加速器及びサイクロトロン
【課題】本発明は、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる加速器及びサイクロトロンを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のサイクロトロンは、イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道Ｔに導入するスパイラルインフレクタ２１を備え、スパイラルインフレクタ２１は、通過するビームＢを収束させるビーム収束手段として、ビームの通過軌道Ｓに直交する断面においてギャップを不均一とした正電極２３及び負電極２７を有する。
【解決手段】本発明のサイクロトロンは、イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道Ｔに導入するスパイラルインフレクタ２１を備え、スパイラルインフレクタ２１は、通過するビームＢを収束させるビーム収束手段として、ビームの通過軌道Ｓに直交する断面においてギャップを不均一とした正電極２３及び負電極２７を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを加速軌道に導入するインフレクタを備えた加速器及びサイクロトロンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。この種のサイクロトロンでは、加速空間における磁極とディ電極との作用によりビームを渦巻き状の加速軌道で加速して出力する。特許文献１のサイクロトロンには、加速軌道に直交する入射方向からビームが入射される。そして、ビーム源からのビームを、インフレクタで９０°曲げることにより、ビームを加速空間の上記加速軌道にのせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２４６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の加速器では、加速軌道に導入されるビームが広がることにより、加速空間を区画する内壁にビームの一部が衝突し消滅する。このようなビームのロスによって、最終的に加速器から出力されるビームの割合が低下する。従って、この種の加速器にあっては、最終的に得られるビームの割合を向上するために、加速空間の内壁に衝突するビームを少なくすべく、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる加速器及びサイクロトロン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】
【０００６】
本発明の加速器は、イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道に導入するインフレクタを備え、インフレクタは、通過するビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする。
【０００７】
この加速器では、インフレクタがビーム収束手段を有することから、イオン源から入射されるビームがインフレクタのビーム収束手段で収束されて加速軌道に導入されるので、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【０００８】
具体的には、ビーム収束手段は、ビームが通過するビーム通過領域に歪四極成分の電場を発生させることとしてもよい。この場合、インフレクタを通過するビームは、ビーム収束手段による歪四極成分の電場によって収束され、加速軌道に導入されるビームの広がりが抑えられる。
【０００９】
また、インフレクタは、ビーム通過領域をなすギャップを空けて対向して設けられた正電極及び負電極を有し、正電極及び負電極は、ギャップの広さが、ビームの進行方向に直交する断面内で不均一になるように形成されていることとしてもよい。
【００１０】
この場合、インフレクタのビーム通過領域には、正電極及び負電極による電場が発生する。そして、ビームの進行方向に直交する断面内においては、正電極及び負電極のギャップが不均一であるので、ビームは当該断面の通過位置に応じた電場の影響を受け、通過位置に応じて屈曲する。従って、ビーム通過領域を通過するビームを収束させることが可能になる。
【００１１】
また、具体的には、加速軌道は渦巻き状をなしており、ギャップの広さは、ビームの進行方向に直交する断面内で、渦巻き状の加速軌道の外側に対応する位置ほど広くされていることとしてもよい。
【００１２】
また、加速軌道は渦巻き状をなしており、ビーム収束手段は、ビームが通過するビーム通過領域に電場を発生させ、当該電場の強さは、ビームの進行方向に直交する断面内で、渦巻き状の加速軌道の外側に対応する位置ほど弱くすることとしてもよい。
【００１３】
また、本発明のサイクロトロンは、ビームを渦巻き状の加速軌道で加速するサイクロトロンであって、加速軌道に直交する方向の磁場を発生させる磁極と、ビームを加速するための電位差を加速軌道に発生させるディ電極と、加速軌道に直交する入射方向で入射されるビームを通過させ屈曲させて加速軌道に導入するインフレクタと、を備え、インフレクタは、通過するビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする。
【００１４】
このサイクロトロンでは、インフレクタがビーム収束手段を有することから、イオン源から入射されるビームがインフレクタのビーム収束手段で収束されて加速軌道に導入されるので、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の加速器及びサイクロトロンによれば、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の加速器（サイクロトロン）の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のサイクロトロンのスパイラルインフレクタを示す斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、正電極・負電極の断面形状を簡略的に示す図である。
【図４】図２のスパイラルインフレクタに類似する類似インフレクタを示す斜視図である。
【図５】本発明者らによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明者らによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】インフレクタの他の形態において、通過軌道に直交する断面を示す概略断面図である。
【図８】インフレクタの更に他の形態において、ビーム出口近傍を上から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る加速器及びサイクロトロンの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すサイクロトロン１は、イオン源１１から入射されるイオン粒子のビームＢを加速して出力する加速器である。サイクロトロン１は、ビームＢを通過させ加速するための平面視円形の加速空間５を備えている。ここでは、加速空間５が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとする。以下の説明で「上」、「下」の概念を含む語を用いる場合には、図１に示す状態のサイクロトロン１の上下に対応するものとする。また、必要な場合には、図１に示すように、ｚ軸を鉛直軸としｘｙ平面を水平面とするｘｙｚ座標系を設定し、ｘ、ｙ、ｚを便宜的に説明に用いる場合がある。
【００１９】
サイクロトロン１は、加速空間５の下方及び上方に設けられた磁極７を備えている。なお、加速空間５の上方の磁極７は図示を省略している。磁極７は、加速空間５に、鉛直方向の磁場を発生させる。また、サイクロトロン１は、平面視扇形の複数のディ電極９を備えている。ディ電極９は、円周方向に貫通された空洞を有しており、当該空洞が上記の加速空間５の一部をなす。複数のディ電極９に交流電流を付与することで、ディ電極９は周方向の電位差を加速空間５に発生させ、当該電位差によってビームＢが加速される。加速空間５の略中央に導入されたビームＢは、磁極７による磁場とディ電極９による電場との作用により、加速空間５内において水平な渦巻き状の加速軌道Ｔを描きながら加速される。加速されたビームＢは、最終的には加速軌道Ｔの接線方向に出力される。サイクロトロン１の以上の構成は公知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。
【００２０】
イオンビームＢは、サイクロトロン１の下方に設けられたイオン源１１で発生し、２つのソレノイド１３を経て、鉛直上向きの入射方向でサイクロトロン１に入射される。なお、ソレノイド１３は、ビームＢの発散を防止する機能を果たす。サイクロトロン１では、ビームＢを加速軌道Ｔに導入するために、鉛直に入射されるビームＢを水平向きに屈曲させる必要がある。そこで、サイクロトロン１は、加速空間５の中央に設けられたスパイラルインフレクタ２１を備えている。インフレクタ２１は、下方からのビームＢを屈曲させ、加速空間５の略中央で水平に出射する。出射されたビームＢは、前述の加速軌道Ｔに導入されて加速される。
【００２１】
図２に示すように、インフレクタ２１は、金属塊（例えば銅塊）からなり、互いに対向する正電極２３と負電極２７とを備えている。正電極２３及び負電極２７は、それぞれ異なる定電圧電源（図示省略）に接続されている。正電極２３の表面には、捻れた帯状の曲面をなす正電極面２３ａが形成されており、負電極２７の表面には、捻れた帯状の曲面をなす負電極面２７ａが形成されている。正電極面２３ａと負電極面２７ａとは所定のギャップを空けて互いに対面して位置している。上記ギャップで構成される螺旋状の空間には、正電極２３と負電極２７との電位差による電場が形成される。なお、イオンビームＢを構成するイオンの極性（正負）に応じて、電極２３，２７の極性を逆にしてもよい。
【００２２】
インフレクタ２１の下端部における正電極面２３ａと負電極面２７ａとの間隙から、鉛直上向きのビームＢが入射される。入射されたビームＢは、正電極２３と負電極２７との電位差による電場の影響と磁極７による磁場の影響とを受けることで、上記のギャップに沿って螺旋状に屈曲しながら進行する。そしてビームＢは、インフレクタ２１の上部における正電極面２３ａと負電極面２７ａとの間隙から、水平に出射される。インフレクタ２１から出射された後、ビームＢは、上から見て反時計回りの渦巻きを描きながら上記加速軌道Ｔに乗る。なお、インフレクタ２１内におけるビームの理想的な通過軌道を、「Ｓ」の符号を付して図示している。このように、上記ギャップで構成される螺旋状の空間は、ビームが通過するビーム通過領域２５となる。
【００２３】
続いて、正電極２３と負電極２７との上記ギャップの広さについて説明する。
【００２４】
図３はそれぞれ、通過軌道Ｓに直交する断面における、ビーム通過領域２５近傍の概略断面図であり、（ａ）はインフレクタ２１の下端面の位置、（ｂ）はインフレクタ２１内の任意の位置、（ｃ）は（ｂ）よりも通過軌道Ｓの前方（下流側）の任意の位置の断面を示す。（ａ），（ｂ），（ｃ）ともに、通過軌道ＳにおけるビームＢが紙面の奥から手前に進行するような方向から見た断面図である。
【００２５】
インフレクタ２１の下端面においては、図３（ａ）に示すように、正電極面２３ａと負電極面２７ａとが平行であり、上記ギャップの広さｇは一様である。図３（ｂ），（ｃ）に示すように任意の断面を取った場合、正電極２３と負電極２７とのギャップの広さｇは断面内で不均一であり、図３（ｂ），（ｃ）の左に行くほど広くなっている。なお、図３における左側は渦巻き形状の加速軌道Ｔの外側に対応し、図３における右側は渦巻き形状の加速軌道Ｔの内側に対応する。
【００２６】
換言すれば、通過軌道Ｓに直交する任意の断面を取った場合、正電極面２３ａの輪郭と負電極面２７ａの輪郭とがハの字形をなすように、正電極２３と負電極２７とが形成されている。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）よりも通過軌道Ｓの前方（下流側）に位置する断面を示す。図３の（ｂ）と（ｃ）との比較で理解されるように、通過軌道Ｓの前方に行くほどギャップの広さｇの左右差が大きくなるような三次元形状で、正電極２３と負電極２７とが形成されている。
【００２７】
以上のようなギャップの広さｇの設定によれば、ビーム通過領域２５内において、加速軌道Ｔの外側（図３では左側）に対応する位置ほど、電極２３，２７による電場が弱く、加速軌道Ｔの内側に対応する位置ほど、電極２３，２７による電場が強いといった電場の分布が形成される。すなわち、ビーム通過領域２５においては、ビームＢの通過位置が図３の左側にずれるほど、電場によりビームＢが図３の下向き（又は上向き）に受ける力が小さくなるといったように、いわゆる歪四極成分の電場が発生している。このような歪四極成分の電場を発生する電極２３，２７の構成は、インフレクタ２１を通過するビームＢを、特に鉛直方向に収束させるビーム収束手段としての機能を有している。
【００２８】
従って、歪四極成分の電場が存在するビーム通過領域２５を、ビームＢが通過することにより、加速軌道Ｔに導入されるビームＢが特に鉛直方向（ｚ方向）に収束され、ビームＢの鉛直方向の広がりが抑制される。そして、ビームＢの鉛直方向の広がりが抑制されることにより、加速空間５において、ディ電極９の内壁に衝突するビームが少なくなる。その結果、サイクロトロン１から最終的に出力されるビームＢの割合（サイクロトロンの透過率などと呼ばれる場合がある）を向上することができる。
【００２９】
上述のようなギャップの広さｇを実現するための具体例として、ギャップの広さｇを具体的な数式で表すと、下式（１）となる。
【数１】
但し、
ｇ：所定位置におけるギャップの広さ
ｇ０：インフレクタ入口でのギャップの広さ
ｋ’：チルトパラメータ
ｂ：ｂ＝ｓ／Ａ
ｓ：通過軌道Ｓに沿って測ったインフレクタ入口から上記所定位置までの距離
Ａ：インフレクタの高さ
η：歪四極成分の強さ
Ｗ：インフレクタの幅
ｗ：上記所定位置の幅Ｗ方向での位置
なお、インフレクタの高さＡとは、インフレクタにおけるビームＢの入口からビームＢの出口までの鉛直方向に測った長さを示す。上記のビームＢの入口とは、ビームＢが電極２３，２７による電場を受け始める理論上の位置であり、インフレクタ２１の下端面よりもやや下に位置する。また、上記のビームＢの出口とは、ビームＢが電極２３，２７による電場を受け終わる理論上の位置であり、正電極面２３ａ、負電極面２７ａの上端位置よりも、ややビームＢの進行方向前方に位置する。チルトパラメータｋ’とは、通過軌道Ｓに直交する面内におけるビーム通過領域２５の傾きを示すパラメータである。また、インフレクタの幅Ｗとは、ビーム通過領域２５の幅を示す。インフレクタ入口ではｂ＝０であり、正電極面２３ａと負電極面２７ａとは平行である。また、インフレクタ出口では、ｂ＝π／２である。数式（１）から理解されるように、ギャップの広さｇは、ｗ依存性をもつことになる。
【００３０】
なお比較のために、図４には、インフレクタ２１に類似する他のタイプのスパイラルインフレクタ（以下、「類似インフレクタ」と称する）１２１を示している。この類似インフレクタ１２１では、ビームＢの通過軌道Ｓ’に直交するすべての断面において、正電極１２３と負電極１２７とのギャップの広さが一様である。すなわち、通過軌道Ｓ’に直交するすべての断面に現れる正電極面１２３ａの輪郭と負電極面１２７ａの輪郭とが平行であるように、正電極１２３と負電極１２７とが形成されている。この類似インフレクタ１２１では、ビーム通過領域１２５の電場は二極成分のみ発生しており、インフレクタ２１のようなビームの収束効果は得られない。
【００３１】
続いて、インフレクタ２１による作用効果を確認すべく本発明者らが行ったシミュレーションについて説明する。
【００３２】
ここでは、ビームのイオン粒子５０００個についてインフレクタ２１を通過させるシミュレーションを行い、インフレクタ２１の出口におけるイオン粒子のｚ値とｚ’値とをプロットし、分布を図５に示した。ｚ値とはイオン粒子の鉛直方向における通過位置(mm)を示し、ｚ’値とは粒子の進行方向を水平面からの角度(mrad)で表したものである。また、比較のため、類似インフレクタ１２１についても同様のシミュレーションを行い、結果を図６に示した。
【００３３】
図５は、図６に比較して、ｚ値のバラツキが小さいことが判る。これは、インフレクタ２１を通過したイオン粒子の上下位置が、類似インフレクタ１２１に比べ、より揃っていることを意味する。また、図５は、図６に比較して、ｚ’値のバラツキが小さく、ゼロmradに近い角度に集まっていることが判る。これは、インフレクタ２１を通過したイオン粒子が、類似インフレクタ１２１に比べ、水平に近い角度で出射される傾向がより強いことを意味する。従って、インフレクタ２１によれば、類似インフレクタ１２１に比べ、ビームＢを上下方向に収束する効果が得られることが確認された。
【００３４】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、加速空間５が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとしたが、本発明は、加速空間が鉛直面に沿って設置される加速器にも、同様に適用が可能である。また本発明は、サイクロトロンに限らず、シンクロサイクロトロン（加速器）にも適用が可能である。
【００３５】
また、金属塊からなる電極２３，２７に代えて、一様な厚さの捻れた一対の板状電極を用い、断面ハの字形の配置によって前述のようなギャップを実現してもよい。また、ギャップの広さｇにｗ依存性を持たせる構成を実現するためには、図７に示すように、例えば、類似インフレクタ１２１の負電極面１２７ａに、断面三角をなす金属部材１２９を加えて接合してもよい。また、ビーム通過領域２５における歪四極成分の電場を実現するためには、類似インフレクタ１２１のビーム出口の前方に歪四極磁石を設置してもよい。また、ビーム通過領域２５における歪四極成分の電場を実現するためには、図８に示すように、上から見た類似インフレクタ１２１の電極１２７，１２３の長さを、ビームの進行方向に、加速軌道Ｔの内側に対応する位置ほど長くするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１…サイクロトロン（加速器）、７…磁極、９…ディ電極、１１…イオン源、２１…スパイラルインフレクタ、２３…正電極（ビーム収束手段）、２５…ビーム通過領域、２７…負電極（ビーム収束手段）、Ｂ…ビーム、Ｔ…加速軌道。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを加速軌道に導入するインフレクタを備えた加速器及びサイクロトロンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。この種のサイクロトロンでは、加速空間における磁極とディ電極との作用によりビームを渦巻き状の加速軌道で加速して出力する。特許文献１のサイクロトロンには、加速軌道に直交する入射方向からビームが入射される。そして、ビーム源からのビームを、インフレクタで９０°曲げることにより、ビームを加速空間の上記加速軌道にのせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２４６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の加速器では、加速軌道に導入されるビームが広がることにより、加速空間を区画する内壁にビームの一部が衝突し消滅する。このようなビームのロスによって、最終的に加速器から出力されるビームの割合が低下する。従って、この種の加速器にあっては、最終的に得られるビームの割合を向上するために、加速空間の内壁に衝突するビームを少なくすべく、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる加速器及びサイクロトロン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】
【０００６】
本発明の加速器は、イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道に導入するインフレクタを備え、インフレクタは、通過するビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする。
【０００７】
この加速器では、インフレクタがビーム収束手段を有することから、イオン源から入射されるビームがインフレクタのビーム収束手段で収束されて加速軌道に導入されるので、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【０００８】
具体的には、ビーム収束手段は、ビームが通過するビーム通過領域に歪四極成分の電場を発生させることとしてもよい。この場合、インフレクタを通過するビームは、ビーム収束手段による歪四極成分の電場によって収束され、加速軌道に導入されるビームの広がりが抑えられる。
【０００９】
また、インフレクタは、ビーム通過領域をなすギャップを空けて対向して設けられた正電極及び負電極を有し、正電極及び負電極は、ギャップの広さが、ビームの進行方向に直交する断面内で不均一になるように形成されていることとしてもよい。
【００１０】
この場合、インフレクタのビーム通過領域には、正電極及び負電極による電場が発生する。そして、ビームの進行方向に直交する断面内においては、正電極及び負電極のギャップが不均一であるので、ビームは当該断面の通過位置に応じた電場の影響を受け、通過位置に応じて屈曲する。従って、ビーム通過領域を通過するビームを収束させることが可能になる。
【００１１】
また、具体的には、加速軌道は渦巻き状をなしており、ギャップの広さは、ビームの進行方向に直交する断面内で、渦巻き状の加速軌道の外側に対応する位置ほど広くされていることとしてもよい。
【００１２】
また、加速軌道は渦巻き状をなしており、ビーム収束手段は、ビームが通過するビーム通過領域に電場を発生させ、当該電場の強さは、ビームの進行方向に直交する断面内で、渦巻き状の加速軌道の外側に対応する位置ほど弱くすることとしてもよい。
【００１３】
また、本発明のサイクロトロンは、ビームを渦巻き状の加速軌道で加速するサイクロトロンであって、加速軌道に直交する方向の磁場を発生させる磁極と、ビームを加速するための電位差を加速軌道に発生させるディ電極と、加速軌道に直交する入射方向で入射されるビームを通過させ屈曲させて加速軌道に導入するインフレクタと、を備え、インフレクタは、通過するビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする。
【００１４】
このサイクロトロンでは、インフレクタがビーム収束手段を有することから、イオン源から入射されるビームがインフレクタのビーム収束手段で収束されて加速軌道に導入されるので、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の加速器及びサイクロトロンによれば、加速軌道に導入されるビームの広がりを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の加速器（サイクロトロン）の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のサイクロトロンのスパイラルインフレクタを示す斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、正電極・負電極の断面形状を簡略的に示す図である。
【図４】図２のスパイラルインフレクタに類似する類似インフレクタを示す斜視図である。
【図５】本発明者らによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明者らによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】インフレクタの他の形態において、通過軌道に直交する断面を示す概略断面図である。
【図８】インフレクタの更に他の形態において、ビーム出口近傍を上から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る加速器及びサイクロトロンの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すサイクロトロン１は、イオン源１１から入射されるイオン粒子のビームＢを加速して出力する加速器である。サイクロトロン１は、ビームＢを通過させ加速するための平面視円形の加速空間５を備えている。ここでは、加速空間５が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとする。以下の説明で「上」、「下」の概念を含む語を用いる場合には、図１に示す状態のサイクロトロン１の上下に対応するものとする。また、必要な場合には、図１に示すように、ｚ軸を鉛直軸としｘｙ平面を水平面とするｘｙｚ座標系を設定し、ｘ、ｙ、ｚを便宜的に説明に用いる場合がある。
【００１９】
サイクロトロン１は、加速空間５の下方及び上方に設けられた磁極７を備えている。なお、加速空間５の上方の磁極７は図示を省略している。磁極７は、加速空間５に、鉛直方向の磁場を発生させる。また、サイクロトロン１は、平面視扇形の複数のディ電極９を備えている。ディ電極９は、円周方向に貫通された空洞を有しており、当該空洞が上記の加速空間５の一部をなす。複数のディ電極９に交流電流を付与することで、ディ電極９は周方向の電位差を加速空間５に発生させ、当該電位差によってビームＢが加速される。加速空間５の略中央に導入されたビームＢは、磁極７による磁場とディ電極９による電場との作用により、加速空間５内において水平な渦巻き状の加速軌道Ｔを描きながら加速される。加速されたビームＢは、最終的には加速軌道Ｔの接線方向に出力される。サイクロトロン１の以上の構成は公知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。
【００２０】
イオンビームＢは、サイクロトロン１の下方に設けられたイオン源１１で発生し、２つのソレノイド１３を経て、鉛直上向きの入射方向でサイクロトロン１に入射される。なお、ソレノイド１３は、ビームＢの発散を防止する機能を果たす。サイクロトロン１では、ビームＢを加速軌道Ｔに導入するために、鉛直に入射されるビームＢを水平向きに屈曲させる必要がある。そこで、サイクロトロン１は、加速空間５の中央に設けられたスパイラルインフレクタ２１を備えている。インフレクタ２１は、下方からのビームＢを屈曲させ、加速空間５の略中央で水平に出射する。出射されたビームＢは、前述の加速軌道Ｔに導入されて加速される。
【００２１】
図２に示すように、インフレクタ２１は、金属塊（例えば銅塊）からなり、互いに対向する正電極２３と負電極２７とを備えている。正電極２３及び負電極２７は、それぞれ異なる定電圧電源（図示省略）に接続されている。正電極２３の表面には、捻れた帯状の曲面をなす正電極面２３ａが形成されており、負電極２７の表面には、捻れた帯状の曲面をなす負電極面２７ａが形成されている。正電極面２３ａと負電極面２７ａとは所定のギャップを空けて互いに対面して位置している。上記ギャップで構成される螺旋状の空間には、正電極２３と負電極２７との電位差による電場が形成される。なお、イオンビームＢを構成するイオンの極性（正負）に応じて、電極２３，２７の極性を逆にしてもよい。
【００２２】
インフレクタ２１の下端部における正電極面２３ａと負電極面２７ａとの間隙から、鉛直上向きのビームＢが入射される。入射されたビームＢは、正電極２３と負電極２７との電位差による電場の影響と磁極７による磁場の影響とを受けることで、上記のギャップに沿って螺旋状に屈曲しながら進行する。そしてビームＢは、インフレクタ２１の上部における正電極面２３ａと負電極面２７ａとの間隙から、水平に出射される。インフレクタ２１から出射された後、ビームＢは、上から見て反時計回りの渦巻きを描きながら上記加速軌道Ｔに乗る。なお、インフレクタ２１内におけるビームの理想的な通過軌道を、「Ｓ」の符号を付して図示している。このように、上記ギャップで構成される螺旋状の空間は、ビームが通過するビーム通過領域２５となる。
【００２３】
続いて、正電極２３と負電極２７との上記ギャップの広さについて説明する。
【００２４】
図３はそれぞれ、通過軌道Ｓに直交する断面における、ビーム通過領域２５近傍の概略断面図であり、（ａ）はインフレクタ２１の下端面の位置、（ｂ）はインフレクタ２１内の任意の位置、（ｃ）は（ｂ）よりも通過軌道Ｓの前方（下流側）の任意の位置の断面を示す。（ａ），（ｂ），（ｃ）ともに、通過軌道ＳにおけるビームＢが紙面の奥から手前に進行するような方向から見た断面図である。
【００２５】
インフレクタ２１の下端面においては、図３（ａ）に示すように、正電極面２３ａと負電極面２７ａとが平行であり、上記ギャップの広さｇは一様である。図３（ｂ），（ｃ）に示すように任意の断面を取った場合、正電極２３と負電極２７とのギャップの広さｇは断面内で不均一であり、図３（ｂ），（ｃ）の左に行くほど広くなっている。なお、図３における左側は渦巻き形状の加速軌道Ｔの外側に対応し、図３における右側は渦巻き形状の加速軌道Ｔの内側に対応する。
【００２６】
換言すれば、通過軌道Ｓに直交する任意の断面を取った場合、正電極面２３ａの輪郭と負電極面２７ａの輪郭とがハの字形をなすように、正電極２３と負電極２７とが形成されている。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）よりも通過軌道Ｓの前方（下流側）に位置する断面を示す。図３の（ｂ）と（ｃ）との比較で理解されるように、通過軌道Ｓの前方に行くほどギャップの広さｇの左右差が大きくなるような三次元形状で、正電極２３と負電極２７とが形成されている。
【００２７】
以上のようなギャップの広さｇの設定によれば、ビーム通過領域２５内において、加速軌道Ｔの外側（図３では左側）に対応する位置ほど、電極２３，２７による電場が弱く、加速軌道Ｔの内側に対応する位置ほど、電極２３，２７による電場が強いといった電場の分布が形成される。すなわち、ビーム通過領域２５においては、ビームＢの通過位置が図３の左側にずれるほど、電場によりビームＢが図３の下向き（又は上向き）に受ける力が小さくなるといったように、いわゆる歪四極成分の電場が発生している。このような歪四極成分の電場を発生する電極２３，２７の構成は、インフレクタ２１を通過するビームＢを、特に鉛直方向に収束させるビーム収束手段としての機能を有している。
【００２８】
従って、歪四極成分の電場が存在するビーム通過領域２５を、ビームＢが通過することにより、加速軌道Ｔに導入されるビームＢが特に鉛直方向（ｚ方向）に収束され、ビームＢの鉛直方向の広がりが抑制される。そして、ビームＢの鉛直方向の広がりが抑制されることにより、加速空間５において、ディ電極９の内壁に衝突するビームが少なくなる。その結果、サイクロトロン１から最終的に出力されるビームＢの割合（サイクロトロンの透過率などと呼ばれる場合がある）を向上することができる。
【００２９】
上述のようなギャップの広さｇを実現するための具体例として、ギャップの広さｇを具体的な数式で表すと、下式（１）となる。
【数１】
但し、
ｇ：所定位置におけるギャップの広さ
ｇ０：インフレクタ入口でのギャップの広さ
ｋ’：チルトパラメータ
ｂ：ｂ＝ｓ／Ａ
ｓ：通過軌道Ｓに沿って測ったインフレクタ入口から上記所定位置までの距離
Ａ：インフレクタの高さ
η：歪四極成分の強さ
Ｗ：インフレクタの幅
ｗ：上記所定位置の幅Ｗ方向での位置
なお、インフレクタの高さＡとは、インフレクタにおけるビームＢの入口からビームＢの出口までの鉛直方向に測った長さを示す。上記のビームＢの入口とは、ビームＢが電極２３，２７による電場を受け始める理論上の位置であり、インフレクタ２１の下端面よりもやや下に位置する。また、上記のビームＢの出口とは、ビームＢが電極２３，２７による電場を受け終わる理論上の位置であり、正電極面２３ａ、負電極面２７ａの上端位置よりも、ややビームＢの進行方向前方に位置する。チルトパラメータｋ’とは、通過軌道Ｓに直交する面内におけるビーム通過領域２５の傾きを示すパラメータである。また、インフレクタの幅Ｗとは、ビーム通過領域２５の幅を示す。インフレクタ入口ではｂ＝０であり、正電極面２３ａと負電極面２７ａとは平行である。また、インフレクタ出口では、ｂ＝π／２である。数式（１）から理解されるように、ギャップの広さｇは、ｗ依存性をもつことになる。
【００３０】
なお比較のために、図４には、インフレクタ２１に類似する他のタイプのスパイラルインフレクタ（以下、「類似インフレクタ」と称する）１２１を示している。この類似インフレクタ１２１では、ビームＢの通過軌道Ｓ’に直交するすべての断面において、正電極１２３と負電極１２７とのギャップの広さが一様である。すなわち、通過軌道Ｓ’に直交するすべての断面に現れる正電極面１２３ａの輪郭と負電極面１２７ａの輪郭とが平行であるように、正電極１２３と負電極１２７とが形成されている。この類似インフレクタ１２１では、ビーム通過領域１２５の電場は二極成分のみ発生しており、インフレクタ２１のようなビームの収束効果は得られない。
【００３１】
続いて、インフレクタ２１による作用効果を確認すべく本発明者らが行ったシミュレーションについて説明する。
【００３２】
ここでは、ビームのイオン粒子５０００個についてインフレクタ２１を通過させるシミュレーションを行い、インフレクタ２１の出口におけるイオン粒子のｚ値とｚ’値とをプロットし、分布を図５に示した。ｚ値とはイオン粒子の鉛直方向における通過位置(mm)を示し、ｚ’値とは粒子の進行方向を水平面からの角度(mrad)で表したものである。また、比較のため、類似インフレクタ１２１についても同様のシミュレーションを行い、結果を図６に示した。
【００３３】
図５は、図６に比較して、ｚ値のバラツキが小さいことが判る。これは、インフレクタ２１を通過したイオン粒子の上下位置が、類似インフレクタ１２１に比べ、より揃っていることを意味する。また、図５は、図６に比較して、ｚ’値のバラツキが小さく、ゼロmradに近い角度に集まっていることが判る。これは、インフレクタ２１を通過したイオン粒子が、類似インフレクタ１２１に比べ、水平に近い角度で出射される傾向がより強いことを意味する。従って、インフレクタ２１によれば、類似インフレクタ１２１に比べ、ビームＢを上下方向に収束する効果が得られることが確認された。
【００３４】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、加速空間５が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとしたが、本発明は、加速空間が鉛直面に沿って設置される加速器にも、同様に適用が可能である。また本発明は、サイクロトロンに限らず、シンクロサイクロトロン（加速器）にも適用が可能である。
【００３５】
また、金属塊からなる電極２３，２７に代えて、一様な厚さの捻れた一対の板状電極を用い、断面ハの字形の配置によって前述のようなギャップを実現してもよい。また、ギャップの広さｇにｗ依存性を持たせる構成を実現するためには、図７に示すように、例えば、類似インフレクタ１２１の負電極面１２７ａに、断面三角をなす金属部材１２９を加えて接合してもよい。また、ビーム通過領域２５における歪四極成分の電場を実現するためには、類似インフレクタ１２１のビーム出口の前方に歪四極磁石を設置してもよい。また、ビーム通過領域２５における歪四極成分の電場を実現するためには、図８に示すように、上から見た類似インフレクタ１２１の電極１２７，１２３の長さを、ビームの進行方向に、加速軌道Ｔの内側に対応する位置ほど長くするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１…サイクロトロン（加速器）、７…磁極、９…ディ電極、１１…イオン源、２１…スパイラルインフレクタ、２３…正電極（ビーム収束手段）、２５…ビーム通過領域、２７…負電極（ビーム収束手段）、Ｂ…ビーム、Ｔ…加速軌道。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道に導入するインフレクタを備え、
前記インフレクタは、通過する前記ビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする加速器。
【請求項２】
前記ビーム収束手段は、
前記ビームが通過するビーム通過領域に歪四極成分の電場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項３】
前記インフレクタは、
前記ビーム通過領域をなすギャップを空けて対向して設けられた正電極及び負電極を有し、
前記正電極及び前記負電極は、
前記ギャップの広さが、前記ビームの進行方向に直交する断面内で不均一になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加速器。
【請求項４】
前記加速軌道は渦巻き状をなしており、
前記ギャップの広さは、前記ビームの進行方向に直交する断面内で、前記渦巻き状の前記加速軌道の外側に対応する位置ほど広くされていることを特徴とする請求項３に記載の加速器。
【請求項５】
前記加速軌道は渦巻き状をなしており、
前記ビーム収束手段は、前記ビームが通過するビーム通過領域に電場を発生させ、
当該電場の強さは、前記ビームの進行方向に直交する断面内で、前記渦巻き状の前記加速軌道の外側に対応する位置ほど弱くすることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項６】
ビームを渦巻き状の加速軌道で加速するサイクロトロンであって、
前記加速軌道に直交する方向の磁場を発生させる磁極と、
前記ビームを加速するための電位差を前記加速軌道に発生させるディ電極と、
前記加速軌道に直交する入射方向で入射されるビームを通過させ屈曲させて前記加速軌道に導入するインフレクタと、を備え、
前記インフレクタは、通過する前記ビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とするサイクロトロン。
【請求項１】
イオン源から入射されるビームを通過させ加速軌道に導入するインフレクタを備え、
前記インフレクタは、通過する前記ビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とする加速器。
【請求項２】
前記ビーム収束手段は、
前記ビームが通過するビーム通過領域に歪四極成分の電場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項３】
前記インフレクタは、
前記ビーム通過領域をなすギャップを空けて対向して設けられた正電極及び負電極を有し、
前記正電極及び前記負電極は、
前記ギャップの広さが、前記ビームの進行方向に直交する断面内で不均一になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加速器。
【請求項４】
前記加速軌道は渦巻き状をなしており、
前記ギャップの広さは、前記ビームの進行方向に直交する断面内で、前記渦巻き状の前記加速軌道の外側に対応する位置ほど広くされていることを特徴とする請求項３に記載の加速器。
【請求項５】
前記加速軌道は渦巻き状をなしており、
前記ビーム収束手段は、前記ビームが通過するビーム通過領域に電場を発生させ、
当該電場の強さは、前記ビームの進行方向に直交する断面内で、前記渦巻き状の前記加速軌道の外側に対応する位置ほど弱くすることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
【請求項６】
ビームを渦巻き状の加速軌道で加速するサイクロトロンであって、
前記加速軌道に直交する方向の磁場を発生させる磁極と、
前記ビームを加速するための電位差を前記加速軌道に発生させるディ電極と、
前記加速軌道に直交する入射方向で入射されるビームを通過させ屈曲させて前記加速軌道に導入するインフレクタと、を備え、
前記インフレクタは、通過する前記ビームを収束させるビーム収束手段を有することを特徴とするサイクロトロン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４９１１８（Ｐ２０１１−２４９１１８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２０７１６（Ｐ２０１０−１２０７１６）
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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