JPH10233299A

JPH10233299A - 荷電粒子ビームエキスパンダー

Info

Publication number: JPH10233299A
Application number: JP9355691A
Authority: JP
Inventors: L Wolstrom Peter; エルウォルストロームピーター
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1998-09-02
Also published as: US5757009A

Abstract

(57)【要約】【課題】断面がほぼ円形でその内部にはエネルギーが
断面全体にほぼ均一に分布し、粒子ビームを良好に閉じ
込めた荷電粒子ビームエキスパンダーを提供すること。【解決手段】エキスパンダー１０はビームを粒子加速
器８から受容してほぼ円形の断面を有するビームに成形
するための第１線形光学系区間１２と、ビームを第１線
形光学系区間から受容して、荷電粒子群をビームの周辺
部からその核心部に向って再分布するための非線形光学
系区間１４とを有する。エキスパンダーはまたビームを
非線形光学系区間から受容して、ビームの直径を広げて
ターゲットに結像させる第２線形光学系区間１６を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に荷電粒子ビ
ームの加速光学系に関し、とりわけそのフリンジにかな
りのエネルギー密度を有するごとき、ほぼガウス型のエ
ネルギー分布を有するほぼ円形をした荷電粒子ビーム
を、実質的に均一なエネルギー密度を有するより大きな
ほぼ円形をしたビームに拡張するための荷電粒子ビーム
エキスパンダーに関する。

【０００２】たとえば線形加速器、サイクロトロンなど
のようなさまざまな粒子加速器が、通常、荷電粒子ビー
ムを発生させるために用いられている。このような荷電
粒子ビームは、陽子、電子などのような荷電粒子を含
み、高エネルギーに加速されて、（トリウム燃焼反応炉
のような）加速器増幅型未臨界動力炉、電子ビーム材料
処理、食品滅菌、イオンビーム微細加工、リソグラフ
ィ、医学的療法、中性子破砕、研究のためにインパルス
化されるかあるいは定常状態に保たれる中性子源、トリ
チウムの生産、Ｘ線励起、その他のさまざまな荷電粒子
の応用といった多様な適用分野に利用されている。

【０００３】このような多くの適用分野では、ターゲッ
ト領域は、粒子加速器が発生した荷電粒子ビームよりも
実質的に大きい。従って、荷電粒子ビームを拡張して、
それによって照射できるターゲット表面の範囲を増やす
必要が在る。さらに、ターゲットに入射させるのに先立
ち、粒子加速器が発生した小径で高出力密度の荷電粒子
ビームを拡張して、実質的に良好に密集した平坦な強度
分布を有する拡張ビームを生成し、ターゲットの余分な
局所加熱を避けることも重ねて必要になる。

【０００４】その上、ターゲットの断面が円形またはほ
ぼ円形であるとき、荷電粒子ビームの断面をほぼ円形に
維持して、ターゲット領域外側でのエネルギー損失を避
け、併せて望ましからざる放射能励起、放射線損傷、及
び、ビームラインその他直近の構成部材の過熱を避ける
ことも重ねて望ましい。

【０００５】たとえばトリチウム生産に利用するための
現時点の方法論によれば、高エネルギー粒子加速器は、
２ＧｅＶでほぼ１００ｍＡの陽子ビームを発生し、ほぼ
２００メガワットの連続的出力を提供する。この陽子ビ
ームが重金属のターゲットに入射して中性子を発生さ
せ、この中性子がリチウムまたはヘリウムの特定の同位
元素（Ｌｉ⁶またはＨｅ³）に入射して、それからトリ
チウムが生成される。

【０００６】典型的には高エネルギー粒子加速器によっ
て発生させた荷電粒子ビームは、僅かに数mmの直径を有
する。そのターゲットは一般的にはおよそ１ｍ²の表面
積を有する。

【０００７】従って、粒子加速器の荷電粒子ビームを拡
張して実質的にターゲットの全面積を包括させるか、あ
るいはラスター化してターゲットのさまざまな部分を逐
次横切って掃引させるしかない。しかしながら、多くの
応用例では、ラスター化した未拡張のビームによるピー
ク遷移のため、局所加熱が増えて許容できないほどにな
る。さらに、このようなラスター化用磁石を励起するの
に必要な制御回路装置及び電源は、複雑でしかも高価で
あるため、望ましくない。

【０００８】よって、ラスター化処理を利用するのに向
かないような応用分野では、荷電粒子ビームを拡張する
ことが一層望ましい。当業者の認識によれば、粒子加速
器が発生させた荷電粒子ビームは、フリンジまたはその
最外周に実質的なエネルギーを有するガウス型のエネル
ギー分布を備えている。したがって、この種の荷電粒子
ビームのエネルギー分布は、不均一であって望ましくな
い。ほとんど均一な荷電分布を有する拡張粒子ビームを
提供して局所加熱を避け、併せて良好に画定した領域に
拡張ビームを集束し、その領域外には粒子フラックスを
ほとんど入射させないのが望ましい。

【０００９】たとえば食品滅菌への応用では、食品を、
良好に画定した領域内において、所定の強度を有する荷
電粒子ビームで照射するのが望ましい。かなり均一なパ
ラメータ内にビーム密度を維持することによって、照射
食品が所望の線量の放射線にさらされるように保証する
方が遥かに容易である。荷電粒子ビームが過度に均一性
を欠く場合には、照射中の食品の或る部分は照射不足に
なり、それによって所定の加速器出力で処理されるかも
しれないが、食品の他の部分は過度に照射されてより高
い加速器出力で処理されることになることがある。した
がって、加速器出力は、このようなビームの不均一性の
ために、食品全体を照射して所望の範囲内で完全に処理
するのには適していないことになる。

【００１０】さらに、荷電粒子ビームの全エネルギーの
うちかなりな割合が、非拡張ビームのフリンジ中に含ま
れているかもしれない。このエネルギーは、ターゲット
の方が拡張した荷電粒子ビームより相当狭いか、あるい
は荷電粒子ビームがターゲットの端縁部に入射してしま
ってターゲットと重なり合えば、ターゲットには利用で
きない可能性がある。したがって、ビームのフリンジ内
に含まれるエネルギーは無駄になるかもしれない。さら
に多くの応用分野でも、ターゲット外に存在する物品や
機器がかなり放射線を浴びることは、許容できることで
はない。

【００１１】

【従来の技術】荷電粒子ビームの拡張を容易に行える２
種類の代表的な装置は、１９９０年１０月９日発行のジ
ェイソン等による「荷電粒子ビームの閉込めエネルギー
分布」と題する米国特許第４，９６２，３１７号と、１
９９５年１１月２１日発行のガーネット等による「荷電
粒子ビームの円形閉込め分布」と題する米国特許第５，
４６８，９６５号とに開示されている。ところがこのよ
うな装置は、彼等が意図した目的なら広く有用であるこ
とが立証されたものの、そのどれもが、多くの応用分野
でその普遍的有用性から乖離した固有の欠陥を有してい
る。より詳細には、ジェイソン等の装置は、荷電粒子
ビームのフリンジ内に在るエネルギーを再分布させるけ
れども、荷電粒子ビームを矩形に成形するので、或る種
の応用分野には不向きである。さらにジェイソン等の装
置では、原理的には非線形素子が在来の（八極磁石のよ
うな）多極磁石であってもよいが、高エネルギービーム
（例えば、トリチウムの製造時）の場合、必要な磁界強
度を得るためには、特殊な磁石でなければ使えない。

【００１２】またガーネット等の装置は、ほぼ円形に拡
張した荷電粒子ビームを生成するけれども、その分布は
実質的に中心で最高に達する。その上ガーネット等の装
置は、端部に斜の四極磁石を付加したジェイソン等の装
置そのものであるから、ジェイソン等の装置と同じ通常
型でない非線形磁石を含んでいる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述の見地によれば、
提供すべき望ましい装置とは、断面がほぼ円形でその内
部にはエネルギーが断面全体にほぼ均一に分布し、ビー
ムの周辺部外には粒子ビームが実質的に存在しない、良
好に閉じ込めた荷電粒子ビームを生成する装置である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の先行技
術に付随した欠陥に注目してそれを軽減するものであ
る。より詳しくは、本発明は、荷電粒子ビームの直径を
拡大するとともに、その域内エネルギー分布の均一性を
高め、同時に粒子群を良好に画定した領域に閉じ込める
荷電粒子ビームエキスパンダーを含む。したがって、本
発明の荷電粒子ビームエキスパンダーは、荷電粒子をビ
ームのフリンジあるいは周辺部からその核心部に向けて
再分布させ、ビームの円形断面に亘って一層均一なエネ
ルギー密度を提供するものである。

【００１５】この荷電粒子ビームエキスパンダーは、一
般に第１の線形光学系区間を含み、その区間は荷電粒子
ビームを粒子加速器から受容し、かつ、荷電粒子ビーム
を成形して、ほぼ円形をした断面を付与する。したがっ
て、楕円などのような円形でない荷電粒子ビームが粒子
加速器から得られる場合には、第１の線形光学系区間が
この非円形ビームをほぼ円形の断面をもつビームに成形
する。

【００１６】次に、非線形光学系区間が、荷電粒子ビー
ムを第１の線形光学系区間から受容して、荷電粒子を荷
電粒子ビームの周辺部からその核心部に向けて再分布さ
せ、それによって、一層均一なエネルギー分布をほぼ円
形の荷電粒子ビームの全断面に亘って生成する。ビーム
の或る程度の拡張は、非線形光学系区間の内部、及び、
非線形光学系区間と第２の線形光学系区間との間、の少
なくともいずれか一方で行える。

【００１７】次に、第２の線形光学系区間が、荷電粒子
ビームを非線形光学系区間から受容して、所望の直径の
荷電粒子ビームをターゲットに結像する。従って、第２
の線形光学系区間は、ビームの直径を拡張したり縮小し
たりして、ターゲットとの調和を図る。

【００１８】このような態様で、所望の直径、ほぼ円形
の断面形状及び均一なエネルギー分布を有し、良好に閉
じ込められ荷電粒子ビームが提供される。第１の線形光
学系区間には、少なくとも４個の四極磁石を含むのが望
ましい。非線形光学系区間には、少なくとも１個の２重
磁石を含むのが望ましい。２重磁石には、それぞれ短い
ドリフトすなわち、磁界のない領域によって切り離され
た、逆極性の２個の多極電磁素子を含むのが望ましい。
２重磁石の多極素子は、六極、八極ないしはさらに極数
が多くてもよい。この非線形光学系区間には、少なくと
も１個のドリフトと、同じく少なくとも１個の四極磁石
とを付随して含んでもよい。

【００１９】各２重磁石の六極磁石及び八極磁石の磁界
は逆極性を有する。特定の２重磁石の六極磁石と八極磁
石との双方またはいずれか一方のそれぞれの極性は、強
度についてはほぼ等しいことが望ましい。しかしなが
ら、特定の２重磁石の六極磁石と八極磁石との双方また
はいずれか一方のそれぞれの磁界は強度ではやや異な
り、荷電粒子ビームの断面形状を容易に一層円形に近く
成形する。

【００２０】同一の極回転角と逆極性とを有する２個の
六極磁石と２個の八極磁石などを含む六極磁石、八極磁
石ないしはさらに極性の多い２重磁石の効果は、磁軸か
らの経方向距離について非線形的に依存するほぼ軸対称
性の内向きインパルスを分与することである。この形式
の六極の２重磁石は、軸から粒子への径方向距離の立方
（３乗）に比例する一定の内向きインパルスを発生す
る。八極の２重磁石は軸からの径方向距離の５乗に比例
する一定の内向きインパルスを発生する。これと対照的
に四極の２重磁石は、密接配置された強度の等しい逆極
性の磁石を有し、径方向に対してリニアの内向きインパ
ルスを発生する。したがって、四極素子は、粒子ビーム
の非線形取り扱いには利用できないが、非線形ビームを
整形するための非線形素子と組合せれば利用することが
できる。

【００２１】第１の線形光学系区間、非線形光学系区
間、及び第２の線形光学系区間は、磁気素子群を含むこ
とが望ましく、とりわけそれらは低エネルギーの応用面
では、静電素子か、あるいは、磁気素子と静電素子とを
組み合わせた混成素子を含むのがよい。

【００２２】非線形光学系区間の２重磁石は、荷電粒子
ビームを非線形区間内部で容易に拡張するように構成す
ることが可能であり、それにより、第２の線形光学系区
間で提供される必要な拡張を低減することが可能であ
る。

【００２３】従って、本発明によって提供される荷電粒
子ビームエキスパンダーは、荷電粒子ビームを所望の直
径に拡張するとともに、そのビームにほぼ円形の断面を
提供し、併せて所望の直径の円の内部に閉じ込めた実質
的に均一な断面の粒子フラックス密度分布をも提供す
る。このビームの閉じ込めは、或る種の応用面では少な
くとも均一なフラックス密度を有するのと同様に重要で
ある。線形系は、ビームの拡張はできるが、ビームが拡
張されると、尾部が成長して極めて大きな直径になりが
ちであり、ターゲットを逸らして他の装置を照射しやす
いという固有の欠陥に悩まされる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面と関連させて述
べる詳細な説明は、現時点で望ましい本発明の実施形態
の説明を意図しており、本発明を構成したり利用したり
する唯一の形態を提示することを意図したものではな
い。この説明では、例示した実施形態と関連付けて本発
明の構成及び作用を達成するための機能及び作動順序を
述べることとする。しかしながら、同一ないし等価の機
能および作動順序は、異なる実施態様によっても実現で
きるのであって、それらは本発明の趣旨の範囲内に含ま
れるものである。

【００２５】本発明の荷電粒子ビームエキスパンダー
は、図１、図２８および図２９に模式的に示してある。
図２〜図２７はコンピュータシミュレーションによる本
発明の予測性能を示すプロットである。

【００２６】図１によれば、本発明の荷電粒子ビームエ
キスパンダー１０は、粒子加速器８とターゲット２０と
の間に配置され、粒子加速器８からの荷電粒子ビームの
出力を、ターゲット２０と整合可能な所望の直径に拡張
し、かつ、ほぼ円形の断面及びほぼ均一な粒子ビーム密
度を有する荷電粒子ビームを提供するよう構成されてい
る。

【００２７】本明細書では、粒子加速器すなわち陽子線
形加速器に利用する特定の応用分野について説明してあ
るが、これは単に例として挙げられたものであって、こ
れに限定されるものではない。したがって、当業者であ
れば理解されるように、本発明はさまざまな異なる形式
の荷電粒子加速器に用いることが可能である。

【００２８】荷電粒子ビームエキスパンダー１０は一般
に、第１の線形光学系区間１２、非線形光学系区間１
４、及び第２の線形光学系区間１６を含んでいる。第１
の線形光学系区間１２は、複数の、望ましくは４個の四
極磁石２２を含む。第１の線形光学系区間１２の四極磁
石２２は、粒子加速器８から出力される荷電粒子ビーム
３４を成形し、後続する非線形区間１４に適したほぼ円
形断面の領域と角度分布とを付与する。当業者であれば
理解されるように、四極磁石２２の精密な構成は、粒子
加速器８が発生する荷電粒子ビーム３４の特定の位相空
間分布に依存する。したがって、第１の線形光学系区間
１２の四極磁石２２とドリフトとは、非線形光学系区間
１４に入力するため、荷電粒子ビーム３４の位相空間分
布を、ほぼ楕円ないしその他の断面形状からほぼ円形の
断面領域に変更させるように構成されている。

【００２９】非線形光学系区間１４は、荷電粒子ビーム
３４を第１の線形光学系区間１２から受容して、荷電粒
子を荷電粒子ビーム３４のフリンジないし周辺部からそ
の核心部、つまりその縦軸３５の直近に向って畳み込む
ように再分布させ、荷電粒子ビーム３４のより均一な断
面エネルギー分布を提供する。

【００３０】非線形光学系区間１４は、複数の２重磁石
２３〜２５を備えて、荷電粒子群のこのような再分布を
有効化させるのが望ましい。２重磁石２３〜２５はそれ
ぞれ、一対の六極磁石または一対の八極磁石のいずれか
を含むことが望ましい。八極以上の磁石を含む２重磁石
２３〜２５も本発明の実施に適していることは当業者に
も認められよう。本発明によれば、１個、２個、３個ま
たは４個のこの種の２重磁石２３〜２５が非線形光学系
区間１４に用いられる。

【００３１】本発明での２重磁石の２個の磁石（２個の
六極磁石または２個の八極磁石などを含む）は、同じ多
極性であり、同じ極回転角を有し、ほぼ同一の積算強度
を有するが、逆極性である。２重磁石の第１磁石を通過
する際、所与の粒子は横方向のインパルスを受け、その
軌跡は、２重磁石の内の第１磁石の手前の無磁界空間内
の軌跡の延長直線から偏向する。このインパルスの方向
は、第１磁石の極を基準とした粒子の位置に左右され、
一般に径方向内向きまたは外向きのいずれかの成分及び
方位角成分を採ることができる。

【００３２】第１磁石を離れた後、粒子は比較的短い無
磁界領域（しばしばドリフトと呼ばれる）を通過して、
２重磁石の第２磁石に進入する。第１磁石から受けたイ
ンパルスに起因する軌跡内の偏向のため、粒子の軌跡
は、２重磁石の第２磁石を通過する際に逸れており、第
２磁石が粒子に付与したインパルスは、第１磁石が付与
したインパルスを正確には相殺することはない。それは
両磁石間のドリフト空間が存在せず、ドリフトの長さが
無視できたとしてもそうなるであろう。別々と考えられ
る２個の磁石からのインパルスが、個別に内向きに指向
されないという事実にも拘らず、それらの間のドリフト
との組合せで２個の磁石が発生する正味のインパルス
は、径方向に内向きであり、方位角とはほとんど無関係
であるが、軸近傍の粒子に対しては無視でき、ビームの
周辺部近傍の粒子に対しては一層強く半径の増加ととも
に変動する。

【００３３】２重磁石からの正味のインパルスの径方向
変動は１次（リニア）よりも激しくて、２個の磁石が六
極磁石であれば半径の立方（３乗）にしたがって変動
し、２個の磁石が八極磁石であれば半径の５乗にしたが
って変動する。（或る種の応用分野では一対の極の全回
転角が変動するが、相対的な極片の回転角を一対のそれ
と同じ角度に保つことが望ましい場合もある）。

【００３４】段階的２重磁石がドリフトとの組合せで用
いられる場合、初段の角度分布内の同心リング内の粒子
群は、ビームが非線形２重磁石段階（ステージ）とドリ
フトとを逐次通過するにつれて、ビームの中心に次第に
閉じ込められる。内向きの閉じ込めの程度は、非線形２
重磁石の段階数とそれらの間のドリフト数とを変更する
ことと、特定の位置で六極磁石または八極磁石を選定す
ることと、ビームの初段の開き角を初段の線形光学系区
間１２の使用により変更することとによって制御するこ
とができる。

【００３５】本発明の実施形態によれば、２重磁石２３
〜２５のボアの直径は、粒子群が荷電粒子ビーム３４に
沿って進行するにつれて次第に増大し、荷電粒子ビーム
３４の広がりを収容する。２重磁石２４は、２重磁石２
３より大きいボアを有し、２重磁石２５は、２重磁石２
４より大きいボアを有する。従って、非線形光学系区間
１４は、荷電粒子ビーム３４が第２の線形光学系区間１
６に進入するのに先立って、荷電粒子ビーム３４をある
程度まで容易に拡張する。

【００３６】第２の線形光学系区間１６には、複数の、
望ましくは４個の四極磁石３２を含むのが望ましい。第
２の線形光学系区間１６は、区間１４の端部におけるビ
ーム断面の点対応像をターゲットにおいて形成するよう
に構成され、荷電粒子ビーム３４の直径を調節してター
ゲット２０と整合させるようにする。

【００３７】従って、本発明の荷電粒子ビームエキスパ
ンダーは、荷電粒子ビームを一層広い直径にまで拡張し
て、ターゲットでの出力密度を低減するために用いるこ
とができる。荷電粒子ビーム３４をこのように拡張すれ
ば、望ましからざる荷電粒子ビームのラスター化が不要
になる。

【００３８】加うるに、荷電粒子ビーム３４の一層均一
なエネルギー密度が得られるので、「ホットスポット」
の形成が防止され、それによって伝達されるエネルギー
を大幅に制御することが容易になる。従って、本発明に
よれば、荷電粒子ビーム３４の円形断面が強調されて維
持され、この種の円形断面が望まれる応用分野での利用
が容易になる。

【００３９】従来の六極磁石や八極磁石を用いることに
より、本発明は軸合せや位置決めの偏差に対して実質的
に敏感で無くすることができる。本発明によれば、出力
ビームのエネルギー分布は、入力ビームの分布に比べて
一層鈍感である。

【００４０】直流電磁石や永久磁石やそれらの組合せの
いずれも、本発明の磁気素子全てについて用いてもよ
い。本発明の荷電粒子ビームエキスパンダーの前後のい
ずれかに曲がりを用いて、荷電粒子ビームをターゲット
に案内してもよい。

【００４１】低エネルギーの応用分野では、高エネルギ
ーの応用分野における磁石に代えて、静電素子を用いる
ことも可能である。１ＭｅＶ以上のエネルギーを有する
荷電粒子を発生する陽子加速器などについては、磁気素
子が望ましい。

【００４２】非線形光学系区間１４内の２重磁石２４の
個数は、単一の２重磁石２４から１００個程度の２重磁
石２４まで変更することができる。従って、本発明によ
れば、粒子加速器から出力される小径で高電力密度の荷
電粒子ビームは、ターゲットの不要な局部的過熱によっ
て生じるターゲットに対する損傷や過剰照射をさけるた
め、ターゲットに照射する前に拡張される。

【００４３】粒子加速器からの荷電粒子ビームは、典型
的にはほぼガウス型位相空間分布、つまりｘ−ｙ次元と
ｘ' −ｙ' 次元とでの分布を有する。これが意味すると
ころは、或る程度の荷電粒子群が、分布の尾部つまりビ
ームの周辺部に在るということである。線形磁気光学系
は荷電粒子ビームを拡大ないし拡張することができる。
一般にはこの荷電粒子群をビームの周辺部から核心部へ
畳み込むように再分布させ、ビームラインやその近傍の
その他の構成部材の放射能励起、放射線損傷、望ましか
らざる加熱などを避けるとともに、ターゲットでの強度
分布の輪郭形状を平坦化させることが望ましい。本発明
の荷電粒子ビームエキスパンダーは、ターゲットにおい
てほぼ円形のビームスポットを発生させ、その際ビーム
の尾部ないし周辺部を、その核心部に畳み込むように再
分布させ、荷電粒子ビームの均一性を向上させる。本発
明によれば、荷電粒子ビームの一定の半径外には実質的
に荷電粒子群は存在しない。

【００４４】本発明の荷電粒子ビームエキスパンダー
は、パルス型と定常状態の中性子源とのいずれにも用い
られる。当業者なら理解されるように、六極の２重磁石
は、ほぼＲ³とともに変動する径方向に内向きのインパ
ルスを発生し、八極の２重磁石は、ほぼＲ⁵とともに変
動するインパルスを発生する。従って、八極の２重磁石
は、六極の２重磁石よりもビームの核心部に与える影響
は少ない。それに対し、四極の２重磁石は、半径に関し
てほぼ線形なインパルスを発生する。

【００４５】本発明の多段拡張は、ビームの周辺部から
ビームの核心部への荷電粒子群の高度な再分布を提供す
る。ビームと磁極片との間の空隙は、２重磁石／ドリフ
ト段階を付加することによって、かつ、第１の線形光学
系区間１２によりビームの開き角を縮小（するとともに
同時に空間的寸法を増大）させることによって、広げら
れる。比較的広い開き角では畳み込み過ぎになる荷電粒
子ビームが、比較的狭い開き角では、ほぼ平坦なエネル
ギー分布を生成する。したがって、第１の線形光学系区
間１２は、ビーム寸法の穏やかな変動を補償するために
用いられる。第２の線形光学系区間１６は、上述した
ように望ましくは４個の四極磁石３２を有する点対応の
合焦システムを用いて、そこから荷電粒子ビーム３４を
ターゲット２０へ所望の倍率で結像する。

【００４６】荷電粒子ビームの有効エミッタンスは、た
いていはそのｘ−ｙ断面内の増加を介して拡張の際に増
加する。開き角は比較的影響を受けない。各コンピュー
タシミュレーションにおいて、磁界強度や磁石の寸法な
どは、既成の室温鉄磁極片を用いる現代磁気工学で容易
に達成できるパラメータであった。このシミュレーショ
ンは５Ｔ−ｍの剛性を有する陽子に対して遂行したが、
その結果は異なるエネルギーや粒子の型に合せて容易に
調節することができると予測される。代表的なビームエ
ミッタンスは、たとえば１π-mm-mRの非正規化エミッタ
ンスであるが、どのシミュレーションでも用いることが
できた。

【００４７】１個以上の四極磁石を非線形光学系区間１
４で用いると、輪郭をさらに調節できること、つまり荷
電粒子ビーム３４をより良い円形断面に成形できること
が予測できる。

【００４８】ここで、図２８を参照すると、第１の六極
磁石、つまり２重磁石の第１磁石が図示してある。この
第１の六極磁石は、３個のＮ磁極と３個のＳ磁極とを交
互に構成する形で配置してあって、隣接する磁極の間に
磁束線を形成する。

【００４９】ここで、図２９を参照すると、第２の六極
磁石、つまり２重磁石の第２磁石が図示してある。この
第２の六極磁石は、３個のＮ磁極と３個のＳ磁極とを図
２８の第１の六極磁石のそれと同様に含むが、個々の磁
石の極性は逆である。さらに第１の六極磁石と同様に、
磁束線が隣接磁極の間に形成される。

【００５０】本明細書中で説明しかつ図面に示した典型
的な荷電粒子ビームエキスパンダーは、本発明の現時点
で好適な唯一の実施態様を表わしている。実際には、本
発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、さまざまな
修正や追加をこのような実施態様に付け加えることは可
能である。たとえば本発明は、線形加速器やサイクロト
ロンのようなさまざまな異なる形式の加速器に用いられ
る。従って、これら及びその他の修正及び追加は、当業
者にとっては明白なことであり、本発明をさまざまな異
なる応用分野で利用するために適合させることが可能で
ある。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、所望の直径、ほぼ円形
の断面形状及び均一なエネルギー分布を有し、良好に閉
じ込められ荷電粒子ビームを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の荷電粒子ビームエキスパンダーの模
式図であって、加速器からターゲットに進行して第１の
線形光学系、非線形光学系、及び第２の線形光学系を通
過する際のビームの包絡線を示す。

【図２】２個の六極の２重磁石を有する非線形光学系
区間のｘ−ｚ平面への粒子ビームの軌跡の投影を示すプ
ロットであって、入力粒子の分布はｘ' −ｙ'空間内で
は平坦である。このプロットと後続のプロットとにおい
て、粒子の軌跡及び最終的な所在は、磁石群を一連の薄
肉レンズ多極磁石およびドリフトとして取り扱うことに
よって算定されている。

【図３】入力ビーム円のプロットであって、入力ポー
トでの有効点源から放出される粒子の初期角度ｘ' 及び
ｙ' を示す。

【図４】２個の六極磁石を有する非線形光学系区間に
よって処理された後のｘ−ｙ平面内における図３の入力
ビーム円の像のプロットである。

【図５】非線形光学系区間への入力としてのガウス型
入力ビームのｘ−ｙ分布のプロットである。

【図６】ガウス型入力ビームを、２個の六極磁石を有
する非線形光学系区間で処理した後の出力ビームのｘ−
ｙ分布のプロットである。

【図７】２個の六極磁石を有するとともにガウス型入
力ビームを用いる非線形光学系区間のｘ−ｚ平面に沿っ
た荷電粒子軌跡の投影図である。

【図８】出力ビームのｘ−ｙ分布であって、図９、図
１３、図１４、図１８、図２２図、図２５および図２７
について、スライスの仕方を併せて示す。

【図９】図６のｘ軸に沿って求めた粒子フラックスの
相対密度のグラフである。

【図１０】入力ビームがｘ' −ｙ' 空間内では平坦で
あるとして、３段階の六極の２重磁石を有する非線形光
学系区間の粒子ビーム軌跡のｙ−ｚ平面上への投影を表
わすプロットである。

【図１１】図１０の非線形区間を通過した後のｘ−ｙ
平面内の入力円群のプロットである。

【図１２】ガウス型入力ビームを有するｘ−ｙ出力ビ
ームのプロットである。

【図１３】図１２のｘ軸に沿って求めた相対的な粒子
−フラックス密度のグラフである。

【図１４】図１２のｘ軸に対して３０度傾斜した軸を
有するスライスに沿って求めた相対的な粒子−フラック
ス密度の図表である。

【図１５】４個の六極の２重磁石とガウス型入力ビー
ムとを用いるｙ−ｚ平面上への粒子ビーム軌跡の投影を
示すプロットである。

【図１６】図１５の六極の２重磁石の４段階を通過し
た後のｘ−ｙ平面内の入力円の像のプロットである。

【図１７】図１５の４個の六極の２重磁石を通過した
後の出力ビームのｘ−ｙ分布のプロットである。

【図１８】図１７のｘ軸に沿って求めた相対的な粒子
−スラックス密度のグラフである。

【図１９】図１５のガウス型入力から１次変換され
た、角度の広がりは比較的小さいが入力寸法は大きいガ
ウス型ビーム入力を有する、４段階の六極磁石に対する
ｘ−ｚ平面に沿った荷電粒子軌跡の投影図である。

【図２０】図５の位相空間分布中で求められ、ｘ及び
ｙでは係数２で拡大され、ｘ' 及びｙ' では係数２で縮
小される、線形光学系を用いた粒子ビームの入力ビーム
のｘ−ｙ分布のプロットである。

【図２１】図１９の光学系を通過した１次変換ビーム
の出力ビームのｘ−ｙ分布のプロットである。

【図２２】図２１のｘ軸に沿って求めた相対的な粒子
−フラックス密度のグラフである。

【図２３】４個の八極磁石を備えたエキスパンダーに
対するガウス型入力ビームの軌跡のｙ−ｚ平面上への投
影を示すプロットである。

【図２４】図２３の非線形光学系区間を通過した後で
のｘ−ｙ平面内の入力円の像のプロットである。

【図２５】初段ガウス型ビームが図２３の非線形光学
系区間を通過した後において、ｘ軸に沿って求めた相対
的な粒子−フラックス密度のグラフである。

【図２６】単一の六極の２重磁石と複数の八極の２重
磁石とに対する粒子ビーム軌跡のｙ−ｚ平面上への投影
を示すプロットである。

【図２７】初段ガウス型ビームが図２６の非線形光学
系区間を通過した後において、ｘ軸に沿って求めた相対
的な粒子−フラックス密度のグラフである。

【図２８】磁束線を示す第１の六極磁石の模式図であ
る。

【図２９】第１の六極磁石とは逆の極性であって、同
じく磁束線を示す第２の六極磁石の模式図である。

【符号の説明】

８：粒子加速器、１０：荷電粒子ビームエキスパンダ
ー、１２：第１の線形光学系区間、１４：非線形光学系
区間、１６：第２の線形光学系区間、２０：ターゲッ
ト、２２：四極磁石、２３：２重磁石、２４：２重磁
石、２５：２重磁石、３２：四極磁石、３４：荷電粒子
ビーム、３５：荷電粒子ビームの縦軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームの直径を拡大するととも
に、その領域内エネルギー分布の均一性をも高める荷電
粒子ビームエキスパンダーにおいて、ａ）荷電粒子ビームを粒子加速器から受容して、ほぼ円
形の断面を有する荷電粒子ビームを形成する第１の線形
光学系区間と、ｂ）該第１の線形光学系区間から該荷電粒子ビームを受
容して、該荷電粒子ビームの周辺部からその核心部に向
って荷電粒子群を再分布させるための非線形光学系区間
と、ｃ）該荷電粒子ビームを該非線形光学系区間から受容し
て、該荷電粒子ビームの直径を調節してターゲットに荷
電粒子ビームを結像させるための第２の線形光学系区間
とを備えた荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項２】前記第１の線形光学系区間が、少なくと
も４個の四極磁石を備える請求項１に記載の荷電粒子ビ
ームエキスパンダー。
【請求項３】前記非線形光学系区間が、少なくとも１
個の２重磁石を含み、該２重磁石はそれぞれ２個の磁気
素子を含み、２重磁石の両磁気素子は六極磁石及び八極
磁石の一方を含む請求項１に記載の荷電粒子ビームエキ
スパンダー。
【請求項４】前記非線形光学系区間が、ａ）２個の磁気素子をそれぞれ含んだ少なくとも１個の
２重磁石と、該磁気素子は六極磁石及び八極磁石の一方
を含むことと、ｂ）少なくとも１個のドリフトとを備えた請求項１に記
載の荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項５】前記非線形光学系区間が、ａ）２個の磁気素子をそれぞれ含んだ少なくとも１個の
２重磁石と、該磁気素子は六極磁石及び八極磁石の一方
を含むことと、ｂ）少なくとも１個のドリフトと、ｃ）少なくとも１個の四極磁石とを備えた請求項１に記
載の荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項６】前記六極の２重磁石と前記八極の２重磁
石との磁界が、逆極性を有する請求項３に記載の荷電粒
子ビームエキスパンダー。
【請求項７】前記六極の２重磁石と前記八極の２重磁
石との磁界が、強度においてほぼ等しい請求項６に記載
の荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項８】前記六極の２重磁石と前記八極の２重磁
石との磁界が、強度において異なり、より一層円形の断
面を有する荷電粒子ビームを形成する請求項６に記載の
荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項９】前記第１の線形光学系区間、前記非線形
光学系区間、及び前記第２の線形光学系区間は静電素子
を備えている請求項１に記載の荷電粒子ビームエキスパ
ンダー。
【請求項１０】前記第１の線形光学系区間、前記非線
形光学系区間、及び前記第２の線形光学系区間は、磁気
素子と静電素子との組合せを備えている請求項１に記載
の荷電粒子ビームエキスパンダー。
【請求項１１】前記非線形光学系区間の複数の２重磁
石は、拡張している荷電粒子ビームをその中に受容する
ように構成されている請求項３に記載の荷電粒子ビーム
エキスパンダー。
【請求項１２】荷電粒子ビームの直径を拡大するとと
もに、その領域内のエネルギー分布の均一性をも高める
方法において、ａ）前記荷電粒子ビームを粒子加速器から第１の線形光
学系区間中に受容し、かつ前記第１の線形光学系区間を
介して前記荷電粒子ビームをほぼ円形の断面に成形する
ステップと、ｂ）前記荷電粒子ビームを前記第１の線
形光学系区間から非線形光学系区間中に受容して、前記
荷電粒子ビームの周辺部からその核心部に向って荷電粒
子群を再分布させるステップと、ｃ）前記荷電粒子ビームを前記非線形光学系区間から受
容して、前記荷電粒子ビームの直径を拡大し、前記荷電
粒子ビームをターゲットに結像させるステップとを備え
た方法。
【請求項１３】荷電粒子ビームは少なくとも４個の四
極磁石を含む第１の線形光学系区間中において受容され
るステップを備えている請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】荷電粒子ビームを非線形光学系区間に
て受容するステップにおいて、その非線形光学系区間は
少なくとも１個の２重磁石を備え、各２重磁石は２個の
磁気素子を含み、各磁気素子は六極磁石と八極磁石との
一方を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】荷電粒子ビームを非線形光学系区間に
て受容する前記ステップにおいて、前記非線形光学系区
間は少なくとも１個の２重磁石と少なくとも１個のドリ
フトを含み、各２重磁石は２個の磁気素子を含み、各磁
気素子は六極磁石と八極磁石との一方を含む請求項１２
に記載の方法。
【請求項１６】荷電粒子ビームを非線形光学系区間に
て受容する前記ステップにおいて、前記非線形光学系空
間は、少なくとも１個の２重磁石、少なくとも１個のド
リフト、及び少なくとも１個の四極磁石を含み、各２重
磁石は２個の磁気素子を含み、各磁気素子は六極磁石と
八極磁石との一方を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】荷電粒子ビームを非線形光学系区間に
て受容する前記ステップにおいて、前記非線形光学系空
間は、逆極性を有する六極の２重磁石及び八極のを含む
請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】六極及び八極の２重磁石の磁界が、強
度においてほぼ等しい請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】六極及び八極の２重磁石の磁界が、強
度において異なり、荷電粒子ビームをより一層円形の断
面に成形する請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】六極及び八極の２重磁石は、該荷電粒
子ビームに向って内向きに延在するほぼ軸対称の磁界を
発生させ、それによって発生した力が、該荷電粒子ビー
ムの縦軸の近傍でほぼゼロになり、かつ、それによって
発生した力が、該縦軸からの径方向距離が増えるにした
がって増加する請求項１４に記載の方法。