(57)【要約】      （修正有）【課題】中空状のビーム強度分布を有する荷電粒子ビームを形成することができる荷電粒子ビーム強度分布可変装置、荷電粒子ビーム強度分布可変方法、二次粒子生成装置、及び放射性同位体生成装置を提供すること。【解決手段】荷電粒子ビーム強度分布可変装置(1)は、イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器(5)と、加速器から出射される荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石(50)と、を具備し、多重極電磁石内に、荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する荷電粒子ビームを生成する。【選択図】図１
2020071192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、
前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、
を具備し、
前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成する、荷電粒子ビーム強度分布可変装置。
【請求項２】
前記荷電粒子ビームの進行経路上には、４極電磁石及び偏向電磁石がさらに設けられ、
前記多重極電磁石は、前記４極電磁石よりも、前記進行経路上において下流側に配される、請求項１に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変装置。
【請求項３】
前記多重極電磁石は、８極の磁極を有する、請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変装置。
【請求項４】
前記多重極電磁石が形成する前記磁場の前記磁束密度分布を可変させて、前記荷電粒子ビームの断面形状を可変させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変装置。
【請求項５】
６極以上の磁極を具備し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、前記荷電粒子ビームにおけるビーム強度分布を中空状に可変させる、荷電粒子ビーム強度分布可変方法。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームを前記多重極電磁石内に通過させる前に、４極電磁石内に前記荷電粒子ビームを通過させて集束させる、請求項５に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変方法。
【請求項７】
前記多重極電磁石は、８極の磁極を有する、請求項５又は６に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変方法。
【請求項８】
前記多重極電磁石が形成する前記磁場の前記磁束密度分布を可変させて、前記荷電粒子ビームの断面形状を可変させる、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム強度分布可変方法。
【請求項９】
イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、
ターゲットと、
前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、
を具備し、
前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成し、前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射させて少なくとも二次粒子を生成する、二次粒子生成装置。
【請求項１０】
イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、
ターゲットと、
前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、
を具備し、
前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成し、前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射させて放射性同位体を生成する、放射性同位体生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願において開示された技術は、荷電粒子ビーム強度分布可変装置、荷電粒子ビーム強度分布可変方法、二次粒子生成装置、及び放射性同位体生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速器にて得られる荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射して、所望の生成物を生成させることが知られている。例えば、荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射して放射性同位体を生成し、生成された放射性同位体を人体に生じた癌の診断や治療等に応用することが提案されている。また、荷電粒子ビームを所定のターゲットに照射することでパイ中間子（二次粒子）を生成し、当該パイ中間子が崩壊することで、正電荷を有するミューオン（三次粒子）を生成して、当該ミューオンを新しい物質の磁性研究や材料の非破壊検査・評価等に応用することが提案されている。さらにまた、正電荷又は負電荷を有するミューオンは、半導体デバイスを通過する際にデバイス内部で原子核反応を起こすことが知られており、当該原子核反応に基づいて、半導体デバイス内でソフトエラーが発生することも知られていることから、宇宙線中性子由来のソフトエラー対策として、ミューオンを用いたソフトエラー評価・実験も提案されている。
【０００３】
ここで、ミューオンを用いた非破壊検査やソフトエラー評価を効率的に実施するためには、ミューオンを大量に生成することが重要な鍵となっている。この点、一般的には、一次ビームである荷電粒子ビームの強度を増強することでパイ中間子の生成量を増加させ、当該パイ中間子を効率良くターゲットから取り出して輸送して、輸送中のパイ中間子をミューオンに崩壊させるか、或いは、ターゲット内でパイ中間子を予めミューオンに崩壊させておき、放出されたミューオンを高効率でターゲットから取り出して輸送する方法が選択される。同様に、放射性同位体を癌の診断や治療等に応用するためには、放射性同位体を効率的且つ大量に生成することが重要な鍵となる。
【０００４】
しかしながら、一般に、パイ中間子及びミューオンは、ターゲット内の原子核に捕獲されやすく、ターゲットからパイ中間子及びミューオンを効率的に取り出すことは難しい。したがって、パイ中間子及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すためには、一次ビームである荷電粒子ビームを、ターゲットの表面（前面、側面、及び背面）付近に集中的に照射させることが効果的である。
【０００５】
他方、荷電粒子ビームの強度分布（特に、ビーム進行方向に対して直交する方向であるビーム断面方向のビーム強度分布であって、荷電粒子密度分布ともいう）は、一般的に、ビーム中心軸付近で高強度、ビーム外縁で低強度となり、例えばガウス分布で近似される。したがって、パイ中間子及びミューオンをターゲットから効率的に取り出すため、及び放射性同位体を効率的且つ大量に生成するためには、ビーム強度分布を中空状（ビーム中心軸付近で低強度、ビーム外縁で高強度）とする荷電粒子ビーム（ホロウビーム）を形成することが求められている。
【０００６】
非特許文献１には、ビーム強度分布を中空状とするビームを形成する方法として、プラズマレンズを用いた方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｓｈａｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｎｓｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍｓ  ｉｎｔｏ  Ｈｏｌｌｏｗ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  Ｆｏｒｍ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ、米国、２０００年１１月２０日、Ｖｏｌｕｍｅ８５  Ｎｕｍｂｅｒ２１、４５１８頁乃至４５２１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に記載のプラズマレンズを用いた方法においては、プラズマの時間構造に整合したパルスビームを用いる必要があり、サイクロトロン等の加速器から出射される連続的な荷電粒子ビームをそのまま適用することは困難である。
【０００９】
そこで、様々な実施形態により、中空状のビーム強度分布を有する荷電粒子ビームを形成することができる荷電粒子ビーム強度分布可変装置、荷電粒子ビーム強度分布可変方法、二次粒子生成装置、及び放射性同位体生成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置は、イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、を具備し、前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成するものである。
【００１１】
この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームにおける例えばガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと効率的に可変することができる。
【００１２】
また、一態様に係る前記荷電粒子ビーム強度分布可変装置において、前記荷電粒子ビームの進行経路上には、４極電磁石及び偏向電磁石がさらに設けられ、前記多重極電磁石は、前記４極電磁石よりも、前記進行経路上において下流側に配される構成とすることが好ましい。
【００１３】
この構成とすることによって、加速器から得られる前記荷電粒子ビームを、前記多重極電磁石内まで効率的に輸送することが可能となる。
【００１４】
また、一態様に係る前記荷電粒子ビーム強度分布可変装置において、前記多重極電磁石は、８極の磁極を有する構成とすることが好ましい。
【００１５】
この構成とすることによって、前記荷電粒子ビームにおける例えばガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと可変することができる。
【００１６】
また、一態様に係る前記前記荷電粒子ビーム強度分布可変装置において、前記多重極電磁石が形成する前記磁場の前記磁束密度分布を可変させて、前記荷電粒子ビームの断面形状を可変させる構成とすることが好ましい。
【００１７】
この構成とすることによって、前記荷電粒子ビームにおけるガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと可変しつつ、さらに、ターゲットの形状に合せて、前記荷電粒子ビームの断面形状をも所望の形状に可変することができる。
【００１８】
一態様に係る荷電粒子ビーム強度分布可変方法は、６極以上の磁極を具備し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石内に、加速器から出射される荷電粒子ビームを通過させて、前記荷電粒子ビームにおけるビーム強度分布を中空状に可変させるものである。
【００１９】
この構成によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームにおける例えばガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと効率的に可変することができる。
【００２０】
また、一態様に係る前記荷電粒子ビーム強度分布可変方法において、前記荷電粒子ビームを前記多重極電磁石内に通過させる前に、４極電磁石内に前記荷電粒子ビームを通過させて集束させることが好ましい。
【００２１】
この構成とすることによって、加速器から得られる前記荷電粒子ビームを、前記多重極電磁石内まで効率的に輸送することが可能となる。
【００２２】
また、一態様に係る前記荷電粒子ビーム強度分布可変方法において、前記多重極電磁石は、８極の磁極を有することが好ましい。
【００２３】
この構成とすることによって、前記荷電粒子ビームにおける例えばガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと可変することができる。
【００２４】
また、一態様に係る前記荷電粒子ビーム強度分布可変方法において、前記多重極電磁石が形成する前記磁場の前記磁束密度分布を可変させて、前記荷電粒子ビームの断面形状を可変させることが好ましい。
【００２５】
この構成とすることによって、前記荷電粒子ビームにおけるガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと可変しつつ、さらに、ターゲットの形状に合せて、前記荷電粒子ビームの断面形状をも所望の形状に可変することができる。
【００２６】
一態様に係る二次粒子生成装置は、イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、ターゲットと、前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、を具備し、前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成し、前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射させて少なくとも二次粒子を生成するものである。
【００２７】
この構成の二次粒子生成装置によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームにおけるガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと効率的に可変することができ、且つ中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射することができるので、パイ中間子等の二次粒子はもちろんのこと、当該パイ中間子が崩壊することによって得られるミューオン等の三次粒子をも効率的に生成し、取り出すことが可能となる。
【００２８】
一態様に係る放射性同位体生成装置は、イオンビーム源において生成される荷電粒子ビームを加速して出射する加速器と、ターゲットと、前記加速器と前記ターゲットとの間であって、前記加速器から出射される前記荷電粒子ビームの進行経路上に少なくとも１つ以上設けられ、６極以上の磁極を有し非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石と、を具備し、前記多重極電磁石内に、前記荷電粒子ビームを通過させて、中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを生成し、前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射させて放射性同位体を生成するものである。
【００２９】
この構成の放射性同位体生成装置によれば、加速器から出射される前記荷電粒子ビームにおけるガウス状のビーム強度分布を、中空状のビーム強度分布へと効率的に可変することができ、且つ中空状のビーム強度分布を有する前記荷電粒子ビームを前記ターゲットに照射することができるので、放射性同位体を効率的に生成し、取り出すことが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
様々な実施形態によれば、中空状のビーム強度分布を有する荷電粒子ビームを形成することができる荷電粒子ビーム強度分布可変装置、荷電粒子ビーム強度分布可変方法、二次粒子生成装置、及び放射性同位体生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置及び二次粒子生成装置の構成を示す概略図である。
【図２】一実施形態に係る多重極電磁石が形成する磁場の磁束密度分布を示す図である。
【図３】一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置において、加速器から出射される荷電粒子ビームのビーム半径の推移を示す図である。
【図４】一実施形態に係る多重極電磁石を通過する前の荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【図５】図４に示す荷電粒子ビームにおいて、水平方向のビーム強度分布を示す図である。
【図６】図４に示す荷電粒子ビームにおいて、垂直方向のビーム強度分布を示す図である。
【図７】任意の荷電粒子の初期位置ｘ０に対する当該任意の荷電粒子のターゲット上での位置ｘｔとの関係、及びターゲットにおけるビーム強度分布を示す図である。
【図８】一実施形態に係る多重極電磁石を通過した後のターゲット上での荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【図９】図８に示す荷電粒子ビームにおいて、水平方向のビーム強度分布を示す図である。
【図１０】図８に示す荷電粒子ビームにおいて、垂直方向のビーム強度分布を示す図である。
【図１１Ａ】一実施形態に係る多重極電磁石を通過した後のターゲット上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【図１１Ｂ】一実施形態に係る多重極電磁石を通過した後のターゲット上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【図１１Ｃ】一実施形態に係る多重極電磁石を通過した後のターゲット上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。なお、図面において共通した構成要件には同一の参照符号が付されている。また、或る図面に表現された構成要素が、説明の便宜上、別の図面においては省略されていることがある点に留意されたい。さらにまた、添付した図面が必ずしも正確な縮尺で記載されている訳ではないということに注意されたい。
【００３３】
１．荷電粒子ビーム強度分布可変装置及び二次粒子生成装置の構成
一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置１及び二次粒子生成装置２の全体構成の概要について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。図１は、一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置１及び二次粒子生成装置２の構成を示す概略図である。図２は、一実施形態に係る多重極電磁石５０が形成する磁場の磁束密度分布を示す図である。図３は、一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置１において、加速器５から出射される荷電粒子ビームのビーム半径の推移を示す図である。なお、本明細書において、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子ビームの上流（加速器５側）、下流（ターゲット７側）をそれぞれ意味している。また、本明細書において、「水平方向」及び「垂直方向」とは、荷電粒子ビームの輸送方向に直交する平面（荷電粒子ビームの断面）上において互いに直交する方向であって、輸送方向に対して左右方向に延びる方向を「水平方向」とし、輸送方向に対して上下方向に延びる方向を「垂直方向」とする。
【００３４】
図１に示すように、荷電粒子ビーム強度分布可変装置１は、荷電粒子を生成して当該荷電粒子を加速器５へと放出する図示しないイオンビーム源と、当該イオンビーム源から放出された荷電粒子を加速させて荷電粒子ビームを出射する加速器５と、加速器５から出射された荷電粒子ビームをターゲット７まで輸送する輸送ライン１０と、を主に具備する。また、輸送ライン１０上には、荷電粒子ビームを輸送する過程において、荷電粒子ビームを水平方向又は垂直方向に集束させるための複数の４極電磁石３０、荷電粒子ビームの輸送方向を変換する複数の偏向電磁石４０、及び非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する複数の多重極電磁石５０、が設けられている。
【００３５】
図１に示すように、二次粒子生成装置２は、前述の荷電粒子ビーム強度分布可変装置１の構成に加えて、ターゲット７と、ターゲット７から生成される二次粒子（例えば、パイ中間子）又は三次粒子（例えば、ミューオン）を回収する回収手段（図示せず）をさらに具備し、ターゲット７に荷電粒子ビームを照射させて、二次粒子及び三次粒子を生成・回収するものである。なお、二次粒子生成装置２のターゲット７を適宜に変更し、ターゲット７から生成される放射性同位体を回収する回収手段（図示せず）を具備することで、当該二次粒子生成装置２を放射性同位体生成装置（図示せず）へと変更することも可能である。
【００３６】
次に、荷電粒子ビーム強度分布可変装置１及び二次粒子生成装置２を構成する各要素の詳細について説明する。
【００３７】
１−１．イオンビーム源
イオンビーム源としては、荷電粒子を放出することが可能なものであれば、いかなるものも用いることができ、例えば、マルチカスプイオン源、デュオプラズマトロンイオン源、及び電子サイクロトロン共鳴イオン源等を用いることができる。
【００３８】
１−２．加速器５
加速器５としては、荷電粒子を加速することが可能なものであれば、いかなるものも用いることができる。例えば、一般的なリングサイクロトンやＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ  Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｆｉｅｌｄ）サイクロトン等を用いることができ、その詳細な構成の説明は省略する。
【００３９】
１−３．ターゲット７
ターゲット７としては、ターゲット７から回収する所望の生成物の種類（二次粒子や三次粒子、又は放射性同位体）に応じて、適宜に選択すればよく、例えば炭素成分からなる公知且つ一般的なものを用いることができる。ターゲット７の形状も特に制限はないが、例えば板状又は棒状のものを用いることができる。
【００４０】
１−４．輸送ライン１０
輸送ライン１０は、荷電粒子ビームが通るビームダクト（図示せず）を有し、当該ビームダクト内は真空状態に維持されることで、輸送中の荷電粒子ビーム中の各荷電粒子が散乱することを抑制している。また、輸送ライン１０は、図１に示すように、後述する偏向電磁石４０によって、複数のルートに分岐しており（図１においては、ラインＡ〜Ｉ）これによって、一つの荷電粒子ビーム強度分布可変装置１及び二次粒子生成装置２を用いて、種々のバリエーションの実験・評価を実行することが可能となっている。
【００４１】
１−５．４極電磁石３０
４極電磁石３０は、図１に示すように、加速器５からターゲット７までの間に複数（例えば、図１のラインＡにおいては、加速器５からターゲット７までの間に２５個）設けられる。４極電磁石３０は、一般的に知られる構造のものを用いることができる。すなわち、軸対称に配置された４極の磁極にコイルを巻回して、Ｎ極及びＳ極が互い違いとなるような構成とし、巻回されたコイルに電流を通電することで、４極電磁石３０は、その中心軸においては磁場強度が極小化し、中心軸から離れる位置においては次第に磁場強度が増加するような線形の磁束密度分布（図２の点線参照）を有する磁場を形成する。このような４極電磁石３０を複数配置し、各４極電磁石３０内に荷電粒子ビームを通過させることで、４極電磁石３０が形成する磁場は、荷電粒子ビームを集束（例えば、水平方向に対してビーム半径を集束）、又は発散（例えば、垂直方向に対してビーム半径を発散）するよう作用する。したがって、加速器５からターゲット７までの間に複数の４極電磁石３０を適宜に配置することによって、水平方向及び垂直方向において、荷電粒子ビームのビーム半径を適切に集束させて、荷電粒子ビームのビーム強度を落とすことなく、荷電粒子ビームをターゲット７まで輸送することが可能となる。
【００４２】
この点、図３に示すように、加速器５から出射された荷電粒子ビームのビーム半径は、加速器５の荷電粒子ビームの出射出口からの距離が３５ｍに至るまでは、水平方向（図３における実線）及び垂直方向（図３における点線）において集束・発散を繰り返しながら、当該荷電粒子ビームは後述する多重極電磁石５０まで輸送される。なお、図３においては、加速器５の荷電粒子ビームの出射出口からの距離が３５ｍ付近の位置に、後述する多重極電磁石５０が配置されることを示す。
【００４３】
１−６．偏向電磁石４０
偏向電磁石４０は、荷電粒子ビームの進行方向を調整するために配置されるものであって、一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置１及び二次粒子生成装置２においては、図１に示すように、４つ設けられるが、この数に限定されるものではない。偏向電磁石４０は、一般的に知られる構造のものを用いることができるため、その構造の詳細な説明は省略する。
【００４４】
１−７．多重極電磁石５０
多重極電磁石５０は、荷電粒子ビームのビーム強度分布（荷電粒子密度分布）を、ガウス状から中空状（ビーム強度分布が、ビーム中心軸付近で低強度、ビーム外縁で高強度であること）へと可変させるために設けられる。具体的には、図１に示すように、多重極電磁石５０は、荷電粒子ビームの進行経路上（図１においては、輸送ライン１０におけるラインＡ上）において、前述した４極電磁石３０よりも下流側であって、ターゲット７の直前に少なくとも１つ以上配置される。このように荷電粒子ビームのビーム強度分布を中空状へと可変することで、二次粒子生成装置２として、パイ中間子（二次粒子）及びミューオン（三次粒子）をターゲット７から効率的に取り出すことができる。また、ターゲット７を適宜に変更することで、放射性同位体生成装置として、放射性同位体をターゲット７から効率的且つ大量に生成することも可能となる。加えて、一般に、放射性同位体を生成するに際してはターゲット７の発熱が問題となるところ、通常は放射性同位体生成装置に冷却手段（図示せず）を別途設けて、ターゲット７の除熱が図られている。しかしながら、荷電粒子ビームのビーム強度分布が、ガウス状である場合、ターゲット７の内部が発熱するため、冷却手段による除熱効果は限定的となってしまう。しかしながら、荷電粒子ビームのビーム強度分布を中空状へと可変させることで、ターゲット７の表面（前面、側面、及び背面）付近に発熱を集中させることで、冷却手段によるターゲット７の除熱効果を高めることも可能となる。
【００４５】
多重極電磁石５０の個数は、特に制限はないが、２つ以上配置されることが好ましい（図１においては、多重極電磁石５０は４つ配置されている）。多重極電磁石５０を荷電粒子ビームの進行経路上に複数設けることで、各多重極電磁石５０が形成する磁場の磁束密度分布を適宜に調整することで、後述するとおり、荷電粒子ビームの断面形状を可変させることが可能となる。
【００４６】
多重極電磁石５０としては、後述するように、非線形の磁束密度分布（図２の実線参照）を有する磁場を形成することが可能な６極以上の磁極を有していればよく、特に８極の磁極（８極電磁石）を有することが好ましい。なお、多重極電磁石５０が形成する磁場が非線形の磁束密度分布を形成する理由については、後述する。
【００４７】
２．荷電粒子ビームの強度分布可変方法
次に、一実施形態に係る荷電粒子ビーム強度分布可変装置１によって実行される荷電粒子ビームの強度分布可変方法の概要について、図１乃至図１１Ｃを参照しつつ説明する。図４は、一実施形態に係る多重極電磁石５０を通過する前の荷電粒子ビームの断面を示す図である。図５は、図４に示す荷電粒子ビームにおいて、水平方向のビーム強度分布を示す図である。図６は、図４に示す荷電粒子ビームにおいて、垂直方向のビーム強度分布を示す図である。図７は、任意の荷電粒子の初期位置ｘ０に対する当該任意の荷電粒子のターゲット７上での位置ｘｔとの関係、及びターゲット７におけるビーム強度分布を示す図である。図８は、一実施形態に係る多重極電磁石を通過した後のターゲット７上での荷電粒子ビームの断面を示す図である。図９は、図８に示す荷電粒子ビームにおいて、水平方向のビーム強度分布を示す図である。図１０は、図８に示す荷電粒子ビームにおいて、垂直方向のビーム強度分布を示す図である。図１１Ａは、一実施形態に係る多重極電磁石５０を通過した後のターゲット７上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。図１１Ｂは、一実施形態に係る多重極電磁石５０を通過した後のターゲット７上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。図１１Ｃは、一実施形態に係る多重極電磁石５０を通過した後のターゲット７上での別の荷電粒子ビームの断面を示す図である。
【００４８】
前述した加速器５から出射された荷電粒子ビームは、輸送ライン１０上に設けられる複数の４極電磁石３０及び偏向電磁石４０の内部を通過することによって、図３に示すように、ビーム半径が発散されることなく適宜に集束されて多重極電磁石５０へと輸送され、非線形の磁束密度分布を有する磁場を形成する多重極電磁石５０内を通過することで、ガウス状のビーム強度分布が中空状へと可変される。
【００４９】
つまり、荷電粒子ビームは、多重極電磁石５０を通過する前においては、図４に示すようなビーム断面を有する。すなわち、図５及び図６に示すように、荷電粒子ビームの中心（図５及び図６における横軸０ｃｍ）が最もビーム強度が強く、中心から離れるにしたがって、次第にビーム強度が弱くなるガウス状のビーム強度分布（荷電粒子密度分布）を有する。
【００５０】
他方、荷電粒子ビームが、多重極電磁石５０を通過した後においては、例えば図８に示すようなビーム断面を有する。すなわち、図９及び図１０に示すように、荷電粒子ビームの中心軸付近（図９及び図１０における横軸０ｃｍ付近）のビーム強度は弱く、中心から離れたビーム外縁（図９及び図１０における横軸５ｃｍ付近）のビーム強度が最大となる中空状のビーム強度分布（荷電粒子密度分布）を有する。なお、図９及び図１０で示される荷電粒子ビームにおいて、ビームの中心軸から５ｃｍ以上離れた位置（図９及び図１０における横軸５ｃｍ以上、又は−５ｃｍ以下）においてはビーム強度が略０となっていることから、当該荷電粒子ビームのビーム半径は約５ｃｍであることがわかる。
【００５１】
次に、荷電粒子ビームのビーム強度分布が中空状に可変されるメカニズムについて説明する。
【００５２】
８極の磁極を有する多重極電磁石５０は、一般的に、図２の実線で示すように、多重極電磁石５０の中心からの距離が離れるにしたがって、磁束密度が非線形状（三次関数状））に大きくなる磁束密度分布を有する磁場を形成することが知られている。この非線形の磁束密度分布を有する多重極電磁石５０、及び４極電磁石３０が組み込まれた輸送ライン１０を荷電粒子ビームが通過する際には、近似的に以下式１で示される運動方程式に基づく非線形力が当該荷電粒子ビームに働く。
【００５３】
【数１】
2020071192.tif 000003
【００５４】
式１中、ｘは任意の荷電粒子の水平方向における位置を示すものであり、ｙは当該任意の荷電粒子の垂直方向における位置を示すものである。また、ＫＱＵＡＤは４極電磁石の磁場勾配を示すものであり、ＫＯＣＴは８極電磁石の磁場勾配を示すものである。
【００５５】
上記式１に基づけば、４極電磁石が形成する磁場においては、位置の一次関数として表される非線形力（図２の点線参照）が荷電粒子ビームに働き、８極電磁石が形成する磁場においては、三次関数として表される非線形力（図２の実線参照）が荷電粒子ビームに働くこととなる。これにより、例えば、図４乃至図６に示すようなガウス分布のビーム強度を有していた荷電粒子ビームにおいて、そのビーム強度分布の裾部（図５及び図６においては、ビーム中心軸から１０ｃｍ以上、又は−１０ｃｍ以下の部分）が折畳まれて、図９及び図１０に示すような中空状のビーム強度分布へと可変する。
【００５６】
より詳細には、図１（ラインＡ）に示すように、多重極電磁石５０としての８極電磁石が輸送ライン１０上に２つ配置され（図１のラインＡ上においては、２つの８極電磁石の他に、さらに６極電磁石が２つ設けられ、合計４つの多重極電磁石５０が設けられている。なお、上記式１においては、当該２つの６極電磁石に基づく非線形の磁束密度分布については省略している。）、当該２つの８極電磁石内を荷電粒子ビームが通過する場合において、荷電粒子ビームが１つ目の８極電磁石内を通過する直前における任意の１つの荷電粒子の位置（ビーム中心軸からの位置）をｘ０、荷電粒子ビームが２つ目の８極電磁石内を通過した後（例えば、ターゲット７への照射時）における当該１つの荷電粒子の位置（ビーム中心軸からの位置）をｘｔ（ビーム強度分布に相当する）と捉え、１つ目の８極電磁石の積分磁場勾配（ＫＯＣＴと当該１つ目の８極電磁石の輸送方向の長さ（例えば、０．３４ｍ）の積に相当し、当該１つ目の８極電磁石の非線形力ともいう。）をＫ１、２つ目の８極電磁石の積分磁場勾配（ＫＯＣＴと当該２つ目の８極電磁石の輸送方向の長さ（例えば、０．３４ｍ）の積に相当し、当該２つ目の８極電磁石の非線形力ともいう。）をＫ２、１つ目の８極電磁石と２つ目の８極電磁石との間の位相進度をφ、２つ目の８極電磁石からターゲット７までの位相進度をθとすると、ｘｔはβ関数を用いる以下の式２にて近似される。
【００５７】
【数２】
2020071192.tif 000004
【００５８】
式２に基づけば、ｘｔはβ関数、位相進度φ及びθ、及び８極電磁石の非線形力Ｋ１及びＫ２に依存し、且つｘｔはｘ０の三次関数として近似的に表すことができ、ｘ０とｘｔの関係は図７に示すようなものとなる。つまり、ｘｔの分布（荷電粒子ビームのビーム強度分布）は、ｘｔの中心付近で極小となり、当該中心付近から所定距離の離れた位置（極値Ｚ１及びＺ２）において最大となる。なお、極値Ｚ１及びＺ２は、「ｄｘｔ／ｄｘ０＝０」となる点であって、２つ目の８極電磁石内を通過した後の（ターゲット７上の）荷電粒子ビームのビーム端部（ビーム外縁）となる位置を表すものである。ここで、ターゲット７におけるビーム強度分布は、以下の式３にて近似されて、図７に示すような分布となる。
【００５９】
【数３】
2020071192.tif 000005
【００６０】
式３中、ρｔはｘｔの分布を示すものであり、ρ０は、ｘ０の分布を示すものである。
【００６１】
ところで、図７に示すｘ０とｘｔの関係は、前述のとおり、式２に基づけば、８極電磁石の非線形力Ｋ１及びＫ２に依存するため、これらの非線形力Ｋ１及びＫ２を適宜に可変することで、ｘｔの分布（荷電粒子ビームのビーム強度分布）やビーム端部の位置（ビーム半径）、さらにビームの断面形状を可変することもできる。非線形力Ｋ１及びＫ２を適宜に可変する方法としては、１つ目の８極電磁石及び２つ目の８極電磁石各々において通電する電流値を調整することで、各８極電磁石における磁束密度分布を適宜に調整すればよい。
【００６２】
さらに具体的には、図１１Ａ乃至１１Ｃに示すように、非線形力Ｋ１及びＫ２の大きさを適宜の値に設定すること（１つ目及び２つ目の８極電磁石の磁束密度分布を適宜に調整すること）で様々なビーム強度分布、ビーム半径、及びビーム断面形状の荷電粒子ビームを形成することができる（図１１Ａにおいては、非線形力Ｋ１の値を−３５７０ｍ−３、非線形力Ｋ２の値を１０５０ｍ−３とした場合、図１１Ｂにおいては、非線形力Ｋ１の値を−２２８０ｍ−３、非線形力Ｋ２の値を８２０ｍ−３とした場合、図１１Ｃにおいては、非線形力Ｋ１の値を−３８４０ｍ−３、非線形力Ｋ２の値を７８０ｍ−３とした場合）。
【００６３】
以上、様々な実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数等は適宜変更して実施することができる。荷電粒子ビーム強度分布可変装置１、二次粒子生成装置２、及び放射性同位体生成装置の各部の配置や構成等は、上記実施形態には限定されない。
【符号の説明】
【００６４】
１  荷電粒子ビーム強度分布可変装置
２  二次粒子生成装置
５  加速器
７  ターゲット
１０  輸送ライン
３０  ４極電磁石
４０  偏向電磁石
５０  多重極電磁石
【図１】
2020071192.tif 000006
【図２】
2020071192.tif 000007
【図３】
2020071192.tif 000008
【図４】
2020071192.tif 000009
【図５】
2020071192.tif 000010
【図６】
2020071192.tif 000011
【図７】
2020071192.tif 000012
【図８】
2020071192.tif 000013
【図９】
2020071192.tif 000014
【図１０】
2020071192.tif 000015
【図１１Ａ】
2020071192.tif 000016
【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
2020071192.tif 000018