JP2012178288A

JP2012178288A - シンクロトロン

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Publication number: JP2012178288A
Application number: JP2011041120A
Authority: JP
Inventors: Futaro Ebina; 風太郎えび名; Masumi Umezawa; 真澄梅澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP5577277B2

Abstract

【課題】渦電流磁場による水平チューンの変化を低減し、加速中のビーム損失を抑制することができるシンクロトロンを提供することを課題とする。
【解決手段】荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向電磁石と、荷電粒子ビームを通過させる真空ダクトを備えたシンクロトロンであって、偏向電磁石のうち少なくとも一台について偏向電磁石中を通過する真空ダクトの水平方向の中心位置がシンクロトロンの中心軌道よりも外側にあり、偏向電磁石のうち少なくとも一台について偏向電磁石を通過する真空ダクトの水平方向の中心位置がシンクロトロンの中心軌道よりも内側にある構成とすることによって、上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向電磁石と荷電粒子ビームを通過させるための真空ダクトを備えたシンクロトロンに関わり、特に、偏向電磁石中を通過する真空ダクトに発生する渦電流の影響による、シンクロトロン中を周回する荷電粒子ビームの損失を抑制することが可能なシンクロトロンに関する。

荷電粒子ビーム（以下、イオンビームという）を周回させながら所定のエネルギーまで加速し、取り出すための装置として、特許文献１に記載のある、周回ビームのベータトロン振動振幅を増大させる手段、イオンビームを周回軌道からリングの外側に向けて偏向する第一のデフレクタ及び第一のデフレクタで偏向されたイオンビームをシンクロトロンの外へ取り出す第二のデフレクタを備えたシンクロトロンが知られている。

シンクロトロンは、ライナックなどの入射器から入射されたイオンビームを複数の偏向電磁石により偏向して環状の軌道（以下、周回ビーム軌道という）上を周回させる。シンクロトロンの設計上の周回ビーム軌道のことを中心軌道と呼ぶ。ここで、周回ビームの進行方向（以下、ビーム進行方向という）に沿って、偏向電磁石の動径方向を水平方向，偏向電磁石のギャップ方向を垂直方向と呼ぶことにする。また、水平方向について周回ビーム軌道が囲む領域から離れる方向を外側，外側と反対の方向を内側と呼ぶことにする。シンクロトロン中を周回するイオンビーム（以下、周回ビームという）を構成する個々の粒子（以下、周回ビーム粒子という）は、周回ビーム軌道のまわりを水平及び垂直方向に振動しながらシンクロトロン中を周回しており、この周回ビーム粒子の振動をベータトロン振動と呼ぶ。また、周回ビーム粒子がシンクロトロン中を一周する間に周回ビーム軌道のまわりを振動する回数、即ちベータトロン振動の振動数をチューンと呼び、水平，垂直それぞれの方向のベータトロン振動についてその振動数を水平チューン，垂直チューンと呼ぶ。シンクロトロンの運転中に水平チューン及び垂直チューンが特定の値（例えば０.２５の整数倍）になるとベータトロン振動に共鳴が発生して周回ビームが不安定となり、周回ビーム粒子が真空ダクト等に衝突して失われるビーム損失を生じる恐れがある。そこで、シンクロトロン中に四極電磁石を設置して周回ビームに四極磁場を印加し、周回ビームに加わる収束力を変化させることにより水平・垂直チューンを周回ビームが安定となる値に調節することが行われる。シンクロトロンの中心軌道が四極電磁石の水平あるいは垂直方向の中心から変位していると、周回ビームが四極電磁石を通過する際に偏向を受けるため、周回ビーム軌道と中心軌道との間に閉軌道誤差と呼ばれるずれが生じる。閉軌道誤差の発生は周回ビーム粒子が真空ダクトに衝突して失われるビーム損失の要因となるため、シンクロトロンの中心軌道はシンクロトロンの直線部において四極電磁石の中心を通過する様に設計される。従って、シンクロトロンの中心軌道は、直線部中では四極電磁石の水平方向及び垂直方向の中心を通過しビーム進行方向に平行な直線となり、偏向電磁石中では偏向電磁石の前後の直線部の端部を繋ぐ円弧状となる。偏向電磁石中以外の部分におけるシンクロトロンの中心軌道は直線であるため、偏向電磁石中の中心軌道の接線は偏向電磁石の入口位置および出口位置において直線部中の中心軌道と一致する。

シンクロトロンは、周回ビームに高周波加速空胴からの高周波電圧を印加し、ビーム進行方向の位置と周回ビーム粒子のエネルギーにより定まる位相空間上の安定領域に周回ビームを集群する。ビーム進行方向の位相空間における上記安定領域を高周波バケットと呼び、高周波バケット内に周回ビームを集群することを高周波捕獲と呼ぶ。周回ビームの高周波捕獲後は、高周波加速空胴に印加する高周波電圧の周波数（以下、加速周波数という）を徐々に上昇させるとともに偏向電磁石及び四極電磁石の励磁量を徐々に増大させ、周回ビームを一定の周回ビーム軌道上に保ったまま所定のエネルギーまで加速する。所定のエネルギーまで加速された周回ビームは、第一のデフレクタによりリングの外側へ向けて偏向された後、周回ビーム軌道を形成する偏向電磁石一台を経由し、第二のデフレクタによりシンクロトロンの外へ取り出される。

シンクロトロンから取り出されたイオンビームは、物理実験や、癌などの患者の患部にイオンビームを照射する治療方法（以下、粒子線治療という）に供される。周回ビームの取り出しを完了した後のシンクロトロンは、加速周波数及びシンクロトロンの偏向電磁石の励磁量をイオンビーム入射時の値まで減少させ、入射器からの次のイオンビームの入射に備える。シンクロトロンから取り出されずに残った周回ビームは、この過程で入射時のエネルギーまで減速されるため、上記過程は減速過程と呼ばれる。シンクロトロンは、予定されたイオンビームの照射が完了するまで、上記イオンビームの入射，捕獲，加速，出射，減速までの過程を周期的に繰り返す。イオンビームを入射してから減速が完了するまでの過程を、シンクロトロンの一周期と呼ぶ。

特許第３２４６３６４号公報

周回ビームのベータトロン振動振幅を増大させる手段、イオンビームを周回軌道からリングの外側に向けて偏向する第一のデフレクタ及び第一のデフレクタで偏向されたイオンビームをシンクロトロンの外へ取り出す第二のデフレクタを備えた特許文献１に記載のシンクロトロンには以下の課題がある。

第一のデフレクタと第二のデフレクタの間に設置される偏向電磁石については、偏向電磁石中を通過する真空ダクト（以下、偏向電磁石の真空ダクトと呼ぶ）のアパーチャを水平方向外側について広く取る必要がある。ここで言うアパーチャとは、進行方向に垂直な平面においてビーム粒子が真空ダクトに衝突せずに通過することが可能な領域のことを指す。偏向電磁石真空ダクトのアパーチャを水平方向外側についてのみ広く取ると、偏向電磁石中では真空ダクトの水平方向の中心（ダクト水平中心）がシンクロトロンの中心軌道よりも外側に位置することになる。周回ビームを加速するために、偏向電磁石が発生する偏向磁場（以下、偏向電磁石の励磁量と呼ぶ）を増加させると、偏向電磁石の真空ダクト上には誘導起電力により励磁量の変化速度に比例した強度の渦電流（以下、ダクト渦電流と呼ぶ）が流れ、偏向磁場を打ち消すような磁場（渦電流磁場）がダクト渦電流によりビーム通過領域上に発生する。渦電流磁場の強度は、ダクト水平中心において最大となり、ダクト水平中心以外の場所では、ダクト水平中心からの距離の二乗に比例した量だけ最大値から減少するため、加速中の周回ビームは、ダクト水平中心を中心とした六極磁場を受けることになる。

ダクト水平中心とシンクロトロンの中心軌道が一致している場合、ダクト渦電流により発生する六極磁場の中心と周回ビームの水平方向中心位置が一致するため、渦電流磁場が発生しても周回ビームの水平チューンは変化しない。一方、ダクト水平中心がシンクロトロンの中心軌道よりも外側にある場合、ダクト渦電流により発生する六極磁場は、中心軌道上において周回ビームを水平方向に発散する四極磁場として作用するため、ダクト渦電流が発生すると周回ビームの水平チューンが低下する。渦電流磁場による水平チューンの変化は、加速中の偏向電磁石励磁量の増加速度を一定とした場合、周回ビームの運動量が小さい加速初期においてより顕著である。ダクト水平中心が中心軌道よりも外側に位置する従来のシンクロトロンでは、渦電流磁場の発生により加速初期の水平チューンが変化し、ベータトロン振動の共鳴によるビーム損失を発生する恐れがあった。従来のシンクロトロンにおいて渦電流磁場による水平チューンの変化を抑えるためには、第二のデフレクタ直前に位置する偏向電磁石の真空ダクトの水平方向アパーチャを内側・外側の両方について広く取る必要があり、真空ダクトの製作コストの増大を招いていた。

本発明の目的は、偏向電磁石の真空ダクトの製作にかかるコストを抑えながら、ダクト渦電流に起因するチューンの変化を低減し、加速初期のビーム損失を抑制することが可能なシンクロトロンを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の特徴は、シンクロトロンを構成する偏向電磁石のうち少なくとも一台について偏向電磁石中を通過する真空ダクトの水平方向中心位置がシンクロトロンの中心軌道よりも外側にあり、少なくとも一台については偏向電磁石中を通過する真空ダクトの水平方向中心位置がシンクロトロンの中心軌道よりも内側にあることである。さらに言えば、本発明の特徴は、偏向電磁石真空ダクトの水平方向中心のシンクロトロン中心軌道からのずれ量が、シンクロトロン一周の積分値で０となるように偏向電磁石の真空ダクトを設置したことにある。

本発明のシンクロトロンでは、渦電流磁場により周回ビームが受ける収束力が中心軌道からの水平方向のずれ量が逆符号となる偏向電磁石の真空ダクトについて打ち消し合うため、偏向電磁石の励磁量を増加させる際の渦電流磁場による水平チューンの変化を低減し、加速中のビーム損失を抑制することが可能である。

本発明のシンクロトロンでは、渦電流磁場による水平チューンの変化が低減されるため、加速中のビーム損失を抑制することが可能である。

本発明の第１の実施形態であるシンクロトロンの構成を表す概念図である。本発明の第１の実施形態であるシンクロトロンを構成する偏向電磁石及び水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも外側に位置する真空ダクトの構成を表す概念図である。本発明の第１の実施形態であるシンクロトロンを構成する偏向電磁石及び水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも内側に位置する真空ダクトの構成を表す概念図である。本発明の第１の実施形態において、水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも外側に位置する真空ダクトに流れる渦電流により発生する磁場の強度を表す概念図である。本発明の第１の実施形態において、水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも内側に位置する真空ダクトに流れる渦電流により発生する磁場の強度を表す概念図である。本発明の第２の実施形態であるシンクロトロンの構成を表す概念図である。本発明の第２の実施形態であるシンクロトロンを構成する偏向電磁石及び水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも内側に位置する真空ダクトの構成を表す概念図である。本発明の第２の実施形態において、水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道よりも内側に位置する真空ダクトに流れる渦電流により発生する磁場の強度を表す概念図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。

（実施形態１）
本実施形態のシンクロトロンは、図１に示す様に、入射器１より低エネルギービーム輸送系２を経由して入射されるイオンビーム（以下、入射ビームという）を所定のエネルギーまで加速し、シンクロトロンとイオンビームを照射する対象（以下、照射対象という）とを繋ぐ高エネルギービーム輸送系３へ取り出すものである。

シンクロトロンは、イオンビームの軌道を偏向して環状の周回軌道を形成させる偏向電磁石１０ａ〜１０ｄ，シンクロトロン中を周回するイオンビーム（以下、周回ビームという）を収束あるいは発散する四極電磁石１１，六極電磁石１２，高周波加速空胴１３，水平高周波キッカ１４，入射用インフレクタ１５，第一の取り出し用デフレクタ１６，第二の取り出し用デフレクタ１７を備える。本実施形態では、説明を簡略化するため偏向電磁石の員数を４とし、それぞれの偏向電磁石に個別の番号を振っているが、本実施形態のシンクロトロンは２台以上の任意の数の偏向電磁石により構成することができる。シンクロトロン中の電磁石は、電磁石の種類ごとに異なる電磁石電源（図示せず）に接続され、電磁石電源が発生する励磁電流は、シンクロトロン制御装置１８により制御される。

入射器１からのイオンビームは、入射用インフレクタ１５により偏向されてシンクロトロンの直線部の真空ダクト２２の一つに入射される。直線部の真空ダクト２２と偏向電磁石の真空ダクト２０ａ〜２０ｄは、フランジ２１を介して接続されており、周回ビーム軌道はこれらの真空ダクトの内部に形成される。点線３０は、シンクロトロンの設計上の周回ビーム軌道（以下、中心軌道という）を表す。中心軌道３０は、直線部中では四極電磁石１１の中心を通過しビーム進行方向に平行な直線となり、偏向電磁石１０ａ〜１０ｄ中では偏向電磁石１０ａ〜１０ｄを挟む二つの直線部における中心軌道の端同士を繋ぐ円弧となる。中心軌道３０の偏向電磁石１０ａ〜１０ｄ中での接線は、直線部との境目において直線部中の中心軌道３０と一致する。本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心は中心軌道よりも外側に、偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心は中心軌道よりも内側に位置している。ここで、真空ダクトの水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道３０よりも外側に位置することを、真空ダクトが外側にずれていると表現することにする。同様に、真空ダクトの水平方向の中心がシンクロトロンの中心軌道３０よりも内側に位置することを、真空ダクトが内側にずれていると表現する。また、真空ダクト水平方向中心の中心軌道からの移動量を真空ダクトのずれ量と呼び、ずれ量が正である場合真空ダクトは外側にずれており、ずれ量が負の場合真空ダクトは内側にずれているものとする。偏向電磁石の真空ダクト２０ｂ及び２０ｄの水平方向の中心は、中心軌道３０に一致している。

四極電磁石１１は周回ビームに四極磁場を印加し、周回ビームの水平・垂直チューンをビームが安定に周回できる値に保持する。高周波加速空胴１３は、周回ビームにビーム進行方向の高周波電圧を印加して周回ビームをビーム進行方向の安定領域（以下、高周波バケットという）に捕獲するとともに、周回ビームを所定のエネルギー（陽子の場合、例えば７０〜２２０ＭｅＶ）まで加速する。シンクロトロンが周回ビームを加速する間、シンクロトロン制御装置１８は、偏向電磁石１０及び四極電磁石１１の励磁量を周回ビームの運動量に比例して増加させる。周回ビームの加速が完了した後、シンクロトロン制御装置１８は四極電磁石１１の励磁量を変化させ、周回ビームの水平チューンを１／３の整数倍に近い値に変更する。六極電磁石１２は、周回ビームに六極磁場を印加し、水平方向の位相空間上にベータトロン振動の安定限界（以下、セパラトリクスという）を形成する。水平高周波キッカ１４は、セパラトリクスの形成後に、周回ビームに水平方向の高周波電圧（以下、出射ＲＦという）を印加し、周回ビーム粒子の水平方向のベータトロン振動（以下、水平ベータトロン振動という）の振幅を徐々に増大させる。水平ベータトロン振動の振幅が増大し、セパラトリクスの外に出た周回ビーム粒子は、水平ベータトロン振動の振幅が急激に増大し、第一の取り出し用デフレクタ１６に入射する。第一の取り出し用デフレクタ１６に入射したビーム粒子は、シンクロトロンの外側方向に偏向され、偏向電磁石１０ｃを経由して第二の取り出し用デフレクタ１７に入射する。第二の取り出し用デフレクタ１７は、第二の取り出し用デフレクタ１７に入射したビーム粒子を偏向し、高エネルギービーム輸送系３へ取り出す。シンクロトロンから取り出されるビーム粒子（以下、出射ビーム粒子という）の軌道は、取り出される直前に、偏向電磁石１０ｃ中で外側に膨らむため、偏向電磁石１０ｃの偏向電磁石の真空ダクト２０ｃは水平方向のアパーチャを外側についてのみ広く取っている。これにより、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向のアパーチャを内側・外側の両方について広く取った場合に比べて水平方向アパーチャの全幅が減少し、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの製作コストが低減される。

周回ビームの取り出しが完了した後、シンクロトロンはシンクロトロンから取り出されずに残った周回ビーム粒子をビーム入射時のエネルギーまで減速し、入射器１からの次のビーム入射に備える。

本実施形態のシンクロトロンを構成する外側にずれた真空ダクトの構成について、図２を用いて説明する。図２は本実施形態のシンクロトロンの偏向電磁石１０ｃ付近の構成を表す模式図であり、一点鎖線２４ｃは偏向電磁石１０ｃの偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心を表す。偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心２４ｃは、偏向電磁石１０ｃ中での中心軌道３０と同様に円弧状となる。偏向電磁石の真空ダクト２０ｃは、直線部の真空ダクト２２とフランジ２１及びベローズ２３を介して接続されており、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心２４ｃは、中心軌道３０よりも外側に位置している。４０は、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心２４ｃの、中心軌道３０からの水平方向のずれ量を表す。

周回ビームを加速するために偏向電磁石１０ｃの励磁量を増加させると、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃ上に偏向電磁石１０ｃの励磁量の変化速度に比例した強度の渦電流（以下、ダクト渦電流という）が流れ、ダクト渦電流が発生する磁場（以下、渦電流磁場という）が周回ビームに印加される。偏向電磁石１０ｃ中で周回ビームに印加される渦電流磁場の強度について、図４を用いて説明する。図４は、横軸に水平方向の位置、縦軸に周回ビームに印加される渦電流磁場の強度を取ったグラフであり、曲線５０が周回ビームに印加される渦電流磁場の強度，黒丸５１が偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心位置，黒丸５２がシンクロトロンの中心軌道３０の水平方向における位置を表す。図４の縦軸は、偏向電磁石１０ｃが発生する磁場と同じ方向、即ち周回ビームを内側に向けて偏向する方向を正としている。渦電流磁場の強度は、真空ダクトの水平方向中心位置５１を中心とした放物線により表される。渦電流磁場は、偏向電磁石１０ｃの励磁量の変化を打ち消すような方向に発生するため、周回ビームの加速中に発生する渦電流磁場は、図４中で下側に凸の放物線となる。偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの水平方向の中心２４ｃは中心軌道３０よりも外側にずれているため、中心位置が中心軌道３０に一致する周回ビームは、渦電流磁場により、図４中の点線５３に示すような勾配の四極磁場を受けることになる。点線５３で示す四極磁場の勾配は周回ビームを水平方向に発散する方向であるため、周回ビームは偏向電磁石１０ｃを通過する間、渦電流磁場により水平方向の発散力を受けることになる。また、点線５３の傾き、即ち渦電流磁場による水平方向の発散力の強さは、渦電流磁場の強度及び真空ダクトの水平方向中心位置２４ｃ（５１）の中心軌道３０（５２）からのずれ量４０に比例する。周回ビームが水平方向の発散力を受けると水平チューンが低下するため、外側にずれた偏向電磁石の真空ダクト２０ｃは渦電流磁場の発生により加速中の水平チューンを低下させる働きを持つ。

偏向電磁石の真空ダクト２０ｃに発生する渦電流磁場の強度と水平チューンの変化量の関係を、以下の数式（１）に示した。Δν_xは水平チューンの変化量、β（ｓ）は進行方向の位置ｓにおけるシンクロトロンの水平方向のベータトロン関数、ｋ（ｓ）はダクト渦電流により周回ビームに印加される四極磁場の強度である。ここで、ｋ（ｓ）は、ダクト渦電流により発生する六極磁場の強度及び真空ダクト水平方向中心の中心軌道からのずれ量を用いて数式（２）のように表される。Ｂρは周回ビーム粒子の磁気剛性率、

は渦電流磁場の水平方向の位置による二階微分、Δｘ（ｓ）は真空ダクト水平方向中心の中心軌道からのずれ量を表す。

数式（１）及び数式（２）が示す様に、渦電流磁場による水平チューンの変化量は、ダクト渦電流の強度，真空ダクト水平方向中心の中心軌道からの距離，渦電流磁場が発生する領域の進行方向の長さ、即ち偏向電磁石の磁極長に比例する。

本実施形態のシンクロトロンを構成する内側にずれた真空ダクトの構成について、図３を用いて説明する。図３は、偏向電磁石１０ａ付近の構成を表す模式図であり、一点鎖線２４ａは偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心を表す。偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心２４ａは、中心軌道３０よりも内側に位置しており、矢印４１は、偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心２４ａの、中心軌道３０からの水平方向のずれ量を表す。本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト２０ａのずれ量４１の絶対値が、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃのずれ量４０の絶対値と等しい。

偏向電磁石１０ａ中で周回ビームに印加される渦電流磁場の強度について図５を用いて説明する。図５は、図４と同様横軸に水平方向の位置、縦軸に渦電流磁場の強度を取ったグラフであり、曲線６０が周回ビームに印加される渦電流磁場の強度，黒丸６１が偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心位置，黒丸６２がシンクロトロンの中心軌道３０の水平方向における位置を表す。偏向電磁石１０ａ中で周回ビームに印加される渦電流磁場は、偏向電磁石１０ｃ中と同様、真空ダクトの水平方向中心位置６１を中心とした六極磁場となる。点線６３の勾配は、中心軌道上の周回ビームが渦電流磁場により受ける四極磁場の勾配を表す。偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向の中心２４ａ（６１）は中心軌道３０（６２）よりも内側にあるため、周回ビームは渦電流磁場により水平方向の収束力を受けることになる。渦電流磁場による水平方向の収束力の強さは、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの場合と同様、渦電流磁場の強度及び真空ダクトの水平方向中心位置２４ａ（６１）の中心軌道３０（６２）からのずれ量４０に比例する。周回ビームが水平方向の収束力を受けると水平チューンが上昇するため、内側にずれた偏向電磁石の真空ダクト２０ａは渦電流磁場の発生により加速中の水平チューンを上昇させる働きを持つ。

偏向電磁石の真空ダクト２０ｃのずれ量４０と偏向電磁石の真空ダクト２０ａのずれ量４１は絶対値が等しいため、それぞれの真空ダクトに発生する渦電流により周回ビームが受ける四極磁場の勾配は、符号が逆で絶対値が等しい。偏向電磁石１０ｃと偏向電磁石１０ａは磁極長及び水平方向のベータトロン関数が等しいため、数式（１）によれば、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃに発生する渦電流による水平チューンの低下量と偏向電磁石の真空ダクト２０ａに発生する渦電流による水平チューンの上昇量は絶対値が等しい。従って、渦電流磁場による水平チューンの変化量をシンクロトロン一周で合計すると０となり、水平チューンは渦電流が発生していない状態から変化しないことになる。このように、本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃに発生する渦電流による水平チューンの低下と、偏向電磁石の真空ダクト２０ａに発生する渦電流による水平チューンの上昇が打ち消し合うため、周回ビームの加速中に渦電流磁場により水平チューンが変化しない。これにより、水平チューンが加速中にベータトロン振動の共鳴を発生する様な値になることを防止できるため、加速中、特にダクト渦電流の影響が顕著となる加速初期において、ベータトロン振動の共鳴によるビーム損失が抑制される。

本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト２０ａのずれ量４１の絶対値が偏向電磁石の真空ダクト２０ｃのずれ量４０の絶対値と等しくなる構成としたが、ずれ量の絶対値が等しくない場合であっても偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向中心が中心軌道３０よりも内側に位置する様な構成であれば渦電流磁場による水平チューンの変動を低減する効果が得られる。例えば、偏向電磁石の真空ダクト２０ａのずれ量４１の絶対値が偏向電磁石の真空ダクト２０ｃのずれ量４０の絶対値の半分である場合、偏向電磁石の真空ダクト２０ｃに発生する渦電流による水平チューンの低下量は半分に減少する。偏向電磁石の真空ダクト２０ａのずれ量４１の絶対値を偏向電磁石の真空ダクト２０ｃのずれ量４０の絶対値よりも小さくする場合、渦電流磁場による水平チューンの変化を低減しながら偏向電磁石の真空ダクト２０ａの水平方向アパーチャの全幅をずれ量の絶対値が等しい場合よりも小さくし、偏向電磁石の真空ダクト２０ａの製作コストを低減することが可能である。また、本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト２０ａを内側にずらして設置するとしたが、偏向電磁石の真空ダクト２０ａの替りに偏向電磁石の真空ダクト２０ｂあるいは２０ｄを内側にずらして設置した場合にも、偏向電磁石の真空ダクト２０ａを内側にずらして設置した場合と同様、渦電流磁場による水平チューンの変動を低減し、加速中のビーム損失を抑制する効果が得られる。

本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクトのうち一台が中心軌道よりも外側にあり、偏向電磁石の真空ダクトのうち一台が中心軌道よりも内側にあるため、真空ダクトの製作にかかるコストを抑えながら渦電流磁場による水平チューンの変動を低減し、加速中のビーム損失を抑制することが可能である。

（実施形態２）
本実施形態のシンクロトロンは、第一の実施形態と同様、入射器よりのイオンビームを所定のエネルギーまで加速し、高エネルギービーム輸送系へ取り出すシンクロトロンである。本実施形態のシンクロトロンの構成を図６に示した。本実施形態のシンクロトロンは、図１に示した実施形態１のシンクロトロンと同様の構成を有し、第一の取り出し用デフレクタ１６と第二の取り出し用デフレクタ１７の間に位置する偏向電磁石の真空ダクト７０ｃは、外側にずらして設置されている。また、本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクトのうち一台を内側にずらして設置する代わりに、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃ以外の偏向電磁石の真空ダクト（真空ダクト７０ａ，７０ｂ，７０ｄ）を全て内側にずらして設置している。

本実施形態のシンクロトロンを構成する外側にずれた偏向電磁石の真空ダクト７０ｃの構成は、図２に示す第一の実施形態における外側にずれた偏向電磁石の真空ダクト２０ｃの構成と同様である。本実施形態のシンクロトロンを構成する内側にずれた真空ダクトの構成について、図７を用いて説明する。図７は、実施形態１の図３と同様、偏向電磁石１０ａ付近の構成を表す模式図であり、一点鎖線７１ａが偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向の中心を表す。また、本実施形態のシンクロトロンは、偏向電磁石１０ｂ及び偏向電磁石１０ｄの付近についても図７と同様の構成を有している。偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向の中心７１ａは、中心軌道３０よりも内側に位置しており、矢印４２が偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向の中心７１ａの、中心軌道３０からの水平方向のずれ量を表す。本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト７０ａのずれ量７２の絶対値が、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃのずれ量（図示せず）の絶対値の三分の一の大きさとなる。言い換えれば、偏向電磁石の真空ダクト７０ａのずれ量７２の絶対値は、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃのずれ量の絶対値を内側にずれた真空ダクトの員数である３で割った値であり、内側にずれた真空ダクトのずれ量の絶対値の合計が、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃのずれ量の絶対値と等しくなる。

偏向電磁石の真空ダクト７０ａ中で周回ビームに印加される渦電流磁場の強度について図８を用いて説明する。図８は、図５と同様横軸に水平方向の位置、縦軸に渦電流磁場の強度を取ったグラフであり、曲線８０が周回ビームに印加される渦電流磁場の強度，黒丸８１が偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向の中心位置，黒丸８２がシンクロトロンの中心軌道３０の水平方向における位置を表す。偏向電磁石の真空ダクト７０ａ中で周回ビームに印加される渦電流磁場は、真空ダクトの水平方向中心位置８１を中心とした六極磁場となり、周回ビームは渦電流磁場により水平方向の収束力を受ける。従って、内側にずれた偏向電磁石の真空ダクト７０ａは、実施形態１の場合と同様、渦電流磁場の発生により加速中の水平チューンを上昇させる働きを持つ。点線８３の傾きは、周回ビームに印加される四極磁場の勾配を表す。

ここで、偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向中心のシンクロトロン中心軌道からのずれ量７２の絶対値は、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃのずれ量の絶対値の三分の一であるため、偏向電磁石１０ａ中で周回ビームが渦電流磁場により受ける四極磁場の強度の絶対値は、偏向電磁石１０ｃ中で周回ビームが渦電流磁場により受ける四極磁場の強度の三分の一である。従って、偏向電磁石の真空ダクト７０ａに発生する渦電流磁場による水平チューンの上昇量は、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃに発生する渦電流磁場による水平チューンの低下量の三分の一となる。同様に、偏向電磁石の真空ダクト７０ｂ及び偏向電磁石の真空ダクト７０ｄに発生する渦電流磁場による水平チューンの上昇量も、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃに発生する渦電流磁場による水平チューンの低下量の三分の一となる。このとき、渦電流磁場による水平チューンの変化量はシンクロトロン一周で合計すると０となるため、水平チューンは渦電流が発生していない状態から変化しないことになる。

本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト７０ｃに発生する渦電流による水平チューンの低下と、偏向電磁石の真空ダクト７０ａ，偏向電磁石の真空ダクト７０ｂ，偏向電磁石の真空ダクト７０ｄに発生する渦電流による水平チューンの上昇の合計が打ち消し合うため、周回ビームの加速中に渦電流磁場により水平チューンが変化しない。これにより、実施形態１と同様、加速中においてベータトロン振動の共鳴によるビーム損失が抑制される。さらに本実施形態のシンクロトロンでは、偏向電磁石の真空ダクト７０ａのずれ量が偏向電磁石の真空ダクト７０ａのみ内側にずらす場合の三分の一となるため、偏向電磁石の真空ダクト７０ａの水平方向のアパーチャを偏向電磁石の真空ダクト７０ａのみ内側にずらす場合よりも小さく取り、偏向電磁石の真空ダクト７０ａの製作コストを低減することが可能である。

本実施形態のシンクロトロンでは、実施形態１と同様、偏向電磁石の真空ダクト７０ａのずれ量の絶対値が偏向電磁石の真空ダクト７０ｃのずれ量の絶対値の三分の一に等しい場合でなくても、渦電流磁場による水平チューンの変動を低減する効果を得られる。また、偏向電磁石の真空ダクト７０ａ，偏向電磁石の真空ダクト７０ｂ，偏向電磁石の真空ダクト７０ｄのずれ量が互いに異なっている場合でも、これらの真空ダクトの水平方向中心が中心軌道３０よりも内側に位置していれば水平チューンの変動を低減する効果が得られる。本実施形態のシンクロトロンでは、外側にずれた偏向電磁石の真空ダクト７０ｃ以外の全ての偏向電磁石の真空ダクトを内側にずらして設置する構成としたが、シンクロトロンを構成する偏向電磁石のうち二台以上を内側にずらして設置する構成であれば、内側にずらして設置する真空ダクトのずれ量を低減し、真空ダクトの製作コストを低減することが可能である。

１入射器
２低エネルギービーム輸送系
３高エネルギービーム輸送系
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ偏向電磁石
１１四極電磁石
１２六極電磁石
１３高周波加速空胴
１４水平高周波キッカ
１５入射用インフレクタ
１６第一の取り出し用デフレクタ
１７第二の取り出し用デフレクタ
１８シンクロトロン制御装置
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ偏向電磁石の真空ダクト
２１フランジ
２２直線部の真空ダクト
２３ベローズ
２４ａ，２４ｃ，７１ａ真空ダクトの水平方向中心
４０，４１，７２真空ダクトの水平方向中心のシンクロトロン中心軌道からのずれ
５０，６０，８０ダクト渦電流により発生する磁場の強度
５１，６１，８１真空ダクトの水平方向中心位置
５２，６２，８２シンクロトロンの中心軌道
５３，６３，８３周回ビームが受ける四極磁場

Claims

荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向電磁石と、
前記荷電粒子ビームを通過させる真空ダクトを備えたシンクロトロンであって、
前記偏向電磁石のうち少なくとも一台について前記偏向電磁石中を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも外側にあり、前記偏向電磁石のうち少なくとも一台について前記偏向電磁石を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも内側にあることを特徴とするシンクロトロン。
請求項１に記載のシンクロトロンであって、
前記偏向電磁石のうち一台について前記偏向電磁石中を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも外側にあり、前記偏向電磁石のうち一台について前記偏向電磁石を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも内側にあり、水平方向の中心位置が外側にある前記真空ダクトの水平方向の中心位置と前記シンクロトロンの中心軌道との間の距離が、水平方向の中心位置が内側にある前記真空ダクトの水平方向の中心位置と前記シンクロトロンの中心軌道との間の距離と等しいことを特徴とするシンクロトロン。
請求項１に記載のシンクロトロンであって、
前記偏向電磁石のうち一台について前記偏向電磁石中を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも外側にあり、前記偏向電磁石のうち少なくとも二台について前記偏向電磁石を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置が前記シンクロトロンの中心軌道よりも内側にあり、水平方向の中心位置が外側にある前記真空ダクトの水平方向の中心位置と前記シンクロトロンの中心軌道との間の距離が、水平方向の中心位置が内側にある前記真空ダクトの水平方向の中心位置と前記シンクロトロンの中心軌道との間の距離の合計と等しいことを特徴とするシンクロトロン。
請求項１に記載のシンクロトロンであって、前記偏向電磁石を通過する前記真空ダクトの水平方向の中心位置の前記中心軌道からのずれ量の前記シンクロトロン一周での積分値が０であることを特徴とするシンクロトロン。