(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の主磁界発生手段と、
この主磁界発生手段の内側に設けられ、上記主磁界発生手段との相互作用により荷電粒子の軌道平面に等時性磁場を形成する複数のヒル磁極と、
上記主磁界発生手段の内側に上記ヒル磁極と円周方向に交互に設けられ、かつ上記軌道平面との間の距離が上記ヒル磁極よりも大きくなっており、上記主磁界発生手段との相互作用により上記軌道平面に等時性磁場を形成する複数のバレー磁極と、
隣接するヒル磁極間に配置されているとともに、非磁性材製の空洞固定具を介して上記バレー磁極に固定されている加速空洞と、
この加速空洞に固定され、加速電界を発生するディー電極と
を備えていることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項２】
ディー電極は、筒状のステムを介して加速空洞内に固定されており、上記加速空洞は、上記ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介してバレー磁極に固定されていることを特徴とする請求項１記載の等時性サイクロトロン。
【請求項３】
荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に配置されている複数の加速空洞と、これらの加速空洞にそれぞれ固定され、荷電粒子の加速電界を発生するディー電極と、上記加速空洞間を連結する補強部材とを備え、
補強部材は、荷電粒子の軌道の中心部において加速空洞相互を連結していることを特徴とする等時性サイクロトロン。
【請求項４】
補強部材は、荷電粒子の軌道の外径部側において加速空洞相互を連結していることを特徴とする請求項３記載の等時性サイクロトロン。
【請求項５】
補強部材は、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状のものであり、この補強部材の両側に加速空洞が固定されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の等時性サイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主磁界発生手段、ヒル磁極及びバレー磁極の相互作用により、荷電粒子の軌道平面に等時性磁場が形成される等時性サイクロトロンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は例えば「CYCLOTRONS AND THEIR APPLICATIONS」（Proceedings of the 13th International Conference,Vancouver,1992）第２４４頁に示された従来のＡＶＦ（Alternating Varying Field）サイクロトロン、即ち等時性サイクロトロンを一部破断して示す斜視図、図９は図８の軌道平面に沿う断面図、図１０は図８の軌道平面に直角な面に沿う要部断面図である。
【０００３】
図において、１は遮蔽体、２は遮蔽体１内に設けられている円環状の主磁界発生手段（主コイル）、３，４は遮蔽体１内の中空部に設けられ、主磁界発生手段２とともに軌道平面１００に等時性磁場を形成するヒル磁極及びバレー磁極であり、これらのヒル磁極３及びバレー磁極４は、円周方向に交互にそれぞれ４セクションずつ設けられている。また、ヒル磁極３及びバレー磁極４は、軌道平面１００を挟んで上下対称に配置されている。即ち、この例では、ヒル磁極３及びバレー磁極４が８個ずつ配置されている。また、バレー磁極４と軌道平面１００との間の間隔は、ヒル磁極３と軌道平面１００との間の間隔よりも大きくなっている。
【０００４】
５は４つのバレー磁極４のセクションのうちの対向する２つのセクションに配置されている複数の加速空洞であり、これらの加速空洞５には、両側のヒル磁極３にねじ止めされるフランジ５ａがそれぞれ設けられている。６は加速空洞５内にそれぞれ固定されている円筒状のステム、７は軌道平面１００に対向してステム６に固定されているディー電極、８はディー電極７よりも径方向外側で軌道平面１００に対向して設けられているダミーディー電極であり、これらのディー電極７及びダミーディー電極８により荷電粒子を加速するための高周波電界が形成される。また、これらの加速空洞５、ステム６、ディー電極７及びダミーディー電極８も、軌道平面１００を挟んで上下対称に配置されている。
【０００５】
９は加速された荷電粒子を取出軌道に偏向する荷電粒子取出手段（デフレクタ）、１０は加速された荷電粒子をサイクロトロンの外部へ導出する荷電粒子取出管、１１は天板、１２は真空排気装置である。
【０００６】
上記のような従来の等時性サイクロトロンは、荷電粒子を周回させながら加速し外部へ取り出す装置であり、主に２つのコンポーネント、即ち高周波電界により荷電粒子を加速する加速部分と、磁界により荷電粒子を偏向、集束させ荷電粒子の軌道を制御する軌道制御部分とにより構成されている。具体的には、加速空洞５、ステム６、ディー電極７及びダミーディー電極８が加速部分であり、主磁界発生手段２、ヒル磁極３及びバレー磁極４が軌道制御部分である。荷電粒子は、サイクロトロンの中心部から加速を始め、軌道平面１００上を螺旋状に周回し、最終的には荷電粒子取出管１０から取り出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の等時性サイクロトロンにおいては、加速空洞５のフランジ５ａをヒル電極３に固定るすためのねじ及びねじ穴が軌道平面における磁場特性に影響を及ぼすため、設計通りの磁場を形成することができず、別途磁場調整等を施す必要があった。また、加速空洞５のフランジ５ａがヒル磁極３に直接接触しているため、加速空洞５で発生した熱がヒル磁極３に伝わり易く、この熱も磁場特性に悪影響を及ぼしていた。
【０００８】
さらに、故障時や定期点検時に加速空洞５を解体する場合、フランジ５ａがヒル磁極３にねじ止めされているため、ヒル磁極３の位置が微妙にずれる恐れがあり、加速空洞５を再度取り付ける際には、ヒル磁極３及び加速空洞５の位置精度をそれぞれ再度慎重に確認する必要があった。さらにまた、複数の加速空洞５相互の間の直接の位置決めは行っていないため、例えばサイクロトロンの中心部等で、加速空洞５の位置精度が良好に保たれないことがあった。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、加速空洞の固定部分による磁場特性への影響を低減することができ、また加速空洞の位置精度を向上させることができる等時性サイクロトロンを得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る等時性サイクロトロンは、円環状の主磁界発生手段と、この主磁界発生手段の内側に設けられ、主磁界発生手段との相互作用により荷電粒子の軌道平面に等時性磁場を形成する複数のヒル磁極と、主磁界発生手段の内側にヒル磁極と円周方向に交互に設けられ、かつ軌道平面との間の距離がヒル磁極よりも大きくなっており、主磁界発生手段との相互作用により軌道平面に等時性磁場を形成する複数のバレー磁極と、隣接するヒル磁極間に配置されているとともに、非磁性材製の空洞固定具を介してバレー磁極に固定されている加速空洞と、この加速空洞に固定され、加速電界を発生するディー電極とを備えたものである。
【００１１】
請求項２の発明に係る等時性サイクロトロンは、筒状のステムを介してディー電極を加速空洞内に固定し、ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したものである。
【００１２】
請求項３の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に配置されている複数の加速空洞と、これらの加速空洞にそれぞれ固定され、荷電粒子の加速電界を発生するディー電極と、加速空洞間を連結する補強部材とを備えたものであり、荷電粒子の軌道の中心部において補強部材により加速空洞相互を連結したものである。
【００１３】
請求項４の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道の外径部側において補強部材により加速空洞相互を連結したものである。
【００１５】
請求項５の発明に係る等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状の補強部材を用い、この補強部材の両側に加速空洞を固定したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。３，４は主磁界発生手段２（図８）とともに軌道平面１００（図１０）に等時性磁場を形成するヒル磁極及びバレー磁極であり、これらのヒル磁極３及びバレー磁極４は、軌道平面１００を挟んで上下対称に配置されている。また、バレー磁極４と軌道平面１００との間の間隔は、ヒル磁極３と軌道平面１００との間の間隔よりも大きくなっている。１１は天板である。
【００１７】
２１はバレー磁極４のセクション、即ち隣接するヒル磁極３間の凹部に配置されている加速空洞であり、この加速空洞２１は、非磁性材製の空洞固定具２２ａ，２２ｂを介してバレー磁極４に固定されている。また、空洞固定具２２ａ，２２ｂは、ねじ等により加速空洞２１及びバレー磁極４に固定されている。図では省略したが、加速空洞２１は、その下方のバレー磁極４に対しても同様に空洞固定具２２ａ，２２ｂを介して固定されている。
【００１８】
加速空洞２１内には、円筒状のステム６を介してディー電極７が固定されている。これらのステム６及びディー電極７は、軌道平面１００を挟んで上下対称に配置されている。図１に示す加速空洞２１は、上下のディー電極７を収容するものであり、側面部には荷電粒子の軌道を妨げないように開口部（図示せず）が設けられている。他の構成は、図８〜図１０に示した従来例とほぼ同様である。
【００１９】
このような等時性サイクロトロンでは、加速空洞２１が空洞固定具２２ａ，２２ｂを介してバレー磁極４に固定されているため、等時性磁場を形成する上で重要度の高いヒル磁場３にはねじ及びねじ穴等を設ける必要がなく、加速空洞２１の固定部分による磁場特性への影響を低減することができる。また、ヒル磁極３と比べると、バレー磁極４の磁場の制限はさほど厳しくなく、バレー磁極４にねじやねじ穴を設けることによる磁場特性への影響は許容できるものである。
【００２０】
また、加速空洞２１がヒル磁極３に直接接触していないため、加速空洞２１で発生した熱がヒル磁極３に直接伝熱されることがなく、熱による磁場特性への影響も低減される。さらに、故障時や定期点検時に加速空洞２１を解体する場合にも、ヒル磁極３の磁場特性や位置精度に影響を及ぼすことがない。
【００２１】
実施の形態２．
なお、空洞固定具の形状や個数は、実施の形態１に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、図２に示すように、円筒状の空洞固定具２３を用いて加速空洞２１をバレー電極４に固定してもよい。この場合、円筒状のステム６及び空洞固定具２３を通して真空排気装置１２によりビーム加速領域の真空引きを行うことができる。
【００２２】
また、実施の形態１，２では１個の加速空洞２１に上下のディー電極７を固定したが、従来例と同様に上下別々の加速空洞を設けてもよい。
【００２３】
実施の形態３．
次に、図３はこの発明の実施の形態３による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。荷電粒子の軌道の中心部を中心として放射状に等角度間隔で配置された複数（ここでは３個）の加速空洞２１間が、円環状の補強部材３１により連結されている。補強部材３１は、加速空洞２１の上下両端部に固定されている。加速空洞２１内には、図１と同様に、ステム６を介してディー電極７が固定されている。
【００２４】
このような等時性サイクロトロンでは、荷電粒子の軌道の外径部側において加速空洞２１相互が補強部材３１を介して連結されているため、加速空洞２１相互の位置精度、特に外径部側における位置精度が向上する。
【００２５】
実施の形態４．
なお、実施の形態３では、円環状の補強部材３１を示したが、補強部材の形状はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように円弧状の補強部材３２を隣接する加速空洞２１の外径部間に固定してもよい。
【００２６】
実施の形態５．
また、例えば図５に示すように、扇形の補強部材３３を隣接する加速空洞２１の内径部間に固定してもよく、等時性サイクロトロンの中心部側の加速空洞２１の位置精度を向上させることができるとともに、応力や歪みによる中心部の加速空洞２１の変形、破損を防止することができる。
【００２７】
実施の形態６．
さらに、例えば図６に示すように、円板状の補強部材３４を加速空洞２１の上下に固定してもよく、等時性サイクロトロンの中心部側の加速空洞２１の位置精度を向上させることができるとともに、応力や歪みによる中心部の加速空洞２１の変形、破損を防止することができる。
【００２８】
実施の形態７．
さらにまた、例えば図７に示すように、荷電粒子の軌道平面を囲むように、即ち荷電粒子が衝突しないように中空部が設けられている円板状の補強部材３５を上下の加速空洞２１間に固定してもよい。この場合、ｒ，θ，ｚ方向の加速空洞２１全体の位置精度を向上させることができる。また、加速空洞２１自身と補強部材３５とが真空容器の機能も果たすため、磁極からのアウトガスが含まれず、真空度が向上する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明の等時性サイクロトロンは、非磁性材製の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したので、磁場特性への影響の大きいヒル磁極にねじやねじ穴等を設ける必要がなく、加速空洞の固定部分による磁場特性への影響を低減することができる。
【００３０】
請求項２の発明の等時性サイクロトロンは、筒状のステムを介してディー電極を加速空洞内に固定し、ステムの延長上に配置された筒状の空洞固定具を介して加速空洞をバレー磁極に固定したので、ステム及びディー電極を通してビーム加速領域の真空引きを行うことができる。
【００３１】
請求項３の発明の等時性サイクロトロンは、複数の加速空洞間を補強部材により連結したので、加速空洞相互の位置精度を向上させることができる。
また、荷電粒子の軌道の中心部において補強部材により加速空洞相互を連結したので、中心部での加速空洞の位置精度を向上させることができるとともに、構造的に弱い中心部を強化し、応力や歪みによる中心部の加速空洞の変形、破損を防止することができる。
【００３２】
請求項４の発明の等時性サイクロトロンは、補強部材により外径部側で加速空洞相互を連結したので、外径部側における加速空洞相互の位置精度を向上させることができる。
【００３４】
請求項５の発明の等時性サイクロトロンは、荷電粒子の軌道平面を囲むように中空部が設けられている中空円板状の補強部材を用い、この補強部材の両側に加速空洞を固定したので、加速空洞自身及び補強部材が真空容器の機能も果たすことができ、真空度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。
【図２】  この発明の実施の形態２による等時性サイクロトロンの加速空洞の取付構造を模式的に示す説明図である。
【図３】  この発明の実施の形態３による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態４による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態５による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態６による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図７】  この発明の実施の形態７による等時性サイクロトロンの加速空洞を模式的に示す説明図である。
【図８】  従来の等時性サイクロトロンの一例を一部破断して示す斜視図である。
【図９】  図８の軌道平面に沿う断面図である。
【図１０】  図８の軌道平面に直角な面に沿う要部断面図である。
【符号の説明】
２  主磁界発生手段、３  ヒル磁極、４  バレー磁極、６  ステム、７  ディー電極、２１  加速空洞、２２ａ，２２ｂ，２３  空洞固定具、３１〜３５  補強部材。
【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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