JP5481070B2 - 粒子加速のための磁場生成方法、磁石構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

２種類のサイクロトロン（等時性サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロン）において磁場を生成するために、超伝導コイルおよび磁極を含む磁石構造体が開発されてきた。シンクロサイクロトロンは、すべてのサイクロトロンと同様に、イオンが導入される中心軸からの外向き螺旋経路における高周波交流電圧によって荷電粒子（イオン）を加速させる。シンクロサイクロトロンはさらに、粒子が加速された際に、印加された電場の周波数が速度増大時における粒子質量の相対論的増大の原因となるように調整されることを特徴とする。シンクロサイクロトロンはまた、極めて小型であってもよく、極間に生成される磁場の大きさを増大させるにつれて、それらのサイズがほぼ立方体状に縮小し得ることも特徴とする。

磁極が磁気的に飽和している場合、極間には約２テスラの磁場が生成され得る。しかしながら、参照することによりその全体が本願に援用される特許文献１において記載されているように、シンクロサイクロトロンにおける超伝導コイルの使用は、磁場を最大約５テスラまで増大させることが報告されている。最大約５．５テスラの磁場を生成するためにサイクロトロン内において超伝導コイルを概念的に使用することについてのさらなる考察は、非特許文献１において、さらに、等時性サイクロトロン（磁場は半径に伴って増大する）において８テスラの場を生成するための超伝導コイルの使用についての考察は、非特許文献２において提供されている。これらの論文はいずれも、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｓｃｌ．ｍｓｕ．ｅｄｕ／ｏｕｒｌａｂ／ｌｉｂｒａｒｙ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐから入手可能であり、両論文は参照することによりその全体が本願に援用される。
米国特許第４，６４１，０５７号明細書 Ｘ．Ｗｕ、"Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｒｂｉｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａ ２５０ＭｅＶ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ"、Ｐｈ．Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、１９９０ Ｊ．Ｋｉｍ、"Ａｎ Ｅｉｇｈｔ Ｔｅｓｌａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔ ｆｏｒ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｓｔｕｄｉｅｓ"、Ｐｈ．Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、１９９４

少なくとも２つの超伝導磁石コイル（すなわち、磁場を生成するように構成される超伝導コイル）を含むコールドマス構造体を含む小型磁石構造体が本明細書において説明される。コールドマス構造体は、中央加速面を有する加速チャンバと、該加速チャンバをわたって延びる中心軸のセグメントとの範囲を定める。磁石ヨークは、該コールドマス構造体の周囲を囲み、先細の内面を有する１対の極を含み、該１対の極はその間に極間隙を画定し、該極間の間隙は該加速チャンバをわたって延び、該磁石ヨークは該加速チャンバ内の中心軸のセグメントの半径方向の範囲を定めている。極の内面は（中央加速面の反対側においてほぼ対称に）先細であり、中心軸に近い内側の極先端からの間隙を増加させて、内段にわたって中心軸からのより大きな半径方向の距離におけるピーク間隙において２倍を超えるまで増加させ、かつ中心軸からのさらに大きな半径方向の距離における極翼上の１対の先端におけるピーク間隙の半分未満の隔たりまで、そのピーク間隙から外段にわたって間隙を減らす。

極は、加速チャンバで加速された荷電粒子（イオン）の弱収束の提供、および加速粒子の位相安定性の提供の両方のために、対応して形作られる。弱収束は、磁場を通って外向き螺旋で加速しながら、荷電粒子を空間内に維持するものである。位相安定性は、チャンバ内において望ましい加速を維持するために十分なエネルギーを荷電粒子が獲得することを確実にする。具体的には、イオン加速を維持するために必要とされるよりも大きい電圧が、常に加速チャンバ内の高圧電極に提供され、磁石構造体は、加速チャンバ内に、これらの電極用の、また、当該チャンバから加速されたイオンを抽出するための抽出システム用の十分な空間を提供するように構成される。極の直径は、外段に対する半径方向の距離の増加において、迅速に極間隙を減少させることを介して、エネルギゲイン対半径を増加させることによって、減少する。

ヨーク内に画定される通路に収納され得る超伝導磁石コイルは、加速チャンバの中央加速面内において極めて高い磁場を直接生成するために使用される。超伝導磁石コイルは、有効にされると、磁石ヨークも磁場を生じさせるように当該磁石ヨークを「磁気化」し、当該磁場は、磁石コイルによって直接生成された場とは異なると考えられ得る。両方の磁場成分（すなわち、コイルから直接生成された成分および磁気化されたヨークによって生成された成分の両方）は、中央加速面に対してほぼ直角に、中央加速面を通過する。しかしながら、中央加速面において完全に磁気化されたヨークによって生成される磁場は、当該面において超伝導磁石コイルによって直接生成される磁場よりもはるかに小さい。磁石ヨークの極の先細の表面は、シンクロサイクロトロン内におけるその使用を可能にするために、中央加速面に沿って、中心軸から加速チャンバの周辺部までの半径を増大させるにつれて減少するような磁場を形作るように構成される。

他の実施形態において、加速チャンバ内に形成磁場を生成して、弱収束および位相安定性の両方を提供するために、追加の磁石コイルが使用される。（ここでは「１次」コイルと称される先の段落における超伝導コイルを有する）これらの追加のコイルは、先細の極表面の代わりに、または該表面と共に用いられ得るが、その結果は加速チャンバ内の中央加速面にわたる磁場の類似の形状である。

２つの超伝導コイルは、加速面の向かい合う側に対称的に配置され、真空クライオスタット内の引張要素によって吊着されたコールドボビン内に装着される。コールドマス構造体を取り囲んでいるのは、例えば低炭素鋼で形成された磁石ヨークである。コールドマス構造体およびヨークは共に、イオン加速用の極間にある真空ビームチャンバの加速面内において、例えば約７テスラ以上（特定の実施形態においては、９テスラ以上）の混合場を生成する。超伝導コイルは、当該チャンバ内において、コイルが超伝導状態で設置されている場合、および、当該コイルを通る連続的な電流の流れを開始および維持するために、電圧がそれに印加されている場合、約５テスラ以上（特定の実施形態においては、約７テスラ以上）の磁場の実質的過半数を生成する。ヨークは、超伝導コイルが生成した場によって磁化され、イオン加速用にチャンバ内で生成された磁場にさらに２テスラをもたらすことができる。

高い磁場によって、磁石構造体を非常に小さくすることができる。加速面内に７テスラの混合磁場を有する実施形態において、磁石ヨークの外半径は４５インチ（約１１４ｃｍ）以下である。より高い磁場で使用するために設計された磁石構造体においては、磁石ヨークの外半径はさらに小さくなるであろう。磁石構造体のさらなる特定の実施形態は、中央加速面内の磁場が、例えば８．９テスラ以上、９．５テスラ以上、１０テスラ以上、７〜１３テスラのその他の場、および１３テスラを超える場である場合に使用するように設計される。

コイルの半径は、２０インチ（約５１ｃｍ）以下であってもよく−−ここでも、増大した磁場で使用するためにはさらに小さいものとなる−−、コイル中の超伝導材料は、加速用の極間隙内に９．９テスラ以上の開始磁場を生成するために使用され得るＮｂ_３Ｓｎであってもよいし、加速用の極間隙内に８．４テスラ以上の開始磁場を生成するために使用され得るＮｂＴｉであってもよい。特定の実施形態において、各コイルは、Ａｌ５Ｎｂ_３Ｓｎ第２種超伝導体で形成される。コイルは、反応Ｎｂ_３Ｓｎ複合導体を円環形状または同心円状の輪のセットの形態に巻くことによって形成されてもよい。複合導体は、銅チャネル内にはんだ付けされた反応Ｎｂ_３Ｓｎワイヤのケーブル、またはケーブル単体であってもよい。ケーブルは、銅およびバリア材を有する前駆体スズおよびニオブ成分の、所定数の撚り線から組み立てられる。続いて、巻き撚り線を加熱し、母材成分と反応させてＮｂ_３Ｓｎを形成し、このとき、構造体中のニオブ含有量は、撚り線の断面の周辺部に近づくにつれて増大する。

また、電圧源と連結された導電ワイヤで各コイルの周囲を覆ってもよい。その後、動作中にコイルがまずその内端における超伝導性を喪失し始めた際にワイヤに十分な電圧を印加することにより、当該ワイヤを使用して超伝導コイルを「クエンチ」する（すなわち、コイル全体を超伝導ではなく「正常」にする）ことができ、それにより、高抵抗の局所的ホットスポットを伴う動作の可能性を排除することによってコイルを守ることができる。あるいは、ステンレス鋼またはその他の伝導金属（銅または黄銅等）のストリップをコイル周辺部に付着させるか、コイルに埋め込んでもよく、それにより、電流がストリップを通過する際に、超伝導状態をクエンチするようにコイルが加熱され、それによってコイルを保護する。

動作中、コイルは「乾燥」状態に維持される（すなわち、液体冷媒に浸漬されない）ことができ、それどころか、コイルは、クライオクーラによって超伝導体の臨界温度を下回る温度まで冷却され得る。さらに、コールドマス構造体は、動作中に生成される特に高い磁場の存在および影響下において、コールドマス構造体の中心が中心軸となるように保つ役割を果たす複数の放射状引張部材と連結されてもよい。

また、イオン加速器は、イオンが形成され、加速軌道に捕獲され、最終エネルギーまで加速され、その後、多数のイオンビーム応用において使用するために抽出される、適切な小型ビームチャンバ、ディー、および共振器構造を有し得る。ビームチャンバ、共振器、およびディー構造は、超伝導磁石構造体の極間の開放空間内に存在し、したがって磁石構造体はこれらのコンポーネントを収容するように構成される（一方で依然特定の磁場形成を提供することも可能である）。ビームチャンバは、イオンビーム形成用の設備を含む。イオンは、内部イオン源において形成されてもよいし、イオン注入構造を有する外部イオン源によって提供されてもよい。ビームチャンバは真空にされ、さらに無線周波数（ＲＦ）加速構造の接地面としての役割を果たす。ＲＦ加速構造は、加速間隙を画定する単数または複数のディー、その他の表面および構造体と、外部生成器から単数または複数のディーの励起用のビームチャンバへ周波数波を伝達する手段と、を含む。

またさらに、ヨークを取り囲み、そこから生成される外部磁場を収納するために、一体型磁気シールドを設けてもよい。一体型磁気シールドは、（ヨークと同様に）低炭素鋼で形成されてもよく、磁石構造体によってその動作中に生成され得る１，０００ガウスの磁束密度の輪郭の外側に配置される。シールドは、種々の配向を有する磁場の閉じ込め改善を可能にするために、ヨークから延在する磁束線が、複数の場所および複数の角度で一体型磁気シールドと交差するような蛇行形状を有し得る。クライオクーラのヘッドおよび高い磁場に敏感なその他の能動素子は、一体型磁気シールドの外側に配置される。

本開示の装置および方法は、極めて小型の構造体からの高い磁場の生成を可能にし、それにより、高エネルギー（かつ短波長）の粒子の点状のビーム（すなわち、小さい空間的断面を有するもの）の生成を可能にする。また、本開示の一体型磁気シールドは、そこから生成された磁場の優れた閉じ込めを可能にする。本開示の小型構造体は、粒子加速器内において多種多様な用途に使用されることができ、当該加速器は、輸送可能な形態、例えばカートまたは車両内で使用され、セキュリティシステム内のポート、またはその他の種類の輸送センター等において、診断使用または脅威検出のためのエネルギーイオンの一時的な源を提供するために再配置されることができる。したがって加速器は、専用の加速器施設だけでなく、必要な場所において使用され得る。またさらに、加速器は、種々の異なる源位置から、加速器の加速イオンを標的に照射するために、例えば単室システム内の固定標的（例えば、医療患者）周囲における加速器の移動用のガントリーに装着され得る。

以下で説明する添付の図面において、類似の参照文字は、異なる図にわたり、同じまたは同様の部分を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、「詳細の説明」で特徴付けられる方法および装置の特定の原理を説明することを重要視している。

本願において記載する発明の多くは、シンクロサイクロトロンにおける実装を超える広範な適用性（例えば、等時性サイクロトロンにおいて、ならびに、超伝導体を用いる、および／または高磁場を生成するためのその他の用途において）を有し、その他の状況においても容易に用いられ得る。しかしながら、参照しやすいように、本明細書ではシンクロサイクロトロンの状況における根本的な原理および特徴の説明から始める。

シンクロサイクロトロンは概して、イオン種の電荷Ｑ、加速されたイオンの質量Ｍ、加速電圧Ｖ_０、最終エネルギーＥ、中心軸からの最終半径Ｒ、および中心場Ｂ_０を特徴とし得る。パラメータＢ_０およびＲは最終エネルギーに関するものであるため、１つだけを特定する必要がある。特に、パラメータＱ、Ｍ、Ｅ、Ｖ_０、およびＢ_０のセットによって、シンクロサイクロトロンを特徴付けることが可能である。本開示の高磁場超伝導シンクロサイクロトロンは、同期加速の原理を受けて、特にＱ、Ｍ、Ｖ_０、Ｅ、およびＢ_０のイオンを作成、加速、および抽出するために機能する多数の重要な特徴および要素を含む。また、中心場だけが上昇し、その他の主要パラメータはすべて一定に保持される場合、比例して加速器の最終半径が減少し、シンクロサイクロトロンがより小型になることが分かる。中心場Ｂ_０の増大に伴うこの全体的な小型化は、第３の力Ｒ_３までの最終半径によってほぼ特徴付けることができるものであり、以下の表に示すが、磁場の増大が大きいと、シンクロサイクロトロンの近似体積が大きく減少する。

上記の図表中の最後の列は体積スケーリングを表しており、各行において、Ｒ_１は２．２８ｍの極半径、Ｂ_０は１テスラ、Ｒは中心場Ｂ_０の対応する半径である。この場合、Ｍ＝ρ_ｉｒｏｎＶ、かつＥ＝Ｋ（ＲＢ_０）^２＝２５０ＭｅＶであり、ここでＶは体積である。

この中心場Ｂ_０の増大によって著しく変化する１つの要因は、減少すると思われるシンクロサイクロトロンのコストである。著しく変化するもう１つの要因は、シンクロサイクロトロンの可搬性である、すなわち、シンクロサイクロトロンは再配置がより容易なはずであり、例えばシンクロサイクロトロンを次にガントリーに設置し、癌放射線療法のために患者の周囲で動かすことができる、または、点状粒子のエネルギービームを利用するゲートウェイ・セキュリティ・スクリーニングアプリケーション等のモバイルアプリケーションで使用するために、シンクロサイクロトロンをカートもしくは貨物自動車に設置することができる。場の増大によって変化するもう１つの要因はサイズである、すなわち、シンクロサイクロトロンのすべての特徴および本質的要素、ならびにイオン加速の特性は、場の増大に伴って実質的にサイズも減少させる。本願において記載するのは、磁場を生成する超伝導磁石構造体を使用して磁場を上昇させることにより、シンクロサイクロトロンの全体的なサイズを（固定イオン種および最終エネルギーのために）著しく減少させることができる方法である。

磁場Ｂ_０が増大するに伴い、シンクロサイクロトロンは、所与のエネルギーＥ、電荷Ｑ、質量Ｍ、および加速電圧Ｖ_０に必要な磁気エネルギーを生成するための構造体を所有する。この磁気構造体は、同期粒子加速の必要な総磁場および場の形状特性を生成しながら、当該構造体の超伝導素子に安定性および保護を提供し、同じく中心場Ｂ_０の増大に伴って発生する大きな電磁力を緩和し、超伝導コールドマスへの冷却を提供する。

１１．２テスラのピーク場において動作するＮｂ_３Ｓｎ伝導体ベースの超伝導コイル（図示せず）を有する、９．２テスラの２５０ＭｅＶの陽子超伝導シンクロサイクロトロンの、ヨーク３６、ディー４８、および共振器構造１７４を図１に示す。このシンクロサイクロトロン解は、Ｘ．Ｗｕのミシガン州立大学でのＰｈ．Ｄ論文「Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｒｂｉｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａ ２５０ＭｅＶ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ（１９９０）」における、５．５テスラで得られる解からの新しいスケーリング法に基礎を置いたものであり、Ｗｕの論文は、シンクロサイクロトロンのための設計において、その時点で最も高い中心場（Ｂ_０）レベル−−詳細な解析結果において提供された、または動作中に実験的に実証された−−を示唆したものであると考えられる。

これらの高磁場スケーリング則は、新しいイオン種が本願において提供される特定の例のものと同じであることを必要とせず（すなわち、スケーリング則は単なる２５０ＭｅＶおよび陽子よりも一般的である）、電荷Ｑと質量Ｍは事実上異なっていてもよく、スケーリング解は、異なるＱおよびＭを有する新しい種のために決定されてもよい。例えば、別の実施形態において、イオンは＋６電荷と引き換えに電子を失った炭素原子（すなわち、^１２Ｃ^６＋）であり、本実施形態においては、低質量低電荷の粒子と比較して、あまり極端でない場成形（例えば、極表面のプロファイルがより平坦となる）が必要となるであろう。また、新しいスケールエネルギーＥは、以前の最終エネルギーと異なっている場合がある。またさらに、Ｂ_０も変化する場合がある。これらの変化のそれぞれにより、シンクロサイクロトロンの加速モードを守ることができる。

強磁性鉄ヨーク３６は、ビームチャンバ、ディー４８、および共振器構造１７４が存在する加速領域を取り囲んでおり、ヨーク３６は、上部磁石クライオスタットキャビティ１１８および下部磁石クライオスタットキャビティ１２０で示される、磁石クライオスタットのための空間も取り囲んでいる。加速システムのビームチャンバ、ディー４８、および共振器構造１７４は、２０ｋＶ未満の加速電圧Ｖ_０においてＥ＝２５０ＭｅＶの陽子ビーム（Ｑ＝１、Ｍ＝１）用にサイズ決定される。強磁性鉄のコアおよびリターンヨーク３６は、組み立ておよび保守を容易にするために分割構造として設計され、３５インチ（約８９ｃｍ）未満の外半径と、４０インチ（約１００ｃｍ）未満の全高と、２５トン（約３，０００ｋｇ）未満の全質量とを有する。ヨーク３６は、室温に維持される。この特定の解は、ガントリー、プラットフォーム、もしくは貨物自動車、または、適用部位における固定位置等、小型の高磁場超伝導シンクロサイクロトロンによって可能になるものとして識別した先の用途のいずれかにおいて使用され得る。

明確にするために、高磁場シンクロサイクロトロン動作のための強磁性鉄ヨーク構造体３６のその他多数の特徴は図１には示していない。これらの特徴は図２に示す。シンクロサイクロトロンの構造体は、その主軸１６について３６０度の回転対称に近く、本願の他の箇所でも示すように、特定の場所における離散的なポートおよびその他の離散的特徴を可能にする。シンクロサイクロトロンは、強磁性ヨーク３６の鏡対称面であり、スプリットコイル対１２および１４の中央面である中央加速面１８も有し、中央加速面は、ビームチャンバ（極３８と４０との間に画定される）、ディー４８、および共振器構造１７４の、ならびに加速中の粒子軌跡の鉛直方向中央でもある。高磁場シンクロサイクロトロンの強磁性ヨーク構造体３６は、複数の要素から成る。磁石極３８および４０は、シンクロサイクロトロンの中心軸１６の周囲に並べられ、それぞれ約３インチ（約７．６ｃｍ）の直径を有する、上部中央通路１４２および下部中央通路１４４を画定し、これにより、加速チャンバ４６の中心領域にある中央面１８の主軸１６に配置されたイオン源の挿入および除去のためのアクセスを提供する。

詳細な磁場構造が利用されることにより、イオンの安定した加速を提供する。詳細な磁場構成は、初期加速用の上部および下部の極チップ輪郭１２２および１２４ならびに上部および下部の極輪郭１２６および１２８の成形による強磁性鉄ヨーク３６の成形によって、および、高磁場加速用の上部および下部の極輪郭１３０および１３２を形作ることによって提供される。図２の実施形態において、上部および下部の極輪郭１３０と１３２との間の最大極間隙（上部および下部の極翼１３４および１３６に隣接する）は、上部および下部の極輪郭１２６と１２８との間の最大極間隙のサイズの２倍より大きく、上部および下部の極チップ輪郭１２２および１２４における最少極間隙のサイズの５倍より大きい。図示するように、上部および下部の極チップ輪郭１２２および１２４の傾斜は、隣接する初期加速用の上部および下部の極輪郭１２６および１２８の傾斜よりも急勾配である。高磁場加速用の上部および下部の極輪郭１３０および１３２の傾斜は、中心（主）軸１６からの半径方向距離を増大させる関数として極間隙が拡張する速度を増大させるために、上部および下部の極輪郭１２６および１２８の比較的軽い傾斜を超えて、ここでも実質的に増大（輪郭１３０）および減少（輪郭１３２）する。

半径方向に外向きに動かすと、上部および下部の極翼１３４および１３６の表面の傾斜は上部および下部の極輪郭１３０および１３２の傾斜よりもさらに急勾配になり（かつそれに反比例し）、そのため、極間隙のサイズは、極翼１３４と１３６との間の半径を増大させるにつれて（５分の１以下に）急降下する。したがって、極翼１３４および１３６の構造は、コイル１２および１４に近接する内部磁場線を捕捉することにより、加速チャンバの外周辺部に向かってコイル１２および１４によって生成される磁場からの実質的な防護を提供し、それによって、それらの捕捉された磁場線を超えた場の降下を尖鋭化する。翼１３４と表面１３０の接合部と翼１３６と表面１３２の接合部との間にある最も遠い間隙は、約３７ｃｍである。この間隙はその後、急激に狭くなり（中央加速面１８に対して８０〜９０％の角度―例えば、約８５°の角度で）、チップ１３８と１４０との間は約６ｃｍとなる。したがって、極翼１３４と１３６との間の間隙は、極間の最も遠い間隙のサイズの３分の１未満（またはさらに５分の１未満）である場合がある。コイル１２と１４との間の間隙は、本実施形態において、約１０ｃｍである。

コイルからの磁場が増大する実施形態において、コイル１２および１４は、より多くのアンペアターンを含み、互いにさらに分裂し、また、各翼１３４および１３６のより近くに配置される。さらに、増大した場のために設計された磁石構造体において、極間隙は輪郭１２６と１２８との間、および輪郭１３０と１３２との間で増大し、一方、極間隙は、周辺チップ１３８と１４０との間（例えば、１４テスラの場用に設計された磁石構造体においては約３．８ｃｍまで）、および中心チップ１２２と１２４との間で狭くなる。またさらに、これらの実施形態において、翼１３４および１３６の厚さ（加速面１８に対して平行に計測）が増加する。さらに、印加される電圧が低いほど、イオンの軌道はより小さく数が多くなり、軸方向および半径方向のビーム広がりは小さくなる。

図２に示すこれらの輪郭変化は、各高磁場シンクロサイクロトロンスケーリング解に関する単なる代表例であり、位相安定加速および弱収束に適応するために異なる数の極先細変化があってもよく、表面は滑らかに変動する輪郭を有してもよい。イオンは、半径ｒに沿って拡張する螺旋形態の平均軌跡を有する。イオンはまた、この平均軌跡の周囲で小さい直交振動を受ける。これらの平均半径周囲での小さい振動は、ベータトロン振動として知られており、加速イオンの特定の性質を定義するものである。

上部および下部の極翼１３４および１３６は、特徴的な軌道共鳴を動かすことにより、抽出のために磁場端を尖鋭化し、これによって最終的に得られるエネルギーを極端部の近くに設定する。上部および下部の極翼１３４および１３６はさらに、内部加速場を強力なスプリットコイル対１２および１４から防護する役割を果たす。従来の再生シンクロサイクロトロン抽出または自己抽出は、十分な非軸対称性の端部磁場を確立するために、強磁性の上部および下部の鉄製チップ１３８および１４０のさらなる局在的な切片を、上部および下部の極翼１３４および１３６の正面の周囲に円周方向に置くことによって適応させられる。

特定の実施形態において、鉄製チップ１３８および１４０は、その間にある間隙によって上部および下部の各極翼１３４および１３６から隔てられており、したがって鉄製チップ１３８および１４０はビームチャンバの内部に組み込まれることができ、それにより、チャンバ壁は当該間隙を通過する。鉄製チップ１３８および１４０は、別々に固定されるが、依然として磁気回路内にある。

その他の実施形態において、図３に示すように、鉄製チップ１３８および１４０または極翼１３４および１３６は、それらの場面において磁場をそれぞれ縮小および増大させるために、例えばスロット２０２および延在部２０４を含み、中心軸１６の周囲において非対称であってもよい。さらに他の実施形態において、鉄製チップ１３８および１４０は、極３８および４０の円周の周囲において連続的ではなく、間隙によって隔てられた別個のセグメントの形態であり、当該間隙において、より低い局所磁場が生成される。さらに別の実施形態において、鉄製チップ１３８および１４０の組成を変動させること、または、異なる磁気特性を有する選択された材料を、チップ１３８および１４０の円周周囲の異なる位置に組み込むことにより、異なる局所磁場が生成される。磁石ヨーク内の他の場所の組成も、磁場を形作るため（すなわち、場を上昇または低下させるため）、必要に応じて（例えば、加速されたイオンに弱収束および位相安定性を提供するために）、特に中央加速面の領域を形作るために、変動し得る（例えば、異なる磁気特性を有する異なる材料を提供することによって）。

強磁性鉄ヨーク３６内に画定された複数の半径方向通路１５４は、シンクロサイクロトロンの中央面１８を経由するアクセスを提供する。中央面通路１５４は、ビーム抽出、ならびに共振器内部伝導体１８６および共振器外部伝導体１８８の貫通のために使用される（図５参照）。極間隙体積中のイオン加速構造体にアクセスするための代替的な方法は、上部軸方向ＲＦ通路１４６経由および下部軸方向ＲＦ通路１４８経由である。

コールドマス構造体およびクライオスタット（図示せず）は、リード線、起寒剤、構造支柱、および真空ポンプのための多数の貫通部を含み、これらの貫通部は、上極クライオスタット通路１５０および下極クライオスタット通路１５２を通り、強磁性のコアおよびヨーク３６内に収容される。クライオスタットは、非磁性体（例えば、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｕｍｉｎｇｔｏｎ， Ｗｅｓｔ Ｖｉｒｇｉｎｉａ， ＵＳＡ）から市販されているＩＮＣＯＮＥＬニッケルベース合金）で構成される。

強磁性鉄ヨーク３６は、超伝導コイル１２および１４によって生成される磁束を加速チャンバ４６へ搬送する磁気回路を備える。磁気回路は、ヨーク３６を介して、上極チップ１０２および下極チップ１０４においてシンクロサイクロトロン弱収束のための場成形も提供する。磁気回路はまた、磁束の大部分を当該磁気回路の外側部分に収納することにより、加速チャンバ内の磁場レベルを向上させ、当該回路は、強磁性ヨーク要素、対応する下極ルート１０８を有する上極ルート１０６と、対応する下部リターンヨーク１１２を有する上部リターンヨーク１１０とを含む。強磁性ヨーク３６は、飽和していても加速チャンバ４６内にイオン加速用の場成形を提供する、強磁性物質で作られている。

上部および下部の磁石クライオスタットキャビティ１１８および１２０は、上部および下部の超伝導コイル１２および１４だけでなく、図示されていない、これらのコイルを取り囲む超伝導コールドマス構造体およびクライオスタットも収納する。

コイル１２および１４の場所および形状も、Ｂ_０が著しく増大している場合、所与のＥ、Ｑ、Ｍ、およびＶ_０のための新しいシンクロサイクロトロン軌道解のスケーリングにとって重要である。上部コイル１２の底面１１４は、底部コイル１４の向かい側の上面１１６と向かい合う。上極翼１３４は上部コイル１２の内面６１と向かい合い、同様に、下極翼１３６は下部コイル１４の内面６２と向かい合う。

付加的な防護がない場合、集中した高磁場レベル（高磁場超伝導シンクロサイクロトロンの内側または強磁性ヨーク３６の外面付近）は、磁気引力または磁化効果により、近隣の人員および設備に潜在的危険をもたらすであろう。必要とされる場レベルの全体的な外部削減用にサイズ決定された強磁性体の一体型外部シールド６０が、シンクロサイクロトロンから離れた磁場を最小化するために使用され得る。シールド６０は、層の形態であってもよいし、追加的な局所防護のための回旋状表面を有してもよく、また、シンクロサイクロトロン修理のため、および、サイクロトロンから離れた最終外部ビーム輸送システムのための通路を有してもよい。

シンクロサイクロトロンは、円形クラスの粒子加速器のメンバである。円形粒子加速器のビーム理論は非常に発達しており、平衡軌道および平衡軌道周囲のベータトロン振動という２つの主要概念に基づいている。平衡軌道（Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｏｒｂｉｔ）（ＥＯ）の原理は、以下のように説明できる。
・磁場により捕獲された所与の運動量の電荷は、軌道を描く。
・閉軌道は、所与の電荷、運動量、およびエネルギーの平衡状態を表す。
・場は、平行軌道の円滑な設定を搬送するためのその能力を分析され得る。
・１つの平衡軌道から別の平衡軌道への遷移として加速が見られる。
一方、摂動論の弱収束原理は、以下のように説明できる。
・粒子は、平均軌跡（中心光線としても知られる）の周囲で振動する。
・振動周波数（ν_ｒ，ν_ｚ）は、それぞれ半径方向（ｒ）および軸方向（ｚ）の運動を特徴付ける。
・磁場は、座標場成分と磁場指数（ｎ）とに分解され、

であり、一方、

である。
・粒子振動と磁場成分、特に磁場誤差項との間の共鳴は、加速安定性および損失を決定する。

シンクロサイクロトロンにおいて、上述の弱収束磁場指数パラメータｎは以下のように定義される。

ここで、ｒは主軸１６からのイオンの半径（Ｑ，Ｍ）であり、Ｂは当該半径における軸方向磁場の大きさである。弱収束磁場指数パラメータｎは、シンクロサイクロトロン内における全エネルギーまでのイオンの加速成功を可能にするために、加速チャンバ全体にわたって０から１の範囲であり（イオンが導入される場合、および半径がほぼゼロである場合には、主中心軸１６に近接するチャンバの中心領域を例外とする可能性がある）、この場合、コイルによって生成される磁場が磁場指数を支配する。特に、平均軌跡の周囲でイオンを安定して振動させ続けるために、加速中に復元力が提供される。ｎ＞０である場合、この軸方向復元力が存在することを示すことができ、これには、Ｂ＞０かつｒ＞０が真であることにより、ｄＢ／ｄｒ＜０となることが必要となる。シンクロサイクロトロンは、加速に必要な磁場指数と一致させるために、半径に伴って減少する場を有する。あるいは、磁場指数が既知である場合、図２に示す特徴の多くの位置および場所を含む電磁回路を、さらに詳細な軌道および場の計算によって最適解を提供することができるレベルの精度に特定することが可能である。そのような解を手に入れて、当該解をパラメータセット（Ｂ_０、Ｅ、Ｑ、Ｍ、およびＶ_０）にスケーリングすることができる。

この点について、シンクロサイクロトロンの磁場内で回転するイオンの回転周波数ωは、
ω＝ＱＢ／γＭ
であり、ここで、γは、周波数の増大に伴う粒子質量の増大を表す相対論的因子である。シンクロサイクロトロン内におけるエネルギーの増大に伴うこの周波数減少は、円形粒子加速器のシンクロサイクロトロン加速モードの基礎であり、軸方向復元力のために必要な磁場指数変化に加えて、半径に伴う場のさらなる減少を生み出す。間隙全体にわたる電圧Ｖは、位相安定性を提供するために必要な最低電圧Ｖ_ｍｉｎよりも大きく、Ｖ_ｍｉｎにおいて、粒子は、次の間隙を横断する際にさらなるエネルギーを獲得することを可能にするエネルギーを間隙に有する。また、シンクロサイクロトロン加速は位相安定性の原理に関与し、利用可能な加速電圧は、ほぼ常に、加速器の中心から外端付近の全エネルギーまでのイオン加速に必要な電圧を上回っていることを特徴とし得る。イオンの半径ｒが減少すると、加速電場は増大するはずであり、このことは、磁場Ｂの増大に伴う加速電圧に対する実用限界があり得ることを示唆している。

ある既知の、作動中の高磁場シンクロサイクロトロンパラメータセットについて、数ある中でもこれらの原理効果から決定され得る磁場指数ｎは、加速用の磁場において半径方向変化を導き出すために使用され得る。このＢ対ｒのプロファイルは、データセット内の磁場を全エネルギー時に必要とされる実際の磁場値で割ることによって、また、このＢ対ｒのデータセット内の対応する半径値を全エネルギーに達した半径で割ることによって、さらにパラメータ化され得る。この正規化されたデータセットは、その後、さらに高い中心磁場Ｂ_０においてシンクロサイクロトロン加速解をスケーリングするために使用され、結果として加速器を全体的に小型化することができるが、これは、少なくとも以下のことも真である場合である：（ａ）加速調和次数ｈが一定であること（ここで調和次数とは、次式に示すように、場における加速電圧周波数ω_ＲＦとイオン回転周波数ωとの間の乗数をいう）
ω_ＲＦ＝ｈω
および（ｂ）周期当たりのエネルギー利得Ｅ_ｔが、別の因子に対するＥ_ｔの比率が特に次式に示すように一定に保持されるように、制約されていることであって、

ここで、ｆ（γ）＝γ^２（１−０．２５（γ^２−１））である。

超伝導コイルを使用して高磁場シンクロサイクロトロンをさらに発達させるために、超伝導コイルの特性について以下でさらに検討する。超伝導コイルにおいては多数の異なる種類の超伝導体を使用することができ、エンジニアリング解にとって重要な多くの要因のうち、多くの場合、磁場、電流密度、および温度という３つの要因が超伝導体を特徴付けるために使用される。Ｂ_ｍａｘは、超伝導状態を、ある有用なエンジニアリング電流密度Ｊ_ｅおよび動作温度Ｔ_ｏｐに維持しながら、コイル内の超伝導ワイヤの超伝導フィラメント内に支持され得る最大磁場である。比較を目的として、多くの場合、超伝導シンクロサイクロトロン、特に本願において考察する高磁場超伝導シンクロサイクロトロンに提供されるもの等、磁石内の超伝導コイルに４．５Ｋの動作温度Ｔ_ｏｐを使用する。比較を目的として、１０００Ａ／ｍｍ^２のエンジニアリング電流密度Ｊ_ｃを合理的な代表例とする。動作温度および電流密度の実際の範囲は、これらの値よりも広範である。

超伝導材料であるＮｂＴｉは、超伝導磁石において使用され、１０００Ａ／ｍｍ^２および４．５Ｋにおいて最大７テスラの場レベルで動作されることができ、一方、Ｎｂ_３Ｓｎは、１０００Ａ／ｍｍ^２および４．５Ｋにおいて最大約１１テスラの場レベルで動作されることができる。しかしながら、過冷却として公知のプロセスによって超伝導磁石内の温度を２Ｋに維持することも可能であり、この場合、ＮｂＴｉの性能は、２Ｋおよび１０００Ａ／ｍｍ^２において約１１テスラの動作レベルに到達し、一方、Ｎｂ_３Ｓｎは、２Ｋおよび１０００Ａ／ｍｍ^２において約１５テスラに到達することができるであろう。実際には、超伝導安定性のために場限界で動作するように磁石を設計することはなく、また、超伝導コイルにおける場レベルは、極間隙における場レベルよりも高くてもよく、そのため、実際の動作磁場レベルは低いものとなるであろう。さらに、これら２つの伝導体ファミリーの特定メンバ間の詳細な差異は、より低い電流密度で動作するように、この範囲を広げるであろう。超伝導素子のこれらの既知の特性の近似範囲は、先に提示した軌道スケーリング則に加えて、小型の高磁場超伝導シンクロサイクロトロンにおける望ましい動作場レベルのために、特定の超伝導ワイヤおよびコイル技術を選択することを可能にする。特に、ＮｂＴｉおよびＮｂ_３Ｓｎ伝導体で作られ、４．５Ｋで動作する超伝導コイルは、シンクロサイクロトロン内のより低い場から１０テスラを超過する場までの動作場レベル範囲に及ぶ。動作温度を２Ｋまでさらに減少させると、当該範囲は少なくとも１４テスラの動作磁場レベルまで拡張する。

超伝導コイルはまた、巻き線における磁力のレベル、および、何らかの理由により巻き線の一部が全動作電流において常伝導となってしまった場合に、エネルギーを迅速に除去することの望ましさも特徴とする。エネルギーの除去は、磁石クエンチとして知られている。超伝導シンクロサイクロトロンのスプリットコイル対１２および１４における力およびクエンチ保護に関するいくつかの要因があり、これらは、スケーリングされた高磁場超伝導シンクロサイクロトロンが選択された伝導体型を使用して正常に動作するために取り組まれているものである。図４に示すように、コイルセットは、上部超伝導コイル１２および下部超伝導コイル１４を有するスプリットコイル対を含む。上部１２および下部１４超伝導コイルは、交流超伝導体および絶縁素子と共に軸方向に巻かれる。異なる組成および性質を有するいくつかの種類または等級の超伝導体を使用することができる。

上部超伝導コイル１２内の表面１６８と下部超伝導コイル１４内の表面１７０は、伝導体をより優れたコイル設計と一致させるために伝導体等級が変化する境界を、図式的に示している。クエンチ保護を補助する、または巻き線の構造強度を増大させる等の特定の目的で、これらの、またはその他の場所に、さらなる構造体を導入してもよい。したがって、各超伝導コイル１２および１４は、境界１６８および１７０によって隔てられた複数のセグメントを有し得る。図４には３つのセグメントが示されているが、これは一実施形態にすぎず、使用するセグメントはこれより多くても少なくてもよい。

上部および下部のコイル１２および１４は、ボビン２０と称される低温コイルの機械的閉じ込め構造体内にある。ボビン２０は、上部および下部のコイル１２および１４が半径方向に外向きの大きい力だけでなく大きい引力による負荷を有する場合、コイル１２および１４を半径方向および軸方向の両方に支持し、収納している。ボビン２０は、それらの各表面１１４および１１６を介して、コイル１２および１４に軸方向支持を提供する。ボビン２０内に、およびそれを介して、加速チャンバ４６へのアクセスを提供する複数の半径方向通路１７２が画定される。また、コイル／ボビンアセンブリを適切な場所に保持するための半径方向・軸方向リンクを提供するように、ボビン２０上に複数のアタッチメント構造体（図示せず）を設けてもよい。

上部超伝導コイル１２の点１５６および下部超伝導コイル１４の点１５８は、最も高い磁場の近似領域を示し、この場レベルは、上記で考察したように、選ばれた超伝導体のための設計点を設定する。また、上部超伝導コイル１２内の交差領域１６４および下部超伝導コイル１４内の交差領域１６６は磁場反転の領域を示し、これらの場合において、巻き線にかかる半径方向力は、内側に向けられ、緩和される。領域１６０および１６２は、低磁場または略ゼロの全体磁場レベルの地帯を示し、クエンチに対する最大の抵抗を呈する。

小型の高磁場超伝導サイクロトロンは、位相安定加速のための要素を含み、これらを図５〜８に示す。図５および６は、図１の９．２テスラ解について、ビームチャンバ１７６および共振器１７４を有する一種のビーム加速構造体の詳細なエンジニアリングレイアウトを提供し、ここでチャンバ１７６は極間隙空間内に位置している。図５の立面図は、イオンを加速するために使用されるディー４８のうちの１つのみを示し、一方、側面図は、このディー４８が、加速中にビームを通過させるために中央面の上下で分裂することを示す。ディー４８およびイオンは、真空下における体積であり、ビームチャンバ基板１７８を含むビームチャンバ１７６によって画定される。加速間隙画定開口１８０は、電気接地面を確立する。イオンは、ディー４８と加速間隙接地面画定開口１８０との間の加速間隙１８２全体にわたる電場によって加速される。

間隙１８２全体にわたって望ましい高磁場を確立するために、ディー４８は、ディー−共振器コネクタ１８４を介して共振器内部伝導体１８６および共振器外部伝導体１８８と接続される。外部共振器伝導体１８８は、高磁場シンクロサイクロトロンのクライオスタット２００（図９に示す）と接続され、当該接続によって真空境界が維持される。共振器周波数は、連結ポート１９２を通る共振器外部伝導体リターンヨーク１９０を介して加速ディー４８ならびに内部および外部伝導体１８６および１９８に接続されたＲＦ回転キャパシタ（図示せず）によって変動する。ＲＦ伝送線連結ポート１９４を介して、ＲＦ共振回路に動力が配送される。

別の実施形態では、図９において図式的に示すように、２つのディーと軸方向ＲＦ共振器素子を有する代替的な構造体が、小型の高磁場超伝導シンクロサイクロトロンに組み込まれる。そのような２ディーシステムは、加速度増大または電圧Ｖ_０の低減を可能にし得る。したがって、２つのディー４８および４９が使用され、ディー４８および４９は、中央面の向かい合う側面上で２つに分割され、上部軸方向共振器１９５および１９６ならびに下部軸方向共振器１９７および１９８によって励振され、これらは（図２に示す通路１５４を介する半径方向の動力送給に加えて）外部ＲＦ電源によって励振される。図９はまた、コイルクライオスタット２００がどのようにして強磁性ヨーク構造体３６に適合されるかを示している。

粒子加速用の磁石構造体１０の、より完全かつ詳細な図示を図１０および１１に示す。磁石構造体１０は、例えば、小型のシンクロサイクロトロン（例えば、米国特許第４，６４１，０５７号において開示されるシンクロサイクロトロンの特徴を別の手法で共有するシンクロサイクロトロン）において、等時性サイクロトロンにおいて、および、その内部でイオン（陽子、重陽子、アルファ粒子、およびその他のイオン等）が加速され得るその他の種類のサイクロトロン加速器において、使用され得る。

より広範な磁気構造体内において、高エネルギーの磁場は、円形コイル１２および１４の対を含むコールドマス構造体２１によって生成される。図１２に示すように、円形コイル１２および１４の対は、コイル１２および１４と銅製熱シールド７８との間の機械的密着によって真空に維持された、各銅製熱シールド７８の内側に装着される。それぞれの銅製熱シールド７８内には、動作中に各コイル１２／１４に作用する極めて高い周方向の引張力に対抗するために、半径方向に内向きの力を印加する加圧袋８０も装着されている。コイル１２および１４は、イオンが加速され得る加速面１８の上下等距離にある中心軸１６の周囲に、対称的に配置される。コイル１２および１４は、ＲＦ加速システムがその間に延在して加速チャンバ４６へ入ることを可能にするために十分な距離だけ隔てられている。各コイル１２／１４は、概して４〜６Ｋの範囲の意図された動作温度において超伝導であるが、２Ｋ未満でも動作され得る伝導体材料の連続経路を含み、この場合、さらなる超伝導性能およびマージンが利用可能である。各コイルの半径は、約１７．２５インチ（約４３．８ｃｍ）である。

図１３に示すように、コイル１２および１４は、例えば合計２００万〜３００万アンペアターンの電流搬送容量を提供するために、超伝導体ケーブル、または、０．６ｍｍの直径を有し、巻かれた個々のケーブル撚り線８２を有するケーブル・イン・チャネル伝導体を備える。一実施形態において、各撚り線８２が２，０００アンペアの超伝導電流搬送容量を有する場合、コイル内に３００万アンペアターンの容量を提供するために、コイル内に１，５００回巻きの撚り線が設けられる。概して、コイルは、超伝導撚り線の臨界電流搬送容量を上回ることなく、望ましい磁場レベルに必要なアンペアターン数を生じさせるために必要とされるだけの巻き線を有するように設計されることになる。超伝導材料は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブスズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）、またはニオブアルミニウム（Ｎｂ_３Ａｌ）等の低温超伝導体であってもよく、特定の実施形態において、超伝導材料は、第２種超伝導体、特に、Ａｌ５型結晶構造を有するＮｂ_３Ｓｎである。Ｂａ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_８、Ｂａ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０、またはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７-ｘ等の高温超伝導体を使用してもよい。

ケーブル撚り線８２は、複合導体８６を形成するために、Ｕ型銅チャネル８４にはんだ付けされる。銅チャネル８４は、機械的支持と、クエンチ中の熱安定性と、超伝導材料が正常である（すなわち、超伝導でない）場合の電流用の伝導経路とを提供する。続いて複合導体８６はガラス繊維で覆われ、その後、外向きに重ねて巻かれる。磁石がクエンチされる際に急速加熱を提供するため、また、クエンチが発生した後にコイルの半径方向断面全体にわたって温度平衡を提供するために、例えばステンレス鋼で形成されたストリップヒータ８８を、複合導体８６の巻き層の間に挿入して、コイルを損傷し得る熱的および機械的応力を最小化することもできる。巻いた後、真空が印加され、巻き複合導体構造にエポキシを含浸させて、最終コイル構造内に繊維／エポキシ複合フィルタ９０を形成する。巻き複合導体８６が埋め込まれた、得られたエポキシ−ガラス複合体は、電気絶縁性および機械的剛性を提供する。エポキシ含浸ガラス繊維で形成された巻き絶縁層９６は、銅製熱シールド７８の内部を裏打ちし、コイル１２を包囲する。

サイクロトロンにおいて使用するためにＮｂ_３Ｓｎが構造化されている実施形態において、コイルは、スズメッキ線の巻き撚り線をニオブ粉末の母材に入れることによって形成される。その後、巻き撚り線および母材を、約６５０℃の温度になるまで２００時間加熱し、スズメッキ線をニオブ母材と反応させ、それによってＮｂ_３Ｓｎを形成する。そのような熱処理の後、ケーブル中の各Ｎｂ_３Ｓｎ撚り線は、超伝導状態を維持するために、動作磁場および動作温度において十分な電流マージンを有する全電流の一部を搬送しなくてはならない。銅チャネル断面およびエポキシ複合母材の仕様は、高磁場コイルが、そのような小型のコイルにおいて発生するより大きい機械的応力下において、その超伝導状態を維持することを可能にするものである。このピーク応力移行の改善は、生成される磁場を増大させるためにコイルがより高い電流密度で動作される場合、高度に有利なものにもなり、これには超伝導コイルに作用するより大きい力を伴う。Ｎｂ_３Ｓｎ伝導体は脆性であり、全動作中の応力状態を適正に制限しなければ、損傷を受け、いくらかの超伝導能力を喪失する場合がある。ワインド・アンド・リアクト法に続く、巻き線の周囲におけるエポキシ複合体の機械的構造の形成は、超伝導体が使用される、または使用され得るその他の用途においてこれらのＮｂ_３Ｓｎコイルが使用されることを可能にするが、先の実施形態における標準的なＮｂ_３Ｓｎコイルの脆性により、通常であればＮｂ_３Ｓｎは適さない場合がある。

コイル１２および１４が中に収納された銅製シールドは、ステンレス鋼またはオーステナイト系ニッケル−クロム−鉄合金（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ，Ｗｅｓｔ Ｖｉｒｇｉｎｉａ，ＵＳＡ）からＩＮＣＯＮＥＬ６２５として市販されている）等の高力合金で形成されたボビン２０内に装着される。ボビン２０は、コイル１２と１４との間に介在するが、そうでない場合、コイル１２および１４の外側にある。ボビン２０の頂部分および底部分（図１２の配向による）は、コイルの外側にあり、それぞれコイル１２／１４の厚さにほぼ等しい厚さ（図１２の配向により、水平に計測）を有する。コイル１２および１４ならびにボビン２０を含むコールドマス構造体２１は、クライオスタットと称される絶縁および真空のステンレス鋼またはアルミニウムの外殻２３内に入れられ、これが鉄製の極およびヨーク３６の内側に装着され得る。コールドマス構造体２１は、イオンを加速するための加速チャンバ４６（図１１参照）用の空間および加速チャンバ４６を超えて延在する中心軸１６のセグメントの境界を定める（すなわち、少なくとも部分的に画定する）。

図１１に示すように、磁石構造体１０は、温度上昇によって「正常」になった際にコイル１２／１４をクエンチするための、各コイル１２／１４を包囲する（例えば、コイル周囲の螺旋、そのごく一部を図１１に示す）導電ワイヤ２４（例えば、ケーブルの形態で）も含む。コイル１２／１４の一部はもはや超伝導ではないことを意味すると考えられるコイル１２／１４のいずれかにおける電気抵抗の増大を監視するために、電圧または電流センサもコイル１２および１４に連結される。

図１０に示すように、Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ冷凍サイクルにおいて圧縮ヘリウムを利用することができる、またはパルスチューブクライオクーラ設計であってもよいクライオクーラ２６は、コールドマス構造体２１と熱的に結合している。結合は、コイル１２／１４と接触する低温超伝導体（例えば、ＮｂＴｉ）電流リード線の形態であってもよい。クライオクーラ２６は、超伝導となる温度まで各コイル１２／１４を冷却することができる。したがって、各コイル１２／１４は、動作中、乾燥状態に維持される（すなわち、液体ヘリウムまたはその他の液体冷媒に浸漬されない）ことができ、コールドマスの冷却のためにも、超伝導コイル１２／１４の動作のためにも、コールドマス構造体２１の中またはその周囲に冷却液を提供する必要がない。

クライオクーラ２６と同じまたは同様の設計のものであってよい、第２のクライオクーラ対２７は、電流リード線３７および５８によってコイル１２および１４と連結される。高温電流リード線３７は、Ｂａ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_８またはＢａ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０等の高温超伝導体で形成され、約８０Ｋの温度であるクライオクーラ２７の第１の段の端にあるコールドヘッド３３の傍の一端において、および、約４．５Ｋの温度であるクライオクーラ２７の第２の段の端にあるコールドヘッド３５の傍の他端において、冷却される。高温電流リード線３７は、電圧源とも伝導的に連結している。低温電流リード線５８は、電流フロー用の経路を提供するためにより高温の電流リード線３７と連結され、また、低温電流リード線５８を約４．５Ｋの温度まで冷却するために、クライオクーラ２７の第２の段の端にあるコールドヘッド３５とも連結される。低温電流リード線５８のそれぞれは、各コイル１２／１４に付着されたワイヤ９２も含み、同じく低温超伝導体で形成された第３のワイヤ９４は、２つのコイル１２および１４を直列に連結する。ワイヤのそれぞれは、ボビン２０に重着されてもよい。したがって、電流は、電圧源を所有する外部回路から、第１の高温電流リード線３７を介して、第１の低温電流リード線５８およびコイル１２内へ流れることができ、続いて電流は、コイル１２を通って流れ、その後、コイル１２と１４を接合しているワイヤを通って出ることができる。続いて電流はコイル１４を通って流れ、第２の低温電流リード線５８のワイヤを通って出て、低温電流リード線５８を通って上り、その後第２の高温電流リード線３７を通り、電圧源へ戻る。

クライオクーラ２９および３１は、隔離された処置室内、または可動プラットフォームにおいて等、極低温冷却液の源から離れた磁石構造体の動作を可能にする。クライオクーラ２６および２７の対は、適切な機能を有する各対の１つのクライオクーラのみによって、磁石構造体の動作を可能にする。

少なくとも１つの真空ポンプ（図示せず）が、ＲＦ加速器電極用の電流リード線も挿入された共振器２８を介して加速チャンバ４６と連結される。加速チャンバ４６内における真空の作成を可能にするために、加速チャンバ４６のそれ以外は密閉される。

半径方向の引張リンク３０、３２、および３４は、ボビン２０を半径方向に外向きの引張力下に設置し、コイル１２および１４が中心軸１６を中心に保つ（すなわち、実質的に対称的である）ように、半径方向の引張リンク３０、３２、および３４が、複数の点においてボビン２０に対して外向きの周方向力を提供することができる構成で、コイル１２および１４ならびにボビン２０と連結される。そのようなものとして、引張リンク３０、３２、および３４は、磁気偏心力に対して半径方向支持を提供し、それにより、片側で鉄に接近するコールドマスは、飛躍的な力の増大を経験し、さらに鉄の近くへ動く。半径方向の引張リンク３０、３２、および３４は、線形セグメントによって接合された丸い先端を（例えば、従来のレーストラックまたはランニングトラックの近似形状で）有する２つ以上の弾性引張バンド６４および７０を備え、直円断面を有する。バンドは、例えばエポキシを含浸させた螺旋巻きガラスまたはカーボンテープで形成され、高温の外枠から低温のコイル１２および１４への熱伝達を最小化するように設計される。低温のバンド６４は、支持杭６６と支持杭６８との間に延在する。ボビン２０と連結された最も低温の支持杭６６は約４．５Ｋの温度であり、一方、中間杭６８は約８０Ｋの温度である。より高温のバンド７０は、中間杭６８と高温杭７２との間に延在し、約３００Ｋのほぼ周囲温度である。引張リンク３０、３２、および３４のいずれかにさらなる引張を印加して、種々の偏心力がコイル１２および１４に作用する際にセンタリングを維持するために、高温の杭７２に外向きの力を印加してもよい。杭６６、６８、および７２は、ステンレス鋼で形成されてもよい。

同じく、コイル１２および１４の位置を中央面１８の周囲に対称的に維持するために、同様の引張リンクを、垂直軸（図１０および１２の配向による）に沿ったコイル１２および１４に付着させて、軸方向の磁気偏心力に対抗してもよい。動作中、コイル１２および１４は互いに強く引き寄せあうが、コイル１２と１４との間のボビン２０セクションはそれらの引力に拮抗することになる。

半径方向および軸方向の引張リンクのセットは、必要とされる調心力を提供することに加え、重力に対してコイル１２および１４ならびにボビン２０の質量を支持する。引張リンクは、固定標的照射場所の周囲の室内において陽子ビームを動かすことを可能にするため、ガントリー、プラットフォーム、または自動車に磁石構造体を装着する等、規定速度における磁石構造体全体の円滑または段階的な３次元の並進または回転運動を可能にするようにサイズ決定されてもよい。重力支持および運動要求はいずれも、磁気偏心力を超過しない引張荷重である。引張リンクは、多くの運動サイクルにわたる反復運動および長年の運動用にサイズ決定されてもよい。

低炭素鋼で形成された磁石ヨーク３６は、コイル１２および１４ならびにクライオスタット２３を取り囲む。純鉄は弱過ぎる上に、低すぎる弾性係数を所有する場合があるため、望ましい磁気レベルを保ちながら、十分な強度を提供するため、または堅さを和らげるために、鉄に十分な量の炭素およびその他の要素をドープしてもよい。ヨーク３６は、コイル１２および１４ならびにクライオスタット２３によって境界を定められる中心軸１６の同じセグメントの境界を定める。ヨーク３６の外表面における半径（中心軸から計測）は、約３５インチ（約８９ｃｍ）以下であってもよい。

ヨーク３６は、極３８と４０との間に加速チャンバ４６を超えて極間隙４７を画定する先細になった内面４２および４４を有する、１対の極３８および４０を含む。それらの先細になった内面４２および４４のプロファイルは、コイル１２および１４の位置の関数である。先細になった内面４２および４４は、極間隙４７（図１０の基準線によって示されるように計測）が、中心軸１６からの距離が増大するにつれて、向かい合う表面４２間に画定された内段上で拡張し、中心軸１６からの距離がさらに増大するにつれて、向かい合う表面４４間に画定された外段上で減少するように形作られる。内段は、例えば陽子加速用のシンクロサイクロトロンにおいて使用される場合、イオン（例えば、陽子）加速用の正しい弱収束要件を確立し、一方、外段は、半径に対するエネルギー利得を増大させることにより、極直径を低減させるように構成され、それにより、イオンが加速チャンバ４６の周辺部に接近した際の、シンクロサイクロトロンからのイオンの抽出を容易にする。

説明したような極プロファイルは、いくつかの重要な加速機能、すなわち、機械の中心における低エネルギーでのイオン誘導、安定した加速経路への捕獲、加速、軸方向および半径方向の収束、ビーム品質、ビーム損失の最小化、最終的に望ましいエネルギーおよび強度の達成、ならびに、抽出のための最終ビーム場所の位置決め、を有する。特に、シンクロサイクロトロンにおいて、弱収束および加速位相安定性の同時達成が実現される。この磁石構造体において実現される高磁場において、第１の段上における極間隙の拡張は十分な弱収束および位相安定性を提供し、外段上における間隙の急速な閉鎖は、抽出チャネルへの抽出用の極端部付近に全エネルギービームを適切に位置付ける一方で、強力な超伝導コイルの悪影響に対して弱収束を維持することの原因となる。実施形態において、磁石により生成される磁場が増大される場合、内段上において半径を増大させるにつれて間隙開口部が増大する速度が大きくなり、一方、間隙は、外段上で閉鎖されて分離距離がより狭くなる。極における鉄は、２テスラを超える極強度で完全に磁気的に飽和され、この同時目標のセットは、極の先細になった表面の代わりに、加速チャンバ内のさらなる超伝導コイル２０６（例えば、少なくとも４．５Ｋの温度で超伝導となる）の入れ子になったセットで代用し、それらの入れ子になったセット内に、図１６に示すように極の磁場の寄与を加速場全体と一致させるように最適化された電流を有することにより、遂行され得る。

これらの半径方向に分布したコイル２０６は、ヨーク２６内に埋め込まれてもよいし、ヨーク２６に装着（例えば、ボルト留め）されてもよい。これらのさらなる超伝導コイル２０６のうちの少なくとも１つは、２つの１次超伝導コイル１２および１４と逆の場所に磁場を生成する。本実施形態においては、ヨーク３６も冷却される（例えば、１つ以上のクライオクーラによって）。図示していないが、半径方向の中央面通路１５４を介して絶縁構造が提供されてもよく、この絶縁構造内に収納される加速チャンバは、温暖な温度に維持され得るような加速チャンバである。１次コイル１２および１４に電流が渡される方向とは逆の方向で、さらなる磁石コイル２０６に電流を通すことにより、内部コイル２０６内に逆磁場が生成される。加速チャンバ内における更なる有効コイル２０６の使用は、加速面１８内の場が１２テスラよりも大きい状況、また、弱収束および位相安定性を維持しながら、半径に伴う場の減少を維持するために、それに応じてより多くの場補正が必要とされる状況において、特に有利なものとなり得る。より高磁場の磁石構造体は、より小さい外半径を有することになる。例えば、中央加速面１８内に１４テスラの磁場を生じさせるための磁石構造体を、１フィート余り（すなわち、３０ｃｍ余り）の外半径を有するヨークで構築することができる。

その他の実施形態において、ヨーク３６を省略してもよく、場は完全に超伝導コイル１２、１４、および２０６によって生成されることができる。別の実施形態において、ヨーク３６中の鉄は、ガドリニウム等、特に高い飽和磁性（例えば、最大約３テスラ）を有する別の強力な強磁性体と置換される。

鉄ヨークは、伝導金属で形成される無線周波数（ＲＦ）加速器電極４８（「ディー」としても知られる）を含む共振器構造１７４の挿入のための十分なクリアランスを提供する。電極４８は、ヨーク３６の側面を通って延在し、クライオスタット２３およびコイル１２と１４との間を通過する、共振器構造１７４の一部である。加速器電極４８は、（米国特許第４，６４１，０５７号において記載および図示されているように）加速チャンバ４６の内側の加速面１８に対し平行に、かつその上下に配向された、１対の平坦な半円平行板を含む。電極４８は、加速チャンバ４６内の拡張する軌道（螺旋）経路においてイオン源５０から放出されたイオンを加速するために、振動電場を生成するＲＦ電圧源（図示せず）と連結される。また、中心軸１６の平面（すなわち、図１０の配向で中心軸と交差し、当該ページから直角に延在する平面）内で配向され、粒子用の加速面を収容するためにその中に画定されたスロットを有する平面シートの形態で、ダミーディーを設けてもよい。あるいは、ダミーディーは、電極４８と同一の構成を有してもよいが、当該ダミーディーは、電圧源とは異なる電気接地と連結されるであろう。

一体型磁気シールド５２は、磁石構造体１０のその他のコンポーネントの境界を定める。一体型磁気シールド５２は、低炭素鋼の薄いシート（例えば、２ｃｍの厚さを有する）の形態であってもよい。図１０に示すように、図１０の側面に沿ってシートが３枚積み重ねられていることから明らかであるが、影響を受けやすいエリアのさらなる防護を提供するために、選択された場所に複数のシートを積み重ねてもよい。あるいは、シールド５２は、図１４および１５に示すように、蛇行形状（例えば、折り畳み時のアコーディオンの構造に類似したもの）を有してもよく、コイル１２および１４によって、ならびにヨーク３６によって生成される磁場の大部分が、複数の場所およびシールド５２の局所配向に対して複数の角度において一体型磁気シールド５２を通過する必要があるように構成される。図１４の実施形態において、一体型磁気シールド５２は、その配向が中心軸１６からの半径方向のベクトル５６に対して垂直と平行との間で次第に前後にシフトするプロファイルを有する。各半径方向のベクトル５６は、２つ以上の異なる場所−−ほぼ垂直な角度およびほぼ正接の角度を含む−−においてシールド５２と交差するであろう。ベクトル５６が一体型磁気シールド５２とほぼ垂直に交差する第１の交点７４においては、法線磁場成分が相殺され、一方、ベクトル５６が一体型磁気シールド５２とほぼ正接に交差する第２の交点においては、接線磁場成分が相殺される。

一体型磁気シールド５２は、加速チャンバ４６の内部に８テスラ以上の磁場を生成するために、超伝導コイル１２および１４に電圧が印加される際、ヨーク３６の外側で生成される１，０００ガウスの磁束密度の輪郭の外側に配置されるように、磁石ヨーク３６の外表面から離間して装着される。したがって、一体型磁気シールド５２は、場によって完全に磁化されないように、ヨーク３６からから十分遠くに配置され、通常であれば磁石構造体１０から放出される非近接場を抑制する役割を果たす。

クライオクーラ２６および２７のヘッド２９および３１は、磁場からヘッド２９および３１を防護するために、一体型磁気シールド５２の外側に配置される（ヘッド２９および３１における場限界により、クライオクーラの操作性を損なう場合がある）。したがって、一体型磁気シールド５２は、その中に各ポートを画定し、それを通してクライオクーラ２６および２７を挿入することができる。

上述の磁石構造体１０の、イオンを加速するための磁場を生成する動作について、以下のページで説明する。

磁石構造体１０が動作中の場合、それぞれの温度をその臨界温度（超伝導性を呈する温度）を下回るまで降下させるように、超伝導コイル１２および１４から熱を抽出するためにクライオクーラ２６が使用される。低温超伝導体で形成されたコイルの温度は、約４．５Ｋまで降下する。

コイルが４．５Ｋである場合、加速チャンバ４６内において少なくとも８テスラの磁場を生成するために、電流リード線５８を介して各コイル１２／１４に電圧（例えば、コイル中に１，５００本の巻き線を有する上述の実施形態において、電流リード線を介して２，０００Ａの電流を生成するために十分なもの）が印加される。例えばＮｂ_３Ｓｎを使用する特定の実施形態において、加速チャンバ４６内に少なくとも約９テスラの磁場を生成するために、コイル１２および１４に電圧が印加される。さらに、上記で考察したように、クライオクーラを使用してコイル温度を２Ｋまでさらに降下させることにより、場は概してさらに２テスラ増大され得る。磁場は、完全に磁化された鉄製の極３８および４０からの約２テスラの寄与を含み、磁場の残りは、コイル１２および１４によって生じる。

この磁石構造体は、イオン加速に十分な磁場を生成する役割を果たす。イオン（例えば、陽子）のパルスは、イオン源５０（例えば、米国特許第４，６４１，０５７号に記載および図示されているイオン源）から放出され得る。例えば、カソードから水素ガス中へ電子を放電させるためにカソードに電圧パルスを印加することによって自由陽子を生成することができ、電子が水素分子と衝突した際に陽子が放出される。

本実施形態において、ＲＦ加速器電極４８は、基板全体にわたって２０，０００ボルトの電圧差を生成する。ＲＦ加速器電極４８によって生成される電場は、加速されるイオンのサイクロトロン軌道周波数と一致する周波数を有する。ＲＦ加速器電極４８によって生成される場は、イオンが中心軸１６の最も近くにある場合に１４０ＭＨｚの周波数で振動し、周波数は、イオンが中心軸１６から最も遠く、加速チャンバ４６の周辺部の最も近くにある場合に、１００ＭＨｚまで低く減少する。電極４８における交流周波数がイオンを交互に引き寄せたり跳ね返したりするため、陽子が加速されるとその質量の増大を埋め合わせるために周波数が降下する。それによりイオンが軌道内で加速されるため、イオンは速度を上げ、外向きに螺旋を描く。

加速されたイオンが加速チャンバ４６内の外側半径方向の軌道に到達すると、加速チャンバ４６の周辺部の周囲に配置された磁石によって、ヨーク３６、その後、一体型磁気シールド５２内の間隙を通って加速チャンバ４６から例えば外部標的に向かって延在する線形ビーム抽出通路６０へそれらのイオンを磁気的に案内することにより、イオンを（パルスビームの形態で）加速チャンバ４６から引き出すことができる。半径方向の引張リンク３０、３２、および３４は、コールドマス構造体２１に半径方向外向きの周方向力を課し、加速プロセス全体を通してその位置を維持するために有効にされる。

一体型磁気シールド５２は、磁石構造体１０の方への、例えばペン、ペーパークリップ、およびその他の金属性の物体の引力に付随する外的危険を低減させるように、コイル１２および１４ならびに極３８および４０によって生成される磁場を収納するため、一体型磁気シールド５２を用いないということが発生するであろう。法線磁場および接線磁場はいずれも磁石構造体１０によって生成され、それぞれを収納するための最適なシールド配向は９０°異なっているため、種々の角度における磁力線と一体型磁気シールド５２との間の相互関係は、高度に有利である。このシールド５２は、シールド５２を介してヨーク３６から送出される磁場の大きさを、０．００００２テスラ未満に限定することができる。

超伝導コイル１２／１４の局所部分がもはや超伝導ではないことを意味する、コイル１２／１４を通る電圧の増大または電流の降下が検出されると、コイル１２／１４を包囲するクエンチングワイヤ２４に十分な電圧が印加される。この電圧は、ワイヤ２４を介して電流を生成し、それによってコイル１２／１４中の個々の伝導体にさらなる磁場を生成し、それらを完全に非超伝導（すなわち、「正常」）にする。このアプローチは、動作中、各超伝導コイル１２／１４中の内部磁場が、その内面６２において極めて高く（例えば、１１テスラ）なり、ある内部点においてゼロまで降下するという、認識されている問題を解決するものである。クエンチが発生する場合、高磁場の場所で発生する可能性が高く、一方、低磁場の場所は長期間冷たく超伝導のままであり得る。このクエンチは、常伝導であるコイル１２／１４の超伝導体の部分において熱を生成し、その結果、端部はその温度が上昇するにつれて超伝導ではなくなり、一方、コイル内の中心領域は冷たく超伝導のままとなる。結果として生じる示差熱は、通常であれば、コイル内において示差熱収縮による破壊的応力を引き起こすであろう。この誘導クエンチの実践は、この示差を防止または限定し、それにより、内部応力によって破壊されることなくさらに高い磁場を生成するためにコイル１２および１４が使用されることを可能にすることを意図するものである。あるいは、電流は、４．５Ｋを優に上回るまでヒータストリップ温度を上昇させながらヒータストリップ８８を通過することにより、超伝導体を局所的に加熱して、クエンチ中の内部温度示差を最小化することができる。

上述の装置を組み込んだサイクロトロンは、ヒトのための陽子線照射療法、エッチング（例えば、マイクロホール、フィルタ、および集積回路）、材料研究のための材料の放射化、トライボロジー、基本科学調査、安全性（例えば、標的貨物に加速陽子を照射しながら陽子散乱を監視すること）、医薬および産業のための医療用アイソトープおよびトレーサの製造、ナノテクノロジー、高度な生物学を含む多種多様な用途のために、また、小型源からの高エネルギー粒子の点状の（すなわち、空間分布が小さい）ビームの生成が有用となり得る多種多様なその他の用途において、利用され得る。

本発明の実施形態を説明する上で、明確にするために特定の専門用語を使用している。説明を目的として、各特定の用語は、同様の目的を遂行するために同様の様式で動作するすべての技術的および機能的な均等物を少なくとも含むことを意図している。また、本発明の特定の実施形態が複数のシステム要素または方法ステップを含むいくつかの場合において、それらの要素またはステップは、単一の要素またはステップと置換されてもよく、同様に、単一の要素またはステップは、同じ目的を果たす複数の要素またはステップと置換されてもよい。さらに、本発明の実施形態の種々の特性を表すパラメータが本願において特定されている場合、それらのパラメータは、別段の定めがない限り、本発明の範囲内において、１／２０、１／１０、１／５、１／３、１／２等、または、その丸めた近似値分、上下に調整され得る。さらに、その特定の実施形態を参照して本発明を示し説明しているが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく形態および詳細における種々の代用および変更がなされ得ること、またさらに、その他の態様、機能、および利点も本発明の範囲内であることを理解するであろう。本出願の全体を通して引用した特許および特許出願を含むすべての参考文献の内容は、参照することにより、その全体が本願に援用される。それらの参考文献の適切なコンポーネントおよび方法が、本発明およびその実施形態のために選択され得る。またさらに、「背景」の節で同定したコンポーネントおよび方法は、本開示に不可欠なものであり、本発明の範囲内において、本開示の別の箇所に記載したコンポーネントおよび方法と組み合わせて、またはその代用として使用され得る。

図１は、コイル／クライオスタットアセンブリを除く高磁場シンクロサイクロトロンの基本構造を示す断面斜視図である。 図２は、高磁場シンクロサイクロトロン用の強磁性体および磁石コイルの断面図である。 図３は、各極翼から延在し、共通の配向中心軸を共有し、その間に、図面中では説明を容易にするために延在した間隙がある、１対の鉄製チップリングの図である。 図４は、高磁場スプリット対超伝導コイルセットの特徴の断面図である。 図５は、シンクロサイクロトロンビームチャンバ、加速ディー、および共振器の断面図である。 図６は、図５に示す縦軸に沿って断面を取得した、図５の装置の断面図である。 図７は、図５の装置内の共振器伝導体を通して見た、縮尺２倍サイズの断面図である。 図８は、図５の装置内の共振器外側リターンヨークを通して見た、縮尺２倍サイズの断面図である。 図９は、２つのディーおよび軸方向に向けられたＲＦポートを使用する代替的なＲＦ構成を示す。 図１０は、磁石構造体の中心軸がある面から見た、磁石構造体の断面図である。 図１１は、中心軸に垂直であり、加速面に平行である面から見た、図１０の磁石構造体の断面図である。 図１２は、コイルおよびボビンを含むコールドマス構造体の断面図である。 図１３は、コイルの内部構造を示す断面図である。 図１３Ａは、図１３に示す断面の拡大図である。 図１４は、歪曲形状を有する一体型磁気シールドの断面図である。 図１５は、図１４の一体型磁気シールドの断面の斜視図である。 図１６は、加速面において磁場を形作るために、加速チャンバ内にさらなる有効コイルを含む磁石構造体（詳細は省略）の基本形態の断面図である。

Claims (45)

1. イオン加速器における使用のための磁石構造体であって、
   ４．５Ｋの温度において超伝導である材料の連続的な経路を備え、加速チャンバと該加速チャンバを横断して延びる中心軸のセグメントを放射方向に制限する少なくとも２つのコイルを含むコールドマス構造体であって、中央加速面が該加速チャンバを横断して該中心軸から直交方向に延びる、コールドマス構造体と、
   該コールドマス構造体を覆う磁石ヨークであって、該磁石ヨークはまた該中心軸のセグメントを放射方向に制限し、該磁石ヨークは、該中心軸の近くの極先端と、該極先端の半径方向距離よりも大きい、該中心軸からの半径方向距離において極翼とを有する１対の磁極を含み、該１対の磁極は、内面を有し、該内面は、内段にわたって、半径方向距離の増加につれて極間隙を増加させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に拡大し、外段にわたって、半径方向距離の増加につれて該極間隙を減少させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に縮小するように先細になっており、該極先端と該極翼との間の位置において、該極先端間の該極間隙の２倍を超え、かつ該極翼間の該極間隙の２倍を超える、ピーク間隙を生成する、磁石ヨークと
   を備えている、磁石構造体。
2. 前記少なくとも２つのコイルは液体冷媒に浸漬されておらず、前記磁石構造体は、該少なくとも２つのコイルを冷却するために、前記コールドマス構造体に結合されたクライオクーラをさらに備えている、請求項１に記載の磁石構造体。
3. 前記クライオクーラは、ギフォード−マクマホーンクライオクーラまたはパルスチューブクライオクーラである、請求項２に記載の磁石構造体。
4. 前記少なくとも２つのコイルが収容されるクライオスタットをさらに備えている、請求項２に記載の磁石構造体。
5. 前記超伝導材料はＮｂＴｉまたはＮｂ_３Ｓｎである、請求項１に記載の磁石構造体。
6. 前記超伝導材料はＮｂ_３Ｓｎである、請求項４に記載の磁石構造体。
7. 前記超伝導材料はＡｌ５第２種超伝導体である、請求項１に記載の磁石構造体。
8. 前記コールドマス構造体は、前記少なくとも２つのコイルが装着されるボビンをさらに備えている、請求項１に記載の磁石構造体。
9. 前記コールドマス構造体に結合された半径方向張力リンクをさらに備え、該半径方向張力リンクは、外向きの半径方向の力を該コールドマス構造体に加えるように構成される、請求項１に記載の磁石構造体。
10. 前記少なくとも２つのコイルは、前記中心軸から直交して測定されるとき、５１ｃｍ以下の外側半径を有する、請求項１に記載の磁石構造体。
11. 前記磁石ヨークは、前記中心軸から直交して測定されるとき、１１４ｃｍ以下の外側半径を有する、請求項１に記載の磁石構造体。
12. 前記１対の磁極間の前記ピーク間隙は少なくとも３７ｃｍであり、該１対の磁極間の最小の間隙の３倍よりも大きい、請求項１に記載の磁石構造体。
13. 前記極翼は、前記中央加速面に対して９０°未満の角度で、前記中心軸からの半径方向距離の増加につれて該中央加速面に向かって傾斜する内面を有する、請求項１に記載の磁石構造体。
14. 前記極翼の前記内面は、前記中央加速面に対して８０°より大きい角度で、前記中心軸からの半径方向距離の増加につれて該中央加速面に向かって傾斜する、請求項１３に記載の磁石構造体。
15. 前記磁石ヨークは、前記加速チャンバ内の粒子加速電圧を生成するための、前記１対の磁極間に電極を含む共振器構造を収容する、請求項１に記載の磁石構造体。
16. 収束磁場指数パラメータｎは、イオン導入のための内側半径からイオン抽出のための外側半径までの前記中央加速面内において０から１の範囲内にあり、ｎ＝−（ｒ／Ｂ）（ｄＢ／ｄｒ）かつｄＢ／ｄｒ＜０であり、ここでＢは磁場であり、ｒは前記中心軸からの半径である、請求項１に記載の磁石構造体。
17. 前記少なくとも２つのコイルに結合される電源をさらに備えている、請求項１に記載の磁石構造体。
18. シンクロサイクロトロンにおける使用のための磁石構造体であって、
    少なくとも２つの超伝導コイルを含むコールドマス構造体であって、該コールドマス構造体は加速チャンバの範囲を定める、コールドマス構造体と、
    該コールドマス構造体の周囲を覆い、１対の磁極を含む磁石ヨークであって、該１対の磁極は、該１対の磁極の間かつ該加速チャンバを横断する極間隙を画定する、磁石ヨークと、
    該ヨークを囲む一体型磁気シールドと
    を備えており、
    該１対の磁極は、内面を有し、該内面は、内段にわたって、半径方向距離の増加につれて極間隙を増加させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に拡大し、外段にわたって、半径方向距離の増加につれて該極間隙を減少させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に縮小するように先細になっている、磁石構造体。
19. 前記一体型磁気シールドは、前記磁石ヨークから延びる大部分の磁力線が、複数の位置で、複数の角度で該一体型磁気シールドと交差するように構成される蛇行形状を有する、請求項１８に記載の磁石構造体。
20. 前記一体型磁気シールドは、前記加速チャンバ内に８テスラの磁場を生成するために、前記少なくとも２つの超伝導コイルに電圧を印加したときに、前記ヨークの外側の前記磁石構造体によって生成され得る１０００ガウスの磁束密度の輪郭の外側にある、請求項１８に記載の磁石構造体。
21. 前記一体型磁気シールドは、鉄を含む、請求項１８に記載の磁石構造体。
22. 前記少なくとも２つの超伝導コイルを冷却するために前記コールドマス構造体に結合されたクライオクーラをさらに備えている、請求項１８に記載の磁石構造体。
23. 前記クライオクーラは、前記一体型磁気シールドの境界の外に位置するヘッドを含む、請求項２２に記載の磁石構造体。
24. 前記コールドマス構造体は、中心軸の周りに位置し、前記一体型磁気シールドは該中心軸からより離れた距離においてはより厚い、請求項１８に記載の磁石構造体。
25. 前記一体型磁気シールドは、前記磁気ヨークから電気的に絶縁されている、請求項１８に記載の磁石構造体。
26. Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導コイルを備えている磁石構造体を製造するための方法であって、
    スズのワイヤを提供することと、
    該スズのワイヤの周囲にニオブの母材を提供することと、
    該ニオブの母材内で該スズのワイヤを加熱して、該スズのワイヤと該母材とを反応させて、それによりＮｂ_３Ｓｎの撚り線を形成することと、
    該Ｎｂ_３Ｓｎの撚り線を巻いてコイルを形成することと、
    １対の磁極間の極間隙を画定する１対の磁極を含む磁石ヨーク内に該Ｎｂ _３ Ｓｎ超伝導コイルを挿入することと
    を包含し、
    該１対の磁極は、内面を有し、該内面は、内段にわたって、半径方向距離の増加につれて極間隙を増加させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に拡大し、外段にわたって、半径方向距離の増加につれて該極間隙を減少させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に縮小するように先細になっている、方法。
27. 巻く前に、前記Ｎｂ_３Ｓｎの撚り線を、銅のチャネル内に挿入することと、それぞれが銅のチャネルのそれぞれの区画内にある複数のＮｂ_３Ｓｎの撚り線の区画を含む断面を有するコイルを形成することとをさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
28. 前記Ｎｂ_３Ｓｎを、ガラス繊維で絶縁することをさらに包含する、請求項２７に記載の方法。
29. エポキシを前記Ｎｂ _３ Ｓｎ超伝導コイル内の前記ガラス繊維に含浸させることをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
30. イオン加速のための磁場を生成するための方法であって、
    加速チャンバの範囲を定めるクライオスタット内のコールドマス構造体を提供することであって、該コールドマス構造体は、
    中心軸に対して中心を合わせられた少なくとも２つの超伝導コイルと、
    該コールドマス構造体に熱的に結合されたクライオクーラと、
    該コールドマス構造体の周りに位置し、１対の磁極を含む磁石ヨークであって、該１対の磁極は、該１対の磁極の間かつ該加速チャンバを横断する先細の極間隙を画定し、該１対の磁極は、内段にわたって、半径方向距離の増加につれて極間隙を増加させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に拡大させ、外段にわたって、半径方向距離の増加につれて該極間隙を減少させる連続的な一連の増分において該極間隙を徐々に縮小させる、磁石ヨークと
    を含む、ことと、
    該超伝導体の臨界温度以下に該少なくとも２つの超伝導コイルを冷却し、電圧を該コールドマス構造体に印加して、該加速チャンバ内に少なくとも８テスラの総磁場を生成することと
    を包含する、方法。
31. 前記少なくとも２つの超伝導コイルはＮｂ_３Ｓｎを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 少なくとも９．９テスラの総磁場が、前記加速チャンバ内に生成される、請求項３１に記載の方法。
33. 半径方向張力リンクが前記コールドマス構造体に結合され、前記方法は、該コールドマス構造体に外向きの半径方向の力を加えて該コールドマス構造体の位置を維持することをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
34. 一体型磁気シールドが、前記コールドマス構造体および前記磁石ヨークによって生成された１０００ガウスの磁束密度の輪郭の外側のある距離において、該ヨークの周りに提供される、請求項３３に記載の方法。
35. 前記極間隙は、前記内段および前記外段における最小の極間隙の距離の少なくとも２倍のピーク極間隙まで増加する、請求項３０に記載の方法。
36. 前記ピーク極間隙は少なくとも３７ｃｍである、請求項３５に記載の方法。
37. 前記外段における前記最小の極間隙は１対の極翼の間であり、該極翼は前記中心軸に対して０〜１０°の角度において半径方向距離の増加につれて互いに対して傾斜する内面を有する、請求項３５に記載の方法。
38. 前記コールドマス構造体および前記ヨークは、前記加速チャンバ内に少なくとも約９テスラの総磁場を生成する、請求項３０に記載の方法。
39. 前記少なくとも２つの超伝導コイルは、前記磁場が生成されるとき前記コールドマス構造体内で液体冷媒に浸漬されていない、請求項３０に記載の方法。
40. 前記少なくとも２つの超伝導コイルは、５１ｃｍ以下の外側半径を有する、請求項３０に記載の方法。
41. 前記加速チャンバに、荷電粒子を注入することをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
42. 前記１対の磁極間に電極を含む共振器構造を提供することと、該電極に無線周波数電圧を印加して、前記加速チャンバを通る外向きの螺旋軌道内で、前記荷電粒子を加速することとをさらに包含する、請求項４１に記載の方法。
43. 中央加速面が、前記中心軸から直交方向に前記加速チャンバにわたって延び、収束磁場指数パラメータｎは、イオン導入のための内側半径からイオン抽出のための外側半径までの該中央加速面内において０から１の範囲内にあり、ｎ＝−（ｒ／Ｂ）（ｄＢ／ｄｒ）かつｄＢ／ｄｒ＜０であり、ここでＢは磁場であり、ｒは該中心軸からの半径である、請求項３０に記載の方法。
44. 前記一体型磁気シールドは該磁気シールドが囲む前記ヨークからある間隔で存在する、請求項１８に記載の磁石構造体。
45. 前記磁石構造体はシンクロサイクロトロンの一部である、請求項１に記載の磁石構造体。

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