JP3961925B2 - ビーム加速装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、癌治療、もしくは殺菌用等に用いられる高エネルギーＸ線、もしくは高エネルギー荷電粒子線を発生させるビーム加速装置に関し、特に荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いるＦＦＡＧ型であって円形磁気誘導（ベータトロン）加速方式のビーム加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビーム加速装置とは、例えば電子等の荷電粒子を加速するものである。そして、この加速された荷電粒子を銅やタングステン等のＸ線変換ターゲットに照射してＸ線を生成し、このＸ線を患部に照射することでがん治療や殺菌等を行う。そして、本発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いるＦＦＡＧ(Fixed Field Alternating Gradient)型のビーム加速装置であり、小型、高出力という特徴を持つ。電子加速のためのＦＦＡＧ型ビーム加速装置は米国のＭＵＲＡ(Midwestern Universities Research Association)での試作例しかない（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
従来のＦＦＡＧ型のビーム加速装置の出力電流制限条件について説明する。電子ビーム電流を大きくすると十分加速されていない領域（低エネルギーの領域）で電子ビームが発散してしまうため、効率の良い加速が難しい。この発散を抑制するには、加速電圧を上げて早い時点で加速を行い、発散する前に高エネルギービームにすればよい。すなわち、磁束の時間変化に比例する加速電圧を上げればよい。これを行うには、加速コアに印可する励磁周波数を上げる必要がある。
【０００４】
【非特許文献１】
エフ・ティー・コール(F.T.Cole),外４名,“ザ レビュー オブ サイエンティフィック インストロメンツ(THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS) ボリュウーム２８(Vo1.28) ナンバー６(Num.6)”,（米国）,アメリカ物理学会(American Institute of Physics),１９５７年,ｐ．４０３−４２０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置において、加速コアに印可する励磁周波数は、従来数１００Ｈｚ程度に制限されていた。これは、加速コアに用いる材料によるものである。従来加速コアに用いられていた例えば膜厚１００μｍ程度の珪素鋼板は、高い飽和磁束密度を持つが、コア損失が大きく発熱が大きい。そのため、高い励磁周波数（１ｋＨｚ以上）での運転が困難であった。
【０００６】
加速コアの内部磁束の変化量は、材料によって定まる飽和磁束密度とコアの断面積の積によって決まる。飽和磁束密度の高いコア材料を用いれば、コア断面積を小さくすることができ、材料を少なくできるとともに装置を小型にすることができる。しかしながら、飽和磁束密度の高い材料は、一般にコア損失が大きく発熱が大きい。その結果、コア断面積が大きくなり装置が大型になるといった問題があった。
【０００７】
すなわち、このようなＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置において、加速コアに印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上とした場合には、温度上昇の点から高損失な高飽和磁束密度材料を使うことができず、加速コアが大きくなるという問題があった。あるいは逆に、小型化を重視して高飽和磁束密度材料（膜厚１００μｍ以上の珪素鋼板等）を使用した場合には、加速コアに印可する励磁周波数を１ｋＨｚ未満として運転しなければならず、十分な出力が得られないという問題があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、加速コアの発熱を抑制し加速コアに印可する励磁周波数を高周波数とすることで加速電圧を増大させることができる高性能なビーム加速装置を得ることを目的とする。また、小型で且つコスト削減を図ることができるビーム加速装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状通路内の周回軌道上に誘導する固定磁場発生手段と、環状中空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、加速コアは、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１のビーム加速装置の上面図である。図２は図１のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図である。図３は図２の断面図の偏向電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。図４は図３の偏向電磁石の磁極片に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。図５は図１のビーム加速装置の加速コアがリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている様子を説明する斜視図である。
【００１１】
本実施の形態のビーム加速装置は、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置である。図１及び図２において、ビーム加速装置は、環状を成す環状真空容器１を有している。環状真空容器１は、ステンレス或いは鉄でなる薄板が接合されて作製され、円形環状をなし内部に断面楔型の密閉空間が形成され、この密閉空間は真空に保持され荷電粒子ビームが通過する環状通路１ａとされている。すなわち、環状真空容器１は、荷電粒子ビームが通過する環状通路１ａが内部に形成された環状中空容器を構成している。環状通路１ａの断面の形状は、径方向において内径側から径方向外側に向かって幅（高さ）が徐々に小さくなる概略楔型を成している。
【００１２】
環状真空容器１には、環状真空容器１の円周方向に沿って６個の偏向電磁石２が所定の間隔を空けて等間隔に配設されている。６個の偏向電磁石２は、断面楔型の環状真空容器１を所々で取り囲むようにして設けられている。偏向電磁石２は、環状真空容器１の上下２主面に各々対向する２つの磁極片２ａ、２ｂを有している。２つの磁極片２ａ、２ｂは、環状真空容器１を挟んで上下に対向して配置され、環状通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭めるように設けられている。２つの磁極片２ａ、２ｂは中央部でさらに互いに間隔を狭めるように断面形状が中央部で凸の湾曲形状とされている。
【００１３】
２つの磁極片２ａ、２ｂには、図３及び図４に示すように、それぞれコイル２ｃ、２ｄが巻回されている。２つのコイル２ｃ、２ｄは、同じ巻回方向で巻かれている。そして、偏向電磁石２は、電源１３からコイル２ｃ、２ｄに電力を供給されて図３に太線矢印で示すような磁力を発生する。一対の磁極片２ａ、２ｂの間隔が広がると磁束密度が粗となり磁力が弱くなる。逆に間隔が狭まると磁束密度が密となり磁力が強くなる。つまり、磁場発生手段である偏向電磁石２の作り出す磁場は、半径方向に内径側から外径側に徐々に小から大となる固定の強さの固定磁場である。そのため、偏向電磁石２は固定磁場発生手段でもある。この固定磁場は、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に移動される変動磁場と逆の関係にあるものである。偏向電磁石２は、この磁場によって荷電粒子ビームの移動方向を所定の曲率半径で偏向させる。そして、偏向電磁石２は、荷電粒子ビームを環状通路１ａ内の所定の周回軌道上に誘導する。
【００１４】
図１に戻り、環状真空容器１の円周方向の一箇所に環状真空容器１を囲繞するように加速ギャップ３が設けられている。加速ギャップ３が設けられた部分の環状真空容器１は、加速電場を発生する為に円周方向に直角な面で分断され、分断箇所は所定の隙間を持って離されている。そして、加速ギャップ３は、セラミック等で作成された短尺円筒状の部材を有し、この円筒部材で該隙間を覆うようにして分断された部分の環状真空容器１を密閉して連結している。そして加速ギャップ３は、このセラミック円筒部材の内側の空間に荷電粒子ビームの加速電場を誘起する。
【００１５】
また、環状真空容器１の円周方向の二箇所で該環状真空容器１を取り囲むようにして一対の加速コア４が設けられている。一対の加速コア４は環状真空容器１の中心に対して対象に配置されている。本実施の形態の加速コア４は、図５に示すように、厚さが５０μｍで飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金でなるリボン状材料４ａが多層巻きされて作製されている。２つの加速コア４には、それぞれ加速コア駆動電源１２から駆動電流を供給するコイル５が１回巻かれている。
【００１６】
図６は加速コアに係わる電気回路を説明する電気系統図である。各々の加速コア４には、加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電流を供給されるコイル５が一巻き巻かれている。２つの加速コア４は環状真空容器１を介して加速ギャップ３と電気的に接続されている。加速コア４はコイル５を介して加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電力を供給され内部の磁束を変化させる。この磁束の変化は、電磁誘導の法則にしたがって加速ギャップ３に加速電場を発生させる。
【００１７】
図１に戻り、環状真空容器１の所定の位置に、電子を発射する電子銃６が設けられている。電子銃６には、発射された電子を環状真空容器１内に導く静電偏向器７が接続されている。一方、電子ビームの出口８には、電子が加速されてなる高エネルギー電子ビーム９が衝突する位置にＸ線変換ターゲット１０が配置されている。高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０を通過することによりＸ線１１となる。
【００１８】
次にビーム加速装置の動作を示す。電子銃６により生成された電子は、静電偏向器７により環状真空容器１の中の周回軌道に誘導される。電子は偏向電磁石２により生成されたフィールド磁界により偏向され、周回軌道上に閉じこめられる。この周回軌道には加速ギャップ３設けられており、加速コア４内の磁束が変化するとき、電磁誘導の法則により加速ギャップ３に加速電場が発生する。この加速電場によって電子は周回を重ねる毎に加速され、高エネルギー電子ビーム９となる。そして環状真空容器１から引き出される。引き出された高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０に照射されＸ線１１に変換される。
【００１９】
次に加速ギャップ３が誘起する加速電場の印加方法について説明する。本発明に係るビーム加速装置は、ベータトロン加速方式のものであり、加速ギャップ３にかかる交番電界の加速フェーズの間を周回電子が何度も通過することで、該電子は高エネルギーをえる。そして、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。
【００２０】
加速コア４内部の磁束の変化量はコア材料によって定まる。飽和磁束密度の高いコア材料を用いれば、コア断面積を小さくでき、コア材料も少なくできるので、環状真空容器１の径を小さくすることができ、小型化、低コスト化を図ることができる。本実施の形態においては、高周波で磁束密度が大きく、コア損失の小さい膜厚５０μｍ以下の軟磁性材料を用いることで加速コア４の発熱を抑制する。これにより、加速コア４に印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上として運転することが可能となる。
【００２１】
本実施の形態においては、加速コア４に用いる飽和磁束密度の高い材料として以下の（１）、（２）、（３）いずれかを用いる。これらの材料を用いることで発熱を抑制することができる。
【００２２】
（１）鉄系アモルファス
一般式：ＦｅａＭｂＹｃ（式中、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類元素の群から選ばれた少なくとも１種の元素を、ＹはＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃの群から選ばれた少なくとも１種の元素を示し、６５≦ａ≦８５、０≦ｂ≦１５、５≦ｃ≦３５、各数字はａｔ％）で実質的に表され、絶縁層を有するもの。
【００２３】
（２）鉄系ナノクリスタル
一般式：（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−αＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１α（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びαはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０及び０．１≦α≦３０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金、もしくは、
【００２４】
一般式：（Ｆｅｌ−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−βＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＭ２β（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ２はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金属元素、Ｓ、ｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びβはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ
≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０及びβ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金、もしくは、
【００２５】
一般式：（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−γＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＸγ（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０及びγ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金もしくは、（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−β−γＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＭ２βＸγ（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ２はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金属元素、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０、β≦１０及びγ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金。
【００２６】
（３）絶縁層を有する珪素鋼板もしくは方向性珪素鋼板において、膜厚が５０μｍ以下のもの。
【００２７】
ここで、加速コア４に用いる材料の特性を説明する。
まず、膜厚について：
材料の膜厚が厚いほど渦電流損すなわちコア損失が増え、消費電力や発熱が増大し問題となる。本実施の形態で用いた材料の特性図で図７に示す。図７は加速コア４を１Ｔで励磁した場合について、縦軸に損失、横軸に膜厚をとり、周波数をパラメータと示したものである。
【００２８】
図７の結果によれば、膜厚が厚くなるほど曲線の曲がり方が大きくなり、つまり周波数増加に対して損失が急速に増大することが解る。加速電圧Ｖａｃｃｅｌは、加速コア４の励磁周波数ｆに比例するので、加速コア４の運転に関しては、電子の加速電圧を高くする目的で、なるべく高周波の励磁周波数にすることが必要となる。そのため、周波数増に対して損失増のゆるやかな膜厚５０μｍ以下の材料を用いることが望ましい。
【００２９】
次に、加速コア４の励磁周波数について：
図７に示すように、膜厚を５０μｍ以下とした場合であっても、周波数が１ｋＨｚより小さい場合には、損失がほとんど増えない。そのため、実施の形態で用いる軟磁性合金は、励磁周波数が１ｋＨｚ以上の場合に特に有効となることが解る。
【００３０】
次に、飽和磁束密度について：
加速コア４の損失は、また使用磁束密度によって変化する。
図８に本実施の形態の加速コアの磁束密度−起磁力曲線（ＢＨ曲線）を示す。図８において、縦軸は磁束密度Ｂ［Ｔ］を示し、横軸は起磁力Ｈ［Ａ／ｍ］を示す。図８の磁束密度−起磁力曲線において、加速コア４の損失は曲線で囲まれる面積に相当する。従って、低い磁束密度で使用すれば曲線で囲まれる面積が小さくなり、加速コア４の損失を低減することができる。しかし、加速電圧Ｖａｃｃｅｌは材料の使用磁束密度Ｂに比例するので、できるだけ高磁束で使用するほうが望ましい。そして実際には図８に示すＢＨ曲線の飽和磁束密度近くまで励磁するのでコア損失も最大となります。この材料の場合Ｂｍａｘはほぼ１Ｔである。このように、１Ｔ以上の高磁束密度で使用する場合は高損失となるので、飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金を用いる本実施の形態は特に有効となる。
【００３１】
図９は種々の材料について、実用飽和磁束密度と損失を比較した関係図である。損失については、励磁周波数２ｋＨｚ、磁束密度１Ｔの場合を示しており、単位はＷ／ｋｇである。加速コアの小型化を考慮すると、実用飽和磁束密度の低いフェライトが最も不利で、他の材料はほぼ同等である。
【００３２】
また、損失の点を考慮すると、鉄系ナノクリスタル、鉄系アモルファス、珪素鋼板（５０μｍ）、珪素鋼板（１００μｍ）の順で良いが、コスト面の点を考慮すると、鉄系ナノクリスタル、鉄系アモルファス、珪素鋼板（５０μｍ）の順で良く、また珪素鋼板（５０μｍ）と珪素鋼板（１００μｍ）とはほぼ同等であることが解る。
【００３３】
以上のように、本実施の形態のビーム加速装置においては、加速コア４は、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材４ａが多層巻きされて作製されている。そのため、コア損失を抑制できるとともに加速コアを小型にすることができる。その結果、ビーム加速装置を小型とすることができ、また、コストの削減を図ることができる。
【００３４】
また、加速コア４に印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上とすることで、加速電圧を増大することができ、高性能なビーム加速装置とすることができる。
【００３５】
さらにまた、磁場発生手段（固定磁場発生手段）としての偏向電磁石２は、環状通路１ａ内に内径側から外径側に徐々に大きくなる固定磁場を生成するので、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に変動させる必要が無く、しかも軌道を多数回周回する複数の荷電粒子を同時に加速できる。また、偏向電磁石２に電力を供給する電源を、複雑で高価な高周波電源から簡単で安価な一般的な電源にすることができ、コストの削減を図ることができる。
【００３６】
さらに、磁場発生手段（固定磁場発生手段）は、環状通路１ａを挟んで対向して配置され、環状通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭める一対の磁極片２ａ、２ｂを有する偏向電磁石２である。そのため、環状通路１ａ内に内径側から外径側に徐々に大きくなる固定磁場を容易に生成することができる。
【００３７】
実施の形態２．
加速コアに関して、コア損失が大きい材料を用いても使用する体積が小さければ総発熱量を抑制できる。このことから、本実施の形態は、ビーム加速装置の大きさに直接係わる環状真空容器が囲む部分の加速コアのみに飽和磁束密度の高い材料を用いるようにして発熱を抑制するものである。
【００３８】
図１０は本発明の実施の形態２のビーム加速装置を示す加速コアの断面図である。図１０において、本実施の形態の加速コア１４は、環状真空容器１に囲まれた内部加速コア１４ａとその他の部分であるコ字型の外部加速コア１４ｂとから構成されている。外部加速コア１４ｂは、厚さ５０μｍ以下の軟磁性合金でなるリボン状材料が実施の形態１と同様に多層巻きされて四角環状の積層体とされた後、四角の１辺部が切り離されて作製される。一方、内部加速コア１４ａは、外部加速コア１４ｂに用いられる材料より飽和磁束密度が高く、厚さ５．０μｍ以上の軟磁性合金でなるリボン状材料が多数枚積層されて作製される。そして、１個の内部加速コア１４ａと２個の外部加速コア１４ｂとが接合されて、断面概略めがね状の環状真空容器１を２箇所で囲む一対の加速コア１４とされている。
【００３９】
尚、外部加速コア１４ｂと内部加速コア１４ａの接合においては、接合部が約４５°に形成され、接合面は所定の程度の鏡面仕上げによって磨かれ、両接合面は、例えば接着剤にて接合される。上述にて接合面が磨かれる理由は、両接合面間に含浸する接着剤層を微少な厚さとすることであり、接着剤層が所定の厚さ以下であれば、加速コア１４内に磁束が良好に発生する。
【００４０】
また、外部加速コア１４ｂと内部加速コア１４ａは、外部加速コア１４ｂの飽和磁束密度Ｂｏと、内部加速コア１４ａの飽和磁束密度Ｂｉとの比が、内部加速コア１４ａの断面積Ｓｄと、内部加速コア１４ａと外部加速コア１４ｂの接合面積Ｓｓの比と等しくなるように（Ｂｏ：Ｂｉ＝Ｓｄ：Ｓｓ）されている。このように接合することで、両者の飽和磁束密度のしきい値を同じとすることができ、内部加速コア１４ａ及び外部加速コア１４ｂを共に、飽和磁束密度に安全係数（通常０．７〜０．９）をかけた値で使用することができる。尚、接合面積Ｓｓの調整は、接合面の傾きを変化されることにより行うことができる。
【００４１】
本実施の形態においては、内部加速コア１４ａの飽和磁束密度が高いため、必要な磁束を得るためのコア断面積を小さくすることができ、ビーム加速装置を小型・軽量化することができ、コストダウンを図ることができる。一方、内部加速コア１４ａの体積は、加速コア全体の１／４〜１／５に過ぎないため、発熱の総量を抑制することができる。
【００４２】
このような構成のビーム加速装置においては、加速コア１４は、環状真空容器１の内側側面によって径方向内側に囲まれる部分の内部加速コア１４ａとこの内部加速コア１４ａとともに環を成す断面コ字型の外部加速コア１４ｂを有し、内部加速コア１４ａは外部加速コア１４ｂよりも飽和磁束密度の高い軟磁性合金で作製されている。すなわち、加速コア１４の環状真空容器１で囲まれた部分に飽和磁束密度の高い軟磁性合金を用い、その他の部分にコア損失の小さい軟磁性合金を用いることにより、加速コア１４の全体での損失（発熱）を抑制することができ、電源負荷の低減、冷却構造の簡素化ができると同時に、コストを増加させることなく加速コアを小型にすることができる。
尚、本実施の形態においては、偏向電磁石２のような固定磁場発生手段に限らず、その他の磁場発生手段、例えば変動磁場発生手段等においても同様な効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状通路内の周回軌道上に誘導する固定磁場発生手段と、環状中空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、加速コアは、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている。そのため、コア損失を抑制できるとともに加速コアを小型にすることができる。その結果、ビーム加速装置を小型とすることができ、また、コストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１のビーム加速装置の上面図である。
【図２】 図１のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図である。
【図３】 図２の断面図の偏向電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。
【図４】 図３の偏向電磁石の磁極片に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。
【図５】 実施の形態１のビーム加速装置の加速コアがリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている様子を説明する斜視図である。
【図６】 図５の加速コアに係わる電気回路を説明する電気系統図である。
【図７】 実施の形態１の材料膜厚との特性図である。
【図８】 実施の形態１の加速コアの磁束密度−起磁力曲線を示す関係図である。
【図９】 種々の材料について実用飽和磁束密度と損失を比較した関係図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２のビーム加速装置を示す加速コアの断面図である。
【符号の説明】
１ 環状真空容器（環状中空容器）、１ａ 環状通路、２ 偏向電磁石（磁場発生手段）、２ａ，２ｂ 磁極片、３ 加速ギャップ、４，１４ 加速コア、５コイル、６ 電子銃、７ 静電偏向器、８ 出口、９ 高エネルギー電子ビーム、１０ Ｘ線変換ターゲット、１１ Ｘ線、１２ 加速コア駆動電源、１３ 偏向電磁石駆動電源、１４ａ 内部加速コア、１４ｂ 外部加速コア。
【発明の属する技術分野】
この発明は、癌治療、もしくは殺菌用等に用いられる高エネルギーＸ線、もしくは高エネルギー荷電粒子線を発生させるビーム加速装置に関し、特に荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いるＦＦＡＧ型であって円形磁気誘導（ベータトロン）加速方式のビーム加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビーム加速装置とは、例えば電子等の荷電粒子を加速するものである。そして、この加速された荷電粒子を銅やタングステン等のＸ線変換ターゲットに照射してＸ線を生成し、このＸ線を患部に照射することでがん治療や殺菌等を行う。そして、本発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いるＦＦＡＧ(Fixed Field Alternating Gradient)型のビーム加速装置であり、小型、高出力という特徴を持つ。電子加速のためのＦＦＡＧ型ビーム加速装置は米国のＭＵＲＡ(Midwestern Universities Research Association)での試作例しかない（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
従来のＦＦＡＧ型のビーム加速装置の出力電流制限条件について説明する。電子ビーム電流を大きくすると十分加速されていない領域（低エネルギーの領域）で電子ビームが発散してしまうため、効率の良い加速が難しい。この発散を抑制するには、加速電圧を上げて早い時点で加速を行い、発散する前に高エネルギービームにすればよい。すなわち、磁束の時間変化に比例する加速電圧を上げればよい。これを行うには、加速コアに印可する励磁周波数を上げる必要がある。
【０００４】
【非特許文献１】
エフ・ティー・コール(F.T.Cole),外４名,“ザ レビュー オブ サイエンティフィック インストロメンツ(THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS) ボリュウーム２８(Vo1.28) ナンバー６(Num.6)”,（米国）,アメリカ物理学会(American Institute of Physics),１９５７年,ｐ．４０３−４２０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置において、加速コアに印可する励磁周波数は、従来数１００Ｈｚ程度に制限されていた。これは、加速コアに用いる材料によるものである。従来加速コアに用いられていた例えば膜厚１００μｍ程度の珪素鋼板は、高い飽和磁束密度を持つが、コア損失が大きく発熱が大きい。そのため、高い励磁周波数（１ｋＨｚ以上）での運転が困難であった。
【０００６】
加速コアの内部磁束の変化量は、材料によって定まる飽和磁束密度とコアの断面積の積によって決まる。飽和磁束密度の高いコア材料を用いれば、コア断面積を小さくすることができ、材料を少なくできるとともに装置を小型にすることができる。しかしながら、飽和磁束密度の高い材料は、一般にコア損失が大きく発熱が大きい。その結果、コア断面積が大きくなり装置が大型になるといった問題があった。
【０００７】
すなわち、このようなＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置において、加速コアに印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上とした場合には、温度上昇の点から高損失な高飽和磁束密度材料を使うことができず、加速コアが大きくなるという問題があった。あるいは逆に、小型化を重視して高飽和磁束密度材料（膜厚１００μｍ以上の珪素鋼板等）を使用した場合には、加速コアに印可する励磁周波数を１ｋＨｚ未満として運転しなければならず、十分な出力が得られないという問題があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、加速コアの発熱を抑制し加速コアに印可する励磁周波数を高周波数とすることで加速電圧を増大させることができる高性能なビーム加速装置を得ることを目的とする。また、小型で且つコスト削減を図ることができるビーム加速装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状通路内の周回軌道上に誘導する固定磁場発生手段と、環状中空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、加速コアは、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１のビーム加速装置の上面図である。図２は図１のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図である。図３は図２の断面図の偏向電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。図４は図３の偏向電磁石の磁極片に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。図５は図１のビーム加速装置の加速コアがリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている様子を説明する斜視図である。
【００１１】
本実施の形態のビーム加速装置は、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装置である。図１及び図２において、ビーム加速装置は、環状を成す環状真空容器１を有している。環状真空容器１は、ステンレス或いは鉄でなる薄板が接合されて作製され、円形環状をなし内部に断面楔型の密閉空間が形成され、この密閉空間は真空に保持され荷電粒子ビームが通過する環状通路１ａとされている。すなわち、環状真空容器１は、荷電粒子ビームが通過する環状通路１ａが内部に形成された環状中空容器を構成している。環状通路１ａの断面の形状は、径方向において内径側から径方向外側に向かって幅（高さ）が徐々に小さくなる概略楔型を成している。
【００１２】
環状真空容器１には、環状真空容器１の円周方向に沿って６個の偏向電磁石２が所定の間隔を空けて等間隔に配設されている。６個の偏向電磁石２は、断面楔型の環状真空容器１を所々で取り囲むようにして設けられている。偏向電磁石２は、環状真空容器１の上下２主面に各々対向する２つの磁極片２ａ、２ｂを有している。２つの磁極片２ａ、２ｂは、環状真空容器１を挟んで上下に対向して配置され、環状通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭めるように設けられている。２つの磁極片２ａ、２ｂは中央部でさらに互いに間隔を狭めるように断面形状が中央部で凸の湾曲形状とされている。
【００１３】
２つの磁極片２ａ、２ｂには、図３及び図４に示すように、それぞれコイル２ｃ、２ｄが巻回されている。２つのコイル２ｃ、２ｄは、同じ巻回方向で巻かれている。そして、偏向電磁石２は、電源１３からコイル２ｃ、２ｄに電力を供給されて図３に太線矢印で示すような磁力を発生する。一対の磁極片２ａ、２ｂの間隔が広がると磁束密度が粗となり磁力が弱くなる。逆に間隔が狭まると磁束密度が密となり磁力が強くなる。つまり、磁場発生手段である偏向電磁石２の作り出す磁場は、半径方向に内径側から外径側に徐々に小から大となる固定の強さの固定磁場である。そのため、偏向電磁石２は固定磁場発生手段でもある。この固定磁場は、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に移動される変動磁場と逆の関係にあるものである。偏向電磁石２は、この磁場によって荷電粒子ビームの移動方向を所定の曲率半径で偏向させる。そして、偏向電磁石２は、荷電粒子ビームを環状通路１ａ内の所定の周回軌道上に誘導する。
【００１４】
図１に戻り、環状真空容器１の円周方向の一箇所に環状真空容器１を囲繞するように加速ギャップ３が設けられている。加速ギャップ３が設けられた部分の環状真空容器１は、加速電場を発生する為に円周方向に直角な面で分断され、分断箇所は所定の隙間を持って離されている。そして、加速ギャップ３は、セラミック等で作成された短尺円筒状の部材を有し、この円筒部材で該隙間を覆うようにして分断された部分の環状真空容器１を密閉して連結している。そして加速ギャップ３は、このセラミック円筒部材の内側の空間に荷電粒子ビームの加速電場を誘起する。
【００１５】
また、環状真空容器１の円周方向の二箇所で該環状真空容器１を取り囲むようにして一対の加速コア４が設けられている。一対の加速コア４は環状真空容器１の中心に対して対象に配置されている。本実施の形態の加速コア４は、図５に示すように、厚さが５０μｍで飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金でなるリボン状材料４ａが多層巻きされて作製されている。２つの加速コア４には、それぞれ加速コア駆動電源１２から駆動電流を供給するコイル５が１回巻かれている。
【００１６】
図６は加速コアに係わる電気回路を説明する電気系統図である。各々の加速コア４には、加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電流を供給されるコイル５が一巻き巻かれている。２つの加速コア４は環状真空容器１を介して加速ギャップ３と電気的に接続されている。加速コア４はコイル５を介して加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電力を供給され内部の磁束を変化させる。この磁束の変化は、電磁誘導の法則にしたがって加速ギャップ３に加速電場を発生させる。
【００１７】
図１に戻り、環状真空容器１の所定の位置に、電子を発射する電子銃６が設けられている。電子銃６には、発射された電子を環状真空容器１内に導く静電偏向器７が接続されている。一方、電子ビームの出口８には、電子が加速されてなる高エネルギー電子ビーム９が衝突する位置にＸ線変換ターゲット１０が配置されている。高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０を通過することによりＸ線１１となる。
【００１８】
次にビーム加速装置の動作を示す。電子銃６により生成された電子は、静電偏向器７により環状真空容器１の中の周回軌道に誘導される。電子は偏向電磁石２により生成されたフィールド磁界により偏向され、周回軌道上に閉じこめられる。この周回軌道には加速ギャップ３設けられており、加速コア４内の磁束が変化するとき、電磁誘導の法則により加速ギャップ３に加速電場が発生する。この加速電場によって電子は周回を重ねる毎に加速され、高エネルギー電子ビーム９となる。そして環状真空容器１から引き出される。引き出された高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０に照射されＸ線１１に変換される。
【００１９】
次に加速ギャップ３が誘起する加速電場の印加方法について説明する。本発明に係るビーム加速装置は、ベータトロン加速方式のものであり、加速ギャップ３にかかる交番電界の加速フェーズの間を周回電子が何度も通過することで、該電子は高エネルギーをえる。そして、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。
【００２０】
加速コア４内部の磁束の変化量はコア材料によって定まる。飽和磁束密度の高いコア材料を用いれば、コア断面積を小さくでき、コア材料も少なくできるので、環状真空容器１の径を小さくすることができ、小型化、低コスト化を図ることができる。本実施の形態においては、高周波で磁束密度が大きく、コア損失の小さい膜厚５０μｍ以下の軟磁性材料を用いることで加速コア４の発熱を抑制する。これにより、加速コア４に印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上として運転することが可能となる。
【００２１】
本実施の形態においては、加速コア４に用いる飽和磁束密度の高い材料として以下の（１）、（２）、（３）いずれかを用いる。これらの材料を用いることで発熱を抑制することができる。
【００２２】
（１）鉄系アモルファス
一般式：ＦｅａＭｂＹｃ（式中、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類元素の群から選ばれた少なくとも１種の元素を、ＹはＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃの群から選ばれた少なくとも１種の元素を示し、６５≦ａ≦８５、０≦ｂ≦１５、５≦ｃ≦３５、各数字はａｔ％）で実質的に表され、絶縁層を有するもの。
【００２３】
（２）鉄系ナノクリスタル
一般式：（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−αＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１α（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びαはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０及び０．１≦α≦３０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金、もしくは、
【００２４】
一般式：（Ｆｅｌ−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−βＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＭ２β（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ２はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金属元素、Ｓ、ｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びβはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ
≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０及びβ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金、もしくは、
【００２５】
一般式：（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−γＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＸγ（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０及びγ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金もしくは、（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−Ｘ−Ｙ−Ｚ−α−β−γＣｕＸＳｉＹＢＺＭ１αＭ２βＸγ（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ１はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ２はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金属元素、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、α及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦Ｘ≦３、０≦Ｙ≦３０、０≦Ｚ≦２５、５≦Ｙ＋Ｚ≦３０、０．１≦α≦３０、β≦１０及びγ≦１０を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも５０％が１μｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒と残部の非晶質、前記結晶粒又は非晶質のいずれかであり、絶縁層を有するＦｅ基軟磁性合金。
【００２６】
（３）絶縁層を有する珪素鋼板もしくは方向性珪素鋼板において、膜厚が５０μｍ以下のもの。
【００２７】
ここで、加速コア４に用いる材料の特性を説明する。
まず、膜厚について：
材料の膜厚が厚いほど渦電流損すなわちコア損失が増え、消費電力や発熱が増大し問題となる。本実施の形態で用いた材料の特性図で図７に示す。図７は加速コア４を１Ｔで励磁した場合について、縦軸に損失、横軸に膜厚をとり、周波数をパラメータと示したものである。
【００２８】
図７の結果によれば、膜厚が厚くなるほど曲線の曲がり方が大きくなり、つまり周波数増加に対して損失が急速に増大することが解る。加速電圧Ｖａｃｃｅｌは、加速コア４の励磁周波数ｆに比例するので、加速コア４の運転に関しては、電子の加速電圧を高くする目的で、なるべく高周波の励磁周波数にすることが必要となる。そのため、周波数増に対して損失増のゆるやかな膜厚５０μｍ以下の材料を用いることが望ましい。
【００２９】
次に、加速コア４の励磁周波数について：
図７に示すように、膜厚を５０μｍ以下とした場合であっても、周波数が１ｋＨｚより小さい場合には、損失がほとんど増えない。そのため、実施の形態で用いる軟磁性合金は、励磁周波数が１ｋＨｚ以上の場合に特に有効となることが解る。
【００３０】
次に、飽和磁束密度について：
加速コア４の損失は、また使用磁束密度によって変化する。
図８に本実施の形態の加速コアの磁束密度−起磁力曲線（ＢＨ曲線）を示す。図８において、縦軸は磁束密度Ｂ［Ｔ］を示し、横軸は起磁力Ｈ［Ａ／ｍ］を示す。図８の磁束密度−起磁力曲線において、加速コア４の損失は曲線で囲まれる面積に相当する。従って、低い磁束密度で使用すれば曲線で囲まれる面積が小さくなり、加速コア４の損失を低減することができる。しかし、加速電圧Ｖａｃｃｅｌは材料の使用磁束密度Ｂに比例するので、できるだけ高磁束で使用するほうが望ましい。そして実際には図８に示すＢＨ曲線の飽和磁束密度近くまで励磁するのでコア損失も最大となります。この材料の場合Ｂｍａｘはほぼ１Ｔである。このように、１Ｔ以上の高磁束密度で使用する場合は高損失となるので、飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金を用いる本実施の形態は特に有効となる。
【００３１】
図９は種々の材料について、実用飽和磁束密度と損失を比較した関係図である。損失については、励磁周波数２ｋＨｚ、磁束密度１Ｔの場合を示しており、単位はＷ／ｋｇである。加速コアの小型化を考慮すると、実用飽和磁束密度の低いフェライトが最も不利で、他の材料はほぼ同等である。
【００３２】
また、損失の点を考慮すると、鉄系ナノクリスタル、鉄系アモルファス、珪素鋼板（５０μｍ）、珪素鋼板（１００μｍ）の順で良いが、コスト面の点を考慮すると、鉄系ナノクリスタル、鉄系アモルファス、珪素鋼板（５０μｍ）の順で良く、また珪素鋼板（５０μｍ）と珪素鋼板（１００μｍ）とはほぼ同等であることが解る。
【００３３】
以上のように、本実施の形態のビーム加速装置においては、加速コア４は、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材４ａが多層巻きされて作製されている。そのため、コア損失を抑制できるとともに加速コアを小型にすることができる。その結果、ビーム加速装置を小型とすることができ、また、コストの削減を図ることができる。
【００３４】
また、加速コア４に印可する励磁周波数を１ｋＨｚ以上とすることで、加速電圧を増大することができ、高性能なビーム加速装置とすることができる。
【００３５】
さらにまた、磁場発生手段（固定磁場発生手段）としての偏向電磁石２は、環状通路１ａ内に内径側から外径側に徐々に大きくなる固定磁場を生成するので、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に変動させる必要が無く、しかも軌道を多数回周回する複数の荷電粒子を同時に加速できる。また、偏向電磁石２に電力を供給する電源を、複雑で高価な高周波電源から簡単で安価な一般的な電源にすることができ、コストの削減を図ることができる。
【００３６】
さらに、磁場発生手段（固定磁場発生手段）は、環状通路１ａを挟んで対向して配置され、環状通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭める一対の磁極片２ａ、２ｂを有する偏向電磁石２である。そのため、環状通路１ａ内に内径側から外径側に徐々に大きくなる固定磁場を容易に生成することができる。
【００３７】
実施の形態２．
加速コアに関して、コア損失が大きい材料を用いても使用する体積が小さければ総発熱量を抑制できる。このことから、本実施の形態は、ビーム加速装置の大きさに直接係わる環状真空容器が囲む部分の加速コアのみに飽和磁束密度の高い材料を用いるようにして発熱を抑制するものである。
【００３８】
図１０は本発明の実施の形態２のビーム加速装置を示す加速コアの断面図である。図１０において、本実施の形態の加速コア１４は、環状真空容器１に囲まれた内部加速コア１４ａとその他の部分であるコ字型の外部加速コア１４ｂとから構成されている。外部加速コア１４ｂは、厚さ５０μｍ以下の軟磁性合金でなるリボン状材料が実施の形態１と同様に多層巻きされて四角環状の積層体とされた後、四角の１辺部が切り離されて作製される。一方、内部加速コア１４ａは、外部加速コア１４ｂに用いられる材料より飽和磁束密度が高く、厚さ５．０μｍ以上の軟磁性合金でなるリボン状材料が多数枚積層されて作製される。そして、１個の内部加速コア１４ａと２個の外部加速コア１４ｂとが接合されて、断面概略めがね状の環状真空容器１を２箇所で囲む一対の加速コア１４とされている。
【００３９】
尚、外部加速コア１４ｂと内部加速コア１４ａの接合においては、接合部が約４５°に形成され、接合面は所定の程度の鏡面仕上げによって磨かれ、両接合面は、例えば接着剤にて接合される。上述にて接合面が磨かれる理由は、両接合面間に含浸する接着剤層を微少な厚さとすることであり、接着剤層が所定の厚さ以下であれば、加速コア１４内に磁束が良好に発生する。
【００４０】
また、外部加速コア１４ｂと内部加速コア１４ａは、外部加速コア１４ｂの飽和磁束密度Ｂｏと、内部加速コア１４ａの飽和磁束密度Ｂｉとの比が、内部加速コア１４ａの断面積Ｓｄと、内部加速コア１４ａと外部加速コア１４ｂの接合面積Ｓｓの比と等しくなるように（Ｂｏ：Ｂｉ＝Ｓｄ：Ｓｓ）されている。このように接合することで、両者の飽和磁束密度のしきい値を同じとすることができ、内部加速コア１４ａ及び外部加速コア１４ｂを共に、飽和磁束密度に安全係数（通常０．７〜０．９）をかけた値で使用することができる。尚、接合面積Ｓｓの調整は、接合面の傾きを変化されることにより行うことができる。
【００４１】
本実施の形態においては、内部加速コア１４ａの飽和磁束密度が高いため、必要な磁束を得るためのコア断面積を小さくすることができ、ビーム加速装置を小型・軽量化することができ、コストダウンを図ることができる。一方、内部加速コア１４ａの体積は、加速コア全体の１／４〜１／５に過ぎないため、発熱の総量を抑制することができる。
【００４２】
このような構成のビーム加速装置においては、加速コア１４は、環状真空容器１の内側側面によって径方向内側に囲まれる部分の内部加速コア１４ａとこの内部加速コア１４ａとともに環を成す断面コ字型の外部加速コア１４ｂを有し、内部加速コア１４ａは外部加速コア１４ｂよりも飽和磁束密度の高い軟磁性合金で作製されている。すなわち、加速コア１４の環状真空容器１で囲まれた部分に飽和磁束密度の高い軟磁性合金を用い、その他の部分にコア損失の小さい軟磁性合金を用いることにより、加速コア１４の全体での損失（発熱）を抑制することができ、電源負荷の低減、冷却構造の簡素化ができると同時に、コストを増加させることなく加速コアを小型にすることができる。
尚、本実施の形態においては、偏向電磁石２のような固定磁場発生手段に限らず、その他の磁場発生手段、例えば変動磁場発生手段等においても同様な効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明に係るビーム加速装置は、荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状通路内の周回軌道上に誘導する固定磁場発生手段と、環状中空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、加速コアは、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている。そのため、コア損失を抑制できるとともに加速コアを小型にすることができる。その結果、ビーム加速装置を小型とすることができ、また、コストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１のビーム加速装置の上面図である。
【図２】 図１のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図である。
【図３】 図２の断面図の偏向電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。
【図４】 図３の偏向電磁石の磁極片に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。
【図５】 実施の形態１のビーム加速装置の加速コアがリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている様子を説明する斜視図である。
【図６】 図５の加速コアに係わる電気回路を説明する電気系統図である。
【図７】 実施の形態１の材料膜厚との特性図である。
【図８】 実施の形態１の加速コアの磁束密度−起磁力曲線を示す関係図である。
【図９】 種々の材料について実用飽和磁束密度と損失を比較した関係図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２のビーム加速装置を示す加速コアの断面図である。
【符号の説明】
１ 環状真空容器（環状中空容器）、１ａ 環状通路、２ 偏向電磁石（磁場発生手段）、２ａ，２ｂ 磁極片、３ 加速ギャップ、４，１４ 加速コア、５コイル、６ 電子銃、７ 静電偏向器、８ 出口、９ 高エネルギー電子ビーム、１０ Ｘ線変換ターゲット、１１ Ｘ線、１２ 加速コア駆動電源、１３ 偏向電磁石駆動電源、１４ａ 内部加速コア、１４ｂ 外部加速コア。
Claims (6)
- 荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、
前記環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ前記荷電粒子ビームを偏向させて該荷電粒子ビームを前記環状通路内の周回軌道上に誘導する固定磁場発生手段と、
前記環状中空容器の所定の位置に設けられ前記荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、
前記環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により前記加速ギャップを介して前記加速電場を発生する加速コアとを備え、
前記加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、
前記加速コアは、厚さが５０μｍ以下で飽和磁束密度が１Ｔ以上の軟磁性合金のリボン状薄板材が多層巻きされて作製されている
ことを特徴とするビーム加速装置。 - 荷電粒子ビームが通過する環状通路が内部に形成された環状中空容器と、
前記環状中空容器の円周方向に沿って複数個設けられ前記荷電粒子ビームを偏向させて該荷電粒子ビームを前記環状通路内の周回軌道上に誘導する磁場発生手段と、
前記環状中空容器の所定の位置に設けられ前記荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、
前記環状中空容器を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により前記加速ギャップを介して前記加速電場を発生する加速コアとを備え、
前記加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了するビーム加速装置であって、
前記加速コアは、前記環状中空容器の内側側面によって径方向内側に囲まれる部分の内部加速コアと、該内部加速コアとともに環を成す断面コ字型の外部加速コアとを有し、前記内部加速コアは該外部加速コアよりも飽和磁束密度の高い軟磁性合金で作製されている
ことを特徴とするビーム加速装置。 - 前記外部加速コア及び前記内部加速コアは、該外部加速コアの飽和磁束密度と該内部加速コアの飽和磁束密度との比が、該内部加速コアの断面積と該内部加速コア及び該外部加速コアの接合面積との比と等しい
ことを特徴とする請求項２に記載のビーム加速装置。 - 前記加速コアの励磁周波数が１ｋＨｚ以上である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のビーム加速装置。 - 前記固定磁場発生手段或いは前記磁場発生手段は、前記環状通路内に内径側から外径側に徐々に大きくなる固定磁場を生成する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のビーム加速装置。 - 前記固定磁場発生手段或いは前記磁場発生手段は、前記環状通路を挟んで対向して配置され、該環状通路の内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭める一対の磁極片を有する電磁石である
ことを特徴とする請求項５に記載のビーム加速装置。
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