(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化および軽量化された等時性セクタ収束型サイクロトロン加速器を提供する。【解決手段】サイクロトロン磁極は、その中心軸Ｚの周囲の谷セクタ４と交互になる山セクタ３で構成され、谷セクタ４の底表面４Ｂは谷周囲縁部４ｖｐによって画定され、深遠部開口１１が設けられる。深遠部開口１１の縁は、対応する谷周囲縁部４ｖｐから距離Ｌａｐの所に配置され、磁束反転ヨークは谷セクタ４に面する各部分に厚さＴｖを有する。Ｌａｐ、Ｔｖおよび距離Ｌｖのそれぞれは深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定され、比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が５％未満とする。【選択図】図３
2017204470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップ内に含められた所与の経路を介して粒子ビームを加速するためのサイクロトロンであって、前記サイクロトロンが、
（ａ）ヨーク内に画定されたチャンバであって、前記ヨークは、中心軸Ｚに対して垂直でありかつ前記サイクロトロンの側方外壁を画定する磁束反転ヨーク（６）によって互いに分離される第１および第２の基板（５）によって形成される、チャンバと、
（ｂ）前記チャンバ内に配置されかつ前記中心軸Ｚに対して垂直な中間面に対して互いに対向して対称に位置付けられ、および前記ギャップ（７）によって互いに分離された第１および第２の磁極（２）とを含み、前記第１および第２の磁極のそれぞれが、
（ｃ）上表面（３Ｕ）を有する少なくともＮ＝３の山セクタ（３）と、底表面（４Ｂ）を含む同じ数の谷セクタ（４）とを含み、前記山セクタおよび谷セクタが前記中心軸Ｚの周囲に交互に分散され、その結果、前記第１および第２の磁極を分離する前記ギャップが、２つの対向する山セクタの前記上表面の間に画定されかつ前記中心軸Ｚに沿って測定される平均ギャップ高さＧｈを有する山ギャップ部分（７ｈ）と、２つの対向する谷セクタの前記底表面の間に画定されかつ前記中心軸Ｚに沿って測定される平均谷ギャップ高さＧｖを有する谷ギャップ部分（７ｖ）とを含み、Ｇｖ＞Ｇｈであり、
（ｄ）各谷セクタの前記底表面（４Ｂ）が谷周囲縁部（４ｖｐ）によって画定され、前記谷周囲縁部は第１および第２の下側遠位端（３ｌｄｅ）によって境界を定められ、および前記中心軸Ｚから最も遠くに配置された前記底表面の縁部として定義され、
（ｅ）各谷セクタの前記底表面（４Ｂ）がさらに、前記ヨーク基板の厚さを貫いて延在しかつＧｈの少なくとも５倍の大きさの高さＧａの深遠部ギャップ部分を画定する深遠部開口を含み、前記深遠部開口は深遠部外周によって画定される前記中心軸に対して垂直な断面を有し、前記深遠部外周は前記中心軸Ｚと垂直に交差する深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される最短距離Ｌａｐだけ前記谷周囲縁部から分離され、前記谷周囲縁部は前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される距離Ｌｖだけ前記中心軸Ｚから分離され、
（ｆ）前記磁束反転ヨーク（６）は、前記中心軸の周囲で角度位置により変化する壁厚さを有し、その最小壁厚さ値Ｔｖは、各谷セクタの前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される、サイクロトロンにおいて、
各谷セクタの前記谷周囲縁部までの前記深遠部外周の距離Ｌａｐに前記磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が５％未満であ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、各谷セクタの前記谷周囲縁部までの前記深遠部外周の前記距離Ｌａｐに前記磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が３％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のサイクロトロンにおいて、前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される前記谷周囲縁部（４ｖｐ）を分離して前記中心軸Ｚに至る距離Ｌｖに対する、前記深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌｖが４５〜６０％の間、好ましくは４８〜５５％の間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記中心軸Ｚと前記深遠部開口断面の中心との間の距離Ｌａに対する前記深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌａが、Ｌａの値の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも６５％、より好ましくは少なくとも７０％であり、前記深遠部開口の直径２Ｒａは好ましくは２４０〜３００ｍｍの間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記平均谷ギャップ高さＧｖに前記磁束反転ヨーク厚さＴｖを掛けた積Ｇｖ×Ｔｖの、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｖ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が２０％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖに対する前記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈの高さの比率Ｇｈ／Ｇｖが８〜２０％の間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈに前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖを掛けた高さの積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｈ×Ｇｖ）／Ｌｖ２が、５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈが、２０〜２７ｍｍの間、好ましくは２２〜２６ｍｍの間に含まれる、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の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖが１００〜５００ｍｍの間、好ましくは１５０〜４００ｍｍの間、好ましくは２００〜２５０ｍｍの間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷周囲縁部（４ｖｐ）の前記第１および第２の下側遠位端（３ｌｄｅ）が前記中心軸Ｚとともに谷方位角αｖを形成し、その結果、前記谷方位角の正接ｔａｎ（αｖ）に対する前記平均山ギャップ高さＧｈの比率Ｇｈ／ｔａｎ（αｖ）が、３０ｍｍ以下、好ましくは２７ｍｍ以下である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１１】
請求項８に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷方位角αｖが３５°超、好ましくは４０°超、より好ましくは４２°超であり、およびまた、５０°以下、好ましくは４６°以下、より好ましくは４５°以下である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、Ｎ＝４または８の山セクタ（３）および同じ数の谷セクタ（４）を含み、前記磁束反転ヨーク（６）が前記チャンバに面する内側表面と、前記チャンバから離れる方に面しかつ前記磁束反転ヨークの壁厚さによって前記内側表面から分離される外側表面とを含み、前記内側表面の前記中心軸Ｚに対して垂直な断面が、前記中心軸Ｚと同心の円形形状を有し、前記外側表面の前記中心軸Ｚに対して垂直な断面が、前記中心軸Ｚと同心の正方形内に内接される形状を有し、その縁部は４つの谷セクタの前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに対して垂直であり、そのコーナー部分は好ましくは切除される、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記基板（５）、磁極（２）および磁束反転ヨーク（６）が全て同じ材料からから作製され、前記基板（５）および前記磁束反転ヨーク（６）は部分的に、前記中心軸に沿って測定される同じ高さを有する、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記第１および第２の磁極のそれぞれが、その全ての前記山セクタおよび谷セクタを含む単一モノブロック要素から作製される、ことを特徴とするサイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサイクロトロンに関する。特に本発明は、最先端の同様のエネルギーのサイクロトロンと比べて低減された寸法および重量を有する空間節約型の等時性セクタ収束型サイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
サイクロトロンは一種の円形粒子加速器であり、そこでは負または正に帯電した粒子が、サイクロトロンの中心から外側へ、螺旋状経路に沿って数ＭｅＶのエネルギーまで加速される。等時性サイクロトロンでは、粒子ビームが、螺旋状経路の各連続サイクルまたはサイクル部分を同時に流れる。別段の指示のない限り、用語「サイクロトロン」は、以下、等時性サイクロトロンに言及するために使用される。サイクロトロンは様々な分野で、例えば、核物理学において、陽子治療などの医療的処置において、または放射性薬理学において使用される。特に、サイクロトロンは、ＰＥＴ（ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（陽電子放出断層撮影））およびＳＰＥＣＴ（スペクト）（ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（単一光子放射型コンピュータ断層撮影））画像形成に好適な短寿命陽電子放出同位元素を生成するために使用可能である。
【０００３】
サイクロトロンはいくつかの要素を含み、それらには、入射システム、荷電粒子を加速するための高周波（ＲＦ）加速システム、加速された粒子を正確な経路に沿って案内するための磁気システム、そのようにして加速された粒子を収集するための取出しシステム、およびサイクロトロン内に真空を生成し維持するための真空システムが含まれる。
【０００４】
粒子ビームは、相対的に低い初期速度で入射システムによってサイクロトロンの中心でまたはその近くでギャップに導入される。この粒子ビームは連続的におよび反復的にＲＦ加速システムによって加速され、磁気システムによって発生される磁場によってギャップ内に含められた螺旋経路に沿って外に向かって案内される。粒子ビームはその目標エネルギーに達すると、取出し地点に設けられた取出しシステムによってサイクロトロンから取り出される。この取出しシステムは、例えば、グラファイトの薄いシートから構成された抜取機を含むことができる。例えば、抜取機を通過するＨ−イオンは２つの電子を失い、陽性になる。その結果として、磁場のそれらの経路の曲率がそのサインを変化させ、そのようにして粒子ビームはターゲットに向かってサイクロトロンから放出される。当業者に周知の他の取出しシステムが存在する。
【０００５】
磁気システムは磁場を生成し、磁場は、荷電粒子のビームを、それがその目標エネルギーに加速されるまで、螺旋経路に沿って案内かつ収束する（図４および５参照）。以下、用語「粒子」、「荷電粒子」および「イオン」は、同義語として区別せずに使用される。磁場は、２つの磁極間に画定されたギャップ内に、これら磁極の周囲に巻かれた２つのソレノイド巻きコイルによって生成される。サイクロトロンの磁極は、中心軸の周囲に分散された交互に存在する山セクタと谷セクタに分割されることが多い。２つの磁極間のギャップは、山セクタにおいてより小さく、谷セクタにおいてより大きい。そのようにして強い磁場が山セクタ内のギャップ中に生成され、より弱い磁場が谷セクタ内のギャップ中に生成される。そのような方位磁場変化は、粒子ビームの半径方向および垂直方向の収束をもたらす。このため、そのようなサイクロトロンは時にセクタ収束型サイクロトロンと称される。いくつかの実施形態では、山セクタは、一切れのケーキと同様の円形セクタの形状を有し、中心軸に向かって実質的に半径方向に延在する第１および第２の側表面と、全体的に湾曲した周囲表面と、中心軸に隣接する中心表面と、ギャップの片側を画定する上表面とを有する。上表面は第１および第２の側縁部と、周囲縁部と、中心縁部とによって境界を定められる（図１（ｂ）および３参照）。
【０００６】
ギャップ内の真空を維持するために、および磁極のギャップおよび対を取り囲む空間の中で磁場を制御しかつ含めるために、サイクロトロンはヨークも含む。ヨークは、磁束反転ヨークによって互いに分離される、中心軸Ｚに対して垂直な第１および第２の基板によって形成される。第１および第２の基板および磁束反転ヨークはチャンバを共に画定し、ここで磁束反転ヨークはサイクロトロンの外壁を形成し、コイルをサイクロトロン内に含めることによってコイルの外側の磁場を制御する。第１および第２の磁極はチャンバ内に含められる。第１および第２の基板には、チャンバを真空ポンプと流体連通するための開口が設けられる。
【０００７】
磁束反転ヨークは、中心軸Ｚに対して垂直な中間面のレベルで接合される２つの部分から概ね形成され、その結果、サイクロトロンは、第１の基板および磁束反転ヨークの第１の部分を、第１の磁極と一緒に、第２の基板、磁束反転ヨークの第２の部分および第２の磁極から引き離すことによって開放することができる。磁束反転ヨークは、閉鎖するためにおよびギャップの外側で磁極によって生成された磁場をサイクロトロン内に含めるために、最小厚さＴｖを有する必要がある。
【０００８】
サイクロトロンは数十トンの重さのある非常に重く巨大な装置である。これは言うまでもなくサイクロトロンの製造費および輸送費および取扱いに影響を及ぼす。標準型の共同一貫輸送コンテナは約２．４ｍの幅および同様の高さを有し、４０’および４５’のハイキューブコンテナなど、より大型のコンテナは約２．７ｍの高さに達する。標準型の共同一貫輸送コンテナに収めるために、サイクロトロンは、２．４ｍ（または２．７ｍ）未満のクレートの中に収まらなければならない。１８ＭｅＶ陽子を加速するのに好適なものなど、低エネルギーサイクロトロンの寸法は通常、標準型の共同一貫輸送コンテナのサイズを超え、約２ｍの直径のヨークおよびヨークの外側に配置された液圧システムを有する。サイクロトロンの重い重量と併せて非標準型コンテナの使用を必要とする高体積サイクロトロンは、サイクロトロンの費用および取扱いに悪影響を及ぼす。
【０００９】
従って、より低い重量およびより低い寸法の等時性セクタ収束型サイクロトロンを提供し、製造費および輸送費を削減し、およびそのようなサイクロトロンの取扱い易さを向上させる必要性が当該技術分野に依然としてある。本発明はサイクロトロンの体積および重量を大幅に低減するための解決策を提案する。本発明のこのおよび他の利点は、本発明の詳細な記載の中により詳細に提示されている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、付随する独立請求項の中で定義される。好ましい実施形態は従属項の中で定義される。
【００１１】
本発明は、ギャップ内に含められた所与の経路を介して粒子ビームを加速するためのサイクロトロンであって、前記サイクロトロンが、
（ａ）ヨーク内に画定されたチャンバであって、前記ヨークは、中心軸Ｚに対して垂直でありかつサイクロトロンの側方外壁を画定する磁束反転ヨークによって互いに分離される第１および第２の基板によって形成される、チャンバと、
（ｂ）チャンバ内に配置されかつ中心軸Ｚに対して垂直な中間面に対して互いに対向して対称に位置付けられ、および前記ギャップによって互いに分離された第１および第２の磁極とを含み、第１および第２の磁極のそれぞれが、
（ｃ）上表面（３Ｕ）を有する少なくともＮ＝３の山セクタと、底表面を含む同じ数の谷セクタとを含み、前記山セクタおよび谷セクタが中心軸Ｚの周囲に交互に分散され、その結果、第１および第２の磁極を分離するギャップが、２つの対向する山セクタの上表面の間に画定されかつ中心軸Ｚに沿って測定された平均ギャップ高さＧｈを有する山ギャップ部分と、２つの対向する谷セクタの底表面の間に画定されかつ中心軸Ｚに沿って測定された平均谷ギャップ高さＧｖを有する谷ギャップ部分とを含み、Ｇｖ＞Ｇｈであり、
（ｄ）各谷セクタの底表面が谷周囲縁部によって画定され、前記谷周囲縁部は第１および第２の下側遠位端によって境界を定められ、および中心軸Ｚから最も遠くに配置された底表面の縁部として定義され、
（ｅ）各谷セクタの底表面がさらに、ヨーク基板の厚さを貫いて延在しかつＧｈの少なくとも５倍の大きさの高さＧａの深遠部ギャップ部分を画定する深遠部開口を含み、前記深遠部開口は深遠部外周によって画定される中心軸に対して垂直な断面を有し、深遠部外周は中心軸Ｚと垂直に交差する深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された最短距離Ｌａｐだけ谷周囲縁部から分離され、谷周囲縁部は深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された距離Ｌｖだけ中心軸Ｚから分離され、
（ｆ）磁束反転ヨークは、中心軸の周囲で角度位置により変化する壁厚さを有し、その最小壁厚さ値Ｔｖは、各谷セクタの深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される、サイクロトロンにおいて、
各谷セクタの谷周囲縁部までの深遠部外周の距離Ｌａｐに磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満、最も好ましくは１％未満であることを特徴とするサイクロトロンに関する。
【００１２】
深遠部開口のサイズおよび位置は重要である。深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される谷周囲縁部（４ｖｐ）を分離して中心軸Ｚに至る距離Ｌｖに対する、深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌｖは４５〜６０％の間、好ましくは４８〜５５％の間に含まれることが好ましい。中心軸Ｚと深遠部開口断面の中心との間の距離Ｌａに対する深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌａが、Ｌａの値の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも６５％、より好ましくは少なくとも７０％であり、深遠部開口の直径２Ｒａは好ましくは２４０〜３００ｍｍの間に含まれる。
【００１３】
谷に面する磁束反転ヨークの厚さＴｖはまた、平均谷ギャップ高さおよび磁極のサイズに依存する。特に、平均谷ギャップ高さＧｖに磁束反転ヨーク厚さＴｖを掛けた積Ｇｖ×Ｔｖの、中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｖ×Ｔｖ）／Ｌｖ２は２０％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満であることができる。
【００１４】
深遠部開口に起因する向上された収束効果のために、最先端のサイクロトロンよりも浅い谷を使用可能であり、これはサイクロトロンの全体サイズおよび重量の点で有利である。例えば、谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖに対する山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈの高さの比率Ｇｈ／Ｇｖは、８〜２０％の間に含めることができる。付随して、粒子ビームの向上された収束により、これまで利用されてきたものよりも狭いギャップを実装可能である。特に、山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈに谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖを掛けた高さの積の、中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｈ×Ｇｖ）／Ｌｖ２は、５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満である。山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈは、２０〜２７ｍｍの間、好ましくは２２〜２６ｍｍの間に含めることができる。谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖは１００〜５００ｍｍの間、好ましくは１５０〜４００ｍｍの間、好ましくは２００〜２５０ｍｍの間に含めることができる。
【００１５】
全体的により広い谷を使用可能であり、その結果、例えば、谷周囲縁部（４ｖｐ）の第１および第２の下側遠位端（３ｌｄｅ）は中心軸Ｚとともに谷方位角αｖを形成し、その結果、谷方位角の正接ｔａｎ（αｖ）に対する平均山ギャップ高さＧｈの比率Ｇｈ／ｔａｎ（αｖ）は、３０ｍｍ以下、好ましくは２７ｍｍ以下である。特に、谷方位角αｖは３５°超、好ましくは４０°超、より好ましくは４２°超であることができ、およびまた、５０°以下、好ましくは４６°以下、より好ましくは４５°以下である。
【００１６】
磁束反転ヨークは、チャンバに面する内側表面と、チャンバから離れる方に面しおよび磁束反転ヨークの壁厚さによって内側表面から分離される外側表面とを含む。Ｎ＝４または８の山セクタおよび同じ数の谷セクタを含む本発明によるサイクロトロンの好ましい実施形態において、内側表面の中心軸Ｚに対して垂直な断面は、中心軸Ｚと同心の円形形状を有し、外側表面の中心軸Ｚに対して垂直な断面は、中心軸Ｚと同心の正方形内に内接される形状を有し、その縁部は４つの谷セクタの深遠部半径方向軸Ｌａｒに対して垂直であり、そのコーナー部分は好ましくは切除される。
【００１７】
基板、磁極および磁束反転ヨークが全て同じ材料からから作製され、基板および磁束反転ヨークのいくつかの部分が中心軸に沿って測定される同じ高さを有し、その結果、サイクロトロン構造の全ての主要要素が同じ材料バッチから作製できる場合、より費用効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明のこれらのおよびさらなる態様を例としておよび添付図面を参照してより詳細に説明する。
【００１９】
【図１】図１は、本発明によるサイクロトロンの（ａ）側面断面図および（ｂ）上面図を概略的に示す。
【図２】図２は、本発明の２つの実施形態による谷セクタおよび磁束反転ヨークの一部の上面図を示す。
【図３】図３は、半分のサイクロトロンの部分斜視図を示す（磁束反転ヨーク中の取り出された粒子の出口は視認性を高めるために示されていない）。
【図４】図４は、加速される粒子が磁極の中心領域から取出し地点まで辿る経路の概略図を示す。
【図５】図５は、山ギャップ部分、谷ギャップ部分および深遠部ギャップ部分の中および外の磁場の形状および強度を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、等時性セクタ収束型サイクロトロンに関し、以下、上掲の背景技術の節で考察した種類のサイクロトロンと称される。本発明によるサイクロトロンは、荷電粒子を、サイクロトロンの中心領域から外方へ、螺旋状経路１２に沿って、それらが数ＭｅＶのエネルギーで取り出されるまで加速する。例えば、そのようにして取り出された荷電粒子は、陽子、Ｈ＋、または重陽子、Ｄ＋であり得る。好ましくは、取り出された粒子によって送達されるエネルギーは、１０〜２６ＭｅＶの間、より好ましくは１５〜２１ＭｅＶの間、最も好ましくは１８ＭｅＶである。そのようなエネルギーのサイクロトロンは、例えば、ＰＥＴ（ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（陽電子放出断層撮影））およびＳＰＥＣＴ（スペクト）画像形成での使用に好適な短寿命陽電子放出同位元素を生成するために使用される。
【００２１】
図１（ａ）に示されるように、本発明によるサイクロトロン１は、２つの基板５と、一緒にヨークを形成する磁束反転ヨーク６とによって画定されたチャンバを含む。図１（ａ）および５に示されるように、磁束反転ヨークは、サイクロトロンの外壁を形成し、および、コイルの外側の磁場を、それをサイクロトロン内に含有することによって、制御する。磁場をサイクロトロン内に包含することは、磁束反転ヨーク６の最小厚さＴｖを決定し、それはギャップ７の外側の磁場の強度に依存する。
【００２２】
サイクロトロンはさらに、第１および第２の磁極２を含み、それらは、チャンバ内に配置され、中心軸Ｚに対して垂直な中間面ＭＰに対して対称に互いに向き合い、ギャップ７によって互いに分離される。ヨークおよび磁極は全て、磁性材料から、好ましくは低炭素（Ｃ）鋼から作製され、磁性システムの一部を形成する。磁性システムは、第１および第２の磁極の周囲に巻かれ、磁極と磁束反転ヨークとの間に含まれるチャンバの環状空間内に取り付けられる電気伝導性材料から作製された第１および第２コイル１４によって完成される。
【００２３】
図１（ｂ）および４に示されるように、第１および第２の磁極２のそれぞれは、中心軸Ｚの周囲に半径方向に分散された少なくともＮ＝３個の山セクタ３を含む（図１（ｂ）および４はＮ＝４の好ましい実施形態を示す）。図１（ｂ）および３に示されるように、各山セクタ３（淡く陰影を付けられた領域として図１（ｂ）に示されている）は、山方位角αｈにわたって延在する上表面３Ｕを有する。第１および第２磁極２のそれぞれはさらに、中心軸Ｚの周囲に半径方向に分散された同じ数Ｎの谷セクタ４（暗く陰影を付けられた領域として図３に示されている）を含む。各谷セクタ４は２つの山セクタ３が側方に位置付けられ、谷方位角αｖにわたって延在する底表面４Ｂを有し、その結果、αｈ＋αｖ＝３６０／Ｎである。図１（ｂ）および２に示されるように、谷セクタの底表面はさらに、ヨークの全厚さを貫いて延在する深遠部開口１１を含む。そのような開口はチャンバを真空ポンプに流体接続するために必要とされる。続けてより詳細に考察されるように、そのような開口の存在は、サイクロトロンの全体寸法および重量を実質的に低減するために、本発明の利点と見なされている。
【００２４】
第１磁極２の山セクタ３および谷セクタ４は、それぞれ、第２磁極２の対向する山セクタ３および谷セクタ４に面する。図４に示される粒子ビームによって辿られる経路１２は、第１および第２磁極を分離するギャップ７内に含まれる。第１および第２磁極間のギャップ７は従って、
・２つの対向山セクタ３の上表面３Ｕ間に画定され、かつ、２つの対向上表面３Ｕの領域にわたる山ギャップ部分の平均高さとして定義される平均ギャップ高さＧｈを有する山ギャップ部分７ｈ、
・２つの対向谷セクタ４の底表面４Ｂ間に画定され、かつ、深遠部開口１１を除く、谷ギャップ部分内の２つの対向底表面４Ｂの領域にわたる谷ギャップ部分の平均高さとして定義される平均ギャップ高さＧｖを有する谷ギャップ部分７ｖ、
・谷セクタの２つの対向深遠部開口間に画定され、かつ、ＧｖおよびＧｈよりもかなり大きな平均ギャップ高さＧａを有する深遠部ギャップ部分７ａ、
を含む。
【００２５】
平均山および谷ギャップ高さは、山セクタおよび谷セクタのそれぞれ上表面および下表面全体にわたるギャップ高さの平均として測定される。谷ギャップ高さの平均は、底表面の深遠部開口を無視する。
【００２６】
図１（ｂ）および３に示されるように、上表面３Ｕは、
・第１および第２の上側遠位端３ｕｄｅによって境界を定められ、かつ、中心軸Ｚから最も遠くに位置する上表面の縁部として定義される上側周囲縁部３ｕｐ、
・第１および第２の上側近位端３ｕｐｅによって境界を定められ、かつ、中心軸から最も近くに位置する上表面の縁部として定義される上側中心縁部３ｕｃ、
・第１上側遠位端および第１上側近位端を接続する第１上側側縁部３ｕｌ、
・第２上側遠位端および第２上側近位端を接続する第２上側側縁部３ｕｌ、
によって画定される。
【００２７】
分かりやすくするために、取出しチャネルは、図１（ｂ）および３に示される磁束反転ヨーク６の上縁部に示されていないことに注意されたい。本発明によるサイクロトロンの磁束反転ヨークが粒子ビームがサイクロトロンを出ることを可能にする取出しチャネルを含むことは明白であり、これは当業者に周知であり、ここでより詳細に記載する必要はない。
【００２８】
山セクタ３はさらに、
・第１および第２の側表面３Ｌであって、それぞれ第１および第２の上側側縁部から、山セクタの両側に配置された対応する谷セクタの床表面まで横切るように延在し、その結果、側表面を隣接底表面と交差する縁部として第１および第２の下側側縁部３ｌｌを画定し、前記第１および第２の下側側縁部はそれぞれ中心軸から最も遠くに配置された下側遠位端３ｌｄｅを有する、第１および第２の側表面３Ｌ、
・上側周囲縁部から、第１および第２の下側側縁部の下側遠位端３ｌｄｅによって境界を定められるセグメントとして画定される下側周囲線３ｌｐまで延在する周囲表面３Ｐ、
を含む（図３参照）。
【００２９】
山セクタの平均高さＨｈは、下側および上側側縁部の間で中心軸と平行に測定される平均距離である。
【００３０】
同様に、谷部分４は、隣接する山部分の側表面３Ｌが両側に位置する底表面４Ｂによって画定される。谷部分の底表面は、従って、前記隣接する側表面の下側側縁部３ｌｌによって境界を定められ、および、前記下側側縁部の下側遠位端３ｌｄｅによって境界を定められるセグメントとして定義される谷周囲縁部４ｖｐによって境界を定められる。谷周囲縁部４ｖｐは、中心軸Ｚから最も遠くに配置された谷セクタの底表面の縁部として定義される。
【００３１】
深遠部開口１１は谷部分に配置され、そこでそれらは山ギャップ部分内の高い磁場を少なくとも中断する。先に記載したように、深遠部開口は、チャンバを真空ポンプに流体連通し、サイクロトロンの使用中、チャンバ内の十分な真空レベルを保証するために設けられる。本発明によれば、しかしながら、深遠部開口は、粒子ビーム経路１２の最も外側のサイクルのレベルにおいて谷部分内の磁場を制御するさらなる機能を付与される（図５参照）。このため、深遠部開口１１を各谷の谷周囲縁部４ｖｐのごく近くに配置することが必須である。各谷セクタの谷周囲縁部４ｖｐまでの深遠部外周の距離Ｌａｐは、深遠部開口１１の外周と、対応する谷セクタの谷周囲縁部４ｖｐとの間で、中心軸Ｚに対し垂直であり、かつ、中心軸Ｚのそばを通過する深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される最短距離として定義される。深遠部外周は、中心軸に対して垂直でありかつ隣接する側表面３Ｌの下側遠位端３ｌｄｅを含む面にわたる深遠部開口の断面の外周として定義される。底表面４Ｂが深遠部開口を取り囲む領域において平坦である場合、深遠部外周は、単に底表面と開口との間に形成された深遠部開口の縁である。
【００３２】
縁部の端部は、その縁部を画定するセグメントの境界を定める２つの末端のうちの１つとして定義される。近位端は中心軸Ｚの最も近くに配置された端部である。遠位端は中心軸Ｚの最も遠くに配置された端部である。端部は、２本以上の線が交わる地点として定義されるコーナー地点であり得る。コーナー地点はまた、曲線の接線がサインを変化する、または不連続性を示す地点としても定義され得る。
【００３３】
縁部は２つの表面が交わる線セグメントである。縁部は、上で定義されたように２つの端部によって境界を定められ、および２つの交わる表面のそれぞれの片方の側を定める。機械加工工具の制限のために、ならびに応力集中の低減のために、２つの表面は所与の曲率半径Ｒで交わることが多く、これは、両方の表面と交差する縁部の幾何学的位置を正確に決定することを困難にする。この場合、縁部は、互いに交差するように推定される２つの表面と交差する幾何学的な線として、および無限の曲率（１／Ｒ）として定義される。上側縁部は山セクタの上表面３Ｕと交差する縁部であり、下側縁部は谷セクタの底表面４Ｂと交差する縁部である。
【００３４】
周囲縁部は、中心軸Ｚから最も遠くに配置された地点を含む表面の縁部として定義される。最も遠い地点が２つの縁部によって共有されるコーナー地点である場合、周囲縁部はまた、中心軸Ｚまでの平均距離が最大である表面の縁部である。例えば、上側周囲縁部は、中心軸まで最も遠くに配置された地点を含む上表面の縁部である。山セクタが一切れのタルトと比較される場合、その周囲縁部はタルトの周囲のクラストであろう。
【００３５】
同じように、中心縁部は、中心軸Ｚの最も近くに配置された地点を含む表面の縁部として定義される。例えば、上側中心縁部は、中心軸Ｚの最も近くに配置された地点を含む上表面の縁部である。
【００３６】
側縁部は、中心縁部の近位端を周囲縁部の遠位端に接続する縁部として定義される。ゆえに、側縁部の近位端は、中心縁部と交差する前記側縁部の端部であり、前記側縁部の遠位端は、周囲縁部と交差する前記側縁部の端部である。
【００３７】
サイクロトロンの設計に依存して、上側／下側中心縁部は様々な形状を有し得る。最も一般的な形状は、中心軸Ｚに対して有限長さ（０以外）の、凹状の線、しばしば円形であり、これは、互いに分離された、第１および第２の上側／下側近位端によって境界を定められる。この構造は、粒子ビームをギャップへ導入するための空間を空けるので有用である。第１の代替構造において、第１および第２の近位中心端部は、上表面３Ｕの頂点を形成する単一の近位中心地点に収束され、これは３つの縁部だけを含み、中心縁部はゼロの長さを有する。山セクタが一切れのタルトと再度比較される場合、一切れの鋭利な先端は中心縁部に対応し、従って単一地点に低減される。第２の代替構造において、第１から第２側縁部への移行部は、中心軸Ｚに対して湾曲した凸状であり得、これはコーナー地点のない滑らかな移行部をもたらす。この構造において、中心縁部はまた、接線がサインを変化する地点として定義される単一地点に低減される。通常、第１および第２の代替構造においてさえ、山セクタは中心軸まで完全に延在せず、中心軸を直接取り囲む領域は、粒子ビームの挿入を可能にするように除去される。
【００３８】
好ましくは、図３に示されるように、第１および第２の側表面３Ｌは面取りされ、それぞれ第１および第２の上側側縁部に面取り部を形成する。面取り部は、面取り部のない２つの表面によって形成されたであろう縁部を切除することによって得られた２つの表面間の中間表面として定義される。面取り部は２つの表面間の縁部に形成された角度を低減する。面取り部は応力集中を低減するために構造において使用されることが多い。サイクロトロンにおいて、しかしながら、山セクタの上表面のレベルにおける面取りされた側表面は、粒子ビームが山ギャップ部分７ｈに到達するとき、粒子ビームの収束を向上させる。
【００３９】
図３に示されるように、山セクタの周囲側面３Ｐも同じく上側周囲縁部に面取りを形成可能であり、これにより周囲縁部の近くの磁場の均一性が改善される。
【００４０】
本発明によるサイクロトロンは、Ｎ＝３〜８の山セクタ３を好ましくは含む。より好ましくは、いくつかの図に示されるように、Ｎ＝４である。偶数値Ｎの場合、山セクタ３および谷セクタ４は、中心軸の周囲に２ｎの対称性で分散され、ここでｎ＝１〜Ｎ／２である。好ましくは、ｎ＝Ｎ／２であり、その結果、Ｎ個の山セクタの全てが互いに同一であり、Ｎ個の谷セクタの全てが互いに同一である。奇数値Ｎの場合、山セクタ３および谷セクタ４は、中心軸の周囲にＮの対称性で分散される。好ましい実施形態において、全てのＮ＝３〜８の場合、Ｎ個の山セクタ３は中心軸の周囲に均一に（すなわちＮの対称性で）分散される。第１および第２の磁極２は、それらの各上表面３Ｕが、互いに向き合う状態で、および同軸である第１および第２の磁極２の各中心軸Ｚに対して垂直な中間面ＭＰに対して対称に向き合う状態で配置される。
【００４１】
山セクタの形状は、（しばしば上で考察されるように先端のない）一切れのタルトのようにくさび形であることが多く、その第１および第２の側表面３Ｌは周囲表面から中心軸Ｚに向かって（通常それに到達することなく）収束する。山方位角αｈは、収束角度に一致し、それは中心軸Ｚにおけるまたはそれに隣接する側表面の（推定される）上側側縁部の交差地点のレベルで測定される。山方位角αｈは好ましくは３６０°／２Ｎ±１０°の間、より好ましくは３６０°／２Ｎ±５°の間、最も好ましくは３６０°／２Ｎ±２°の間に含まれる。
【００４２】
中心軸Ｚのレベルで測定される谷方位角αｖは好ましくは３６０°／２Ｎ±１０°の間、より好ましくは３６０°／２Ｎ±５°の間、最も好ましくは３６０°／２Ｎ±２°の間に含まれる。谷方位角αｖは山方位角αｈに等しい場合がある。Ｎの対称性の程度の場合、αｖ＝３６０°／Ｎ−αｈであり、例えば、Ｎ＝４の場合、αｖはαｈの相補角であり、αｖ＝９０°−αｈである。
【００４３】
中心軸と周囲縁部との間の最大距離Ｌｈは、粒子が取り出される前に到達する必要のある目標エネルギー、および磁場の強度に非常に依存する。例えば、１８ＭｅＶ陽子サイクロトロンにおいて、最長距離Ｌｈは、７５０ｍｍ未満、典型的には５２０〜５５０ｍｍである。上側周囲縁部は、第１および第２の上側周囲端部間で測定される方位長さＡｈを有し、およそＡｈ＝Ｌｈ×αｈ［ｒａｄ］であり得る。
【００４４】
２つの磁極および各磁極の周囲に巻かれたソレノイド巻きコイル１４は、（電）磁石を形成し、（電）磁石は、磁極間のギャップ内に磁場を生成し、磁場はサイクロトロンの中心領域を起点にして、図４および５に示される螺旋経路１２に沿って荷電粒子のビーム（＝粒子ビーム）を、それが例えば１８ＭｅＶの目標エネルギーに到達するまで、案内しかつその焦点を合わせる。上で考察されたように、磁極は、中心軸Ｚの周囲に分散される交互に存在する山セクタおよび谷セクタに分割される。その結果、太い矢印で図５に示されるように、強い磁場Ｂが、山セクタ内の高さＧｈの山ギャップ部分７ｈ内に生成され、細い矢印で図５に示されるより弱い磁場が、谷セクタ内の＞Ｇｈである高さＧｖの谷ギャップ部分７ｖ内に生成され、その結果、粒子ビームの垂直収束がもたらされる。２つの深遠部開口１１間の＞＞Ｇｖ＞Ｇｈである高さＧａの深遠部ギャップ部分７ａ内の磁場は、谷ギャップ部分７ｖ内のものよりもさらに弱い。
【００４５】
粒子ビームはサイクロトロン内に導入されると、磁場がより弱い、谷セクタ内に配置されるいわゆるディー（図示せず）によって生成される磁場によって加速される。加速粒子が、前の山ギャップ部分７ｈ中のように、より速い速度で、磁場がより強い山ギャップ部分７ｈに進入するたびに、加速粒子は、軌道経路、前の山ギャップ部分中よりも大きな半径の実質的な円を形成しながら、磁場によって逸らされる。いったん粒子ビームがその目標エネルギーまで加速されると、粒子ビームは図４に示されるように取出し地点ＰＥと呼ばれる地点でサイクロトロンから取り出される。例えば、加速された陽子Ｈ＋は、加速されたＨ−イオンのビームを、取出し地点ＰＥの地点に配置されたグラファイトの薄いシートから構成された抜取機（ｓｔｒｉｐｐｅｒ）に押し通すことによって取り出すことができる。抜取機を通過するＨ−イオンは２つの電子を失い、陽のＨ＋になる。粒子荷電のサインを変えることによって磁場内のその経路の曲率はサインを変え、そのように粒子ビームはサイクロトロンの外へ目標（図示せず）に向かって出される。他の取出しシステムが当業者に知られており、使用される取出しシステムの種類および詳細は本発明に必須ではない。通常、取出し地点は、山ギャップ部分７ｈに配置される。サイクロトロンは、同一の山部分にいくつかの取出し地点を含むことができる。サイクロトロンの対称要件により、１つよりも多くの山セクタが取出し地点を含む。Ｎの対称性の程度の場合、Ｎ個全ての山セクタが、同じ数の取出し地点を含む。取出し地点は別々にまたは同時に２個ずつ使用可能である。
【００４６】
本発明によるサイクロトロンの重量およびサイズは、多数の寸法を最適化することによって低減された。しかしながら本発明の要点は、谷セクタの谷周囲縁部４ｖｐの近くに深遠部開口１１を外方へ移動し、それにより、通常であれば中心軸Ｚのより近くよりも強く均一性がない、磁極の谷セクタの周囲の磁場の強度を低減することにある。特に、谷周囲縁部４ｖｐまでの深遠部開口１１の距離は、深遠部開口１１の周囲または縁と、谷周囲縁部４ｖｐとの間で、中心軸Ｚに垂直に交差する深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された最短距離Ｌａｐによって特徴付けることができる。本発明によるサイクロトロン中の最短距離Ｌａｐの値は典型的に５０ｍｍ未満、好ましくは３０ｍｍ未満、より好ましくは２０ｍｍ未満である。正確に制御することが難しい谷周囲縁部における磁場の特異点を生成しないように、それは周囲縁部に近づきすぎるべきではない。従ってＬａｐの値は好ましくは少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも５ｍｍである。
【００４７】
谷周囲縁部までの深遠部開口の最短距離Ｌａｐの低い値は、谷セクタに面する方位領域における磁極の周囲および外方における磁場の強度を著しく低減する。従って、深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される谷セクタに面する磁束反転ヨークの厚さＴｖは、それに応じて低減可能である。本発明によれば、最短距離Ｌａｐおよび谷セクタに面する磁束反転ヨークの厚さＴｖは、各谷セクタの谷周囲縁部までの深遠部外周の距離Ｌａｐに磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満、最も好ましくは１％未満になるように選択される。比較して、最先端の１８ＭｅＶサイクロトロンは、８％〜１１％のオーダーの比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２を有し得る。谷セクタに面する磁束反転ヨーク６の厚さの低減は、ヨークの重量および寸法をかなり低減する。
【００４８】
大きな深遠部開口１１は同じく有利である。深遠部開口は通常、半径Ｒａの円形の断面を有する。上で定義されるようにＬｖが深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された中心軸Ｚと谷周囲縁部との間の距離である場合、深遠部開口１１の直径２Ｒａは好ましくは、値Ｌｖの４５〜６０％の間、好ましくは４８〜５５％の間に含まれる。深遠部開口が単にチャンバ内の真空を生成する働きをする従来型サイクロトロンにおいて、約４０％のオーダーのより小さな直径が一般に使用される。中心軸Ｚと、深遠部開口断面の中心との間の距離Ｌａと比べると、深遠部直径２Ｒａは、値Ｌａの好ましくは少なくとも６０％、好ましくは少なくとも６５％、より好ましくは少なくとも７０％である。１８ＭｅＶサイクロトロンの場合、深遠部直径２Ｒａは、２４０〜３００ｍｍの間に含めることができる。
【００４９】
深遠部開口の断面が円形でない場合、Ｒａの代わりに水力水深Ｒｈｙｄが使用され、Ｒｈｙｄ＝４Ａ／Ｐであり、ここでＡおよびＰは深遠部開口断面の面積および外周である。
【００５０】
谷周囲縁部４ｖｐの近くに深遠部開口１１を配置することはまた、粒子ビームが深遠部ギャップ部分７ａから山ギャップ部分７ｈに進入する際、粒子ビームにおける磁場の収束効果を増大する。その結果、低い方と高い方の側縁部の間の山高さＨｈを低減可能であり、および高度に収束された粒子ビームにより、山ギャップ部分の高さもまた低減可能である。例えば、谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖに対する山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈの高さの比率Ｇｈ／Ｇｖ（Ｇｈ／（２Ｈｈ＋Ｇｈ）に等しい）は、８〜２０％の間に含めることができる。従来型の深い谷のサイクロトロンでは、Ｇｈ／Ｇｖの比率は５％以下のオーダーであり、かなりより高いＨｈを有する。これらすべての要素は、サイクロトロンのサイズおよび重量の大幅な低減に寄与する。
【００５１】
本発明によるサイクロトロンの山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈは、２０〜２７ｍｍの間、好ましくは２２〜２６ｍｍの間に含めることができる。谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖは、１００〜５００ｍｍの間、好ましくは１５０〜４００ｍｍの間、好ましくは２００〜２５０ｍｍの間に含めることができる。Ｇｖの低い値により、サイクロトロンの全体重量は低減される、それというのも、一方では、山セクタがより少ない材料を必要とし、他方では、磁束反転ヨークが対応して、中心軸Ｚに平行に測定される低い寸法を有するためである。ＧｈおよびＧｖの両方は、従来型のセクタ収束型サイクロトロンと比較して低い値を有する。例えば、山ギャップ部分の平均山ギャップ高さＧｈに谷ギャップ部分の平均谷ギャップ高さＧｖの高さを掛けた積Ｇｈ×Ｇｖの、中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｈ×Ｇｖ）／Ｌｖ２は、５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満であることができる。対照的に、従来型のセクタ収束型サイクロトロンは、６〜８％のオーダーの比率（Ｇｈ×Ｇｖ）／Ｌｖ２を有し得る。
【００５２】
深遠部開口１１が谷周囲縁部の近くに存在するので、深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定された（すなわち谷セクタに面する部分の）磁束反転ヨークの厚さＴｖは、２つの対向する谷セクタの底表面４Ｂが低い値Ｇｖによって分離されているにもかかわらず、低減することができる。短い距離Ｇｖによって分離される２つの磁極の周囲で強い磁場が予想されるとき、従って厚い磁束反転ヨークを必要とするとき、弱い磁場だけが本発明によるサイクロトロンにおいて発生される、というのも、深遠部開口が谷周囲縁部のごく近くに配置されるためである。例えば、平均谷ギャップ高さＧｖに磁束反転ヨーク厚さＴｖを掛けた積Ｇｖ×Ｔｖの、中心軸Ｚまでの周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｖ×Ｔｖ）／Ｌｖ２は２０％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満であることができる。先行技術のセクタ収束型サイクロトロンは一般に４０％を超える（Ｇｖ×Ｔｖ）／Ｌｖ２の比率を有するが、それは５０％のオーダーの場合さえある。
【００５３】
図に示されるように、好ましい実施形態において、谷周囲縁部４ｖｐの第１および第２の下側遠位端３ｌｄｅは、中心軸Ｚとともに谷方位角αｖを形成し、それは、Ｎ＝４の山セクタおよび谷セクタの場合、上で考察されるように山方位角αｈと相補的である。例えば、Ｎ＝４の場合、谷方位角αｖは、３５〜５０°の間、好ましくは４０〜４６°の間、より好ましくは４２〜４５°の間に含めることができ、それに応じて、山方位角αｈは、５５〜４０°の間、好ましくは５０〜４４°の間、より好ましくは４８〜４５°の間に含めることができる。谷方位角αｖを増大することによって、山方位角αｈは低減され、サイクロトロンの重量はそれに応じて低減される。上で考察したように、深遠部開口１１の高い収束効果のおかげで、山ギャップ部分は山ギャップ部分高さＧｈの低い値を有することができる。大きな谷方位角αｖと低い値のＧｈの組合せは、３０ｍｍ以下、好ましくは２７ｍｍ以下である比率Ｇｈ／ｔａｎ（αｖ）によって特徴付けることができる。最先端のセクタ収束型サイクロトロンにおいて、比率Ｇｈ／ｔａｎ（αｖ）は一般により高く、４０〜５０ｍｍの間のオーダーであり得る。
【００５４】
図１（ｂ）に示されるように、Ｎ＝４または８の山セクタ、好ましくはＮ＝４の山セクタを含むサイクロトロンの好ましい実施形態において、磁束反転ヨーク６は、チャンバに面する内側表面と、チャンバから離れる方に面しかつ磁束反転ヨークの壁厚によって内側表面から分離される外側表面とを含む。内側表面の、中心軸Ｚに対して垂直な断面は、中心軸Ｚと同心の円形の形状を有し、外側表面の、中心軸Ｚに対して垂直な断面は、中心軸Ｚと同心の正方形内に内接される形状を有する。正方形の縁部は、４つの谷セクタの深遠部半径方向軸Ｌａｒに対して垂直である。この形状は、４つの谷セクタに面する磁束反転ヨークの部分に磁束反転ヨークの最小厚さＴｖをもたらす。正方形のコーナー部分は、サイクロトロンを中間面ＭＰのレベルで開放するために必要な装置（たとえば液圧式、電気式または空気圧式のもの）を収容するために好ましくは切除され、ひいてはサイクロトロンの外側寸法をさらに低減する。
【００５５】
谷セクタの外方に発生するより低い磁場によって可能になる上に記載した形状をヨークが有するので、これまでよりも大幅に低い寸法および重量のサイクロトロンを製造可能である。例えば、本発明による１８ＭｅＶ空間節約型サイクロトロンは、これまでの世代の同様の１８ＭｅＶサイクロトロンよりも約１／３の重さで製造された。前記の空間節約型サイクロトロンは、これまでの世代のサイクロトロンでは不可能だった標準型の共同一貫輸送コンテナ内に収まる寸法のクレートの中に梱包可能であり、従って輸送の費用および困難さを大幅に低減する。
【００５６】
より均一な特性をもたらすサイクロトロンのより費用対効果に優れた製造のために、基板５、磁極２および磁束反転ヨーク６は、好ましくは全て同じ材料から作製される。それらは好ましくは全て単一の鋼片または単一の鋼片の要素から機械加工される（すなわち単一の連続鋳造作業から製造される）。基板５および磁束反転ヨーク６の少なくともいくつかの部分は、好ましくは、中心軸Ｚに沿って測定される同じ高さを有する。
【００５７】
山セクタの上表面３Ｕは対応する磁束反転ヨーク部分の上表面よりも好ましくは低く、距離Ｇｈ／２だけオフセットされる。磁極２が平坦な基盤５の上に載置される場合、磁極の高さは、対応する磁束反転ヨーク部分の高さマイナスＧｈ／２に等しいはずである。しかしながら、チャンバに面する第１および第２の基板の中心軸Ｚに対して垂直な内側表面は、第１および第２の磁極を収容するために窪みを時に含むことがある。この場合、窪みは好ましくはＧｈ／２よりも深くなく、その結果、磁束反転ヨークと同じ高さの磁極を使用可能であり、およびその上表面が必要なレベルに到達できるようにする。
【００５８】
サイクロトロンの取付けおよび再現性をさらに促進するために、第１および第２の磁極のそれぞれは、単一モノブロック要素から作製可能であり、単一モノブロック要素は前記モノブロックから機械加工された全ての山セクタおよび谷セクタを含む。これは、各山セクタを対応する基板上へそれらの最終位置に手動で配置することに頼るよりも、山および谷セクタの相対位置および高さを、機械加工の間、数値的に正確に制御できるという利点を有する。
【００５９】
本発明によるサイクロトロンは、従来型サイクロトロンよりも空間節約型かつ軽量である。これは多数の最適化によって可能になるが、本発明の要旨は、深遠部開口を谷周囲縁部４ｖｐのごく近くに配置することによる、谷部分の外側で発生する磁場の低減である。深遠部開口１１は、チャンバを真空ポンプと流体連通するためだけに元来設計されるが、ここでは、一方で、粒子ビームが山ギャップ部分７ｈに進入するときに粒子ビームを強力に収束し、他方で、谷セクタの外側で発生する磁場の強度を大幅に低減する、というさらなる機能を有する。これらの２つの効果は、
・深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される谷セクタに面する磁束反転ヨークの厚さＴｖの低減を可能にし、従って、図１（ｂ）に示されるようなヨークの多角形外側表面を可能にし、
・磁束反転ヨークの高さの低減をもたらす山部分ギャップ高さＧｈの低減を可能にし、
・磁束反転ヨークの高さの低減を同じくもたらす山セクタ高さＨｈの低減を可能にする。
【００６０】
これらの要素の全ては、サイクロトロンのサイズおよび重量の大幅な低減に寄与する。各例は、１８ＭｅＶエネルギーの先行技術および発明的サイクロトロンに関して本明細書に提示された。同じ原理が異なるエネルギーのサイクロトロンのサイズおよび重量の低減に対して適用されることは明白である。
【符号の説明】
【００６１】
１  サイクロトロン
２  磁極
３  山セクタ
３Ｕ  上表面
３ｕｐ  上側周囲縁部
３ｕｌ  上側側縁部
３ｕｃ  上側中心縁部
３ｕｄｅ  上側側縁部の上側遠位端
３ｕｐｅ  上側側縁部の上側近位端
３Ｌ  側表面
３ｌｌ  下側側縁部
３ｌｐ  下側周囲線
３ｌｄｅ  下側側縁部の下側遠位端および第１および第２の谷遠位端
３Ｐ  周囲表面
３ａｃ  円弧
Ｈ３  山高さ
３Ｐｌｏｗ  周囲表面の下側部分
３Ｐｕｐ  周囲表面の上側部分
３ｕｐｃ  上側周囲縁部凹状部分
４  谷セクタ
４Ｂ  底表面
４ｖｐ  谷周囲縁部
５  ヨーク基板
６  磁束反転ヨーク
７  ギャップ
７ｈ  山ギャップ部分
７ｖ  谷ギャップ部分
１１  深遠部開口
１２  粒子経路
１４  コイル
αｈ  山方位角［°］
αｖ  谷方位角［°］
ｄＬ  磁束反転ヨーク切除長さ［ｍｍ］
Ｇａ  深遠部の平均ギャップ高さ［ｍｍ］
Ｇｈ  山の平均ギャップ高さ［ｍｍ］
Ｇｓ  最小ギャップ高さ［ｍｍ］
Ｇｖ  谷のギャップ高さ［ｍｍ］
Ｈｈ  山高さ［ｍｍ］
Ｈｔ  深遠部の合計高さおよびギャップ高さ［ｍｍ］
Ｈｖ  谷高さ［ｍｍ］
Ｌａ  深遠部中心からＺまでの距離［ｍｍ］
Ｌａｐ  深遠部から周囲縁部までの距離［ｍｍ］＝Ｌｖ−（Ｌａ＋Ｒａ）
Ｌａｒ  深遠部半径方向軸
Ｌｃ  極から磁束反転ヨーク内側表面までの距離［ｍｍ］
Ｌｈ  山周囲縁部からＺまでの半径方向距離［ｍｍ］
Ｌｖ  Ｌａｒに沿って測定されるＺと谷周囲縁部の間の距離
Ｒａ  深遠部半径
Ｔｈ  山の磁束反転ヨーク厚さ［ｍｍ］
Ｔｖ  谷の磁束反転ヨーク厚さ［ｍｍ］
Ｚ  中心軸
【図１】
2017204470.tif 000003
【図２】
2017204470.tif 000004
【図３】
2017204470.tif 000005
【図４】
2017204470.tif 000006
【図５】
2017204470.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月8日(2017.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップ内に含められた所与の経路を介して粒子ビームを加速するためのサイクロトロンであって、前記サイクロトロンが、
（ａ）ヨーク内に画定されたチャンバであって、前記ヨークは、中心軸Ｚに対して垂直でありかつ前記サイクロトロンの側方外壁を画定する磁束反転ヨーク（６）によって互いに分離される第１および第２の基板（５）によって形成される、チャンバと、
（ｂ）前記チャンバ内に配置されかつ前記中心軸Ｚに対して垂直な中間面に対して互いに対向して対称に位置付けられ、および前記ギャップ（７）によって互いに分離された第１および第２の磁極（２）とを含み、前記第１および第２の磁極のそれぞれが、
（ｃ）上表面（３Ｕ）を有する少なくともＮ＝３の山セクタ（３）と、底表面（４Ｂ）を含む同じ数の谷セクタ（４）とを含み、前記山セクタおよび谷セクタが前記中心軸Ｚの周囲に交互に分散され、その結果、前記第１および第２の磁極を分離する前記ギャップが、２つの対向する山セクタの前記上表面の間に画定されかつ前記中心軸Ｚに沿って測定される平均ギャップ高さＧｈを有する山ギャップ部分（７ｈ）と、２つの対向する谷セクタの前記底表面の間に画定されかつ前記中心軸Ｚに沿って測定される平均谷ギャップ高さＧｖを有する谷ギャップ部分（７ｖ）とを含み、Ｇｖ＞Ｇｈであり、
（ｄ）各谷セクタの前記底表面（４Ｂ）が谷周囲縁部（４ｖｐ）によって画定され、前記谷周囲縁部は第１および第２の下側遠位端（３ｌｄｅ）によって境界を定められ、および前記中心軸Ｚから最も遠くに配置された前記底表面の縁部として定義され、
（ｅ）各谷セクタの前記底表面（４Ｂ）がさらに、前記第１および第２の基板の厚さを貫いて延在しかつＧｈの少なくとも５倍の大きさの高さＧａの深遠部ギャップ部分を画定する深遠部開口を含み、前記深遠部開口は深遠部外周によって画定される前記中心軸に対して垂直な断面を有し、前記深遠部外周は前記中心軸Ｚと垂直に交差する深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される最短距離Ｌａｐだけ前記谷周囲縁部から分離され、前記谷周囲縁部は前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される距離Ｌｖだけ前記中心軸Ｚから分離され、
（ｆ）前記磁束反転ヨーク（６）は、前記中心軸の周囲で角度位置により変化する壁厚さを有し、その最小壁厚さ値Ｔｖは、各谷セクタの前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される、サイクロトロンにおいて、
各谷セクタの前記谷周囲縁部までの前記深遠部外周の距離Ｌａｐに前記磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が５％未満であ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、各谷セクタの前記谷周囲縁部までの前記深遠部外周の前記距離Ｌａｐに前記磁束反転ヨークの厚さＴｖを掛けた積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｌａｐ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が３％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のサイクロトロンにおいて、前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに沿って測定される前記谷周囲縁部（４ｖｐ）を分離して前記中心軸Ｚに至る距離Ｌｖに対する、前記深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌｖが４５〜６０％の間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記中心軸Ｚと前記深遠部開口断面の中心との間の距離Ｌａに対する前記深遠部開口の直径２Ｒａの比率２Ｒａ／Ｌａが、Ｌａの値の少なくとも６０％であり、前記深遠部開口の直径２Ｒａは２４０〜３００ｍｍの間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記平均谷ギャップ高さＧｖに前記磁束反転ヨーク厚さＴｖを掛けた積Ｇｖ×Ｔｖの、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｖ×Ｔｖ）／Ｌｖ２が２０％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖに対する前記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈの高さの比率Ｇｈ／Ｇｖが８〜２０％の間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈに前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖを掛けた高さの積の、前記中心軸Ｚまでの前記周囲縁部の距離Ｌｖの二乗に対する比率（Ｇｈ×Ｇｖ）／Ｌｖ２が、５％未満である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記山ギャップ部分の前記平均山ギャップ高さＧｈが、２０〜２７ｍｍの間に含まれる、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の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷ギャップ部分の前記平均谷ギャップ高さＧｖが１００〜５００ｍｍの間に含まれる、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷周囲縁部（４ｖｐ）の前記第１および第２の下側遠位端（３ｌｄｅ）が前記中心軸Ｚとともに谷方位角αｖを形成し、その結果、前記谷方位角の正接ｔａｎ（αｖ）に対する前記平均山ギャップ高さＧｈの比率Ｇｈ／ｔａｎ（αｖ）が、３０ｍｍ以下である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１１】
請求項８に記載のサイクロトロンにおいて、前記谷方位角αｖが３５°超である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、Ｎ＝４または８の山セクタ（３）および同じ数の谷セクタ（４）を含み、前記磁束反転ヨーク（６）が前記チャンバに面する内側表面と、前記チャンバから離れる方に面しかつ前記磁束反転ヨークの壁厚さによって前記内側表面から分離される外側表面とを含み、前記内側表面の前記中心軸Ｚに対して垂直な断面が、前記中心軸Ｚと同心の円形形状を有し、前記外側表面の前記中心軸Ｚに対して垂直な断面が、前記中心軸Ｚと同心の正方形内に内接される形状を有し、その縁部は４つの谷セクタの前記深遠部半径方向軸Ｌａｒに対して垂直である、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記基板（５）、磁極（２）および磁束反転ヨーク（６）が全て同じ材料からから作製され、前記基板（５）および前記磁束反転ヨーク（６）は部分的に、前記中心軸に沿って測定される同じ高さを有する、ことを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか一項に記載のサイクロトロンにおいて、前記第１および第２の磁極のそれぞれが、その全ての前記山セクタおよび谷セクタを含む単一モノブロック要素から作製される、ことを特徴とするサイクロトロン。