(57)【要約】【課題】コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネル及びサイクロトロンを提供する。【解決手段】外周側磁性部材５０は、径方向及び周方向に対して直交する高さ方向と、周方向と、に広がる板状部材によって構成される。この板状部材は、高さ方向の両端側において周方向に延伸する一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂと、高さ方向に延伸して一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂ同士を連結し、周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される複数の連結部５２と、を備える。このような構造は、偏向タイプのマグネティックチャンネルと収束タイプのマグネティックチャンネルを個別の部品として複数設けた構造に比して、コンパクトにすることができる。また、外周側磁性部材５０は、偏向タイプの壁部と収束タイプの壁部を一体的な板状部材として構成したため、強度を高くすることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイクロトロン用のマグネティックチャンネルであって、
湾曲しながら延伸する内周側磁性部材と、
前記内側磁性部材よりも湾曲形状における径方向の外周側に配置され、前記湾曲形状における周方向に沿って湾曲するように延伸する外周側磁性部材と、を備え、
前記外周側磁性部材は、前記径方向及び前記周方向に対して直交する高さ方向と、前記周方向と、に広がる板状部材によって構成され、
前記板状部材は、
前記高さ方向の両端側において前記周方向に延伸する一対の延伸部と、
前記高さ方向に延伸して一対の前記延伸部同士を連結し、前記周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される複数の連結部と、を備える、マグネティックチャンネル。
【請求項２】
前記内周側磁性部材は、
前記周方向及び前記高さ方向に広がる第１の壁部と、
前記第１の壁部の前記高さ方向における両端から、前記径方向における内周側及び前記周方向へ広がる一対の第２の壁部と、を備え、
前記第２の壁部が前記第１の壁部から前記径方向における内周側へ延伸する量は、前記周方向において不均一である、請求項１に記載のマグネティックチャンネル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマグネティックチャンネルを第１のマグネティックチャンネルとして備える、サイクロトロン。
【請求項４】
荷電粒子の周回軌道において、前記第１のマグネティックチャンネルから離間して設けられた第２のマグネティックチャンネルを更に備える、請求項３に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
荷電粒子の周回軌道を挟んで一対設けられる磁極と、
一対の前記磁極間に設けられるディ電極と、を備え、
前記第１のマグネティックチャンネルは、前記ディ電極の内部に設けられる、請求項３又は４に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
荷電粒子の周回軌道において、前記第１のマグネティックチャンネルから離間して設けられた第２のマグネティックチャンネルを更に備え、
前記第１のマグネティックチャンネルの前記内周側磁性部材は、
前記周方向及び前記高さ方向に広がる第１の壁部と、
前記第１の壁部の前記高さ方向における両端から、前記径方向における内周側及び前記周方向へ広がる一対の第２の壁部と、を備え、
前記第２のマグネティックチャンネルは、平面視において前記磁極の外側に設けられ、湾曲しながら延伸する内周側磁性部材を備え、
前記第２のマグネティックチャンネルの内周側磁性部材は、前記周方向及び前記高さ方向に広がる第３の壁部を備え、
前記第３の壁部の前記高さ方向における両端には、内周側に平面が形成されている、請求項５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、マグネティックチャンネル、及びサイクロトロンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のサイクロトロンが知られている。この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が、一対の磁極間において、ディ電極によって形成される電場で加速される。サイクロトロンは、荷電粒子が十分に加速された後、引き出され、マグネティックチャンネルを通過させることで収束させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１５−５３２５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、例えば超伝導サイクロトロンでは、磁場を強くし、且つ、装置の小型化が求められている。しかしながら、磁場が強くなることにより、マグネティックチャンネルに対して強い力が作用し得る一方で、装置の小型化を図るために、大きな支持構造を設けることが難しくなる。従って、コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネルが求められていた。
【０００５】
上記の問題に鑑み、本発明は、コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネル及び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】
本発明の一形態に係るマグネティックチャンネルは、サイクロトロン用のマグネティックチャンネルであって、湾曲しながら延伸する内周側磁性部材と、内側磁性部材よりも湾曲形状における径方向の外周側に配置され、湾曲形状における周方向に沿って湾曲するように延伸する外周側磁性部材と、を備え、外周側磁性部材は、径方向及び周方向に対して直交する高さ方向と、周方向と、に広がる板状部材によって構成され、板状部材は、高さ方向の両端側において周方向に延伸する一対の延伸部と、高さ方向に延伸して一対の延伸部同士を連結し、周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される複数の連結部と、を備える。
【０００７】
このマグネティックチャンネルによれば、外周側磁性部材は、径方向及び周方向に対して直交する高さ方向と、周方向と、に広がる板状部材によって構成される。この板状部材は、高さ方向の両端側において周方向に延伸する一対の延伸部と、高さ方向に延伸して一対の延伸部同士を連結し、周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される複数の連結部と、を備える。このような構成によれば、周方向において連結部が形成された箇所では、一対の延伸部と連結部とによって一枚の壁部が形成される。従って、このような一枚の壁部と内周側磁性部材との組み合わせによって、加速された荷電粒子を外周側へ偏向させる偏向タイプのマグネティックチャンネルが構成される。一方、周方向において連結部間の隙間が形成される箇所では、高さ方向に離間して配置された一対の延伸部によって、二枚の壁部が形成される。従って、このような二枚の壁部と内周側磁性部材との組み合わせによって、加速された荷電粒子を収束させる収束タイプのマグネティックチャンネルが構成される。外周側磁性部材では、連結部は、周方向に互いに隙間を空けて離間して複数配置される。従って、マグネティックチャンネルは、一つの部品の中で、偏向タイプの構成と収束タイプの構成を交互に連続的に備えることができる。このような構造は、偏向タイプのマグネティックチャンネルと収束タイプのマグネティックチャンネルを個別の部品として複数設けた構造に比して、コンパクトにすることができる。また、外周側磁性部材は、偏向タイプの壁部と収束タイプの壁部を一体的な板状部材として構成したため、強度を高くすることができる。以上により、コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネルを提供することができる。
【０００８】
マグネティックチャンネルにおいて、内周側磁性部材は、周方向及び高さ方向に広がる第１の壁部と、第１の壁部の高さ方向における両端から、径方向における内周側及び周方向へ広がる一対の第２の壁部と、を備え、第２の壁部が第１の壁部から径方向における内周側へ延伸する量は、周方向において不均一であってよい。第２の壁部が設けられることにより、第１の壁部よりも内周側において、荷電粒子の周回軌道上での磁場が変化することを抑制できる。また、当該第２の壁部が内周側へ延伸する量は、周方向において不均一である。これにより、第２の壁部のうち、周方向の一部の延伸量を小さくすることで、第２の壁部が広くなり過ぎることによる強度上のリスクを低減しつつ、他の一部の延伸量を大きくすることで、第２の壁部全体で見た時の平均磁束密度を適切なものとすることで、等時性が崩れることを抑制できる。
【０００９】
本発明の一形態に係るサイクロトロンは、上述のマグネティックチャンネルを第１のマグネティックチャンネルとして備える。
【００１０】
このサイクロトロンによれば、上述のマグネティックチャンネルと同様な作用・効果を得ることができる。
【００１１】
サイクロトロンは、荷電粒子の周回軌道において、第１のマグネティックチャンネルから離間して設けられた第２のマグネティックチャンネルを更に備えてよい。これにより、第１のマグネティックチャンネルの下流側で、加速された荷電粒子の調整を行うことができる。
【００１２】
サイクロトロンは、荷電粒子の周回軌道を挟んで一対設けられる磁極と、一対の磁極間に設けられるディ電極と、を備え、第１のマグネティックチャンネルは、ディ電極の内部に設けられてよい。ここで、一対の電極間では、バレー領域に機器を配置することが可能である。これに対し、ディ電極を配置したバレー領域においては、当該ディ電極が大きな空間を占有するため、ディ電極と並べるようにして第１のマグネティックチャンネルを配置することが難しい。それに対し、ディ電極の内部に第１のマグネティックチャンネルを配置することで、一つのバレー領域に対してディ電極と第１のマグネティックチャンネルを同時に配置することが可能となる。
【００１３】
サイクロトロンは、荷電粒子の周回軌道において、第１のマグネティックチャンネルから離間して設けられた第２のマグネティックチャンネルを更に備え、第１のマグネティックチャンネルの内周側磁性部材は、周方向及び高さ方向に広がる第１の壁部と、第１の壁部の高さ方向における両端から、径方向における内周側及び周方向へ広がる一対の第２の壁部と、を備え、第２のマグネティックチャンネルは、平面視において磁極の外側に設けられ、湾曲しながら延伸する内周側磁性部材を備え、第２のマグネティックチャンネルの内周側磁性部材は、周方向及び高さ方向に広がる第３の壁部を備え、第３の壁部の高さ方向における両端には、内周側に平面が形成されていてよい。第２のマグネティックチャンネルは、平面視において磁極の外側に設けられている。従って、第２のマグネティックチャンネルは、周回軌道から取り出された荷電粒子の調整を行うことができる。第２のマグネティックチャンネルの第３の壁部の高さ方向の両端には、内周側に平面が形成されている。すなわち、第３の壁部には、第２の壁部のような部材が設けられていない。第２のマグネティックチャンネルが磁極の外側に配置されているため、第２のマグネティックチャンネルの第３の壁部の内周側には、周回軌道は存在していない。よって、第３の壁部の内周側の磁場を調整する必要がないので、不要な壁部を省略することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネル及びサイクロトロンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るサイクロトロンの内部の平面図である。
【図２】図１のサイクロトロンが備える一対の磁極の模式図である。
【図３】ディ電極の外周側の端部を示す平面図である。
【図４】マグネティックチャンネルの斜視図である。
【図５】マグネティックチャンネルの平面図である。
【図６】図３に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】図３に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】図１に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るマグネティックチャンネル、及びサイクロトロンの実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。なお、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。
【００１７】
図１に示されるように、サイクロトロン１は、真空容器３、ディ電極５Ａ，５Ｂ、及びマグネティックチャンネル９を有する。真空容器３は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。真空容器３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２１，２３が設けられている。磁極２１，２３は、平面視で円形をなし、加速平面であるメディアンプレーンに対して上下面対称の形状を成している。また、磁極２１，２３は、荷電粒子の周回軌道Ｂを挟んで、上下方向（図１の紙面に直交する方向）に対面して配置されている。磁極２１，２３のそれぞれの周囲にコイルが配置され、磁極２１と磁極２３との間に磁場が発生される。
【００１８】
図２は、磁極２１，２３のみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、磁極２１，２３は円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、図１の方向から見た磁極２１，２３の輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。磁極２１の上面には、螺旋状に湾曲した４つの凸部２１ａと、４つの凹部２１ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、磁極２３の下面にも、螺旋状に湾曲した４つの凸部２３ａと、４つの凹部２３ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。凸部２１ａと凸部２３ａ、凹部２１ｂと凹部２３ｂは、互いにメディアンプレーンに対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。なお、ここで磁極２１，２３の凸部２１ａ，２３ａとは、メディアンプレーンに向けて突出している部分であり、凹部２１ｂ，２３ｂとは、メディアンプレーン２７から離れるように凹んでいる部分である。また、メディアンプレーン２７とは、荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面である。厳密には、荷電粒子ビームは、磁極２１，２３が対向する方向（図３における上下方向）に振動しながら進行するので、振動する荷電粒子ビームの、磁極２１，２３が対向する方向の位置のおよそ中央値を取った平面がメディアンプレーン２７となる。なお、凸部２１ａ，２３ａ及び凹部２１ｂ，２３ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。
【００１９】
磁極２１と磁極２３との間には、凸部２１ａと凸部２３ａとで挟まれた狭いギャップのヒル領域２５ｈと、凹部２１ｂと凹部２３ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域２５ｖとが形成されている。磁極２１，２３との対称面上に、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。
【００２０】
ディ電極５Ａ，５Ｂは、真空容器３の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させる電極である。ディ電極５Ａ，５Ｂは、両方ともバレー領域２５ｖに配置され、互いに径方向に対向するように配置されている。ディ電極５Ａ，５Ｂは、平面視でバレー領域２５ｖの形状に沿った形状に形成されている。磁極２１の中心部には、サイクロトロン１の外部又は内部に設けられたイオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、メディアンプレーン上に送るインフレクタ１１が配置される。ただし、内部イオン源の場合、メディアンプレーン上に荷電粒子が出るため、インフレクタ１１は設けられない。
【００２１】
静電デフレクタ９０は、磁場中で周回軌道Ｂを周回する荷電粒子を偏向させて、引出軌道に引き出す機能を有する。マグネティックチャンネル９は、静電デフレクタ９０で引き出された荷電粒子を更に外に曲げる機能と、荷電粒子を水平方向に収束する機能を有している。マグネティックチャンネル９として、二つのマグネティックチャンネル（第１のマグネティックチャンネル）９Ａ、及びマグネティックチャンネル（第２のマグネティックチャンネル）９Ｂが設けられている。
【００２２】
マグネティックチャンネル９Ａは、ディ電極５Ａの内部に設けられる。マグネティックチャンネル９Ａは、ディ電極５Ａの外周側の端部に設けられており、周回軌道Ｂの最外周部に対応する位置に設けられている。マグネティックチャンネル９Ａは、静電デフレクタ９０で引き出された荷電粒子を更に外に曲げる機能と、荷電粒子を水平方向に収束する機能の両方を有している。マグネティックチャンネル９Ｂは、荷電粒子の周回軌道Ｂにおいて、マグネティックチャンネル９Ａから下流側へ離間して設けられている。マグネティックチャンネル９Ｂは、平面視において磁極２１，２３の外側に設けられる。マグネティックチャンネル９Ｂは、真空容器３の壁部内に配置される。マグネティックチャンネル９Ｂは、荷電粒子を水平方向に収束する機能を有する。
【００２３】
サイクロトロン１では、磁極２１と磁極２３との間に磁場を発生させると共に、ディ電極５Ａ，５Ｂに高周波電圧が付与されることで、荷電粒子が、加速されつつ、メディアンプレーン上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。径方向の外周側に達した荷電粒子は、静電デフレクタ９０で周回軌道から分けられ、マグネティックチャンネル９Ａの導入ギャップを通過することで、偏向と収束を繰り返し、更にマグネティックチャンネル９Ｂの導入ギャップを通過することで収束されながら、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出される。
【００２４】
次に、図３〜図７を参照して、マグネティックチャンネル９Ａの具体的な構成について説明する。図３は、ディ電極５Ａの外周側の端部を示す平面図である。図３では、上下方向に対向する一対のディ電極５Ａのうち、上側のディ電極５Ａが省略されている。図３に示すように、マグネティックチャンネル９Ａは、支持構造３０を介してディ電極５Ａに設けられている。支持構造３０は、上下方向に対向する一対の支持板３１を備えており、一対の支持板３１間にマグネティックチャンネル９Ａを支持している。支持板３１は、ディ電極５Ａの外周側の端部において、周方向に沿って延びるように延伸している。支持板３１は、冷却媒体を流通させる流路２９に接続されている。従って、マグネティックチャンネル９Ａは、支持板３１によって冷却される。図６に示すように、一対の支持板３１は、後述の内周側磁性部材４０の第２の壁部４２Ａ，４２Ｂをそれぞれ支持し、且つ、外周側磁性部材５０の高さ方向の両端部を支持する。なお、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、押さえ板３２によって、支持板３１の反対側の面を押さえられている。
【００２５】
図４は、マグネティックチャンネル９Ａの斜視図である。図５は、マグネティックチャンネル９Ａの平面図である。図４に示すように、マグネティックチャンネル９Ａは、内周側磁性部材４０と、外周側磁性部材５０と、を備える。内周側磁性部材４０は、湾曲しながら延伸する部材である。外周側磁性部材５０は、内周側磁性部材４０よりも湾曲形状における径方向の外周側に配置され、湾曲形状における周方向に沿って湾曲するように延伸する部材である。外周側磁性部材５０は、内周側磁性部材４０に対して径方向に隙間を空けて配置される。なお、内周側磁性部材４０及び外周側磁性部材５０は、サイクロトロン１の周方向に沿って湾曲するように、ディ電極５Ａ内に配置される（図３参照）。ただし、マグネティックチャンネル９Ａの湾曲形状に対する中心位置は、サイクロトロン１の中心位置とは異なる位置に設定される。以降の説明では、マグネティックチャンネル９Ａにとっての「周方向」「径方向」を基準として説明する。また、径方向及び周方向に対して直交する方向を「高さ方向」とする。内周側磁性部材４０及び外周側磁性部材５０は、例えば、純鉄、コバルト鉄などの磁性材料によって構成される。
【００２６】
内周側磁性部材４０は、第１の壁部４１と、一対の第２の壁部４２Ａ，４２Ｂと、を備えた断面コ字状の部材である。第１の壁部４１は、周方向及び高さ方向に広がる。第１の壁部４１の断面形状は、高さ方向に直線状に延伸する長方形の形状を有する。第１の壁部４１は、当該断面形状を維持した状態で周方向へ延伸する。
【００２７】
第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、第１の壁部４１の高さ方向における両端から、径方向における内周側及び周方向へ広がる。第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、第１の壁部４１に対して垂直となるように、当該第１の壁部４１の高さ方向における両端から内周側へ延伸する。第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、第１の壁部４１が磁束を吸い取る影響により、当該第１の壁部４１よりも内周側での周回軌道上の磁場が変わることを抑制するためのウィング（Ｗｉｎｇ）と称される部材である。なお、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、内周側へ向かうに従って、徐々に厚みが薄くなるように構成されている。第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、第１の壁部４１の周方向における全範囲と対応するように、周方向に延伸している。第２の壁部４２Ａと第２の壁部４２Ｂとは、平面視において同形状となっている。
【００２８】
第２の壁部４２Ａ，４２Ｂが第１の壁部４１から径方向における内周側へ延伸する量は、周方向において不均一である。図５に示すように、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、外周側に配置される外周側領域４３と、内周側に配置される内周側領域４４と、を有する。外周側領域４３は、第１の壁部４１に直接接続される部分であり、径方向の寸法は、周方向全域にわたって均一である。一方、内周側領域４４は、周回軌道Ｂの上流側の端部から下流側の端部へ向かうに従って、徐々に径方向の寸法が小さくなるように形成されている。
【００２９】
ここでは、内周側領域４４は、上流側の端部から下流側の端部へ向かって順に、傾斜部４４ａ、傾斜部４４ｂ、傾斜部４４ｃを有している。傾斜部４４ａ，４４ｂ，４４ｃでは、上流側から下流側へ向かって、内周側領域４４の径方向の寸法が小さくなるように傾斜している。また、傾斜部４４ａ，４４ｎ，４４ｃの順で、外周側領域の内周側の縁部に対する傾斜角度が小さくなるように設定されている。なお、内周側領域４４の周方向の寸法を上流側から下流側へ向かって小さくしてゆくための構成は特に限定されない。例えば、傾斜部が三段階で設けられていたが、一段階、二段階であってもよく、四段階以上でもよい。また、内周側領域４４の内周側の縁部を湾曲するようにして、徐々に径方向の寸法を小さくしてもよい。
【００３０】
図４に示すように、外周側磁性部材５０は、高さ方向及び周方向に広がる板状部材によって構成される。板状部材である外周側磁性部材５０は、一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂと、複数の連結部５２と、を備える。一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂは、高さ方向の両端側において周方向に延伸する部分である。延伸部５１Ａ，５１Ｂは、内周側磁性部材４０の周方向における一端と対応する位置から、他端と対応する位置へ向かって連続して周方向に延伸している。延伸部５１Ａ，５１Ｂの断面形状は高さ方向へ延びる長方形の形状を有している。延伸部５１Ａ，５１Ｂは、当該断面形状を維持した状態で周方向へ延伸する。
【００３１】
複数の連結部５２は、高さ方向に延伸して一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂ同士を連結する。また、複数の連結部５２は、周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される。連結部５２の径方向の厚みは、延伸部５１Ａ，５１Ｂと同一である。従って、連結部５２の内周面は、延伸部５１Ａ，５１Ｂの内周面と連続した湾曲面を形成する。連結部５２の外周面は、延伸部５１Ａ，５１Ｂの外周面と連続した湾曲面を形成する。連結部５２の周方向の両端は、高さ方向に直線状に延びる。連結部５２は、内周側磁性部材４０の第１の壁部４１と径方向に平行に対向するように配置される。複数の連結部５２は、互いに周方向の寸法が同一であり、且つ、周方向に当ピッチに配置される。ただし、複数の連結部５２の周方向の寸法は互いに異なっていてもよく、ピッチも互いに異なっていてよい。連結部５２と連結部５２との間には貫通部５３が形成される。貫通部５３は、板状部材である外周側磁性部材５０を径方向に貫通する。貫通部５３は、延伸部５１Ａ，５１Ｂと、一対の連結部５２で囲まれた矩形状の形状を有する。ただし、外周側磁性部材５０の周方向の両端の貫通部５３は、周方向に開口している。
【００３２】
次に、図６及び図７を参照して、第１の壁部４１と外周側磁性部材５０の位置関係について、より詳細に説明する。図６は、図３に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図７は、図３に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。図６は、外周側磁性部材５０のうち連結部５２が形成された位置の断面図である。図７は、外周側磁性部材５０のうち貫通部５３が形成された位置の断面図である。
【００３３】
図６に示すように、第１の壁部４１は、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂから外周側へ迫り出すことにより、高さ方向における両端４１ａ，４１ｂを有する。延伸部５１Ａの下端、すなわち連結部５２の上端は、第１の壁部４１の上端４１ａと高さ方向における位置が同じとなる。延伸部５１Ｂの上端、すなわち連結部５２の下端は、第１の壁部４１の下端４１ｂと高さ方向における位置が同じとなる。延伸部５１Ａと延伸部５１Ｂとは、連結部５２で連結されるため、延伸部５１Ａ、連結部５２、及び延伸部５１Ｂによって一枚の壁部が構成される。このように、内周側の一枚の壁部と外周側の一枚の壁部が径方向に対向することで、荷電粒子を偏向させる偏向タイプ（Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｔｙｐｅ）のマグネティックチャンネルが構成される。偏向タイプのマグネティックチャンネルでは、第１の壁部４１と外周側磁性部材５０とが磁束を吸い取るため、周囲の磁束密度が低くなる。このため、第１の壁部４１と外周側磁性部材５０との間の空間では、磁場が概ね一様に低くなる。荷電粒子は磁場が高い箇所では内周側へ十分に曲がるが、磁場が低い箇所では内周側へ十分に曲がり切らずに、外周側へ偏向する。これにより、加速された荷電粒子は、外周側へ偏向することによって、サイクロトロンからの取り出しが行われる。
【００３４】
図７に示すように、延伸部５１Ａと延伸部５１Ｂとの間には貫通部５３が形成される。従って、延伸部５１Ａ、及び延伸部５１Ｂによって高さ方向に離間した二枚の壁部が構成される。このように、内周側の一枚の壁部と外周側の二枚の壁部が径方向に離間するように配置されることで、荷電粒子を収束させる収束タイプ（Ｒａｄｉａｌ  ｆｏｒｃｕｓｉｎｇ  ｔｙｐｅ）のマグネティックチャンネルが構成される。収束タイプのマグネティックチャンネルでは、第１の壁部４１と延伸部５１Ａ，５１Ｂとが磁束を吸い取るため、周囲の磁束密度が低くなる。従って、第１の壁部４１と外周側磁性部材５０との間の空間では、第１の壁部４１付近では磁場が低くなる。一方、延伸部５１Ａ，５１Ｂはメディアンプレーンから上下方向へ離間した位置にて磁場を低くすることにより、メディアンプレーン付近では磁場が高くなる。従って、第１の壁部４１と外周側磁性部材５０との間の空間曲率半径が大きくなるに従って磁場が強くなるような、四極磁場が形成される。この場合、荷電粒子には、磁場が低い内周側では外周側へ向かい、磁場が高い外周側では内周側へ向かうような力が作用するため、水平方向への収束が行われる。
【００３５】
上述のように、マグネティックチャンネル９Ａでは、連結部５２と貫通部５３が交互に繰り返し形成される。従って、マグネティックチャンネル９Ａは、交互に繰り返し配置された偏向タイプのマグネティックチャンネルと収束タイプのマグネティックチャンネルを一部品の中で有することとなる。従って、マグネティックチャンネル９Ａの導入ギャップに入り込んだ荷電粒子に対して、外周側への偏向と、水平方向の収束とが交互に繰り返し行われる。
【００３６】
その後、マグネティックチャンネル９Ａを通過した荷電粒子は、マグネティックチャンネル９Ｂに導入される。図８は、図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。図８に示すように、マグネティックチャンネル９Ｂは、内周側磁性部材６０と、外周側磁性部材７０と、を備える。内周側磁性部材６０は、高さ方向に延伸し、周方向に湾曲するように延伸する第３の壁部６１によって構成される。外周側磁性部材７０は、高さ方向の両側に配置され、周方向に湾曲するように延伸する一対の延伸部７１Ａ，７１Ｂを備える。従って、マグネティックチャンネル９Ａは、収束タイプのマグネティックチャンネルを構成する。内周側磁性部材６０の第３の壁部６１の高さ方向の両端６１ａ，６１ｂには、内周側に平面が形成されている。すなわち、内周側磁性部材６０は、マグネティックチャンネル９Ａの第２の壁部４２Ａ，４２Ｂのように、内周側へ延伸する部材を有していない。
【００３７】
次に、本実施形態に係るマグネティックチャンネル９Ａ及びサイクロトロン１の作用・効果について説明する。
【００３８】
マグネティックチャンネル９Ａによれば、外周側磁性部材５０は、径方向及び周方向に対して直交する高さ方向と、周方向と、に広がる板状部材によって構成される。この板状部材は、高さ方向の両端側において周方向に延伸する一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂと、高さ方向に延伸して一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂ同士を連結し、周方向に互いに隙間を空けて離間して配置される複数の連結部５２と、を備える。このような構成によれば、周方向において連結部５２が形成された箇所では、一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂと連結部５２とによって一枚の壁部が形成される。従って、このような一枚の壁部と内周側磁性部材４０との組み合わせによって、加速された荷電粒子を外周側へ偏向させる偏向タイプのマグネティックチャンネルが構成される。一方、周方向において連結部５２間の隙間が形成される箇所では、高さ方向に離間して配置された一対の延伸部５１Ａ，５１Ｂによって、二枚の壁部が形成される。従って、このような二枚の壁部と内周側磁性部材６０との組み合わせによって、加速された荷電粒子を水平方向に収束させる収束タイプのマグネティックチャンネルが構成される。外周側磁性部材５０では、連結部５２は、周方向に互いに隙間を空けて離間して複数配置される。従って、マグネティックチャンネル９Ａは、一つの部品の中で、偏向タイプの構成と収束タイプの構成を交互に連続的に備えることができる。このような構造は、偏向タイプのマグネティックチャンネルと収束タイプのマグネティックチャンネルを個別の部品として複数設けた構造に比して、コンパクトにすることができる。また、外周側磁性部材５０は、偏向タイプの壁部と収束タイプの壁部を一体的な板状部材として構成したため、強度を高くすることができる。以上により、コンパクトでありながら強度が高いマグネティックチャンネル９Ａを提供することができる。
【００３９】
マグネティックチャンネル９Ａにおいて、内周側磁性部材４０は、周方向及び高さ方向に広がる第１の壁部４１と、第１の壁部４１の高さ方向における両端から、径方向における内周側及び周方向へ広がる一対の第２の壁部４２Ａ，４２Ｂと、を備え、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂが第１の壁部４１から径方向における内周側へ延伸する量は、周方向において不均一である。第２の壁部４２Ａ，４２Ｂが設けられることにより、第１の壁部４１よりも内周側において、荷電粒子の周回軌道Ｂ上での磁場が変化することを抑制できる。また、当該第２の壁部４２Ａ，４２Ｂが内周側へ延伸する量は、周方向において不均一である。これにより、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂのうち、周方向の一部の延伸量を小さくすることで、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂが広くなり過ぎることによる強度上のリスクを低減しつつ、他の一部の延伸量を大きくすることで、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂ全体で見た時の平均磁束密度を適切なものとすることで、等時性が崩れることを抑制できる。
【００４０】
より詳細に説明すると、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、厚みが厚い外周側領域４３と、厚みが薄い内周側領域４４と、を備える。このような構成に対して、薄い内周側領域４４の内周側への延伸量を周方向の全域にわたって小さく均一にした場合、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、厚みの厚く強度の高い部分で大部分が構成されるため、内周側磁性部材４０の部品としての強度が高くなる。しかし、この場合、第１の壁部４１より内周側の周回軌道Ｂ上での磁場の変化を十分に抑制することができない。一方、薄い内周側領域４４の内周側への延伸量を周方向の全域にわたって大きく均一にした場合、第１の壁部４１より内周側の周回軌道Ｂ上での磁場の変化を十分に抑制することができる。しかしながら、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、厚みの厚薄い部分が全体的に広くなるため、低強度部が広くなることで、強度上のリスクが大きくなる。従って、本実施形態では、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂの上流側の端部付近の延伸量を大きくすることで、周回軌道Ｂ上での磁場の変化を抑制しつつ、下流側の端部付近での延伸量を小さくすることで、低強度部が広くなりすぎることを抑制する。なお、延伸量が小さい部分のみで見た場合は、磁場の変化の抑制効果は低いものの、他の部分では延伸量が大きいため、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂを周方向の全体で見た場合は、平均磁束密度を適切なものとすることができる。
【００４１】
サイクロトロン１は、上述のマグネティックチャンネル９Ａを第１のマグネティックチャンネルとして備える。
【００４２】
このサイクロトロン１によれば、上述のマグネティックチャンネル９Ａと同様な作用・効果を得ることができる。
【００４３】
サイクロトロン１は、荷電粒子の周回軌道Ｂにおいて、マグネティックチャンネル９Ａから離間して設けられたマグネティックチャンネル９Ｂを更に備える。これにより、マグネティックチャンネル９Ａの下流側で、加速された荷電粒子の調整を行うことができる。
【００４４】
サイクロトロン１は、荷電粒子の周回軌道Ｂを挟んで一対設けられる磁極２１，２３と、一対の磁極２１，２３間に設けられるディ電極５Ａと、を備え、マグネティックチャンネル９Ａは、ディ電極５Ａの内部に設けられる。ここで、一対の電極間では、バレー領域２５ｖに機器を配置することが可能である。これに対し、ディ電極５Ａを配置したバレー領域２５ｖにおいては、当該ディ電極５Ａが大きな空間を占有するため、ディ電極５Ａと並べるようにしてマグネティックチャンネル９Ａを配置することが難しい。それに対し、ディ電極５Ａの内部にマグネティックチャンネル９Ａを配置することで、一つのバレー領域２５ｖに対してディ電極５Ａとマグネティックチャンネル９Ａを同時に配置することが可能となる。
【００４５】
サイクロトロン１は、荷電粒子の周回軌道Ｂにおいて、マグネティックチャンネル９Ａから離間して設けられたマグネティックチャンネル９Ｂを更に備え、マグネティックチャンネル９Ａの内周側磁性部材４０は、周方向及び高さ方向に広がる第１の壁部４１と、第１の壁部４１の高さ方向における両端から、径方向における内周側及び周方向へ広がる一対の第２の壁部４２Ａ，４２Ｂと、を備え、マグネティックチャンネル９Ｂは、平面視において磁極２１，２３の外側に設けられ、湾曲しながら延伸する内周側磁性部材６０を備え、マグネティックチャンネル９Ｂの内周側磁性部材６０は、周方向及び高さ方向に広がる第３の壁部６１を備え、第３の壁部６１の高さ方向における両端６１ａ、６１ｂには、内周側に平面が形成されていている。マグネティックチャンネル９Ｂは、平面視において磁極２１，２３の外側に設けられている。従って、マグネティックチャンネル９Ｂは、周回軌道Ｂから取り出された荷電粒子の調整を行うことができる。マグネティックチャンネル９Ｂの第３の壁部６１の高さ方向の両端６１ａ，６１ｂには、内周側に平面が形成されている。すなわち、第３の壁部６１には、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂのような部材が設けられていない。マグネティックチャンネル９Ｂが磁極２１，２３の外側に配置されているため、マグネティックチャンネル９Ｂの第３の壁部６１の内周側には、周回軌道は存在していない。よって、第３の壁部６１の内周側の磁場を調整する必要がないので、不要な壁部を省略することができる。
【００４６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとして説明したが、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。
【００４７】
また、上述の実施形態では、第２の壁部４２Ａ，４２Ｂは、上流側で延伸量が大きくなり、下流側で延伸量が小さくなっていたが、不均一であればよく、どのような形状であってもよい。例えば、下流側で延伸量が大きくなり、上流側で延伸量が小さくなってもよい。あるいは、周方向における中央付近で延伸量が大きくなり、両端側にて延伸量が小さくなってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…サイクロトロン、５Ａ，５Ｂ…ディ電極、９Ａ…マグネティックチャンネル（第１のマグネティックチャンネル）、９Ｂ…マグネティックチャンネル（第２のマグネティックチャンネル）、２１，２３…磁極、４０…内周側磁性部材、４１…第１の壁部、４２Ａ，４２Ｂ…第２の壁部、５０…外周側磁性部材、５１Ａ，５１Ｂ…延伸部、５２…連結部、６０…内周側磁性部材、６１…第３の壁部、Ｂ…周回軌道。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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