(57)【要約】【課題】従来、荷電粒子を繰り返し加速する誘電加速器としてのベータトロン加速器は、その繰り返し周波数を多くの場合５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの商用周波数であり、最大でも３００Ｈｚ程度であった。この繰り返し周波数の上限は電磁石や加速コアの発熱である。一方高周波特性の良いフェライト等の非晶質合金では加工性が悪く、高精度の磁場を得ることが困難であり、この問題点を解消するため、磁極に高周波特性、磁気特性もよく、加工性に優れた材料を用いる。【解決手段】第１、第２の磁極よりなる磁極とし、第２の磁極を空隙側として、この磁極材に絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体を用いることにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速コアと偏向電磁石とを備え荷電粒子を加速するベータトロン加速器であって、前記加速コアは前記偏向電磁石を部分的に取り囲むよう設けられており、前記偏向電磁石は平面形状がドーナッツ状をなすとともに、リターンヨークには所定の空隙を介して磁極が設けられており、前記磁極が第１、第２の磁極で構成されていて、前記第２の磁極が前記空隙側に配置されているものであり、前記リターンヨークおよび前記第１の磁極の材質が非晶質合金であるとともに、前記第２の磁極の材質が絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体であることを特徴とするベータトロン加速器。
【請求項２】
加速コアと偏向電磁石とを備え荷電粒子を加速するベータトロン加速器であって、前記加速コアは前記偏向電磁石を部分的に取り囲むよう設けられており、前記偏向電磁石は平面形状がドーナッツ状をなすとともに、リターンヨークには荷電粒子の加速周回軌道に沿って、第１の磁極が設けられたことによって形成される広空隙と、前記第１の磁極の先端に設けられた第２の磁極によって形成される狭空隙とが交互に備えられており、前記リターンヨークおよび前記第１の磁極の材質が非晶質合金であるとともに、前記第２の磁極の材質が絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体であることを特徴とするベータトロン加速器。
【請求項３】
前記加速コアが相対して前記偏向電磁石を部分的に取り囲むよう設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項４】
前記非晶質合金がフェライトまたはアモルファスあるいはファインメット（日立金属商品名）のいずれか１種であるとともに、前記リターンヨークおよび前記第１の磁極には前記非晶質合金をそれぞれ単独にまたは組み合わせて使用したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項５】
前記広空隙には、トロイダル磁場発生装置が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項６】
前記磁極を形成する前記第１、第２の磁極断面積が、前記リターンヨーク側に比較してビーム軌道平面に近い側が小さな形状を備えていることを特徴とする請求項１に記載のベータトロン加速器。
【請求項７】
前記広空隙を形成する第１の磁極の断面積と、前記狭空隙を形成する前記第１、第２の磁極の断面積が、前記リターンヨーク側に比較してビーム軌道平面に近い側が小さな形状をそれぞれ備えていることを特徴とする請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項８】
前記所定の空隙が、荷電粒子の加速周回軌道の内側より外側に向けて大きくなるように、前記磁極面に傾斜が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項９】
前記加速コアが前記偏向電磁石の中心部に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項１０】
前記第１の磁極の一部が、前記第２の磁極の背部にはみ出た構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項１１】
前記第２の磁極が、荷電粒子が加速される進行方向の磁極面にわん曲する角度が設けられたことを特徴とする請求項２に記載のベータトロン加速器。
【請求項１２】
前記リターンヨークの材質が非晶質であるとともに、前記第１、第２の磁極の材質が、絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体であることを特徴とする請求項２に記載のベータトロン加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子等の荷電粒子を加速する加速器に関し、特にベータトロン加速器に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギビーム加速器のビームをターゲットに衝突させて取り出した二次粒子の応用技術は、従来より多方面にわたっている。しかしながら従来の加速器は、例えばライナック（直線加速器）やシンクロトロン等の大型加速器が採用されており、設置、運転に高額な費用を要することから、医療応用等の限られた施設に設置されているにすぎない。また二次粒子線を目的物に照射する技術が加速器本体が大型な装置であるため、汎用化されてないこともあり、その用途の有用性を認められながらも普及の程度は少なかった。
ところが最近になって従来の大型加速器設備に代替し、かつ小型で安価な加速器の開発要求が盛んになるにつれ、ベータトロン加速器の採用が検討されてきている。
【０００３】
しかしながら従来の繰り返し加速の誘導加速器としてのベータトロン加速器は、その繰り返し周波数は多くの場合５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの商用周波数であり、最大でも３００Ｈｚ程度であった。この繰り返し周波数の上限を決めるのは電磁石や加速コアの発熱である。従来の装置では積層鋼板を用いており、渦電流損による発熱のため高繰り返しで駆動することができなかった。
【０００４】
上記のような点を解決しようとして、穿孔ガンマ線発生器用のベータトロンであって、フィールド磁石を有し、このフィールド磁石にはフェライトで構成される大略円形状の磁極片が設けられ、また二つの対称的な閉ループ形状のコア磁石を備えたものが示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３３５０９８号公報（第５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特許文献１に示されたベータトロン加速器では、一般式Ｍ２＋Ｆ２３＋Ｏ４で表されるクラスのフェライトで構成される磁極片を有しているので、高精度の加工が難しいという問題点がある。繰り返し加速の荷電粒子加速器、この場合ベータトロン加速器では精度の良い磁場整形が要求されるので、ビームが通過する磁極空隙付近を上記材料で作成するのは難しく、あるいは実現したとしても非常に高価な装置となるという問題点を有している。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーム通過に近い部分に加工性がよくかつ高周波特性の良い材質を有する磁極を設けて、繰り返し加速に要求される高精度の磁場を形成するとともに、前記磁極形状を高磁場発生可能な形状とすることにより、きわめて小型のベータトロン加速器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
加速コアと偏向電磁石とを備え荷電粒子を加速するベータトロン加速器であって、加速コアは前記偏向電磁石を部分的に取り囲むよう設けられており、偏向電磁石は平面形状がドーナッツ状をなすとともに、リターンヨークには所定の空隙を介して磁極が設けられており、磁極が第１、第２の磁極で構成されていて、前記第２の磁極が空隙側に配置されているものであり、前記リターンヨークおよび第１の磁極の材質が非晶質合金であるとともに、第２の磁極の材質が絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体としたものである。
【０００８】
【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によるベータトロン加速器は従来のそれに比較して大幅に小型化をはかるものであり、その外形寸法は略３０ｃｍφ程度のラップトップ型とし、小型、軽量、安価をはかることによって、３次元照射Ｘ線がん治療、屋外透視、高分解能ＣＴ、格子欠陥形成など新分野での放射線利用技術確立するとともに、更に広範囲な分野に応用拡大しようとするものである。以下この実施の形態１を図に基づいて説明する。図１はベータトロン加速器１００の断面図であり、図２はその平面図である。図１、図２において、ベータトロン加速器１００は、加速する荷電粒子（以下単にビームと称す）を偏向する偏向電磁石５０は、リターンヨーク１４と磁極３０と励磁コイル１７で構成されている。前記磁極３０は第１の磁極１２とこの第１の磁極１２の先端側つまり空隙１０側に設けられた第２の磁極１３とを備えている。電磁石５０は平面形状がドーナッツ状をなし、また前記第２の磁極１３間の空隙１０に設けられた真空ダクト１５の内部をビームが周回する。加速コア１１は電磁石５０を部分的に取り囲むよう１８０゜相対して設けられている。加速コアには励磁コイル１６が設けられている。
【０００９】
次にこのベータトロン加速器１００の動作と構成について説明する。図示省略した例えば電子銃で発生した電子ビームは、円形加速器１００に入射され偏向電磁石５０により偏向され、ガラス製またはセラミック製等の真空ダクト１５内を周回する。加速コア１１に交流磁界を印加すると円周方向に誘導電界が発生し、入射された電子ビームは周回しながら加速される。ここで、この本発明のねらいは、（１）高繰り返し加速、（２）高精度の磁場、（３）高磁場の偏向電磁石を得ることにある。高繰り返し加速を行うには、偏向電磁石５０を構成する材質の選定が重要な項目である。この実施の形態１ではリターンヨーク１４の材質として非晶質合金であるフェライトやアモルファスをさらにはファインメット（日立金属商品名）というリボン状の非晶質合金テープを複数回巻きつけて構成したものを用いる。これらの材質は高周波特性が優れていることから高周波（高繰り返し）運転にも渦電流損による熱発生が非常に少ないので、数ＫＨｚ〜数ＭＨｚの繰り返しが可能である。
しかしながら前記材質は機械加工を含む高精度の加工が困難であり、精度の高い磁場整形を必要とする繰り返し加速器の磁極としては不適当である。
【００１０】
本実施の形態１では、図１に示すように、リターンヨーク１４に第１の磁極１２と第２の磁極１３とからなる磁極３０を設け、周回ビームから離れた前記第１の磁極１２にはフェライト、アモルファス、ファインメット等の非晶質合金を用いている。そして１０−４〜１０−５程度の磁場一様性を得るのに直接的に関与する第２の磁極１３には加工性と高周波特性に優れた絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体（三菱マテリアル製）を用いた。
必要な高精度の磁場一様性を実現するには、空隙１０に面する前記第２の磁極１３の磁極表面を、表面粗度もさることながら、相対する磁極３０間の平行度や平面度に高精度が必要であるが、この材質は前記非晶質合金と比較して加工性が一段と優れているので、所望の磁極形状、磁極表面精度を比較的容易に実現可能である。
また、１テスラ以上の高磁場まで飽和しないので、高磁場用偏向電磁石５０の第２の磁極１３に使用する材料としては好適である。但し比透磁率が小さいので前記第２の磁極１３の部分は必要最小限の大きさとしている。
以上のような構成を採用することにより、コンパクトで高磁場で高精度の磁極が低コストで製作可能となり、ビームを安定に数ＫＨｚ〜数ＭＨｚの繰り返しで周回加速させることができる。
【００１１】
実施の形態２．
実施の形態２を図に基づいて説明する。図３はベータトロン加速器１００の断面図、図４は図３のＡ−Ａの方向から見た第１および第２の磁極１２、１３のみを示す平面図である。図４の平面図から判るように加速ビームの周回方向に周期的に第１の磁極１２とこの磁極１２間の広空隙１０ａと、前記第１の磁極１２の先端に設けた第２の磁極１３（磁極３０）とこの磁極３０間の狭空隙１０ｂが設けられている。すなわち図４に示す例では、円周方向に長さＬを有する第１の磁極１２が９０゜毎に設けられ、この部位では第１の磁極１２による広空隙１０ａが形成されている。そして、第１、第２の磁極１２、１３によってなる磁極３０は、前記９０゜毎に設けられた第１の磁極１２以外のビーム周回軌道に沿った個所に設けられ、この部位では磁極３０による狭空隙１０ｂが形成されている。このように磁極が周期的に凹凸つまり空隙１０ａ、１０ｂが周期的に広、狭であると磁場強度もビーム進行方向に周期的となり、ビームの収束力を得ることができ、ビームの拡がりをおさえた小さなビーム形状を保って加速することが可能となる。また凹凸部分の磁場の強度比や偏向角を変更させることができるので、設計上の裕度を持たせることが可能となる。また、従来の弱収束磁場のベータトロン加速器と比較して、ベータトロン振動（ビームの進行方向に対して垂直な方向の振動）数を例えば１．０８〜４程度と大きく選ぶことが可能となるので、空間電荷効果によるビーム発散を抑えることが可能となる。またさらに従来の弱収束ベータトロン加速器と比較し、狭空隙を有しているのでコイル起磁力を小さくでき、消費電力が少なくなるという優れた効果がある。なおこの実施の形態２では第１の磁極１２による広空隙１０ａを９０゜毎とした例を示したがこれに限らず６０゜、４５゜毎等任意に選んでもよい。また第１、第２の磁極、リターンヨーク１４の材質は実施の形態１に示したものと同一である。なお、またこの実施の形態２でも偏向電磁石５０を構成する材質は、前記実施の形態１と同様である。
【００１２】
実施の形態３．
実施の形態３を図に基づいて説明する。図５（ａ）は前記図４と同様の磁極１２、１３のみを示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
この実施の形態３では前述した実施の形態２の図５（ｂ）に示す広空隙１０ａの個所に真空ダクト１５を取り囲むようにトロイダル磁場発生装置１８を設けたものである。このトロイダル磁場発生装置１８は例えば空心コイルを用い、直流や数ＭＨｚの高周波の励磁を行うことにより、ビーム進行方向に磁場を発生させるものである。この磁場があると、低エネルギのビーム時にクーロン散乱によりビームが発散する効果（空間電荷効果）を抑制することができ、大電流を加速できるという効果を奏する。
なおこの実施の形態３でも前述した実施の形態２と同様に、広空隙１０ａ部を９０゜毎にかぎらず６０゜、４５゜毎等とし、そこに前記トロイダル磁場発生装置１８を設けてもよいことは言うまでもない。
【００１３】
実施の形態４．
実施の形態４を図に基づいて説明する。図６は偏向電磁石５０の断面図である。磁極３０は台形形状をなしている。すなわちリターンヨーク１４側に比較してビーム軌道平面に近い側の磁性断面積が小さくなる形状３０ａを備えている。このような台形状磁極３０ａを磁極３０に適用すると、リターンヨーク１４中での磁束密度が０．５テスラ程度であったとしても、磁極３０の先端では１テスラ程度の磁場強度を作成させることができる。磁場強度を強くできると、同一加速エネルギを得ようとした場合、ビームの周回半径を小さくすることができ、コンパクトなベータトロン加速器１００を得ることができる。
【００１４】
実施の形態５．
実施の形態５を図に基づいて説明する。図７において、相対する磁極３０の形成する空隙１０ａがビームの加速周回軌道の内側より外側（リターンヨークの側ヨーク１４ａに近い方）に向けて大きくなる構成としている。すなわち磁極３０にビーム周回軌道半径の大きい方に向けて磁極面傾斜３０ｂを設けたものである。このような磁極面傾斜３０ｂを有する偏向電磁石５０は、前記実施の形態２に示したようなビーム進行方向に凹凸を有する磁極としなくても、ビーム収束力を得ることができる。
【００１５】
実施の形態６．
実施の形態６を図に基づいて説明する。図８において加速コア１１ｃは偏向電磁石５０と一体化して設けられ、その縦方向中央部に加速コアギャップ１１ｄを設け、さらに電磁石と加速コアとの共通コイル１６ｃを備えている。
このように偏向電磁石５０と加速コア１１ｃのリターンヨークを共通にすることにより、ベータトロン加速器１００全体をコンパクトにすることができる。なお、加速コアと偏向電磁石５０を共通のコイル１６ｃで励磁しているので、パラメータによっては加速コアギャップ１１ｄを必要とするものがある。このような構成によってパラメータ制御が簡便でコンパクトなベータトロン加速器１００を提供することが可能となる。
【００１６】
実施の形態７．
実施の形態７を図に基づいて説明する。図９に示すものは前記実施の形態６で示した偏向電磁石５０と加速コア１１ｃを一体化したベータトロン加速器１００とほぼ同様の構成しているが、次の点において異なる。
すなわち、偏向電磁石５０の磁極３０を構成する第１、第２の磁極１２、１３が互いに接する面で前記第１の磁極１２の一部の磁極片１２ａが前記第２の磁極１３の背部にはみ出すようにしたものである。前記第１の磁極１２とその一部の磁極片１２ａは一体化構造でもよく、また図９に示したように１２と１２ａが別の部品であってもよく、それらは同じ材質、例えばフェライト、またはアモルファス、またはファインメットである。このような構成の磁極３０を採用すると、ビーム軌道上の磁場分布を調整することができ、ビーム収束に最適な磁場分布を作成できる。なおまた磁極３０の形状は本実施の形態７に限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態８．
実施の形態８を図に基づいて説明する。図１０は偏向電磁石５０の磁極部のみを示す平面図である。図から判るように第２の磁極１３ｂは、ビームの加速中の広がりを抑制するためにビーム進行方向と磁極面にわん曲の角度を設けたものである。このようなスパイラル形状の第２の磁極１３ｂを設けることによって周回ビームが垂直方向のより強い収束力を得ることができ、ビームを安定に周回加速させることができる。なおここでスパイラル角の角度は垂直方向のベータトロン振動数が共鳴線と交差することのないように選択している。
【００１８】
なお以上の実施の形態１〜８では、高精度磁場形成を目的として第２の磁極を絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体を用いる例を示したが、高精度の磁場形状を必要としないパラメータのベータトロン加速器の場合には、第２の磁極をフェライトを用いてもよい。またさらに、リターンヨークや第１の磁極には、前記非晶質合金をそれぞれ単独に用いてもよく、複数の組み合わせで使用してもよい。
【００１９】
【発明の効果】
この発明は以上述べたような構成のベータトロン加速器であるので以下のような効果がある。
加速コアと偏向電磁石とを備え荷電粒子を加速するベータトロン加速器であって、加速コアは偏向電磁石を部分的に取り囲むよう設けられており、偏向電磁石は平面形状がドーナッツ状をなすとともに、リターンヨークには所定の空隙を介して磁極が設けられており、前記磁極が第１、第２の磁極で構成されていて、第２の磁極が前記空隙側に配置されているものであり、リターンヨークおよび前記第１の磁極の材質が非晶質合金であるとともに、第２の磁極の材質が絶縁被覆処理した磁性粉末の圧縮成形体であるので、コンパクトで高精度の磁極形状で高精度の磁場一様性を有し、かつ高磁場を発生しさらに高い繰り返し駆動が可能なベータトロン加速器を提供することができ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によるベータトロン加速器の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるベータトロン加速器の平面図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるベータトロン加速器の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による偏向電磁石の磁極のみを示す平面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による偏向電磁石の磁極のみを示す平面図と断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４による偏向電磁石の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５による偏向電磁石の断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６によるベータトロン加速器の断面図である。
【図９】この発明の実施の形態７によるベータトロン加速器の断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態８による偏向電磁石の磁極のみを示す平面図である。
【符号の説明】
１０  空隙、１０ａ  広空隙、１０ｂ  狭空隙、１１  加速コア、
１２  第１の磁極、１３，１３ｂ  第２の磁極、１４  リターンヨーク、
１５  真空ダクト、１８  トロイダル磁場発生装置、３０  磁極、
３０ａ  台形状磁極形状、３０ｂ  磁極面傾斜、５０  偏向電磁石、
１００  ベータトロン加速器。
【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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【図９】
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【図１０】
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