(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアギャップが比較的大きい“谷部”と呼称されるセクター（４）型の扇形空間を挟んで互いに離間し、エアギャップが比較的小さい“山部”と呼称される少なくともいくつかのセクター（３，３′）を含む磁気回路を構成する電磁石を備えたアイソクロナスサイクロトロン（１）から荷電粒子のビームを抽出する方法において、
アイソクロナスサイクロトロンの該山部（３，３′）の最大半径近傍における該磁石のエアギャップと、
該山部の該最大半径近傍においてサイクロトロンによって加速される粒子の１回転当り半径ゲインとの比が２０以下となるように設計することによって得られる特殊な磁場で、抽出装置に頼らずに、粒子ビームを抽出することを特徴とする抽出方法。
【請求項２】
エアギャップが比較的大きい“谷部”と呼称されるセクター（４）型の扇形空間を挟んで互いに離間し、エアギャップが比較的小さい“山部”と呼称される少なくともいくつかのセクター（３，３′）を含む磁気回路を構成する電磁石を備え、セクターによって粒子ビームを集束するアイソクロナスサイクロトロンにおいて、
該山部（３，３′）の最大半径近傍における該磁石のエアギャップと、
該山部の該最大半径近傍においてサイクロトロンによって加速される粒子の１回転当り半径ゲインとの比が２０以下となるように設計したことを特徴とするアイソクロナスサイクロトロン。
【請求項３】
山部における磁石エアギャップの輪郭が、山部の半径方向端部において閉じる楕円形であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のアイソクロナスサイクロトロン。
【請求項４】
少なくとも１つのセクターが、他のセクターとは非対称の形状または磁場を有することを特徴とする請求の範囲第２項または第３項に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
セクターの１つが、磁極半径において他のセクターよりも小さい角度を有することを特徴とする請求の範囲第２項から第４項までのいずれか１項に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
粒子ビームの軌道上に並置された複数のターゲットを同時に照射できるように粒子ビームを分布させることを特徴とする請求の範囲第２項から第４項までのいずれか１項に記載のサイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
発明の主題
この発明は、荷電粒子のビームをセクターによって集束してアイソクロナスサイクロトロンから荷電粒子を抽出する方法に係わる。
この発明は、前記荷電粒子抽出方法を応用する前記アイソクロナスサイクロトロンにも係わる。
この発明は、コンパクト型アイソクロナスサイクロトロンにも、セクターによって集束するサイクロトロンにも係わる。同時に、この発明は、いわゆる超伝導または非超伝導アイソクロナスサイクロトロンにも係わる。
公知技術
サイクロトロンは、特に放射性同位体の製造に利用される粒子加速器である。一方に電磁石、他方に高周波共振器を配置して、それぞれを構成した２つの別個の主要集合体から成る。
電磁石は、ほぼらせん状の軌道に沿って荷電粒子を案内し、らせんの半径が次第に増大して粒子を加速させる。最近のアイソクロナス型のサイクロトロンにおいては、電磁石の磁石が複数のセクターに分割され、これらのセクターが交互に広いエアギャップと狭いエアギャップとを有するように構成されている。その結果として生ずる磁場の方位変化が、加速中にビームを垂直方向及び水平方向に集束する作用を果す。
ひと口にアイソクロナスサイクロトロンと云っても、少なくとも１つの主環状コイルによって励磁されるコンパクト型サイクロトロンと、磁気構造が完全に自立的な別々のユニットに分割されているセクター型サイクロトロンとを区別しなければならない。
２番目の集合体は、歴史的な理由から“Ｄ型電極”と呼称される加速電極から成る。電極には磁石中の粒子の回転周波数またはその倍数に相当する周波数で数十キロボルトの交流電圧が印加される。その結果、サイクロトロン内を回転するビームの粒子が加速される。
サイクロトロンの利用に際しては、サイクロトロンから加速粒子ビームを抽出し、該ビームを使用する装置へ案内する必要がある。このビーム抽出作業は、サイクロトロンを利用して加速粒子ビームを生成させる際に当業者が直面する最も困難な工程と考えられている。この作業は、ビームを加速させる磁場部分から磁場がもはやビームを保持できなくなる場所にまでビームを移動させる作業である。この場所でビームは磁場の影響から解放され、サイクロトロンから抽出される。
正の荷電粒子を加速させるサイクロトロンの場合、抽出装置として磁場から粒子を抽出することを目的とする静電偏向器を利用することは公知である。このような作用を得るためには、粒子の一部と交差する、隔壁と呼称される電極を粒子軌道上に介在させる必要がある。このため、抽出効率が比較的低くなり、特に、隔壁における粒子の散逸はサイクロトロンの放射性を高める要因となる。
陰イオンから電子を除去する機能を有するシートを通過させて、陰イオンを陽イオンに変換することにより負の荷電粒子を抽出する方法も公知である。この方法では、１００％近い抽出効率を達成でき、上述した装置よりも簡単な装置の使用も可能になる。しかし、この方法では負の荷電粒子の加速に大きい難点がある。主な欠点として、陰イオンは壊れ易いから、サイクロトロン内に存在する残留ガス分子または余剰磁場を高エネルギーを伴なって通過すると、容易に解離する。従って、加速器中でのビーム伝送が制限され、このことは加速器を放射性化することにもなる。
これに反して、正の粒子を加速させるサイクロトロンは比較的大きいビーム電流の発生を可能にし、装置を著しく小型化及び軽量化しながらシステムの信頼度を高めることができる。
抽出装置を使用せずにサイクロトロンからの粒子ビーム抽出を可能にする方法も“Ｔｈｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２７（１９５６），７”及び“Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  １８，１９（１９６２），ｐｐ．４１−４５”ｂｙ  Ｊ．Ｒｅｇｉｎａｌｄ  Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎから公知である。この自動抽出が可能となるためには、磁場内での粒子運動の共振に関して特別な条件が必要となる。
ただし、上記方法は特に実施が困難であり、実施できたとしても、得られるビームの光学的品質は極めて低く、実用には向かない。
ＵＳ−Ａ−０，３２４，３７９は粒子の加速を目的とし、本質的に方位角とは無関係な磁性手段を有するサイクロトロン装置に係わる。即ち、非アイソクロナスサイクロトロンである。なお、この公知サイクロトロンは、磁場を摂動させることによって粒子ビームの抽出を可能にする“リジェネレータ”及び“コンプレッサ”から成るビーム抽出手段を有する。
本願の出願人によるＷＯ−９３／１０６５１は、２つの山部の間に画成され、正中面上の山部半径方向端部において完全に閉じるエアギャップを有するコンパクト型アイソクロナスサイクロトロンを開示している。この明細書に記述されている装置も従来型のビーム抽出手段を含むが、この場合には、その手段が静電偏向器から成る。
発明の目的
この発明の目的は、上述したような抽出装置の使用を避けながらアイソクロナスサイクロトロンから荷電粒子を抽出する方法を提供することにある。
従って、従来のアイソクロナスサイクロトロンよりも簡単かつ経済的な構成のアイソクロナスサイクロトロンを提供することもこの発明の目的である。
さらには、特に正の荷電粒子を抽出する場合、粒子ビーム抽出効率を高めることもこの発明の目的である。
発明の要点
この発明は、エアギャップが比較的大きい“谷部”と呼称される扇形空間を挟んで互いに離間し、エアギャップが比較的小さい“山部”と呼称されるいくつかの対のセクターを含む磁気回路を構成する電磁石を備えたアイソクロナスサイクロトロンから荷電粒子を抽出する方法において；山部と山部との間の磁石エアギャップを、最大半径近傍における該エアギャップが該半径においてサイクロトロンによって加速される粒子の１回転当り半径ゲインの２０倍以下となるように寸法設定してアイソクロナスサイクロトロンを構成することを特徴とする荷電粒子抽出方法に係わる。
このように構成すれば、抽出装置を使用しなくても磁場の影響下からイオンを抽出することができる。
従来のアイソクロナスサイクロトロンの場合、磁石のエアギャップは一般に５〜２０ｃｍであり、１回転当りの半径ゲインは約１ｍｍである。この場合、１回転当りの半径ゲインに対するエアギャップの比は５０を超える。
この発明の特徴を利用すれば、磁極の限界付近で磁場が急激に弱まるから、加速電圧に対する粒子の位相が９０°に達する前に自動抽出点に達する。従って、抽出装置を介入させなくても、粒子は自動的に磁場から離脱する。
この発明の特に好ましい実施態様としては、特許ＷＯ９３／１０６５１に記載されているように、山部の半径方向端部において閉じるような楕円形の輪郭を有するエアギャップを形成すればよい。
この発明の好ましい実施態様として、前記セクターの形状または磁場に所要の非対称性を与えることによって、粒子抽出を１つのセクターに集中させる。
この発明の他の好ましい実施態様として、セクターの１つが磁性半径において他のセクターよりも小さい角度を形成するようにして軌道を変位させることにより、ビーム全体がこのセクターの側で抽出されるようにし、例えば、大きい容積のターゲットを照射できるようにする。
この発明のさらに他の好ましい実施態様として、ビームの軌道上に並置された複数のターゲットを同時に照射できるように粒子ビームを分布させる。
この発明を陽子療法または放射性同位体、特に陽電子放出断層Ｘ線撮影（ＰＥＴ）用放射性同位体の製造に応用すれば有益な成果が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１及び２は、従来のアイソクロナスサイクロトロンとこの発明の抽出方法を利用するアイソクロナスサイクロトロンの磁性曲線を示すグラフである。
図３は、アイソクロナスサイクロトロンの主要構成素子の概略分解図である。
図４は、アイソクロナスサイクロトロンの断面図である。
好ましい実施例の説明
アイソクロナスサイクロトロンにおける磁場は、粒子の回転周波数がそのエネルギーに関係なく一定となるような特性を有する。粒子の相対論的質量の増大を補償するためには、半径の増大と共に磁場も増大して、このアイソクロナス状態を維持しなければならない。この関係を表わす磁場指数は、下記方程式によって与えられる：
0004008030.tif 000002
ただし、ｄＢ／Ｂ及びｄＲ／Ｒは、半径Ｒにおける磁場及び半径の相対変化である。
なお、磁極の最大半径付近では、アイソクロナス状態を維持することが不可能になる。即ち、この時点で、磁場は半径と共に増大しなくなるからである。磁場は最大値に達したのち、急速に弱まる。
図１は、従来のアイソクロナスサイクロトロンにおける半径に応じた磁場の変化を示す。粒子の回転周波数と加速電極の共振周波数との間の位相ずれが増大する。この位相ずれが９０°に達すると、粒子の加速が止み、この半径を超えられなくなる。
図２は、この発明の抽出方法を利用するアイソクロナスサイクロトロンにおける半径に応じた磁場の変化を示す。磁石の山部間エアギャップを、１回転当りの半径ゲインの２０倍以下の値に縮小されるように正確に寸法設定することによって、図２に示すような磁場特性曲線が得られる。
この場合、磁場は磁極の限界付近で急激に弱まるから、加速電圧に対する粒子の位相ずれが９０°に達する前に、磁場ｎ＝−１によって表わされる自動抽出点に達する。
この時点を過ぎると、抽出装置を介入させなくても粒子は自動的に磁場から離脱する。
この発明の荷電粒子抽出方法に使用されるアイソクロナスサイクロトロンを図３及び４に略示する。このサイクロトロンは、正粒子、特に陽子の加速を目的とするコンパクト型アイソクロナスサイクロトロンである。
サイクロトロンの磁性構造１は、強磁性材製の複数素子２，３，４及び５と、好ましくは導電または超伝導材製のコイル６とから成る。従来の態様で、強磁性構造は
−ヨークと呼称される２つの基板２，２’と、
−山部と呼称される少なくとも３つの上方セクター３と、正中面と呼称される対称面１０を挟んで上部セクター３とは対称の位置を占め、小さいエアギャップ８によって分離されている同数の下方セクター３′と、
−２つの隣接する山部の間に画成され、エアギャップの寸法が比較的大きい、谷部４と呼称される空間と、
−下方ヨーク２を上方ヨーク２′と接合する少なくとも１つの磁束転回部５
とから成る。
コイル６はほぼ円形であり、セクター３または３′と磁束転回部５との間の環状空間内に配置される。
中心の導路は、加速すべき粒子供給源７の少なくとも一部を収容する。粒子は装置の中心において、それ自体は公知の手段によって注入される。
陽子ビームを１１ＭｅＶのエネルギーまで加速するアイソクロナスサイクロトロンの場合、この発明では、磁石が磁性セクター３及び３′に２テスラの磁場を発生させるのに１０ｍｍのエアギャップを有する。最大半径における半径ゲインが１．５ｍｍとなるように加速電圧を８０キロボルトに設定する。
パラメータをこのように設定すると、山部の半径方向端部において外部誘導を急激に弱めることにより、加速限界に達する前に粒子ビームを自動的に抽出することができる。図２は、これを具体的に示している。
第１の好ましい実施態様として、セクターのうちの１つが磁極半径において他のセクターよりも小さい角度を形成するように構成することで、軌道を変位させ、ビーム全体がこのセクターの側で抽出されるようにする（図４）。
抽出された粒子ビームは軸方向に集束され、半径方向には集束されない。
他の好ましい実施態様として、このビームプロフィールを利用して、２つのコイル６間のビーム軌道上に並置された４つのターゲットを同時に照射する。
【図１】
0004008030.tif 000003
【図２】
0004008030.tif 000004
【図３】
0004008030.tif 000005
【図４】
0004008030.tif 000006