円形加速器および円形加速器の運転方法
【課題】１台の加速器で加速エネルギーを容易に変えることができ、加速中は高周波加速電極部の共振周波数の変更は不要な円形加速器を提供すること。
【解決手段】偏向磁場を形成する偏向電磁石と、荷電粒子の周回周波数に合わせて高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、荷電粒子の周回方向に高周波電界を発生する加速ギャップを、加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板とを備え、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、偏向電磁石が生成するようにした。
【解決手段】偏向磁場を形成する偏向電磁石と、荷電粒子の周回周波数に合わせて高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、荷電粒子の周回方向に高周波電界を発生する加速ギャップを、加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板とを備え、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、偏向電磁石が生成するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を概円形の螺旋軌道を周回させながら高エネルギーまで加速を行ない、加速された荷電粒子を外部に出射する円形加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
螺旋軌道を周回させながら荷電粒子を高エネルギーまで加速する装置としてシンクロサイクロトロンとサイクロトロンがある。これらシンクロトロンやサイクロトロンにおいて、荷電粒子を安定に加速するためには、「加速電極を通過するタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する」、「ビーム進行方向に所定の収束力を与える、ビーム垂直方向に所定の収束力を与える」といった必要がある。
【０００３】
シンクロサイクロトロンは、例えば特許文献１に記載されているように、イオン源で発生した荷電粒子が、偏向電磁石により周回軌道を形成しながら、加速電極を通過する毎に除々に加速される。エネルギー増加に従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち螺旋軌道となって、加速された荷電粒子が最高エネルギーに達したら出射ダクトから加速器外部へ取り出される。特許文献１に記載されたシンクロサイクロトロンでは、（１）加速電極部の共振周波数を加速中に1kHz程度の周期で高速に変調し、高速に周波数変調された高周波加速電界で加速する、（２）ビーム進行方向の収束力を確保する、（３）弱収束磁場であるため、ビーム垂直方向の収束力が確保できる、という構成となっている。特許文献１に記載された装置では、共振周波数の1kHzレベルの高速変調の難度が非常に高い。
【０００４】
サイクロトロンは、例えば特許文献２に記載されているように、イオン源で発生した荷電粒子が、偏向電磁石により与えられる偏向磁場により周回軌道を形成しながら、加速電極を通過する毎に徐々に加速される。荷電粒子が加速されてエネルギーが増加するに従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち螺旋軌道となって、加速された荷電粒子が最高エネルギーに達したら出射ダクトから加速器外部へ取り出される。ここまではシンクロサイクロトロンと同じである。
【０００５】
サイクロトロンにおいて荷電粒子を安定に加速するためには、（４）加速電極において、荷電粒子の通過のタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する、（５）ビーム垂直方向に所定の収束力を与える、必要があり、また（６）ビーム進行方向には収束力はない。
【０００６】
特許文献２に記載されたサイクロトロンでは、上記（４）については、荷電粒子の周回周波数が加速とともに変化しないように、偏向電磁石の磁場分布を作成するので高周波加速電界の周波数を変調する必要はない。この磁場のことを等時性磁場と呼ぶ。（６）に関し、等時性磁場ではビーム進行方向には収束力がないため、電磁石の磁場整形の精度を１×10^-6程度に高くし、且つ、加速電圧を大きくして、数百ターンほどでビームを取り出
す構成とする。また（５）に関し、等時性磁場とする為に、半径が大きい方向に強くなる磁場とする必要があり、垂直方向に大きな発散力が生じる。この発散力に打ち勝って垂直方向の収束力を得るために、偏向電磁石の構成が、荷電粒子の周回方向に大きい磁極ギャップと小さい磁極ギャップが交互に繰り返す構成となっており、且つ、磁極形状をスパイラル状の磁極形状としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５０７８２６号公報
【特許文献２】特表平５−５０１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の円形加速器は、以下の様な問題点があった。特許文献１のシンクロサイクロトロン、特許文献２のサイクロトロンともに、粒子線治療で用いる様な数100MeVクラスまで加速を行なうには、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが難しい。また、特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、加速中に高周波加速電極部の共振周波数の高速変調が必要であり、大電力が印加される部分を1kHzで高速駆動するので、信頼性の確保が難しい。一方、特許文献２のサイクロトロンでは、電磁石の磁場の必要精度が、ΔB/B=1×10＾-6程度必要であり、実際に設置する場所で、磁場測定と磁極加工の繰り返しにより、上記の精度を実現するといった、煩雑な作業が必要となる。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決し、１台の加速器で加速エネルギーを容易に変えることができ、加速中は高周波加速電極部の共振周波数を変化させることが不要で高信頼な円形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の円形加速器は、狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより偏向磁場を形成する偏向電磁石と、荷電粒子の周回周波数に合わせて高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、荷電粒子の周回方向に高周波電界を発生する加速ギャップを、加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板とを備え、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、偏向電磁石が生成するようにした。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが可能であり、しかも加速中は高周波加速電極部の共振周波数を変化させることは不要な円形加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す、図１のＡ−Ａ断面における断面模式図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面における電磁石の構成を上半分だけ示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による円形加速器の磁場分布の一例を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態１による円形加速器の磁場分布の別の例を示す線図である。
【図６】従来の円形加速器の磁場分布の例を示す線図である。
【図７】本発明の実施の形態１による円形加速器の荷電粒子の周回周波数の半径依存性の一例を示す線図である。
【図８】本発明の実施の形態１による円形加速器の加速電極部の共振周波数とその時得られる出射陽子エネルギーの関係の一例を示す線図である。
【図９】例を示す線図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による円形加速器における、出射陽子エネルギーをパラメータとしたときの磁場分布の例を示す線図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による円形加速器により陽子を加速したときのビーム軌道解析結果の例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による円形加速器に必要な高周波電源出力の例を示す線図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による円形加速器の概略構成を示す横断面模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による円形加速器の磁場修正用コイルの配置の例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による円形加速器における、磁場修正用コイルの動作を説明するための磁場分布の例を示す線図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による円形加速器の別の概略構成を示す横断面模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態４による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。図１は、荷電粒子が周回する軌道平面で切断した断面の機器配置を示している。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面における断面模式図である。さらに、図３は、図１のＢ−Ｂ断面における電磁石の構成を上半分だけ示す断面図である。図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態１による円形加速器の構成、および動作を説明する。
【００１４】
電磁石リターンヨーク１０１、広い磁極ギャップを形成する電磁石バレー１０２、狭い磁極ギャップを形成する電磁石ヒル１０３、励磁コイル１０４により構成される偏向電磁石により、図１の紙面垂直方向に所定の偏向磁場を形成する。その偏向磁場により、イオン源１１０で発生した荷電粒子の周回軌道が形成される。図２において、周回軌道の軌道面Ｏを一点鎖線で示している。また、高周波電磁界結合部１０８を介して高周波電源１２０から高周波を供給して、加速電極（ディ）１０５と、加速電極対向接地板（ダミーディ）１０６との間に形成された加速ギャップ１１３に高周波の加速電界を印加する。荷電粒子が加速ギャップ１１３を通過する毎に、この加速電界により徐々に加速される。荷電粒子が加速される毎に荷電粒子の周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち周回軌道は螺旋軌道となって、最後には出射ダクト１１２より、加速された荷電粒子が加速器外部へ取り出される。なお、イオン源１１０中のアノードやイオン源取出し窓が長期間使用すると損傷するため、イオン源１１０は加速器外へ取り出して保守ができる構成としている。
【００１５】
図１および図３から判る様に、荷電粒子は、電磁石の厚みが薄く磁極ギャップが広い電磁石バレー１０２と、電磁石の厚みが厚く磁極ギャップが狭い電磁石ヒル１０３を交互に通過する。このことにより、荷電粒子の垂直方向の収束力を得ることができる。電磁石ヒル１０３の形状は垂直方向の十分な収束力を得る為に、図１に示すような渦巻き（スパイラル）形状とすることが望ましい。渦巻き形状にすると荷電粒子の進行方向と磁極のエッジ部が角度をもつので荷電粒子が通過するときに垂直方向の所定の収束力を得ることが可能となる。
【００１６】
また、図２に示すように、磁極のギャップは全体として、荷電粒子の周回半径が大きくなる、すなわち外周へゆくほど狭くしており、荷電粒子の周回半径が大きくなるほど磁場
強度が増加する磁場分布を実現している。また、例えば電磁石ヒル１０３の部分が占める角度（セクター角度）を、半径が大きくなるほど広げても、平均の磁場強度を増加させることができる。
【００１７】
図４に、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布を示す。図４において、横軸は半径R(m)、縦軸は偏向磁場強度（磁束密度）B(T)を示す。ここで、平均磁束密度とは、その半径位置での１周にわたる平均の磁束密度のことを言う。図４のａで示す曲線が本発明の磁場分布である。比較のため、特許文献２など従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布を曲線ｂで示している。
【００１８】
本発明においては、加速領域の半径ｒの位置における平均磁束密度Ｂ（ｒ）が次の式（１）で表される磁場分布となるようにする。
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ （１）
ただし、Ｅ（ｒ）は粒子の半径ｒの位置でのトータルエネルギー、xは１ではない定数
、添え字の０はある位置のＢとＥであり、例えばＢ０およびＥ０は、出射位置の半径（螺旋軌道の最外周）における平均磁束密度および粒子のトータルエネルギーである。
図４の曲線ａは、ｘ＝０．９の時の磁場分布を示している。なお、従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布である曲線ｂは、式（１）においてｘ＝１とした時の磁場分布に相当する。
【００１９】
図５に、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布の別の例を示す。横軸が半径R(m)、縦軸が偏向磁場強度（磁束密度）B(T)を示す。図５のaで示す
曲線が本発明の磁場分布の例であり、式（１）におけるｘ＝０．８の時の磁場分布である。図５には、比較のため曲線bとして、特許文献２など従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布を示している。
【００２０】
参考のため、特許文献２など従来のサイクロトロン、および特許文献１など従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布を図６に示す。図６は、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布であり、図中のｂが特許文献２など従来のサイクロトロンの磁場分布で図４および図５の曲線ｂと同じ磁場分布、図中のｃが特許文献１など従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布である。
【００２１】
図４から図６でわかるように、本発明の円形加速器における偏向磁場の磁場分布は、従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布と従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布との中間的な磁場分布としている。本発明における磁場分布は、荷電粒子の発生から出射までの全ての領域で、すなわち半径全体にわたって式（１）を満足する磁場分布である必要はなく、荷電粒子の発生部や出射部は磁石の中心や端部となるので、これらの位置では式（１）から若干ずれても良い。磁場分布が式（１）からずれる部分が全半径の２割程度以上となると加速効率が落ちるので、２割以下にする必要がある。
【００２２】
本発明における、図４の曲線ａで示す磁場分布の円形加速器により陽子を230MeVまで加速するときの荷電粒子の周回周波数の半径依存性を図７に示す。図７において、横軸は半径Ｒ(m)、縦軸は荷電粒子の周回周波数(Hz)を示す。荷電粒子の周回周波数は、入射部分
の25.9MHzから出射部分の25.3MHz程度まで0.6MHz、出射部分の周波数に対して約２％変化する。この変化に合わせて、高周波電源１２０から供給する高周波の周波数を変化させる。高周波電源１２０から供給される高周波の周波数が変化しても、この程度の変化の場合には加速電極部の共振の鋭さ（Ｑ値：中心周波数ｆ／半値幅Δｆ）が１００以下、好ましくは５０程度であれば、加速電極部の共振周波数を変えないで一定にした状態で10kW程度の高周波電源を用いれば230MeVまで加速可能である。図７の例の場合、加速電極部の共振周波数は、入射部分の荷電粒子の周回周波数25.9MHzと出射部分の荷電粒子の周回周波数25.3MHzの中央値25.6MHzとしておけば良い。ここで、加速電極部の共振周波数とは、加速電極１０５、加速電極対向接地板１０６、加速ギャップ１１３、加速電極延長電極１０７、高周波電磁界結合部１０８などを含めて高周波電磁界結合部１０８の入力端から見た負荷全体の共振周波数のことを言う。
【００２３】
このように、加速電極部の共振の鋭さ（Ｑ値）を小さくし、高周波電源１２０から供給される高周波の周波数が変化しても、加速電極部の共振周波数を変化させずに加速電極１０５と、加速電極対向接地板１０６間に所定の加速電界が印加されるようにする。Ｑ値を小さくするためには、加速電極全体の金属（通常の材質は銅）の表面粗さを大きくすることによって実現できる。ただし、本実施の形態１においては、加速電極全体に熱が発生するのを抑制するために、図１に示すように、高周波電磁界結合部１０８にＲＦ電力消費負荷１１１を取り付け、この部分でＲＦ電力を消費させることによりＱ値を小さくする構成としている。
【００２４】
図８は、本発明の高周波の動作と、従来のサイクロトロン、および従来のシンクロサイクロトロンの高周波の動作との違いを概念的に表現した図である。図の横軸は周波数、縦軸は加速電極に印加できる高周波電力を示す。すなわち、図８の曲線は、加速電極部の共振特性を示しており、太実線の曲線が本発明、細実線の曲線が従来のサイクロトロン、破線の曲線が従来のシンクロサイクロトロンにおける加速電極部の共振特性である。また、矢印はそれぞれ供給する高周波の周波数の変化のイメージを示している。従来のサイクロトロンでは、加速電極部の共振特性は鋭く（Ｑ値が大きく）、供給する高周波の周波数は一定である。また、従来のシンクロサイクロトロンでは、加速中に供給する高周波の周波数を変化させるとともに、その変化に対応して加速電極部の共振周波数も変化させる。これらに対して、本発明の円形加速器では、加速中に供給する高周波の周波数を若干変化させるが、その割合は従来のシンクロサイクロトロンに比較して小さい。このため、供給する高周波の周波数の変化量が共振特性の例えば半値幅以下となるように、加速電極部の共振特性のＱ値を小さくしておき、加速電極部の共振周波数を変化させることなく加速ギャップに加速電界が印加されるようにしている。
【００２５】
本発明においては、荷電粒子を加速しない時に、すなわち装置の準備段階において、加速電極部の共振周波数を変更し、高周波電源１２０から供給する高周波を大きく変えることにより、出射荷電粒子のエネルギーを変えることができる。図９に、加速電極部の共振周波数と、出射陽子のエネルギーの関係を示す。図９において、横軸が出射陽子のエネルギー(MeV)で縦軸が共振周波数(MHz)である。70MeVで出射するときは、約16MHz、230MeVで出射するときには約26MHzの共振周波数にすればよい。
【００２６】
図１および図２で示すように、加速電極１０５に接続された加速電極延長電極１０７は、高周波電磁界結合部１０８に接続されている。出射荷電粒子のエネルギーを変更する場合、荷電粒子を加速していない時に、高周波電磁界結合部１０８に設けられたチューナ１０９を矢印方向に移動することにより、高周波電磁界結合部１０８におけるキャパシタンス又はインダクタンスを変更する。このようにして加速電極部の共振周波数を変更する。なお、図２のチューナ１１９と図１のチューナ１０９は形状が異なるが、同様な働き、即ち、高周波電磁界結合部１０８のキャパシタンス又はインダクタンスを変化させる働きをする。出射エネルギーを変更するときには、荷電粒子を加速しない時にチューナ１０９や１１９をゆっくり移動させればよいので、所望の共振周波数を容易に実現可能である。
【００２７】
荷電粒子の加速エネルギーを変化させる時には、偏向電磁石の磁場強度と磁場分布を変更する必要があり、図２に示す励磁コイル１０４に流す電流と磁場修正用コイル２０２に流す電流を調整することにより磁場分布を整形する。すなわち、励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場に、磁場修正用コイル２
０２に流れる電流によって発生する磁場を加えることにより磁場分布を整形する。磁場修正用コイル２０２によって加える磁場は、励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場と方向が反対のこともあり、その場合は磁場を減ずることになる。
【００２８】
図１０に、出射陽子のエネルギーが異なる場合の偏向磁場の半径方向の平均磁束密度分布を示す。図１０において、横軸は半径Ｒ(m)、縦軸は磁束密度Ｂ（Ｔ）である。ａ、ｂ
、ｃ、ｄ、ｅはそれぞれ、出射エネルギーが235MeV、190MeV、150MeV、120MeV、70MeVの
場合の磁場分布である。平均磁束密度の磁場整形は、励磁コイル１０４や磁場修正用コイル２０２の励磁電流を変えることにより行なう。
【００２９】
図１１に、本発明の円形加速器により陽子を180MeVまで加速したビーム軌道解析例を示す。横軸は加速位相（度）、縦軸はエネルギー(MeV)を示す。イオン源１１０から30keVの陽子を発生させ、高周波電界と周回磁場の中をどのように加速されるかをビーム軌道解析した結果である。磁場分布はａ＝０．９２で計算している。図から非常に大きな縦方向の安定領域を形成しながら、安定に加速されていることがわかる。高エネルギーの加速粒子から徐々に出射ダクト１１２に達し加速器外に取り出される。
【００３０】
図１２に、加速領域の磁場分布、ずなわち、式（１）で表される平均磁束密度のｘを変化させたときの加速電極を励振するために必要な高周波電源出力（kＷ）を示す。図１２
において、横軸は式（１）のｘの値、縦軸は高周波電源出力(kW)である。図からｘの値が１に近ければ近いほど、高周波電源出力は小さくてすむ。一方、図１１と同様な計算を行なうと、ｘ>0.98の場合には偏向電磁石に起因する誤差電磁界の影響で安定に荷電粒子を
加速することができない。また、ｘ<-0.2の場合、即ち、高周波電力の値が120kWを超えると、共振のＱ値を下げた時に加速電極内での発熱が大きく、通常の方法での水冷は難しくなる。以上により、ｘの値は、-0.2 <ｘ< 0.97が望ましい。この条件を、荷電粒子の周回周波数の変化Δｆに置き換えると、荷電粒子の出射部分の周回周波数ｆ０に対して、
０．００７＊ｆ０＜Δｆ＜０．２４７＊ｆ０
になる。つまり、本発明の偏向磁場の磁場分布は、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、出射部分における荷電粒子の周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する磁場となっている。本発明の偏向磁場の分布は、逆にいえば、上記のような荷電粒子の周回周波数の変化を生じるような、あるいは供給する高周波の周波数を上記のように変化させることにより加速できるような磁場分布に設定することを意味している。
【００３１】
なお、図１の例では、円形加速器の入射位置にイオン源１１０を配置して荷電粒子を発生させていたが、加速器の外部で荷電粒子を発生させ、イオン源１１０と同じ場所に設置された入射電極を通して、加速器内に荷電粒子を入射（一般に外部入射と呼ばれる）させても同じ効果を奏する。
【００３２】
また、図１の例では、ＲＦ電力消費負荷１１１によりＲＦ電力を消費させＱ値を小さくしたが、ＲＦ電力消費負荷１１１の場所にカプラー等のＲＦ電力取り出し部を設け、ＲＦ電力を取り出し、加速器外でＲＦ電力を消費させることによりＱ値を小さくしても良い。
【００３３】
以上のように、本発明の実施の形態１による円形加速器は、磁場分布を式（１）におけるｘを１以外の値、すなわち従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布と従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布の間の磁場分布とした。ただし、磁場分布は、精確に式（１）に従った磁場分布ではなくても、半径全体の２割程度の部分が式（１）からずれていても構わない。この偏向磁場の磁場分布は、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上
、２４．７％以下の変化量で変化する磁場となっている。また、加速電極部の共振特性におけるＱ値を小さくして、供給する高周波の周波数が変化しても、加速電極部の共振周波数を変化させずに、加速ギャップに加速電界が印加されるようにしている。Ｑ値としては、好ましくは１００以下とし、供給する高周波の周波数変化は、加速電極部の共振特性の半値幅以下となるようにする。共振特性のＱ値を下げ過ぎると高周波損失が増えすぎる。
【００３４】
以上のような構成により、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが可能であり、しかも加速中は加速電極部の共振周波数を変化させることは不要なため高信頼であり、電磁石の磁場の必要精度が、２×１０＾-3程度で良く、組み立て後に磁極の再加工が不要な円形加速器が得られるという効果を奏する。
【００３５】
実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２による円形加速器の概略構成を示す横断面模式図であり、実施の形態１の図２に相当する図である。図１３において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態２では、図１３に示すように、磁極面に複数の磁場修正用コイル２０２を並べて外側程強い磁場となるように励磁している。図１４に磁場修正用コイル２０２のより具体的な配置の例を示す。図１４は、電磁石リターンヨーク１０１の磁極面、すなわち、電磁石ヒル１０３と電磁石バレー１０２が交互に繰り返す部分を軌道平面から見た図である。磁場修正用コイル２０２は少なくとも電磁石ヒル１０３の磁極面上に周方向に電流が流れるように配置されている。励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場に、この磁場修正用コイル２０２に流れる電流によって発生する磁場を加えることにより磁場分布を整形する。外側の磁場修正用コイル程電流を多く流す、あるいは外側ほどコイルの密度を高める、などにより外側ほど強い磁場となるようにする。実施の形態１においては、磁場修正用コイル２０２を１か所だけに設けたが、本実施の形態２では、以上のように磁場修正用コイル２０２を複数設け、外側程強い磁場となるように励磁する。
【００３６】
次に、図１５を参照して、磁場修正用コイル２０２の動作を説明する。図１５は、先に説明した図１０と同様、出射陽子のエネルギーが異なる場合の偏向磁場の半径方向の平均磁束密度分布を示す。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅはそれぞれ、出射エネルギーが235MeV、190MeV、150MeV、120MeV、70MeVの場合の磁場分布である。例えば、図１５のｃの曲線で示す150MeVに相当する偏向磁場の平均磁束密度分布を、磁極ギャップの形状１０１と励磁コイル
１０４により生成する。その後、235MeVにエネルギーを変更する場合、励磁コイル１０４の起磁力を増加させるが、それだけでは、図１５のａ１の破線で示す偏向磁場の平均磁束密度分布しか得らないことが考えられる。この場合、ａで示す所定の磁場分布、すなわち235MeVのエネルギーを得るための磁場分布が得られない。そこで、磁場修正用コイル２０２により発生する補正磁場を加えることにより、ａ１であった磁場分布を、ａの磁場分布とすることで、出射エネルギーが235MeVとなるよう加速できる磁場分布が得られる。また、70MeVにエネルギー変更する場合、コイルの起磁力を減少させるが、それだけでは、図１５のｅ１の破線で示す偏向磁場の平均磁束密度分布しか得らないことが考えられる。この場合、ｅで示す所定の磁場分布が得られない。そこで、磁場修正用コイル２０２により負の、すなわち逆方向の補正磁場を発生させて、ｅ１であった磁場分布を、ｅの磁場分布とすることで、出射エネルギーが75MeVとなるよう加速できる磁場分布が得られる。
【００３７】
図１６は、本発明の実施の形態２による円形加速器の別の概略構成を示す横断面模式図である。図１６において、図１３と同一符号は同一または相当する部分を示す。図１４に示したような、電磁石ヒル１０３に設けた磁場修正用コイル２０２のみでは、特に電磁石リターンヨーク１０１が磁気飽和した場合など、最外周辺りの急峻な磁場勾配を実現できないことも考えられる。この場合、図１６に示すように、励磁コイル１０４を、励磁コイル１０４と磁場修正用コイル２０３に分割して、すなわち磁場修正用コイル２０３を励磁
コイル１０４の半径方向位置と同じ位置に設ける。電磁石リターンヨーク１０１が磁気飽和する領域では、磁場修正用コイル２０３により修正磁場を発生させて、最外周辺りの急峻な磁場勾配を実現できるようにする。
【００３８】
このように、本発明によれば、電磁石の磁場の必要精度が、２×１０＾-3程度で良いため、磁場を発生させる構成として、磁場修正用コイル２０２、２０３のように、コイルを適切な位置に配置するなど、種々の構成をとることができる。また、従来のサイクロトロンで必要であった、機器組み立て後に磁極を再加工するなど、磁場の再調整が不要となる効果も奏する。
【００３９】
実施の形態３．
図１７は、本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示す断面模式図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。図１７において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態３による円形加速器においては、図１とは高周波電磁界結合部１０８におけるチューナの構成が異なり、チューナを回転コンデンサ１２９としている。回転コンデンサ１２９の電極が回転することによりキャパシタンスを変更して、加速電極部の共振周波数を変更する。本発明による円形加速器では、加速電極部の共振周波数の変更は、エネルギーを変更する場合に行うのであって、荷電粒子の加速中には行わない。従って、回転コンデンサ１２９を数秒かけてゆっくり回転させれば良く、従来のシンクロサイクロトロンのように荷電粒子を加速中に１ｋＨｚといった高速で共振周波数の変更を行う必要が無いため、高信頼なシステムが実現できる。
【００４０】
実施の形態４．
図１８は、本発明の実施の形態４による円形加速器の概略構成を示す断面模式図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。図１８において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態４による円形加速器においては、図１と加速電極の構成が異なり、図１８のように加速電極１１５を、電磁石バレー１０２（磁極ギャップが広い部分）の部分のみに設置している。この場合、加速電極１１５の両側の加速ギャップ１１３において荷電粒子が加速される高周波電界の位相にするために、図１などに示した構成の加速電極を用いた場合に対して、供給する高周波の周波数をＮ倍（Ｎは２以上の正整数）に高くすれば良い。このような構成とすることで加速電極１１５の設置スペースを確保しながら、電磁石ヒル１０３（磁極ギャップが狭い部分）の磁極ギャップを狭くできるので、強い垂直方向のビーム収束力が確保でき安定にビームを加速できるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００４１】
１０１：電磁石リターンヨーク １０２：電磁石バレー
１０３：電磁石ヒル １０４：励磁コイル
１０５：加速電極 １０６：加速電極対向接地板
１０８：高周波電磁界結合部 １０９、１１９：チューナ
１１０：イオン源 １１１：ＲＦ電力消費負荷
１１２：出射ダクト １１３：加速ギャップ
１２０：高周波電源 １２９：回転コンデンサ（チューナ）
２０２、２０３：磁場修正用コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を概円形の螺旋軌道を周回させながら高エネルギーまで加速を行ない、加速された荷電粒子を外部に出射する円形加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
螺旋軌道を周回させながら荷電粒子を高エネルギーまで加速する装置としてシンクロサイクロトロンとサイクロトロンがある。これらシンクロトロンやサイクロトロンにおいて、荷電粒子を安定に加速するためには、「加速電極を通過するタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する」、「ビーム進行方向に所定の収束力を与える、ビーム垂直方向に所定の収束力を与える」といった必要がある。
【０００３】
シンクロサイクロトロンは、例えば特許文献１に記載されているように、イオン源で発生した荷電粒子が、偏向電磁石により周回軌道を形成しながら、加速電極を通過する毎に除々に加速される。エネルギー増加に従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち螺旋軌道となって、加速された荷電粒子が最高エネルギーに達したら出射ダクトから加速器外部へ取り出される。特許文献１に記載されたシンクロサイクロトロンでは、（１）加速電極部の共振周波数を加速中に1kHz程度の周期で高速に変調し、高速に周波数変調された高周波加速電界で加速する、（２）ビーム進行方向の収束力を確保する、（３）弱収束磁場であるため、ビーム垂直方向の収束力が確保できる、という構成となっている。特許文献１に記載された装置では、共振周波数の1kHzレベルの高速変調の難度が非常に高い。
【０００４】
サイクロトロンは、例えば特許文献２に記載されているように、イオン源で発生した荷電粒子が、偏向電磁石により与えられる偏向磁場により周回軌道を形成しながら、加速電極を通過する毎に徐々に加速される。荷電粒子が加速されてエネルギーが増加するに従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち螺旋軌道となって、加速された荷電粒子が最高エネルギーに達したら出射ダクトから加速器外部へ取り出される。ここまではシンクロサイクロトロンと同じである。
【０００５】
サイクロトロンにおいて荷電粒子を安定に加速するためには、（４）加速電極において、荷電粒子の通過のタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する、（５）ビーム垂直方向に所定の収束力を与える、必要があり、また（６）ビーム進行方向には収束力はない。
【０００６】
特許文献２に記載されたサイクロトロンでは、上記（４）については、荷電粒子の周回周波数が加速とともに変化しないように、偏向電磁石の磁場分布を作成するので高周波加速電界の周波数を変調する必要はない。この磁場のことを等時性磁場と呼ぶ。（６）に関し、等時性磁場ではビーム進行方向には収束力がないため、電磁石の磁場整形の精度を１×10^-6程度に高くし、且つ、加速電圧を大きくして、数百ターンほどでビームを取り出
す構成とする。また（５）に関し、等時性磁場とする為に、半径が大きい方向に強くなる磁場とする必要があり、垂直方向に大きな発散力が生じる。この発散力に打ち勝って垂直方向の収束力を得るために、偏向電磁石の構成が、荷電粒子の周回方向に大きい磁極ギャップと小さい磁極ギャップが交互に繰り返す構成となっており、且つ、磁極形状をスパイラル状の磁極形状としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５０７８２６号公報
【特許文献２】特表平５−５０１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の円形加速器は、以下の様な問題点があった。特許文献１のシンクロサイクロトロン、特許文献２のサイクロトロンともに、粒子線治療で用いる様な数100MeVクラスまで加速を行なうには、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが難しい。また、特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、加速中に高周波加速電極部の共振周波数の高速変調が必要であり、大電力が印加される部分を1kHzで高速駆動するので、信頼性の確保が難しい。一方、特許文献２のサイクロトロンでは、電磁石の磁場の必要精度が、ΔB/B=1×10＾-6程度必要であり、実際に設置する場所で、磁場測定と磁極加工の繰り返しにより、上記の精度を実現するといった、煩雑な作業が必要となる。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決し、１台の加速器で加速エネルギーを容易に変えることができ、加速中は高周波加速電極部の共振周波数を変化させることが不要で高信頼な円形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の円形加速器は、狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより偏向磁場を形成する偏向電磁石と、荷電粒子の周回周波数に合わせて高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、荷電粒子の周回方向に高周波電界を発生する加速ギャップを、加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板とを備え、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、偏向電磁石が生成するようにした。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが可能であり、しかも加速中は高周波加速電極部の共振周波数を変化させることは不要な円形加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す、図１のＡ−Ａ断面における断面模式図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面における電磁石の構成を上半分だけ示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による円形加速器の磁場分布の一例を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態１による円形加速器の磁場分布の別の例を示す線図である。
【図６】従来の円形加速器の磁場分布の例を示す線図である。
【図７】本発明の実施の形態１による円形加速器の荷電粒子の周回周波数の半径依存性の一例を示す線図である。
【図８】本発明の実施の形態１による円形加速器の加速電極部の共振周波数とその時得られる出射陽子エネルギーの関係の一例を示す線図である。
【図９】例を示す線図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による円形加速器における、出射陽子エネルギーをパラメータとしたときの磁場分布の例を示す線図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による円形加速器により陽子を加速したときのビーム軌道解析結果の例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による円形加速器に必要な高周波電源出力の例を示す線図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による円形加速器の概略構成を示す横断面模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による円形加速器の磁場修正用コイルの配置の例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による円形加速器における、磁場修正用コイルの動作を説明するための磁場分布の例を示す線図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による円形加速器の別の概略構成を示す横断面模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態４による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示す断面模式図である。図１は、荷電粒子が周回する軌道平面で切断した断面の機器配置を示している。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面における断面模式図である。さらに、図３は、図１のＢ−Ｂ断面における電磁石の構成を上半分だけ示す断面図である。図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態１による円形加速器の構成、および動作を説明する。
【００１４】
電磁石リターンヨーク１０１、広い磁極ギャップを形成する電磁石バレー１０２、狭い磁極ギャップを形成する電磁石ヒル１０３、励磁コイル１０４により構成される偏向電磁石により、図１の紙面垂直方向に所定の偏向磁場を形成する。その偏向磁場により、イオン源１１０で発生した荷電粒子の周回軌道が形成される。図２において、周回軌道の軌道面Ｏを一点鎖線で示している。また、高周波電磁界結合部１０８を介して高周波電源１２０から高周波を供給して、加速電極（ディ）１０５と、加速電極対向接地板（ダミーディ）１０６との間に形成された加速ギャップ１１３に高周波の加速電界を印加する。荷電粒子が加速ギャップ１１３を通過する毎に、この加速電界により徐々に加速される。荷電粒子が加速される毎に荷電粒子の周回軌道の半径は徐々に大きくなり、すなわち周回軌道は螺旋軌道となって、最後には出射ダクト１１２より、加速された荷電粒子が加速器外部へ取り出される。なお、イオン源１１０中のアノードやイオン源取出し窓が長期間使用すると損傷するため、イオン源１１０は加速器外へ取り出して保守ができる構成としている。
【００１５】
図１および図３から判る様に、荷電粒子は、電磁石の厚みが薄く磁極ギャップが広い電磁石バレー１０２と、電磁石の厚みが厚く磁極ギャップが狭い電磁石ヒル１０３を交互に通過する。このことにより、荷電粒子の垂直方向の収束力を得ることができる。電磁石ヒル１０３の形状は垂直方向の十分な収束力を得る為に、図１に示すような渦巻き（スパイラル）形状とすることが望ましい。渦巻き形状にすると荷電粒子の進行方向と磁極のエッジ部が角度をもつので荷電粒子が通過するときに垂直方向の所定の収束力を得ることが可能となる。
【００１６】
また、図２に示すように、磁極のギャップは全体として、荷電粒子の周回半径が大きくなる、すなわち外周へゆくほど狭くしており、荷電粒子の周回半径が大きくなるほど磁場
強度が増加する磁場分布を実現している。また、例えば電磁石ヒル１０３の部分が占める角度（セクター角度）を、半径が大きくなるほど広げても、平均の磁場強度を増加させることができる。
【００１７】
図４に、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布を示す。図４において、横軸は半径R(m)、縦軸は偏向磁場強度（磁束密度）B(T)を示す。ここで、平均磁束密度とは、その半径位置での１周にわたる平均の磁束密度のことを言う。図４のａで示す曲線が本発明の磁場分布である。比較のため、特許文献２など従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布を曲線ｂで示している。
【００１８】
本発明においては、加速領域の半径ｒの位置における平均磁束密度Ｂ（ｒ）が次の式（１）で表される磁場分布となるようにする。
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ （１）
ただし、Ｅ（ｒ）は粒子の半径ｒの位置でのトータルエネルギー、xは１ではない定数
、添え字の０はある位置のＢとＥであり、例えばＢ０およびＥ０は、出射位置の半径（螺旋軌道の最外周）における平均磁束密度および粒子のトータルエネルギーである。
図４の曲線ａは、ｘ＝０．９の時の磁場分布を示している。なお、従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布である曲線ｂは、式（１）においてｘ＝１とした時の磁場分布に相当する。
【００１９】
図５に、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布の別の例を示す。横軸が半径R(m)、縦軸が偏向磁場強度（磁束密度）B(T)を示す。図５のaで示す
曲線が本発明の磁場分布の例であり、式（１）におけるｘ＝０．８の時の磁場分布である。図５には、比較のため曲線bとして、特許文献２など従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布を示している。
【００２０】
参考のため、特許文献２など従来のサイクロトロン、および特許文献１など従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布を図６に示す。図６は、陽子を230MeVまで加速するときに必要な半径方向の平均磁束密度分布であり、図中のｂが特許文献２など従来のサイクロトロンの磁場分布で図４および図５の曲線ｂと同じ磁場分布、図中のｃが特許文献１など従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布である。
【００２１】
図４から図６でわかるように、本発明の円形加速器における偏向磁場の磁場分布は、従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布と従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布との中間的な磁場分布としている。本発明における磁場分布は、荷電粒子の発生から出射までの全ての領域で、すなわち半径全体にわたって式（１）を満足する磁場分布である必要はなく、荷電粒子の発生部や出射部は磁石の中心や端部となるので、これらの位置では式（１）から若干ずれても良い。磁場分布が式（１）からずれる部分が全半径の２割程度以上となると加速効率が落ちるので、２割以下にする必要がある。
【００２２】
本発明における、図４の曲線ａで示す磁場分布の円形加速器により陽子を230MeVまで加速するときの荷電粒子の周回周波数の半径依存性を図７に示す。図７において、横軸は半径Ｒ(m)、縦軸は荷電粒子の周回周波数(Hz)を示す。荷電粒子の周回周波数は、入射部分
の25.9MHzから出射部分の25.3MHz程度まで0.6MHz、出射部分の周波数に対して約２％変化する。この変化に合わせて、高周波電源１２０から供給する高周波の周波数を変化させる。高周波電源１２０から供給される高周波の周波数が変化しても、この程度の変化の場合には加速電極部の共振の鋭さ（Ｑ値：中心周波数ｆ／半値幅Δｆ）が１００以下、好ましくは５０程度であれば、加速電極部の共振周波数を変えないで一定にした状態で10kW程度の高周波電源を用いれば230MeVまで加速可能である。図７の例の場合、加速電極部の共振周波数は、入射部分の荷電粒子の周回周波数25.9MHzと出射部分の荷電粒子の周回周波数25.3MHzの中央値25.6MHzとしておけば良い。ここで、加速電極部の共振周波数とは、加速電極１０５、加速電極対向接地板１０６、加速ギャップ１１３、加速電極延長電極１０７、高周波電磁界結合部１０８などを含めて高周波電磁界結合部１０８の入力端から見た負荷全体の共振周波数のことを言う。
【００２３】
このように、加速電極部の共振の鋭さ（Ｑ値）を小さくし、高周波電源１２０から供給される高周波の周波数が変化しても、加速電極部の共振周波数を変化させずに加速電極１０５と、加速電極対向接地板１０６間に所定の加速電界が印加されるようにする。Ｑ値を小さくするためには、加速電極全体の金属（通常の材質は銅）の表面粗さを大きくすることによって実現できる。ただし、本実施の形態１においては、加速電極全体に熱が発生するのを抑制するために、図１に示すように、高周波電磁界結合部１０８にＲＦ電力消費負荷１１１を取り付け、この部分でＲＦ電力を消費させることによりＱ値を小さくする構成としている。
【００２４】
図８は、本発明の高周波の動作と、従来のサイクロトロン、および従来のシンクロサイクロトロンの高周波の動作との違いを概念的に表現した図である。図の横軸は周波数、縦軸は加速電極に印加できる高周波電力を示す。すなわち、図８の曲線は、加速電極部の共振特性を示しており、太実線の曲線が本発明、細実線の曲線が従来のサイクロトロン、破線の曲線が従来のシンクロサイクロトロンにおける加速電極部の共振特性である。また、矢印はそれぞれ供給する高周波の周波数の変化のイメージを示している。従来のサイクロトロンでは、加速電極部の共振特性は鋭く（Ｑ値が大きく）、供給する高周波の周波数は一定である。また、従来のシンクロサイクロトロンでは、加速中に供給する高周波の周波数を変化させるとともに、その変化に対応して加速電極部の共振周波数も変化させる。これらに対して、本発明の円形加速器では、加速中に供給する高周波の周波数を若干変化させるが、その割合は従来のシンクロサイクロトロンに比較して小さい。このため、供給する高周波の周波数の変化量が共振特性の例えば半値幅以下となるように、加速電極部の共振特性のＱ値を小さくしておき、加速電極部の共振周波数を変化させることなく加速ギャップに加速電界が印加されるようにしている。
【００２５】
本発明においては、荷電粒子を加速しない時に、すなわち装置の準備段階において、加速電極部の共振周波数を変更し、高周波電源１２０から供給する高周波を大きく変えることにより、出射荷電粒子のエネルギーを変えることができる。図９に、加速電極部の共振周波数と、出射陽子のエネルギーの関係を示す。図９において、横軸が出射陽子のエネルギー(MeV)で縦軸が共振周波数(MHz)である。70MeVで出射するときは、約16MHz、230MeVで出射するときには約26MHzの共振周波数にすればよい。
【００２６】
図１および図２で示すように、加速電極１０５に接続された加速電極延長電極１０７は、高周波電磁界結合部１０８に接続されている。出射荷電粒子のエネルギーを変更する場合、荷電粒子を加速していない時に、高周波電磁界結合部１０８に設けられたチューナ１０９を矢印方向に移動することにより、高周波電磁界結合部１０８におけるキャパシタンス又はインダクタンスを変更する。このようにして加速電極部の共振周波数を変更する。なお、図２のチューナ１１９と図１のチューナ１０９は形状が異なるが、同様な働き、即ち、高周波電磁界結合部１０８のキャパシタンス又はインダクタンスを変化させる働きをする。出射エネルギーを変更するときには、荷電粒子を加速しない時にチューナ１０９や１１９をゆっくり移動させればよいので、所望の共振周波数を容易に実現可能である。
【００２７】
荷電粒子の加速エネルギーを変化させる時には、偏向電磁石の磁場強度と磁場分布を変更する必要があり、図２に示す励磁コイル１０４に流す電流と磁場修正用コイル２０２に流す電流を調整することにより磁場分布を整形する。すなわち、励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場に、磁場修正用コイル２
０２に流れる電流によって発生する磁場を加えることにより磁場分布を整形する。磁場修正用コイル２０２によって加える磁場は、励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場と方向が反対のこともあり、その場合は磁場を減ずることになる。
【００２８】
図１０に、出射陽子のエネルギーが異なる場合の偏向磁場の半径方向の平均磁束密度分布を示す。図１０において、横軸は半径Ｒ(m)、縦軸は磁束密度Ｂ（Ｔ）である。ａ、ｂ
、ｃ、ｄ、ｅはそれぞれ、出射エネルギーが235MeV、190MeV、150MeV、120MeV、70MeVの
場合の磁場分布である。平均磁束密度の磁場整形は、励磁コイル１０４や磁場修正用コイル２０２の励磁電流を変えることにより行なう。
【００２９】
図１１に、本発明の円形加速器により陽子を180MeVまで加速したビーム軌道解析例を示す。横軸は加速位相（度）、縦軸はエネルギー(MeV)を示す。イオン源１１０から30keVの陽子を発生させ、高周波電界と周回磁場の中をどのように加速されるかをビーム軌道解析した結果である。磁場分布はａ＝０．９２で計算している。図から非常に大きな縦方向の安定領域を形成しながら、安定に加速されていることがわかる。高エネルギーの加速粒子から徐々に出射ダクト１１２に達し加速器外に取り出される。
【００３０】
図１２に、加速領域の磁場分布、ずなわち、式（１）で表される平均磁束密度のｘを変化させたときの加速電極を励振するために必要な高周波電源出力（kＷ）を示す。図１２
において、横軸は式（１）のｘの値、縦軸は高周波電源出力(kW)である。図からｘの値が１に近ければ近いほど、高周波電源出力は小さくてすむ。一方、図１１と同様な計算を行なうと、ｘ>0.98の場合には偏向電磁石に起因する誤差電磁界の影響で安定に荷電粒子を
加速することができない。また、ｘ<-0.2の場合、即ち、高周波電力の値が120kWを超えると、共振のＱ値を下げた時に加速電極内での発熱が大きく、通常の方法での水冷は難しくなる。以上により、ｘの値は、-0.2 <ｘ< 0.97が望ましい。この条件を、荷電粒子の周回周波数の変化Δｆに置き換えると、荷電粒子の出射部分の周回周波数ｆ０に対して、
０．００７＊ｆ０＜Δｆ＜０．２４７＊ｆ０
になる。つまり、本発明の偏向磁場の磁場分布は、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、出射部分における荷電粒子の周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する磁場となっている。本発明の偏向磁場の分布は、逆にいえば、上記のような荷電粒子の周回周波数の変化を生じるような、あるいは供給する高周波の周波数を上記のように変化させることにより加速できるような磁場分布に設定することを意味している。
【００３１】
なお、図１の例では、円形加速器の入射位置にイオン源１１０を配置して荷電粒子を発生させていたが、加速器の外部で荷電粒子を発生させ、イオン源１１０と同じ場所に設置された入射電極を通して、加速器内に荷電粒子を入射（一般に外部入射と呼ばれる）させても同じ効果を奏する。
【００３２】
また、図１の例では、ＲＦ電力消費負荷１１１によりＲＦ電力を消費させＱ値を小さくしたが、ＲＦ電力消費負荷１１１の場所にカプラー等のＲＦ電力取り出し部を設け、ＲＦ電力を取り出し、加速器外でＲＦ電力を消費させることによりＱ値を小さくしても良い。
【００３３】
以上のように、本発明の実施の形態１による円形加速器は、磁場分布を式（１）におけるｘを１以外の値、すなわち従来のシンクロサイクロトロンの典型的な磁場分布と従来のサイクロトロンの典型的な磁場分布の間の磁場分布とした。ただし、磁場分布は、精確に式（１）に従った磁場分布ではなくても、半径全体の２割程度の部分が式（１）からずれていても構わない。この偏向磁場の磁場分布は、荷電粒子の周回周波数が、荷電粒子の入射から出射までの間に、荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上
、２４．７％以下の変化量で変化する磁場となっている。また、加速電極部の共振特性におけるＱ値を小さくして、供給する高周波の周波数が変化しても、加速電極部の共振周波数を変化させずに、加速ギャップに加速電界が印加されるようにしている。Ｑ値としては、好ましくは１００以下とし、供給する高周波の周波数変化は、加速電極部の共振特性の半値幅以下となるようにする。共振特性のＱ値を下げ過ぎると高周波損失が増えすぎる。
【００３４】
以上のような構成により、１台の加速器で加速エネルギーを変えることが可能であり、しかも加速中は加速電極部の共振周波数を変化させることは不要なため高信頼であり、電磁石の磁場の必要精度が、２×１０＾-3程度で良く、組み立て後に磁極の再加工が不要な円形加速器が得られるという効果を奏する。
【００３５】
実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２による円形加速器の概略構成を示す横断面模式図であり、実施の形態１の図２に相当する図である。図１３において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態２では、図１３に示すように、磁極面に複数の磁場修正用コイル２０２を並べて外側程強い磁場となるように励磁している。図１４に磁場修正用コイル２０２のより具体的な配置の例を示す。図１４は、電磁石リターンヨーク１０１の磁極面、すなわち、電磁石ヒル１０３と電磁石バレー１０２が交互に繰り返す部分を軌道平面から見た図である。磁場修正用コイル２０２は少なくとも電磁石ヒル１０３の磁極面上に周方向に電流が流れるように配置されている。励磁コイル１０４と電磁石リターンヨーク１０１によって磁気ギャップに形成される磁場に、この磁場修正用コイル２０２に流れる電流によって発生する磁場を加えることにより磁場分布を整形する。外側の磁場修正用コイル程電流を多く流す、あるいは外側ほどコイルの密度を高める、などにより外側ほど強い磁場となるようにする。実施の形態１においては、磁場修正用コイル２０２を１か所だけに設けたが、本実施の形態２では、以上のように磁場修正用コイル２０２を複数設け、外側程強い磁場となるように励磁する。
【００３６】
次に、図１５を参照して、磁場修正用コイル２０２の動作を説明する。図１５は、先に説明した図１０と同様、出射陽子のエネルギーが異なる場合の偏向磁場の半径方向の平均磁束密度分布を示す。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅはそれぞれ、出射エネルギーが235MeV、190MeV、150MeV、120MeV、70MeVの場合の磁場分布である。例えば、図１５のｃの曲線で示す150MeVに相当する偏向磁場の平均磁束密度分布を、磁極ギャップの形状１０１と励磁コイル
１０４により生成する。その後、235MeVにエネルギーを変更する場合、励磁コイル１０４の起磁力を増加させるが、それだけでは、図１５のａ１の破線で示す偏向磁場の平均磁束密度分布しか得らないことが考えられる。この場合、ａで示す所定の磁場分布、すなわち235MeVのエネルギーを得るための磁場分布が得られない。そこで、磁場修正用コイル２０２により発生する補正磁場を加えることにより、ａ１であった磁場分布を、ａの磁場分布とすることで、出射エネルギーが235MeVとなるよう加速できる磁場分布が得られる。また、70MeVにエネルギー変更する場合、コイルの起磁力を減少させるが、それだけでは、図１５のｅ１の破線で示す偏向磁場の平均磁束密度分布しか得らないことが考えられる。この場合、ｅで示す所定の磁場分布が得られない。そこで、磁場修正用コイル２０２により負の、すなわち逆方向の補正磁場を発生させて、ｅ１であった磁場分布を、ｅの磁場分布とすることで、出射エネルギーが75MeVとなるよう加速できる磁場分布が得られる。
【００３７】
図１６は、本発明の実施の形態２による円形加速器の別の概略構成を示す横断面模式図である。図１６において、図１３と同一符号は同一または相当する部分を示す。図１４に示したような、電磁石ヒル１０３に設けた磁場修正用コイル２０２のみでは、特に電磁石リターンヨーク１０１が磁気飽和した場合など、最外周辺りの急峻な磁場勾配を実現できないことも考えられる。この場合、図１６に示すように、励磁コイル１０４を、励磁コイル１０４と磁場修正用コイル２０３に分割して、すなわち磁場修正用コイル２０３を励磁
コイル１０４の半径方向位置と同じ位置に設ける。電磁石リターンヨーク１０１が磁気飽和する領域では、磁場修正用コイル２０３により修正磁場を発生させて、最外周辺りの急峻な磁場勾配を実現できるようにする。
【００３８】
このように、本発明によれば、電磁石の磁場の必要精度が、２×１０＾-3程度で良いため、磁場を発生させる構成として、磁場修正用コイル２０２、２０３のように、コイルを適切な位置に配置するなど、種々の構成をとることができる。また、従来のサイクロトロンで必要であった、機器組み立て後に磁極を再加工するなど、磁場の再調整が不要となる効果も奏する。
【００３９】
実施の形態３．
図１７は、本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示す断面模式図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。図１７において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態３による円形加速器においては、図１とは高周波電磁界結合部１０８におけるチューナの構成が異なり、チューナを回転コンデンサ１２９としている。回転コンデンサ１２９の電極が回転することによりキャパシタンスを変更して、加速電極部の共振周波数を変更する。本発明による円形加速器では、加速電極部の共振周波数の変更は、エネルギーを変更する場合に行うのであって、荷電粒子の加速中には行わない。従って、回転コンデンサ１２９を数秒かけてゆっくり回転させれば良く、従来のシンクロサイクロトロンのように荷電粒子を加速中に１ｋＨｚといった高速で共振周波数の変更を行う必要が無いため、高信頼なシステムが実現できる。
【００４０】
実施の形態４．
図１８は、本発明の実施の形態４による円形加速器の概略構成を示す断面模式図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。図１８において、図１、図２と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態４による円形加速器においては、図１と加速電極の構成が異なり、図１８のように加速電極１１５を、電磁石バレー１０２（磁極ギャップが広い部分）の部分のみに設置している。この場合、加速電極１１５の両側の加速ギャップ１１３において荷電粒子が加速される高周波電界の位相にするために、図１などに示した構成の加速電極を用いた場合に対して、供給する高周波の周波数をＮ倍（Ｎは２以上の正整数）に高くすれば良い。このような構成とすることで加速電極１１５の設置スペースを確保しながら、電磁石ヒル１０３（磁極ギャップが狭い部分）の磁極ギャップを狭くできるので、強い垂直方向のビーム収束力が確保でき安定にビームを加速できるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００４１】
１０１：電磁石リターンヨーク １０２：電磁石バレー
１０３：電磁石ヒル １０４：励磁コイル
１０５：加速電極 １０６：加速電極対向接地板
１０８：高周波電磁界結合部 １０９、１１９：チューナ
１１０：イオン源 １１１：ＲＦ電力消費負荷
１１２：出射ダクト １１３：加速ギャップ
１２０：高周波電源 １２９：回転コンデンサ（チューナ）
２０２、２０３：磁場修正用コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電界によって加速する円形加速器であって、
狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを上記荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより上記偏向磁場を形成する偏向電磁石と、
上記荷電粒子の周回周波数に合わせて上記高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、
この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、
上記荷電粒子の周回方向に上記高周波電界を発生する加速ギャップを、上記加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板と、
を備え、
上記荷電粒子の入射から出射までの間に、上記荷電粒子の周回周波数が、上記荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、上記偏向電磁石が生成することを特徴とする円形加速器。
【請求項２】
上記偏向電磁石は、半径ｒにおける位置での上記荷電粒子の周回方向の平均磁束密度Ｂ（ｒ）と荷電粒子のトータルエネルギーＥ（ｒ）とが、荷電粒子の出射位置での半径における平均磁束密度Ｂ０と上記出射位置での荷電粒子のエネルギーＥ０とにより、
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ
で表される関係において、ｘが１ではない定数となる磁束密度分布を生成することを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
【請求項３】
中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電界によって加速する円形加速器であって、
狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを上記荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより上記偏向磁場を形成する偏向電磁石と、
上記荷電粒子の周回周波数に合わせて上記高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、
上記高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、
上記荷電粒子の周回方向に上記高周波電界を発生する加速ギャップを、上記加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板と、
を備え、
上記偏向電磁石は、半径ｒにおける位置での上記荷電粒子の周回方向の平均磁束密度Ｂ（ｒ）と荷電粒子のトータルエネルギーＥ（ｒ）とが、荷電粒子の出射位置での半径における平均磁束密度Ｂ０と上記出射位置での荷電粒子のエネルギーＥ０とにより、
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ
で表される関係において、ｘが１ではない定数となる磁束密度分布を生成することを特徴とする円形加速器。
【請求項４】
上記ｘが、-0.2＜ｘ＜0.97であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項５】
上記高周波電源から供給される高周波の周波数を、上記荷電粒子の周回周波数の変化に合わせて変化させることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項６】
加速電極部の共振特性におけるＱ値が１００以下であることを特徴とする請求項５に記載の円形加速器。
【請求項７】
上記荷電粒子の周回周波数の変化量が、上記加速電極部の共振特性の半値幅以内であることを特徴とする請求項６に記載の円形加速器。
【請求項８】
加速電極部の共振周波数を変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器
【請求項９】
上記高周波電磁界結合部は、インダクタンスまたはキャパシタンスを変更する手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の円形加速器
【請求項１０】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１１】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するための磁場修正用コイルを半径方向に複数備えたことを特徴とする請求項１０に記載の円形加速器。
【請求項１２】
上記磁場修正用コイルは、上記電磁石ヒルの位置に設けたことを特徴とする請求項１１に記載の円形加速器。
【請求項１３】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するための磁場修正用コイルを、上記励磁コイルの半径方向位置と同じ位置に設けたことを特徴とする請求項１０に記載の円形加速器。
【請求項１４】
上記加速電極を、上記電磁石バレーに対応する位置に配置したことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１５】
請求項１０に記載の円形加速器の運転方法であって、上記高周波電源から高周波が供給されない間に、上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するとともに、加速電極部の共振周波数を変更することを特徴とする円形加速器の運転方法。
【請求項１６】
上記高周波電磁界結合部のインダクタンスまたはキャパシタンスを変更することにより、上記加速電極部の共振周波数を変更することを特徴とする請求項１５に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項１】
中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電界によって加速する円形加速器であって、
狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを上記荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより上記偏向磁場を形成する偏向電磁石と、
上記荷電粒子の周回周波数に合わせて上記高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、
この高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、
上記荷電粒子の周回方向に上記高周波電界を発生する加速ギャップを、上記加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板と、
を備え、
上記荷電粒子の入射から出射までの間に、上記荷電粒子の周回周波数が、上記荷電粒子の出射部分における周回周波数に対して、０．７％以上、２４．７％以下の変化量で変化する偏向磁場を、上記偏向電磁石が生成することを特徴とする円形加速器。
【請求項２】
上記偏向電磁石は、半径ｒにおける位置での上記荷電粒子の周回方向の平均磁束密度Ｂ（ｒ）と荷電粒子のトータルエネルギーＥ（ｒ）とが、荷電粒子の出射位置での半径における平均磁束密度Ｂ０と上記出射位置での荷電粒子のエネルギーＥ０とにより、
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ
で表される関係において、ｘが１ではない定数となる磁束密度分布を生成することを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
【請求項３】
中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電界によって加速する円形加速器であって、
狭い磁極ギャップを構成する電磁石ヒルと広い磁極ギャップを構成する電磁石バレーとを上記荷電粒子の周回方向に交互に配置して、励磁コイルによって励磁することにより上記偏向磁場を形成する偏向電磁石と、
上記荷電粒子の周回周波数に合わせて上記高周波電界を発生させるための高周波電源と、この高周波電源に接続された高周波電磁界結合部と、
上記高周波電磁界結合部に接続された加速電極と、
上記荷電粒子の周回方向に上記高周波電界を発生する加速ギャップを、上記加速電極との間に形成するよう設けられた加速電極対向接地板と、
を備え、
上記偏向電磁石は、半径ｒにおける位置での上記荷電粒子の周回方向の平均磁束密度Ｂ（ｒ）と荷電粒子のトータルエネルギーＥ（ｒ）とが、荷電粒子の出射位置での半径における平均磁束密度Ｂ０と上記出射位置での荷電粒子のエネルギーＥ０とにより、
Ｂ（ｒ）＝（Ｂ０／Ｅ０ｘ）＊Ｅ（ｒ）ｘ
で表される関係において、ｘが１ではない定数となる磁束密度分布を生成することを特徴とする円形加速器。
【請求項４】
上記ｘが、-0.2＜ｘ＜0.97であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項５】
上記高周波電源から供給される高周波の周波数を、上記荷電粒子の周回周波数の変化に合わせて変化させることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項６】
加速電極部の共振特性におけるＱ値が１００以下であることを特徴とする請求項５に記載の円形加速器。
【請求項７】
上記荷電粒子の周回周波数の変化量が、上記加速電極部の共振特性の半値幅以内であることを特徴とする請求項６に記載の円形加速器。
【請求項８】
加速電極部の共振周波数を変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器
【請求項９】
上記高周波電磁界結合部は、インダクタンスまたはキャパシタンスを変更する手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の円形加速器
【請求項１０】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１１】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するための磁場修正用コイルを半径方向に複数備えたことを特徴とする請求項１０に記載の円形加速器。
【請求項１２】
上記磁場修正用コイルは、上記電磁石ヒルの位置に設けたことを特徴とする請求項１１に記載の円形加速器。
【請求項１３】
上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するための磁場修正用コイルを、上記励磁コイルの半径方向位置と同じ位置に設けたことを特徴とする請求項１０に記載の円形加速器。
【請求項１４】
上記加速電極を、上記電磁石バレーに対応する位置に配置したことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の円形加速器。
【請求項１５】
請求項１０に記載の円形加速器の運転方法であって、上記高周波電源から高周波が供給されない間に、上記偏向磁場の半径方向の磁束密度分布を修正するとともに、加速電極部の共振周波数を変更することを特徴とする円形加速器の運転方法。
【請求項１６】
上記高周波電磁界結合部のインダクタンスまたはキャパシタンスを変更することにより、上記加速電極部の共振周波数を変更することを特徴とする請求項１５に記載の円形加速器の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１９５２７９（Ｐ２０１２−１９５２７９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４２９８（Ｐ２０１１−２４４２９８）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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