DE102009004879A1

DE102009004879A1 - Kreisbeschleuniger

Info

Publication number: DE102009004879A1
Application number: DE102009004879A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Tanaka; Takashi Hifumi; Katsuhisa Yoshida; Kazuo Yamamoto; Yoichi Kuroda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: KR101048973B1; KR20090109464A; DE102009004879B4; JP2009259523A; CN101562938B; US7982416B2; JP4719241B2; US20090256501A1; CN101562938A

Abstract

Bei einem Kreisbeschleuniger 100 ist ein Magnetpol- Kantenabschnitt 32 von einem gebogenen Elektromagneten 3, in welchen ein geladener Partikelstrahl eintritt und aus diesem austritt, mit Endpacken 34 bereitgestellt. Ein erster Vorsprung 34a ist an jenem Teil von jedem Endpacken 34 bereitgestellt, welcher radial außerhalb des Ausgleichsorbits 33a von einem Mittenenergiestrahl ist, während ein zweiter Vorsprung 34b an jenem Teil von jedem Endpacken 34 bereitgestellt ist, welcher radial innerhalb des Ausgleichsorbits 33a von dem Mittenenergiestrahl ist. Die Formen von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a, 34b sind derart eingestellt, so dass die Betatron-Oszillations-Anzahlen von Strahlen von unterschiedlichen Beschleunigungsenergien konstant beibehalten werden können oder linear zu den Energien werden. Im Falle eines Emittierens des geladenen Partikelstrahls aus dem Kreisbeschleuniger heraus kann die Änderung von einer Abstimmung, bedingt durch die Änderung von dem Strahlorbit, statisch korrigiert werden, wobei die Abstimmung linear geändert wird und eine Einstellung der Emission des Strahls einfach wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisbeschleuniger, in welchem ein Niedrigenergiestrahl eintritt, und aus welchem ein Hochenergiestrahl, welcher auf einem Ausgleichsorbit beschleunigt wird, emittiert wird.
2. Beschreibung zum Stand der Technik
Bislang wurde ein Kreisbeschleuniger, wie beispielsweise ein Synchrotron, bei einem physikalischen Experiment verwendet, bei welchem ein aufgeladener Partikelstrahl rotiert und beschleunigt wird, und ein Strahl, welcher aus dem Ausgleichsorbit von dem Kreisbeschleuniger extrahiert ist, durch ein Strahltransportsystem transportiert wird, um somit ein gewünschtes Objekt mit dem extrahierten Strahl oder bei der Bekämpfung von Krebs oder der Diagnose von einem krankheitsbefallenen Körperteil bei der Partikelstrahlmedizin zu bestrahlen.
Bei einem solchen Kreisbeschleuniger wurde die Resonanz von den Betatron-Oszillationen des Strahls verwendet, um kontinuierlich beschleunigte geladene Partikel zu emittieren. Die „Resonanz von den Betatron-Oszillationen” ist ein Phänomen, wie im Folgenden angegeben. Die geladenen Partikel rotieren, während sie nach rechts und nach links (in einer horizontalen Richtung) oder nach oben und nach unten (in einer vertikalen Richtung) um den Ausgleichsorbit von dem Kreisbeschleuniger oszillieren. Dies wird als „Betatron-Oszillationen” bezeichnet. Die Oszillations- Anzahl von den Betatron-Oszillationen pro Rotation des rotierenden Orbits wird im Allgemeinen als eine „Abstimmung (eine Betatron-Oszillations-Anzahl)” bezeichnet. Die Abstimmung kann durch einen gebogenen Elektromagneten, einen Vierpol-Elektromagneten oder dergleichen, welcher an dem rotierenden Orbit angeordnet ist, gesteuert werden. Wenn der Bruchteil von der Abstimmung an a/b (wobei a und b Ganzzahlen anzeigen) angenähert wird, und gleichzeitig ein Mehrfachpol-Magnet zum Erzeugen der Resonanz (beispielsweise ein Sechspol-Elektromagnet), welcher an dem Ausgleichsorbit angeordnet ist, angeregt wird, nimmt die Amplitude von den Betatron-Oszillationen von den geladenen Partikeln, welche Betatron-Oszillation-Amplituden von oder größer als eine bestimmte festgelegte Amplitude haben, unter der hohen Anzahl von rotierenden geladenen Partikeln, plötzlich zu. Dieses Phänomen wird als „Resonanz von den Betatron-Oszillationen” bezeichnet, und der Grenzteil zwischen einer stabilen Region und einer instabilen Region wird als „stabiles Limit (Separatrix)” bezeichnet. Die Größe von der Betatron-Oszillations-Amplitude von dem stabilen Limit von der Resonanz hängt von einer Abweichung von dem Bruchteil von der Abstimmung ab, und wird kleiner, wenn die Abweichung kleiner ist. Der Strahl außerhalb der Separatrix wird instabil, und er wird graduell aus dem Kreisbeschleuniger extrahiert. Auf diese Art und Weise ist die empfindliche Einstellung von der Abstimmung bei der Resonanzemission erfordert, und wird viel Zeit auf die Einstellungen von Emissionsparametern aufgewendet.
Als Verfahren zum Durchführen solcher Resonanzemissionen sind die folgenden vier Verfahren bislang ausgiebig und allgemein bekannt:

[Verfahren 1] Die Größe von einer Separatrix wird von einem anfangs großen Zustand aus graduell klein erstellt. Es wird zunächst eine Resonanz für geladene Partikel einer großen Betatron-Oszillations-Amplitude unter rotierenden geladenen Partikeln erzeugt, und sukzessive werden danach Resonanzen für die geladenen Partikel von kleineren Oszillations-Amplituden erzeugt. Somit werden geladene Partikelstrahlen graduell von einer Emissionseinheit in eine Bestrahlungskammer emittiert.
[Verfahren 2] Ein stabiles Limit wird konstant erstellt, indem eine Abstimmung konstant gehalten wird, und die Amplitude von den Betatron-Oszillationen eines Strahls wird durch Hochfrequenzen erhöht, wodurch eine Resonanz erzeugt wird.
[Verfahren 3] Ein stabiles Limit wird im Wesentlichen konstant erstellt, indem eine Abstimmung im Wesentlichen konstant gehalten wird, und die Amplitude von den Betatron-Oszillationen von einem Strahl wird durch Hochfrequenzen erhöht, um somit den Strahl an die Grenze von dem stabilen Limit zu vergrößern. Danach wird ein Vierpol-Elektromagnet angeregt, um eine Separatrix etwas kleiner zu erstellen. Somit wird ein geladener Partikelstrahl graduell extrahiert.
[Verfahren 4] Ein stabiles Limit wird im Wesentlichen konstant erstellt, indem eine Abstimmung im Wesentlichen konstant beibehalten wird, und ein Strahl wird graduell durch ein Hochfrequenz-Beschleunigungs-Elektrofeld beschleunigt. Somit wird der Strahl, welcher aus der Separatrix kommt, graduell extrahiert.

Durch jegliches der obigen Verfahren rotieren die geladenen Partikel nicht nur um einen Mittenorbit, sondern durchlaufen sie verschiedene Teile außerhalb des Mittenorbits und innerhalb des Mittenorbits. In diesem Fall wird in einem Beispiel aus dem Stand der Technik die Änderung von der Abstimmung durch ein zeitweiliges Steuern eines Sechspol-Elektromagneten oder dergleichen korrigiert. Als ein konkretes Beispiel ist eine Technik offenbart, bei welcher, um die Änderung von der Betatron-Oszillations-Anzahl (die Abstimmung) zu verhindern, bedingt durch die Tatsache, dass der Ausgleichsorbit durch die Änderung usw. von dem Anregungsstrom von einem gebogenen Elektromagneten, einem Vierpol-Elektromagneten, einem Funktionskopplungs-Elektromagneten oder dergleichen, verschoben ist, und um den geladenen Partikelstrahl stabil zu emittieren, ein Sechspol-Elektromagnet, welcher die Änderung von der Abstimmung, bedingt durch den Anregungsstrom von dem gebogenen Elektromagneten oder dem Vierpol-Elektromagneten, zusätzlich zu einem Sechspol-Elektromagneten für die Resonanzemission angeordnet, und wird dem zusätzlichen Sechspol-Elektromagneten ein Anregungsstrom zugeführt, welcher dem rotierenden Strahl eine divergierende Kraft oder eine konvergierende Kraft gibt, welche die Änderung von der Abstimmung, bedingt durch den Anregungsstrom von dem gebogenen Elektromagneten oder dem Vierpol-Elektromagneten, auslöscht (s. beispielsweise Patentdokument 1, nämlich JP-A-11-074100 ).
Jedoch hat ein Rotationstypbeschleuniger, wie in Patentdokument 1 angezeigt, die folgenden Probleme:

(1) Der Sechspol-Elektromagnet oder dergleichen muss einer komplizierten Steuerung unterworfen werden, um die Änderung von der Abstimmung, bedingt durch die Diskrepanz von dem Ausgleichsorbit, zurückführbar auf die Änderung von dem Anregungsstrom von dem gebogenen Elektromagneten oder dem weiteren Elektromagneten, zu verhindern, und muss viel Zeit bei Strahleinstellungen aufgebracht werden.
(2) Sogar bei der Emission identischer Energie durchläuft der geladene Partikelstrahl im Falle der Resonanzemission auf unterschiedlichen Strahlorbits im Verlaufe einer kleineren Erstellung der Separatrix. Daher ist eine komplizierte Steuerung erforderlich, um die Änderung von der Abstimmung, bedingt durch die Änderung von dem Orbit, zu verhindern, und wird viel Zeit zur Strahlabstimmung aufgewendet

UMRISS DER ERFINDUNG
Diese Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe, einen Kreisbeschleuniger bereitzustellen, bei welchem die Änderung von einer Abstimmung statisch korrigiert wird, und die Abstimmung sogar dann im Wesentlichen linear geändert wird, wenn sich ein Ausgleichsorbit verschoben hat, wobei ein Strahl durch eine simple Steuerung stabil emittiert werden kann, und eine Strahleinstellungszeit verkürzt werden kann, mit dem Ergebnis, dass Kosten reduziert werden.
Ein Kreisbeschleuniger gemäß dieser Erfindung, wobei ein geladener Partikelstrahl um einen Ausgleichsorbit rotiert, enthält gebogene Elektromagnete, welche ein gebogenes Magnetfeld erzeugen, einen Sechspol-Elektromagneten, welcher ein Magnetfeld zur Korrektur von einer Differenz von Betatron-Oszillationen, bedingt durch eine Differenz von einer Energie von dem geladenen Partikelstrahl, erzeugt, und eine Emissionsvorrichtung, welche den geladenen Partikelstrahl aus dem Kreisbeschleuniger aus dem Ausgleichsorbit extrahiert. Hierbei ist jedem von jenen Magnetpol-Kantenabschnitten von jedem von den gebogenen Elektromagneten, in welche der geladene Partikelstrahl eintritt und aus diesen austritt, zusätzlich ein Endpacken (engl. endpack) bereitgestellt, welcher mit einem ersten Vorsprung an einem Teil, welcher radial außerhalb eines Strahl-Ausgleichsorbits vorliegt, welcher eine Mittenenergie von dem geladenen Partikelstrahl hat, und einem zweiten Vorsprung an einem Teil, welcher radial innerhalb des Strahl-Ausgleichsorbits vorliegt, bereitgestellt ist. Die Formen von dem ersten und zweiten Vorsprung sind derart ausgebildet, so dass Betatron-Oszillations-Anzahlen von Strahlen von unterschiedlichen Energien konstant beibehalten werden können oder linear zu den Energien werden, und zwar innerhalb eines Bereiches von Beschleunigungsenergien von dem geladenen Partikelstrahl.
Da solche gebogenen Elektromagneten enthalten sind, entspricht die Zeitabhängigkeit von der Magnetfeldintensität von dem Sechspol-Elektromagneten an einer Resonanzemission einer einfachen linearen Funktion. Demgemäß werden die Einstellungen von Emissionsparametern zu dem Zeitpunkt, bei welchem sich die Energie von geladenen Partikeln, welche durch die Emission beschleunigt werden, geändert hat, einfach, und kann eine anfängliche Strahleinstellungs-Zeitperiode, beispielsweise bei dem Aufbau von dem Kreisbeschleuniger oder nach einem Abschalten für einen langen Zeitraum oder nach dem teilweisen Neumodellieren von einer Einrichtung stark verkürzt werden. Somit hat diese Erfindung den Vorteil, dass der Kreisbeschleuniger, welcher die Laufzuverlässigkeit erhöht, und welcher geringe Kosten involviert, realisiert werden kann.
Das Vorhergehende und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile von der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, gelesen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, welche die Ausstattungsanordnung von einem Kreisbeschleuniger in einer ersten Ausführungsform anzeigt;
2A und 2B sind Ansichten, welche die Magnetpolteile von einem gebogenen Elektromagneten in der ersten Ausführungsform anzeigen;
3 ist eine Ansicht, welche einen Magnetpol-Kantenabschnitt in der ersten Ausführungsform vergrößert anzeigt;
4 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Energieabhängigkeit von einer Abstimmung in einer horizontalen Richtung in dem Fall anzeigt, bei welchem der Magnetpol-Kantenabschnitt nicht mit Endpacken bereitgestellt ist;
5 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Energieabhängigkeit von der Abstimmung in der horizontalen Richtung in dem Fall anzeigt, bei welchem die Längen von den Endpacken ausgeglichen sind, und bei welchem Winkel, welche geneigte Oberflächen bestimmen, bei θ₂ > θ₁ eingestellt sind;
6 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Energieabhängigkeit von der Abstimmung in der horizontalen Richtung gemäß der ersten Ausführungsform anzeigt;
7 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Energieabhängigkeit von der Abstimmung in der horizontalen Richtung gemäß einem weiteren Beispiel von der ersten Ausführungsform anzeigt;
8 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Zeitabhängigkeiten von den Intensitäten von einem Sechspol-Elektromagneten während Resonanzemissionen gemäß der ersten Ausführungsform anzeigt;
9 ist ein Kurvenverlauf, welcher einen Emissionsstrahlstrom während einer Strahlemission gemäß der ersten Ausführungsform anzeigt;
10 ist eine Ansicht, welche einen Magnetpol-Kantenabschnitt in einer zweiten Ausführungsform vergrößert anzeigt;
11 ist eine Ansicht, welche einen Magnetpol-Kantenabschnitt in einer dritten Ausführungsform vergrößert anzeigt;
12 ist eine Ansicht, welche einen Magnetpol-Kantenabschnitt in einer vierten Ausführungsform vergrößert anzeigt; und
13A, 13B und 13C sind Ansichten, welche einen Magnetpol-Kantenabschnitt in einer fünften Ausführungsform vergrößert anzeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG VON DER ERFINDUNG
AUSFÜHRUNGSFORMEN VON DER ERFINDUNG
1. AUSFÜHRUNGSFORM
Die erste Ausführungsform von dieser Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Ansicht, welche die Ausstattungsanordnung von einem Kreisbeschleuniger 100 gemäß der ersten Ausführungsform anzeigt. Wie bereits bekannt ist, arbeitet der Kreisbeschleuniger 100 derart, so dass geladene Partikel, welche von einem Vorstufenbeschleuniger 9 und durch ein Strahltransportsystem 1 eintreten, beschleunigt werden, während sie um einen Ausgleichsorbit 4 rotiert werden, welcher ein Rotationsorbit ist, und dass die geladenen Partikel danach in eine nicht angezeigte Abstrahlungskammer über eine Emissionsvorrichtung 7 als auch ein Emissionsstrahl-Transportsystem 8 eingeführt werden.
Wie in 1 angezeigt, enthält der Kreisbeschleuniger 100 eine Eingangsvorrichtung 2, in welche der Strahl aus den geladenen Partikeln, beispielsweise Protonen, welche von dem Vorstufenbeschleuniger 9 transportiert werden, eintritt, einen Hochfrequenz-Beschleunigungsraum 5, welcher an die geladenen Partikel eine Energie abgibt, gebogene Elektromagneten 3, welche den Strahlorbit biegen, einen Sechspol-Elektromagneten 6, welcher an der Emission von dem beschleunigten geladenen Partikelstrahl eine Resonanz anregt, das heißt, welcher ein Magnetfeld zur Unterteilung der Betatron-Oszillationen von dem geladenen Partikelstrahl in eine stabile Region und eine Resonanzregion erzeugt, und die Emissionsvorrichtung 7, durch welche der Protonenstrahl einer erhöhten Betatron-Oszillations-Amplitude in das Emissionsstrahl-Transportsystem 8 emittiert wird. Im Übrigen ist die Beschreibung des Ausgleichsorbits 4 zwischen den angrenzenden aus den vier gebogenen Elektromagneten 8 ausgelassen. Ferner sind die Beschreibungen von Endpacken 34 und dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b davon, welche später mit Bezug auf 2B erläutert werden, ausgelassen.
In 2A und 2B sind vergrößerte Ansichten von jedem gebogenen Elektromagneten 3 und den Magnetpolteilen davon angezeigt.
2A ist eine Seitenansicht von dem gebogenen Elektromagneten 3, während 2B eine vergrößerte Ansicht des Magnetpols 31 von dem gebogenen Elektromagneten 3, in Richtung der Pfeile A-A in 2A aus betrachtet, ist. Bezug nehmend auf 2A, enthält der gebogene Elektromagnet 3 die Magnetpole 31, welche Magnetpolflächen 31a haben, welche über einen Magnetpolspalt G zueinander ausgerichtet sind, und Spulen 39, welche ein gebogenes Magnetfeld erzeugen. Wie in 2B gezeigt, biegen die Magnetpole 31 von dem gebogenen Elektromagneten 3 den Strahlorbit bei einem Biegewinkel θb, wobei Q ein Mittenpunkt des Biegeradius R ist. Jeder Magnetpol 31 hat einen Magnetpol-Kantenabschnitt 32. Im Übrigen wird in der ersten Ausführungsform die Außenumfangsseite von dem Magnetpol-Kantenabschnitt mit Bezug auf den Biegeradius R als „Kantenaußenteil 32a” bezeichnet, und wird die Innenumfangsseite als „Kanteninnenteil 32b” bezeichnet.
Wie in 2B gezeigt, entspricht der Ausgleichsorbit 4, wie in 1 gezeigt, allgemein dem Ausgleichsorbit 33a eines Strahls von einer Mittenenergie, wie auch entsprechend einem Strahlmittenorbit, dem Ausgleichsorbit 33b eines Strahls von einer höheren Energie als die Mittenenergie (Strahl höherer Energie), und dem Ausgleichsorbit 33c eines Strahls von einer geringeren Energie als die Mittenenergie (Strahl geringerer Energie). Jene Teile des Magnetpol-Kantenabschnittes 32, welche dem Strahleinlass 35a und Strahlauslass 35b des Magnetpols 31 entsprechen, sind zusätzlich mit den Endpacken 34 bereitgestellt, welche später beschrieben werden.
Um eine Konvergierungswirkung auf die geladenen Partikel 4, welche beschleunigt werden, zu bewirken, wird der Winkel θe zwischen dem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 und einer geraden Linie, welche den Strahlmittenorbit 33a und den Mittenpunkt Q von dem Biegeradius R verbindet, in 2B im Uhrzeigersinn positiv größer als 0 Grad erstellt. Dieser Winkel θe wird allgemein als „Kantenwinkel” bezeichnet. Da der Kantenwinkel θe größer ist, wird eine Strahl-Konvergierungskraft in einer vertikalen Richtung, welche zu der Figurenseite von 2A senkrecht ist, größer, und wird eine Strahl-Konvergierungskraft in einer horizontalen Richtung kleiner. Andererseits hat der Hauptteil des Magnetpols 31, welcher sich über den Biegewinkel θb von dem gebogenen Elektromagneten 3 erstreckt, die Konvergierungskraft in horizontaler Richtung, hat jedoch keine Konvergierungskraft in vertikaler Richtung.
Aufgrund des Obigen kann eine stabile Lösung, welche den Strahl sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung konvergieren lässt, durch ein korrektes Auswählen des Kantenwinkels θe bestimmt werden. Wie hinlänglich und allgemein bekannt, wird der Kantenwinkel, wie in 2B gezeigt, in jedem von im Wesentlichen allen Kreisbeschleunigern positiv eingestellt. In diesem Fall wird ein Anteil, welcher durch den Magnetpol 31 belegt ist, an dem Kanteninnenteil 32b kleiner als am Kantenaußenteil 32a, und zwangsläufig wird eine Magnetfeld-Intensitätsverteilung in dem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 schwächer als am Kanteninnenteil 32b.
Der Grund dafür ist wie oben erwähnt. Für gewöhnlich ist bei einem allgemeinen gebogenen Elektromagneten eine Magnetfeldintensität an dem Grenzteil von einem Magnetpol im Wesentlichen ähnlich auf einem Strahlmittenorbit, und innerhalb und außerhalb des Strahlmittenorbits. Jedoch wird bei einem Fall, bei welchem der Kantenwinkel auf der positiven Seite groß ist (wo er 10 Grad übersteigt: etwa 30 Grad in der ersten Ausführungsform), die Magnetfeldintensität innerhalb des Grenzteils von dem Magnetpol geringer. Genauer gesagt, wird die Magnetfeldintensität von dem gesamten Elektromagneten an einem Teil einer geringeren Reluktanz höher, und wird bei einem Fall, bei welchem der Kantenwinkel auf der positiven Seite groß ist, die Reluktanz innerhalb des Grenzteils von dem Magnetpol größer als außerhalb des Grenzteils, und zwar basierend auf einer dreidimensionalen Wirkung. Daraus folgend unterscheidet sich die Strahl-Konvergierkraft innerhalb und außerhalb des Grenzteils, und wird eine Abstimmung nicht-linear. Ein Augenmerk dieser Erfindung, welche die erste Ausführungsform enthält, liegt darin, die nicht-lineare Abstimmung auf eine lineare Abstimmung zu ändern.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Magnetpol-Kantenabschnittes 32 in der Nähe von der Strahlauslassseite 35b von dem Magnetpol 31.
Die Magnetpol-Endfläche 31b von dem Magnetpol 31 von dem gebogenen Elektromagneten 3 ist zusätzlich mit dem Endpacken 34 bereitgestellt. Dieser Endpacken 34 ist mit dem ersten Vorsprung 34a an einer Stelle, welche dem Kantenaußenteil 32a entspricht, und mit dem zweiten Vorsprung 34b an dem Kanteninnenteil 32b bereitgestellt. Ebenfalls befindet sich der Endpacken 34 in einem engen Kontakt mit der Magnetpol-Endfläche 31b, so dass er sich in Richtung des Strahrotationsorbits erstreckt und eine Ebene ausbildet, welche identisch ist mit der Magnetpolfläche 31a.
Im Übrigen ist eine Endpacken-Endfläche 34c, welche mit den Unterseiten von den jeweiligen Vorsprüngen 34a und 34b in Kontakt steht, zwischen dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b von dem Endpacken 34 ausgebildet, und ist diese Endpacken-Endfläche 34c derart bereitgestellt, dass sie zu den Flachteilen 34d und 34e parallel ist, welche den Oberseiten von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b entsprechen. Im Übrigen brauchen die Magnetpol-Endfläche 31b und die Endpacken-Endfläche 34c nicht immer parallel zu sein. Eine Länge von der Endpacken-Endfläche 34c zu dem Vorsprung-Flachteil (die Höhe von dem Vorsprung) ist bei dem ersten Vorsprung 34a mit „L₁” gekennzeichnet, und ist bei dem zweiten Vorsprung 34b mit „L₂” gekennzeichnet, und sind in der ersten Ausführungsform auf L₂ > L₁ eingestellt. Das heißt, dass die Vorsprung-Flachteile 34d und 34e keine identische Ebene ausbilden.
Im Übrigen ist der erste Vorsprung 34a mit einem ersten Ausgleichsorbitseite-Endteil K₁ bereitgestellt, welches sich von einem Anfangspunkt S₁ an der Unterseite von diesem Vorsprung, nämlich die Endpacken-Endfläche 34c, zu dem Flachteil 34d erstreckt, und welches einen Neigungswinkel θ₁ zu der Unterseite, welche radial außerhalb des Ausgleichsorbits von dem Strahl liegt, bestimmt. Der Anfangspunkt S₁ ist derart eingestellt, dass er radial außerhalb des Hochenergiestrahl-Ausgleichsorbits 33b liegt.
Im Übrigen ist der zweite Vorsprung 34b ähnlich mit einem zweiten Ausgleichsorbitseite-Endteil K₂ bereitgestellt, welches sich von einem Anfangspunkt S₂ an der Unterseite zu dem Flachteil 34e erstreckt, welches einen vorbestimmten Neigungswinkel θ₂ radial innerhalb des Ausgleichsorbits hat. Der Anfangspunkt S₂ ist derart eingestellt, dass er radial innerhalb des Niedrigenergiestrahl-Ausgleichsorbits 33c liegt. Zusätzlich ist die Beziehung zwischen den Winkeln θ₁ und θ₂ in der ersten Ausführungsform auf θ₂ > θ₁ gehalten.
Die Magnetpol-Endfläche 31b ist zusätzlich mit dem Endpacken 34 bereitgestellt, welcher einen solchen ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b hat, wodurch die Abschwächung der Magnetfeldverteilung von dem Kanteninnenteil 32b von dem Magnetpol-Endabschnitt 32 korrigiert werden kann. Im Übrigen, obwohl das Beispiel, bei welchem der Endpacken 34 den ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b hat, in der ersten Ausführungsform angezeigt wurde, können lediglich der erste und zweite Vorsprung 34a und 34b oder zwei separate Endpacken ebenso gut an die Magnetpol-Endfläche 31b befestigt werden. In diesem Fall kann die Magnetpol-Endfläche 31b ungleich einer flachen Oberfläche gut gestuft sein. Im Übrigen, obwohl die Endpacken-Form in der Strahlrotationsrichtung in der ersten Ausführungsform erläutert wurde, ist eine Endform in der radialen Richtung nicht insbesondere beschränkt.
4 zeigt das berechnete Ergebnis von der Energieabhängigkeit von der Abstimmung, welche eine Strahlkonvergenz-Eigenschaft in horizontaler Richtung darstellt, wobei das Ergebnis unter Verwendung eines dreidimensionalen Magnetfeldes und eines Orbitanalysecodes erlangt wurde. Da lediglich die Abstimmung in horizontaler Richtung eine steuerbare Variable in der Resonanzemission wird, ist lediglich die Abhängigkeit in horizontaler Richtung angezeigt. Das berechnete Ergebnis entspricht einem Fall, bei welchem ein Magnetpol nicht mit dem ersten und zweiten Endpacken 34a und 34b in 3 bereitgestellt ist. Wie in 3 gezeigt, durchläuft der Strahl, welcher die geringere Energie als die Mittenenergie hat, durch die Innenseite von dem gebogenen Elektromagnet, und durchläuft der Strahl, welcher die höhere Energie als die Mittenenergie hat, durch die Außenseite von dem gebogenen Elektromagneten, so dass die Magnetfeld-Intensitätsverteilung in dem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 an dem Kanteninnenteil 32b schwächer wird. Daher wird die Konvergierungskraft in lateraler Richtung an der Innenseite stärker als an der Außenseite.
5 zeigt ein weiteres Beispiel B, welches die Energieabhängigkeit von der Abstimmung anzeigt, welche die Strahlkonvergenz-Eigenschaft in horizontaler Richtung darstellt. In 5 ist das Ergebnis von 4 gleichzeitig mit einer gestrichelten Linie A angezeigt. Das berechnete Ergebnis von dem Beispiel 5 entspricht einem Fall, bei welchem die Längen von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b in 3 auf L₁ = L₂ eingestellt sind, und bei welchem die Neigungswinkel auf θ₂ > θ₁ eingestellt sind. In jedem von dem Beispiel A in 4 und dem Beispiel B in 5 ist die Energieabhängigkeit von der Abstimmung in horizontaler Richtung nicht-linear, und ist eine komplizierte Elektromagnetsteuerung an der Resonanzemission des Strahls erforderlich.
Andererseits zeigt 6 mit einer durchgängigen Linie C ein weiteres Beispiel an, welches die Energieabhängigkeit von der Abstimmung anzeigt, welche die Strahlkonvergenz-Eigenschaft in horizontaler Richtung darstellt. Das berechnete Ergebnis von dem Beispiel C in 6 entspricht dem Fall der Ausformungen von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b, wie in 3 angezeigt, das heißt jenen Fall, bei welchem L₂ > L₁ und θ₂ > θ₁ eingestellt sind. Hier ist die Form des Magnetpols derart optimiert, so dass sich die Abstimmung in horizontaler Richtung sogar dann nicht ändern kann, wenn die Energie geändert wird. Unter solchen Bedingungen ist die Abstimmung trotz Änderung der Energie linear, und werden die Bedingungen von der Emission sehr einfach. Das Ergebnis von 6 hat keine Energieabhängigkeit, jedoch ist dies nicht stets die optimale Bedingung für die Emission. Zum Zeitpunkt der Emission wird der Sechspol-Elektromagnet 6 angeregt, um somit die Separatrix bei einer vorbestimmten Größe einzustellen. Der Grund dafür liegt darin, dass die Energieabhängigkeit von der Abstimmung in horizontaler Richtung in jenem Fall eine Linearität einhält, wo sie linear war, ohne dass der Sechspol-Elektromagnet 6 angeregt ist, sich jedoch die Neigung von der Energieabhängigkeit ändert, wenn der Sechspol-Elektromagnet angeregt wird. Bei der Magnetpol-Ausformung in dieser Erfindung, welche die erste Ausführungsform enthält, ist es wesentlich, dass die Energieabhängigkeit linear wird, und ist es nicht notwendig, die Energieabhängigkeit lediglich aufzuheben. Demgemäß wird die Energieabhängigkeit nicht konstant beibehalten, sondern kann sie linear geändert werden, indem die Ausformungen und die Anordnung von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b optimiert werden. Ein Beispiel von einer solchen linearen Energieabhängigkeit ist mit einer durchgängigen Linie D in 7 angezeigt.
8 zeigt die berechneten Ergebnisse von den Zeitabhängigkeiten der Intensitäten von dem Sechspol-Elektromagneten 6 innerhalb bestimmter Resonanzemissionen in den Fällen des Beispiels A in 5, des Beispiels C in 6 und des Beispiels D in 7 zur Durchführung der Resonanzemissionen. In dem Fall von dem Beispiel A muss die Magnetfeldintensität von dem Sechspol-Elektromagneten 6 zu jedem Moment geändert werden, und wird für eine Anfangs-Strahleinstellung eine lange Einstellzeit aufgewendet. Andererseits, im Falle des Beispiels C oder D, entspricht die Zeitabhängigkeit von der Intensität von dem Sechspol-Elektromagneten 6 einer einfachen linearen Funktion, und kann eine Strahleinstellungs-Zeitperiode stark verkürzt werden. Im Übrigen erzeugt der Sechspol-Elektromagnet ein Magnetfeld, welches die Differenz von den Betatron-Oszillationen, bedingt durch die Differenz von der Energie von dem geladenen Partikelstrahl, korrigiert.
9 zeigt das berechnete Ergebnis von der temporalen Änderung von einem Strahlstrom innerhalb einer Strahlemission im Falle des Beispiels D in 8. Anhand von 9 ist zu erkennen, dass ein sehr stabiler Strahl kontinuierlich emittiert wird.
2. AUSFÜHRUNGSFORM
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform mit Bezug auf 10 beschrieben, welche eine vergrößerte Teilansicht von einem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 ist.
Wie in 10 gezeigt, sind die Länge L₁ von dem ersten Vorsprung 34a von dem Endpacken 34 und die Länge L₂ von dem zweiten Vorsprung 34b ausgeglichen, und sind die Neigungswinkel auf θ₂ > θ₁ eingestellt. Das heißt, dass die Flachteile 34d und 34e von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b identisch sind, und die Neigungswinkel θ₁ und θ₂ nicht identisch sind. Im Übrigen ist der Anfangspunkt S₁ von dem ersten Ausgleichsorbitseite-Endteil K₁ von dem ersten Vorsprung 34a derart eingestellt, dass er radial innerhalb des Ausgleichsorbits 33b von einem Strahl höherer Energie liegt, und ist der Anfangspunkt S₂ von dem zweiten Ausgleichsorbitseite-Endteil K₂ von dem zweiten Vorsprung 34b derart eingestellt, dass er radial außerhalb des Ausgleichsorbits 33c von einem Strahl geringerer Energie liegt.
Der Endpacken 34, welcher einen solchen ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b hat, ist zusätzlich bereitgestellt, wodurch die Energieabhängigkeit von der Abstimmung, wie mit C in 6 angezeigt, auf im Wesentlichen die gleiche Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform linear erstellt werden kann. Demgemäß werden die Einstellungen der Emissionsparameter bei der Änderung von der Energie wie bei der ersten Ausführungsform vereinfacht, und kann eine anfängliche Strahleinstellungs-Zeitperiode stark verkürzt werden.
3. AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird eine dritte Ausführungsform mit Bezug auf 11 beschrieben, welche eine vergrößerte Teilansicht von einem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 ist.
Verglichen mit 10 von der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich 11 lediglich in der Tatsache, dass die Anfangspunkte von dem ersten und zweiten Ausgleichsorbitseite-Endteil K₁ und K₂ von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b von dem Endpacken 34 an dem Schnittpunkt S zwischen diesen Endteilen und dem Ausgleichsorbit 33a von einem Mittenenergiestral eingestellt sind. Das Weitere ist gleich jenem wie in 10.
Ebenfalls kann in diesem Fall die Energieabhängigkeit von der Abstimmung auf die gleiche Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform linear erstellt werden. Demgemäß werden Emissionsparameter-Einstellungen bei der Änderung von der Energie vereinfacht, und kann eine anfängliche Strahleinstellungs-Zeitperiode stark verkürzt werden.
4. AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird eine vierte Ausführungsform mit Bezug auf 12 beschrieben, welche eine vergrößerte Teilansicht von einem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 ist.
Verglichen mit 11 von der dritten Ausführungsform unterscheidet sich 12 lediglich in der Tatsache, dass das erste und zweite Ausgleichsorbitseite-Endteil K₁ und K₂ von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b von dem Endpacken 34 durch einen glatten Kurvenverlauf KS am Ausgleichsorbit 33a von einem Mittenenergiestrahl verbunden sind. Das Weitere ist gleich jenem wie in 11.
Ebenfalls kann in diesem Fall die Energieabhängigkeit von der Abstimmung auf die gleiche Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform linear erstellt werden. Demgemäß werden Emissionsparameter-Einstellungen bei der Änderung von der Energie vereinfacht, und kann eine anfängliche Strahleinstellungs-Zeitperiode stark verkürzt werden.
5. AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird eine fünfte Ausführungsform mit Bezug auf 13A bis 13C beschrieben, welche vergrößerte Teilansichten von einem Magnetpol-Kantenabschnitt 32 sind.
Verglichen mit 10 von der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich 13A in der Tatsache, dass Neigungswinkel θ₁ und θ₂, welche ein erstes und zweites Ausgleichsorbitseite-Endteil ausbilden, welche die Unterseiten und Flachteile 34d und 34e von dem ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b von dem Endpacken 34 berühren, identisch eingestellt sind. Ferner, wie in einer Seitenansicht von 13B, wobei der erste Ansatz 34a entlang eines Pfeils P betrachtet ist, gezeigt, ist eine erste Neigungsoberfläche K₃, mit welcher sich ein Magnetpolspalt G mehr um als eine Position vergrößert, welche zu der Rotationsrichtung von einem Strahl von dem Magnetpol- Kantenabschnitt 32 weiter beabstandet ist, bereitgestellt, welche einen ersten Neigungswinkel α₁ von einer Endpacken-Fläche hat, welche eine Ebene bestimmt, welche zu einer Magnetpolfläche 31a identisch ist. Ebenso, wie in einer Seitenansicht von 13C gezeigt, welche entlang eines Pfeils Q aus betrachtet ist, ist eine zweite Neigungsoberfläche K₄ bereitgestellt, welche einen zweiten Neigungswinkel α₂ hat. Der erste und zweite Neigungswinkel α₁ und α₂ sind auf α₁ < α₂ eingestellt. Im Übrigen brauchen die Neigungsoberflächen K₃ und K₄ nicht nur bei dem ersten Vorsprung 34a und zweiten Vorsprung 34b von dem Endpacken 34 bereitgestellt zu werden, und brauchen ebenfalls nicht über die gesamte radiale Oberfläche bereitgestellt zu werden, sondern können sie gut an Teilen bereitgestellt werden. Ferner sind in 13B und 13C die Neigungsoberflächen derart beispielhaft angezeigt, dass sie im ersten und zweiten Vorsprung 34a und 34b bereitgestellt sind, jedoch können sie durch eine geeignete Einstellung von den Neigungswinkeln α₁ und α₂ in der Endpacken-Endfläche 34 gut bereitgestellt werden. Das Weitere ist gleich jenem wie in 10 gezeigt.
Ebenfalls sind bei der fünften Ausführungsform die Parametereinstellungen von einer Emission bei der Änderung von einer Energie auf die gleiche Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform vereinfacht, und kann eine anfängliche Strahleinstellungs-Zeitperiode stark verkürzt werden.
Eine Kantenwirkung an dem Magnetpol-Grenzteil von dem gebogenen Elektromagneten, wie oben in jeder von der ersten bis fünften Ausführungsform erläutert, hat in einem Fall keine Energieabhängigkeit, bei welchem der Magnetpol, welcher die Endpacken-Vorsprünge enthält, nicht magnetisch gesättigt ist. Tatsächlich ist der Magnetpol jedoch an der Seite höherer Energie etwas gesättigt, und daher tritt eine bestimmte Energieabhängigkeit auf. Demgemäß unterscheiden sich die Vorsprung-Ausformungen zum Gewährleisten der optimalen Kantenwirkung etwas in Abhängigkeit von der Energie von dem rotierenden Partikelstrahl. Da jedoch das Ausmaß von der Differenz gering ist, sind die Zwischenformen von Vorsprungsformen (das heißt eine Magnetpol-Form) entsprechend eines vorbestimmten Energiebereiches eingestellt, wodurch eine erwartete Kantenwirkung auf einen Partikelstrahl innerhalb des vorbestimmten Energiebereiches gewährleistet werden kann. Andererseits kann in dem Fall, bei welchem der Kreisbeschleuniger zur Bestrahlung verwendet wird, eine Steuerung von einer Bestrahlungstiefe auftreten, indem die Emissionsenergie von einem Partikelstrahl geändert wird.
Bezogen auf die Steuerung von der Bestrahlungstiefe, gibt es ein Verfahren, bei welchem, nach der Emission von dem Partikelstrahl, die Mittenenergie von diesem Partikelstrahl verringert wird, indem eine Energiedämpfungsvorrichtung verwendet wird, welche ein „Bereichsverschieber” genannt wird. Im Falle einer starken Änderung von der Bestrahlungstiefe ist ebenfalls ein Verfahren adaptiert, bei welchem die Emissionsenergie von Partikeln, welche von dem Beschleuniger emittiert werden, geändert wird. Mit einer derzeit erhältlichen Vorrichtung wird die Emissionsenergie in mehreren Stufen mittels eines Beispiels geändert.
Diese Erfindung ist auf einen medizinischen Beschleuniger zur Durchführung der Bekämpfung von Krebs, der Diagnose von einem krankheitsbefallenen Körperteil oder dergleichen, welcher einen geladenen Partikelstrahl verwendet, und auf Beschleuniger zur Bestrahlung eines jeglichen Materials mit einem Partikelstrahl oder zur Durchführung von einem physikalischen Experiment anwendbar.
Verschiedene Modifikationen und Änderungen von dieser Erfindung werden dem Fachmann offensichtlich, ohne vom Umfang und Geist von dieser Erfindung abzuweichen, und es sollte verständlich sein, dass diese nicht auf die hier dargelegten darstellhaften Ausführungsformen beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 11-074100 A [0005]

Claims

Kreisbeschleuniger 100, bei welchem ein geladener Partikelstrahl um einen Ausgleichsorbit 4 rotiert, welcher enthält: gebogene Elektromagneten 3, welche ein gebogenes Magnetfeld erzeugen, einen Sechspol-Elektromagneten 6, welcher ein Magnetfeld zur Korrektur einer Differenz von Betatron-Oszillationen, bedingt durch eine Differenz in einer Energie von dem geladenen Partikelstrahl, erzeugt, und eine Emissionsvorrichtung 7, welche den geladenen Partikelstrahl aus dem Kreisbeschleuniger 100 aus dem Ausgleichsorbit 4 extrahiert; wobei jede von den Magnetpol-Endflächen 31b von jedem von den gebogenen Elektromagneten 3, in welche der geladene Partikelstrahl eintritt und aus diesen austritt, zusätzlich mit einem Endpacken 34 bereitgestellt ist, welcher sich derart erstreckt, um eine Ebene auszubilden, welche zu einer Magnetpolfläche in einer Rotationsrichtung von dem geladenen Partikelstrahl identisch ist, und welcher mit einem ersten Vorsprung 34a an einem Teil, welcher radial außerhalb eines Strahl-Ausgleichsorbits 33a ist, welcher eine Mittenenergie von dem geladenen Partikelstrahl hat, und einem zweiten Vorsprung 34b an einem Teil, welcher radial innerhalb des Strahl-Ausgleichsorbits ist, bereitgestellt ist; wobei die Vorsprünge 34a, 34b Flachteile 34d, 34e, welche zueinander parallel sind, an Endteilen in der Rotationsrichtung von dem geladenen Partikelstrahl haben; wobei der erste Vorsprung 34a mit einem ersten Ausgleichsorbitseite-Endteil K1, welches sich radial außerhalb des Ausgleichsorbits 4 von dem Strahl erstreckt, welches einen Anfangspunkt S1 an einer Unterseite von dem Vorsprung und zu dem Flachteil 34d führt, hat, und welches einen Neigungswinkel θ₁ zu der Unterseite bestimmt, bereitgestellt ist, während der zweite Vorsprung 34b mit einem zweiten Ausgleichsorbitseite-Endteil K2, welches sich radial innerhalb des Ausgleichsorbits 4 von dem Strahl erstreckt, welches einen Anfangspunkt S2 an einer Unterseite von dem Vorsprung und zu dem Flachteil 34e führt, hat, und welches einen Neigungswinkel θ₂ zu der Unterseite bestimmt, bereitgestellt ist; und wobei sich Formen von dem ersten und zweiten Vorsprung aufgrund von einer Differenz in zumindest einem aus einer Komplanarität, dass die Flachteile 34d, 34e von dem ersten und zweiten Vorsprung auf einer identischen Ebene liegen oder nicht, und der Identität von den Neigungswinkeln θ₁ und θ₂ unterscheiden.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem eine Endpacken-Endfläche 34c, welche mit den Anfangspunkten S1, S2 von dem ersten und zweiten Vorsprung in Verbindung steht, zwischen den jeweiligen Vorsprüngen bereitgestellt ist, und wobei die Endpacken-Endfläche 34c parallel zu den Flachteilen 34d, 34e von den Vorsprüngen ist.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 2, bei welchem die Flachteile 34d, 34e von dem ersten und zweiten Vorsprung auf einer identischen Ebene liegen; wobei der Anfangspunkt S1 von dem ersten Vorsprung 34a innerhalb eines Ausgleichsorbits 33b eines Strahls höherer Energie liegt, welcher radial außerhalb des Mittenenergiestrahl-Ausgleichsorbits 33a ist, während der Anfangspunkt S2 von dem zweiten Vorsprung 34b außerhalb eines Ausgleichsorbits 33c eines Strahls geringerer Energie liegt, welcher radial innerhalb des Mittenenergiestrahl-Ausgleichsorbits 33a ist; und wobei der Neigungswinkel θ₁ kleiner als der Neigungswinkel θ₂ ist.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem der Anfangspunkt S von dem ersten und zweiten Vorsprung an einem Schnittpunkt zu dem Mittenenergiestrahl-Ausgleichsorbit 33a liegt.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 4, bei welchem das erste und zweite Ausgleichsorbitseite-Endteil K1, K2 von dem ersten und zweiten Vorsprung an den Anfangspunkten durch einen glatten Kurvenverlauf KS verbunden sind.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 2, bei welchem eine Endfläche von dem Endpacken 34 in der Strahlrotationsrichtung mit geneigten Oberflächen K3, K4 bereitgestellt ist, bei welchen ein Magnetpolspalt vergrößert ist, wenn eine Position in der Rotationsrichtung von dem Strahl weiter beabstandet ist, und ein Neigungswinkel α1, α2, welchen die Neigungsoberflächen K3, K4 mit der Magnetpolfläche 31a bestimmen, an einem radialen Außenteil von dem Ausgleichsorbit 33a von dem Strahl kleiner als an einem radialen Innenteil ist.
Kreisbeschleuniger nach Anspruch 2, bei welchem der Endpacken 34 aus einem ersten und zweiten separaten Endpacken konfiguriert ist; und der erste Vorsprung in dem ersten Endpacken bereitgestellt ist, während der zweite Vorsprung in dem zweiten Endpacken bereitgestellt ist.