JP4294158B2 - 荷電粒子加速装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療用具殺菌、食品照射等に用いる大強度の高エネルギー電子などを発生させる荷電粒子加速装置、又は放射光装置等の入射器や高エネルギービーム実験に用いる荷電粒子加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例１．
図１２は、例えば「加速器と関連応用技術に関する第１回シンポジウム（１９９８）、８４頁」に示された従来例１の荷電粒子加速装置を示す構成図である。図１２は電子加速装置を示している。図１２（ａ）は高周波空洞の回転軸に垂直な平面における断面を示し、図１２（ｂ）は高周波空洞の回転軸及び電子の軌道を含む平面における断面を示している。図において、１１１は加速ギャップ、１１２は電子銃、１１３はソレノイドレンズ、１１４は偏向電磁石、１１５はリッジ、１１６は筒状の高周波空洞、１１７は電子の軌道である。図１２では、電子の進行方向を矢印で示している。
【０００３】
次に動作について説明する。
電子銃１１２から出射した電子は、ソレノイドレンズ１１３を介して高周波空洞１１６に入射し、径方向へ進行する経路を通り、高周波空洞１１６を通過する。高周波空洞１１６には高周波電場がかけられているため、高周波空洞１１６に入射した電子は、加速ギャップ１１１を通過する時にエネルギーを補給され加速される。高周波空洞１１６を通過した電子は、高周波空洞１１６の外周部に設置された偏向電磁石１１４によって１８０度の偏向を受け、再び高周波空洞１１６に入射する。図１２に示す例では、偏向電磁石１１４が高周波空洞１１６の外周部に４個設置されており、電子は各偏向電磁石１１４を１回だけ通過するため、電子は高周波空洞１１６を５回通過した後取出される。
【０００４】
なお、電子が加速ギャップ１１１を通過する毎に加速するように、加速ギャップ１１１を通過するタイミングと高周波電場のタイミングとの同期をとっている。また、電子が加速ギャップ１１１を通過する位置は周回毎に異なるので、広い部分に均一な電界を発生させている。また、リッジ１１５を備えているため、加速ギャップ１１１部分に電界が集中し、高周波空洞１１６全体で消費される電力が少なくてすむ。
【０００５】
従来例２．
図１３は、例えば特表平２−５０３６０９号公報に示された従来例２の荷電粒子加速装置を示す概略的な構成図である。図１３は電子加速装置を示している。図１３は高周波空洞の回転軸に垂直な平面における断面を示している。図において、１２１は加速ギャップ、１２２は電子銃、１２３は偏向電磁石、１２４は電子ビームの軌道、１２５は回転軸が同一である外側筒状導体１２５ａと内側筒状導体１２５ｂとを備えた高周波空洞である。図１３では、電子ビームの進行方向を矢印で示している。
【０００６】
次に動作について説明する。
電子銃１２２から出射した電子は、高周波空洞１２５に入射し、外側筒状導体１２５ａから内側筒状導体１２５ｂへ向かう経路、及び内側筒状導体１２５ｂから外側筒状導体１２５ａへ向かう経路を通り、高周波空洞１２５を通過する。高周波空洞１２５には高周波電場がかけられているため、高周波空洞１２５に入射した電子は、加速ギャップ１２１を通過する時にエネルギーを補給され加速される。高周波空洞１２５を通過した電子は、高周波空洞１２５の外周部に設置された偏向電磁石１２３によって数十度の偏向を受け、再び高周波空洞１２５に入射する。図１３に示す例では、偏向電磁石１２３が高周波空洞１２５の外周部に５個設置されており、電子は各偏向電磁石１２３を１回だけ通過するため、電子は高周波空洞１２５を６回通過した後取出される。
【０００７】
なお、外側筒状導体１２５ａ及び内側筒状導体１２５ｂには電子を通過させるための開口が設けられている。また、高周波空洞１２５での電界はＴＥモードである。また、電子が加速ギャップ１２１を通過する毎に加速するように、加速ギャップ１２１を通過するタイミングと高周波電場との同期をとっている。また、より高エネルギーの電子が通過する偏向電磁石１２３ほど磁場強度が強くなるように、偏向電磁石１２３毎に磁場強度を変えている。また、電子が加速ギャップ１２１を通過する位置は周回毎に異なっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１の荷電粒子加速装置は以上のように構成されているので、（１）電子の軌道が周回毎に異なるため、大きな高周波空洞が必要となり、装置全体が大きくなるという課題、（２）高周波空洞が大きくなると壁損失が大きくなるため、高周波空洞で消費される電力が大きくなり、装置全体の消費電力が大きくなるという課題、（３）電子を５０ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速するには高周波空洞を多数回通過させなければならないため、多くの偏向電磁石や大きな高周波空洞が必要となり、電子をそのような高エネルギーまで加速することが現実的に難しいという課題、及び（４）電子を１８０度偏向させる偏向電磁石は水平・垂直方向の収束力を持たないため、電子ビームの収束性を高くするため特殊な加工や別のコイルを組み込むことが必要となり、構成が複雑になるという課題があった。
【０００９】
また、従来例２の荷電粒子加速装置は以上のように構成されているので、（１）装置全体を小さくするために高周波空洞を小さくすると、高周波空洞の外周部に偏向電磁石を設置できなくなるため、装置の小型化に限界があるという課題、及び（２）高周波空洞の外周部に偏向電磁石を設置するため、偏向電磁石の数に制限があり、電子を５０ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速することが難しいという課題があった。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることを目的とする。
【００１１】
また、収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる簡単な構成の荷電粒子偏向手段を備えた荷電粒子加速装置を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞と、高周波空洞を順方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段と、高周波空洞を逆方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段とを備え、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された複数の偏向磁場発生手段を備えて成り、隣接する偏向磁場発生手段の極性が異なるようにしたものである。
【００１４】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、連続して配置された複数の偏向磁場発生手段が、共通のヨークを備えて成るものである。
【００１６】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方の内部に荷電粒子ビームを収束させる収束磁場発生手段を備えたものである。
【００１７】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、偏向磁場発生手段が荷電粒子通過領域を挟んで対向して配置された２つの磁極を備えて成り、収束磁場発生手段が偏向磁場発生手段への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成された上記２つの磁極を備えて成るものである。
【００１８】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、１または複数の偏向磁場発生手段が、永久磁石対を備えて成るものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。また、図２は図１中の第１の荷電粒子偏向手段の構成を示す斜視図である。ただし、図２では第１の偏向電磁石を荷電粒子の入射方向に垂直な平面における断面で表わしている。図において、１０は荷電粒子加速装置、１１は荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段、１２は内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞、１３は高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段、１４は高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段、１５は荷電粒子の軌道である。
【００２１】
第１の荷電粒子偏向手段１３において、２１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第３の偏向電磁石２１〜２３は荷電粒子の入射側から順に位置する。図２中には荷電粒子の入射する方向を矢印で示している。第１及び第３の偏向電磁石２１，２３は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２の偏向電磁石２２は第１及び第３の偏向電磁石２１，２３と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。図２中には磁場の方向を矢印で示している。
【００２２】
同様に、第２の荷電粒子偏向手段１４において、２４は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２５は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２６は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第３の偏向電磁石２４〜２６は荷電粒子の入射側から順に位置する。第１及び第３の偏向電磁石２４，２６は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２の偏向電磁石２５は第１及び第３の偏向電磁石２４，２６と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００２３】
このように第１及び第２の荷電粒子偏向手段１３，１４は同様の構成をしている。すなわち、両方とも荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された３つの偏向電磁石を備えており、隣接する偏向電磁石の極性が異なっている。
【００２４】
各偏向電磁石は、図２中の第１の偏向電磁石２１で代表的に示すように、荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域２１ａを挟んで対向して位置する上側磁極２１ｂ及び下側磁極２１ｃと、上側磁極２１ｂに巻かれた上側コイル２１ｄと、下側磁極２１ｃに巻かれた下側コイル２１ｅとを備えている。
【００２５】
この実施の形態では、第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した荷電粒子が所定の軌道を描くように、第１の荷電粒子偏向手段１３における各偏向電磁石２１〜２３の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。また、第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した荷電粒子が所定の軌道を描くように、第２の荷電粒子偏向手段１４における各偏向電磁石２４〜２６の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。
【００２６】
次に動作について説明する。
この実施の形態及び以下の各実施の形態では、荷電粒子発生手段１１としての電子銃から出射する２０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶのエネルギーの電子を、加速電圧１ＭＶの高周波空洞１２によりＣＷ運転で５ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速する場合について動作を説明する。以下の説明では荷電粒子発生手段１１から出射する電子のエネルギーを３０ｋｅＶとする。図３は高周波空洞１２を３回通過する前までの電子の軌道を示す図であり、図４は高周波空洞１２を３回通過した後、５回通過する前までの電子の軌道を示す図である。また、図５は第１の荷電粒子偏向手段１３側における電子の軌道を示す図である。図５中、１５ａは高周波空洞１２を１回通過した後２回通過する前までの電子の軌道、１５ｂは高周波空洞１２を３回通過した４回通過する前までの電子の軌道である。
【００２７】
荷電粒子発生手段１１としての電子銃から出射した電子は高周波空洞１２に入射し、高周波空洞１２内の直線経路を順方向Ａにむかい、高周波空洞１２を通過する。高周波空洞１２には高周波電場がかけられているため、その際、高周波空洞１２から１ＭｅＶのエネルギーが補給され、電子は１．０３ＭｅＶのエネルギーまで加速される。高周波空洞１２を順方向Ａに通過した電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する。第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３により、上記直線経路の延長上に位置する入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かうように偏向され、第１の荷電粒子偏向手段１３から出射する。第１の荷電粒子偏向手段１３から出射した電子は、入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かい高周波空洞１２に入射し、上記直線経路を逆方向Ｂに向かい、高周波空洞１２を通過する。その際、高周波空洞１２から、１ＭｅＶのエネルギーを補給され、電子は２．０３ＭｅＶまで加速される。高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した電子は、第２の荷電粒子偏向手段１４に入射する。第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第２の荷電粒子偏向手段１４により、上記直線経路の延長上に位置する入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かうように偏向され、第２の荷電粒子偏向手段１４から出射する。第２の荷電粒子偏向手段１４から出射した電子は、入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かい高周波空洞１２に入射する。以下、同様にして、高周波空洞１２をさらに３回通過し、５．０３ＭｅＶのエネルギーまで加速された電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３から十分な偏向作用を受けず外部に取出される。なお、電子が高周波空洞１２を通過する毎に加速するように、電子が高周波空洞１２を通過してから戻ってくるまでのタイミングと高周波電場のタイミングとの同期をとっている。
【００２８】
高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２を通り、図５に示す滴状の軌道１５ａを描いて、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。すなわち、高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、まず、第１の偏向電磁石２１に入射し、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射する。第１の偏向電磁石２１を出射した電子は、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、一回転近い時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間で直線軌道を描いて第１の偏向電磁石２１に入射する。第１の偏向電磁石２１に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射し、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。ただし、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２からの漏れ磁場の影響で、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間の軌道は正確な直線とはならない。
【００２９】
同様に、高周波空洞１２を２回通過し第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石２４，２５を通り、第２の荷電粒子偏向手段１４と第１の荷電粒子偏向手段１３とを結ぶ経路に戻る。
【００３０】
高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１から第３の偏向電磁石２１〜２３を通り、図５に示す滴状の軌道１５ｂを描いて、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。すなわち、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、まず、第１の偏向電磁石２１に入射し、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射する。第１の偏向電磁石２１を出射した電子は、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間で直線軌道を描いて第３の偏向電磁石２３に入射する。第３の偏向電磁石２３に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、一回転近い反時計方向の軌道を描いて第３の偏向電磁石２３から出射する。第３の偏向電磁石２３から出射した電子は、第３の偏向電磁石２３と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間で直線軌道を描いて第１の偏向電磁石２１に入射する。第１の偏向電磁石２１に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、第１の偏向電磁石２１内で反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射し、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。ただし、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２からの漏れ磁場の影響で、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間の軌道は正確な直線とはならず、第２及び第３の偏向電磁石２２，２３からの漏れ磁場の影響で、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間の軌道は正確な直線とはならない。また、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する電子は高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する電子ほど、第１の偏向電磁石２１が発生している磁場や第２の偏向電磁石２２が発生している磁場の作用による偏向を受けない。
【００３１】
同様に、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第１から第３の偏向電磁石２４〜２６を通り、第２の荷電粒子偏向手段１４と第１の荷電粒子偏向手段１３とを結ぶ経路に戻る。
【００３２】
以上の動作説明では、３０ｋｅＶのエネルギーの電子を、加速電圧１ＭＶの高周波空洞１２によりＣＷ運転で５ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速する場合について説明したが、高周波空洞１２として、共振周波数がＳバンド（２．８ＧＨｚ）、長さが１．５ｍ程度、加速電圧が２０ＭｅＶのものを用いた場合には、電子を１００ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速することが可能である。
【００３３】
以上のように、この実施の形態１によれば、荷電粒子加速装置１０は、高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段１３と高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段１４とを備えた構成であるので、荷電粒子は高周波空洞１２内の直線経路を順方向Ａ及び逆方向Ｂに繰り返し通過することにより加速される。従って、高周波空洞１２が小型化し荷電粒子加速装置１０全体が小型化する効果や高周波空洞１２の壁損失が小さくなり荷電粒子加速装置１０の消費電力が小さくなる効果が得られる。すなわち、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることができる。この効果は、第１及び第２の荷電粒子偏向手段１３，１４が磁界を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合に限らず、電界を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合や電界と磁界の両方を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合にも得られる。
【００３４】
また、この実施の形態１によれば、各荷電粒子偏向手段１３，１４は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された３つの偏向電磁石２１〜２３，２４〜２６を備え、隣接する偏向電磁石の極性が異なる構成であるので、各荷電粒子偏向手段１３，１４に入射した荷電粒子が各偏向電磁石２１〜２３，２４〜２６が発生する磁場の作用で偏向され滴状の軌道１５ａ，１５ｂを描く。従って、簡単な構成の荷電粒子偏向手段１３，１４で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる効果が得られる。荷電粒子ビームの収束性が低いと、図６に示すように、ビームサイズが大きくなるので、高周波空洞１２からの電界の逃げが少なくなるように共振する高周波の波長を長くするため、高周波空洞１２を大きくする必要がある。その結果、荷電粒子加速装置１０全体が大きくなる。また、高周波空洞１２の壁損失が大きくなり、荷電粒子加速装置１０の消費電力が大きくなる。
【００３５】
例えば、この実施の形態１の荷電粒子加速装置１０において、高周波空洞１２での電界がＴＭ010 モードであり、共振する高周波の周波数が８００ＭＨｚであり、シャントインピーダンスが３０Ｍオーム／ｍである場合、高周波空洞１２のセル数が３のとき壁損失は６０ｋＷであり、セル数が４のとき３０ｋＷであり、セル数が増えることにより、壁損失は３０ｋＷ程度まで低くなる。
【００３６】
また、この実施の形態１によれば、各荷電粒子偏向手段１３，１４は、入射した荷電粒子が入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する構成であるので、入射時の経路に荷電粒子ビームを収束させる４極電磁石などの収束電磁石を配置することにより、荷電粒子ビームの収束性を高くすることができる効果が得られる。
【００３７】
実施の形態２．
この実施の形態２では荷電粒子偏向手段が４つの偏向電磁石を備えている場合について説明する。
【００３８】
図７はこの発明の実施の形態２による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。図において、３０は荷電粒子加速装置、３１は高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の軌道を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段、３２は高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の軌道を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段、３３は荷電粒子の軌道である。
【００３９】
第１の荷電粒子偏向手段３１において、４１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４４は第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第４の偏向電磁石４１〜４４は荷電粒子の入射側から順に位置し、第１及び第３の偏向電磁石４１，４３は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２及び第４の偏向電磁石４２，４４は第１及び第３の偏向電磁石４１，４３と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００４０】
同様に、第２の荷電粒子偏向手段３２において、４５は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４６は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４７は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４８は第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第４の偏向電磁石４５〜４８は荷電粒子の入射側から順に位置し、第１及び第３の偏向電磁石４５，４７は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２及び第４の偏向電磁石４６，４８は第１及び第３の偏向電磁石４５，４７と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００４１】
その他の構成要素は実施の形態１と同一あるいは同等であるため、その説明は省略する。
【００４２】
この実施の形態では、第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した荷電粒子が所定の軌道を通るように、第１の荷電粒子偏向手段３１における各偏向電磁石４１〜４４の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。また、第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した荷電粒子が所定の軌道を通るように、第２の荷電粒子偏向手段３２における各偏向電磁石４５〜４８の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。
【００４３】
次に動作について説明する。
実施の形態１の場合と同様に、高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石４１，４２を通り、第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻り、高周波空洞１２を２回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石４５，４６を通り、第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻る。
【００４４】
一方、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した電子は、第１から第４の偏向電磁石４１〜４４を通り、第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻り、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した電子は、第１から第４の偏向電磁石４５〜４８を通り、第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻る。
【００４５】
以上のように、この実施の形態２によれば、各荷電粒子偏向手段３１，３２は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された４つの偏向電磁石を備え、隣接する偏向電磁石の極性が異なる構成であるので、各荷電粒子偏向手段３１，３２に入射した荷電粒子は各偏向電磁石が発生する磁場の作用で偏向され滴状の軌道を描く。従って、簡単な構成の荷電粒子偏向手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる効果が得られる。
【００４６】
例えば、この実施の形態２の荷電粒子加速装置３０において、高周波空洞１２での電界がＴＭ010 モードであり、共振する高周波の周波数が８００ＭＨｚであり、シャントインピーダンスが３０Ｍオーム／ｍである場合、高周波空洞１２のセル数が３のとき壁損失は４５ｋＷであり、セル数が４のとき２３ｋＷであり、セル数が増えることにより、壁損失は３０ｋＷ以下まで低くなる。
【００４７】
また、この実施の形態２によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段３１，３２が４つの偏向電磁石４１〜４４，４５〜４８を備え、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した荷電粒子が第１から第４の偏向電磁石４１〜４４を通って第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻るように第１の荷電粒子偏向手段３１における各偏向電磁石４１〜４４の磁極長や磁場強度、及び隣接する偏向電磁石間の距離を調整するとともに、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した荷電粒子が第１から第４の偏向電磁石４５〜４８を通って第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻るように第２の荷電粒子偏向手段３２における各偏向電磁石４５〜４８の磁極長や磁場強度、及び隣接する偏向電磁石間の距離を調整したので、第１の荷電粒子偏向手段３１における第３の偏向電磁石４３と第４の偏向電磁石４４との間、及び第２の荷電粒子偏向手段３２における第３の偏向電磁石４７と第４の偏向電磁石４８との間で荷電粒子の軌道が交差する。従って、その交差位置に荷電粒子ビームを収束させる４極電磁石などの収束電磁石を配置することにより、荷電粒子ビームの収束性を高くすることができる効果が得られる。
【００４８】
実施の形態３．
この実施の形態３では各荷電粒子偏向手段中の隣接する複数の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合について説明する。
【００４９】
図８はこの発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石の構成を示す断面図である。図８は荷電粒子の入射方向並びに第１及び第２の偏向電磁石の磁場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、５１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５３は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、５１ａ及び５１ｂは荷電粒子通過領域５３を挟んで対向して配置された第１の偏向電磁石５１の上側磁極及び下側磁極、５２ａ及び５２ｂは荷電粒子通過領域５３を挟んで対向して配置された第２の偏向電磁石５２の上側磁極及び下側磁極、５３ａは第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａと第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａとを連結する上側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｂは第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂと第２の偏向電磁石５２の下側磁極５２ｂとを連結する下側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｃは第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａに巻かれた上側コイル、５３ｄは第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂに巻かれた下側コイルである。
【００５０】
このように第１及び第２の偏向電磁石５１，５２を構成した場合、第１の偏向電磁石５１に上側方向の磁場が発生するように上側コイル５３ｃ及び下側コイル５３ｄに電流を流すと、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａ、上側鉄ヨーク５３ａ、第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａ、第２の偏向電磁石５２の下側磁極５２ｂ、下側鉄ヨーク５３ｂ、第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂ、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａに至る磁束の流れができ、第２の偏向電磁石５２に下側方向の磁場が発生する。そして、第１の偏向電磁石５１に発生する磁場の強度は、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａと下側磁極５１ｂとの間の距離により変わり、第２の偏向電磁石５２に発生する磁場の強度は、第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａと下側磁極５２ｂとの間の距離により変わる。
【００５１】
また、このように第１及び第２の偏向電磁石５１，５２を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する電子の軌道を調整することができる。
【００５２】
図９はこの発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁石の構成を示す断面図である。図９は荷電粒子の入射方向並びに第１から第３の偏向電磁石の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、６１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６４は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、６１ａ及び６１ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第１の偏向電磁石６１の上側磁極及び下側磁極、６２ａ及び６２ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第２の偏向電磁石６２の上側磁極及び下側磁極、６３ａ及び６３ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第３の偏向電磁石６３の上側磁極及び下側磁極、６４ａは第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａと第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａと第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａとを連結する上側鉄ヨーク（ヨーク）、６４ｂは第１の偏向電磁石６１の下側磁極６１ｂと第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂと第３の偏向電磁石６３の下側磁極６３ｂとを連結する下側鉄ヨーク（ヨーク）、６４ｃは第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに巻かれた上側コイル、６４ｄは第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂに巻かれた下側コイルである。
【００５３】
このように第１から第３の偏向電磁石６１〜６３を構成した場合、第２の偏向電磁石６２に下側方向の磁場が発生するように上側コイル６４ｃ及び下側コイル６４ｄに電流を流すと、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａ、上側鉄ヨーク６４ａ、第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａ、第１の偏向電磁石６１の下側磁極６１ｂ、下側鉄ヨーク６４ｂ、第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂ、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに至る磁束の流れと、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａ、上側鉄ヨーク６４ａ、第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａ、第３の偏向電磁石６３の下側磁極６３ｂ、下側鉄ヨーク６４ｂ、第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂ、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに至る磁束の流れとができ、第１及び第３の偏向電磁石６１，６３に下側方向の磁場が発生する。そして、第１の偏向電磁石６１に発生する磁場の強度は、第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａと下側磁極６１ｂとの間の距離により変わり、第２の偏向電磁石６２に発生する磁場の強度は、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａと下側磁極６２ｂとの間の距離により変わり、第３の偏向電磁石６３に発生する磁場の強度は、第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａと下側磁極６３ｂとの間の距離により変わる。
【００５４】
また、このように第１から第３の偏向電磁石６１〜６３を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する荷電粒子の軌道を調整することができる。
【００５５】
以上のように、この実施の形態３によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の隣接する複数の偏向電磁石は、共通の鉄ヨークを備えた構成であるので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となる効果が得られる。
【００５６】
上述した実施の形態３では、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合及び第１から第３の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合について説明したが、その他の隣接する複数の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合であっても同様の効果が得られる。
【００５７】
実施の形態４．
この実施の形態４では偏向電磁石中の上側磁極及び下側磁極の間隔が偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に広がっている場合について説明する。
【００５８】
図１０はこの発明の実施の形態４による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の偏向電磁石の上側磁極及び下側磁極の構成を示す断面図である。図１０は荷電粒子の入射方向並びに偏向電磁石の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、７１ａは荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、７１ｂ及び７１ｃは荷電粒子通過領域７１ａを挟んで対向して配置された上側磁極（磁極）及び下側磁極（磁極）である。
【００５９】
上側電極７１ｂ及び下側電極７１ｃは、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成されている。
【００６０】
このように上側電極７１ｂ及び下側電極７１ｃを構成した場合、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に磁場の強度が弱くなる。
【００６１】
以上のように、この実施の形態４によれば、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に上側電極７１ｂと下側電極７１ｃとの間隔が広がる構成であるので、偏向電磁石が発生する上側方向あるいは下側方向の磁場の作用により偏向されて荷電粒子が反時計方向あるいは時計方向の軌道を描くとき、その軌道の外側、すなわちその軌道に対して軌道中心と反対側の磁場が弱くなる。従って、荷電粒子ビームの水平方向及び垂直方向の収束性が高くなる効果が得られる。
【００６２】
実施の形態５．
この実施の形態５では荷電粒子偏向手段中の偏向磁場発生手段として、偏向電磁石の代えて永久磁石対を備えたものを用いる場合について説明する。
【００６３】
図１１はこの発明の実施の形態５による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段の構成を示す断面図である。図１１は荷電粒子の入射方向並びに第１から第３の偏向磁場発生手段の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、８２は第１の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８３は第２の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８４は第３の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８２ａは第１の永久磁石対（永久磁石対）、８３ａは第２の永久磁石対（永久磁石対）、８４ａは第３の永久磁石対（永久磁石対）、８５は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、８２ｂ及び８２ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第１の永久磁石対８２ａのＳ極の上側磁石及びＮ極の下側磁石、８３ｂ及び８３ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第２の永久磁石対８３ａのＮ極の上側磁石及びＳ極の下側磁石、８４ｂ及び８４ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第３の永久磁石対８４ａのＳ極の上側磁石及びＮ極の下側磁石、８２ｄは第１の永久磁石対８２ａの上側磁石８２ｂの位置を調整する調整軸、８２ｅは第１の永久磁石対８２ａの下側磁石８２ｃの位置を調整する調整軸、８３ｄは第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂの位置を調整する調整軸、８３ｅは第２の永久磁石対８３ａの下側磁石８３ｃの位置を調整する調整軸、８４ｄは第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂの位置を調整する調整軸、８４ｅは第３の永久磁石対８４ａの下側磁石８４ｃの位置を調整する調整軸、８６ａは第１の永久磁石対８２ａの上側磁極８２ｂ、第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂ及び第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂをそれぞれが接続する調整軸を介して支持する上側支持台、８６ｂは第１の永久磁石対８２ａの下側磁極８２ｃ、第２の永久磁石対８３ａの下側磁石８３ｃ及び第３の永久磁石対８４ａの下側磁石８４ｃをそれぞれが接続する調整軸を介して支持する下側支持台である。
【００６４】
このように第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を構成した場合、第１及び第３の偏向磁場発生手段８２，８４は上側方向に磁場を発生し、第２の偏向磁場発生手段８３は下側方向に磁場を発生する。第１の偏向磁場発生手段８２が発生する磁場の強度は、第１の永久磁石対８２ａの上側磁石８２ｂと下側磁石８２ｃとの間の距離により変わり、第２の偏向磁場発生手段８３が発生する磁場の強度は、第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂと下側磁石８３ｃとの間の距離により変わり、第３の偏向磁場発生手段８４が発生する磁場の強度は、第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂと下側磁石８４ｃとの間の距離により変わる。
【００６５】
また、このように第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する荷電粒子の軌道を調整することができる。
【００６６】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４は、永久磁石対を用いた構成であるので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となるとともに、第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を駆動するための大きな電源が不要となる効果が得られる。
【００６７】
上述した実施の形態５では、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁場発生手段を永久磁石対を用いて構成する場合について説明したが、１個または２個、あるいは４個以上の偏向電磁場発生手段を永久磁石対を用いて構成する場合であっても同様の効果が得られる。
【００６８】
また、上述した実施の形態５では、１つの偏向磁場発生手段が１つの永久磁石対を備えている場合について説明したが、例えば放射光装置のアンジュレータのように１つの偏向磁場発生手段が複数の永久磁石対を備えている場合であっても同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、上述した実施の形態１，２では、荷電粒子偏向手段が３つの偏向電磁石を備える場合と４つの偏向電磁石を備える場合について説明したが、さらに多くの偏向電磁石を備えることにより、より高エネルギーまで加速することが可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞と、高周波空洞を順方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段と、高周波空洞を逆方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段とを備え、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された複数の偏向磁場発生手段を備えて成り、隣接する偏向磁場発生手段の極性が異なるように荷電粒子加速装置を構成したので、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。また、簡単な構成の荷電粒子偏向手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる荷電粒子加速装置が得られる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、連続して配置された複数の偏向磁場発生手段が、共通のヨークを備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となり、低コストの荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方の内部に荷電粒子ビームを収束させる収束磁場発生手段を備えるように荷電粒子加速装置を構成したので、荷電粒子ビームの収束性の高い荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【００７５】
この発明によれば、偏向磁場発生手段が荷電粒子通過領域を挟んで対向して配置された２つの磁極を備えて成り、収束磁場発生手段が偏向磁場発生手段への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成された上記２つの磁極を備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、簡単な構成の収束磁場発生手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる荷電粒子加速装置が得られる効果がある。
【００７６】
この発明によれば、１または複数の偏向磁場発生手段が、永久磁石対を備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となるとともに、偏向磁場発生手段を駆動するための大きな電源が不要となり、低コストの荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。
【図２】 図１中の第１の荷電粒子偏向手段の構成を示す斜視図である。
【図３】 高周波空洞を３回通過する前までの電子の軌道を示す図である。
【図４】 高周波空洞を３回通過した後、５回通過する前までの電子の軌道を示す図である。
【図５】 第１の荷電粒子偏向手段側における電子の軌道を示す図である。
【図６】 荷電粒子の収束性が低い場合における荷電粒子の軌道を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態２による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。
【図８】 この発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石の構成を示す断面図である。
【図９】 この発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁石の構成を示す断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態４による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の偏向電磁石の上側磁極及び下側磁極の構成を示す断面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態５による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段の構成を示す断面図である。
【図１２】 従来例１の荷電粒子加速装置を示す構成図である。
【図１３】 従来例２の荷電粒子加速装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１０，３０ 荷電粒子加速装置、１１ 荷電粒子発生手段、１２ 高周波空洞、１３，３１ 第１の荷電粒子偏向手段、１４，３２ 第２の荷電粒子偏向手段、２１，２４，４１，４５，５１ 第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２２，２５，４２，４６，５２ 第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２３，２６，４３，４７ 第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４４，４８ 第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５３ａ，６４ａ 上側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｂ，６４ｂ 下側鉄ヨーク（ヨーク）、７１ｂ 上側磁極（磁極）、７１ｃ 下側磁極（磁極）、８２ 第１の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８３ 第２の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８４ 第３の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８２ａ 第１の永久磁石対（永久磁石対）、８３ａ 第２の永久磁石対（永久磁石対）、８４ａ 第３の永久磁石対（永久磁石対）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療用具殺菌、食品照射等に用いる大強度の高エネルギー電子などを発生させる荷電粒子加速装置、又は放射光装置等の入射器や高エネルギービーム実験に用いる荷電粒子加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例１．
図１２は、例えば「加速器と関連応用技術に関する第１回シンポジウム（１９９８）、８４頁」に示された従来例１の荷電粒子加速装置を示す構成図である。図１２は電子加速装置を示している。図１２（ａ）は高周波空洞の回転軸に垂直な平面における断面を示し、図１２（ｂ）は高周波空洞の回転軸及び電子の軌道を含む平面における断面を示している。図において、１１１は加速ギャップ、１１２は電子銃、１１３はソレノイドレンズ、１１４は偏向電磁石、１１５はリッジ、１１６は筒状の高周波空洞、１１７は電子の軌道である。図１２では、電子の進行方向を矢印で示している。
【０００３】
次に動作について説明する。
電子銃１１２から出射した電子は、ソレノイドレンズ１１３を介して高周波空洞１１６に入射し、径方向へ進行する経路を通り、高周波空洞１１６を通過する。高周波空洞１１６には高周波電場がかけられているため、高周波空洞１１６に入射した電子は、加速ギャップ１１１を通過する時にエネルギーを補給され加速される。高周波空洞１１６を通過した電子は、高周波空洞１１６の外周部に設置された偏向電磁石１１４によって１８０度の偏向を受け、再び高周波空洞１１６に入射する。図１２に示す例では、偏向電磁石１１４が高周波空洞１１６の外周部に４個設置されており、電子は各偏向電磁石１１４を１回だけ通過するため、電子は高周波空洞１１６を５回通過した後取出される。
【０００４】
なお、電子が加速ギャップ１１１を通過する毎に加速するように、加速ギャップ１１１を通過するタイミングと高周波電場のタイミングとの同期をとっている。また、電子が加速ギャップ１１１を通過する位置は周回毎に異なるので、広い部分に均一な電界を発生させている。また、リッジ１１５を備えているため、加速ギャップ１１１部分に電界が集中し、高周波空洞１１６全体で消費される電力が少なくてすむ。
【０００５】
従来例２．
図１３は、例えば特表平２−５０３６０９号公報に示された従来例２の荷電粒子加速装置を示す概略的な構成図である。図１３は電子加速装置を示している。図１３は高周波空洞の回転軸に垂直な平面における断面を示している。図において、１２１は加速ギャップ、１２２は電子銃、１２３は偏向電磁石、１２４は電子ビームの軌道、１２５は回転軸が同一である外側筒状導体１２５ａと内側筒状導体１２５ｂとを備えた高周波空洞である。図１３では、電子ビームの進行方向を矢印で示している。
【０００６】
次に動作について説明する。
電子銃１２２から出射した電子は、高周波空洞１２５に入射し、外側筒状導体１２５ａから内側筒状導体１２５ｂへ向かう経路、及び内側筒状導体１２５ｂから外側筒状導体１２５ａへ向かう経路を通り、高周波空洞１２５を通過する。高周波空洞１２５には高周波電場がかけられているため、高周波空洞１２５に入射した電子は、加速ギャップ１２１を通過する時にエネルギーを補給され加速される。高周波空洞１２５を通過した電子は、高周波空洞１２５の外周部に設置された偏向電磁石１２３によって数十度の偏向を受け、再び高周波空洞１２５に入射する。図１３に示す例では、偏向電磁石１２３が高周波空洞１２５の外周部に５個設置されており、電子は各偏向電磁石１２３を１回だけ通過するため、電子は高周波空洞１２５を６回通過した後取出される。
【０００７】
なお、外側筒状導体１２５ａ及び内側筒状導体１２５ｂには電子を通過させるための開口が設けられている。また、高周波空洞１２５での電界はＴＥモードである。また、電子が加速ギャップ１２１を通過する毎に加速するように、加速ギャップ１２１を通過するタイミングと高周波電場との同期をとっている。また、より高エネルギーの電子が通過する偏向電磁石１２３ほど磁場強度が強くなるように、偏向電磁石１２３毎に磁場強度を変えている。また、電子が加速ギャップ１２１を通過する位置は周回毎に異なっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１の荷電粒子加速装置は以上のように構成されているので、（１）電子の軌道が周回毎に異なるため、大きな高周波空洞が必要となり、装置全体が大きくなるという課題、（２）高周波空洞が大きくなると壁損失が大きくなるため、高周波空洞で消費される電力が大きくなり、装置全体の消費電力が大きくなるという課題、（３）電子を５０ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速するには高周波空洞を多数回通過させなければならないため、多くの偏向電磁石や大きな高周波空洞が必要となり、電子をそのような高エネルギーまで加速することが現実的に難しいという課題、及び（４）電子を１８０度偏向させる偏向電磁石は水平・垂直方向の収束力を持たないため、電子ビームの収束性を高くするため特殊な加工や別のコイルを組み込むことが必要となり、構成が複雑になるという課題があった。
【０００９】
また、従来例２の荷電粒子加速装置は以上のように構成されているので、（１）装置全体を小さくするために高周波空洞を小さくすると、高周波空洞の外周部に偏向電磁石を設置できなくなるため、装置の小型化に限界があるという課題、及び（２）高周波空洞の外周部に偏向電磁石を設置するため、偏向電磁石の数に制限があり、電子を５０ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速することが難しいという課題があった。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることを目的とする。
【００１１】
また、収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる簡単な構成の荷電粒子偏向手段を備えた荷電粒子加速装置を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞と、高周波空洞を順方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段と、高周波空洞を逆方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段とを備え、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された複数の偏向磁場発生手段を備えて成り、隣接する偏向磁場発生手段の極性が異なるようにしたものである。
【００１４】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、連続して配置された複数の偏向磁場発生手段が、共通のヨークを備えて成るものである。
【００１６】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方の内部に荷電粒子ビームを収束させる収束磁場発生手段を備えたものである。
【００１７】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、偏向磁場発生手段が荷電粒子通過領域を挟んで対向して配置された２つの磁極を備えて成り、収束磁場発生手段が偏向磁場発生手段への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成された上記２つの磁極を備えて成るものである。
【００１８】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、１または複数の偏向磁場発生手段が、永久磁石対を備えて成るものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。また、図２は図１中の第１の荷電粒子偏向手段の構成を示す斜視図である。ただし、図２では第１の偏向電磁石を荷電粒子の入射方向に垂直な平面における断面で表わしている。図において、１０は荷電粒子加速装置、１１は荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段、１２は内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞、１３は高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段、１４は高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段、１５は荷電粒子の軌道である。
【００２１】
第１の荷電粒子偏向手段１３において、２１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第３の偏向電磁石２１〜２３は荷電粒子の入射側から順に位置する。図２中には荷電粒子の入射する方向を矢印で示している。第１及び第３の偏向電磁石２１，２３は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２の偏向電磁石２２は第１及び第３の偏向電磁石２１，２３と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。図２中には磁場の方向を矢印で示している。
【００２２】
同様に、第２の荷電粒子偏向手段１４において、２４は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２５は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２６は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第３の偏向電磁石２４〜２６は荷電粒子の入射側から順に位置する。第１及び第３の偏向電磁石２４，２６は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２の偏向電磁石２５は第１及び第３の偏向電磁石２４，２６と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００２３】
このように第１及び第２の荷電粒子偏向手段１３，１４は同様の構成をしている。すなわち、両方とも荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された３つの偏向電磁石を備えており、隣接する偏向電磁石の極性が異なっている。
【００２４】
各偏向電磁石は、図２中の第１の偏向電磁石２１で代表的に示すように、荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域２１ａを挟んで対向して位置する上側磁極２１ｂ及び下側磁極２１ｃと、上側磁極２１ｂに巻かれた上側コイル２１ｄと、下側磁極２１ｃに巻かれた下側コイル２１ｅとを備えている。
【００２５】
この実施の形態では、第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した荷電粒子が所定の軌道を描くように、第１の荷電粒子偏向手段１３における各偏向電磁石２１〜２３の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。また、第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した荷電粒子が所定の軌道を描くように、第２の荷電粒子偏向手段１４における各偏向電磁石２４〜２６の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。
【００２６】
次に動作について説明する。
この実施の形態及び以下の各実施の形態では、荷電粒子発生手段１１としての電子銃から出射する２０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶのエネルギーの電子を、加速電圧１ＭＶの高周波空洞１２によりＣＷ運転で５ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速する場合について動作を説明する。以下の説明では荷電粒子発生手段１１から出射する電子のエネルギーを３０ｋｅＶとする。図３は高周波空洞１２を３回通過する前までの電子の軌道を示す図であり、図４は高周波空洞１２を３回通過した後、５回通過する前までの電子の軌道を示す図である。また、図５は第１の荷電粒子偏向手段１３側における電子の軌道を示す図である。図５中、１５ａは高周波空洞１２を１回通過した後２回通過する前までの電子の軌道、１５ｂは高周波空洞１２を３回通過した４回通過する前までの電子の軌道である。
【００２７】
荷電粒子発生手段１１としての電子銃から出射した電子は高周波空洞１２に入射し、高周波空洞１２内の直線経路を順方向Ａにむかい、高周波空洞１２を通過する。高周波空洞１２には高周波電場がかけられているため、その際、高周波空洞１２から１ＭｅＶのエネルギーが補給され、電子は１．０３ＭｅＶのエネルギーまで加速される。高周波空洞１２を順方向Ａに通過した電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する。第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３により、上記直線経路の延長上に位置する入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かうように偏向され、第１の荷電粒子偏向手段１３から出射する。第１の荷電粒子偏向手段１３から出射した電子は、入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かい高周波空洞１２に入射し、上記直線経路を逆方向Ｂに向かい、高周波空洞１２を通過する。その際、高周波空洞１２から、１ＭｅＶのエネルギーを補給され、電子は２．０３ＭｅＶまで加速される。高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した電子は、第２の荷電粒子偏向手段１４に入射する。第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第２の荷電粒子偏向手段１４により、上記直線経路の延長上に位置する入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かうように偏向され、第２の荷電粒子偏向手段１４から出射する。第２の荷電粒子偏向手段１４から出射した電子は、入射時の経路と同一の経路を入射時と反対方向に向かい高周波空洞１２に入射する。以下、同様にして、高周波空洞１２をさらに３回通過し、５．０３ＭｅＶのエネルギーまで加速された電子は、第１の荷電粒子偏向手段１３から十分な偏向作用を受けず外部に取出される。なお、電子が高周波空洞１２を通過する毎に加速するように、電子が高周波空洞１２を通過してから戻ってくるまでのタイミングと高周波電場のタイミングとの同期をとっている。
【００２８】
高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２を通り、図５に示す滴状の軌道１５ａを描いて、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。すなわち、高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、まず、第１の偏向電磁石２１に入射し、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射する。第１の偏向電磁石２１を出射した電子は、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、一回転近い時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間で直線軌道を描いて第１の偏向電磁石２１に入射する。第１の偏向電磁石２１に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射し、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。ただし、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２からの漏れ磁場の影響で、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間の軌道は正確な直線とはならない。
【００２９】
同様に、高周波空洞１２を２回通過し第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石２４，２５を通り、第２の荷電粒子偏向手段１４と第１の荷電粒子偏向手段１３とを結ぶ経路に戻る。
【００３０】
高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、第１から第３の偏向電磁石２１〜２３を通り、図５に示す滴状の軌道１５ｂを描いて、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。すなわち、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射した電子は、まず、第１の偏向電磁石２１に入射し、上側方向の磁場の作用で偏向され、反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射する。第１の偏向電磁石２１を出射した電子は、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間で直線軌道を描いて第３の偏向電磁石２３に入射する。第３の偏向電磁石２３に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、一回転近い反時計方向の軌道を描いて第３の偏向電磁石２３から出射する。第３の偏向電磁石２３から出射した電子は、第３の偏向電磁石２３と第２の偏向電磁石２２との間で直線軌道を描いて第２の偏向電磁石２２に入射する。第２の偏向電磁石２２に入射した電子は、下側方向の磁場の作用で偏向され、時計方向の軌道を描いて第２の偏向電磁石２２から出射する。第２の偏向電磁石２２から出射した電子は、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間で直線軌道を描いて第１の偏向電磁石２１に入射する。第１の偏向電磁石２１に入射した電子は、上側方向の磁場の作用で偏向され、第１の偏向電磁石２１内で反時計方向の軌道を描いて第１の偏向電磁石２１から出射し、第１の荷電粒子偏向手段１３と第２の荷電粒子偏向手段１４とを結ぶ経路に戻る。ただし、第１及び第２の偏向電磁石２１，２２からの漏れ磁場の影響で、第１の偏向電磁石２１と第２の偏向電磁石２２との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第１の偏向電磁石２１との間の軌道は正確な直線とはならず、第２及び第３の偏向電磁石２２，２３からの漏れ磁場の影響で、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間の磁場はゼロでないので、第２の偏向電磁石２２と第３の偏向電磁石２３との間の軌道は正確な直線とはならない。また、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する電子は高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段１３に入射する電子ほど、第１の偏向電磁石２１が発生している磁場や第２の偏向電磁石２２が発生している磁場の作用による偏向を受けない。
【００３１】
同様に、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段１４に入射した電子は、第１から第３の偏向電磁石２４〜２６を通り、第２の荷電粒子偏向手段１４と第１の荷電粒子偏向手段１３とを結ぶ経路に戻る。
【００３２】
以上の動作説明では、３０ｋｅＶのエネルギーの電子を、加速電圧１ＭＶの高周波空洞１２によりＣＷ運転で５ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速する場合について説明したが、高周波空洞１２として、共振周波数がＳバンド（２．８ＧＨｚ）、長さが１．５ｍ程度、加速電圧が２０ＭｅＶのものを用いた場合には、電子を１００ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速することが可能である。
【００３３】
以上のように、この実施の形態１によれば、荷電粒子加速装置１０は、高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段１３と高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段１４とを備えた構成であるので、荷電粒子は高周波空洞１２内の直線経路を順方向Ａ及び逆方向Ｂに繰り返し通過することにより加速される。従って、高周波空洞１２が小型化し荷電粒子加速装置１０全体が小型化する効果や高周波空洞１２の壁損失が小さくなり荷電粒子加速装置１０の消費電力が小さくなる効果が得られる。すなわち、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることができる。この効果は、第１及び第２の荷電粒子偏向手段１３，１４が磁界を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合に限らず、電界を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合や電界と磁界の両方を用いて荷電粒子を偏向する構成である場合にも得られる。
【００３４】
また、この実施の形態１によれば、各荷電粒子偏向手段１３，１４は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された３つの偏向電磁石２１〜２３，２４〜２６を備え、隣接する偏向電磁石の極性が異なる構成であるので、各荷電粒子偏向手段１３，１４に入射した荷電粒子が各偏向電磁石２１〜２３，２４〜２６が発生する磁場の作用で偏向され滴状の軌道１５ａ，１５ｂを描く。従って、簡単な構成の荷電粒子偏向手段１３，１４で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる効果が得られる。荷電粒子ビームの収束性が低いと、図６に示すように、ビームサイズが大きくなるので、高周波空洞１２からの電界の逃げが少なくなるように共振する高周波の波長を長くするため、高周波空洞１２を大きくする必要がある。その結果、荷電粒子加速装置１０全体が大きくなる。また、高周波空洞１２の壁損失が大きくなり、荷電粒子加速装置１０の消費電力が大きくなる。
【００３５】
例えば、この実施の形態１の荷電粒子加速装置１０において、高周波空洞１２での電界がＴＭ010 モードであり、共振する高周波の周波数が８００ＭＨｚであり、シャントインピーダンスが３０Ｍオーム／ｍである場合、高周波空洞１２のセル数が３のとき壁損失は６０ｋＷであり、セル数が４のとき３０ｋＷであり、セル数が増えることにより、壁損失は３０ｋＷ程度まで低くなる。
【００３６】
また、この実施の形態１によれば、各荷電粒子偏向手段１３，１４は、入射した荷電粒子が入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する構成であるので、入射時の経路に荷電粒子ビームを収束させる４極電磁石などの収束電磁石を配置することにより、荷電粒子ビームの収束性を高くすることができる効果が得られる。
【００３７】
実施の形態２．
この実施の形態２では荷電粒子偏向手段が４つの偏向電磁石を備えている場合について説明する。
【００３８】
図７はこの発明の実施の形態２による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。図において、３０は荷電粒子加速装置、３１は高周波空洞１２を順方向Ａに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の軌道を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段、３２は高周波空洞１２を逆方向Ｂに通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の軌道を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段、３３は荷電粒子の軌道である。
【００３９】
第１の荷電粒子偏向手段３１において、４１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４４は第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第４の偏向電磁石４１〜４４は荷電粒子の入射側から順に位置し、第１及び第３の偏向電磁石４１，４３は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２及び第４の偏向電磁石４２，４４は第１及び第３の偏向電磁石４１，４３と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００４０】
同様に、第２の荷電粒子偏向手段３２において、４５は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４６は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４７は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４８は第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）である。第１から第４の偏向電磁石４５〜４８は荷電粒子の入射側から順に位置し、第１及び第３の偏向電磁石４５，４７は同じ方向、例えば上側方向に磁場を発生し、第２及び第４の偏向電磁石４６，４８は第１及び第３の偏向電磁石４５，４７と逆方向、例えば下側方向に磁場を発生する。
【００４１】
その他の構成要素は実施の形態１と同一あるいは同等であるため、その説明は省略する。
【００４２】
この実施の形態では、第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した荷電粒子が所定の軌道を通るように、第１の荷電粒子偏向手段３１における各偏向電磁石４１〜４４の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。また、第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した荷電粒子が所定の軌道を通るように、第２の荷電粒子偏向手段３２における各偏向電磁石４５〜４８の磁極長や磁場強度を調整し、隣接する偏向電磁石間の距離を調整している。
【００４３】
次に動作について説明する。
実施の形態１の場合と同様に、高周波空洞１２を１回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石４１，４２を通り、第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻り、高周波空洞１２を２回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した電子は、第１及び第２の偏向電磁石４５，４６を通り、第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻る。
【００４４】
一方、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した電子は、第１から第４の偏向電磁石４１〜４４を通り、第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻り、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した電子は、第１から第４の偏向電磁石４５〜４８を通り、第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻る。
【００４５】
以上のように、この実施の形態２によれば、各荷電粒子偏向手段３１，３２は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された４つの偏向電磁石を備え、隣接する偏向電磁石の極性が異なる構成であるので、各荷電粒子偏向手段３１，３２に入射した荷電粒子は各偏向電磁石が発生する磁場の作用で偏向され滴状の軌道を描く。従って、簡単な構成の荷電粒子偏向手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる効果が得られる。
【００４６】
例えば、この実施の形態２の荷電粒子加速装置３０において、高周波空洞１２での電界がＴＭ010 モードであり、共振する高周波の周波数が８００ＭＨｚであり、シャントインピーダンスが３０Ｍオーム／ｍである場合、高周波空洞１２のセル数が３のとき壁損失は４５ｋＷであり、セル数が４のとき２３ｋＷであり、セル数が増えることにより、壁損失は３０ｋＷ以下まで低くなる。
【００４７】
また、この実施の形態２によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段３１，３２が４つの偏向電磁石４１〜４４，４５〜４８を備え、高周波空洞１２を３回通過し第１の荷電粒子偏向手段３１に入射した荷電粒子が第１から第４の偏向電磁石４１〜４４を通って第１の荷電粒子偏向手段３１と第２の荷電粒子偏向手段３２とを結ぶ経路に戻るように第１の荷電粒子偏向手段３１における各偏向電磁石４１〜４４の磁極長や磁場強度、及び隣接する偏向電磁石間の距離を調整するとともに、高周波空洞１２を４回通過し第２の荷電粒子偏向手段３２に入射した荷電粒子が第１から第４の偏向電磁石４５〜４８を通って第２の荷電粒子偏向手段３２と第１の荷電粒子偏向手段３１とを結ぶ経路に戻るように第２の荷電粒子偏向手段３２における各偏向電磁石４５〜４８の磁極長や磁場強度、及び隣接する偏向電磁石間の距離を調整したので、第１の荷電粒子偏向手段３１における第３の偏向電磁石４３と第４の偏向電磁石４４との間、及び第２の荷電粒子偏向手段３２における第３の偏向電磁石４７と第４の偏向電磁石４８との間で荷電粒子の軌道が交差する。従って、その交差位置に荷電粒子ビームを収束させる４極電磁石などの収束電磁石を配置することにより、荷電粒子ビームの収束性を高くすることができる効果が得られる。
【００４８】
実施の形態３．
この実施の形態３では各荷電粒子偏向手段中の隣接する複数の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合について説明する。
【００４９】
図８はこの発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石の構成を示す断面図である。図８は荷電粒子の入射方向並びに第１及び第２の偏向電磁石の磁場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、５１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５３は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、５１ａ及び５１ｂは荷電粒子通過領域５３を挟んで対向して配置された第１の偏向電磁石５１の上側磁極及び下側磁極、５２ａ及び５２ｂは荷電粒子通過領域５３を挟んで対向して配置された第２の偏向電磁石５２の上側磁極及び下側磁極、５３ａは第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａと第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａとを連結する上側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｂは第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂと第２の偏向電磁石５２の下側磁極５２ｂとを連結する下側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｃは第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａに巻かれた上側コイル、５３ｄは第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂに巻かれた下側コイルである。
【００５０】
このように第１及び第２の偏向電磁石５１，５２を構成した場合、第１の偏向電磁石５１に上側方向の磁場が発生するように上側コイル５３ｃ及び下側コイル５３ｄに電流を流すと、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａ、上側鉄ヨーク５３ａ、第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａ、第２の偏向電磁石５２の下側磁極５２ｂ、下側鉄ヨーク５３ｂ、第１の偏向電磁石５１の下側磁極５１ｂ、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａに至る磁束の流れができ、第２の偏向電磁石５２に下側方向の磁場が発生する。そして、第１の偏向電磁石５１に発生する磁場の強度は、第１の偏向電磁石５１の上側磁極５１ａと下側磁極５１ｂとの間の距離により変わり、第２の偏向電磁石５２に発生する磁場の強度は、第２の偏向電磁石５２の上側磁極５２ａと下側磁極５２ｂとの間の距離により変わる。
【００５１】
また、このように第１及び第２の偏向電磁石５１，５２を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する電子の軌道を調整することができる。
【００５２】
図９はこの発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁石の構成を示す断面図である。図９は荷電粒子の入射方向並びに第１から第３の偏向電磁石の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、６１は第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６２は第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６３は第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、６４は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、６１ａ及び６１ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第１の偏向電磁石６１の上側磁極及び下側磁極、６２ａ及び６２ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第２の偏向電磁石６２の上側磁極及び下側磁極、６３ａ及び６３ｂは荷電粒子通過領域６４を挟んで対向して配置された第３の偏向電磁石６３の上側磁極及び下側磁極、６４ａは第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａと第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａと第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａとを連結する上側鉄ヨーク（ヨーク）、６４ｂは第１の偏向電磁石６１の下側磁極６１ｂと第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂと第３の偏向電磁石６３の下側磁極６３ｂとを連結する下側鉄ヨーク（ヨーク）、６４ｃは第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに巻かれた上側コイル、６４ｄは第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂに巻かれた下側コイルである。
【００５３】
このように第１から第３の偏向電磁石６１〜６３を構成した場合、第２の偏向電磁石６２に下側方向の磁場が発生するように上側コイル６４ｃ及び下側コイル６４ｄに電流を流すと、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａ、上側鉄ヨーク６４ａ、第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａ、第１の偏向電磁石６１の下側磁極６１ｂ、下側鉄ヨーク６４ｂ、第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂ、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに至る磁束の流れと、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａ、上側鉄ヨーク６４ａ、第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａ、第３の偏向電磁石６３の下側磁極６３ｂ、下側鉄ヨーク６４ｂ、第２の偏向電磁石６２の下側磁極６２ｂ、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａに至る磁束の流れとができ、第１及び第３の偏向電磁石６１，６３に下側方向の磁場が発生する。そして、第１の偏向電磁石６１に発生する磁場の強度は、第１の偏向電磁石６１の上側磁極６１ａと下側磁極６１ｂとの間の距離により変わり、第２の偏向電磁石６２に発生する磁場の強度は、第２の偏向電磁石６２の上側磁極６２ａと下側磁極６２ｂとの間の距離により変わり、第３の偏向電磁石６３に発生する磁場の強度は、第３の偏向電磁石６３の上側磁極６３ａと下側磁極６３ｂとの間の距離により変わる。
【００５４】
また、このように第１から第３の偏向電磁石６１〜６３を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する荷電粒子の軌道を調整することができる。
【００５５】
以上のように、この実施の形態３によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の隣接する複数の偏向電磁石は、共通の鉄ヨークを備えた構成であるので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となる効果が得られる。
【００５６】
上述した実施の形態３では、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合及び第１から第３の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合について説明したが、その他の隣接する複数の偏向電磁石が共通の鉄ヨークを備えている場合であっても同様の効果が得られる。
【００５７】
実施の形態４．
この実施の形態４では偏向電磁石中の上側磁極及び下側磁極の間隔が偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に広がっている場合について説明する。
【００５８】
図１０はこの発明の実施の形態４による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の偏向電磁石の上側磁極及び下側磁極の構成を示す断面図である。図１０は荷電粒子の入射方向並びに偏向電磁石の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、７１ａは荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、７１ｂ及び７１ｃは荷電粒子通過領域７１ａを挟んで対向して配置された上側磁極（磁極）及び下側磁極（磁極）である。
【００５９】
上側電極７１ｂ及び下側電極７１ｃは、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成されている。
【００６０】
このように上側電極７１ｂ及び下側電極７１ｃを構成した場合、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に磁場の強度が弱くなる。
【００６１】
以上のように、この実施の形態４によれば、偏向電磁石への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に上側電極７１ｂと下側電極７１ｃとの間隔が広がる構成であるので、偏向電磁石が発生する上側方向あるいは下側方向の磁場の作用により偏向されて荷電粒子が反時計方向あるいは時計方向の軌道を描くとき、その軌道の外側、すなわちその軌道に対して軌道中心と反対側の磁場が弱くなる。従って、荷電粒子ビームの水平方向及び垂直方向の収束性が高くなる効果が得られる。
【００６２】
実施の形態５．
この実施の形態５では荷電粒子偏向手段中の偏向磁場発生手段として、偏向電磁石の代えて永久磁石対を備えたものを用いる場合について説明する。
【００６３】
図１１はこの発明の実施の形態５による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段の構成を示す断面図である。図１１は荷電粒子の入射方向並びに第１から第３の偏向磁場発生手段の電場発生方向を含む平面による断面を示している。図において、８２は第１の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８３は第２の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８４は第３の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８２ａは第１の永久磁石対（永久磁石対）、８３ａは第２の永久磁石対（永久磁石対）、８４ａは第３の永久磁石対（永久磁石対）、８５は荷電粒子が通過する荷電粒子通過領域、８２ｂ及び８２ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第１の永久磁石対８２ａのＳ極の上側磁石及びＮ極の下側磁石、８３ｂ及び８３ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第２の永久磁石対８３ａのＮ極の上側磁石及びＳ極の下側磁石、８４ｂ及び８４ｃは荷電粒子通過領域８５を挟んで対向して配置された第３の永久磁石対８４ａのＳ極の上側磁石及びＮ極の下側磁石、８２ｄは第１の永久磁石対８２ａの上側磁石８２ｂの位置を調整する調整軸、８２ｅは第１の永久磁石対８２ａの下側磁石８２ｃの位置を調整する調整軸、８３ｄは第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂの位置を調整する調整軸、８３ｅは第２の永久磁石対８３ａの下側磁石８３ｃの位置を調整する調整軸、８４ｄは第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂの位置を調整する調整軸、８４ｅは第３の永久磁石対８４ａの下側磁石８４ｃの位置を調整する調整軸、８６ａは第１の永久磁石対８２ａの上側磁極８２ｂ、第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂ及び第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂをそれぞれが接続する調整軸を介して支持する上側支持台、８６ｂは第１の永久磁石対８２ａの下側磁極８２ｃ、第２の永久磁石対８３ａの下側磁石８３ｃ及び第３の永久磁石対８４ａの下側磁石８４ｃをそれぞれが接続する調整軸を介して支持する下側支持台である。
【００６４】
このように第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を構成した場合、第１及び第３の偏向磁場発生手段８２，８４は上側方向に磁場を発生し、第２の偏向磁場発生手段８３は下側方向に磁場を発生する。第１の偏向磁場発生手段８２が発生する磁場の強度は、第１の永久磁石対８２ａの上側磁石８２ｂと下側磁石８２ｃとの間の距離により変わり、第２の偏向磁場発生手段８３が発生する磁場の強度は、第２の永久磁石対８３ａの上側磁石８３ｂと下側磁石８３ｃとの間の距離により変わり、第３の偏向磁場発生手段８４が発生する磁場の強度は、第３の永久磁石対８４ａの上側磁石８４ｂと下側磁石８４ｃとの間の距離により変わる。
【００６５】
また、このように第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を構成した場合、実施の形態１の場合と同様の方法で、第１及び第２の荷電粒子偏向手段に入射する荷電粒子の軌道を調整することができる。
【００６６】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４は、永久磁石対を用いた構成であるので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となるとともに、第１から第３の偏向磁場発生手段８２〜８４を駆動するための大きな電源が不要となる効果が得られる。
【００６７】
上述した実施の形態５では、第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁場発生手段を永久磁石対を用いて構成する場合について説明したが、１個または２個、あるいは４個以上の偏向電磁場発生手段を永久磁石対を用いて構成する場合であっても同様の効果が得られる。
【００６８】
また、上述した実施の形態５では、１つの偏向磁場発生手段が１つの永久磁石対を備えている場合について説明したが、例えば放射光装置のアンジュレータのように１つの偏向磁場発生手段が複数の永久磁石対を備えている場合であっても同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、上述した実施の形態１，２では、荷電粒子偏向手段が３つの偏向電磁石を備える場合と４つの偏向電磁石を備える場合について説明したが、さらに多くの偏向電磁石を備えることにより、より高エネルギーまで加速することが可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞と、高周波空洞を順方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段と、高周波空洞を逆方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段とを備え、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された複数の偏向磁場発生手段を備えて成り、隣接する偏向磁場発生手段の極性が異なるように荷電粒子加速装置を構成したので、荷電粒子を高エネルギーに加速することができ、消費電力の少ない、小型の荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。また、簡単な構成の荷電粒子偏向手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる荷電粒子加速装置が得られる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、連続して配置された複数の偏向磁場発生手段が、共通のヨークを備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となり、低コストの荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方の内部に荷電粒子ビームを収束させる収束磁場発生手段を備えるように荷電粒子加速装置を構成したので、荷電粒子ビームの収束性の高い荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【００７５】
この発明によれば、偏向磁場発生手段が荷電粒子通過領域を挟んで対向して配置された２つの磁極を備えて成り、収束磁場発生手段が偏向磁場発生手段への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成された上記２つの磁極を備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、簡単な構成の収束磁場発生手段で収束性の高い荷電粒子ビームを得ることができる荷電粒子加速装置が得られる効果がある。
【００７６】
この発明によれば、１または複数の偏向磁場発生手段が、永久磁石対を備えて成るように荷電粒子加速装置を構成したので、第１及び第２の荷電粒子偏向手段が簡単な構成となるとともに、偏向磁場発生手段を駆動するための大きな電源が不要となり、低コストの荷電粒子加速装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。
【図２】 図１中の第１の荷電粒子偏向手段の構成を示す斜視図である。
【図３】 高周波空洞を３回通過する前までの電子の軌道を示す図である。
【図４】 高周波空洞を３回通過した後、５回通過する前までの電子の軌道を示す図である。
【図５】 第１の荷電粒子偏向手段側における電子の軌道を示す図である。
【図６】 荷電粒子の収束性が低い場合における荷電粒子の軌道を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態２による荷電粒子加速装置の機器構成を概略的に示す上面図である。
【図８】 この発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１及び第２の偏向電磁石の構成を示す断面図である。
【図９】 この発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向電磁石の構成を示す断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態４による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の偏向電磁石の上側磁極及び下側磁極の構成を示す断面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態５による荷電粒子加速装置に用いる第１及び第２の荷電粒子偏向手段中の第１から第３の偏向磁場発生手段の構成を示す断面図である。
【図１２】 従来例１の荷電粒子加速装置を示す構成図である。
【図１３】 従来例２の荷電粒子加速装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１０，３０ 荷電粒子加速装置、１１ 荷電粒子発生手段、１２ 高周波空洞、１３，３１ 第１の荷電粒子偏向手段、１４，３２ 第２の荷電粒子偏向手段、２１，２４，４１，４５，５１ 第１の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２２，２５，４２，４６，５２ 第２の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、２３，２６，４３，４７ 第３の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、４４，４８ 第４の偏向電磁石（偏向磁場発生手段）、５３ａ，６４ａ 上側鉄ヨーク（ヨーク）、５３ｂ，６４ｂ 下側鉄ヨーク（ヨーク）、７１ｂ 上側磁極（磁極）、７１ｃ 下側磁極（磁極）、８２ 第１の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８３ 第２の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８４ 第３の偏向磁場発生手段（偏向磁場発生手段）、８２ａ 第１の永久磁石対（永久磁石対）、８３ａ 第２の永久磁石対（永久磁石対）、８４ａ 第３の永久磁石対（永久磁石対）。
Claims (5)
- 荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、内部を通過する荷電粒子にエネルギーを供給する高周波空洞と、該高周波空洞を順方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第１の荷電粒子偏向手段と、上記高周波空洞を逆方向に通過した荷電粒子が入射しその荷電粒子を偏向して入射時の経路を入射時と反対方向に進行するように出射する第２の荷電粒子偏向手段とを備え、前記第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方は、荷電粒子の入射時の経路の延長上に配置された複数の偏向磁場発生手段を備えて成り、隣接する偏向磁場発生手段の極性が異なることを特徴とする荷電粒子加速装置。
- 連続して配置された複数の偏向磁場発生手段は、共通のヨークを備えて成ることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子加速装置。
- 第１及び第２の荷電粒子偏向手段のいずれか一方または双方の内部に荷電粒子ビームを収束させる収束磁場発生手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子加速装置。
- 偏向磁場発生手段は荷電粒子通過領域を挟んで対向して配置された２つの磁極を備えて成り、収束磁場発生手段は上記偏向磁場発生手段への荷電粒子の入射側からその反対側に向かって徐々に間隔が広がるように構成された上記２つの磁極を備えて成ることを特徴とする請求項３記載の荷電粒子加速装置。
- １または複数の偏向磁場発生手段は、永久磁石対を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子加速装置。
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