(57)【要約】【課題】荷電ビームを周回させて加速する円形加速器において、イオン源から出射された低エネルギビームをビーム輸送系を通り円形加速器のビーム入射口に輸送する際、前記ビーム輸送系が円形加速器を構成する電磁石の間を通るために漏れ磁場の影響を受け、ビームが偏向されることによって入射効率を低下させていた。この問題点を解決するため円形加速器の垂直方向からビームを偏向させて入射し、漏れ磁場の影響を受けない構成とする。【解決手段】ビーム輸送系が円形加速器の周回ビーム軌道面に対して垂直な平面に設けられ、漏れ磁場の影響を受けない構成を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム入射部を有しビームを周回加速する磁気的に分離された複数の電磁石を有する円形加速器であって、
前記ビーム入射部にはイオン源と、前記イオン源からのビームを前記円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、前記ビーム輸送系が前記円形加速器の周回ビーム軌道面に対して垂直な平面内に設けられていることを特徴とする円形加速器。
【請求項２】
前記ビーム輸送系が、前記円形加速器の周回ビーム軌道面に対し垂直な平面内で偏向軌道を有することを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
【請求項３】
前記ビーム入射部が、前記円形加速器の中央部でかつ、前記ビーム入射口に近接して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の円形加速器。
【請求項４】
前記偏向軌道が、入射偏向電磁石によって形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項５】
前記入射偏向電磁石が、１８０°の偏向角を有することを特徴とする請求項４に記載の円形加速器。
【請求項６】
前記偏向軌道が、９０°の偏向角を有する２台の入射偏向電磁石によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の円形加速器。
【請求項７】
前記イオン源のビーム取り出し口が、前記周回ビーム軌道面に対して垂直に設けられているとともに、前記入射偏向電磁石が９０°の偏向角を有していることを特徴とする請求項２に記載の円形加速器。
【請求項８】
前記入射偏向電磁石のビーム軌道に面する磁極端面は、ビーム入射面に対して角度を有していることを特徴とする請求項４または請求項７に記載の円形加速器。
【請求項９】
前記ビーム輸送系に、ビーム収束用機器が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の円形加速器。
【請求項１０】
前記ビーム収束用機器が、前記イオン源と前記入射偏向電磁石との間に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の円形加速器。
【請求項１１】
前記ビーム収束用機器が、前記イオン源と前記入射偏向電磁石との間、および前記入射偏向電磁石と前記ビーム入射口との間に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の円形加速器。
【請求項１２】
前記２台の入射偏向電磁石の間に、ビーム収束用機器が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の円形加速器。
【請求項１３】
前記ビーム収束用機器が、四極電磁石で構成されていることを特徴とする請求項９または請求項１２のいずれか１項に記載の円形加速器。
【請求項１４】
前記ビーム収束用機器が、ソレノイドコイルで構成されていることを特徴とする請求項９または請求項１２のいずれか１項に記載の円形加速器。
【請求項１５】
前記ビーム収束用機器が、四極電磁石とソレノイドコイルで構成されていることを特徴とする請求項９または請求項１２のいずれか１項に記載の円形加速器。
【請求項１６】
前記ビーム入射部が、前記円形加速器の周回ビーム軌道面より下部側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１７】
前記ビーム入射部が、前記円形加速器の周回ビーム軌道面より上部側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１８】
前記偏向電磁石は、端部が鞍型のコイルを有するとともに、前記鞍型コイル外端面に端板を設けたことを特徴とする請求項４に記載の円形加速器。
【請求項１９】
更に、ベータトロンコアと、前記コアに設けられたコイルおよび交流電源を備えたベータトロンであることを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
【請求項２０】
前記ベータトロンコアが前記円形加速器の入射偏向電磁石を挟むよう２分割構造であることを特徴とする請求項１９に記載の円形加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、陽子や電子などの荷電粒子（荷電ビーム）を加速する粒子線加速器に関し、特に周回軌道上を繰り返し加速する円形加速器に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
荷電ビームを周回させて加速する円形加速器には、よく知られているように、例えばＦＦＡＧ（  Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  ）加速器、シンクロトロン、サイクロトロン加速器などがある。ＦＦＡＧは荷電ビームの偏向、収束磁場が一定のもとで加速を行う。このＦＦＡＧに加速すべきビームを入射させるには、ＦＦＡＧの外部または内部の何れでも行えるが、一般には内部から入射するよう設計されている。この場合ＦＦＡＧの内部空間はスペースが狭く、イオン源とこのイオン源から出たビームをＦＦＡＧに入射させるまでのビーム輸送系を構成する各機器は、前記内部空間に収まらない場合が多い。このような場合、従来イオン源をＦＦＡＧの外部に設置し、前記空間スペースの問題点を解消しようとしていることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ  ＯＦ  Ａ  ＦＦＡＧ  ＰＲＯＴＯＮ  ＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ２０００，Ｖｉｅｎｎａ，Ａｕｓｔｒｉａ（Ｐ５８２  Ｆｉｇ１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献１に示された配置では、イオン源を出たビームがＦＦＡＧ加速器の偏向、収束電磁石の間を通過するため、その電磁石の漏れ磁場によって偏向および発散力を受けてビーム軌道（入射軌道）が外れ、ＦＦＡＧへの入射効率が低下するという問題点があった。
この発明は前記課題を解決するためになされたもので、イオン源から出たビームを円形加速器の内側空間の垂直方向から偏向させながら入射可能なビーム輸送系を設けることにより、ビーム入射効率を低下させることのない円形加速器を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ビーム入射部を有しビームを周回加速する磁気的に分離された複数の電磁石を有する円形加速器であって、前記ビーム入射部にはイオン源と、前記イオン源からのビームを前記円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、前記ビーム輸送系が前記円形加速器の周回ビーム軌道面に対して垂直な平面内に設けられているものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、例えば入射時のエネルギ１００ＫｅＶの陽子を５ＭｅＶまで加速する円形加速器１００の断面図である。図２はその平面配置図である。なお図１のフロア２０は機器の上下方向を示すために画かれたものである。ここで円形加速器１００はＦＦＡＧ加速器の例を示す。また、入射されたビームを高エネルギまで加速する手段としては、高周波加速や誘導加速方式があるが、この実施の形態１では誘導加速方式の例を示す。図１、図２に示す円形加速器１００は磁気的に分離された複数の偏向、収束電磁石２、真空ダクト３、イオン源１０、入射偏向電磁石１１、インフレクタ１、ベータトロンコア４、コイル電源５、コイル６で構成されている。
【０００７】
次に、前記構成の円形加速器１００の動作を説明する。
イオン源１０で作り出されたビームは、入射偏向電磁石１１で図１のビーム軌道１２に示されるように、１８０°偏向され、インフレクタ１によって真空ダクト３内の周回ビーム軌道に導かれる。
ここでイオン源１０からインフレクタ１までをビーム入射部５０と称し、さらにイオン源１０のビーム取り出し口１０ａを出たビームが、前記インフレクタ１のビーム入射口１ａに入るまでのビーム輸送路を、ビーム輸送系６０と称することにする。
この実施の形態１の特徴の１つは、前記ビーム入射部５０が円形加速器１００に近接して設けられ、かつ前記ビーム輸送系６０が円形加速器１００の周回ビーム軌道面１００ａに対し垂直な平面内にあり、さらにビーム軌道１２に示すように偏向軌道を有して設けられていることにある。その構造の詳細は後述する。
磁気的に分離された複数の偏向、収束電磁石２は、図２に示す例では加速するビームの周回軌道上に８個所設けられ、ビームの偏向と収束を行うよう配置されている。ベータトロンコア４は強磁性体で構成され、ビームの周回軌道をまたがって真空ダクト３と偏向収束電磁石２を囲むよう配置されている。コイル電源５からコイル６に交流電流を供給すると、ベータトロンコア４の周囲にはファラデーの誘導則から磁場の時間変化に比例した電場がベータトロンコア４を取り囲むよう誘起される。周回ビームに対しては導電体の真空ダクト３があるために、前記電場は存在しないが、図２に示したように電気的に絶縁された加速ギャップ７を設けることにより、そこに電場が集中しその電界によってビームが加速される。
【０００８】
イオン源１０のイオン発生部は１００ＫＶで電気的に浮かされており、ここで作り出されたビームは１００ＫｅＶのエネルギを有するビームとなっている。この１００ＫｅＶのエネルギビームは偏向、収束電磁石２等からの漏れ磁場による影響が問題となる。例えば１ｍにわたって５ガウスの磁場が存在すれば、５．５ｍｍも偏向される。前記イオン源１０は図１に示すように、円形加速器１００の周回ビーム軌道面１００ａの下部側に配置されていて、円形加速器１００のコンパクト化がはかられている。
前述したようにイオン源１０からのビームは、ビーム輸送系６０の入射偏向電磁石１１による１８０°偏向のビーム軌道１２を通り、偏向、収束電磁石２の間に設けられたビーム入射口１ａのインフレクタ１に達する。すなわち、ビーム輸送系６０は前記偏向、収束電磁石２の間で、円形加速器１００の中央部、かつ周回ビーム軌道面１００ａの下部側に、前記入射偏向電磁石１１が設けられることによって形成されている。図１、図２に基づいてさらに詳説すれば、前記ビーム輸送系６０は、周回ビーム軌道面１００ａに対して垂直な平面内に設けられているとともに、前記垂直な平面内で、前記入射偏向電磁石１１の作る１８０°の偏向軌道を有している。また、前記ビーム輸送系６０を含む前記ビーム入射部５０のイオン源１０は、円形加速器１００に近接して設けられている。
【０００９】
入射偏向電磁石１１は、図１に示した図の垂直方向に磁場を発生させるものであり、ビーム軌道１２を挟むように磁極が設けられている。一般にはコイルを備えた電磁石が用いられるが、永久磁石であってもよい。入射偏向電磁石１１において、ビームは１８０°偏向されて、円形加速器１００のビーム入射口１ａのインフレクタ１で水平方向（図１の図の垂直方向）に偏向され、円形加速器１００に入射される。入射されたビームは加速されエネルギの増加に伴い周回軌道半径を広げていく。
【００１０】
ここで前記イオン源１０のビーム取り出し口１０ａから出射されたビームは、前記ビーム輸送系６０内で広がるため、何らかの収束手段を設けて広がりを少なくし、効率良いビーム入射を行う必要がある。前記入射偏向電磁石１１は水平方向（図の垂直方向）の収束力は存在するが、垂直方向（図の水平方向）には収束力がないため何からの収束手段が必要となる。そのため入射偏向電磁石１１のビーム入口、出口の磁極に傾きをもたせて（通常は磁極端面とビーム軌道は垂直）、収束機能を得る。傾きの方向により水平方向発散、垂直方向収束かまたはその逆となるが、垂直方向に収束力が得られる方向とする。この場合、水平方向は発散となるがその内部磁場そのものが水平方向に収束作用をもつため全体としては収束力となる。円形加速器１００の内側にはベータトロンコア４が設けてあり、それからの漏れ磁場も存在する。そのためイオン源ビーム取り出し口１０ａ、およびビーム入射口１ａと入射偏向電磁石１１までの空間はできるだけ短い方が漏れ磁場の影響を受けにくい。この実施の形態１では入射偏向電磁石１１のコイル端部を鞍型としビーム進行方向のコイル端長を短くして前記空間を短くする。また、この鞍型コイルの端面にシールド用端板を設けて外部漏れ磁場および入射偏向電磁石１１の漏れ磁場をシールドし、円形加速器１００に入射されるビームへの影響を少なくしても良い。
【００１１】
このようにこの実施の形態１による構成では、イオン源１０からビーム入射口１ａに到るビーム入射部５０のビーム輸送系６０が円形加速器１００の周回ビーム軌道面１００ａに対して垂直な平面内にあり、かつ垂直な平面内で偏向軌道を有するとともに、前記ビーム輸送系６０内を通るビーム経路の殆どの部分が、入射偏向電磁石１１内にあるため、外部の磁場は入射偏向電磁石１１によって遮蔽され、ビームへの影響を極めて少なくすることができる。
この結果、設計計画に近いビーム輸送が可能となり、ビーム入射効率を下げることはない。またコンパクトなビーム輸送系６０を実現可能としている。なお、ベータトロンコア４は、図３に示すように周回軌道上に２カ所設けるような構造であってもよい。
【００１２】
実施の形態２．
実施の形態２のビーム入射部５０を図４に基づいて説明する。前述の実施の形態１では、入射部５０のイオン源１０を円形加速器１００の周回ビーム軌道面１００ａの下部側に配置した例を示したが、この実施の形態２の図４に示すように周回ビーム軌道面１００ａの上部側に設けている。この場合イオン源１０の機器配置上の制約が少なくなりイオン源設計上の自由度が増加するとともに、イオン源１０のメンテナンスが容易となり、また円形加速器１００の組み立てが容易なるという効果がある。またさらに図５に示すようにイオン源１０を円形加速器１００本体から離して配置する方式では、前記利点が更に大きくなる。
この場合、ビーム輸送系６０が長くなるため、ビームを収束させる機器が必要となる。収束機器１３には、例えば四極電磁石、永久磁石、ソレノイドコイル等の諸手段があり、適宜選択して使用する。なお四極電磁石は少なくとも１個以上設け、望ましくは２台ペアとする。
【００１３】
実施の形態３．
実施の形態３のビーム入射部５０を図６に基づいて説明する。図に示すように、この実施の形態３によるビーム輸送系６０はビーム収束機器１３を、入射偏向電磁石１１とビーム入射口１ａとの間、およびイオン源１０との間に設けている。このような構成を採用すると、入射ビームの形状の調整が可能となる。すなわちイオン源１０からの出射ビーム形状が不確かであったり、また出射ビームの時系列的な形状変化などに対して、例えば前記ビーム輸送系６０に設けた図示省略のビームモニタからの信号によって前記収束機器１３を制御し、入射ビーム形状や位置調整を行う。さらには、円形加速器１００の本体への入射パラメータの最適化も行えるという効果もある。なお収束機器１３は入射偏向電磁石１１の入出側に設ける例を示したがいずれか片側のみとしてもよい。
【００１４】
実施の形態４．
実施の形態４のビーム入射部５０を図７に基づいて説明する。
図に示すように、この実施の形態４によるビーム輸送系６０は９０°のビーム偏向を行う入射偏向電磁石１１ａを２台設けるとともに、それらの間に収束機器１３を配置している。
このような構成を採用する理由を以下に述べる。
イオン源１０の１００ＫＶの高圧電源の出力変動は有限であるため結果として出射ビームエネルギは変化する。例えば高圧電源の±０．２％の変動があった場合、ビームは±０．４ｍｍ変化する。これを避けるため、前記の如く９０°の入射偏向電磁石１１ａを２台とそれらの間に収束機器１３を２台設けた。入射偏向電磁石１１ａのそれぞれの磁場強度を収束機器１３のパラメータによって、ビーム入射口１ａにおけるエネルギの異なるビームの位置変化（周回ビーム軌道面１００ａに対して垂直方向に位置がずれる）をほぼゼロにすることが可能である。なお、この実施の形態４では収束機器１３を２台用いる例を示しているが、それぞれの入射偏向電磁石１１ａの端部収束力の選び方により１台でもよい場合があり、台数は限定されるものではない。これは許容可能なビームサイズも考慮してこれらのパラメータが最適化される。またさらに、実施の形態３の図６に示したようにこの実施の形態４でも入射偏向電磁石１１ａとイオン源１０やビーム入射口１ａとの間にも収束機器１３を配置すれば、更に最適な設計が可能となる。
【００１５】
実施の形態５．
実施の形態５のビーム入射部５０を図８に基づいて説明する。図に示すように、この実施の形態５によれば、イオン源１０のビーム取り出し口１０ａが周回ビーム軌道面１００ａに対して垂直になるようイオン源１０が設置されているとともに、入射偏向電磁石１１ａが９０°の偏向角を有し、前記イオン源１０と入射偏向電磁石１１ａとの間に収束用機器１３が設けられているものである。このような構成では、ビーム入射部５０をコンパクトにすることができるとともに、入射偏向電磁石１１ａが小型化され、低コスト化がはかれるという効果がある。なおイオン源１０は周回ビーム軌道面１００ａの上部側に設けてもよい。
【００１６】
実施の形態６．
入射偏向電磁石１１はよく知られているように磁場勾配を持たせて偏向磁場方向の収束力を得る方法を採用してもよい。通常はビーム軌道半径方向に弱くなる磁場勾配をつける。この場合、端部収束は不要となり電磁石磁極端部の形状が単純となる。
このようにこの実施の形態６の構成によれば、収束機器１３の設置が必ずしも必要とせず、入射部５０の全体設計が容易となり、コストの低減化がはかれる。但し、収束機器１３を設置すればより効果的な収束が可能となるのは言うまでもない。
【００１７】
実施の形態７．
前記実施の形態においては、加速手段として誘導加速方式を用いる方式で説明したが、高周波加速の方式であっても同様の効果が得られる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明は、以上述べたような構成の円形加速器であるので、以下のような効果がある。
ビーム入射部を有しビームを周回加速する磁気的に分離された複数の電磁石を有する円形加速器であって、ビーム入射部にはイオン源と、イオン源からのビームを円形加速器のビーム入射口まで輸送するビーム輸送系が設けられており、ビーム輸送系が円形加速器の周回ビーム軌道面に対して垂直な平面内に設けられているものであるので、ビーム輸送系が円形加速器の偏向収束電磁石の間を通らないため、その漏れ磁場の影響を受けず、更にビーム輸送系の入射偏向電磁石内の軌道が殆どであるため、円形加速器の他の構成機器の漏れ磁場の影響も受けにくい。この結果、ビーム輸送系におけるビーム偏向が防止でき、円形加速器への入射効率低減を避けられるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の円形加速器の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１の円形加速器の平面配置図である。
【図３】この発明の実施の形態１の他の様態を示す円形加速器の平面配置図である。
【図４】この発明の実施の形態２のビーム入射部を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２の他の様態のビーム入射部を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３のビーム入射部を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４のビーム入射部を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５のビーム入射部を示す図である。
【符号の説明】
１  インフレクタ、１ａ  ビーム入射口、２  偏向収束電磁石、
４  ベータトロンコア、５  電源、６  コイル、１０  イオン源、
１０ａ  ビーム取り出し口、１１，１１ａ  入射偏向電磁石、
１２  ビーム軌道、５０  ビーム入射部、６０  ビーム輸送系、
１００  円形加速器、１００ａ  周回ビーム軌道面。
【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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