JP5854518B2 - 荷電粒子軌道制御装置、荷電粒子加速器、荷電粒子蓄積リング及び偏向電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子の周回型の軌道を制御する荷電粒子軌道制御装置、荷電粒子加速器、荷電粒子蓄積リング及び偏向電磁石に関する。

周回（リング）型の荷電粒子加速器には、主要なタイプとして、サイクロトロンとシンクロトロンとがある。サイクロトロンでは、加速する荷電粒子のエネルギーが高くなるにつれてその軌道半径が大きくなる。一方、シンクロトロンでは、加速する荷電粒子のエネルギーが高くなるのに同期して偏向電磁石の強度も大きくするため、加速する荷電粒子の軌道は常に一定に保たれている。

シンクロトロン型の荷電粒子加速器や荷電粒子蓄積リングは、現在では電子（陽電子）やプロトンの高エネルギー加速器として用いられる他、大小の放射光源リングとして世界中で建設され稼働している（例えば、非特許文献１乃至５参照）。また、近年では、プロトンや炭素イオンを加速・蓄積し、医療用に供するシンクロトロン施設が数多く建設されている（例えば、非特許文献６乃至８参照）。

これら非特許文献１乃至８に開示されたシンクロトロン加速器中の粒子軌道は全て１周で閉じている。すなわち、加速器中の荷電粒子は、リング１周で元の軌道に復帰している。

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このように、周回型の荷電粒子加速器や放射光源用の荷電粒子蓄積リングは、荷電粒子束（バンチ）がリングを１周する度に同じ周回軌道に乗るように設計、製作されている。すなわち、従来の荷電粒子加速器や荷電粒子蓄積リングでは、リング１周が、周回軌道の１周期となる。

この場合、最大蓄積可能バンチ数は、ＲＦ周波数とリング１周の長さ（周長）を決めれば一意的に決まり、１周に１個のバンチを蓄積した場合には、バンチがリング内のある場所に到達する時間間隔は、周長で一意的に決まってしまう。

これにより、例えば、放射光パルスによる励起によって引き起こされた物質の電子状態の時間変化を追う実験（ＴＯＦ；Time of Flight）を行う場合、パルス間隔の最大値は、リングの周長によって決まってしまうため、リングの周長が短いと、変化の過程を最後まで追うのが困難になる場合がある。

すなわち、従来の荷電粒子加速器や荷電粒子蓄積リングでは、周長が決まればバンチが周回して元の軌道に戻るまでの時間が決まるため、周長の短い小型リングでは、単バンチ運転を行っても放射光を利用する研究のうち、ＴＯＦなどの実験に必要な長いバンチ間隔を得ることが困難になる。また、周長によって決まる最大バンチ数により蓄積可能な最大の荷電粒子数も決まってしまう。

さらに、放射光源として用いられる電子シンクロトロンでは、挿入光源と呼ばれる高輝度光発生装置をリングの直線部に設置することが一般に行われている。１周で元の軌道に復帰するリングでは挿入光源を設置可能な直線部の数が限られてくる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、同じ設置面積で、周長を実質的に長くすることができる周回型の荷電粒子軌道制御装置、荷電粒子加速器、荷電粒子蓄積リング及び偏向電磁石を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る荷電粒子軌道制御装置は、
周回型の荷電粒子加速器又は荷電粒子蓄積リングに用いられ、
荷電粒子が折れ線軌道で周回し複数周回で元の軌道に復帰可能に構成されており、
それぞれが少なくとも１つの偏向電磁石を有し、前記荷電粒子を偏向させるように構成された複数の偏向部を有し、
前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部における前記荷電粒子の軌道が２つの軌道の間で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている。

前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部に入射する前記荷電粒子の入射位置が２つの位置で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている、
こととしてもよい。

前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部に入射する前記荷電粒子の入射角度が２つの角度で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている、
こととしてもよい。

前記各偏向部には、
前記荷電粒子の軌道の内周側から外周側に沿って磁気勾配が形成されている、
こととしてもよい。

ｍの倍数でない自然数をｎとすると、正ｎ角形の外縁に前記各偏向部を配置して、前記荷電粒子がｍ（ｍは１でない自然数）周回で元の軌道に復帰するように構成されている、
こととしてもよい。

前記各偏向部は、
前記荷電粒子の周回中の軌道に前記正ｎ角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、前記荷電粒子が前記正ｎ角形の各辺をｍ−１個置きに通るように、前記荷電粒子を偏向させる、
こととしてもよい。

ｍは３であり、
前記偏向部は、
前記正ｎ角形の各頂点にそれぞれ配置され、
一方の隣接頂点から到達した前記荷電粒子を、他方の隣接頂点に隣接する頂点に向かって偏向させ、
前記一方の隣接頂点に隣接する他の頂点から到達した前記荷電粒子を、前記他方の隣接頂点に向かって偏向させる、
こととしてもよい。

前記正ｎ角形の各頂点の間に、一方の隣接頂点から出た前記荷電粒子を他方の隣接頂点に偏向させる偏向部がさらに設けられている、
こととしてもよい。

ｎは、２の倍数でなく、かつ、３の倍数でもない自然数であり、
前記偏向電磁石の磁力を制御する電磁石電源をさらに備え、
前記電磁石電源が、前記複数の偏向電磁石各々の磁力を調整することにより、
前記荷電粒子の周回数を１乃至３の間で切り換え可能である、
こととしてもよい。

本発明の第２の観点に係る荷電粒子加速器は、
本発明の荷電粒子軌道制御装置によって荷電粒子の軌道が制御されている。

本発明の第３の観点に係る荷電粒子蓄積リングは、
本発明の荷電粒子軌道制御装置によって荷電粒子の軌道が制御されている。

本発明の第４の観点に係る偏向電磁石は、
本発明の荷電粒子軌道制御装置に用いられ、
複数の異なる位置から荷電粒子を入射し、その入射位置に応じた荷電粒子の互いに交差する複数の異なる軌道を有し、各軌道に応じた複数の異なる位置から荷電粒子を出射する。

本発明によれば、荷電粒子が元の軌道に復帰する周回数を複数周回としているので、同じ設置面積で、その周長を実質的に２倍以上に延ばすことができる。周長の伸長は、以下に示す効果を奏する。
（１）小型放射光源用電子蓄積リングで行うＴＯＦ（例えば時間分解光電子分光実験）において、物質の電子状態の時間変化を終状態まで追うことが可能となる。
（２）同じ設置面積で周長が２倍、３倍となるので、リング内に蓄積できる最大荷電粒子数も２倍、３倍となるため、放射線療法などの医学応用加速器に適用した場合に、ビームを取り出し患部に照射できる放射線量を格段に増やすことができる。
（３）挿入光源を設置可能な直線部の数が増えるので、高輝度光を利用できる実験ステーションを数多く設置できる。
（４）省スペース、低コストで荷電粒子加速器や荷電粒子蓄積リングを構成することができる。
また、本発明によれば、偏向電磁石を荷電粒子が通過する度に荷電粒子の軌道が交互に切り替わるように、各偏向電磁石が配置されている。これにより、本発明は、以下の効果を奏する。
（５）偏向電磁石の数に対する荷物粒子の軌道における直線の数を、さらに増やすことができる。
（６）荷電粒子が１周の間に通過する偏向電磁石の数を増やすことができるので、直線の数を増やしつつも、偏向角を小さくすることができる。低エミッタンス化を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置の構成を示す上面図である。 図１の荷電粒子軌道制御装置の荷電粒子軌道形状を示す図である。 ２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置（頂点型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置の変形された粒子軌道を示す図である。 ２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 ２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正７角形の荷電粒子軌道制御装置（頂点型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正７角形の荷電粒子軌道制御装置の変形された粒子軌道を示す図である。 ２周回の軌道を有する正７角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 ２周回の軌道を有する正７角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正９角形の荷電粒子軌道制御装置（頂点型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正９角形の荷電粒子軌道制御装置の変形された粒子軌道を示す図である。 ２周回の軌道を有する正９角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 ２周回の軌道を有する正９角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１１角形の荷電粒子軌道制御装置（頂点型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１１角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１１角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１３角形の荷電粒子軌道制御装置（頂点型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１３角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 ２周回の軌道を有する正１３角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の粒子軌道折れ線を示す図である。 ２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 図９の粒子軌道折れ線を有する荷電粒子軌道制御装置（ダブルベンド型）の構成を示す上面図である。 図９の粒子軌道折れ線を有する荷電粒子軌道制御装置（トリプルベンド型）の構成を示す上面図である。 正７角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正７角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正７角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正７角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正８角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正８角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正８角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１０角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１０角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１０角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１０角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１０角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１１角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１１角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１１角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１１角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１３角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１３角形を基準とするダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 正１３角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１３角形を基準とするトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置の構成を示す上面図である。 トリプルベンド型の正７角形の粒子軌道折れ線を示す図である。 正７角形を基準とするトリプルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の３周回軌道を示す図である。 正７角形を基準とするトリプルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の２周回軌道を示す図である。 正７角形を基準とするトリプルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の１周回軌道を示す図である。 ダブルベンド型の正７角形の粒子軌道折れ線を示す図である。 正７角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の３周回軌道を示す図である。 正７角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の２周回軌道を示す図である。 正７角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の１周回軌道を示す図である。 トリプルベンド型の正１１角形の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１１角形を基準とするトリプルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の３周回軌道を示す図である。 正１１角形を基準とするトリプルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の２周回軌道を示す図である。 正１１角形を基準とするトリプルベンド型のラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の１周回軌道を示す図である。 ダブルベンド型の正１１角形の粒子軌道折れ線を示す図である。 正１１角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の３周回軌道を示す図である。 正１１角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の２周回軌道を示す図である。 正１１角形を基準とするダブルベンド型ラティスを有する荷電粒子軌道制御装置における荷電粒子の１周回軌道を示す図である。 正３角形を基準とするラティスを有する荷電粒子軌道制御装置の構成（その１）を示す上面図である。 正３角形を基準とするラティスを有する荷電粒子軌道制御装置の構成（その２）を示す上面図である。 正５角形を基準とするラティスを有する荷電粒子軌道制御装置の構成の一例を示す上面図である。 偏向角と軌道の交差角を説明するための図である。 偏向電磁石に付与された磁気勾配を説明するための図である。 正多角形でない構造を有する荷電粒子軌道制御装置の構成の一例を示す図である。 荷電粒子の直線部分にアンジュレータが挿入されている様子を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００の構成について説明する。図１に示すように、荷電粒子軌道制御装置１００は、複数の偏向電磁石１（１Ａ〜１Ｋ）と、複数の４極電磁石２と、を備える。

偏向電磁石１（１Ａ〜１Ｋ）は、正１１角形の各頂点にそれぞれ配置されている。すなわち、本実施形態では、周回数ｍは２であり、辺の数ｎは１１であり、ｎはｍの倍数ではない。

偏向電磁石１（１Ａ〜１Ｋ）は、荷電粒子３を偏向させる。偏向電磁石１（１Ａ〜１Ｋ）は、荷電粒子３が正１１角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。例えば、偏向電磁石１Ａは、偏向電磁石１Ｊから到達した荷電粒子３を、偏向電磁石１Ｃに向かって偏向させる。

図１では、荷電粒子３の軌道が破線で示されている。図１に示すように、荷電粒子３は、正１１角形の各頂点を１つ置きに通っているのがわかる。

４極電磁石２は、荷電粒子３の軌道上に配置されている。４極電磁石２は、荷電粒子３による荷電粒子束が発散するのを防いでいる。

なお、図１では、荷電粒子３を加速させる高周波加速空洞等については、その図示を省略している。

図２には、荷電粒子軌道制御装置１００における荷電粒子３の軌道を近似的に示す多角形が実線で示されている。図２に示すように、この荷電粒子軌道制御装置１００の粒子軌道折れ線は、１１回回転対称となっており、直線部で軌道が交差している。この粒子軌道折れ線は、例えば頂点型とも言うべきものである。

この荷電粒子軌道制御装置１００では、荷電粒子３は、２周回で元の軌道に復帰する。すなわち、本実施形態では、ｍ＝２である。

本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、荷電粒子３が元の軌道に復帰する周回数を２周回とし、リング２周を１周期としているので、同じ設置面積で、その周長を実質的に２倍以上に延ばすことができる。周長の伸長は、以下に示す効果を奏する。
（１）単バンチ運転を行った場合、バンチ間隔を２倍にすることができる。例えば、小型放射光源用電子蓄積リングで行うＴＯＦ型実験（例えば時間分解光電子分光実験）において、物質の電子状態の時間変化を終状態まで追うことが可能となる。
（２）多バンチ運転の場合、蓄積電荷量を最大２倍とすることができる。例えば、同じ設置面積で周長が２倍となるので、リング内に蓄積できる最大荷電粒子数も２倍となる。これにより、例えば、放射線療法などの医学応用加速器に適用した場合に、ビームを取り出し患部に照射できる放射線量を格段に増やすことができる。
（３）挿入光源や高周波加速空洞を挿入できる直線部の数を格段に増やすことができる。これにより、高輝度光を利用できる実験ステーションを数多く設置できるようになる。
（４）省スペース、低コストで荷電粒子加速器や荷電粒子蓄積リングを構成することができる。

なお、周回数を２とするラティスは、正１１角形のものには限られない。

例えば、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、正５角形のラティスを組むことも可能である。図３Ａには、荷電粒子３が正５角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させたときの粒子軌道折れ線（頂点型）が示されている。

正５角形におけるラティスは、図３Ｂ、図３Ｃに示すように変形することが可能である。このラティスは、最終的には、図３Ｄに示すように、いわゆる辺型の粒子軌道を持つように変形することが可能である。辺型のラティスでは、偏向電磁石１は、荷電粒子３の周回中の軌道に正５角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、荷電粒子３が正５角形の各辺を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。

また、例えば、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、正７角形のラティスを組むことも可能である。図４Ａには、荷電粒子３が正７角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させたときの粒子軌道折れ線（頂点型）が示されている。

正７角形のラティスは、図４Ｂ、図４Ｃに示すように変形することが可能である。このラティスは、図４Ｄに示すように、最終的には、辺型の粒子軌道を持つように変形することが可能である。辺型のラティスでは、偏向電磁石１は、荷電粒子３の周回中の軌道に正７角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、荷電粒子３が正７角形の各辺を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。

また、例えば、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、正９角形のラティスを組むことも可能である。図５Ａには、荷電粒子３が正９角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させたときの粒子軌道折れ線（頂点型）が示されている。

正９角形のラティスは、図５Ｂ、図５Ｃに示すように変形することが可能である。このラティスは、図５Ｄに示すように、最終的には、辺型の粒子軌道を持つように変形することが可能である。辺型のラティスでは、偏向電磁石１は、荷電粒子３の周回中の軌道に正９角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、荷電粒子３が正９角形の各辺を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。

また、例えば、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、正１１角形のラティスを組むことも可能である。図６Ａには、荷電粒子３が正１１角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させたときの粒子軌道折れ線（頂点型）が示されている。

正１１角形のラティスは、図６Ｂに示すように変形することが可能であり、最終的には、図６Ｃに示すように、いわゆる辺型に変形することが可能である。辺型のラティスでは、荷電粒子３の周回中の軌道に、正１１角形の各辺の一部が含まれている。辺型のラティスでは、偏向電磁石１は、荷電粒子３の周回中の軌道に正１１角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、荷電粒子３が正１１角形の各辺を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。

また、例えば、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、正１３角形のラティスを組むことも可能である。図７Ａには、荷電粒子３が正１３角形の各頂点を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させたときの粒子軌道折れ線（頂点型）が示されている。

正１３角形のラティスは、図７Ｂに示すように変形することが可能であり、最終的には、図７Ｃに示すように、いわゆる辺型に変形することが可能である。辺型のラティスでは、荷電粒子３の周回中の軌道に、正１３角形の各辺の一部が含まれている。辺型のラティスでは、偏向電磁石１は、荷電粒子３の周回中の軌道に正１３角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、荷電粒子３が正１３角形の各辺を１つ置きに通るように、荷電粒子３を偏向させる。

辺型の荷電粒子軌道制御装置１００についてより詳細に説明する。

図８には、２周回の軌道を有する正５角形の荷電粒子軌道制御装置（辺型）１００の構成の一例が示されている。図８に示すように、この荷電粒子軌道制御装置（辺型）１００では、正５角形の各頂点に、偏向電磁石１が設けられている。各偏向電磁石１は、入射角に対する出射角が所定の偏向角（７２度）となるように荷電粒子３を偏向させる。

図８では、荷電粒子３の軌道が実線で示されている。各偏向電磁石１において、荷電粒子３が通過する軌道は２つ存在する。各偏向電磁石１では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１における荷電粒子３の軌道が２つの軌道の間で交互に切り替わるように、各偏向電磁石の偏向角と互いの位置関係が規定されている。

より具体的には、この荷電粒子軌道制御装置１００では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１に入射する荷電粒子３の入射位置が２つの位置で交互に切り替わるように、各偏向電磁石１の偏向角と互いの位置関係が規定されている。入射位置が交互に切り替わり、各偏向電磁石１では、偏向角が一定であるため、偏向電磁石１を通過する荷電粒子３の軌道は２通りとなる。

なお、各偏向電磁石１は、距離Ｌや、荷電粒子３の軌道の直線部分の長さが荷電粒子軌道制御装置１００の用途に適したものとなるように、設計される必要がある。また、この偏向電磁石１の磁極端は軌道と直交するようになっているが、一般的には任意の角度を選択可能である。

図８に示す荷電粒子軌道制御装置１００によれば、偏向電磁石１を荷電粒子３が通過する度に荷電粒子３の軌道が交互に切り替わるように、各偏向電磁石１が配置されている。このため、荷電粒子軌道制御装置１００は、さらに以下に示す効果を奏する。
（１）’偏向電磁石１の数に対する荷物粒子３の軌道における直線の数を、図１に示すいわゆる頂点型の荷電粒子軌道制御装置１００よりもさらに増やすことができる。
（２）’荷電粒子３が１周の間に通過する偏向電磁石１の数を増やすことができるので、直線の数を増やしつつも、偏向角を小さくすることができる。このため、粒子ビームの低エミッタンス化（小径化）を実現することができる。

（第２の実施形態）
まず、本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、２周回でなく、３周回で元の軌道に復帰する点が、上記第１の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、ｍ＝３である。

図９には、本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００の粒子軌道折れ線が示されている。図９に示すように、この粒子軌道折れ線は、正１１角形を基準として構築されている。

図９では、この粒子軌道折れ線では、荷電粒子３の１周目の軌道を太線で示している。また、この粒子軌道折れ線では、荷電粒子３の２周目の軌道を実線で示している。さらに、この粒子軌道折れ線では、荷電粒子３の３周目の軌道を点線で示している。図９に示すように、この粒子軌道折れ線では、荷電粒子３は、３周回で元の軌道に復帰する。

図１０Ａには、本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００の構成の一例が示されている。図１０Ａに示すように、荷電粒子軌道制御装置１００では、偏向電磁石１は、正１１角形の各頂点にそれぞれ配置されている。

偏向電磁石１は、一方の隣接頂点から到達した荷電粒子３を、他方の隣接頂点に隣接する頂点に向かって偏向させる。また、偏向電磁石１は、一方の隣接頂点に隣接する他の頂点から到達した荷電粒子３を、他方の隣接頂点に向かって偏向させる。この配置では、荷電粒子軌道に着目すれば、正１１角形の各頂点で、２つの隣接する偏向電磁石が、１組として荷電粒子３の軌道を隣接頂点に隣接する他の頂点に向かって曲げて（偏向させて）いる。以下では、この型のラティスをダブルベンド型とも呼ぶ。

この荷電粒子軌道制御装置１００では、図１０Ｂに示すように、正１１角形の各頂点の間に、一方の頂点から出た荷電粒子３を隣接する頂点に偏向させる偏向電磁石４をさらに配置することも可能である。この配置では、正１１角形の隣り合う２つの頂点の偏向電磁石１に、それらの間に配置された偏向電磁石４を加えた３つの偏向電磁石が、１組として荷電粒子３の軌道を曲げている。以下では、この型のラティスをトリプルベンド型とも呼ぶ。

なお、周回数ｍを３とするラティスは、正１１角形を基準とするものには限られない。

図１１Ａには、正７角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１１Ｂには、そのラティスのうちの偏向電磁石１の配置が示されている。また、図１１Ｃには、正７角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１１Ｄには、そのラティスのうちの偏向電磁石１、４の配置が示されている。

図１２Ａには、正８角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１２Ｂには、そのラティスのうちの偏向電磁石１の配置が示されている。また、図１２Ｃには、正８角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１２Ｄには、そのラティスのうちの偏向電磁石１、４の配置が示されている。

図１３Ａには、正１０角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１３Ｂには、そのラティスのうちの偏向電磁石１の配置が示されている。また、図１３Ｃには、正１０角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１３Ｄには、そのラティスのうちの偏向電磁石１、４の配置が示されている。

図１４Ａには、正１１角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１４Ｂには、そのラティスのうちの偏向電磁石１の配置が示されている。また、図１４Ｃには、正１１角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１４Ｄには、そのラティスのうちの偏向電磁石１、４の配置が示されている。

図１５Ａには、正１３角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１５Ｂには、そのラティスのうちの偏向電磁石１の配置が示されている。また、図１５Ｃには、正１３角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示され、図１５Ｄには、そのラティスのうちの偏向電磁石１、４の配置が示されている。

本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、荷電粒子３が元の軌道に復帰する周回数を３周回とし、リング３周を１周期としているので、同じ面積で、その周長を実質的に３倍以上に延ばすことができる。周長の伸長は、以下に示す効果を奏する。
（１）単バンチ運転を行った場合、バンチ間隔を通常の３倍にすることができる。例えば、小型放射光源用電子蓄積リングで行うＴＯＦ（例えば時間分解光電子分光実験）において、物質の電子状態の時間変化を終状態まで追うことが可能となる。
（２）多バンチ運転の場合、蓄積電荷量を最大３倍とすることができる。例えば、同じ設置面積で周長が３倍となるので、リング内に蓄積できる最大荷電粒子数も３倍となる。これにより、例えば、放射線療法などの医学応用加速器に適用した場合に、ビームを取り出し同じ治療時間内に患部に照射できる放射線量を格段に増やすことができる。この結果、総治療時間を大幅に短縮することができる。
（３）挿入光源や高周波加速空洞を挿入できる直線部の数を格段に増やすことができる。これにより、高輝度光を利用できる実験ステーションを数多く設置できるようになる。

荷電粒子軌道制御装置１００は、荷電粒子３を偏向させる複数の偏向電磁石１を有し、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１における荷電粒子３の軌道が２つの軌道の間で交互に切り替わるように、各偏向電磁石１の偏向角と互いの位置関係が規定されている。

より詳細には、荷電粒子軌道制御装置１００では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１に入射する荷電粒子３の入射位置が２つの位置で交互に切り替わるように、各偏向電磁石１の偏向角と互いの位置関係が規定されている。さらに、荷電粒子軌道制御装置１００では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１に入射する荷電粒子の入射角度が２つの角度で交互に切り替わるように、各偏向電磁石１の偏向角と互いの位置関係が規定されている。

本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、以下に示す効果を有する。
（１）’偏向電磁石１の数に対する荷物粒子３の軌道における直線の数を、２周回のいわゆる頂点型の荷電粒子軌道制御装置１００（図１参照）よりも（偏向電磁石１を交互に１つ抜かしにするよりも）増やすことができる。
（２）’荷電粒子３が１周の間に通過する偏向電磁石１の数を増やすことができるので、直線の数を増やしつつも、偏向角を小さくすることができる。このため、粒子ビームの低エミッタンス化を実現することができる。

（第３の実施形態）
まず、本発明の第３の実施形態について説明する。

本実施形態に係る図１６の荷電粒子軌道制御装置１００は、元の軌道に復帰する周回数ｍを切り換え可能な装置である。荷電粒子軌道制御装置１００は、偏向電磁石１、４を備える。

荷電粒子軌道制御装置１００は、偏向電磁石１、４各々の磁力を制御する電磁石電源５をさらに備える。本実施形態では、電磁石電源５が、偏向電磁石１、４の磁力を調整することにより、周回数ｍを１乃至３の間で切り換え可能となっている。

荷電粒子軌道制御装置１００のラティスは、正７角形を基準としている。本実施形態では、ｎ＝７である。ｎは、２の倍数でなく、かつ、３の倍数でもない自然数である。

図１７Ａには、正７角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示されている。

図１７Ｂには、トリプルベンド型のラティスによる荷電粒子３の３周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により正７角形の各辺の中心に位置する偏向電磁石１の磁力を、一方の隣接する偏向電磁石４から到達した荷電粒子３を他方の隣接辺に隣接する辺の中心に位置する他の偏向電磁石１に向かって偏向させ、一方の隣接辺に隣接する辺の中心に位置する他の偏向電磁石１から到達した荷電粒子３を隣接する偏向電磁石４に向かって偏向させるような大きさとすればよい。また、電磁石電源５は、偏向電磁石４の磁力の大きさを、一方の隣接する偏向電磁石１から出た荷電粒子３を他方の隣接する偏向電磁石１に偏向させる大きさとすればよい。

図１７Ｃには、トリプルベンド型のラティスによる荷電粒子３の２周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により偏向電磁石１の磁力を、荷電粒子３が正７角形の各辺の中心にある偏向電磁石１を１つ置きに通るような大きさに設定すればよい。このとき、偏向電磁石４を荷電粒子３が通ることはないので、偏向電磁石４の磁力の大きさを０としてもよい。

図１７Ｄには、そのラティスによる荷電粒子３の１周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により偏向電磁石１の磁力の大きさを０とし、偏向電磁石４の磁力の大きさを、荷電粒子３が正７角形の各頂点をその辺に沿って通るような大きさに設定すればよい。

図１８には、正７角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示されている。

図１８Ｂには、ダブルベンド型のラティスによる荷電粒子３の３周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により正７角形の各頂点に位置する偏向電磁石１の磁力の大きさを、一方の隣接頂点から到達した荷電粒子３を他方の隣接頂点に隣接する頂点に向かって偏向させ、一方の隣接頂点に隣接する他の頂点から到達した荷電粒子３を他方の隣接頂点に向かって偏向させる大きさに設定すればよい。

図１８Ｃには、ダブルベンド型のラティスによる荷電粒子３の２周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により偏向電磁石１の磁力の大きさを、荷電粒子３が正７角形の各頂点を１つ置きに通るような大きさに設定すればよい。

図１８Ｄには、そのラティスによる荷電粒子３の１周回軌道が示されている。このような軌道を実現するためには、電磁石電源５により偏向電磁石１の磁力の大きさを、荷電粒子３が正７角形の各頂点をその辺に沿って通るような大きさに設定すればよい。

また、図１９Ａには、正１１角形を基準とするトリプルベンド型の粒子軌道折れ線が示されている。また、図１９Ｂ乃至図１９Ｄには、正１１角形を基準とするトリプルベンド型のラティスによる荷電粒子３の３周回軌道、２周回軌道、１周回軌道がそれぞれ示されている。これらの周回軌道の切り換えも、電磁石電源５による偏向電磁石１、４の磁力の大きさを上述のように調整することにより可能となる。

また、図２０Ａには、正１１角形を基準とするダブルベンド型の粒子軌道折れ線が示されている。また、図２０Ｂ乃至図２０Ｄには、正１１角形を基準とするダブルベンド型のラティスによる荷電粒子３の３周回軌道、２周回軌道、１周回軌道がそれぞれ示されている。これらの周回軌道の切り換えも、電磁石電源５による偏向電磁石１の磁力の大きさを上述のように調整することにより可能となる。

本実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、荷電粒子３の１周期の軌道を１周回から３周回まで切り替え可能とした。この荷電粒子軌道制御装置１００によれば、その目的に応じて荷電粒子３の軌道の周長を調整することが可能となる。

なお、一般的に、頂点型よりも辺型のラティスの方が、偏向電磁石の数を低減し、直線の数を増やすことができる。しかしながら、辺型のラティスでは、１周回目の直線軌道と、２周回目の直線軌道とが近接する傾向があるので、２つの直線軌道をある程度離間させる必要があることに留意すべきである。

なお、これまで様々なラティスについて説明したが、荷電粒子軌道制御装置１００におけるラティスは上記各実施形態に係るものには限られない。

例えば、図２１、図２２に示すように、正３角形を基準とするラティスを組むことも可能である。図２１に示すラティスは、いわゆる辺型であり、２周回（ｍ＝２）のラティスである。また、図２２に示すラティスも、２周回（ｍ＝２）のラティスであるが、このラティスでは、正３角形の各頂点に対応して、外側頂点と内側頂点がそれぞれ設けられ、荷電粒子３は、外側頂点と内側頂点とを交互に通る軌道を取る。図２２に示す荷電粒子軌道制御装置では、正３角形の各頂点に設置される偏向電磁石中での荷電粒子の軌道に関して、内側の軌道で偏向角が小さく、外側の軌道で偏向角が大きくなるように偏向電磁石が製作調整されている。これにより、荷電粒子は、隣接する偏向電磁石を通る度に交互に内側と外側とを通るようになる。

また、正５角形を基準とするラティスでは、図２３に示すようなラティスを組むことも可能である。このラティスにおいても、正５角形の各頂点に対応して、外側頂点と内側頂点がそれぞれ設けられ、荷電粒子３は、外側頂点と内側頂点とを交互に通る軌道を取る。図２３に示す荷電粒子軌道制御装置では、正５角形の各頂点に設置される偏向電磁石中での荷電粒子の軌道に関して、内側の軌道で偏向角が小さく、外側の軌道で偏向角が大きくなるように偏向電磁石が製作調整されている。これにより、荷電粒子は、隣接する偏向電磁石を通る度に交互に内側と外側とを通るようになる。

すなわち、各偏向電磁石１において、荷電粒子３が通過する軌道は２つ存在する。各偏向電磁石１では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１における荷電粒子３の軌道が２つの軌道の間で交互に切り替わるように、各偏向電磁石の偏向角と、互いの位置関係とが規定されている。

より具体的には、この荷電粒子軌道制御装置１００も、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１に入射する荷電粒子３の入射位置が２つの位置で交互に切り替わるように、各偏向電磁石１の偏向角と互いの位置関係が規定されている。また、この荷電粒子軌道制御装置１００では、荷電粒子３が通過する度に、各偏向電磁石１に入射する荷電粒子の入射角度が２つの角度で交互に切り替わるように、各偏向電磁石の偏向角と互いの位置関係とが規定されている。

各偏向電磁石１の磁界の強度は、軌道の内側に入射した荷電粒子３の偏向角は、７２度よりも若干小さくなるように規定されており、軌道の外側に入射した荷電粒子３の偏向角は、７２度よりも若干大きくなるように規定されている。これにより、各偏向電磁石１では、内側の軌道を通って各偏向電磁石１に入射した荷電粒子３は、外側の軌道に向かい、外側の軌道を通って各偏向電磁石１に入射した荷電粒子３は、内側の軌道に向かうようになる。

このような荷電粒子３の軌道の設定と、各偏向電磁石１との配置により、図２３に示す荷電粒子軌道制御装置１００では、軌道における直線部において、荷電粒子３の軌道が交差するようになる。直線部で軌道が交差する軌道の交差角は、内外のｎ角形同士の距離と辺の長さによって決定される。

なお、この荷電粒子軌道制御装置１００においても、各偏向電磁石１は、荷電粒子３の軌道の直線部分の長さ等が荷電粒子軌道制御装置１００の用途に適したものとなるように、設計される必要がある。この偏向電磁石１の磁極端は軌道と直交するようになっているが、一般的には任意の角度を選択可能である。

また、上記各実施形態では、荷電粒子３が２周回、３周回で元の軌道に復帰するラティスについて説明したが、本発明はこれには限られない。例えば、荷電粒子３が４周回以上で元の軌道に復帰するラティスを組むことも可能である。

いずれにしても、ｍは１でない自然数であり、ｎは、ｍの倍数ではない自然数である。

このように、上記各実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００では、偏向電磁石１は、図２４に示すように、交差する２つの軌道を有する。偏向電磁石１における偏向角θ１及び軌道の交差角θ２は、幾何学的に求められる。

ｎ角形、ｍ周回の荷電粒子軌道制御装置１００について、ダブルベンド型とトリプルベンド型の２つに分けて、偏向電磁石１の構造を特徴づける２つの角度を以下にまとめる。

まず、ダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置１００の場合、正ｎ角形の１つの内角は、１８０（ｎ−２）／ｎ［ｄｅｇ．］となり、偏向角θ１の総和は、３６０×ｍ［ｄｅｇ．］となる。また、荷電粒子３が通過する偏向電磁石１ののべ数は２×ｎとなる。この場合、各偏向電磁石１の偏向角θ１は、以下の式のようになる。

また、２つの軌道の交差角θ２は、以下の式のようになる。

ｎ角形、ｍ周回のダブルベンド型の荷電粒子軌道制御装置１００の交差角θ２について以下の表にまとめる。

次に、トリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置１００の場合、正ｎ角形の１つの内角は、１８０（ｎ−２）／ｎ［ｄｅｇ．］となり、偏向角θ１の総和は、３６０×ｍ［ｄｅｇ．］となる。また、荷電粒子３が通過する偏向電磁石１ののべ数は、軌道が交差しない偏向電磁石４については、ｎとなり、軌道が交差する偏向電磁石１については、２×ｎとなる。この場合、各偏向電磁石１、４の偏向角θ１は、交差しない偏向電磁石４については、

となり、
交差する偏向電磁石１については、

となる。

また、２つの軌道の交差角θ２は、以下の式のようになる。

ｎ角形、ｍ周回のトリプルベンド型の荷電粒子軌道制御装置１００の交差角θ１について以下の表にまとめる。

また、上記各実施の形態では、各偏向電磁石１に、荷電粒子３の軌道の内周側から外周側に沿って磁気勾配が設けられているようにしてもよい。例えば、図２５に示すように、紙面に直交する方向に進む荷電粒子３に対して、その軌道の内周側に沿って磁気が強くなるように磁気勾配が形成されるように設定することができる。このようにすれば、荷電粒子３によって形成される粒子ビームをより低エミッタンス化することが可能となる。なお、外周側に沿って磁気が強くなるような磁気勾配が形成されるようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、各偏向電磁石１が、正多角形の外周上に配置されていたが、本発明はこれには限られない。例えば、図２６に示すように、正多角形でない図形の外周上に、各偏向電磁石１を配置するようにしてもよい。

図２７に示すように、荷電粒子３の軌道における直線上の部分には、様々なものが設置される。例えば、図２７では、各直線部分にアンジュレータ１０が設置されている。このように、この荷電粒子軌道制御装置１００では、直線部分の数が多いため、多数のアンジュレータ１０を設置することができる。

いずれにしても、上記各実施形態に係る荷電粒子軌道制御装置１００は、複数の異なる位置から荷電粒子３を入射し、その入射位置に応じた荷電粒子３の複数の軌道を有し、その軌道に応じた複数の異なる位置から荷電粒子３を出射する偏向電磁石１が必要となる。このような偏向電磁石１を備えることにより、上述した荷電粒子軌道制御装置１００の効果が発揮される。

本発明は、上記実施の形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で実施の形態及び図面に変更を加えることができるのはもちろんである。要は、荷電粒子の軌道の１周期が１周回ではなく、複数周回である構成であればよい。

すなわち、この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１０年１２月２０日に出願された、日本国特許出願２０１０−２８３８５０号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１０−２８３８５０号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、上述のように、荷電粒子加速器や、荷電粒子蓄積リングに用いられるのに好適である。

１（１Ａ〜１Ｋ） 偏向電磁石
２ ４極電磁石
３ 荷電粒子
４ 偏向電磁石
５ 電磁石電源
１０ アンジュレータ
１００ 荷電粒子軌道制御装置

Claims (12)

1. 周回型の荷電粒子加速器又は荷電粒子蓄積リングに用いられ、
   荷電粒子が折れ線軌道で周回し複数周回で元の軌道に復帰可能に構成されており、
   それぞれが少なくとも１つの偏向電磁石を有し、前記荷電粒子を偏向させるように構成された複数の偏向部を有し、
   前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部における前記荷電粒子の軌道が２つの軌道の間で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている、
   荷電粒子軌道制御装置。
2. 前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部に入射する前記荷電粒子の入射位置が２つの位置で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子軌道制御装置。
3. 前記荷電粒子が通過する度に、前記各偏向部に入射する前記荷電粒子の入射角度が２つの角度で交互に切り替わるように、前記各偏向部の偏向角と互いの位置関係が規定されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子軌道制御装置。
4. 前記各偏向部には、
   前記荷電粒子の軌道の内周側から外周側に沿って磁気勾配が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子軌道制御装置。
5. ｍの倍数でない自然数をｎとすると、正ｎ角形の外縁に前記各偏向部を配置して、前記荷電粒子がｍ（ｍは１でない自然数）周回で元の軌道に復帰するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子軌道制御装置。
6. 前記各偏向部は、
   前記荷電粒子の周回中の軌道に前記正ｎ角形の各辺の一部が含まれるように、かつ、前記荷電粒子が前記正ｎ角形の各辺をｍ−１個置きに通るように、前記荷電粒子を偏向させる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子軌道制御装置。
7. ｍは３であり、
   前記偏向部は、
   前記正ｎ角形の各頂点にそれぞれ配置され、
   一方の隣接頂点から到達した前記荷電粒子を、他方の隣接頂点に隣接する頂点に向かって偏向させ、
   前記一方の隣接頂点に隣接する他の頂点から到達した前記荷電粒子を、前記他方の隣接頂点に向かって偏向させる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子軌道制御装置。
8. 前記正ｎ角形の各頂点の間に、一方の隣接頂点から出た前記荷電粒子を他方の隣接頂点に偏向させる偏向部がさらに設けられている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の荷電粒子軌道制御装置。
9. ｎは、２の倍数でなく、かつ、３の倍数でもない自然数であり、
   前記偏向電磁石の磁力を制御する電磁石電源をさらに備え、
   前記電磁石電源が、前記複数の偏向電磁石各々の磁力を調整することにより、
   前記荷電粒子の周回数を１乃至３の間で切り換え可能である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子軌道制御装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の荷電粒子軌道制御装置によって荷電粒子の軌道が制御された荷電粒子加速器。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の荷電粒子軌道制御装置によって荷電粒子の軌道が制御された荷電粒子蓄積リング。
12. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の荷電粒子軌道制御装置に用いられ、
    複数の異なる位置から荷電粒子を入射し、その入射位置に応じた荷電粒子の互いに交差する複数の異なる軌道を有し、各軌道に応じた複数の異なる位置から荷電粒子を出射する、
    偏向電磁石。

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