(57)【要約】【課題】ビーム効率の向上を図ることができるサイクロトロンを提供する。【解決手段】本発明に係るサイクロトロン１は、中空のヨーク３と、ヨーク３内に配置された上ポール６及び下ポール７と、イオンを生成するイオン源２と、ヨーク３内に少なくとも一部が入り込み、イオン源２から送り出されたイオンビームＲの進行方向の密度を調整するバンチャー８と、バンチャー８を通過したイオンビームＲを偏向して、メディアンプレーンＭに入射させるインフレクター９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のヨークと、
前記ヨーク内に配置された第１のポール及び第２のポールと、
イオンを生成するイオン源と、
前記ヨーク内に少なくとも一部が入り込み、前記イオン源から送り出されたイオンビームの進行方向の密度を調整するバンチャーと、
前記バンチャーを通過したイオンビームを偏向して、メディアンプレーンに入射させるインフレクターと、
を備える、サイクロトロン。
【請求項２】
前記バンチャーの少なくとも一部は、前記第１のポール内に入り込んでいる、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記バンチャーの電極部は、前記インフレクター側の端部に位置している、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記ヨークは、前記バンチャーの少なくとも一部が入り込む第１の孔と、前記インフレクターに対して前記第１の孔と略対称に形成された第２の孔と、を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンチャーを有するサイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サイクロトロンに関する技術文献として、例えば特開２００４−３１１１５号公報が知られている。この公報には、外部イオン源を有するサイクロトロンにおいて、外部イオン源から送り出されたイオンビームをサイクロトロン中心へ入射させる前段にバンチャーを設けることが記載されている。
【０００３】
このようなバンチャーは、高周波電場においてイオンビームの加速を効率的に行うために用いられる。すなわち、高周波電場においては電位差が周期的に変化するため、イオンビームには進行方向（位相方向）において電位差により加速される部位と加速されない部位が生じる。このため、イオンビームが加速される部位に集束するように進行方向の密度を調整するバンチャーを設けることにより、ビーム効率の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、バンチャーによってイオンビームの進行方向の密度を調整すると、集束されたイオン間に空間電荷効果による反発が生じ、バンチング効果が低下する。このような空間電荷効果はイオンビームの電流値が高いほど強く現れる。空間電荷効果によりバンチング効果が低下することで、サイクロトロンにおけるビーム効率が低下するという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、ビーム効率の向上を図ることができるサイクロトロンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、中空のヨークと、ヨーク内に配置された第１のポール及び第２のポールと、イオンを生成するイオン源と、ヨーク内に少なくとも一部が入り込み、イオン源から送り出されたイオンビームの進行方向の密度を調整するバンチャーと、バンチャーを通過したイオンビームを偏向して、メディアンプレーンに入射させるインフレクターと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このサイクロトロンによれば、バンチャーの少なくとも一部がヨーク内に入り込んでいるので、バンチャーをヨークの外に配置する従来の構成と比べて、バンチャーとインフレクターとの距離を短くすることができる。このため、バンチャーによってイオンビームの進行方向（位相方向）の密度を調整した後、空間電荷効果によってイオンビームが広がる前にインフレクターへ到達させることができるので、高いバンチング効果を有する状態でイオンビームを加速することができ、ビーム効率の向上を図ることができる。
【０００９】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、バンチャーの少なくとも一部は、第１のポール内に入り込んでいてもよい。
このサイクロトロンによれば、バンチャーとインフレクターとの距離を一層短くすることが可能になるので、大型のサイクロトロンであっても、バンチャー及びインフレクターを適切な近さで配置することができ、ビーム効率の向上を図ることができる。
【００１０】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、バンチャーの電極部は、インフレクター側の端部に位置していてもよい。
このサイクロトロンによれば、イオンビームの進行方向の密度を調整する電極部がインフレクター側の端部に位置するので、電極部がインフレクター側の端部以外に位置する場合と比べて、空間電荷効果によってイオンビームが広がる前にインフレクターへ到達させることができ、ビーム効率の向上に有利である。
【００１１】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、ヨークは、バンチャーの少なくとも一部が入り込む第１の孔と、インフレクターに対して第１の孔と反対側に形成された第２の孔と、を有していてもよい。
このサイクロトロンによれば、第２の孔を有さない場合と比べて、ヨークの対称性を保つことができるので、メディアンプレーンにおける磁場の制御が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ビーム効率の向上を図ることができるサイクロトロンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るサイクロトロンの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のバンチャーを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源２から送り出されたイオンビームＲを加速して出射する横置き型の加速器である。イオンビームＲを構成するイオンとしては、例えば陽子や重イオンなどが挙げられる。
【００１６】
このようなサイクロトロン１は、例えば、ＰＥＴ［Positron  Emission  Tomography］用サイクロトロン、ホウ素中性子捕捉療法用サイクロトロン、ＲＩ［Radio Isotope］製剤用サイクロトロン、中性子源用サイクロトロン、陽子用サイクロトロン、重陽子用サイクロトロンとして用いられる。
【００１７】
サイクロトロン１は、イオン源２、内部に所定の空間が形成された中空のヨーク３、ポール４、コイル５、バンチャー８、及びインフレクター９を備えている。
【００１８】
イオン源２は、ヨーク３の外部に設けられ、イオンを生成する外部イオン源である。図１では、円盤型のサイクロトロン１の中心軸Ｃ上にイオン源２が設けられているが、必ずしも中心軸Ｃ上にイオン源２を設ける必要はない。イオン源２は、サイクロトロン１の上側ではなく下側に設けられていてもよい。また、イオン源２の一部又は全体がヨーク３内に入り込んでいてもよい。
【００１９】
ポール４は、上ポール（第１のポール）６及び下ポール（第２のポール）７からなる磁極である。上ポール６はヨーク３の内部の上面３ａに配置されており、下ポール７はヨーク３の内部の下面３ｂに配置されている。上ポール６及び下ポール７の周囲には円環状のコイル５が配置されており、コイル５に対する電流供給により上ポール６及び下ポール７の間に鉛直方向の磁場が発生する。これらの上ポール６及び下ポール７の間に、イオンビームＲが周回するメディアンプレーンＭが形成される。
【００２０】
また、サイクロトロン１は、ディー電極（図示せず）を備えている。ディー電極は、中心軸Ｃの延在方向から見て扇型に形成されている。ディー電極の内部には、中心軸Ｃの周方向に貫通された空洞が形成されており、その空洞内にメディアンプレーンＭが位置している。サイクロトロン１では、ディー電極に交流電流を供給することで空洞内に高周波電場を発生させ、高周波電場における電位差の周期的変化によりイオンビームＲを繰り返し加速させる。
【００２１】
バンチャー８は、イオンビームＲの進行方向（位相方向）の密度を調整するものである。バンチャー８は、高周波電場における電位差の周期的変化に対応するように、イオンビームＲを進行方向の所定間隔で集束させることにより、サイクロトロン１のビーム効率を高める。
【００２２】
バンチャー８は、中空のヨーク３内に配置されている。具体的には、バンチャー８は、ヨーク３に形成されたバンチャー用の第１の孔３ｃの内部に配置されている。第１の孔３ｃは、ヨーク３内部の空間とヨーク４の外部とを連通させるように、中心軸Ｃに沿って形成された貫通孔である。イオン源２から送り出されたイオンビームＲは、第１の孔３ｃを通ってバンチャー８に到達する。
【００２３】
また、バンチャー８の一部は、上ポール６に形成された凹部６ａ内に入り込んでいる。すなわち、バンチャー８は、その大部分がヨーク３の第１の孔３ｃに収容されると共に、その一部（上ポール６側）が上ポール６の凹部６ａ内に入り込んでいる。上ポール６の凹部６ａは、ヨーク３の第１の孔３ｃに対応して形成され、中心軸Ｃに沿って下向きに凹んでいる。
【００２４】
なお、ヨーク３は、インフレクター９に対して第１の孔３ｃの反対側に形成された第２の孔３ｅを有している。第２の孔３ｅは、インフレクター９に対して第１の孔３ｃと略対称に形成された貫通孔である。すなわち、第２の孔３ｅは、ヨーク３の対称性を保つため、大きさや形状がなるべく第１の孔３ｃと等しくなるように形成されている。
【００２５】
同様に、下ポール７は、インフレクター９に対して上ポール６の凹部６ａと略対称に形成された凹部７ａを有している。凹部７ａは、ヨーク３の第２の孔３ｅに対応して形成され、中心軸Ｃに沿って上向きに凹んでいる。
【００２６】
図２は、バンチャー８を示す断面図である。図２に示されるように、バンチャー８は、円筒状の本体部８ａと、円筒状の本体部８ａのインフレクター９側の開口を閉じている電極部８ｂと、を有している。すなわち、電極部８ｂは、バンチャー８のインフレクター９側の端部に位置している。本体部８ａ及び電極部８ｂは一体の部材であり、例えば銅などの導電材料から構成されている。
【００２７】
バンチャー８は、インフレクター９と所定の距離となるように配置されている。具体的には、バンチャー８は、インフレクター９側の端面８ｃとインフレクター９との距離が１０ｃｍ〜３０ｃｍとなるように配置されることが好ましい。
【００２８】
バンチャー８の端面８ｃとインフレクター９とが１０ｃｍ以上離れることで、インフレクター９に到達するまでの間にイオンビームＲの密度を調整するバンチング効果を十分に得ることができる。また、バンチャー８の端面８ｃとインフレクター９とが３０ｃｍより近いことで、空間電荷効果によりバンチング効果が低下する前にインフレクター９に到達することができる。
【００２９】
バンチャー８には、図示しない電源から電流が供給されている。イオンビームＲは、円筒状の本体部８ａの内部を進行して電極部８ｂを通過することで、進行方向の密度の調整が行われる。バンチャー８を通過したイオンビームＲは、インフレクター９に向かって進行する。
【００３０】
なお、バンチャー８の構造は、上述したものに限られない。例えば、電極部８ｂは、本体部８ａのインフレクター９側の端部ではなく、反対側の端部や本体部８ａの中腹に設けられていてもよい。この場合には、電極部８ｂとインフレクター９との距離が１０ｃｍ〜３０ｃｍであることが好ましい。
【００３１】
インフレクター９は、イオンビームＲをメディアンプレーンＭに入射（導入）させるものである。インフレクター９は、電源（図示せず）から電流を供給されており、サイクロトロン１の中心軸Ｃに沿って進行するイオンビームＲを偏向してメディアンプレーンＭに入射させる。インフレクター９は、上ポール６及び下ポール７の間でサイクロトロン１のほぼ中心に配置されている。
【００３２】
インフレクター９を通じてメディアンプレーンＭに入射したイオンビームＲは、ポール４の磁場及びディー電極の電場の作用によって螺旋状の軌道を描きながら加速する。イオンビームＲは十分に加速された後、軌道から引き出されて外部へ出力される。
【００３３】
以上説明した本実施形態に係るサイクロトロン１によれば、バンチャー８がヨーク３内に配置されているので、バンチャー８をヨーク３の外に設ける従来の構成と比べて、バンチャー８とインフレクター９との距離を短くすることができる。このため、バンチャー８によってイオンビームＲの進行方向（位相方向）の密度を調整した後、空間電荷効果によってイオンビームＲが広がる前にインフレクター９へ到達させることができるので、高いバンチング効果を有する状態でイオンビームＲを加速することができ、ビーム効率の向上を図ることができる。
【００３４】
また、このサイクロトロン１では、バンチャー８の一部が上ポール６の凹部６ａ内に入り込んでいるので、バンチャー８とインフレクター９との距離を一層短くすることができる。従って、このサイクロトロン１によれば、大型のサイクロトロンであっても、バンチャー８及びインフレクター９を適切な間隔で配置することができ、ビーム効率の向上が図られる。
【００３５】
更に、このサイクロトロン１によれば、バンチャー８の電極部８ｂが本体部８ａのインフレクター９側の端部に位置しているので、電極部８ｂがインフレクター９側の端部以外に位置する場合と比べて、空間電荷効果によってイオンビームＲが広がる前にインフレクター９へ到達させることができ、ビーム効率の向上に有利である。
【００３６】
また、このサイクロトロン１では、インフレクター９に対して第１の孔３ｃの反対側に形成された第２の孔３ｅを有するので、第２の孔３ｅを有さない場合と比べて、ヨーク３の対称性を保つことができ、メディアンプレーンＭにおける磁場の制御が容易になる。
【００３７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、イオンビームＲは、ヨークの下側から入射してもよい。この場合、バンチャーは、ヨーク下側の孔に配置され、下ポールに形成された凹部に入り込むことになる。
【００３８】
なお、バンチャーは、必ずしも上ポール又は下ポールに形成された凹部に入り込む必要はない。バンチャーは、上ポール又は下ポールに至らずに、ヨークに形成された孔の内部に収容されていてもよい。また、バンチャーは、少なくとも一部がヨーク内に入り込んでいればよく、残りの部分がヨーク外に突出していてもよい。
【００３９】
また、ヨークにおいて、バンチャーの配置されない第２の孔を必ず設ける必要はない。同様に、上ポール及び下ポールのうちバンチャーの入り込まないポールに必ずしも凹部を形成する必要はない。
【００４０】
なお、サイクロトロンは、横置き型のものではなく縦置き型のものを採用してもよい。この場合には、上述した実施形態の説明における上下方向が左右方向となり、上ポール及び下ポールは、右ポール及び左ポールとなる。
【符号の説明】
【００４１】
１…サイクロトロン  ２…イオン源  ３…ヨーク  ３ａ…上面  ３ｂ…下面  ３ｃ…第１の孔  ３ｅ…第２の孔  ４…ポール  ５…コイル  ６…上ポール（第１のポール）  ６ａ…凹部  ７…下ポール（第２のポール）  ８…バンチャー  ８ａ…本体部  ８ｂ…電極部  ８ｃ…端面  ９…インフレクター  Ｍ…メディアンプレーン  Ｒ…イオンビーム
【図１】
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【図２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月19日(2013.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
バンチャー８は、中空のヨーク３内に配置されている。具体的には、バンチャー８は、ヨーク３に形成されたバンチャー用の第１の孔３ｃの内部に配置されている。第１の孔３ｃは、ヨーク３内部の空間とヨーク３の外部とを連通させるように、中心軸Ｃに沿って形成された貫通孔である。イオン源２から送り出されたイオンビームＲは、第１の孔３ｃを通ってバンチャー８に到達する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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