JP3456139B2 - Cyclotron equipment - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、荷電粒子を加速
するサイクロトロン装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cyclotron apparatus for accelerating charged particles.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図７は、例えば「第１２回サイクロトロ
ンとその利用に関する国際会議プロシーディングス、２
４頁、（１９８９頁）」に記載されている従来のサイク
ロトロン装置の軌道平面上の断面模式図である。図にお
いて、１１１は強磁性体磁極片（以下、ポールチップと
いう）、１１２はグルーブ、１１３はディー、１１４は
デフレクター、１１５は出射ダクト、１１６は電磁石で
ある。2. Description of the Related Art FIG. 7 shows, for example, "International Conference Proceedings on the 12th Cyclotron and Its Utilization, 2
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view on the orbit plane of the conventional cyclotron device described in (Page 4, 1989). In the figure, 111 is a ferromagnetic pole piece (hereinafter referred to as a pole tip), 112 is a groove, 113 is a dee, 114 is a deflector, 115 is an exit duct, and 116 is an electromagnet.
【０００３】このサイクロトロン装置はサイクロトロン
の加速原理を用いている。図の中心部付近に荷電粒子が
入射される。軌道平面（紙面）に関して垂直方向に電磁
石１１６、ポールチップ１１１、グルーブ１１２により
直流の磁場を発生させる。その磁場と荷電粒子の持つ初
速度により、荷電粒子は磁石中心を中心とする回転を開
始する。ディー１１３の電極間に、ある調整された周波
数の高周波電界（数ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ程度）を与
えると、そこを通過する度に荷電粒子はエネルギーを得
て、加速を受ける。加速された荷電粒子は曲がりにくく
なるので、磁石中心を中心とする回転半径は徐徐に大き
くなり、荷電粒子の軌道は外側へと移動する。そして、
デフレクタＡ１１４付近に達する。デフレクタではサイ
クロトロンの外側に力を及ぼす電界とビームを収束させ
る磁界がかかっており、円軌道で加速されていた荷電粒
子は、ビーム収束磁極１１４Ｂ，Ｃを通過して次第に直
線軌道となり、出射ダクト１１５を通り、サイクロトロ
ン外へ取り出される。[0003] This cyclotron device uses the acceleration principle of a cyclotron. Charged particles are incident near the center of the figure. A direct current magnetic field is generated by the electromagnet 116, the pole tip 111, and the groove 112 in a direction perpendicular to the orbit plane (paper surface). Due to the magnetic field and the initial velocity of the charged particles, the charged particles start rotating around the center of the magnet. When a high-frequency electric field of a certain adjusted frequency (about several MHz to several hundred MHz) is applied between the electrodes of the dee 113, the charged particles gain energy each time they pass therethrough and are accelerated. Since the accelerated charged particles are less likely to bend, the radius of rotation about the center of the magnet gradually increases, and the trajectory of the charged particles moves outward. And
It reaches near the deflector A114. In the deflector, an electric field exerting a force and a magnetic field for converging the beam are applied to the outside of the cyclotron. The charged particles accelerated in the circular orbit pass through the beam converging magnetic poles 114B and C, and gradually become linear orbits. Through the cyclotron.
【０００４】サイクロトロンで荷電粒子を安定に加速す
る為には以下の様な磁場分布を精度良く作成する必要が
ある。
（１）精度良く等時性磁場を作成する。サイクロトロン
でディーにかける高周波電界の周波数を一定にして加速
を行う場合には、荷電粒子の周回周期を各周回毎に一定
にする必要がある。サイクロトロン中の荷電粒子は加速
開始時の中心部から加速終了時の取り出し部に至るま
で、加速とともに軌道が変化するが、上記全ての軌道上
の周回時間（周波数）を一定とする必要がある。荷電粒
子は加速とともに、その質量がローレンツファクターに
比例して増加するので、磁場もそれとともに半径方向に
増加させる必要がある（外側へ向かって正の磁場勾配を
持たせる）。このような半径方向の磁場分布を等時性磁
場と呼ぶ。これらの磁場の精度は１×１０ー 4程度であ
る。
（２）周回中に水平、垂直方向に所定の収束力が得られ
る様な磁場分布を作成する。中心部付近に入射した荷電
粒子は、そのエネルギー、位置、傾き等にある程度のば
らつきがある。よって、磁界に収束力が無いと粒子群は
数ターンで広がり、たちまち上下のチェンバや、壁に衝
突してしまう。よって、周回中には水平（ｘ）方向（半
径方向）と垂直（Ｚ）向（軌道平面に対して垂直方向）
に収束力を持たせる必要がある。収束力のパラメータと
して、ベータトロン振動数（チューン）がある。ベータ
トロン振動数とは荷電粒子がサイクロトロンを１周する
間に何回振動するかを表すパラメータである。図７の様
なポールチップの数が３個（セクター数３）のＡＶＦサ
イクロトロンでは、水平方向のチューンを１．４程度よ
り小さくする必要がある。また垂直方向のチューンは
０．１〜０．４程度の範囲内に保ったままで加速を行う
必要がある。In order to stably accelerate charged particles in a cyclotron, it is necessary to accurately create the following magnetic field distribution. (1) Create an isochronous magnetic field with high accuracy. When accelerating while maintaining the frequency of the high-frequency electric field applied deeply by the cyclotron, it is necessary to make the orbital period of the charged particles constant for each orbital. The trajectory of charged particles in the cyclotron changes with acceleration from the center at the start of acceleration to the extraction part at the end of acceleration, but the orbiting time (frequency) on all the orbits needs to be constant. Since the mass of a charged particle increases with acceleration as its mass increases in proportion to the Lorentz factor, the magnetic field also needs to be radially increased (with a positive outward magnetic field gradient). Such a radial magnetic field distribution is called an isochronous magnetic field. Accuracy of these fields is about 1 × 10 -4. (2) Create a magnetic field distribution such that a predetermined convergence force is obtained in the horizontal and vertical directions during the orbit. Charged particles incident near the center have some variation in energy, position, inclination, and the like. Therefore, if the magnetic field has no convergence force, the particle group spreads in several turns, and immediately collides with the upper and lower chambers and walls. Therefore, during the orbit, the horizontal (x) direction (radial direction) and the vertical (Z) direction (perpendicular to the track plane)
Must have convergence. As a parameter of the convergence force, there is a betatron frequency (tune). The betatron frequency is a parameter indicating how many times the charged particle vibrates during one cycle of the cyclotron. In an AVF cyclotron having three pole chips (three sectors) as shown in FIG. 7, the tune in the horizontal direction needs to be smaller than about 1.4. Further, it is necessary to accelerate while keeping the vertical tune within a range of about 0.1 to 0.4.
【０００５】ところで、等時性磁場を作る為には前述の
様に半径方向の外側ほど強い磁場を作成する必要があ
る。外側に強くなる磁場は水平方向には収束力として働
くが、垂直方向には発散力として働く。従って垂直方向
の収束力を得る為には、図７の複数（通常３個以上）の
ポールチップ１１１を配置して円周方向に磁場強度を変
化させる必要がある。ポールチップを配置することで、
ある半径の位置を１周回する間の磁場に強弱が生じる。
即ち、ポールチップがある部分（ヒル）の磁場は強くな
り、ない部分（バレー）の磁場は弱くなる。その強弱磁
場中では粒子の軌道は円軌道から３角形に歪んだ軌道に
変化する（ポールチップが３つの図７の装置の場合）。
よって、ポールチップに傾きをもって入射する様にな
り、シンクロトロンの集束電磁石と同様な効果を持たせ
ることができる。その収束力は、ポールチップを螺旋状
に湾曲させる（スパイラル角を持たせる）とその効果が
大きくなる。ポールチップを挿入することで、水平、垂
直方向に所定の収束力を持たせることが可能となる。[0005] By the way, in order to generate an isochronous magnetic field, it is necessary to generate a magnetic field that is stronger radially outward as described above. The magnetic field that becomes stronger outward acts as a convergent force in the horizontal direction, but acts as a divergent force in the vertical direction. Therefore, in order to obtain a vertical convergence force, it is necessary to arrange a plurality of (usually three or more) pole tips 111 in FIG. 7 to change the magnetic field strength in the circumferential direction. By placing the pole tip,
The strength of the magnetic field during one orbit around a certain radius is generated.
That is, the magnetic field in the portion (hill) where the pole tip is present becomes stronger, and the magnetic field in the portion (valley) where the pole tip is not present becomes weaker. In the strong or weak magnetic field, the orbit of the particle changes from a circular orbit to a triangularly distorted orbit (in the case of the apparatus of FIG. 7 having three pole tips).
Therefore, the light is incident on the pole tip with an inclination, and the same effect as the focusing electromagnet of the synchrotron can be provided. The effect of the converging force increases when the pole tip is spirally curved (has a spiral angle). By inserting the pole tip, it becomes possible to give a predetermined convergence force in the horizontal and vertical directions.
【０００６】ところで、図７の様なセクター数３のサイ
クロトロンで陽子を２００ＭｅＶ程度まで加速する時に
は、垂直方向の収束力を確保する磁極形状を設計した場
合には、水平方向の収束力が強くなりすぎてしまう。具
体的には垂直方向のチューンを０．１程度とする為に
は、垂直方向のチューンは１．４以上となってしまう。
これを克服する為に、図７のグルーブ（凹溝）１１２を
挿入する。グルーブを挿入することにより、磁場の凹凸
数が増加し、水平、垂直方向の収束力が増加する。収束
力の増加の仕方は、垂直方向が水平方向より大きいの
で、パラメータの最適化を行うと２００ＭｅＶ〜２３０
ＭｅＶ程度まで陽子を加速することが可能となる。な
お、セクター数３のＡＶＦサイクロトロンで２００Ｍｅ
Ｖまで加速した例は世界に１件のみである。また、２３
９ＭｅＶ程度まで加速可能な近似的な数値検討結果はあ
るが、まだ実現されてはいない。When protons are accelerated to about 200 MeV in a cyclotron having three sectors as shown in FIG. 7, if the magnetic pole shape for securing the vertical convergence is designed, the horizontal convergence becomes strong. Too much. Specifically, in order to set the tune in the vertical direction to about 0.1, the tune in the vertical direction becomes 1.4 or more.
To overcome this, a groove (concave groove) 112 shown in FIG. 7 is inserted. By inserting the groove, the number of irregularities of the magnetic field increases, and the convergence force in the horizontal and vertical directions increases. The method of increasing the convergence force is such that the vertical direction is larger than the horizontal direction, so that when the parameters are optimized, 200 MeV to 230
It becomes possible to accelerate protons to about MeV. The AVF cyclotron with three sectors has 200 Me
Only one case in the world has accelerated to V. Also, 23
Although there are approximate numerical study results that can accelerate to about 9 MeV, they have not been realized yet.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来例の様なサイクロ
トロン装置では、荷電粒子の最高エネルギーがある値に
制限されていた。例えば、セクター数３のサイクロトロ
ンでは陽子の最高加速エネルギーは２００ＭｅＶ〜２３
０ＭｅＶ程度であった。また、従来例１の様なサイクロ
トロンで２３０ＭｅＶ程度まで加速可能なポールチップ
を設計した場合、そのスパイラル角は大きくなり、ポー
ルチップの間にディーを配置するのが難しいといった問
題があった。例えば、図８は従来のサイクロトロン装置
の軌道平面上のポールチップの断面図であり、スパイラ
ル角が大きい場合のポールチップの形状を示している。
図からポールチップの間にディーを配置するのは難しい
ことがわかる。In the conventional cyclotron apparatus, the maximum energy of charged particles is limited to a certain value. For example, in a cyclotron with three sectors, the maximum acceleration energy of protons is 200 MeV to 23
It was about 0 MeV. Further, when a pole tip that can be accelerated to about 230 MeV by a cyclotron as in Conventional Example 1 is designed, the spiral angle becomes large, and there is a problem that it is difficult to arrange a dee between the pole tips. For example, FIG. 8 is a cross-sectional view of a pole tip on the orbit plane of a conventional cyclotron device, and shows the shape of the pole tip when the spiral angle is large.
The figure shows that it is difficult to place a dee between pole chips.
【０００８】この発明は、かかる問題点を解決する為に
なされたものであり、従来の装置と比較して高エネルギ
ーまで荷電粒子を加速可能なサイクロトロン装置を提供
するものである。The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a cyclotron apparatus capable of accelerating charged particles to a higher energy than conventional apparatuses.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】この発明の第１の構成で
あるサイクロトロン装置は、軸方向に対向し、半径方向
に等時性磁場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各
磁極は放射状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁
極は磁極面に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹
溝の半径に沿う境界が半径方向となす角が、前記磁極片
の半径方向に沿う境界が半径方向となす角より大きい磁
極を有するものである。Means for Solving the Problems] cyclotron device is a first configuration of the invention, axially opposed, has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, wherein each magnetic pole is radially Or each of the magnetic poles has a spiral concave groove along the radial direction on the magnetic pole surface, and an angle formed by a boundary along the radius of the concave groove with the radial direction is the radial direction of the magnetic pole piece. Has a magnetic pole larger than the angle formed by the boundary with the radial direction.
【００１０】また、この発明の第２の構成であるサイク
ロトロン装置は、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁
場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射
状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面
に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹溝のベータ
トロン振動数の大きい半径方向領域において、その半径
に沿う境界が半径方向となす角が、前記磁極片の半径方
向に沿う境界が半径方向となす角より大きい磁極を有す
るものである。[0010] cyclotron apparatus according to a second configuration of the invention, axially opposed, has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, wherein each of the magnetic poles is radial or spiral A magnetic pole piece, wherein each of the magnetic poles has a spiral groove along the radial direction on the pole face, and in a radial region where the betatron frequency of the groove is large, an angle formed by a boundary along the radius with the radial direction. However, the magnetic pole piece has a magnetic pole whose boundary along the radial direction is larger than the angle formed by the radial direction.
【００１１】また、この発明の第３の構成であるサイク
ロトロン装置は、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁
場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射
状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面
の半径の大きい部分に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有
し、前記凹溝の半径に沿う境界が半径方向となす角が、
前記磁極片の半径方向に沿う境界が半径方向となす角よ
り大きい磁極を有するものである。[0011] cyclotron device which is a third configuration of the invention, axially opposed, has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, wherein each of the magnetic poles is radial or spiral Each of the magnetic poles has a spiral concave groove along the radial direction at a large radius portion of the magnetic pole surface, and an angle formed by a boundary along the radius of the concave groove with the radial direction,
The pole piece has a magnetic pole whose boundary along the radial direction is larger than the angle formed by the radial direction.
【００１２】また、この発明の第４の構成であるサイク
ロトロン装置は、前記磁極片の前記凹溝の最外周領域
が、前記磁極片の最外周領域を越える位置に形成された
ものである。Further, in a cyclotron apparatus according to a fourth configuration of the present invention, the outermost peripheral area of the concave groove of the pole piece is formed at a position exceeding the outermost peripheral area of the pole piece.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図を用いて説明する。図
１はこの発明の実施の形態１であるサイクロトロン装置
のポールチップの断面図である。図において、１１はポ
ールチップ、１２はグルーブである。また、図２は図１
のポールチップをサイクロトロン装置に組込んだ時の鳥
瞰図である。図において、１１はポールチップ、２２は
主コイル、２３はシールドコイル、２４はビーム取り出
し口、２５は軌道平面である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, 11 is a pole tip and 12 is a groove. FIG. 2 shows FIG.
FIG. 2 is a bird's-eye view when the pole tip of FIG. In the figure, 11 is a pole tip, 22 is a main coil, 23 is a shield coil, 24 is a beam outlet, and 25 is a track plane.
【００１４】１９９７年現在稼働中のAVFサイクロトロ
ンでポールチップに積極的にグルーブをつけている装置
は１台のみであり（オランダのＡＧＯＲ）、他に１台の
フィージビリティスタディ結果があるのみである。従来
のポールチップ中のグルーブは、いずれもポールチップ
のスパイラル角（図１中のα１）とグルーブのスパイラ
ル角（図１中のα２）がほぼ同じ角度であった。この様
な形状のポールチップを用いた場合、水平、垂直方向双
方の収束力を保持して加速できる荷電粒子のエネルギー
は陽子の場合、２００ＭｅＶ〜２３０ＭｅＶ程度であっ
た。There is only one device (AGOR in the Netherlands) that actively grooves the pole tip in the AVF cyclotron in operation as of 1997, and there is only one other feasibility study result. Regarding the groove in the conventional pole tip, the spiral angle of the pole tip (α1 in FIG. 1) and the spiral angle of the groove (α2 in FIG. 1) were almost the same. When a pole tip having such a shape is used, the energy of charged particles that can be accelerated while maintaining the convergence force in both the horizontal and vertical directions is about 200 MeV to 230 MeV for protons.
【００１５】この発明のサイクロトロン装置は、図１に
示す用に、同じ半径におけるα１とα２の角度を積極的
に変化させた。α２をα１より大きくすることにより、
陽子を２５０ＭｅＶ〜３００ＭｅＶ程度まで加速可能な
装置を提供することが可能となった。以下に定量的に記
述する。In the cyclotron apparatus according to the present invention, as shown in FIG. 1, the angles α1 and α2 at the same radius are positively changed. By making α2 larger than α1,
It has become possible to provide an apparatus capable of accelerating protons to about 250 MeV to 300 MeV. It is described quantitatively below.
【００１６】水平・垂直方向の収束力を表すパラメータ
であるベータトロン振動数のある半径ｒにおける値は近
似的に以下の式（１）で導出することが可能である。The value at a certain radius r of the betatron frequency, which is a parameter representing the horizontal and vertical convergence, can be approximately derived from the following equation (1).
【００１７】[0017]
【数１】 (Equation 1)
【００１８】ここで、ｒはサイクロトロン中のビーム軌
道の半径、Ｂオーバーラインは半径ｒにおける磁場分布
の１周平均値、Ｎはポールチップの数（セクター数）、
Ｆ1は周期数Ｎのフラッタ（磁場の凹凸の度合いを表す
パラメータ）、Ｆ2 は周期数２Ｎ以上のフラッタ、α１
はポールチップのスパイラル角、α２はグルーブのスパ
イラル角である。また、ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）はサイクロ
トロンの平衡軌道が円軌道からずれる効果を表す量であ
り、平衡軌道計算をすることで導出することができる。
正確な議論をする場合には、周期数ｍＮ（ｍは自然数）
のそれぞれについてスパイラル角を定義する必要がある
が、近似的には上記の式（１）でかなりの精度が得られ
る。Where r is the radius of the beam orbit in the cyclotron, B overline is the mean value of one round of the magnetic field distribution at radius r, N is the number of pole tips (the number of sectors),
F 1 is (parameter representing the degree of irregularity of the magnetic field) flutter periodicity N, F 2 is the number of periods 2N or more flutter, [alpha] 1
Is the spiral angle of the pole tip, and α2 is the spiral angle of the groove. Further, f (x) and g (x) are quantities representing the effect of the equilibrium orbit of the cyclotron deviating from the circular orbit, and can be derived by calculating the equilibrium orbit.
For an accurate discussion, the number of periods mN (m is a natural number)
, It is necessary to define the spiral angle, but approximately accuracy can be obtained approximately by the above equation (1).
【００１９】以下、ポールチップの数がＮ＝３の場合に
ついて議論する。従来の装置では、ある半径におけるポ
ールチップのスパイラル角α１とグルーブのスパイラル
角α２が同じであった。よって、従来の装置で例えば２
５０ＭｅＶまで加速を行う様な設計をしても、２００Ｍ
ｅＶ程度の所で水平方向のベータトロン振動数が所定の
値を越えてしまい安定に加速できなかった。セクタ数３
のサイクロトロンの場合、メインの加速領域のベータト
ロン振動数が、水平方向１．０〜１．４、垂直方向０．
１〜０．４程度とする必要がある。しかしながら、従来
の装置で、２５０ＭｅＶ程度まで陽子を加速しようとし
ても、２００ＭｅＶ程度で水平方向のベータトロン振動
数が１．４を越えてしまい、１．５に達すると３／２共
鳴によりビームが失われ、それ以上の加速が難しかっ
た。また、水平方向のベータトロン振動数を１．４に抑
える様に設計した場合には、垂直方向の収束力が０とな
ってしまって、安定加速ができなかった。しかしながら
この発明では、２００ＭｅＶ付近でポールチップのスパ
イラル角α１よりグルーブのスパイラル角α２を大きく
することで、２５０ＭｅＶ程度まで加速可能なセクター
数３の装置を実現することが可能となった。The case where the number of pole tips is N = 3 will be discussed below. In the conventional apparatus, the spiral angle α1 of the pole tip and the spiral angle α2 of the groove at a certain radius are the same. Therefore, for example, 2
Even if it is designed to accelerate to 50 MeV,
At about eV, the betatron frequency in the horizontal direction exceeded a predetermined value, and stable acceleration was not possible. Number of sectors 3
, The betatron frequency of the main acceleration region is 1.0 to 1.4 in the horizontal direction and 0.1 in the vertical direction.
It is necessary to be about 1 to 0.4. However, even if the conventional apparatus attempts to accelerate protons to about 250 MeV, the betatron frequency in the horizontal direction exceeds 1.4 at about 200 MeV, and when it reaches 1.5, the beam is lost due to 3/2 resonance. It was difficult to accelerate further. Further, when the horizontal betatron frequency was designed to be suppressed to 1.4, the convergence force in the vertical direction became zero, and stable acceleration could not be performed. However, according to the present invention, by increasing the spiral angle α2 of the groove near the spiral angle α1 of the pole tip near 200 MeV, it is possible to realize a device having three sectors that can accelerate to about 250 MeV.
【００２０】更に、従来装置で２００ＭｅＶ程度まで加
速する装置はグルーブを入れることで可能であったが、
その場合収束力を確保する為にはポールチップのスパイ
ラル角を７０度程度とかなり大きくする必要があった。
よって、ポールチップ間に挿入するディーの形状が複雑
となり、ディーの設計が難しくなったり、ディーの消費
電力が大きくなるといった問題があった。しかしなが
ら、本発明の装置では、グルーブのスパイラル角α２を
大きくすることで、ポールチップのスパイラル角α１が
それほど大きくならない条件で磁極設計が可能となり、
ポールチップの間に挿入するディーの設計が単純化し、
また共振のＱ値を上げることができるので消費電力を小
さくすることができる。Further, a conventional device capable of accelerating up to about 200 MeV was possible by inserting a groove.
In that case, in order to secure the convergence force, the spiral angle of the pole tip had to be considerably increased to about 70 degrees.
Therefore, there is a problem that the shape of the dee inserted between the pole tips becomes complicated, the design of the dee becomes difficult, and the power consumption of the dee increases. However, in the device of the present invention, by increasing the spiral angle α2 of the groove, it becomes possible to design the magnetic pole under the condition that the spiral angle α1 of the pole tip does not become so large.
The design of the dee inserted between the pole tips has been simplified,
Further, since the Q value of resonance can be increased, power consumption can be reduced.
【００２１】従来の装置とこの発明の装置の収束力の相
違を調べるため、２５０ＭｅＶのセクター数３の装置で
ベータトロン振動数の計算を実施した。その結果を以下
にまとめる。
上記表１からわかる様に、この発明により、従来難しか
った、セクター数３のＡＶＦサイクロトロンで、２５０
ＭｅＶ〜３００ＭｅＶまで陽子を加速することが可能と
なった。To examine the difference in convergence between the conventional device and the device of the present invention, the betatron frequency was calculated using a 250 MeV device with three sectors. The results are summarized below. As can be seen from Table 1, according to the present invention, an AVF cyclotron with three sectors, which was difficult in the prior
The proton can be accelerated from MeV to 300 MeV.
【００２２】実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２であるサイクロトロン装
置のポールチップの断面図である。図において、１１は
ポールチップ、１２はグルーブである。また、図４はこ
の発明の実施の形態２であるサイクロトロン装置におけ
る水平方向、垂直方向のベータトロン振動数（チュー
ン）とエネルギーの関係を示す図であり、いわば、２５
０ＭｅＶまでの加速を行う陽子のＡＶＦサイクロトロン
の加速中のベータトロン振動数の変化例を示している。
図のｙ横軸がエネルギーをＭｅＶの単位で表したもの
で、縦軸が水平、垂直方向のベータトロン振動数（チュ
ーン）を示したものである。Embodiment 2 FIG. FIG. 3 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a pole tip and 12 is a groove. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the betatron frequency (tune) in the horizontal direction and the vertical direction and the energy in the cyclotron device according to the second embodiment of the present invention.
9 shows an example of a change in betatron frequency during acceleration of a proton AVF cyclotron that accelerates to 0 MeV.
In the figure, the y-axis represents the energy in units of MeV, and the ordinate represents the betatron frequency (tune) in the horizontal and vertical directions.
【００２３】前述した通り、セクター数３のサイクロト
ロンで陽子を加速する場合には、水平方向のチューンを
１．４程度以下、垂直方向のチューンを０．１以上にす
る必要がある。スパイラル角を大きくした場合には、前
述の式（１）からわかる様に、水平、垂直双方向のチュ
ーンが大きくなる。よって、従来の装置では、例えば垂
直方向の収束力を確保する（チューン０．１以上とす
る）様な最適化を行った場合、水平方向のチューンが
１．４を越えてしまうといった問題があった。水平垂直
方向のチューンを所定の値に納める為に、この発明で
は、グルーブのスパイラル角とポールチップのスパイラ
ル角を加速エネルギーの領域に応じて、異なる角度で変
化させる。低エネルギー（１５０ＭｅＶ程度以下）で
は、水平方向のチューンが１．４より十分小さいので、
垂直方向のチューンのみに注目して、ポールチップの最
適化を行えば良い。よって、図３の様にポールチップの
スパイラル角α１０とグルーブのスパイラル角α２０は
ほぼ同じとした設計で良い。しかし、高エネルギー領域
では、水平方向のチューンが１．４に近づく為に、図３
の高エネルギー側に示す様に、α１１よりα１２を急激
に大きくして、水平、垂直方向のチューンが許容値内に
入る様に前述のチューンの式（１）に基づきポールチッ
プ、グルーブのスパイラル角の最適化を行う。具体的に
は、水平方向のチューンが最大の位置（図４の２００Ｍ
ｅＶ）近傍でグルーブのスパイラル角α１２がポールチ
ップのスパイラル角α１１より大きくなる様なグルーブ
形状とする。また、図３に示すように、グルーブの最外
周領域がポールチップの最外周部を越えてポールチップ
の側面部を含んでもよい。このようなグルーブのスパイ
ラル角の採用により、ポールチップのスパイラル角を小
さくすることができるようになり、ポールチップとディ
ー電極の配置設計が容易になる。また、形状設計の自由
度によりキャビティーの高周波に対するＱ値を高めるこ
とができ、消費電力を小さくすることができる。As described above, when protons are accelerated by a cyclotron having three sectors, the tune in the horizontal direction needs to be about 1.4 or less and the tune in the vertical direction needs to be about 0.1 or more. When the spiral angle is increased, as can be seen from the above equation (1), the tune in both the horizontal and vertical directions increases. Therefore, in the conventional apparatus, for example, when optimization is performed to secure the convergence in the vertical direction (tune to 0.1 or more), there is a problem that the tune in the horizontal direction exceeds 1.4. Was. In order to keep the horizontal and vertical tunes at a predetermined value, in the present invention, the spiral angle of the groove and the spiral angle of the pole tip are changed at different angles in accordance with the acceleration energy region. At low energies (less than about 150 MeV), the tune in the horizontal direction is sufficiently smaller than 1.4,
Focus on the vertical tune only and optimize the pole tip. Therefore, the spiral angle α10 of the pole tip and the spiral angle α20 of the groove may be designed to be substantially the same as shown in FIG. However, in the high energy region, since the horizontal tune approaches 1.4, FIG.
As shown on the high-energy side of the above, α12 is sharply increased from α11, and the spiral angle of the pole tip and the groove is determined based on the above tune equation (1) so that the tune in the horizontal and vertical directions falls within the allowable value. Perform optimization. Specifically, the horizontal tune is at the maximum position (200M in FIG. 4).
In the vicinity of eV), the groove is formed such that the spiral angle α12 of the groove is larger than the spiral angle α11 of the pole tip. Further, as shown in FIG. 3, the outermost peripheral region of the groove may extend beyond the outermost peripheral portion of the pole tip and include the side surface of the pole tip. By employing such a spiral angle of the groove, the spiral angle of the pole tip can be reduced, and the layout design of the pole tip and the D electrode is facilitated. Further, the Q value of the cavity at a high frequency can be increased by the degree of freedom in shape design, and the power consumption can be reduced.
【００２４】実施の形態３．
実施の形態２では低エネルギー側でのグルーブのスパイ
ラル角α２０とポールチップのスパイラル角α１０はほ
ぼ同角度であったが、α２０＜α１０でも安定に加速が
可能である。当然、高エネルギー側ではα２１＞α１１
とすることが不可欠である。上記構成とすることによ
り、高エネルギー側でα２１＞α１１となる様なポール
チップ形状の配置設計が容易になるので、より高エネル
ギーまで荷電粒子を加速可能なサイクロトロン装置を提
供できる。Embodiment 3 FIG. In the second embodiment, the spiral angle α20 of the groove and the spiral angle α10 of the pole tip on the low energy side are almost the same, but even if α20 <α10, stable acceleration is possible. Naturally, α21> α11 on the high energy side
It is essential that By adopting the above configuration, it is easy to design a pole tip shape such that α21> α11 on the high energy side, so that a cyclotron device capable of accelerating charged particles to higher energy can be provided.
【００２５】実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４であるサイクロトロン装
置のポールチップの断面図である。図において、１１は
ポールチップ、１２はグルーブである。Embodiment 4 FIG. 5 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a pole tip and 12 is a groove.
【００２６】図中に示す様に、ある半径より外側のポー
ルチップ側面とポールチップ最外周部間にグルーブ１２
を配置した。低エネルギー側では、グルーブをつけなく
ても、水平、垂直方向に十分な収束力を持たせることが
可能である。高エネルギー側で、垂直方向のみに強い収
束力を持たせる為に、グルーブ１２に示される様に、あ
る半径より外側のポールチップ側面とポールチップ最外
周部間にグルーブを配置した。この様な構成とすること
でα１１＜α２１となる磁極形状配置設計がしやすくな
り、より高エネルギーまで荷電粒子を加速可能なサイク
ロトロン装置を提供できる。As shown in the figure, a groove 12 is provided between the side of the pole tip outside a certain radius and the outermost periphery of the pole tip.
Was placed. On the low energy side, sufficient convergence in the horizontal and vertical directions can be provided without forming a groove. On the high energy side, in order to have a strong convergence only in the vertical direction, as shown in the groove 12, the groove is arranged between the side of the pole tip outside a certain radius and the outermost periphery of the pole tip. With such a configuration, it is easy to design a magnetic pole configuration in which α11 <α21, and it is possible to provide a cyclotron device capable of accelerating charged particles to higher energy.
【００２７】実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５であるサイクロトロン装
置のポールチップの断面図である。図において、１１は
ポールチップ、１２はグルーブである。Embodiment 5 FIG. FIG. 6 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a pole tip and 12 is a groove.
【００２８】本実施の形態では、実施の形態４における
グルーブのスパイラル角α２を更に大きくし、グルーブ
の最外周領域がポールチップの最外周領域を越えてポー
ルチップの側面部を含むように配置した。低エネルギー
側では、グルーブをつけなくても、水平、垂直方向に十
分な収束力を持たせることが可能である。高エネルギー
側で、垂直方向のみに強い収束力を持たせる為に、この
様な構成とすることでα１１＜α２１とする配置設計が
更に容易になり、より高エネルギーまで荷電粒子を加速
可能なサイクロトロン装置を実現できる。図４に示す様
に、最高エネルギー部付近では、水平方向のチューンは
１．４からかなり離れているので、ポールチップ最外周
部ではグルーブが存在しなくても、水平、垂直方向に所
定の収束力を得ることができる。なお、この発明におい
ては、ＡＶＦサイクロトロンに適用した例について説明
したが、シンクロサイクロトロン等に適用しても有効で
ある。In this embodiment, the spiral angle α2 of the groove in the fourth embodiment is further increased so that the outermost peripheral region of the groove extends beyond the outermost peripheral region of the pole tip and includes the side surface of the pole tip. . On the low energy side, sufficient convergence in the horizontal and vertical directions can be provided without forming a groove. In order to have a strong convergence force only in the vertical direction on the high energy side, such a configuration makes it easier to design the arrangement of α11 <α21, and enables the cyclotron to accelerate charged particles to higher energies. The device can be realized. As shown in FIG. 4, the tune in the horizontal direction is far away from 1.4 in the vicinity of the highest energy part, so that even if there is no groove in the outermost part of the pole tip, a predetermined convergence in the horizontal and vertical directions is obtained. You can gain power. In the present invention, an example in which the present invention is applied to an AVF cyclotron has been described, but the present invention is also effective when applied to a synchro cyclotron or the like.
【００２９】[0029]
【発明の効果】この発明は以上説明した様に構成されて
いるので、以下に記載される様な発明の効果を奏する。Since the present invention is configured as described above, it has the following effects of the invention.
【００３０】この発明の第１の構成であるサイクロトロ
ン装置によれば、軸方向に対向し、半径方向に等時性磁
場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射
状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面
に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹溝の半径に
沿う境界が半径方向となす角が、前記磁極片の半径方向
に沿う境界が半径方向となす角より大きい磁極を有する
ようにしたので、従来のサイクロトロンに比べて、より
高い加速エネルギーにおいても水平、垂直方向に所定の
収束力をもたせることができ、安定な加速が可能とな
る。According to the first cyclotron device is the configuration of the present invention, axially opposed, has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, wherein each of the magnetic poles is radial or spiral Each of the magnetic poles has a spiral groove along the radial direction on the pole face, and an angle between a boundary along the radius of the groove and the radial direction is a boundary along the radial direction of the pole piece. Since it has a magnetic pole larger than the angle formed with the radial direction, it can have a predetermined convergence force in the horizontal and vertical directions even at a higher acceleration energy compared to the conventional cyclotron, and stable acceleration is possible .
【００３１】また、この発明の第２の構成であるサイク
ロトロン装置によれば、軸方向に対向し、半径方向に等
時性磁場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極
は放射状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は
磁極面に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹溝の
ベータトロン振動数の大きい半径方向領域において、そ
の半径に沿う境界が半径方向となす角が、前記磁極片の
半径方向に沿う境界が半径方向となす角より大きい磁極
を有するようにしたので、第１の構成の効果に加えて、
磁極片の凹溝のスパイラル角の大きい領域を制限するこ
とができ、磁極片の形状設計が容易になる。Further, according to the cyclotron device of the second configuration of the present invention, the cyclotron device is opposed in the axial direction and is equal in the radial direction.
The magnetic pole has a pair of magnetic poles forming a temporal magnetic field distribution, each of the magnetic poles is formed of a radial or spiral magnetic pole piece, and each of the magnetic poles has a spiral groove along a radial direction on a magnetic pole surface. In the radial region where the betatron frequency is large, the angle formed by the boundary along the radius with the radial direction has a larger magnetic pole than the angle formed by the boundary along the radial direction of the pole piece with the radial direction. In addition to the effects of configuration 1,
The region where the spiral angle of the concave groove of the pole piece is large can be limited, and the shape design of the pole piece becomes easy.
【００３２】また、この発明の第３の構成であるサイク
ロトロン装置によれば、軸方向に対向し、半径方向に等
時性磁場分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極
は放射状または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は
磁極面の半径の大きい部分に半径方向沿う螺旋状の凹溝
を有し、前記凹溝の半径に沿う境界が半径方向となす角
が、前記磁極片の半径方向に沿う境界が半径方向となす
角より大きい磁極を有するようにしたので、第１の構成
の効果に加えて、磁極片の凹溝の配置領域を制限するこ
とができ、磁極片の形状設計が容易となる。Further, according to the cyclotron apparatus of the third configuration of the present invention, the cyclotron apparatus is opposed in the axial direction and is equal in the radial direction.
The magnetic pole has a pair of magnetic poles forming a temporal magnetic field distribution, each of the magnetic poles is formed of a radial or spiral magnetic pole piece, and each of the magnetic poles has a spiral concave groove along a radial direction at a large portion of a magnetic pole surface. The angle formed by the boundary along the radius of the concave groove with the radial direction has a magnetic pole larger than the angle formed by the boundary along the radial direction of the pole piece with the radial direction. In addition to the effects of the first configuration, As a result, the arrangement area of the concave groove of the pole piece can be limited, and the shape design of the pole piece can be facilitated.
【００３３】また、この発明の第４の構成であるサイク
ロトロン装置によれば、前記磁極片の前記凹溝の最外周
領域が、前記磁極片の最外周領域を越える位置に形成す
るようにしたので、第１の構成の効果に加えて、磁極片
のスパイラル角を大きくすることができ、磁極片の形状
設計が容易となる。According to the cyclotron apparatus of the fourth configuration of the present invention, the outermost peripheral area of the concave groove of the pole piece is formed at a position exceeding the outermost peripheral area of the pole piece. In addition to the effects of the first configuration, the spiral angle of the pole piece can be increased, and the shape of the pole piece can be easily designed.
【図１】 この発明の実施の形態１であるサイクロトロ
ン装置のポールチップの断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 図１のポールチップをサイクロトロン装置に
組込んだ時の鳥瞰図である。FIG. 2 is a bird's-eye view when the pole tip of FIG. 1 is incorporated in a cyclotron device.
【図３】 この発明の実施の形態２であるサイクロトロ
ン装置のポールチップの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron device according to a second embodiment of the present invention.
【図４】 この発明の実施の形態２であるサイクロトロ
ン装置における水平方向、垂直方向のベータトロン振動
数（チューン）とエネルギーの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a betatron frequency (tune) in horizontal and vertical directions and energy in a cyclotron device according to a second embodiment of the present invention.
【図５】 この発明の実施の形態４であるサイクロトロ
ン装置のポールチップの断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図６】 この発明の実施の形態５であるサイクロトロ
ン装置のポールチップの断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a pole tip of a cyclotron device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図７】 従来のサイクロトロン装置の軌道平面上の断
面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view on a track plane of a conventional cyclotron device.
【図８】 従来のサイクロトロン装置の軌道平面上のポ
ールチップ形状の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a pole tip shape on an orbit plane of a conventional cyclotron device.
１１ ポールチップ、１２ グルーブ、２２ 主コイ
ル、２３ シールドコイル、２４ ビーム取り出し口、
２５ 軌道平面、１１１ ポールチップ、１１２グルー
ブ、１１３ ディー、１１４ ディフレクタ、１１５
出射ダクト、１１６ 電磁石。11 pole tip, 12 groove, 22 main coil, 23 shield coil, 24 beam outlet,
25 orbit plane, 111 pole tip, 112 groove, 113 dee, 114 deflector, 115
Exit duct, 116 electromagnet.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 13/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H05H 13/00
Claims (4)
分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射状
または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面に
半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹溝の半径に沿
う境界が半径方向となす角が、前記磁極片の半径方向に
沿う境界が半径方向となす角より大きい磁極を有するサ
イクロトロン装置。1. A facing axially has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, the result from each pole radial or helical pole pieces, the radius to the each pole magnetic pole surface A cyclotron device having a spiral groove along a direction, wherein an angle formed by a boundary along a radius of the groove with the radial direction is larger than an angle formed by a boundary along a radial direction of the pole piece with the radial direction.
分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射状
または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面に
半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、前記凹溝のベータト
ロン振動数の大きい半径方向領域において、その半径に
沿う境界が半径方向となす角が、前記磁極片の半径方向
に沿う境界が半径方向となす角より大きい磁極を有する
サイクロトロン装置。Wherein axially opposed, it has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, the result from each pole radial or helical pole pieces, the radius to the each pole magnetic pole surface In the radial region where the betatron frequency of the groove is large, the angle formed by the boundary along the radius with the radial direction is equal to the radius of the boundary along the radial direction of the pole piece. A cyclotron device having a magnetic pole larger than the angle between the direction.
分布を形成する一対の磁極をもち、前記各磁極は放射状
または螺旋状の磁極片からなり、前記各磁極は磁極面の
半径の大きい部分に半径方向沿う螺旋状の凹溝を有し、
前記凹溝の半径に沿う境界が半径方向となす角が、前記
磁極片の半径方向に沿う境界が半径方向となす角より大
きい磁極を有するサイクロトロン装置。Wherein axially opposed, has a pair of magnetic poles forming the isochronous magnetic field distribution in the radial direction, wherein each magnetic pole is made of radial or spiral pole piece, the radius of each pole is pole face Has a spiral groove along the radial direction in the large part of the
A cyclotron device having a magnetic pole in which an angle formed by a boundary along the radius of the concave groove with the radial direction is larger than an angle formed by a boundary along the radial direction of the pole piece with the radial direction.
前記磁極片の最外周領域を越える位置に形成された請求
項１〜請求項３のいずれかに記載のサイクロトロン装
置。4. An outermost peripheral area of the concave groove of the pole piece,
The cyclotron device according to any one of claims 1 to 3, wherein the cyclotron device is formed at a position beyond an outermost peripheral region of the pole piece.
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