JP2010050019A - Circular accelerator - Google Patents
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Abstract
【課題】円形加速器から荷電粒子ビームを外部に出射する場合、ビーム軌道の変化に起因するチューンの変化を静的に補正し、チューンを線形に変化させ、ビーム出射調整を容易とした円形加速器を提供する。
【解決手段】偏向電磁石3の荷電粒子ビームが出入りする磁極エッジ部32にエンドパック34を設け、このエンドパック34の中心エネルギービームの平衡軌道33aより径方向外側のエッジ部32aに第1の突起部34aが、中心エネルギービームの平衡軌道33aより径方向内側のエッジ部32bに第2の突起部34bを設け、その第1、第2の突起部34a、34bの平坦部端面34c、34d間を円弧曲線ないし楕円弧曲線でつなぐ連結面34eを設けることにより、加速エネルギーの異なるビームのベータトロン振動数を一定ないし、エネルギーに対して線形とする。
【選択図】図3When a charged particle beam is emitted from a circular accelerator to the outside, a circular accelerator that makes correction of beam emission easy by statically correcting a change in tune caused by a change in beam trajectory and changing the tune linearly. provide.
An end pack is provided at a magnetic pole edge portion 32 where a charged particle beam of a deflecting electromagnet 3 enters and exits, and a first protrusion is formed on an edge portion 32a radially outward from a balance trajectory 33a of a central energy beam of the end pack 34. The portion 34a is provided with a second protrusion 34b on the edge 32b radially inward from the equilibrium trajectory 33a of the central energy beam, and between the flat portion end faces 34c, 34d of the first and second protrusions 34a, 34b. By providing the connecting surface 34e connected by an arcuate curve or an elliptical arc curve, the betatron frequency of beams having different acceleration energies is constant or linear with respect to energy.
[Selection] Figure 3
Description
この発明は、低エネルギービームを入射し、加速した高エネルギービームを出射する円形加速器に関するものである。 The present invention relates to a circular accelerator that receives a low energy beam and emits an accelerated high energy beam.
従来、シンクロトロン等の円形加速器は荷電粒子ビームを周回加速させ、その平衡軌道から取り出したビームをビーム輸送系で輸送し、所望の対象物に照射する物理実験や、粒子線医用として癌治療や患部の診断に供されている。
このような円形加速器では、加速した荷電粒子を連続的に出射させるために、ビームのベータトロン振動の共鳴が用いられてきた。ベータトロン振動の共鳴とは、以下のような現象である。荷電粒子は、円形加速器の平衡軌道の周辺を左右(水平方向)或いは上下(垂直方向)に振動しながら周回する。これをベータトロン振動といい、振動の振幅をベータトロン振動振幅という。ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの振動数を一般にチューン(ベータトロン振動数)と呼ばれる。チューンは周回軌道上に設けられた偏向電磁石や4極電磁石等で制御可能である。チューンの少数部をa/b(a,bは整数)に近づけると同時に、平衡軌道上に設けられた共鳴発生用多重極磁石(例えば、6極電磁石)を励磁すると、多数周回している荷電粒子のうち、ある一定以上のベータトロン振動振幅を持つ荷電粒子のベータトロン振動の振幅が急激に増加する。この現象をベータトロン振動の共鳴と呼び、振動振幅が急激に増加してビームが不安定になる境界部分、すなわち、安定領域と不安定領域の境界部分を安定限界(セパラトリクス)という。通常、このセパラトリクスは、位相平面上で考えるのが一般的である。位相平面とは横軸をビームの平衡軌道からのずれ量、縦軸をビームの平衡軌道からの傾きとしたもので、周回ごとのビームの条件をこの平面上にプロットすると平衡軌道に近い位置を周回しているビームは位相平面上では閉じた空間である楕円内を安定に周回し、振動振幅が大きくなると、すなわち平衡軌道から遠い位置を周回しているビームの場合は、位相空間上の形状が楕円形から三角形となる。いずれの場合もビームは安定に周回するが、更に振幅が大きくなりある境界を越えるとビームは安定に周回できなくなる。このとき位相平面上では、安定に周回できなくなったビームは三角形の外側に出てしまうことになる。この三角形の境界が荷電粒子ビームにとっての安定領域と不安定領域とを分ける境界線となり、この境界のことをセパラトリクスと呼ぶ。共鳴の安定限界近傍のベータトロン振動振幅の大きさは、チューンの小数部からの偏差に依存し、偏差が小さい程小さくなる。セパラトリクスより外側のビームはビームが不安定となり徐々に円形加速器の外へ取り出される。偏向電磁石の磁場強度が一定の状態で加速を続けると、ビームの平衡軌道は径方向外側にずれるが、これによりチューンが変化していくことになり、セパラトリクスが変化しない場合には、外周部を周回していたビームはセパラトリクス外に移動し、径方向外周側ビームから徐々にセパラトリクスから取り出され出射ビームとなる。このようにビームのチューンを制御することにより、ビームの一部をセパラトリクス外に持っていくことにより周回軌道から外して出射する、いわゆる共鳴出射ではチューンの微妙な調整が必要となり出射パラメータの調整には多大な時間を要する。
Conventionally, circular accelerators such as synchrotrons orbitally accelerate a charged particle beam, transport the beam extracted from its equilibrium trajectory through a beam transport system, and irradiate a desired object with cancer treatment for particle beam medical use. It is used for diagnosis of the affected area.
In such a circular accelerator, resonance of the betatron oscillation of the beam has been used in order to continuously emit accelerated charged particles. The resonance of betatron oscillation is the following phenomenon. The charged particles circulate around the equilibrium orbit of the circular accelerator while vibrating left and right (horizontal direction) or up and down (vertical direction). This is called betatron vibration, and the amplitude of vibration is called betatron vibration amplitude. The frequency of betatron vibration per round orbit is generally called tune (betatron frequency). The tune can be controlled by a deflection electromagnet or a quadrupole electromagnet provided on the orbit. When the minority part of the tune is brought close to a / b (a and b are integers) and at the same time, a resonance-generating multipole magnet (for example, a hexapole electromagnet) is excited, a large number of charges are circulated. Among the particles, the amplitude of the betatron oscillation of a charged particle having a betatron oscillation amplitude of a certain level or more increases rapidly. This phenomenon is called resonance of betatron oscillation, and the boundary portion where the beam amplitude becomes unstable due to a sudden increase in vibration amplitude, that is, the boundary portion between the stable region and the unstable region is called a stability limit (separatory). Normally, this separatrix is generally considered on the phase plane. The phase plane is the amount of deviation from the beam's equilibrium trajectory on the horizontal axis, and the inclination from the beam's equilibrium trajectory on the vertical axis. The orbiting beam stably circulates in an ellipse that is a closed space on the phase plane, and when the vibration amplitude increases, that is, in the case of a beam orbiting a position far from the equilibrium orbit, the shape in the phase space Becomes a triangle from an ellipse. In either case, the beam circulates stably, but if the amplitude becomes larger and exceeds a certain boundary, the beam cannot circulate stably. At this time, on the phase plane, the beam that can no longer circulate stably goes out of the triangle. This triangular boundary becomes a boundary line that separates a stable region and an unstable region for a charged particle beam, and this boundary is called a separatrix. The magnitude of the betatron oscillation amplitude near the resonance stability limit depends on the deviation from the decimal part of the tune, and becomes smaller as the deviation is smaller. The beam outside the separatrix becomes unstable and is gradually extracted out of the circular accelerator. If acceleration is continued with the magnetic field strength of the deflecting electromagnet kept constant, the beam's equilibrium trajectory will shift radially outward, but this will change the tune, and if the separatrix does not change, The circulating beam moves out of the separatrix and is gradually extracted from the radially outer side beam from the separatrix to become an outgoing beam. By controlling the beam tune in this way, by taking a part of the beam out of the separatrix and emitting it out of the circular orbit, so-called resonant emission requires fine tuning of the tune, and adjustment of the emission parameters Takes a lot of time.
この様な共鳴出射を行う方法として、従来より以下の4つの方法が一般に知られている。
[方法1]セパラトリクスの大きさを初めの大きな状態から徐々に小さくしていき、周回中の荷電粒子のうちベータトロン振動振幅が大きな荷電粒子にまず共鳴を発生させ、その後振動振幅が小さな荷電粒子に順次共鳴を発生させて徐々に荷電粒子ビームを照射室へ出射する。
[方法2]チューンを略一定に保つことにより安定限界を略一定とし、高周波によりビームのベータトロン振動の振幅を増加させて共鳴を発生させる。
[方法3]チューンを略一定に保つことにより安定限界を略一定とし、高周波によりビームのベータトロン振動の振幅を増加させて安定限界の境界までビームを増大させる、その後で4極電磁石を励磁しセパラトリクスを若干小さくし徐々に荷電粒子ビームを取り出す。
[方法4]チューンを略一定に保つことにより安定限界を略一定とし、高周波加速電界により徐々にビームを加速し、セパラトリクスの外になったビームを徐々に取り出す。
Conventionally, the following four methods are generally known as methods for performing such resonance emission.
[Method 1] Gradually reduce the size of the separatrix from the initial large state, and first generate resonance in charged particles having a large betatron oscillation amplitude among the circulating charged particles, and then charge particles having a small oscillation amplitude. Resonance is generated sequentially, and the charged particle beam is gradually emitted to the irradiation chamber.
[Method 2] The stability limit is made substantially constant by keeping the tune substantially constant, and the amplitude of the betatron oscillation of the beam is increased by high frequency to generate resonance.
[Method 3] The stability limit is made substantially constant by keeping the tune substantially constant, the amplitude of the betatron oscillation of the beam is increased by high frequency to increase the beam to the boundary of the stability limit, and then the quadrupole electromagnet is excited. The separatrix is slightly reduced and the charged particle beam is gradually extracted.
[Method 4] The stability limit is made substantially constant by keeping the tune substantially constant, the beam is gradually accelerated by the high frequency acceleration electric field, and the beam outside the separatrix is gradually taken out.
上記のいずれの方法も、荷電粒子は中心軌道の周りを振動しつつ周回する。従来例では6極電磁石等を時間的に制御することにより各種要因によるチューンの変化を補正してビームを出射しているがその具体例として、特許文献1に次のような例が開示されている。すなわち、偏向電磁石、4極電磁石、機能結合型電磁石などの励磁電流の変化等により平衡軌道がずれることに起因するベータトロン振動数(チューン)の変化を防止し、荷電粒子ビームを安定に出射する為に、共鳴出射用の6極電磁石以外に、偏向電磁石、4極電磁石の励磁電流に起因するチューンの変化を打ち消すような6極電磁石を設けて、偏向電磁石や4極電磁石の励磁電流によるチューンの変化を打ち消す発散力,収束力を周回ビームに与えるような励磁電流を上記6極電磁石に供給するというものである。
In any of the above methods, the charged particles circulate around the central orbit while vibrating. In the conventional example, the hexapole electromagnet or the like is temporally controlled to correct the change in the tune due to various factors and emit the beam. As a specific example,
しかしながら上記特許文献1に示された周回型加速器では、
(1)偏向電磁石や他の電磁石などの励磁電流の変化に起因する平衡軌道の変移によるチューンの変化を防止する為に6極電磁石等を複雑な制御を行う必要があり、ビーム調整に多くの時間を要する。
(2)出射エネルギーが同じ場合であっても、共鳴出射の場合セパラトリクスを小さくしていく過程で荷電粒子ビームは異なるビーム軌道上を通るので、軌道の変化に起因するチューンの変化を防止する為に複雑な制御が必要であり、多大なビーム調整時間が必要である。
However, in the revolving accelerator shown in
(1) In order to prevent changes in the tune due to the shift of the equilibrium trajectory caused by changes in the excitation current of the deflecting electromagnet and other electromagnets, it is necessary to perform complex control of the hexapole electromagnet etc. It takes time.
(2) Even when the emission energy is the same, in the case of resonance emission, the charged particle beam travels on different beam trajectories in the process of reducing the separatrix, so that the tune change due to the trajectory change is prevented. Complicated control is required, and a large amount of beam adjustment time is required.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、平衡軌道が変位してもチューンが略線形に変化し、これを補償するための6極電磁石強度の時間的な制御も略線形として制御することが可能になり、すなわち簡単な制御でビームを安定に出射可能にすることができ、それによりビーム調整時間の短縮が可能な、低コストの円形加速器を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the tune changes substantially linearly even when the equilibrium trajectory is displaced. To provide a low-cost circular accelerator capable of controlling the control substantially linearly, that is, capable of stably emitting a beam with simple control, and thereby shortening the beam adjustment time. It is in.
この発明に係る荷電粒子ビームが平衡軌道を周回する円形加速器は、偏向磁場を発生する偏向電磁石と、荷電粒子ビームのエネルギーの相違によるベータトロン振動の相違を補正する磁場を発生する6極電磁石と、荷電粒子ビームを平衡軌道から円形加速器の外部に取り出す出射装置を備えるものであって、偏向電磁石は、その磁極の周方向端面に、磁極面と同一平面で、周方向に延伸して形成された磁性材のエンドパックを有し、当該エンドパックは、径方向外側および内側に互いに分離された、周方向に突起した突起部を有し、当該突起部間は、磁極面への投影形状が所定の曲率の円弧となる円筒面の一部、又は所定の短軸及び長軸を有する楕円弧となる楕円筒面の一部である連結面で連結され、各突起部の周方向端面は互いに平行な平面である平坦部端面を有するものであり、エンドパックの周方向長さが最短の点が、磁極の周方向端面の径方向中心位置を周方向に延長した線上に配置されたものである。 A circular accelerator in which a charged particle beam according to the present invention orbits an equilibrium orbit includes a deflection electromagnet that generates a deflection magnetic field, a hexapole electromagnet that generates a magnetic field that corrects a difference in betatron oscillation due to a difference in energy of the charged particle beam, The deflection electromagnet is formed on the circumferential end surface of the magnetic pole in the same plane as the magnetic pole surface and extending in the circumferential direction. End packs of magnetic material, and the end packs have projections protruding in the circumferential direction separated from each other radially outside and inside, and a projection shape on the magnetic pole surface is formed between the projections. They are connected by a connecting surface that is a part of a cylindrical surface that becomes an arc of a predetermined curvature, or a part of an elliptical cylindrical surface that becomes an elliptical arc having a predetermined short axis and long axis, and the circumferential end faces of the protrusions are parallel to each other. Napeira Those having a flat end face is, the circumferential length of the end pack point shortest, in which are arranged on a line extending in the radial direction center position of the circumferential end face of the pole in the circumferential direction.
上記の偏向電磁石を備えた円形加速器では、共鳴出射時の6極電磁石の磁場強度の時間依存性が略線形となり、荷電粒子のエネルギーが変化した時の、出射パラメータの調整が容易となり、円形加速器建設時や、長期運転休止後あるいは装置部分的改造後等における初期のビーム調整期間を大幅に短縮することが可能となる。また、このような効果により運転の信頼性の向上とともに、低コストの円形加速器を実現できる効果がある。また、エンドパックの突起部は上記したような連結面で連結されているので連結面の形状変化、及び突起部と連結面間の変化が緩やかであり、加工、設置の誤差の影響に鈍感となり、エンドパックを高精度に形成する必要性が低減され、その分コスト低減の効果もある。 In the circular accelerator provided with the deflection electromagnet described above, the time dependence of the magnetic field strength of the hexapole electromagnet at the time of resonant emission becomes substantially linear, and the adjustment of the emission parameter when the energy of the charged particles changes is facilitated. It is possible to greatly shorten the initial beam adjustment period at the time of construction, after long-term operation suspension or after partial modification of the apparatus. In addition, such an effect has an effect of improving driving reliability and realizing a low-cost circular accelerator. In addition, since the protrusions of the end pack are connected by the connecting surface as described above, the change in the shape of the connecting surface and the change between the protrusion and the connecting surface are gradual, making it insensitive to the effects of processing and installation errors. The necessity for forming the end pack with high accuracy is reduced, and the cost can be reduced accordingly.
実施の形態1.
この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、この実施の形態1による円形加速器100の機器配置を示す図である。広く知られているように円形加速器100は、前段加速器9からビーム輸送系1を介して入射した荷電粒子を、周回軌道である平衡軌道4周辺を周回させながら加速した後、出射装置7を介し出射用ビーム輸送系8を介して図示省略した照射室へ荷電粒子を供給する。
図1に示すように、円形加速器100は、前段加速器9から輸送された荷電粒子、例えばプロトンのビームを入射する入射装置2と、この荷電粒子にエネルギーを与える高周波加速空胴5と、ビーム軌道を曲げる偏向電磁石3と、加速された荷電粒子ビームの出射時の共鳴を励起する、すなわち荷電粒子ビームのベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための磁場を発生する6極電磁石と、ベータトロン振動振幅が増加したプロトンビームを出射用ビーム輸送系8に出射するための出射装置7を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing an equipment arrangement of a
As shown in FIG. 1, a
図2は、偏向電磁石3の側面図であり、図3は、図2のA−A矢方向から見た荷電粒子ビームが出入りする偏向電磁石3の磁極31の、磁極エッジ部32におけるエンドパック34と、荷電粒子ビームの平衡軌道4を説明する拡大図である。
図2において、偏向電磁石3には磁極空隙Gを介して対向する磁極面31aを有した磁極31と、コイル39が設けられている。このコイル39は後述するエンドパックを合わせた磁極の周囲に巻き回されている。図1に示した平衡軌道4は、図3に示すビーム中心軌道に相当する中心エネルギーのビームの平衡軌道33a、中心エネルギーよりエネルギーが高いビーム(高エネルギービーム)の平衡軌道33b、中心エネルギーよりエネルギーが低いビーム(低エネルギービーム)の平衡軌道33cを総称するものとする。磁極31の荷電粒子ビームの入口、出口の磁極エッジ部32には、エンドパック34が付設されている。
2 is a side view of the
In FIG. 2, the
図3に示すように、磁性材のエンドパック34は、偏向電磁石3の磁極31の周方向端面31bに取り付けられ、磁極面31aと同一平面を形成するように周方向に延伸して設けられている。そしてこのエンドパック34には、径方向外側のエッジ外側部32aに、第1の突起部34aが、径方向内側のエッジ内側部32bに第2の突起部34bが互いに分離されて設けられている。この第1、第2の突起部34a、34bの間には、磁極面31aへの投影形状が所定の曲率の円弧となる円筒面の一部、または所定の短軸および長軸を有する楕円弧となる楕円筒面の一部である連結面34eで連結され、前記各突起部34a、34bの周方向端面は互いに平行な平面である平坦部端面34c、34dを有するものであり、前記エンドパック34の周方向長さの最短点Pが、前記磁極31の周方向端面の径方向中心位置Qを周方向に延長した線上に配置されている。そして前記エンドパック34の連結面34eを周回平衡軌道面に投影した図形上を、出射時エネルギーの中心エネルギーを有する荷電粒子ビームの周回平衡軌道が通過し、この通過した位置が、前記エンドパック34の周方向長さが最短となる点Pよりも径方向内側にくる構成を有している。
As shown in FIG. 3, the
一般に有限の磁極幅(径方向長さ)を持つ偏向電磁石では磁極エッジ部での磁場強度(偏向磁場)は磁極幅の中心位置が最も高く、その中心位置からずれるに従い磁場強度が弱くなる。よってエネルギーの異なる荷電粒子ビームが感じるビーム収束力は異なりビーム収束力から決定されるチューン(ベータトロン振動数)も異なる。また、本実施の形態1のように磁極幅の中心位置と中心エネルギーの平衡軌道位置がずれている場合には、エネルギーによるチューンの変動は非線形になる。このチューンのエネルギー依存性を非線形から線形にすることがこの実施の形態1を含む本願発明の主目的である。 In general, in a deflection electromagnet having a finite magnetic pole width (radial length), the magnetic field strength (deflection magnetic field) at the magnetic pole edge is highest at the center position of the magnetic pole width, and the magnetic field strength becomes weaker as it deviates from the center position. Therefore, the beam convergence force felt by charged particle beams having different energies is different, and the tune (betatron frequency) determined from the beam convergence force is also different. Further, when the center position of the magnetic pole width and the equilibrium orbit position of the center energy are shifted as in the first embodiment, the fluctuation of the tune due to the energy becomes nonlinear. It is the main object of the present invention including the first embodiment to make the energy dependence of the tune from nonlinear to linear.
この実施の形態1に係る円形加速器に採用されている偏向電磁石3は、図3に示したように、偏向電磁石3の磁極エッジ部32(周方向端面)に、当該磁極31の磁極面31aと同一平面で周方向に延伸して形成された磁性材のエンドパック34を有するものである。このエンドパック34は、周方向端部に平坦面である平坦部端面34c、34dを有し、互いに径方向の内側と外側に互いに分離した、第1、第2の突起部34a、34bと、この両突起部34a、34b間を磁極面31a又は周回平衡軌道面4への投影形状が所定の曲率の円弧となる円筒面の一部、又は所定の短軸及び長軸を有する楕円弧となる楕円筒面の一部である連結面34eとを有するものである。なお、前記第1、第2の突起部34a、34bのそれぞれの前記平坦部端面34c、34dは互いに平行である。エンドパック34を装備しない場合の、前述の磁極エッジ部32での磁場強度(偏向磁場)は、磁極幅Wの中心位置Qで最も高く、その中心位置から離れるに従い弱くなるが、上記形状のエンドパック34を装備することでこの磁場強度不均一性の影響を低減することが可能となる。即ちエンドパック34の装備により磁場強度が高い磁極幅Wの中心付近Qでは偏向電磁石3の周方向磁極長を、磁場強度が低くなる磁極幅Wの中心Qから離れた位置での周方向磁極長に比べて短くしている。既に説明したとおり、この長短を有する形状を所定の曲率の円筒面の一部、もしくは所定の短軸及び長軸を有する楕円筒面の一部で形成したとき、共鳴出射時の6極電磁石6の磁場強度の時間依存性が略線形となりビーム調整期間の大幅な短縮が可能となる。調整期間の短縮により、短縮期間分の省エネ効果やコスト低減効果がある。また、上記のとおり滑らかで特異点のない連結面34eで両突起部34a、34b間をつないでいるので、形状の位置による変化が緩やかであり、加工精度に起因する形状誤差や設置精度に起因する配置誤差に鈍感になる。従って加工や設置に高精度を要しないという効果も派生する。
As shown in FIG. 3, the
図4に、本願発明に係るエンドパック34を装備していない従来型の偏向電磁石3を採用した円形加速器100で、ビームの安定な出射に必要な水平方向のビーム収束特性を、偏向電磁石3の3次元磁場と軌道解析コードを用いて計算し、そのときに必要となるチューンのエネルギー依存性を示した。共鳴出射では水平方向のチューンのみが制御対象となるので、水平方向の依存性のみを示した。ただし、後述する本願発明に係るエンドパック34を装備したときと条件を揃えるために、磁極31は図3において、エンドパック34の先端は曲線部端面34eがない、つまり、第1、第2の突起部34a、34bの平坦部端面34c、34dが同一面で連なっているという条件で計算した。図3に示したように、中心エネルギーより低エネルギーのビーム33cは偏向電磁石3のより内径側を、中心エネルギーより高エネルギーのビーム33bは偏向電磁石のより外径側を通過する。磁極部における磁場強度分布は磁極エッジの径方向内側部分32bの方が、磁極エッジの径方向外側部分32aよりも弱くなっているために、水平方向の収束力は磁極エッジの径方向内側(エネルギ分散が負)の方が外側よりも強くなっている。
FIG. 4 shows a horizontal beam convergence characteristic necessary for stable beam emission in the
これに対して図5は、図3に示すエンドパック34を装備した偏向電磁石3を採用した円形加速器100で、ビームの安定な出射に必要な水平方向のビーム収束特性を、偏向電磁石3の3次元磁場と軌道解析コードを用いて計算し、そのときに必要となるチューンの、エネルギ依存性を実線Bで示したものである。対比のために図4で示した結果は破線Aで示した。上記条件であると、チューンのエネルギー分散依存性は線形性を有している。そのため、出射の条件を満たすための6極電磁石6等の磁場強度の時間制御は非常に簡単なものとなる。図5の実線Bはエネルギ依存性がない結果となっているが、チューンのエネルギー依存性がないことが本質的なことではなく、略線形性を有するということが本質的に重要なことである。その理由は以下のとおりである。出射時には6極電磁石6を励磁してセパラトリクスを所定の大きさに設定する。6極電磁石6を励磁することにより水平方向のチューンのエネルギ依存性は、6極電磁石6を励磁していない条件下で線形であった場合には、線形を保つが、その傾きが変化するからである。従って線形であれば良く、その傾きは変化するものであるから、これにこだわる理由はない。
On the other hand, FIG. 5 shows a
図6は共鳴出射をする際の、6極電磁石6の必要磁場強度の時間依存性の計算結果を示す。図の破線A、実線Bで示すのは、それぞれ、図5のA、Bを算定したときの条件に対応したものである。すなわちAが従来型、Bが本願発明に係る偏向電磁石3を使用した場合に対応する。図に示すとおり、Aの条件では時間毎に6極電磁石6の磁場強度を変える必要があり、初期のビーム調整時に多大な調整時間が必要となる。一方、Bの場合には6極電磁石6の強度の時間依存性は略線形性を有しており、そのため、出射時の6極電磁石の調整が従来に比べて簡略化でき、ビーム調整期間の大幅な短縮が可能になる。
図7に図6のBの場合のビーム出射時のビーム電流の時間変化の計算結果を示す。安定なビームが連続的に出射されていることがわかる。
FIG. 6 shows the calculation result of the time dependence of the required magnetic field strength of the
FIG. 7 shows the calculation result of the time change of the beam current at the time of beam extraction in the case of B in FIG. It can be seen that a stable beam is emitted continuously.
実施の形態2.
図8は実施の形態2による磁極エッジ部32におけるエンドパック34と、荷電粒子ビームの平衡軌道を説明する拡大図である。この図8と前述した実施の形態1の図3との差違は、エンドパック34の連結面34eを周回平衡軌道面へ投影した図形上を、出射時エネルギーの中心エネルギーを有する荷電粒子ビームの周回平衡軌道33aが通過し、当該通過した位置が、エンドパック34の周方向の長さが最短となる点Qよりも径方向内側にくるものであり、その他は図3と同一である。従って符号の説明は省略する。
また図9に、図8のA−A断面、B−B断面を示す。図から判るように、エンドパック34は、それが密着装備された磁極31の周方向端面31bから所定の距離l1の位置で所定の角度θ1にて傾斜面K1が設けられている。さらに傾斜面K1は同方向に所定の距離l2進んだ位置で所定の角度θ2にて傾斜面K2が設けられており、偏向電磁石3の磁極面間の空隙Gが荷電粒子ビームの周回軌道上、偏向電磁石3の外部方向に対して大きくなっている。
このように出射時エネルギーの中心エネルギーを有する荷電粒子ビームの周回平衡軌道33aが、エンドパック34の周方向の長さが最短となる点Qよりも径方向内側を通過するようにし、さらには磁極31に傾斜面K1、K2を設けたエンドパック34を装備した構成の偏向電磁石3としたので、実施の形態1と同等の効果に加え、磁極エッジ部32における磁場飽和の影響による磁場形状の乱れを防止できる効果がある。
なお、この実施の形態2では2つの傾斜面K1、K2を設ける例を示したが、傾斜面の数はこれに限定されるものではない。また、直線に替り曲線形状とすると、より磁場精度が向上する。この傾斜面の形状は磁石の端部が飽和しにくい形状となるように電磁界計算により最適化計算を行い決定する。この形状に関しては従来の偏向電磁石の端部形状と同様である。
FIG. 8 is an enlarged view for explaining the
Further, FIG. 9 shows an AA cross section and a BB cross section of FIG. As can be seen from the figure, the
In this way, the
In the second embodiment, the example in which the two inclined surfaces K 1 and K 2 are provided has been described, but the number of inclined surfaces is not limited to this. Further, when the curved shape is used instead of the straight line, the magnetic field accuracy is further improved. The shape of the inclined surface is determined by performing an optimization calculation by electromagnetic field calculation so that the end of the magnet is not easily saturated. This shape is the same as the end shape of a conventional bending electromagnet.
実施の形態3.
図10は実施の形態3による磁極エッジ部32におけるエンドパック34と、荷電粒子ビームの平衡軌道4を説明する拡大図である。
この図10に示すエンドパック34は、2個の突起部の平坦面端部34c、34dが同一平面に位置していないという点以外は図3に示すエンドパックと同様である。図10から判るように、第1の突起部34aは荷電粒子ビームの周回方向へL1の延伸長を有するとともに、第2の突起部34bは前記L1より大きいL2の延伸長を有するものである。
このようにエンドパック34の第2の突起部34bの延伸長を第1の突起部34aの延伸長より大きくすることにより磁極外径側に比べて内径側で荷電粒子ビームに対して磁場の作用する時間を長くすることが可能となり、中心エネルギーを有する荷電粒子ビーム33aの通過位置が、エンドパック34の周方向の長さが最短となる点Qとのずれが大きい場合に有効となる。
なぜなら磁極エッジ部32付近の磁場強度は磁極中心部より弱くなっているのでそれを補正するために突起部の延伸長を大きくする必要があるからである。また、一般に知られているように荷電粒子ビーム4に収束作用を持たせるため偏向電磁石3の磁極エッジ部32にエッジ角度を設けた構成の場合にも、エッジの径方向内側部32bの磁場強度が径方向外側部32aに比べて低いということによる影響を低減することができ、これらの結果、実施の形態1と同様の効果を奏する。
FIG. 10 is an enlarged view for explaining the
The
Thus, by making the extension length of the
This is because the magnetic field intensity in the vicinity of the magnetic
なお、前述した実施の形態2の図9に示すエンドパック34に設けられた傾斜面K1、K2は、実施の形態1および実施の形態3のエンドパック34に設けてもよい。
Note that the inclined surfaces K 1 and K 2 provided in the
この発明は、荷電粒子ビームを用いた癌治療や患部の診断等を行う医療用加速器や、諸材料への粒子線照射や、物理実験用加速器に利用可能である。 The present invention is applicable to a medical accelerator for performing cancer treatment using a charged particle beam, diagnosis of an affected part, etc., particle beam irradiation to various materials, and a physical experiment accelerator.
3 偏向電磁石、4 平衡軌道、6 6極電磁石、31 磁極、31a 磁極面、
31b 磁極端面、32 磁極エッジ部、32a エッジ外側部、
32b エッジ内側部、33a 中心エネルギービームの平衡軌道、
33b 高エネルギービームの平衡軌道、33c 低エネルギービームの平衡軌道、
34 エンドパック、34a 第1の突起部、34b 第2の突起部、
34c,34d 平坦部端面、34e 連結面、100 円形加速器、
L1 第1の突起部の延伸長、L2 第2の突起部の延伸長、
W 磁極幅(エンドパック長)。
3 deflection electromagnet, 4 balanced orbit, 6 hexapole electromagnet, 31 magnetic pole, 31a magnetic pole surface,
31b magnetic pole end face, 32 magnetic pole edge part, 32a edge outer side part,
32b Edge inner part, 33a Equilibrium orbit of central energy beam,
33b Balanced orbit of high energy beam, 33c Balanced orbit of low energy beam,
34 end packs, 34a first protrusions, 34b second protrusions,
34c, 34d flat part end face, 34e connecting face, 100 circular accelerator,
L 1 stretch length of the first protrusion, L 2 stretch length of the second protrusion,
W Magnetic pole width (endpack length).
Claims (5)
前記偏向電磁石は、その磁極の周方向端面に、磁極面と同一平面で、周方向に延伸して形成された磁性材のエンドパックを有し、当該エンドパックは、径方向外側および内側に互いに分離された、周方向に突起した突起部を有し、当該突起部間は、磁極面への投影形状が所定の曲率の円弧となる円筒面の一部、又は所定の短軸及び長軸を有する楕円弧となる楕円筒面の一部である連結面で連結され、前記各突起部の周方向端面は互いに平行な平面である平坦部端面を有するものであり、前記エンドパックの周方向長さが最短の点が、前記磁極の周方向端面の径方向中心位置を周方向に延長した線上に配置されたものであることを特徴とした円形加速器。 In a circular accelerator in which a charged particle beam circulates in an equilibrium orbit, the circular accelerator includes a deflection electromagnet that generates a deflection magnetic field and a hexapole electromagnet that generates a magnetic field that corrects a difference in betatron oscillation caused by a difference in energy of the charged particle beam. And an extraction device that extracts the charged particle beam from the equilibrium trajectory to the outside of the circular accelerator,
The deflection electromagnet has an end pack of magnetic material formed on the circumferential end surface of the magnetic pole in the same plane as the magnetic pole surface and extending in the circumferential direction. There are separated projections projecting in the circumferential direction, and between the projections, a part of a cylindrical surface whose projected shape onto the magnetic pole surface is an arc of a predetermined curvature, or a predetermined short axis and long axis It is connected by a connecting surface that is a part of an elliptical cylindrical surface that has an elliptical arc, and the circumferential end surfaces of the protrusions have flat end surfaces that are parallel to each other, and the circumferential length of the end pack A circular accelerator characterized in that the shortest point is arranged on a line extending in the circumferential direction from the radial center position of the circumferential end face of the magnetic pole.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008215112A JP2010050019A (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Circular accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2008215112A JP2010050019A (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Circular accelerator |
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Country Status (1)
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-
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