特許 7606682 荷電粒子輸送装置

(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】2024-12-18

(45)【発行日】2024-12-26

(54)【発明の名称】荷電粒子輸送装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/06 20060101AFI20241219BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20241219BHJP

   G21K 1/00 20060101ALI20241219BHJP

   G21B 3/00 20060101ALN20241219BHJP

【ＦＩ】

H01J49/06 200

G21K5/04 A

G21K1/00 A

G21B3/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021136608

(22)【出願日】2021-08-24

(65)【公開番号】P2022069391

(43)【公開日】2022-05-11

【審査請求日】2024-04-09

(31)【優先権主張番号】P 2020178286

(32)【優先日】2020-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｊｐｓ２００９０８．ａｗａｒｄ－ｃｏｎ．ｃｏｍ／ ウェブサイトの掲載日：２０２０年（令和２年）８月２８日 ・集会名：一般社団法人日本物理学会 ２０２０年秋季大会（物性） 開催日：２０２０年（令和２年）９月８日～１１日 ・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｆｕｓｅｎｇｄｅｓ．２０２１．１１２７１２ ウェブサイトの掲載日：２０２１年（令和３年）６月１４日

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504151365

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】永谷 幸則

(72)【発明者】

【氏名】名取 寛顕

(72)【発明者】

【氏名】パトリック ストラッサー

(72)【発明者】

【氏名】三宅 康博

(72)【発明者】

【氏名】奥津 賢一

(72)【発明者】

【氏名】木野 康志

(72)【発明者】

【氏名】山下 琢磨

(72)【発明者】

【氏名】宮下 湖南

(72)【発明者】

【氏名】中島 良太

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００９／００７８８６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５１７７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１９８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４９３７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４９／００－４９／４８

Ｇ０１Ｎ ２７／６０－２７／７０

Ｇ０１Ｎ ２７／９２

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ｇ２１Ｋ １／００

Ｇ２１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

細長い単一の導体からなる内側導体と、
前記内側導体との間に間隔をあけて、前記内側導体の側面の全体または一部を覆い、前記内側導体の長さ方向に沿って伸びるよう配置された外側導体と、
前記内側導体に所定の電位を印加し、前記内側導体と前記外側導体との間に電位差を付与可能に設けられた電位差付与手段とを有し、
前記電位差付与手段により前記電位差を付与したとき、前記内側導体と前記外側導体との間の空間で、荷電粒子が前記内側導体の周囲を旋回しながら前記内側導体の長さ方向に沿って移動する螺旋軌道をとり、その螺旋軌道を維持可能に、前記荷電粒子に、前記内側導体に向かう力が常に加わるよう構成されていることを
特徴とする荷電粒子輸送装置。

【請求項2】

前記外側導体は、細長い管状であり、
前記内側導体は、前記外側導体の内側に、前記外側導体と同軸に配置されていることを
特徴とする請求項１記載の荷電粒子輸送装置。

【請求項3】

前記内側導体および前記外側導体は、長さ方向に対して垂直な断面が、円形、楕円形、三角形、矩形、多角形、または、それらのいずれかの外形を有する環状を成していることを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子輸送装置。

【請求項4】

前記内側導体および前記外側導体は、長さ方向に沿った一部が湾曲していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子輸送装置。

【請求項5】

前記内側導体と前記外側導体との間の空間に磁場を印加可能に、前記外側導体の外側に設けられた磁場印加手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に荷電粒子輸送装置。

【請求項6】

細長い内側導体と、
前記内側導体との間に間隔をあけて、前記内側導体の側面の全体または一部を覆い、前記内側導体の長さ方向に沿って伸びるよう配置された外側導体と、
前記内側導体と前記外側導体との間に電位差を付与可能に設けられた電位差付与手段と、
前記内側導体と前記外側導体との間の空間に磁場を印加可能に、前記外側導体の外側に設けられた磁場印加手段とを有し、
前記電位差付与手段により前記電位差を付与したとき、前記内側導体と前記外側導体との間の空間で、荷電粒子が前記内側導体の周囲を旋回しながら前記内側導体の長さ方向に沿って移動可能に、前記荷電粒子に、前記内側導体に向かう力が常に加わるよう構成されていることを
特徴とする荷電粒子輸送装置。

【請求項7】

前記磁場印加手段は、前記空間に印加する磁場を変化可能に構成されていることを特徴とする請求項５または６記載の荷電粒子輸送装置。

【請求項8】

前記磁場印加手段は、前記外側導体の長さ方向に沿って互いに間隔をあけて２つ以上設けられ、いずれか２つの磁場印加手段が前記空間に印加する磁場により、前記空間の中に前記荷電粒子を閉じ込め可能に構成されていることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子輸送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子輸送装置に関する。

【背景技術】

【0002】

加速器利用の分野において、加速したビームを標的に照射し、ビームと標的との反応により生成した２次的な荷電粒子が利用されている。例えば、生成した正もしくは負の電荷をもったミュオン、陽電子、反陽子、荷電中間子、不安定核などの多様な粒子が利用されている。これらを利用する際には、ノイズとなる多数の様々な粒子が発生する標的付近から、背景ノイズとなる不要な粒子や放射線の少ない環境が要求される利用場所まで、利用したい荷電粒子を選択的かつすみやかに輸送する必要がある。

【0003】

また、化学の分野において、様々な化学反応の過程を解明することは、化学の大きな目標の一つであり、原子レベルで反応を明らかにする分野として反応動力学がある。反応動力学では、反応を明らかにするために、反応後の粒子の運動エネルギー分布などを調べることが必要不可欠であり、そのためには、反応後の粒子を、運動エネルギー分布などの観測場所まで、迅速に輸送する必要がある。

【0004】

従来、荷電粒子を輸送する方法として、例えば、多数の同軸型の環状電極に交流電位と直流電位とを同時に印加して、リング形状に荷電粒子をトラップし、電極電位を徐々に切り替え、リング形状のトラップ箇所を徐々に移動することにより粒子を輸送する、同軸イオンガイドの方法（例えば、特許文献１参照）がある。しかし、この方法では、トラップした荷電粒子の輸送に時間がかかるため、短寿命の粒子を観測することができないという問題があった。

【0005】

そこで、この問題を解決するために、反応後の粒子を観測場所まで迅速に輸送する方法として、例えば、管に巻き付けたソレノイドコイルに電流を流し、それにより生成される磁場により、管の内側を通して荷電粒子を輸送する方法（例えば、非特許文献１乃至３参照）や、管の中心を通したワイヤにパルス電流を流し、それにより生成される磁場により、荷電粒子を収束させながら輸送する方法（例えば、非特許文献４参照）、電場や磁場によるレンズ効果を用いて、荷電粒子を像転送して輸送する方法（例えば、非特許文献５または６参照）が開発されている。

【0006】

また、荷電粒子と物質との相互作用を用いて、荷電粒子を輸送する方法も提案されており、例えば、ガス中に荷電粒子ビームを打ち込んで、電離によりガスを帯電させ、その電離したガスが形成する電位分布により荷電粒子に中心力を作用させて、荷電粒子をビーム軸に沿って輸送する、いわゆるイオンガイドによる方法（例えば、非特許文献７参照）がある。また、棒状または線状の絶縁体に、輸送する荷電粒子ビームを照射して帯電させ、その帯電した絶縁体が形成する電位分布により中心力電場を形成することで、絶縁体の周囲に荷電粒子を巻き付けるようにして輸送する方法（例えば、非特許文献８参照）もある。

【0007】

なお、あらゆる物質中での様々な放射線挙動を、核反応モデルや核データなどを用いて模擬するモンテカルロ計算コード（PHITS）が開発されている（例えば、非特許文献９参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特表２０１６－５１６９８６号公報

【非特許文献】

【0009】

【文献】下山拓也、「反水素合成に向けた陽電子の蓄積および輸送」、東京大学大学院 修士論文、[online]、2009年3月、［2020年10月7日検索］、インターネット〈URL: http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/theses/master/Shimoyama-mthes.pdf〉

【文献】K. Nakahara, Y. Miyake, K. Shimomura, P. Strasser, K. Nishiyama, N. Kawamura, H. Fujimori, S. Makimura, A. Koda, K. Nagamine, T. Ogitsu, A. Yamamoto, T. Adachi, K. Sasaki, K. Tanaka, N. Kimura, Y. Makida, Y. Ajima, K.Ishida, and Y. Matsuda,“The super omega muon beamline at J-PARC,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2009, 600, p.132-134

【文献】Y. Makida, Y. Ikedo, T. Ogitsu, K. Shimomura, Y. Miyake, M. Yoshida, T. Adachi, R. Kadono, N. Kawamura, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, K. Nishiyama, H. Ohhata, T. Okamura, R. Okada, and T. Orikasa, “Performance of a superconducting magnet system operated in the Super Omega Muon beam line at J-PARC”, [online], 17 February 2015, AIP Conf. Proc., 1573, 438,［2020年10月7日検索］、インターネット〈URL: https://doi.org/10.1063/1.4860734〉

【文献】J. Hylen et al., “The Hadron Hose: Continuous Toroidal Focusing for Conventional Neutrino Beams”, Nucl. Instrum. Meth. A498, 2003, p.29-51, ［2020年10月12日検索］、インターネット〈URL: https://arxiv.org/abs/hep-ex/0210051〉

【文献】K. Shimomura, A. Koda, P. Strasser, N. Kawamura, H. Fujimori, S. Makimura, W. Higemoto, K. Nakahara, K. Ishida, K. Nishiyama, K. Nagamine, Y. Miyake, “Superconducting muon channel at J-PARC,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2009, 600, p.192-194

【文献】Mikhail Yavor, “Transporting Charged Particle Beams in Static Fields”, Advances in Imaging and Electron Physics, 2009, Volume 157, p.95-139

【文献】高山健、「II 加速器物理入門」、高エネルギー加速器セミナー OHO'92、[online]、1992年、p24-26、［2020年10月7日検索］、インターネット〈URL: http://accwww2.kek.jp/oho/OHOtxt/OHO-1992/txt-1992-%E2%85%A1.pdf〉

【文献】D. S. Prono, G. J. Caporaso, A. G. Cole, R. J. Briggs, Y. P. Chong, J. C. Clark, R. E. Hester, E. J. Lauer, R. L. Spoerlein, and K. W. Struv, “Electron-Beam Guiding and Phase-Mix Damping by an Electrostatically Charged Wire”, [online], 29 August 1983, Phys. Rev. Lett. 51, 723, ［2020年10月7日検索］、インターネット〈URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.51.723〉

【文献】Tatsuhiko Sato, Yosuke Iwamoto, Shintaro Hashimoto, Tatsuhiko Ogawa, Takuya Furuta, Shin-ichiro Abe, Takeshi Kai, Pi-En Tsai, Norihiro Matsuda, Hiroshi Iwase, Nobuhiro Shigyo, Lembit Sihver and Koji Niita, “Features of Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) version 3.02”, J. Nucl. Sci. Technol., 2018, 55(5-6), p.684-690

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

非特許文献１乃至３に記載の荷電粒子の輸送方法では、荷電粒子を輸送する間、輸送する距離に対応する長さの管に巻き付けられたソレノイドコイルに電流を流し続ける必要があり、ソレノイドコイルから熱が発生してしまう。このため、真空中にソレノイドコイルを配置しなければならない場合や、荷電粒子の観測で極低温の標的を使用する場合などでは、非特許文献２に記載のように、ソレノイドコイルの発熱を抑えるために高価な超伝導コイル等や、ソレノイドコイルを冷却するための大掛かりな冷却装置を使用する必要があり、設備コストが嵩むという課題があった。

【0011】

また、非特許文献４に記載の方法でも、ワイヤに１０００Ａの大電流を流す必要があり、ワイヤからの発熱が大きくなるため、冷却のための設備コストが嵩むという課題があった。また、非特許文献５および６に記載のような、電場や磁場によるレンズ効果を用いる方法では、粒子エネルギーに応じて各レンズの焦点距離が変化するため、実効的に輸送できる粒子エネルギーの幅が小さくなり、輸送効率が悪いという課題があった。

【0012】

また、非特許文献７および８に記載の、粒子と物質との相互作用を用いる手法では、ガスや絶縁体などをイオン化または帯電させるために、相当量のビームを予め照射しておく必要があり、電流値が小さい場合には荷電粒子を輸送することができないという課題があった。また、粒子を閉じ込めておくための電位分布は、物質との相互作用の大きさや荷電粒子の電流値に依存するため、パルス状の粒子の輸送など、電流量が変化する荷電粒子を輸送する際には、輸送効率が低下してしまうという課題があった。

【0013】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、設備コストを低減することができ、荷電粒子の量によらず、効率よく荷電粒子を輸送することができる荷電粒子輸送装置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】

【0014】

本発明者等は、素粒子の１つであるミュオンが水素同位体核の核融合反応を手助けするミュオン触媒核融合反応において、一度反応を手助けしたミュオンが、核融合後に一度放出されて再度他の核反応を手助けすることに着目し、固体水素標的を用いてその標的面から等方的に放出される核反応後のミュオン（再生ミュオン）を観測する装置の開発を進めていたところ、標的面から放出されるミュオンを観測機器まで運搬可能であるだけでなく、他の荷電粒子の運搬にも適用可能な新たな運搬装置についての着想を得、本発明に至った。

【0015】

すなわち、本発明に係る荷電粒子輸送装置は、細長い内側導体と、前記内側導体との間に間隔をあけて、前記内側導体の側面の全体または一部を覆い、前記内側導体の長さ方向に沿って伸びるよう配置された外側導体と、前記内側導体と前記外側導体との間に電位差を付与可能に設けられた電位差付与手段とを有し、前記電位差付与手段により前記電位差を付与したとき、前記内側導体と前記外側導体との間の空間で、荷電粒子が前記内側導体の周囲を旋回しながら前記内側導体の長さ方向に沿って移動可能に、前記荷電粒子に、前記内側導体に向かう力が常に加わるよう構成されていることを特徴とする。

【0016】

本発明に係る荷電粒子輸送装置は、以下の原理により、荷電粒子を輸送することができる。すなわち、図１に示すように、外側導体が細長い管状であり、内側導体が外側導体の内側に、外側導体との間に間隔をあけて、外側導体と同軸に配置されているものとする。このとき、外側導体は、内側導体の側面の周囲全体を覆っている。ここで、内側導体の半径を r_in、外側導体の半径を r_exとし、電位差付与手段により、内側導体に電位 V_in、外側導体に電位 V_exを加えるものとする。なお、ここでは、説明を簡単にするために、内側導体の電位 V_inを負とし、外側導体を接地して V_ex＝０Ｖとする。

【0017】

このとき、内側導体の中心軸からの距離を rとすると、内側導体と外側導体との間の空間には、（１）式に示す、半径方向 rに沿った log型の静電位の分布 V_ES(r)が形成される。

V_ES(r)＝V_ex－(V_in－V_ex)×{log(r／r_ex)／log(r_ex／r_in)} （１）

正の電荷 qを有する荷電粒子に対する電位分布は、図２に示す q・V_ES(r)の分布となり、荷電粒子には、内側導体に向かう中心力が常に加わる。

【0018】

このため、荷電粒子が内側導体の長さ方向に沿った速度成分を有する場合には、荷電粒子は、遠心力とのつりあいにより、内側導体の周囲を旋回しながら、内側導体の長さ方向に沿って一定速度で移動する螺旋軌道をとることになる。荷電粒子の質量を m、角運動量を Lとすると、周回運動の遠心力ポテンシャル V_cf(r)は、（２）式で表され、荷電粒子の r方向の運動は、（３）式に示す有効ポテンシャル V_eff(r)で規定される。

V_cf(r)＝(1／2)×(L²／m)×1／r² （２）

V_eff(r)＝q・V_ES (r)＋V_cf(r) （３）

（２）式の遠心力ポテンシャル V_cf(r)、および（３）式の有効ポテンシャル V_eff(r)の分布の例を、図２に示す。

【0019】

図２に示すように、有効ポテンシャル V_eff(r)により、荷電粒子の r方向の運動は、ある最小半径からある最大半径までの往復運動となり、その位置は、荷電粒子の r方向の保存エネルギーＥにより決定される。また、荷電粒子の保存エネルギーＥが、有効ポテンシャル V_eff(r)の最低値よりも大きく、軌道最小半径が内側導体の半径 r_inより大きく、軌道最大半径が外側導体の半径 r_inより小さいときに、荷電粒子の継続した r方向の往復運動が許される。このことから、内側導体に垂直な面内においては、図３に示すように、荷電粒子の軌道は、内側導体の周囲を周回するサイクロイド的な軌道となる。

【0020】

このように、本発明に係る荷電粒子輸送装置によれば、荷電粒子は、内側導体の周囲を旋回しながら、内側導体の長さ方向に沿って一定速度で移動する螺旋軌道をとる。このとき、図２に示すように、一旦この軌道に入った荷電粒子は、内側導体や外側導体に衝突することはない。また、内側導体の長さ方向に沿った荷電粒子の運動は、単なる等速運動となるため、荷電粒子を螺旋軌道に留めたまま、無制限に輸送することができる。

【0021】

なお、ここでは、内側導体および外側導体が同軸管の場合について説明したが、同様の原理が適用できるものであれば、同軸管に限らず、他の構成であってもよい。例えば、内側導体および外側導体は、１または複数から成り、長さ方向に対して垂直な断面が、円形、楕円形、三角形、矩形、多角形、または、それらのいずれかの外形を有する環状を成していてもよい。また、内側導体および外側導体は、表面に凹凸を有していてもよい。

【0022】

また、ここでは、内側導体の電位 V_inを負とし、外側導体の電位 V_exを接地電位に一致させているが、荷電粒子を輸送できるよう、内側導体と外側導体との間に電位差を設けていれば、各導体の電位をどのように設定してもよい。例えば、正の荷電粒子の輸送には、内側導体の電位 V_inを外側導体の電位 V_exよりも低くし、負の荷電粒子の輸送には、逆に内側導体の電位 V_inを外側導体の電位 V_exよりも高くすることにより、荷電粒子に中心力を加えることができ、上記の原理により荷電粒子を輸送可能にすることができる。

【0023】

このように、本発明に係る荷電粒子輸送装置は、内側導体と外側導体との間に電位差を設けるだけで、荷電粒子を輸送することができる。このため、コイルやワイヤに電流を流す場合と比べて、必要な電力を少なくすることができ、熱の発生をほぼ抑えることができる。これにより、真空や極低温などの特殊な環境であっても、高価な超伝導コイルや冷却装置等が不要であり、設備コストを低減することができる。

【0024】

本発明に係る荷電粒子輸送装置は、例えば、内側導体と外側導体との間の空間に荷電粒子を入射する際、内側導体および外側導体に荷電粒子が衝突せず、荷電粒子により発生する空間電荷に打ち勝つだけの電位差を、内側導体と外側導体との間に設けることにより、大電流の荷電粒子であっても輸送することができる。このように、本発明に係る荷電粒子輸送装置は、あらかじめビームを照射しておく必要がなく、微小電流から大電流まで、荷電粒子の量によらず、効率よく荷電粒子を輸送することができる。また、内側導体と外側導体との間の電位差を瞬時に調整することができるため、電流量が変化する荷電粒子であっても、その電位差を荷電粒子の種類に応じて調整することにより、効率よく輸送することができる。

【0025】

本発明に係る荷電粒子輸送装置は、例えば、加速器等を利用して発生したミュオンなどの荷電粒子を、荷電粒子の発生位置から荷電粒子の観測位置まで輸送するのに使用することができる。荷電粒子の発生位置付近では、観測の妨げになるノイズも多く発生するが、本発明に係る荷電粒子輸送装置は、発生位置から離れた位置まで荷電粒子を輸送することができるため、観測時のノイズを低減することができる。

【0026】

本発明に係る荷電粒子輸送装置で、前記内側導体および前記外側導体は、長さ方向に沿った一部が湾曲していてもよい。この場合、その湾曲部に沿って所望の荷電粒子を輸送するために、湾曲部の内側導体と外側導体との間に、直線の部分とは異なる電位差を付与可能であることが好ましい。湾曲部は、内側導体および外側導体の伸張方向を、いかなる角度に曲げるように設けられていてもよく、任意の曲線や立体的な湾曲に沿って設けられていてもよい。湾曲部を設けることにより、所望の荷電粒子を湾曲部に沿って曲げて輸送することができる。また、その荷電粒子よりもエネルギーが高い粒子は湾曲部を曲がりきれず、外側導体に衝突するため、所望の荷電粒子を観測する際の背景ノイズを削減することができる。

【0027】

本発明に係る荷電粒子輸送装置で、前記内側導体および／または前記外側導体は、長さ方向に沿った所定の区間が、その他の区間とは異なる電位を付与可能に設けられた電位可変部を成し、前記電位差付与手段は、前記内側導体と前記外側導体との間に、前記電位可変部の区間とその他の区間とで異なる電位差を付与可能に構成されていてもよい。この場合、電位可変部の電位を調整することにより、荷電粒子が有するエネルギー、角運動量、またはそれらの組み合わせに応じて、荷電粒子を除去、反射または通過させるフィルター効果を得ることができる。

【0028】

また、この電位可変部を有する場合、前記電位差付与手段は、前記電位可変部の区間の電位差を変化可能に構成されていることが好ましい。これにより、荷電粒子に対するフィルター効果の制御性を高めることができる。さらに、前記内側導体および／または前記外側導体は、前記電位可変部を、長さ方向に沿って互いに間隔をあけて２つ以上有し、前記電位差付与手段は、各電位可変部のうちの２つの電位可変部の間に前記荷電粒子を閉じ込め可能に、各電位可変部の区間に電位差を付与可能に構成されていてもよい。これにより、各電位可変部のうちの２つの電位可変部の間の区間に荷電粒子をトラップしたり、トラップされた荷電粒子を任意のタイミングでパルスとして出射したりすることができる。

【0029】

本発明に係る荷電粒子輸送装置は、前記内側導体と前記外側導体との間の空間に磁場を印加可能に、前記外側導体の外側に設けられた磁場印加手段を有していてもよい。この場合にも、磁場印加手段で印加する磁場を調整することにより、荷電粒子が有するエネルギー、角運動量、またはそれらの組み合わせに応じて、荷電粒子を除去、反射または通過させるフィルター効果を得ることができる。また、電位可変部と併用することにより、磁場と電場との組み合わせにより、フィルター効果の制御性を高めることができる。

【0030】

また、この場合、前記磁場印加手段は、前記空間に印加する磁場を変化可能に構成されていることが好ましい。これにより、荷電粒子に対するフィルター効果の制御性を高めることができる。さらに、前記磁場印加手段は、前記外側導体の長さ方向に沿って互いに間隔をあけて２つ以上設けられ、いずれか２つの磁場印加手段が前記空間に印加する磁場により、前記空間の中に前記荷電粒子を閉じ込め可能に構成されていてもよい。これにより、内側導体と外側導体との間の空間に荷電粒子をトラップしたり、トラップされた荷電粒子を任意のタイミングでパルスとして出射したりすることができる。

【発明の効果】

【0031】

本発明によれば、設備コストを低減することができ、荷電粒子の量によらず、効率よく荷電粒子を輸送することができる荷電粒子輸送装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明に係る荷電粒子輸送装置の原理を示す斜視図である。

【図2】本発明に係る荷電粒子輸送装置の原理を示す、内側導体および外側導体の長さ方向に垂直な断面内での、電位分布および有効ポテンシャル分布のグラフである。

【図3】本発明に係る荷電粒子輸送装置の原理を示す、荷電粒子の軌道を投影した、内側導体および外側導体の長さ方向に垂直な断面図である。

【図4】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置を示す斜視図である。

【図5】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、外側導体に電位可変部を有する変形例を示す斜視図である。

【図6】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、内側導体および外側導体に電位可変部を有する変形例を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）横断面図である。

【図7】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、磁場印加手段を有する変形例を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）横断面図である。

【図8】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、内側導体および外側導体に電位可変部を２つずつ有する変形例を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）横断面図である。

【図9】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、複数の内側導体を、２枚の平行板から成る外側導体で挟んだ変形例を示す（ａ）斜視図、（ｂ）横断面図である。

【図10】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、シミュレーションに用いたミュオン触媒核融合実験の実験装置を示す断面図である。

【図11】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、ミュオン触媒核融合実験のシミュレーションに用いたモデルを示す斜視図である。

【図12】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、外側導体の一方の端部に配置された固体水素標的から放出されたミュオンの軌道のシミュレーション結果を示す側面図である。

【図13】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、図１１に示すモデルを用いたミュオンの軌道の（ａ）サーマルシールドがない場合、（ｂ）サーマルシールドがある場合のシミュレーション結果を示す側面図である。

【図14】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、図１１に示すモデルを用いたミュオンの軌道のシミュレーション結果から得られた、ミュオンの運動エネルギーに対する到達割合の変化を示すグラフである。

【図15】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、図１１に示すモデルの内側導体および外側導体の途中に、湾曲部を有するモデルを用いた、（ａ）直線部および湾曲部の内側導体に同じ電位を印加した場合、（ｂ）湾曲部の内側導体に、直線部の内側導体よりも高い電位を印加した場合の、ミュオンの軌道のシミュレーション結果を示す側面図である。

【図16】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、図１１に示すモデルの外側導体に電位可変部を有するモデルを用いた、（ａ）ミュオンの軌道のシミュレーション結果を示す側面図、（ｂ）電位可変部以外の外側導体と電位可変部との電位差（filterの電位）ごとの、ミュオンの運動エネルギーに対する各電位での到達割合の変化を示すグラフである。

【図17】本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置の、図１１に示すモデルを用い、固体水素標的の電位を変化させたときの、ミュオンの運動エネルギーに対する、固体水素標的の各電位での到達割合の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、図面および実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図４乃至図１７は、本発明の実施の形態の荷電粒子輸送装置を示している。
図４に示すように、荷電粒子輸送装置１０は、内側導体１１と外側導体１２と電位差付与手段１３とを有している。

【0034】

内側導体１１は、細長く、断面が円形を成している。内側導体１１は、例えば、銅線から成っている。外側導体１２は、細長い管状であり、内径が内側導体１１の外径より大きく、内側に内側導体１１を挿入して、内側導体１１の長さ方向に沿って伸びるよう配置されている。外側導体１２は、内側導体１１との間に間隔をあけて、内側導体１１と同軸に配置されている。外側導体１２は、内側導体１１の側面の周囲全体を覆っている。

【0035】

電位差付与手段１３は、内側導体１１と外側導体１２との間に電位差を付与可能に設けられている。これにより、荷電粒子１に、内側導体１１に向かう力（図４中の矢印参照）が常に加わるよう構成されている。すなわち、電位差付与手段１３は、正の荷電粒子１を輸送するときには、内側導体１１の電位を外側導体１２の電位よりも低くし、負の荷電粒子１を輸送するときには、逆に内側導体１１の電位を外側導体１２の電位よりも高くするよう構成されている。図４に示す具体的な一例では、電位差付与手段１３は、外側導体１２を接地すると共に、内側導体１１に電位Ｖを印加可能に設けられている。

【0036】

なお、荷電粒子１は、例えば、電子、陽電子、陽子、反陽子、負ミュオン、正ミュオン、荷電中間子、荷電レプトン、荷電バリオン、荷電イオン、荷電分子、荷電エアロゾル、荷電微粒子など、素粒子からマクロサイズにいたる粒子まで、粒子種を問わずいかなるものであってもよい。また、内側導体１１と外側導体１２との間の空間は、真空であることが好ましい。

【0037】

荷電粒子輸送装置１０は、電位差付与手段１３により内側導体１１と外側導体１２との間に電位差を付与したとき、図１～図３に示す原理に基づいて、内側導体１１と外側導体１２との間の空間で、荷電粒子１が内側導体１１の周囲を旋回しながら内側導体１１の長さ方向に沿って移動可能に構成されている。

【0038】

次に、作用について説明する。
荷電粒子輸送装置１０は、荷電粒子１を、内側導体１１の周囲を旋回する螺旋軌道１ａで、内側導体１１の長さ方向に沿って一定速度で移動させることができる。このため、一旦この螺旋軌道１ａに入った荷電粒子１を、螺旋軌道１ａに留めたまま、内側導体１１や外側導体１２に衝突させることなく、内側導体１１および外側導体１２が続く限り、無制限に輸送することができる。

【0039】

また、荷電粒子輸送装置１０は、内側導体１１と外側導体１２との間に電位差を設けるだけで、荷電粒子１を輸送することができる。このため、コイルやワイヤに電流を流す場合と比べて、必要な電力を少なくすることができ、熱の発生をほぼ抑えることができる。これにより、真空や極低温などの特殊な環境であっても、高価な超伝導コイルや冷却装置等が不要であり、設備コストを低減することができる。また、あらかじめビームを照射しておく必要がなく、微小電流から大電流まで、荷電粒子１の量によらず、効率よく荷電粒子１を輸送することができる。また、内側導体１１と外側導体１２との間の電位差は瞬時に調整することができるため、電流量が変化する荷電粒子１であっても、その電位差を荷電粒子１の種類に応じて調整することにより、効率よく輸送することができる。

【0040】

なお、荷電粒子輸送装置１０で、内側導体１１および外側導体１２は、長さ方向に沿った一部が湾曲していてもよい。この場合、その湾曲部の曲率半径が外側導体１２の半径よりも大きいことが好ましい。また、湾曲部に沿って所望の荷電粒子１を輸送するために、湾曲部の内側導体１１と外側導体１２との間に、直線の部分とは異なる電位差を付与可能であることが好ましい。特に、湾曲部の曲率半径が小さいほど、その電位差が大きくなるよう構成されていることが好ましい。湾曲部は、内側導体１１および外側導体１２の伸張方向を、いかなる角度に曲げるように設けられていてもよく、任意の曲線や立体的な湾曲に沿って設けられていてもよい。湾曲部を設けることにより、所望の荷電粒子１を湾曲部に沿って曲げて輸送することができる。また、その荷電粒子１よりもエネルギーが高い粒子は湾曲部を曲がりきれず、外側導体１２に衝突するため、所望の荷電粒子１を観測する際の背景ノイズを削減することができる。このように、荷電粒子１を輸送可能な湾曲部を設けることができるため、荷電粒子輸送装置１０の設計自由度を高めることができる。

【0041】

また、図５に示すように、荷電粒子輸送装置１０で、外側導体１２は、長さ方向に沿った所定の区間が、その他の区間とは異なる電位を付与可能に設けられた電位可変部２１を成し、電位差付与手段１３は、内側導体１１と外側導体１２との間に、電位可変部２１の区間とその他の区間とで異なる電位差を付与可能に構成されていてもよい。また、図６に示すように、電位可変部２１が、内側導体１１および外側導体１２の所定の区間に設けられていてもよい。図６に示す具体的な一例では、内側導体１１は、所定の区間のみ間隔をあけて設けられた外管２２ａと、外管２２ａの内部に挿入された棒状の挿入体２２ｂとを有し、外管２２ａと挿入体２２ｂとに異なる電位を付与可能に設けられており、挿入体２２ｂが露出した所定の区間が電位可変部２１を成している。なお、電位可変部２１は、内側導体１１のみに設けられていてもよい。

【0042】

この電位可変部２１を有する場合、例えば、電位可変部２１の区間の電位差を小さくすることにより、内側導体１１に引き寄せられる力を弱くして、高エネルギーの荷電粒子１を外側導体１２に衝突させることができ（図５の破線の軌道１ｂ参照）、低エネルギーの荷電粒子１だけを選択的に輸送することができる。また、電位可変部２１の区間の電位差を大きくすることにより、内側導体１１に引き寄せられる力を強くして、低エネルギーの荷電粒子１を内側導体１１に衝突させることができ、高エネルギーの荷電粒子１だけを選択的に輸送することができる。また、電位可変部２１の区間の電位差を、その他の区間の電位差と逆符号の電位差にすることにより、荷電粒子１を反射させることもできる。このように、電位可変部２１の電位を調整することにより、荷電粒子１が有するエネルギー、角運動量、またはそれらの組み合わせに応じて、荷電粒子１を除去、反射または通過させるフィルター効果を得ることができる。

【0043】

また、図７に示すように、荷電粒子輸送装置１０は、内側導体１１と外側導体１２との間の空間に磁場を印加可能に、外側導体１２の外側に設けられた磁場印加手段２３を有していてもよい。磁場印加手段２３は、例えば、ソレノイドコイルから成っている。この場合にも、磁場印加手段２３で印加する磁場を調整することにより、荷電粒子１が有するエネルギー、角運動量、またはそれらの組み合わせに応じて、荷電粒子１を除去、反射または通過させるフィルター効果を得ることができる。なお、磁場印加手段２３は、内側導体１１と外側導体１２との間の空間に印加する磁場がより強くなるよう、コイルの周囲に配置された磁気ヨークを有していてもよい。また、図５および図６に示すような電位可変部２１を有していてもよく、この場合、磁場と電場との組み合わせにより、フィルター効果の制御性を向上させることができる。図７に示す具体的な一例では、荷電粒子１に加わる磁場と電場とが概ね直交する、ウィーンフィルターで構成されている。このため、荷電粒子１の電荷と質量との比である電荷質量比に応じたフィルター機能を付加することもできる。

【0044】

また、図８に示すように、荷電粒子輸送装置１０で、内側導体１１および外側導体１２は、図６に示すような電位可変部２１を、長さ方向に沿って互いに間隔をあけて２つ以上有し、電位差付与手段１３は、各電位可変部２１の区間の電位差を変化可能であり、各電位可変部２１のうちの２つの電位可変部２１の間に荷電粒子１を閉じ込め可能に、各電位可変部２１の区間に電位差を付与可能に構成されていてもよい。図８に示す具体的な一例では、電位可変部２１を２つ有している。なお、各電位可変部２１は、内側導体１１のみ、または、外側導体１２のみに設けられていてもよい。

【0045】

図８に示す２つの電位可変部２１を有する場合、例えば、以下のようにして、各電位可変部２１の間の区間（粒子貯留区間２４）に荷電粒子１をトラップすることができる。すなわち、まず、一方の電位可変部２１を、荷電粒子１が通過する状態にし、他方の電位可変部２１を、荷電粒子１が反射する状態にしておき、一方の電位可変部２１から粒子貯留区間２４に荷電粒子１を入射させる。粒子貯留区間２４に荷電粒子１が存在している状態で、一方の電位可変部２１を、荷電粒子１が反射する状態に切り替えることにより、荷電粒子１を粒子貯留区間２４にトラップすることができる。荷電粒子１をトラップすることにより、荷電粒子１の存在が局在化されるため、例えば、粒子貯留区間２４から放出される崩壊２次粒子を検出することによる荷電粒子１の寿命測定や、粒子貯留区間２４に磁場やマイクロ波を加えること等による荷電粒子１のスピンや微細構造定数の測定、粒子貯留区間２４に薄膜やガスなどの物質を挿入することによる荷電粒子１の冷却、挿入した物質等と荷電粒子１との繰り返し相互作用の効率的な測定などを行うことができる。

【0046】

また、荷電粒子１が粒子貯留区間２４にトラップされた状態で、任意のタイミングで、いずれかの電位可変部２１を、荷電粒子１が通過する状態に切り替えることにより、トラップされた荷電粒子１をそのタイミングでパルスとして出射することができる。また、このときの荷電粒子１を通過させる電位可変部２１の電位設定を、特定のエネルギーのみが通過するように制御することにより、トラップされた荷電粒子１のうち、特定のエネルギーの荷電粒子１を選択してパルスとして取り出すこともできる。このことから、荷電粒子１のパルスを周期的に出射するために、電位差付与手段１３により、いずれかの電位可変部２１の区間の電位差を周期的に変更可能に構成されていてもよい。

【0047】

なお、荷電粒子輸送装置１０は、電位可変部２１ではなく、図７に示すような磁場印加手段２３を、外側導体１２の長さ方向に沿って互いに間隔をあけて２つ以上有していてもよい。この場合にも、荷電粒子１をトラップしたり、トラップされた荷電粒子１を任意のタイミングでパルスとして出射したりすることができる。荷電粒子１のパルスを周期的に出射するために、いずれかの磁場印加手段２３の磁場を、周期的に変更可能に構成されていてもよい。

【0048】

また、図９に示すように、荷電粒子輸送装置１０で、内側導体１１は、複数から成り、棒状または線状を成し、互いに平行に配置されており、外側導体１２は、２枚の平行板から成り、各内側導体１１の長さ方向に沿って伸び、各内側導体１１との間に間隔をあけて、各内側導体１１を挟むよう配置されていてもよい。各外側導体１２は、それぞれ各内側導体１１の片方の側面を覆っている。この場合、図９（ｂ）に示すように、電位差付与手段１３により、内側導体１１と外側導体１２との間に電位差を付与することにより、内側導体１１と外側導体１２との間の空間で、荷電粒子１に対して内側導体１１に向かう力が常に加わるような電位分布（図中の等電位線２参照）が形成され、１本の内側導体１１の周囲を旋回する軌道１ｃや、複数の内側導体１１にまたがって旋回する軌道１ｄに沿って、荷電粒子１を輸送することができる。

【0049】

［シミュレーションについて］
以下では、荷電粒子輸送装置１０により輸送される荷電粒子１について、市販のイオン光学設計ソフトのＳＩＭＩＯＮ（Scientific Instrument Services社製）を用いて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、固体水素標的を使用したミュオン触媒核融合実験を想定し、電圧を印加可能な電極（内側導体、外側導体、固体水素標的）を配置して、任意の電圧を設定して電場を形成し、その電場内に荷電粒子１としてミュオン（Muon；重さ0.11 a.u.）を配置することで、その後のミュオンの軌道を求めた。

【0050】

図１０に示すように、実際のミュオン触媒核融合実験は、以下のようにして行われる。すなわち、まず、直方体の箱状のサーマルシールド３１の内部に、矩形板状の固体水素標的３２を配置する。ここで、固体水素標的３２は、重水素やトリチウムで表面をコートして、重水素やトリチウムを添加したものであり、極低温に冷やされている。また、固体水素標的３２の側方に、固体水素標的３２の表面に対して平行な方向に伸びるよう、図４に示す荷電粒子輸送装置１０を設置する。このとき、荷電粒子輸送装置１０の外側導体１２の固体水素標的３２の側の端部を、サーマルシールド３１の内側に配置し、外側導体１２の反対側の端部に、ミュオン検出用の円形の金属箔３３を設置する。金属箔３３は、チタン製であり、内側導体１１に接続されており、内側導体１１と同じ電位になっている。

【0051】

実験では、固体水素標的３２の背面に、その背面に対して垂直方向から、加速器により高エネルギーの負のミュオン粒子を打ち込む。これにより、低温量子効果であるラムザウア・タウンゼント効果、および、ミュオン触媒核融合反応により、固体水素標的３２の表面から、10 keV程度に減速された負のミュオン粒子が等方的に放出される。放出されたミュオン粒子のうち、固体水素標的３２の側の端部から外側導体１２の内側に入ったものの一部が、内側導体１１と外側導体１２との間の空間を通って、反対側の端部まで輸送され、金属箔３３に当たって検出される。このミュオン触媒核融合実験をシミュレーションするために、図１１に示すモデルを作成した。図１１に示すモデルでは、内側導体１１の外径を1 mm、外側導体１２の内径を56 mm、金属箔３３の半径を58 mm、内側導体１１および外側導体１２の長さを約1.1 mとしている。

【実施例1】

【0052】

まず、荷電粒子輸送装置１０で荷電粒子１を輸送できることを確認するために、外側導体１２の一方の端部に、内側導体１１および外側導体１２の長さ方向に対して垂直に固体水素標的３２を配置し、その中心からミュオンが放出されたときの、ミュオンの軌道をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、固体水素標的３２および内側導体１１に＋10 kVの電位を印加し、外側導体１２を接地電位（0 V）とした。

【0053】

シミュレーションの結果を、図１２に示す。図１２には、固体水素標的３２、内側導体１１および外側導体１２が形成した電位分布（図中の等電位線２参照）、ならびに、それを受けて運動する10～30 keVのミュオンの軌道群の例を示している。図１２に示すように、固体水素標的３２から放出されたミュオンの一部は、内側導体１１と外側導体１２との間の空間を旋回する軌道に入り、固体水素標的３２とは反対側の端部まで輸送されることが確認された。図中の軌道１ｅは、仰角が１５度で放出された、10 keVの負ミュオンの軌道であり、図中の軌道１ｆは、仰角が１５度で放出された、30 keVの負ミュオンの軌道である。

【0054】

なお、素粒子であるミュオンは、不安定な粒子であり、2.2マイクロ秒の寿命で崩壊するが、その寿命内に数メートルの距離を輸送することができる。高エネルギーの粒子にさらされる固体水素標的３２の付近には、実際には、様々なエネルギーを有する電子や陽電子、光子などのノイズとなる粒子が多数存在している。荷電粒子輸送装置１０では、寿命以外の因子で負ミュオンが失われることはないが、ノイズとなる粒子は、距離の２乗に反比例して小さくなるため、数メートルの輸送により背景ノイズを大幅に低減することができる。例えば、非特許文献９に記載のPHITSを用いて、１つのミュオンの入射による光子（ノイズ）の量を計算したところ、荷電粒子輸送装置１０による輸送距離が400 mmの位置では、2.7×10^-3個であり、輸送距離が1100 mmの位置では、1.5×10^-4個であった。また、ミュオンの輸送距離を長くすることにより、ノイズを遮蔽するための遮蔽材を配置するための空間を増やすことができるため、さらなるノイズの低減を図ることができる。このように、荷電粒子輸送装置１０により、特定のエネルギーを有する主に負ミュオンから成る粒子だけを、固体水素標的３２から離れたところまで効率的に輸送することができ、ノイズの少ない環境下で、負ミュオンを用いた実験や観測を行うことができる。

【実施例2】

【0055】

ミュオン触媒核融合実験を想定した図１１に示すモデルを用いて、固体水素標的３２から放出されるミュオンの軌道をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、内側導体１１に＋10 kVの電位を印加し、固体水素標的３２および外側導体１２を接地電位（0 V）とし、他の条件は実施例１と同じとした。シミュレーションにより求められたミュオンの軌道群を、図１３に示す。固体水素標的３２を保護するサーマルシールド３１がない場合の軌道群を図１３（ａ）に、固体水素標的３２を保護するサーマルシールド３１を追加し、より精密なシミュレーションを行った場合の軌道群を図１３（ｂ）に示す。図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、固体水素標的３２から放出されたミュオンの一部が、内側導体１１と外側導体１２との間の空間に入り、その空間を旋回する軌道１ａを描いて、固体水素標的３２とは反対側の金属箔３３まで輸送されることが確認された。

【実施例3】

【0056】

図１１に示すモデルを用い、固体水素標的３２から放出される任意の運動エネルギーを有するミュオンのシミュレーションを行い、荷電粒子輸送装置１０により金属箔３３まで到達したミュオンの到達割合を求めた。シミュレーションの各条件は、実施例２と同じとした。シミュレーションでは、0.25～30 keVの範囲の複数の運動エネルギーのそれぞれに対して、100,000個のミュオンの軌道を求め、そのうちのいくつのミュオンが金属箔３３まで到達するかを確認した。なお、シミュレーションでは、固体水素標的３２の方向とは逆方向、すなわち荷電粒子輸送装置１０の方向に向かう成分を有するミュオンのみを使用している。ここで、シミュレーションで得られた金属箔３３まで到達したミュオンの個数を、シミュレーションしたミュオンの個数（ここでは、100,000個）で割った値を到達割合とした（以下でも、同じ）。

【0057】

ミュオンの運動エネルギーに対する到達割合の変化をまとめ、図１４に示す。図１４に示すように、0.25～30 keVの範囲では、ミュオンの運動エネルギーが大きくなるに従って、到達割合は低下することが確認された。また、このときの到達割合は、約0.004～約0.15程度であることが確認された。内側導体１１と外側導体１２との間に電位差を与えない場合、すなわち、内側導体１１、外側導体１２、および固体水素標的３２が０Ｖの場合には、到達割合は、金属箔３３の表面積に対応する立体角で計算でき、約0.002程度である。このことから、荷電粒子輸送装置１０により、到達割合が約２～７０倍高くなっており、荷電粒子の輸送効率が高くなるといえる。

【実施例4】

【0058】

図１１に示すモデルの内側導体１１および外側導体１２の途中に、湾曲部を有するモデルを用い、固体水素標的３２から放出されるミュオンの軌道をシミュレーションにより求めた。使用したモデルでは、内側導体１１および外側導体１２の金属箔３３の側の端部に、それぞれの伸張方向を９０度曲げるよう、内側導体１１および外側導体１２をそれぞれ一定の曲率で湾曲させた湾曲部（曲率半径R = 144 mm）を挿入した。シミュレーションでは、直線部および湾曲部の内側導体１１に＋10 kVの電位を印加した場合、および、直線部の内側導体１１に＋10 kV、湾曲部の内側導体１１に＋30 kVの電位を印加した場合の、２通りの場合についてミュオンの軌道を求めた。また、ミュオンの運動エネルギーは、10 keVとした。なお、いずれの場合も、固体水素標的３２および外側導体１２は接地電位（0 V）とし、他の条件は実施例２と同じとした。

【0059】

各場合について、シミュレーションにより求められたミュオンの軌道群を、それぞれ図１５（ａ）および（ｂ）に示す。図１５（ａ）に示す直線部２５ａおよび湾曲部２５ｂの内側導体１１に＋10 kVの電位を印加した場合には、図１５（ｂ）に示す直線部２５ａに＋10 kV、湾曲部２５ｂに＋30 kVの電位を印加した場合と比べて、湾曲部２５ｂで曲がりきれず、外側導体１２に衝突しているミュオンが多く、金属箔３３まで到達するミュオンが少なくなっている様子が確認された。

【0060】

図１５に示す各シミュレーションについて、金属箔３３に到達したミュオンの数から、到達割合を求めた。また、湾曲部２５ｂの曲率半径を半分（R = 72 mm）にし、直線部２５ａの内側導体１１に＋10 kV、湾曲部２５ｂの内側導体１１に＋30 kVの電位を印加した場合についてもシミュレーションを行い、到達割合を求めた。また、比較のため、湾曲部２５ｂを設けない場合についてもシミュレーションを行い、到達割合を求めた。湾曲部２５ｂを設けない場合の到達割合を１としたときの、湾曲部２５ｂを有する各場合の到達割合の比率（相対的到達割合）を求め、その結果を表１に示す。なお、固体水素標的３２から金属箔３３までの距離（内側導体１１の長さ）は、全ての場合について同じ長さにしている。

【0061】

【表1】

【0062】

表１に示すように、湾曲部２５ｂの曲率半径を変えても、相対的到達割合はほとんど変化せず、今回のシミュレーションでの曲率半径の範囲では、曲率半径の大小は、到達割合に大きな影響を与えないことが確認された。これに対し、湾曲部２５ｂの内側導体１１の電位を、直線部２５ａの電位より上げた場合、すなわち、内側導体１１と外側導体１２との電位差を、直線部２５ａよりも湾曲部２５ｂで大きくした場合には、相対的到達割合が著しく向上することが確認された。これは、内側導体１１と外側導体１２との電位差を湾曲部２５ｂで大きくすると、ミュオンが内側導体１１に引き寄せられる力が湾曲部２５ｂで強くなり、曲がり切れなくなるミュオンの数を減らすことができるためであると考えられる。

【0063】

湾曲部２５ｂを有する場合、固体水素標的３２と金属箔３３と互いに直線的には見通せなくなるという利点が得られる。すなわち、固体水素標的３２では、必要とするミュオン以外に、高いエネルギーの各種粒子やＸ線粒子などが副次的に放射されるが、ミュオンより高いエネルギーの荷電粒子１は、湾曲部２５ｂではほとんど曲がらず直進し、X線粒子はそもそも電磁場では曲がらず直進する。このため、湾曲部２５ｂを設けることにより、直進するノイズ粒子を遮蔽し、必要なミュオンのみを金属箔３３に入射させることができ、観測時の背景ノイズを大幅に削減することができる。このように、湾曲部２５ｂを有する場合には、湾曲部２５ｂがない場合よりも到達割合が低下しているが、背景ノイズを低下させることができるため、背景ノイズの低下割合よりも到達割合の低下割合の方が小さい場合に、湾曲部２５ｂを挿入するのが効果的であると考えられる。

【実施例5】

【0064】

図５に示すように、図１１に示すモデルの外側導体１２の一部に、電位を変化させることができる電位可変部２１を有するモデルを用い、固体水素標的３２から放出されるミュオンの軌道をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、内側導体１１に＋10 kVの電位を印加し、電位可変部２１の電位を0 kV～－10 kVまで、1 kVずつ変化させた。また、固体水素標的３２および、電位可変部２１以外の外側導体１２は接地電位（0 V）とし、他の条件は実施例２と同じとした。

【0065】

電位可変部２１の電位が5 kVのときのミュオンの軌道群を、図１６（ａ）に示す。また、ミュオンの運動エネルギーを0.5～20 keVとし、電位可変部２１の電位を変化させたときの、電位可変部２１以外の外側導体１１と電位可変部２１との電位差（filterの電位）ごとの到達割合を求め、図１６（ｂ）に示す。図１６（ａ）に示すように、電位可変部２１に内側導体１１とは逆符号の電位を印加したとき、形成された電位分布（図中の等電位線２参照）により、ミュオンが内側導体１１に引き寄せられる力が強くなったため、高いエネルギーを有するミュオン（軌道１ｇ参照）は、電位可変部２１を通過するが、低いエネルギーを有するミュオン（軌道１ｈ参照）は、内側導体１１に衝突したり、固体水素標的３２の側に反射したりして、電位可変部２１を通過することができない様子が確認された。図１６（ｂ）に示すように、電位可変部２１の電位やミュオンのエネルギーにより、到達割合が変化し、特に、低いエネルギーを有するミュオンの到達割合が、電位可変部２１の電位により大きく変化することが確認された。このことから、電位可変部２１の電位を調整することにより、エネルギーの低いミュオンを除去するフィルター効果を得ることができる。また、電位可変部２１の電位を変化させながら観測を行うことにより、ミュオンの運動エネルギー分布を得ることができると考えられる。

【実施例6】

【0066】

図１１に示すモデルを用い、固体水素標的３２の電位を変化させてシミュレーションを行い、到達割合を求めた。シミュレーションでは、内側導体１１の電位（Ｖ_Ｃ）を＋10 kVとし、固体水素標的３２の電位（Ｖ_Ｔ）を0 kV、1 kV、5 kV、10 kVとした。また、外側導体１２は接地電位（0 V）とし、他の条件は実施例２と同じとした。

【0067】

ミュオンの運動エネルギーを0.25～20 keVとし、固体水素標的３２の電位を変化させたときの、各電位での到達割合を求め、図１７に示す。図１７に示すように、固体水素標的３２の電位やミュオンのエネルギーにより、到達割合が変化し、特に、低いエネルギーを有するミュオンの到達割合が、固体水素標的３２の電位により大きく変化することが確認された。このことから、固体水素標的３２の電位を調整することにより、エネルギーの低いミュオンを除去するフィルター効果を得ることができる。また、固体水素標的３２の電位を変化させながら観測を行うことにより、ミュオンの運動エネルギー分布を得ることができると考えられる。

【符号の説明】

【0068】

１ 荷電粒子
１ａ （螺旋）軌道
１ｂ～１ｇ 軌道
２ 等電位線

１０ 荷電粒子輸送装置
１１ 内側導体
１２ 外側導体
１３ 電位差付与手段

２１ 電位可変部
２２ａ 外管
２２ｂ 挿入体
２３ 磁場印加手段
２４ 粒子貯留区間
２５ａ 直線部
２５ｂ 湾曲部

３１ サーマルシールド
３２ 固体水素標的
３３ 金属箔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】