JPS63501533A - サイクロトロン - Google Patents

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】 サイクロトロン 本発明はエネルギーの需要を実質上縮小できる新設計の伝統的なサイクロトロン に関する。

既知のサイクロトロンは、超電導巻線を利用したちのく超電導サイクロトロン） と非超Ｎ導巻線を利用したもの（伝統的サイクロトロン）の２つの型がある。

超電導サイクロトロンは粒子の加速に必要な磁場を持続させる目的のために電力 を利用しない。しかしながら、超電導巻線の上、これらの巻線は、冷却液体とし ての液体ヘリウムを必要とする。これらの理由から超電導サイクロトロンの利用 は太きくｔＩＩＩ限される。

゛　他方、伝統的サイクロトロンの場合、電力の大部分は、粒子の加速のために 必要な磁場を発生させ、かつ形づくる目的のだ“フンバクト”と称せられ、シン グルボールのみを有する伝統的サイクロトロンが最近見られる。この場合、“ダ イス”と通常呼ばれる加速電極は１アーギヤツプ内に配置される。従って、サイ クロトロンに供給される電力は、サイズが大きくなってエアーギャップに磁場を 確立さすために相対的に高いものでなければならない。他方、真空ヂエンバーは 非常にシンプルで低コストである。

また、“セパレート・セクタ”と称せられる既知の伝統的サイクロトロンがあり 、その中での磁性構造は、セクタの型で、全く独立な別々のユニットに分割され ている。加速装置はこれら“セパレート・セクタ”間に残された自由空間内に取 付けられていた。従って、磁気セクタのエアーギャップは縮小され、この結果磁 場を発生づるために必要なアンペア回数がより小さくなる。

しかし、これらのサイクロトロンは一連の困難さがある。、第１に、それぞれの 独立したセクタは一対の巻線を具備する。これらの巻線は（セクタの型で）複雑 な形状のものであり、セクタ間の自由空間を引き出すために、巻線が最小の横断 面のものでなければならない。

このことは、電流密度がこれらの巻線において高くなければならないことを要求 し、この結果たとえアンペア回数が小さくても、磁場を発生するために必要な電 力は結局轟くなる。

゛　結局、セクタが機械的に独立しているので、サイクロトロン、特に真空チェ ンバーの機械設計が複雑かつ高価である。

本発明は、上述した伝統的サイクロトロン、いわゆる°゛コンパクトサイクロト ロンおよび“セパレート・セクタ”サイクロトロンにおけるよりも磁場を発生す るために必要な電力がはるかに小さくできる新しいタイプの非超電導サイクロト ロンを提供することを目的とするものである。

この目的は、要求されるアンペア回数を減少する小さなエアーギャップと、要求 されるアンペア回数を作る目的のために必要とされる電流密度、したがって電力 の減少を可能にする大きな横断面を有する一対の実質的に円形の巻線とを具備し ている新規な磁性ＩＩＩ造によって達することができる。

本発明のも一つの目的は、新規な構造において、“セパレート・セクタ付”と称 されるサイクロトロンに固有な機械的な複雑さを回避することにある。

本発明による伝統的サイクロトロンに対して特有なこの新規なＩＭ造は、セクタ 間のエアーギャップが加速ビームの寸法に近い司法に縮小されかつ磁束が実質的 に集中され、セクタが、磁束を実質的にゼロにするためにエアーギャップが非常 に大きな寸法（例えば、限定されないが、バレーのエアーギャップはヒルのもの より３０倍程度のもの）である“バレー（ｖａｌｌｅｙｓ　）　”と称するセク タの型でスペースで分離されてなる“ヒル（ｈｉｌｌｓ　）　”と称する少なく とも３つのセクタ（、ｅｃｔｏｒｓ　）と、“ヒル”と“バレー”を実質的に囲 んでいる実質的に円形の単一対の巻線とでなり、フラックス・リターン（ｆｌｕ ｘ　ｒｅｔｕｒｎｓ　）゛が磁気回路を閉じるために“ヒル”に対向して巻線の 外側に配設されてなることを特徴とするものである。

本発明によるサイクロトロンのも一つの特徴は、真空チェンバー用のカバーキャ ップを形成し、上述のフラックス・リターンの方向へ磁束を向けさせる“ヨーク ”と呼ばれる２つのプレート上に、“ヒル°′と称するセクタが強固な方法で組 立てられていることである。

本発明によるサイクロトロンは、伝統的な磁性体からなる４つのセクタを有する ことが好ましい。

本発明による装置の多大な利点は、加速電極が“バレー°°に配置でき、しかも 、この結果、エアーギャップが最小限に、すなわち、加速される粒子を循環させ るために必要なスペースまでに縮小され得るという事実にある。この結果、湾賀 される電力をかなり節減できることになる。

本発明の設計原理によるサイクロトロンのも一つの利点は、誘導磁場を作る巻線 の簡素化にある。

類似性のある結合構造は、超電導サイクロトロンに関して、文献、米国特許第３ ，９２５，６７６号明細書；フランス特許第２．２３４，７３３号明細書；電子 電気工学学会編「核科学会報ＪＮＳ二並［４−１１（１９８３−８）　にューヨ ーク、米国）Ｅ。

ＡＣＥＲＢ　Ｉｐ　、　２１２６〜２１２８　；およびＵ、ＴＲＩＮＫＳｒ物理 ルダム、オランダ）ｐ、１８ｅ〜１９３　［Ｕ　Ｓ　−Ａ　−３，９２５，６７ ６：ＦＲ−Ａ−，２，２３４，７３３：ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　 ｏｎＮｕｃｌｅａｒ　３ｃｉｅｎｃｅ　Ｖｏｌ、　ＮＳ−３０（１９８３）　Ａ ｕｏ、、Ｎｏ　、４゜Ｐａｒｔ　１．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　、　ＵＳＡ　Ｉ）Ｄ 、２１２６−２１２８　Ｅ。

ＡＣＥＲＢ　Ｉ　：ａｎｄ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉ　ｎ５ｔｒｕｓｅｎｔｓ　＆　 ＭｅｔｈｏｄｓＩｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　、　ｖｏｌ、２２０ 　（１９８４）　ｌ”ｅｂｒ、、　Ｎｏ、１゜、Ｊｅｓｔｅｒｄａｍ、Ｎｅｔｈ ｅｒｌａｎｄｓ、ｐｐ、１８Ｂ−１９３Ｕ、ＴＲＩ　ＮＫＳＩ　にすでに記述さ れている。

しかしながら、上述したｍＷＳｓｖイクロトロンおよび本発明による非超電導サ イクロトロン間の類似点は形状に限定される。

磁気的作用は根本的に異なる。

本発明によるサイクロトロンにおいて、小さなアンペア回数を得るために、磁束 はエアーギャップが最小である“ヒル”では集中され、かつエアーギャップが大 である“バレー”では実質的にゼロである。

一方、同じ構造の超電導サイクロ１−ロンでは、鉄芯は完全に飽和され、かつ磁 束は゛′ヒルパでのＪ：うに“バｌノー″でも非常に大きく（例えば、「物理的 研究上の核装置及び方法」ユ岨［１］　（１９８１１，−２）　Ｉ）　、１８７ 第１表参照［Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎ５ｔｒｕ１１ｅｎｔｓ＆　Ｍｅｔｈｏｄｓ　 ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　、　ｖａｔ、２２０　（１９８４） Ｆｅｂｒ、、　Ｎｏｊ　、　ｐａｇｅ　１８７．　Ｔａｂｌｅ　１］　）　、所 望の効果、すなわら、アンペア回数の縮小は達成されない。

その上、現存の伝統的サイクロトロンに反して、フラックス・リターンがセクタ 各自に並設されて、構造が回転対称性をイイしており、このことは、古典釣設ｊ ％ｌど関係する磁場のやっかいな非対象性を完全に取除く。

さらに、本発明による１ノイク［ｊトロンの段重では、電力増幅器のｉ＆終段だ けでなく“バレー内へ直接に、垂直支持梁を備′えた加速電極も収容できる。

右利なことに、電；セ板はサイクロ１−ロンのチェンバーと話導的に結合されて いる。この結果、結局はシステムの安全性が改良される。

このような誘導結合は、伝統的サイクロ１−ロンにおいてずでに用いられていた けれども、決して、高強度サイクロトロンにおりる可変ヂャー・ジの問題を解決 する目的のためには用いられたことはない。

伝統的サイクロトロンは、また半波長同調を示プ垂直支持梁に対する加速電極の 取付けに依存する。これらのチェンバーは、一般的に、ある距離をおいて設（〕 られた高周波電力発生器を用いて励起される。

さらに、伝統的サイクロトロンの場合は、もしサイクロトロンによって加速され るビームの強度が、加速の電力がチェンバーにおけるジュール効果によって散逸 される電力と比較でき得るようであれば、チェンバーの児か（）の分路インピー ダンスは減少されるとともに、伝送線による反射電力の出現に伴って、結合シス テムは不調になる。この効果は、ビーム／加速電圧相互作用系の中に不安定性を もたらす。

第１図は本発明によるザイク［］トＯンの中央面にお（）る概略横断面を示し、 第２図は第１図のｍ−ｎ線に沿う横断面を示す。

明らかなことであるが、本記述が一例として与えられるものであり、本発明の範 囲を限定するものではない。

出口コンジット、サイクロ１−ロンの台および真空ポンプのような付属Ｂ置は図 によって示されているが、本発明によるサイクロトロンを特徴づけるものではな い。両図において、同一参照符号は同−又は同等部分を示づ。

本サイクロｌ−ロンの磁性構造が、例えば水平に位置する゛中央面゛′１７と称 される粒子が加速される面およびこの面に垂直な軸２６に関して対称性を示す。

この磁性構造は、強磁性体からなる所定の数のニレメン１−（３，５，１１，１ ３，１３＝　）と導体からむる一対の巻線（２１，２３＞とから構成されている 。

強磁性構造は、 １）ヨークと呼ばれる、例えば軸２６に関して同軸で、中央面１７に関して平行 かつ対称な配置でもって実質上配設されたディスクの形を取った、一方が中央面 より上に、他方が中央面より下にある２つのベースプレート３および５からなり 、２）中央面１７に関して対称的に互いに対向して設けられ、最小のエアーギャ ップ１９によって分離された少なくとも３つの上部セクタ１３および等しい数の 下部セクタ１３′からなり、このエアーギャップは、即ち、粒子のビームの通路 としてちょうど適したもので、磁束はこの位置でこのように本質的に集中される 。このセクタ１３および１３′は上部ヨーク３および下部ヨーク５に強固に固着 され°Ｃおり、゛′ヒル”と呼ばれる。

３）下部ヨーク３および上部ヨーク５に強固に連結された少なくとも３つのフラ ックス・リターンからなり、これらのフラックス・リターンは、セクタ１３およ び１３′の外側に対向して設けられ、かつこのセクタから環状形のスペースによ って分離されており、そのスペース内に一対の巻線２１．２３が設けられている 。上述した機械的懇能に加えて、これらの“フラックス・リターン”１１は、ヒ ルの間に位ｄされた色空間１５および１５′の入口を維持すると同時に、磁束の 返り（ｒ：ｅｔｕｒｎ）を保障する。

巻線２１および２３は実質的に円形のもので、セクタ１３および１３′とフラッ クス・リターン１１との間に残された環状空間に配置される。有利なことには、 これらの巻線は、大きな断面を有し、低Ｍ流密度、従って磁場を発生するために 浪費される低電力をもたらす。

セクタ１３および１３′間にそれぞれ位置する色空間１５および１５′は“バレ ー”と呼ばれる。エアーギャップは、この位置では、上部ヨーク３から下部ヨー ク５へ伸びるので、大である。この位置では、エアー１！ｔ・ツブは、例えばエ アーギャップ１９より３０倍程度のものである。磁束はバレーで実質的にゼロで ある。

種々の構成エレメントはポル１〜のようなそれ自体既知の手段により組立てられ る。

中央通路２５は、それ自体既知の手段により装置の中央に注入される加速されう る粒子源を少なくとも一部分受は入れるものである。

図示されたケースのように、例えば４つのセクタすなわち４つの゛ヒル”を有す るサイクロトロンの場合は、セクタの角度が５４６の大きさのものが有利である 。

本発明によるサイクロトロンは、セクタ１３．１３”間の“バレー”に収容され るＩ直支持梁２９を有プる加速電極２８と閉回路によってＩＩ的に結合された、 ２つの高周波電力増幅器２７のＲ終段を有利に含んでいる。

本発明によるサイクロトロンでは、真空チェンバ−３１は有利なことに大変Ｗ素 にできている。それは非磁性体のリングからなり、セクタ１３．１３′および巻 線２１．２３間に残されたスペース内で上部ヨーク３から下部ヨーク５に延びる 。

一対の大きな巻線の簡素化および最小に縮小されたエアーギャップの利点は注目 されるであろう。すなわち、これによりエネルギーの多くの節約を得ることがで きる。

例として、３０Ｍｅ　Ｖ程度のエネルギーのサイクロトロンの場合では、ヒルで のエアーギャップは３ｃｌで、その磁場は１８ＫＧｓであり、一方、パレフでの エアーギャップは１０６０ｍで、その磁場は０．４ＫＧＳであるといえる。この 場合、必要なアンペア回数は巻線毎に３３，０ＯＯＡ　ｔである。すなわら、巻 線に８３いて、５０Ａ４の電流密度で、これは従来のサイクロトロンの１００Ｋ Ｗに対して、本発明によるサイクロトロンに関しては、７ＫＷとしてｎ出される 潤費電力を供給する。

注目すべきことは、例として、米国特許第３，９２５，６７６号明細皇（ＩＪ　 Ｓ　−Ａ　−３，９２５，６７６）による超電導勺イクロトロンに関しては、必 賛なアンペア回数は巻線毎に１．８Ｘ１０’　Ａｔである（第４Ｎの３３行から ４３行）。

国際調査報告 、、、、□、、　ＰＣＴ／ＢＥ　８ｇ１０００１４−４ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ｒＦ 、、Ｅ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲｑＥｉ　ＲＥＰＯＲＴ　０ＮＦ Ｏｒ　ｍｏｒｅ　ｄｉ！１ｊｕｌｌｆｉ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｉｓ　ａｒｕ’ｉｅ ｘ　＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．セクタ間のエアーギャップ（１９）が加速ビームの寸法に近い寸法に縮小さ れかつ磁束が実質的に集中され、セクタが、磁束を実質的にゼロにするためにエ アーギャップが非常に大きな寸法である“バレー”と称するセクタの型でスペー ス（１５）で分離されてなる“ヒル”と称する少なくとも３つのセクタ（１３， １３′）と、ヒル（１３，１３′）とバレー（１５，１５′）を実質的に囲んで いる実質的に円形の単一対の巻線（２１，２３）とで構成された磁気回路からな ることを特徴とする非超電導サイクロトロン。 ２．“ヒル”と呼ばれるセクタは、強磁性体から構成された個々のコンポーネン トに強固に固着されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のサイクロ トロン。 ３．バレー（１５，１５′）のエアーギャップは、ヒル（１３，１３′）のエア ーギャップ（１９）に比較して３０倍程度のものであることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載のサイクロトロン。 ４．磁気回路を形成するために、ヒル（１３，１３′）に対向して、環状の巻線 （２）の外側に固定されたフラックス・リターン（１１）を含むことを特徴とす る請求の範囲第１項に記載のサイクロトロン。 ５、ヒルと称するセクタ（１３，１３′）は５４°の大きさの角度を示すことを 特徴とする請求の範囲第１項に記載のサイクロトロン。 ６．加速電極（２８）はバレー（１５，１５′）に収容されていることを特徴と する請求の範囲第１項に記載のサイクロトロン。 ７．電力増幅器（２７）の最終段はバレー（１５，１５′）に装着されているこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載のサイクロトロン。 ８．電力増幅器（２７）の最終段は加速電極（２９）と誘導的に結合されている ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のサイクロトロン。