(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
α電磁石を用いて荷電粒子ビームを偏向させる装置において、該α電磁石を該α電磁石のビーム入出射面に対して垂直な軸方向に位置調整する軸方向移動機構と該α電磁石への荷電粒子ビームの輸送管にビーム入射方向を調整するステアリング電磁石を備え、該ステアリング電磁石の磁場強度と該α電磁石の軸上位置によってα電磁石の漏れ磁場に基づくビーム軌道の補正を行うことを特徴とするビームアライメント装置。
【請求項２】
前記ステアリング電磁石が荷電粒子ビームの案内用ステアリングコイルと共用されることを特徴とする請求項１記載のビームアライメント装置。
【請求項３】
前記軸方向移動機構が遠隔操作されて該α電磁石のビーム入出射面に対して垂直な１軸方向に駆動するモータ駆動装置を備えることを特徴とする請求項１または２記載のビームアライメント装置。
【請求項４】
前記軸方向移動機構が該α電磁石のビーム入出射面に対して垂直な１軸方向に案内するリニアガイドを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のビームアライメント装置。
【請求項５】
前記α電磁石の印加磁場強度に対応してそのビーム軸の補正に必要な前記ステアリング電磁石の磁場強度と前記軸方向位置調整量の関係を記憶した記憶装置を備えたコンピュータを設けて、前記α電磁石の印加磁場強度の設定に伴い該コンピュータにより前記軸方向移動機構と前記ステアリング電磁石水平方向磁場強度を制御し自動的にビーム軸の調整を行うようにしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のビームアライメント装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばリニアックなどに用いられ荷電粒子ビームを偏向させるα電磁石の端部における漏れ磁場の補償技術の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
α電磁石は、いわゆる四極電磁石を２ポールに半割して片側を残した構造を有し、２個の電磁石から等距離にある平面中で半割面の垂線に対して所定の角度で荷電粒子ビームを入射させると、α電磁石の内部でα形の軌道を描いて入射位置に戻り、前記垂線を挟んだ反対側に同じ所定の角度をもって射出する作用を有する。
【０００３】
図６はα電磁石にあるエネルギーを有する電子を射入させたときの電子軌道の実例を示す線図である。電子銃から発射され加速された電子は、α電磁石端面に垂線に対して解析解である４０．７１度の角度でα電磁石に入射させると、磁界内でα形の軌跡をたどり、α電磁石端面の入射位置に達し、そこから垂線に対して４０．７１度の角度をもって射出される。荷電粒子のエネルギーが高いとα形の軌道が大きくなり、また低いとα形の軌道が小さくなる。また、同じエネルギーを持つ場合はα電磁石の磁場強度（磁場勾配）が小さければα形の軌道が大きくなり、磁場強度が大きいとα形軌道が小さくなる。
例えばα電磁石に６．２Ｔ／ｍの磁場勾配を印加し、解析解の２．１ＭｅＶのエネルギーの電子を４０．７１度の角度で入射させた場合、α電磁石の磁界内で幅約４．５ｃｍ奥行き約６．７ｃｍのα字形の軌跡をたどり、α電磁石端面の入射位置に達し、そこから垂線に対して４０．７１度の角度を持って射出される。
【０００４】
α電磁石に入射する電子ビームのエネルギーが異なっても４０．７１度で入射したものは結局同じ位置から同じ４０．７１度で射出する。ただし、α電磁石内部ではエネルギーの高い荷電粒子は外側の軌道を通り、エネルギーの低い荷電粒子は内側の軌道を通る。したがって、先頭から後尾にかけてエネルギーの高いものから低いものへエネルギー分布を持ったビームを適当な磁場強度に調整したα電磁石に入射させることにより、荷電粒子ビームを進行方向へバンチ化することが可能となる。
【０００５】
荷電粒子を加速するリニアックは、工業分野や医学の分野などにおいて盛んに利用されてきている。この荷電粒子をα電磁石に通してバンチングすれば、ビームの質が向上し、たとえば電子ビームであれば自由電子レーザを発生することも可能となる。
【０００６】
α電磁石で想定されたα形の軌道を正確に形成させるためには、α電磁石内で荷電粒子ビームが走行する平面における磁場強度が入出射位置でゼロで奥に向かって一次的に増加するリニアな関係を有する必要がある。しかし、四極電磁石を半割した構造では入出射部に漏れ磁場があり、そのままでは荷電粒子ビームの軌道軸が歪み十分な性能を引き出すことが困難となる。
【０００７】
そこで、従来はα電磁石の入出射部に補正コイルを設けて漏れ磁場を相殺して磁場強度分布をリニア化しビーム軌道の補正を行っていた。
図７は従来のα電磁石の図面である。α電磁石の断面を表す図７（ｂ）をみると、ヨークで囲まれたα電磁石の内部には双曲線形状を持ったＮ磁極とＳ磁極が対向して配置され、ちょうど四極電磁石を半分に分けたものと同じ状態になっている。無限に続く双曲線の磁極形状を持たせることができれば理想的であるが、図示しないコイルを設けるため適当な幅で切断しなければならないので、実際には双曲線形状を適当に修正して用いて磁場の歪みを最小限に抑えている。
なお、陽電子等の陽極の荷電粒子に適用する場合は、図に示すものと極性が逆転して、上側にＳ極、下側にＮ極が配置される。
【０００８】
荷電粒子ビームは前面ヨーク部に設けられた開口から導入され、荷電粒子ビームの走行面は二つの磁極から等距離にある面上にある。ビーム走行面における磁場強度は電磁石に流す電流により調整することができる。図８はビーム走行面における磁場強度を示すグラフである。縦軸に磁場強度、横軸にα電磁石の奥行きに沿った距離を示す。１対の双曲線磁極により生成される磁場強度は奥の方では距離に従って強度がリニアに増加するが、入口付近では開口があるため図８に実線で示すように漏れ磁場が発生して、正確な直線関係が成立しない。
図７（ａ）は従来のα電磁石を前面からみた図面である。図７（ａ）には、開口部の漏れ磁場を相殺するために設けた補正コイルが示されている。補正コイルは開孔の上下にコイルスロットを設けてセットしたＨ型電磁石で、漏れ磁場と逆方向の磁場を発生させて漏れ磁場を相殺し、図８の点線で示すように磁場強度分布を直線化して、α電磁石の性能を確保する。
【０００９】
なお、荷電粒子ビームは極めて高真空の雰囲気中で輸送されなければならないので、ビーム軌道を収納する真空チャンバーがα電磁石内に設置され、α電磁石の上下流に配設されたビーム輸送管と接続されている。
また、α電磁石では入射ビームの入射位置と入射方向を正確に調整することが重要であるため、ビーム入射管にはα電磁石に入射させる前に荷電粒子ビームを収束させるための１対の四極電磁石と共に、ビーム入射位置と方向を調整するためのステアリングコイルが四極電磁石を挟んで水平方向に１対設けられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
荷電粒子ビーム輸送系で使用される従来のα電磁石では、漏れ磁場を補償して磁場強度の直線性を確保するため荷電粒子ビームの入出射部に補正コイルを設けるので、前面ヨーク部の構造が複雑で工作が困難で部品が多くなるため製造コストがかさむ問題がある。
また、補正コイルを設ける開口部が前面ヨーク部に設けられるためビーム軌道を真空を維持するためのビームチャンバーの構造や工法に制約ができる。
【００１１】
すなわち、ビームチャンバーが開口部で縊れ部を持つため、α電磁石内に真空チャンバーを設置するためには、前面ヨーク部を取り外してビームチャンバー本体をα電磁石内部に挿入した後に開口部と縊れ部が合うようにして前面ヨーク部をα電磁石の本体に固定するようにしなければならない。したがってα電磁石単体として精密な組立調整を行っても、真空チャンバーを組込むときにα電磁石の組立精度が劣化する可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、前面ヨーク部に設ける補正コイルを省いてα電磁石部分の製作コストを低減すると共に、α電磁石の組立精度を維持できるようなビームアライメント装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のビームアライメント装置は、α電磁石を用いて荷電粒子ビームを偏向させる装置において、α電磁石を軸方向に位置調整する軸方向移動機構と、α電磁石への荷電粒子ビームの輸送管にビーム入射方向を調整するステアリング電磁石を備え、ステアリング電磁石の磁場強度とα電磁石の軸上位置によってα電磁石の漏れ磁場に基づくビーム軌道の補正を行うことにより実効的にα電磁石の作用効果を得るようにしたことを特徴とする。
【００１４】
漏れ磁場によるα形ビーム軌道の歪みはα電磁石の設置位置の調整とα電磁石へのビームの入射位置及び入射角度の調整により実効的に補償することができ、α電磁石前面に仮想的な入射面を考えるとその入射面の所定位置に所定角度で入射した荷電粒子ビームがα電磁石内で偏向転回して再び入射位置に戻って入射面に立てた法線を挟んで入射角と同じ角度で放射されるようになる。
従って、本発明のビームアライメント装置では、前面ヨーク部に複雑な構造を有する補正コイルを設ける代わりに外部に簡単な構造の付属部品を備えればよいので、α電磁石部分の製作コストが低廉化するばかりでなく、真空チャンバーを組込む時にα電磁石の一部を解体する必要がないため工場で製作したままの状態で現場設置することができるのでα電磁石を高精度調整状態に保持することができる。
【００１５】
本発明のビームアライメント装置のステアリング電磁石は、通常必須とされる入射側ビーム輸送管に設けた荷電粒子ビームの案内用ステアリングコイルと共用するようにしてもよい。この場合はステアリングコイルを余分に設置する必要がなく、コイル本体と制御装置を含めた設備コストがより低減する効果がある。
なお、軸方向移動機構は遠隔操作によりα電磁石を１軸方向に駆動するモータ駆動装置を備えることが好ましい。また、軸方向移動機構は１軸方向に案内する滑り抵抗の小さいリニアガイドを備えることが好ましい。このような設備を備えることにより、運転条件の変化に伴う装置の再調整を遠隔でしかも小さな動力で行うことができるようになるので試行錯誤が容易になり、また特に放射線被爆を問題にする現場における調整を容易にする効果が大きい。
【００１６】
さらに、α電磁石の印加磁場強度に対応してそのビーム軸の補正に必要なステアリング電磁石の磁場強度と軸方向位置調整量の関係を記憶した記憶装置を備えたコンピュータを設けることが好ましい。このようなコンピュータを利用することにより、α電磁石の印加磁場強度の設定に伴い軸方向移動機構とステアリング電磁石の磁場強度を制御し自動的にビーム軸の調整を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明のビームアライメント装置の１実施例の概略配置を表す平面図、図２と図３は本実施例におけるα電磁石の例を示す図面、図４は本発明の作用を説明するグラフ、図５は本発明のビームアライメント装置の第２の実施例の概略配置図である。
【００１８】
【実施例１】
図１に示すように、本実施例のビームアライメント装置１は、α電磁石１０とこのα電磁石の前面部に所定の角度で電子ビームを射入し所定の角度で次の加速管に送出するためのビーム輸送管５とからなる。
入射側のビーム輸送管５には１対の四極電磁石５１が設けられていて、α電磁石１０との間にステアリングコイル４が介設されている。このステアリングコイルには水平方向に巻回されたコイルを有する補正用ステアリング電磁石４１が併設されている。なお、図には省略されているが四極電磁石の上流にはもうひとつのステアリングコイルが設備されている。
射出側のビーム輸送管５にも１対の四極電磁石５２が備えられている。
【００１９】
α電磁石１０は四極電磁石を半割したような構造を有し、側面からみた断面は図２（ｂ）に示すようになっている。
α電磁石１０の最外殻はヨーク部１２で囲まれており、内部にＳ極電磁石１３とＮ極電磁石１４が上下に対称的に設置されていて、荷電粒子ビームはこの対称面内を走行する。α電磁石１０のビーム入出射面には前面ヨーク部１５が設けられている。
また、図２（ａ）はα電磁石１０を入出射面からみた図面である。図に明示したように、前面ヨーク部１５には電子ビームなどの荷電粒子を入射し出射する開口部１６がある。開口部１６は水平方向に端から端まで連通した開口をなしている。
【００２０】
荷電粒子ビームが走行する部分は高真空に維持する必要があるため、上記対称面部分に図１に示すようなビームチャンバー３０が設けられている。ビームチャンバー３０はビーム輸送管５と真空ベローズを介して接続されていて、相互に若干の変位が可能なようになっている。なお、ビームチャンバー３０にはイオンポンプなどの高真空装置に接続するための真空吸引ノズル３１やチャンバー３０内の状態を観察するためのビューポート３２が設けられている。
このように、開口部１６が十分大きく特にα電磁石１０の横側面から連通して開口しているため、組立調整完了後のα電磁石１０を現場設置した後で開口部１６の前面や側面からビームチャンバー３０を挿入設置して装置の組立を完了させることができる。したがって、α電磁石の精度を要する位置調整を製作工場で行っても、現場工事中に精度劣化が起こることがない。
【００２１】
α電磁石本体部１１はベース２１に搭載されている。ベース２１上にはモータ２３が固定されていて、前面ヨーク部１５に取り付けられた軸棒をモータ２３が伸縮すると、α電磁石１１はガイド２２に案内されながらビーム入出射面に対して垂直に並進できるようになっている。
【００２２】
電磁石の磁極断面輪郭は、ふたつの電磁石１３、１４の対称面１７と前面ヨーク部１５の内壁面１８の交点を中心Ｏとしいわゆるボア半径を有するボア円１９に接し、両面に漸近しながら無限遠まで続く双曲線であることが理想的である。さらに対称面１７と内壁面１８の交点Ｏにおける磁場強度がゼロであれば、理想的なα電磁石磁場を形成することができる。
しかし、実際にはコイルを設けるスロットが必要なため裾を有限幅で切断しなければならず理想的な双曲線形状を取り得ないので、円弧近似やシム取付などの補償方法により磁場の歪みを最小に抑えるようにしている。しかし、開口部１６付近の漏れ磁場を避けることができないので、理想的なα電磁石磁場を形成することができない。
【００２３】
開口部１６付近の漏れ磁場を補償するため、従来は前述の如く、開口部に補正コイルを仕込んでいたが、本実施例ではこの漏れ磁場の補償を補償用ステアリング電磁石４１と位置調整モータ２３により行う。
補償用ステアリング電磁石４１はステアリングコイル４部分に水平方向に設置されていて、印加電流を制御することにより垂直磁場の強度を調整してα電磁石１１に入射する電子ビームを走行水平面内で水平方向に偏倚させることが可能である。
また、位置調整モータ２３等からなる軸方向移動機構により、電子ビーム走行面を維持しながらα電磁石１１を前面ヨーク部１５の内壁面１８に対して垂直な方向に位置調整することができる。
【００２４】
従って、補償用ステアリング電磁石４１により電子ビームの走行方向を調整し軸方向移動機構によりα電磁石１１の入射面位置を調整すると、電子ビームの入射位置と方向を適当に制御して、所定方向から入射した荷電粒子ビームをα電磁石内で偏向させて元の入射位置に戻しかつ入射面に立てた垂線に対して入射角と同じ角度を持った出射角で射出するようにして、α電磁石としての実効的な作用を顕現させることができる。
【００２５】
α電磁石１１内の磁場強度は印加電流が変わっても絶対値が変化するだけで磁場分布の傾向はあまり変化せず、磁場強度を変えても所定の位置に所定の角度で入射した荷電粒子ビームは入射位置と同じ位置から所定の角度で射出されることに変わりがない。しかし、荷電粒子のエネルギー等によりα電磁石１１内のα状の軌跡の大きさが変化するので、エネルギー選択などの目的に従い最適値を取るように印加電流を介して磁場強度を調整する必要がある。
α電磁石１１への印加電流が変われば、α電磁石内の磁場強度と開口部１６の漏れ磁場強度が変化するので、これに応じてα電磁石運転のために最適とされる補正用ステアリング電磁石４１の磁場強度とα電磁石１１の適正軸方向位置が変化する。この値は実験やシミュレーションなどから予め知ることができるので、条件に応じて最適値を選択して設定することができる。
【００２６】
図３はα電磁石の磁場強度に対して適当なステアリング磁場強度と軸方向移動位置を算出する方法を説明する線図である。横軸はα電磁石内の所定位置における磁場強度を任意のスケールで示す。磁場強度はα電磁石に印加する電流により変化させることができる。図中実線は、設定されたα電磁石の磁場強度に対応した適切なステアリング電磁石強度を示す曲線で、値は左側の縦軸に目盛られた任意スケールから読み取ることができる。また、破線のグラフは、α電磁石の磁場強度とステアリング電磁石強度を調整したときに、これらに対応して最適とされるα電磁石の軸方向位置で、値は右側の軸に目盛られた任意スケールに表されている。これらの関数関係は、たとえばモデルを用いたシミュレーションにより正確に求めることができる。
【００２７】
図３のグラフを用いて、処理すべき荷電粒子ビームのエネルギー水準に基づいてα電磁石における磁場強度を設定し、この値に基づいてステアリング電磁石の磁場強度を選択して調整し、次いでα電磁石の適正位置を求めて調整機構を用いて位置調整する。このようにしてセットしたビームアライメント装置は、α電磁石の開口部に漏れ磁場が存在するにもかかわらず、補正コイルを用いて磁場強度分布を完全な線形になるように補償したものと等価なα電磁石作用を呈することになる。
【００２８】
なお、図４は本実施例に使用するα電磁石１０の第２の態様を示す図面である。図４（ａ）は第２態様のα電磁石１０を入出射面からみた図面、図４（ｂ）はその断面図である。
図２に表した第１態様のα電磁石１０との差は軸方向移動機構のみにあって、α電磁石本体１１の両脇にガイド溝２２を設ける代わりにα電磁石本体１１とベース２１の間にリニアガイド２５を配設して利用している。
従って、第２態様のα電磁石１０では、位置調整が極めて小さな力でスムーズにかつ正確に行える利点がある。
なお、この態様ではα電磁石本体１１を駆動するモータ２４を電子ビーム入出射面の反対側に配設しているが、第１態様におけるように同じ側に設置しても同じことである。
【００２９】
【実施例２】
本実施例のビームアライメント装置は、第１実施例のビームアライメント装置に自動運転用のコンピュータを付属させたところに差異があるだけなので、主に差異点について説明する。
本実施例のビームアライメント装置はコンピュータシステム６を備えている。コンピュータシステム６は中央演算装置（ＣＰＵ）６１、記憶装置６２、入力装置６３およびコイル電源装置６４とモータコントローラ６５とからなる。
記憶装置６２には図３の関係を予め記憶させてある。コイル電源装置６４はステアリング電磁石４１に供給する電流を制御する電源制御装置である。モータコントローラ６５は駆動モータ２４を制御してα電磁石１１をビーム入出射面に垂直な方向に位置調整する。
【００３０】
オペレータが入力装置６３を介してα電磁石の磁場強度の情報を入力すると、コンピュータシステム６は記憶装置６２に格納された関係図に基づいて適切なステアリング電磁石強度とα電磁石位置を求めて、その値に従ってコイル電源装置６４とモータコントローラ６５を制御する。
このようにして、自動的にα電磁石の調整を行って荷電粒子ビームのエネルギー調整を適正に行えるようにした装置とすることができる。
α電磁石部分の調整を自動化することによって、運転条件変更のために作業員がα電磁石の設置された現場に立ち入る必要がなくなるため、作業員の放射線被曝の心配も解消されるばかりか、放射線被曝を避けるために必要とされる長時間にわたる運転休止や準備作業も省略できる。
なお、α電磁石の磁場強度に関する情報は、装置自体から自動的に収集することもできることはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のビームアライメント装置は、開口部に補正コイルを設けてα電磁石の漏れ磁場を補償する代わりに、α電磁石の軸方向位置調整機構とビーム輸送管に設けたステアリング電磁石の調整により実効的にα電磁石の作用をもたらすようにするので、α電磁石のコストは低廉化するうえ、α電磁石の前面ヨーク部の開口部を十分大きくして内部に設置する真空チャンバーの構造や施工法に制約を受けることなく高精度でα電磁石の設置を行うことができる。
【００３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のビームアライメント装置の１実施例の平面図である。
【図２】本実施例に使用するα電磁石の例を示す図面である。
【図３】本発明の作用を説明するグラフである。
【図４】本実施例に使用するα電磁石の別の例を示す図面である。
【図５】本発明のビームアライメント装置の第２の実施例の概略配置図である。
【図６】α電磁石にあるエネルギーを有する電子を射入させたときの電子軌道の実例を示す線図である。
【図７】従来のα電磁石の図面である。
【図８】従来のα電磁石のビーム走行面における磁場強度を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ビームアライメント装置
１０  α電磁石
１１  電磁石本体部分
１２  ヨーク部
１３、１４  磁極
１５  前面ヨーク部
１６  開口部
１７  電磁石配置対称面
１８  前面ヨーク部内壁面
１９  ボア円
２１  ベース
２２  ガイド
２３、２４  駆動モータ
２５  リニアガイド
３０  真空チャンバー
３１  イオンポンプ用ノズル
３２  ビューポート
４  案内用ステアリングコイル装置
４１  補正用ステアリング電磁石
５  ビーム輸送管
５１、５２  四極電磁石
６  コンピュータシステム
６１  ＣＰＵ
６２  記憶装置
６３  入力装置
６４  コイル電源装置
６５  モータコントローラ
【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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