JP6038682B2 - サイクロトロン - Google Patents

Description

本発明は、サイクロトロンに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のサイクロトロンが知られている。このサイクロトロンでは、イオン源から送られてきた荷電粒子が、ＲＦ加速空洞がつくる電場で加速され、十分に加速された後、静電デフレクタ等の引出機器によって荷電粒子ビームがサイクロトロンの外部に引き出される。ビームが加速されることで、外側にビーム軌道が少しずつずれていき、ビームの引出時には、１ターン当たりのビーム軌道のずれ量（ターンセパレーション）よりも十分に薄くされた静電デフレクタのセプタムによって、ビームを剥ぎ取っていく。

特開２０１０−１８６６３１号公報

上記の方式のサイクロトロンにおけるビームの引出効率は、
η＝１−ｔ／δ
の近似式で表される。但し、ｔはセプタムの厚み、δはターンセパレーション、である。
また、ビーム加速によるターンセパレーションδは、
δ＝｛Ｒ／γ（γ＋１）}・｛ΔＫ／Ｋ｝
の近似式で表される。但しＲは、引出時の周回軌道半径、γはローレンツ因子、Ｋはビームの運動エネルギー、ΔＫは１ターン当たりのエネルギー増加量である。

この種のサイクロトロンにおいては小型化が望まれている。ところが、サイクロトロンが小型化すると、ビームの周回軌道半径Ｒが小さくなり、それによってターンセパレーションが小さくなり、ビームの引出効率が低下する。引出効率が低下すると、同じビーム電流を得るためにイオン源に負担がかかり、また、ビームのロスによるサイクロトロン内部の放射化が問題となる。

上記の問題に鑑み、本発明は、ビームの引出効率を高めることが可能なサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明のサイクロトロンは、 ビームの周回軌道を挟んで一対に設けられ、周方向に交互に配列された複数の凸部と複数の凹部とをそれぞれが有し、凸部同士で挟まれたヒル領域と凹部同士で挟まれたバレー領域とを周回軌道に沿って形成する一対の磁極と、バレー領域に設けられたディ電極と、ビームに対して可変的に電場を与える導入ギャップを有し、導入ギャップに入射したビームを偏向させて引出軌道に導入するデフレクタと、ディ電極が設けられたバレー領域以外の少なくとも１つのバレー領域においてビームの周回軌道の径方向における外周側の端部に配置され、ビームを加速させるための高周波電場を発生させる高周波発生部と、を備えたことを特徴とする。

このサイクロトロンによれば、ディ電極とは別にビームを加速させるための高周波電場を発生させる高周波発生部が設けられているので、ビームの１ターン当たりのエネルギー増加量（ΔＫ）が増加し、それによりターンセパレーション（δ）が増加し、その結果、ビームの引出効率（η）が向上する。

また、具体的な構成として、高周波発生部は、ビームの周回軌道が位置する平面であるメディアンプレーン上に設けられた金属製の高周波電極と、ビームの進行方向に直交する断面内で見て高周波電極の周囲を覆う金属製の枠体と、を有し、一対の磁極はメディアンプレーンを挟んで対面しており、枠体には、高周波電極よりも内周側でメディアンプレーン上に延びるスリットが設けられていることとしてもよい。

本発明によれば、ビームの引出効率を高めることが可能なサイクロトロンを提供することができる。

本発明に係るサイクロトロンの内部の平面図である。 図１のサイクロトロンが備える一対の磁極の模式図である。 図１のIII-III断面図であり、図１のサイクロトロンが備える加速空洞の近傍を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るサイクロトロンの実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。なお、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。

図１に示されるように、サイクロトロン１は、真空容器３、ディ電極５ａ，５ｂ、デフレクタ７、およびマグネティックチャネル９を有する。真空容器３は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。真空容器３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２１，２３が設けられている。磁極２１，２３は、平面視で円形をなし、後述のメディアンプレーン２７（図３）に対して上下面対称の形状を成している。また、磁極２１，２３は、荷電粒子ビームの周回軌道Ｂを挟んで、上下方向（図１の紙面に直交する方向）に対面して配置されている。磁極２１，２３のそれぞれの周囲にコイルが配置され、磁極２１と磁極２３との間に磁場が発生される。

図２は、磁極２１，２３のみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、磁極２１，２３は円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、
図１の方向から見た磁極２１，２３の輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。磁極２１の上面には、螺旋状に湾曲した４つの凸部２１ａと、４つの凹部２１ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、磁極２３の下面にも、螺旋状に湾曲した４つの凸部２３ａと、４つの凹部２３ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。凸部２１ａと凸部２３ａ、凹部２１ｂと凹部２３ｂは、互いにメディアンプレーン２７（図３）に対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。なお、ここで磁極２１，２３の凸部２１ａ，２３ａとは、メディアンプレーン２７（図３参照）に向けて突出している部分であり、凹部２１ｂ，２３ｂとは、メディアンプレーン２７から離れるように凹んでいる部分である。また、メディアンプレーン２７とは、荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面である。厳密には、荷電粒子ビームは、磁極２１，２３が対向する方向（図３における上下方向）に振動しながら進行するので、振動する荷電粒子ビームの、磁極２１，２３が対向する方向の位置のおよそ中央値を取った平面がメディアンプレーン２７となる。なお、凸部２１ａ，２３ａ及び凹部２１ｂ，２３ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。

磁極２１と磁極２３との間には、凸部２１ａと凸部２３ａとで挟まれた狭いギャップのヒル領域２５ｈと、凹部２１ｂと凹部２３ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域２５ｖとが形成されている。磁極２１と２３との対称面（メディアンプレーン２７；図３参照）上に、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。

ディ電極５ａ，５ｂは、真空容器３の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させる電極である。ディ電極５ａ，５ｂは、両方ともバレー領域２５ｖに配置され、互いに径方向に対向するように配置されている。ディ電極５ａ，５ｂは、平面視でバレー領域２５ｖの形状に沿った形状に形成されている。磁極２１の中心部には、サイクロトロン１の外部又は内部に設けられたイオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、メディアンプレーン２７上に送るインフレクタ１１が配置される。

デフレクタ７は、磁場中で周回軌道Ｂを周回する荷電粒子ビームを偏向させて、引出軌道に引き出すための装置である。デフレクタ７は、荷電粒子に対して可変的に電場を与えうる導入ギャップを有し、導入ギャップに荷電粒子ビームを導いて偏向させる。マグネティックチャネル９は、荷電粒子ビームを水平方向に収束するための装置である。マグネティックチャネル９は、固定的に磁場勾配を与えうる導入ギャップを有し、導入ギャップに荷電粒子ビームを導いてビームを水平方向に収束する。サイクロトロン１においては、マグネティックチャネル９として、３つのマグネティックチャネル９ａ，９ｂ，９ｃが設置されている。

サイクロトロン１では、磁極２１と磁極２３との間に磁場を発生させると共に、ディ電極５ａ，５ｂに高周波電圧が付与されることで、荷電粒子ビームが、加速されつつ、メディアンプレーン２７上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。径方向の外周側に達した荷電粒子ビームは、マグネティックチャネル９ａの導入ギャップを通過した後、デフレクタ７の導入ギャップで偏向され、更にマグネティックチャネル９ｂ，９ｃの導入ギャップを通過し、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出される。

サイクロトロン１は、ディ電極５ａ，５ｂが設けられたバレー領域２５ｖ以外の少なくとも１つのバレー領域２５ｖに設けられた加速空洞３１を更に備えている。加速空洞３１は、荷電粒子ビームの周回軌道Ｂの径方向における外周側に配置されており、荷電粒子ビームを加速させる機能を有する。

図３に示されるように、加速空洞３１は、荷電粒子ビームの進行方向に延びる金属製の高周波電極３５と、荷電粒子ビームの進行方向に直交する断面（図３に示される断面）内で見て高周波電極３５の周囲を覆う金属製の枠体３７と、で主に構成されている。なお、高周波電極３５は、支持材３９を介して枠体３７の内側に支持されている。また、サイクロトロン１は、加速空洞３１を形成するための高周波発生部３０を備えている。高周波発生部３０は、高周波電極３５、枠体３７、支持材３９、後述の導波管４１及び後述のチューナ４３で構成される。

高周波電極３５は、バレー領域２５ｖの中でも外周側に近い位置（外周側の端部）に配置されており、メディアンプレーン２７上に位置している。また、高周波電極３５は、径方向の内側（荷電粒子ビームの周回軌道の中心側）が開口したコ字状の断面をなしており、荷電粒子ビームが、コ字状断面の内側の部分を通過するようになっている。枠体３７は、断面Ｃ字状をなしており、メディアンプレーン２７上に延びるスリット３７ａを有している。スリット３７ａは、荷電粒子ビームの周回軌道の中心側（内周側）の位置に水平に延在するように形成されている。このスリット３７ａの存在により、枠体３７は、メディアンプレーン２７上を進行する荷電粒子ビームの障害にならず、荷電粒子ビームが枠体３７の内側に侵入することができる。

枠体３７には、導波管４１と、チューナ４３とが接続されている。枠体３７に囲まれた空間を加速空間Ａとすれば、導波管４１は、加速空間Ａに高周波電磁場を付与する。チューナ４３は、例えば、加速空間Ａ内に金属棒材を挿抜することによって、加速空間Ａの電磁的な特性を変化させ、加速空間Ａ内の高周波電磁場の周波数を調整する。これらの構成により、加速空間Ａ内に適切な周波数の電磁場を発生させ、加速空間Ａ内を通過する荷電粒子ビームを加速することができる。

このように、荷電粒子ビームは、加速空洞３１を通過するときに更に運動エネルギーが付与された後、前述のようにデフレクタ７で偏向されサイクロトロン１の外部に出力される。

続いて、上記のような高周波発生部３０及び加速空洞３１を有するサイクロトロン１の作用効果について説明する。

このサイクロトロンによれば、ディ電極５ａ，５ｂとは別に、荷電粒子ビームを加速させるための高周波電場を発生させる高周波発生部３０が更に設けられているので、荷電粒子ビームが更に加速される。よって、荷電粒子ビームの１ターン当たりのエネルギー増加量が増加し、それによりターンセパレーションが増加し、その結果、荷電粒子ビームの引出効率が向上する。

すなわち、この種のサイクロトロン１における荷電粒子ビームの引出効率は、
η＝１−ｔ／δ …（１）
の近似式で表される。但し、ｔはデフレクタ７のセプタムの厚み、δは１ターン当たりのビーム軌道のずれ量（ターンセパレーション）、である。
また、ビーム加速によるターンセパレーションδは、
δ＝｛Ｒ／γ（γ＋１）}・｛ΔＫ／Ｋ｝ …（２）
の近似式で表される。但しＲは、引出時の周回軌道半径、γはローレンツ因子、Ｋはビームの運動エネルギー、ΔＫは１ターン当たりのエネルギー増加量である。

そして、前述のとおり、サイクロトロン１においては、通常のディ電極５ａ，５ｂによる加速に加えて、更に加速空洞３１で荷電粒子ビームが加速されるので、荷電粒子ビームの１ターン当たりのエネルギー増加量ΔＫが増加する。上述の式（１）、（２）によれば、ΔＫの増加によってターンセパレーションδが増加し、その結果、荷電粒子ビームの引出効率ηが向上する。また、この場合、荷電粒子ビームの周回軌道半径Ｒが小さくなったとしても、引出効率ηを確保することができるので、サイクロトロン１の小型化にも貢献する。

また、荷電粒子ビームを局所的に加速するので、加速空洞３１のサイズは小さくすることができ、消費電力も小さくすることができる。また、ディ電極５ａ，５ｂに係るＲＦ空洞のハーモニクスは２（ｆ＝９６ＭＨｚ）であるが、加速空洞３１に係るＲＦ空洞のハーモニクスは４（ｆ＝１９２ＭＨｚ）になっている。ハーモニクスが４であればディ電圧が低めでも（引き出し位置における）同じターンセパレーションが得られるので、ＲＦ空洞の消費電力を下げることができる。なお、ディ電極５ａ，５ｂに係るＲＦ空洞のハーモニクスは２になっているのは、内部イオン源からの荷電粒子ビームの引出しを容易にするためである。また、加速空洞３１のＲＦ位相を調整することによって、等時性が崩れている場合でも引き出し位置におけるターンセパレーションを増やすことが容易になる。また、別のビーム引出方法である歳差引出(precessional extraction)を採用する場合、水平方向チューンが１を通過する辺りでの加速電圧を調節することによって歳差運動の振幅をある程度変えることができるので、加速電圧の調整が可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとして説明したが、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。

１…サイクロトロン、５ａ，５ｂ…ディ電極、２１…磁極、２１ａ…凸部、２１ｂ…凹部、２３…磁極、２３ａ…凸部、２３ｂ…凹部、２５ｈ…ヒル領域、２５ｖ…バレー領域、２７…メディアンプレーン、３７ａ…スリット、３０…高周波発生部、３５…高周波電極、３７…枠体、Ｂ…周回軌道。

Claims (2)

1. ビームの周回軌道を挟んで一対に設けられ、周方向に交互に配列された複数の凸部と複数の凹部とをそれぞれが有し、前記凸部同士で挟まれたヒル領域と前記凹部同士で挟まれたバレー領域とを前記周回軌道に沿って形成する一対の磁極と、
   前記バレー領域に設けられたディ電極と、
   前記ビームに対して可変的に電場を与える導入ギャップを有し、前記導入ギャップに入射した前記ビームを偏向させて引出軌道に導入するデフレクタと、
   前記ディ電極が設けられた前記バレー領域以外の少なくとも１つのバレー領域において前記ビームの周回軌道の径方向における外周側の端部に配置され、ビームを加速させるための高周波電場を発生させる高周波発生部と、を備えたことを特徴とするサイクロトロン。
2. 前記高周波発生部は、前記ビームの前記周回軌道が位置する平面であるメディアンプレーン上に設けられた金属製の高周波電極と、前記ビームの進行方向に直交する断面内で見て前記高周波電極の周囲を覆う金属製の枠体と、を有し、
   前記一対の磁極は前記メディアンプレーンを挟んで対面しており、
   前記枠体には、
   前記高周波電極よりも内周側で前記メディアンプレーン上に延びるスリットが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のサイクロトロン。

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