JPH04355036A - 荷電粒子ビーム輸送装置 - Google Patents

荷電粒子ビーム輸送装置

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JPH04355036A
JPH04355036A JP3157635A JP15763591A JPH04355036A JP H04355036 A JPH04355036 A JP H04355036A JP 3157635 A JP3157635 A JP 3157635A JP 15763591 A JP15763591 A JP 15763591A JP H04355036 A JPH04355036 A JP H04355036A
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ring
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雅博 竹部
Yoshihiro Ueno
良弘 上野
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熊代 州三夫
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、荷電粒子ビームを、
その断面の形状をなるべく保ちながら任意の方向に輸送
する荷電粒子ビーム輸送装置に関し、とくに低加速・大
電流の荷電粒子ビームを輸送するのに最適な荷電粒子ビ
ーム輸送装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高速X線CT装置などにおいて、低加速
・大電流の荷電粒子ビームをその断面の形状をなるべく
保ちながら任意の方向に輸送する荷電粒子ビーム輸送装
置の実現が求められている。すなわち、高速X線CT装
置において、低加速・大電流の電子ビームをリング型の
真空管中に回転させ、この電子ビームを偏向器によって
任意に曲げることによりリング型ターゲットに衝突させ
て、そこからX線を発生させる。電子ビームのターゲッ
トへの衝突位置を高速に移動させることにより、X線源
を高速に回転でき、高速のX線CT装置が実現できる。
【0003】このように荷電粒子ビームを輸送する場合
、その空間電荷の存在によって荷電粒子ビームは発散す
るので、これを抑えるため、直線型では、強磁界中でビ
ームを回転させたり(Brillouin流やHarr
is流)、周期的な電界または磁界で強集束させたりす
ることなどが行なわれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低加速
・大電流の荷電粒子ビームの場合は空間電荷によってビ
ームが発散する度合いが大きいため、磁場によって回転
させるなどの従来の構成ではその発散を十分に抑えるこ
とができず、ビームの断面形状を保存することができな
いという問題があった。
【0005】この発明は、上記に鑑み、低加速・大電流
の荷電粒子ビームをその断面の形状をなるべく保ちなが
ら任意の方向に輸送することができる、荷電粒子ビーム
輸送装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による荷電粒子ビーム輸送装置においては
、荷電粒子ビームの進行方向に直角な方向の磁界を与え
る。この磁界は、その強度がビームの進行方向及び磁界
方向に直角な方向に傾斜しており、しかもビームの進行
方向に周期的に逆極性となるような周期性を持たされて
いる。荷電粒子ビームの進行方向に直角な方向の磁界を
与えることにより、そのビームを、磁界方向に直角な平
面内で曲げることができる。また、その磁界の強度はそ
の曲がり方向に傾斜しているため、その方向のビームの
集束をコントロールすることができ、さらにその磁界は
ビームの進行方向に周期的に逆極性となるような周期性
を持っているので、その周期性によりビームが曲がる平
面に直角な方向でのビームの集束をコントロールするこ
とができる。その結果、ビームの曲がり方向、及びその
曲がる平面に直角な方向で異なった大きさを持つビーム
の空間電荷による発散を打ち消すことができる。したが
って、荷電粒子ビームを、その断面形状を保ったまま、
任意の方向に曲げることが可能となる。
【0007】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら詳細に説明する。この実施例は、高速X線C
T装置に用いるX線発生装置にこの発明を適用したもの
で、図1において、リング型X線管1に対して、その接
線方向に電子銃2が連結されている。この電子銃2は、
電子を発生する電子発生部と、発生した電子を加速及び
集束する電極部とからなり、電子ビームをリング型X線
管1に対してその接線方向に入射する。
【0008】このリング型X線管1は、その平面に直角
な方向(Z方向)において、2つのマグネット3の2つ
の磁極33、34によって挟まれる。このマグネット3
は全体としてリング型となっており、断面がC形で全体
としてリング型となっているコア31とこのコア31内
にリング型に巻回されたコイル32とからなる。リング
型X線管1が磁極33、34によって挟まれることによ
り、Z方向の磁界が与えられる。その結果、電子銃2か
らリング型X線管1に、その接線方向に直線的に入射さ
せられた電子ビームは、電子ビームの走行方向と磁界の
方向Zとに直角な平面(r−θ平面)内に曲がる力を受
け、円形軌道上を走行することになる。
【0009】この磁極33、34の対向面は図1及び図
2に示すように、リングの中心0から外方に向かうにつ
れて両者の間隔が狭まるよう傾斜させられている。これ
によって磁界の強度が半径方向(r方向)に傾斜させら
れ、電子ビームのr方向での集束がコントロールされ、
電子ビームのr方向での断面形状が保たれる。
【0010】また図3に示すように、この磁極33、3
4には、電子ビーム5の進行方向つまりθ方向に交互に
極性が異なる永久磁石4、4、…が埋め込まれており、
電子ビーム5の進行方向に周期性が持たされている。こ
れら永久磁石4、4、…の磁界の強さは、それがコイル
32によって形成されるθ方向に一定の磁界とは反対極
性となっているときにはそれを打ち消すほどの大きさと
なっており、そのため、電子ビーム5に加わる、これら
の磁界の合成磁界は、実質的に進行方向に交互に反対極
性となる。この磁界の周期性によって電子ビーム5のZ
方向での集束がコントロールされ、電子ビーム5のZ方
向での断面形状が保たれる。
【0011】リング型X線管1は図4に拡大して示すよ
うに、リング型の真空外囲器11と、その内部に配置さ
れたリング型ターゲット12とからなる。ターゲット1
2の表面は、Z方向からリングの中心方向にわずかに傾
いている。上記のように円軌道上に走行する電子ビーム
5がその軌道をそらされてターゲット12の方向に向か
わされ、ターゲット12に衝突すると、X線がその衝突
位置から発射する。電子ビーム5をターゲット12の方
向へ曲げるための構成としては電界を利用した偏向電極
や磁界を利用した偏向コイルなどの偏向器が考えられる
が、ここではリング型真空外囲器11のリングの中心方
向の面に多数の小さなコイル61をリング型真空外囲器
11に沿って配列するとともに、リング型真空外囲器1
1のリングの中心方向とは反対側の面にコイル61と同
数の小さなコイル62をリング型真空外囲器11に沿っ
て配列して、これら対応するコイル61、62に電流を
流すことにより、電子ビーム5をZ方向に偏向させるよ
うにしている。この円周方向のどの位置にあるコイル6
1、62に電流を流すかによってX線発生位置を定める
ことができ、この電流を流すコイル61、62の切り替
えを電子的に高速に行うことにより、X線発生位置を高
速に移動させることができる。
【0012】つぎに、上記のリング型X線管1内で、低
加速・大電流の電子ビーム5がZ方向及びr方向に集束
されてその断面形状が保たれながら、円軌道上を進行す
ることについて理論的に説明する。まず、軌道面(r−
θ面)に垂直な方向(Z方向)の磁界の強度をr方向に
傾斜させるとき、n値をつぎの式で定義する。 n=−{r/Bz(r)}{∂Bz(r)/∂r}この
ときの電子ビームの平衡軌道からのずれr(θ)、Z(
θ)は、 (d2r/dθ2)+(1−n)r=0(d2Z/dθ
2)+nZ=0 で与えられる。
【0013】これからビームの軌道を求め、各軌道点に
おける Transfer Matrixを計算するこ
とにより、平衡軌道に対する振動パラメータμ2 を求
めることができ、これから任意の入射アクセプタンスに
対するビームエンベロープを計算することができる。
【0014】ところで、空間電荷密度が大きい場合には
、ビームは図5に示すように発散する傾向を示し、軌道
の安定条件(0<n<1)内ではこれを抑えることは不
可能である。なお、図5は、120kV、1Aの電子ビ
ームを自由空間に0.6m×2πの距離走行させた場合
の、空間電荷による発散のみを考慮に入れたビームエン
ベロープを示している。
【0015】そこで、この発明では上記の実施例のよう
に、n<0とし、かつθ方向にflutter を入れ
た(磁界に周期性を持たせた)強集束によりビームの発
散を抑えるようにしている。このflutter はつ
ぎの式で定義する。 Bz(r,θ)=Bo(r)[1+fcos(Nθ)]
f;flutter値 N;セクター数(360゜での周期の数)この場合、n
値−f値に対する振動パラメータμr、μzを求め(セ
クター数N=16)、その等高線図を描いてみると、図
6のようになる。この図6から、μrはf値に無関係で
ほぼn値によって決まり、その結果、n値とf値とによ
りμrとμzとを独立にコントロールすることが可能で
あることがわかる。
【0016】上記の実施例では、N=20、Bo=20
.58ガウス、n=−4.5、f=20として120k
V、1Aの電子ビームの平衡軌道を半径0.6mの円形
軌道とするようにしている。この場合、磁界の強度は、
軌道中心付近で、電子ビームの進行方向に、−391.
02〜432.18ガウスに周期的に変化することにな
る。このような周期的非対称反転磁界中に、入射アクセ
プタンスとして αr=0、βr=10、εr=1.01×10−5αz
=0、βz=10、εz=2.94×10−8なる電子
ビームを入射すると、空間電荷を考慮に入れないときの
ビームエンベロープは図7のA(Z方向)、B(r方向
)のようになり、このときのr−θ平面での平衡軌道は
図8のようになる。また、空間電荷を考慮に入れると、
ビームエンベロープは図9のA(Z方向)、B(r方向
)のようになり、任意の点でビーム断面の形状が保存さ
れることが分かる。
【0017】このように、低加速・大電流の荷電粒子ビ
ームを輸送する場合に、与えられた入射アクセプタンス
に対して適当なn値、f値を設定することによって、空
間電荷による発散を磁界による集束で打ち消すことがで
き、ビーム断面形状を保存しながら輸送することが可能
となる。
【0018】なお、上記ではX線発生装置にこの発明を
適用した一実施例について説明したが、このようなX線
発生装置以外に低加速・大電流の荷電粒子ビームを任意
方向に曲げて輸送する装置に適用できることはもちろん
である。
【0019】
【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の荷電粒子ビーム輸送装置によれば、低加速・大
電流の荷電粒子ビームを、損失なく、希望する断面形状
を保ったまま、所望の方向に曲げて輸送することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例の半断面斜視図。
【図2】同実施例において電子ビームの進行方向に直角
な平面で断面した磁極の断面図。
【図3】同実施例において電子ビームの進行方向に平行
な面で断面した磁極の断面図。
【図4】同実施例におけてX線管を部分的に断面した斜
視図。
【図5】電子ビームの自由空間でのエンベロープを示す
図。
【図6】n−f面上のμr、μzの等高線図。
【図7】空間電荷を考慮しないときの電子ビームのエン
ベロープを示す図。
【図8】電子ビームのr−θ平面における平衡軌道を表
わす図。
【図9】空間電荷を考慮したときの電子ビームのエンベ
ロープを表わす図。
【符号の説明】
1        リング型X線管 11      真空外囲器 12      ターゲット 2        電子銃 3        マグネット 31      コア 32      コイル 33、34     磁極 4        永久磁石 5        電子ビーム 61、62     偏向用コイル

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  磁界方向が荷電粒子ビームの進行方向
    に直角で、かつその強度がビームの進行方向及び磁界方
    向に直角な方向に傾斜しており、しかもビームの進行方
    向に周期的に逆極性となるような周期性を持つ磁界を発
    生する磁界発生装置を備えること特徴とする荷電粒子ビ
    ーム輸送装置。
JP3157635A 1991-05-31 1991-05-31 荷電粒子ビーム輸送装置 Expired - Fee Related JP2993185B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102789943A (zh) * 2011-05-18 2012-11-21 苏州生物医学工程技术研究所 X射线管系统及其操作方法

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