JP2024022311A - 多極電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームを収束及び成形可能な多極電磁石を小型化する技術を提供する。【解決手段】多極電磁石は、荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨーク（１１）と、ヨークの周方向に離間した位置において、各々がヨークの内周面から通過領域に向けて突出する４Ｎ＋４（Ｎは正の奇数）個の磁極（１２ａ～１２ｈ）と、磁極を励磁するコイル（１３ａ～１３ｈ、１４ａ～１４ｈ）とを備える。周方向に連続するＮ＋１個の磁極を１個の磁極グループとして、同一の磁極グループに属する磁極の先端は、接触している。コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転すると共に、磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が基準値より小さい弱磁性磁極とが、周方向にＮ＋１個ずつ交互に配置されるように、磁極を励磁する。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子ビームを収束及び成形する多極電磁石に関する。

学術用、工業用、医療用などの荷電粒子加速器施設は、科学技術の基盤として世界中で稼働し、さらなる大強度化が強く要求されている。そして、ビーム強度の増強に伴って、ビーム内の粒子間に働く反発力(空間電荷力)が増大する。

そこで、従来の荷電粒子加速器施設には、ビームを所定の直径に収束させるために線形の収束力を発生させる四極電磁石に加えて、ビームを所定の形状に成形するために非線形の成形力を発生させる八極電磁石が設置される場合がある（例えば、特許文献１、２を参照）。

しかしながら、特許文献１、２のように、四極電磁石及び八極電磁石をビーム輸送路に直列に配置すると、ビーム輸送路が長くなる。その結果、荷電粒子加速器施設が大型化するという課題を生じる。そこで、非特許文献１には、８個の磁極を有する多極電磁石を、四極電磁石として機能させる四極用コイルと、八極電磁石として機能させる八極用コイルとを備える構成が開示されている。

特開２００１－２３１８７３号公報 特開平５－２１５９００号公報

Yoshihiko Shoji, "Design of a Multi-Element Corrector Magnet for the Storage Ring NewSUBARU", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol 20, Issue 3, p.230-233

非特許文献１の構成において、直径４０ｍｍ（中心から±２０ｍｍ）の領域に線形な収束磁場を発生させることを目標として、磁極の先端を結ぶ仮想円の直径を４０ｍｍ、８０ｍｍ、１２０ｍｍと変化させると、収束磁場の傾きは図１１（Ｂ）に示すようになる。図１１（Ｂ）において、横軸は通過領域の中心からの水平方向の距離を示し、縦軸は各位置の収束磁場を中心（ｘ＝０）における収束磁場で規格化した値を示す。換言すれば、図１１（Ｂ）の縦軸は、各位置における収束磁場の傾きを中心の収束磁場の傾きで除した値を示す。

図１１（Ｂ）に示すように、仮想円の直径を４０ｍｍとすると、中心からの距離が１０．０ｍｍの位置における収束磁場の傾きが、中心と比較して約２５％ズレている。中心からの距離が２０．０ｍｍの位置における収束磁場の傾きのズレを５％に収めるためには、仮想円の直径を１２０ｍｍまで拡大する必要が生じる。このように、収束磁場の傾きのズレを小さくしようとすると、多極電磁石の直径を大きくする必要が生じるという新たな課題を生じる。また、多極電磁石の直径の増大に伴って、磁極の先端から離れた位置を通る荷電粒子ビームに収束力を作用させるには、コイルに大電流を供給する必要がある。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、荷電粒子ビームを収束及び成形可能な多極電磁石を小型化する技術を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するため、荷電粒子ビームを収束及び成形する多極電磁石であって、荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨークと、前記ヨークの周方向に離間した位置において、各々が前記ヨークの内周面から前記通過領域に向けて突出する４Ｎ＋４（Ｎは正の奇数）個の磁極と、前記磁極を励磁するコイルとを備え、周方向に連続するＮ＋１個の前記磁極を１個の磁極グループとして、同一の前記磁極グループに属する前記磁極の先端は、接触しており、前記コイルは、同一の前記磁極グループに属する前記磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する前記磁極グループの極性が反転すると共に、磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が前記基準値より小さい弱磁性磁極とが、周方向にＮ＋１個ずつ交互に配置されるように、前記磁極を励磁することを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子ビームを収束及び成形可能な多極電磁石を小型化することができる。

荷電粒子ビーム加速装置の概略図である。 多極電磁石を荷電粒子ビームの進行方向から見た図である。 第１コイルのみで励磁した場合（Ａ）、第２コイルのみで励磁した場合（Ｂ）の磁力線の分布を示す図である。 第１コイルのみで励磁した場合（Ａ）、第２コイルのみで励磁した場合（Ｂ）、第１コイル及び第２コイルで励磁した場合（Ｃ）の水平方向の各位置における積分磁場を示す図である。 第１コイルのみで励磁した場合（Ａ）、第１コイル及び第２コイルで励磁した場合（Ｂ）の荷電粒子ビームの位相空間分布を示す図である。 磁極の先端の距離を変化させた場合において、第１コイルのみで励磁した際の磁力線の分布（Ａ）及び収束磁場の傾きの推移（Ｂ）を示す図である。 第１コイルの巻き方のバリエーションを示す図である。 第２コイルの巻き方のバリエーションを示す図である。 コイルの巻き数によって極性の組み合わせを実現する例を示す図である。 第１コイル及び第２コイルの配置によって極性の組み合わせを実現する例を示す図である。 非特許文献１の多極電磁石において、四極用コイルのみで励磁した際の磁力線の分布（Ａ）及び収束磁場の傾きの推移（Ｂ）を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係る荷電粒子ビーム加速装置１を説明する。なお、以下に記載する本発明の実施形態は、本発明を具体化する際の一例を示すものであって、本発明の範囲を実施形態の記載の範囲に限定するものではない。従って、本発明は、実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。

図１は、荷電粒子ビーム加速装置１の概略図である。荷電粒子ビーム加速装置１は、荷電粒子を加速するリング型の装置である。荷電粒子の具体例としては、例えば、電子、陽子、及び重粒子（炭素、ヘリウム等）が該当する。荷電粒子ビーム加速装置１は、例えば、原子核・素粒子物理学分野及び生命科学分野の基礎研究、がん治療に代表される医療分野で利用される。

図１に示すように、荷電粒子ビーム加速装置１は、主ダクト２と、入射装置３と、合流ダクト４と、偏向電磁石５と、加速装置６と、分岐ダクト７と、荷電粒子ビーム取出装置８と、多極電磁石１０とを主に備える。図１に示す荷電粒子ビーム加速装置１は、蓄積リング及びシンクロトロンと呼ばれる円形加速器の形態である。しかしながら、本発明は、サイクロトロンなどの円形加速器、リニアックなどの線形加速器、タンデム加速器などの静電加速器のような他の形態の加速器、またはそのビーム輸送路にも適用可能である。

主ダクト２は、荷電粒子ビームが通過する内部空間を有する真空容器である。主ダクト２の内部空間は、周状に構成されている。すなわち、荷電粒子ビームは、主ダクト２の内部空間を繰り返し周回することができる。なお、主ダクト２の形状は真円である必要はなく、直線部と湾曲部とを組み合わせた形状であってもよい。また、主ダクト２の内部空間は、真空に保たれている。真空の度合いは、荷電粒子ビームの利用方法に応じて適宜選択される。主ダクト２は、ビーム輸送路の一例である。

入射装置３は、合流ダクト４を通じて主ダクト２内に荷電粒子ビームを出力する装置である。入射装置３は、荷電粒子ビームをある程度加速してから主ダクト２に出力するリニアック（線形加速器）であってもよい。例えば、入射装置３で４００ＭｅＶまで加速された荷電粒子ビームが、荷電粒子ビーム加速装置１で３ＧｅＶまで加速される。

合流ダクト４は、一端が入射装置３に接続され、他端が合流点４ａで主ダクト２に合流する真空容器である。合流ダクト４を通過する荷電粒子ビーム（以下、「副ビーム」と表記する。）は、合流点４ａから主ダクト２に進入し、主ダクト２内を周回する荷電粒子ビーム（以下、「主ビーム」と表記する。）に結合される。

偏向電磁石５は、主ダクト２の曲率に合わせて荷電粒子ビームの進行方向を偏向する役割を担う。より詳細には、偏向電磁石５は、所定の向きの磁場を発生させることによって、主ダクト２内の荷電粒子ビームに、主ダクト２の曲率に沿って方向を変えるための力を付与する。図１では、主ダクト２の４箇所の湾曲部それぞれに偏向電磁石５が設置されている。偏向電磁石５の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。

加速装置６は、主ダクト２内の荷電粒子ビームを加速する装置である。より詳細には、加速装置６は、所定の向きの電場を発生させることによって、主ダクト２内の荷電粒子ビームに加速度を付与する。すなわち、主ダクト２内を周回する荷電粒子ビームは、加速装置６を通過するたびに徐々に加速される。加速装置６の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。

分岐ダクト７は、主ダクト２内を周回する主ビームから分離された荷電粒子ビーム（以下、「副ビーム」と表記する。）を、荷電粒子ビーム加速装置１の外部に取り出すための真空容器である。分岐ダクト７は、一端が分岐点７ａで主ダクト２から分岐し、他端が実験装置や医療装置に接続される。

荷電粒子ビーム取出装置８は、主ダクト２内を周回する主ビームの一部を副ビームとして分離し、分離した副ビームを分岐ダクト７を通じて荷電粒子ビーム加速装置１の外部に取り出す役割を担う。荷電粒子ビーム取出装置８の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。

多極電磁石１０は、主ダクト２内の荷電粒子ビームの形状（より詳細には、荷電粒子ビームの進行方向に直交する断面形状）を整える役割を担う。より詳細には、多極電磁石１０は、荷電粒子ビームを所定の大きさに収束（または発散）させるために、線形の収束力（または発散力）を発生させる。また、多極電磁石１０は、荷電粒子ビームを所定の形状に成形するために、非線形の成形力を発生させる。

図２は、多極電磁石１０を荷電粒子ビームの進行方向から見た図である。図２に示すように、多極電磁石１０は、ヨーク１１と、磁極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈと、第１コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈと、第２コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈとを主に備える。

ヨーク１１は、リング状の外形を呈する。ヨーク１１の内側は、主ダクト２内の荷電粒子ビームの進行方向に貫通している。そして、主ダクト２内の荷電粒子ビームは、図２に一点鎖線で示すヨーク１１の中央領域（以下、「通過領域」と表記する）を通過する。すなわち、ヨーク１１の中央には、荷電粒子ビームが通過する通過領域が設けられている。また、図２の例では、ヨーク１１の外周面を１６角形としているが、ヨーク１１の外周面の形状はこれに限定されず、円形、他の多角形などでもよい。

磁極１２ａ～１２ｈは、ヨーク１１の内周面の周方向に離間した位置に設けられている。より詳細には、磁極１２ａ～１２ｈは、ヨーク１１の内周面において、周方向に等しい間隔（本実施形態では、４５°間隔）で配置されている。また、磁極１２ａ～１２ｈそれぞれは、通過領域に向けて径方向の内側に突出している。換言すれば、磁極１２ａ～１２ｈの先端で囲まれた領域が、通過領域となる。

磁極１２ａ～１２ｂは、４つの磁極グループのいずれかに属する。本実施形態では、周方向に隣接する２つの磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈが、それぞれ１つの磁極グループに属する。そして、図２で一部を拡大して示すように、同一の磁極グループに属する磁極１２ａ、１２ｂの先端は、接触している。磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈについても同様である。４つの磁極グループそれぞれの先端形状は共通するので、以下、磁極１２ａ、１２ｂの先端形状について、詳細に説明する。

同一の磁極グループに属する磁極１２ａ、１２ｂの先端は、面接触している。面接触している範囲は、例えば、磁極１２ａ、１２ｂの先端から径方向の外側に向かって、２ｍｍ以下にするのが望ましい。また、同一の磁極グループに属する磁極１２ａ、１２ｂの先端は、荷電粒子ビームの進行方向から見て、単一の曲線（より詳細には、凸曲線）を形成している。本実施形態において、磁極１２ａ、１２ｂの先端が形成する曲線は、双曲線である。但し、曲線の具体例は、双曲線に限定されず、放物線、指数曲線、対数曲線、真円の一部（すなわち、円弧）などでもよい。なお、「磁極１２ａ、１２ｂの先端が接触（面接触）している」とは、独立して製作された磁極１２ａ、１２ｂが組立の過程で接触することのみならず、最初から接触（すなわち、結合）した状態で製作されたものも含むものとする。

ヨーク１１及び磁極１２ａ～１２ｈは、磁性材料（例えば、鉄）で構成されている。一例として、ヨーク１１及び磁極１２ａ～１２ｈは、例えば、複数の鋼板を重ね合わせて形成されていてもよい。他の例として、ヨーク１１及び磁極１２ａ～１２ｈは、独立して形成されて、互いに接合されてもよい。

第１コイル１３ａ～１３ｈは、対応する磁極１２ａ～１２ｈそれぞれに個別に巻回されている。第１コイル１３ａ～１３ｈは、電源（図示省略）から電流が供給されることによって、対応する磁極１２ａ～１２ｈの周りに磁界を発生させる。その結果、磁極１２ａ～１２ｈの先端側（通過領域側）及び基端側（ヨーク１１側）には、極性（Ｎ極、Ｓ極）が生じる。

第１コイル１３ａ～１３ｈは、同一の磁極グループに属する磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈの先端が同一の極性になるように、磁極１２ａ～１２ｈを励磁する。また、第１コイル１３ａ～１３ｈは、４つの磁極グループの極性が周方向に交互に反転するように、磁極１２ａ～１２ｈを励磁する。例えば、磁極１２ａ、１２ｂの先端がＳ極、磁極１２ｃ、１２ｄの先端がＮ極、磁極１２ｅ、１２ｆの先端がＳ極、磁極１２ｇ、１２ｈの先端がＮ極となる。なお、第１コイル１３ａ～１３ｈが生じさせる極性は、前述の例に限定されず、逆転していてもよい。

一例として、第１コイル１３ａ～１３ｈは、電源に対して直列に接続されていてもよい。この場合、磁極１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｆに対する第１コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｅ、１３ｆの巻き方向と、磁極１２ｃ、１２ｄ、１２ｇ、１２ｈに対する第１コイル１３ｃ、１３ｄ、１３ｇ、１３ｈの巻き方向とを、逆向きにすればよい。

他の例として、第１コイル１３ａ～１３ｈは、電源に対して並列に接続されていてもよい。この場合、第１コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｅ、１３ｆの巻き方向と、第１コイル１３ｃ、１３ｄ、１３ｇ、１３ｈの巻き方向とを、逆向きにしてもよい。または、第１コイル１３ａ～１３ｈの巻き方向を同一にし、第１コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｅ、１３ｆと、第１コイル１３ｃ、１３ｄ、１３ｇ、１３ｈに、逆向きの電流を供給してもよい。

第２コイル１４ａ～１４ｈは、対応する磁極１２ａ～１２ｈそれぞれに個別に巻回されている。また、本実施形態に係る第２コイル１４ａ～１４ｈは、第１コイル１３ａ～１３ｈに重ねて巻回されている。そして、第２コイル１４ａ～１４ｈは、電源（図示省略）から電流が供給されることによって、対応する磁極１２ａ～１２ｈの周りに磁界を発生させる。その結果、磁極１２ａ～１２ｈの先端側（通過領域側）及び基端側（ヨーク１１側）には、極性（Ｎ極、Ｓ極）が生じる。

第２コイル１４ａ～１４ｈは、８個の磁極１２ａ～１２ｈの極性が周方向に交互に反転するように、磁極１２ａ～１２ｈを励磁する。例えば、磁極１２ａの先端がＮ極、磁極１２ｂの先端がＳ極、磁極１２ｃの先端がＮ極、磁極１２ｄの先端がＳ極、磁極１２ｅの先端がＮ極、磁極１２ｆの先端がＳ極、磁極１２ｇの先端がＮ極、磁極１２ｈの先端がＳ極となる。なお、第２コイル１４ａ～１４ｈが生じさせる極性は、前述の例に限定されず、逆転していてもよい。

本実施形態において、第１コイル１３ａ～１３ｈが生じさせる磁力は、第２コイル１４ａ～１４ｈが生じさせる磁力より大きい。磁力を大きくする方法は、例えば、第１コイル１３ａ～１３ｈの巻き数を第２コイル１４ａ～１４ｈより多くしてもよいし、第１コイル１３ａ～１３ｈに供給する電流値を第２コイル１４ａ～１４ｈより大きくしてもよいし、これらを組み合わせてもよい。

その結果、磁極１２ａ～１２ｈのうち、第１コイル１３ａ～１３ｈと第２コイル１４ａ～１４ｈとが同一の極性を生じさせる磁極１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇは磁力が強化され、第１コイル１３ａ～１３ｈと第２コイル１４ａ～１４ｈとが逆向きの極性を生じさせる磁極１２ａ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｈは磁力が相殺される。

すなわち、第１コイル１３ｂ、１３ｃ、１３ｆ、１３ｇ及び第２コイル１４ｂ、１４ｃ、１４ｆ、１４ｇで励磁したときの磁極１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇの磁力は、第１コイル１３ｂ、１３ｃ、１３ｆ、１３ｇのみで励磁したときより大きくなる（図２では、「Ｎ^＋」、「Ｓ^＋」と表記する。）。一方、第１コイル１３ａ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｈ及び第２コイル１４ａ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｈで励磁したときの磁極１２ａ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｈの磁力は、第１コイル１３ａ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｈのみで励磁したときより小さくなる（図２では、「Ｎ^－」、「Ｓ^－」と表記する。）。

「Ｎ^＋」及び「Ｓ^＋」と表記された磁極１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇは、磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極である。すなわち、磁極１２ｂ、１２ｆと、磁極１２ｃ、１２ｇとは、磁力線の向きが逆向き（すなわち、極性が反転）で、磁力線の密度（すなわち、磁力の大きさ）が一致している。また「Ｎ^－」及び「Ｓ^－」と表記された磁極１２ａ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｈは、磁力の絶対値が基準値より小さい弱磁性磁極である。すなわち、磁極１２ａ、１２ｅと、磁極１２ｄ、１２ｈとは、磁力線の向きが逆向き（すなわち、極性が反転）で、磁力線の密度（すなわち、磁力の大きさ）が一致している。

そして、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で、周方向に隣接する磁極グループの極性が反転するように、磁極１２ａ～１２ｈを励磁している。また、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈは、強磁性磁極と弱磁性磁極とが周方向に２個ずつ交互に配置されるように、磁極１２ａ～１２ｈを励磁している。より詳細には、第１コイル１３ａ～１３ｈは、磁極１２ａ～１２ｈそれぞれに基準値の磁力を付与する。一方、第２コイル１４ａ～１４ｈは、第１コイル１３ａ～１３ｈによって付与された磁力を強化または相殺する。

図３は、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで励磁した場合（Ａ）、第２コイル１４ａ～１４ｈのみで励磁した場合（Ｂ）の磁力線の分布を示す図である。図４は、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで励磁した場合（Ａ）、第２コイル１４ａ～１４ｈのみで励磁した場合（Ｂ）、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈで励磁した場合（Ｃ）の水平方向の各位置における積分磁場を示す図である。

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで磁極１２ａ～１２ｈを励磁した場合の積分磁場（磁力）は、水平方向に位置に応じて線形に変化する。そして、この磁力は、通過領域を通過する荷電粒子ビームを収束させる線形の収束力として、荷電粒子ビームに作用する。また、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、第２コイル１４ａ～１４ｈのみで磁極１２ａ～１２ｈを励磁した場合の積分磁場（磁力）は、水平方向の位置に応じて非線形（より詳細には、３次曲線的）に変化する。この磁力は、通過領域を通過する荷電粒子ビームを成形する非線形の成形力として、荷電粒子ビームに作用する。さらに、図４（Ｃ）に示すように、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈで磁極１２ａ～１２ｈを励磁した場合の積分磁場（磁力）は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を合成したものに相当する。

図５は、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで励磁した場合（Ａ）、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈで励磁した場合（Ｂ）の荷電粒子ビームの位相空間分布を示す図である。

荷電粒子ビーム内の粒子数が増加すると、粒子間に働く反発力（空間電荷力）も増大する。その結果、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで磁極１２ａ～１２ｈを励磁すると（すなわち、荷電粒子ビームが四極電磁石を通過すると）、図５（Ａ）に示すように、荷電粒子ビームの位相空間分布をＳ字状に歪めてしまう。これは、荷電粒子ビームの中心では空間電荷力が強い一方で、荷電粒子ビームの外側では空間電荷力が弱いという力の分布に起因する。そして、このような歪みは、荷電粒子ビームの直径が大きくなる等といった悪影響を引き起こす可能性がある。そこで、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈで磁極１２ａ～１２ｈを励磁すると、外側にいくほど急速に強くなる非線形の成形力によって、図５（Ｂ）に示すように、荷電粒子ビームを理想的な楕円形に成形することができる。

荷電粒子ビームを図５（Ｂ）の形状に成形するために、例えば、第１コイル１３ａ～１３ｈの巻き数を６回、第１コイル１３ａ～１３ｈに供給する電流を６００Ａとし、第２コイル１４ａ～１４ｈの巻き数を４回、第２コイル１４ａ～１４ｈに供給する電流を２５０Ａとすればよい。但し、第１コイル１３ａ～１３ｈ及び第２コイル１４ａ～１４ｈの巻き数及び供給する電流の大きさは、加速する粒子の種類、荷電粒子ビームのエネルギー、粒子の密度、ビームサイズ、主ダクト２内において多極電磁石１０の前後に配置される他の電磁石との兼ね合いなどによって決定される。

次に、図６を参照して、本実施形態に係る多極電磁石１０の作用効果を説明する。図６は、磁極１２ａ～１２ｈの先端の距離を変化させた場合において、第１コイル１３ａ～１３ｈのみで励磁した際の磁力線の分布（Ａ）及び収束磁場の傾きの推移（Ｂ）を示す図である。なお、図６（Ｂ）の縦軸及び横軸は、図１１（Ｂ）と同一である。

図６（Ｂ）では、磁極間距離を０ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍと変化させた。磁極間距離とは、同一の磁極グループに属する磁極の先端の距離を指す。図６（Ｂ）に示すように、磁極間距離を０ｍｍとすると、中心からの距離が２０．０ｍｍの位置における収束磁場の傾きを、中心と比較して約０．１％未満のズレに留めることができる。また、磁極間距離が大きくなると、収束磁場の傾きのズレが大きくなる。すなわち、磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈそれぞれの先端を接触させることによって、収束磁場の傾きを線形に維持することができる。

なお、磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈの先端面がズレると磁場の精度が悪化するので、製作誤差の影響を小さくするために、線接触ではなく、面接触させるのが望ましい。一方、磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈそれぞれの接触面積が大きくなると、第２コイル１４ａ～１４ｈで励磁した場合に接触面を介して磁力線が回り、成形磁場が弱くなる。そのため、磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈの面接触している範囲は、例えば、磁極１２ａ、１２ｂの先端から径方向の外側に向かって、２ｍｍ以下にするのが望ましい。

上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。

上記の実施形態に係る多極電磁石１０は、線形の収束力を発生させる四極電磁石として機能すると共に、非線形の成形力を発生させる八極電磁石としても機能する。これにより、四極電磁石及び八極電磁石を主ダクト２に直列に配置する場合と比較して、主ダクト２を短縮することができる。その結果、荷電粒子ビーム加速装置１を小型化することができる。

また、上記の実施形態によれば、同一の磁極グループに属する磁極の先端を接触させることによって、先端を離間させる場合と比較して、多極電磁石１０を径方向にも小型化することができる。また、磁極の先端を面接触させることによって、製作誤差によって磁極の先端がズレるのを防止できる。さらに、接触した磁極の先端が単一の曲線を形成することによって、適切な収束磁場を発生させることができる。

なお、磁極１２ａ～１２ｈに対する第１コイル及び第２コイルの巻き方は、図２の例に限定されない。図７は、第１コイルの巻き方のバリエーションを示す図である。図８は、第２コイルの巻き方のバリエーションを示す図である。

図７（Ａ）に示すように、第１コイル１３ａ～１３ｈは、磁極１２ａ～１２ｈそれぞれに個別に巻回されていてもよい。他の例として、図７（Ｂ）に示すように、第１コイル１３ｉ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｌは、同一の磁極グループに属する磁極１２ａ、１２ｂ、磁極１２ｃ、１２ｄ、磁極１２ｅ、１２ｆ、磁極１２ｇ、１２ｈに共通に巻回されていてもよい。さらに他の例として、図７（Ｃ）に示すように、第１コイル１３ｍ、１３ｎ、１３ｏ、１３ｐは、隣接する磁極グループの間において、ヨーク１１に巻回されていてもよい。

図８（Ａ）に示すように、第２コイル１４ａ～１４ｈは、磁極１２ａ～１２ｈそれぞれに個別に巻回されていてもよい。他の例として、図８（Ｂ）に示すように、第２コイル１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍ、１４ｎ、１４ｏ、１４ｐは、隣接する磁極１２ａ～１２ｈの間において、ヨーク１１に巻回されていてもよい。

また、磁極１２ａ～１２ｈの極性を図２の組み合わせにするためのコイルの配置は、図２の例に限定されない。次に図９及び図１０を参照して、図２に示す極性の組み合わせを実現するコイルの配置を説明する。図９は、コイルの巻き数によって極性の組み合わせを実現する例を示す図である。図１０は、第１コイル及び第２コイルの配置によって極性の組み合わせを実現する例を示す図である。なお、上記の実施形態との共通点の詳細な説明は省略し、相違点を中心に説明する。

図９の例では、磁極１２ａ～１２ｈそれぞれにコイル２３ａ～２３ｈが巻回されている。また、Ｓ極となる磁極１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｆに巻回されるコイル２３ａ、２３ｂ、２３ｅ、２３ｆと、Ｎ極となる磁極１２ｃ、１２ｄ、１２ｇ、１２ｈに巻回されるコイル２３ｃ、２３ｄ、２３ｇ、２３ｈとは、巻き方向が逆向きである。さらに、強磁性磁極となる磁極１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇに巻回されるコイル２３ｂ、２３ｃ、２３ｆ、２３ｇの巻き数は、弱磁性磁極となる磁極１２ａ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｈに巻回されるコイル２３ａ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｈの巻き数より多い。

図１０の例では、隣接する磁極グループの間のヨーク１１に第１コイル３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが巻回され、同一の磁極グループに属する磁極の間のヨーク１１に第２コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが巻回されている。第１コイル３３ａ、３３ｃと、第１コイル３３ｂ、３３ｄとは、巻き方向が逆向きである。また、第２コイル３４ａ～３４ｄは、巻き方向が同一である。

そして、第１コイル３３ａ～３３ｄは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転するように、各磁極１２ａ～１２ｈを励磁する。また、第１コイル３３ａ～３３ｄは、各磁極１２ａ～１２ｈに絶対値が基準値となる磁力を付与する。一方、第２コイル３４ａ～３４ｄは、第１コイル３３ａ～３３ｄによって付与された磁力を強化または相殺することによって、強磁性磁極及び弱磁性磁極を生じさせる。

さらに、磁極１２ａ～１２ｈの数は、８個に限定されない。多極電磁石１０は、４Ｎ＋４（Ｎは自然数）個の磁極を備えていればよい。そして、自然数Ｎが奇数か偶数かによって、磁極の先端それぞれが以下の極性になるように、コイルによって各磁極を励磁すればよい。なお、自然数Ｎの値に拘わらず、周方向に連続するＮ＋１個の磁極が１個の磁極グループに属する。また、同一の磁極グループに属する磁極の先端は、接触している。

自然数Ｎが奇数（Ｎ＝１、３）のとき、コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転すると共に、強磁性磁極と弱磁性磁極とが周方向にＮ＋１個ずつ交互に配置されるように、各磁極を励磁する。

より詳細には、第１コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転するように、各磁極を励磁する。また、第２コイルは、強磁性磁極と弱磁性磁極とが周方向にＮ＋１個ずつ交互に配置されるように、各磁極を励磁する。ここで、第１コイルは、各磁極に基準値の磁力を付与する。また、第２コイルによって付与される磁力は、第１コイルによって付与される磁力より小さい。

自然数Ｎ＝３のとき、第１コイルは、１６個の磁極が｛Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極｝になるように、各磁極を励磁する。また、第２コイルは、１６個の磁極が｛Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極｝になるように、各磁極を励磁する。その結果、１６個の磁極は、｛Ｓ^－、Ｓ^－、Ｓ^＋、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^－、Ｎ^－、Ｓ^－、Ｓ^－、Ｓ^＋、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^－、Ｎ^－｝になる。さらに、磁極の数が１６個の場合、図４（Ｂ）に対応する積分磁場（磁力）の分布は７次曲線となる。

自然数Ｎが偶数（Ｎ＝２、４）のとき、コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転すると共に、４つの磁極グループそれぞれの周方向の中央に位置する基準磁極を挟んで、強磁性磁極と弱磁性磁極とが交互に配置されるように、各磁極を励磁する。なお、基準磁極とは、磁力の絶対値が基準値の磁極を指す。

より詳細には、第１コイルは、同一の磁極グループに属する磁極の極性が同一で且つ周方向に隣接する磁極グループの極性が反転するように、各磁極を励磁する。また、第２コイルは、４つの磁極グループそれぞれにおいて、周方向の中央に位置する磁極を励磁せず、基準磁極より周方向の一方側の磁極と、基準磁極より周方向の他方側の磁極とに逆向きの極性を付与する。ここで、第１コイルは、各磁極に基準値の磁力を付与する。また、第２コイルによって付与される磁力は、第１コイルによって付与される磁力より小さい。

自然数Ｎ＝２のとき、第１コイルは、１２個の磁極が｛Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極｝になるように、各磁極を励磁する。また、第２コイルは、１２個の磁極が｛Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｎ極、中性、Ｓ極｝になるように、各磁極を励磁する。その結果、１２個の磁極は、｛Ｓ^－、Ｓ、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ、Ｎ^－、Ｓ^－、Ｓ、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ、Ｎ^－｝になる。さらに、磁極の数が１２個の場合、図４（Ｂ）に対応する積分磁場（磁力）の分布は５次曲線となる。

自然数Ｎ＝４のとき、第１コイルは、２０個の磁極が｛Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極｝になるように、各磁極を励磁する。また、第２コイルは、２０個の磁極が｛Ｎ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｎ極、中性、Ｓ極、Ｓ極｝になるように、各磁極を励磁する。その結果、１２個の磁極は、｛Ｓ^－、Ｓ^－、Ｓ、Ｓ^＋、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^＋、Ｎ、Ｎ^－、Ｎ^－、Ｓ^－、Ｓ^－、Ｓ、Ｓ^＋、Ｓ^＋、Ｎ^＋、Ｎ^＋、Ｎ、Ｎ^－、Ｎ^－｝になる。さらに、磁極の数が２０個の場合、図４（Ｂ）に対応する積分磁場（磁力）の分布は９次曲線となる。

１…荷電粒子ビーム加速装置、２…主ダクト、３…入射装置、４…合流ダクト、４ａ…合流点、５…偏向電磁石、６…加速装置、７…分岐ダクト、７ａ…分岐点、８…荷電粒子ビーム取出装置、１０…多極電磁石、１１…ヨーク、１２ａ～１２ｈ…磁極、１３ａ～１３ｐ，３３ａ～３３ｄ…第１コイル、１４ａ～１４ｐ，３４ａ～３４ｄ…第２コイル、２３ａ～２３ｈ…コイル

Claims (9)

1. 荷電粒子ビームを収束及び成形する多極電磁石であって、
   荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨークと、
   前記ヨークの周方向に離間した位置において、各々が前記ヨークの内周面から前記通過領域に向けて突出する４Ｎ＋４（Ｎは正の奇数）個の磁極と、
   前記磁極を励磁するコイルとを備え、
   周方向に連続するＮ＋１個の前記磁極を１個の磁極グループとして、同一の前記磁極グループに属する前記磁極の先端は、接触しており、
   前記コイルは、
   同一の前記磁極グループに属する前記磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する前記磁極グループの極性が反転すると共に、
   磁力の絶対値が基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が前記基準値より小さい弱磁性磁極とが、周方向にＮ＋１個ずつ交互に配置されるように、前記磁極を励磁することを特徴とする多極電磁石。
2. 荷電粒子ビームを収束及び成形する多極電磁石であって、
   荷電粒子ビームが通過する通過領域が中央に設けられたリング状のヨークと、
   前記ヨークの周方向に離間した位置において、各々が前記ヨークの内周面から前記通過領域に向けて突出する４Ｎ＋４（Ｎは正の偶数）個の磁極と、
   ４Ｎ＋４個の前記磁極を励磁するコイルとを備え、
   周方向に連続するＮ＋１個の前記磁極を１個の磁極グループとして、同一の前記磁極グループに属する前記磁極の先端は、接触しており、
   前記コイルは、
   同一の前記磁極グループに属する前記磁極の極性が同一で、且つ周方向に隣接する前記磁極グループの極性が反転すると共に、
   ４つの前記磁極グループそれぞれの周方向の中央に位置し且つ磁力の絶対値が基準値の基準磁極を挟んで、磁力の絶対値が前記基準値より大きい強磁性磁極と、磁力の絶対値が前記基準値より小さい弱磁性磁極とが交互に配置されるように、前記磁極を励磁することを特徴とする多極電磁石。
3. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   同一の前記磁極グループに属するＮ＋１個の前記磁極の先端は、面接触していることを特徴とする多極電磁石。
4. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   同一の前記磁極グループに属するＮ＋１個の前記磁極の先端は、荷電粒子ビームの進行方向から見て、単一の曲線を形成していることを特徴とする多極電磁石。
5. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   前記コイルは、
   ４Ｎ＋４個の前記磁極それぞれに前記基準値の磁力を付与する第１コイルと、
   前記第１コイルによって付与された磁力を強化または相殺する第２コイルとを含むことを特徴とする多極電磁石。
6. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   前記コイルは、前記強磁性磁極に対する巻き数が前記弱磁性磁極に対する巻き数より多いことを特徴とする多極電磁石。
7. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   前記コイルは、４Ｎ＋４個の前記磁極それぞれに個別に巻回されていることを特徴とする多極電磁石。
8. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   前記コイルは、同一の前記磁極グループに属するＮ＋１個の前記磁極に共通に巻回されていることを特徴とする多極電磁石。
9. 請求項１または２に記載の多極電磁石において、
   前記コイルは、隣接する前記磁極の間または隣接する前記磁極グループの間において、前記ヨークに巻回されていることを特徴とする多極電磁石。

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