(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビームの収束に用いられる四極電磁石レンズを構成する磁極の各々において、レンズ軸方向における磁極長が前記磁極の径方向内側端からの径方向距離に応じて増大するテーパを形成する工程を備える、四極電磁石レンズの径方向の収束力を均一に近づけるための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子加速器において粒子ビームの収束に広く使われている四極電磁石レンズの高精度化方法に関する。特に、本発明においては、四極電磁石レンズのレンズ軸方向にテーパを設けることにより、その積分磁場勾配及び実効磁極長において径方向での平坦性が生ずるために、高い精度の電磁石レンズとなることができる。
【０００２】
【従来の技術】
四極電磁石レンズは、粒子加速器において粒子ビームの収束に広く使われているレンズである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年の粒子ビームの高品位化に伴いより高い精度の四極電磁石レンズが求められるようになってきた。
【０００４】
【課題を解決すべき手段】
本発明に係る方法は、粒子ビームの収束に用いられる四極電磁石レンズを構成する磁極の各々において、レンズ軸方向における磁極長が前記磁極の径方向内側端からの径方向距離に応じて増大するテーパを形成する工程を備えて構成したものである。これによって、四極電磁石レンズの径方向の収束力をより容易にかつ効果的に均一に近づけることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
これまでの四極電磁石レンズの高精度化は、例えば、Ｋ．Ｙｏｓｉｎｏらの論文”Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ＭＥＢＴ  Ｓｈｏｒｔ  Ｑ−ｍａｇｎｅｔｓ  Ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ  Ｂｏｒｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ＭＡＦＩＡ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ＪＨＰ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｌｉｎａｃ”(１９９３年、ＫＥＫ  Ｐｒｅｐｒｉｎｔ）に示されるように、四極電磁石レンズの径方向断面形状（図１参照）を変化させることにより高精度化を行っているが、この方法では四極電磁石の断面形状は図９に示されるように複雑な形状となる。
【０００６】
それに対して、本発明における方法は、図２に示されるように、四極電磁石レンズのレンズ軸方向断面形状にテーパ５を付け、径方向での磁極長を最適化することにより高精度化を行っているので、単純な磁極の形状であり、かつ高精度化も従来の方法より効果的に行われる。
【０００７】
即ち、図１１の下段の図に示される従来型の四極電磁石の全体図、及び図１２の下段の図に示されるその断面図（半割）にみられるように、従来型の四極電磁石の磁極にはテーパが設けられていない。これに対し、図１１の上段の図に示される本発明の四極電磁石の全体図、及び図１２の上段の図に示されるその断面図（半割）にみられるように、本発明の四極電磁石の磁極にはテーパが設けられている。又、四極電磁石レンズのレンズ軸方向は、図１３に示されるように、四極電磁石の中央を垂直に通過する方向である。
【０００８】
【実施例】
本発明の具体的一例として、ポア半径３０ｍｍ、磁極長１００ｍｍの四極電磁石レンズにおける高精度化の例を次に示す。
【０００９】
まず、図１において径方向断面形状を変化させた場合の例として、磁極幅２を変化させた場合の径方向（図２参照、ただしテーパは存在しない）での相対積分磁場勾配ＧＬ（ｘ）／ＧＬ（０．１）の分布の変化を図３に示す（ｘは、図１のポア半径方向の座標である）。一般的に四極電磁石レンズの精度の指標として積分磁場勾配の平坦度が用いられる。積分磁場勾配ＧＬ（ｘ）は四極電磁石レンズの収束力を表すものであり、これが平坦であるほど精度の高い収差の少ないレンズであると言える。
【００１０】
四極電磁石レンズは、磁場により粒子の角度を変えることによって粒子ビームを収束させるものであり、各粒子の偏向角が径に比例しているものが理想的である。実際の四極電磁石レンズは、有限の磁極長（図２参照）を有しており、各点での収束力を示す値としては磁極勾配そのものより、むしろレンズ軸方向で磁場勾配を積分した値、即ち、積分磁場勾配ＧＬ（ｘ）を用いるのが適当である。
【００１１】
また、磁場勾配とは、四極電磁石レンズの磁束密度Ｂ（ｘ）を径方向の位置（ｘ）で割ったものであり、Ｇ＝Ｂ（ｘ）／ｘで表され、このときのＧを磁場勾配と呼んでいる。
【００１２】
図３に示しているのは積分磁場勾配を中心付近の値ＧＬ（０．１）で規格化したものである。これは、レンズの収束力の平坦度を客観的にみるために、中心付近の値ＧＬ（０．１）で規格化したものであり、例えば、Ａという四極電磁石レンズは、ＧＬ（０．１）が１％変化している範囲がｘ＝１０ｍｍまでであるが、Ｂはｘ＝２５ｍｍの範囲まで１％以下になっている場合、Ｂの方が高精度の四極電磁石であることを示している。
【００１３】
図３において、図１の磁極幅２（ただし、テーパは存在しない）を変えることによって少しではあるが積分磁場勾配の分布に改善（変化）が見られることが分かる。このときのレンズ中心での相対磁場勾配ＧO（ｘ）／ＧO（０．１）の分布と、相対実効磁極長Ｌｅｆｆ（ｘ）／Ｌｅｆｆ（０．１）の分布をそれぞれ添付図４及び図５に示す。
【００１４】
実効磁極長とは、実際の四極電磁石レンズでは磁極端面よりも外側に磁場が漏れ出しているために、実効的な磁極長は磁極の機械的な長さと異なる。これは、図１０に示されるように、レンズ軸方向に磁場の分布（漏れ出し）があるために生ずることである。そこで積分磁場勾配をレンズ中心での磁場勾配で割った値を実効磁極長Ｌｅｆｆ（ｘ）＝ＧＬ（ｘ）／Ｇ0（ｘ）とする。
【００１５】
積分磁場勾配は磁場勾配と実効磁極長の積であるので、図４、５の分布の積がおおよそ図３であると考えると、この二つの図（図４及び図５）から磁極幅（図１参照）を変えて積分磁場勾配の分布が改善されるのは、実効磁極長の分布は四極電磁石レンズの径が大きくなるにつれ減少している分を磁場勾配の増加分で補っているということが分かる。しかし、磁極幅を変えても実効磁極長はほとんど変化していないので充分な補正がなされず、充分に補正するには上記文献のような複雑な断面形状（図９参照）を取らざるを得ない。
【００１６】
そこで、本発明のように、縦方向断面形状にテーパを付け径方向での実効磁極長の分布を改善することにより効果的な積分磁場勾配の補正が行える。ここでは径方向での磁極長を補正するために図２に示すように直線的にテーパを施した。テーパを施した磁極幅６６ｍｍの四極電磁石レンズの相対積分磁場勾配、レンズ中心での相対磁場勾配、相対実効磁極長をそれぞれ添付図６、７、８に示す。テーパを１０ｍｍ程度にするとほぼ平坦な積分磁場勾配の分布が得られている。テーパを付けると、磁場勾配、実効磁極長ともに分布に変化がみられ積分磁場勾配の補正が効率的になされていることが分かる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明における方法は、四極電磁石レンズのレンズ軸方向断面形状にテーパを付け、径方向での磁極長を最適化することにより、単純な磁極の形状であり、かつ高精度化も従来の方法より効果的に行われる。
【００１８】
即ち、本発明においては、図２に示されるように四極電磁石レンズのレンズ軸断面形状にテーパを付けることにより、図６、７及び８に示されるようにテーパを付けたものが、テーパが付いていないものに比較して、その積分磁場勾配及び実効磁極長において径方向での平坦性が維持されるという、本発明に特有の顕著な効果を生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】四極電磁石レンズの径方向断面形状を示す図である。
【図２】テーパが設けられた四極電磁石レンズのレンズ軸方向断面形状を示す図である。
【図３】磁極幅を変えたときの相対積分磁場勾配ＧＬ（ｘ）／ＧＬ（０．１）の変化を示す図である。
【図４】磁極幅を変えたときのレンズ中心での相対磁場勾配Ｇ0（ｘ）／Ｇ0（０．１）の変化を示す図である。
【図５】磁極幅を変えたときの相対実効磁極長Ｌｅｆｆ（ｘ）／Ｌｅｆｆ（０．１）の変化を示す図である。
【図６】テーパを変えたときの相対積分磁場勾配ＧＬ（ｘ）／ＧＬ（０．１）の変化を示す図である。
【図７】テーパを変えたときのレンズ中心での相対積分磁場勾配Ｇ0（ｘ）／Ｇ0（０．１）の変化を示す図である。
【図８】テーパを変えたときの相対実効磁極長Ｌｅｆｆ（ｘ）／Ｌｅｆｆ（０．１）の変化を示す図である。
【図９】従来の四極電磁石レンズの径方向断面形状を示す図である。
【図１０】電磁石の実効磁極長を示す図である。
【図１１】  本発明のテーパ付四極電磁石レンズ及び従来型四極電磁石レンズの全体図を示す図である。
【図１２】  本発明のテーパ付四極電磁石レンズ及び従来型四極電磁石レンズの半割図である。
【図１３】  本発明の四極電磁石のレンズ軸を示す図である。
【符号の説明】
１：磁極形状
２：磁極幅
３：ポア半径
４：電磁コイル
５：テーパ
【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】
0004505594.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004505594.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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