JP3945310B2 - Ｈ型偏向電磁石及び荷電粒子加速装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、他の物体と物理的な干渉を起こしにくく、かつ漏洩磁場の小さなＨ型偏向電磁石と、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部で使用する偏向電磁石群にこのＨ型偏向電磁石を含む荷電粒子加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１６はProceedings of the seventh European Particle Accelerator Conferenceの「Beam Dynamics in a CW Microtron for Industrial Applications」掲載の、荷電粒子加速装置の１種であるCW（Continuous Wave）マイクロトロンの概念（平面）図である。ここでは、荷電粒子加速装置として、このCWマイクロトロンを例にとり説明する。
【０００３】
図１６において、１は荷電粒子を発生しCWマイクロトロンに入射する入射器、２は荷電粒子の入射のために使用する入射部偏向電磁石群、３はその内部を通過する際に荷電粒子を加速する機能を有する高周波加速空洞、４は軸対象に設置された２台の偏向電磁石Ａ、５は軸対称に設置された２台の偏向電磁石Ｂ、６は入射器１からの荷電粒子をCWマイクロトロンに入射させるための入射軌道、７は入射後の加速装置内での荷電粒子の加速軌道、８は入射直後の荷電粒子が高周波加速空洞３で加速された後、偏向電磁石４および５を通過する際の最初の１８０度偏向軌道、９は荷電粒子の入射後、偏向軌道８を経由して高周波加速空洞３により再度加速されエネルギーが増加した荷電粒子に対する先に述べた偏向電磁石Ａ４及び偏向電磁石Ｂ５と対称の位置関係にある偏向電磁石Ａ４と偏向電磁石Ｂ５による第ニ回目の１８０度偏向軌道、１０は前記偏向軌道９を経由してきた荷電粒子の最初の直線周回軌道である。入射軌道６、加速軌道７、偏向軌道８、９等、および最初の直線周回軌道１０等は通常真空に保つ必要があるので真空のダクト（図では省略してある。）内に設定されている。尚、本明細書でいう各軌道は設計上の軌道、所謂、設計軌道を指すものとする。
【０００４】
また、図１５は荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部近傍に設置される入射部偏向電磁石群２の近傍を荷電粒子の入射軌道６、及び加速軌道７と共に拡大して示した概念(平面)図であり入射軌道６、加速軌道７を含む平面による断面図表示となっている。
入射部偏向電磁石群２は、第１の偏向電磁石２１、第２の偏向電磁石２２(後述する通りＨ型偏向電磁石)、第３の偏向電磁石２３の３台で構成されている場合を示す。
【０００５】
次に動作について説明する。図１６において、入射器１で発生させた荷電粒子は入射軌道６を経由して図１５に示す入射部偏向電磁石群２の端の第１の偏向電磁石２１により偏向され加速軌道７に導かれる。加速軌道７に導かれた荷電粒子は加速軌道７上を進行し、図１６に示す高周波加速空洞３に入り、ここを進行中に加速され、偏向電磁石Ａ４、および偏向電磁石Ｂ５により偏向軌道８を通り、進行方向を逆転させ、元の加速軌道７に戻される。その後、加速軌道７を今度は最初とは逆の方向に進行し、高周波加速空洞３で更に加速され、入射部偏向電磁石群２を経由して最初とは反対側に設置された偏向電磁石Ａ４、および偏向電磁石Ｂ５により進行方向を更に１８０度変える。但し、このときは最初の進行方向逆転時に比べ荷電粒子のエネルギーが増加しているため、偏向電磁石４、５による偏向半径がより大きな偏向軌道９上を進行する。従って、荷電粒子は、元の加速軌道７には戻らず、最初の直線周回軌道１０を通り、偏向軌道９と同じ偏向半径を有する軌道（但し前記偏向軌道９とは軸対象の位置にある偏向軌道）を通り、加速軌道７に戻される。その後は、加速の都度、偏向半径のより大きな軌道を経由し、従って、最初の直線周回軌道１０もより外側の直線周回軌道に移りながら、且つ、周回毎に加速軌道７に戻されつつ所望のエネルギーにまで加速される。目的のエネルギーにまで加速された荷電粒子は加速装置外に取り出され利用されるが、図では荷電粒子の取り出し部分は省略してある。
【０００６】
次に、入射部偏向電磁石群２の動作について説明する。上述の通り、図１５の第１の偏向電磁石２１を介して、荷電粒子が入射軌道６から、加速軌道７に導かれる。しかし、一旦入射された荷電粒子は、２回目の加速以降は、加速軌道７を入射時とは逆方向に進行し、第１の偏向電磁石２１を通過するに際して、偏向磁場の存在により、荷電粒子が偏向されるため、そのままの状態で放置しておけば、本来の加速軌道からそれて、加速軌道を囲む形で設置してある前記真空ダクト内壁に衝突して荷電粒子が消失するなど、うまく周回させることができなくなる。そのため、第１の偏向電磁石２１で偏向された荷電粒子軌道を早い段階で元の加速軌道に戻してやる必要が生じる。図１５の第２の偏向電磁石２２、第３の偏向電磁石２３はそのために設置された電磁石であり、図に示すように、第１の偏向電磁石２１で一旦偏向を受けた荷電粒子の加速軌道を、第２の偏向電磁石２２、第３の偏向電磁石２３で元の加速軌道に戻している。尚、図１６のケースでは入射の際の荷電粒子の進行方向と次の加速時の進行方向とは逆になっているため、上記偏向を受けた加速軌道７の偏向方向は入射荷電粒子の偏向方向とは逆になっている。図１６に示す加速装置の設計によっては入射方向と加速方向とを揃えることもでき、その場合は、加速軌道７の偏向方向は図１５に示す方向とは反対になる。
【０００７】
尚、第２の偏向電磁石２２はその近傍に入射軌道６があることから、漏洩磁場を小さくして、入射軌道６上を進行する荷電粒子に対する悪影響を低減する必要がある。そのため、通常、図１３の断面模式図に示すような、所謂Ｈ型偏向電磁石を使用する（以後、第２の偏向電磁石２２については、Ｈ型偏向電磁石とする。以下、後述するようにＨ型偏向電磁石の各種型式の採用について言及することになるが、全て２２の番号で統一することとする。Ｈ型偏向電磁石の各種型式を区別する必要があるときはＨ型偏向電磁石イ２２〜Ｈ型偏向電磁石ホ２２等と記載することにする。）。なお、ヨーク内の空隙の形状がアルファベットのＨをイメージさせることからこのような名称で呼ばれている。図１３に示すＨ型偏向電磁石は、従来から使用されている標準的なもので、ここでは、後述する本発明に係るＨ型偏向電磁石と区別するためにＨ型偏向電磁石ホ２２と呼ぶこととする。図において、２２１、２２２はＨ型偏向電磁石ホ２２の両側面に互いに鏡面対称に配置された、Ｈ型偏向電磁石ホ２２を構成する厚さｔ１の第１、第２のヨーク戻り部（リターンヨーク部）、２２３はヨークに巻いた電磁石用コイル(上下各１セットある。)、２２４、２２５は、リターンヨーク２２２の、コイル２２３近傍、及び、後述する偏向軌道平面１１に近い部位でのリターンヨーク内磁力線の様子を示すために設定したリターンヨーク部領域Ａ及びＢである。２２７は、このＨ型偏向電磁石ホ２２の偏向磁場形成領域で、この部分を荷電粒子が紙面に垂直方向に走行することにより(加速軌道として番号７で示す。)、偏向磁場形成領域２２７に形成されている偏向磁場による偏向を受けつつ走行し、所謂、偏向軌道を形成する。
【０００８】
１１はこのＨ型偏向電磁石ホ２２による前記偏向軌道により形成される平面（偏向軌道平面）であり、紙面に垂直方向に広がっているものである。このＨ型偏向電磁石ホ２２内では荷電粒子は、基本的には入射粒子、加速粒子ともこの偏向軌道平面１１上を走行する。図１６の例では入射粒子および加速粒子の走行方向を逆にしたので、図１３での入射軌道６と加速軌道７の表示には各々を通過する入射粒子、加速粒子の走行方向が紙面に垂直な方向で互いに逆向きであるということを示す表示にしてある。既に述べたように、粒子線加速装置１６の設計によっては、両者が同一方向になることもある。
【０００９】
Ｈ型偏向電磁石ホ２２は両側にリターンヨークがあるため、それが片側にしかない、所謂C型偏向電磁石に比べ、漏洩磁場が小さいという特徴を有する。そのため、既に述べたように、入射粒子等、磁場に影響されやすい対象へのＨ型偏向電磁石からの漏洩磁場による影響が低減できるという利点を有しており、これが、図１５に示す偏向電磁石２２にＨ型偏向電磁石を採用する理由となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の加速装置、およびそこに荷電粒子を入射する際に使用する偏向電磁石および偏向電磁石群は以上のような構成となっていたが、このような構成で荷電粒子を加速装置内に入射する際に問題となるのが、入射軌道６と偏向電磁石２２の物理的な干渉である。この干渉を避けるには、図１５に示すように、偏向電磁石２１と２２間の距離Ｌ１を一定の大きさ以上にしなければならない。また、通常、偏向電磁石群２の各偏向電磁石は対称に設計配置するので偏向電磁石２２と２３の間の距離もＬ１にするケースが多い。従って、上記干渉を避けようとすると、偏向電磁石群２全体の長さが、Ｌ１の大きさに伴い、大きくなってしまい、それを組み込む加速装置の直線部(図１６の２台の偏向電磁石４の間の領域)も長くする必要が生じる。そうすると、直線部を長くした分、余分の真空ダクトが必要になると共に、その分真空排気系の負荷も大きくなるため、加速装置製作コストが上昇する。さらに、必要設置スペースも大きくなることから、建て屋コストも上昇してしまう。
【００１１】
これらの諸点を解決するために、偏向電磁石２１の偏向磁場強度を大きくし、入射軌道をもっと急角度で加速軌道に接続することによりＬ１を小さくするという方法が考えられる。しかし、この場合は、偏向電磁石２１の偏向軌道の修正のために設置されている偏向電磁石２２、及び２３の軌道修正効果も大きくする必要が生じる。すなわち、偏向電磁石２２、２３の偏向磁場強度も大きくする必要がある。そうすると、偏向電磁石２２のリターンヨーク厚ｔ１が増加することになり、結局、Ｌ１がどこまで短縮化できるかは疑問であるし、偏向電磁石２１〜２３全てについて、費用も増加する。
【００１２】
従って、同一偏向磁場強度を有する従来型のＨ型偏向電磁石であれば、物理的に干渉してしまう位置にある対象物に対して、物理的に干渉せず、且つ、その対象物位置での漏洩磁場を当該従来型のＨ型偏向電磁石と同程度にまで低くし、且つ、その従来型Ｈ型偏向電磁石の長さ、幅を超えないＨ型偏向電磁石を実現することが求められていた。このような要請は、荷電粒子加速装置の粒子入射部近傍に使用する偏向電磁石のみに特有の問題ではなく、一般的な課題としても捉えることができるものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のＨ型偏向電磁石は、Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が走行する際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により決められる偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道平面に直交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道に沿って、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部を設け、その切り欠き部のリターンヨーク厚を、当該リターンヨーク全面を一定の厚さにした時に、当該リターンヨーク内の偏向軌道平面位置での磁力線の向きが、当該Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場形成部における磁力線の向きと同じになる厚さｔ２とし、前記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨーク厚をｔ２よりも大きく且つ、他方のリターンヨーク厚ｔ１よりも小さい値であるｔ３とすることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のＨ型偏向電磁石は、リターンヨーク厚がｔ２からｔ３に変化する切り欠き部境界部分において、リターンヨーク厚をｔ２からｔ３に傾斜的若しくは段階的に変化させたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の荷電粒子加速装置は、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部に使用される、荷電粒子入射用の偏向電磁石を含む、３以上の偏向電磁石で構成される偏向電磁石群において、荷電粒子入射用の軌道と隣接する少なくとも１の偏向電磁石に、本発明に係るＨ型偏向電磁石を使用したことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本発明は、【従来の技術】で述べた様に、同一偏向磁場強度を有する従来型のＨ型偏向電磁石であれば、物理的に干渉してしまう位置にある対象物に対して、物理的に干渉せず、且つ、その対象物位置での漏洩磁場を当該従来型のＨ型偏向電磁石と同程度にまで低くし、且つ、その従来型Ｈ型偏向電磁石の長さ、幅を超えないＨ型偏向電磁石を実現することを目的とする。
【００１７】
ある物体がＨ型偏向電磁石と物理的に干渉する場合の例として、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部近傍に設置される偏向電磁石群を取り上げて説明する。図１に、偏向電磁石群２が入射軌道６と物理的に干渉する場合の、偏向電磁石２１側から見た、偏向電磁石２２の、本発明による模式（側面）図を示す。なお、通常の本電磁石設置条件下では、紙面上部方向が垂直上方に相当するため、以下の説明では、そのような前提で説明するが、これに限定されるものではない。図１に示すＨ型偏向電磁石２２を、以後Ｈ型偏向電磁石イ２２と呼ぶことにする。図において、２２１、２２２、２２３は図１３の場合と同じである。但し、リターンヨーク２２２の厚さは図１３の場合と異なり、後述するように、厚さｔ１より薄くなっている。２２４はリターンヨーク部領域Ａを示し、図示するように、コイル設置位置近傍でのリターンヨーク部に対応する部分であり、偏向軌道面１１に対して対称の位置に設定され、次に述べるリターンヨーク部領域Ｂ２２５を除く（簡略化のために対称の位置の図示は省略した。）部分である。２２５はリターンヨーク部領域Ｂを示し、偏向軌道平面１１に対して対称に設定される。リターンヨーク部領域Ｂ２２５の高さはｈで、別途定める。２２６はリターンヨーク部領域Ａと同領域Ｂとの切り欠き部境界部分を示す。偏向軌道平面１１を中心とした高さｈに相当するリターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚さはｔ２、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さはｔ３とする。ｔ３はリターンヨーク厚ｔ２よりも大きく、ｔ１よりも小さい値にし、後述するように、ｔ２に依存する形で設定する。２２７は図１３と同じく、偏向磁場領域を示し、この部分を荷電粒子が走行する。この荷電粒子の走行軌道が７で示されており、紙面に垂直方向に走行する。
図１５との対応で言えば、加速軌道に対応するものである。
【００１８】
偏向電磁石２２と入射軌道６との物理的干渉を避けるためには、次のいずれかの方法が考えられる。
(1)図６のＨ型偏向電磁石ハ２２に示すように、偏向軌道平面１１を中心に、リターンヨーク部２２２を、入射軌道との物理的干渉（実際は、入射軌道を含む真空ダクトとの干渉）を避けるために必要な高さｈおよび厚さｔ２まで電磁石全長にわたり切り欠く方法。
(2)図９のＨ型偏向電磁石ニに示すように、リターンヨーク部２２２全体を厚さｔ２まで薄くする方法。
【００１９】
このように、例えば図６に示す偏向電磁石の場合であれば、図８に示すように偏向電磁石２２と入射軌道６とが本来ならば物理的に干渉する位置まで偏向電磁石２１と２２間の距離を小さくしても(Ｌ１からＬ２(＜Ｌ１)にまで。)、両者の干渉を避けることができる。入射軌道の入射角度に沿う形でリターンヨーク部２２２を切り欠いても良いし、図９に示す場合も同様である。
【００２０】
問題は、漏洩磁場強度である。図１１に、当該リターンヨーク部２２２近傍の磁場強度が、偏向軌道平面１１上の位置によって、どのように変化するかを模式的に示す。図１１は、荷電粒子走行方向の電磁石中央部において、偏向軌道平面上のヨーク外端面を原点にとり、正方向を電磁石外部方向にとって、横軸の位置Ｘとし、磁場強度の位置Ｘ依存性を示したものである。
図中のa 、ｂの番号を付して示した線は、以下の条件に対応した磁場強度の位置Ｘ依存性を示す。
a.「軌道平面のみ切り欠き」；図６に示すＨ型偏向電磁石ハ２２に対応。
図６に示すリターンヨーク部領域Ｂ２２５に対応する、偏向軌道平面を中心とした一定高さｈにわたる部分の厚さをｔ２になるまで切り欠いた場合である。
b.「ヨーク全面薄い」；、図９に示すＨ型偏向電磁石ニ２２に対応。
片側のリターンヨーク部について、全面にわたり（図９に示すリターンヨーク部領域Ａ２２４および領域Ｂ２２５共）厚さｔ２になるまでリターンヨーク厚を薄くした場合である。（c 、 d の符号を付した線については後述する。）
図１１では、リターンヨーク厚ｔ２＝約０．２ｃｍとし、Ｘ＝０〜−０．２ｃｍ間をリターンヨーク部２２２に対応させ、リターンヨーク部領域Ｂ２２５近傍の磁場強度のＸ依存性を模式的に示している。Ｘ＞０ｃｍの領域(図１１において「電磁石外部方向」と記載した部分。)が入射軌道の隣接する部分になり、漏洩磁場強度が問題となる領域になる。
【００２１】
図１１は、a 、 bのいずれの偏向電磁石であっても、リターンヨーク２２２の端面から離れるにつれ、磁場強度が漸減し、一定距離離れると、漏洩磁場強度は、実質上、無視できる程度にまで低減することを模式的に示している。しかし、Ｘが小さい領域ではa 、ｂいずれのケースでもリターンヨーク２２２外への漏洩磁場強度は大きなもので、問題が残ることを示唆するものである。
【００２２】
ここで、留意すべき点はa とｂの磁場極性が互いに反転していることである。この磁場極性の反転について、磁力線図を使って見ることにする。図１４は、リターンヨーク部に切り欠きのない、図１３に示す従来型のＨ型偏向電磁石ホ２２について、図１０は、片側のリターンヨーク全面の厚さを低減した図９に示すＨ型偏向電磁石ニ２２について(図１１のｂのケースに対応)、図７は、従来型のＨ型偏向電磁石の片側のリターンヨークについて、偏向軌道平面を中心に高さｈ分だけリターンヨークを切り欠いて、切り欠いた部分の厚さをｔ２とした図６に示すＨ型偏向電磁石ハ２２について(図１１のaのケースに対応)、それぞれ磁力線分布を示すものである。図１４、図１０は偏向軌道平面１１の上半分について、図７は、図６に示す電磁石コイル２２３の近傍のヨーク部領域Ｃ２２８についての磁力線分布を示したものである。
【００２３】
図１４に示す従来型のＨ型偏向電磁石ホ２２の場合、図７に示すＨ型偏向電磁石ハ２２の場合は、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場は、同偏向磁場領域２２７の磁場の極性に対して逆極性であるが、図１０に示すＨ型偏向電磁石ニ２２の場合は、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場は、同偏向磁場領域２２７の磁場の極性と同一の極性になっていることがわかる。これは、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場が、リターンヨーク部領域Ａ２２４の磁場と偏向磁場領域２２７からの漏洩磁場の大小関係から決められるために起こる現象であり、図１０に示すようにリターンヨーク厚を全面にわたって薄くしていくと、ある厚さ以上に薄くすると、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場が偏向磁場極性と同じになる。
【００２４】
このリターンヨーク部領域Ｂ２２５の磁場極性の反転現象から、図１に示すような形状のリターンヨークを設けることにより、そのリターンヨーク外部での漏洩磁場強度を所定の条件下で低減することができることがわかる。以下、その理由と共に、漏洩磁場低減の条件について述べる。まず、図９に示すような一方のリターンヨーク全面でその厚さを薄くしたＨ型偏向電磁石ニ２２を考える。そのリターンヨーク厚を、上述したように、薄くしていくと、ある厚さＴ０以下になると当該リターンヨーク部の領域Ｂ２２５の磁場極性が、偏向磁場領域２２７における偏向磁場極性と同じになる。図１に示す一方のリターンヨーク部の領域Ｂ２２５の厚さｔ２を前記Ｔ０以下に設定する。この状態では、このリターンヨーク外(すなわち位置Ｘが正の領域)での漏洩磁場強度は図１１のｂの線で示すように比較的大きなものとなる。次に、当該リターンヨーク部の領域Ａ２２４の厚さを増加させていく。この領域Ａ２２４の厚さをｔ２からｔ１まで変化させたときのこのリターンヨーク外での漏洩磁場強度は図１１の線ｂから c 、 d 、そして aで示すように変化していく。これは、上述したように、リターンヨーク部領域Ａ２２４から同領域Ｂ２２５へ回り込む磁力線の増加によるキャンセリング効果によるものである。このことから、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さｔ３をｔ２からｔ１の間の適当な値に設定することで漏洩磁場強度を低減できることがわかる。
【００２５】
図１２は、以上の効果を詳細に調べるために、このリターンヨーク外への漏洩磁場強度の位置Ｘによる変化を詳細に計算し示したものである。図１２において、縦軸、横軸、およびa 〜 dで示す線の意味、条件は図１１の場合と同じである。但し、Ｘ≧０ｃｍの領域についてのみ示してある。尚、漏洩磁場強度の低減の目安となるように、図１３に示す、両方のリターンヨークとも、切り欠き部を設けない標準的なヨークで、その厚さがｔ１であるＨ型偏向電磁石ホ２２における漏洩磁場強度をeの線で示した。ちなみに、この場合はリターンヨーク厚ｔ１を約５ｃｍと設定したことから、リターンヨークの外端面位置は、a 、ｂの場合の原点から見ると、ほぼ５ｃｍ付近に来ることになり、eの線はＸ≧約５ｃｍについてのみ示されている。
図１２のa 〜 dのいずれの場合もその漏洩磁場強度、Ｘが大きな所では０に漸近する。しかし、ｂや cの場合は、漏洩磁場強度の絶対値は、有限の位置Ｘ＝Ｘ０で０となる。この０となる位置Ｘ０は、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚さｔ２と、同領域Ａ２２４の厚さｔ３に依存して決まる。更に領域部Ｂの高さｈにも依存する。例えば、ｂのケースでは、ｔ２を小さくすると、Ｘ０の位置はリターンヨーク端面から遠ざかるものの、依然Ｘ０に対応する位置は存在する。但しｔ２が小さくなると、リターンヨーク部領域Ａの部分からの漏洩磁場強度が増加していくため、偏向軌道平面から上下に少し外れた位置での漏洩磁場強度は顕著に増加する。
【００２６】
また、リターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚さｔ２を固定して、ｔ３をｔ２から増加していくと、ある厚さまでは、偏向軌道平面上で漏洩磁場強度が０となる位置Ｘ０はリターンヨーク部領域Ｂ２２５の外端部表面に近接してくる。しかし、ある厚さ以上にｔ３を増やしても、d や aに示すように漏洩磁場強度の低減という点では効果がなくなってしまう。
【００２７】
このように、ｔ３をｔ２からｔ１まで増加させる場合、ｔ２の値を小さくすることも含めて考えれば、Ｘ０の位置は大きく変動するが、現実的な選択を考えると、Ｘ０の位置はリターンヨーク部領域Ｂ２２５の外端部表面、すなわちＸ＝０からＸ＝ｔ１−ｔ２までの間に来ることが多い。
【００２８】
図１２の例で言えば、入射軌道の位置を、例えばＸ＝２ｃｍ近傍とすると、その位置では、a 、ｂ、 dの電磁石とも、漏洩磁場強度はeの線で示された磁場強度に比べ無視できない程に大きいが、上述したように、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さをｔ２から増やし、図１２のcで示す線に対応する厚さにした場合は、Ｘ＝約２ｃｍ近傍で漏洩磁場強度はほぼ０に近い値になる。このことは、ｔ２が前記の条件に従って設定され、且つ、Ｈ型偏向電磁石に対する入射軌道位置に応じて、リターンヨーク部領域Ａ２２４の厚さを適切に選定すれば、その位置における漏洩磁場強度を最小にすることが可能となることを示すものである。
【００２９】
以上をまとめると、まず、この偏向電磁石と入射軌道の物理的干渉の程度、及びリターンヨーク領域Ｂ２２５内の磁力線の極性が偏向磁場領域２２７の磁力線の極性と同じになる厚さから、ｔ２を決め、次に入射軌道の位置関係を勘案して、どの位置で磁場強度を最小にすべきかを決め、上記ｔ２の値に応じてｔ３値を決めるという手順で本偏向電磁石の片側のリターンヨーク厚を決めていくことになる。他方のリターンヨーク厚ｔ１は、当初設計のままであり変更はない。このようにして定めた本発明に係るＨ型偏向電磁石の一例を示したものが図１であり、図２はそのときの磁力線分布を示す。
【００３０】
尚、上記ｔ３の決定においては、図３に示すように、入射軌道６の位置が、偏向電磁石２２との関係において一定でないことにも留意する必要がある。このような場合には、例えば、偏向電磁石２２の近傍を、入射粒子が通過する際の、入射粒子に対する漏洩磁場の影響の積分値が最小になるように、ｔ３を決めることができる。
【００３１】
以上は、電磁石長さ方向にわたって一方のリターンヨーク部領域Ｂ２２５、すなわち切り欠き部の深さを一定にしたものである。先に述べたように、入射軌道に沿って切り欠いても、入射軌道とリターンヨークとの干渉は避けることができる。図１に示すＨ型偏向電磁石イ２２の方が、通常、漏洩磁場対策の点から優れているが、厚さｔ２を一定値以下にする必要があることから、何らかの事情により、ｔ２厚を実現できない場合に、入射軌道に沿って切り欠くという方式を選択肢とすることができる。
このように、一方のリターンヨーク部を上記ｔ２とｔ３(ｔ２より大きく且つｔ１よりも小)の２種類の厚さにすることにより、目的とする位置でのこのＨ型偏向電磁石からの漏洩磁場強度を、従来型のＨ型偏向電磁石並にまで低減することができる。
【００３２】
以上の様に構成された偏向電磁石であれば、従来型のＨ型偏向電磁石であれば物理的に干渉を起こしてしまうような位置にでも、漏洩磁場による悪影響を受けやすい対象物を設置することができる。しかも、本発明に係るＨ型偏向電磁石の大きさは従来型のＨ型偏向電磁石の大きさを超えない。
従って、この発明に係る図１に示すＨ型偏向電磁石イ２２を、図３に示すように、偏向電磁石群２の偏向電磁石２２として採用すると、偏向電磁石２１〜２３のサイズを大きくすることなく、また、入射軌道６と偏向電磁石２２の物理的干渉を起こすこともなく、偏向電磁石２１と２２の間の距離Ｌ２をＬ１よりも短縮化して設置できるため、偏向電磁石群２の全長を短縮化できる。従って、このように短縮化された偏向電磁石群２を荷電粒子入射点近傍に採用した加速装置については、加速装置直線部の短縮化も図ることができ、本発明を採用しない場合に比べて、真空ダクトの必要長が低減できると共に、その分、真空排気系の負荷も小さくなるため、真空排気系の簡略化が可能となり、当該加速装置をより小型・安価に製作することができる。また、当該加速装置全長の短縮化を図ることにより、必要設置スペースもその分小さくて済むことから、建て屋コストの低減化も図ることができるという効果もある。
【００３３】
尚、上記偏向電磁石群２は３台の偏向電磁石から構成されるものとして説明したが、３台に限定する必要はない。偏向電磁石２１により偏向を受けた荷電粒子の加速軌道を元の加速軌道に戻すための電磁石群であるから、例えば４台、５台等、３台以上の偏向電磁石の構成であっても同様の効果を持たせることができる。当然その分全長は長くなるが、この選択は加速装置ビームダイナミックスの設計上の問題である。
【００３４】
また、偏向電磁石群２の内１台を本発明のＨ型偏向電磁石イ２２にするということで説明したが、これに限定する必要もない。入射軌道の入射角によっては複数の偏向電磁石と物理的に干渉を生じることも考えられる。そのような場合は、干渉する偏向電磁石を全て本発明に係るＨ型偏向電磁石にすることができる。
【００３５】
更に、偏向電磁石群２は荷電粒子加速軌道に沿って対称軌道になるように電磁石を配置・構成することを前提に述べてきたが、加速装置の全体設計上、対称性についての特段の要請（ビームダイナミックスからの要請等。）がなければ、対称性にこだわる必要性は必ずしもない。
【００３６】
実施の形態２
図４に、本発明の別の実施の形態であるＨ型偏向電磁石ロ２２の断面模式図を示す。図４に示す偏向電磁石ロ２２は、図１に示す本発明に係るＨ型偏向電磁石イ２２において、リターンヨーク部領域Ａ２２４とリターンヨーク部領域Ｂ２２５の境界で、両者の厚さを１ステップで階段状に変えるのではなく、傾斜部２４を介して変えることを特徴とする。
【００３７】
図１に対応する磁力線分布を図２に示すが、リターンヨーク部領域Ａ２２４とリターンヨーク部領域Ｂ２２５の厚さを１ステップで階段状に変えた場合は、図２の２２６で示した領域Ａ、Ｂ間の切り欠き部境界部分では磁力線の集中が起こっており、漏洩磁場対策上好ましくない。そこで、上述の通り、傾斜部２４を設けることにより、図５の切り欠き部境界部分２２６で示す個所の磁力線分布から判るように、磁力線の集中を緩和することができ、図１に示す偏向電磁石イ２２を図４の偏向電磁石ロ２２に置き換えることにより、実施の形態１で述べた効果と同等な効果をも享受しつつ、より漏洩磁場強度の小さな偏向電磁石を供給することができる。
【００３８】
尚、傾斜部２４の形状は図４では直線で示したが、必ずしもこれにこだわる必要はない。多数ステップの階段状にしたり、曲線を介したり等することにより、ヨーク厚の急変を避けるようにできれば同様の効果を奏することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｈ型偏向電磁石において、Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が走行する際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により決められる偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道平面に直交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道に沿って、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部を設け、その切り欠き部のリターンヨーク厚を、当該リターンヨーク全面を一定の厚さにした時に、当該リターンヨーク内の偏向軌道平面位置での磁力線の向きが、当該Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場形成部における磁力線の向きと同じになる厚さｔ２とし、前記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨーク厚をｔ２よりも大きく、且つ、他方のリターンヨーク厚ｔ１よりも小さい値であるｔ３とすることにより、当該Ｈ型偏向電磁石の近傍に、その位置での当該Ｈ型偏向電磁石からの漏洩磁場強度を小さく保ったままで、物理的干渉が問題となる機器等を配置することが容易となる。
【００４０】
本発明によれば、上述のＨ型偏向電磁石において、リターンヨーク厚がｔ２からｔ３に変化する切り欠き部境界部分において、リターンヨーク厚をｔ２からｔ３に傾斜的若しくは段階的に変化させたことにより、リターンヨーク厚の薄い領域から厚い領域へ変化する部分で、磁束の集中を緩和することができ、ヨーク内における磁気的な飽和を抑制できるので、電磁石外部への漏洩磁場強度をより低減できる。そのため、当該偏向電磁石の近傍に物理的干渉が問題となり、且つ磁場による影響が問題になる機器等を配置することが一層容易となる。
【００４１】
本発明によれば、荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部に使用される、荷電粒子入射用の偏向電磁石を含む、３以上の偏向電磁石で構成される偏向電磁石群において、荷電粒子入射用の軌道と隣接する少なくとも１の偏向電磁石に、本発明に係るＨ型偏向電磁石の何れかを使用することにより、この偏向電磁石群を構成する各偏向電磁石の設置間距離を小さくすることができるため、この偏向電磁石群の全長を短縮化できる。従って、この偏向電磁石群を採用した荷電粒子加速装置の真空系の簡略化を通じて荷電粒子加速装置の小型化及び費用低減に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石イの断面模式図
【図２】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石イの磁力線分布を示す図
【図３】 本発明の実施の形態１に係るＨ型偏向電磁石イを採用した入射部偏向電磁石群と入射軌道および加速軌道を示す平面断面配置図
【図４】 本発明の実施の形態２に係るＨ型偏向電磁石ロの断面模式図
【図５】 本発明の実施の形態２に係るＨ型偏向電磁石ロの磁力線分布を示す図
【図６】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハの断面模式図
【図７】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハに対する電磁石コイル近傍ヨーク部領域Ｃの磁力線分布図
【図８】 切り欠き部付Ｈ型偏向電磁石ハを採用した入射部偏向電磁石群と入射軌道および加速軌道を示す平面断面配置図
【図９】 極薄型リターンヨーク付Ｈ型偏向電磁石ハの断面模式図
【図１０】 極薄型リターンヨーク付Ｈ型偏向電磁石ハの磁力線分布図
【図１１】 リターンヨーク近傍の磁場強度分布のリターンヨーク形状依存性を示す概念図
【図１２】 漏洩磁場強度のリターンヨーク形状依存性を示す図
【図１３】 従来型のＨ型偏向電磁石ホの断面模式図
【図１４】 従来型のＨ型偏向電磁石ホの磁力線分布図
【図１５】 従来型のＨ型偏向電磁石ホを採用した入射部偏向電磁石群と入射軌道および加速軌道を示す平面断面配置図
【図１６】 ＣＷマイクロトロンの概念平面図
【符号の説明】
１ 入射器、２ 入射部偏向電磁石群、３ 高周波加速空洞、４ 偏向電磁石Ａ、５ 偏向電磁石Ｂ、６ 入射軌道、７ 加速軌道、８ 最初の１８０度偏向軌道、９ 第２回目の１８０度偏向軌道、１０ 最初の直線周回軌道、１１ 偏向軌道平面、２１ 第１の偏向電磁石、２２ 第２の偏向電磁石（Ｈ型偏向電磁石）、２３ 第３の偏向電磁石、２４ 傾斜部、２２１ 第１のリターンヨーク部、 ２２２ 第２のリターンヨーク部、２２３ 電磁石用コイル、２２４ リターンヨーク部領域Ａ、２２５ リターンヨーク部領域Ｂ、２２６ 切り欠き部境界部分、２２７ 偏向磁場形成領域、２２８ ヨーク部領域Ｃ

Claims (3)

1. Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場中を荷電粒子が走行する際に形成される設計偏向軌道と偏向中心により形成される偏向軌道平面に対して対称に、当該偏向軌道平面に直交する方向に一定距離ｈだけ、且つ、偏向軌道に沿って、一方のリターンヨーク側面全面に切り欠き部を設け、その切り欠き部のリターンヨーク厚を、当該リターンヨーク全面を一定の厚さにした時に、当該リターンヨーク内の偏向軌道平面位置での磁力線の向きが、当該Ｈ型偏向電磁石の偏向磁場形成部における磁力線の向きと同じになる厚さｔ２とし、前記一定距離ｈから外れる部分の当該リターンヨーク厚をｔ２よりも大きく且つ、他方のリターンヨーク厚ｔ１よりも小さい値であるｔ３とすることを特徴とするＨ型偏向電磁石。
2. リターンヨーク厚がｔ２からｔ３に変化する切り欠き部境界部分において、リターンヨーク厚をｔ２からｔ３に傾斜的若しくは段階的に変化させたことを特徴とする請求項１に記載したＨ型偏向電磁石。
3. 荷電粒子加速装置の荷電粒子入射部に使用される、荷電粒子入射用の偏向電磁石を含む、３以上の偏向電磁石で構成される偏向電磁石群において、荷電粒子入射用の軌道と隣接する少なくとも１の偏向電磁石に、請求項１又は２に記載するＨ型偏向電磁石を使用したことを特徴とする荷電粒子加速装置。

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