特開 2025-51078 加速器システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025051078

(43)【公開日】2025-04-04

(54)【発明の名称】加速器システム

(51)【国際特許分類】

   H05H 7/04 20060101AFI20250328BHJP

   H05H 7/18 20060101ALI20250328BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20250328BHJP

【ＦＩ】

H05H7/04

H05H7/18

H05H9/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023159989

(22)【出願日】2023-09-25

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐古 貴行

(72)【発明者】

【氏名】安田 浩昌

(72)【発明者】

【氏名】大崎 一哉

【テーマコード（参考）】

2G085

【Ｆターム（参考）】

2G085AA06

2G085AA18

2G085BA07

2G085BA09

2G085BA15

2G085BB13

2G085BC11

2G085BE02

(57)【要約】

【課題】大電流ビームを加速するためのビームの収束形式を実現し、比較的弱い収束強度で大電流ビームを輸送可能な加速器システムを提供する。
【解決手段】加速器システム１は、荷電粒子ビームの進行方向に沿って並べられ、荷電粒子ビームを加速する複数の区間Ｓを備え、複数の区間Ｓは、荷電粒子ビームを収束させる磁場の強度が、第１収束強度である強収束区間Ｓ１と、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２と、を含み、進行方向において前後２つの強収束区間Ｓ１の間に少なくとも１つの弱収束区間Ｓ２が設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子ビームの進行方向に沿って並べられ、前記荷電粒子ビームを加速する複数の区間を備え、
複数の前記区間は、前記荷電粒子ビームを収束させる磁場の強度が、第１収束強度である強収束区間と、前記第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間と、を含み、
前記進行方向において前後２つの前記強収束区間の間に少なくとも１つの前記弱収束区間が設けられている、
加速器システム。

【請求項2】

それぞれの前記区間は、
前記荷電粒子ビームを通過させるビーム通路、前記ビーム通路を臨む位置に設けられた加速ギャップ、および、高周波を共振させる共振領域を有して内部が真空状態に保持された加速空胴と、
前記加速空胴の内部に設けられ、前記高周波を前記共振領域に投入し、前記加速ギャップに加速電場を形成し、前記荷電粒子ビームを加速させるアンテナと、
前記加速空胴の外部に設けられ、前記ビーム通路を進行する前記荷電粒子ビームを収束させる収束磁石と、
で構成されており、
前記弱収束区間に設けられている前記収束磁石が発生させる磁場の強度が、前記強収束区間に設けられている前記収束磁石が発生させる磁場の強度よりも小さくなっている、
請求項１に記載の加速器システム。

【請求項3】

前記収束磁石が電磁石であり、
前記弱収束区間に設けられている前記収束磁石のコイルの巻数が、前記強収束区間に設けられている前記収束磁石の前記コイルの巻数よりも少なくなっている、
請求項２に記載の加速器システム。

【請求項4】

前記強収束区間に設けられている前記収束磁石が超電導電磁石であり、
前記弱収束区間に設けられている前記収束磁石が常電導電磁石である、
請求項２または請求項３に記載の加速器システム。

【請求項5】

前記収束磁石が電磁石であり、
前記弱収束区間に設けられている前記収束磁石に接続されている励磁用電源の容量が、前記強収束区間に設けられている前記収束磁石に接続されている前記励磁用電源の容量よりも小さくなっている、
請求項２または請求項３に記載の加速器システム。

【請求項6】

前記強収束区間に設けられている前記収束磁石が電磁石であり、
前記弱収束区間に設けられている前記収束磁石が永久磁石である、
請求項２または請求項３に記載の加速器システム。

【請求項7】

前記強収束区間は、
前記荷電粒子ビームを通過させるビーム通路、前記ビーム通路を臨む位置に設けられた加速ギャップ、および、高周波を共振させる共振領域を有して内部が真空状態に保持された加速空胴と、
前記加速空胴の内部に設けられ、前記高周波を前記共振領域に投入し、前記加速ギャップに加速電場を形成し、前記荷電粒子ビームを加速させるアンテナと、
前記加速空胴の外部に設けられ、前記ビーム通路を進行する前記荷電粒子ビームを収束させる収束磁石と、
で構成されており、
前記弱収束区間は、前記加速空胴と前記アンテナとで構成されている、
請求項１に記載の加速器システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、加速器システムに関する。

【背景技術】

【0002】

初段加速器として広く用いられている高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）では、１Ａ以上の大電流ビームの加速が困難である。これは、ＲＦＱでは電極ボア径がｍｍオーダーと小さいので、ビームの空間電荷効果による発散が強い大電流ビームを収束して輸送できないからである。そこで、１Ａ以上の大電流ビームを加速するために、大口径のビーム通路とビームの収束要素とを有する単胞空胴（加速空胴）が、複数台連結されることで構成される加速器により、大電流ビームを加速できると見込まれている。このような加速器は、従来の線形加速器と異なり、大口径の単一の加速ギャップでビームを加速させ、さらに大電流ビームの発散力を抑制してビームを収束させるために、永久磁石または電磁石などの収束要素を加速空胴の近傍または内部に配置している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１４２３８９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

単胞空胴では、それぞれの空胴に個別に加速ギャップと収束要素がある。そのため、単純なビーム調整の方法としては、空胴毎に周期性を持たせ、空胴１台毎に収束・発散の周期を繰り返す方法がある。この方法では、空胴の連結部などを周期境界として同一のビーム条件で後段に引き渡すことができ、ビームの調整が単純で容易であることが利点として挙げられる。この方法は、単胞空胴に限らず、一般的な加速器やビーム輸送系でも用いられる汎用的な方法である。

【0005】

一方、ビーム電流値が１Ａ以上の大電流ビームに対して同様の調整方法を採用する場合、加速器の入射直後は成立していた周期性が、ビームの発散力により維持できなくなる。また、計算上はビームの周期性が維持できたとしても、必要とされる磁場の収束強度が過大となる場合がある。これは、ビームの周期性を維持するために短距離でビームの収束・発散を繰り返すため、ビーム光学上の焦点距離が短くなり過ぎることに起因する。このような条件において、永久磁石の場合は、磁力が不足する、または残留磁束密度の大きい材料を使用するために一般に保持力が弱く、外部環境変化に鋭敏で熱などの外的影響で減磁し易い。常電導電磁石の場合は、鉄などの金属材料で構成されたヨークが飽和し、磁力が不足するか、冷却性能が不足する。超電導電磁石の場合は、臨界電流に到達してしまう。そのため、加速・輸送可能なビーム電流値に限界がある。また、磁石に要求される磁場が強くなるため、コスト増を招く。電磁石の場合には、磁石仕様が同一でも、要求される磁場が強くなるほど、必要とされる電源も大型となり、コスト増を招く。

【0006】

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、大電流ビームを加速するためのビームの収束形式を実現し、比較的弱い収束強度で大電流ビームを輸送可能な加速器システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態に係る加速器システムは、荷電粒子ビームの進行方向に沿って並べられ、前記荷電粒子ビームを加速する複数の区間を備え、複数の前記区間は、前記荷電粒子ビームを収束させる磁場の強度が、第１収束強度である強収束区間と、前記第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間と、を含み、前記進行方向において前後２つの前記強収束区間の間に少なくとも１つの前記弱収束区間が設けられている。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態により、大電流ビームを加速するためのビームの収束形式を実現し、比較的弱い収束強度で大電流ビームを輸送可能な加速器システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態の加速器システムを示す構成図。

【図2】第２実施形態の加速器システムを示す構成図。

【図3】第３実施形態の加速器システムを示す構成図。

【図4】第４実施形態の加速器システムを示す構成図。

【図5】第５実施形態の加速器システムを示す構成図。

【図6】第６実施形態の加速器システムを示す構成図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、加速器システムの実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について図１を用いて説明する。

【0011】

図１の符号１は、第１実施形態の加速器システムである。この加速器システム１は、イオンまたは電子などの荷電粒子ビームを加速するために用いられる。特に、この加速器システム１は、１Ａ以上の大電流ビームを加速することができる。なお、荷電粒子ビームの進行方向において、上流側（図１の紙面左側）を加速器システム１の前方側とし、下流側（図１の紙面右側）を加速器システム１の後方側として説明する。

【0012】

加速器システム１は、荷電粒子ビームの進行方向に沿って並べられ、荷電粒子ビームを加速する複数の区間Ｓを備える。複数の区間Ｓは、荷電粒子ビームを収束させる磁場の強度が、予め任意の値に設定された第１収束強度である強収束区間Ｓ１と、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２とを含む。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられている。つまり、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とが交互に配置されている。強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２の配置は、荷電粒子ビームの収束・発散の周期に応じて適宜設定される。なお、第１収束強度よりも小さい第２収束強度は、第２収束強度がゼロであることを含む。

【0013】

１つの区間Ｓは、１台の加速器１０で構成される。図１の例では、理解を助けるために、３台の加速器１０のみを図示しているが、実際には、例えば、１０台以上の加速器１０が並べられて１つの加速器システム１が構成されている。

【0014】

それぞれの区間Ｓを構成する加速器１０は、加速空胴１１とアンテナ１２と収束磁石１３とを備える。

【0015】

加速空胴１１は、内部が真空状態に保持されている。この加速空胴１１は、荷電粒子ビームを通過させるビーム通路１４、ビーム通路１４を臨む位置に設けられた加速ギャップ１５、および、高周波を共振させる共振領域１６を有する。

【0016】

加速空胴１１の中央は、両端に開口部を有し、この開口部同士の間で荷電粒子ビームが輸送・加速される。ここで、荷電粒子ビームの進行方向がビーム軸Ｐであると定義される。つまり、荷電粒子ビームが進む方向とビーム軸Ｐが延びる方向とが一致している。このビーム軸Ｐに沿ってビーム通路１４が設けられている。

【0017】

ビーム通路１４は、加速空胴１１の中央を貫通している。例えば、ビーム通路１４は、導電性の金属で形成された円柱形状、直方体形状、または、それらにテーパーを施した形状で構成され、その内部を荷電粒子ビームが通過する。なお、ビーム通路１４は、荷電粒子ビームとして１Ａ以上の大電流ビームを通過させるため、その内径が１００ｍｍ以上に設定された空間である。また、ビーム通路１４を形成する壁面であって加速空胴１１の内周面は、加速ギャップ１５に至るまで連続した平坦面に形成されている。ただし、このビーム通路１４の壁面にテーパー面が形成されてもよい。

【0018】

荷電粒子ビームの進行方向の最も上流側であって最も前段（上流側）の加速器１０の加速空胴１１には、荷電粒子ビームが通過するビームダクト２が接続されている。このビームダクト２から荷電粒子ビームが最も前段の加速器１０に導入され、後段（下流側）の加速器１０に向かって荷電粒子ビームが進行する。

【0019】

加速ギャップ１５は、加速空胴１１の内部に形成された隙間である。例えば、加速空胴１１は、ビーム通路１４が貫通し、互いに対向する２枚の金属壁部１７を有する。これらの金属壁部１７は、荷電粒子ビームの進行方向に並んで設けられている。加速ギャップ１５は、対向する金属壁部１７に挟まれた空間である。これらの金属壁部１７は、加速器１０の高周波構造の一部を成している。

【0020】

なお、加速ギャップ１５を構成する金属壁部１７は、加速空胴１１の本体部１８とは別部品として構成し、ボルト締結などの部材で接続されてもよい。また、金属壁部１７は、本体部１８とともに、単一のインゴットから切削加工により製作してもよい。

【0021】

また、加速空胴１１において、加速ギャップ１５と本体部１８との接続部分は、高周波の印加により高い電圧が生ずるため、湾曲面加工（Ｒ加工）を施し、表面も平滑化されることが望ましい。

【0022】

加速空胴１１の製法としては、様々な態様がある。例えば、鉄などの金属素材を加工した後に、電気伝導率の高い銅などの金属素材をメッキする製法がある。他にも、無酸素銅、タフピッチ銅などのインゴットから、その全体を切削加工することにより、加速空胴１１を形成する製法がある。さらに、切削加工より形成された多数の部品を接続して加速空胴１１が形成されてもよい。

【0023】

なお、独立した複数の部品を連結して加速空胴１１を製作する場合には、真空漏れを防ぐために、メタルガスケット、ゴムＯリング、インジウムリングに代表される金属パッキンなどの封止部材により封止をすることが望ましい。また、高周波の表面電流のロスを低減するため、フィンガーコンタクトなどのＲＦ（Radio Frequency）コンタクトを部品間に装着することが望ましい。

【0024】

さらに、加速ギャップ１５を構成する金属壁部１７および加速空胴１１の内部には、発生する熱を除去する冷却水を循環させるための水路が設けられてもよい。

【0025】

共振領域１６は、加速空胴１１の内部に設けられた空間である。この共振領域１６は、加速ギャップ１５に連続して設けられている。例えば、加速空胴１１の内側には、加速ギャップ１５以外の領域で高周波を共振させる一定以上の体積の空間からなる共振領域１６が設けられている。

【0026】

アンテナ１２は、加速空胴１１の内部に設けられ、高周波を共振領域１６に投入し、加速ギャップ１５に加速電場を生成し、荷電粒子ビームを加速させる。このアンテナ１２は、高周波エネルギーを発生させる高周波発生器２０に接続されている。なお、アンテナ１２は、加速空胴１１の内部に高周波を投入するためのものである。アンテナ１２は、例えば、銅などの金属素材をループ状に形成し、その一端がフランジなどのアース部に接続され、他端が芯線に接続されたものである。ここで、アース部と芯線とは、セラミックなどの絶縁材により絶縁されている。このセラミックの絶縁材の表面は、ＴｉＮなどの材料によりコーティングし、保護することが望ましい。このアンテナ１２により投入された高周波を所定の共振周波数（例えば、２０ＭＨｚ程度）で共振させることで、加速ギャップ１５に加速電場が生じる。この加速ギャップ１５で生成された加速電場により、ビーム通路１４を通過する荷電粒子ビームが加速される。

【0027】

フランジ部は、真空隔壁の機能も担っている。図示は省略するが、例えば、フランジ部の大気側には、円形または矩形の導波管、Ｎ端子、ＢＮＣ端子、ＳＨＶ端子などの同軸ケーブルが接続され、その先に、高周波電源、増幅器（ＲＦアンプ）などを含む高周波発生器２０が接続されてもよい。

【0028】

加速空胴１１の本体部１８には、任意の位置に複数のポート１９が設けられている。これらのポート１９に、ターボ真空ポンプ、イオンポンプ、クライオポンプ、スクロールポンプ、ロータリーポンプなどの真空ポンプが接続されている。さらに、これらのポート１９に、ヌードイオンゲージ、コールドカソードゲージ、ピラニーゲージ、電離真空計などの真空計が接続されてもよい。また、加速空胴１１の内部のガスの成分分析のために、これらのポート１９に、Ｑ－ＭＡＳＳ（四重極形質量分析計）などの分析計が接続されてもよい。さらに、これらのポート１９は、投入する高周波の周波数に合わせて高周波漏洩を防ぐための開口部により構成されたスリット構造を有してもよい。

【0029】

加速空胴１１のビーム通路１４（ビーム軸Ｐ）の外側には、収束磁石１３が設けられている。１つの加速空胴１１が備えている収束磁石１３は、この加速空胴１１の中央を貫通するビーム通路１４の外周を周方向に囲むように配置されている。

【0030】

収束磁石１３は、大電流の荷電粒子ビームを収束させるための磁場を発生させる。この収束磁石１３は、永久磁石または電磁石で構成される。収束磁石１３は、１個から複数個のソレノイドまたは四重極磁石で構成されている。例えば、１個から３個程度のソレノイドまたは四重極磁石がビーム軸Ｐの方向に並べられことで、荷電粒子ビームの収束と発散を繰り返し、全体として収束する態様としてもよい。

【0031】

第１実施形態の収束磁石１３は、超電導電磁石であり、加速空胴１１の外部に設けられ、ビーム通路１４を進行する荷電粒子ビームを収束させる。また、収束磁石１３は、所定の励磁用電源２１に接続されている。さらに、収束磁石１３は、この励磁用電源２１から所定容量の電力の供給を受ける。また、収束磁石１３は、内部が真空状態に保持されて断熱性を有する断熱真空容器２２に収容されている。

【0032】

なお、超電導電磁石の線材は、ニオブ系の低温超電導物質の他、イットリウム系、レアアース系による高温超電導物質で構成されてもよい。また、超電導電磁石は、超電導状態を維持するため、加速空胴１１とは独立した断熱真空容器２２に熱伝導率の低いサポートを介して固定されている。必要に応じて、超電導電磁石の周囲に熱シールドが配置される。超電導電磁石は、断熱真空容器２２に接続された冷凍機（図示略）により超電導状態を維持可能な温度に冷却される。または、超電導電磁石が所定の冷媒を用いて冷却されてもよい。

【0033】

以上のように構成された複数台の加速器１０が、ビーム通路１４（ビーム軸Ｐ）の方向に沿って連結されている。

【0034】

なお、複数台の加速器１０の連結の態様としては、隣接する加速空胴１１同士が直に接続される態様でもよいし、隣接する加速空胴１１同士の間に別の真空容器（図示略）が挿入された状態で互いに接続される態様でもよい。また、隣接する加速空胴１１の間にビームダクト２を設けることで、隣接する加速空胴１１同士がビームダクト２を介して互いに接続されてもよい。

【0035】

このように構成された加速器システム１において、所定の１つの収束磁石１３の収束強度が、荷電粒子ビームの進行方向に沿って配置された前後の２つの収束磁石１３の収束強度と比べて小さくなっている。

【0036】

第１実施形態では、荷電粒子ビームの進行方向において前後２つの強収束区間Ｓ１の間に１つの弱収束区間Ｓ２が設けられている。そして、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３が発生させる磁場の強度が、強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３が発生させる磁場の強度よりも小さくなっている。例えば、強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３が、第１収束強度の磁場を発生させる。そして、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３が、第１収束強度よりも小さい第２収束強度の磁場を発生させる。

【0037】

ここで、収束強度の大小とは、収束磁石１３が発生する磁場の強度の単純な大小のみならず、荷電粒子ビームに対する相対的な磁場の強度のことである。例えば、磁場強度に収束磁石１３のビーム軸Ｐの方向の長さをかけた所謂ＧＬ積と表現される指標であって、一定区間内において、荷電粒子ビームに与える磁場の強さの総和を磁場の強度の指標とすることができる。

【0038】

収束磁石１３が永久磁石の場合は、永久磁石そのものが有する磁力、および、永久磁石とビーム軸Ｐとの距離で、収束強度の大小を調整することができる。また、収束磁石１３が電磁石の場合は、電磁石に流す電流値で、収束強度の大小を調整することができる。

【0039】

加速器システム１が４台以上の加速器１０で構成されている場合には、収束強度が相対的に大きい収束磁石１３（強収束区間Ｓ１）と相対的に小さい収束磁石１３（弱収束区間Ｓ２）とが交互に並ぶ特定範囲が、加速器システム１の一部のみであってもよい。また、複数の特定範囲が連続して存在してもよいし、複数の特定範囲が間隔を空けて存在してもよい。さらに、加速器システム１の全範囲が特定範囲でもよい。

【0040】

大電流の荷電粒子ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合がある。この場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０を１台毎に収束・発散する構成と比べて、第１実施形態では、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くして、それそれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減させることができる。

【0041】

従来行われてきたビームの調整方法では、加速器１０の１台毎に収束・発散を繰り返すため、荷電粒子ビームの振幅の周期が短く、荷電粒子ビームの進行とともに、より強い収束・発散が必要となる。そのため、過収束により結果的にビームサイズが増大し、荷電粒子ビームがビーム通路１４の壁面（内周面）に衝突することがあり、大電流の荷電粒子ビームの輸送に限界がある。第１実施形態の加速器システム１では、このようなビームサイズの増大を低減することができる。

【0042】

第１実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減できるため、収束磁石１３を安価に製造することができる。また、いずれの収束磁石１３においても、実現可能な磁力に限界があるため、従来の１台毎に単純な収束・発散を繰り返す場合と比較して、輸送・加速可能なビーム電流値を向上させることができる。

【0043】

なお、収束磁石１３は、ビーム通路１４の（ビーム軸Ｐ）方向において、加速空胴１１の共振領域１６の少なくとも一部と重なる位置に配置されている。言い換えると、ビーム軸Ｐの方向において、収束磁石１３が共振領域１６の少なくとも一部と重なっている。収束磁石１３が共振領域１６の少なくとも一部と重なる領域の大きさ（幅）は、加速空胴１１の高周波設計に依存する。さらに、収束磁石１３が共振領域１６と完全に重なることもあり得る。

【0044】

また、収束磁石１３の磁場を生成する永久磁石または電磁石の導線そのものが、共振領域１６と重ならなくてもよい。例えば、磁石本体の周囲のヨーク、支持部、巻線などのサポート部、または、シールドなどの磁石の付属構成物のみが、共振領域１６の少なくとも一部と重なる位置にあればよい。なお、ビーム軸Ｐの方向において、収束磁石１３と共振領域１６の少なくとも一部は、重なる必要があるが、物理的に双方が接触する必要はない。

【0045】

このようにすれば、ビーム軸Ｐの方向において、加速空胴１１の加速ギャップ１５に近い大部分の領域に、収束磁石１３によって磁場を発生させることができる。この加速ギャップ１５に近い大部分の領域では、ビーム通路１４を通過する荷電粒子ビームに対し、磁場による収束力を充分に作用させることができる。この結果、荷電粒子ビームが大電流である場合においても、この荷電粒子ビームの発散を抑制して加速することができる。

【0046】

また、加速空胴１１の共振領域１６をビーム軸Ｐの方向に延伸させることができる。そのため、加速空胴１１の半径方向の寸法を小さくすることができる。したがって、加速空胴１１の径方向の寸法を小さくすることができる。

【0047】

なお、第１実施形態は、収束磁石１３が超電導電磁石となっているが、その他の態様でもよい。例えば、収束磁石１３が常電導電磁石でもよい。また、収束磁石１３が永久磁石でもよい。

【0048】

（第２実施形態）
つぎに、第２実施形態について図２を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0049】

第２実施形態の加速器システム１Ａは、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とで異なる構成の加速器１０Ａ，１０Ｂを備える。具体的には、強収束区間Ｓ１の加速器１０Ａの収束磁石１３Ａと、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｂの収束磁石１３Ｂとの構成が異なっている。

【0050】

これらの収束磁石１３Ａ，１３Ｂは、電磁石としての超電導電磁石で構成されている。なお、これらの収束磁石１３Ａ，１３Ｂが常電導電磁石で構成されてもよい。

【0051】

第２実施形態では、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３Ｂのコイルの巻数が、強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３Ａのコイルの巻数よりも少なくなっている。言い換えると、弱収束区間Ｓ２の収束磁石１３Ｂのコイルの巻数が、荷電粒子ビームの進行方向に沿って配置された前後の２つの収束磁石１３Ａのコイルの巻数と比べて少なくなっている。

【0052】

このようにすれば、複数の区間Ｓにおいて、コイルの巻数が大きい収束磁石１３Ａにより、第１収束強度である強収束区間Ｓ１が形成される。さらに、コイルの巻数が少ない収束磁石１３Ｂにより、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２が形成される。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられる。

【0053】

なお、それぞれの収束磁石１３Ａ，１３Ｂを構成するコイルの電線は、単純な銅線で構成されてもよいし、冷却水を循環可能なホロ－コンダクターで構成されてもよい。

【0054】

このように構成された加速器システム１Ａにおいて、進行方向に沿って荷電粒子ビームに与えられる収束磁場の強度が、単調増加ではなく、その強弱が繰り返されるようになる。その結果、大電流ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０Ａ，１０Ｂの１台毎に収束・発散する従来の構成と比べて、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くすることができる。そのため、収束磁石１３Ａ，１３Ｂに要求される収束強度を低減させることができる。

【0055】

第２実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３Ａ，１３Ｂに要求される収束強度を低減することができる。そのため、特に、収束強度が相対的に弱い収束磁石１３Ｂについては、巻線数を減らして安価に製造することができる。

【0056】

（第３実施形態）
つぎに、第３実施形態について図３を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0057】

第３実施形態の加速器システム１Ｂは、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とで異なる構成の加速器１０Ｃ，１０Ｄを備える。具体的には、強収束区間Ｓ１の加速器１０Ｃの収束磁石１３Ｃと、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｄの収束磁石１３Ｄとの構成が異なっている。

【0058】

強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３Ｃが超電導電磁石であり、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３Ｄが常電導電磁石である。なお、弱収束区間Ｓ２の収束磁石１３Ｄは、常電導電磁石であるため、この収束磁石１３Ｄの断熱真空容器２２が省略されている。

【0059】

このようにすれば、複数の区間Ｓにおいて、超電導電磁石である収束磁石１３Ｃにより、第１収束強度である強収束区間Ｓ１が形成される。さらに、常電導電磁石である収束磁石１３Ｄにより、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２が形成される。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられる。

【0060】

このように構成された加速器システム１Ｂにおいて、進行方向に沿って荷電粒子ビームに与えられる収束磁場の強度が、単調増加ではなく、その強弱が繰り返されるようになる。その結果、大電流ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０Ｃ，１０Ｄの１台毎に収束・発散する従来の構成と比べて、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くすることができる。そのため、収束磁石１３Ｃ，１３Ｄに要求される収束強度を低減させることができる。

【0061】

第３実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３Ｃ，１３Ｄに要求される収束強度を低減することができる。そのため、特に、収束強度が相対的に弱い収束磁石１３Ｄについては、超電導電磁石ではなく、常電導電磁石で構成可能なため、電磁石本体のみならず、周囲の付帯要素を簡素化することで安価に製造することができる。

【0062】

（第４実施形態）
つぎに、第４実施形態について図４を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0063】

第４実施形態の加速器システム１Ｃは、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とで異なる構成の加速器１０Ｅ，１０Ｆを備える。具体的には、強収束区間Ｓ１の加速器１０Ｅに接続されている励磁用電源２１Ａと、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｆに接続されている励磁用電源２１Ｂとの構成が異なっている。

【0064】

収束磁石１３は、電磁石としての超電導電磁石で構成されている。なお、収束磁石１３が常電導電磁石で構成されてもよい。

【0065】

第４実施形態では、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３に接続されている励磁用電源２１Ｂの容量が、強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３に接続されている励磁用電源２１Ａの容量よりも小さくなっている。ここで、励磁用電源２１Ａ，２１Ｂの容量とは、一般に、それぞれが出力可能な最大の電流値または電圧値などの所定の要式で表現される。

【0066】

このようにすれば、複数の区間Ｓにおいて、容量が大きい励磁用電源２１Ａから強収束区間Ｓ１の収束磁石１３に電力が供給されることで、第１収束強度である強収束区間Ｓ１が形成される。さらに、容量が小さい励磁用電源２１Ｂから弱収束区間Ｓ２の収束磁石１３に電力が供給されることで、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２が形成される。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられる。

【0067】

このように構成された加速器システム１Ｃにおいて、進行方向に沿って荷電粒子ビームに与えられる収束磁場の強度が、単調増加ではなく、その強弱が繰り返されるようになる。その結果、大電流ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０Ｅ，１０Ｆの１台毎に収束・発散する従来の構成と比べて、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くすることができる。そのため、それぞれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減させることができる。

【0068】

第４実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減することができる。そのため、特に、収束強度が相対的に弱い、弱収束区間Ｓ２の収束磁石１３については、容量の小さい励磁用電源２１Ｂで構成でき、加速器システム１Ｃ全体を安価に製造することができる。

【0069】

（第５実施形態）
つぎに、第５実施形態について図５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0070】

第５実施形態の加速器システム１Ｄは、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とで異なる構成の加速器１０Ｇ，１０Ｈを備える。具体的には、強収束区間Ｓ１の加速器１０Ｇの収束磁石１３Ｅと、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｈの収束磁石１３Ｆとの構成が異なっている。

【0071】

強収束区間Ｓ１に設けられている収束磁石１３Ｅが電磁石としての常電導電磁石であり、弱収束区間Ｓ２に設けられている収束磁石１３Ｆが永久磁石である。なお、強収束区間Ｓ１の収束磁石１３Ｅは、超電導電磁石でもよい。

【0072】

このようにすれば、複数の区間Ｓにおいて、常電導電磁石である収束磁石１３Ｅにより、第１収束強度である強収束区間Ｓ１が形成される。さらに、永久磁石である収束磁石１３Ｆにより、第１収束強度よりも小さい第２収束強度である弱収束区間Ｓ２が形成される。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられる。

【0073】

このように構成された加速器システム１Ｄにおいて、進行方向に沿って荷電粒子ビームに与えられる収束磁場の強度が、単調増加ではなく、その強弱が繰り返されるようになる。その結果、大電流ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０Ｇ，１０Ｈの１台毎に収束・発散する従来の構成と比べて、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くすることができる。そのため、それぞれの収束磁石１３Ｅ，１３Ｆに要求される収束強度を低減させることができる。

【0074】

第５実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３Ｅ，１３Ｆに要求される収束強度を低減することができる。そのため、特に、収束強度が相対的に弱い、弱収束区間Ｓ２の収束磁石１３Ｆについては、永久磁石で構成し、収束強度が相対的に強い、強収束区間Ｓ１の収束磁石１３Ｅについては、電磁石で構成することができる。よって、加速器システム１Ｄ全体を安価に製造することができる。

【0075】

（第６実施形態）
つぎに、第６実施形態について図６を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0076】

第６実施形態の加速器システム１Ｅは、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２とで異なる構成の加速器１０Ｊ，１０Ｋを備える。

【0077】

強収束区間Ｓ１を構成する加速器１０Ｊは、少なくとも、加速空胴１１とアンテナ１２と収束磁石１３とを備える。また、弱収束区間Ｓ２を構成する加速器１０Ｋは、少なくとも、加速空胴１１とアンテナ１２とを備える。ここで、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｋは、収束磁石１３を備えていない構成となっている。つまり、弱収束区間Ｓ２の加速器１０Ｋでは、収束強度がゼロとなっている。

【0078】

このようにすれば、複数の区間Ｓにおいて、収束磁石１３が設けられる区間Ｓにより、第１収束強度である強収束区間Ｓ１が形成される。さらに、収束磁石１３が設けられない区間Ｓにより、第１収束強度よりも小さい第２収束強度（収束強度がゼロ）である弱収束区間Ｓ２が形成される。そして、荷電粒子ビームの進行方向において、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられる。

【0079】

このように構成された加速器システム１Ｅにおいて、進行方向に沿って荷電粒子ビームに与えられる収束磁場の強度が、単調増加ではなく、その強弱が繰り返されるようになる。その結果、大電流ビームの空間電荷効果による強い発散力が働く場合においても、収束強度を単調増加させて加速器１０Ｊ，１０Ｋの１台毎に収束・発散する従来の構成と比べて、荷電粒子ビームの収束・発散の周期を長くすることができる。そのため、それぞれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減させることができる。

【0080】

第６実施形態によれば、それぞれの収束磁石１３に要求される収束強度を低減することができる。そのため、収束強度が相対的に弱い弱収束区間Ｓ２では、そもそも収束磁石１３を配置せず、加速空胴１１を連続的に配置することで、加速器システム１Ｅ全体を安価に製造することができる。

【0081】

また、収束磁石１３に用いる空間的な領域が不要になることで、単位長さあたりの加速ギャップ１５の数を増やし、実効的な加速効率を上げることができる。そのため、荷電粒子ビームを早い段階で高エネルギー化すること、空間電荷効果による発散力を低減し、輸送・加速可能なビーム電流値を向上させることができる。

【0082】

以上、本発明が第１実施形態から第６実施形態に基づいて説明されているが、いずれかの実施形態において適用された構成が他の実施形態に適用されてもよいし、各実施形態において適用された構成が組み合わされてもよい。

【0083】

例えば、変形例では、１つの加速器システム１において、最も上流側の前段に第６実施形態の加速器１０Ｊ，１０Ｋ（図６）が配置される。つぎの中段に第３実施形態の加速器１０Ｃ，１０Ｄ（図３）が配置される。そして、最も下流側の後段に第１実施形態の加速器１０（図１）が配置される。このようにすれば、荷電粒子ビームの進行方向に応じて収束強度を最適化しつつ、製造コストを抑えることができる。

【0084】

なお、前述の実施形態は、荷電粒子ビームの進行方向において、第１収束強度である強収束区間Ｓ１と第２収束強度である弱収束区間Ｓ２とが交互に配置されている。これら強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２の配置は、荷電粒子ビームの収束と発散の態様に応じて適宜変更してもよい。

【0085】

なお、前述の実施形態は、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、１つの弱収束区間Ｓ２が設けられている態様であるが、その他の態様でもよい。例えば、前後２つの強収束区間Ｓ１の間に、２つ以上の弱収束区間Ｓ２が設けられてもよい。

【0086】

なお、前述の実施形態は、複数の区間Ｓの全てが、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２のいずれかであるが、その他の態様でもよい。例えば、複数の区間Ｓの一部が、強収束区間Ｓ１と弱収束区間Ｓ２のいずれかでもよい。

【0087】

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、荷電粒子ビームの進行方向において前後２つの強収束区間Ｓ１の間に少なくとも１つの弱収束区間Ｓ２が設けられている。これにより、大電流ビームを加速するためのビームの収束形式を実現し、比較的弱い収束強度で大電流ビームを輸送することができる。

【0088】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0089】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…加速器システム、２…ビームダクト、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｊ，１０Ｋ…加速器、１１…加速空胴、１２…アンテナ、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ…収束磁石、１４…ビーム通路、１５…加速ギャップ、１６…共振領域、１７…金属壁部、１８…本体部、１９…ポート、２０…高周波発生器、２１，２１Ａ，２１Ｂ…励磁用電源、２２…断熱真空容器、Ｐ…ビーム軸、Ｓ…区間、Ｓ１…強収束区間、Ｓ２…弱収束区間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】