"小型低温超伝導等時性サイクロトロンにおいて、中心軸に関して実質的に対称である少なくとも2つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、前記コイルを取り囲み、ビームチャンバの少なくとも一部を含む磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが、前記加速メディアンプレーンの各側に山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ磁極先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンにわたって、前記加速メディアンプレーンにわたって前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと熱結合される極低温冷凍装置と、を含むことを特徴とする小型低温超伝導等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記磁気ヨークが、それぞれが前記加速メディアンプレーンの各側にある1対の磁極を含み、前記磁極の各々が磁極ベースと、前記磁極ベースに取り付けられた前記セクタ磁極先端と、を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記超伝導コイルが前記磁気ヨークによって物理的に支持されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記超伝導コイルが前記磁気ヨークと物理的に接触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1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ磁極先端の各々が螺旋形状を有することを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項5に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ磁極先端が希土類強磁性材料を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項6に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記磁気ヨークが、前記セクタ磁極先端を前記磁気ヨークの残りの部分から分離する非磁性材料をさらに含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項7に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ磁極先端が、前記セクタ磁極先端の、前記加速メディアンプレーンから遠い方の面に切欠きを含み、前記切欠きが、前記等時性サイクロトロンの前記中心軸から半径が大きくなるにつれて磁場の増大の程度を増加させるように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ磁極先端が、少なくとも4Kの温度で超伝導となる材料を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記超伝導コイルが、少なくとも4Kの温度で超伝導となる材料を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項1に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記等時性サイクロトロンが、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークが50Kを超えない温度まで冷却され、電流が前記コイルの臨界電流容量で前記超伝導コイルを通ると、前記加速メディアンプレーンの中のイオン導入用の内側半径において、少なくとも6テスラの、半径方向に増大する磁場を生成するように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項11に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記等時性サイクロトロンが、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークが50Kを超えない温度まで冷却され、電流が前記コイルの臨界電流容量で前記超伝導コイルを通ると、前記加速メディアンプレーンの中のイオン引き出し用の外側半径において、少なくとも7テスラの、半径方向に増大する磁場を生成するように構成されていることを特徴とする等時性サイクロトロン。イオン加速方法において、a中心軸に関して実質的に対称である少なくとも2つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、b前記コイルを取り囲み、ビームチャンバの少なくとも一部を含む磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが前記加速メディアンプレーンの各側に山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ磁極先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンにわたって、前記加速メディアンプレーンにわたって前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、c前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと熱結合される極低温冷凍装置と、d高周波電圧源に連結され、前記ビームチャンバ内に取り付けられた電極と、を含む等時性サイクロトロンを使用するステップと、内側半径において、前記加速メディアンプレーンの中にイオンを導入するステップと、前記高周波電圧源から前記電極に電流を供給して、前記イオンを、前記加速メディアンプレーンにわたって拡張する軌道内で一定の周波数で加速させるステップと、前記超伝導コイルと前記磁気ヨークを前記極低温冷凍装置で冷却するステップであって、前記超伝導コイルがその超伝導遷移温度を超えない温度まで冷却されるようなステップと、冷却された前記超伝導コイルに電圧を供給することにより前記超伝導コイル内に超伝導電流が発生し、前記超伝導コイルと前記ヨークから前記加速メディアンプレーン内に半径方向に増大する磁場を生成するステップと、加速された前記イオンを、外側半径においてビームチャンバから引き出すステップと、を含むことを特徴とする方法。請求項13に記載の方法において、前記磁気ヨークが50Kを超えない温度まで冷却されることを特徴とする方法。請求項13に記載の方法において、前記加速メディアンプレーンで生成された前記磁場が、イオン導入のための前記内側半径からイオン引き出しのための前記外側半径へと、半径と共に増大することを特徴とする方法。請求項15に記載の方法において、前記加速メディアンプレーンの中で生成された前記磁場が、イオン導入のための前記内側半径において少なくとも6テスラであることを特徴とする方法。請求項13に記載の方法において、前記イオンが、イオン導入のための前記内側半径からイオン引き出しのための前記外側半径へと、一定の周波数で加速されることを特徴とする方法。請求項13に記載の方法において、前記イオンが陽子であることを特徴とする方法。請求項13に記載の方法において、前記ビームチャンバの温度が、前記イオンが加速される時に約10°C~約30°Cの範囲内であることを特徴とする方法。小型低温超伝導等時性サイクロトロンにおいて、中心軸に関して実質的に対称である少なくとも2つの超伝導コイルであって、それぞれが加速メディアンプレーンの各側にあるコイルと、前記コイルを取り囲み、ビームチャンバを収容する磁気ヨークであって、前記加速メディアンプレーンが前記ビームチャンバを通って延び、前記磁気ヨークが、前記磁気ヨークの残りの部分から非磁性材料によって分離され、前記加速メディアンプレーンの各側の山と前記山の間に谷を形成する複数のセクタ先端を含み、前記山が前記加速メディアンプレーンにわたって、前記加速メディアンプレーンにわたって前記谷を分離するギャップより狭いギャップによって半径方向に分離されるような磁気ヨークと、前記超伝導コイルおよび前記磁気ヨークと熱結合される極低温冷凍装置と、を含むことを特徴とする小型低温超伝導等時性サイクロトロン。請求項20に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ先端が希土類磁石を含むことを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項20に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ先端が螺旋形状を有することを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項20に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ先端の各々が、前記加速メディアンプレーンから遠い、切欠き空間を画定する表面を有することを特徴とする等時性サイクロトロン。請求項20に記載の等時性サイクロトロンにおいて、前記セクタ先端が、少なくとも4Kの温度で超伝導となる材料を含むことを特徴とする方法。添付の図面において、同様の参照記号は様々な図を通じて同じまたは同様の部品を指す。図面は必ずしも正しい縮尺で描かれているとは限らず、その代わりに重点は後述の具体的な原理を説明することに置かれている。本発明の各種の態様の上記およびその他の特徴と利点は、本発明のより広い範囲に含まれる各種の概念と具体的な実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。上で紹介し、以下により詳しく説明する主旨の各種の態様は、この主旨がいずれの特定の実施態様にも限定されないため、様々な方法のいずれによって実施されてもよい。具体的な実施と応用の例は、主として説明を目的として挙げられている。本明細書中に別段の定義、使用、特徴付けがないかぎり、本明細書中で使用されている用語技術用語や科学用語を含むは、当業界に関して受け入れられている意味に適合する意味を有するものと解釈され、本明細書中でそのように明確に定義されていないかぎり、理想的または過剰に正式な意味には解釈しないものとする。たとえば、特定の構成要素の記載がある場合、この構成要素は、実際的で不完全な現実が当てはめられるかもしれないため、完全にではなく、実質的に純粋でありえ、たとえば、少なくとも微量の不純物たとえば、1または2重量または体積未満の存在の可能性もその説明の範囲内であると理解でき、同様に、特定の形状についての記載がある場合、この形状には、たとえば機械加工の誤差による理想的形状より不完全な変形も含まれるものとする。本明細書において、第一の、第二の、第三の、等々の用語を様々な要素の説明のために使用されることがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されない。これらの用語は単純に、1つの要素を他の要素から区別するために使用される。それゆえ、後述の第一の要素を第二の要素ということもでき、これも例示的実施形態の教示から逸脱しない。空間的相対的用語、たとえば上above、upper、下beneath、below、下側lowerその他は、本明細書においては、図に示された状態の1つの要素の他の要素に対する関係を説明するための簡便な説明方法として用いられることがある。当然のことながら、空間的相対的用語および図の構成は、本明細書に記載され、図に描かれている向きのほかにも、使用時または動作時の様々な向きも包含することが意図されている。たとえば、図の装置の上下を逆にすれば、他の要素または特徴の下below、beneathと説明された要素は、今度は他の要素または特徴の上aboveの方向となる。それゆえ、たとえば上aboveという用語は、上下両方の向きを包含する可能性があり、装置は別の向きにもできたとえば、90度回転させ、または他の向きにする、本明細書で使用されている空間的相対的説明は相応に解釈される。またさらに、本願において、要素が他の要素の上にあるon、それに接続されるconnectedtoまたはそれに連結されるcoupledtoと記載されている時、これは別段のことわりがないかぎり、直接、当該他の要素の上にあり、これに接続され、またはこれに連結されても、または介在要素が存在してもよい。本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を説明するためであり、例示的実施形態を限定するためのものではない。本明細書において、a、an等の単数形は、文脈上、明らかに他の解釈が必要な場合を除き、複数形も含むことが意図される。これに加えて、含むincludes、including、comprises、comprisingという用語は、具体的に記された要素またはステップの存在を明示しているが、1つまたは複数のその他の要素またはステップの存在または追加を排除するものではない。等時性サイクロトロンのある実施形態を、図1~10に、様々な面から、および様々な断面を通じて示す。等時性サイクロトロンは磁気ヨーク10を含み、これは各々が磁極キャップ41と、磁極ベース54と、複数の螺旋形磁極先端52と、を含む1対の磁極38と40と、リターンヨーク36と、を有し、これらがイオン加速のための加速メディアンプレーンの一部を含むビームチャンバ64の少なくとも一部を収容する。磁極38と40は、加速メディアンプレーンを挟んで略鏡面対称であり、リターンヨーク36によって磁気ヨーク10の周辺で接合される。図1、2、4に示されるように、等時性サイクロトロンのヨーク10は、熱伝導率の低い組成物、たとえばエポキシガラス複合材、炭素複合材または薄肉金属たとえばステンレススチール構造で形成された構造的スペーサ82によって支持され、位置付けられ、スペーサ延長部83が外側クライオスタット66と中間熱シールド80たとえば、45Kの間の入り組んだ構造的通路を形成してそれらの間の熱伝達を制限しており、これは、スペーサ82とスペーサ延長部83が外側クライオスタット66たとえば、ステンレススチールまたは低炭素スチールで形成され、内部空間内に真空バリアを提供すると熱シールド80たとえば、銅またはアルミニウムで形成されるとの間の構造的支持手段となるからである。圧縮ばね88が、中間熱シールド80とその中に収容される等時性サイクロトロンを圧縮された状態に保持する。1対の超伝導磁気コイル12と14すなわち、磁場を生成できるコイルが磁気ヨーク10の、それぞれ上下の磁極38と40およびリターンヨーク36の中に収容され、それらと接触しておりすなわち、クライオスタットまたは自由空間によって完全に分離されていない、それによって、ヨーク10が超伝導磁気コイル12と14を支持し、それらと熱接触する。その結果、超伝導磁気コイル12と14は、外的な偏心力を受けず、超伝導磁気コイル12と14をクライオスタット66内の中央に保持するための引張リンクが不要である。代替的な実施形態において、磁気コイル12と14はヨーク10と直接熱接触していなくてもよく、その場合、極低温冷凍装置26が磁気コイル12、14とヨーク10を別々に冷却することができるたとえば、コイル12と14を4Kの極低温冷凍装置の第二段目に熱連結でき、その一方で、ヨークを40Kの極低温冷凍装置の第一段目に熱連結できる。他の実施形態では、熱連結には、コイル12、14とヨーク10の間に設置された熱バリアを含めることができ、それによってヨークを50Kまたはそれ以下に冷却できるが、コイル12、14とヨーク10との間に温度差を発生させる。また別の実施形態において、熱結合には、極低温冷凍装置26と熱接触し、またヨーク10とコイル12、14とも熱接触して各々を冷却する液体窒素を含めることができる。超伝導コイル12と14には電流リードを介して電流が供給され、リードは電圧源に連結され、リードポート17を通じてクライオスタット内に延ばされて、コイル12と14と熱結合される低温導電性リードリンク58に電流を供給する。磁気コイル12と14は超伝導ケーブルまたはケーブルインチャネル型導体を含み、その個々のケーブル素線は、直径0.3mm~1.2mmたとえば0.6mmで、巻き回されて、たとえば合計400万~600万アンペアターンの電流容量を提供する。各素線の超伝導電流容量が1,000~2,000アンペアのケーブルインチャネル型導体の1つの実施形態では、素線を3,0000回巻いてコイルにし、コイル内で3~600万アンペアターンの容量が提供される。他の実施形態では、1本の素線からなるケーブルが100~400アンペアの容量を持ち、約100万アンペアターンを供給できる。一般にコイルは、超伝導素線の臨界電流容量を超えずに、所望の磁場レベルに必要な数のアンペアターンを生成するのに必要な回数の巻きで設計できる。超伝導材料は、低温超伝導体、たとえばニオブチタンNbTi、ニオブスズNb3Sn、またはニオブアルミNb3Alであってもよく、具体的な実施形態では、超伝導材料は第II種超伝導体、具体的にはA15結晶相のNb3Snである。高温超伝導体、たとえばBa2Sr2Ca1Cu2O8、Ba2Sr2Ca2Cu3O10、MgB2またはYBa2Cu3O7-xもまた使用できる。コイルは、超伝導体のケーブルまたはケーブルインチャネル型導体から直接形成できる。ニオブスズの場合、反応させていないニオビウムとスズの素線3:1のモル比を巻き回してケーブルにしてもよい。次にこのケーブルを約650°Cの温度に加熱し、ニオビウムとスズを反応させてNb3Snを生成する。Nb3Snケーブルを次に、U字形の銅製チャネル内にはんだ付けし、複合材導体を形成する。銅製チャネルは、機械的支持手段、急冷中の温度安定性を提供し、超伝導材料がノーマル状態のすなわち、超伝導状態でない時の電流伝導路となる。次にこの複合材導体をガラスファイバで被覆した後、外被の中で巻き回す。たとえばステンレススチールで形成されたストリップヒータを複合材導体の巻線層間に挿入して、磁石が急冷された時に高速加熱し、また急冷後のコイルの半径方向の断面にわたる温度バランスをとることによって、コイルに損傷を与える可能性のある熱および機械的応力を最小限にすることもできる。巻き回した後に真空を加え、巻き回された複合材導体構造にエポキシを浸透させて、最終的なコイル構造の中のファイバ/エポキシ複合材フィラを形成する。それによって得られたエポキシ/ガラス複合材の中には、巻き回された複材料導体が埋め込まれており、電気的絶縁と機械的剛性が提供される。このような磁気コイルの特徴とその構成については、米国特許第7,696,847B2号明細書と米国特許出願公開第2010/0148895A1号明細書に記載され、図示されている。他の実施形態において、コイル12と14は、個々の素線細く丸いワイヤから作製し、エポキシを用いて湿式法で巻き回してから硬化させるか、または乾式法で巻回し、巻き回しの後に浸透させて、複合材コイルを形成することができる。各コイル12/14は、エポキシ-ガラス複合材の追加のグラウンドラップ外層と、たとえば銅またはアルミニウムで形成されるテープ状フォイルシートのサーマルオーバラップで被覆され、これは米国特許出願第12/951,968号明細書に記載されている。サーマルオーバラップは、極低温冷却のための低温導電性リンク58と、磁極キャップ41、磁極ベース54、リターンヨーク36の両方と熱接触するが、サーマルオーバラップと磁極キャップ、ベース、リターンヨーク36との接触は、オーバラップの表面全体にわたっていても、いなくてもよいたとえば、直接的または間接的接触が、隣接する表面上の限られた数の接触領域に限定されていてもよい。低温導電性リンク58とヨーク10が熱接触しているという特徴は、導電性リンク58とヨークが直接接触しているか、または、たとえばサーマルオーバラップと低温導電性リンク58の間に、それらと平らに取り付けられて、等時性サイクロトロンの冷却と加温に伴うこれらの構成要素間の熱膨張の差に適応できるようにする1つまたは複数の伝熱性中間材料[たとえば、動作温度での熱伝導率が0.1W/mKより大きい]、を通じて物理的に接触していることを意味する。低温導電性リンク58自体はクライオクーラのヒートリンク37と熱結合され図1と4~8に示される、これ自体はクライオクーラ26と熱結合される図1と4~10に示されると熱結合される。したがって、サーマルオーバラップは、クライオクーラ26、ヨーク10、超伝導コイル12、14の間の熱接触を提供する。最後に、適当な熱収縮差のフィラ材料をサーマルオーバラップと低温導電性リンク58の間に、これと平らに取り付けて、磁気構造体の冷却と加温に伴うこれらの構成要素間の熱膨張の差に適応するようにすることができる。超伝導磁気コイル12と14は、加速メディアンプレーン18の両側において図14参照、ビームチャンバ64の中の、その内部でイオンが加速される領域を取り囲み、加速メディアンプレーン18内にきわめて強い磁場を直接発生させる役割を果たす。印加される電圧を介して励起されると、磁気コイル12と14はさらにヨーク10を磁化し、それによってヨーク10もまた磁場を生成し、これは、磁気コイル12と14により直接生成される磁場とは異なるものと見ることができる。磁気コイル12と14は、イオンが加速される加速メディアンプレーン18の上下の等距離の位置において、中心軸16に関して実質的に方位角に応じて対称に配置される。超伝導磁気コイル12と14は、少なくとも1対のRF加速電極板49と周囲の超絶縁層がビームチャンバ64内でそれらの間に延びるのに十分な距離だけ離間され、その内側では室温またはその付近の温度たとえば、約10°C~約30°Cを保持することができる。各コイル12/14は、設計された動作温度、一般に4~40Kの範囲で超伝導状態となる導電材料の連続的経路を含むが、2K以下でも動作でき、その場合、さらに高い超伝導性能と利益が得られる。サイクロトロンをより高温で動作させようとするのであれば、超伝導体、たとえばビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物BSCCO、イットリウムバリウム銅酸化物YBCOまたはMgB2を使用できる。12.5-MeVのビームを発生させるように設計される本願の小型低温サイクロトロンは、コイルの内側半径を約10cm、断面積を幅3.5cm、高さ6cm図1と2の方向とすることができる。コイル12と14はまた、加速メディアンプレーンの両側で198mmの距離だけ分離させることができる。等時性サイクロトロンは、コイルと磁気構造の残りの部分の半径を大きくすることによって、より高い電圧でイオンを加速させるように拡張することができる。この装置はまた、陽子より重いイオン用に拡張することもでき、これに関して、磁石の大きさと磁場強度が同じであれば、より重いイオンたとえば、重水素またはそれより重いものの加速後の全エネルギーは加速陽子のエネルギーの半分未満か半分となるため、より重いイオンについては、その磁石構造が提供できる垂直集束と半径に伴う磁場の増分は減少する。磁場が強ければ磁気構造を例外的に小さくすることができる。1つの実施形態において、磁気ヨーク10の外側半径は、中心軸16から磁気コイル12と14の内縁への半径rの約2.4倍であり、磁気ヨーク10の高さ中心軸に平行に測定は半径rの約2倍である。磁気コイル12と14とヨーク10[リターンヨーク36、磁極キャップ41、磁極ベース54磁性材料で形成されている場合、セクタ磁極先端52を含む]の全体で、加速メディアンプレーン18の中のイオン導入のための内側半径で少なくとも6テスラの合成磁場を生成し、半径が大きくなるにつれて、より強い磁場となる。磁気コイル12と14は、そこに超伝導磁気コイル12と14を流れる連続的な超伝導電流を発生させ、維持するための電圧が印加されると、加速メディアンプレーン内の磁場の大半、たとえば3テスラ以上を発生させることができる。ヨーク10は、超伝導磁気コイル12と14によって生成されたこの磁場によって磁化され、チャンバ内でイオンを加速させるために生成される磁場を、さらに3テスラまたはそれ以上磁極先端が希土類強磁性体で形成される場合発生させることができる。磁場成分は両方ともすなわち、コイル12と14から直接生成される磁場成分と磁化されたヨーク10によって生成される磁場成分の両方、図12に示されるように、加速メディアンプレーン18を、加速メディアンプレーン18に対して略垂直に通過する。しかしながら、チャンバ内の加速メディアンプレーン18で十分に磁化されたヨーク10によって生成される磁場は、磁気フラッタ磁極先端においても、加速メディアンプレーン18で磁気コイル12と14によって直接生成される磁場より小さい。ヨーク10は加速メディアンプレーン18に沿って磁場を成形するように構成され、ビームチャンバ64内で半径が中心軸16からイオン引き出し位置の半径へと大きくなるにつれて磁場が強くなり、加速中の相対論的粒子質量増加が補償されようにする。イオンの加速を持続するための電圧は常に、電流リード47を介して1対の半円形の高電圧電極板49に供給され、これらはビームチャンバ64の内部で加速メディアンプレーンの上下で、それに平行に配置される。ヨーク10は、ビームチャンバ64と、真空フィードスルー62を通って延びる電極装置48のため十分な空間を提供するように構成される。電極装置は、導電性金属で形成される。代替的な実施形態において、中心軸16に関して180°離間された2つの電極を使用することができる。2つの電極を備える装置を使用することによって、軌道を回るイオンの1周回あたりのゲインをより高くし、イオン軌道のセンタリングを改善することができ、それによって振動が減り、より高品質のビームが生成される。RF電流リード47に沿ってRF高電圧フィードスルー42が使用され、これがディー電極49を励起して、サイクロトロンの周波数またはサイクロトロンの周波数の整数倍の振動電圧を発生させる。動作中、超伝導磁気コイル12と14は乾燥状態に保持することができすなわち、冷媒液体内に浸漬しない、むしろ磁気コイル12と14を1つまたは複数の極低温冷凍装置26クライオクーラによって、超伝導体の臨界温度以下の温度たとえば、臨界温度マイナス5K、または場合によっては臨界温度マイナス1K未満まで冷却できる。他の実施形態においては、コイルを液体寒剤と接触させて、コイル12と14から極低温冷凍装置26へと熱が伝わるようにすることができる。磁気コイル12と14が極低温たとえば、組成物に応じて4K~30Kの範囲に冷却されると、クライオクーラ26、磁気コイル12と14、ヨーク10の間の熱接触によってヨーク10も同様に略同じ温度まで冷却される。クライオクーラ26は、Gifford-McMahon冷凍サイクルの圧縮ヘリウムを使用しても、または、より高温の第一段目84とより低温の第二段目86図5と6に示されるを有するパルス管型冷凍機としてもよい。クライオクーラ26の、より低温の第二段目86は約4.5Kで動作でき、ヒートリンク37と58を介して熱結合され、これには超伝導磁気コイル12と14の中の複合材導電体の両端と、コイル12と14を通る電流を駆動するための電圧源に接続されたワイヤを含む低温超伝導電流リードたとえば、NbTiで形成されるが含まれる。クライオクーラ26は、低温導電性リンク58とコイル12/14の各々を、各コイル内の導電体が超伝導状態となる温度たとえば、約4.5Kまで冷却することができる。あるいは、より高温の超伝導体が使用される場合、クライオクーラ26の第二段目86は、たとえば4~30Kで動作できる。クライオクーラ26のより高温の第一段目84は、たとえば40~80Kの温度で動作でき、中間熱シールド80と熱連結でき、これがしたがって、たとえば約40~80Kまで冷却されて、磁石構造体ヨーク10とその中に含まれるその他の構成要素を含むと、室温たとえば、約300Kでありうるクライオスタット66との間の中間温度バリアとなる。図1、2、4、8~10に示されるように、クライオスタット66は、円筒形の側壁のそれぞれの端のクライオスタット底板67とクライオスタット天板68を含む。クライオスタットはまた、真空ポート19図1、4、5に示されるを含み、そこに真空ポンプを連結して、クライオスタット66の内部を高真空にし、それによってクライオスタット66、中間熱シールド80、磁石構造体10の間の対流熱伝達を制限することができる。クライオスタット66、熱シールド80、ヨーク10は各々、伝導性熱伝達を最小限にする量だけ相互に離間され、絶縁スペーサ82によって構造的に支持される。磁気ヨーク10は、超伝導コイル12と14によって生成された磁束をビームチャンバ64に運ぶ磁気回路を提供する。磁気ヨーク10を通る磁気回路特に、セクタ磁極先端52によって提供される、方位角により変化する磁場はまた、ビームチャンバ64の中でイオンを強力に集束させるように磁場を成形する。磁気回路はまた、磁束のほとんどを磁気回路の外側部分に含めることによって、ビームチャンバ64の中の、イオンが加速する部分の磁場レベルも高める。特定の実施形態において、磁気ヨーク10希土類磁石で形成可能な磁極先端52を除くは低炭素スチールで形成され、コイル12と14および、ビームチャンバ64の周囲にある、たとえばアルミナイズマイラポリエステルフィルムDuPontより入手可能と紙で形成される内側超絶縁層を取り囲む。純鉄は脆弱すぎる可能性があり、それが有する弾性係数は低すぎるかもしれないため、鉄には十分な量の炭素およびその他の元素を注入することによって、所望の磁気レベルを保ちながら、十分な強度を与えるか、剛性を弱めることができる。代替的な実施形態において、外側のヨークをガドリニウムで形成してもよい。たとえば図10に示されるような小型低温超伝導等時性サイクロトロンの特定の実施形態において、加速メディアンプレーンの両側の磁気フラッタ磁極先端52間の距離は約56mmとすることができ、突出部56を除く各磁極ベース54の高さ本明細書における高さは、図の向きで縦方向に測定するは約84mmとすることができる。その一方で、各磁極キャップ41の高さは約40mmとすることができる。ビームチャンバ64は、高さ42mm、幅230mmとすることができる。コイル12と14は各々、内径約202mm、外径約230nm、高さ60mmとすることができる。特定の実施形態において、磁極キャップ41と磁極ベース54は鉄で形成され、その一方で磁極先端52は、特に強い磁力を提供できる希土類金属たとえば、ホルミウム、ガドリニウム、またはジスプロシウムdisprosiumで形成できる。磁極先端52が希土類磁石で形成される場合、加速メディアンプレーンでは9テスラの磁場を生成できるこれに対して、磁極先端が鉄で形成された場合は6~8テスラ。特定の実施形態において、磁極ベース54および/または磁極キャップ41は希土類磁石でも形成できる。いくつかの実施形態において、磁極ベース54を非磁性材料たとえば、アルミニウムで形成し、磁極先端52を浮揚させ、磁極先端52が非磁性材料によってヨーク10の残りの部分から空間的に分離され、磁極先端52の磁気飽和が促進されるようにする。図の実施形態は、加速メディアンプレーンの両側に3つずつの磁極先端52を含んでいるが、他の実施形態には、加速メディアンプレーン18の各面に、等間隔で設けられた、たとえば4つ、または6つずつの磁極先端52を含めることができる。螺旋形磁極先端52はセクタ磁石として、方位角によって変化する磁場を提供し、この螺旋形は磁場の変動すなわち、フラッタを大きくする。螺旋形磁極先端52は図10と11に示されるように、先端52の、加速メディアンプレーン18に向かって内側に面する表面とは反対の外面上に切欠き窩洞55を有することができる。これらの切欠き55によって、半径が大きくなると磁場が強まり、所望の半径方向磁場プロファイルを得ることができ、すなわち、切欠き55から磁極先端52の外側半径までの磁極先端52の高さz方向に、中心軸に平行に測定の増分が大きいほど、半径に伴う磁場の増分が大きくなる。磁極ベース54たとえば、アルミニウムで形成されるの、磁極先端に接する表面は相補的な形状とすることができ、それによって磁極ベース54の内面のセクタは加速メディアンプレーンに向かって延び、図10に示されるように、磁極先端52の切欠き55に嵌る。図11で提供される、磁気フラッタ磁極先端52の拡大図に示されているように、先端52の3つの主要な階段の高さは25mm、35mm、50mm図11の左から右にであり、これら3つの階段の半径方向の幅最も内側の先端表面から最も外側の先端表面へと水平に測定は74mm、39mm、19mmである。イオンは、ヨークの中心軸に近接してすなわち、それからわずかにずれて位置付けられた内部イオン源50図3と7に示されるにより発生させても、または、イオン入射構造を介して外部イオン源から供給してもよい。内部イオン源50の一例はたとえば、電圧源に連結され、水素ガス源に近接された加熱陰極であってもよい。加速器電極板49は、導電性通路を介して高周波電圧源に連結され、これが一定の周波数の振動電場を発生させて、イオン源50から放出されたイオンを、ビームチャンバ64の中で中心軸から外側へと拡張する軌道で加速させる。イオンはまた、この平均軌道の周囲で垂直振動する。平均半径の周囲でのこのような小さな振動はベータトロン振動として知られ、これらは加速イオンの特定の特徴を決定する。軸および半径方向イオンビームプローブ20は内部の第二のビームターゲット24と共に、図7、16、18に示されるように、クライオスタット66の側面にあるアクセスポート22を通じてヨーク10を通るように延ばすことができる。軸および半径方向イオンビームプローブ20は、等時性サイクロトロンの診断評価中に、加速イオンの半径に対する電流を測定する。等時性サイクロトロンの正常動作中は、軸および半径方向イオンビームプローブ20を中心軸から離すように引っ込め、加速イオンの経路の外に出して、イオン加速を妨害しないようにする。内部の第二のビームターゲット24は図16と17にさらに示されており、交換可能な液体たとえば、H2O、固体たとえば、11B、または気体14N2のターゲット92を含み、これは、等時性サイクロトロンの中で加速された後の外側軌道94からの陽子と衝突すると、二次イオンたとえば、13NH3を生成し、この二次イオンは、ターゲット92からビームチャンバアクセスポート22を通って延びる導管96を通じてビームチャンバ64から取り除かれる。代替的な実施形態において、図18と19に示されるように、加速したイオンは、周辺磁石89磁場を局所的に増強するを備えるその外側軌道94から経路93に沿って引き出され、その後、四重極磁石90で集束されて、ビームチャンバアクセスポート22の通路97を通じてビームチャンバ64の外へと導かれる。ビームチャンバ64とディー電極板49は、放熱する電極装置48と極低温で冷却される磁気ヨーク10の間を断熱する前述の内部超絶縁層の内側にある。電極板49はしたがって、磁気ヨーク10と超伝導コイル12と14の温度より少なくとも40K高い温度で動作することができる。図3に示されるように、電極板49は、ビームチャンバ64の内側にある外側アース板79たとえば銅の裏打ちの形態の中に収容され、電極板49の縁辺とアース板の縁辺の間の空間78図7に示されるが加速ギャップの役割を果たす。加速システムビームチャンバ64とディー電極板49は一例をあげると、たとえば10~80kVの一定の加速電圧V0で12.5-MeVの陽子ビーム電荷=1、質量=1を生成するような大きさとすることができる。ビームチャンバ64は、高さ42mm、幅230mmとすることができる。強磁性鉄製磁極38と40およびリターンヨーク36は、組立と保守が容易となるように分割構造として設計され、ヨークの外側半径は、中心軸からコイル12と14の内側半径までの磁極の半径rpの約2.4倍またはそれ以下たとえば、rpが10cmであれば約24cm、その全高は約2rpたとえば、rpが10cmであれば約20cmである。動作中、1つの実施形態において、電圧たとえば、前述のように、コイルの巻きが1,000である実施形態の各巻きで少なくとも700Aの電流を発生させるのに十分な電圧を、導電性リンク58の中の電流リードを介して各コイル12/14に印加することができ、それによって発生されるコイル12、14とヨーク10からの合成磁場は、たとえば、コイルが4.5Kである時に加速メディアンプレーン18の中心軸に近接するイオン源において少なくとも6テスラである。他の実施形態において、コイルの巻き回しの数を大きくすることができ、また電流を小さくすることができる。この磁場には、十分に磁化された鉄製磁極38と40セクタ磁極先端52を含むからの少なくとも約2テスラが含まれ、この磁場の残りたとえば、少なくとも約4テスラはコイル12と14によって生成される。したがって、このヨーク10およびコイル12と14はイオン加速に十分な磁場を生成させる役割を果たす。イオンのパルスはイオン源により、たとえば電圧パルスを加熱された陰極に印加して、電子が陰極から水素ガス中へと放出されるようにすることによって生成でき、電子が水素分子と衝突すると陽子が発生する。ビームチャンバ64は、たとえば10-3気圧未満の真空圧力まで真空化されるが、低圧の維持を可能にしながら、依然として十分な数の陽子を生成できるのに十分な数の気体分子を提供するだけの量の水素が導入、調整される。この実施形態において、電極源たとえば、高周波数発振回路は、RF加速器電極装置48の電極板49にわたり、たとえば10~80キロボルトの交流または振動電位差を保持する。RF加速器電極板49によって生成される電場は一定の周波数たとえば、60~140MHzであり、これは中心軸で4~9テスラの磁場強度について加速させるべき陽子のサイクロトロン軌道周波数のそれとマッチする。電極板49によって生成される電場は、移動するイオンを電極板の内側の領域の略中心部に保持する集束作用を生み、電極板49からイオンに供給される電場インパルスは、放出され、軌道を描くイオンの速度を累積的に増大させる。それによってイオンがその軌道内で加速されると、イオンは電場の振動と共鳴して、またはそれと同時に、中心軸から外側に向かって螺旋を描き、回転を続ける。具体的には、電極板49は、周回しているイオンの、そのイオンが電極装置48から離れた時のそれと反対の電荷を有し、反対符号の電荷の引力によって、イオンをそのアーチ状の経路で電極装置48へと引き付ける。電極装置48には、イオンの、そのイオンがその電極板間を通過している時のそれと同じ符号の電荷が供給され、同符号の電荷の反発力によって、イオンをその軌道に再び送り返し、このサイクルが繰り返される。イオンは、その経路に対して直角の強い磁場の影響を受けて、電極板49間を通る螺旋状経路の中で導かれる。イオンが徐々に外側に向かって螺旋を描くと、イオンの運動量がその軌道の半径の増大に比例して増大し、最終的にイオンは外側半径94に到達し、そこで、これは磁気偏向システムたとえば、図18と19に示される周辺磁石89を含むによって、四重極磁石90により画定される回収チャネルの中へと磁気的に偏向され、これによってイオンは磁場から外方向に逸れて、サイクロトロンからパルスビームの形態で、たとえば外側のターゲットに向かって引き出される。等時性サイクロトロン本明細書に記載したものを含むは、シンクロサイクロトロンとは多くの基本的な点において異なる。第一に、等時性サイクロトロンの加速周波数は一定であるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの加速周波数は、荷電粒子が、それが導入される内側半径から引き出される外側半径へと螺旋状に外側に向かって加速されると低下する。第二に、等時性サイクロトロンの内側の磁場は、加速した粒子内の相対論的質量増大に対応するように、半径の増大に伴って強まるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの中の磁場は反対に、半径の増大に伴って弱まる。第三に、等時性サイクロトロンの加速面の磁場は非対称であり、これは磁場がセクタ磁石によって方位角により変化するためであるが、その一方で、シンクロサイクロトロンの加速面の磁場は反対に、実質的に円対称である。平均磁場Bzrは、半径rの関数としてBzr≡γrBz0で定義でき、式中、γrは半径に関する加速による粒子質量増大の相対論的因子、Bz0はイオンが導入される内側半径での平均磁場である。換言すれば、磁場Bzrは、半径が増大すると相対論的因子γrの増大に比例して強まる。相対論的因子γは次ののように計算することができ、式中、Tはイオンの運動エネルギー、E0はイオンの静止質量エネルギーであり、m0c2と等しく、ただしm0はイオンの静止質量、cは光の速度である。陽子の静止質量エネルギーE0は938.27MeVである。本明細書に記載の小型低温超伝導等時性サイクロトロンは、12.5MeVの陽子を生成するために使用された場合、加速した陽子が引き出される外側半径におけるその相対論的因子は、γfinal=112.5MeV/938.3MeV=1.013とすることができる。このように低い相対論的因子γでは、イオンの加速に対する相対論の影響は、たとえばγfinalが1.27であった過去の等時性サイクロトロンの設計と比較して相対的に小さい。しかしながら、低温鉄等時性サイクロトロンは、高い陽子ガンマにも応用できる。等時性磁場Bzにおける加速したイオンの縦方向の運動図12に示されるように、加速メディアンプレーン18に垂直は、半径が大きくなるにつれて増大し磁場インデックスパラメータnをとして表現でき、B=γB0であるが、本来的に安定していないため、古典的サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンの弱集束は適用されない。したがって、方位角によって変化するz方向への磁力Fzすなわち、Bzはθの関数として変化する。本明細書で使用される座標系の例示的参考として図13を参照を使って、複数のセクタの中のz方向の復元力が提供され、これはイオンを加速メディアンプレーン18に押し戻し、したがって、加速したイオンの強集束を維持する。この、方位角によって変化する復元力は、図14に示されるように、等時性サイクロトロンにおいて、磁気フラッタ磁極先端52を介して提供される。角度θの範囲にわたる磁極プロファイルを表したものすなわち、イオンが軌道内で移動した磁極プロファイルをあたかも平らに広げて、一定の半径でのzとθの方向の図を直線的に表現したかのようなものが図14に示されており、これは、等時性サイクロトロンの内側の1つの軌道の中で加速したイオンが移動した軌道に沿ったプロファイルと略一致する。図14に示されるように、磁極先端52間にはz方向の比較的強い磁場縦の矢印で示されるが生成され、谷53間にはz方向の比較的弱い磁場が生成される。磁気フラッタ磁極先端52によって提供される磁気フラッタfは、次のように表現される。である。フラッタ磁場の二乗平均平方根Fは、以下のように表現できる。磁極が螺旋エッジ角を有する場合、加速したイオンを軸方向に安定した状態に戻すフラッタ磁場補正は、次式、で表現される。この式中、vzはz方向への加速イオンの振動周波数、ζは図6に示されるように、螺旋形のフラッタ磁極先端52の螺旋エッジの角度である。螺旋エッジの角度ζのタンジェントは、次のように表現できる。他の実施形態では、セクタ磁極先端52は図15に示されるようなパイ楔形とすることができる。これらの磁極先端52の各々の周辺は、超伝導コイルのリング72の形態であり、その入力および出力電流リードは電圧源に連結されて、超伝導コイルリング72の中に電流を発生させ、それによって強磁場を生成する。各磁極先端52の超伝導コイルリング72への、およびそこからの電流リードは電圧源に直列に結合できる。これらの磁極先端52の、超伝導コイルによって取り囲まれている内側部分は、たとえば鉄または希土類磁石によって形成できる。等時性サイクロトロンにおいて、Bzは半径と共に強まり、これは加速したイオンの質量が増大するからであり、γ=m/m0であり、その一方で、十分なフラッタが提供されてυz2>0となり、この場合、である。螺旋フラッタ先端により提供される強集束によって、加速中のイオンが加速メディアンプレーン18の、またはその付近の安定した軌道の中に保持される間に、等時性サイクロトロン内のイオン加速は、半径に伴うエネルギー利得率を平均磁場の増大と一致させることによって達成される。エネルギー利得は、位相安定性がないため、正確に制御される。位相安定性がないことを確認するために、イオンが外側に向かって加速する時の、位相安定性の高い加速を維持するための回転周期の分数変化率を次のように表現することができる。式中、αは運動量縮約率半径に関して運動量がどれだけ変化するか、pはイオンの運動量である。この式では、0≦α≦1、γ≧1である。B=γB0の時、α=γ2となり、であるため、dτ/τ=0となる。周期と運動量の間に関係がなく、位相安定性がない。ここで、周回1回あたりのイオンのエネルギー利得は、加速メディアンプレーン内で生成される磁場のプロファイルによって決まり、イオンが等時性サイクロトロンの中で加速される周回軌道の数は、等時性サイクロトロンの設計よって一定とされる。オペレータは、イオン電荷q、イオンの静止質量m0、角周波数v0、イオンの運動エネルギーTを選択できる。すると、等時性サイクロトロン内の1回転あたりの瞬間エネルギー利得、1周回あたりのΔT1が一定となり、ΔT1=gqVesinφ6、であり、式中、gは加速ギャップの数たとえば、180°のディーの場合、gは2、qは加速したイオンの電荷、Veは電極電圧、φ=ωt-θであり、ωはイオンの角速度、tは時間、θはサイクロトロン内のイオンの角座標である。したがって、sinφは、イオンが加速ギャップを飛び越えた時の正弦波電圧の数値を決定する。本発明の実施形態の説明において、具体的な用語は明確にするために使用されている。説明の目的において、具体的な用語は少なくとも、同様の結果を実現するために同様の方法で動作する技術的および機能的均等物を含むことが意図される。これに加えて、本発明の具体的な実施形態が複数のシステム要素または方法ステップを含むいくつかの例においては、これらの要素またはステップを1つの要素またはステップと置き換えてもよく、同様に、1つの要素またはステップを同じ目的を果たす複数の要素またはステップに置き換えてもよい。さらに、本発明の実施形態に関して各種の特性に関するパラメータが本明細書中に明記されている場合、これらのパラメータは、特に別段のことわりがないかぎり、1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、3/4等だけまたは2、5、10倍等に、または四捨五入による近似値だけ上方または下方に調整できる。さらに、本発明は、その特定の実施形態に関連して図と文で説明されているが、当業者であれば、形態と詳細事項に様々な置換と改変を行うことができ、それらも本発明の範囲から逸脱しないことを理解するであろう。またさらに、他の態様、機能、利点も本発明の範囲内に含まれ、本発明のすべての実施形態が、必ずしも上記の利点のすべてを達成する、または上記の特徴の全部を有するとはかぎらない。これに加え、本明細書において1つの実施形態に関連して述べられたステップ、要素、特徴は同様に、他の実施形態に関連しても使用できる。本文中全体で引用された参考文献、雑誌の記事、特許、特許出願等の参考文献の内容は、その全体が参照によって本願に援用され、これらの参考文献からの適当な構成要素、ステップ、特徴は、任意選択的に本発明の実施形態に含まれていてもいなくてもよい。またさらに、背景技術の項で特定された構成要素とステップは、本願の一部であり本発明の別の箇所に記載されている構成要素とステップとともに、またはその代わりに使用でき、これらも本発明の範囲内である。方法クレーム中、各種の段階が特定の順序で記載されている場合、参照の便宜上、順序付けられた先行文字が追加されているか否かを問わず、それらの段階は、用語と語句によって明示的または黙示的にことわりがないかぎり、時間的に、記載された順序に限定されないと解釈するべきである。"