(57)【要約】      （修正有）【課題】イオンビームの取り出し構造や内部イオン源の配置を容易にし、コヒーレントビームを生成するサイクロトロンを提供する。【解決手段】軸線のまわりに沿って荷電粒子を加速するサイクロトロンであって、上側磁極及び下側磁極を有し、軸線の方向に所定の磁場を形成する電磁石と、ギヤップ５を介して互いに分離され、荷電粒子を加速するディー電極組立体及び対向ディー電極組立体と、サイクロトロンの中央領域に位置する１対のイオン源１、２とを備える。イオン源は軸線方向にそって距離をもって位置し、第１のイオン源１から出射した粒子は、半回転した後第１のイオン源１と第２のイオン源２との間を通過し、半回転を３回した軌道を経た後第２のイオン源２の半径方向外側を通過する。【選択図】図１
2016105397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線のまわりに沿って荷電粒子を加速するサイクロトロンであって、
上側磁極及び下側磁極を有し、軸線の方向に所定の磁場を形成する電磁石と、
ギヤップを介して互いに分離され、荷電粒子を加速するための加速電圧が印可されるディー電極組立体及び対向ディー電極組立体と、
サイクロトロンの中央領域に位置する１対のイオン源（１，２）とを備え、
前記電磁石、ディー電極組立体、及びイオン源（１，２）は、サイクロトロンの軌道に沿う荷電粒子を生成するように構成されたサイクロトロンにおいて、
前記イオン源（１，２）は前記軸線方向の距離をもって位置し、第１のイオン源（１）から出射した粒子は、半回転した後第１のイオン源（１）と第２のイオン源（２）との間を通過し、半回転を３回した軌道を経た後第２のイオン源（２）の半径方向外側を通過し、前記第２のイオン源（２）から出射した粒子は、半回転した後第２のイオン源（２）と第１のイオン源（１）との間を通過し、半回転を３回した軌道を経た後第１のイオン源（１）の半径方向外側を通過する
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項２】
請求項１に記載のサイクロトロンにおいて、
前記磁極、ディー電極組立体、対向ディー電極組立体、及びイオン源（１，２）は、２回軸対称磁場を形成する
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のサイクロトロンにおいて、
前記磁極は、２つのショート山セクター（３０，３０′）及び２つの延長部付き山セクター（３２，３２′）を有し、延長部付き山セクター（３２，３２′）はショート山セクター（３０，３０′）よりも大きな半径方向延長部を有すると共に、延長された領域には荷電粒子の軌道形状に整合する溝ないし平坦部（３４，３４′）を有し、磁場は、前記延長部付き山セクターのより短い半径方向位置において前記ショート山セクターの磁場よりも低くなる
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項４】
請求項３に記載のサイクロトロンにおいて、
前記上側磁極の山セクターと下側磁極の山セクターとの間にギヤップが存在し、
前記山セクター（３０，３０′，３２，３２′）に関し、前記上側磁極及び下側磁極は、前記ギヤップが荷電粒子の軌道にそって一定となるように形状形成されている
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のサイクロトロンにおいて、
前記溝又は平坦部（３４，３４′）を通過する荷電粒子の軌道の半径方向内側に、ビームセパレータ（３８，３８′）が設けられている
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載のサイクロトロンにおいて、
前記ショート山セクター（３０，３０′）及び／又は前記ロング山セクター（３２，３２′）は、４０°と５０°との間の方位角範囲を有する
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項７】
請求項６に記載のサイクロトロンにおいて、
前記ショート山セクター（３０，３０′）及び／又は前記ロング山セクター（３２，３２′）は、４５°に等しい方位角範囲を有する
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項８】
請求項３乃至７のいずれか１項に記載のサイクロトロンにおいて、
前記イオン源は、その半径方向位置、方位角及び向きが適切に位置決めされ、イオン源から出射したビームは、ロング山セクターの前記溝又は平坦部（３４，３４′）の半径方向位置（３６，３６′）に入射する
ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサイクロトロンの使用であって、
２つのイオン源（１，２）から２本の粒子ビームを同時に発生させ、これら２本の粒子ビームを２つのターゲットに入射させる工程を備える
ことを特徴とするサイクロトロンの使用。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサイクロトロンの使用であって、
２つのイオン源（１，２）のうちの一方のイオン源から１本の粒子線ビームを発生させ、このイオン源が故障した場合前記２つのイオン源（１，２）のうちの他方のイオン源から１本の粒子線ビームを発生させる工程を備える
ことを特徴とするサイクロトロンの使用。
【請求項１１】
上側磁極及び下側磁極を有し磁場を発生する電磁石と、ギヤップを介して互いに分離されると共に加速電圧が印可されて荷電粒子を加速するディー電極組立体及び対向ディー電極組立体とを備えるサイクロトロンを設計する方法であって、
ａ）前記磁場及び加速電圧について値を選択する工程と、
ｂ）１対のイオン源（１，２）について半径方向の位置ｒを選択する工程と、
ｃ）前記各イオン源（１，２）から出射した粒子ビームの軌道を計算する工程と、
ｄ）イオン源（１）から出射した粒子が、半回転した後第１のイオン源（１）と第２のイオン源（２）との間を通過し、半回転を３回した後他方のイオン源（２）の半径方向外側を通過する半径方向位置ｒが見出されるまで工程ａ）、ｂ）、及びｃ）を繰り返す工程と
を備えることを特徴とするサイクロトロンの設計方法。
【請求項１２】
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のサイクロトロンを設計する請求項１０に記載の方法であって、
ａ）前記イオン源の対について方位角位置θを選択する工程と、
ｂ）向きαを粒子ビームが垂直に出射するイオン源の面の軸線と直交する面の方向とした場合に、前記イオン源の対について向きαを選択する工程と、
ｃ）前記イオン源から出射した粒子ビームの軌道を計算する工程と、
ｄ）前記イオン源から出射した粒子が、前記延長部付き山セクター（３２，３２′）の前記溝又は平坦部が形成された位置（３６，３６′）に入射する方位角位置θ及び向きαが見出されるまで工程ａ）、ｂ）、及びｃ）を繰り返す工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のサイクロトロンを設計する請求項１０又は１１に記載の方法であって、
ａ）連続する閉止軌道の形状と整合する円の中心Ｃ及び半径ｒ′を決定する工程と、
ｂ）前記円に沿って磁極ギヤップが一定となるように、前記山セクターの磁極の形状を形成する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］
この米国特許出願は、２０１５年１１月４日に出願された欧州特許出願ＥＰ１５１９２９０５及び２０１４年１１月１９日に出願された欧州特許出願ＥＰ１４１９３７９２に基づく優先権の主張を伴っている。上記出願は、それらを参照することにより組み込まれる。
【０００２】
［０００２］
この開示技術（本発明）は、一般的にサイクロトロンの分野に関する。特に、この開示技術は、高電流粒子ビームを発生することを目的としたサイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］
サイクロトロンは荷電粒子加速器であり、粒子は、軸線のまわりで疑似円形軌道又は螺旋軌道に沿って案内され、軌道上の加速ギヤップを通過するごとに加速される。粒子は、サイクロトロンの中央領域でイオン源により生成される。疑似円形軌道又は円形軌道に沿って多数回回転した後、粒子ビームは通常の方法によりサイクロトロンから取り出され、ラジオアイソトープを生成するため又はその他の目的のためにターゲットに入射する。粒子を取り出すためのいくつかの方法が既知である。１つの方法は剥離法であり、イオン源から発生したイオンは負のイオンである。抽出領域において、イオン源から発生したイオンは、イオンから弱く結合した電子を剥離する薄膜を通過する。薄膜から出射すると共に正に帯電した粒子は、磁場により反対方向に偏向され、サイクロトロンの外部に出射する。この方法は有効であるが、負のイオンが生成され加速される欠点を有する。これら負のイオンは脆弱であり、加速の際に電子を喪失し、不所望なアイソトープを生成してサイクロトロンを活性化してしまう。さらに、剥離装置は極めて薄い薄膜であるため、ビームにより破壊されるおそれがあり、メンテナンスが必要となる。
【０００４】
［０００４］
別の方法では、サイクロトロンの周囲に電界を発生する１対の電極を配置し、荷電粒子をサイクロトロンの外部に取り出す。セプタムと称される内部電極がサイクロトロンの順次する２つの軌道間の距離をもって配置される。しかしながら、この方法は、取り出し領域の２つの連続する軌道間が十分に分離している場合に作動する。軌道間の分離距離が小さい場合又はビームが半径方向に延長している場合、セプタムが一部の粒子を受け取り、活性化してしまう。
【０００５】
［０００５］
自動取り出しとして知られている別の取り出し方法は、ＷＯ０１０５１９９Ａ１に開示されている。この方法は、セクター収束サイクロトロンと称せられている方位角可変磁場を有するサイクロトロンに適用することができる。このサイクロトロンでは、磁極は、山と称せられている垂直ギヤップの小さいセクターにより分割され、これらのセクターは谷と称せられている垂直ギヤップの大きいセクターにより分離されている。自動抽出は、顕著に大きな半径方向延長部を有する山セクターを設けることにより得られる。延長部付きセクターの延長部には、粒子軌道の形状に沿う溝又は平坦部が設けられる。磁場中に局所的に窪んだ部分が形成され、これによりビームはサイクロトロンから出射する。ビームを溝又は平坦部に入射させるためのコヒーレントな発振を確実なものとするため、互いに１８０°の反対向きの垂直磁場成分を発生する高調波コイルの第１の組、及び互いに１８０°の反対向きの垂直磁場成分であって第１の組に対して９０°の角度をなす磁場を発生する高調波コイルの第２の組を配置する必要がある。このような高調波コイルの組は、疑似円形ビーム軌道の中心を横方向に変位させる効果を有する。第１及び第２の高調波コイル組の電流は、ビームが溝又は平坦部に入射するように同調させることができる。
【０００６】
［０００６］
上述した取り出し方法の変形例として、サイクロトロンの周囲にビームを受け取るターゲットを配置することにより、格別な取り出しを行うことなく加速したビームを利用することができる。
【０００７】
［０００７］
上述した全ての方法は単一のイオン源及び単一の粒子ビームを有するサイクロトロンに適用される。２つのイオン源を有するサイクロトロンは、欧州特許出願ＥＰ２１９６０７３Ａ１に記載されている。この公報で検討されているように、２つのイオン源を有するサイクロトロンの必要性がある。この公報に記載されているイオン源は、交互に又は同時に用いることができ、これにより、サイクロトロンの動作可能時間及び信頼性或いはサイクロトロンの生産性のいずれかが増大する。交互に用いる場合、第２のイオン源は、第１のイオン源に故障が発生した場合に用いることができる。第２のイオン源が速やかに稼働すれば、中断時間が減少し、操作者がサイクロトロンの遮蔽室に入ってメンテナンスを行う必要性が低下する。２つのイオン源を同時に用いる場合、ビーム電流は２倍になり、２つのターゲットにそれぞれ粒子が入射する。この公報に記載された設計は段落２９及び図４に記載され、２つのイオン源のうちの一方のイオン源はプロトンを生成し他方のイオン源は重陽子を生成する既知の設計を適用することにより得られる。これら２つの異なるイオン源は、２つの同一のイオン源で置換される。
【０００８】
前記公報の図４から明らかなように、一方のイオン源から発生したイオンは他方のイオン源の背後に入射し、そのビームは最初の軌道中に喪失する。この課題に対して２つの解決策が提案されている。
（i）ノッチを含む特別な設計を有するイオン源を設計する。
（ii）２つのイオン源を中心に向けて変位させ、イオン源の寸法の観点より技術的に可能な２つのイオン源が接近した形態を形成する。
【０００９】
これら２つの解決策によれば、一方のイオン源から出射した粒子の軌道が最初の半回転する際に他方のイオン源の半径方向外側を通過するように設計することができる。しかし、これらの解決策には以下の欠点がある。
（i）ノッチを有するイオン源は製造が複雑であると共に脆弱である。
（ii）イオン源を中心に向けて変位させた場合、イオン源とディー電極との間のギヤップが最適とはならない。例えば、電気力線は粒子を加速するために最適とならず、或いは、イオン源とディー電極との間に所定の電圧を印可する場合電界が極めて高くなり、ブレークダウンする危険性がある。
【００１０】
さらに、この公報では、２本のビームを取り出す際の問題点については指摘されていない。上述した自動抽出は、二重イオン源設計の場合、有効に動作しないものである。この理由は、高調波コイルは１本のビームに対してだけ所望の効果を発揮するが、両方のビームに同時に作用できないためである。
【００１１】
［０００８］
本開示技術は、従来技術の課題が解決されたサイクロトロンを提供することを目的とする。特に、本開示技術の目的は、強固なイオン源を有し、低ビーム損失で高ビーム電流を発生できる二重イオン源のサイクロトロンを提供することにある。
【発明の概要】
【００１２】
［０００９］
開示した実施例は特許請求の範囲に記載する。従属請求項は有益な実施例を記述する。
【００１３】
［００１０］  
この開示技術の第１の概念によれば、この開示技術（本発明）は、軸線のまわりに沿って荷電粒子を加速するサイクロトロンであって、上側磁極及び下側磁極を有し、軸線の方向に所定の磁場を形成する電磁石と、ギヤップを介して互いに分離され、荷電粒子を加速するための加速電圧が印可されるディー電極組立体及び対向ディー電極組立体と、サイクロトロンの中央領域に位置する１対のイオン源とを備えるサイクロトロンを提供する。前記電磁石、ディー電極組立体、対向ディー電極組立体及びイオン源は、サイクロトロンの軌道に沿う荷電粒子を発生するように構成する。前記２つのイオン源は上記軸線方向にそって適切な距離をもって位置し、第１のイオン源から出射した粒子は、半回転した後第１のイオン源と第２のイオン源との間を通過し、半回転を３回した軌道を経た後第２のイオン源の半径方向外側を通過し、第２のイオン源から出射した粒子は、半回転した後第１のイオン源と第２のイオン源との間を通過し、半回転を３回した後第１のイオン源の半径方向外側を通過する。イオン源を半径方向にそって適切な距離をもって配置することにより、コヒーレントな水平ベータトロンビーム発振が得られ、サイクロトロンの周辺において必要な軌道−分離が行われ、イオンビームの取出しや内部イオン源の使用が一層容易になる。イオン源を従来のサイクロトロンよりも半径方向に長い距離をもって配置することにより、このような結果が得られることが確認されている。  
【００１４】
［００１１］
好ましくは、前記磁極、ディー電極組立体、対向ディー電極組立体、及びイオン源は２回軸対称を有する。
【００１５】
［００１２］
磁極は、２つのショート山セクター及び２つの延長部付き山セクターを備え、延長部付き山セクターは、ショート山セクターよりも大きな半径方向延長部を有すると共に延長された領域に溝ないし平坦部を有し、延長部付き山セクターはショート山セクターよりも大きな半径方向延長部を有すると共に、延長された領域には荷電粒子の軌道形状に整合する溝ないし平坦部を有し、磁場は、前記延長部付き山セクターのより短い半径方向位置において前記ショート山セクターの磁場よりも低くなる。磁場は一旦低下した後、溝又は平坦部の長さにわたって顕著な値を維持し、続いてセクターの半径方向の端部において再び低下する。これは、サイクロトロンが自動抽出機能を有する「ディープ  バリー」サイクロトロンである本開示技術の実施例である。
【００１６】
［００１３］
上側磁極と下側磁極との間に、ギヤップが存在する。自動抽出を利用する本開示技術の好適実施例において、山セクターに関し、上側磁極及び下側磁極は、ギヤップが荷電粒子の軌道にそって一定となる（等ギヤップ軌道）ように形成する。この構成の結果として、ビームは、最終軌道においてほぼ一定の磁場の作用を受けると共に溝又は平坦部において低下した磁場の作用を受け、２つの領域の間には急激に低下する磁場が形成される。
【００１７】
［００１４］
溝又は平坦部に沿って通過する荷電粒子の軌道の半径方向内側に、ビームセパレータを設けることができる。これにより、正しい方向を有する粒子だけが軌道にそって進行し、誤った方向に進行する粒子によってサイクロトロンが活性化されることが抑制される。
【００１８】
［００１５］
ショート山セクター及び／又はロング山セクターは、４０°と５０°との間の範囲の方位角、典型的には４５°の方位角範囲を有する。
【００１９】
［００１６］
サイクロトロンが自動取り出しサイクロトロンの場合、イオン源の半径方向位置、方位角の範囲及び向きは、イオン源から出射したビームがロング山セクターに対して溝又は平坦部の半径方向位置に入射するように適切に設定する。
【００２０】
［００１７］
本開示技術の第２の概念によれば、この開示技術は、２つのイオン源から２本の粒子ビームを同時に発生し、これら２本の粒子ビームを２つのターゲットに入射させるサイクロトロンの使用に関するものである。従って、高い生産性を得ることができる。
【００２１】
［００１８］
第３の概念によれば、この開示技術は、２つのイオン源のうちの一方のイオン源から１本の粒子ビームを発生させ、このイオン源が故障した場合前記２つのイオン源のうちの他方のイオン源から１本の粒子ビームを発生させるサイクロトロンの使用に関するものである。これにより、第１のイオン源が故障した場合、分解することなくビーム生成を継続することができる。メンテナンスのために、遮蔽された構造物内に入ってサイクロトロンを開く必要性が最小になる。
【００２２】
［００１９］
第４の概念によれば、本開示技術は、上側磁極及び下側磁極を有し磁場を形成する電磁石と、ギヤップを介して互いに分離されると共に加速電圧が印可されて荷電粒子を加速するディー電極組立体及び対向ディー電極組立体とを備えるサイクロトロンの設計方法に関するものである。
【００２３】
この方法は、
ａ）前記磁場及び加速電圧の値を選択する工程と、
ｂ）１対のイオン源について半径方向の位置ｒを選択する工程と、
ｃ）前記各イオン源から出射した粒子線ビームの軌道を計算する工程と、
ｄ）、イオン源から出射した粒子が、半回転した後第１のイオン源と第２のイオン源との間を通過し、半回転を３回した後他方のイオン源の半径方向外側を通過する半径方向位置ｒが見出されるまで工程ａ）、ｂ）、及びｃ）を繰り返す工程とを備える。
【００２４】
［００２０］
好適実施例として、自動抽出サイクロトロンに適用可能な方法は、（ａ）イオン源の対について方位角位置θを選択する工程と、（ｂ）イオン源の向きを粒子線ビームが垂直に出射するイオン源の面の軸線と直交する面の方向とした場合に、前記イオン源の対について向きを選択する工程と、（ｃ）イオン源から出射した粒子ビームの軌道を計算する工程と、（ｄ）イオン源から出射した粒子が、前記延長部付き山セクターの前記溝又は平坦部が形成された位置に入射する方位角位置及び向きが見出されるまで工程ａ）、ｂ）、及びｃ）を繰り返す工程とを備える。
【００２５】
［００２１］
この方法は、（ａ）連続する閉止軌道の形状と整合する円の中心Ｃ及び半径ｒ′を決定する工程と、（ｂ）前記円に沿って磁極のギヤップが一定となるように、山セクターの磁極の形状を形成する工程とを備える。この方法によれば、等ギヤップ軌道を有するサイクロトロンが得られ、最終軌道と抽出軌道との間に磁場の急落が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
［００２２］
【図１】図１は、欧州特許ＥＰ２１９６０７３に基づく従来のサイクロトロンの中央領域の上面図である。
【００２７】
［００２３］
【図２】図２は、本開示技術の実施例によるサイクロトロンの中央領域の上面図である。
【００２８】
［００２４］
【図３】図３は、ビーム抽出が自動抽出により行われる本開示技術の好適実施例によるサイクロトロンの中央領域の上面図である。
【００２９】
［００２５］
【図４】図４は、図３の開示技術の好適実施例によるサイクロトロンの上側磁極のセクターの軸線に沿う断面図である。
【００３０】
［００２６］
【図５】図５は、図３のサイクロトロンの中間面における半径方向に沿う半径方向磁場Ｂｚをガウス単位で示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［００２７］
開示技術は、軸線のまわりで荷電粒子を加速するサイクロトロンを提供する。このサイクロトロンは、上側磁極及び下側磁極を有し軸線の方向に磁場を発生する電磁石と、互いにギヤップにより分離され荷電粒子を加速するディー（Dee）電極組立体及び対向ディー電極組立体と、サイクロトロンの中央の領域に位置する一対のイオン源とを具える。これらイオン源は軸線方向に適切な距離だけ離間して位置し、第１のイオン源から出射した荷電粒子は半回転の軌道を進行した後第１のイオン源と第２のイオン源との間を通過し、半回転を３回した後第２のイオン源の半径方向の外側に到達し、第２のイオン源から出射した荷電粒子は半回転の軌道を進行した後第２のイオン源から第１のイオン源との間を通過し、半回転を３回した後第２のイオン源の半径方向の外側に到達する。これらイオン源を半径方向に適切な距離だけ移動させると、コヒーレントな水平ベータトロンビーム発振が得られ、サイクロトロンの周辺における必要な回転−分離が形成され、イオンビームの取出しや内部イオン源の使用が一層容易になる。イオン源を従来のサイクロトロンの場合よりも半径方向に大きく離間するように配置することにより、このような結果が得られることが確認されている。
【００３２】
［００２８］
図１は、欧州特許公開（ＥＰ２１９６０７３Ａ１）と関連して上述した従来技術に基づくサイクロトロンの中央領域の図である。２つのイオン源１及び２は、できるだけ中心に接近するように配置されている。ディー電極３及び対向ディー電極４は高周波電圧源に接続され、ギヤップ５に加速電界を形成する。円形及び四角形は、ディー電極３が最大及び零になった瞬時におけるプロトンの位置をそれぞれ示す。第２のイオン源２から放出された荷電粒子の軌道は、最初の半回転した後第１のイオン源の半径方向外側を通る。
【００３３】
［００２９］
図２は開示技術によるサイクロトロンの中央領域の図であり、図１における同一の部材には同一符号を付す。図示のように、第２のイオン源から出射した荷電粒子の軌道は、最初の半回転した後第１のイオン源の半径方向内側を通過し、半回転を３回した後第１のイオン源の半径方向外側を通る。中心領域のビームコリメータ１０は、２つのイオン源１及び２の間に配置する。この中心領域ビームコリメータ１０は、イオン源から放出され所望の軌道から外れたビーム部分を停止させて吸収する。この中心領域ビームコリメータ１０は、２つの互いに対向するディー電極（図２においては図示されていない）を連結するブロックとすることができる。図２は、出願人により作成されたＣ１４サイクロトロンの幾何学的構成並びに加速磁場及び磁場設計を用いて、以下の条件のもとで計算することにより得られた。
・粒子数                  ３０００
・イオン源のエネルギー    １００ｅＶ
・ＲＦ相                  ０°＜ΦＲＦ＜１１０°              
・イオン源スリット        ２ｍｍ幅×４ｍｍ高さ
・水平エミッタンス        ５００ｐｍｍ−ｍｒａｄ
・水平ビーム半幅          １ｍｍ
・水平発散                ５００ｍｒｄ
・垂直エミッタンス        ５００Пｍｍ−ｍｒａｄ
・垂直ビーム半幅          ２ｍｍ
・垂直発散                ２５０ｍｒａｄ
図示の粒子組の軌道に対して１８０°回転した同様な粒子組は、イオン源１から同時に放出することができる。イオン源の半径方向の位置は従来のツウィンイオン源の場合よりも中心から遠く離れており、このイオン源の位置の選択によりコヒーレントな水平ベータトロンビーム発振が形成され、これにより取出し部における必要な回転−分離が行われる。
【００３４】
［００３０］
図３は本開示技術の好適実施例によるサイクロトロンの上面図であり、ビームの取出しは自動取り出しにより行われる。２つのショート山セクター（hill sector）３０，３０′及び２つの延長部付き山セクター３２，３２′は軸線を中心にして対称的に位置する。本例では、ショート山セクター３０，３０′の半径は５４ｃｍとし、延長部付き山セクター３２，３２′の半径は５７ｃｍとする。延長部付き山セクター３２，３２′は、延長領域に溝又は平坦部３４及び３４′を有する。これら溝又は平坦部の入射部３６，３６′に到達した粒子は、低くされた垂直磁場の影響を受ける。結果として、軌道の曲率半径は小さくなり、粒子はサイクロトロンの加速領域の外側に入射する。出射領域ビーム分離器３８，３８′を設け、溝又は平坦部３４，３４′から出射し加速領域に再入射する粒子の一部を遮断することができる。ショート山セクター３０，３０′及び延長部付き山セクター３２，３２′は共に約４５°の方位角の範囲を有する。ビーム軌道（図面を明瞭にするため、中心領域において図示されていない）は、谷領域の周辺のビーム軌道４０、山領域の周辺のビーム軌道４２及び溝又は平坦部４４のビーム軌道及び取り出しビームにおけるビーム軌道４６を含む。磁場の低い谷セクターにおけるビーム軌道４０は、ほぼ直線であり又は大きな曲率半径を有する。磁場の高い山セクターにおけるビーム軌道４２は、Ｃ及びｒ′で示すように、ほぼ円形の曲率を有し、その半径はビームの半径よりも短く、その中心位置はビームとサイクロトロンの軸線との間に位置する。
【００３５】
［００３１］  
図４は、図３の開示技術の好適実施例によるサイクロトロンの上側磁極の軸線方向断面図である。ショート山セクター３０と、平坦部３４を有する延長部付き山セクター３２とは、破線で示すサイクロトロンの中間面の上方に示す。周知のように、磁極ギヤップ、すなわち上側セクターと下側セクタ（図示せず）とを分離する垂直方向距離は、半径方向にそって楕円曲線のように短くなる。これにより、取り出し半径に対するサイクロトロンの等時性（isochronicity of the cyclotron）が促進される。図４は、ショート山セクター３０及び延長部付き山セクター３２について、磁極ギヤップが半径方向に沿って楕円状に小さくなることを示す。
【００３６】
［００３２］
上述したように、磁場が山及び谷により生成される等時性サイクロトロンにおいて、安定平衡軌道（すなわち、非加速閉止軌道）は単純な円形軌道ではなく、半径方向の延長部が山セクター（高磁場セクター）では大きく、谷セクター（低磁場セクター）では小さい周期的なスカラップ状（scalloped）軌道となる。高磁場セクターの場合、軌道アーク４２は円形アークと良好に整合する。しかしながら、この円形アークは、中心がサイクロトロンの中心と一致していない。代りに、中心は点Ｃに芯立てされ、フィットした円の半径ｒ′は閉止軌道の平均半径よりも小さい。本開示技術の好適実施例において、溝又は平坦部の直前の最終内側軌道４２と溝又は平坦部を経て出射する取り出し軌道４４との間の分離性を最大にするため、磁極−ギヤッププロファイルは、このギヤップがフィットした円弧上において一定となるように構成する（サイクロトロンの中心に芯立てされた平均円の代りに）。このように、溝（又は平坦部）により導入された強い半径方向の勾配は、全ての取り出し軌道にそって同一の力で作用する。最終旋回において山セクターの高磁場の作用を受け、次の旋回において平坦部又は溝の低磁場の作用を受ける。我々は、このような磁極プロファイルをアイソ−ギヤップ（iso-gap）プロファイルとして記載する。これら磁極形状の設計は、連続する閉止軌道（すなわち、定エネルギー軌道）の形状にフィットする円の中心Ｃ及び半径ｒ′を決定し、磁極ギヤップがこれら軌道にそって一定となるように磁極の形状を設定することにより得ることができる。
【００３７】
［００３３］
図５は軸方向磁場Ｂｚ（単位：ガウス）を半径方向の関数として示し、ショート山セクターの磁場をＳで示し、延長部付きの山セクターの磁場をＬで示す。明らかなように、延長部付き山セクターの磁場Ｌは、約５２ｃｍの半径位置で急激に低下し、続いて半径位置が約５６ｃｍまでの平坦部が続き、続いて急激に低下する。ショート山セクターの磁場Ｓは、磁極の有用領域全体にわたって高い磁場を保持している。
【００３８】
［００３４］
サイクロトロンの設計の分野において知られているように、既知の出発点からある構成要素を適合させることにより新たな設計を行うことができる。その場合、Opera-3D及びToscaのようなソフトウエアのパッケージを用いて、実際の装置を製造するコストをかけることなく新たなパラメータの効果をモデル化することができる。これらのパッケージは、電磁石の形状及び材料により生成される磁場を計算することができ、加速電圧に影響を与えるディー電極組立体及び対向ディー電極組立体により形成される電界を計算することができる。これらの設計点を選択すれば、初期位置を有する荷電粒子の軌道及びサイクロトロンの中間面における運動量の計算を簡単に行うことができる。開示技術の設計方法はこれらのツールを用いて、設計目標に適合するサイクロトロンのパラメータを繰り返し探索する。
【００３９】
［００３５］
本開示技術の最良の効果が生じるイオン源の位置及び向きを得るため、繰り返し計算を行った。３つのパラメータが所望の結果について作用しており、すなわち、軌道分離は取り出し領域で行われ、自動取出しの場合ビームは延長部付きセクターの正しい点３６，３６′に入射する。これらのパラメータは、ｒ、θ、及びαである。ｒは、イオン源が位置する点からの半径である。θは、図２のＸ軸から時計方向に測定したイオン源の方位角位置である。αはビームが出射するイオン源面の向きであり、図２のＸ軸から時計方向に測定する。探索は以下の範囲について行った。
【００４０】
２０ｍｍ＜ｒ＜５０ｍｍ
−１６°＜θ＜−８°
−３２＜α＜−１４°
ソフトウエアのパッケージを用いて、サイクロトロンの磁場及び加速場における段落１５に記載した加速粒子の軌道を計算した。各パラメータの組について、イオン源から出射した初期粒子数に対して取り出し領域に到達した粒子数の比率を計算した。すなわち、３０００個に対して僅かに異なるパラメータで計算した。以下のパラメータ値に対して最適な取り出し比率が見出された。
【００４１】
ｒ＝４５ｍｍ
θ＝１２°
α＝２０°
これらの値は、出願人により作成されたＣ１４サイクロトロンの幾何学的設計及び磁場設計において得られた。理解されるように、異なる幾何学的及び磁場設計において異なる値を得ることも可能である。従来のＣ１４の設計においては、半径方向の２４ｍｍの位置に単位のイオン源が配置されている。この開示技術では、２つのイオン源を半径方向により長い距離だけ離間するように配置し、この配置構成により、第１のイオン源から出射した粒子が半回転した後第１のイオン源と第２のイオン源との間を通過し、３回半回転した後第２のイオン源の半径方向外側を通過する所望の効果が発生する。
【００４２】
［００３６］
この開示技術の中心領域設計を利用すれば、サイクロトロンの周囲においてコヒーレントなビーム発振が得られる。従って、高調波コイルを必要とすることなく、有効な自動取り出しを行うことができる。これは重要なことである。この理由は、ツウィンイオン源、ツウィンビームのサイクロトロンを取り扱うために、高調波コイルを用いることができないためである。この開示技術のサイクロトロンを用いれば、ビーム損失が少なくより大きな高電流を得ることができる。この開示技術によるサイクロトロンを用いてフッ素18を生成し、ＦＤＧを得ることができる。また、モリブデン１００ターゲットに２２ＭｅＶのプロトンを照射することにより１００Ｍｏ（ｐ，２ｎ）９９ｍＴｃ反応を経てテクネチウム−９９ｍｍを生成することができる。本開示技術のサイクロトロンを用いることにより、１０ＭｅＶ〜３００ＭｅＶの範囲のプロトンビームを介して得ることができるアイソトープを生成することができる。
【００４３】
［００３７］
本明細書において用いた用語及び記述は、図示のためだけに記載したものであり、本発明はこれら用語等により限定されるものではない。上述した実施例は、自動取り出しサイクロトロンについて記載する。しかし、本発明は、内部ターゲットにも適用することができる。上述した実施例は内部イオン源を有するサイクロトロンについて説明した。しかし、この開示技術は、粒子がインフレクターにより中心領域に案内される外部イオン源を有するサイクロトロンにも適用することができる。上述した実施例は、２つのショート山セクターと２つの延長部付き山セクターを有するサイクロトロンについて説明した。しかし、この開示技術は、例えば２つのショート山セクターと１つの延長部付き山セクターのように多くのセクターを有するサイクロトロンに適用して、６回対称磁場を生成することもできる。直線状の磁極を示したが、磁極は螺旋状とすることもできる。実施例は、２回対称性を有するサイクロトロンを示したが、この開示技術は、２回対称性から離れた設計にも適用される。
【００４４】
［００３８］
請求の範囲に記載した開示技術の精神及び範囲並びに均等の範囲内において種々の変形が可能であり、全ての用語は特に指定されていない限り、最も広い意味に理解されるべきである。結果として、本開示技術を理解することにより当業者が想起する全ての変更や変形が可能である。特に、寸法、材料及びパラメータは、この出願の必要性に応じて変更することができる。
【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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【外国語明細書】
2016105397000001.pdf