JP2022176617A - Septum magnet, accelerator, and particle beam therapy system - Google Patents

Septum magnet, accelerator, and particle beam therapy system Download PDF

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文章 野田
Fumiaki Noda
隆光 羽江
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Abstract

To downsize a septum magnet.SOLUTION: A septum magnet 30 comprises: a septum coil 32 extending along a beam extraction track; and an additional septum coil 36 that is provided in parallel with the septum coil 32 and extends along the beam extraction track. The additional septum coil 36 comprises a plurality of additional septum conductors 38 extending along the beam extraction track. The plurality of additional septum conductors 38 are arranged so as to draw an arc protruding on the side of a circulating track. The plurality of additional septum conductors 38 includes an additional septum conductor 38 that is close to the circulating track and is disposed closer to the circulating track than the septum coil 32 so as to avoid an ion beam track plane 48.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、セプタム電磁石、加速器および粒子線治療システムに関し、特に、加速器からイオンビームを取り出すための電磁石に関する。 The present invention relates to septum electromagnets, accelerators and particle beam therapy systems, and more particularly to electromagnets for extracting ion beams from accelerators.

粒子線を患部に照射する粒子線治療が広く行われている。一般に、粒子線治療では加速器を備える粒子線治療システムが用いられる。加速器には、炭素イオンやヘリウムイオン、陽子等のイオンが注入され、治療に必要なエネルギーを有するようになるまでイオンが加速される。加速器によって加速されたイオンによるビーム(イオンビーム)は、患部に向けて照射される。粒子線治療システムでは、患部の位置や形状に合わせてイオンビームのエネルギーや空間的な広がりが調整される。 Particle beam therapy is widely used to irradiate an affected area with particle beams. In general, particle beam therapy uses a particle beam therapy system equipped with an accelerator. Ions such as carbon ions, helium ions, and protons are injected into the accelerator and accelerated until they have the energy required for treatment. A beam (ion beam) of ions accelerated by an accelerator is irradiated toward the affected area. A particle beam therapy system adjusts the ion beam energy and spatial spread according to the position and shape of the affected area.

加速器には、イオンビームを取り出すためのセプタム電磁石が用いられている。セプタム電磁石は、セプタムコイルおよびリターンコイルを備えている。セプタムコイルおよびリターンコイルは、加速器内から加速器外へとイオンビームが取り出されるビーム取り出し軌道に沿って延び、ビーム取り出し軌道を挟んでいる。 The accelerator uses a septum electromagnet for extracting the ion beam. A septum electromagnet has a septum coil and a return coil. The septum coil and the return coil extend along a beam extracting trajectory along which an ion beam is extracted from inside the accelerator to outside the accelerator, and sandwich the beam extracting trajectory.

加速器内を周回するイオンビームは、ビーム取り出しの段階でビーム取り出し軌道に導かれる。セプタムコイルおよびリターンコイルは、周回磁場とは逆方向の磁場であるセプタム磁場を発生する。イオンビームは、セプタム磁場によって加速器外側へと偏向され加速器から取り出される。取り出されたイオンビームは、所定の位置まで輸送され、実験、RI製造(Radio Isotope)、粒子線治療等に用いられる。 An ion beam circulating in the accelerator is guided to a beam extraction trajectory at the beam extraction stage. The septum coil and return coil generate a septum magnetic field that is a magnetic field in the opposite direction to the circulating magnetic field. The ion beam is deflected to the outside of the accelerator by the septum magnetic field and extracted from the accelerator. The extracted ion beam is transported to a predetermined position and used for experiments, RI production (Radio Isotope), particle beam therapy, and the like.

以下の特許文献1および非特許文献1にはセプタム電磁石が記載されている。また、特許文献2および3には、本願発明に関連する技術として、イオンビームを偏向させるコイルが記載されている。特許文献4には、本願発明に関連する技術として、加速器が記載されている。 A septum electromagnet is described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below. Further, Patent Documents 2 and 3 describe a coil for deflecting an ion beam as a technique related to the present invention. Patent Document 4 describes an accelerator as a technique related to the present invention.

国際公開第2013/121503号WO2013/121503 国際公開第2015/045017号WO2015/045017 特開2013-206635号公報JP 2013-206635 A 特開2020-202015号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-202015

杉田圭、エクバート・フィッシャー、「コサインシータ型セプタム電磁石とその超電導応用について」、Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Sciety of Japan August 8-10,2016,Chiba,Japan.Kei Sugita, Ekbert Fischer, "Cosine-theta-type septum magnet and its application to superconductivity", Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Sciety of Japan August 8-10,2016,Chiba,Japan.

近年では、比較的小さい建造物内に粒子線治療システムを設置する必要性が高まっており、粒子線治療システムに用いられる装置を単純化および小型化することが望まれている。 In recent years, there is an increasing need to install a particle beam therapy system in a relatively small building, and it is desired to simplify and miniaturize the devices used in the particle beam therapy system.

セプタム電磁石を小型化する設計として、セプタムコイルに流れる電流を大きくして、セプタム電磁石を短くすることが考えられる。しかし、セプタムコイルに流れる電流を大きくするには発熱等を抑制するため、セプタムコイルを構成する導線の断面を広くする必要が生じることがある。一方で、セプタムコイルを構成する導線の断面が広くなると、セプタムコイルがイオンビームの進行を妨げてしまうことがある。 As a design for miniaturizing the septum electromagnet, it is conceivable to increase the current flowing through the septum coil and shorten the septum electromagnet. However, in order to suppress heat generation and the like in order to increase the current flowing through the septum coil, it may be necessary to widen the cross-section of the conductive wire that constitutes the septum coil. On the other hand, when the cross-section of the conductive wire forming the septum coil is widened, the septum coil may hinder the progress of the ion beam.

本発明の目的は、セプタム電磁石を小型化することである。 An object of the present invention is to miniaturize a septum electromagnet.

本発明は、ビーム取り出し軌道に沿って延びるセプタムコイルと、前記セプタムコイルに並設され、前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる追加セプタムコイルと、を備え、前記追加セプタムコイルは、前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる複数の追加セプタム導体であって、周回軌道側に膨らむ弧を描くように配列された複数の追加セプタム導体を備えることを特徴とする。 The present invention comprises a septum coil extending along a beam extraction trajectory, and an additional septum coil arranged in parallel with the septum coil and extending along the beam extraction trajectory, wherein the additional septum coil extends along the beam extraction trajectory. a plurality of additional septum conductors extending along the track, the plurality of additional septum conductors being arranged to form an arc that bulges toward the loop track.

本発明によれば、セプタム電磁石が小型化される。 According to the present invention, the septum electromagnet is miniaturized.

第1実施形態に係る加速器を示す図である。It is a figure which shows the accelerator which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。It is a figure which shows the septum electromagnet which concerns on 1st Embodiment. 追加セプタムコイルおよび追加リターンコイルを示す図である。FIG. 11 shows an additional septum coil and an additional return coil; 各コイル導体の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of each coil conductor. 第2実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a septum electromagnet according to a second embodiment; 追加セプタムコイルおよび追加リターンコイルを示す図である。FIG. 11 shows an additional septum coil and an additional return coil; 第1実施形態に係るセプタム電磁石と、第2実施形態に係るセプタム電磁石とを縦続配置したセプタム電磁石を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a septum electromagnet in which the septum electromagnet according to the first embodiment and the septum electromagnet according to the second embodiment are cascaded; 第3実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a septum electromagnet according to a third embodiment; 第4実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a septum electromagnet according to a fourth embodiment; 第5実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a septum electromagnet according to a fifth embodiment; セプタム電磁石の内部の磁場分布の計算結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing calculation results of magnetic field distribution inside a septum electromagnet; 第6実施形態に係るセプタム電磁石を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a septum electromagnet according to a sixth embodiment; 第7実施形態に係る加速器を示す図である。It is a figure which shows the accelerator which concerns on 7th Embodiment. 第8実施形態に係る粒子線治療システムを示す図である。It is a figure which shows the particle beam therapy system which concerns on 8th Embodiment.

各図を参照して本発明の各実施形態が説明される。複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明が簡略化されている。本明細書における「上」、「下」、「左」、「右」等の用語は図面における方向を示す。これらの方向を示す用語は説明の便宜上のものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。 Each embodiment of the present invention will be described with reference to each figure. The same reference numerals are attached to the same components shown in multiple drawings to simplify the description. The terms "top," "bottom," "left," "right," etc. herein refer to directions in the drawing. These directional terms are for convenience of explanation, and do not limit the posture when arranging each component.

図1には、本発明の第1実施形態に係る加速器100の構成が模式的に示されている。加速器100はシンクロトロンと称されるものである。加速器100は、イオン源10、入射装置12、偏向電磁石14-1~14-4、真空ダクト16-1~16-4、加速空洞18、四極電磁石20およびセプタム電磁石30を備えている。 FIG. 1 schematically shows the configuration of an accelerator 100 according to the first embodiment of the invention. Accelerator 100 is called a synchrotron. Accelerator 100 includes ion source 10 , injection device 12 , bending magnets 14 - 1 to 14 - 4 , vacuum ducts 16 - 1 to 16 - 4 , acceleration cavity 18 , quadrupole magnet 20 and septum magnet 30 .

真空ダクト16-1、偏向電磁石14-1、真空ダクト16-2、偏向電磁石14-2、真空ダクト16-3、偏向電磁石14-3、加速空洞18、真空ダクト16-4および偏向電磁石14-4は、この順序で環状に配置されイオンビームの周回経路が形成されている。イオン源10は、イオンを入射装置12に供給し、入射装置12はイオンを真空ダクト16-1に入射する。各偏向電磁石14-1~14-4はイオンビームを左方向に90°偏向させ、イオンビームは各真空ダクト16-1~16-4内を直進する。 Vacuum duct 16-1, bending electromagnet 14-1, vacuum duct 16-2, bending electromagnet 14-2, vacuum duct 16-3, bending electromagnet 14-3, acceleration cavity 18, vacuum duct 16-4 and bending electromagnet 14- 4 are arranged in a ring in this order to form a circular path of the ion beam. The ion source 10 supplies ions to the injection device 12, which injects the ions into the vacuum duct 16-1. Each of the bending electromagnets 14-1 to 14-4 deflects the ion beam to the left by 90°, and the ion beam travels straight through each of the vacuum ducts 16-1 to 16-4.

イオンは、加速空洞18で高周波電場によって加速されながら周回経路を周回する。加速空洞18では、イオンが周回する周期に合わせて高周波電場の周波数が制御されている。各真空ダクト16-1~16-4に設けられた四極電磁石20は、イオンビームの空間的な広がりを調整する。 The ions circulate in the circulating path while being accelerated by the high-frequency electric field in the acceleration cavity 18 . In the acceleration cavity 18, the frequency of the high-frequency electric field is controlled according to the cycle of the ions. A quadrupole electromagnet 20 provided in each vacuum duct 16-1 to 16-4 adjusts the spatial spread of the ion beam.

イオンビームが加速され、イオンビームのエネルギーが所定のエネルギーに達したときに、イオンビームはセプタム電磁石30によってビーム取り出し軌道に沿って外側に偏向され、加速器100から取り出される。 When the ion beam is accelerated and the energy of the ion beam reaches a predetermined energy, the ion beam is deflected outward along the beam extraction trajectory by the septum electromagnet 30 and extracted from the accelerator 100 .

図2には、セプタム電磁石30をAA線で切断した場合に現れる断面が示されている。図2では、周回軌道から離れる方向を正方向としてx軸が定義されている。x軸はビーム取り出し軌道に対して垂直である。以下の説明では、セプタム電磁石30の内部から見てx軸負方向側は周回軌道側と称され、x軸正方向側(周回軌道側とは反対側)はビーム取り出し側と称される。セプタム電磁石30は、セプタムコイル32、リターンコイル40、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44を備えている。 FIG. 2 shows a cross section that appears when the septum electromagnet 30 is cut along line AA. In FIG. 2, the x-axis is defined with the direction away from the orbit being the positive direction. The x-axis is perpendicular to the beam extraction trajectory. In the following description, the x-axis negative direction side as viewed from the inside of the septum electromagnet 30 is referred to as the orbital side, and the x-axis positive direction side (the side opposite to the orbital side) is referred to as the beam extraction side. Septum electromagnet 30 includes septum coil 32 , return coil 40 , additional septum coil 36 and additional return coil 44 .

セプタムコイル32は、上下方向に配列された複数のセプタム導体34を備えている。各セプタム導体34は、図2の描画面に向かう方向に進むに従ってビーム取り出し側に反れるビーム取り出し軌道に沿って延びている。リターンコイル40は、セプタムコイル32との間にビーム取り出し軌道を挟む位置に配置されている。リターンコイル40は、上下方向に配列された複数のリターン導体42を備えている。各リターン導体42はビーム取り出し軌道に沿って延びている。 The septum coil 32 has a plurality of septum conductors 34 arranged vertically. Each septum conductor 34 extends along a beam extracting track that deflects toward the beam extracting side as it progresses toward the drawing surface in FIG. The return coil 40 and the septum coil 32 are arranged at positions sandwiching the beam extraction trajectory. The return coil 40 has a plurality of return conductors 42 arranged vertically. Each return conductor 42 extends along the beam extraction trajectory.

以下に示される例では、セプタムコイル32およびリターンコイル40は、それぞれ、N本のセプタム導体34およびN本のリターン導体42によって構成されている。また、各セプタム導体34および各リターン導体42の手前側の一端は入射側端と称され、奥側の一端は出射側端と称される。N本のセプタム導体34およびN本のリターン導体42は、例えば、次のような構造を有してよい。 In the example shown below, the septum coil 32 and return coil 40 are made up of N septum conductors 34 and N return conductors 42, respectively. One end on the near side of each septum conductor 34 and each return conductor 42 is called an incident side end, and one end on the far side is called an outgoing side end. The N septum conductors 34 and the N return conductors 42 may have, for example, the following structure.

最も下側のセプタム導体34の出射側端は電流が流入する一端となる。最も下側のセプタム導体34の入射側端は、最も下側のリターン導体42の入射側端に接続されている。最も下側のリターン導体42の出射側端は、下から2番目のセプタム導体34の出射側端に接続されている。下から2番目のセプタム導体34の入射側端は、下から2番目のリターン導体42の入射側端に接続されている。・・・・・・下からN-1番目のリターン導体42の出射側端は、下からN番目(最も上側)のセプタム導体34の出射側端に接続されている。最も上側のセプタム導体34の入射側端は、最も上側のリターン導体42の入射側端に接続されている。最も上側のリターン導体42の出射側端は、電流が流出する一端となる。 The outgoing end of the lowermost septum conductor 34 is one end into which current flows. The incident end of the lowermost septum conductor 34 is connected to the incident end of the lowermost return conductor 42 . The outgoing end of the lowermost return conductor 42 is connected to the outgoing end of the second septum conductor 34 from the bottom. The incident side end of the septum conductor 34 second from the bottom is connected to the incident side end of the return conductor 42 second from the bottom. . . . The output side end of the N-1th return conductor 42 from the bottom is connected to the output side end of the Nth (uppermost) septum conductor 34 from the bottom. The incident side end of the uppermost septum conductor 34 is connected to the incident side end of the uppermost return conductor 42 . The outgoing end of the uppermost return conductor 42 is one end from which current flows.

このように、下からi番目のセプタム導体34の入射側端は下からi番目のリターン導体42の入射側端に接続され、下からi番目のリターン導体42の出射側端は、下からi+1番目のセプタム導体34の出射側端に接続されている。ただし、iは1~N-1のうちのいずれかの整数である。 Thus, the input end of the i-th septum conductor 34 from the bottom is connected to the input end of the i-th return conductor 42 from the bottom, and the output end of the i-th return conductor 42 from the bottom is connected to i+1 from the bottom. It is connected to the outgoing end of the second septum conductor 34 . However, i is any integer from 1 to N−1.

このような構成によれば、最も下側のセプタム導体34の出射側端に流入した電流は、最も下側のセプタム導体34、最も下側のリターン導体42、下から2番目のセプタム導体34、下から2番目のリターン導体42、下から3番目のセプタム導体34・・・・・・の順に各導体を流れ、最も上側のリターン導体42の出射側端から流出する。各セプタム導体34には出射側端から入射側端に向かう電流が流れ、各リターン導体42には入射側端から出射側端に向かう電流が流れる。 According to such a configuration, the current flowing into the output end of the lowermost septum conductor 34 is transferred to the lowermost septum conductor 34, the lowermost return conductor 42, the second septum conductor 34 from the bottom, The second return conductor 42 from the bottom, the third septum conductor 34 from the bottom, . A current flows through each septum conductor 34 from the exit-side end to the incident-side end, and a current flows through each return conductor 42 from the incident-side end toward the exit-side end.

なお、複数のセプタム導体34と、複数のリターン導体42とが接続される構造は、上記の構造に限られない。複数のセプタム導体34と複数のリターン導体42は、各セプタム導体34に出射側端から入射側端に向かう電流が流れ、各リターン導体42に入射側端から出射側端に向かう電流が流れるように接続される。例えば、上からi番目のセプタム導体34の入射側端が上からi番目のリターン導体42の入射側端に接続され、上からi番目のリターン導体42の出射側端が上からi+1番目のセプタム導体34に出射側端に接続されてもよい。 The structure in which the plurality of septum conductors 34 and the plurality of return conductors 42 are connected is not limited to the structure described above. The plurality of septum conductors 34 and the plurality of return conductors 42 are arranged so that a current flows through each septum conductor 34 from the output side end to the incident side end, and a current flows through each return conductor 42 from the incident side end toward the output side end. Connected. For example, the incident side end of the i-th septum conductor 34 from the top is connected to the incident side end of the i-th return conductor 42 from the top, and the output side end of the i-th return conductor 42 from the top is connected to the (i+1)th septum from the top. It may be connected to the conductor 34 at the outgoing end.

追加セプタムコイル36は、セプタムコイル32よりもビーム取り出し側に配置され、複数の追加セプタム導体38を備えている。複数の追加セプタム導体38は、周回軌道側に膨らむ弧を描くように、上下方向に配列されている。 The additional septum coil 36 is arranged closer to the beam extraction side than the septum coil 32 and has a plurality of additional septum conductors 38 . A plurality of additional septum conductors 38 are arranged in the vertical direction so as to draw an arc that bulges toward the loop track.

追加リターンコイル44は、リターンコイル40よりも周回軌道側に配置され、複数の追加リターン導体46を備えている。複数の追加リターン導体46は、ビーム取り出し側に膨らむ弧を描くように、上下方向に配列されている。すなわち、複数の追加セプタム導体38および複数の追加リターン導体46は、取り出しビーム軌道を筒状に囲んでいる。複数の追加セプタム導体38と、複数の追加リターン導体46のそれぞれは、ビーム取り出し軌道に垂直な断面で円弧状に配置されてよい。 The additional return coil 44 is arranged closer to the orbit than the return coil 40 and has a plurality of additional return conductors 46 . A plurality of additional return conductors 46 are arranged in the vertical direction so as to draw an arc expanding toward the beam extraction side. That is, the plurality of additional septum conductors 38 and the plurality of additional return conductors 46 cylindrically surround the extraction beam trajectory. Each of the plurality of additional septum conductors 38 and the plurality of additional return conductors 46 may be arranged in an arc with a cross section perpendicular to the beam extraction trajectory.

以下に示される例では、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44は、それぞれ、M本の追加セプタム導体38およびM本の追加リターン導体46によって構成されている。M本の追加セプタム導体38およびM本の追加リターン導体46は、例えば、次のような構造を有してよい。 In the example shown below, the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 are configured by M additional septum conductors 38 and M additional return conductors 46, respectively. The M additional septum conductors 38 and the M additional return conductors 46 may have, for example, the following structure.

最も下側の追加セプタム導体38の出射側端は電流が流入する一端となる。セプタムコイル32と同様、下からj番目の追加セプタム導体38の入射側端は下からj番目の追加リターン導体46の入射側端に接続され、下からj番目の追加リターン導体46の出射側端は下からj+1番目の追加セプタム導体38の出射側端に接続される。最も上側の追加リターン導体46の出射側端は電流が流出する一端となる。ただし、jは1~M-1のうちのいずれかの整数である。 The outgoing end of the lowermost additional septum conductor 38 becomes one end into which current flows. Similar to the septum coil 32, the incident side end of the j-th additional septum conductor 38 from the bottom is connected to the incident side end of the j-th additional return conductor 46 from the bottom, and the output side end of the j-th additional return conductor 46 from the bottom is connected. is connected to the outgoing end of the j+1-th additional septum conductor 38 from the bottom. The outgoing end of the additional return conductor 46 on the uppermost side is one end from which the current flows. However, j is any integer from 1 to M−1.

このような構成によれば、最も下側の追加セプタム導体38の出射側端に流入した電流は、最も下側の追加セプタム導体38、最も下側の追加リターン導体46、下から2番目の追加セプタム導体38、下から2番目の追加リターン導体46、下から3番目の追加セプタム導体38・・・・・・の順に各導体を流れ、最も上側の追加リターン導体46の出射側端から流出する。各追加セプタム導体38には出射側端から入射側端に向かう電流が流れ、各追加リターン導体46には入射側端から出射側端に向かう電流が流れる。 According to such a configuration, the current flowing into the output end of the lowermost additional septum conductor 38 is transferred to the lowermost additional septum conductor 38, the lowermost additional return conductor 46, the second lowest additional septum conductor It flows through each conductor in the order of the septum conductor 38, the second additional return conductor 46 from the bottom, the third additional septum conductor 38 from the bottom, and flows out from the outgoing end of the uppermost additional return conductor 46. . A current flows through each additional septum conductor 38 from the output-side end to the incident-side end, and a current flows through each additional return conductor 46 from the incident-side end toward the output-side end.

なお、複数の追加セプタム導体38と、複数の追加リターン導体46とが接続される構造は、上記の構造に限られない。複数の追加セプタム導体38と複数の追加リターン導体46は、各追加セプタム導体38に出射側端から入射側端に向かう電流が流れ、各追加リターン導体46に入射側端から出射側端に向かう電流が流れるように接続される。例えば、上からj番目の追加セプタム導体38の入射側端は上からj番目の追加リターン導体46の入射側端に接続され、上からj番目の追加リターン導体46の出射側端は上からj+1番目の追加セプタム導体38の出射側端に接続されてもよい。 The structure in which the plurality of additional septum conductors 38 and the plurality of additional return conductors 46 are connected is not limited to the structure described above. In the plurality of additional septum conductors 38 and the plurality of additional return conductors 46, a current flows from the output side end to the incident side end in each additional septum conductor 38, and the current flows in each additional return conductor 46 from the incident side end to the output side end. are fluidly connected. For example, the incident side end of the j-th additional septum conductor 38 from the top is connected to the incident side end of the j-th additional return conductor 46 from the top, and the output side end of the j-th additional return conductor 46 from the top is j+1 from the top. th additional septum conductor 38 may be connected to the outgoing end.

複数の追加セプタム導体38および複数の追加リターン導体46に囲まれるセプタム磁場領域6には、イオンビームをビーム取り出し側へ偏向させるためのセプタム磁場が生じる。 A septum magnetic field for deflecting the ion beam to the beam extraction side is generated in the septum magnetic field region 6 surrounded by the plurality of additional septum conductors 38 and the plurality of additional return conductors 46 .

図3には、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44がセプタム電磁石30から抜き出して描かれている。図3では、セプタム磁場領域6内に定められた基準点Oから見た仰俯角θおよびφが定義されている。基準点Oはセプタム磁場領域6の重心であってよい。仰俯角θはx軸正方向に対して反時計回りを正とした仰俯角であり、仰俯角φはx軸負方向に対して時計回りを正とした仰俯角である。 In FIG. 3, the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 are drawn as extracted from the septum electromagnet 30 . In FIG. 3, elevation/depression angles θ and φ viewed from a reference point O defined within the septum magnetic field region 6 are defined. The reference point O may be the centroid of the septum magnetic field region 6 . The elevation/depression angle θ is an elevation/depression angle in which the counterclockwise rotation is positive with respect to the x-axis positive direction, and the elevation/depression angle φ is an elevation/depression angle in which the clockwise rotation is positive with respect to the x-axis negative direction.

複数の追加リターン導体46は、Qを定数として、電流の空間分布がQ・cosθに一致または近似するように配置されている。すなわち、複数の追加リターン導体46はコサイン巻のコイルを形成する。複数の追加リターン導体46は、ビーム取り出し側が密になり、上側および下側が疎になるように配置されている。 A plurality of additional return conductors 46 are arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates Q·cos θ, where Q is a constant. That is, the plurality of additional return conductors 46 form a cosine wound coil. The plurality of additional return conductors 46 are arranged densely on the beam extraction side and sparsely on the upper and lower sides.

複数の追加セプタム導体38は、電流の空間分布がQ・cosφに一致または近似するように配置されている。すなわち、複数の追加セプタム導体38はコサイン巻のコイルを形成する。ただし、本実施形態では、複数の追加セプタム導体38のうち、周回軌道寄りの追加セプタム導体38が、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている。図3には、周回軌道寄りの追加セプタム導体38が、仮に、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されない場合のこれらの導体が二点鎖線によって示されている。 A plurality of additional septum conductors 38 are arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates Q·cos φ. That is, the plurality of additional septum conductors 38 form a coil of cosine turns. However, in the present embodiment, among the plurality of additional septum conductors 38 , the additional septum conductor 38 closer to the loop track is arranged closer to the loop track than the septum coil 32 . In FIG. 3, additional septum conductors 38 closer to the orbit are indicated by two-dot chain lines if these conductors were not arranged closer to the orbit than the septum coil 32 .

図3に示されている例では、2つの追加セプタム導体38が、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている。さらに、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された2本の追加セプタム導体38は軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられている。ここで、軌道面48は、イオンビームが周回軌道を描く仮想上の平面である。 In the example shown in FIG. 3 , two additional septum conductors 38 are positioned closer to the orbit than the septum coil 32 . Furthermore, the two additional septum conductors 38 arranged closer to the loop track than the septum coil 32 are arranged above and below the track surface 48 to avoid the track surface 48 . Here, the orbital plane 48 is a virtual plane on which the ion beam draws a circular orbit.

このように、複数の追加セプタム導体38は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されているものを除いて見た場合に、周回軌道側が密になり、上側および下側が疎になるように配置されている。複数の追加セプタム導体38は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されているものを併せて見た場合にも、周回軌道側が密になり、上側および下側が疎になるように配置されてもよい。 In this way, the plurality of additional septum conductors 38 are densely arranged on the circuit track side and sparse on the upper and lower sides when viewed excluding those arranged on the circuit track side of the septum coil 32 . are placed. The plurality of additional septum conductors 38 are arranged densely on the circuit track side and sparsely on the upper and lower sides, even when those arranged closer to the circuit track side than the septum coil 32 are viewed together. good too.

図4には、セプタム導体34、追加セプタム導体38、リターン導体42および追加リターン導体46の断面構造の例が示されている。これらのコイル導体は、冷媒配管26、導体22および絶縁体24を備えている。冷媒配管26は筒状に形成されている。導体22は筒状に形成されており冷媒配管26の周囲を覆っている。導体22の周囲は絶縁体24によって被覆されている。冷媒配管26には水等の冷媒28が流通し、冷媒28が導体22から熱を奪う。これによって導体22が冷却される。 FIG. 4 shows examples of cross-sectional structures of the septum conductor 34, the additional septum conductor 38, the return conductor 42, and the additional return conductor 46. FIG. These coil conductors comprise coolant lines 26 , conductors 22 and insulators 24 . The refrigerant pipe 26 is formed in a tubular shape. The conductor 22 is cylindrical and covers the refrigerant pipe 26 . The periphery of the conductor 22 is covered with an insulator 24 . A coolant 28 such as water flows through the coolant pipe 26 , and the coolant 28 takes heat from the conductor 22 . The conductor 22 is thereby cooled.

図2に戻ってセプタム電磁石30の動作が説明される。図2には、周回軌道上のイオンビーム1と、ビーム取り出し軌道上のイオンビーム2が示されている。セプタムコイル32、追加セプタムコイル36、リターンコイル40および追加リターンコイル44に電流が流れることで、セプタム磁場領域6には上方向のセプタム磁場が発生する。周回軌道を周回し所定のエネルギーを有するに至ったイオンは、イオンビーム取り出し用の電磁石(図示せず)が発生する磁場に従ってベータトロン振動し、セプタム電磁石30に入射する。セプタム電磁石30に入射したイオンは、セプタム磁場によって周回軌道の外側に偏向し、イオン取り出し軌道に沿って進行してセプタム電磁石30から外側に取り出される。 Returning to FIG. 2, the operation of the septum electromagnet 30 will be described. FIG. 2 shows an ion beam 1 on a circular orbit and an ion beam 2 on a beam extraction orbit. Currents flow through the septum coil 32 , the additional septum coil 36 , the return coil 40 and the additional return coil 44 , thereby generating an upward septum magnetic field in the septum magnetic field region 6 . The ions that have orbited the orbit and have a predetermined energy undergo betatron oscillation according to the magnetic field generated by an electromagnet (not shown) for ion beam extraction, and enter the septum electromagnet 30 . Ions incident on the septum electromagnet 30 are deflected to the outside of the circular orbit by the septum magnetic field, travel along the ion extraction orbit, and are extracted from the septum electromagnet 30 to the outside.

本実施形態に係るセプタム電磁石30では、セプタムコイル32およびリターンコイル40に加えて、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44が設けられている。追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44は、セプタムコイル32およびリターンコイル40に比べて、x軸方向分布がより一様な磁場を発生する。すなわち、x軸方向に沿って見たときに、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44が発生する磁場は、セプタムコイル32およびリターンコイル40が発生する磁場に比べて実効的な磁束密度が大きい。これによって、セプタムコイル32およびリターンコイル40のみが用いられる場合に比べて、一定距離当たりのイオンビームの偏向角が大きくなり、セプタム電磁石30が短くなる。 The septum electromagnet 30 according to this embodiment is provided with an additional septum coil 36 and an additional return coil 44 in addition to the septum coil 32 and the return coil 40 . Additional septum coil 36 and additional return coil 44 generate a magnetic field with a more uniform x-axis distribution than septum coil 32 and return coil 40 . That is, when viewed along the x-axis direction, the magnetic field generated by the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 has a higher effective magnetic flux density than the magnetic field generated by the septum coil 32 and the return coil 40 . This increases the deflection angle of the ion beam per fixed distance and shortens the septum electromagnet 30 compared to when only the septum coil 32 and return coil 40 are used.

また、本実施形態に係るセプタム電磁石30では、セプタムコイル32およびリターンコイル40と、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44とが併用されている。セプタムコイル32およびリターンコイル40は、コサイン巻の追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44に比べて構造が簡単である。したがって、本実施形態に係るセプタム電磁石30によれば、総てのコイルをコサイン巻のコイルとした場合に比べて構造が単純化される。すなわち、構造が過度に複雑になることを回避しつつ、一定距離当たりのイオンビームの偏向角が大きくなる。 Further, in the septum electromagnet 30 according to this embodiment, the septum coil 32 and the return coil 40 are used together with the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 . The septum coil 32 and return coil 40 are simpler in construction than the cosine-wound additional septum coil 36 and additional return coil 44 . Therefore, according to the septum electromagnet 30 according to the present embodiment, the structure is simplified as compared with the case where all the coils are cosine-wound coils. That is, the deflection angle of the ion beam per fixed distance is increased while avoiding excessively complicated structure.

さらに、本実施形態に係るセプタム電磁石30では、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された2本の追加セプタム導体38は軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。これによって、追加セプタムコイル36に流れる電流の分布が理想的な分布に一致または近似した状態で、周回軌道の径方向への追加セプタムコイル36の厚みが薄くなり得る。したがって、周回軌道を外れてセプタム電磁石30に入射する前のイオンが、追加セプタムコイル36に衝突する可能性が低くなる。また、軌道面48上に追加セプタム導体38が設けられた場合に比べて、一定時間当たりに加速器100から取り出せるイオンビームの数が増加する。 Furthermore, in the septum electromagnet 30 according to the present embodiment, the two additional septum conductors 38 arranged closer to the orbital side than the septum coil 32 are arranged above and below the raceway surface 48 so as to avoid the raceway surface 48. are placed. As a result, the thickness of the additional septum coil 36 in the radial direction of the loop track can be reduced while the distribution of the current flowing through the additional septum coil 36 matches or approximates the ideal distribution. Therefore, the possibility of ions deviating from the orbit and impinging on the septum electromagnet 30 from colliding with the additional septum coil 36 is reduced. In addition, the number of ion beams that can be extracted from the accelerator 100 per fixed time increases compared to the case where the additional septum conductor 38 is provided on the orbital surface 48 .

ここでは、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された追加セプタム導体38が、軌道面48を避けて配置される実施形態が示された。周回軌道上のイオンビーム1と、取り出し軌道上のイオンビーム2との間の距離が大きい場合には、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された追加セプタム導体38は、軌道面48を避けずに配置されてもよい。 Here, an embodiment is shown in which the additional septum conductor 38 arranged closer to the orbital track side than the septum coil 32 is arranged to avoid the track surface 48 . If the distance between the ion beam 1 on the circular orbit and the ion beam 2 on the extraction orbit is large, the additional septum conductor 38 arranged closer to the circular orbit than the septum coil 32 avoids the orbital surface 48 . may be placed without

図5には、本発明の第2実施形態に係るセプタム電磁石60の断面が示されている。セプタム電磁石60は、セプタムコイル32、リターンコイル40、追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54を備えている。 FIG. 5 shows a cross section of a septum electromagnet 60 according to a second embodiment of the invention. Septum electromagnet 60 includes septum coil 32 , return coil 40 , additional septum coil 50 and additional return coil 54 .

追加セプタムコイル50は、複数の追加セプタム導体52を備えている。複数の追加セプタム導体52のうち周回軌道寄りの一部は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている。追加セプタム導体52は、周回軌道側に膨らむ弧を描くように、上下方向に配列されている。追加リターンコイル54は、複数の追加リターン導体56を備えている。複数の追加リターン導体56は、リターンコイル40よりも周回軌道側に配置されている。追加リターン導体56は、ビーム取り出し側に膨らむ弧を描くように、上下方向に配列されている。複数の追加セプタム導体52および複数の追加リターン導体56は、取り出しビーム軌道を筒状に囲んでいる。複数の追加セプタム導体52と、複数の追加リターン導体56のそれぞれは、ビーム取り出し軌道に垂直な断面で円弧状に配置されてよい。 Additional septum coil 50 includes a plurality of additional septum conductors 52 . Some of the additional septum conductors 52 closer to the loop track are arranged closer to the loop track than the septum coil 32 . The additional septum conductors 52 are arranged in the vertical direction so as to draw an arc that bulges toward the loop track. Additional return coil 54 includes a plurality of additional return conductors 56 . A plurality of additional return conductors 56 are arranged closer to the loop track than the return coil 40 . The additional return conductors 56 are arranged vertically so as to draw an arc that expands toward the beam extraction side. A plurality of additional septum conductors 52 and a plurality of additional return conductors 56 cylindrically surround the extraction beam trajectory. Each of the plurality of additional septum conductors 52 and the plurality of additional return conductors 56 may be arranged in an arc with a cross section perpendicular to the beam extraction trajectory.

複数の追加セプタム導体52および複数の追加リターン導体56は、次の4つの導体グループに分けられる。第1の導体グループは、仰俯角φが-45°以上45°未満である追加セプタム導体52による左側導体グループである。第2の導体グループは、仰俯角φが45°以上90°未満である追加セプタム導体52と、仰俯角θが45°以上90°未満である追加リターン導体56による上側導体グループである。第3の導体グループは、仰俯角θが-45°以上45°未満である追加リターン導体56による右側導体グループである。第4の導体グループは、仰俯角φが-90°以上-45°未満である追加セプタム導体52と、仰俯角θが-90°以上-45°未満である追加リターン導体56による下側導体グループである。 The plurality of additional septum conductors 52 and the plurality of additional return conductors 56 are divided into the following four conductor groups. The first conductor group is the left conductor group by the additional septum conductor 52 whose elevation angle φ is -45° or more and less than 45°. The second conductor group is an upper conductor group consisting of an additional septum conductor 52 with an elevation/depression angle φ of 45° or more and less than 90° and an additional return conductor 56 with an elevation/depression angle θ of 45° or more and less than 90°. The third conductor group is a right conductor group with additional return conductors 56 having an elevation angle θ of −45° or more and less than 45°. The fourth conductor group is a lower conductor group consisting of an additional septum conductor 52 whose elevation/depression angle φ is −90° or more and less than −45°, and an additional return conductor 56 whose elevation/depression angle θ is −90° or more and less than −45°. is.

左側導体グループに流れる電流の方向と、右側導体グループに流れる電流の方向は同一方向である。また、上側導体グループに流れる電流の方向と、下側導体グループに流れる電流の方向は同一方向である。そして、左側導体グループおよび右側導体グループに流れる電流の方向と、上側導体グループおよび下側導体グループに流れる電流の方向は逆方向である。 The direction of current flowing through the left conductor group and the direction of current flowing through the right conductor group are the same. Also, the direction of current flowing through the upper conductor group and the direction of current flowing through the lower conductor group are the same. The direction of the current flowing through the left conductor group and the right conductor group is opposite to the direction of the current flowing through the upper conductor group and the lower conductor group.

複数の追加セプタム導体52のそれぞれと、複数の追加リターン導体56のそれぞれは、各導体に流れる電流の方向につき上記の関係が得られるように接続されている。また、複数の追加セプタム導体52のそれぞれの入射側端および出射側端のうちいずれかが、電流が流入または流出する一端であってよい。そして、複数の追加リターン導体56のそれぞれの入射側端および出射側端のうちいずれかが、電流が流出または流入する一端であってよい。 Each of the plurality of additional septum conductors 52 and each of the plurality of additional return conductors 56 are connected so as to obtain the above relationship for the direction of current flowing through each conductor. Also, either the incident side end or the exit side end of each of the plurality of additional septum conductors 52 may be one end into or out of which the current flows. Either the incident side end or the outgoing side end of each of the plurality of additional return conductors 56 may be one end from which current flows out or in. FIG.

図6には、追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54がセプタム電磁石60から抜き出して描かれている。複数の追加リターン導体56は、電流の空間分布がP・cos2θに一致または近似するように配置されている。ここでPは定数であってもよいし、時間に関する変数であってもよい。すなわち、複数の追加リターン導体56は2倍角コサイン巻のコイルを形成する。複数の追加リターン導体56は、ビーム取り出し側が密になり、ビーム取り出し側斜め上およびビーム取り出し側斜め下が疎になるように配置されている。 In FIG. 6 , the additional septum coil 50 and the additional return coil 54 are drawn out from the septum electromagnet 60 . A plurality of additional return conductors 56 are arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates P·cos2θ. Here, P may be a constant or a variable related to time. That is, the plurality of additional return conductors 56 form a coil of double angle cosine turns. The plurality of additional return conductors 56 are arranged densely on the beam extraction side and sparsely on the beam extraction side and diagonally below the beam extraction side.

複数の追加セプタム導体52は、電流の空間分布がP・cos2φに一致または近似するように配置されている。すなわち、複数の追加セプタム導体52は2倍角コサイン巻のコイルを形成する。ただし、本実施形態では、複数の追加セプタム導体52のうち、周回軌道寄りの追加セプタム導体52が、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている。図6に示されている例では、2つの追加セプタム導体52が、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている。さらに、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された2本の追加セプタム導体52は軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。 A plurality of additional septum conductors 52 are arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates P·cos2φ. That is, the plurality of additional septum conductors 52 form a coil of double cosine turns. However, in the present embodiment, among the plurality of additional septum conductors 52 , the additional septum conductor 52 closer to the loop track is arranged closer to the loop track than the septum coil 32 . In the example shown in FIG. 6, two additional septum conductors 52 are positioned closer to the orbit than the septum coil 32 . Furthermore, the two additional septum conductors 52 arranged closer to the orbital track than the septum coil 32 are arranged above and below the track surface 48 and are arranged at positions avoiding the track surface 48 .

このように、複数の追加セプタム導体52は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されているものを除いて見た場合に、周回軌道側が密になり、周回軌道側斜め上および周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている。複数の追加セプタム導体52は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されているものを併せて見た場合にも、周回軌道側が密になり、周回軌道側斜め上および周回軌道側斜め下が疎になるように配置されてもよい。 In this way, when the plurality of additional septum conductors 52 are viewed from the septum coil 32 excluding those arranged on the loop track side, the loop track side becomes denser, and the plurality of additional septum conductors 52 are arranged diagonally above the loop track side and on the loop track side. They are arranged so that the diagonally lower part becomes sparse. Even when the plurality of additional septum conductors 52 arranged closer to the loop track side than the septum coil 32 are viewed together, the loop track side becomes denser, and the loop track side obliquely above and the loop track side diagonally below becomes denser. They may be arranged so as to be sparse.

図5に戻ってセプタム電磁石60の動作が説明される。セプタムコイル32およびリターンコイル40に電流が流れることで、セプタム磁場領域6には上方向のセプタム磁場が発生する。周回軌道を周回し所定のエネルギーを有するに至ったイオンは、イオンビーム取り出し用の電磁石が発生する磁場に従ってベータトロン振動し、セプタム電磁石60に入射する。セプタム電磁石60に入射したイオンは、セプタム磁場によって周回軌道の外側に偏向し、イオン取り出し軌道に沿って進行してセプタム電磁石60から外側に取り出される。 Returning to FIG. 5, the operation of septum electromagnet 60 will be described. An upward septum magnetic field is generated in the septum magnetic field region 6 by the current flowing through the septum coil 32 and the return coil 40 . The ions that have traveled around the orbit and have a predetermined energy undergo betatron oscillation in accordance with the magnetic field generated by the electromagnet for extracting the ion beam, and enter the septum electromagnet 60 . Ions incident on the septum electromagnet 60 are deflected to the outside of the circular orbit by the septum magnetic field, travel along the ion extraction orbit, and are extracted from the septum electromagnet 60 to the outside.

本実施形態に係るセプタム電磁石60では、セプタムコイル32およびリターンコイル40に加えて、追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54が設けられている。追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54は、四極電磁石と同様、イオンビームの広がりを調整する磁場を発生する。本実施形態では、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54が設けられているため、加速器から取り出されたイオンビームに対して用いられる四極電磁石の数が削減され得る。 The septum electromagnet 60 according to this embodiment is provided with an additional septum coil 50 and an additional return coil 54 in addition to the septum coil 32 and the return coil 40 . An additional septum coil 50 and an additional return coil 54 generate a magnetic field that adjusts the spread of the ion beam, similar to a quadrupole electromagnet. In this embodiment, the additional septum coil 50 and the additional return coil 54 of double angle cosine winding are provided so that the number of quadrupole magnets used for the ion beam extracted from the accelerator can be reduced.

また、本実施形態に係るセプタム電磁石60では、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された2本の追加セプタム導体52は軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。これによって、追加セプタムコイル50に流れる電流の分布が理想的な分布に一致または近似した状態で、周回軌道の径方向への追加セプタムコイル50の厚みが薄くなり得る。したがって、周回軌道を外れてセプタム電磁石60に入射する前のイオンが、追加セプタムコイル50に衝突する可能性が低くなる。また、軌道面48上に追加セプタム導体52が設けられた場合に比べて、一定時間当たりに加速器から取り出せるイオンビームの数が増加する。 In addition, in the septum electromagnet 60 according to the present embodiment, the two additional septum conductors 52 arranged closer to the orbital side than the septum coil 32 are arranged above and below the raceway surface 48 so as to avoid the raceway surface 48. are placed. As a result, the thickness of the additional septum coil 50 in the radial direction of the loop track can be reduced while the distribution of the current flowing through the additional septum coil 50 matches or approximates the ideal distribution. Therefore, the possibility of ions deviating from the orbit and impinging on the septum electromagnet 60 from colliding with the additional septum coil 50 is reduced. In addition, the number of ion beams that can be extracted from the accelerator per fixed time increases compared to the case where the additional septum conductor 52 is provided on the track surface 48 .

ここでは、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された追加セプタム導体52が、軌道面48を避けて配置された実施形態が示された。周回軌道上のイオンビーム1と、取り出し軌道上のイオンビーム2との間の距離が大きい場合には、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置された追加セプタム導体52は、軌道面48を避けずに配置されてもよい。 Here, an embodiment is shown in which the additional septum conductor 52 arranged closer to the loop track than the septum coil 32 is arranged to avoid the track surface 48 . When the distance between the ion beam 1 on the circular orbit and the ion beam 2 on the extraction orbit is large, the additional septum conductor 52 arranged closer to the circular orbit than the septum coil 32 avoids the orbital surface 48 . may be placed without

図7に示されているように、第1実施形態に係るセプタム電磁石30と、第2実施形態に係るセプタム電磁石60とが縦続配置されたセプタム電磁石200が構成されてもよい。すなわち、セプタム電磁石30から出射するイオンビームがセプタム電磁石60に入射するように、セプタム電磁石30および60が配置されてよい。 As shown in FIG. 7, a septum electromagnet 200 may be constructed by cascading the septum electromagnet 30 according to the first embodiment and the septum electromagnet 60 according to the second embodiment. That is, septum electromagnets 30 and 60 may be arranged such that the ion beam emitted from septum electromagnet 30 is incident on septum electromagnet 60 .

この場合、セプタムコイル32およびリターンコイル40は、セプタム電磁石30およびセプタム電磁石60に対して共通に設けられてもよい。すなわち、セプタムコイル32およびリターンコイル40は、セプタム電磁石30からセプタム電磁石60にまで及ぶように配置されてもよい。また、セプタム電磁石30およびセプタム電磁石60のそれぞれに対して個別に、セプタムコイル32およびリターンコイル40が設けられてもよい。 In this case, the septum coil 32 and the return coil 40 may be provided in common for the septum electromagnet 30 and the septum electromagnet 60 . That is, septum coil 32 and return coil 40 may be arranged to extend from septum electromagnet 30 to septum electromagnet 60 . Also, the septum coil 32 and the return coil 40 may be provided individually for the septum electromagnet 30 and the septum electromagnet 60, respectively.

図7に示されているセプタム電磁石30における複数の追加セプタム導体38は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている追加セプタム導体38を除いて見た場合に、周回軌道側が密になるように配置されている第1導体群を形成する。また、セプタム電磁石60における複数の追加セプタム導体52は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている追加セプタム導体52を除いて見た場合に、周回軌道側が密になるように配置され、かつ、周回軌道側斜め上および周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている第2導体群を形成する。これら第1導体群および第2導体群は、ビーム取り出し軌道に沿って縦続配置されている。 The plurality of additional septum conductors 38 in the septum electromagnet 30 shown in FIG. 7 are denser on the loop track side when the additional septum conductors 38 arranged closer to the loop track than the septum coil 32 are viewed. forming a first group of conductors arranged in a manner such that: Further, the plurality of additional septum conductors 52 in the septum electromagnet 60 are arranged so as to be dense on the orbital track side when viewed excluding the additional septum conductors 52 arranged closer to the orbital side than the septum coil 32, In addition, the second conductor group is formed so as to be sparsely arranged on the oblique upper side of the circular track side and obliquely on the lower side of the circular track side. These first conductor group and second conductor group are cascaded along the beam extraction track.

図8には、本発明の第3実施形態に係るセプタム電磁石62が示されている。セプタム電磁石62は、セプタムコイル32およびリターンコイル40に、コサイン巻の追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44と、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54を並設したものである。 FIG. 8 shows a septum electromagnet 62 according to a third embodiment of the invention. The septum electromagnet 62 comprises the septum coil 32 and the return coil 40, and the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 of cosine winding, and the additional septum coil 50 and the additional return coil 54 of the double-angle cosine winding arranged in parallel.

セプタムコイル32よりもビーム取り出し側には、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50が隣接して配置されている。ただし、追加セプタムコイル50を構成する追加セプタム導体52のうち、周回軌道寄りの一部は、セプタムコイル32の周回軌道側の配置されている。2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50よりもビーム取り出し側には、コサイン巻の追加セプタムコイル36が隣接して配置されている。図8では、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50が、セプタムコイル32を描く実線よりも太い実線で描かれている。また、コサイン巻の追加セプタムコイル36が破線で描かれている。 An additional septum coil 50 with a double angle cosine winding is arranged adjacent to the septum coil 32 on the beam extraction side. However, of the additional septum conductors 52 that constitute the additional septum coil 50 , a portion closer to the loop track is arranged on the loop track side of the septum coil 32 . An additional septum coil 36 with cosine winding is arranged adjacent to the additional septum coil 50 with double angle cosine winding on the beam extracting side. In FIG. 8 , the double cosine winding additional septum coil 50 is depicted with a solid line that is thicker than the solid line that depicts the septum coil 32 . An additional septum coil 36 of cosine winding is also drawn with a dashed line.

コサイン巻の追加セプタムコイル36を構成する複数の追加セプタム導体38のうち、周回軌道側の2つの追加セプタム導体38は、セプタムコイル32よりも周回軌道側において軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。さらに、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50を構成する複数の追加セプタム導体52のうち、周回軌道側の2つの追加セプタム導体52は、セプタムコイル32よりも周回軌道側において軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。セプタムコイル32よりも周回軌道側では、追加セプタムコイル50に属する2本の追加セプタム導体52は、追加セプタムコイル36に属する2本の追加セプタム導体38の上下に位置している。 Of the plurality of additional septum conductors 38 constituting the cosine-wound additional septum coil 36 , the two additional septum conductors 38 on the loop track side are arranged above and below the track surface 48 on the loop track side of the septum coil 32 . A face 48 is located at the averted position. Furthermore, among the plurality of additional septum conductors 52 that constitute the double angle cosine winding additional septum coil 50 , the two additional septum conductors 52 on the loop track side are arranged above and below the track surface 48 on the loop track side of the septum coil 32 . , and the raceway surface 48 is located at a position avoided. Two additional septum conductors 52 belonging to the additional septum coil 50 are positioned above and below the two additional septum conductors 38 belonging to the additional septum coil 36 on the orbit side of the septum coil 32 .

リターンコイル40よりも周回軌道側には、2倍角コサイン巻の追加リターンコイル54が隣接して配置され、2倍角コサイン巻の追加リターンコイル54よりも周回軌道側には、コサイン巻の追加リターンコイル44が隣接して配置されている。図6では、2倍角コサイン巻の追加リターンコイル54が、リターンコイル40を描く実線よりも太い実線で描かれている。また、コサイン巻の追加リターンコイル44が破線で描かれている。 An additional return coil 54 with double-angle cosine winding is arranged adjacent to the return coil 40 on the orbit side, and an additional return coil with cosine winding is arranged on the orbit side of the additional return coil 54 with double-angle cosine winding. 44 are arranged adjacently. In FIG. 6 , the double angle cosine winding additional return coil 54 is depicted with a thicker solid line than the solid line that depicts the return coil 40 . An additional return coil 44 with a cosine winding is drawn with a dashed line.

このように、本実施形態における複数の追加セプタム導体38は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている追加セプタム導体38を除いて見た場合に、周回軌道側が密になるように配置されている第1導体群を形成する。また、複数の追加セプタム導体52は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に配置されている追加セプタム導体52を除いて見た場合に、周回軌道側が密になるように配置され、かつ、周回軌道側斜め上および周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている第2導体群を形成する。これら第1導体群および第2導体群は、ビーム取り出し軌道に沿って並設されている。 In this way, the plurality of additional septum conductors 38 in this embodiment are arranged so as to be dense on the loop track side when viewed excluding the additional septum conductors 38 arranged closer to the loop track than the septum coil 32. form a first group of conductors. Further, the plurality of additional septum conductors 52 are arranged so as to be dense on the loop track side when the additional septum conductors 52 arranged closer to the loop track than the septum coil 32 are viewed. A second conductor group is formed so as to be sparsely arranged on the obliquely upper side and obliquely on the lower side of the loop track. These first conductor group and second conductor group are arranged side by side along the beam extraction track.

このような構成によれば、セプタムコイル32およびリターンコイル40のみが用いられる場合に比べて、一定距離当たりのイオンビームの偏向角が大きくなり、セプタム電磁石62が短くなる。また、総てのコイルをコサイン巻とした場合に比べて構造が単純化される。すなわち、構造が過度に複雑になることを回避しつつ、イオンビームを偏向する効果が高められる。さらに、周回軌道を外れてセプタム電磁石62に入射する前のイオンが、コサイン巻の追加セプタムコイル36および2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50に衝突する可能性が低くなる。これによって、軌道面48上に各追加セプタム導体が設けられた場合に比べて、一定時間当たりに加速器から取り出せるイオンビームの数が増加する。 According to such a configuration, the deflection angle of the ion beam per fixed distance is increased and the septum electromagnet 62 is shortened compared to the case where only the septum coil 32 and the return coil 40 are used. Moreover, the structure is simplified as compared with the case where all the coils are cosine wound. That is, the effect of deflecting the ion beam is enhanced while avoiding excessively complicated structure. In addition, the ions are less likely to collide with the cosine-wound additional septum coil 36 and the double-angle cosine-wound additional septum coil 50 before they deviate from the orbit and enter the septum electromagnet 62 . This increases the number of ion beams that can be extracted from the accelerator per given time period compared to each additional septum conductor on the orbital plane 48 .

ここでは、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54の内側に、コサイン巻の追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44が設けられた実施形態が示された。このような構成の他、2倍角コサイン巻の追加セプタムコイル50および追加リターンコイル54の外側に、コサイン巻の追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44が設けられてもよい。 Here, an embodiment is shown in which the cosine-wound additional septum coil 36 and the additional return coil 44 are provided inside the double-angle cosine-wound additional septum coil 50 and the additional return coil 54 . In addition to such a configuration, the additional cosine winding septum coil 36 and the additional return coil 44 may be provided outside the double angle cosine winding additional septum coil 50 and the additional return coil 54 .

図9には、本発明の第4実施形態に係るセプタム電磁石64が示されている。セプタム電磁石64は、図2に示された第1実施形態に係るセプタム電磁石30に、補正コイル72が追加されたものである。補正コイル72は、ビーム取り出し軌道に沿って延びる一対または複数対の補正コイル導体74によって構成されている。対をなす2本の補正コイル導体74は、セプタムコイル32よりも周回軌道側に軌道面48を挟んで上下に配置されている。図9には、2対の補正コイル導体74が配置された例が示されている。右側の一対の補正コイル導体74は、左側の一対の補正コイル導体74に比べて、上下の配置間隔が広い。 FIG. 9 shows a septum electromagnet 64 according to a fourth embodiment of the invention. A septum electromagnet 64 is obtained by adding a correction coil 72 to the septum electromagnet 30 according to the first embodiment shown in FIG. The correction coil 72 is composed of one or more pairs of correction coil conductors 74 extending along the beam extraction trajectory. The paired two correction coil conductors 74 are arranged above and below the track surface 48 on the circling track side of the septum coil 32 . FIG. 9 shows an example in which two pairs of correction coil conductors 74 are arranged. The pair of correction coil conductors 74 on the right side has a wider vertical arrangement interval than the pair of correction coil conductors 74 on the left side.

対をなす2本の補正コイル導体74には、互いに逆方向の電流が流される。これによって、x軸正方向またはx軸負方向の補正磁場が生じる。セプタムコイル32、リターンコイル40、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44は、セプタム磁場を発生すると共に、周回軌道側に漏れるx軸方向の磁場を発生する。この漏れ磁場によって、加速中のイオンビームの軌道が所望の軌道からずれてしまうことがある。本実施形態によれば、補正コイル72から発せられる補正磁場によって漏れ磁場が抑制され、加速中のイオンビームの軌道が、理想的な軌道に近付けられ、または一致させられる。 Currents in directions opposite to each other flow through the two correction coil conductors 74 forming a pair. This produces a correction magnetic field in the x-axis positive or x-axis negative direction. The septum coil 32, the return coil 40, the additional septum coil 36, and the additional return coil 44 generate a septum magnetic field and a magnetic field in the x-axis direction leaking to the orbit side. Due to this leakage magnetic field, the trajectory of the accelerating ion beam may deviate from the desired trajectory. According to this embodiment, the leakage magnetic field is suppressed by the correction magnetic field emitted from the correction coil 72, and the trajectory of the ion beam during acceleration is brought closer to or coincides with the ideal trajectory.

補正コイル72は、第2実施形態に係るセプタム電磁石60および第3実施形態に係るセプタム電磁石62に追加されてもよい。 The correction coil 72 may be added to the septum electromagnet 60 according to the second embodiment and the septum electromagnet 62 according to the third embodiment.

図10には、第5実施形態に係るセプタム電磁石66が示されている。このセプタム電磁石66は、セプタムコイル32の周回軌道側に、追加セプタムコイル51を構成する複数の追加セプタム導体52を配置し、リターンコイル40のビーム取り出し側に、追加リターンコイル55を構成する複数の追加リターン導体56を配置したものである。セプタムコイル32のビーム取り出し側およびリターンコイル40の周回軌道側は、セプタム磁場領域6に面している。 FIG. 10 shows a septum electromagnet 66 according to the fifth embodiment. The septum electromagnet 66 has a plurality of additional septum conductors 52 forming the additional septum coil 51 on the orbit side of the septum coil 32 , and a plurality of additional septum conductors 52 forming the additional return coil 55 on the beam extraction side of the return coil 40 . An additional return conductor 56 is arranged. The beam extraction side of the septum coil 32 and the loop side of the return coil 40 face the septum magnetic field region 6 .

さらに、x軸の上側の追加セプタム導体52およびx軸の下側の追加セプタム導体52は、軌道面48で接触してよい。同様に、x軸の上側の追加リターン導体56およびx軸の下側の追加リターン導体56は、軌道面48で接触してよい。 Further, the additional septum conductor 52 above the x-axis and the additional septum conductor 52 below the x-axis may contact at the raceway surface 48 . Similarly, the x-axis upper additional return conductor 56 and the x-axis lower additional return conductor 56 may meet at the track surface 48 .

複数の追加セプタム導体52および複数の追加リターン導体56は、次の4つの導体グループに分けられる。第1の導体グループは、仰俯角φが-45°以上45°未満である追加セプタム導体52による左側導体グループである。第2の導体グループは、仰俯角φが45°以上90°未満である追加セプタム導体52と、仰俯角θが45°以上90°未満である追加リターン導体56による上側導体グループである。第3の導体グループは、仰俯角θが-45°以上45°未満である追加リターン導体56による右側導体グループである。第4の導体グループは、仰俯角φが-90°以上-45°未満である追加セプタム導体52と、仰俯角θが-90°以上-45°未満である追加リターン導体56による下側導体グループである。 The plurality of additional septum conductors 52 and the plurality of additional return conductors 56 are divided into the following four conductor groups. The first conductor group is the left conductor group by the additional septum conductor 52 whose elevation angle φ is -45° or more and less than 45°. The second conductor group is an upper conductor group consisting of an additional septum conductor 52 with an elevation/depression angle φ of 45° or more and less than 90° and an additional return conductor 56 with an elevation/depression angle θ of 45° or more and less than 90°. The third conductor group is a right conductor group with additional return conductors 56 having an elevation angle θ of −45° or more and less than 45°. The fourth conductor group is a lower conductor group consisting of an additional septum conductor 52 whose elevation/depression angle φ is −90° or more and less than −45°, and an additional return conductor 56 whose elevation/depression angle θ is −90° or more and less than −45°. is.

左側導体グループに流れる電流の方向と、右側導体グループに流れる電流の方向は同一方向である。また、上側導体グループに流れる電流の方向と、下側導体グループに流れる電流の方向は同一方向である。そして、左側導体グループおよび右側導体グループに流れる電流の方向と、上側導体グループおよび下側導体グループに流れる電流の方向は逆方向である。 The direction of current flowing through the left conductor group and the direction of current flowing through the right conductor group are the same. Also, the direction of current flowing through the upper conductor group and the direction of current flowing through the lower conductor group are the same. The direction of the current flowing through the left conductor group and the right conductor group is opposite to the direction of the current flowing through the upper conductor group and the lower conductor group.

複数の追加セプタム導体52のそれぞれと、複数の追加リターン導体56のそれぞれは、各導体に流れる電流の方向につき上記の関係が得られるように接続されている。また、複数の追加セプタム導体52のそれぞれの入射側端および出射側端のうちいずれかが、電流が流入または流出する一端であってよい。そして、複数の追加リターン導体56のそれぞれの入射側端および出射側端のうちいずれかが、電流が流出または流入する一端であってよい。 Each of the plurality of additional septum conductors 52 and each of the plurality of additional return conductors 56 are connected so as to obtain the above relationship for the direction of current flowing through each conductor. Also, either the incident side end or the exit side end of each of the plurality of additional septum conductors 52 may be one end into or out of which the current flows. Either the incident side end or the outgoing side end of each of the plurality of additional return conductors 56 may be one end from which current flows out or in. FIG.

複数の追加リターン導体56は、ビーム取り出し側が密になり、ビーム取り出し側斜め上およびビーム取り出し側斜め下が疎になるように配置されている。複数の追加リターン導体56は、電流の空間分布がP・cos2θに一致または近似するように配置されてもよい。すなわち、複数の追加リターン導体56は2倍角コサイン巻のコイルを形成してもよい。 The plurality of additional return conductors 56 are arranged densely on the beam extraction side and sparsely on the beam extraction side and diagonally below the beam extraction side. The plurality of additional return conductors 56 may be arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates P·cos2θ. That is, the plurality of additional return conductors 56 may form a double angle cosine coil.

複数の追加セプタム導体52は、周回軌道側が密になり、周回軌道側斜め上および周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている。複数の追加セプタム導体52は、電流の空間分布がP・cos2φに一致または近似するように配置されてもよい。すなわち、複数の追加セプタム導体52は2倍角コサイン巻のコイルを形成してもよい。 The plurality of additional septum conductors 52 are densely arranged on the loop track side and sparsely arranged diagonally above the loop track side and diagonally below the loop track side. A plurality of additional septum conductors 52 may be arranged such that the spatial distribution of current matches or approximates P·cos2φ. That is, the plurality of additional septum conductors 52 may form a coil of double cosine turns.

本実施形態に係るセプタム電磁石66は、上記の各実施形態に係るセプタム電磁石30、60、62および64に比べて、周回軌道上のイオンビーム1と、取り出し軌道上のイオンビーム2との間の距離が大きい場合に用いられてよい。本実施形態に係るセプタム電磁石66における複数の追加リターン導体56の配置、複数の追加セプタム導体52の配置、および各導体に流れる電流の方向によれば、追加セプタムコイル51および追加リターンコイル55は四極電磁石として作用する。そのため、加速器から取り出されたイオンビームに対して用いられる四極電磁石の数が削減され得る。 Compared to the septum magnets 30, 60, 62, and 64 according to the above-described embodiments, the septum magnet 66 according to the present embodiment has a gap between the ion beam 1 on the circular orbit and the ion beam 2 on the extraction orbit. May be used for large distances. According to the arrangement of the plurality of additional return conductors 56 and the arrangement of the plurality of additional septum conductors 52 in the septum electromagnet 66 according to the present embodiment, and the direction of the current flowing through each conductor, the additional septum coil 51 and the additional return coil 55 are quadrupolar. Acts as an electromagnet. Therefore, the number of quadrupole magnets used for the ion beam extracted from the accelerator can be reduced.

図11には、セプタム電磁石66の内部における磁場分布の計算結果が示されている。横軸はx軸上の位置を示し、縦軸は磁場強度を示す。理想分布400は理想的な磁場分布であり、計算分布402は、シミュレーションで得られた磁場分布である。図11に示されている例では、理想分布に対する磁場分布のずれは4%である。理想分布に対する磁場分布のずれは1%未満であることが好ましい。すなわち、理想分布に対する磁場分布のずれを1%未満とすることで、イオンビームを収束させる十分な性能が得られる。 FIG. 11 shows the calculation results of the magnetic field distribution inside the septum electromagnet 66 . The horizontal axis indicates the position on the x-axis, and the vertical axis indicates the magnetic field strength. An ideal distribution 400 is an ideal magnetic field distribution, and a calculated distribution 402 is a magnetic field distribution obtained by simulation. In the example shown in FIG. 11, the deviation of the magnetic field distribution from the ideal distribution is 4%. The deviation of the magnetic field distribution from the ideal distribution is preferably less than 1%. That is, by setting the deviation of the magnetic field distribution from the ideal distribution to less than 1%, sufficient performance for converging the ion beam can be obtained.

上記の第1~第4実施形態についても、理想分布に対する磁場分布のずれが1%未満となるように、セプタムコイル、リターンコイル、追加セプタムコイルおよび追加リターンコイルを構成する各導体を配置することで、同様の効果が得られる。 Also in the above-described first to fourth embodiments, each conductor constituting the septum coil, the return coil, the additional septum coil, and the additional return coil is arranged so that the deviation of the magnetic field distribution from the ideal distribution is less than 1%. to get the same effect.

ここでは、第5実施形態として、セプタムコイル32の周回軌道側に左側導体グループ(追加セプタム導体52)が設けられ、リターンコイル40のビーム取り出し側に右側導体グループ(追加リターン導体56)が設けられたセプタム電磁石66が示された。このような構成に代えて、左側導体グループがセプタムコイル32のビーム取り出し側に設けられ、右側導体グループがリターンコイル40の周回軌道側に設けられた構成が採用されてもよい。 Here, as a fifth embodiment, a left conductor group (additional septum conductor 52) is provided on the loop track side of the septum coil 32, and a right conductor group (additional return conductor 56) is provided on the beam extraction side of the return coil 40. A septum electromagnet 66 is shown. Instead of such a configuration, a configuration in which the left conductor group is provided on the beam extraction side of the septum coil 32 and the right conductor group is provided on the loop track side of the return coil 40 may be adopted.

図12には、第6実施形態に係るセプタム電磁石70が示されている。このセプタム電磁石70は、第5実施形態に係るセプタム電磁石66における追加セプタムコイル51の構造を変形したものである。すなわち、セプタム電磁石70では、セプタムコイル32よりも周回軌道側にある追加セプタム導体52が、軌道面48の上下に配置され、軌道面48が避けられた位置に配置されている。 FIG. 12 shows a septum electromagnet 70 according to the sixth embodiment. This septum electromagnet 70 is obtained by modifying the structure of the additional septum coil 51 in the septum electromagnet 66 according to the fifth embodiment. That is, in the septum electromagnet 70 , the additional septum conductors 52 closer to the orbital track than the septum coil 32 are arranged above and below the track surface 48 , and are arranged at positions that avoid the track surface 48 .

このような構成によれば、追加セプタムコイル51に流れる電流の分布が理想的な分布に一致または近似した状態で、周回軌道の径方向への追加セプタムコイル51の厚みが薄くなり得る。したがって、周回軌道を外れてセプタム電磁石70に入射する前のイオンが、追加セプタムコイル51に衝突する可能性が低くなる。 According to such a configuration, the thickness of the additional septum coil 51 in the radial direction of the loop track can be reduced while the distribution of the current flowing through the additional septum coil 51 matches or approximates the ideal distribution. Therefore, the possibility of ions deviating from the orbit and impinging on the septum electromagnet 70 from colliding with the additional septum coil 51 is reduced.

なお、図8に示されたセプタム電磁石62と同様、セプタムコイル32およびリターンコイル40に、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44と、第5実施形態における追加セプタムコイル51および追加リターンコイル55とが並設されてもよい。同様に、セプタムコイル32およびリターンコイル40に、追加セプタムコイル36および追加リターンコイル44と、第6実施形態における追加セプタムコイル51および追加リターンコイル55とが並設されてもよい。 As in the septum electromagnet 62 shown in FIG. 8, the septum coil 32 and the return coil 40 are provided with the additional septum coil 36 and the additional return coil 44, and the additional septum coil 51 and the additional return coil 55 in the fifth embodiment. They may be arranged side by side. Similarly, the additional septum coil 36 and the additional return coil 44 and the additional septum coil 51 and the additional return coil 55 in the sixth embodiment may be arranged in parallel with the septum coil 32 and the return coil 40 .

図13には、本発明の第7実施形態に係る加速器102が模式的に示されている。加速器102はサイクロトロンと称される。図10には、水平面で切断された加速器102の断面が示されている。加速器102は、電磁石筐体80、加速電極対90およびセプタム電磁石30を備えている。 FIG. 13 schematically shows an accelerator 102 according to a seventh embodiment of the invention. Accelerator 102 is called a cyclotron. FIG. 10 shows a cross section of the accelerator 102 cut in a horizontal plane. Accelerator 102 includes electromagnet housing 80 , accelerating electrode pair 90 and septum electromagnet 30 .

電磁石筐体80は、円柱状のビーム偏向磁場領域82を内部に形成する。電磁石筐体80は、描画面に向かうz軸正方向の磁場をビーム偏向磁場領域82に発生する。加速電極対90は、中空の円板状の空洞を切断して得られる2つのD電極90Aおよび90Bから構成されている。D電極90AとD電極90Bとの間には高周波電場が発生する。 The electromagnet housing 80 forms a cylindrical beam deflection magnetic field region 82 therein. The electromagnet housing 80 generates a magnetic field in the positive z-axis direction toward the drawing surface in the beam deflection magnetic field region 82 . Acceleration electrode pair 90 is composed of two D electrodes 90A and 90B obtained by cutting a hollow disk-shaped cavity. A high frequency electric field is generated between the D electrode 90A and the D electrode 90B.

D電極90AとD電極90Bとの間におけるイオン注入点84にはイオンが注入される。イオンはD電極90AとD電極90Bとの間の高周波電場によって加速し、エネルギーが増加すると共に軌道半径が増加する周回軌道86を加速電極対90内に描く。周回軌道86を周回し所定のエネルギーを有するに至ったイオンは、キッカ(図示せず)が発生する電場に従ってベータトロン振動し、セプタム電磁石30に入射する。セプタム電磁石30に入射したイオンは、セプタム磁場によって周回軌道86の外側に偏向し、イオン取り出し軌道に沿って進行してセプタム電磁石30から外側に取り出される。 Ions are injected into an ion injection point 84 between the D electrodes 90A and 90B. The ions are accelerated by the high-frequency electric field between the D-electrodes 90A and 90B, and draw an orbital trajectory 86 within the accelerating electrode pair 90 in which the orbital radius increases as the energy increases. The ions that have orbited the orbit 86 and have a predetermined energy undergo betatron oscillation in accordance with an electric field generated by a kicker (not shown) and enter the septum electromagnet 30 . Ions incident on the septum electromagnet 30 are deflected to the outside of the circular orbit 86 by the septum magnetic field, travel along the ion extraction orbit, and are extracted outside the septum electromagnet 30 .

上記の各実施形態に係るセプタム電磁石は、その他の方式の加速器に用いられてもよい。例えば、特許文献4に示されているように、ビーム偏向磁場領域の中心から変位した位置にイオンが注入される偏心型の加速器に、上記の各実施形態に係るセプタム電磁石が用いられてもよい。 The septum electromagnet according to each of the above embodiments may be used in other types of accelerators. For example, as shown in Patent Document 4, the septum electromagnet according to each of the above embodiments may be used in an eccentric accelerator in which ions are injected at a position displaced from the center of the beam deflection magnetic field region. .

図14には、本発明の第8実施形態に係る粒子線治療システム104が示されている。粒子線治療システム104は、加速器102、回転ガントリ301、照射装置302、治療台303、治療制御装置304および加速器制御装置305を備えている。加速器102は、図10に示された構成要素に加えて、電源としてセプタム電源・ローカル制御装置306および主電源・ローカル制御装置307を備えている。 FIG. 14 shows a particle beam therapy system 104 according to an eighth embodiment of the invention. The particle beam therapy system 104 includes an accelerator 102 , a rotating gantry 301 , an irradiation device 302 , a treatment table 303 , a treatment control device 304 and an accelerator control device 305 . In addition to the components shown in FIG. 10, the accelerator 102 includes a septum power supply/local controller 306 and a main power supply/local controller 307 as power sources.

加速器102から取り出されたイオンビームは回転ガントリ301に入射する。回転ガントリ301は、イオンビームを輸送すると共にイオンビームの進行方向を変化させるビーム輸送装置として動作する。イオンビームは、回転ガントリ301を通過して照射装置302まで輸送される。照射装置302は、治療台303に横たわる患者308の患部標的にイオンビームを照射する。 An ion beam extracted from the accelerator 102 is incident on the rotating gantry 301 . The rotating gantry 301 operates as a beam transport device that transports the ion beam and changes the traveling direction of the ion beam. The ion beam is transported through rotating gantry 301 to irradiation device 302 . The irradiation device 302 irradiates an ion beam onto a target of a patient 308 lying on a treatment table 303 .

治療制御装置304は、加速器制御装置305にイオンビームの出射または出射停止を指令するオン/オフ信号を送信する。加速器制御装置305は、オン/オフ信号に従ってセプタム電源・ローカル制御装置306および主電源・ローカル制御装置307を制御する。セプタム電源・ローカル制御装置306は、加速器制御装置305の制御に従って、セプタム電磁石30に電流を流し、またはセプタム電磁石30に流れる電流を遮断する。主電源・ローカル制御装置307は、加速器制御装置305の制御に従って、加速器102の主要部に電流を流し、または主要部に流れる電流を遮断する。なお、加速器102の主要部は、セプタム電磁石30を含まない加速器102のその他の構成要素である。 The treatment control device 304 transmits an on/off signal to the accelerator control device 305 to instruct the ion beam extraction or stop of the ion beam extraction. The accelerator controller 305 controls the septum power supply/local controller 306 and the main power supply/local controller 307 according to the on/off signals. The septum power supply/local controller 306 applies current to the septum electromagnet 30 or cuts off the current flowing to the septum electromagnet 30 under the control of the accelerator controller 305 . The main power/local controller 307 applies current to the main parts of the accelerator 102 or cuts off the current flowing to the main parts under the control of the accelerator controller 305 . Note that the main part of the accelerator 102 is other components of the accelerator 102 that do not include the septum electromagnet 30 .

治療制御装置304は、照射装置302が患者308に照射したイオンビームの線量を計測すると共に、イオンビームに対して要求されるエネルギー、イオンビームに対して要求される線量等を示す制御情報を計測結果に応じて加速器制御装置305に出力する。また、治療制御装置304は、照射方向を指示する制御情報を回転ガントリ301に出力し、照射領域を指示する制御情報を照射装置302に出力する。 The treatment control device 304 measures the dose of the ion beam irradiated to the patient 308 by the irradiation device 302, and also measures control information indicating the energy required for the ion beam, the dose required for the ion beam, and the like. The result is output to the accelerator control device 305 . Further, the treatment control device 304 outputs control information instructing the irradiation direction to the rotating gantry 301 and outputs control information instructing the irradiation region to the irradiation device 302 .

加速器制御装置305は、治療制御装置304から出力された制御情報に従ってセプタム電源・ローカル制御装置306および主電源・ローカル制御装置307に必要な情報を送信する。セプタム電源・ローカル制御装置306および主電源・ローカル制御装置307は、加速器制御装置305から送信された情報に応じて、セプタム電磁石30および加速器102の主要部をそれぞれ個別に制御する。 The accelerator controller 305 transmits necessary information to the septum power supply/local controller 306 and the main power supply/local controller 307 according to the control information output from the treatment controller 304 . The septum power/local controller 306 and the main power/local controller 307 individually control the main parts of the septum electromagnet 30 and the accelerator 102 according to the information transmitted from the accelerator controller 305 .

例えば、加速器制御装置305およびセプタム電源・ローカル制御装置306は、治療制御装置304の指示に従う大きさの電流を、治療制御装置304の指示に従うタイミングで、セプタム電磁石30が備える各コイルに電流を流す制御を実行する。治療制御装置304の指示に従うタイミングには、例えば、患者308にイオンビームを照射するタイミングや、加速器102からイオンビームが取り出されるタイミングがある。このように、セプタム電磁石30の各コイルに流れる電流を、治療制御装置304の指示に従ってオン/オフするパルス運転を行うことでセプタム電磁石30の発熱量が抑制される。したがって、連続的に電流を流す場合に比べて各コイルに実効値の大きい電流を流すことで、一定距離当たりのイオンビームの偏向角をより大きくし、セプタム電磁石30を短くした設計が可能となる。 For example, the accelerator control device 305 and the septum power supply/local control device 306 apply a current of magnitude according to the instruction of the therapy control device 304 to each coil of the septum electromagnet 30 at the timing according to the instruction of the therapy control device 304. Execute control. The timing of following the instruction of the treatment control device 304 includes, for example, the timing of irradiating the patient 308 with an ion beam and the timing of extracting the ion beam from the accelerator 102 . In this way, by performing pulse operation in which the current flowing through each coil of the septum electromagnet 30 is turned on/off in accordance with an instruction from the treatment control device 304, the amount of heat generated by the septum electromagnet 30 is suppressed. Therefore, by applying a current having a large effective value to each coil compared to the case where the current is applied continuously, the deflection angle of the ion beam per fixed distance can be increased and the septum electromagnet 30 can be designed to be shortened. .

ここでは、セプタム電磁石30が用いられた粒子線治療システム104が示された。粒子線治療システムには、図5、図7、図8、図9、図10および図12にそれぞれ示されたセプタム電磁石60,200,62、64、66および70が用いられてもよい。 Here, a particle beam therapy system 104 using a septum electromagnet 30 is shown. Septum electromagnets 60, 200, 62, 64, 66 and 70 shown in FIGS. 5, 7, 8, 9, 10 and 12, respectively, may be used in the particle beam therapy system.

1 周回軌道上のイオンビーム、2 取り出し軌道上のイオンビーム、6 セプタム磁場領域、10 イオン源、12 入射装置、14-1~14-4 偏向電磁石、16-1~16-4 真空ダクト、18 加速空洞、20 四極電磁石、22 導体、24 絶縁体、26 冷媒配管、28 冷媒、30,60,62,64,66,70,200 セプタム電磁石、32 セプタムコイル、34 セプタム導体、36,50,51 追加セプタムコイル、38,52 追加セプタム導体、40 リターンコイル、42 リターン導体、44,54,55 追加リターンコイル、46,56 追加リターン導体、48 軌道面、72 補正コイル、74 補正コイル導体、80 電磁石筐体、82 ビーム偏向磁場領域、84 イオン注入点、86 周回軌道、90 加速電極対、90A,90B D電極、100,102 加速器、104 粒子線治療システム、301 回転ガントリ、302照射装置、303 治療台、304 治療制御装置、305 加速器制御装置、306 セプタム電源・ローカル制御装置、307 主電源・ローカル制御装置、400 理想分布、402 計算分布。
1 ion beam on circular orbit, 2 ion beam on extraction orbit, 6 septum magnetic field region, 10 ion source, 12 injection device, 14-1 to 14-4 bending electromagnet, 16-1 to 16-4 vacuum duct, 18 acceleration cavity, 20 quadrupole electromagnet, 22 conductor, 24 insulator, 26 refrigerant pipe, 28 refrigerant, 30, 60, 62, 64, 66, 70, 200 septum electromagnet, 32 septum coil, 34 septum conductor, 36, 50, 51 Additional septum coil, 38, 52 Additional septum conductor, 40 Return coil, 42 Return conductor, 44, 54, 55 Additional return coil, 46, 56 Additional return conductor, 48 Track surface, 72 Correction coil, 74 Correction coil conductor, 80 Electromagnet Case, 82 Beam deflection magnetic field region, 84 Ion injection point, 86 Orbital orbit, 90 Acceleration electrode pair, 90A, 90B D electrode, 100, 102 Accelerator, 104 Particle beam therapy system, 301 Rotating gantry, 302 Irradiation device, 303 Treatment Table, 304 therapy controller, 305 accelerator controller, 306 septum power supply and local controller, 307 main power supply and local controller, 400 ideal distribution, 402 calculated distribution.

Claims (14)

ビーム取り出し軌道に沿って延びるセプタムコイルと、
前記セプタムコイルに並設され、前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる追加セプタムコイルと、を備え、
前記追加セプタムコイルは、
前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる複数の追加セプタム導体であって、周回軌道側に膨らむ弧を描くように配列された複数の追加セプタム導体を備えることを特徴とするセプタム電磁石。
a septum coil extending along the beam extraction trajectory;
an additional septum coil arranged in parallel with the septum coil and extending along the beam extraction trajectory;
The additional septum coil is
A septum electromagnet, comprising: a plurality of additional septum conductors extending along the beam extracting orbit, the plurality of additional septum conductors being arranged to draw an arc that swells toward the loop orbit.
請求項1に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体のうち、前記周回軌道寄りの前記追加セプタム導体が、前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側に配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
The septum electromagnet according to claim 1,
A septum electromagnet, wherein among the plurality of additional septum conductors, the additional septum conductor closer to the loop track is arranged closer to the loop track than the septum coil.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体は、
前記周回軌道側が密になるように配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 1 or 2,
The plurality of additional septum conductors are
A septum electromagnet, characterized in that the septum electromagnets are arranged densely on the orbital side.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体は、
前記周回軌道側が密になるように配置されている第1導体群と、
前記周回軌道側斜め上および前記周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている第2導体群と、を形成し、
前記第1導体群および前記第2導体群が、前記ビーム取り出し軌道に沿って並設されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 1 or 2,
The plurality of additional septum conductors are
a first conductor group arranged densely on the circuit track side;
forming a second conductor group arranged so that the oblique upper part of the loop track side and the oblique lower part of the loop track side are sparse;
A septum electromagnet, wherein the first conductor group and the second conductor group are arranged side by side along the beam extraction track.
請求項2に記載のセプタム電磁石において、
前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側に配置されている前記追加セプタム導体は、イオンビームの軌道面を避けて配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 2,
A septum electromagnet, wherein the additional septum conductor arranged closer to the orbit than the septum coil is arranged to avoid an ion beam orbital plane.
請求項5に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体は、
前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側に配置されている前記追加セプタム導体を除いて見た場合に、前記周回軌道側が密になるように配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 5,
The plurality of additional septum conductors are
A septum electromagnet, wherein the septum electromagnet is arranged densely on the circuit track side when viewed with the additional septum conductors arranged on the circuit track side of the septum coil removed.
請求項5または請求項6に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体は、
前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側に配置されている前記追加セプタム導体を除いて見た場合に、前記周回軌道側が密になるように配置されている第1導体群と、
前記周回軌道側斜め上および前記周回軌道側斜め下が疎になるように配置されている第2導体群と、を形成し、
前記第1導体群および前記第2導体群が、前記ビーム取り出し軌道に沿って並設されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 5 or 6,
The plurality of additional septum conductors are
a first conductor group arranged densely on the loop track side when viewed excluding the additional septum conductors arranged closer to the loop track than the septum coil;
forming a second conductor group arranged so that the oblique upper part of the loop track side and the oblique lower part of the loop track side are sparse;
A septum electromagnet, wherein the first conductor group and the second conductor group are arranged side by side along the beam extraction track.
請求項1、請求項2および請求項5のいずれか1項に記載のセプタム電磁石において、
複数の前記追加セプタム導体は、
前記周回軌道側斜め上および前記周回軌道側斜め下が疎になるように配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to any one of claims 1, 2 and 5,
The plurality of additional septum conductors are
A septum electromagnet, characterized in that the septum electromagnets are arranged so as to be sparse on the oblique upper side of the orbital side and obliquely on the lower side of the orbital side.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石において、
前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側に配置され、前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる補正コイルを備え、
前記補正コイルは、前記セプタムコイルよりも前記周回軌道側で前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる一対または複数対の補正コイル導体を備えることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 1 or 2,
a correction coil arranged closer to the orbit than the septum coil and extending along the beam extraction orbit;
A septum electromagnet, wherein the correction coil includes a pair or a plurality of pairs of correction coil conductors extending along the beam extraction orbit on the orbit side of the septum coil.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石において、
前記ビーム取り出し軌道に沿って延びるリターンコイルと、
前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる追加リターンコイルと、を備え、
前記リターンコイルは、
前記セプタムコイルとの間に前記ビーム取り出し軌道を挟む位置に配置され、
前記追加リターンコイルは、
前記ビーム取り出し軌道に沿って延びる複数の追加リターン導体であって、前記周回軌道側とは反対側に膨らむ弧を描くように配置された複数の追加リターン導体を備えることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 1 or 2,
a return coil extending along the beam extraction trajectory;
an additional return coil extending along the beam extraction trajectory;
The return coil is
arranged at a position sandwiching the beam extraction trajectory between the septum coil,
The additional return coil is
A septum electromagnet, comprising: a plurality of additional return conductors extending along the beam extraction orbit, the plurality of additional return conductors being arranged to draw an arc that swells toward the side opposite to the loop orbit.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石において、
前記セプタムコイルよりもビーム取り出し側にあるセプタム磁場領域における磁場分布の理想分布に対するずれが1%未満となるように、複数の前記追加セプタム導体が配置されていることを特徴とするセプタム電磁石。
In the septum electromagnet according to claim 1 or 2,
A septum electromagnet, wherein the plurality of additional septum conductors are arranged such that the deviation of magnetic field distribution from an ideal distribution in a septum magnetic field region located on the beam extraction side of the septum coil is less than 1%.
請求項1または請求項2に記載のセプタム電磁石を備え、
加速されたイオンビームが前記ビーム取り出し軌道から取り出されることを特徴とする加速器。
A septum electromagnet according to claim 1 or claim 2,
An accelerator, wherein an accelerated ion beam is extracted from said beam extraction trajectory.
請求項12に記載の加速器において、
前記セプタムコイルおよび前記追加セプタムコイルに電流を流す電源を備え、
前記電源は、
前記イオンビームが取り出されるタイミングに応じて、前記セプタムコイルおよび前記追加セプタムコイルに電流を流すことを特徴とする加速器。
13. The accelerator of claim 12, wherein
A power supply for applying current to the septum coil and the additional septum coil,
The power source is
An accelerator, wherein a current is passed through the septum coil and the additional septum coil according to the timing at which the ion beam is extracted.
請求項12に記載の加速器と、
前記加速器から取り出された前記イオンビームを輸送するビーム輸送装置と、
前記ビーム輸送装置によって輸送された前記イオンビームを患者に照射する照射装置と、
を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
an accelerator according to claim 12;
a beam transport device for transporting the ion beam extracted from the accelerator;
an irradiation device that irradiates a patient with the ion beam transported by the beam transport device;
A particle beam therapy system comprising:
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