(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、
上記セプタム電磁石の入出射ビームの通過する磁極空間の断面積を形成する磁極間隙を周回ビームが通過する磁極空間の磁極間隙よりも小さくし、上記入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルの起磁力を低減すると共に、上記入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルおよびこれら両コイル用のコア部分を、上記周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルおよびこれら両コイル用のコア部分より小型化したことを特徴とする加速器用入出射装置。
【請求項２】
周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、
上記セプタム電磁石のコアは中央部に空間部を有するコアとし、
上記コアの空間部に、上記入出射ビーム用リターンコイル、入出射ビームと周回ビームとが通過する真空容器、上記周回ビーム用リターンコイルの順に配置すると共に、
上記真空容器内の入出射ビームが通過する部分と上記周回ビームが通過する部分との間に上記入出射ビーム用セプタムコイル、絶縁スペーサ、上記周回ビーム用セプタムコイルを順に配置し、
上記絶縁スペーサは複数のスペーサを間隔を介して上記入出射ビーム用と周回ビーム用の両セプタムコイル間に密接挟持させ、各スペーサ及び上記両セプタムコイルによって囲まれた空間を外部からの冷媒が通過する冷媒通路としたことを特徴とする加速器用入出射装置。
【請求項３】
周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、
上記コアの空間部に、上記入出射ビームと上記周回ビームとが通過すると共に、上記電磁石用のセプタムコイルとリターンコイルを内在した真空容器を配置し、
上記真空容器の内部は、上記入出射ビーム用リターンコイル、上記入出射ビームが通過する部分、上記入出射ビーム用セプタムコイル、絶縁スペーサ、上記周回ビーム用セプタムコイル、上記周回ビームが通過する部分、上記周回ビーム用リターンコイルの順に配置し、
上記入出射ビーム用と周回ビーム用の両セプタムコイルは、上記絶縁スペーサを挾持して密接すると共に、上記両セプタムコイルの上記入出射ビームまたは上記周回ビームと対向するコイル表面にそれぞれ熱放射率の高い非金属部材からなるコーティングを施したことを特徴とする加速器用入出射装置。
【請求項４】
請求項１項記載の加速器用入出射装置のセプタム電磁石の構成と、請求項２または請求項３の加速器用入出射装置のセプタム電磁石の構成とを併せて構成したことを特徴とする加速器用入出射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、研究・医療・工業分野に用いられる粒子線加速装置などに用いられ、入出力ビームを制御する加速器用入出射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、例えば「Opposite Field Septum Magnet System for the Separation of Charged Particle Beams」I.Sakai et al, 17-th International Conference on Magnet Technology, 2001 に示された従来の電磁石の構造図（従来の加速器用入出射装置の縦断面図）である。図７は図６のＡ−Ａ線からみた断面斜視図の概要である。
図において、５０はセプタム電磁石、６０および７０は補助バンプ電磁石、４１，４２，４３，５１，５２，６１，６２は内部導体、４５，５５，６５はヨーク、４７は第１のビーム偏向磁極空隙、４９は第２のビーム偏向磁極空隙である。
【０００３】
次に動作について説明する。
上流側補助バンプ電磁石６０の領域では、内部導体５１および５２により紙面に垂直下向きの磁場Ｂ３が存在する。また、セプタム電磁石５０の第１のビーム偏向磁場空隙では内部導体４１及び４３により紙面に垂直下向き磁場Ｂ１が存在し、第２のビーム偏向磁場空隙では内部導体４２及び４３により紙面に垂直上向き磁場Ｂ２が存在する。さらに、下流側補助バンプ電磁石７０の領域では、内部導体６１および６２により紙面に垂直下向きの磁場Ｂ４が存在する。
【０００４】
周回及び取り出しビームはどちらも補助バンプ電磁石６０により、反時計周りの方向に曲げられるが、セプタム電磁石５０により、取り出しビームは同じく反時計回りに、一方周回ビームは時計周りに曲げられ、ビームの分岐が行われる。下流の補助バンプ電磁石７０により、取出しビームはさらに反時計回りに曲げられ、周回軌道からの分離が進む、一方周回ビームは反時計回りに曲げられることにより、周回軌道上に戻される。このようにして、紙面垂直上向きと下向きの対向磁場を併せ持つセプタム電磁石を用いることで、周回ビームと取出しビームの分離を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
当該加速器用入出射装置のセプタム電磁石において、入射（出射）ビームは周回ビームに比べてビームサイズが小さいにも関わらず、鉄心の磁極空隙は同一としていた。このため入射（出射）軌道部分については、必要以上の磁極空隙を確保した構造となっていたため、起磁力、コイル、鉄心が無駄に大きくなってしまうという第１の課題があった。
【０００６】
また、当該加速器用入出射装置のセプタム電磁石において、セプタムコイルを薄くするために真空チェンバー中に設置されることがある。この場合、セプタムコイル中で発生するジュール熱を除去する必要があるが、セプタムコイルが薄いため熱伝導が悪く、また真空中であるため対流による除熱も期待できない。更に薄いセプタムコイルは電気抵抗が高く、ここに大電流を流す必要があるため発熱密度が非常に高くなり、これをいかに冷却してビーム偏向・分離能力を高めるかという第２の課題があった。
【０００７】
この発明の第一の発明は上記のような第１の課題を解決するためになされたもので、当該加速器用入出射装置のセプタム電磁石の入射（出射）軌道部の磁極空隙を周回ビーム軌道部の磁極空隙と区別して小さくすることにより、起磁力の低減、磁石の小型化を図ることを第１の目的とする。
【０００８】
この発明の第二の発明は上記のような第２の課題を解決するためになされたものであり、当該加速器用入出射装置のセプタム電磁石のセプタムコイルを、真空チャンバーを構成する一つの隔壁として使用し、セプタムコイル間に間隙を設けてその間に冷媒を流すことにより、セプタムコイルの冷却効率化・通電容量、引いては当該加速器用入出射装置のビーム分離能力の向上を図ることを目的とする。
【０００９】
この発明の第三の発明は第二の発明と同じく第２の課題を解決するためになされたものであり、セプタムコイルの表面を熱放射率の優れた物質でコーティングを施し、放射熱伝導性能の向上を図り、通電容量、引いては当該加速器用入出射装置のビーム分離能力の向上を図ることを目的とする。
【００１０】
この発明の第四の発明は第一の発明の構成と第二または第三の発明の構成とを併せたセプタム電磁石として、小型化すると共に、冷却効率のよい加速器用入出射装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）この発明の請求項１に係る加速器用入出射装置は、周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、上記セプタム電磁石の入出射ビームの通過する磁極空間の断面積を形成する磁極間隙を周回ビームが通過する磁極空間の磁極間隙よりも小さくし、上記入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルの起磁力を低減すると共に、上記入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルおよびこれら両コイル用のコア部分を、上記周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルおよびこれら両コイル用のコア部分より小型化したものである。
【００１２】
（２）この発明の請求項２に係る加速器用入出射装置は、周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、上記セプタム電磁石のコアは中央部に空間部を有するコアとし、
上記コアの空間部に、上記入出射ビーム用リターンコイル、入出射ビームと周回ビームとが通過する真空容器、上記周回ビーム用リターンコイルの順に配置すると共に、上記真空容器内の入出射ビームが通過する部分と上記周回ビームが通過する部分との間に上記入出射ビーム用セプタムコイル、絶縁スペーサ、上記周回ビーム用セプタムコイルを順に配置し、上記絶縁スペーサは複数のスペーサを間隔を介して上記入出射ビーム用と周回ビーム用の両セプタムコイル間に密接挟持させ、各スペーサ及び上記両セプタムコイルによって囲まれた空間を外部からの冷媒が通過する冷媒通路としたものである。
【００１３】
（３）この発明の請求項３に係る加速器用入出射装置は、周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル、上記周回ビーム用両コイルのコア部分と上記入出射ビーム用の両コイルのコア部分を含むコアを有し、周回するビーム軌道と入出射するビーム軌道を共に偏向するセプタム電磁石を有する加速器用入出射装置において、上記コアの空間部に、上記入出射ビームと上記周回ビームとが通過すると共に、上記電磁石用のセプタムコイルとリターンコイルを内在した真空容器を配置し、上記真空容器の内部は、上記入出射ビーム用リターンコイル、上記入出射ビームが通過する部分、上記入出射ビーム用セプタムコイル、絶縁スペーサ、上記周回ビーム用セプタムコイル、上記周回ビームが通過する部分、上記周回ビーム用リターンコイルの順に配置し、上記入出射ビーム用と周回ビーム用の両セプタムコイルは、上記絶縁スペーサを挾持して密接すると共に、上記両セプタムコイルの上記入出射ビームまたは上記周回ビームと対向するコイル表面にそれぞれ熱放射率の高い非金属部材からなるコーティングを施したものである。
【００１４】
（４）この発明の請求項４に係る加速器用入出射装置は、請求項１項記載の加速器用入出射装置と請求項２または請求項３の加速器用入出射装置とを併せて構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、第一の発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１はセプタム電磁石の概要を示す断面斜視図である。
図１において、１１は鉄心、１２は入射（出射）ビーム用のセプタムコイル１、１３は周回ビーム用のセプタムコイル２、１４は入射（出射）ビーム用のリターンコイル１、１５は周回ビーム用のリターンコイル２、１６は入射（出射）軌道の磁極空隙１、１７はビーム周回軌道の磁極空隙２である。
【００１６】
次に動作について説明する。図１において、セプタムコイル１とリターンコイル１に通電することにより、入射（出射）軌道の磁極空隙１に磁場（Ｂ１）を生成する。同様にセプタムコイル２とリターンコイル２にも通電するが、通電の向きを逆にすることにより、ビーム周回軌道の磁極空隙２にはＢ１と逆向きの磁場（Ｂ２）を生成する。この逆方向の磁場を利用して、磁極空隙１、２内を通過する荷電粒子ビームを逆向きに偏向させ、各々の軌道を分離することが可能となる。入射（出射）ビームの大きさは、磁極空隙２を通過する周回ビームに比べて小さいため、磁極空隙１の高さは磁極空隙２の高さに比べて小さくしている。
【００１７】
以上述べた手法により、入射（出射）軌道側とビーム周回軌道側に互いに逆方向の磁場を発生させる加速器用入出射装置において、セプタムコイル２、リターンコイル２に流す電流に比べて、セプタムコイル１とリターンコイル１に流す電流を小さくすることができるため、電源容量を小さくすることができる。また、セプタムコイル１およびリターンコイル１、鉄心１１の大きさを小さくすることが可能となる。
【００１８】
実施の形態２．
以下、第二の発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図２はセプタム電磁石の横断面図で、図３はセプタム電磁石における絶縁スペーサを示す要部の図である。
図において、２１は鉄心、２２は入射（出射）ビーム用のセプタムコイル１、２２ａ，２２ｂはリード部、２３は周回ビーム用のセプタムコイル２、２４は薄いギャップ、２５は絶縁材料、２６は入射（出射）ビーム用のリターンコイル１、２７は周回ビーム用のリターンコイル２、２８は真空チャンバー１、２９は真空チャンバー２、３０は電磁力支持用の絶縁スペーサ（図３の構造参照）である。
【００１９】
次に動作について説明する。セプタムコイル１、２は絶縁材料２５を介して真空チェンバー１、２と接合され、真空気密とすることにより荷電粒子ビームが通る通路を確保している。セプタムコイル１とリターンコイル１に通電することにより真空チャンバー１内に磁場（Ｂ１）を生成する。同様にセプタムコイル２とリターンコイル２にも通電するが、通電の向きを逆にすることにより、真空チャンバー２内にはＢ１と逆向きの磁場（Ｂ２）を生成する。この逆方向の磁場を利用して、真空チャンバー１、２内を通過する荷電粒子ビームを逆向きに偏向させ、各々の軌道を分離することが可能となる。
また、セプタムコイル１、２に作用する電磁力は各々のコイル側に接近しようとする荷重となるが、コイル間に絶縁スペーサ３０をはさんでおくことによりこの電磁力を受ける。
また、セプタムコイル間のギャップに冷媒を流すことにより、セプタム電極の冷却を効果的に実施することができる。
【００２０】
以上述べた手法により、入射（出射）軌道側とビーム周回軌道側に互いに逆方向の磁場を発生させる加速器用入出射装置において、そのセプタムコイルを効果的に冷却を行うことができるため電流値の増大が可能であり、引いてはビーム分離能力・加速器全体の性能向上を図ることが可能となる。
【００２１】
実施の形態３．
以下、第三の発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。図４はセプタム電磁石の横断面図である。
図において、３１は鉄心、３２は入射（出射）ビーム用のセプタムコイル１、３３は周回ビーム用のセプタムコイル２、３４は熱放射率の優れた物質によるコーティング、３５は入射（出射）ビーム用のリターンコイル１、３６は周回ビーム用のリターンコイル２、３７は真空チャンバー、３８は絶縁スペーサである。
【００２２】
次に動作について説明する。セプタムコイル１とリターンコイル１に通電することにより真空チャンバー１内に磁場（Ｂ１）を生成する。同様にセプタムコイル２とリターンコイル２にも通電するが、通電の向きを逆にすることにより、真空チャンバー２内にはＢ１と逆向きの磁場（Ｂ２）を生成する。この逆方向の磁場を利用して、真空チャンバー１、２内を通過する荷電粒子ビームを逆向きに偏向させ、各々の軌道を分離することが可能となる。また、セプタムコイル１、２に作用する電磁力は各々のコイル側に接近しようとする荷重となるが、コイル間に絶縁スペーサ３８をはさんでおくことによりこの電磁力を受ける。
【００２３】
セプタムコイルは薄いため熱抵抗が高く、熱伝達で逃げる熱量は非常に制約される。またセプタムコイルは真空中に設置されるため、当然対流による熱伝達は期待できない。従ってセプタムコイルにて発生するジュール熱は、放射によって逃がすしかない。そこで、セプタム電極の表面に熱放射特性の優れた材質のコーティング層３４を設ける。セプタムコイルは電気伝導度の小さな銅などの金属材料を使用することが多い。ところが一般的には非金属材料（アルミナ、窒化ケイ素等のセラミック類）の方が熱放射率の面では大きな値を示すため、このような材料がコーティング材としては適していると考えられるが、熱放射特性の優れたものであれば、その材料を限定するものではない。
【００２４】
以上述べた手法により、入射（出射）軌道側とビーム周回軌道側に互いに逆方向の磁場を発生させる加速器用入出射装置において、そのセプタムコイルを効果的に冷却を行うことができるため電流値の増大が可能であり、引いてはビーム分離能力・加速器全体の性能向上を図ることが可能となる。
【００２５】
実施の形態４．
以下、第四の発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図５はセプタム電磁石の横断面図である。符号については実施の形態２の符号と同一である。
図５で示すように図１に示す実施の形態１の構成と、図２，図３に示す実施の形態２の構成とを併せたものである。
【００２６】
【発明の効果】
（１）この発明の請求項１によれば、周回ビーム用のセプタムコイルとリターンコイル２に流す電流に比べて、入出射ビーム用のセプタムコイルとリターンコイルに流す電流を小さくすることができるため、電源容量を小さくでき、また、入出射ビーム側の電磁石を小さくできるので、セプタム電磁石全体を小型化することができる。
【００２７】
（２）この発明の請求項２および請求項３によれば、セプタムコイルを効果的に冷却できるので、電流値の増大が可能であり、引いてはビーム分離能力・加速器全体の性能向上を図ることが可能となる。
（３）この発明の請求項４によれば、上記（１）と（２）の効果を併せ持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１によるセプタム電磁石の概要を示す断面斜視図である。
【図２】  この発明の実施の形態２によるセプタム電磁石の横断面図である。
【図３】  この発明の実施の形態２によるセプタム電磁石の絶縁スペーサを示す要部の図である。
【図４】  この発明の実施の形態３によるセプタム電磁石の横断面図である。
【図５】  この発明の実施の形態４によるセプタム電磁石の横断面図であ  る。
【図６】  従来の加速器用入出射装置の縦断面図である。
【図７】  従来のセプタム電磁石の概要を示す断面斜視図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１  鉄心
１２，２２，３２  入射（出射）ビーム用のセプタムコイル１
１３，２３，３３  周回ビーム用のセプタムコイル２
１４，２６，３５  入射（出射）ビーム用のリターンコイル１
１５，２７，３６  周回ビーム用のリターンコイル２
１６  入射（出射）軌道の磁極空隙１    １７  ビーム周回軌道の磁極空隙２
２２ａ，２２ｂ  リード部                  ２４  薄いギャップ
２５  絶縁材料          ２８  真空チャンバー１（入射（出射）ビーム側）
２９  真空チャンバー２（周回ビーム側）、  ３０，３８  絶縁スペーサ
３４  コーティング材                      ３７  真空チャンバー
５０  セプタム電磁石
【図１】
0003761836.tif 000002
【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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