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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-09
(45)【発行日】2024-01-17
(54)【発明の名称】多極電磁石、およびそれを用いた加速器
(51)【国際特許分類】
H01F 7/20 20060101AFI20240110BHJP
H05H 7/04 20060101ALI20240110BHJP
H05H 13/04 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
H01F7/20 F
H05H7/04
H05H13/04 E
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020056540
(22)【出願日】2020-03-26
(65)【公開番号】P2021158210
(43)【公開日】2021-10-07
【審査請求日】2023-02-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(73)【特許権者】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 友太
(72)【発明者】
【氏名】堀 知新
(72)【発明者】
【氏名】今尾 浩士
【審査官】井上 健一
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－２７１４９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２５０７００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－０１０１９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５４１８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－０４４７０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４５５９５７８（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００６－２８６３４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０７５２９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１５４２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－０９７４００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３３２０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２１５９００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－３０４５５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５３５５１０６（ＵＳ，Ａ）
【文献】特公昭３５－０１６０８２（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】実開平０６－０８２８１８（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ７／２０
Ｈ０５Ｈ ７／０４
Ｈ０５Ｈ １３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
４以上の偶数からなる複数の磁心と、複数の前記磁心のそれぞれの周囲に巻回して配置される複数のコイルと、
複数の前記磁心を囲み、多極電磁石の外周部に配置されるヨークと、
を備え、
複数の前記磁心は、互いに平行または同方向に配置され、
複数の前記磁心は、それぞれ先端に磁心先端部を有し、
複数の前記磁心先端部は、それぞれ多極電磁石としての中心部に向かって曲がり延びて形成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項2】
請求項１において、前記多極電磁石の外周部を囲う前記ヨークが、前記コイルと接していない所定の部分において前記多極電磁石の中心部に向かって凹んでいるヨーク屈曲部を有する、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項3】
請求項１において、前記多極電磁石の外周部を囲う前記ヨークが、前記コイルと接していない所定の部分において前記多極電磁石の外側に向かって凸となっているヨーク突出部を有する、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項4】
請求項１において、前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨークの側面におけるヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項5】
請求項１において、前記ヨークの上部におけるヨークの厚みと、前記ヨークの側面におけるヨークの厚みとの合計が、前記磁心のコイルが巻回される方向の幅よりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項6】
請求項２において、前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨーク屈曲部のヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項7】
請求項３において、前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨーク突出部のヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項8】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記多極電磁石が四極の電磁石で構成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項9】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記多極電磁石が六極以上の電磁石で構成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。
【請求項10】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多極電磁石を備える、ことを特徴とする加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、多極電磁石、およびそれを用いた加速器に関する。
【背景技術】
【0002】
荷電粒子を加速するための加速器において、荷電粒子ビームの収束および補正のために多極電磁石が広く用いられている。
荷電粒子ビームは、多極電磁石のうち複数の磁心先端に囲われた部分を通る。また、２Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の磁心を持つ前記多極電磁石は、磁石の径方向最外周を囲うヨークと、前記ヨークからビーム軸の方向へ伸び、ビーム軸を中心に２Ｎ回対称な形状で配置された２Ｎ本の磁心と、前記２Ｎ本の磁心に磁化を生じさせるためのコイルを有する。
荷電粒子ビームは、多極電磁石のうち複数の磁心先端に囲われた部分を通る。また、２Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の磁心を持つ前記多極電磁石は、磁石の径方向最外周を囲うヨークと、前記ヨークからビーム軸の方向へ伸び、ビーム軸を中心に２Ｎ回対称な形状で配置された２Ｎ本の磁心と、前記２Ｎ本の磁心に磁化を生じさせるためのコイルを有する。
【0003】
これらに関連する技術として、特許文献１がある。
特許文献１の［要約］には、「［目的］ボア内の多極磁場を乱すことなく、偏向電磁石の放射光取出しパイプとのスペース的干渉を排除する。［構成］多極電磁石としての四極電磁石４０は、半径方向断面がほぼリング状を成す継鉄４１と、この継鉄４１から内側に等角度で一体に突設させた４個の磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌと、この磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌに個別に巻装した励磁コイル４３…４３とを備える。これにより、磁極Ｐ１～Ｐ４が形成される。継鉄４１の磁極Ｐ３、Ｐ４間の部分（電子ビームの周回軌道の半径方向に沿った部分）が切除される。磁極Ｐ３、Ｐ４の磁心４２Ｌ、４２Ｌの幅を、継鉄半径方向の断面において、他の磁極Ｐ１、Ｐ２の磁心４２、４２よりも広くする。全ての磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌの先端面の形状は、ボア半径Ｒ０に基づく双曲線の曲面を維持させる。」と記載され、電子加速器の多極電磁石の技術が開示されている。また、多極電磁石に隣接するパイプとのスペース的干渉を排除する技術が開示されている。
特許文献１の［要約］には、「［目的］ボア内の多極磁場を乱すことなく、偏向電磁石の放射光取出しパイプとのスペース的干渉を排除する。［構成］多極電磁石としての四極電磁石４０は、半径方向断面がほぼリング状を成す継鉄４１と、この継鉄４１から内側に等角度で一体に突設させた４個の磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌと、この磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌに個別に巻装した励磁コイル４３…４３とを備える。これにより、磁極Ｐ１～Ｐ４が形成される。継鉄４１の磁極Ｐ３、Ｐ４間の部分（電子ビームの周回軌道の半径方向に沿った部分）が切除される。磁極Ｐ３、Ｐ４の磁心４２Ｌ、４２Ｌの幅を、継鉄半径方向の断面において、他の磁極Ｐ１、Ｐ２の磁心４２、４２よりも広くする。全ての磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌの先端面の形状は、ボア半径Ｒ０に基づく双曲線の曲面を維持させる。」と記載され、電子加速器の多極電磁石の技術が開示されている。また、多極電磁石に隣接するパイプとのスペース的干渉を排除する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平５－２１５９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
多極電磁石（四極電磁石）を置く位置に隣接するビームパイプがある場合、多極電磁石（四極電磁石）と隣接するビームパイプとが干渉してしまうという問題がある。特許文献１に記載されている形状の四極電磁石は、４本の磁心がビーム軸を軸とした４回対称な形で伸びている。また、取り出し用ビームパイプとの干渉を避けるための四極電磁石の形状が提案されている。
特許文献１のようにビーム軸を軸とした４回対称の磁心を持つ四極電磁石では、四極電磁石中心に生成される磁場勾配を大きくしようとすると磁心が太くなる。そのため、生成する磁場勾配が大きくなると四極電磁石の幅が大きくなり、隣接してビームパイプを置ける距離が広がってしまうという問題がある。
また、特許文献１の電磁石形状は磁石外周のヨークの一部が開放された形となっているため、漏れ磁場が隣接するビームパイプまで届いてしまう。そのため、隣接するビームへの漏れ磁場の影響を避けるために、隣接してビームパイプを置ける距離をさらに広げる必要が生じる場合があるという問題がある。
特許文献１のようにビーム軸を軸とした４回対称の磁心を持つ四極電磁石では、四極電磁石中心に生成される磁場勾配を大きくしようとすると磁心が太くなる。そのため、生成する磁場勾配が大きくなると四極電磁石の幅が大きくなり、隣接してビームパイプを置ける距離が広がってしまうという問題がある。
また、特許文献１の電磁石形状は磁石外周のヨークの一部が開放された形となっているため、漏れ磁場が隣接するビームパイプまで届いてしまう。そのため、隣接するビームへの漏れ磁場の影響を避けるために、隣接してビームパイプを置ける距離をさらに広げる必要が生じる場合があるという問題がある。
【0006】
本発明は、前記の問題を解決するために、多極電磁石の水平方向の幅をより小さくすることが可能な多極電磁石を提供することを課題（目的）とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記の課題を解決するために、本発明を以下のように構成した。
すなわち、本発明の多極電磁石は、４以上の偶数からなる複数の磁心と、複数の前記磁心のそれぞれの周囲に巻回して配置される複数のコイルと、複数の前記磁心を囲み、多極電磁石の外周部に配置されるヨークと、を備え、複数の前記磁心は、互いに平行または同方向に配置され、複数の前記磁心は、それぞれ先端に磁心先端部を有し、複数の前記磁心先端部は、それぞれ多極電磁石としての中心部に向かって曲がり延びて形成されている、
ことを特徴とする。
すなわち、本発明の多極電磁石は、４以上の偶数からなる複数の磁心と、複数の前記磁心のそれぞれの周囲に巻回して配置される複数のコイルと、複数の前記磁心を囲み、多極電磁石の外周部に配置されるヨークと、を備え、複数の前記磁心は、互いに平行または同方向に配置され、複数の前記磁心は、それぞれ先端に磁心先端部を有し、複数の前記磁心先端部は、それぞれ多極電磁石としての中心部に向かって曲がり延びて形成されている、
ことを特徴とする。
【0008】
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、多極電磁石の水平方向の幅をより小さくすることが可能な多極電磁石を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）の構成と断面構造の例を示す図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
【図3A】本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
【図4】本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）の構成と断面構造の例を示す図である。
【図5】本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）を、ビームパイプを挟んで２台を配置した構成と断面構造の例を示す図である。
【図7A】本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）の部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
【図7B】本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石（四極電磁石）の部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
【図9】本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
【図10】本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）の構成と断面構造の例を示す図である。
【図11A】本発明の第４実施形態に係るヨーク突出部を有する多極電磁石（四極電磁石）によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
【図11B】本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）によって生成される磁場のシミュレーションの結果を比較として示す図である。
【図12】本発明の第５実施形態に係る多極電磁石（六極電磁石）の構成と断面構造の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。
【0012】
≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１において、多極電磁石１０は、四極電磁石として構成され、４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２と、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を備えている。４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２は、それぞれ４本の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２の周囲に巻回され、４極の電磁石が構成されている。
本発明の第１実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１において、多極電磁石１０は、四極電磁石として構成され、４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２と、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を備えている。４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２は、それぞれ４本の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２の周囲に巻回され、４極の電磁石が構成されている。
【0013】
また、多極電磁石（四極電磁石）１０は、磁気回路を構成するために最外周が磁性体であるヨーク１２に覆われている。なお、ヨーク１２は、図１に示す断面において、長方形の枠状である。
４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、ヨーク１２と一体となって形成されている。磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、およびヨーク１２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。なお、鉄と同じく強磁性体であるコバルトやニッケルが用いられることもある。
また、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が備えられている。
４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、ヨーク１２と一体となって形成されている。磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、およびヨーク１２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。なお、鉄と同じく強磁性体であるコバルトやニッケルが用いられることもある。
また、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が備えられている。
【0014】
前記のように、図１に示した多極電磁石（四極電磁石）１０の大きな特徴は、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２が、互いに平行、または同方向に配置されていることである。このような磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２の構成をとることが、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の横幅（幅寸法）をより小さくすることを可能とする要因となっている。
ただし、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を、単に、互いに平行、または同方向に配置したとすると、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２からの磁束線が、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部（ビーム軸１１ｃｘに対応）に効率よく集まらなくなる。
ただし、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を、単に、互いに平行、または同方向に配置したとすると、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２からの磁束線が、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部（ビーム軸１１ｃｘに対応）に効率よく集まらなくなる。
【0015】
そのため、中心部（ビーム軸１１ｃｘに対応）に向かって曲がり延びた磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの先端に備えている。
中心部に向かって曲がり延びた磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２によって、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２と４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２による四極電磁石が多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に効率よく磁場を形成する。
この構成によって、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の横幅をより小さくすること、多極電磁石１０の中心部に効率よく磁場を形成することが両立する。その理由の詳細については、後記する。
中心部に向かって曲がり延びた磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２によって、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２と４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２による四極電磁石が多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に効率よく磁場を形成する。
この構成によって、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の横幅をより小さくすること、多極電磁石１０の中心部に効率よく磁場を形成することが両立する。その理由の詳細については、後記する。
【0016】
また、多極電磁石１０は、加速器のビームライン上に取り付けられ、荷電粒子ビームを収束させる。荷電粒子ビームが通る空間は真空にする必要があるため、ビーム（荷電粒子ビーム）が通る領域を囲う必要がある。
図１に示すビームパイプ１１（１１ｃ，１１ｂ，１１ｄ）が前記したビームが通る領域の囲いである。なお、ビームパイプ１１ｃは、多極電磁石１０の中を通るビームパイプであり、ビームパイプ１１ｂ，１１ｄは、多極電磁石１０に隣接して通るビームパイプである。また、ビームパイプ１１ｃの中心をビーム軸１１ｃｘとして示している。また、ビーム軸１１ｃｘは、多極電磁石１０の中心部に対応している。
多極電磁石１０は、荷電粒子ビームの軸に直交する断面を有し、ビームパイプ１１を中心部に貫通させた構造を有する。
なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（右手系）を示している。多極電磁石の幅（水平方向の幅）とは、多極電磁石１０のＸ軸方向の長さ（寸法）である。多極電磁石の高さが多極電磁石１０のＹ軸方向の長さ（寸法）に相当する。また、ビームパイプ１１を通過するビームの方向は、Ｚ軸方向である。
図１に示すビームパイプ１１（１１ｃ，１１ｂ，１１ｄ）が前記したビームが通る領域の囲いである。なお、ビームパイプ１１ｃは、多極電磁石１０の中を通るビームパイプであり、ビームパイプ１１ｂ，１１ｄは、多極電磁石１０に隣接して通るビームパイプである。また、ビームパイプ１１ｃの中心をビーム軸１１ｃｘとして示している。また、ビーム軸１１ｃｘは、多極電磁石１０の中心部に対応している。
多極電磁石１０は、荷電粒子ビームの軸に直交する断面を有し、ビームパイプ１１を中心部に貫通させた構造を有する。
なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（右手系）を示している。多極電磁石の幅（水平方向の幅）とは、多極電磁石１０のＸ軸方向の長さ（寸法）である。多極電磁石の高さが多極電磁石１０のＹ軸方向の長さ（寸法）に相当する。また、ビームパイプ１１を通過するビームの方向は、Ｚ軸方向である。
【0017】
４本の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、ビーム軸１１ｃｘに垂直な方向（Ｙ軸方向）でヨーク１２に接続し、一体化している。
前記したように、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、多極電磁石１０の中心部に相当するビーム軸１１ｃｘに向かって延びた構成となっている。
前記の４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２が生成した磁束が、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、および磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２と、ヨーク１２を主に通過し、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２に囲まれた空間内に四極磁場が生成される。
前記したように、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、多極電磁石１０の中心部に相当するビーム軸１１ｃｘに向かって延びた構成となっている。
前記の４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２が生成した磁束が、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、および磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２と、ヨーク１２を主に通過し、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２に囲まれた空間内に四極磁場が生成される。
【0018】
図１に示すように、磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が、ビームパイプ１１（ビーム軸１１ｃｘ）を囲うように構成されているので、多極電磁石（四極電磁石）１０の磁場勾配を大きくすることができる。
この磁場勾配の数値計算例は、後記する。
この磁場勾配の数値計算例は、後記する。
【0019】
多極電磁石（四極電磁石）１０は、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が途中で折れ曲がり、コイルが巻かれた部分である磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、多極電磁石１０の鉛直方向（Ｙ軸方向）に伸びている。そのため、効率よく磁場が形成され、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の寸法を小さく抑えられる。
多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなることで、図２に示すようにビームパイプが複数隣接している場合、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離を小さくすることができる。さらに、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ、１１ｄ）との間にヨークを設置することで、漏れ磁場（漏れ磁束）の低減が可能となる。その結果として、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間にヨークを設置しない場合よりも、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離をさらに小さくすることが可能となる。
多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなることで、図２に示すようにビームパイプが複数隣接している場合、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離を小さくすることができる。さらに、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ、１１ｄ）との間にヨークを設置することで、漏れ磁場（漏れ磁束）の低減が可能となる。その結果として、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間にヨークを設置しない場合よりも、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離をさらに小さくすることが可能となる。
【0020】
＜複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等における効果＞
また、価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等における効果について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
図２において、複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器１００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ）が配置されている。なお、図２において、多極電磁石１０ａ，１０ｃ，１０ｅが隣接する方向は、図１におけるＸ軸方向である。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）のそれぞれの中心部を貫通している。
また、価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等における効果について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
図２において、複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器１００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ）が配置されている。なお、図２において、多極電磁石１０ａ，１０ｃ，１０ｅが隣接する方向は、図１におけるＸ軸方向である。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）のそれぞれの中心部を貫通している。
【0021】
図２に示すように、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが、比較的、近くに隣接している。
図２に示すように、複数台の多極電磁石１０を設置する場合に、前記した構成と理由から水平方向の寸法を小さく抑えられるため、複数台の多極電磁石１０を狭い領域に隣接して設置することが可能である。
図２に示すように、複数台の多極電磁石１０を設置する場合に、前記した構成と理由から水平方向の寸法を小さく抑えられるため、複数台の多極電磁石１０を狭い領域に隣接して設置することが可能である。
【0022】
＜多極電磁石１０の磁場のシミュレーション結果＞
磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いて、多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場をシミュレーションした結果について、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅを参照して説明する。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場（磁束線）のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図３Ｂは、図３Ａの磁場のシミュレーションの結果の部分を拡大して示す図である。
図３Ｃは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場Ｂｙと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｄは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｅは、図３Ａ～図３Ｄの磁場のシミュレーションにおける条件としての各項目と各値の例を示す図である。
磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いて、多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場をシミュレーションした結果について、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅを参照して説明する。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場（磁束線）のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図３Ｂは、図３Ａの磁場のシミュレーションの結果の部分を拡大して示す図である。
図３Ｃは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場Ｂｙと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｄは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｅは、図３Ａ～図３Ｄの磁場のシミュレーションにおける条件としての各項目と各値の例を示す図である。
【0023】
図３Ａでは、多極電磁石（四極電磁石）１０において、４個のコイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）、磁心（１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２）、磁心先端部（１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２）、およびヨーク（１２）によって、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に四極磁場が形成されることが、磁束線の分布によって示されている。
なお、図３Ａにおいて、横軸はＸ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示し、縦軸はＹ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示している。座標（０，０）は、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心であり、ビーム軸（１１ｃｘ：図１）の位置を示している。
また、横軸方向において、磁束線分布が示された多極電磁石１０が、概ね－１０～＋１０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の幅が約２０ｃｍであることに対応している。また、多極電磁石１０が縦軸方向において、－２０～＋２０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の高さが約４０ｃｍであることに対応している。
なお、図３Ａにおいて、横軸はＸ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示し、縦軸はＹ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示している。座標（０，０）は、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心であり、ビーム軸（１１ｃｘ：図１）の位置を示している。
また、横軸方向において、磁束線分布が示された多極電磁石１０が、概ね－１０～＋１０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の幅が約２０ｃｍであることに対応している。また、多極電磁石１０が縦軸方向において、－２０～＋２０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の高さが約４０ｃｍであることに対応している。
【0024】
図３Ｂでは、コイル１４Ｕ２（図１）の生成する起磁力Ｆ１を表記している。なお、後記するように各コイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）の起磁力Ｆ１は、図３Ａ～図３Ｅの磁場のシミュレーションにおける条件では、７２４３［ＡＴ］である。
【0025】
図３Ｃにおいて、磁場のシミュレーションにおける磁場Ｂｙと磁石（四極電磁石）中心からの距離ｘ（Ｘ軸方向）との関係を示しており、縦軸にｙ方向（Ｙ軸方向）の磁場Ｂｙ［Ｇ］、横軸に磁石中心からの距離ｘ［ｃｍ］を表している。
図３Ｃに示すように、磁石中心において磁場Ｂｙは、ほぼ０［Ｇ］であり、中心から離れるにしたがって、磁場Ｂｙは強くなっている。
図３Ｃに示すように、磁石中心において磁場Ｂｙは、ほぼ０［Ｇ］であり、中心から離れるにしたがって、磁場Ｂｙは強くなっている。
【0026】
図３Ｄにおいて、磁場のシミュレーションにおける磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘと磁石（四極電磁石）中心からの距離ｘとの関係を示しており、縦軸にｙ方向（Ｙ方向）の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘ［Ｇ／ｃｍ］、横軸に磁石中心からの距離ｘ［ｃｍ］を表している。
図３Ｄに示すように、磁石中心のｘ＝０からｘ＝１．５０あたりにおいて磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘは、ほぼ所定の値を保ち、ビームパイプ（１１：図１）の外部に相当するｘ＝２．４０を超えると急激に減少している。
図３Ｄに示すように、磁石中心のｘ＝０からｘ＝１．５０あたりにおいて磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘは、ほぼ所定の値を保ち、ビームパイプ（１１：図１）の外部に相当するｘ＝２．４０を超えると急激に減少している。
【0027】
図３Ｃに示す磁場Ｂｙの特性と、図３Ｄに示す磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘの特性は、ビームパイプ（１１：図１）を通る荷電粒子がビームパイプの中心を通りやすく、ビームパイプの中心から離れると、ビームパイプの中心へと向かわせる力が作用することを意味している。すなわち、多極電磁石（四極電磁石）１０は、ビームパイプを通る荷電粒子ビームを収束するように作用する。
なお、図３Ｃと図３Ｄは、ｘ方向の磁場や磁場勾配について記載したもので、前記したように、ビームパイプを通る荷電粒子（荷電粒子ビーム）を収束する作用について説明したものである。
なお、図３Ｃと図３Ｄは、ｘ方向の磁場や磁場勾配について記載したもので、前記したように、ビームパイプを通る荷電粒子（荷電粒子ビーム）を収束する作用について説明したものである。
【0028】
図３Ｅにおいて、図３Ａ～図３Ｄの磁場のシミュレーションにおける条件として、多極電磁石（四極電磁石）１０の幅は約２０［ｃｍ］、高さは約４０［ｃｍ］、中心磁場勾配（四極電磁石の中心）は２０００［Ｇ／ｃｍ］、各コイルの起磁力は７２４３［ＡＴ］、各コイルの電流密度は、３．７２［Ａ／ｍｍ2］である。なお、コイルの電流密度とは、図３Ａにおけるコイルの部分の断面における電流密度を示している。コイルの巻数や長さや、コイルに流れる電流量で表記するのではなく、前記のようにコイルの部分の断面における電流密度で表記している。
また、前記したように、図３Ｅに示した多極電磁石（四極電磁石）１０の幅と高さは、図３ＡにおけるＸ方向の座標、Ｙ方向の座標から算出されるサイズに、それぞれ対応している。
また、前記したように、図３Ｅに示した多極電磁石（四極電磁石）１０の幅と高さは、図３ＡにおけるＸ方向の座標、Ｙ方向の座標から算出されるサイズに、それぞれ対応している。
【0029】
以上、図３Ａ～図３Ｅに示すように、本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０の構造（図１）によって、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に四極磁場を作ることができる。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０のコイルの起磁力を７２４３［ＡＴ］（電流密度３．７２［Ａ／ｍｍ2］）とした場合、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成することが可能である。
このように、四極磁場で通常必要とされる磁場勾配を本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０の構造で生成することができる。
また、コイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）を縦に伸ばすことでコイルの起磁力を増やした場合（電流密度は固定）、磁心が飽和しない範囲で多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくすることも可能である。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０のコイルの起磁力を７２４３［ＡＴ］（電流密度３．７２［Ａ／ｍｍ2］）とした場合、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成することが可能である。
このように、四極磁場で通常必要とされる磁場勾配を本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０の構造で生成することができる。
また、コイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）を縦に伸ばすことでコイルの起磁力を増やした場合（電流密度は固定）、磁心が飽和しない範囲で多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくすることも可能である。
【0030】
＜第１実施形態の総括＞
第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０においては、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、互いに平行、または同方向に配置され、それぞれビーム軸１１ｃｘに垂直な方向でヨーク１２に接している。また、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、ビーム軸１１ｃｘに向かって構成されている。
このように、多極電磁石１０の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を互いに平行、または同方向に配置して、磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を中心部に向かって曲げて構成することにより、多極電磁石１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくしながら、多極電磁石１０の幅を小さく抑えることが可能となっている。
第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０においては、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、互いに平行、または同方向に配置され、それぞれビーム軸１１ｃｘに垂直な方向でヨーク１２に接している。また、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、ビーム軸１１ｃｘに向かって構成されている。
このように、多極電磁石１０の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を互いに平行、または同方向に配置して、磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を中心部に向かって曲げて構成することにより、多極電磁石１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくしながら、多極電磁石１０の幅を小さく抑えることが可能となっている。
【0031】
なお、前記のように、多極電磁石（四極電磁石）１０の４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、および磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、ビームパイプ１１の中心軸であるビーム軸１１ｃｘを中心に配置されているが、４回対称（例えば特許文献１の図１）の構成ではない。
【0032】
それに対して、ビーム軸を中心に４回対称である従来（例えば特許文献１の図１）の磁心形状では、四極電磁石の磁場勾配を大きくしようとすると磁心が太くなり、四極電磁石に隣接して置けるビームパイプとの距離が広がる。
また、特許文献１の四極電磁石のようにヨークの一部が開放されていると漏れ磁場が大きくなり、その影響を避けるために、隣接するビームパイプとの距離を広げる必要が出る場合がある。
また、特許文献１の四極電磁石のようにヨークの一部が開放されていると漏れ磁場が大きくなり、その影響を避けるために、隣接するビームパイプとの距離を広げる必要が出る場合がある。
【0033】
一方、前記したように、本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０は、それぞれの磁心の先端部に、折れ曲がって中心部の方向に向かった磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を有し、また、コイルが巻かれた磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、多極電磁石（四極電磁石）１０の鉛直方向に伸びているため、従来（例えば特許文献１の図１）の四極電磁石と比べて水平方向の寸法を小さく抑えられる。
このように、多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなったことでコイルと隣接するビームパイプの間にヨークを設置することが可能となり、その結果漏れ磁場が低減され、隣接するビームパイプとの距離を縮めることが可能となる。
このように、多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなったことでコイルと隣接するビームパイプの間にヨークを設置することが可能となり、その結果漏れ磁場が低減され、隣接するビームパイプとの距離を縮めることが可能となる。
【0034】
また、価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等においては、図２に示したように、複数のビームがすぐ近くに隣接しており、この場所へ多極電磁石を設置したい場合がある。多極電磁石（四極電磁石）１０は、従来の四極電磁石形状よりも水平方向の寸法を小さく抑えられるため、この場合にも複数の多極電磁石を隣接して設置することが可能となる。
【0035】
＜第１実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）によれば、４個の磁心は、互いに平行、または同方向に配置され、ヨークに垂直に接しており、それぞれの磁心の先端部で中心部に向かって曲がり延びている磁心先端部が形成されている。この構造によって、多極電磁石の中心部の磁場勾配を大きく確保しながら、多極電磁石の幅（水平方向の幅寸法）を小さく抑える事が可能となる。
そして、多極電磁石の幅を小さく抑えることによって、隣接するビームパイプとの空間的干渉を抑える事が可能となる。
本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）によれば、４個の磁心は、互いに平行、または同方向に配置され、ヨークに垂直に接しており、それぞれの磁心の先端部で中心部に向かって曲がり延びている磁心先端部が形成されている。この構造によって、多極電磁石の中心部の磁場勾配を大きく確保しながら、多極電磁石の幅（水平方向の幅寸法）を小さく抑える事が可能となる。
そして、多極電磁石の幅を小さく抑えることによって、隣接するビームパイプとの空間的干渉を抑える事が可能となる。
【0036】
また、多極電磁石の幅を小さく抑えられることにより、コイルと隣接するビームパイプの間にスペースができる。そして、そのスペースにヨークを置くことが可能となるため、漏れ磁場を低減できる。その結果、ビームパイプを多極電磁石に近づけることができる。
また、従来の４回対称形状の多極電磁石よりも水平方向の幅が小さくなることにより、複数の多極電磁石を近接させて設置できる。すなわち、複数の多極電磁石を隣接して効率よく設置することが可能となる。
また、コイルを鉛直方向に大きくすることにより、コイルの巻数を増やしたり、コイル長を長くすることができて、多極電磁石の横方向寸法を維持したままコイル起磁力を上げ、多極電磁石中心の磁場勾配を大きくすることも可能である。
また、従来の４回対称形状の多極電磁石よりも水平方向の幅が小さくなることにより、複数の多極電磁石を近接させて設置できる。すなわち、複数の多極電磁石を隣接して効率よく設置することが可能となる。
また、コイルを鉛直方向に大きくすることにより、コイルの巻数を増やしたり、コイル長を長くすることができて、多極電磁石の横方向寸法を維持したままコイル起磁力を上げ、多極電磁石中心の磁場勾配を大きくすることも可能である。
【0037】
≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）２０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク２２のうち磁心（１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク２２Ｒ，２２Ｌの中央部において、多極電磁石２０の内側に向かって凹んでいる（くびれている）ヨーク屈曲部２２Ｄを有していることである。
本発明の第２実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）２０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク２２のうち磁心（１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク２２Ｒ，２２Ｌの中央部において、多極電磁石２０の内側に向かって凹んでいる（くびれている）ヨーク屈曲部２２Ｄを有していることである。
【0038】
多極電磁石（四極電磁石）２０は、中心部にビームパイプ１１を通している。それとともに、多極電磁石２０は、ヨーク２２（ヨーク２２Ｒ，２２Ｌ）に前記のヨーク屈曲部２２Ｄを有することによって、図４に示すように、ヨーク２２（ヨーク２２Ｒ，２２Ｌ）の隣接する位置に、別の多極電磁石２０を通過するビームパイプ２１を通すことが可能となる。
他の構成要素は同じであるので、重複する説明は、適宜、省略する。
他の構成要素は同じであるので、重複する説明は、適宜、省略する。
【0039】
図５は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
図５において、複数種類の荷電粒子（荷電粒子のビーム）を同時に周回させる加速器２００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが配置されている。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅのそれぞれの中心部を貫通している。
図５において、複数種類の荷電粒子（荷電粒子のビーム）を同時に周回させる加速器２００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが配置されている。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅのそれぞれの中心部を貫通している。
【0040】
図５におけるビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、図４における多極電磁石（四極電磁石）２０のビームパイプ１１にそれぞれ相当する。すなわち、例えば、図５における多極電磁石（四極電磁石）２０ｂとビームパイプ２１ａ、ビームパイプ１１ｂ、ビームパイプ２１ｃの配置の関係は、図４における多極電磁石２０と、一方のビームパイプ２１、ビームパイプ１１、他方のビームパイプ２１の配置の関係に相当する。
ただし、図４におけるビームパイプ１１は、別の多極電磁石２０から観ると、図４におけるビームパイプ２１に相当することがある。すなわち、図５におけるビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、ビームパイプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅとも観ることもできる。
ただし、図４におけるビームパイプ１１は、別の多極電磁石２０から観ると、図４におけるビームパイプ２１に相当することがある。すなわち、図５におけるビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、ビームパイプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅとも観ることもできる。
【0041】
図５に示すように、ビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ（ビームパイプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ）は、隣接する複数の多極電磁石２０が、ビームパイプの延びている方向において、重なる位置までビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ、および複数の多極電磁石２０を接近させられる。
そのため、図５に示す第２実施形態の多極電磁石２０は、図２に示す第１実施形態の多極電磁石１０の設置できる限界よりも、狭いビームパイプ間隔（ビーム間隔）での箇所へ多極電磁石の設置が可能となる。
そのため、図５に示す第２実施形態の多極電磁石２０は、図２に示す第１実施形態の多極電磁石１０の設置できる限界よりも、狭いビームパイプ間隔（ビーム間隔）での箇所へ多極電磁石の設置が可能となる。
【0042】
図６は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０を、ビームパイプ２１を挟んで２台を配置した構成と断面構造の例を示す図である。
図６において、２台の多極電磁石２０（２０ａ，２０ｃ）は、ビームパイプ２１（２１ｂ）を挟んで配置されている。
図６における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂとの関係は、図５における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂの配置の関係に対応している。
図６および図５に示すように、図４において説明した多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
図６において、２台の多極電磁石２０（２０ａ，２０ｃ）は、ビームパイプ２１（２１ｂ）を挟んで配置されている。
図６における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂとの関係は、図５における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂの配置の関係に対応している。
図６および図５に示すように、図４において説明した多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
【0043】
＜第２実施形態の効果＞
本発明の第２実施形態によれば、ヨーク２２のうち磁心に平行な２辺のヨーク２２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）２０の内側に向かってくびれたヨーク屈曲部２２Ｄを有する多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。
そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
本発明の第２実施形態によれば、ヨーク２２のうち磁心に平行な２辺のヨーク２２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）２０の内側に向かってくびれたヨーク屈曲部２２Ｄを有する多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。
そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
【0044】
≪第３実施形態≫
本発明の第３実施形態に係る多極電磁石３０Ａとその変形例の多極電磁石３０Ｂについて、図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。まず、図７Ａを参照して、多極電磁石３０Ａについて説明し、変形例の多極電磁石３０Ｂについては、図７Ｂを参照して後記する。
本発明の第３実施形態に係る多極電磁石３０Ａとその変形例の多極電磁石３０Ｂについて、図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。まず、図７Ａを参照して、多極電磁石３０Ａについて説明し、変形例の多極電磁石３０Ｂについては、図７Ｂを参照して後記する。
【0045】
図７Ａは、本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ａの部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
図７Ａにおいて、ヨーク３２Ｕは、ヨーク（１２：図１）の上辺の部分（ヨークの上部）であり、ヨーク３２Ｒは、ヨーク（１２：図１）の右辺の部分（ヨークの側面）を示している。
ヨーク３２Ｕは、磁心３３Ｕ２と接して一体となっている。また磁心３３Ｕ２の周囲をコイル３４Ｕ２が巻回している。また、磁心３３Ｕ２の先端部に、磁心先端部３３Ｕｃ２が設けられている。
図７Ａにおいて、ヨーク３２Ｕは、ヨーク（１２：図１）の上辺の部分（ヨークの上部）であり、ヨーク３２Ｒは、ヨーク（１２：図１）の右辺の部分（ヨークの側面）を示している。
ヨーク３２Ｕは、磁心３３Ｕ２と接して一体となっている。また磁心３３Ｕ２の周囲をコイル３４Ｕ２が巻回している。また、磁心３３Ｕ２の先端部に、磁心先端部３３Ｕｃ２が設けられている。
【0046】
図７Ａにおいて、ヨーク３２Ｕにおける磁心３３Ｕ２と垂直な辺の厚さａは、ヨーク３２Ｒにおける厚さｂよりも厚い構成となっている。
また、磁心３３Ｕ２の幅を幅ｃとして、ヨークの厚さａ（ヨークの厚みの長さ）とヨークの厚さｂ（ヨークの厚みの長さ）の和が幅ｃ（磁心のコイルが巻回される方向の幅の長さ）よりも厚い構成となっている。
すなわち、
ａ＞ｂ
かつ、
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があることを特徴としている。
以上の構造の作用と効果を、図８と図９を参照して説明する。
また、磁心３３Ｕ２の幅を幅ｃとして、ヨークの厚さａ（ヨークの厚みの長さ）とヨークの厚さｂ（ヨークの厚みの長さ）の和が幅ｃ（磁心のコイルが巻回される方向の幅の長さ）よりも厚い構成となっている。
すなわち、
ａ＞ｂ
かつ、
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があることを特徴としている。
以上の構造の作用と効果を、図８と図９を参照して説明する。
【0047】
＜磁束線の経路＞
図８は、図７Ａにおけるヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２における磁束線８８ａ，８８ｂ，８８ｃの経路の例を模式的に示した図である。図７Ａにおける、
ａ＞ｂ
の関係、すなわち、ヨーク３２Ｕ（ヨークの上部）の厚さａ（ヨークの厚み）が、ヨーク３２Ｒ（ヨークの側面）の厚さｂ（ヨークの厚み）よりも大きいことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束（磁束線８８ｃ）のうち、図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。
そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場は小さくなり、多極電磁石３０Ａに隣接するビームに与える影響を抑えることが可能となる。
なお、以上の「ａ＞ｂ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みが、ヨークの側面におけるヨークの厚みよりも大きい」とも表記する。
図８は、図７Ａにおけるヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２における磁束線８８ａ，８８ｂ，８８ｃの経路の例を模式的に示した図である。図７Ａにおける、
ａ＞ｂ
の関係、すなわち、ヨーク３２Ｕ（ヨークの上部）の厚さａ（ヨークの厚み）が、ヨーク３２Ｒ（ヨークの側面）の厚さｂ（ヨークの厚み）よりも大きいことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束（磁束線８８ｃ）のうち、図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。
そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場は小さくなり、多極電磁石３０Ａに隣接するビームに与える影響を抑えることが可能となる。
なお、以上の「ａ＞ｂ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みが、ヨークの側面におけるヨークの厚みよりも大きい」とも表記する。
【0048】
また、ヨーク３２Ｕの厚さａ（ヨークの厚み）とヨーク３２Ｒの厚さｂ（ヨークの厚み）と磁心３３Ｕ２の幅（径）ｃ（磁心のコイルが巻回それる方向の幅）との関係において、幅ｃの磁心３３Ｕ２を通った磁束８８ｃがヨーク３２Ｕに達し、厚さａのヨーク３２Ｕへの磁束８８ａと、厚さｂのヨーク３２Ｒへの磁束８８ｂに分かれるときに、
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があると、分岐点において、磁束はすみやかに分岐し、漏洩する磁束もより低減される効果がある。
なお、以上の「（ａ＋ｂ）＞ｃ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みと、ヨークの側面におけるヨークの厚みとの合計が、磁心のコイルが巻回される方向の幅よりも大きい」とも表記する。
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があると、分岐点において、磁束はすみやかに分岐し、漏洩する磁束もより低減される効果がある。
なお、以上の「（ａ＋ｂ）＞ｃ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みと、ヨークの側面におけるヨークの厚みとの合計が、磁心のコイルが巻回される方向の幅よりも大きい」とも表記する。
【0049】
＜多極電磁石３０Ａの磁場のシミュレーションの結果＞
磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図９に示す。
図９は、本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ａによって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図９において、コイル３４Ｕ２、ヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２、磁心先端部３３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの長さにおける距離を示している。
磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図９に示す。
図９は、本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ａによって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図９において、コイル３４Ｕ２、ヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２、磁心先端部３３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの長さにおける距離を示している。
【0050】
図９においては、コイル３４Ｕ２によって、磁心３３Ｕ２を通る磁束が形成され、磁心３３Ｕ２を通る磁束のうちの多くが上側のヨーク３２Ｕを通り、残りが横側のヨーク３２Ｒを通っている。
図９に示すように、
ａ＞ｂ
（ａ＋ｂ）＞ｃ
と設定してシミュレーションをした結果、磁心３３Ｕ２を通る磁束の多くは、ヨーク３２Ｕを通り、ヨーク３２Ｒを通る磁束は相対的に少ない。また、漏洩する磁束（例えば、磁束線８９）は僅かである。
図９に示すように、
ａ＞ｂ
（ａ＋ｂ）＞ｃ
と設定してシミュレーションをした結果、磁心３３Ｕ２を通る磁束の多くは、ヨーク３２Ｕを通り、ヨーク３２Ｒを通る磁束は相対的に少ない。また、漏洩する磁束（例えば、磁束線８９）は僅かである。
【0051】
以上は、コイル３４Ｕ２、ヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２、磁心先端部３３Ｕｃ２について、説明し、シミュレーション結果を示したが、他の磁極に関連する部分のコイル、ヨーク、磁心、磁心先端部についても、概ね同様である。
また、その他の構成要素は、図１で示した多極電磁石（四極電磁石）１０と同じであるので、事実上、重複する説明は、省略する。
また、その他の構成要素は、図１で示した多極電磁石（四極電磁石）１０と同じであるので、事実上、重複する説明は、省略する。
【0052】
＜第３実施形態の効果＞
ヨーク３２Ｕの厚さａがヨーク３２Ｒの厚さｂよりも大きい（ａ＞ｂ）ことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束のうち図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場（磁束）は小さくなり、多極電磁石（四極電磁石）３０に隣接するビームパイプを通るビームに与える影響を抑えることが可能となる。
また、ヨーク３２Ｕの厚さａとヨーク３２Ｒの厚さｂと磁心３３Ｕ２の幅（径）ｃとの関係において、（ａ＋ｂ）＞ｃの関係があると、さらに効果的である。
ヨーク３２Ｕの厚さａがヨーク３２Ｒの厚さｂよりも大きい（ａ＞ｂ）ことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束のうち図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場（磁束）は小さくなり、多極電磁石（四極電磁石）３０に隣接するビームパイプを通るビームに与える影響を抑えることが可能となる。
また、ヨーク３２Ｕの厚さａとヨーク３２Ｒの厚さｂと磁心３３Ｕ２の幅（径）ｃとの関係において、（ａ＋ｂ）＞ｃの関係があると、さらに効果的である。
【0053】
≪第３実施形態の変形例≫
本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石３０Ｂについて、図７Ｂを参照して説明する。
図７Ｂは、本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ｂの部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
図７Ｂと図７Ａの違いは、図７Ｂの側面のヨーク３２Ｒが、第２実施形態の多極電磁石（四極電磁石）２０のヨーク屈曲部２２Ｄのように、図７Ｂにおいて凹んだヨーク屈曲部を有していることである。このヨーク屈曲部のヨークの厚みを厚さｂ２（ヨークの厚み）とすれば、図７Ａにおける関係式と同様に、
ａ＞ｂ２
（ａ＋ｂ２）＞ｃ
の関係があることが望ましい。これらの関係があることによって、ヨーク３２Ｒおよびヨーク屈曲部（２２Ｄ）における漏洩する磁場、磁束が低減できる。
本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石３０Ｂについて、図７Ｂを参照して説明する。
図７Ｂは、本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ｂの部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
図７Ｂと図７Ａの違いは、図７Ｂの側面のヨーク３２Ｒが、第２実施形態の多極電磁石（四極電磁石）２０のヨーク屈曲部２２Ｄのように、図７Ｂにおいて凹んだヨーク屈曲部を有していることである。このヨーク屈曲部のヨークの厚みを厚さｂ２（ヨークの厚み）とすれば、図７Ａにおける関係式と同様に、
ａ＞ｂ２
（ａ＋ｂ２）＞ｃ
の関係があることが望ましい。これらの関係があることによって、ヨーク３２Ｒおよびヨーク屈曲部（２２Ｄ）における漏洩する磁場、磁束が低減できる。
【0054】
≪第４実施形態≫
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石４０について、図を参照して説明する。
図１０は、本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）４０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク４２のうち磁心（４３Ｕ１，４３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク４２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸（逆くびれ）となってヨーク突出部４２Ｂを有していることである。
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石４０について、図を参照して説明する。
図１０は、本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）４０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク４２のうち磁心（４３Ｕ１，４３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク４２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸（逆くびれ）となってヨーク突出部４２Ｂを有していることである。
【0055】
図１０は、図９に示したのと同様に、磁心先端部（４３Ｕｃ１，４３Ｕｃ２，４３Ｌｃ１，４３Ｌｃ２）を通る磁束の一部は、横のヨーク（４２Ｒ，４２Ｌ）に逃げているが、多極電磁石（四極電磁石）４０は、外側に向かって凸となってヨーク突出部４２Ｂを有することによって、４個の磁心（４３Ｕ１，４３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２）から出る磁束線のうちヨークに逃げる分が少なくなる。そのため、ある所定の値の磁場勾配を多極電磁石（四極電磁石）４０の中央部に生成するために必要なコイルの起磁力が、多極電磁石（四極電磁石）１０の形状と比べて小さくなる。
【0056】
＜多極電磁石４０の磁場のシミュレーションの結果＞
ヨーク４２のうち横側のヨーク４２Ｒ，４２Ｌのそれぞれ中央付近に、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸となってヨーク突出部４２Ｂを有している場合の磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図１１Ａ、および比較して図１１Ｂに示す。
図１１Ａは、本発明の第４実施形態に係るヨーク突出部４２Ｂを有する多極電磁石（四極電磁石）４０によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図１１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場のシミュレーションの結果を比較として示す図である。なお、多極電磁石（四極電磁石）１０は、ヨーク突出部４２Ｂを有してはいない。比較のための磁場のシミュレーションの結果を示す図である。
ヨーク４２のうち横側のヨーク４２Ｒ，４２Ｌのそれぞれ中央付近に、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸となってヨーク突出部４２Ｂを有している場合の磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図１１Ａ、および比較して図１１Ｂに示す。
図１１Ａは、本発明の第４実施形態に係るヨーク突出部４２Ｂを有する多極電磁石（四極電磁石）４０によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図１１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場のシミュレーションの結果を比較として示す図である。なお、多極電磁石（四極電磁石）１０は、ヨーク突出部４２Ｂを有してはいない。比較のための磁場のシミュレーションの結果を示す図である。
【0057】
図１１Ａにおいて、ヨーク突出部４２Ｂを有する多極電磁石（四極電磁石）４０において、四極電磁石中心部で２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成に要する起磁力Ｆ４は、７０４０［ＡＴ］であった。
なお、図１１Ａにおいて、図１０におけるコイル４４Ｕ２、ヨーク４２Ｕ、ヨーク４２Ｒ、磁心４３Ｕ２、磁心先端部４３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの方向における座標（距離）を示している。
なお、図１１Ａにおいて、図１０におけるコイル４４Ｕ２、ヨーク４２Ｕ、ヨーク４２Ｒ、磁心４３Ｕ２、磁心先端部４３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの方向における座標（距離）を示している。
【0058】
図１１Ｂにおいて、ヨーク突出部４２Ｂがない多極電磁石（四極電磁石）１０において、四極電磁石中心部で２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成に要する起磁力Ｆ１は、７２４３［ＡＴ］であった。なお、図１１Ｂの結果は、図３Ｂで示した結果と同じである。
【0059】
以上の図１１Ａと図１１Ｂの磁場のシミュレーションの結果に示すように、第４実施形態に示した外側に向かってヨーク突出部４２Ｂを有している多極電磁石４０（起磁力Ｆ４＝７０４０［ＡＴ］）は、前記した、第１実施形態の多極電磁石１０（起磁力Ｆ１＝７２４３［ＡＴ］）よりも、必要となる起磁力が、さらに低減できる。
【0060】
＜第４実施形態の効果＞
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、ヨークの側面において、ヨーク突出部４２Ｂを有することで、多極電磁石４０の中心部に所定の磁場勾配を生成するために必要なコイルの起磁力を低減できる。
そのため、磁心を曲げ延ばす形状にすることで横方向のスペースに余裕ができた場合、逆くびれのヨーク突出部４２Ｂの大きさを、隣接するビームパイプと空間的干渉が起こらない範囲で微調整することで、必要な磁場勾配を電磁石中心部に生成するために必要なコイル起磁力を低減することが可能である。
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、ヨークの側面において、ヨーク突出部４２Ｂを有することで、多極電磁石４０の中心部に所定の磁場勾配を生成するために必要なコイルの起磁力を低減できる。
そのため、磁心を曲げ延ばす形状にすることで横方向のスペースに余裕ができた場合、逆くびれのヨーク突出部４２Ｂの大きさを、隣接するビームパイプと空間的干渉が起こらない範囲で微調整することで、必要な磁場勾配を電磁石中心部に生成するために必要なコイル起磁力を低減することが可能である。
【0061】
また、コイル起磁力の低減によって多極電磁石（四極電磁石）４０の鉛直方向の寸法は小さくなるため、四極電磁石の設置スペースの鉛直方向に制限がある場合にも、本発明の第４実施形態の多極電磁石４０を適用することが可能である。
本発明の第４実施形態の多極電磁石（四極電磁石）４０は、ヨーク突出部４２Ｂを設けているので、多極電磁石４０の幅が増加する要素があるが、前記の様々の作用、効果によって、最終的に多極電磁石の水平方向の寸法幅を小さくすることが可能である。
本発明の第４実施形態の多極電磁石（四極電磁石）４０は、ヨーク突出部４２Ｂを設けているので、多極電磁石４０の幅が増加する要素があるが、前記の様々の作用、効果によって、最終的に多極電磁石の水平方向の寸法幅を小さくすることが可能である。
【0062】
≪第５実施形態≫
本発明の第５実施形態に係る多極電磁石５０について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態に係る多極電磁石（六極電磁石）５０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１２において、多極電磁石５０は、六極電磁石として構成され、６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３と６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３を備えている。６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３は、それぞれ６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３の周囲に巻回され、６極の電磁石が構成されている。
本発明の第５実施形態に係る多極電磁石５０について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態に係る多極電磁石（六極電磁石）５０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１２において、多極電磁石５０は、六極電磁石として構成され、６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３と６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３を備えている。６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３は、それぞれ６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３の周囲に巻回され、６極の電磁石が構成されている。
【0063】
また、多極電磁石（六極電磁石）５０は、磁気回路を構成するために外周が磁性体であるヨーク５２に覆われている。なお、ヨーク５２は、図１２に示す断面において、長方形の枠状である。
６本の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３は、ヨーク５２と一体となって形成されている。磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３、およびヨーク５２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。
また、磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３が備えられている。
６本の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３は、ヨーク５２と一体となって形成されている。磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３、およびヨーク５２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。
また、磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３が備えられている。
【0064】
また、図１２に示すビームパイプ５１は、荷電粒子ビームが通る領域の囲いである。
磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３は、それぞれ磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３からビームパイプ５１に向かって曲がり延びた形状で構成されている。
磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３は、それぞれ磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３からビームパイプ５１に向かって曲がり延びた形状で構成されている。
【0065】
前記の６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３が生成した磁束が６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３、および磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３と、ヨーク５２を主に通過し、６個の磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３に囲まれた空間内に六極磁場が生成される。
【0066】
以上の図１２に示す構成においては、図１に示した四極の多極電磁石（四極電磁石）１０を、六極の多極電磁石（六極電磁石）５０に拡張、応用したものである。
四極と六極の多極電磁石の相違はあるが、その他の構成や作用において、同じようなものは、重複する説明は省略する。
なお、多極電磁石を四極から六極に増やすことによって、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差（クロマティシティ）の調整が可能となる。
四極と六極の多極電磁石の相違はあるが、その他の構成や作用において、同じようなものは、重複する説明は省略する。
なお、多極電磁石を四極から六極に増やすことによって、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差（クロマティシティ）の調整が可能となる。
【0067】
＜第５実施形態の効果＞
六極の多極電磁石５０によれば、多極電磁石５０の水平方向の幅を小さくして隣接するビームパイプとの干渉を回避しながら、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差の調整が可能となる。
六極の多極電磁石５０によれば、多極電磁石５０の水平方向の幅を小さくして隣接するビームパイプとの干渉を回避しながら、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差の調整が可能となる。
【0068】
≪その他の実施形態≫
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
【0069】
《四極電磁石の組み合わせ》
図２おいて、加速器１００に用いる多極電磁石は、すべて図１で説明した多極電磁石（四極電磁石）１０を用いることを想定して説明したが、多極電磁石１０に限定されない。
例えば、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、多極電磁石（四極電磁石）２０（図４）、あるいは多極電磁石（四極電磁石）４０（図１０）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と多極電磁石（六極電磁石）５０（図１２）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、従来のビーム軸を中心に４回対称である磁心形状を有する四極電磁石とを組み合わせてもよい。
また、図５における、加速器２００に用いる多極電磁石は、図４で説明した多極電磁石（四極電磁石）２０に限定されない。様々な構成の多極電磁石の組み合わせでもよい。
図２おいて、加速器１００に用いる多極電磁石は、すべて図１で説明した多極電磁石（四極電磁石）１０を用いることを想定して説明したが、多極電磁石１０に限定されない。
例えば、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、多極電磁石（四極電磁石）２０（図４）、あるいは多極電磁石（四極電磁石）４０（図１０）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と多極電磁石（六極電磁石）５０（図１２）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、従来のビーム軸を中心に４回対称である磁心形状を有する四極電磁石とを組み合わせてもよい。
また、図５における、加速器２００に用いる多極電磁石は、図４で説明した多極電磁石（四極電磁石）２０に限定されない。様々な構成の多極電磁石の組み合わせでもよい。
【0070】
《ヨークの厚みの関係》
図７Ａにおいて、多極電磁石（四極電磁石）１０の上部のヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク３２Ｒの厚さｂとの関係において、ａ＞ｂの関係があることが望ましいことを説明した。
また、図７Ｂにおいて、ヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク屈曲部３２Ｄの厚さｂ２との関係において、ａ＞ｂ２の関係があることが望ましいことを説明した。
以上において、説明したのと概ね同様の理由によって、図１０の多極電磁石（四極電磁石）４０において、上部のヨーク４２Ｕの厚さ（厚さａとする）と、側面のヨーク突出部４２Ｂの厚さ（厚さｂ３とする）との関係において、ａ＞ｂ３の関係があることが望ましい。
図７Ａにおいて、多極電磁石（四極電磁石）１０の上部のヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク３２Ｒの厚さｂとの関係において、ａ＞ｂの関係があることが望ましいことを説明した。
また、図７Ｂにおいて、ヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク屈曲部３２Ｄの厚さｂ２との関係において、ａ＞ｂ２の関係があることが望ましいことを説明した。
以上において、説明したのと概ね同様の理由によって、図１０の多極電磁石（四極電磁石）４０において、上部のヨーク４２Ｕの厚さ（厚さａとする）と、側面のヨーク突出部４２Ｂの厚さ（厚さｂ３とする）との関係において、ａ＞ｂ３の関係があることが望ましい。
【0071】
《ヨーク屈曲部とヨーク突出部の形状》
図４において、ヨーク屈曲部２２Ｄは、直線状のヨークの２辺が互いに接する形状の構成例を示した。しかし、ヨーク屈曲部２２Ｄの形状は、前記の直線状の２辺を合わせた形状に限定されない。
例えば、ヨーク屈曲部２２Ｄを一つの連続した曲線状の形状で構成しても類似した効果が得られる。また、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
また、図１０に示したヨーク突出部４２Ｂの形状についても、一つの連続した曲線状の形状でも、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
図４において、ヨーク屈曲部２２Ｄは、直線状のヨークの２辺が互いに接する形状の構成例を示した。しかし、ヨーク屈曲部２２Ｄの形状は、前記の直線状の２辺を合わせた形状に限定されない。
例えば、ヨーク屈曲部２２Ｄを一つの連続した曲線状の形状で構成しても類似した効果が得られる。また、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
また、図１０に示したヨーク突出部４２Ｂの形状についても、一つの連続した曲線状の形状でも、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
【0072】
《上部のヨーク、下部のヨーク、側面のヨークの関係》
図１で示した多極電磁石１０、あるいは図４で示した多極電磁石２０においては、上部におけるヨーク、下部におけるヨーク、側面におけるヨークは、一体化して表記した。
しかし、前記のそれぞれのヨークは、一体化されることに限定されない。
例えば、側面のヨークは、上部のヨークおよび下部のヨークの双方と分離してもよい。あるいは、また側面のヨークは、上部のヨークと下部のヨークのどちらか一方のみと分離していてもよい。
このように、側面におけるヨークが、上部のヨーク、あるいは下部のヨークと分離していても、磁気シールドの作用は、有効に機能することがある。
図１で示した多極電磁石１０、あるいは図４で示した多極電磁石２０においては、上部におけるヨーク、下部におけるヨーク、側面におけるヨークは、一体化して表記した。
しかし、前記のそれぞれのヨークは、一体化されることに限定されない。
例えば、側面のヨークは、上部のヨークおよび下部のヨークの双方と分離してもよい。あるいは、また側面のヨークは、上部のヨークと下部のヨークのどちらか一方のみと分離していてもよい。
このように、側面におけるヨークが、上部のヨーク、あるいは下部のヨークと分離していても、磁気シールドの作用は、有効に機能することがある。
【0073】
《八極以上の多極電磁石》
図１に示した四極の多極電磁石１０、また図１２に示した六極の多極電磁石５０は、磁心先端部以外の複数の磁心が互いに平行に上部または下部のヨークに伸びている構造をしている。このような構造は、四極や六極の多極電磁石に限定されない。八極以上の多極電磁石にも、前記した複数の磁心の構造を適用することは可能である。
図１に示した四極の多極電磁石１０、また図１２に示した六極の多極電磁石５０は、磁心先端部以外の複数の磁心が互いに平行に上部または下部のヨークに伸びている構造をしている。このような構造は、四極や六極の多極電磁石に限定されない。八極以上の多極電磁石にも、前記した複数の磁心の構造を適用することは可能である。
【0074】
《ヨーク屈曲部、ヨーク突出部を有する六極以上の多極電磁石》
六極の多極電磁石として、図１２に示す多極電磁石５０の側面の左右のヨークは、まっすぐで平行な構造として説明した。
しかし、六極以上の多極電磁石においても、ヨークの側面において、ヨーク屈曲部あるいは、ヨーク突出部を有する構造にすることは、四極の多極電磁石の場合と同様の作用と効果を有する。
六極の多極電磁石として、図１２に示す多極電磁石５０の側面の左右のヨークは、まっすぐで平行な構造として説明した。
しかし、六極以上の多極電磁石においても、ヨークの側面において、ヨーク屈曲部あるいは、ヨーク突出部を有する構造にすることは、四極の多極電磁石の場合と同様の作用と効果を有する。
【0075】
【符号の説明】
【0076】
１０，１０ａ～１０ｅ，２０，２０ａ～２０ｅ，３０，４０ 多極電磁石（四極電磁石）
１１，１１ａ～１１ｅ，２１，２１ａ～２１ｅ，５１ ビームパイプ
１１ｃｘ ビーム軸（多極電磁石の中心部）
１２，２２，３２Ｒ，３２Ｕ，４２，４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ，５２ ヨーク
１３Ｌ１，１３Ｌ２，１３Ｕ１，１３Ｕ２，３３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２，４３Ｕ１，４３Ｕ２，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３，５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３ 磁心
１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２，１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，３３Ｕｃ２，４３Ｌｃ１，４３Ｌｃ２，４３Ｕｃ１，４３Ｕｃ２，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３，５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３ 磁心先端部（磁心）
１４Ｌ１，１４Ｌ２，１４Ｕ１，１４Ｕ２，３４Ｕ２，４４Ｌ１，４４Ｌ２，４４Ｕ１，４４Ｕ２，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３，５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３ コイル
２２Ｄ ヨーク屈曲部（ヨーク）
４２Ｂ ヨーク突出部（ヨーク）
５０ 多極電磁石（六極電磁石）
８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８９ 磁束線
１００，２００ 加速器
１１，１１ａ～１１ｅ，２１，２１ａ～２１ｅ，５１ ビームパイプ
１１ｃｘ ビーム軸（多極電磁石の中心部）
１２，２２，３２Ｒ，３２Ｕ，４２，４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ，５２ ヨーク
１３Ｌ１，１３Ｌ２，１３Ｕ１，１３Ｕ２，３３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２，４３Ｕ１，４３Ｕ２，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３，５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３ 磁心
１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２，１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，３３Ｕｃ２，４３Ｌｃ１，４３Ｌｃ２，４３Ｕｃ１，４３Ｕｃ２，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３，５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３ 磁心先端部（磁心）
１４Ｌ１，１４Ｌ２，１４Ｕ１，１４Ｕ２，３４Ｕ２，４４Ｌ１，４４Ｌ２，４４Ｕ１，４４Ｕ２，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３，５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３ コイル
２２Ｄ ヨーク屈曲部（ヨーク）
４２Ｂ ヨーク突出部（ヨーク）
５０ 多極電磁石（六極電磁石）
８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８９ 磁束線
１００，２００ 加速器
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】