JPH0416895B2

JPH0416895B2 -

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Publication number: JPH0416895B2
Application number: JP54036358A
Authority: JP
Inventors: Resurii Buraun Kaaru
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1978-03-29
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1992-03-25
Also published as: GB2018505A; GB2018505B; JPS54152386A; US4191887A; CA1116320A

Description

【発明の詳細な説明】説明の要約：与えられたビーム屈曲角だけ荷電粒子のビーム
を偏向させる磁気的ビーム偏向装置において、ビ
ーム屈曲角ψだけビームを屈曲するために少くと
も４個のビーム偏向部がビーム路に沿つて順次配
置される。これらビーム屈曲部の各々は２次の横
方向幾何収差を生ずることなくビームが偏向され
るような強度の形状とを持つ静磁界成分を発生す
るための磁石を含む。このビーム偏向装置は又、
２次の幾何収差を導入することなく偏向されたビ
ームの２次の色収差をなくすような強度を持ちそ
のような位置に設定された６重極磁界成分を含
み、それにより、２次の横方向の色収差及び幾何
収差の両方を生じないような磁気的ビーム偏向装
置が提供される。

本発明は一般に、２次の色収差及び幾何収差を
生ずることなく荷電粒子のビームを偏向する即ち
屈曲するための磁気的ビーム偏向装置に関するも
のである。

従来、荷電粒子のビームを与えられたビーム屈
曲角だけ屈曲するために磁気的ビーム偏向装置が
提案されて来た。このようなビーム偏向装置は、
ビーム屈曲角ψだけビームを屈曲するためにビー
ム路に沿つて順次配置された４個以上のビーム屈
曲部即ちビーム偏向部を含んでいた。このような
磁気的偏向装置は１次の程度までは色収差がない
ようにされた。

この型の磁気的ビーム偏向装置は、例えば電子
などのような、非単一エネルギー性荷電粒子の高
エネルギー・ビームを屈曲しターゲツト上に収束
してＸ線治療機に使用するＸ線のローブを発生す
るために、特に有用である。このような従来の磁
気的ビーム偏向装置は1975年２月18日付で特許さ
れ本願出願人は譲渡された米国特許第3867635号
に記載されている。色収差のない磁気的ビーム偏
向装置の其の他の例は、1968年10月８日付で特許
された米国特許第3405363号、1964年６月23日付
で特許された米国特許第3138706号、及び1972年
９月12日付で特許された米国特許第3691374号に
記載されている。

このような従来の磁気的ビーム偏向装置は出射
面までに非単一エネルギー性荷電粒子のビームを
与えられた屈曲角だけ色収差なしに偏向するため
には役立つが、これらの従来の磁気的ビーム偏向
装置は２次の程度まで色収差を除かれることはな
かつた。本明細書で使用する〓色収差〓という用
語は、偏向される荷電粒子の運動量の変化の関数
となるような偏向されたビームの収差を指すもの
である。

Ｘ線治療機や中間子治療機に使用されるような
非単エネルギー性荷電粒子の高エネルギー・ビー
ムを偏向する際に使用される２次の色収差や幾何
収差のない色消しビーム偏向装置を提供すること
が望ましい。人体の中間子照射領域が正確に制御
されるように荷電粒子即ち中間子のビームの幾何
学的形状及び多色性が正確に制御されることが特
に望ましいから、これは中間子治療機において特
に有用である。また、金属製鋳物を検査するため
のＸ線検査装置において用いられてもよい。

高エネルギー非単一エネルギー性荷電粒子を偏
向するための磁気的偏向装置において特定の色収
差をなくすために磁気的ビーム偏向装置中に６重
極磁界成分を使用することも従来から知られてい
る。然しながら、６重極磁界を使用する従来の磁
気的偏向装置は２次の幾何収差及び色収差の総て
を除くことは出来なかつた。

本発明の主目的は、非単一エネルギー性荷電粒
子のビームを或るビーム偏向角だけ偏向して、し
かもこのような偏向されたビームが２次の色収差
及び幾何収差を持たないようにする改良された磁
気的ビーム偏向装置を提供することである。

本発明の一特色に依れば、偏向されるべき荷電
粒子のビームは４個以上の磁気的ビーム偏向部を
順次通過するように供給され、各磁気的ビーム偏
向部は、荷電粒子のビームを屈曲し且つビームの
中心軌道軸を横切る２つの直交方向の各々におい
て荷電粒子のビームを収束するための第１の磁界
成分を含み、このような第１の磁界成分は偏向さ
れたビームが１次の程度まで幾何及び色収差がな
く２次の幾何収差がなくなるような強度を持ちそ
のような位置に設定されている。前記ビーム偏向
装置は更に、２次の幾何収差を導入することなく
偏向されたビームの２次の色収差をなくするよう
な強度を持ちそのように方向づけられた６重極磁
界成分を含んでいる。

本発明の他の一特色に依れば、前記磁気的偏向
部の各々は、相極磁界成分を発生するためにビー
ム路にまたがつて配置された１対の磁極片を含
み、前記磁極片の各々はビーム路に沿つて軸方向
に間隔をあけて配置されたビーム入射面部分及び
ビーム出射面部分を有し、それらのビーム入射面
部分及びビーム出射面部分は上述の６重極磁界成
分を発生するために彎曲されている。

さて第１図を参照すると、本発明の特色を具備
する磁気的偏向装置１０が平面図で示されてい
る。この装置１０は、その装置の中央軌道軸１５
を持つた彎曲した軌道に沿つて配置された４個の
一様磁界屈曲用電磁石１１，１２，１３及び１４
を含んでいる。更に詳しく言えば、中央軌道軸１
５は放射状の屈曲平面の中にあつてこの平面を規
定し、それは原点１６において偏向装置１０に入
り最初は中央軌道軸１５の初期軌道を規定する予
め定められた方向に進行する基準運動量P₀の荷
電粒子が画く軌道である。そのビームの荷電粒子
は最初にビーム・コリメータ１７によつて平行な
ビームにされて、原点１６におけるビーム入射平
面を通して磁気的偏向装置１０の中に入射される
ことが望ましい。

典型的な一例では、初期ビームはコリメータ１
７によつて平行ビームにされる線型加速器の出力
ビームによつて形成される。そのようなわけで、
入射ビームは或る予め定められたスポツト寸法を
持ち、一般に非単一エネルギー性であり、即ち中
央軌道軸１５を画く粒子の基準運動量P₀のまわ
りにビーム粒子の運動量の大きく拡がつた分布が
ある。

屈曲用磁石１１乃至１４の各々は、屈曲半径ρ
で例えば60゜というような或る屈曲角αだけ中央
軌道軸を屈曲し、各磁石のあとには直線状のドリ
フト長部分2lがあり、即ちドリフト長2lだけ間隔
をあけられている。

軟鉄などで作られた磁気的シヤント構造が隣接
する屈曲用磁石１１及び１４の間の空間に配置さ
れ、また原点１６と第１の屈曲用磁石１１との
間、及び最後の屈曲用磁石１５と出射平面１８と
の間で中央軌道軸に沿つて配置されており、その
出射平面１８には、患者を処置するためのＸ線ロ
ーブを発生するために電子ビームを遮断するよう
ターゲツト１９が置かれている。Ｘ線エネルギー
は、Ｘ線治療機のＸ線窓を構成する処の、真空包
囲壁２２のＸ線透過部を通過する。

磁気的シヤント構造はシヤントを通過するビー
ムの通路を中に収めるトンネル部分（前掲の米国
特許第3867635号参照）を具備している。このシ
ヤントは、ビーム屈曲用磁石１１，１２，１３及
び１４の間の空間、並びに、ビーム入射平面及び
ビーム出射平面と隣接するビーム屈曲用磁石構造
との間の空間に比較的磁界のない領域を設定する
役をなす。

ビーム屈曲用磁界領域は、第２図に示されてい
るように磁石１１乃至１４の各別の磁極片の間の
空隙によつて設定され、電磁石コイルによつて発
生される起磁力によつて附勢される。

屈曲用磁石１１乃至１４の各々は各別の屈曲角
αと曲率半径ρとを有し、このような曲率半径は
各別の屈曲用磁石１１乃至１４の空隙内の中央軌
道軸１５の曲率半径である。

屈曲平面などのような対称な磁気的中心面を有
する静磁気的ビーム偏向装置即ちビーム移送装置
の１次の光学的ビーム特性はその装置１０を通過
する５種の特徴的な粒子の軌道を特定することに
よつて完全に決定されることが解つた。この事
は、1967年７月発行のスタンフオード線型加速器
センター報告〔Stanford Linear Accelerator
Center（SLAC）report〕第75号において、原子
力委員会契約（AEC Contract）第AT（04−３）
−515号に基き報告されたカール・エル・ブラウ
ン（Karl L.Brown）の〓ビーム移送装置及び荷
電粒子スペクトロメータの設計のための１次及び
２次マトリツクス理論（Ａ Firet−and Second
−Order Matrix Theory For the Design of
Beam Transport Systems And Cherged
Particle Spectrometers）〓という表題の論文に
より証明されている。これらの基準軌道は、その
装置のビーム光学軸を特定する基準中央軌道軸軌
跡、即ち中央軌道軸１５に対して相対的なそれら
の軌道の位置、傾斜及び運動量によつて識別され
る。

中央軌道軸１５は全体が中心平面即ち屈曲平面
の中に横たわる。中央軌道軸を画く粒子の運動量
がP₀であるならば、これら５種の特徴的な軌道
は次のように特定される。

S_xは、〓単位傾斜〓が上記SLAC報告において
定義されたものとして、中心屈曲面内に横たわり
中心軌道軸上にあつて単位傾斜を持つ処の、運動
量P_pの粒子が画く経路（軌道）であり： C_xは、中心屈曲面内に横たわり、中心屈曲面
内で中心軌道軸に対して垂直に単位の初期変位を
有し、軌道軸１５に対して相対的に０という初期
傾斜を持つ、即ち軌道軸に対して平行な、運動量
P_pの粒子の画く軌道であり； d_xは、中心軌道軸と最初一致するがP₀＋ΔPと
いう運動量を有する粒子の軌道であり； S_yは、最初中心軌道軸上にあり、屈曲平面に対
して垂直な横断平面内で中心軌道軸に対して単位
傾斜を有する処の、運動量P₀の粒子の画く軌道
であり： C_yは、中心軌道軸から横断方向に単位の初期
変位を有し最初は中心軌道軸に対して平行な、運
動量P₀の粒子の画く軌道である。

偏向装置１０の中心面（屈曲平面）に関する対
称性のために、上述の屈曲平面即ち放射状平面の
軌道は横断平面即ちｙ平面の軌道からは結合を解
かれ、即ち軌道S_x、C_x及びd_xは軌道S_y及びC_yと
は独立であることが解る。磁気的偏向装置１０に
対する上述の５種の特徴的な軌道はそれぞれ第１
図及び第２図に図示されている。

ここで第１図を参照して初期発散性S_x軌道を考
えると、磁気的偏向装置１０において、出力ビー
ム即ちターゲツト１９の上に収束される出力平面
１８における偏向された出射ビームは、原点１６
におけるビーム入射平面上の平行にされた入力ビ
ームと全く同一の特性を持つことが望ましい。

1970年７月付の契約第AT（04−３）−515号に
基き米国原子力委員会に対して報告された〓トラ
ンスポート／360荷電粒子移送装置を設計するた
めの計算機プログラム（TRASPORT／360 Ａ
Computer Program For Designing Charged
Particle Beam Transport Systems）〓という表
題のSLAC報告91の第Ａ−45頁には、２つの異る
型の軌道即ち余弦状軌道（C_x、C_y）及び正弦状
軌道（S_x、S_y）が与えられた平面に対して対にな
つていて、その一方の型の軌道が軌道軸に対して
平行になつている処では他方の型の軌道が軌道軸
を横切つているというような相関性を持つている
偏向装置１０の中の任意の位置に対して、その特
定の平面即ち屈曲平面（対になつたS_x項及びC_x
項に対するｘ平面）又は横断平面（対になつたS_y
項及びC_y項に対するｙ平面）についてそのビー
ムのくびれ部が存在するという事が証明された。

磁気的偏向装置１０においては、ビームの屈曲
平面内で中心平面３１においてビームのくびれ部
を持つことが望ましい。従つて、正弦状軌道S_xは
中心面３１における軌道軸１５の横切り点に向つ
て偏向され、これに対して余弦状軌道C_xはＡ点
にある横切り点を通つて収束され、中心平面３１
においては軌道軸１５と平行な状態に戻る。これ
は放射方向のくびれ部（屈曲平面内のくびれ部）
を中心平面３１の処に生じ得るようになる。

運動量分散性軌道軸d_x（第１図参照）は中心平
面３１において軌道軸から最大変位の位置若しく
はそれに近い位置にある。中心平面３１において
運動量分散性粒子即ちP₀からΔPだけずれた運動
量を持つ粒子は中心軌道軸１５からほぼ最大の放
射方向変位に持ちこのような変位は特定の粒子に
ついてΔPに比例するから、このことは最大運動
量の分析を確実に行わせる。このことは、非運動
量分散性のS_x及びC_x粒子に対する放射方向のく
びれと組合わさつて、ビームの運動量分析を行つ
てビームの運動量分布のすそを切落すために運動
量限定用スリツト３６を中心平面に置くことを可
能にする。これは又、運動量分析器３６から射出
するＸ線がＸ線処置領域から容易に遮蔽されるよ
うなターゲツト１９から遠く離れた領域に運動量
分析器３６を置くことになる。

次に第２図を参照すると、屈曲（Ｓ−ｘ）平面
を横切る横断（Ｓ−ｙ）平面内における所望の軌
道S_y及びC_yが示されている。上述のように、横
断平面内のくびれ部は軌道S_y及びC_yの一方が軌
道軸１５に対して平行になる処に生ずる。横断平
面内のビームのくびれ部が中心平面３１に生ずる
ならば、ビーム偏向用磁石１１，１２，１３及び
１４に対する最小の磁気空隙巾が実現されるであ
ろう。従つて、余弦項（C_x）は中心平面３１に
おいて軌道軸に対して平行になるように収束さ
れ、一方正弦項（S_x）は中心平面３１において軌
道軸１５の横切り点に収束される。

ビーム屈曲用磁石装置１０の種々のパラメータ
は、第１図及び第２図に図示されたような上述の
軌道S_x、C_x、d_x、S_y及びC_yを実現するように選
ばれる。更に詳しく言えば、磁石装置１０につい
て満足されなければならない条件及びパラメータ
は、その装置１０を通過する或る１次の単一エネ
ルギー性軌道だけを参照することにより確立でき
る。

１次ビーム光学は、装置の原点（０）におけ
る、即ち此処では（０）で表わされる原点１６に
おける軌道の初期位置及び初期角度の関数として
の、位置(1)によつて表わされる任意の点のような
問題とする任意の点における基準軌道に対して相
対的な任意の軌道の位置及び角度に関する次のよ
うなマトリツクス方程式によつて表わされる：Ｘ→(1)＝ＲＸ→（０） (1) 式(1)の命題は、例えば上述のSLAC報告第75号
などのような従来技術や、レビユー・オブ・サイ
エンテイフイツク・インストルメンツ（Review
of Scientific Instruments）第32巻第２号1961年
２月号第150−160頁所載の〓磁気的偏向装置の特
性の計算（Calculations of Properties of
Magnetic Deflection Systems）〓という表題の
エス・ペンナー（S.Penner）の論文から周知で
ある。

このようにして、装置１０の中の任意の特定の
位置において、任意の荷電粒子は１つのベクトル
即ち１列マトリツクスＸ→によつて表わされ、その
ベクトルの成分は、例えば中心軌道軸１５などの
ような特定の基準軌道に対して相対的な粒子の位
置角度及び運動量である。即ちベクトルＸ→は次の
ようなものである。

ここで各記号は次の量を表わす。

ｘ＝仮定された中心軌道１５に対して相対的な
任意の軌道の放射方向変位； θ＝屈曲平面内でこの任意の軌道が仮定された
中心軌道１５に対してなす角度；ｙ＝屈曲平面に垂直方向の、仮定された中心軌
道１５に対して相対的な任意の軌道の横断
方向変位； φ＝横断平面内での仮定された中心軌道１５に
対して相対的な任意の軌道の発散角；ｌ＝任意の軌道と中心軌道１５との間の路長
差； δ＝ΔP／P₀即ち、任意の軌道の粒子の、仮定
された中心軌道１５からの運動量偏差比。

式(1)において、Ｒは、初期位置（０）と終期位
置(1)の間の、即ち原点（０）と問題とする点(1)と
の間のビーム偏向装置についてのマトリツクスで
ある。更に詳しく説明すれば、ドリフト距離ｌ、
個々の屈曲用磁石１１乃至１４の入力面又は出力
面の回転角β、及び屈曲角αなどのような種々の
ビーム偏向成分に対する基礎マトリツクスは次の
ようなものである。

ψ＝有限な縁端磁界の結果として加えられる補
正項（注意：明細書中他の個処で使用されてい
る全屈曲角ψとは異る）このようにして、第１の屈曲用磁石に対するマ
トリツクスＲは、 R_BEND＝（R〓₁）（R〓₁）（R〓₂）によつて与えられ、ここでβ₁は、第１図に図示さ
れ且つ上掲のペンナーの論文の第153頁第２図や
上掲のSLAC報告91の第２−４頁第748A15図に
定義されているように、入力面の平面と中心軌道
軸との交点において中心軌道軸の半径に対して相
対的な入力平面の回転角であり、β₂は同じように
定義された中心軌道軸１５に対して相対的な第１
の屈曲用磁石の出力面の回転角である。１つのセ
ル２５（屈曲部）に対するマトリツクスは次の式
によつて与えられる： R_C＝R_lR_BENDR_l そこで中心平面３１までの伝達マトリツクスは
次のようになる： R_M＝R_CR_C そしてその装置の終端までの全伝達マトリツク
スは次のようになる。

R_T＝R_CR_CR_CR_C＝R_MR_M 中心平面３１までのマトリツクスは又次のよう
にも表わされる：ここでこのマトリツクスの素子はＲ（ij）とい
う項から成り、そこでｉはマトリツクス中の行位
置を示しｊは列位置を示す。屈曲平面の相対する
側における対称性のために、マトリツクスＲはｘ
（屈曲）平面及びｙ（横断）平面において結合を解
かれている。

これらのマトリツクス素子は上述の軌道と次の
ように関係づけられている：Ｒ(12)＝S_x；Ｒ(11)＝C_x；Ｒ（16）＝d_x；Ｒ（34）＝S_y；Ｒ（33）＝C_y。

ここで上記式(7)のマトリツクスR_Mと前述の好
ましい軌道とを参照すると、その装置の中心点に
おいて、即ち中心軌道軸１５と交わる中心平面３
１上の点において、Ｒ（16）（空間的分散）d_xはこ
の領域中のほぼ最大値となる。この同じ点におい
て、１次の幾何収差が生じないための条件（すな
わち、原点１６でのS_X、C_XおよびS_Y、C_Yと出力
平面１８でのものと同じになること）から、Ｒ(12)
＝Ｒ（21）＝０となり、即ちS_xは横切り点になり、
またC_xの１次微分係数は零となり、即ち軌道軸
１５に対して平行になる。これは粒子源のくびれ
部、即ちコリメータに相当し、従つて中心平面３
１におけるビームの運動量分析を可能にする。

好ましい磁気的偏向装置１０は、更に１次の幾
何収差が生じないための条件から、中心平面３１
における軌道Ｒ（34）＝Ｒ（43）＝０によつて特徴づ
けられる。このようにして中心点において、S_yは
軌道１５の横切り点に収束され、一方C_yの１次
微分係数は零となり、即ちC_y′＝Ｒ（43）＝０とな
り、即ちC_yは中心平面３１において軌道軸に対
して平行となる。これは横断方向ビーム包絡線に
おける中心平面のくびれ部を確実に生じ、このよ
うなくびれ部はビームの初期位相空間領域とは独
立である。この装置の対称性は、Ｒ（34）とＲ
（43）の両方の項がターゲツト位置１９において
共に零になることを保証する。これは正弦状の項
と余弦状の項の微分係数との両方が零であると言
うのと等価である。これらの条件は、先に引用し
たSLAC報告第91号に示されたような、各点毎の
収束の一致とくびれ部のために必要とされる条件
そのものである。

この装置の終端、即ちターゲツト１９において
は、Ｒ(12)＝Ｒ（34）＝０となり、それは、放射状平
面と横断平面の両方において各点毎の結像が生ず
ること、並びに、最終的ビーム・スポツト寸法は
入力設定コリメータ１７に比較して安定であると
いうことを意味する。その上、Ｒ(11)＝Ｒ（33）＝１
となつて、初期ビーム・スポツト寸法の倍率１の
拡大を保証する。

中心平面３１におけるマトリツクスR_Mは次の
ように書くことが出来る：このようにしてターゲツトの処における全マト
リツクスR_Tは次の形となる：このようにして、１次の幾何収差が生じないと
いう条件のもとで、分散Ｒ（16）及びその微分係
数Ｒ（26）は共に出力において零となる。これは
その装置が１次の程度まで色収差がないための必
要充分条件である。

好ましい磁気的偏向装置においては、マトリツ
クス素子の幾つかは中心平面３１において（−
１）又は（０）という値を持つべきことが、上述
の譲論により示された。言いかえれば、中心平面
３１においては、Ｒ(11)＝Ｒ（22）＝Ｒ（33）＝Ｒ（44）＝−１であり、且つＲ(12)＝Ｒ（21）＝Ｒ（34）＝Ｒ（43）＝０である。この上記の結論は、１組の連立マトリツ
クス方程式と、少くとも５個の未知数即ちα、
ρ、ｌ、β₁及びβ₂を含んでいる。これらα、ρ、
ｌ、β₁、β₂は、磁気的偏向装置の構成を決定する
パラメータである。

したがつて、１次の程度まで色収差のない磁気
的偏向装置を実施するのに必要なこれらパラメー
タを求めるために、上記連立方程式を解く。

上記の連立マトリツクス方程式は手動計算で解
くことが出来る。然しながら、これは極めて退屈
な過程であり、より受入れ易い別の方法は、その
目的のためにプログラムを組まれた汎用計算機を
用いてその連立方程式を解くことである。適当な
プログラムは、トランスポート
（TRANSPORT）という名称をつけられたプロ
グラムである。使用者自身の磁気テープ上に書か
れるそのプログラムの複製が依頼すれば利用可能
であり、また、米国郵便番号94305号カリフオル
ニア州スタンフオード私書箱第4349号、スタンフ
オード線型加速器センター内プログラム・ライブ
ラリー係宛に依頼書を送れば適当な補足書類が一
般の人々に利用可能である。上述のSLAC報告第
91号はトランスポート計算のためのデータを準備
する方法を記載したマニユアルであり、このマニ
ユアルは、米国郵便番号94305号カリフオルニア
州スタンフオード私書箱第4349号スタンフオード
線型加速器センター内報告頒布事務所から一般の
人々に送られて利用できる。

本発明の磁気的偏向装置１０を設計するに当つ
ては、種々の屈曲用磁石の縁端効果を計算に入れ
るべきである。もつと詳しく言えば、屈曲用磁石
の実効入出力面は一様磁界の領域の境界には生ぜ
ず、或る有限な大きさだけ一様磁界領域から外方
に張出している。上述の米国特許第3867635号を
参照されたい。

上記の議論は装置１０の１次の磁気的偏向収束
特性に関するものである。２次の磁気的偏向収束
特性を論ずるためには、１次及び２次磁気的偏向
収束特性をSLAC報告第75号及び第91号に使用さ
れたような次のマトリツクス方程式（式(10)）によ
つて表わすと便利である。中心軌道軸１５に対し
て相対的な任意の粒子線の座標は次の式によつて
与えられる： X_i＝〓^j R_ijX_j＋〓^j,k T_ijkX_jX_k (10) ここでX₁＝ｘ、X₂＝θ、X₃＝ｙ、X₄＝φ、X₅
＝ｌ、X₆＝δである。

この式の１次の部分は X_i＝〓^j R_ijX_j (11) であつて、式(1)の１次マトリツクス方程式の別の
書き表わし方であり、X_iは式(2)の中のベクトルＸ→
の成分である。

T_ijkという係数は、磁気光学の２次項を表わ
す。添字１、２、３及び４だけを含む項は横方向
幾何収差を表わし、添字６と共に添字１、２、
３、４を含む項は、２次の横方向色収差を表わ
す。

装置を構成する双極、４重極及び６重極成分の
総てに共通な磁気的中心面を有する装置だけを考
えることにする。装置１０においては、これは軌
道軸１５とｘ座標とを含むＳ−ｘ平面（屈曲面）
である。このような装置に対しては、次の２次項
だけが零でない： 20個のこのような幾何収差項があり、それらは
次のようなものである： T₁₁₁、T₁₁₂、T₁₂₂、T₁₃₃、T₁₄₄、T₂₁₁、T₂₁₂、
T₂₂₂、T₂₃₃、T₂₄₄、T₃₁₃、T₃₁₄、T₃₂₃、T₃₂₄、
T₄₁₃、T₄₁₄、T₄₂₃、T₄₂₄、T₁₃₄、T₂₃₄。

また10個のこのような色収差項があり、それら
は次のようなものである： T₁₁₆、T₁₂₆、T₁₆₆、T₂₁₆、T₂₂₆、T₂₆₆、T₃₃₆、
T₃₄₆、T₄₃₆T₄₄₆。

同一の単位セル（屈曲部２５）の数が４以上で
あり、ｉ，ｊ＝１、２、３、４としてｉ＝ｊに対
してはR_ij＝１そしてｉ≠ｊに対してはR_ij＝０で
ある即ちＲが単位マトリツクスであるならば、上
記の２次幾何収差項は総て本質的に消失すること
が発見された（セルの数が４以上の場合で、Ｒが
単位マトリツクスであるとき２次の幾何学収差項
が消失することについては、本出願の発明者であ
るカール・レスリー・ブラウンが著したSLAC−
PUB（Stanford Accelerator Center，
Publication）−3381（特に第72頁）を参照）。した
がつて、Ｒが単位マトリツクスとなるようにパラ
メータを求めれば、２次幾何収差のない磁気的偏
向装置が得られる。

こうして求められたパラメータにより特定され
る磁気的偏向装置は１次の程度まで幾何および色
収差を生ぜず且つ２次の程度まで横方向幾何を生
じないような強度と方向を持つた第１の磁界成分
を発生する。

２次幾何収差のない状態で、更に２つの６重極
成分が以下に説明する方法で各単位セルの中に導
入されるならば、上記の２次色収差項は総てやは
り本質的に消失することも発見された。６重極成
分とは比処では、横断方向座標ｘに関して横断方
向磁界の２次微分係数を導入するような中心平面
磁界の変形であると定義する。第１図に示された
特定の例では、６重極成分は、入出力面が円筒状
曲率（１／r₁）及び（１／r₂）で特定される各屈
曲用磁石により形成され、各単位セルの中に導入
される。r₁及びr₂の回転軸は、軌道軸１５と一致
する磁石の仮定された平坦な入力出面に対する垂
線上にある。６重極成分を導入する他の方法は、
屈曲用磁石の入射若しくは出射面への２次の曲
率、即ち中心平面磁界の磁界拡張部における２次
の変動を含み、或いは屈曲用磁石の前後に別々の
６重極磁石を導入することによる方法である。具
体的な６重極成分の導入は、以下の説明により求
められる６重極成分を形成できるように、屈曲用
磁石の入出力面の円筒上曲率、あるいは２次の曲
率、または別個の磁石の形状が決定された６重極
磁石機構によりなされる。

これら２つの６重極磁界成分は単位セル２５の
中で軌道軸１５に沿つて間隔をあけて配置され
て、一方の成分はｘ方向色収差項T₁₁₆、T₁₂₆、
T₁₆₆、T₂₁₆、T₂₂₆及びT₂₆₆と圧到的優勢を持つて
結合し、他方の６重極成分はｙ方向の項T₃₃₆、
T₃₄₆、T₄₃₆、T₄₄₆と圧倒的優性を持つて結合する
ようになつている。その結合の強度は分散関数Ｒ
（16）＝d_xの大きさと、６重極成分の選ばれた位置
におけるそれぞれの座標ｘ又はｙについての単一
エネルギー性ビーム包絡線の寸法とに比例する。

６重極磁界の大きさを導き出すために使用され
る調整手順は、６重極成分が消失された場合に比
較的大きい値を持つｘ色収差項の任意の１つとｙ
色収差項の任意の１つを選択することである。そ
の時、６重極成分の強度をM_x及びM_yとすると、
M_x及びM_yはそれらが導入した磁界の２次微分係
数に比例する。次の段階は、前記の２次の色収差
項である10個のマトリツクス要素のうちｘ方向色
収差項T₁₁₆、T₁₂₆、T₁₆₆、T₂₁₆をT_xとし、ｙ方
向色収差項T₃₃₆、T₃₄₆、T₄₃₆、T₄₄₆をT_yとした
とき、M_x及びM_yに関するT_x及びT_yの微分係数
を定めることである。なぜならば、T_x、T_yのそ
れぞれはM_x、M_yに依存して変化するから、これ
ら微分係数を求めることによりそれらの依存性が
分かるからである。これらの偏微分係数を∂T_x／∂M_x、 ∂T_x／∂M_y、∂T_y／∂M_x、∂T_y／∂M_yで表わす。ここで
６重極成分が発生される前の収差の初期値はT_x及びT_yで
あつたと仮定すると、色収差を本質的に消失させ
るために必要なM_x及びM_yの値は、次の２つの連
立線型方程式を解くことによつて与えられる。

M_x∂T_x／∂M_x＋M_y∂T_x／∂M_y＋T_x＝０ (12) M_x∂T_y／∂M_x＋M_y∂T_y／∂M_y＋T_y＝０（13）実際には、これらの方程式を解きM_x及びM_yの
必要とする値を見出すためにトランスポート
（TRANSPORT）などのような２次適合プログ
ラムを使用すればより便利である。かくして、式
(12)および（13）を解くことにより（具体的には数
値計算を用いて解くことにより）、２次の色収差
項であるT_xおよびT_yを消失させるM_xおよびM_y
を用いて、各単位セルを求めることができる。す
なわち、M_xおよびM_yは１／r₁、１／r₂、β₁、β₂、
を使つて表せるものであるから、求められたM_x
およびM_yを使つて１／r₁、１／r₂、β₁、β₂を具体
的に求めることができる。

こうして求められた２つの６重極成分を形成す
る６重極磁石機構が決定される。た１えば、第１
図および第２図の典型例ではr₁、r₂が決定され
る。

これまでに説明したところでは、総ての屈曲部
２５はビームを同一方向に屈曲し、即ち同一の磁
気的極性を持つている。然しながら、これは必須
要件ではなく、順次並んだ屈曲部の極性の次の関
係を満す配列が許される。

ｎ≧４Ｎ≠１又は３ここでｎは屈曲部２５の総数であり、Ｎは同一
の反復する屈曲部極性順序パターンの数であり、
例えば、↑↓｜↑↓の場合にはＮ＝２、ｎ＝４と
なり、↑↑↑↑の場合にはＮ＝ｎ＝４となる。

第１図及び第２図に示されたようなビーム偏向
装置１０の典型的な一例では、P₀＝40.510MeV
のもとで、前記のマトリツクス方程式を解くこと
により求められた１組のパラメータは、α＝60_1/4
゜、ρ＝15.8cm、ｌ＝21.2cm、β₁＝31_1/4゜、β₂＝
０、ψ＝240_1/4゜であり、６重極成分を形成する
ために求められた１組のパラメータは、r₁＝45.9
cm、r₂＝−38.6cmであつた。ここで正の半径は凸
面を表わし、負の半径は凹面を表わす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特色を具備する磁気的ビーム
偏向装置の平面図、そして第２図は矢印の方向を
見て第１図の線２−２に沿つて画かれた第１図の
構造の断面図であつて屈曲平面と交さする平面内
の或る基準粒子の軌道を示す。１０……磁気的ビーム偏向装置、１１，１２，
１３，１４……屈曲用電磁石、１５……中心軌道
軸、１６……原点、１７……コリメータ、１８…
…出力平面、１９……ターゲツト、２１……Ｘ線
ローブ、２２……真空包囲壁、２５……屈曲部、
３１……中央平面、３６……運動量限定スリツ
ト。

Claims

【特許請求の範囲】１ビーム偏向装置の中で非単一エネルギー性荷
電粒子のビームを与えられた屈曲角だけ偏向させ
る方法であつて、４個以上の磁気的ビーム偏向部
を順次通過するようにその荷電粒子のビームを指
向させる段階と、その荷電粒子のビームを屈曲し
且つそのビームの中心軌道軸を横切る２つの直交
方向の各々において荷電粒子のビームを収束する
ために前記磁気的ビーム偏向部の各々において第
１の磁界成分を発生する段階とを含み、前記第１
の磁界成分は、ビームがそのビーム偏向装置を通
過して偏向される際に一次の幾何および色収差を
生ぜず且つ２次の横方向幾何収差を生じないよう
な強度を持ちそのように方向づけられており、更
に、２次の横方向幾何収差を導入することなく偏
向されたビームの２次の横方向色収差をなくすよ
うな強度を持ちそのように方向づけられているビ
ーム偏向装置の各偏向部内の６重極磁界成分をそ
の荷電粒子のビームに作用させる段階を含むとこ
ろの方法。２第１の磁界成分がビームの中心軌道軸を屈曲
するための双極磁界成分と２つの直交する横断方
向においてビームを収束するための４重極磁界成
分とを含み、前記ビーム偏向部の各々が前記２次
の色収差をなくすためにビームに沿つて軸方向に
間隔をあけて設定された１対の前記６重極磁界成
分を含むところの、第１項記載の方法。３前記磁気的ビーム偏向部の各々がビーム屈曲
用双極磁界成分を設定するためにビーム路を跨い
で配置された１対の磁極片を含み、前記磁極片の
各々はビーム路に沿つて軸方向に間隔をあけて設
けられたビーム入射面部分及びビーム出射面部分
を有し、前記ビーム入射面部分及びビーム出射面
部分は前記６重極磁界成分を設定するような形状
にされているところの、第２項記載の方法。４非単一エネルギー性荷電粒子のビームを与え
らた屈曲角だけ偏向させるビーム偏向装置であつ
て、与えられた屈曲角だけビームを屈曲するため
に荷電粒子のビームのビーム路に沿つて、順次配
列された４個以上の磁気的ビーム偏向部を有する
ビーム偏向機構を具備し、前記磁気的ビーム偏向
部の各々は荷電粒子のビームを屈曲し且つビーム
を横切る２つの直交方向の各々において荷電粒子
のビームを収束するために前記ビーム偏向部の
各々の中に第１の磁界成分を発生する磁石機構を
含み、前記第１の磁界成分はビーム偏向装置の中
で偏向される時にビームが１次の程度まで幾何及
び色収差を生ぜず且つ２次の程度まで横方向幾何
収差を生じないような強度とビーム路に対する相
対方向を持つており、更に、２次の横方向幾何収
差を導入することなく偏向されたビームの２次の
色収差をなくすような強度と方向を持つたビーム
路内の６重極磁界成分を発生するための前記磁気
的ビーム偏向部の各々の中に配された６重極磁石
機構を具備するところの、ビーム偏向装置。５前記磁気的ビーム偏向部の各々の前記磁石機
構の各々が、ビームの中心軌道を屈曲するための
双極磁界成分と２つの直交横断方向においてビー
ムを収束するための４重極磁界成分とを発生する
ための機構を含み、また前記ビーム偏向部の各々
が、上述の２次の色収差をなくすためにビーム路
に沿つて軸方向に間隔をあけて配された前記６重
極磁界成分を発生するための前記６重極磁石機構
を含むところの、第４項記載のビーム偏向装置。６前記磁気的ビーム偏向部の各々が、ビーム偏
向用双極磁界成分を発生するためにビーム路に跨
がつて配置された１対の磁極片を含み、前記磁極
片の各々はビーム路に沿つて間隔をあけて配置さ
れたビーム入射面部分及びビーム出射面部分を有
し、前記ビーム入射面部分およびビーム出射面部
分は６重磁界成分を発生するような形状になつて
いるところの、第５項記載のビーム偏向装置。