速装置において、前記ビーム供給部は、前記空洞容器の他端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記ｚ軸に沿って第２の荷電粒子のビームをさらに入射させる。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速装置において、前記空洞容器は、共振空洞容器であり、前記電磁波供給部は、前記共振空洞容器内に、前記第１電磁波と前記第２電磁波とを供給し、前記共振空洞容器内に定在波を発生させて前記回転電場を形成する。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速装置において、前記第１電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの一方に偏波し、前記第２電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの他方に偏波する。

一態様に係る荷電粒子加速方法は、空洞容器の一端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記空洞容器内の軸方向に相当するｚ軸に沿って第１の荷電粒子のビームを入射させる第１の荷電粒子ビーム入射工程と、前記ｚ軸に沿って磁場を形成し、且つ前記ｚ軸に沿って前記磁場の強さを可変させる磁場形成工程と、前記ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される前記空洞容器内のｘｙ平面に、第１電磁波と、前記第１電磁波に対してπ／２の位相差を有する第２電磁波とを供給し、前記ｘｙ平面内に前記第１の荷電粒子を加速する回転電場を形成する回転電場形成工程と、を含む。

この構成の荷電粒子加速方法によれば、空洞容器内に形成される磁場を可変することが可能であるため、場面や場所、電力効率等の要請に応じた様々なバリエーションで荷電粒子を加速することが可能となる。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速方法において、前記磁場形成工程において形成される前記磁場の強さは、前記空洞容器内において、前記ｚ軸において所定位置において強く、前記ｚ軸において前記所定位置以外の位置おいて弱くなるミラー磁場を形成するように前記ｚ軸に沿って可変される。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速方法において、前記空洞容器の他端側から前記空洞空洞の内部に向かって、前記ｚ軸に沿って第２の荷電粒子のビームを入射させる第２の荷電粒子ビーム入射工程をさらに含む。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速方法において、前記空洞容器は、共振空洞容器であり、前記回転電場形成工程において、前記第１電磁波及び前記第２電磁波は前記共振空洞容器内に供給されることで前記共振空洞容器内に定在波を発生させ、該定在波によって前記回転電場が形成される。

また、一態様に係る前記荷電粒子加速方法に関し、前記回転電場形成工程において、前記第１電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの一方に偏波し、前記第２電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの他方に偏波する。

様々な実施形態によれば、場面や場所、電力効率等の要請に応じた様々なバリエーションで利用することが可能な荷電粒子加速装置及び荷電粒子加速方法を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る荷電粒子加速装置の構成を示す概略図である。図２は、図１に示された荷電粒子加速装置における空洞容器内で加速される荷電粒子の様子を概念的に示す概略図である。図３は、図１に示された荷電粒子加速装置における空洞容器と、空洞容器に接続される導波管を示す概略図である。図４Ａは、図１に示された荷電粒子加速装置における空洞容器に供給され、ｘ軸方向に偏波する第１電磁波を示す概略図である。図４Ｂは、図１に示された荷電粒子加速装置における空洞容器に供給され、ｙ軸方向に偏波する第２電磁波を示す概略図である。図５Ａは、定在波の「位相＝０」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｂは、定在波の「位相＝π／４」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｃは、定在波の「位相＝π／２」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｄは、定在波の「位相＝３π／４」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｅは、定在波の「位相＝π」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図６は、図１に示された荷電粒子加速装置をｙ軸方向から見たときの荷電粒子の軌道を示す概略図である。図７は、図１に示された荷電粒子加速装置によって加速された荷電粒子のエネルギー遷移を示す概略図である。図８は、荷電粒子加速装置において、コイルが空洞容器の外側に巻回される様子を示す概略図である。図９は、荷電粒子加速装置によって形成される第１の例に係る磁場の様子を示す概略図である。図１０は、第１の例に係る磁場が形成された荷電粒子加速装置によって加速される荷電粒子の様子を模式的に示す概略図である。図１１は、第２の例に係る磁場が形成された荷電粒子加速装置によって加速される荷電粒子の様子を模式的に示す概略図である。図１２は、第２の例に係る磁場が形成された荷電粒子加速装置をｙ軸方向から見たときの荷電粒子の軌道を示す概略図である。図１３は、第２の例に係る磁場が形成された荷電粒子加速装置によって加速された荷電粒子のエネルギー遷移を示す概略図である。

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。

１．荷電粒子加速装置の構成
一実施形態に係る荷電粒子加速装置１の全体構成の概要について、図１乃至図５Ｅを参照しつつ説明する。図１は、一実施形態に係る荷電粒子加速装置１の構成を示す概略図である。図２は、図１に示された荷電粒子加速装置１における空洞容器１０内で加速される荷電粒子Ｐの様子を概念的に示す概略図である。図３は、図１に示された荷電粒子加速装置１における空洞容器１０と、空洞容器１０に接続される導波管１５を示す概略図である。図４Ａは、図１に示された荷電粒子加速装置１における空洞容器１０に供給され、ｘ軸方向に偏波する第１電磁波Ｗ１を示す概略図である。図４Ｂは、図１に示された荷電粒子加速装置１における空洞容器１０に供給され、ｙ軸方向に偏波する第２電磁波Ｗ２を示す概略図である。図５Ａは、定在波の「位相＝０」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｂは、定在波の「位相＝π／４」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｃは、定在波の「位相＝π／２」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｄは、定在波の「位相＝３π／４」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。図５Ｅは、定在波の「位相＝π」の場合に形成される電場の様子を示す概略図である。

図１に示すように、荷電粒子加速装置１は、空洞容器１０と、荷電粒子を生成して空洞容器１０の軸方向に相当するｚ軸に沿って空洞容器１０の内部へと荷電粒子ビームＢｍを入射させるビーム供給部２０と、ｚ軸に沿って磁場Ｂを形成する電磁石３０と、ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される空洞容器１０内のｘｙ平面に、後述する第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２を供給する電磁波供給部４０と、を主に具備する。なお、図１に示すように、荷電粒子加速装置１にて加速される荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射する場合においては、空洞容器１０の出口付近に所望のターゲット１００を配してもよい。

なお、ターゲット１００の種類は、放射性同位体の生成や中性子の発生に応じて適宜に選択される。例えば、荷電粒子加速装置１を放射性同位体としてアスタチンの生成に応用する場合においては、ターゲット１００としてビスマスを用いることができる。

以下、荷電粒子加速装置１を構成する前述の各要素の詳細について説明する。

１－１．空洞容器１０
空洞容器１０としては、例えば銅など表面が平滑な金属材料から形成されるものを用いることができる。空洞容器１０の形状は、図２等に示すように、荷電粒子Ｐ（荷電粒子ビームＢｍ）が磁場Ｂによって円運動することに対応して、円筒状のものを用いることができるが、これに限定されない。空洞容器１０として円筒状のものを用いた場合、例えば、半径９０ｃｍ、長手方向（ｚ軸方向）に延びる長さ２１０ｃｍのものを一例として用いることができる。

空洞容器１０の一端側には、後述するビーム供給部２０から出射される荷電粒子ビームＢｍを空洞容器１０内へと引き入れるための開口部（図示せず）が設けられている。なお、空洞容器１０内は真空状態に保持される。

さらに、空洞容器１０には、一例として、後述する第１導波管４５及び第２導波管４６が、当該空洞容器１０に一体的又は別体に接続されており、後述する電磁波供給部４０から発出される第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２が、空洞容器１０内へ供給されるように構成されている。なお、電磁波供給部４１から空洞容器１０へと第１電磁波Ｗ１を供給するものとして、第１導波管４５に代えて、同軸管や同軸ケーブルを用いてもよい。同様に、第２電磁波Ｗ２を供給するものとして、第２導波管４６に代えて、同軸管や同軸ケーブルを用いてもよい。

なお、本明細書においては、図１及び図２に示すように、空洞容器１０内において、荷電粒子ビームＢｍの進行方向であって空洞容器１０の長手方向をｚ軸し、ｚ軸に直交する空洞容器１０の断面を形成する軸をｘ軸及びｙ軸と称するものとする。また、当該断面をｘｙ平面と称するものとする。なお、図１に示されるｘｙ平面は、ｚ軸上の所定位置（例えば、空洞容器１０内における管中心近傍）の平面であって、第１電磁波Ｗ１が後述する電磁波供給部４０から供給される延長線をｘ軸、第２電磁波Ｗ２が電磁波供給部４０から供給される延長線をｙ軸とするものである。

空洞容器１０は、空洞容器１０内に供給される第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２を各々進行波とするのでなく、両者を共振させて定在波を発生させるために、図１に示すように、少なくともｘ軸及びｙ軸の延長線上において壁（側壁）が形成される共振空洞容器としてもよい。

１－２．ビーム供給部２０
ビーム供給部２０としては、電子や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。

ビーム供給部２０から出射される荷電粒子ビームＢｍは、図１に示すように、共振空洞１０に設けられる開口部を介してｚ軸に沿って共振空洞１０内へと入射される。

１－３．電磁石３０
電磁石３０は、一般的なコイル形状のものを用いることができる。具体的には、電磁石３０のコイルを構成する線材として、一般的な常伝導材料を用いることができるが、消費電力を抑制する観点から、高温超伝導材料を用いることが好ましい。電磁石３０は、図１に示すように、空洞容器１０の外側を巻回するように設けられる。

電磁石３０は、図１に示すように、一つのコイルを空洞容器１０の外側に一様に巻回させて、通電されると（電流が供給されると）、空洞容器１０の内部に所定の強さ（例えば、８テスラ）の磁場Ｂをｚ軸方向に形成する。この場合、磁場Ｂの強さは、ｚ軸方向において一定となるが、後述するように、ｚ軸方向に沿って磁場Ｂの強さが可変されるように、複数種類の電磁石３０を共振空洞１０に沿って併設させるように設けられる。

１－４．電磁波供給部４０
電磁波供給部４０は、一般的に知られる発振器を用いることができる。電磁波供給部４０は、例えば荷電粒子として陽子（陽子ビーム）がビーム供給部２０から放出される場合においては、１００ＭＨｚ～２００ＭＨｚの高周波の電磁波を発振するものであればよく、１１０ＭＨｚ～１３０ＭＨｚの高周波の電磁波を発振するものが好ましい。

電磁波供給部４０は、空洞容器１０内へ第１電磁波Ｗ１を発振する第１電磁波供給部４０Ａと、空洞容器１０内へ第２電磁波Ｗ２を発振する第２電磁波供給部４０Ｂと、を有することができる。なお、第１電磁波供給部４０Ａと空洞容器１０との間には、前述のとおり、一例として第１導波管４５が形成されている。また、第２電磁波供給部４０Ｂと空洞容器１０との間には、前述のとおり、一例として第２導波管４６が形成されている。なお、第１導波管４５及び第２導波管４６の代わりに、同軸管や同軸ケーブルを用いてもよい。

なお、一例として用いられる第１導波管４５と第２導波管４６は、図１に示すように、第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２を、ｚ軸上の所定位置のｘｙ平面上に供給することができるように設けられる。ここで、所定位置とは、例えば空洞容器１０内における管中心近傍とすることができる。これにより、第１導波管４５と第２導波管４６は、互いに直交するように設けられる。また、第１導波管４５及び第２導波管４６は、空洞容器１０に対して一体的又は別体に接続される。

第１電磁波供給部４０Ａから発振される第１電磁波Ｗ１は、第１導波管４５内を経由して、ｘ軸に沿って空洞容器１０内のｘｙ平面内へと伝播される。第１電磁波Ｗ１は、図４Ａに示すように、ｘ軸に偏波するものを用いることができる。

第２電磁波供給部４０Ｂから発振される第２電磁波Ｗ２は、第２導波管４６内を経由して、ｙ軸に沿って空洞容器１０内のｘｙ平面内へと伝播される。第２電磁波Ｗ２は、図４Ｂに示すように、ｙ軸に偏波するものを用いることができる。なお、第１導波管４５及び第２導波管４６の代わりに、同軸管又は同軸ケーブルが用いられる場合においては、第１電磁波Ｗ１はｘ軸に偏波する必要はなく、第２電磁波Ｗ２はｙ軸に偏波する必要はない。

ここで、第１導波管４５の長さは、図３に示すように、第２導波管４６の長さよりもλ／４長く設定される。これにより、第１電磁波Ｗ１の周波数と第２電磁波Ｗ２の周波数とが同一（例えば、両者の周波数が１２１ＭＨｚ）である場合、第１電磁波Ｗ１は第２電磁波Ｗ２に比してπ／２位相遅れて空洞容器１０内に伝播されることとなる。なお、第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２とのπ／２の位相差は、第１導波管４５及び第２導波管４６の長さによって調整する代わりに、第１電磁波Ｗ１を発振する第１電磁波供給部４０Ａと、第２電磁波Ｗ２を発振する第２電磁波供給部４０Ｂとで適宜調整してもよい。

このように、空洞容器１０内へと伝播した第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２は、空洞容器１０内でπ／２位相ずれた状態で合成される。ここで、空洞容器１０が前述した共振空洞容器である場合、第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２が合成されて、共振空洞容器内に回転するＴＥ１１１モードの定在波が形成される。

このように形成された定在波は、第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２と同じ周波数（例えば、１２１ＭＨｚ）を有し、これに伴って、ｘｙ平面上に回転電場を形成する。

図５Ａ乃至図５Ｅを参照しつつ、回転電場の詳細を説明する。

まず、定在波の位相が０の場合、第１電磁波Ｗ１に対してπ／２位相先に空洞容器１０内に伝播する第２電磁波Ｗ２によってｙ軸に沿って電場がｘｙ平面に形成される。

次に、定在波の位相がπ／４の場合、第２電磁波Ｗ２の成分に第１電磁波Ｗ１の成分が加わって、図５Ｂに示すようなベクトルの電場がｘｙ平面に形成される。

次に、定在波の位相がπ／２の場合、位相が０の場合とは逆に、第１電磁波Ｗ１によってｘ軸に沿って電場がｘｙ平面に形成される。

次に、定在波の位相が３π／４の場合、第１電磁波Ｗ１の成分に第２電磁波Ｗ２の成分が加わって、図５Ｄに示すようなベクトルの電場がｘｙ平面に形成される。

最後に、定在波の位相がπの場合、第２電磁波Ｗ２によってｙ軸に沿って電場がｘｙ平面に形成される。この場の電場のベクトルは、図５Ｅに示すように、位相が０の場合に形成される電場のベクトルと逆向きとなる。

以上のとおり、第１電磁波Ｗ１と第２電磁波Ｗ２が合成されて形成される定在波によって、ｘｙ平面上で回転する回転電場が形成される。

２．荷電粒子加速装置による荷電粒子の加速
次に、前述にて詳述した荷電粒子加速装置１による荷電粒子が加速される原理の詳細を、図６及び図７を参照しつつ説明する。図６は、図１に示された荷電粒子加速装置１をｙ軸方向から見たときの荷電粒子Ｐの軌道を示す概略図である。図７は、図１に示された荷電粒子加速装置１によって加速された荷電粒子Ｐのエネルギー遷移を示す概略図である。なお、図６及び図７に示される概略図は、便宜的に、一様の強さの磁場Ｂが形成されている空洞容器１０内に荷電粒子ビームＢｍを入射させた場合であることを付言する。また、図６及び図７におけるｚ＝０（ｃｍ）は、空洞容器１０の入口に相当し、ｚ＝２１０（ｃｍ）は、空洞容器１０の出口に相当する。

まず、ビーム供給部２０から出射された荷電粒子ビームＢｍは、磁場Ｂと平行であるｚ軸方向を進行方向として空洞容器１０の一端側から空洞容器１０内に入射される。この際、荷電粒子ビームＢｍの進行方向と磁場Ｂの方向はｚ軸方向で一致している（互いに同方向のベクトルであってもよいし、互いに逆方向のベクトルであってもよい）。その後、荷電粒子ビームＢｍにおける各荷電粒子Ｐは、空洞容器１０内をｚ軸に沿って進行するにつれて前述のとおり形成される電場の影響を受けて、ｘｙ平面内の所定方向のベクトル（ｘ軸方向及びｙ軸方向の合成ベクトル）に加速される。これにより、荷電粒子Ｐは、ｚ軸と直交する進行方向の成分を有することとなる。

なお、第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２の合成波（例えば、前述の定在波）によって空洞容器１０内に形成される電場は、第１電磁波Ｗ１及び第２電磁波Ｗ２が空洞容器１０内に供給される位置（例えば、図１に示されるように、空洞容器１０の略管中心）のｘｙ平面上において最も強い電場が形成され、その位置から離れるにしたがって次第に弱くなるように形成される。

次に、ｚ軸と直交する進行方向の成分を有する荷電粒子Ｐには、磁場Ｂに起因するローレンツ力が作用する。これにより、荷電粒子Ｐは、ｚ軸を中心として時計回り（又は反時計回り）に円運動することとなる（図２参照）。

円運動する荷電粒子Ｐに対しては、前述のとおり形成される回転電場によって円周方向に連続的に（常に）加速されることとなる。これにより、荷電粒子Ｐが進む軌道は、ｚ軸に沿った進行方向、ローレンツ力による円運動、及び回転電場による加速が組み合わされて、図６に示されるように螺旋状となる。つまり、荷電粒子Ｐは、空洞容器１０内をｚ軸方向に進行するにあたっては、次第に回転半径が大きくなるように螺旋状に円運動する。

なお、荷電粒子Ｐが回転電場によって円周方向に加速されることにより、荷電粒子Ｐのエネルギーは、図７に示されるように次第に大きくなる。図７に示される例においては、空洞空洞１０の一端側に入射されたｚ＝０における荷電粒子Ｐのエネルギーはおよそ０ＭｅＶ付近（例えば、５０ＫｅＶ程度）であるものの、ｚ＝２１０（ｃｍ）においては２０ＭｅＶを超える程度となる。

以上のとおり、一実施形態に係る荷電粒子加速装置１を用いて荷電粒子Ｐを加速することによって、荷電粒子Ｐ（荷電粒子ビーム）のエネルギーを効率的に向上させることができる。

３．空洞容器１０内に形成される磁場の具体例
次に、空洞容器１０内に形成される磁場の具体例について、以下説明する。

３－１．第１の例
まず、荷電粒子加速装置１における空洞容器１０内に形成される第１の例の磁場について、図８乃至図１０を参照しつつ説明する。図８は、荷電粒子加速装置１において、コイルが空洞容器１０の外側に巻回される様子を示す概略図である。図９は、荷電粒子加速装置１によって形成される第１の例に係る磁場Ｂの様子を示す概略図である。図１０は、第１の例に係る磁場Ｂが形成された荷電粒子加速装置１によって加速される荷電粒子Ｐの様子を模式的に示す概略図である。なお、第１の例において用いられる空洞容器１０の長さは２１０ｃｍとする。

第１の例に係る荷電粒子加速装置１は、基本的には、前述のとおり説明した一実施形態に係る荷電粒子加速装置１と同じ構成であるが、通電される電流量が各々異なる複数のコイルが空洞容器１０の外側に巻回されている。

つまり、空洞容器１０を取り囲むように、複数の異なるコイルが図８に示されるように巻回される。具体的には、ｚ軸方向に沿って、空洞容器１０の一端側から他端側に向かって、第１コイル３１、第２コイル３２、第３コイル３３、及び第４コイル３４が空洞容器１０の外側を独立的に巻回するように敷設されている。第２コイル３２と第３コイル３３は、図８に示すように、空洞容器１０の略中央付近（ｚ＝１００付近）に敷設され、第１コイル３１は空洞容器１０の一端側に敷設され、第４コイル３４は空洞容器１０の他端側に敷設される。

さらに、第１コイル３１よりも手前側（つまり、ビーム供給部２０と空洞容器１０の間であって、空洞容器１０の外側）に第５コイル３５が敷設されている。さらにまた、第４コイル３４よりも外側（空洞容器１０の外側）に第６コイル３６が敷設されている。

第１コイル３１乃至第６コイル３６に通電される電流量は、それぞれ独立的に管理される。一例として、第１コイル３１には５．９０×１０^５Ａ、第２コイル３２には５．０６×１０^６Ａ、第３コイル３３には５．４３×１０^６Ａ、第４コイル３４には１．０２×１０^６Ａ、第５コイル３５には１．２８×１０^７Ａ、第６コイル３６には１．３２×１０^７Ａの電流が通電されると、空洞容器１０内にはミラー磁場が形成される。つまり、空洞容器１０内において、空洞容器１０の一端側付近においては弱い磁場が形成され、空洞容器１０の中央付近においては強い磁場が形成され、空洞容器１０の他端側付近においては弱い磁場が形成される。図９に示すように、ｚ＝０付近で磁場（ガイド磁場）は８．０８テスラ程度であるのに対し、ｚ＝１２０付近では磁場（ガイド磁場）は８．２０テスラ程度となる。

ここで、荷電粒子Ｐが図９に示すようなミラー磁場内を進行する場合において、荷電粒子Ｐの進行方向（ｚ軸に沿った方向であって、空洞容器１０の一端側から他端側へ向かう方向）に対して磁場の強さ（磁束密度）が次第に弱くなる場合（例えば、空洞容器１０の略中央付近から他端側の位置）には、ミラー効果に基づいて荷電粒子Ｐの進行方向の速度が加速される（ここでの「加速」は、回転電場による円周方向の加速とは別である）。他方、荷電粒子Ｐの進行方向に対して磁場の強さ（磁束密度）が次第に大きくなる場合（例えば、空洞容器１０の一端側から略中央付近の位置）には、ミラー効果に基づいて荷電粒子Ｐの進行方向の速度は減速される（図１０の概念図参照）。ここで、電場が最も強くなる位置が、図１に示したように空洞容器１０における略中央付近である場合、空洞容器１０における略中央付近において荷電粒子Ｐの進行速度を減速させることで、荷電粒子Ｐは強い電場内に長時間滞在することが可能となる。この結果、荷電粒子Ｐは長時間強い電場による加速を受けることができるため、荷電粒子Ｐのエネルギーを効率的に向上させることができる。

以上のとおり説明した第１の例に係る磁場を形成することによって、図１０に示すように、荷電粒子Ｐの進行方向の速度（加減速）を制御することが可能となる。これにより、空洞容器１０内において、電場（回転電場）の強い場所に合わせて、磁場の強さを可変させることが可能となり、荷電粒子Ｐのエネルギーを効率的に向上させることができる。

３－２．第２の例
次に、荷電粒子加速装置１おける空洞容器１０内に形成される第２の例の磁場について、図１１乃至図１３を参照しつつ説明する。図１１は、第２の例に係る磁場Ｂが形成された荷電粒子加速装置１によって加速される荷電粒子Ｐの様子を模式的に示す概略図である。図１２は、第２の例に係る磁場Ｂが形成された荷電粒子加速装置１をｙ軸方向から見たときの荷電粒子Ｐの軌道を示す概略図である。図１３は、第２の例に係る磁場Ｂが形成された荷電粒子加速装置１によって加速された荷電粒子Ｐのエネルギー遷移を示す概略図である。なお、第２の例において用いられる空洞容器１０の長さも２１０ｃｍとする。

第２の例に係る荷電粒子加速装置１は、前述の第１の例に係る荷電粒子加速装置１と構成は全く同じであるが、第１コイル３１乃至第６コイル３６に通電される電流量が異なる。

つまり、第２の例に係る荷電粒子加速装置１においては、第１コイル３１に通電される電流と第２コイル３２に通電される電流との差、及び第３コイル３３に通電される電流と第４コイル３４に通電される電流の差が、第１の例に比して大きく設定される。これにより、ミラー効果に基づく荷電粒子Ｐへの加減速が第１の例に比して顕著となる。

具体的には、第２の例においては、荷電粒子Ｐがミラー磁場内を進行するにあたり、進行方向に対して磁場の強さ（磁束密度）が急激に大きくなる場合（例えば、空洞容器１０の一端側から略中央付近の位置）には、ミラー効果に基づいて荷電粒子Ｐの進行方向の速度は減速されるに留まらず、進行方向が反転する。逆に、進行方向が反転した荷電粒子Ｐは、その反転した進行方向に対して磁場の強さ（磁束密度）が急激に小さくなる場合（例えば、空洞容器１０の略中央付近から一端側の位置）には、ミラー効果に基づいて荷電粒子Ｐは著しく加速されて、空洞容器１０の一端側に到達する。つまり、荷電粒子Ｐは、図１２に示すように、空洞容器１０の一端側から入射された後、途中で進行方向を反転して、再び当該一端側へと戻る軌道を辿る。

また、図１２に示すような軌道を辿る荷電粒子Ｐは、図１３に示すように、最終的には２０ＭｅＶ程度になるまでエネルギーが向上される。つまり、第２の例に係る荷電粒子加速装置１は、半分の長さの空洞容器１０で、荷電粒子Ｐを加速することが可能であるといえる。これにより、空洞容器１０の外側に巻回される複数のコイルのうち、例えば、第１コイル３１と第２コイル３２だけで荷電粒子Ｐのエネルギーを向上させることができる。したがって、電磁石３０の数を減らすことで、荷電粒子加速装置１全体としての電力効率を向上（電力消費を低減）させることが可能となる。

第２の例においては、空洞容器１０の半分（図１１においては、例えば左半分）にて荷電粒子Ｐを、空洞容器１０の半分のストロークで効率的に加速することができるという効果を活用して、空洞容器１０の他端側から別の荷電粒子ビームＢｍを入射させることが可能となる（図１１参照）。

この場合、空洞容器１０の他端側から別の荷電粒子ビームＢｍが入射されると、当該別の荷電粒子ビームＢｍに含まれる荷電粒子Ｐ‘は、荷電粒子Ｐが空洞容器１０の左半分の領域で辿った軌道と同様（実際には、反転した軌道）の軌道を辿る。つまり、荷電粒子Ｐ’は、空洞容器１０の他端側から入射されて、途中回転電場によって加速されつつ進行方向が反転して、最終的には当該他端側へと到達する。

このように、第２の例においては、一つの空洞容器１０を用いて、複数の荷電粒子ビームを加速す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。荷電粒子加速装置１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荷電粒子加速装置
１０共振空洞
２０ビーム供給部
３０電磁石
４０電磁波供給部
４５第１導波管
４６第２導波管
Ｂ磁場
Ｂｍ荷電粒子ビーム
Ｐ荷電粒子
Ｗ１第１電磁波
Ｗ２第２電磁波

Claims

空洞容器と、
前記空洞容器の一端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記空洞容器内の軸方向に相当するｚ軸に沿って第１の荷電粒子のビームを入射させるビーム供給部と、
前記ｚ軸に沿って磁場を形成し、且つ前記ｚ軸に沿って前記磁場の強さを可変する電磁石と、
前記ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される前記空洞容器内のｘｙ平面に、第１電磁波と、前記第１電磁波に対してπ／２の位相差を有する第２電磁波とを供給し、前記ｘｙ平面内に前記第１の荷電粒子を加速する回転電場を形成する電磁波供給部と、
を具備する荷電粒子加速装置。
前記電磁石は、超伝導電磁石又は常伝導電磁石である、請求項１に記載の荷電粒子加速装置。
前記磁場の強さは、前記空洞容器内において、前記ｚ軸において所定位置において強く、前記ｚ軸において前記所定位置以外の位置において弱くなるミラー磁場を形成するように前記ｚ軸に沿って可変される、請求項１又は２に記載の荷電粒子加速装置。
前記ビーム供給部は、前記空洞容器の他端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記ｚ軸に沿って第２の荷電粒子のビームをさらに入射させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の荷電粒子加速装置。
前記空洞容器は、共振空洞容器であり、
前記電磁波供給部は、前記共振空洞容器内に、前記第１電磁波と前記第２電磁波とを供給し、前記共振空洞容器内に定在波を発生させて前記回転電場を形成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の荷電粒子加速装置。
前記第１電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの一方に偏波し、前記第２電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの他方に偏波する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の荷電粒子加速装置。
空洞容器の一端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記空洞容器内の軸方向に相当するｚ軸に沿って第１の荷電粒子のビームを入射させる第１の荷電粒子ビーム入射工程と、
前記ｚ軸に沿って磁場を形成し、且つ前記ｚ軸に沿って前記磁場の強さを可変させる磁場形成工程と、
前記ｚ軸に対して直交するｘ軸及びｙ軸にて形成される前記空洞容器内のｘｙ平面に、第１電磁波と、前記第１電磁波に対してπ／２の位相差を有する第２電磁波とを供給し、前記ｘｙ平面内に前記第１の荷電粒子を加速する回転電場を形成する回転電場形成工程と、
を含む、荷電粒子加速方法。
前記磁場形成工程において形成される前記磁場の強さは、前記空洞容器内において、前記ｚ軸において所定位置において強く、前記ｚ軸において前記所定位置以外の位置おいて弱くなるミラー磁場を形成するように前記ｚ軸に沿って可変される、請求項７に記載の荷電粒子加速方法。
前記空洞容器の他端側から前記空洞容器の内部に向かって、前記ｚ軸に沿って第２の荷電粒子のビームを入射させる第２の荷電粒子ビーム入射工程をさらに含む、請求項７又は８に記載の荷電粒子加速方法。
前記空洞容器は、共振空洞容器であり、
前記回転電場形成工程において、前記第１電磁波及び前記第２電磁波は前記共振空洞容器内に供給されることで前記共振空洞容器内に定在波を発生させ、該定在波によって前記回転電場が形成される、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の荷電粒子加速方法。
前記回転電場形成工程において、前記第１電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの一方に偏波し、前記第２電磁波は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸のうちの他方に偏波する、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の荷電粒子加速方法。