(57)【要約】      （修正有）【課題】電極への衝突を回避しつつ荷電粒子ビームを適切に操作可能な荷電粒子ビーム操作装置を提供する。【解決手段】荷電粒子ビーム操作装置は、荷電粒子ビームの進行方向に直交する第１方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、進行方向及び第１方向に直交する第２方向に延設された一対の第１電極１２，１３と、第２方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、各々が一対の第１電極それぞれと電気的に接続された一対の第２電極１４，１５とを備え、一対の第１電極と１２，１３、一対の第２電極１４，１５との間に電位差が付与されることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを分離或いは結合する荷電粒子ビーム操作装置であって、
荷電粒子ビームの進行方向に直交する第１方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、前記進行方向及び前記第１方向に直交する第２方向に延設された一対の第１電極と、
前記第２方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、各々が前記一対の第１電極それぞれと電気的に接続された一対の第２電極とを備え、
前記一対の第１電極と、前記一対の第２電極との間に電位差が付与されることを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム操作装置において、
前記一対の第１電極に正電圧及び負電圧の一方が印加され、
前記一対の第２電極に正電圧及び負電圧の他方が印加されることを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム操作装置において、
前記第１電極及び前記第２電極の間に配置されるガイド電極と、
前記第１電極及び前記ガイド電極を接続する第１抵抗器と、
前記第２電極及び前記ガイド電極を接続する第２抵抗器とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子ビーム操作装置において、
前記第２抵抗器は、前記第１抵抗器より抵抗値が大きいことを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の荷電粒子ビーム操作装置において、
前記第２電極及び前記ガイド電極は、前記第２方向に突出し、且つ前記進行方向に延設された平板形状であり、
前記第２方向における前記第２電極の突出量は、前記ガイド電極より大きいことを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム操作装置において、
一方側の前記第１電極及び前記一対の第２電極は、他方側の前記第１電極及び前記一対の第２電極と比較して、離間距離より長く且つ電位差が大きいことを特徴とする荷電粒子ビーム操作装置。
【請求項７】
荷電粒子ビームが通過する主ダクトと、
前記主ダクト内の荷電粒子ビームを加速させる加速装置と、
前記主ダクトに合流する合流ダクトと、
前記主ダクトから分岐した分岐ダクトと、
前記主ダクト及び前記合流ダクトの合流点より荷電粒子ビームの進行方向の下流側、或いは前記主ダクト及び前記分岐ダクトの分岐点より荷電粒子ビームの進行方向の上流側に配置される請求項１〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム操作装置とを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項８】
第１方向に離間した位置に配置されて、各々が前記第１方向に直交する第２方向に延設された一対の第１電極と、前記第１方向における前記一対の第１電極の間で前記第２方向に離間して配置され、各々が前記一対の第１電極それぞれと電気的に接続された一対の第２電極とを用いて、荷電粒子ビームを分離或いは結合する荷電粒子ビーム操作方法であって、
前記一対の第１電極と、前記一対の第２電極との間に電位差を付与するステップと、
前記第１方向及び前記第２方向に直交する方向に進行する荷電粒子ビームを、前記一対の第１電極及び前記一対の第２電極で囲まれた空間内に通過させるステップとを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビームを分離或いは結合させる荷電粒子ビーム操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、荷電粒子ビームの軌道上にセプタム電極及びデフレクタ電極を配置することによって、荷電粒子ビームを分離する装置が開示されている。また、特許文献１には、デフレクタ電極に高電圧を印加し、セプタム電極を接地することで、分離ビームのみに電場の影響を与える装置が開示されている。さらに、特許文献１には、荷電粒子ビームが衝突することに起因する発熱に耐えるために、熱放射特性に優れたコーティング材でセプタム電極を覆うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３６９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
荷電粒子ビームがセプタム電極に衝突すると、荷電粒子ビームの分離効率或いは結合効率の低下、セプタム電極の損傷及び高放射化など、セプタム電極の発熱以外にも様々な課題を生じる。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、セプタム電極の発熱以外の課題を解決することができない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極への衝突を回避しつつ荷電粒子ビームを適切に操作可能な荷電粒子ビーム操作装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、荷電粒子ビームを分離或いは結合する荷電粒子ビーム操作装置であって、荷電粒子ビームの進行方向に直交する第１方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、前記進行方向及び前記第１方向に直交する第２方向に延設された一対の第１電極と、前記第２方向において荷電粒子ビームを挟んで反対側に配置され、各々が前記一対の第１電極それぞれと電気的に接続された一対の第２電極とを備え、前記一対の第１電極と、前記一対の第２電極との間に電位差が付与されることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、一対の第１電極及び一対の第２電極が荷電粒子ビームを囲むように配置されるので、荷電粒子ビームが電極に衝突することを回避できる。その結果、電極の発熱のみならず、荷電粒子ビームの分離効率或いは結合効率の低下、電極の損傷及び高放射化など、荷電粒子ビームが電極に衝突することに起因する様々な課題を一挙に解決することができる。
【０００８】
また、上記記載の荷電粒子ビーム操作装置において、前記一対の第１電極に正電圧及び負電圧の一方が印加され、前記一対の第２電極に正電圧及び負電圧の他方が印加されることを特徴としてもよい。
【０００９】
上記構成によれば、第１電極及び第２電極の一方を接地(グランド電位)する場合と比較して、大きな電位差を維持しつつ、印加電圧の絶対値を小さくすることができる。これにより、高電圧を印加することによる放電を抑制することができる。
【００１０】
また、上記記載の荷電粒子ビーム操作装置において、前記第１電極及び前記第２電極の間に配置されるガイド電極と、前記第１電極及び前記ガイド電極を接続する第１抵抗器と、前記第２電極及び前記ガイド電極を接続する第２抵抗器とを備えることを特徴としてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、第１電極と第２電極との間に生じる電場を平行に近づけることができる。その結果、平行電場のため分離後及び結合前のビーム操作が容易となり、荷電粒子ビームの分離効率及び結合効率を向上させることができる。
【００１２】
また、上記記載の荷電粒子ビーム操作装置において、前記第２抵抗器は、前記第１抵抗器より抵抗値が大きいことを特徴としてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、第２電極近傍の電位差が大きくなるため、荷電粒子ビームの分離効率及び結合効率がさらに向上する。
【００１４】
また、上記記載の荷電粒子ビーム操作装置において、前記第２電極及び前記ガイド電極は、前記第２方向に突出し、且つ前記進行方向に延設された平板形状であり、前記第２方向における前記第２電極の突出量は、前記ガイド電極より大きいことを特徴としてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、第２電極の設置位置の近傍における電場の蛇行を抑制することができる。その結果、荷電粒子ビームの分離効率及び結合効率がさらに向上する。
【００１６】
また、上記記載の荷電粒子ビーム操作装置において、一方側の前記第１電極及び前記一対の第２電極は、他方側の前記第１電極及び前記一対の第２電極と比較して、離間距離より長く且つ電位差が大きいことを特徴としてもよい。
【００１７】
一般的に、主ビームは、主ビームから分離する（或いは主ビームに結合される）副ビームより大きい。また、大きなビームの方向を変えるには大きな電位差が必要になる。そのため、主ビームが通過する領域を大きく確保すると共に、当該領域の電位差を大きくするのが望ましい。
【００１８】
また、本発明は、前記課題を解決するため、荷電粒子ビームが通過する主ダクトと、前記主ダクト内の荷電粒子ビームを加速させる加速装置と、前記主ダクトに合流する合流ダクトと、前記主ダクトから分岐した分岐ダクトと、前記主ダクト及び前記合流ダクトの合流点より荷電粒子ビームの進行方向の下流側、或いは前記主ダクト及び前記分岐ダクトの分岐点より荷電粒子ビームの進行方向の上流側に配置される上記記載の荷電粒子ビーム操作装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記課題を解決するため、第１方向に離間した位置に配置されて、各々が前記第１方向に直交する第２方向に延設された一対の第１電極と、前記第１方向における前記一対の第１電極の間で前記第２方向に離間して配置され、各々が前記一対の第１電極それぞれと電気的に接続された一対の第２電極とを用いて、荷電粒子ビームを分離或いは結合する荷電粒子ビーム操作方法であって、前記一対の第１電極と、前記一対の第２電極との間に電位差を付与するステップと、前記第１方向及び前記第２方向に直交する方向に進行する荷電粒子ビームを、前記一対の第１電極及び前記一対の第２電極で囲まれた空間内に通過させるステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、一対の第１電極及び一対の第２電極が荷電粒子ビームを囲むように配置されるので、荷電粒子ビームが電極に衝突することを回避できる。その結果、電極の発熱のみならず、荷電粒子ビームの分離効率或いは結合効率の低下、電極の損傷及び高放射化など、荷電粒子ビームが電極に衝突することに起因する様々な課題を一挙に解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る荷電粒子ビーム加速装置の概略図である。
【図２】荷電粒子ビーム加速装置の分岐点周辺の拡大図である。
【図３】本実施形態に係る荷電粒子ビーム取出装置の内部構造を示す断面図である。
【図４】ビーム取出装置に生じる電場のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】ビーム取出装置を通過する荷電粒子ビームの挙動のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、実施形態に係る荷電粒子ビーム加速装置１を説明する。なお、以下に記載する本発明の実施形態は、本発明を具体化する際の一例を示すものであって、本発明の範囲を実施形態の記載の範囲に限定するものではない。従って、本発明は、実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。
【００２３】
図１は、荷電粒子ビーム加速装置１の概略図である。荷電粒子ビーム加速装置１は、荷電粒子を加速するリング型の装置である。荷電粒子の具体例としては、例えば、電子、陽子、及び重粒子（炭素、ヘリウム等）が該当する。荷電粒子ビーム加速装置１は、例えば、原子核・素粒子物理学分野及び生命科学分野の基礎研究、がん治療に代表される医療分野で利用される。
【００２４】
図１に示すように、荷電粒子ビーム加速装置１は、主ダクト２と、入射装置３と、合流ダクト４と、偏向電磁石５と、加速装置６と、分岐ダクト７と、荷電粒子ビーム取出装置１０とを主に備える。図１に示す荷電粒子ビーム加速装置１は、蓄積リング及びシンクロトロンと呼ばれる円形加速器の形態である。しかしながら、本発明は、サイクロトロンなど、他の形態の加速器にも適用可能である。
【００２５】
主ダクト２は、荷電粒子ビームが通過する内部空間を有する真空容器である。主ダクト２の内部空間は、周状に構成されている。すなわち、荷電粒子ビームは、主ダクト２の内部空間を繰り返し周回することができる。なお、主ダクト２の形状は真円である必要はなく、直線部と湾曲部とを組み合わせた形状であってもよい。また、主ダクト２の内部空間は、真空に保たれている。真空の度合いは、荷電粒子ビームの利用方法に応じて適宜選択される。
【００２６】
入射装置３は、合流ダクト４を通じて主ダクト２内に荷電粒子ビームを出力する装置である。入射装置３は、荷電粒子ビームをある程度加速してから主ダクト２に出力するリニアック（線形加速器）であってもよい。例えば、入射装置３で４００ＭｅＶまで加速された荷電粒子ビームが、荷電粒子ビーム加速装置１で３ＧｅＶまで加速される。
【００２７】
合流ダクト４は、一端が入射装置３に接続され、他端が合流点４ａで主ダクト２に合流する真空容器である。合流ダクト４を通過する荷電粒子ビーム（以下、「副ビーム」と表記する。）は、合流点４ａから主ダクト２に進入し、主ダクト２内を周回する荷電粒子ビーム（以下、「主ビーム」と表記する。）に結合される。
【００２８】
偏向電磁石５は、主ダクト２の曲率に合わせて荷電粒子ビームの進行方向を偏向する役割を担う。より詳細には、偏向電磁石５は、所定の向きの磁場を発生させることによって、主ダクト２内の荷電粒子ビームに、主ダクト２の曲率に沿って方向を変えるための力を付与する。図１では、主ダクト２の４箇所の湾曲部それぞれに偏向電磁石５が設置されている。偏向電磁石５の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。
【００２９】
加速装置６は、主ダクト２内の荷電粒子ビームを加速する装置である。より詳細には、加速装置６は、所定の向きの電場を発生させることによって、主ダクト２内の荷電粒子ビームに加速度を付与する。すなわち、主ダクト２内を周回する荷電粒子ビームは、加速装置６を通過するたびに徐々に加速される。加速装置６の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。
【００３０】
分岐ダクト７は、主ダクト２内を周回する主ビームから分離された荷電粒子ビーム（以下、「副ビーム」と表記する。）を、荷電粒子ビーム加速装置１の外部に取り出すための真空容器である。分岐ダクト７は、一端が分岐点７ａで主ダクト２から分岐し、他端が実験装置や医療装置に接続される。
【００３１】
荷電粒子ビーム取出装置１０は、主ダクト２内を周回する主ビームの一部を副ビームとして分離し、分離した副ビームを分岐ダクト７を通じて荷電粒子ビーム加速装置１の外部に取り出す役割を担う。すなわち、荷電粒子ビーム取出装置１０は、分岐点７ａより荷電粒子ビームの進行方向の上流側に配置される。
【００３２】
荷電粒子ビーム取出装置１０は、荷電粒子ビーム操作装置の一例である。荷電粒子ビーム操作装置の他の例として、合流ダクト４を通過する副ビームを、主ダクト２を周回する主ビームに結合する荷電粒子ビーム結合装置が考えられる。すなわち、荷電粒子ビームを操作するとは、荷電粒子ビームの一部を分離することのみならず、荷電粒子ビームに他の荷電粒子ビームを結合することをも含む。
【００３３】
荷電粒子ビーム結合装置は、合流点４ａより荷電粒子ビームの進行方向の下流側に配置される。なお、荷電粒子ビーム結合装置の構成は、荷電粒子ビームの進行方向及び電場の向きが逆転する点を除いて、荷電粒子ビーム取出装置１０と共通するので、以下、荷電粒子ビーム取出装置１０について、詳細に説明する。
【００３４】
図２は、荷電粒子ビーム加速装置１の分岐点７ａ周辺の拡大図である。図２に示すように、分岐点７ａの周辺には、荷電粒子ビーム取出装置１０に加えて、収束電磁石８と、軌道補正用電磁石９とがさらに配置されてもよい。
【００３５】
収束電磁石８は、荷電粒子ビームの形状（より詳細には、荷電粒子ビームの進行方向に直交する断面形状）を整える役割を担う。収束電磁石８は、荷電粒子ビーム取出装置１０より荷電粒子ビームの進行方向の上流側で、且つ直近の偏向電磁石５より荷電粒子ビームの進行方向の下流側に配置される。
【００３６】
主ダクト２内を周回する荷電粒子ビームの直径または幅は、荷電粒子ビームの速度が速くなるほど小さくなる傾向がある。そこで、収束電磁石８は、直径が所定の大きさになるように荷電粒子ビームを拡散させる役割を担う。また、収束電磁石８は、真円に近い断面形状の荷電粒子ビームを、扁平な楕円形上に変形させる役割を担う。収束電磁石８の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
軌道補正用電磁石９は、荷電粒子ビーム取出装置１０を通過した主ビームの軌道を補正する役割を担う。より詳細には、軌道補正用電磁石９は、荷電粒子ビーム取出装置１０によって主ダクト２の内側に偏った主ビームを、主ダクト２の中央を通過するように軌道補正する。軌道補正用電磁石９は、分岐点７ａより荷電粒子ビームの進行方向の下流側に配置される。軌道補正用電磁石９の構成は偏向電磁石５と共通するので、偏向電磁石５が軌道補正用電磁石９の役割を担ってもよい。
【００３８】
図３は、荷電粒子ビーム取出装置１０の内部構造を示す断面図である。より詳細には、図３は、荷電粒子ビームの進行方向に直交する断面（Ｘ−Ｙ断面）を示す。図３において、Ｘ方向は第１方向に相当し、Ｙ方向は第２方向に相当し、Ｚ方向は荷電粒子ビームの進行方向に相当する。
【００３９】
荷電粒子ビーム取出装置１０は、主ビーム１００が通過する空間に所定の方向の電場を発生させることによって、主ビーム１００の一部を副ビーム１００ｂとして分離し、分離した副ビーム１００ｂを分岐ダクト７に導き、副ビーム１００ｂが分離された後の主ビーム１００ａを主ダクト２に導く装置である。
【００４０】
図３に示すように、荷電粒子ビーム取出装置１０は、筐体１１と、一対の陰極（第１電極）１２、１３と、一対の陽極（第２電極）１４、１５と、複数のガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄと、複数の抵抗器１７ａ〜１７ｅ、１９ａ〜１９ｅ、２１ａ〜２１ｅ、２３ａ〜２３ｅとを主に備える。
【００４１】
なお、本実施形態では、正の電荷を持つ陽子ビームを主ビーム（荷電粒子ビーム）１００の一例として、荷電粒子ビーム取出装置１０の詳細を説明する。一方、負の電荷を持つ電子ビームを主ビーム１００とする場合には、各電極１２〜１５に印加する電圧を逆転させればよい。
【００４２】
筐体１１は、主ビーム１００が通過する空間を画定する筒状の部材である。荷電粒子ビーム取出装置１０が荷電粒子ビーム加速装置１に取り付けられたとき、筐体１１は、主ダクト２の一部を構成する。また、筐体１１の内面は、接地（グランド電位）されている。さらに、筐体１１の内部空間は真空に保たれている。
【００４３】
筐体１１内を通過する主ビーム１００は、収束電磁石８によって扁平な形状に変形されていてもよい。より詳細には、主ビーム１００のＸ−Ｙ断面は、Ｘ方向を長軸とし、Ｙ方向を短軸とする楕円形状である。また、主ビーム１００は、筐体１１の中央より陰極１３側に偏った位置（主ダクト２の径方向内側）を通過してもよい。但し、主ビーム１００の断面形状及び通過位置は、これに限定されない。
【００４４】
陰極１２、１３は、筐体１１内において、Ｘ方向に離間して配置されている。より詳細には、陰極１２、１３は、筐体１１内を通過する主ビーム１００を挟んで、Ｘ方向の反対側に配置されている。また、陰極１２、１３は、Ｙ方向及びＺ方向に延設された平板形状である。より詳細には、陰極１２、１３は、Ｙ方向において、主ビーム１００の通過領域の全域にまで延設されている。すなわち、Ｙ方向における陰極１２、１３の長さは、主ビーム１００の短軸より長い。
【００４５】
陽極１４、１５は、筐体１１内において、Ｙ方向に離間して配置されている。より詳細には、陽極１４、１５は、筐体１１内を通過する主ビーム１００を挟んで、Ｙ方向の反対側に配置されている。また、陽極１４、１５は、Ｘ方向において、陰極１２、１３の間に配置されている。すなわち、陰極１２、１３及び陽極１４、１５は、筐体１１内を通過する主ビーム１００を囲むように配置される。
【００４６】
ガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄは、陰極１２、１３と陽極１４、１５との間において、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて配置されている。より詳細には、ガイド電極１６ａ〜１６ｄは陰極１２と陽極１４との間に配置され、ガイド電極１８ａ〜１８ｄは陰極１２と陽極１５との間に配置され、ガイド電極２０ａ〜２０ｄは陰極１３と陽極１４との間に配置され、ガイド電極２２ａ〜２２ｄは陰極１３と陽極１５との間に配置されている。
【００４７】
陽極１４、１５及びガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄは、Ｙ方向において主ビーム１００に近づく向きに突出すると共に、Ｚ方向に延設された平板形状である。また、Ｙ方向における陽極１４、１５の突出量は、ガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄより大きく設定されている。
【００４８】
すなわち、陰極１２、１３及び陽極１４、１５で囲まれた空間（以下、「ビーム通過空間」と表記する。）内において、陽極１４、１５の先端位置は、ガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄより主ビーム１００に近い。換言すれば、陽極１４、１５は、Ｙ方向において対面する一対のガイド電極（例えば、ガイド電極１６ａ、１８ａ）と比較して、先端同士の離間距離が短く設定されている。
【００４９】
陽極１４、１５は、一対の陰極１２、１３それぞれと電気的に接続されている。より詳細には、陰極１２、陽極１４、及びガイド電極１６ａ〜１６ｄは、抵抗器１７ａ〜１７ｅによって直列に接続されている。また、陰極１２、陽極１５、及びガイド電極１８ａ〜１８ｄは、抵抗器１９ａ〜１９ｅによって直列に接続されている。また、陰極１３、陽極１４、及びガイド電極２０ａ〜２０ｄは、抵抗器２１ａ〜２１ｅによって直列に接続されている。さらに、陰極１３、陽極１５、及びガイド電極２２ａ〜２２ｄは、抵抗器２３ａ〜２３ｅによって直列に接続されている。
【００５０】
そして、一対の陰極１２、１３と一対の陽極１４、１５との間には、電位差が付与される。本実施形態では、陰極１２、１３に負電圧（例えば、−２５ｋＶ）が、陽極１４、１５に正電圧（例えば、＋２５ｋＶ）が、外部電源（図示省略）から印加される。これにより、陰極１２、１３と陽極１４、１５との間に、５０ｋＶの電位差が付与される。
【００５１】
その結果、図３中に矢印で示すように、ビーム通過空間には、陽極１４、１５から陰極１２に向かう電場と、陽極１４、１５から陰極１３に向かう電場とが発生する。換言すれば、ビーム通過空間には、陽極１４、１５を通ってＹ方向に延びる仮想線Ｌ（図３の一点鎖線）の両側において、Ｘ方向の逆向きの電場が発生する。
【００５２】
また、抵抗器１７ａ〜１７ｅの抵抗値は、同一であってもよい。これにより、ガイド電極１６ａが＋１５ｋＶ、ガイド電極１６ｂが＋５ｋＶ、ガイド電極１６ｃが−５ｋＶ、ガイド電極１６ｄが−１５ｋＶとなる。抵抗器１９ａ〜１９ｅ、２１ａ〜２１ｅ、２３ａ〜２３ｅについても同様である。これにより、図３中に矢印で示すように、ビーム通過空間内のＹ方向の全域において、電場がＸ方向に平行（平行電場）に近づく。
【００５３】
図４は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム取出装置１０に生じる電場のシミュレーション結果を示す図である。電場のシミュレーションには、あらゆる周波数帯の電磁界解析に向けた高性能ソフトウェアのパッケージであるDassalt Systems社製「CST STUDIO SUITE 2019」を使用している。図４において、配置した全電極のＸ方向の厚みは２ｍｍ、Ｚ方向の長さは６００ｍｍ、各電極間のＸ方向の間隔は１０ｍｍと設定している。陰極１２、１３のＹ方向の幅は６０ｍｍ、陽極１４、１５のＹ方向の幅は２５ｍｍ、ガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄのＹ方向の幅は１０ｍｍと設定している。そして、陰極１２、１３に負電圧−２５ｋＶ、陽極１４、１５に静電圧＋３０ｋＶを印加し、ガイド電極１６ａ、１８ａ、２０ａ、２２ａに＋１５ｋＶ、ガイド電極１６ｂ、１８ｂ、２０ｂ、２２ｂに＋５ｋＶ、ガイド電極１６ｃ、１８ｃ、２０ｃ、２２ｃに−５ｋＶ、ガイド電極１６ｄ、１８ｄ、２０ｄ、２２ｄに−１５ｋＶを印加した条件の下でシミュレーションを実施した結果を、図４に示す。
【００５４】
図４において、Ｙ方向に沿って延びる線は、電位が同一の位置を結んだ等電位線である。図４を参照すれば明らかなように、等電位線は、陽極１４、１５の周辺を除いて、Ｙ方向に概ね平行になっている。すなわち、陽極１４、１５の周辺を除けば、ビーム通過空間に生じる電場は、Ｘ方向に概ね平行になることが分かる。
【００５５】
一方、Ｙ方向における陽極１４、１５の間の隙間において、等電位線が凹んでいる。すなわち、陽極１４、１５の周辺では、静電気力の回り込み等の影響によって、電場が蛇行していることが分かる。この電場の蛇行は、陽極１４、１５の先端同士の離間距離を小さくするほど軽減される。換言すれば、陽極１４、１５の先端同士の離間距離は、陽極１４、１５を結ぶ仮想線Ｌ上に位置する主ビーム１００のＹ方向の長さより、僅かに大きく設定するのが望ましい。
【００５６】
図５は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム取出装置１０を通過する荷電粒子ビームの挙動のシミュレーション結果を示す図である。図４で示す電場シミュレーション条件下において、Ｚ方向の運動エネルギー３０ＭｅＶを持つ陽子ビーム（荷電粒子ビーム）を荷電粒子ビーム取出装置１０の上流に均一分布として配置してシミュレーションを実施した結果を、図５に示す。
【００５７】
図５を参照すれば明らかなように、荷電粒子ビーム（陽子ビーム）は、陽極を境界にして左右方向に分離している。すなわち、図３の仮想線Ｌの両側に生じる反対向きの電場によって、荷電粒子ビームが引き裂かれていることが分かる。
【００５８】
より詳細には、図３に示す主ビーム１００は、仮想線Ｌより左側の部分が陰極１３に向かう電場に引っ張られ、仮想線Ｌより右側の部分が陰極１２に向かう電場に引っ張られることにより、主ビーム１００ａと副ビーム１００ｂとに分離される。すなわち、主ビーム１００のうち、仮想線Ｌより左側に位置するビーム量を調整することによって、主ビーム１００から分離する副ビーム１００ｂを増減させることができる。
【００５９】
本実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。
【００６０】
上記の実施形態によれば、陰極１２、１３及び陽極１４、１５が主ビーム１００を囲むように配置されるので、主ビーム１００が電極１２〜１５に衝突することを回避できる。その結果、電極１２〜１５の発熱のみならず、主ビーム１００の分離効率或いは結合効率の低下、電極１２〜１５の損傷及び高放射化など、主ビーム１００が電極１２〜１５に衝突することに起因する様々な課題を一挙に解決することができる。
【００６１】
なお、電極１２〜１５の間に電位差を付与する方法は、上記の実施形態の例に限定されず、例えば、陰極１２、１３をグランド（０Ｖ）とし、陽極１４、１５に＋５０ｋＶを印加してもよい。但し、上記の実施形態の方法によれば、陰極１２、１３をグランド電位にする場合と比較して、大きな電位差（５０ｋＶ）を維持しつつ、印加電圧の絶対値（２５ｋＶ）を小さくすることができる。これにより、高電圧を印加することによる放電を抑制することができる。また、電極１２〜１５からの放電を抑制するためには、既に周知のように電極１２〜１５の角部を面取りするのも有効である。
【００６２】
また、第１電極１２、１３に負電圧を印加し、第２電極１４、１５に正電圧を印加するのは、主ビーム１００が正の電荷を持つ場合である。一方、主ビーム１００が負の電荷を持つ場合、第１電極１２、１３に正電圧が、第２電極１４、１５に負電圧が印加される。すなわち、外部電源は、第１電極１２、１３に正電圧及び負電圧の一方を印加し、第２電極１４、１５に正電圧及び負電圧の他方を印加すればよい。
【００６３】
また、上記の実施形態のように、電極１２〜１５の間にガイド電極及び抵抗器を配置したことによって、電極１２〜１５の間に生じる電場を平行に近づけることができる。その結果、平行電場のため分離後及び結合前のビーム操作が容易となり、主ビーム１００の分離効率及び結合効率を向上させることができる。なお、電極１２〜１５の間に配置するガイド電極及び抵抗器の数は、図３の例に限定されない。
【００６４】
また、抵抗器１７ａ〜１７ｅの抵抗値は、同一でなくてもよい。例えば、陽極１４に最も近い抵抗器１７ａ（第２抵抗器）の抵抗値を、その他の抵抗器１７ｂ〜１７ｅ（第１抵抗器）より大きくしてもよい。さらに、抵抗器１７ａ〜１７ｅの抵抗値を、陽極１４に近いほど高くし、陰極１２に近いほど低くしてもよい。これにより、陽極１４近傍の電位差が大きくなるため、主ビーム１００の分離効率及び結合効率がさらに向上する。抵抗器１９ａ〜１９ｅ、２１ａ〜２１ｅ、２３ａ〜２３ｅについても同様である。
【００６５】
また、上記の実施形態のように、Ｙ方向における陽極１４、１５の突出量をガイド電極１６ａ〜１６ｄ、１８ａ〜１８ｄ、２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄより大きくすることによって、陽極１４、１５の近傍における電場の蛇行を抑制することができる。その結果、主ビーム１００の分離効率及び結合効率がさらに向上する。
【００６６】
なお、上記の実施形態では、Ｘ方向における陰極１２、１３の中央に陽極１４、１５を配置した例を説明した。換言すれば、上記の実施形態は、陰極１２と陽極１４、１５との離間距離と、陰極１３と陽極１４、１５との離間距離とが同一である。しかしながら、Ｘ方向における陽極１４、１５の位置は、上記の実施形態の例に限定されない。
【００６７】
他の例として、陰極１３と陽極１４、１５との離間距離を、陰極１２と陽極１４、１５との離間距離より長くしてもよい。換言すれば、ビーム通過空間のうち、主ビーム１００の大部分（すなわち、主ビーム１００ａ）が通過する空間を、主ビーム１００から分離されて副ビーム１００ｂとなる部分が通過する空間より大きく設定してもよい。
【００６８】
このとき、大きな主ビーム１００ａを曲げるには、小さな副ビーム１００ｂを曲げるより大きな電位差が必要となる。そこで、陰極１３と陽極１４、１５との間の電位差を、陰極１２と陽極１４、１５との間の電位差より大きく設定してもよい。例えば、陽極１４、１５に＋２５ｋＶを印加し、陰極１２に−１０ｋＶを印加し、陰極１３に−２５ｋＶを印加してもよい。これにより、主ビーム１００から効率よく副ビーム１００ｂを分離することができる。
【００６９】
また、既存の荷電粒子ビーム加速装置１において、従来の荷電粒子ビーム取出装置を取り外して、本発明に係る荷電粒子ビーム取出装置１０を取り付けてもよい。一方、従来の荷電粒子ビーム取出装置より荷電粒子ビームの進行方向の上流側に、本発明に係る荷電粒子ビーム取出装置１０を追加してもよい。これにより、主ビーム１００が主ビーム１００ａと副ビーム１００ｂとに分離した状態で、従来の荷電粒子ビーム取出装置に入射する。その結果、荷電粒子ビームの軌道上に電極が配置された従来の荷電粒子ビーム取出装置においても、荷電粒子ビームが電極に衝突することに起因する課題が生じ難くなる。
【００７０】
さらに、本発明は、前述した荷電粒子ビーム操作装置としてだけでなく、荷電粒子ビーム操作方法としても観念することができる。荷電粒子ビーム操作方法は、Ｘ方向に離間した位置に配置されて、各々がＹ方向に延設された一対の陰極１２、１３と、Ｘ方向における陰極１２、１３の間でＹ方向に離間して配置され、各々が陰極１２、１３それぞれと電気的に接続された一対の陽極１４、１５とを用いて、荷電粒子ビームを分離或いは結合する方法であって、陰極１２、１３と陽極１４、１５との間に電位差を付与するステップと、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向に進行する主ビーム１００を、陰極１２、１３及び陽極１４、１５で囲まれたビーム通過空間内に通過させるステップとを含む。
【符号の説明】
【００７１】
１…荷電粒子ビーム加速装置，２…主ダクト，３…入射装置，４…合流ダクト，４ａ…合流点，５…偏向電磁石，６…加速装置，７…分岐ダクト，７ａ…分岐点，８…収束電磁石，９…軌道補正用電磁石，１０…荷電粒子ビーム取出装置，１１…筐体，１２，１３…陰極（第１電極），１４，１５…陽極（第２電極），１６ａ〜１６ｄ，１８ａ〜１８ｄ，２０ａ〜２０ｄ，２２ａ〜２２ｄ…ガイド電極，１７ａ〜１７ｅ，１９ａ〜１９ｅ，２１ａ〜２１ｅ，２３ａ〜２３ｅ…抵抗器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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