JP7606682B2 - Charged Particle Transport Device - Google Patents
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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Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Website address: https://jps200908.award-con.com/ Website posting date: August 28, 2020 (Reiwa 2) Meeting name: The Physical Society of Japan, 2020 Fall Meeting (Physical Properties) Date held: September 8-11, 2020 (Reiwa 2) Website address: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112712 Website posting date: June 14, 2021 (Reiwa 3)
本発明は、荷電粒子輸送装置に関する。 The present invention relates to a charged particle transport device.
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。 In the field of accelerator applications, an accelerated beam is irradiated onto a target, and secondary charged particles generated by the reaction between the beam and the target are used. For example, various particles with positive or negative charges, such as muons, positrons, antiprotons, charged mesons, and unstable nuclei, are used. When using these, it is necessary to selectively and quickly transport the charged particles to be used from near the target, where a large number of various particles that cause noise are generated, to the usage location, which requires an environment with little unnecessary particles and radiation that cause background noise.
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。 In addition, one of the major goals of chemistry is to clarify the processes of various chemical reactions, and reaction dynamics is a field that clarifies reactions at the atomic level. In reaction dynamics, in order to clarify reactions, it is essential to investigate the kinetic energy distribution of particles after a reaction, and to do so, it is necessary to quickly transport the particles after the reaction to a location where the kinetic energy distribution can be observed.
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。 Conventionally, methods for transporting charged particles include the coaxial ion guide method (see, for example, Patent Document 1), in which AC and DC potentials are simultaneously applied to multiple coaxial ring electrodes to trap the charged particles in a ring shape, and the electrode potential is gradually switched to gradually move the ring-shaped trapping point to transport the particles. However, this method has the problem that it takes time to transport the trapped charged particles, making it impossible to observe short-lived particles.
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。 To solve this problem, methods have been developed for quickly transporting particles after a reaction to an observation site, such as a method in which a current is passed through a solenoid coil wrapped around a tube, and the magnetic field generated by this transports the charged particles through the inside of the tube (see, for example, non-patent documents 1 to 3), a method in which a pulsed current is passed through a wire passing through the center of the tube, and the magnetic field generated by this transports the charged particles while converging them (see, for example, non-patent document 4), and a method in which the lens effect of an electric or magnetic field is used to image-transfer and transport the charged particles (see, for example, non-patent documents 5 and 6).
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。 Methods have also been proposed for transporting charged particles using interactions between charged particles and matter. For example, there is a so-called ion guide method (see, for example, Non-Patent Document 7) in which a charged particle beam is injected into a gas, the gas is charged by ionization, and the electric potential distribution formed by the ionized gas acts on the charged particles to transport them along the beam axis. There is also a method in which a rod-shaped or wire-shaped insulator is charged by irradiating it with the charged particle beam to be transported, and the electric potential distribution formed by the charged insulator forms a central force electric field, so that the charged particles are transported by wrapping them around the insulator (see, for example, Non-Patent Document 8).
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)。 In addition, a Monte Carlo calculation code (PHITS) has been developed that uses nuclear reaction models and nuclear data to simulate various radiation behaviors in various materials (see, for example, non-patent document 9).
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。 In the charged particle transport methods described in Non-Patent Documents 1 to 3, while the charged particles are being transported, it is necessary to continue to pass a current through a solenoid coil wound around a tube whose length corresponds to the distance to be transported, and heat is generated from the solenoid coil. For this reason, in cases where a solenoid coil must be placed in a vacuum or where an extremely low temperature target is used in the observation of charged particles, as described in Non-Patent Document 2, it is necessary to use an expensive superconducting coil or the like to suppress heat generation from the solenoid coil, or a large-scale cooling device to cool the solenoid coil, resulting in the problem of high equipment costs.
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。 The method described in Non-Patent Document 4 also requires a large current of 1000 A to flow through the wire, which generates a lot of heat, resulting in high equipment costs for cooling. In addition, the methods using the lens effect of electric or magnetic fields described in Non-Patent Documents 5 and 6 have the problem that the focal length of each lens changes depending on the particle energy, narrowing the range of particle energies that can be effectively transported, resulting in poor transport efficiency.
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。 In addition, the methods described in Non-Patent Documents 7 and 8 that use interactions between particles and materials require a considerable amount of beam to be irradiated in advance to ionize or charge gases, insulators, etc., and have the problem that charged particles cannot be transported when the current value is small. In addition, since the potential distribution for confining particles depends on the magnitude of the interaction with the material and the current value of the charged particles, there is a problem that the transport efficiency decreases when transporting charged particles with a variable current amount, such as transporting pulsed particles.
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。 The present invention was made with a focus on these problems, and aims to provide a charged particle transport device that can reduce equipment costs and transport charged particles efficiently regardless of the amount of charged particles.
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。 The inventors focused on the fact that in muon-catalyzed nuclear fusion reactions, in which muons, a type of elementary particle, aid in the nuclear fusion reaction of hydrogen isotope nuclei, muons that have once aided in a reaction are released once after nuclear fusion and then aid in another nuclear reaction again. While developing a device that uses a solid hydrogen target to observe post-nuclear reaction muons (regenerated muons) that are isotropically emitted from the target surface, they came up with the idea of a new transport device that is not only capable of transporting muons emitted from the target surface to observation equipment, but can also be applied to transport other charged particles, leading to the invention.
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。 In other words, the charged particle transport device according to the present invention has an elongated inner conductor, an outer conductor that is spaced apart from the inner conductor, covers all or part of the side of the inner conductor, and is arranged to extend along the length of the inner conductor, and a potential difference applying means that is provided to be able to apply a potential difference between the inner conductor and the outer conductor, and is configured so that when the potential difference is applied by the potential difference applying means, a force toward the inner conductor is always applied to the charged particles in the space between the inner conductor and the outer conductor, allowing the charged particles to move along the length of the inner conductor while circling around the inner conductor.
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 rin、外側導体の半径を rexとし、電位差付与手段により、内側導体に電位 Vin、外側導体に電位 Vex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 Vinを負とし、外側導体を接地して Vex=0Vとする。 The charged particle transport device according to the present invention can transport charged particles based on the following principle. That is, as shown in Fig. 1, the outer conductor is a long and thin tube, and the inner conductor is disposed inside the outer conductor, with a gap between them, coaxially with the outer conductor. In this case, the outer conductor covers the entire periphery of the side surface of the inner conductor. Here, the radius of the inner conductor is r in and the radius of the outer conductor is r ex , and a potential difference applying means applies a potential V in to the inner conductor and a potential V ex to the outer conductor. In this case, for simplicity of explanation, the potential V in of the inner conductor is negative, and the outer conductor is grounded so that V ex = 0 V.
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 VES(r)が形成される。
VES(r)=Vex-(Vin-Vex)×{log(r/rex)/log(rex/rin)} (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・VES(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。
In this case, if the distance from the central axis of the inner conductor is r, a log-shaped electrostatic potential distribution V ES (r) along the radial direction r, as shown in equation (1), is formed in the space between the inner conductor and the outer conductor.
V ES (r)=V ex -(V in -V ex )×{log(r/r ex )/log(r ex /r in )} (1)
The potential distribution for a charged particle having a positive charge q is the distribution of q·V ES (r) shown in FIG. 2, and a central force toward the inner conductor is always applied to the charged particle.
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 Vcf(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 Veff(r)で規定される。
Vcf(r)=(1/2)×(L2/m)×1/r2 (2)
Veff(r)=q・VES (r)+Vcf(r) (3)
(2)式の遠心力ポテンシャル Vcf(r)、および(3)式の有効ポテンシャル Veff(r)の分布の例を、図2に示す。
Therefore, when a charged particle has a velocity component along the length of the inner conductor, the charged particle will move in a spiral trajectory, revolving around the inner conductor and moving at a constant speed along the length of the inner conductor, due to the balance with the centrifugal force. If the mass of the charged particle is m and the angular momentum is L, the centrifugal potential V cf (r) of the orbital motion is expressed by equation (2), and the motion of the charged particle in the r direction is defined by the effective potential V eff (r) shown in equation (3).
V cf (r)=(1/2)×(L 2 /m)×1/r 2 (2)
V eff (r)=q・V ES (r)+V cf (r) (3)
FIG. 2 shows an example of the distribution of the centrifugal potential V cf (r) in equation (2) and the effective potential V eff (r) in equation (3).
図2に示すように、有効ポテンシャル Veff(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 Veff(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 rinより大きく、軌道最大半径が外側導体の半径 rin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。 As shown in Figure 2, the motion of a charged particle in the r direction reciprocates from a certain minimum radius to a certain maximum radius due to the effective potential V eff (r), and the position is determined by the stored energy E of the charged particle in the r direction. In addition, when the stored energy E of the charged particle is greater than the minimum value of the effective potential V eff (r), the minimum radius of the orbit is greater than the radius r in of the inner conductor, and the maximum radius of the orbit is smaller than the radius r in of the outer conductor, the charged particle is allowed to continue reciprocating in the r direction. Therefore, in a plane perpendicular to the inner conductor, the orbit of the charged particle becomes a cycloidal orbit that revolves around the inner conductor, as shown in Figure 3.
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。 Thus, with the charged particle transport device of the present invention, the charged particles follow a spiral trajectory in which they move at a constant speed along the length of the inner conductor while orbiting around the inner conductor. Once the charged particles enter this trajectory, as shown in FIG. 2, they do not collide with the inner conductor or the outer conductor. Furthermore, since the motion of the charged particles along the length of the inner conductor is simply uniform motion, the charged particles can be transported indefinitely while remaining on the spiral trajectory.
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。 Here, we have described the case where the inner conductor and the outer conductor are coaxial tubes, but as long as the same principle can be applied, they are not limited to coaxial tubes and may have other configurations. For example, the inner conductor and the outer conductor may be made of one or more conductors, and the cross section perpendicular to the length direction may be a circle, an ellipse, a triangle, a rectangle, a polygon, or a ring having any of these shapes. In addition, the inner conductor and the outer conductor may have unevenness on their surfaces.
また、ここでは、内側導体の電位 Vinを負とし、外側導体の電位 Vex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 Vinを外側導体の電位 Vex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 Vinを外側導体の電位 Vex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。 In addition, here, the potential Vin of the inner conductor is set to negative, and the potential Vex of the outer conductor is set to the ground potential, but the potentials of the conductors may be set in any way as long as a potential difference is provided between the inner conductor and the outer conductor so that the charged particles can be transported. For example, to transport positive charged particles, the potential Vin of the inner conductor is set to be lower than the potential Vex of the outer conductor, and conversely, to transport negative charged particles, the potential Vin of the inner conductor is set to be higher than the potential Vex of the outer conductor, thereby applying a central force to the charged particles, and the charged particles can be transported according to the above principle.
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。 In this way, the charged particle transport device of the present invention can transport charged particles simply by creating a potential difference between the inner conductor and the outer conductor. This requires less power than when current is passed through a coil or wire, and heat generation can be largely suppressed. This means that expensive superconducting coils and cooling devices are not required, even in special environments such as vacuum or extremely low temperatures, and equipment costs can be reduced.
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。 The charged particle transport device according to the present invention can transport even large current charged particles by, for example, providing a potential difference between the inner conductor and the outer conductor that is sufficient to overcome the space charge generated by the charged particles and prevent the charged particles from colliding with the inner and outer conductors when the charged particles are injected into the space between the inner conductor and the outer conductor. In this way, the charged particle transport device according to the present invention does not require a beam to be irradiated in advance, and can efficiently transport charged particles regardless of the amount of charged particles, from small currents to large currents. In addition, since the potential difference between the inner conductor and the outer conductor can be instantly adjusted, even charged particles with a variable amount of current can be efficiently transported by adjusting the potential difference according to the type of charged particle.
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。 The charged particle transport device according to the present invention can be used, for example, to transport charged particles such as muons generated using an accelerator or the like from the position where the charged particles are generated to the position where the charged particles are observed. A lot of noise that interferes with observation is also generated near the position where the charged particles are generated, but the charged particle transport device according to the present invention can transport the charged particles to a position away from the position where they are generated, thereby reducing noise during observation.
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。 In the charged particle transport device according to the present invention, the inner conductor and the outer conductor may be partially curved along the length direction. In this case, it is preferable that a potential difference different from that of the straight portion can be applied between the inner conductor and the outer conductor of the curved portion in order to transport the desired charged particles along the curved portion. The curved portion may be provided so as to bend the extension direction of the inner conductor and the outer conductor at any angle, and may be provided along any curve or three-dimensional curvature. By providing the curved portion, the desired charged particles can be bent and transported along the curved portion. In addition, particles with higher energy than the charged particles cannot bend the curved portion and collide with the outer conductor, so that background noise can be reduced when observing the desired charged particles.
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。 In the charged particle transport device according to the present invention, the inner conductor and/or the outer conductor may form a potential variable section in which a predetermined section along the length direction can be applied with a potential different from that of the other sections, and the potential difference applying means may be configured to apply a different potential difference between the section of the potential variable section and the other sections between the inner conductor and the outer conductor. In this case, by adjusting the potential of the potential variable section, a filter effect can be obtained that removes, reflects or passes the charged particles depending on the energy, angular momentum or a combination thereof possessed by the charged particles.
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。 In addition, when the potential variable section is included, it is preferable that the potential difference applying means is configured to be capable of changing the potential difference in the section of the potential variable section. This can improve the controllability of the filter effect on the charged particles. Furthermore, the inner conductor and/or the outer conductor may have two or more potential variable sections spaced apart from each other along the length direction, and the potential difference applying means may be configured to be capable of applying a potential difference to the section of each potential variable section so that the charged particles can be confined between two of the potential variable sections. This makes it possible to trap charged particles in the section between two of the potential variable sections, or to emit the trapped charged particles as a pulse at any timing.
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。 The charged particle transport device according to the present invention may have a magnetic field application means provided outside the outer conductor so as to be able to apply a magnetic field to the space between the inner conductor and the outer conductor. In this case too, by adjusting the magnetic field applied by the magnetic field application means, a filter effect can be obtained that removes, reflects, or passes the charged particles depending on the energy, angular momentum, or a combination thereof possessed by the charged particles. In addition, by using it in combination with a potential variable section, the controllability of the filter effect can be increased by the combination of a magnetic field and an electric field.
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。 In this case, it is preferable that the magnetic field application means is configured to be capable of changing the magnetic field applied to the space. This allows for improved control of the filter effect on the charged particles. Furthermore, two or more of the magnetic field application means may be provided at intervals along the length of the outer conductor, and the magnetic field applied to the space by any two of the magnetic field application means may be configured to confine the charged particles in the space. This allows for the charged particles to be trapped in the space between the inner conductor and the outer conductor, and for the trapped charged particles to be emitted as a pulse at any timing.
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。 The present invention provides a charged particle transport device that can reduce equipment costs and efficiently transport charged particles regardless of the amount of charged particles.
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings and examples.
4 to 17 show a charged particle transport device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the charged particle transport device 10 has an inner conductor 11 , an outer conductor 12 , and a potential difference applying means 13 .
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。 The inner conductor 11 is elongated and has a circular cross section. The inner conductor 11 is made of, for example, copper wire. The outer conductor 12 is elongated and tubular, with an inner diameter larger than the outer diameter of the inner conductor 11, and is arranged so that the inner conductor 11 is inserted inside and extends along the length of the inner conductor 11. The outer conductor 12 is arranged coaxially with the inner conductor 11 with a gap between them. The outer conductor 12 covers the entire periphery of the side of the inner conductor 11.
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。 The potential difference applying means 13 is provided so as to be capable of applying a potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12. This is configured so that a force (see the arrow in FIG. 4) toward the inner conductor 11 is always applied to the charged particle 1. That is, the potential difference applying means 13 is configured so as to make the potential of the inner conductor 11 lower than the potential of the outer conductor 12 when transporting a positive charged particle 1, and conversely, to make the potential of the inner conductor 11 higher than the potential of the outer conductor 12 when transporting a negative charged particle 1. In a specific example shown in FIG. 4, the potential difference applying means 13 is provided so as to ground the outer conductor 12 and to be capable of applying a potential V to the inner conductor 11.
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。 The charged particle 1 may be any type of particle, ranging from elementary particles to macro-sized particles, such as electrons, positrons, protons, antiprotons, negative muons, positive muons, charged mesons, charged leptons, charged baryons, charged ions, charged molecules, charged aerosols, and charged microparticles. In addition, the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 is preferably a vacuum.
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。 The charged particle transport device 10 is configured such that when a potential difference is applied between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 by the potential difference applying means 13, the charged particle 1 can move along the length of the inner conductor 11 while circling around the inner conductor 11 in the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 based on the principle shown in Figures 1 to 3.
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。
Next, the operation will be described.
The charged particle transport device 10 can move the charged particle 1 on a helical orbit 1a revolving around the inner conductor 11 at a constant speed along the length of the inner conductor 11. Therefore, once the charged particle 1 enters the helical orbit 1a, it can be transported indefinitely while remaining on the helical orbit 1a, without colliding with the inner conductor 11 or the outer conductor 12, as long as the inner conductor 11 and the outer conductor 12 continue.
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。 The charged particle transport device 10 can transport the charged particles 1 simply by creating a potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12. This reduces the required power and almost completely suppresses heat generation compared to when current is passed through a coil or wire. This eliminates the need for expensive superconducting coils and cooling devices, even in special environments such as vacuum or extremely low temperatures, and reduces equipment costs. In addition, there is no need to irradiate the beam in advance, and the charged particles 1 can be transported efficiently regardless of the amount of charged particles 1, from small currents to large currents. In addition, since the potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 can be adjusted instantly, even if the amount of current of the charged particles 1 changes, the charged particles 1 can be transported efficiently by adjusting the potential difference according to the type of charged particles 1.
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。 In the charged particle transport device 10, the inner conductor 11 and the outer conductor 12 may be partially curved along the length direction. In this case, it is preferable that the radius of curvature of the curved portion is larger than the radius of the outer conductor 12. In addition, in order to transport the desired charged particle 1 along the curved portion, it is preferable that a potential difference different from that of the straight portion can be applied between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 of the curved portion. In particular, it is preferable that the smaller the radius of curvature of the curved portion, the larger the potential difference. The curved portion may be provided so as to bend the extension direction of the inner conductor 11 and the outer conductor 12 at any angle, and may be provided along any curve or three-dimensional curvature. By providing the curved portion, the desired charged particle 1 can be bent and transported along the curved portion. In addition, particles with higher energy than the charged particle 1 cannot bend the curved portion and collide with the outer conductor 12, so that background noise when observing the desired charged particle 1 can be reduced. In this way, since a curved portion capable of transporting the charged particle 1 can be provided, the design freedom of the charged particle transport device 10 can be increased.
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。 As shown in FIG. 5, in the charged particle transport device 10, the outer conductor 12 may have a predetermined section along the length that forms a potential variable section 21 that is provided so that a potential different from that of the other sections can be applied, and the potential difference applying means 13 may be configured to apply a different potential difference between the section of the potential variable section 21 and the other sections between the inner conductor 11 and the outer conductor 12. As shown in FIG. 6, the potential variable section 21 may be provided in a predetermined section of the inner conductor 11 and the outer conductor 12. In a specific example shown in FIG. 6, the inner conductor 11 has an outer tube 22a that is provided with an interval only in a predetermined section, and a rod-shaped insert 22b inserted inside the outer tube 22a, and is provided so that a different potential can be applied to the outer tube 22a and the insert 22b, and the predetermined section where the insert 22b is exposed forms the potential variable section 21. The potential variable section 21 may be provided only in the inner conductor 11.
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。 In the case of having this potential variable section 21, for example, by reducing the potential difference in the section of the potential variable section 21, the force of attraction to the inner conductor 11 can be weakened, and the high-energy charged particle 1 can be caused to collide with the outer conductor 12 (see the dashed trajectory 1b in FIG. 5), and only the low-energy charged particle 1 can be selectively transported. In addition, by increasing the potential difference in the section of the potential variable section 21, the force of attraction to the inner conductor 11 can be strengthened, and the low-energy charged particle 1 can be caused to collide with the inner conductor 11, and only the high-energy charged particle 1 can be selectively transported. In addition, the charged particle 1 can be reflected by making the potential difference in the section of the potential variable section 21 a potential difference of the opposite sign to the potential difference in the other sections. In this way, by adjusting the potential of the potential variable section 21, a filter effect can be obtained that removes, reflects, or passes the charged particle 1 depending on the energy, angular momentum, or a combination thereof possessed by the charged particle 1.
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。 7, the charged particle transport device 10 may have a magnetic field application means 23 provided outside the outer conductor 12 so as to apply a magnetic field to the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12. The magnetic field application means 23 may be, for example, a solenoid coil. In this case, by adjusting the magnetic field applied by the magnetic field application means 23, a filter effect can be obtained that removes, reflects, or passes the charged particle 1 according to the energy, angular momentum, or a combination thereof possessed by the charged particle 1. The magnetic field application means 23 may have a magnetic yoke arranged around the coil so that the magnetic field applied to the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 becomes stronger. In addition, the magnetic field application means 23 may have a potential variable section 21 as shown in FIG. 5 and FIG. 6. In this case, the controllability of the filter effect can be improved by the combination of the magnetic field and the electric field. In a specific example shown in FIG. 7, the charged particle 1 is configured as a Wien filter in which the magnetic field and the electric field applied to the charged particle 1 are approximately orthogonal to each other. Therefore, a filter function according to the charge-to-mass ratio, which is the ratio of the charge to the mass of the charged particle 1, can be added.
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。 Also, as shown in FIG. 8, in the charged particle transport device 10, the inner conductor 11 and the outer conductor 12 may have two or more potential variable sections 21 as shown in FIG. 6 spaced apart from each other along the length direction, and the potential difference applying means 13 may be configured to be capable of changing the potential difference in the section of each potential variable section 21 and to be capable of applying a potential difference to the section of each potential variable section 21 so as to confine the charged particle 1 between two of the potential variable sections 21. In a specific example shown in FIG. 8, there are two potential variable sections 21. Note that each potential variable section 21 may be provided only on the inner conductor 11 or only on the outer conductor 12.
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。 8, for example, a charged particle 1 can be trapped in the section between the potential variable sections 21 (particle storage section 24) as follows. That is, first, one potential variable section 21 is set to a state in which the charged particle 1 passes, and the other potential variable section 21 is set to a state in which the charged particle 1 is reflected, and the charged particle 1 is made to enter the particle storage section 24 from one potential variable section 21. When the charged particle 1 is present in the particle storage section 24, the one potential variable section 21 is switched to a state in which the charged particle 1 is reflected, whereby the charged particle 1 can be trapped in the particle storage section 24. By trapping the charged particle 1, the presence of the charged particle 1 is localized, so that it is possible to measure the lifetime of the charged particle 1 by detecting the decay secondary particles emitted from the particle storage section 24, measure the spin and fine structure constant of the charged particle 1 by applying a magnetic field or microwaves to the particle storage section 24, cool the charged particle 1 by inserting a substance such as a thin film or gas into the particle storage section 24, and efficiently measure the repeated interaction between the inserted substance and the charged particle 1.
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。 In addition, when the charged particle 1 is trapped in the particle storage section 24, any of the potential variable sections 21 can be switched to a state in which the charged particle 1 passes at any timing, thereby making it possible to emit the trapped charged particle 1 as a pulse at that timing. In addition, by controlling the potential setting of the potential variable section 21 that allows the charged particle 1 to pass at this time so that only a specific energy passes, it is also possible to select charged particles 1 of a specific energy from among the trapped charged particles 1 and extract them as a pulse. For this reason, in order to periodically emit pulses of the charged particle 1, the potential difference applying means 13 may be configured to be capable of periodically changing the potential difference in the section of any of the potential variable sections 21.
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。 In addition, the charged particle transport device 10 may have two or more magnetic field application means 23 as shown in FIG. 7, instead of the potential variable section 21, spaced apart from each other along the length direction of the outer conductor 12. In this case, too, it is possible to trap the charged particles 1 and emit the trapped charged particles 1 as pulses at any timing. In order to emit pulses of the charged particles 1 periodically, the magnetic field of any of the magnetic field application means 23 may be configured to be periodically changeable.
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。 As shown in FIG. 9, in the charged particle transport device 10, the inner conductors 11 may be multiple, rod-shaped or linear, and arranged parallel to each other, and the outer conductors 12 may be two parallel plates that extend along the length of each inner conductor 11 and are arranged to sandwich each inner conductor 11 at a distance from each inner conductor 11. Each outer conductor 12 covers one side of each inner conductor 11. In this case, as shown in FIG. 9(b), by applying a potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 by the potential difference applying means 13, a potential distribution (see equipotential lines 2 in the figure) is formed in the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 such that a force toward the inner conductor 11 is always applied to the charged particle 1, and the charged particle 1 can be transported along an orbit 1c that revolves around one inner conductor 11 or an orbit 1d that revolves across multiple inner conductors 11.
[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。
[About the simulation]
In the following, a simulation was performed using commercially available ion optical design software SIMION (manufactured by Scientific Instrument Services) for the charged particle 1 transported by the charged particle transport device 10. In the simulation, a muon catalyzed nuclear fusion experiment using a solid hydrogen target was assumed, and electrodes to which a voltage can be applied (inner conductor, outer conductor, solid hydrogen target) were arranged, an arbitrary voltage was set to form an electric field, and a muon (weight 0.11 au) was arranged as the charged particle 1 within the electric field, and the subsequent trajectory of the muon was obtained.
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。 As shown in FIG. 10, an actual muon catalyzed nuclear fusion experiment is carried out as follows. That is, first, a rectangular plate-shaped solid hydrogen target 32 is placed inside a rectangular box-shaped thermal shield 31. Here, the surface of the solid hydrogen target 32 is coated with deuterium or tritium, deuterium or tritium is added, and it is cooled to an extremely low temperature. In addition, the charged particle transport device 10 shown in FIG. 4 is placed on the side of the solid hydrogen target 32 so as to extend in a direction parallel to the surface of the solid hydrogen target 32. At this time, the end of the outer conductor 12 of the charged particle transport device 10 on the side of the solid hydrogen target 32 is placed inside the thermal shield 31, and a circular metal foil 33 for muon detection is placed on the opposite end of the outer conductor 12. The metal foil 33 is made of titanium, is connected to the inner conductor 11, and is at the same potential as the inner conductor 11.
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。 In the experiment, high-energy negative muon particles are bombarded by an accelerator into the back surface of the solid hydrogen target 32 from a direction perpendicular to the back surface. As a result, negative muon particles decelerated to about 10 keV are isotropically emitted from the surface of the solid hydrogen target 32 by the Ramsauer-Townsend effect, which is a low-temperature quantum effect, and the muon catalyzed nuclear fusion reaction. Of the emitted muon particles, some of those that enter the inside of the outer conductor 12 from the end on the side of the solid hydrogen target 32 are transported through the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 to the opposite end, where they hit the metal foil 33 and are detected. In order to simulate this muon catalyzed nuclear fusion experiment, a model shown in FIG. 11 was created. In the model shown in FIG. 11, the outer diameter of the inner conductor 11 is 1 mm, the inner diameter of the outer conductor 12 is 56 mm, the radius of the metal foil 33 is 58 mm, and the length of the inner conductor 11 and the outer conductor 12 is about 1.1 m.
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。 First, to confirm that the charged particle transport device 10 can transport the charged particle 1, a solid hydrogen target 32 was placed at one end of the outer conductor 12 perpendicular to the length direction of the inner conductor 11 and the outer conductor 12, and the trajectory of the muon emitted from its center was determined by simulation. In the simulation, a potential of +10 kV was applied to the solid hydrogen target 32 and the inner conductor 11, and the outer conductor 12 was set to ground potential (0 V).
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。 The results of the simulation are shown in Figure 12. Figure 12 shows an example of the potential distribution formed by the solid hydrogen target 32, the inner conductor 11, and the outer conductor 12 (see equipotential lines 2 in the figure), as well as the orbits of 10-30 keV muons moving in response to it. As shown in Figure 12, it was confirmed that some of the muons emitted from the solid hydrogen target 32 entered an orbit that revolved in the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12, and were transported to the end opposite the solid hydrogen target 32. Orbit 1e in the figure is the orbit of a 10 keV negative muon emitted at an elevation angle of 15 degrees, and orbit 1f in the figure is the orbit of a 30 keV negative muon emitted at an elevation angle of 15 degrees.
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。 In addition, muons, which are elementary particles, are unstable particles that decay with a lifetime of 2.2 microseconds, but can be transported a distance of several meters within that lifetime. In reality, many noise particles such as electrons, positrons, and photons with various energies are present near the solid hydrogen target 32 exposed to high-energy particles. In the charged particle transport device 10, negative muons are not lost due to factors other than their lifetime, but the noise particles become smaller in inverse proportion to the square of the distance, so that background noise can be significantly reduced by transporting them a few meters. For example, when the amount of photons (noise) due to the incidence of one muon was calculated using PHITS described in Non-Patent Document 9, it was 2.7×10 −3 at a position where the transport distance by the charged particle transport device 10 was 400 mm, and 1.5×10 −4 at a position where the transport distance was 1100 mm. In addition, by increasing the transport distance of the muons, the space for arranging shielding materials to shield the noise can be increased, so that noise can be further reduced. In this way, the charged particle transport device 10 can efficiently transport only particles having a specific energy, mainly consisting of negative muons, to a location away from the solid hydrogen target 32, making it possible to conduct experiments and observations using negative muons in an environment with little noise.
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。 Using the model shown in FIG. 11, which assumes a muon-catalyzed nuclear fusion experiment, the trajectory of the muon emitted from the solid hydrogen target 32 was obtained by simulation. In the simulation, a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11, the solid hydrogen target 32 and the outer conductor 12 were set to ground potential (0 V), and other conditions were the same as in Example 1. The trajectories of the muons obtained by the simulation are shown in FIG. 13. FIG. 13(a) shows the trajectories when there is no thermal shield 31 to protect the solid hydrogen target 32, and FIG. 13(b) shows the trajectories when a more precise simulation was performed with the addition of a thermal shield 31 to protect the solid hydrogen target 32. As shown in FIGS. 13(a) and (b), it was confirmed that some of the muons emitted from the solid hydrogen target 32 entered the space between the inner conductor 11 and the outer conductor 12, drew a trajectory 1a that rotated in that space, and were transported to the metal foil 33 on the opposite side of the solid hydrogen target 32.
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)。 Using the model shown in FIG. 11, a simulation was performed for muons having any kinetic energy emitted from the solid hydrogen target 32, and the arrival rate of muons that reached the metal foil 33 by the charged particle transport device 10 was obtained. The simulation conditions were the same as in Example 2. In the simulation, the trajectories of 100,000 muons were obtained for each of multiple kinetic energies in the range of 0.25 to 30 keV, and it was confirmed how many of them reached the metal foil 33. Note that in the simulation, only muons that have a component that is directed in the opposite direction to the direction of the solid hydrogen target 32, that is, toward the charged particle transport device 10, were used. Here, the number of muons that reached the metal foil 33 obtained in the simulation was divided by the number of muons simulated (here, 100,000), and the arrival rate was determined (the same applies below).
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。 The change in the arrival rate with respect to the kinetic energy of the muons is summarized and shown in Figure 14. As shown in Figure 14, in the range of 0.25 to 30 keV, it was confirmed that the arrival rate decreases as the kinetic energy of the muons increases. It was also confirmed that the arrival rate at this time was approximately 0.004 to approximately 0.15. When no potential difference is applied between the inner conductor 11 and the outer conductor 12, that is, when the inner conductor 11, the outer conductor 12, and the solid hydrogen target 32 are at 0 V, the arrival rate can be calculated using the solid angle corresponding to the surface area of the metal foil 33, and is approximately 0.002. From this, it can be said that the arrival rate is approximately 2 to 70 times higher with the charged particle transport device 10, and the transport efficiency of the charged particles is improved.
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。 The trajectory of muons emitted from the solid hydrogen target 32 was obtained by simulation using a model having curved parts in the middle of the inner conductor 11 and the outer conductor 12 of the model shown in FIG. 11. In the model used, curved parts (curvature radius R = 144 mm) were inserted at the ends of the inner conductor 11 and the outer conductor 12 on the metal foil 33 side, where the inner conductor 11 and the outer conductor 12 were curved at a constant curvature so that the extension direction of each was bent by 90 degrees. In the simulation, the trajectory of muons was obtained for two cases: when a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11 of the straight part and the curved part, and when a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11 of the straight part and +30 kV was applied to the inner conductor 11 of the curved part. The kinetic energy of the muons was 10 keV. In both cases, the solid hydrogen target 32 and the outer conductor 12 were at ground potential (0 V), and other conditions were the same as in Example 2.
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。 The trajectories of the muons obtained by simulation for each case are shown in Figures 15(a) and (b), respectively. When a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11 of the straight section 25a and the curved section 25b shown in Figure 15(a), it was confirmed that more muons were unable to bend at the curved section 25b and collided with the outer conductor 12, and fewer muons reached the metal foil 33, compared to when a potential of +10 kV was applied to the straight section 25a and +30 kV was applied to the curved section 25b shown in Figure 15(b).
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。 For each simulation shown in FIG. 15, the arrival rate was calculated from the number of muons that reached the metal foil 33. In addition, a simulation was performed in which the radius of curvature of the curved portion 25b was halved (R = 72 mm), and a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11 of the straight portion 25a and +30 kV was applied to the inner conductor 11 of the curved portion 25b, and the arrival rate was calculated. For comparison, a simulation was also performed in which the curved portion 25b was not provided, and the arrival rate was calculated. The ratio of the arrival rate (relative arrival rate) for each case with the curved portion 25b was calculated, assuming that the arrival rate for the case without the curved portion 25b was 1, and the results are shown in Table 1. Note that the distance from the solid hydrogen target 32 to the metal foil 33 (the length of the inner conductor 11) was the same in all cases.
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。 As shown in Table 1, even if the radius of curvature of the curved portion 25b is changed, the relative arrival rate hardly changes, and it was confirmed that within the range of the radius of curvature in this simulation, the radius of curvature does not have a significant effect on the arrival rate. In contrast, it was confirmed that when the potential of the inner conductor 11 of the curved portion 25b is increased above the potential of the straight portion 25a, that is, when the potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 is made larger in the curved portion 25b than in the straight portion 25a, the relative arrival rate is significantly improved. This is thought to be because when the potential difference between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 is made larger in the curved portion 25b, the force that attracts muons to the inner conductor 11 becomes stronger in the curved portion 25b, and the number of muons that cannot bend can be reduced.
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。 When the curved portion 25b is provided, the solid hydrogen target 32 and the metal foil 33 have the advantage that they cannot be seen in a straight line. In other words, in addition to the required muons, the solid hydrogen target 32 also emits various high-energy particles and X-ray particles as secondary radiation, but charged particles 1 with higher energy than muons travel straight without bending at the curved portion 25b, and X-ray particles travel straight without bending in the electromagnetic field. For this reason, by providing the curved portion 25b, noise particles traveling straight can be shielded and only the required muons can be made to enter the metal foil 33, greatly reducing background noise during observation. In this way, when the curved portion 25b is provided, the arrival rate is lower than when the curved portion 25b is not provided, but the background noise can be reduced, so it is considered effective to insert the curved portion 25b when the decrease in the arrival rate is smaller than the decrease in the background noise.
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。 As shown in Figure 5, a model having a potential variable section 21 capable of changing the potential in part of the outer conductor 12 of the model shown in Figure 11 was used to obtain the trajectory of muons emitted from the solid hydrogen target 32 by simulation. In the simulation, a potential of +10 kV was applied to the inner conductor 11, and the potential of the potential variable section 21 was changed in 1 kV increments from 0 kV to -10 kV. In addition, the solid hydrogen target 32 and the outer conductor 12 other than the potential variable section 21 were set to ground potential (0 V), and the other conditions were the same as in Example 2.
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。 Figure 16(a) shows the trajectories of muons when the potential of the potential variable section 21 is 5 kV. Figure 16(b) shows the arrival rate for each potential difference (filter potential) between the outer conductor 11 other than the potential variable section 21 and the potential variable section 21 when the kinetic energy of the muon is set to 0.5 to 20 keV and the potential of the potential variable section 21 is changed. As shown in Figure 16(a), when a potential of the opposite sign to that of the inner conductor 11 is applied to the potential variable section 21, the force attracting the muon to the inner conductor 11 becomes stronger due to the formed potential distribution (see equipotential line 2 in the figure). Therefore, muons with high energy (see trajectory 1g) pass through the potential variable section 21, but muons with low energy (see trajectory 1h) collide with the inner conductor 11 or are reflected toward the solid hydrogen target 32, and are unable to pass through the potential variable section 21. As shown in FIG. 16(b), it was confirmed that the arrival rate changes depending on the potential of the potential variable section 21 and the energy of the muon, and in particular, the arrival rate of muons with low energy changes significantly depending on the potential of the potential variable section 21. From this, it is possible to obtain a filter effect that removes muons with low energy by adjusting the potential of the potential variable section 21. It is also believed that the kinetic energy distribution of muons can be obtained by performing observations while changing the potential of the potential variable section 21.
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(VC)を+10 kVとし、固体水素標的32の電位(VT)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。 11, a simulation was performed by changing the potential of the solid hydrogen target 32 to obtain the arrival ratio. In the simulation, the potential (V C ) of the inner conductor 11 was set to +10 kV, and the potential (V T ) of the solid hydrogen target 32 was set to 0 kV, 1 kV, 5 kV, and 10 kV. The outer conductor 12 was set to ground potential (0 V), and the other conditions were the same as in Example 2.
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。 The muon kinetic energy was set to 0.25 to 20 keV, and the arrival rate at each potential was determined when the potential of the solid hydrogen target 32 was changed, and is shown in Figure 17. As shown in Figure 17, it was confirmed that the arrival rate changes depending on the potential of the solid hydrogen target 32 and the muon energy, and in particular, the arrival rate of muons with low energy changes significantly depending on the potential of the solid hydrogen target 32. From this, it can be seen that by adjusting the potential of the solid hydrogen target 32, a filter effect that removes low-energy muons can be obtained. It is also believed that the kinetic energy distribution of muons can be obtained by performing observations while changing the potential of the solid hydrogen target 32.
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
1 Charged particle 1a (spiral) orbit 1b-1g orbit 2 Equipotential line
10: Charged particle transport device 11: Inner conductor 12: Outer conductor 13: Potential difference applying means
21 potential variable section 22a outer tube 22b insert 23 magnetic field application means 24 particle storage section 25a straight section 25b curved section
31 Thermal shield 32 Solid hydrogen target 33 Metal foil
Claims (8)
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。 an inner conductor consisting of a single elongated conductor ;
an outer conductor arranged to cover all or a part of a side surface of the inner conductor with a gap between the outer conductor and the inner conductor and extend along a longitudinal direction of the inner conductor;
a potential difference applying means for applying a predetermined potential to the inner conductor and applying a potential difference between the inner conductor and the outer conductor;
A charged particle transport device characterized in that, when the potential difference is applied by the potential difference application means, a charged particle takes a helical trajectory in the space between the inner conductor and the outer conductor, moving along the length of the inner conductor while circling around the inner conductor, and a force toward the inner conductor is constantly applied to the charged particle so as to maintain the helical trajectory .
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。 the outer conductor is elongated and tubular;
2. The charged particle transport device according to claim 1, wherein the inner conductor is disposed inside the outer conductor and coaxially with the outer conductor.
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、an outer conductor arranged to cover all or a part of a side surface of the inner conductor with a gap between the outer conductor and the inner conductor and extend along a longitudinal direction of the inner conductor;
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、a potential difference applying means provided so as to be able to apply a potential difference between the inner conductor and the outer conductor;
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、a magnetic field applying means provided outside the outer conductor so as to be capable of applying a magnetic field to a space between the inner conductor and the outer conductor;
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When the potential difference is applied by the potential difference applying means, a force directed toward the inner conductor is constantly applied to the charged particles in the space between the inner conductor and the outer conductor, so that the charged particles can move along the length of the inner conductor while revolving around the inner conductor.
特徴とする荷電粒子輸送装置。A charged particle transport device comprising:
The charged particle transport device according to claim 7, characterized in that the magnetic field application means is provided in two or more locations spaced apart from each other along the longitudinal direction of the outer conductor, and is configured to be able to confine the charged particles within the space by the magnetic field applied to the space by any two of the magnetic field application means.
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