JP2000138099A - 高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴 - Google Patents
高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 μ'Qf値が大きい高性能な高周波加速空胴用
磁心およびこれを用いた高周波加速空胴を提供する 【解決手段】 少なくとも一方の面に層間絶縁膜を有す
る平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%
以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回したモー
ルド磁心であって、当該モールド磁心の磁路の少なくと
も一部に空隙を有することを特徴とする高周波加速空胴
用磁心である。そして、上述した加速空胴用磁心を直列
に複数個配置したスタックコアを、高電圧ギャップを介
して対向設置することで、優れた高周波加速空胴を提供
することが可能となる。
磁心およびこれを用いた高周波加速空胴を提供する 【解決手段】 少なくとも一方の面に層間絶縁膜を有す
る平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%
以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回したモー
ルド磁心であって、当該モールド磁心の磁路の少なくと
も一部に空隙を有することを特徴とする高周波加速空胴
用磁心である。そして、上述した加速空胴用磁心を直列
に複数個配置したスタックコアを、高電圧ギャップを介
して対向設置することで、優れた高周波加速空胴を提供
することが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子を加速する
加速器に用いられる高周波加速空胴用磁心およびこれを
用いた高周波加速空胴に関する。
加速器に用いられる高周波加速空胴用磁心およびこれを
用いた高周波加速空胴に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、加速器は原子核物理学の研究のみ
ならず、医療、材料科学、生命科学などの先端技術開発
に広く用いられるようになってきている。シンクロトロ
ンでは、イオンを加速するために高周波電圧を発生させ
る高周波加速空胴が必要となる。通常、空胴共振器内に
磁性体を用いた周波数帯域が数MHzの加速空胴が採用さ
れており、特に、大強度陽子加速器に用いられる加速空
胴には高い加速電圧が必要とされている。
ならず、医療、材料科学、生命科学などの先端技術開発
に広く用いられるようになってきている。シンクロトロ
ンでは、イオンを加速するために高周波電圧を発生させ
る高周波加速空胴が必要となる。通常、空胴共振器内に
磁性体を用いた周波数帯域が数MHzの加速空胴が採用さ
れており、特に、大強度陽子加速器に用いられる加速空
胴には高い加速電圧が必要とされている。
【０００３】磁性体を装荷した高周波加速空胴は図５に
示すように、円筒状の真空ダクト1の中央に加速間隙2を
有し、真空ダクト1の周囲に磁心3ｂと磁心３ｃが対向し
て装荷されており、真空ダクト1と外側カバー5で同軸伝
送線路が構成されている。高周波電源4により給電する
ことにより、磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパ
シタンスとの共振により高周波電圧が加速間隙に発生
し、イオンビームはこの高周波電圧により加速される。
更に、イオンビームの加速エネルギーの増加に伴って周
回速度が上がるため、加速空胴の共振周波数を時間と共
に上げる必要があり、通常、バイアス電源6を設置して
おり、磁心に巻線を施すことにより、バイアス電流が作
る外部磁界で磁心の透磁率を制御することで対応してい
る。
示すように、円筒状の真空ダクト1の中央に加速間隙2を
有し、真空ダクト1の周囲に磁心3ｂと磁心３ｃが対向し
て装荷されており、真空ダクト1と外側カバー5で同軸伝
送線路が構成されている。高周波電源4により給電する
ことにより、磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパ
シタンスとの共振により高周波電圧が加速間隙に発生
し、イオンビームはこの高周波電圧により加速される。
更に、イオンビームの加速エネルギーの増加に伴って周
回速度が上がるため、加速空胴の共振周波数を時間と共
に上げる必要があり、通常、バイアス電源6を設置して
おり、磁心に巻線を施すことにより、バイアス電流が作
る外部磁界で磁心の透磁率を制御することで対応してい
る。
【０００４】従来、加速空胴用磁心にはNi-Znフェライ
トが用いられてきた。また、最近では特開平6-333717号
および特許番号第2856130号に開示の粒径50nm以下の微
細なナノ結晶粒が組織の少なくとも50%を占めるナノ結
晶軟磁性合金薄帯を用いた磁心を加速空胴として適用す
ることが提案されている。これらの技術については、吉
井：”高周波加速空胴”、高エネルギー加速器セミナ
ー、OHO96(1996)などに記載されている。
トが用いられてきた。また、最近では特開平6-333717号
および特許番号第2856130号に開示の粒径50nm以下の微
細なナノ結晶粒が組織の少なくとも50%を占めるナノ結
晶軟磁性合金薄帯を用いた磁心を加速空胴として適用す
ることが提案されている。これらの技術については、吉
井：”高周波加速空胴”、高エネルギー加速器セミナ
ー、OHO96(1996)などに記載されている。
【０００５】加速空胴用磁心の性能は、動作周波数fに
おける磁心の複素透磁率の実数部μ'およびQ値を用いた
μ'Qf値にて評価され、この値が高い磁心を使用するこ
とにより、損失が小さく、高効率で動作する優れた加速
空胴が得られる。なお、Q値は複素透磁率の実数部μ'と
虚数部μ"の比μ'／μ"で定義され、この値が大きいほ
ど優れた磁心であることを意味する。
おける磁心の複素透磁率の実数部μ'およびQ値を用いた
μ'Qf値にて評価され、この値が高い磁心を使用するこ
とにより、損失が小さく、高効率で動作する優れた加速
空胴が得られる。なお、Q値は複素透磁率の実数部μ'と
虚数部μ"の比μ'／μ"で定義され、この値が大きいほ
ど優れた磁心であることを意味する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】Ni-Znフェライト磁心
を用いた加速空胴は、飽和磁束密度、キュリー温度が低
いため加速間隙の高電圧化が困難であった。加速電圧を
高くするために高電力を投入するとフェライトの発熱に
より磁気飽和が起こるためμ'Qf値が著しく低下し、加
速空胴の動作が不安定になる問題があった。また、上記
ナノ結晶軟磁性合金を用いた場合は、加速空胴が動作す
るMHz帯域におけるQ値が小さいためμ'Qf値が低くな
り、加速空胴として損失が大きく充分な性能が得られな
い問題があった。
を用いた加速空胴は、飽和磁束密度、キュリー温度が低
いため加速間隙の高電圧化が困難であった。加速電圧を
高くするために高電力を投入するとフェライトの発熱に
より磁気飽和が起こるためμ'Qf値が著しく低下し、加
速空胴の動作が不安定になる問題があった。また、上記
ナノ結晶軟磁性合金を用いた場合は、加速空胴が動作す
るMHz帯域におけるQ値が小さいためμ'Qf値が低くな
り、加速空胴として損失が大きく充分な性能が得られな
い問題があった。
【０００７】本発明は前記課題を解決するためになされ
たものであって、μ'Qf値が大きい高性能な高周波加速
空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴を提供す
ることを目的とする。
たものであって、μ'Qf値が大きい高性能な高周波加速
空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴を提供す
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、ナノ結晶軟
磁性合金薄帯の特性を高周波加速空胴として利用するこ
とを鋭意検討した。その結果、モールド磁心として形成
すると共に、磁路の少なくとも一部に空隙を有するよう
にすれば、優れた特性を得ることができることを見出
し、本発明に到達した。即ち、本発明は、少なくとも一
方の面に層間絶縁膜を有する平均粒径が100nm以下のbcc
-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性
合金薄帯を巻き回したモールド磁心であって、当該モー
ルド磁心の磁路の少なくとも一部に空隙を有することを
特徴とする高周波加速空胴用磁心である。そして、上述
した加速空胴用磁心を直列に複数個配置したスタックコ
アを、高電圧ギャップを介して対向設置することで、優
れた高周波加速空胴を提供することが可能となる。
磁性合金薄帯の特性を高周波加速空胴として利用するこ
とを鋭意検討した。その結果、モールド磁心として形成
すると共に、磁路の少なくとも一部に空隙を有するよう
にすれば、優れた特性を得ることができることを見出
し、本発明に到達した。即ち、本発明は、少なくとも一
方の面に層間絶縁膜を有する平均粒径が100nm以下のbcc
-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性
合金薄帯を巻き回したモールド磁心であって、当該モー
ルド磁心の磁路の少なくとも一部に空隙を有することを
特徴とする高周波加速空胴用磁心である。そして、上述
した加速空胴用磁心を直列に複数個配置したスタックコ
アを、高電圧ギャップを介して対向設置することで、優
れた高周波加速空胴を提供することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の加速空胴に使用する磁心
の形状の一例を図１に示す。この図は、ナノ結晶軟磁性
合金薄帯を巻き回した磁心３ａに、磁路に空隙10を設け
たものである。本発明において、空隙を設けるのは、空
隙の形成により磁気共鳴が起こる周波数がより高周波側
にシフトするので、MHz帯域においてμ'を極力低下させ
ずにQ値を大きくすることが可能となるためである。こ
れにより、結果としてのμ'Qf値が高くなり、高性能な
加速空胴が実現できるものである。もちろん、図２に示
すように２カ所の空隙を用いたり、それ以上の空隙を形
成しても良い。なお、空隙の間隔や個数が大きくなると
Ｑ値は大きくなるが、基本的な磁気特性であるμ'が低
下するため、必要に応じて調整する必要がある。また、
空隙にはエポキシ系樹脂などの電気絶縁材を挿入するこ
とができる。空隙を設けるための磁心の切断は、砥石、
ワイヤー放電、ウォータージェット、レーザなどの加工
方法により行うことができる。切断面はそのままの状態
で使用することもできるが、バフ研磨あるいは化学研磨
により切断面を平滑化することにより、渦電流損失をよ
り一層低下させることができる。
の形状の一例を図１に示す。この図は、ナノ結晶軟磁性
合金薄帯を巻き回した磁心３ａに、磁路に空隙10を設け
たものである。本発明において、空隙を設けるのは、空
隙の形成により磁気共鳴が起こる周波数がより高周波側
にシフトするので、MHz帯域においてμ'を極力低下させ
ずにQ値を大きくすることが可能となるためである。こ
れにより、結果としてのμ'Qf値が高くなり、高性能な
加速空胴が実現できるものである。もちろん、図２に示
すように２カ所の空隙を用いたり、それ以上の空隙を形
成しても良い。なお、空隙の間隔や個数が大きくなると
Ｑ値は大きくなるが、基本的な磁気特性であるμ'が低
下するため、必要に応じて調整する必要がある。また、
空隙にはエポキシ系樹脂などの電気絶縁材を挿入するこ
とができる。空隙を設けるための磁心の切断は、砥石、
ワイヤー放電、ウォータージェット、レーザなどの加工
方法により行うことができる。切断面はそのままの状態
で使用することもできるが、バフ研磨あるいは化学研磨
により切断面を平滑化することにより、渦電流損失をよ
り一層低下させることができる。
【００１０】磁心に平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶
体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄
帯を用いることにより飽和磁束密度、キュリー温度が共
に高いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が容
易に達成できる。上述したように、空隙の形成は、μ'
の低下に繋がるため、空隙のない場合のμ'ができるだ
け大きい磁性材料が要求される。すなわち低磁歪で結晶
磁気異方性が小さい高周波特性に優れる素材であること
が必要である。これらの条件を満たす磁性材料として本
発明者は、上述したナノ結晶軟磁性合金薄帯を選択した
のである。
体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄
帯を用いることにより飽和磁束密度、キュリー温度が共
に高いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が容
易に達成できる。上述したように、空隙の形成は、μ'
の低下に繋がるため、空隙のない場合のμ'ができるだ
け大きい磁性材料が要求される。すなわち低磁歪で結晶
磁気異方性が小さい高周波特性に優れる素材であること
が必要である。これらの条件を満たす磁性材料として本
発明者は、上述したナノ結晶軟磁性合金薄帯を選択した
のである。
【００１１】本発明磁心のモールドは、磁路に空隙を設
けるすなわち磁心を切断する場合に、層間絶縁が施され
た合金薄帯同士を固着させ、切断時薄帯の脱落を防止す
るために不可欠である。モールド材としては、エポキシ
系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、変性ア
ルキルシリケートを主成分とするワニス、シリコーン系
樹脂などを使用することができる。モールドは真空中あ
るいは減圧下で行うことが望ましい。これによりピンホ
ールなどの欠陥を発生させずに均一にモールドできる。
モールド後、磁心は室温あるいは100〜200℃に数時間保
持して硬化させることができる。
けるすなわち磁心を切断する場合に、層間絶縁が施され
た合金薄帯同士を固着させ、切断時薄帯の脱落を防止す
るために不可欠である。モールド材としては、エポキシ
系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、変性ア
ルキルシリケートを主成分とするワニス、シリコーン系
樹脂などを使用することができる。モールドは真空中あ
るいは減圧下で行うことが望ましい。これによりピンホ
ールなどの欠陥を発生させずに均一にモールドできる。
モールド後、磁心は室温あるいは100〜200℃に数時間保
持して硬化させることができる。
【００１２】本発明においては、層間絶縁膜を形成する
ことが好ましい。層間絶縁膜を形成した場合の磁心の構
造は、たとえば、模式図として図３に示す断面構造を有
するものである。図３において、磁心３ａは層間絶縁膜
7を有するナノ結晶軟磁性合金薄帯8から構成され、周囲
を樹脂9によりモールドしたものである。ナノ結晶軟磁
性合金薄帯の少なくとも一方の面に層間絶縁膜を形成さ
せることにより渦電流損失を低減し、MHz帯域における
μ'の低下を抑制できる。層間絶縁膜の厚さは0.5〜5μm
が好ましく、より好ましくは1〜3μmである。絶縁膜厚
が0.5μm未満の場合は渦電流損失によるμ'の低下が著
しくなり、逆に5μmを超えると磁心に応力歪みが発生す
るためμ'が劣化し、加速空胴としての性能が低下する
場合があるためである。
ことが好ましい。層間絶縁膜を形成した場合の磁心の構
造は、たとえば、模式図として図３に示す断面構造を有
するものである。図３において、磁心３ａは層間絶縁膜
7を有するナノ結晶軟磁性合金薄帯8から構成され、周囲
を樹脂9によりモールドしたものである。ナノ結晶軟磁
性合金薄帯の少なくとも一方の面に層間絶縁膜を形成さ
せることにより渦電流損失を低減し、MHz帯域における
μ'の低下を抑制できる。層間絶縁膜の厚さは0.5〜5μm
が好ましく、より好ましくは1〜3μmである。絶縁膜厚
が0.5μm未満の場合は渦電流損失によるμ'の低下が著
しくなり、逆に5μmを超えると磁心に応力歪みが発生す
るためμ'が劣化し、加速空胴としての性能が低下する
場合があるためである。
【００１３】層間絶縁膜はSiO2、Al2O3、MgOなどが使用
できる。この場合、金属アルコキシドを含有するアルコ
ール溶液を合金薄帯に塗布、乾燥させることにより形成
させる方法、粉末を浸漬法、スプレー法、電気泳動法に
より付着させる方法、スパッター法や蒸着法で成膜させ
る方法、熱処理により薄帯表面に形成させる方法などを
適用して形成することができる。磁心を構成するナノ結
晶軟磁性合金薄帯の厚さは、たとえば10〜30μm、好ま
しくは15〜25μmである。厚さが10μm未満の薄帯を製造
することは難しく、一方、薄帯厚さが30μmを超える
と、磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性能が
劣化したり、薄帯の靭性が低下する場合があるためであ
る。
できる。この場合、金属アルコキシドを含有するアルコ
ール溶液を合金薄帯に塗布、乾燥させることにより形成
させる方法、粉末を浸漬法、スプレー法、電気泳動法に
より付着させる方法、スパッター法や蒸着法で成膜させ
る方法、熱処理により薄帯表面に形成させる方法などを
適用して形成することができる。磁心を構成するナノ結
晶軟磁性合金薄帯の厚さは、たとえば10〜30μm、好ま
しくは15〜25μmである。厚さが10μm未満の薄帯を製造
することは難しく、一方、薄帯厚さが30μmを超える
と、磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性能が
劣化したり、薄帯の靭性が低下する場合があるためであ
る。
【００１４】また、磁心の占積率は、好ましくは60〜80
%、さらに好ましくは65〜75%であり、この範囲で高性能
な加速空胴用磁心が得られる。ここで、占積率とは見か
けの磁心体積に対する磁性体のみが占める体積の空間的
な比率で定義される。占積率が60%未満の場合は空間が
多すぎて磁心の製造自体が困難となり、占積率が80%を
超えると磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性
能が低下する場合があるためである。
%、さらに好ましくは65〜75%であり、この範囲で高性能
な加速空胴用磁心が得られる。ここで、占積率とは見か
けの磁心体積に対する磁性体のみが占める体積の空間的
な比率で定義される。占積率が60%未満の場合は空間が
多すぎて磁心の製造自体が困難となり、占積率が80%を
超えると磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性
能が低下する場合があるためである。
【００１５】本発明に係わる磁心を構成するナノ結晶磁
性合金薄帯としては、Feを主体とし、Cu、Auから選ばれ
る少なくとも1種の元素およびTi、V、Zr、Nb、Mo、Hf、
Ta、Wから選ばれる少なくとも1種の元素を必須元素とし
て含むものが適している。例えば、特公平4-4393号に開
示のFe-Cu-Nb-Si-B系の他、Fe-Cu-Nb-Zr-Si-B系、Fe-Cu
-Nb-Zr-B系、Fe-Mo-B系、Fe-Nb-B系、Fe-Zr-B系、Fe-Cu
-Zr-B系、Fe-Nb-Al-Si-B系などがあげられる。
性合金薄帯としては、Feを主体とし、Cu、Auから選ばれ
る少なくとも1種の元素およびTi、V、Zr、Nb、Mo、Hf、
Ta、Wから選ばれる少なくとも1種の元素を必須元素とし
て含むものが適している。例えば、特公平4-4393号に開
示のFe-Cu-Nb-Si-B系の他、Fe-Cu-Nb-Zr-Si-B系、Fe-Cu
-Nb-Zr-B系、Fe-Mo-B系、Fe-Nb-B系、Fe-Zr-B系、Fe-Cu
-Zr-B系、Fe-Nb-Al-Si-B系などがあげられる。
【００１６】次に、本発明の磁心を製造方法の一例につ
いて説明をしておく。まず、上記した所定組成の合金溶
湯から単ロール法などの液体急冷法により非晶質合金薄
帯を作製する。この非晶質合金薄帯は結晶相を含んでも
良いが、その後の熱処理によりナノ結晶粒を均一に生成
させるためには非晶質単相であることが望ましい。次
に、上記した方法で層間絶縁を施した後、非晶質合金薄
帯を巻き回して磁心を製造した後熱処理を行う。
いて説明をしておく。まず、上記した所定組成の合金溶
湯から単ロール法などの液体急冷法により非晶質合金薄
帯を作製する。この非晶質合金薄帯は結晶相を含んでも
良いが、その後の熱処理によりナノ結晶粒を均一に生成
させるためには非晶質単相であることが望ましい。次
に、上記した方法で層間絶縁を施した後、非晶質合金薄
帯を巻き回して磁心を製造した後熱処理を行う。
【００１７】熱処理は本発明に係わる平均粒径が100nm
以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ
結晶組織を得るために必須である。熱処理温度および時
間は磁心の形状あるいは磁心を構成する合金薄帯の組成
により異なるが、一般的には450〜700℃で5分から24時
間程度であり、好ましくは500〜600℃で20分から6時間
である。熱処理温度が450℃未満であると結晶化が起こ
りにくく、熱処理に時間がかかり過ぎ、700℃を超える
と粗大な結晶粒が不均一に生成する恐れがあり、ナノ結
晶粒を均一に得ることができなくなるからである。
以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ
結晶組織を得るために必須である。熱処理温度および時
間は磁心の形状あるいは磁心を構成する合金薄帯の組成
により異なるが、一般的には450〜700℃で5分から24時
間程度であり、好ましくは500〜600℃で20分から6時間
である。熱処理温度が450℃未満であると結晶化が起こ
りにくく、熱処理に時間がかかり過ぎ、700℃を超える
と粗大な結晶粒が不均一に生成する恐れがあり、ナノ結
晶粒を均一に得ることができなくなるからである。
【００１８】熱処理時間については、5分未満では磁心
全体を均一な温度とすることが困難でありμ'がばらつ
きやすく、24時間より長いと生産性が悪くばかりでな
く、結晶粒の過剰な成長や不均一な形態の結晶粒の生成
により磁気特性の劣化が起きやすくなる。熱処理雰囲気
は真空中、窒素、アルゴン、水素などの不活性ガス雰囲
気中、還元性ガス雰囲気中が望ましいが、大気中などの
酸化性雰囲気でも良い。冷却は空冷、炉冷など適宜選択
できる。
全体を均一な温度とすることが困難でありμ'がばらつ
きやすく、24時間より長いと生産性が悪くばかりでな
く、結晶粒の過剰な成長や不均一な形態の結晶粒の生成
により磁気特性の劣化が起きやすくなる。熱処理雰囲気
は真空中、窒素、アルゴン、水素などの不活性ガス雰囲
気中、還元性ガス雰囲気中が望ましいが、大気中などの
酸化性雰囲気でも良い。冷却は空冷、炉冷など適宜選択
できる。
【００１９】熱処理は直流あるいは交流などの磁場中で
行うこともできる。磁場中熱処理により磁心に磁気異方
性を付与して磁気特性の向上を図ることができる。磁場
は熱処理の全期間印加する必要はなく、合金薄帯のキュ
リー温度より低い温度に保持されている期間中であれば
良い。また、印加する磁場の強さは磁心が磁気飽和する
程度で良く、一般的には1000A/m以上が望ましい。
行うこともできる。磁場中熱処理により磁心に磁気異方
性を付与して磁気特性の向上を図ることができる。磁場
は熱処理の全期間印加する必要はなく、合金薄帯のキュ
リー温度より低い温度に保持されている期間中であれば
良い。また、印加する磁場の強さは磁心が磁気飽和する
程度で良く、一般的には1000A/m以上が望ましい。
【００２０】熱処理した磁心を上記のように樹脂によっ
てモールドした後、磁心の一部を切断することにより空
隙を設ける。最後に、空隙部分にスペーサを挿入し、非
磁性金属のバンドで磁心外周を固定する。特に、外径が
500mmを超えるような大型磁心の場合は、図４に示すよ
うに自重による変形を防止するために、磁心の内側に非
磁性金属や絶縁物などで内芯11を配し、非磁性金属のバ
ンド12で磁心外周を固定すると共に、非磁性金属や絶縁
物などの支持板13にて補強する方法を取ることが望まし
い。非磁性金属としてはステンレス鋼、真鍮、アルミニ
ウムなど、絶縁材としてはエポキシ系樹脂、フェノール
樹系樹脂、繊維強化プラスチック、セラミックスなどを
あげることができる。また、磁心の発熱を防止するため
に熱伝導率の高い材質、例えばCu製パイプを磁心周囲に
配置し、パイプ内部に冷却水を循環させて磁心を冷却す
ることができる。
てモールドした後、磁心の一部を切断することにより空
隙を設ける。最後に、空隙部分にスペーサを挿入し、非
磁性金属のバンドで磁心外周を固定する。特に、外径が
500mmを超えるような大型磁心の場合は、図４に示すよ
うに自重による変形を防止するために、磁心の内側に非
磁性金属や絶縁物などで内芯11を配し、非磁性金属のバ
ンド12で磁心外周を固定すると共に、非磁性金属や絶縁
物などの支持板13にて補強する方法を取ることが望まし
い。非磁性金属としてはステンレス鋼、真鍮、アルミニ
ウムなど、絶縁材としてはエポキシ系樹脂、フェノール
樹系樹脂、繊維強化プラスチック、セラミックスなどを
あげることができる。また、磁心の発熱を防止するため
に熱伝導率の高い材質、例えばCu製パイプを磁心周囲に
配置し、パイプ内部に冷却水を循環させて磁心を冷却す
ることができる。
【００２１】本発明における高周波加速空胴は、たとえ
ば上述した図５に示す加速空胴として使用することがで
きる。図５に示す加速空胴は、上述した本発明の加速空
胴用磁心３ａを直列に複数個配置したスタックコアを、
図５に示す磁心３ｂとし、加速間隙２を介して同様のス
タックコアで形成した磁心３ｃを対向設置すれば良い。
本発明の加速空胴で使用する磁心３ｂあるいは磁心３ｃ
を構成する本発明の加速空胴用磁心３ａのスタック数
は、磁心に要求される有効断面積を確保するために適宜
選択できる。
ば上述した図５に示す加速空胴として使用することがで
きる。図５に示す加速空胴は、上述した本発明の加速空
胴用磁心３ａを直列に複数個配置したスタックコアを、
図５に示す磁心３ｂとし、加速間隙２を介して同様のス
タックコアで形成した磁心３ｃを対向設置すれば良い。
本発明の加速空胴で使用する磁心３ｂあるいは磁心３ｃ
を構成する本発明の加速空胴用磁心３ａのスタック数
は、磁心に要求される有効断面積を確保するために適宜
選択できる。
【００２２】高周波電源4により給電することにより、
磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパシタンスとの
共振により高周波電圧が加速間隙に発生し、イオンビー
ムはこの高周波電圧により加速することができる。もち
ろん、従来の高周波加速空胴と同様に、イオンビームの
加速エネルギーの増加に伴って周回速度が上がるため、
加速空胴の共振周波数を時間と共に上げる制御すること
が好ましく、バイアス電源6を設置し、磁心に巻線を施
すことにより、バイアス電流が作る外部磁界で磁心の透
磁率を制御することで対応することもできる。
磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパシタンスとの
共振により高周波電圧が加速間隙に発生し、イオンビー
ムはこの高周波電圧により加速することができる。もち
ろん、従来の高周波加速空胴と同様に、イオンビームの
加速エネルギーの増加に伴って周回速度が上がるため、
加速空胴の共振周波数を時間と共に上げる制御すること
が好ましく、バイアス電源6を設置し、磁心に巻線を施
すことにより、バイアス電流が作る外部磁界で磁心の透
磁率を制御することで対応することもできる。
【００２３】
【実施例】(実施例1)単ロール法により幅25mm、厚み18
μmのFebalCu1Nb3Si16B7(at%)合金薄帯を作製し、この
合金薄帯の両面に2μm厚さのSiO2の層間絶縁膜を塗布、
乾燥しながら巻き回し外径900mm、内径300mm、高さ25mm
のトロイダル磁心を得た。その後、窒素ガス雰囲気中で
550℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の組織は80
%が平均粒径20nmの微細なナノ結晶粒であった。次に、
この磁心を減圧下でエポキシ樹脂にてモールド固化後、
ウォータージェット加工にて磁路の一部を切断して図２
に示すように磁心3ａの磁路に各々2mmの空隙10を設け
た。また、比較例として、磁路には空隙を設けない磁心
を同様に得た。表1にLCRメータにより周波数0.5〜10MHz
において測定した磁心のQ値およびμ'Qf値を示す。
μmのFebalCu1Nb3Si16B7(at%)合金薄帯を作製し、この
合金薄帯の両面に2μm厚さのSiO2の層間絶縁膜を塗布、
乾燥しながら巻き回し外径900mm、内径300mm、高さ25mm
のトロイダル磁心を得た。その後、窒素ガス雰囲気中で
550℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の組織は80
%が平均粒径20nmの微細なナノ結晶粒であった。次に、
この磁心を減圧下でエポキシ樹脂にてモールド固化後、
ウォータージェット加工にて磁路の一部を切断して図２
に示すように磁心3ａの磁路に各々2mmの空隙10を設け
た。また、比較例として、磁路には空隙を設けない磁心
を同様に得た。表1にLCRメータにより周波数0.5〜10MHz
において測定した磁心のQ値およびμ'Qf値を示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１から分かるように、本発明例は比較例
に比べQ値が著しく向上する。その結果、高いμ'Qf値を
示すことから、高効率で動作する優れた高周波加速空胴
が得られる。また、本発明の高周波加速空胴用磁心は、
飽和磁束密度が1.24Tであり、キュリー温度が570℃と高
いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が可能で
ある。
に比べQ値が著しく向上する。その結果、高いμ'Qf値を
示すことから、高効率で動作する優れた高周波加速空胴
が得られる。また、本発明の高周波加速空胴用磁心は、
飽和磁束密度が1.24Tであり、キュリー温度が570℃と高
いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が可能で
ある。
【００２６】(実施例2)単ロール法により幅25mm、厚み1
5μmのFebalCu1.5Nb3.5Zr2.9Si0.3B6.4(at%)合金薄帯を
作製し、この合金薄帯の両面にMgOの層間絶縁膜を塗布
しながら巻き回し外径950mm、内径260mm、高さ25mmのト
ロイダル磁心を得た。なお、磁心としては層間絶縁膜の
厚さを0から7μmまで変えたものを作製した。その後、
真空中で600℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の
組織は90%が平均粒径15nmの微細なナノ結晶粒であっ
た。次に、この磁心を真空中でエポキシ樹脂にてモール
ド固化後、炭酸ガスレーザーにて磁心の一部を切断して
図１に示すように磁路に2mmの空隙10を設けた。表2に層
間絶縁膜厚を変えて作製した磁心の周波数1MHzにおける
複素透磁率の実数部μ'を示す。この表から分かるよう
に、0.5〜5μm厚さの層間絶縁膜を有する磁心が高いμ'
を示し、加速空胴用磁心として特に優れている。
5μmのFebalCu1.5Nb3.5Zr2.9Si0.3B6.4(at%)合金薄帯を
作製し、この合金薄帯の両面にMgOの層間絶縁膜を塗布
しながら巻き回し外径950mm、内径260mm、高さ25mmのト
ロイダル磁心を得た。なお、磁心としては層間絶縁膜の
厚さを0から7μmまで変えたものを作製した。その後、
真空中で600℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の
組織は90%が平均粒径15nmの微細なナノ結晶粒であっ
た。次に、この磁心を真空中でエポキシ樹脂にてモール
ド固化後、炭酸ガスレーザーにて磁心の一部を切断して
図１に示すように磁路に2mmの空隙10を設けた。表2に層
間絶縁膜厚を変えて作製した磁心の周波数1MHzにおける
複素透磁率の実数部μ'を示す。この表から分かるよう
に、0.5〜5μm厚さの層間絶縁膜を有する磁心が高いμ'
を示し、加速空胴用磁心として特に優れている。
【００２７】
【表２】
【００２８】(実施例3)単ロール法により幅25mmのFebal
Nb7.4B8.4(at%)合金薄帯を厚さを８から35μmまで変え
て作製し、この合金薄帯の片面に1.8μm厚さのSiO2層間
絶縁膜を塗布しながら巻き回し外径550mm、内径300mm、
高さ50mmのトロイダル磁心を得た。その後、水素ガス雰
囲気中で650℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の
組織は95%が平均粒径12nmの微細なナノ結晶粒であっ
た。次に、この磁心を真空中で無機ワニスでモールド固
化後、ワイヤー放電加工にて磁心の一部を切断して図２
に示すように磁心3ａの磁路に各々1mmの空隙10を設け
た。表3に作製した磁心の周波数1MHzにおける複素透磁
率の実数部μ'およびQ値を示す。10〜30μm厚さのナノ
結晶合金薄帯を用いた磁心が高いμ'およびQ値を示し、
加速空胴用磁心として特に優れていることが分かる。
Nb7.4B8.4(at%)合金薄帯を厚さを８から35μmまで変え
て作製し、この合金薄帯の片面に1.8μm厚さのSiO2層間
絶縁膜を塗布しながら巻き回し外径550mm、内径300mm、
高さ50mmのトロイダル磁心を得た。その後、水素ガス雰
囲気中で650℃、1時間、無磁場中で熱処理した。磁心の
組織は95%が平均粒径12nmの微細なナノ結晶粒であっ
た。次に、この磁心を真空中で無機ワニスでモールド固
化後、ワイヤー放電加工にて磁心の一部を切断して図２
に示すように磁心3ａの磁路に各々1mmの空隙10を設け
た。表3に作製した磁心の周波数1MHzにおける複素透磁
率の実数部μ'およびQ値を示す。10〜30μm厚さのナノ
結晶合金薄帯を用いた磁心が高いμ'およびQ値を示し、
加速空胴用磁心として特に優れていることが分かる。
【００２９】
【表３】
【００３０】（実施例4)単ロール法により幅25mm、厚み
25μmのFebalCu1Nb2Si7.5B12(at%)合金薄帯を作製し、
この合金薄帯の両面に2μm厚さのSiO2の層間絶縁膜を塗
布、乾燥しながら巻き回し外径930mm、内径520mm、高さ
25mmのトロイダル磁心を得た。なお、磁心作製の際、巻
張力を変えながら55から85%の占積率を有する磁心を得
た。その後、窒素ガス雰囲気中で530℃、1時間、磁心の
高さ方向に1000A/mの磁場を印加しながら熱処理した。
磁心の組織は80%が平均粒径25nmの微細なナノ結晶粒で
あった。次に、この磁心を減圧下でエポキシ樹脂でモー
ルド後、ウォータージェット加工にて磁心の一部を切断
して図２に示すように磁心3ａの磁路に各々2mmの空隙10
を設けた。表4に作製した磁心の周波数3MHzにおける複
素透磁率の実数部μ'およびQ値を示す。この表から分か
るように、占積率が60〜80%の磁心が高いμ'およびQ値
を示し、優れた加速空胴用磁心である。
25μmのFebalCu1Nb2Si7.5B12(at%)合金薄帯を作製し、
この合金薄帯の両面に2μm厚さのSiO2の層間絶縁膜を塗
布、乾燥しながら巻き回し外径930mm、内径520mm、高さ
25mmのトロイダル磁心を得た。なお、磁心作製の際、巻
張力を変えながら55から85%の占積率を有する磁心を得
た。その後、窒素ガス雰囲気中で530℃、1時間、磁心の
高さ方向に1000A/mの磁場を印加しながら熱処理した。
磁心の組織は80%が平均粒径25nmの微細なナノ結晶粒で
あった。次に、この磁心を減圧下でエポキシ樹脂でモー
ルド後、ウォータージェット加工にて磁心の一部を切断
して図２に示すように磁心3ａの磁路に各々2mmの空隙10
を設けた。表4に作製した磁心の周波数3MHzにおける複
素透磁率の実数部μ'およびQ値を示す。この表から分か
るように、占積率が60〜80%の磁心が高いμ'およびQ値
を示し、優れた加速空胴用磁心である。
【００３１】
【表４】
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、高い加速間隙電圧で安
定に動作する高性能な高周波加速空胴用磁心および高周
波加速空胴を提供できるためその効果には著しいものが
ある。
定に動作する高性能な高周波加速空胴用磁心および高周
波加速空胴を提供できるためその効果には著しいものが
ある。
【図１】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の
一例を示す図である。
一例を示す図である。
【図２】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の
別の例を示す図である。
別の例を示す図である。
【図３】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の断面構
造の一例を示す図である。
造の一例を示す図である。
【図４】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の
別の例を示す図である。
別の例を示す図である。
【図５】本発明に係わる高周波加速空胴の構成図であ
る。
る。
1 真空ダクト、2 加速空隙、3ａ，３ｂ，３ｃ 磁
心、4 高周波電源、5外側カバー、6 バイアス電源、7
層間絶縁膜、8 ナノ結晶軟磁性合金薄帯、9樹脂、10
空隙、11 内芯、12 外周バンド、13 支持板
心、4 高周波電源、5外側カバー、6 バイアス電源、7
層間絶縁膜、8 ナノ結晶軟磁性合金薄帯、9樹脂、10
空隙、11 内芯、12 外周バンド、13 支持板
Claims (6)
- 【請求項１】 少なくとも一方の面に層間絶縁膜を有す
る平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%
以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回したモー
ルド磁心であって、当該モールド磁心の磁路の少なくと
も一部に空隙を有することを特徴とする高周波加速空胴
用磁心。 - 【請求項２】 層間絶縁膜の厚さが0.5〜5μmであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の高周波加速空胴用磁
心。 - 【請求項３】 ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さが10〜30
μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記
載の高周波加速空胴用磁心。 - 【請求項４】 磁心の占積率が60〜80%であることを特
徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の高周波
加速空胴用磁心。 - 【請求項５】 ナノ結晶軟磁性合金薄帯がFeを主体と
し、Cu、Auから選ばれる少なくとも1種の元素およびT
i、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる少なくとも1
種の元素を必須元素として含むことを特徴とする請求項
1乃至請求項4のいずれかに記載の高周波加速空胴用磁
心。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の
加速空胴用磁心を直列に複数個配置したスタックコア
を、加速間隙を介して対向設置することを特徴とする高
周波加速空胴。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09713899A JP3620784B2 (ja) | 1998-08-25 | 1999-04-05 | 高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴 |
| US09/379,804 US6246172B1 (en) | 1998-08-25 | 1999-08-24 | Magnetic core for RF accelerating cavity and the cavity |
| EP99116186A EP0982977B1 (en) | 1998-08-25 | 1999-08-24 | Magnetic core for rf accelerating cavity and the cavity |
| DE69922891T DE69922891T2 (de) | 1998-08-25 | 1999-08-24 | Magnetkern für HF-beschleunigenden Hohlraum und der Hohlraum |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23849198 | 1998-08-25 | ||
| JP10-238491 | 1998-08-25 | ||
| JP09713899A JP3620784B2 (ja) | 1998-08-25 | 1999-04-05 | 高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000138099A true JP2000138099A (ja) | 2000-05-16 |
| JP3620784B2 JP3620784B2 (ja) | 2005-02-16 |
Family
ID=26438346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09713899A Expired - Lifetime JP3620784B2 (ja) | 1998-08-25 | 1999-04-05 | 高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6246172B1 (ja) |
| EP (1) | EP0982977B1 (ja) |
| JP (1) | JP3620784B2 (ja) |
| DE (1) | DE69922891T2 (ja) |
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| WO2015122527A1 (ja) * | 2014-02-17 | 2015-08-20 | 日立金属株式会社 | 高周波トランス用磁心、及びその製造方法 |
| WO2015122526A1 (ja) * | 2014-02-17 | 2015-08-20 | 日立金属株式会社 | 高周波加速空胴用磁心、及びその製造方法 |
| KR20180081386A (ko) * | 2017-01-06 | 2018-07-16 | (주)엘지하우시스 | 편상 나노결정립 합금 분말 및 이를 포함하는 복합 시트와 전자 기기 |
| WO2021070604A1 (ja) | 2019-10-11 | 2021-04-15 | 株式会社東芝 | 高周波加速空胴用コアおよびそれを用いた高周波加速空胴 |
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| US10431367B2 (en) * | 2005-09-22 | 2019-10-01 | Radial Electronics, Inc. | Method for gapping an embedded magnetic device |
| US7432516B2 (en) * | 2006-01-24 | 2008-10-07 | Brookhaven Science Associates, Llc | Rapid cycling medical synchrotron and beam delivery system |
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| US7411361B2 (en) * | 2006-11-30 | 2008-08-12 | Radiabeam Technologies Llc | Method and apparatus for radio frequency cavity |
| JP5442388B2 (ja) * | 2009-10-22 | 2014-03-12 | 株式会社日立産機システム | 磁性鉄心およびその製造方法、アキシャルギャップ型回転電機、静止機 |
| JP5271291B2 (ja) * | 2010-01-28 | 2013-08-21 | 株式会社エス・エッチ・ティ | 電流検出器 |
| JP5893892B2 (ja) * | 2011-10-31 | 2016-03-23 | 株式会社タムラ製作所 | リアクトル及びその製造方法 |
| JP2013247208A (ja) * | 2012-05-25 | 2013-12-09 | Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd | 巻鉄心スコット変圧器 |
| DE102012218657A1 (de) * | 2012-10-12 | 2014-05-22 | Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg | Magnetkern, Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung und Verwendung eines solchen Magnetkerns |
| JP5782017B2 (ja) * | 2012-12-21 | 2015-09-24 | トヨタ自動車株式会社 | リアクトル及びその製造方法 |
| KR101588966B1 (ko) * | 2014-08-11 | 2016-01-26 | 삼성전기주식회사 | 칩 전자부품 |
| JP6461419B1 (ja) * | 2018-10-16 | 2019-01-30 | 株式会社エス・エッチ・ティ | 電流検出器用のコア及びその製造方法 |
| JP6461418B1 (ja) * | 2018-10-16 | 2019-01-30 | 株式会社エス・エッチ・ティ | 電流検出器用のコア及びその製造方法 |
| CN110828132B (zh) * | 2019-11-08 | 2020-10-13 | 安徽昭田电子科技有限公司 | 一种开关模式电源用八卦扇形八分式组合铁氧体磁芯及其制造工艺 |
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| US3976950A (en) * | 1975-03-20 | 1976-08-24 | The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration | Eccentric superconducting RF cavity separator structure |
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| CA2030446C (en) * | 1989-11-22 | 2001-01-23 | Yoshihito Yoshizawa | Magnetic alloy with ultrafine crystal grains and method of producing same |
| JP2986842B2 (ja) * | 1990-05-17 | 1999-12-06 | キヤノン電子株式会社 | 磁気ヘッドの製造方法 |
| US5111494A (en) * | 1990-08-28 | 1992-05-05 | North American Philips Corporation | Magnet for use in a drift tube of an x-ray tube |
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| US5661366A (en) * | 1994-11-04 | 1997-08-26 | Hitachi, Ltd. | Ion beam accelerating device having separately excited magnetic cores |
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| JP2856130B2 (ja) | 1995-12-18 | 1999-02-10 | 株式会社日立製作所 | 高周波加速空胴 |
-
1999
- 1999-04-05 JP JP09713899A patent/JP3620784B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1999-08-24 DE DE69922891T patent/DE69922891T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-08-24 US US09/379,804 patent/US6246172B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1999-08-24 EP EP99116186A patent/EP0982977B1/en not_active Expired - Lifetime
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