(57)【要約】【課題】小型化を図ると共に、ビームを精度良く引き出すことのできるサイクロトロンを提供する。【解決手段】周方向から見たときに、頂部４４の径方向における中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向内側の端部６１側に設定される第１の基準位置ＳＴ１（側面６３に設定される）との間の距離を第１の距離ｄ１とし、中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向外側の端部５１側に設定される第２の基準位置ＳＴ２（端部５１に設定される）との間の距離を第２の距離ｄ２とした場合、第１の距離ｄ１は、第２の距離ｄ２よりも大きいという関係が成り立つ。これによって、第２マグネティックチャンネル２０を径方向内側へ配置することでリジェネレータ４０に近づけたとしても、リジェネレータ４０で作られる磁場が、第２マグネティックチャンネル２０による荷電粒子のビームＣの引き出しに与える影響を抑制することができる。【選択図】図３
2018060803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を加速するサイクロトロンであって、
周回軌道上の前記荷電粒子のビームを径方向外側へ移動させるリジェネレータと、
前記ビームを、引出軌道へ乗せるマグネティックチャンネルと、を備え、
前記リジェネレータは、前記ビームのメディアンプレーンを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材を備え、
前記リジェネレータ用磁性部材は、径方向における外側に向かうに従って前記メディアンプレーンに近づく部分を有すると共に、前記メディアンプレーンに最も近づく頂部を有する第１の部分を備え、
周方向から見たときに、
前記頂部の径方向における中心線と、前記第１の部分の径方向内側の端部側に設定される第１の基準位置との間の距離を第１の距離とし、
前記中心線と、前記第１の部分の径方向外側の端部側に設定される第２の基準位置との間の距離を第２の距離とした場合、
前記第１の距離は、前記第２の距離よりも大きいことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項２】
前記第２の基準位置は、前記第１の部分の径方向外側の端部に設定されることを特徴とする請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記第１の基準位置は、前記頂部で作られる磁場に対して１／４より大きな磁場を作る位置に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記マグネティックチャンネルは、前記リジェネレータ用磁性部材の径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材を備え、
周方向から見たときに、
前記中心線と、前記マグネティックチャンネル用磁性部材の径方向内側の端部との間の距離を第３の距離とした場合、
前記第１の距離は、前記第３の距離以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
前記リジェネレータ用磁性部材の前記第１の部分の径方向外側の端部は、
前記頂部と径方向外側に隣接し、前記メディアンプレーンに対して垂直をなすと共に当該メディアンプレーンの反対側へ延びており、
前記第２の基準位置は、前記第１の部分の径方向外側の端部に設定されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
前記リジェネレータ用磁性部材は、前記第１の部分よりも径方向内側に、前記メディアンプレーン側に突出する第２の部分を有しており、
前記第２の部分は、当該第２の部分に対して径方向外側に隣接する部分よりも、メディアンプレーン側に突出していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項７】
径方向において、前記マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記リジェネレータ用磁性部材と接触することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項８】
前記マグネティックチャンネルよりも前記ビームの上流側であって、前記リジェネレータよりも前記ビームの下流側に設けられる他のマグネティックチャンネルを更に備え、
前記他のマグネティックチャンネルは、コイルで形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項９】
シンクロサイクロトロンであることを特徴とする請求項１〜８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、荷電粒子を加速するサイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
サイクロトロン（等時性を有するサイクロトロン及びシンクロサイクロトロン）では、イオン源から送られてきた荷電粒子を、磁場と電場との作用により、加速空間内において螺旋状の周回軌道に沿って加速する装置である。周回軌道上の荷電粒子のビームは、リジェネレータを通過することによって径方向外側へ移動し、マグネティックチャンネルや永久四極磁石などを通過することでサイクロトロンの外へ出射される。マグネティックチャンネルは、局所的に磁場を弱くすることによって、ビームを径方向外側へ向かわせ、当該ビームを引出軌道に乗せる機能を有している。このようなサイクロトロンで使用されているリジェネレータの形状として、非特許文献１に示すものが知られている。このリジェネレータは、メディアンプレーン（Median Plane）を挟むように上下一対の磁性部材を有しており、当該磁性部材はメディアンプレーン側へ突出するような凸形状をなしており、発生する磁場は略正規分布となっている（例えば、図６を参照）。このように磁場を高くすることによって共鳴状態とし、ビームを径方向外側へ移動させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】XiaoYu Wu, “Conceptual Design and Orbit Dynamics in a 250 MeV SuperconductingSynchrocyclotron”, Ph. D. Thesis, submitted to Michigan State University
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、近年、サイクロトロンの小型化が要求されている。例えば、サイクロトロンから出射されたビームは、がん細胞の治療などを行うための荷電粒子線治療装置などに用いられるが、このような治療装置の小型化が望まれていることに伴い、サイクロトロンの小型化も要求されている。しかしながら、サイクロトロンを小型化した場合、リジェネレータを通過するビームの周回軌道と、当該リジェネレータと径方向外側に隣り合うマグネティックチャンネルを通過するビームの引出軌道とが近接してしまう。このような場合、リジェネレータで作られる高い磁場がマグネティックチャンネルで作られる磁場に干渉することによって、マグネティックチャンネルを通過するビームの引き出しが良好に行えない可能性がある。一方、マグネティックチャンネルで作られる磁場がリジェネレータで作られる磁場に干渉することによって、共鳴状態が破壊され、ビームを径方向外側へ良好に移動させることができない可能性がある。従って、荷電粒子のビームを精度よく引き出すためには、リジェネレータとマグネティックチャンネルとを径方向においてある程度離間させる必要があり、サイクロトロンの小型化を図ることが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、小型化を図ると共に、ビームを精度良く引き出すことの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】
【０００６】
本発明に係るサイクロトロンは、荷電粒子を加速するサイクロトロンであって、周回軌道上の荷電粒子のビームを径方向外側へ移動させるリジェネレータと、ビームを、引出軌道へ乗せるマグネティックチャンネルと、を備え、リジェネレータは、ビームのメディアンプレーンを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材を備え、リジェネレータ用磁性部材は、径方向における外側に向かうに従ってメディアンプレーンに近づく部分を有すると共に、メディアンプレーンに最も近づく頂部を有する第１の部分を備え、周方向から見たときに、頂部の径方向における中心線と、第１の部分の径方向内側の端部側に設定される第１の基準位置との間の距離を第１の距離とし、中心線と、第１の部分の径方向外側の端部側に設定される第２の基準位置との間の距離を第２の距離とした場合、第１の距離は、第２の距離よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るサイクロトロンによれば、リジェネレータのリジェネレータ用磁性部材は、径方向における外側に向かうに従ってメディアンプレーンに近づく部分を有すると共に、メディアンプレーンに最も近づく頂部を有する第１の部分を備えている。従って、径方向内側から頂部へ至るまでに、磁場が増加してゆく領域を形成することができ、当該領域に荷電粒子線のビームを通過させることで、当該ビームを径方向外側へ移動させることができる。一方、周方向から見たときに、頂部の径方向における中心線と、第１の部分の径方向内側の端部側に設定される第１の基準位置との間の距離を第１の距離とし、中心線と、第１の部分の径方向外側の端部側に設定される第２の基準位置との間の距離を第２の距離とした場合、第１の距離は、第２の距離よりも大きい。すなわち、頂部の中心線よりも径方向外側においては、リジェネレータ用磁性部材の部材量を少なく抑えた構成とすることで、頂部の中心線よりも径方向外側の領域の磁場を低下させることができる。これによって、マグネティックチャンネルを径方向内側へ配置することでリジェネレータに近づけたとしても、リジェネレータで作られる磁場が、マグネティックチャンネルによる荷電粒子のビームの引き出しに与える影響を抑制することができる。以上により、サイクロトロンの小型化を図ると共に、ビームを精度良く引き出すことができる。
【０００８】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、具体的に、第２の基準位置は、第１の部分の径方向外側の端部に設定される。
【０００９】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、第１の基準位置は、頂部で作られる磁場に対して１／４より大きな磁場を作る位置に設定されることが好ましい。第１の部分の径方向内側の端部付近に、リジェネレータ用磁性部材の部材量が少なく、頂部付近の磁場に対する影響が少ない部分が存在していた場合、当該部分を第１の基準位置に設定するのではなく、頂部付近の磁場に対する影響が大きい部分に対して第１の基準位置を設定することができる。これによって、実質的な磁場の影響を考慮して第１の距離と第２の距離の比較を行うことができる。
【００１０】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、マグネティックチャンネルは、リジェネレータ用磁性部材の径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材を備え、周方向から見たときに、中心線と、マグネティックチャンネル用磁性部材の径方向内側の端部との間の距離を第３の距離とした場合、第１の距離は、第３の距離以上であることが好ましい。このように、マグネティックチャンネルのマグネティックチャンネル用磁性部材をリジェネレータ用磁性部材に近づけて配置することで、サイクロトロンの小型化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、リジェネレータ用磁性部材の第１の部分の径方向外側の端部は、頂部と径方向外側に隣接し、メディアンプレーンに対して垂直をなすと共に当該メディアンプレーンの反対側へ延びており、第２の基準位置は、第１の部分の径方向外側の端部に設定されることが好ましい。このような構成とすることにより、頂部よりも径方向外側の領域のリジェネレータ用磁性部材の部材量を少なくすることができるため、当該領域の磁場を低下させることができる。
【００１２】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、リジェネレータ用磁性部材は、第１の部分よりも径方向内側に、メディアンプレーン側に突出する第２の部分を有しており、第２の部分は、当該第２の部分に対して径方向外側に隣接する部分よりも、メディアンプレーン側に突出していることが好ましい。例えば、頂部の中心線よりも径方向内側において、磁場が０よりも小さくなる領域が形成される場合、荷電粒子のビームの周回軌道が歪む場合がある。メディアンプレーン側に突出する第２の部分を設けることで磁場が小さくなることを抑制することによって、径方向内側における磁場をなだらかにすることができ、ビームの周回軌道の歪みを低減することができる。
【００１３】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、径方向において、マグネティックチャンネル用磁性部材は、リジェネレータ用磁性部材と接触することが好ましい。これにより、サイクロトロンを更に小さくすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、マグネティックチャンネルよりもビームの上流側であって、リジェネレータよりもビームの下流側に設けられる他のマグネティックチャンネルを更に備え、他のマグネティックチャンネルは、コイルで形成されていることが好ましい。他のマグネティックチャンネルをコイルで形成することにより、漏れ磁場を小さくすることができ、荷電粒子のビームを引き出し易くすることができる。
【００１５】
また、本発明に係るサイクロトロンは、シンクロサイクロトロンであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小型化を図ると共に、荷電粒子のビームを精度良く引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るサイクロトロンの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るサイクロトロン２の概略構成を示す上面図である。
【図３】磁極、リジェネレータ及び第２マグネティックチャンネルを周方向から見たときの断面図である。
【図４】図３に示すリジェネレータ用磁性部材のメディアンプレーン付近の構造を示す拡大断面図である。
【図５】メディアンプレーンにおける径方向の位置と磁場の関係を示すグラフである。
【図６】比較例に係るサイクロトロンのリジェネレータの構造及びメディアンプレーンにおける径方向の位置と磁場の関係を示すグラフである。
【図７】変形例に係るサイクロトロンのリジェネレータ及び第２マグネティックチャンネルの構造を示す断面図である。
【図８】変形例に係るサイクロトロンの第１マグネティックチャンネルの構造を示す図である。
【図９】変形例に係るサイクロトロンのリジェネレータの構成を示す断面図である。
【図１０】変形例に係るサイクロトロンのリジェネレータの構成を示す断面図である。
【図１１】基準位置の設定方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係るサイクロトロン１の概略構成を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係るサイクロトロン１の概略構成を示す上面図である。図１に示すように、サイクロトロン１は、荷電粒子源（不図示）から入射される荷電粒子のビームＣを加速して出力する加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子などが挙げられる。サイクロトロン１は、ビームＣを通過させ加速するための平面視円形の加速空間５を備えている。ここでは、加速空間５が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとする。以下の説明で「上」、「下」の概念を含む語を用いる場合には、図１に示す状態のサイクロトロン１の上下に対応するものとする。
【００２０】
なお、本発明における「サイクロトロン」とは、等時性のサイクロトロンと、シンクロサイクロトロンの両方を含んでよいものとする。
【００２１】
サイクロトロン１は、加速空間５の下方及び上方に設けられた磁極７を備えている。なお、加速空間５の上方の磁極７は図示を省略している。磁極７は、加速空間５に、鉛直方向の磁場を発生させる。また、サイクロトロン１は、平面視扇形のディ電極９を備えている。ディ電極９は、周方向に貫通された空洞を有しており、当該空洞が上記の加速空間５の一部をなす。また、ディ電極９の周方向の端部と対向する位置にダミーディ電極８が設けられている（ただし、図１では省略されている）。ディ電極９に高周波の交流電流を付与することで、ディ電極９とダミーディ電極８は周方向の電場を加速空間５に発生させ、当該電場によってビームＣが加速される。加速空間５の略中央に導入されたビームＣは、磁極７による磁場とディ電極９による電場との作用により、加速空間５内において水平な渦巻き状の周回軌道Ｋを描きながら加速される。加速されたビームＣは、最終的には周回軌道Ｋの接線方向に出力される。サイクロトロン１の以上の構成は公知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。磁極７は、上下方向に対向しおり、磁場は下方から上方に向かっている。以下の説明において、「上下方向」は「磁場の方向と平行な方向」と言い換えられ、「上方」は「磁場の方向と平行な方向の一方」、「他方」は「磁場の方向と平行な方向の他方」と言い換えられる。
【００２２】
図２に示すように、周回軌道Ｋで加速されているビームＣは、リジェネレータ４０、第１マグネティックチャンネル１０、第２マグネティックチャンネル２０を通過して引出軌道Ｄに乗り、四極磁石３０を通過してサイクロトロン１の外部に引き出される。ビームＣに対して、上流側から順に、リジェネレータ４０、第１マグネティックチャンネル１０、第２マグネティックチャンネル２０、四極磁石３０と配置されている。リジェネレータ４０は、周回軌道Ｋ上のビームＣを径方向外側へ移動させる機能を有している。第１マグネティックチャンネル１０及び第２マグネティックチャンネル２０は、ビームＣを引出軌道Ｄへ乗せる機能を有している。第２マグネティックチャンネル２０は、リジェネレータ４０に対して径方向外側に隣り合うように配置されている。第１マグネティックチャンネル１０は、第２マグネティックチャンネル２０よりもビームＣに対して上流側であって、リジェネレータ４０に対し径方向に隣り合わない位置に配置されている。なお、マグネティックチャンネルは、図に示されているものに加え、更に第３、第４（あるいはそれ以上）のマグネティックチャンネルを備えてもよい。四極磁石３０は、ビームを収束する機能を有している。なお、各マグネティックチャンネルは、サイクロトロン１のリターンヨークから内側へ向かって延びる支持部材と連結されている。
【００２３】
図３を参照して、リジェネレータ４０及び第２マグネティックチャンネル２０の詳細な構成について説明する。なお、図３は、磁極７、リジェネレータ４０及び第２マグネティックチャンネル２０を周方向から見たときの断面図である。図３にて実線で示す部分は、図２で示すＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面であり、一点鎖線で示す部分はＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面であり、二点鎖線で示す部分はＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線に沿った断面である。なお、以下の説明においては、荷電粒子のビームＣが加速されながら螺旋を描く平面として「メディアンプレーン（Median Plane）ＭＰ」という語を用いて説明する。このメディアンプレーンＭＰは、上側の磁極７と下側の磁極７との間の、上下方向における中央位置に設定されると共に、上側の磁極７の下面及び下側の磁極７の上面と平行をなすように設定される。ただし、メディアンプレーンＭＰとは荷電粒子の加速における基準となる平面であって、厳密には、荷電粒子は常にメディアンプレーンＭＰ上に存在しているわけではない。
【００２４】
リジェネレータ４０は、ビームＣのメディアンプレーンＭＰを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂを備えている。リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂは、磁極７の径方向における外縁付近に設けられている。リジェネレータ用磁性部材４１Ａは、上側の磁極７の下面に固定されており、当該下面からメディアンプレーンＭＰへ向かって下方へ延びている。リジェネレータ用磁性部材４１Ｂは、下側の磁極７の上面に固定されており、当該上面からメディアンプレーンＭＰへ向かって上方へ延びている。リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂは、一定の断面形状を有した状態で周方向に延在している。リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂのサイクロトロン１の中心軸からの距離は一定である。リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂの材料は磁性材料であれば特に限定されないが、例えば、鉄、コバルト鉄合金、ニッケルなどを採用することができる。
【００２５】
なお、上側の磁極７は、径方向の外縁付近において、径方向における外側に向かうに従って階段状に下方へ突出することにより、段階的にメディアンプレーンＭＰに近づくように形成されている。磁極７の下面のうち、径方向における最も外側の平面７ａが、メディアンプレーンに最も近づく面である。また、磁極７は、径方向の外側から二番目の下面である平面７ｂ、三番目の下側である平面７ｃを有する（それ以降複数段の平面を有する）。磁極７は、メディアンプレーンＭＰを基準として上側の磁極７と面対称な形状を有している。磁極７の材料として、例えば、鉄、コバルト鉄合金などを採用することができる。
【００２６】
リジェネレータ用磁性部材４１Ａの周方向から見たときの断面形状（図３に示す断面形状）について説明する。リジェネレータ用磁性部材４１Ａは、径方向における外側に第１の部分４２を有し、当該第１の部分４２よりも径方向における内側に第２の部分４３を有している。なお、下側のリジェネレータ用磁性部材４１Ｂは、上側のリジェネレータ用磁性部材４１ＡとメディアンプレーンＭＰを対称面として面対称な形状を有しているため、以下の説明においては、上側のリジェネレータ用磁性部材４１Ａについてのみ説明する。
【００２７】
第１の部分４２は、径方向における外側に向かうに従ってメディアンプレーンＭＰに近づくと共に、メディアンプレーンＭＰに最も近づく頂部４４を有する。本実施形態では、第１の部分４２は、頂部４４よりも径方向の内側の領域において、径方向の外側に向かうに従って段階的にメディアンプレーンＭＰに近づいている。すなわち、リジェネレータ用磁性部材４１Ａの第１の部分４２は、径方向における外側に向かうに従って階段状に下方へ突出することにより、段階的にメディアンプレーンＭＰに近づくように構成されている。このような形状となることにより、第１の部分４２には、下方へ向かって垂直に立ち上がる面（周方向に拡がる円弧面である）と、メディアンプレーンＭＰと平行をなす平面とが、複数形成される。第１の部分４２は、頂部４４よりも径方向の外側において、当該頂部４４と径方向外側に隣接し、メディアンプレーンＭＰに対して垂直をなすと共に当該メディアンプレーンＭＰの反対側（すなわち上方）へ延びる側面５１を有している。
【００２８】
第２の部分４３は、第１の部分４２よりも径方向内側に配置されて、メディアンプレーンＭＰ側に突出している部分である。第２の部分４３は、当該第２の部分４３に対して径方向外側に隣接する部分よりも、メディアンプレーンＭＰ側に突出している。ここでは、第１の部分４２の最も径方向内側に配置される部分（最もメディアンプレーンＭＰから離れている）よりも、メディアンプレーンＭＰ側に突出している。なお、第２の部分４３の形状は特に限定されず、図３に示すように、矩形の断面形状で突出していても、三角形状で突出していても、湾曲形状で突出していてもよい。
【００２９】
具体的には、図３及び図４に示すように、第１の部分４２は、径方向における内側から外側へ向かって順番に、メディアンプレーンＭＰと平行な平面５２、５３、５４、５５、５６、５７を有し、最も径方向外側であってメディアンプレーンＭＰに近づく平面である頂部４４を備えている（図３及び図４を参照）。なお、平面５２、５３、５４、５５、５６、５７は、メディアンプレーンＭＰと平行でなくともよい。平面５２は、磁極７の平面７ｂと対向する位置に形成される。平面５３〜５７及び頂部４４は、磁極７の下面のうち、径方向の最も外側で最もメディアンプレーンＭＰに近づく平面７ａと対向する位置に形成される。このうち、平面５３に対応する位置における磁性部材は薄く、平面５４〜５７及び頂部４４に対応する位置における磁性部材は、磁極７の平面７ａから大きくメディアンプレーンＭＰ側へ突出している。また、平面５５〜５７及び頂部４４に対応する位置における磁性部材は、平面５４よりも更にメディアンプレーンＭＰ側へ突出している。平面５２〜５４は、径方向において略等ピッチで拡がっており、径方向外側に設けられる平面５５〜５７及び頂部４４は、平面５２〜５４のピッチよりも細かいピッチで径方向に拡がっている。本実施形態では、第１の部分４２の径方向外側の端部は、頂部４４と径方向外側に隣接する側面５１が該当する。第１の部分４２の径方向内側の端部は、平面５２の径方向内側の縁部からメディアンプレーンＭＰと垂直に（仮想的に広がる）仮想的な側面６１が該当する。この仮想的な側面６１は、第２の部分４３を除いた時に形成される、平面５２と径方向内側に隣接する側面である。なお、頂部４４は、メディアンプレーンＭＰから２〜５ｍｍ程度、上方へ離間していることが好ましい。
【００３０】
また、第２の部分４３は、第１の部分４２の最も径方向内側の部分（ここでは平面５２）に対して径方向内側に隣接する位置に、メディアンプレーンＭＰと平行に形成される平面５８を有している。平面５８は、磁極７の平面７ｃと対向する位置に形成される。第２の部分４３における平面５８は、径方向外側に隣接する平面５２よりも、メディアンプレーンＭＰ側に形成されているため、平面５８に対応する磁性部材は、平面５２に対応する磁性部材よりもメディアンプレーンＭＰ側に突出している。なお、第２の部分４３の平面５８の径方向の大きさは、第１の部分４２の平面５２〜５４と略同一である。
【００３１】
次に、第２マグネティックチャンネル２０の構成について説明する。第２マグネティックチャンネル２０は、径方向内側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材２１と、当該マグネティックチャンネル用磁性部材２１よりも径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材２２，２３と、を備えている。径方向内側のマグネティックチャンネル用磁性部材２１は、メディアンプレーンＭＰ上に配置され、上下方向に延びる断面長方形状をなしている。マグネティックチャンネル用磁性部材２１の上面及び下面は、メディアンプレーンＭＰと平行に拡がり、側面はメディアンプレーンＭＰと垂直に上下方向に拡がっている。径方向外側のマグネティックチャンネル用磁性部材２２，２３は、メディアンプレーンＭＰを挟むように、当該メディアンプレーンＭＰから上下方向へ離間した位置に一対配置され、それぞれ上下方向に延びる断面長方形状をなしている。マグネティックチャンネル用磁性部材２２，２３の上面及び下面は、メディアンプレーンＭＰと平行に拡がり、側面はメディアンプレーンＭＰと垂直に上下方向に拡がっている。なお、水平方向のビーム収束性を持たせる場合、本実施形態のようにマグネティックチャンネル用磁性部材２２，２３を分割（一対配置する）する構成とするが、水平方向のビーム収束性を考慮しない場合は、分割しなくともよい。マグネティックチャンネル用磁性部材２１，２２，２３は、ビームＣの引出軌道Ｄに沿って延在している。また、図３において一点鎖線（図２のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面）及び二点鎖線（図２のＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線に沿った断面）から明らかなように、マグネティックチャンネル用磁性部材２１，２２，２３は、ビームＣの引出軌道Ｄの下流側へ向かうに従って、径方向外側へ位置するように構成されている。なお、第１マグネティックチャンネル１０も、第２マグネティックチャンネル２０と同趣旨の構成を有している。マグネティックチャンネル用磁性部材２１，２２，２３の材料は磁性材料であれば特に限定されないが、例えば、鉄、コバルト鉄合金、ニッケルなどを採用することができる。なお、マグネティックチャンネル用磁性部材２１，２２，２３の断面形状も長方形に限らず、正方形などの他の形状であってもよい。
【００３２】
次に、図４を参照して、リジェネレータ４０及び第２マグネティックチャンネル２０の位置関係について説明する。
【００３３】
リジェネレータ４０のリジェネレータ用磁性部材４１Ａの第１の部分４２においては、周方向から見たとき、頂部４４に対して、径方向における中心線ＣＬを設定することができる。この中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向内側の端部６１側に設定される第１の基準位置ＳＴ１との間の距離を第１の距離ｄ１とする。また、中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向外側の端部５１側に設定される第２の基準位置ＳＴ２との間の距離を第２の距離ｄ２とする。このとき、第１の距離ｄ１は、第２の距離ｄ２よりも大きいという関係（ｄ１＞ｄ２）が成り立つ。また、好ましくは、２／３×ｄ１＞ｄ２の関係が成り立ち、１／２×ｄ１＞ｄ２の関係が成り立ち、１／３×ｄ１＞ｄ２の関係が成り立ってもよい。また、周方向から見たときの断面の面積という観点においては、第１の部分４２においては、中心線ＣＬよりも径方向内側の領域の面積は、中心線ＣＬよりも径方向外側の領域の面積よりも大きい。
【００３４】
第１の基準位置ＳＴ１及び第２の基準位置ＳＴ２は、リジェネレータ用磁性部材４１Ａの第１の部分４２のうち、頂部４４付近の磁場に対する影響が大きくなる部分の形状を考慮して設定されることが好ましい。本実施形態では、第１の部分４２のうち、平面５３に対応する磁性部材は薄く形成されているのに対して、平面５４〜５７及び頂部４４に対応する磁性部材は、大きくメディアンプレーンＭＰ側に突出している。このように、大きく突出している部分は頂部４４付近の磁場に対する影響が大きくなる。従って、本実施形態では、平面５４の径方向内側に隣接する側面６３の位置に第１の基準位置ＳＴ１を設定することが好ましい。径方向外側については、第１の部分４２の径方向外側の端部である側面５１の位置に、第２の基準位置ＳＴ２が設定される。
【００３５】
第１の基準位置ＳＴ１を定める場合、頂部４４の部分が作る磁場に対して１／４程度より大きな磁場を作る位置に設定することが好ましい。なお、第１の基準位置ＳＴ１は、荷電粒子のビームＣが加速されるメディアンプレーンＭＰ上における磁場の対比によって設定される。本実施形態では、頂部４４の部分が作る磁場とは、メディアンプレーンＭＰ上で最も大きくなる磁場である。すなわち、頂部４４の部分が作る磁場とは、頂部４４が作る磁場のうち、メディアンプレーンＭＰ上でピークとなる位置における磁場である。なお、図４に示すように、第１の部分４２に対しては、側面６４、第１の部分４２の端部、側面６２に第１の基準位置ＳＴ１を設定し、図に示す距離ｄ４，ｄ５，ｄ６を「第１の距離」とすることも可能である。ただし、磁場に対する影響を考慮して、側面６３に第１の基準位置ＳＴ１を設定することがより好ましい。
【００３６】
なお、リジェネレータ用磁性部材４１Ａを中心線ＣＬで切断した場合の断面は（ただし、サイクロトロンの中心線を軸とした円弧状の面で切断した場合の断面）、図６の右上の図に示すように、比較例に係るリジェネレータ用磁性部材１４１Ａと同趣旨の形状を有してよい。すなわち、周方向の両端側から中央へ向かうに従って段階的にメディアンプレーンＭＰに近づき、頂部４４を有するような形状としてよい。
【００３７】
また、第２マグネティックチャンネル２０の径方向内側のマグネティックチャンネル用磁性部材２１については、周方向から見たときに、中心線ＣＬと、マグネティックチャンネル用磁性部材２１の径方向内側の端部２１ａ（径方向内側の側面）との間の距離を第３の距離ｄ３とする。このとき、第１の距離ｄ１は、第３の距離ｄ３以上という関係（ｄ１≧ｄ３）が成り立つことが好ましい。なお、マグネティックチャンネル用磁性部材２１は、周方向に沿って徐々にリジェネレータ用磁性部材４１Ａから離間しているが、ここでは、最もリジェネレータ用磁性部材４１Ａに近づく位置の寸法を比較している。また、好ましくは、２／３×ｄ１≧ｄ３の関係が成り立ち、１／２×ｄ１≧ｄ３の関係が成り立ち、１／３×ｄ１≧ｄ３の関係が成り立ってもよい。なお、図３に示すように、マグネティックチャンネル用磁性部材２１は、上下の磁極７に挟まれる領域まで径方向内側まで入り込んでおり、リジェネレータ用磁性部材４１Ａに対して僅かな隙間を空けて離間（０〜３ｍｍ程度）している程度まで径方向内側に配置されている。
【００３８】
次に、本実施形態に係るサイクロトロン１の作用・効果について説明する。
【００３９】
まず、図６を参照して、比較例に係るサイクロトロンのリジェネレータ１４０について説明する。
【００４０】
具体的には、図６における左上の図に示すように、比較例に係るリジェネレータ１４０のリジェネレータ用磁性部材１４１Ａは、径方向外側へ向かうに従ってメディアンプレーンＭＰへ段階的に近づくと共に、最もメディアンプレーンＭＰに近づく頂部１４４を有する第１の部分１４２を備えている。この第１の部分１４２は、頂部１４４よりも径方向外側において、径方向外側へ向かうに従ってメディアンプレーンＭＰから段階的に遠ざかっている。この比較例においては、径方向内側の第１の基準位置ＳＴ１は第１の部分１４２の径方向内側の端部に設定され、径方向外側の第２の基準位置ＳＴ２は第１の部分１４２の径方向外側の端部に設定される。そして、頂部１４４の径方向における中心線ＣＬと第１の基準位置ＳＴ１との間の距離をｄ１とし、中心線ＣＬと第２の基準位置ＳＴ２との間の距離をｄ２とした場合、ｄ１＝ｄ２の関係が成り立っている。なお、図６の左上の図に示すＡ−Ａ線に沿った断面（ただし、サイクロトロンの中心軸を中心とする円弧状の面で切断した場合の断面となる）は、図６の右上の図に示される。リジェネレータ用磁性部材１４１Ａは、周方向の両端側から中央へ向かうに従って段階的にメディアンプレーンＭＰに近づき、頂部１４４を有するような形状となる。リジェネレータ用磁性部材１４１Ｂも同趣旨の形状を有する。
【００４１】
このような構成を有する比較例に係るリジェネレータ用磁性部材１４１にあっては、頂部１４４より径方向内側では、径方向外側へ向かうに従って段階的にメディアンプレーンＭＰに近づくため図６左下のグラフのＥ２で示すように、磁場が増加する領域が形成される。当該Ｅ２の領域に荷電粒子のビームＣを通過させることで、当該ビームＣを径方向の外側へ移動させることができる。なお、図６左下のグラフは、リジェネレータ１４０のメディアンプレーンＭＰにおける、径方向の位置と磁場の関係を示すグラフ（実線のグラフ）である。なお、一点鎖線のグラフは実線のグラフの傾きを示している。なお、当該グラフには、マグネティックチャンネルによる磁場は重ね合されていない。
【００４２】
しかしながら、比較例に係るリジェネレータ用磁性部材１４１Ａ，１４１Ｂにあっては、ｄ１＝ｄ２の関係が成り立っているため、頂部１４４の中心線ＣＬの径方向外側の領域におけるリジェネレータ用磁性部材１４１の部材量が多くなる。従って、磁場を示す実線のグラフは略正規分布を示す形状となり、グラフのＥ３で示すように、１４４の中心線ＣＬの径方向外側において、高い磁場が徐々に下がってゆく領域が形成される。高い磁場の領域が、径方向外側に一定の範囲で形成される。このようなリジェネレータ１４０に対して、マグネティックチャンネルを近づけて配置することでサイクロトロンの小型化を図ろうとした場合、リジェネレータ１４０を通過するビームＣの周回軌道と、当該リジェネレータ１４０と径方向外側に隣り合うマグネティックチャンネルを通過するビームＣの引出軌道とが近接する。このような場合、リジェネレータ１４０で作られる径方向外側の高い磁場がマグネティックチャンネルで作られる磁場に干渉することによって、マグネティックチャンネルを通過するビームＣの引き出しが良好に行えない可能性がある。一方、マグネティックチャンネルで作られる磁場がリジェネレータ１４０で作られる磁場に干渉することによって、共鳴状態が破壊され、ビームＣを径方向外側へ良好に移動させることができない可能性がある。従って、比較例に係るサイクロトロンでは、荷電粒子のビームＣを精度よく引き出すためには、リジェネレータ１４０とマグネティックチャンネルとを径方向においてある程度離間させる必要があり、サイクロトロンの小型化を図ることが困難であるという問題があった。
【００４３】
また、比較例に係るサイクロトロンのリジェネレータ１４０では、磁場が増加するＥ２の領域よりも径方向内側に、グラフのＥ１で示すように、磁場が０よりも小さくなる領域が広い範囲に形成される。このような領域が形成された場合、ビームＣを移動させたい方向（径方向外側）とは反対側に移動（径方向内側）するように作用してしまうことにより、ビームＣの周回軌道が歪む可能性がある。
【００４４】
これに対して、本実施形態に係るサイクロトロン１によれば、リジェネレータ４０のリジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂは、径方向における外側に向かうに従ってメディアンプレーンＭＰに近づく部分を有すると共に、メディアンプレーンＭＰに最も近づく頂部４４を有する第１の部分を備えている。従って、図５のグラフのＥ２に示す領域のように、径方向内側から頂部４４へ至るまでに、磁場が増加してゆく領域を形成することができ、当該領域に荷電粒子線のビームＣを通過させることで、当該ビームＣを径方向外側へ移動させることができる。なお、図５に示すグラフは、メディアンプレーンＭＰにおける径方向の位置と磁場の関係を示すグラフである。このグラフはリジェネレータ４０と第２マグネティックチャンネル２０の磁場を重ね合わせて示している、また、点線のグラフは図２におけるＩＩＩａ―ＩＩＩａ線に沿った断面における磁場を示し、一点鎖線のグラフは図２におけるＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面における磁場を示し、二点鎖線のグラフは図２におけるＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線に沿った断面における磁場を示す。
【００４５】
一方、周方向から見たときに、頂部４４の径方向における中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向内側の端部６１側に設定される第１の基準位置ＳＴ１（ここでは側面６３に設定される）との間の距離を第１の距離ｄ１とし、中心線ＣＬと、第１の部分４２の径方向外側の端部５１側に設定される第２の基準位置ＳＴ２（ここでは端部５１に設定される）との間の距離を第２の距離ｄ２とした場合、第１の距離ｄ１は、第２の距離ｄ２よりも大きいという関係が成り立つ。すなわち、頂部４４の中心線ＣＬよりも径方向外側においては、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂの部材量を少なく抑えた構成とすることで、頂部４４の中心線ＣＬよりも径方向外側の領域の磁場を低下させることができる。これによって、第２マグネティックチャンネル２０を径方向内側へ配置することでリジェネレータ４０に近づけたとしても、リジェネレータ４０で作られる磁場が、第２マグネティックチャンネル２０による荷電粒子のビームＣの引き出しに与える影響を抑制することができる。具体的には、図５のグラフのＥ３で示すように、磁場が最も高くなる地点から径方向外側へ向かうことで、急激に低下するような磁場を作ることが可能となっている。このため、第２マグネティックチャンネル２０これによって、第２マグネティックチャンネル２０でのビームＣの引き出しを精度よく行うことができる。以上により、サイクロトロン１の小型化を図ると共に、ビームＣを精度良く引き出すことができる。
【００４６】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、第１の基準位置ＳＴ１は、頂部４４の部分が作る磁場に対して１／４より大きな磁場を作る位置に設定されている。具体的には、第１の部分４２のうち、磁性部材の部材量が少なく、頂部２２付近の磁場に対する影響が小さい平面５２，５３に対応する部分が存在していた場合、当該部分を第１の基準位置ＳＴに設定するのではなく、メディアンプレーンＭＰへ向かって大きく突出することで磁場に対する影響が大きくなっている平面５４〜５７及び頂部４４に対応する部分に対して、当該部分の径方向内側の端部である側面６３の位置に第１の基準位置ＳＴ１を設定することができる。これによって、実質的な磁場の影響を考慮して第１の距離と第２の距離の比較を行うことができる。
【００４７】
例えば、図１１（ａ）に示すリジェネレータ用磁性部材５４１Ａにおける第１の部分５４２は、図６の左上に示す形状のリジェネレータ用磁性部材５４１Ａに対して、部材の厚さが薄い状態で径方向内側へ延びる部分を追加したものである。このリジェネレータ用磁性部材５４１Ａは、径方向外側における領域は部材量が多い部分である一方、径方向内側における領域では、部材量が少なく薄い部分が径方向の内側へ向かって延びている。このような構成によって、第１の部分５４２の径方向内側の端部５６１と中心線ＣＬとの間の距離は、中心線ＣＬと径方向外側の第２の基準位置ＳＴ２との間の距離に比してかなり大きくなっている。しかしながら、部材量の少ない当該部分が、頂部５４４付近の磁場に与える影響はそれほど大きくなく、磁場のグラフは、図６の左下のグラフにおいてＥ２及びＥ３で示すような形状と大きな違いはない。このような場合は、頂部５４４付近の磁場に対する影響が大きい部分を基準として考え、メディアンプレーンＭＰへ向かって大きく延びている側面５６３の位置を第１の基準位置として設定することが好ましい。このように側面５６３を第１の基準位置と設定した場合、第１の距離ｄ１は第２の距離ｄ２と等しくなるため、ｄ１＞ｄ２の条件を満たさないと判断することができる。
【００４８】
また、例えば、図１１（ｂ）に示すリジェネレータ６４０のリジェネレータ用磁性部材６４１Ａにおける第１の部分６４２では、頂部６４４と径方向外側に隣接する側面６５２は、磁極７の下面に向かって垂直に延びているにも関わらず、磁極７の下面付近には部材量が少なく薄い部分が径方向の外側へ向かって延びている。このような構成によって、第１の部分６４２の径方向外側の端部６５１と中心線ＣＬとの間の距離は、中心線ＣＬと径方向内側の端部６６１との間の距離と等しくなっている。しかしながら、部材量の少ない当該部分が、頂部６４４付近の磁場に与える影響はそれほど大きくなく、図５に示すようなグラフのＥ３と同様に、頂部６４４よりも径方向外側の領域では磁場を急激に低下させることができる。このような場合は、頂部６４４付近の磁場に対する影響が大きい部分を基準として考え、メディアンプレーンＭＰへ向かって大きく延びている側面６６３の位置を第１の基準位置として設定し、メディアンプレーンＭＰへ向かって大きく延びている側面６５２の位置を第２の基準位置として設定することが好ましい。このように側面６５２を第２の基準位置と設定した場合、第１の距離ｄ１は第２の距離ｄ２より大きくなるため、ｄ１＞ｄ２の条件を満たすと判断することができる。
【００４９】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、第２マグネティックチャンネル２０は、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂの頂部４４の径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材２１を備え、周方向から見たときに、中心線ＣＬと、マグネティックチャンネル用磁性部材２１の径方向内側の端部２１ａとの間の距離を第３の距離ｄ３とした場合、第１の距離ｄ１は、第３の距離ｄ３以上である。このように、第２マグネティックチャンネル２０のマグネティックチャンネル用磁性部材２１をリジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂに近づけて配置することで、サイクロトロン１の小型化を図ることができる。
【００５０】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂの第１の部分４２の径方向外側の端部５１は、頂部４４と径方向外側に隣接し、メディアンプレーンＭＰに対して垂直をなすと共に当該メディアンプレーンＭＰの反対側へ延びている。第２の基準位置ＳＴ２は、第１の部分４２の径方向外側の端部５１に設定される。このような構成とすることにより、頂部４４よりも径方向外側の領域のリジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂの部材量を可能な限り少なくすることができるため、当該領域の磁場を低下させることができる。
【００５１】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂは、第１の部分４２よりも径方向内側に、メディアンプレーンＭＰ側に突出する第２の部分４３を有している。第２の部分４３は、当該第２の部分４３に対して径方向外側に隣接する部分（平面５２）よりも、メディアンプレーンＭＰ側に突出している。図６の左下グラフのＥ１で示すように、頂部１４４よりも径方向内側において、磁場が０よりも小さくなる領域が形成される場合、荷電粒子のビームＣの周回軌道Ｋが歪む場合がある。しかしながら、メディアンプレーンＭＰ側に突出する第２の部分４３を設けることにより、磁場が小さくなることを抑制することによって、径方向内側における磁場をなだらかにすることができ、ビームＣの周回軌道の歪みを低減することができる。例えば、図５のグラフのＥ１で示すように、第２の部分４３を設けない場合、一部、磁場が０より低い部分が存在するものの、第２の部分４３を設ける場合、図６のグラフのＥ１に示すように広い範囲に亘って磁場が０より低くなる量を小さくし（マイナス量が狭い範囲に集中しないように、広い範囲に亘って分散させる）、なだらかに増加している。
【００５２】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００５３】
例えば、図７に示すように、径方向において、マグネティックチャンネル用磁性部材２１を、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂと接触させてもよい。これにより、第２マグネティックチャンネル２０を更に径方向内側へ配置することが可能となり、サイクロトロン１を更に小さくすることが可能となる。なお、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂと、マグネティックチャンネル用磁性部材２１とは、別体のものを互いに固定することによって接触させてよい。あるいは、各部材を一体として形成することにより、リジェネレータ用磁性部材４１Ａ，４１Ｂに対応する部分と、マグネティックチャンネル用磁性部材２１に対応する部分とを接触させた状態としてもよい。
【００５４】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、第２マグネティックチャンネル２０よりもビームＣの上流側であって、リジェネレータ４０よりもビームＣの下流側に設けられる他の第１マグネティックチャンネル１１０を備え、当該第１マグネティックチャンネル１１０を、図８に示すようなコイル１１１で形成してもよい。図８に示すように、第１マグネティックチャンネル１１０は、コイルケース１１２に収納されたコイル１１１で形成されており、コイル１１１は、ビームＣを通過させるビーム管１１３が設けられている。引出軌道Ｄへ乗せるためのビームＣはビーム管１１３中の通過ポイントＰＴ２を通過する。一方、当該構成によれば、コイル１１１の外側に対する漏れ磁場を小さくすることができるため、コイル１１１の外側の通過ポイントＰＴ１を通過する周回軌道Ｋ上のビームＣに対する漏れ磁場の影響を低減することができる。これによって、荷電粒子のビームＣを引き出し易くすることができる。
【００５５】
例えば、図９に示すリジェネレータ２４０のように、リジェネレータ用磁性部材２４１Ａが径方向内側に部材量が少なく薄く延びる部分が無い場合は、第１の部分２４２の径方向内側の端部を第１の基準位置ＳＴ１に設定してよい。また、図３のように頂部２４４より径方向外側に、直ちにメディアンプレーンＭＰの反対側へ垂直に延びて磁極７へ至る側面が形成されていなくともよく、図９のリジェネレータ用磁性部材２４１Ａのように、段階的にメディアンプレーンＭＰから遠ざかってよい。
【００５６】
また、上述の実施形態では、リジェネレータ用磁性部材の各部分におけるメディアンプレーンＭＰに対する距離は、階段状の形状を有することで、段階的に変化していたが、図１０に示すリジェネレータ３４０，４４０のように、傾斜させて変化させてもよい。図１０（ａ）に示すリジェネレータ３４０のリジェネレータ用磁性部材３４１Ａの第１の部分３４２は、頂部３４４の径方向内側と径方向外側に傾斜面を有している。この場合、当該傾斜面と磁極７の下面が交わる点が基準位置ＳＴ１，ＳＴ２となる。また、図１０（ｂ）に示すリジェネレータ４４０のリジェネレータ用磁性部材４４１Ａの第１の部分４４２のように、メディアンプレーンＭＰと最も近づく頂部４４４は、メディアンプレーンＭＰと平行な平面でなくともよく、傾斜面と傾斜面が交差する角部の頂点であってもよい。あるいは、頂点を円弧状に丸めてもよい。なお、円弧状に丸めた場合は、最もメディアンプレーンＭＰと近い点が頂部に該当する。また、リジェネレータ用磁性部材は、上述の実施形態のように直線的な階段状の形状となっているが、曲面的に段差を設けるようにしてもよい。すなわち、上述の実施形態では平面と側面とが交わる部分が直角な角部となっているが、Ｒを設けて曲面的な段差としてよい。同様に、磁極７も、直線的な階段状の形状でなくともよく、曲面的に段差を設けてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１…サイクロトロン、１０，１１０…第１マグネティックチャンネル、２０…第２マグネティックチャンネル、２１，２２，２３…マグネティックチャンネル用磁性部材、４０，２４０，３４０，４４０，６４０…リジェネレータ、４１，２４１，３４１，４４１，６４１…リジェネレータ用磁性部材、４２，２４２，３４２，４４２，６４２…第１の部分、４３…第２の部分。
【図１】
2018060803.tif 000003
【図２】
2018060803.tif 000004
【図３】
2018060803.tif 000005
【図４】
2018060803.tif 000006
【図５】
2018060803.tif 000007
【図６】
2018060803.tif 000008
【図７】
2018060803.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018060803.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2018060803.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月22日(2017.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を加速させるための加速空間を挟んで設けられた一対の磁極と、
前記加速空間の一部をなす空洞を有しており、高周波の交流電流が付与されることで前記加速空間に電場を発生させるディ電極と、を有し、
前記荷電粒子を前記加速空間内において渦巻き状の周回軌道を描きながら加速し、引出軌道を介して外部へ出力するサイクロトロンであって、
前記周回軌道上の前記荷電粒子のビームを前記周回軌道における径方向外側へ移動させるリジェネレータと、
前記周回軌道における周方向において少なくとも一部が前記リジェネレータと同じ位置に設けられ、且つ、前記リジェネレータよりも前記径方向外側に設けられていると共に、前記リジェネレータにより前記径方向外側へ移動させられた前記ビームを前記引出軌道へ乗せるマグネティックチャンネルと、を備え、
前記リジェネレータは、前記一対の磁極間の中央に位置するメディアンプレーンを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材を備え、
前記一対のリジェネレータ用磁性部材のそれぞれは、前記メディアンプレーンに最も近づく頂部と、前記頂部の前記径方向内側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第１の面と、前記頂部の前記径方向外側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第２の面と、を有する先端部分を備え、
前記先端部分では、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記頂部の前記径方向における中心線と前記第１の面とによって規定される内側部分の断面積が、前記中心線と前記第２の面とによって規定される外側部分の断面積よりも大きい、サイクロトロン。
【請求項２】
前記第１の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かうに従って前記頂部から前記径方向内側に向かうように傾斜して延びる、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記第１の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側且つ前記径方向内側に向かって階段状に延びる、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記第２の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンと垂直をなして当該メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
前記第２の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かうに従って前記頂部から前記径方向外側に向かうように傾斜して延びる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
前記第２の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側且つ前記径方向外側に向かって階段状に延びる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項７】
前記内側部分は、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記中心線のうち前記先端部分に対応する部分の線分と、前記第１の面と、によって規定され、
前記外側部分は、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記中心線のうち前記先端部分に対応する部分の線分と、前記第２の面と、によって規定される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項８】
前記マグネティックチャンネルは、前記リジェネレータ用磁性部材の前記径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材を備え、
前記マグネティックチャンネル用磁性部材は、径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材と、前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材よりも前記径方向外側に配置される一対の径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材と、を有し、
前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーン上に配置され、
一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーンを挟むように、前記メディアンプレーンから上下方向に離間した位置に配置され、
前記先端部分は、前記周方向から見たときに、前記メディアンプレーンと直交する方向において、前記一対のリジェネレータ用磁性部材のうち一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材に挟まれる部分である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のサイクロトロン。
【請求項９】
荷電粒子を加速させるための加速空間を挟んで設けられた一対の磁極と、
前記加速空間の一部をなす空洞を有しており、高周波の交流電流が付与されることで前記加速空間に電場を発生させるディ電極と、を有し、
前記荷電粒子を前記加速空間内において渦巻き状の周回軌道を描きながら加速し、引出軌道を介して外部へ出力するサイクロトロンであって、
前記周回軌道上の前記荷電粒子のビームを前記周回軌道における径方向外側へ移動させるリジェネレータと、
前記周回軌道における周方向において少なくとも一部が前記リジェネレータと同じ位置に設けられ、且つ、前記リジェネレータよりも前記径方向外側に設けられていると共に、前記リジェネレータにより前記径方向外側へ移動させられた前記ビームを前記引出軌道へ乗せるマグネティックチャンネルと、を備え、
前記リジェネレータは、前記一対の磁極間の中央に位置するメディアンプレーンを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材を備え、
前記一対のリジェネレータ用磁性部材のそれぞれは、前記メディアンプレーンに最も近づく頂部と、前記頂部の前記径方向内側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第１の面と、前記頂部の前記径方向外側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第２の面と、を有する先端部分を備え、
前記第１の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かうに従って前記頂部から前記径方向内側に向かうように傾斜して延び、
前記第２の面は、前記頂部から前記メディアンプレーンと垂直をなして当該メディアンプレーンとは反対側に向かって延び、又は、前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かうに従って前記頂部から前記径方向外側に向かうように傾斜して延び、
前記先端部分では、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記頂部の前記径方向における中心線と前記第１の面との間の角度が、前記中心線と前記第２の面との間の角度よりも大きい、サイクロトロン。
【請求項１０】
前記マグネティックチャンネルは、前記リジェネレータ用磁性部材の前記径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材を備え、
前記マグネティックチャンネル用磁性部材は、径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材と、前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材よりも前記径方向外側に配置される一対の径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材と、を有し、
前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーン上に配置され、
一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーンを挟むように、前記メディアンプレーンから上下方向に離間した位置に配置され、
前記先端部分は、前記周方向から見たときに、前記メディアンプレーンと直交する方向において、前記一対のリジェネレータ用磁性部材のうち一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材に挟まれる部分である、請求項９に記載のサイクロトロン。
【請求項１１】
荷電粒子を加速させるための加速空間を挟んで設けられた一対の磁極と、
前記加速空間の一部をなす空洞を有しており、高周波の交流電流が付与されることで前記加速空間に電場を発生させるディ電極と、を有し、
前記荷電粒子を前記加速空間内において渦巻き状の周回軌道を描きながら加速し、引出軌道を介して外部へ出力するサイクロトロンであって、
前記周回軌道上の前記荷電粒子のビームを前記周回軌道における径方向外側へ移動させるリジェネレータと、
前記周回軌道における周方向において少なくとも一部が前記リジェネレータと同じ位置に設けられ、且つ、前記リジェネレータよりも前記径方向外側に設けられていると共に、前記リジェネレータにより前記径方向外側へ移動させられた前記ビームを前記引出軌道へ乗せるマグネティックチャンネルと、を備え、
前記リジェネレータは、前記一対の磁極間の中央に位置するメディアンプレーンを挟むように対向する一対のリジェネレータ用磁性部材を備え、
前記一対のリジェネレータ用磁性部材のそれぞれは、前記メディアンプレーンに最も近づく頂部と、前記頂部の前記径方向内側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第１の面と、前記頂部の前記径方向外側において前記頂部から前記メディアンプレーンとは反対側に向かって延びる第２の面と、を有する先端部分を備え、
前記マグネティックチャンネルは、前記リジェネレータ用磁性部材の前記径方向外側に配置されるマグネティックチャンネル用磁性部材を備え、
前記先端部分では、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記頂部の前記径方向における中心線と前記第１の面とによって規定される内側部分の断面積が、前記中心線と前記第２の面とによって規定される外側部分の断面積よりも大きく、
前記マグネティックチャンネル用磁性部材は、径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材と、前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材よりも前記径方向外側に配置される一対の径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材と、を有し、
前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーン上に配置され、
一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記メディアンプレーンを挟むように、前記メディアンプレーンから上下方向に離間した位置に配置され、
前記径方向内側マグネティックチャンネル用磁性部材は、前記第２の面に接して配置されている、サイクロトロン。
【請求項１２】
前記内側部分は、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記中心線のうち前記先端部分に対応する部分の線分と、前記第１の面と、によって規定され、
前記外側部分は、前記リジェネレータ用磁性部材の前記周方向に垂直な断面において、前記周方向から見たときに、前記中心線のうち前記先端部分に対応する部分の線分と、前記第２の面と、によって規定される、請求項１１に記載のサイクロトロン。
【請求項１３】
前記先端部分は、前記周方向から見たときに、前記メディアンプレーンと直交する方向において、前記一対のリジェネレータ用磁性部材のうち一対の前記径方向外側マグネティックチャンネル用磁性部材に挟まれる部分である、請求項１１又は１２に記載のサイクロトロン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、第２の基準位置は、第１の部分の径方向外側の端部に設定される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
このような構成を有する比較例に係るリジェネレータ用磁性部材１４１Ａ，１４１Ｂにあっては、頂部１４４より径方向内側では、径方向外側へ向かうに従って段階的にメディアンプレーンＭＰに近づくため図６左下のグラフのＥ２で示すように、磁場が増加する領域が形成される。当該Ｅ２の領域に荷電粒子のビームＣを通過させることで、当該ビームＣを径方向の外側へ移動させることができる。なお、図６左下のグラフは、リジェネレータ１４０のメディアンプレーンＭＰにおける、径方向の位置と磁場の関係を示すグラフ（実線のグラフ）である。なお、一点鎖線のグラフは実線のグラフの傾きを示している。なお、当該グラフには、マグネティックチャンネルによる磁場は重ね合されていない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
しかしながら、比較例に係るリジェネレータ用磁性部材１４１Ａ，１４１Ｂにあっては、ｄ１＝ｄ２の関係が成り立っているため、頂部１４４の中心線ＣＬの径方向外側の領域におけるリジェネレータ用磁性部材１４１の部材量が多くなる。従って、磁場を示す実線のグラフは略正規分布を示す形状となり、グラフのＥ３で示すように、頂部１４４の中心線ＣＬの径方向外側において、高い磁場が徐々に下がってゆく領域が形成される。高い磁場の領域が、径方向外側に一定の範囲で形成される。このようなリジェネレータ１４０に対して、マグネティックチャンネルを近づけて配置することでサイクロトロンの小型化を図ろうとした場合、リジェネレータ１４０を通過するビームＣの周回軌道と、当該リジェネレータ１４０と径方向外側に隣り合うマグネティックチャンネルを通過するビームＣの引出軌道とが近接する。このような場合、リジェネレータ１４０で作られる径方向外側の高い磁場がマグネティックチャンネルで作られる磁場に干渉することによって、マグネティックチャンネルを通過するビームＣの引き出しが良好に行えない可能性がある。一方、マグネティックチャンネルで作られる磁場がリジェネレータ１４０で作られる磁場に干渉することによって、共鳴状態が破壊され、ビームＣを径方向外側へ良好に移動させることができない可能性がある。従って、比較例に係るサイクロトロンでは、荷電粒子のビームＣを精度よく引き出すためには、リジェネレータ１４０とマグネティックチャンネルとを径方向においてある程度離間させる必要があり、サイクロトロンの小型化を図ることが困難であるという問題があった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、第１の基準位置ＳＴ１は、頂部４４の部分が作る磁場に対して１／４より大きな磁場を作る位置に設定されている。具体的には、第１の部分４２のうち、磁性部材の部材量が少なく、頂部２２付近の磁場に対する影響が小さい平面５２，５３に対応する部分が存在していた場合、当該部分を第１の基準位置ＳＴ１に設定するのではなく、メディアンプレーンＭＰへ向かって大きく突出することで磁場に対する影響が大きくなっている平面５４〜５７及び頂部４４に対応する部分に対して、当該部分の径方向内側の端部である側面６３の位置に第１の基準位置ＳＴ１を設定することができる。これによって、実質的な磁場の影響を考慮して第１の距離と第２の距離の比較を行うことができる。