(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型低温超伝導等時性サイクロトロンにおいて、
中心軸に関して実質的に対称である少なくとも２つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、
前記コイルを取り囲み、ビームチャンバの少なくとも一部を含む磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが、前記加速メディアンプレーンの各側に山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ磁極先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンを挟んで、前記加速メディアンプレーンを挟んで前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、
前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと物理的および熱的に結合される極低温冷凍装置と、
前記磁気ヨーク外に設けられ、前記コイルと磁気ヨークを遮熱空間内に収容するクライオスタットとを具え、前記極低温冷凍装置により前記コイルと磁気ヨークが極低温に維持されることを特徴とする小型低温超伝導等時性サイクロトロン。
【請求項２】
請求項１に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記磁気ヨークが、それぞれが前記加速メディアンプレーンの各側にある１対の磁極を含み、前記磁極の各々が磁極ベースと、前記磁極ベースに取り付けられた前記セクタ磁極先端と、を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項３】
請求項１に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記超伝導コイルが前記磁気ヨークによって物理的に支持されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項４】
請求項１に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記等時性サイクロトロンが、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークが５０Ｋを超えない温度まで冷却され、電流が前記コイルの臨界電流容量で前記超伝導コイルを通ると、前記加速メディアンプレーンの中のイオン導入用の内側半径において、少なくとも６テスラの、半径方向に増大する磁場を生成するように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項５】
請求項４に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記等時性サイクロトロンが、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークが５０Ｋを超えない温度まで冷却され、電流が前記コイルの臨界電流容量で前記超伝導コイルを通ると、前記加速メディアンプレーンの中のイオン引き出し用の外側半径において、少なくとも７テスラの、半径方向に増大する磁場を生成するように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項６】
イオン加速方法において、 
ａ）中心軸に関して実質的に対称である少なくとも２つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、 
ｂ）前記コイルを取り囲み、ビームチャンバの少なくとも一部を含む磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが前記加速メディアンプレーンの各側に山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ磁極先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンを挟んで、前記加速メディアンプレーンを挟んで前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、 
ｃ）前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと物理的および熱的に結合される極低温冷凍装置と、 
ｄ）高周波電圧源に連結され、前記ビームチャンバ内に取り付けられた電極と、 
ｅ）前記磁気ヨーク外に設けられ、前記コイルと磁気ヨークを収容するクライオスタットと、 
を含む等時性サイクロトロンを使用するステップと、 
内側半径において、前記加速メディアンプレーンの中にイオンを導入するステップと、 
前記高周波電圧源から前記電極に電流を供給して、前記イオンを、前記加速メディアンプレーンにわたって拡張する軌道内で一定の周波数で加速させるステップと、 
前記超伝導コイルと前記磁気ヨークを前記極低温冷凍装置で冷却するステップであって、前記超伝導コイルがその超伝導遷移温度を超えない温度まで冷却されるようなステップと、 
冷却された前記超伝導コイルに電圧を供給することにより前記超伝導コイル内に超伝導電流が発生し、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークから前記加速メディアンプレーン内に半径方向に増大する磁場を生成するステップと、 
加速された前記イオンを、外側半径においてビームチャンバから引き出すステップと、
を含むことを特徴とする方法。 
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記磁気ヨークが５０Ｋを超えない温度まで冷却されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、
前記加速メディアンプレーンで生成された前記磁場が、イオン導入のための前記内側半径からイオン引き出しのための前記外側半径へと、半径と共に増大し、
前記加速メディアンプレーンの中で生成された前記磁場が、イオン導入のための前記内側半径において少なくとも６テスラであることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法において、
前記イオンが、イオン導入のための前記内側半径からイオン引き出しのための前記外側半径へと、一定の周波数で加速されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
小型低温超伝導等時性サイクロトロンにおいて、
中心軸に関して実質的に対称である少なくとも２つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、
前記コイルを取り囲み、ビームチャンバを収容する磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが、前記磁気ヨークの残りの部分から非磁性材料によって分離され、前記加速メディアンプレーンの各側の山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ磁極先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンを挟んで、前記加速メディアンプレーンを挟んで前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、
前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと物理的および熱的に結合される極低温冷凍装置と、
前記磁気ヨーク外に設けられ、前記コイルと磁気ヨークを遮熱空間内に収容するクライオスタットとを具え、前記極低温冷凍装置により前記コイルと磁気ヨークが極低温に維持されることを特徴とする小型低温超伝導等時性サイクロトロン。
【請求項１１】
請求項１または１０に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記セクタ磁極先端が希土類磁石を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項１２】
請求項１１に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記磁気ヨークが、前記セクタ磁極先端を前記磁気ヨークの残りの部分から分離する非磁性材料をさらに含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項１３】
請求項１１に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記セクタ磁極先端が、前記セクタ磁極先端の、前記加速メディアンプレーンから遠い方の面に切欠きを含み、前記切欠きが、前記等時性サイクロトロンの前記中心軸から半径が大きくなるにつれて磁場の増大の程度を増加させるように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項１４】
請求項１または１０に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記セクタ磁極先端が螺旋形状を有することを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項１５】
請求項１または１０に記載の等時性サイクロトロンにおいて、
前記セクタ磁極先端が、超伝導体を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
１対の電極と磁石構造からの電界インパルスを利用してイオン（荷電粒子）を外に向かう螺旋軌道で加速させるサイクロトロンが、米国特許第１，９４８，３８４号明細書（発明者：Ｅｒｎｅｓｔ  Ｏ．Ｌａｗｒｅｎｃｅ、登録年：１９３４年）で開示されている。Ｌａｗｒｅｎｃｅの加速器の設計は現在、一般に「古典的」サイクロトロンと呼ばれており、電極が一定の加速周波数を提供し、また磁場は半径の増大に伴って弱まり、軌道を周回するイオンの垂直位相安定性を保持するために「弱集束」を提供する。
【０００２】
現代的なサイクロトロンの中で、１つのタイプとして「等時性」であることを特徴とする分類があり、電極により供給される加速周波数は古典的サイクロトロンと同様に一定であるが、磁場は、相対性を補償するために、半径が大きくなるにつれて強まり、またイオン加速中、セクタ周期性を有する成形鉄製磁極片に由来する、方位角により変化する磁場成分を介して軸方向の復元力が加えられる。ほとんどの等時性サイクロトロンは抵抗磁石技術を利用し、１〜３テスラの磁場レベルで動作する。一部の等時性サイクロトロンは超伝導磁石技術を利用しており、これは、超伝導コイルが温かい鉄製磁極を磁化し、それがイオン加速のためのガイド磁場と集束磁場を発生させるものである。このような超伝導等時性サイクロトロンは、陽子については３テスラ以下、より重いイオンを加速させる設計の場合は最高３〜５テスラの磁場レベルで動作できる。本願の発明者は１９８０年代初めにミシガン州立大学において、最初の超伝導サイクロトロンプロジェクトに携わった。
【０００３】
また別の分類のサイクロトロンとしては、シンクロサイクロトロンがある。古典的サイクロトロンまたは等時性サイクロトロンと異なり、シンクロサイクロトロンの加速周波数は、イオンが外に向かって螺旋軌道を描くにつれて減少する。また、古典的サイクロトロンとは同様であるが、等時性サイクロトロンと異なり、シンクロサイクロトロンの磁場は半径の増大とともに弱まる。シンクロサイクロトロンは、以前には中温の鉄製磁極と低温の超伝導コイルを有し、これは既存の超伝導等時性サイクロトロンと同様であるが、加速中のビーム集束の保持は、より強い磁場となるような異なる方法で保持され、したがって、たとえば約９テスラの磁場で動作できる。
【発明の概要】
【０００４】
本願では、小型低温超伝導等時性サイクロトロンが開示される。装置およびその構成と使用方法の各種の実施形態は、後述する要素、特徴、ステップの一部を含んでいても、全部を含んでいてもよい。
【０００５】
小型低温超伝導等時性サイクロトロンには、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にある少なくとも２つの超伝導コイルを含めることができる。磁気ヨークは、コイルを取り囲み、内部でイオンが加速されるビームチャンバの一部を収容し、加速メディアンプレーンはこのビームチャンバを通って延びる。極低温冷凍装置を超伝導コイルと磁気ヨークの両方に熱結合するが、たとえば、磁気ヨークを極低温冷凍装置からのヒートリンクおよび超伝導コイルと熱接触させることができる。超伝導等時性サイクロトロンはまた、螺旋形の磁極先端を含んでいてもよく、これは加速イオンの垂直安定性を維持するための強集束を提供するために、セクタに基づく、または方位角により変化する磁場を供給し、螺旋形磁極先端は、希土類磁石で形成でき、ヨークの他の部分から磁力によって浮揚させる（すなわち、非磁性成分で分離させる）ことができる。他の実施形態においては、磁極先端に超伝導体を含めることができる。磁極先端にはまた、先端の、加速メディアンプレーンから離れた裏面に切欠きを含め、その結果生じる磁場のプロファイルを成形することができる。
【０００６】
等時性サイクロトロンの動作中、イオンは内側半径において加速メディアンプレーンへと導入される。高周波電圧源からの電流が、それぞれが磁気ヨーク内側の加速メディアンプレーンの各側に設置された１対の電極板に印加され、イオンを、加速メディアンプレーンにわたって拡張する軌道で加速させる。超伝導コイルは極低温冷凍装置によって、超伝導コイルの超伝導遷移温度を超えない温度（たとえば、１０〜１２Ｋ）まで冷却され、磁気ヨークも同様に（たとえば、５０Ｋ以下まで）冷却される。冷却された超伝導コイルに電圧が供給されることによって超伝導コイル内に超伝導電流が発生し、それによって生成される磁場がイオンを加速メディアンプレーン内で加速させ、加速したイオンは外側半径に到達すると、ビームチャンバから引き出される。
【０００７】
コイル、磁極、復路鉄製ヨーク、トリムコイル、超伝導磁石、成形強磁性磁極面、漏れ磁場キャンセルコイルまたは材料を含む磁石構造全体を、１つの単純な熱支持手段の上に取り付け、クライオスタット内に据え付け、超伝導コイルの動作温度に、またはその付近に保持することができる。ヨークとコイルの間にはギャップがないため、既存の超伝導サイクロトロンの強い磁場で一般に遭遇する大きな偏心力を緩和するためのコイル用の機械的支持構造は不要であり、さらに、偏心力を実質的に縮小または除去できる。
【０００８】
磁気ヨークの低温磁石材料は、磁場の成形と超伝導コイルの構造的支持に同時に使用できるため、等時性サイクロトロンはさらに単純化され、その固有安全性が高まる。そのうえ、磁石のすべてをクライオスタットの内部に収容することによって、外部漏れ磁場は、磁場キャンセル超伝導コイルまたは、クライオスタット内の中間熱シールドに固定された磁場キャンセル用超伝導面のいずれかによって、加速磁場に不利な影響を与えずにキャンセルできる。
【０００９】
本明細書で説明する等時性サイクロトロンの設計には、従来型に比べればすでに小型化され、より安価となった既存の超伝導等時性サイクロトロンおよび既存の超伝導シンクロサイクロトロンのどちらよりも有利な点がほかにも多数ある。たとえば、磁石構造の単純化が可能であり、それは、磁気回路の構成要素間の力のバランスを維持するための、別の支持構造が不要となるからであり、これは全体的なコストを削減し、全体的な安全性を向上させ、外部磁場を管理するための空間と積極的保護システムの必要性を低減させる。これに加えて、等時性サイクロトロンは低い相対論的因子で動作でき、強い磁場（たとえば、６ステラまたはそれ以上）を生成できる。これに加えて、このような等時性サイクロトロンの設計では一定の加速周波数で動作できるため、装置には複雑な可変周波数加速システムが不要である。したがって本願の等時性サイクロトロンは移動体の中や、より小さな空間内でも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、等時性サイクロトロンとその周辺構造の側方断面図である。
【図２】図２は、図１の等時性サイクロトロンの拡大断面図である。
【図３】図３は、図１の等時性サイクロトロンの内側の電極とビームチャンバの、さらに拡大した断面図である。
【図４】図４は、図１の等時性サイクロトロンの側方断面斜視図である。
【図５】図５は、図１の等時性サイクロトロンの上面断面斜視図である。
【図６】図６は、図１の等時性サイクロトロンの上面断面図であり、電極アセンブリが設けられていないセクタ磁極先端を示す。
【図７】図７は、図１の等時性サイクロトロンの上面断面図であり、図６に示されるセクタ磁極先端の上方の電極アセンブリを示す。
【図８】図８は、図１の等時性サイクロトロンの上面および側方断面斜視図である。
【図９】図９は、図１の等時性サイクロトロンの、角度を付けて切断した断面斜視図である。
【図１０】図１０は、等時性サイクロトロンの部分側面図である。
【図１１】図１１は、図１０の部分７０の拡大図である。
【図１２】図１２は、図１の等時性サイクロトロンを含むクライオスタットの外側斜視図である。
【図１３】図１３は、等時性サイクロトロンの内側のイオン軌道に関する軸座標系の略図である。
【図１４】図１４は、等時性サイクロトロンの内側の軌道内の加速イオンから「見た」磁極セクタの、曲がっている状態から広げた断面図である。
【図１５】図１５は、磁極先端と磁極ベースの別の実施形態の斜視図であり、磁極先端に超伝導コイルリングが巻かれている。
【図１６】図１６は、内部の第二のビームターゲットを有する等時性サイクロトロンの上面断面図である。
【図１７】図１７は、図１６の部分９８の拡大図である。
【図１８】図１８は、イオン引き出しのための四重極磁石を備える等時性サイクロトロンの上面断面図である。
【図１９】図１９は、図１８の部分９９の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面において、同様の参照記号は様々な図を通じて同じまたは同様の部品を指す。図面は必ずしも正しい縮尺で描かれているとは限らず、その代わりに重点は後述の具体的な原理を説明することに置かれている。
【００１２】
本発明の各種の態様の上記およびその他の特徴と利点は、本発明のより広い範囲に含まれる各種の概念と具体的な実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。上で紹介し、以下により詳しく説明する主旨の各種の態様は、この主旨がいずれの特定の実施態様にも限定されないため、様々な方法のいずれによって実施されてもよい。具体的な実施と応用の例は、主として説明を目的として挙げられている。
【００１３】
本明細書中に別段の定義、使用、特徴付けがないかぎり、本明細書中で使用されている用語（技術用語や科学用語を含む）は、当業界に関して受け入れられている意味に適合する意味を有するものと解釈され、本明細書中でそのように明確に定義されていないかぎり、理想的または過剰に正式な意味には解釈しないものとする。たとえば、特定の構成要素の記載がある場合、この構成要素は、実際的で不完全な現実が当てはめられるかもしれないため、完全にではなく、実質的に純粋でありえ、たとえば、少なくとも微量の不純物（たとえば、１または２重量％または体積％未満）の存在の可能性もその説明の範囲内であると理解でき、同様に、特定の形状についての記載がある場合、この形状には、たとえば機械加工の誤差による理想的形状より不完全な変形も含まれるものとする。
【００１４】
本明細書において、第一の、第二の、第三の、等々の用語を様々な要素の説明のために使用されることがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されない。これらの用語は単純に、１つの要素を他の要素から区別するために使用される。それゆえ、後述の第一の要素を第二の要素ということもでき、これも例示的実施形態の教示から逸脱しない。
【００１５】
空間的相対的用語、たとえば「上（ａｂｏｖｅ、ｕｐｐｅｒ）」、「下（ｂｅｎｅａｔｈ、ｂｅｌｏｗ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」その他は、本明細書においては、図に示された状態の１つの要素の他の要素に対する関係を説明するための簡便な説明方法として用いられることがある。当然のことながら、空間的相対的用語および図の構成は、本明細書に記載され、図に描かれている向きのほかにも、使用時または動作時の様々な向きも包含することが意図されている。たとえば、図の装置の上下を逆にすれば、他の要素または特徴の「下（ｂｅｌｏｗ、ｂｅｎｅａｔｈ）」と説明された要素は、今度は他の要素または特徴の「上（ａｂｏｖｅ）」の方向となる。それゆえ、たとえば「上（ａｂｏｖｅ）」という用語は、上下両方の向きを包含する可能性があり、装置は別の向きにもでき（たとえば、９０度回転させ、または他の向きにする）、本明細書で使用されている空間的相対的説明は相応に解釈される。
【００１６】
またさらに、本願において、要素が他の要素の「上にある（ｏｎ）」、「それに接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」または「それに連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」と記載されている時、これは別段のことわりがないかぎり、直接、当該他の要素の上にあり、これに接続され、またはこれに連結されても、または介在要素が存在してもよい。
【００１７】
本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を説明するためであり、例示的実施形態を限定するためのものではない。本明細書において、“ａ”、“ａｎ”等の単数形は、文脈上、明らかに他の解釈が必要な場合を除き、複数形も含むことが意図される。これに加えて、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、具体的に記された要素またはステップの存在を明示しているが、１つまたは複数のその他の要素またはステップの存在または追加を排除するものではない。
【００１８】
等時性サイクロトロンのある実施形態を、図１〜１０に、様々な面から、および様々な断面を通じて示す。等時性サイクロトロンは磁気ヨーク１０を含み、これは各々が磁極キャップ４１と、磁極ベース５４と、複数の螺旋形磁極先端５２と、を含む１対の磁極３８と４０と、リターンヨーク３６と、を有し、これらがイオン加速のための加速メディアンプレーンの一部を含むビームチャンバ６４の少なくとも一部を収容する。磁極３８と４０は、加速メディアンプレーンを挟んで略鏡面対称であり、リターンヨーク３６によって磁気ヨーク１０の周辺で接合される。
【００１９】
図１、２、４に示されるように、等時性サイクロトロンのヨーク１０は、熱伝導率の低い組成物、たとえばエポキシガラス複合材、炭素複合材または薄肉金属（たとえばステンレススチール）構造で形成された構造的スペーサ８２によって支持され、位置付けられ、スペーサ延長部８３が外側クライオスタット６６と中間熱シールド８０（たとえば、４５Ｋ）の間の入り組んだ構造的通路を形成してそれらの間の熱伝達を制限しており、これは、スペーサ８２とスペーサ延長部８３が外側クライオスタット６６（たとえば、ステンレススチールまたは低炭素スチールで形成され、内部空間内に真空バリアを提供する）と熱シールド８０（たとえば、銅またはアルミニウムで形成される）との間の構造的支持手段となるからである。圧縮ばね８８が、中間熱シールド８０とその中に収容される等時性サイクロトロンを圧縮された状態に保持する。
【００２０】
１対の超伝導磁気コイル１２と１４（すなわち、磁場を生成できるコイル）が磁気ヨーク１０の、それぞれ上下の磁極３８と４０およびリターンヨーク３６の中に収容され、それらと接触しており（すなわち、クライオスタットまたは自由空間によって完全に分離されていない）、それによって、ヨーク１０が超伝導磁気コイル１２と１４を支持し、それらと熱接触する。その結果、超伝導磁気コイル１２と１４は、外的な偏心力を受けず、超伝導磁気コイル１２と１４をクライオスタット６６内の中央に保持するための引張リンクが不要である。代替的な実施形態において、磁気コイル１２と１４はヨーク１０と直接熱接触していなくてもよく、その場合、極低温冷凍装置２６が磁気コイル１２、１４とヨーク１０を別々に冷却することができる（たとえば、コイル１２と１４を４Ｋの極低温冷凍装置の第二段目に熱連結でき、その一方で、ヨークを４０Ｋの極低温冷凍装置の第一段目に熱連結できる）。他の実施形態では、熱連結には、コイル１２、１４とヨーク１０の間に設置された熱バリアを含めることができ、それによってヨークを５０Ｋまたはそれ以下に冷却できるが、コイル１２、１４とヨーク１０との間に温度差を発生させる。また別の実施形態において、熱結合には、極低温冷凍装置２６と熱接触し、またヨーク１０とコイル１２、１４とも熱接触して各々を冷却する液体窒素を含めることができる。
【００２１】
超伝導コイル１２と１４には電流リードを介して電流が供給され、リードは電圧源に連結され、リードポート１７を通じてクライオスタット内に延ばされて、コイル１２と１４と熱結合される低温導電性リードリンク５８に電流を供給する。
【００２２】
磁気コイル１２と１４は超伝導ケーブルまたはケーブル・イン・チャネル型導体を含み、その個々のケーブル素線は、直径０．３ｍｍ〜１．２ｍｍ（たとえば０．６ｍｍ）で、巻き回されて、たとえば合計４００万〜６００万アンペアターンの電流容量を提供する。各素線の超伝導電流容量が１，０００〜２，０００アンペアのケーブル・イン・チャネル型導体の１つの実施形態では、素線を３，００００回巻いてコイルにし、コイル内で３〜６００万アンペアターンの容量が提供される。他の実施形態では、１本の素線からなるケーブルが１００〜４００アンペアの容量を持ち、約１００万アンペアターンを供給できる。一般にコイルは、超伝導素線の臨界電流容量を超えずに、所望の磁場レベルに必要な数のアンペアターンを生成するのに必要な回数の巻きで設計できる。超伝導材料は、低温超伝導体、たとえばニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブスズ（Ｎｂ３Ｓｎ）、またはニオブアルミ（Ｎｂ３Ａｌ）であってもよく、具体的な実施形態では、超伝導材料は第ＩＩ種超伝導体、具体的にはＡ１５結晶相のＮｂ３Ｓｎである。高温超伝導体、たとえばＢａ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８、Ｂａ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０、ＭｇＢ２またはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘもまた使用できる。
【００２３】
コイルは、超伝導体のケーブルまたはケーブル・イン・チャネル型導体から直接形成できる。ニオブスズの場合、反応させていないニオビウムとスズの素線（３：１のモル比）を巻き回してケーブルにしてもよい。次にこのケーブルを約６５０℃の温度に加熱し、ニオビウムとスズを反応させてＮｂ３Ｓｎを生成する。Ｎｂ３Ｓｎケーブルを次に、Ｕ字形の銅製チャネル内にはんだ付けし、複合材導体を形成する。銅製チャネルは、機械的支持手段、急冷中の温度安定性を提供し、超伝導材料がノーマル状態の（すなわち、超伝導状態でない）時の電流伝導路となる。次にこの複合材導体をガラスファイバで被覆した後、外被の中で巻き回す。たとえばステンレススチールで形成されたストリップヒータを複合材導体の巻線層間に挿入して、磁石が急冷された時に高速加熱し、また急冷後のコイルの半径方向の断面にわたる温度バランスをとることによって、コイルに損傷を与える可能性のある熱および機械的応力を最小限にすることもできる。巻き回した後に真空を加え、巻き回された複合材導体構造にエポキシを浸透させて、最終的なコイル構造の中のファイバ／エポキシ複合材フィラを形成する。それによって得られたエポキシ／ガラス複合材の中には、巻き回された複材料導体が埋め込まれており、電気的絶縁と機械的剛性が提供される。このような磁気コイルの特徴とその構成については、米国特許第７，６９６，８４７  Ｂ２号明細書と米国特許出願公開第２０１０／０１４８８９５  Ａ１号明細書に記載され、図示されている。
【００２４】
他の実施形態において、コイル１２と１４は、個々の素線（細く丸いワイヤ）から作製し、エポキシを用いて湿式法で巻き回してから硬化させるか、または乾式法で巻回し、巻き回しの後に浸透させて、複合材コイルを形成することができる。
【００２５】
各コイル１２／１４は、エポキシ−ガラス複合材の追加のグラウンドラップ外層と、たとえば銅またはアルミニウムで形成されるテープ状フォイルシートのサーマルオーバラップで被覆され、これは米国特許出願第１２／９５１，９６８号明細書に記載されている。サーマルオーバラップは、極低温冷却のための低温導電性リンク５８と、磁極キャップ４１、磁極ベース５４、リターンヨーク３６の両方と熱接触するが、サーマルオーバラップと磁極キャップ、ベース、リターンヨーク３６との接触は、オーバラップの表面全体にわたっていても、いなくてもよい（たとえば、直接的または間接的接触が、隣接する表面上の限られた数の接触領域に限定されていてもよい）。低温導電性リンク５８とヨーク１０が「熱接触」しているという特徴は、導電性リンク５８とヨークが直接接触しているか、または、たとえばサーマルオーバラップと低温導電性リンク５８の間に、それらと平らに取り付けられて、等時性サイクロトロンの冷却と加温に伴うこれらの構成要素間の熱膨張の差に適応できるようにする１つまたは複数の伝熱性中間材料［たとえば、動作温度での熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい］、を通じて物理的に接触していることを意味する。
【００２６】
低温導電性リンク５８自体はクライオクーラのヒートリンク３７と熱結合され（図１と４〜８に示される）、これ自体はクライオクーラ２６と熱結合される（図１と４〜１０に示される）と熱結合される。したがって、サーマルオーバラップは、クライオクーラ２６、ヨーク１０、超伝導コイル１２、１４の間の熱接触を提供する。
【００２７】
最後に、適当な熱収縮差のフィラ材料をサーマルオーバラップと低温導電性リンク５８の間に、これと平らに取り付けて、磁気構造体の冷却と加温に伴うこれらの構成要素間の熱膨張の差に適応するようにすることができる。
【００２８】
超伝導磁気コイル１２と１４は、加速メディアンプレーン１８の両側において（図１４参照）、ビームチャンバ６４の中の、その内部でイオンが加速される領域を取り囲み、加速メディアンプレーン１８内にきわめて強い磁場を直接発生させる役割を果たす。印加される電圧を介して励起されると、磁気コイル１２と１４はさらにヨーク１０を磁化し、それによってヨーク１０もまた磁場を生成し、これは、磁気コイル１２と１４により直接生成される磁場とは異なるものと見ることができる。
【００２９】
磁気コイル１２と１４は、イオンが加速される加速メディアンプレーン１８の上下の等距離の位置において、中心軸１６に関して実質的に（方位角に応じて）対称に配置される。超伝導磁気コイル１２と１４は、少なくとも１対のＲＦ加速電極板４９と周囲の超絶縁層がビームチャンバ６４内でそれらの間に延びるのに十分な距離だけ離間され、その内側では室温またはその付近の温度（たとえば、約１０℃〜約３０℃）を保持することができる。各コイル１２／１４は、設計された動作温度、一般に４〜４０Ｋの範囲で超伝導状態となる導電材料の連続的経路を含むが、２Ｋ以下でも動作でき、その場合、さらに高い超伝導性能と利益が得られる。サイクロトロンをより高温で動作させようとするのであれば、超伝導体、たとえばビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）またはＭｇＢ２を使用できる。
【００３０】
１２．５−ＭｅＶのビームを発生させるように設計される本願の小型低温サイクロトロンは、コイルの内側半径を約１０ｃｍ、断面積を幅３．５ｃｍ、高さ６ｃｍ（図１と２の方向）とすることができる。コイル１２と１４はまた、加速メディアンプレーンの両側で１９８ｍｍの距離だけ分離させることができる。等時性サイクロトロンは、コイルと磁気構造の残りの部分の半径を大きくすることによって、より高い電圧でイオンを加速させるように拡張することができる。この装置はまた、陽子より重いイオン用に拡張することもでき、これに関して、磁石の大きさと磁場強度が同じであれば、より重いイオン（たとえば、重水素またはそれより重いもの）の加速後の全エネルギーは加速陽子のエネルギーの半分未満か半分となるため、より重いイオンについては、その磁石構造が提供できる垂直集束と半径に伴う磁場の増分は減少する。
【００３１】
磁場が強ければ磁気構造を例外的に小さくすることができる。１つの実施形態において、磁気ヨーク１０の外側半径は、中心軸１６から磁気コイル１２と１４の内縁への半径ｒの約２．４倍であり、磁気ヨーク１０の高さ（中心軸に平行に測定）は半径ｒの約２倍である。
【００３２】
磁気コイル１２と１４とヨーク１０［リターンヨーク３６、磁極キャップ４１、磁極ベース５４（磁性材料で形成されている場合）、セクタ磁極先端５２を含む］の全体で、加速メディアンプレーン１８の中のイオン導入のための内側半径で少なくとも６テスラの合成磁場を生成し、半径が大きくなるにつれて、より強い磁場となる。磁気コイル１２と１４は、そこに超伝導磁気コイル１２と１４を流れる連続的な超伝導電流を発生させ、維持するための電圧が印加されると、加速メディアンプレーン内の磁場の大半、たとえば３テスラ以上を発生させることができる。ヨーク１０は、超伝導磁気コイル１２と１４によって生成されたこの磁場によって磁化され、チャンバ内でイオンを加速させるために生成される磁場を、さらに３テスラまたはそれ以上（磁極先端が希土類強磁性体で形成される場合）発生させることができる。
【００３３】
磁場成分は両方とも（すなわち、コイル１２と１４から直接生成される磁場成分と磁化されたヨーク１０によって生成される磁場成分の両方）、図１２に示されるように、加速メディアンプレーン１８を、加速メディアンプレーン１８に対して略垂直に通過する。しかしながら、チャンバ内の加速メディアンプレーン１８で十分に磁化されたヨーク１０によって生成される磁場は、磁気フラッタ磁極先端においても、加速メディアンプレーン１８で磁気コイル１２と１４によって直接生成される磁場より小さい。ヨーク１０は加速メディアンプレーン１８に沿って磁場を成形するように構成され、ビームチャンバ６４内で半径が中心軸１６からイオン引き出し位置の半径へと大きくなるにつれて磁場が強くなり、加速中の相対論的粒子質量増加が補償されようにする。
【００３４】
イオンの加速を持続するための電圧は常に、電流リード４７を介して１対の半円形の高電圧電極板４９に供給され、これらはビームチャンバ６４の内部で加速メディアンプレーンの上下で、それに平行に配置される。ヨーク１０は、ビームチャンバ６４と、真空フィードスルー６２を通って延びる電極装置４８のため十分な空間を提供するように構成される。電極装置は、導電性金属で形成される。代替的な実施形態において、中心軸１６に関して１８０°離間された２つの電極を使用することができる。２つの電極を備える装置を使用することによって、軌道を回るイオンの１周回あたりのゲインをより高くし、イオン軌道のセンタリングを改善することができ、それによって振動が減り、より高品質のビームが生成される。ＲＦ電流リード４７に沿ってＲＦ高電圧フィードスルー４２が使用され、これがディー電極４９を励起して、サイクロトロンの周波数またはサイクロトロンの周波数の整数倍の振動電圧を発生させる。
【００３５】
動作中、超伝導磁気コイル１２と１４は「乾燥」状態に保持することができ（すなわち、冷媒液体内に浸漬しない）、むしろ磁気コイル１２と１４を１つまたは複数の極低温冷凍装置２６（クライオクーラ）によって、超伝導体の臨界温度以下の温度（たとえば、臨界温度マイナス５Ｋ、または場合によっては臨界温度マイナス１Ｋ未満）まで冷却できる。他の実施形態においては、コイルを液体寒剤と接触させて、コイル１２と１４から極低温冷凍装置２６へと熱が伝わるようにすることができる。磁気コイル１２と１４が極低温（たとえば、組成物に応じて４Ｋ〜３０Ｋの範囲）に冷却されると、クライオクーラ２６、磁気コイル１２と１４、ヨーク１０の間の熱接触によってヨーク１０も同様に略同じ温度まで冷却される。
【００３６】
クライオクーラ２６は、Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ冷凍サイクルの圧縮ヘリウムを使用しても、または、より高温の第一段目８４とより低温の第二段目８６（図５と６に示される）を有するパルス管型冷凍機としてもよい。クライオクーラ２６の、より低温の第二段目８６は約４．５Ｋで動作でき、ヒートリンク３７と５８を介して熱結合され、これには超伝導磁気コイル１２と１４の中の複合材導電体の両端と、コイル１２と１４を通る電流を駆動するための電圧源に接続されたワイヤを含む低温超伝導電流リード（たとえば、ＮｂＴｉで形成される）が含まれる。クライオクーラ２６は、低温導電性リンク５８とコイル１２／１４の各々を、各コイル内の導電体が超伝導状態となる温度（たとえば、約４．５Ｋ）まで冷却することができる。あるいは、より高温の超伝導体が使用される場合、クライオクーラ２６の第二段目８６は、たとえば４〜３０Ｋで動作できる。
【００３７】
クライオクーラ２６のより高温の第一段目８４は、たとえば４０〜８０Ｋの温度で動作でき、中間熱シールド８０と熱連結でき、これがしたがって、たとえば約４０〜８０Ｋまで冷却されて、磁石構造体（ヨーク１０とその中に含まれるその他の構成要素を含む）と、室温（たとえば、約３００Ｋ）でありうるクライオスタット６６との間の中間温度バリアとなる。図１、２、４、８〜１０に示されるように、クライオスタット６６は、円筒形の側壁のそれぞれの端のクライオスタット底板６７とクライオスタット天板６８を含む。クライオスタットはまた、真空ポート１９（図１、４、５に示される）を含み、そこに真空ポンプを連結して、クライオスタット６６の内部を高真空にし、それによってクライオスタット６６、中間熱シールド８０、磁石構造体１０の間の対流熱伝達を制限することができる。クライオスタット６６、熱シールド８０、ヨーク１０は各々、伝導性熱伝達を最小限にする量だけ相互に離間され、絶縁スペーサ８２によって構造的に支持される。
【００３８】
磁気ヨーク１０は、超伝導コイル１２と１４によって生成された磁束をビームチャンバ６４に運ぶ磁気回路を提供する。磁気ヨーク１０を通る磁気回路（特に、セクタ磁極先端５２によって提供される、方位角により変化する磁場）はまた、ビームチャンバ６４の中でイオンを強力に集束させるように磁場を成形する。磁気回路はまた、磁束のほとんどを磁気回路の外側部分に含めることによって、ビームチャンバ６４の中の、イオンが加速する部分の磁場レベルも高める。特定の実施形態において、磁気ヨーク１０（希土類磁石で形成可能な磁極先端５２を除く）は低炭素スチールで形成され、コイル１２と１４および、ビームチャンバ６４の周囲にある、たとえばアルミナイズマイラポリエステルフィルム（ＤｕＰｏｎｔより入手可能）と紙で形成される内側超絶縁層を取り囲む。純鉄は脆弱すぎる可能性があり、それが有する弾性係数は低すぎるかもしれないため、鉄には十分な量の炭素およびその他の元素を注入することによって、所望の磁気レベルを保ちながら、十分な強度を与えるか、剛性を弱めることができる。代替的な実施形態において、外側のヨークをガドリニウムで形成してもよい。
【００３９】
たとえば図１０に示されるような小型低温超伝導等時性サイクロトロンの特定の実施形態において、加速メディアンプレーンの両側の磁気フラッタ磁極先端５２間の距離は約５６ｍｍとすることができ、突出部５６を除く各磁極ベース５４の高さ（本明細書における「高さ」は、図の向きで縦方向に測定する）は約８４ｍｍとすることができる。その一方で、各磁極キャップ４１の高さは約４０ｍｍとすることができる。ビームチャンバ６４は、高さ４２ｍｍ、幅２３０ｍｍとすることができる。コイル１２と１４は各々、内径約２０２ｍｍ、外径約２３０ｎｍ、高さ６０ｍｍとすることができる。
【００４０】
特定の実施形態において、磁極キャップ４１と磁極ベース５４は鉄で形成され、その一方で磁極先端５２は、特に強い磁力を提供できる希土類金属（たとえば、ホルミウム、ガドリニウム、またはジスプロシウム（ｄｉｓｐｒｏｓｉｕｍ））で形成できる。磁極先端５２が希土類磁石で形成される場合、加速メディアンプレーンでは９テスラの磁場を生成できる（これに対して、磁極先端が鉄で形成された場合は６〜８テスラ）。特定の実施形態において、磁極ベース５４および／または磁極キャップ４１は希土類磁石でも形成できる。いくつかの実施形態において、磁極ベース５４を非磁性材料（たとえば、アルミニウム）で形成し、磁極先端５２を「浮揚」させ、磁極先端５２が非磁性材料によってヨーク１０の残りの部分から空間的に分離され、磁極先端５２の磁気飽和が促進されるようにする。図の実施形態は、加速メディアンプレーンの両側に３つずつの磁極先端５２を含んでいるが、他の実施形態には、加速メディアンプレーン１８の各面に、等間隔で設けられた、たとえば４つ、または６つずつの磁極先端５２を含めることができる。
【００４１】
螺旋形磁極先端５２はセクタ磁石として、方位角によって変化する磁場を提供し、この螺旋形は磁場の変動（すなわち、「フラッタ」）を大きくする。螺旋形磁極先端５２は図１０と１１に示されるように、先端５２の、加速メディアンプレーン１８に向かって内側に面する表面とは反対の外面上に切欠き（窩洞）５５を有することができる。これらの切欠き５５によって、半径が大きくなると磁場が強まり、所望の半径方向磁場プロファイルを得ることができ、すなわち、切欠き５５から磁極先端５２の外側半径までの磁極先端５２の高さ（ｚ方向に、中心軸に平行に測定）の増分が大きいほど、半径に伴う磁場の増分が大きくなる。）磁極ベース５４（たとえば、アルミニウムで形成される）の、磁極先端に接する表面は相補的な形状とすることができ、それによって磁極ベース５４の内面のセクタは加速メディアンプレーンに向かって延び、図１０に示されるように、磁極先端５２の切欠き５５に嵌る。
【００４２】
図１１で提供される、磁気フラッタ磁極先端５２の拡大図に示されているように、先端５２の３つの主要な階段の高さは２５ｍｍ、３５ｍｍ、５０ｍｍ（図１１の左から右に）であり、これら３つの階段の半径方向の幅（最も内側の先端表面から最も外側の先端表面へと水平に測定）は７４ｍｍ、３９ｍｍ、１９ｍｍである。
【００４３】
イオンは、ヨークの中心軸に近接して（すなわち、それからわずかにずれて）位置付けられた内部イオン源５０（図３と７に示される）により発生させても、または、イオン入射構造を介して外部イオン源から供給してもよい。内部イオン源５０の一例はたとえば、電圧源に連結され、水素ガス源に近接された加熱陰極であってもよい。加速器電極板４９は、導電性通路を介して高周波電圧源に連結され、これが一定の周波数の振動電場を発生させて、イオン源５０から放出されたイオンを、ビームチャンバ６４の中で中心軸から外側へと拡張する軌道で加速させる。イオンはまた、この平均軌道の周囲で垂直振動する。平均半径の周囲でのこのような小さな振動はベータトロン振動として知られ、これらは加速イオンの特定の特徴を決定する。
【００４４】
軸および半径方向イオンビームプローブ２０は内部の第二のビームターゲット２４と共に、図７、１６、１８に示されるように、クライオスタット６６の側面にあるアクセスポート２２を通じてヨーク１０を通るように延ばすことができる。軸および半径方向イオンビームプローブ２０は、等時性サイクロトロンの診断評価中に、加速イオンの半径に対する電流を測定する。等時性サイクロトロンの正常動作中は、軸および半径方向イオンビームプローブ２０を中心軸から離すように引っ込め、加速イオンの経路の外に出して、イオン加速を妨害しないようにする。
【００４５】
内部の第二のビームターゲット２４は図１６と１７にさらに示されており、交換可能な液体（たとえば、Ｈ２Ｏ）、固体（たとえば、１１Ｂ）、または気体（１４Ｎ２）のターゲット９２を含み、これは、等時性サイクロトロンの中で加速された後の外側軌道９４からの陽子と衝突すると、二次イオン（たとえば、１３ＮＨ３）を生成し、この二次イオンは、ターゲット９２からビームチャンバアクセスポート２２を通って延びる導管９６を通じてビームチャンバ６４から取り除かれる。
【００４６】
代替的な実施形態において、図１８と１９に示されるように、加速したイオンは、周辺磁石８９（磁場を局所的に増強する）を備えるその外側軌道９４から経路９３に沿って引き出され、その後、四重極磁石９０で集束されて、ビームチャンバアクセスポート２２の通路９７を通じてビームチャンバ６４の外へと導かれる。
【００４７】
ビームチャンバ６４とディー電極板４９は、放熱する電極装置４８と極低温で冷却される磁気ヨーク１０の間を断熱する前述の内部超絶縁層の内側にある。電極板４９はしたがって、磁気ヨーク１０と超伝導コイル１２と１４の温度より少なくとも４０Ｋ高い温度で動作することができる。図３に示されるように、電極板４９は、ビームチャンバ６４の内側にある外側アース板７９（たとえば銅の裏打ちの形態）の中に収容され、電極板４９の縁辺とアース板の縁辺の間の空間７８（図７に示される）が加速ギャップの役割を果たす。
【００４８】
加速システムビームチャンバ６４とディー電極板４９は一例をあげると、たとえば１０〜８０ｋＶの一定の加速電圧Ｖ０で１２．５−ＭｅＶの陽子ビーム（電荷＝１、質量＝１）を生成するような大きさとすることができる。ビームチャンバ６４は、高さ４２ｍｍ、幅２３０ｍｍとすることができる。強磁性鉄製磁極３８と４０およびリターンヨーク３６は、組立と保守が容易となるように分割構造として設計され、ヨークの外側半径は、中心軸からコイル１２と１４の内側半径までの磁極の半径ｒｐの約２．４倍またはそれ以下（たとえば、ｒｐが１０ｃｍであれば約２４ｃｍ）、その全高は約２ｒｐ（たとえば、ｒｐが１０ｃｍであれば約２０ｃｍ）である。
【００４９】
動作中、１つの実施形態において、電圧（たとえば、前述のように、コイルの巻きが１，０００である実施形態の各巻きで少なくとも７００Ａの電流を発生させるのに十分な電圧）を、導電性リンク５８の中の電流リードを介して各コイル１２／１４に印加することができ、それによって発生されるコイル１２、１４とヨーク１０からの合成磁場は、たとえば、コイルが４．５Ｋである時に加速メディアンプレーン１８の中心軸に近接するイオン源において少なくとも６テスラである。他の実施形態において、コイルの巻き回しの数を大きくすることができ、また電流を小さくすることができる。この磁場には、十分に磁化された鉄製磁極３８と４０（セクタ磁極先端５２を含む）からの少なくとも約２テスラが含まれ、この磁場の残り（たとえば、少なくとも約４テスラ）はコイル１２と１４によって生成される。
【００５０】
したがって、このヨーク１０およびコイル１２と１４はイオン加速に十分な磁場を生成させる役割を果たす。イオンのパルスはイオン源により、たとえば電圧パルスを加熱された陰極に印加して、電子が陰極から水素ガス中へと放出されるようにすることによって生成でき、電子が水素分子と衝突すると陽子が発生する。ビームチャンバ６４は、たとえば１０−３気圧未満の真空圧力まで真空化されるが、低圧の維持を可能にしながら、依然として十分な数の陽子を生成できるのに十分な数の気体分子を提供するだけの量の水素が導入、調整される。
【００５１】
この実施形態において、電極源（たとえば、高周波数発振回路）は、ＲＦ加速器電極装置４８の電極板４９にわたり、たとえば１０〜８０キロボルトの交流または振動電位差を保持する。ＲＦ加速器電極板４９によって生成される電場は一定の周波数（たとえば、６０〜１４０ＭＨｚ）であり、これは中心軸で４〜９テスラの磁場強度について加速させるべき陽子のサイクロトロン軌道周波数のそれとマッチする。電極板４９によって生成される電場は、移動するイオンを電極板の内側の領域の略中心部に保持する集束作用を生み、電極板４９からイオンに供給される電場インパルスは、放出され、軌道を描くイオンの速度を累積的に増大させる。それによってイオンがその軌道内で加速されると、イオンは電場の振動と共鳴して、またはそれと同時に、中心軸から外側に向かって螺旋を描き、回転を続ける。
【００５２】
具体的には、電極板４９は、周回しているイオンの、そのイオンが電極装置４８から離れた時のそれと反対の電荷を有し、反対符号の電荷の引力によって、イオンをそのアーチ状の経路で電極装置４８へと引き付ける。電極装置４８には、イオンの、そのイオンがその電極板間を通過している時のそれと同じ符号の電荷が供給され、同符号の電荷の反発力によって、イオンをその軌道に再び送り返し、このサイクルが繰り返される。イオンは、その経路に対して直角の強い磁場の影響を受けて、電極板４９間を通る螺旋状経路の中で導かれる。イオンが徐々に外側に向かって螺旋を描くと、イオンの運動量がその軌道の半径の増大に比例して増大し、最終的にイオンは外側半径９４に到達し、そこで、これは磁気偏向システム（たとえば、図１８と１９に示される周辺磁石８９を含む）によって、四重極磁石９０により画定される回収チャネルの中へと磁気的に偏向され、これによってイオンは磁場から外方向に逸れて、サイクロトロンから（パルスビームの形態で）、たとえば外側のターゲットに向かって引き出される。
【００５３】
等時性サイクロトロン（本明細書に記載したものを含む）は、シンクロサイクロトロンとは多くの基本的な点において異なる。第一に、等時性サイクロトロンの加速周波数は一定であるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの加速周波数は、荷電粒子が、それが導入される内側半径から引き出される外側半径へと螺旋状に外側に向かって加速されると低下する。第二に、等時性サイクロトロンの内側の磁場は、加速した粒子内の相対論的質量増大に対応するように、半径の増大に伴って強まるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの中の磁場は反対に、半径の増大に伴って弱まる。第三に、等時性サイクロトロンの加速面の磁場は非対称であり、これは磁場がセクタ磁石によって方位角により変化するためであるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの加速面の磁場は反対に、実質的に円対称である。
【００５４】
平均磁場Ｂｚ（ｒ）は、半径ｒの関数としてＢｚ（ｒ）≡γ（ｒ）Ｂｚ（０）で定義でき、式中、γ（ｒ）は半径に関する加速による粒子質量増大の相対論的因子、Ｂｚ（０）はイオンが導入される内側半径での平均磁場である。換言すれば、磁場Ｂｚ（ｒ）は、半径が増大すると相対論的因子γ（ｒ）の増大に比例して強まる。相対論的因子γは次の
0006021232.tif 000002
のように計算することができ、式中、Ｔはイオンの運動エネルギー、Ｅ０はイオンの静止質量エネルギーであり、ｍ０ｃ２と等しく、ただしｍ０はイオンの静止質量、ｃは光の速度である。陽子の静止質量エネルギーＥ０は９３８．２７ＭｅＶである。
【００５５】
本明細書に記載の小型低温超伝導等時性サイクロトロンは、１２．５ＭｅＶの陽子を生成するために使用された場合、加速した陽子が引き出される外側半径におけるその相対論的因子は、γｆｉｎａｌ＝１＋１２．５ＭｅＶ／９３８．３ＭｅＶ＝１．０１３とすることができる。このように低い相対論的因子γでは、イオンの加速に対する相対論の影響は、たとえばγｆｉｎａｌが１．２７であった過去の等時性サイクロトロンの設計と比較して相対的に小さい。しかしながら、低温鉄等時性サイクロトロンは、高い陽子ガンマにも応用できる。
【００５６】
等時性磁場Ｂｚにおける加速したイオンの縦方向の運動（図１２に示されるように、加速メディアンプレーン１８に垂直）は、半径が大きくなるにつれて増大し
0006021232.tif 000003
磁場インデックスパラメータｎを
0006021232.tif 000004
として表現でき、Ｂ＝γＢ０であるが、本来的に安定していないため、古典的サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンの弱集束は適用されない。したがって、方位角によって変化するｚ方向への磁力Ｆｚ（すなわち、Ｂｚはθの関数として変化する。本明細書で使用される座標系の例示的参考として図１３を参照）を使って、複数のセクタの中のｚ方向の復元力が提供され、これはイオンを加速メディアンプレーン１８に押し戻し、したがって、加速したイオンの強集束を維持する。この、方位角によって変化する復元力は、図１４に示されるように、等時性サイクロトロンにおいて、磁気フラッタ磁極先端５２を介して提供される。
【００５７】
角度θの範囲にわたる磁極プロファイルを表したもの（すなわち、イオンが軌道内で移動した磁極プロファイルをあたかも平らに広げて、一定の半径でのｚとθの方向の図を直線的に表現したかのようなもの）が図１４に示されており、これは、等時性サイクロトロンの内側の１つの軌道の中で加速したイオンが移動した軌道に沿ったプロファイルと略一致する。図１４に示されるように、磁極先端５２間にはｚ方向の比較的強い磁場（縦の矢印で示される）が生成され、谷５３間にはｚ方向の比較的弱い磁場が生成される。
【００５８】
磁気フラッタ磁極先端５２によって提供される磁気フラッタｆは、次のように表現される。
0006021232.tif 000005
である。
【００５９】
フラッタ磁場の二乗平均平方根Ｆは、以下のように表現できる。
0006021232.tif 000006
磁極が螺旋エッジ角を有する場合、加速したイオンを軸方向に安定した状態に戻すフラッタ磁場補正は、次式、
0006021232.tif 000007
で表現される。この式中、ｖｚはｚ方向への加速イオンの振動周波数、ζは図６に示されるように、螺旋形のフラッタ磁極先端５２の螺旋エッジの角度である。螺旋エッジの角度ζのタンジェントは、次のように表現できる。
0006021232.tif 000008
【００６０】
他の実施形態では、セクタ磁極先端５２は図１５に示されるようなパイ（楔）形とすることができる。これらの磁極先端５２の各々の周辺は、超伝導コイルのリング７２の形態であり、その入力および出力電流リードは電圧源に連結されて、超伝導コイルリング７２の中に電流を発生させ、それによって強磁場を生成する。各磁極先端５２の超伝導コイルリング７２への、およびそこからの電流リードは電圧源に直列に結合できる。これらの磁極先端５２の、超伝導コイルによって取り囲まれている内側部分は、たとえば鉄または希土類磁石によって形成できる。
【００６１】
等時性サイクロトロンにおいて、Ｂｚは半径と共に強まり、これは加速したイオンの質量が増大するからであり、γ＝ｍ／ｍ０であり、その一方で、十分なフラッタが提供されてυｚ２＞０となり、この場合、
0006021232.tif 000009
である。螺旋フラッタ先端により提供される強集束によって、加速中のイオンが加速メディアンプレーン１８の、またはその付近の安定した軌道の中に保持される間に、等時性サイクロトロン内のイオン加速は、半径に伴うエネルギー利得率を平均磁場の増大と一致させることによって達成される。エネルギー利得は、位相安定性がないため、正確に制御される。
【００６２】
位相安定性がないことを確認するために、イオンが外側に向かって加速する時の、位相安定性の高い加速を維持するための回転周期の分数変化率を次のように表現することができる。
0006021232.tif 000010
式中、αは運動量縮約率（半径に関して運動量がどれだけ変化するか）、ｐはイオンの運動量である。この式では、０≦α≦１、γ≧１である。Ｂ＝γＢ０の時、α＝γ２となり、
0006021232.tif 000011
であるため、ｄτ／τ＝０となる。周期と運動量の間に関係がなく、位相安定性がない。ここで、周回１回あたりのイオンのエネルギー利得は、加速メディアンプレーン内で生成される磁場のプロファイルによって決まり、イオンが等時性サイクロトロンの中で加速される周回（軌道）の数は、等時性サイクロトロンの設計よって一定とされる。オペレータは、イオン電荷ｑ、イオンの静止質量ｍ０、角周波数ｖ０、イオンの運動エネルギーＴを選択できる。すると、等時性サイクロトロン内の１回転あたりの瞬間エネルギー利得、１周回あたりのΔＴ１が一定となり、
ΔＴ１＝ｇｑＶｅｓｉｎφ  （６）、
であり、式中、ｇは加速ギャップの数（たとえば、１８０°のディーの場合、ｇは２）、ｑは加速したイオンの電荷、Ｖｅは電極電圧、φ＝ωｔ−θであり、ωはイオンの角速度、ｔは時間、θはサイクロトロン内のイオンの角座標である。したがって、ｓｉｎφは、イオンが加速ギャップを飛び越えた時の正弦波電圧の数値を決定する。
【００６３】
本発明の実施形態の説明において、具体的な用語は明確にするために使用されている。説明の目的において、具体的な用語は少なくとも、同様の結果を実現するために同様の方法で動作する技術的および機能的均等物を含むことが意図される。これに加えて、本発明の具体的な実施形態が複数のシステム要素または方法ステップを含むいくつかの例においては、これらの要素またはステップを１つの要素またはステップと置き換えてもよく、同様に、１つの要素またはステップを同じ目的を果たす複数の要素またはステップに置き換えてもよい。さらに、本発明の実施形態に関して各種の特性に関するパラメータが本明細書中に明記されている場合、これらのパラメータは、特に別段のことわりがないかぎり、１／１００、１／５０、１／２０、１／１０、１／５、１／３、１／２、３／４等だけ（または２、５、１０倍等に）、または四捨五入による近似値だけ上方または下方に調整できる。さらに、本発明は、その特定の実施形態に関連して図と文で説明されているが、当業者であれば、形態と詳細事項に様々な置換と改変を行うことができ、それらも本発明の範囲から逸脱しないことを理解するであろう。またさらに、他の態様、機能、利点も本発明の範囲内に含まれ、本発明のすべての実施形態が、必ずしも上記の利点のすべてを達成する、または上記の特徴の全部を有するとはかぎらない。これに加え、本明細書において１つの実施形態に関連して述べられたステップ、要素、特徴は同様に、他の実施形態に関連しても使用できる。本文中全体で引用された参考文献、雑誌の記事、特許、特許出願等の参考文献の内容は、その全体が参照によって本願に援用され、これらの参考文献からの適当な構成要素、ステップ、特徴は、任意選択的に本発明の実施形態に含まれていてもいなくてもよい。またさらに、「背景技術」の項で特定された構成要素とステップは、本願の一部であり本発明の別の箇所に記載されている構成要素とステップとともに、またはその代わりに使用でき、これらも本発明の範囲内である。方法クレーム中、各種の段階が特定の順序で記載されている場合、参照の便宜上、順序付けられた先行文字が追加されているか否かを問わず、それらの段階は、用語と語句によって明示的または黙示的にことわりがないかぎり、時間的に、記載された順序に限定されないと解釈するべきである。
【図１】
0006021232.tif 000012
【図２】
0006021232.tif 000013
【図３】
0006021232.tif 000014
【図４】
0006021232.tif 000015
【図５】
0006021232.tif 000016
【図６】
0006021232.tif 000017
【図７】
0006021232.tif 000018
【図８】
0006021232.tif 000019
【図９】
0006021232.tif 000020
【図１０】
0006021232.tif 000021
【図１１】
0006021232.tif 000022
【図１２】
0006021232.tif 000023
【図１３】
0006021232.tif 000024
【図１４】
0006021232.tif 000025
【図１５】
0006021232.tif 000026
【図１６】
0006021232.tif 000027
【図１７】
0006021232.tif 000028
【図１８】
0006021232.tif 000029
【図１９】
0006021232.tif 000030