JP2005116372A - Deflection electromagnet and charged particle accelerator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a compact deflection electromagnet which has a focusing capacity to satisfy the circuiting condition of an accelerator in a deflection electromagnet used in an accelerating device in which the circumference orbit of charged particles spreads in a radial direction by acceleration. <P>SOLUTION: In order to adjust the focusing capacity by an edge focus according to the incident location of the charged particles to the deflection electromagnet 1, a leakage magnetic field adjusting means 13a is provided which adjusts a leakage magnetic field distribution shape along the travelling orbit of the charged particles from the deflection electromagnet 1 in the vicinity of the incident or outgoing orbit face of the charged particles by depending on the incident or outgoing location of the charged particles of the deflection electromagnet 1, by adjusting a magnetic field leakage factor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速装置の構成要素の一つである偏向電磁石と、この偏向電磁石を使用した荷電粒子加速装置に関するものである。 The present invention relates to a deflection electromagnet that is one of components of a charged particle acceleration device that accelerates charged particles, and a charged particle acceleration device that uses this deflection electromagnet.

近年、FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)加速装置と呼ばれる荷電粒子加速装置の開発がクローズアップされている。この加速装置は、荷電粒子を加速する加速手段を備え、この加速装置に入射した荷電粒子を、その磁場により偏向させる偏向電磁石を複数個、円周方向に配置することにより、全体形状を略円形に構成したものである。荷電粒子は加速手段による加速でエネルギーを増加させながら、この加速装置内を周回する。周回軌道は加速とともに加速装置の径方向に広がっていくため、偏向電磁石への荷電粒子の入射点位置は加速と共に加速装置の径方向外側に移動していく。これに伴い偏向電磁石からの荷電粒子の出射点位置も入射点位置の移動に伴い移動していく。この加速装置に使用されている偏向電磁石は、磁場強度が時間的に一定で変化せず、且つ、周回軌道が広がるに伴い磁場強度が大きくなっているため、周回軌道の径方向の広がりの程度は抑制され、その結果、加速装置の小型化が可能になっている。   In recent years, the development of charged particle accelerators called FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) accelerators has been highlighted. This acceleration device is provided with acceleration means for accelerating charged particles, and a plurality of deflecting electromagnets for deflecting charged particles incident on the acceleration device by their magnetic fields are arranged in a circumferential direction, so that the overall shape is substantially circular. It is configured. The charged particles circulate in the accelerator while increasing energy by acceleration by the acceleration means. Since the circular orbit extends in the radial direction of the acceleration device with acceleration, the position of the incident point of the charged particles on the deflection electromagnet moves outward in the radial direction of the acceleration device with acceleration. Along with this, the exit point position of the charged particles from the deflection electromagnet also moves as the incident point position moves. The deflection electromagnet used in this acceleration device has a constant magnetic field strength and does not change in time, and the magnetic field strength increases as the orbit expands. As a result, the acceleration device can be miniaturized.

このような加速装置において、荷電粒子を安定に周回させるための周回条件を満たすような収束力をいかにして付与するかが重要である。磁場を時間的に変化させて周回軌道を一定に保つ従来型のシンクロトロン加速装置では、偏向電磁石磁場および、偏向電磁石の間に配置した収束力を有する4極電磁石の磁場を時間的に可変にすることにより周回条件を満たすような収束力を得ることは容易であった。しかし、加速に伴い荷電粒子周回軌道が径方向に大きくなっていく加速装置においては、荷電粒子の周回軌道が径方向に広がっていることから、通常の周回軌道一定型のシンクロトロン加速装置で採用している4極電磁石を使用することができず、径方向に広がる軌道全体に対して、周回条件を満たす収束力を有する手段の実現は容易でなかった。   In such an accelerating device, it is important how to apply a converging force that satisfies an orbital condition for causing the charged particles to circulate stably. In the conventional synchrotron accelerator that keeps the orbit constant by changing the magnetic field with time, the magnetic field of the deflecting electromagnet magnetic field and the quadrupole electromagnet having a converging force arranged between the deflecting electromagnets can be changed with time. By doing so, it was easy to obtain a converging force that satisfies the circulation condition. However, in the acceleration device in which the charged particle orbit increases in the radial direction with acceleration, the charged particle orbit expands in the radial direction, so it is adopted in the normal synchrotron accelerator with constant orbit. Therefore, it is not easy to realize a means having a converging force that satisfies the rotation condition for the entire orbit extending in the radial direction.

なお、「周回条件を満たす収束力」とは、加速装置の運転パラメータであるチューンが、共鳴線にかからないようにするために必要とされる収束力という意味である。荷電粒子が加速装置内を周回する際には、周回荷電粒子はその時々のエネルギーに対応した平衡軌道と呼ばれる周回軌道の周りに振動しながら周回する(ベータトロン振動と呼ぶ。)。チューンとは、一周あたりのこの振動回数のことで、走行方向に垂直な面上で互いに直交するX、Y方向−一般には水平方向と垂直方向−にその振動成分を分け、X方向(以後、水平方向と呼ぶ。)チューン、Y方向(以後、垂直方向と呼ぶ。)チューンと呼ぶ。   The “convergence force that satisfies the circulation condition” means a convergence force that is necessary to prevent the tune, which is an operation parameter of the accelerator, from being applied to the resonance line. When charged particles orbit around the accelerator, the orbiting charged particles orbit around the orbit called the equilibrium orbit corresponding to the energy at that time (referred to as betatron oscillation). Tune is the number of vibrations per round, and the vibration components are divided into X and Y directions that are orthogonal to each other on a plane perpendicular to the running direction, generally the horizontal and vertical directions. Called horizontal direction.) Tune, Y direction (hereinafter referred to as vertical direction) tune.

ベータトロン振動は収束力に依存するので、チューンは収束力と平衡軌道の周長に依存する。周長は加速装置内での荷電粒子エネルギーと偏向電磁石の磁場強度に依存し、収束力は加速装置に設置した電磁石の運転条件により決まるものである。したがってチューンは加速装置の運転パラメータであるということができる。「共鳴」とは、水平、垂直方向チューンの組の中で、加速装置が不安定になるときのことを言い、通常、この「組」は水平、垂直方向チューンをそれぞれ座標軸にとった平面上で表した場合、直線を形成することから「共鳴線」と呼ばれる。この直線は複数存在するのが一般的である。また、ここでいう「不安定」とは、加速装置内を周回する荷電粒子のベータトロン振動の振幅が許容値以上に大きくなる現象のことである。加速装置では、荷電粒子を真空環境下で周回させるために真空容器を導入し、荷電粒子はこの真空容器の中を周回している。チューンが共鳴線にかかると、わずかな外乱によってもベータトロン振動の振幅が大きくなり、その結果、上記真空容器の内壁に荷電粒子が衝突することにより、当該荷電粒子が消失してしまい、周回できなくなる。したがって荷電粒子を安定に周回させるには、加速過程において、チューンがいずれの共鳴線にもかからないように運転条件を決めなければならないということになる。このような事情から、「周回条件を満たす収束力」とは、「加速装置の運転パラメータであるチューンが、共鳴線にかからないようにするために必要とされる収束力」を意味することになる。   Since the betatron oscillation depends on the convergence force, the tuning depends on the convergence force and the circumference of the equilibrium orbit. The circumference depends on the charged particle energy in the accelerator and the magnetic field strength of the deflecting electromagnet, and the convergence force is determined by the operating conditions of the electromagnet installed in the accelerator. Therefore, it can be said that tune is an operating parameter of the accelerator. “Resonance” means when the accelerator becomes unstable in a set of horizontal and vertical tunes. Usually, this “set” is on a plane with the horizontal and vertical tunes as coordinate axes. Is called a “resonance line” because it forms a straight line. In general, there are a plurality of straight lines. The term “unstable” as used herein refers to a phenomenon in which the amplitude of betatron oscillation of charged particles that circulate in the acceleration device becomes larger than an allowable value. In the acceleration device, a vacuum vessel is introduced to circulate charged particles in a vacuum environment, and the charged particles circulate in the vacuum vessel. When the tune is applied to the resonance line, even a slight disturbance increases the amplitude of the betatron oscillation, and as a result, the charged particles collide with the inner wall of the vacuum vessel, and the charged particles disappear and can circulate. Disappear. Therefore, in order to circulate the charged particles stably, it is necessary to determine the operating conditions so that the tune does not reach any resonance line in the acceleration process. For this reason, the “convergence force that satisfies the circulation condition” means “the convergence force that is required to prevent the tune that is the operating parameter of the accelerator from being applied to the resonance line”. .

なお、以下では収束力として垂直方向の収束力のみを扱うことにする。共鳴線にかからないようにするためには、水平・垂直方向チューンを一組として共鳴線にかからないようにしなければならないが、FFAG加速装置では、水平方向チューンの変化は小さく心配する必要がないからであり、水平方向チューンの変化を考慮しなければならないような、FFAG加速装置以外の加速装置についても、垂直方向の収束力に関する本稿の議論はそのまま適用可能であるという事情による。このような事情から、以下では特にことわらない限り、「収束力」とは「垂直方向の収束力」のことを言い、「チューン」とは「垂直方向チューン」のことを言うものとする。   In the following, only the convergence force in the vertical direction is treated as the convergence force. In order to prevent the resonance line from being applied, it is necessary to prevent the resonance line from being applied as a set of horizontal and vertical tunes, but in the FFAG accelerator, the change in the horizontal tune is small and there is no need to worry about it. This is because the discussion in this paper on the convergence force in the vertical direction can be applied to accelerators other than FFAG accelerators that must take into account changes in the horizontal tune. For these reasons, unless otherwise specified, “convergence force” refers to “vertical convergence force”, and “tune” refers to “vertical direction tune”.

このように、FFAG加速装置ではその周回軌道が径方向に広がっているため、上述したような収束力を4極電磁石で実現することは困難である。そのため、偏向電磁石の収束作用を利用して所定の収束力を得ることが考えられている。所謂エッジフォーカスと呼ばれる手法である(非特許文献1参照)。通常のセクター型偏向電磁石を加速装置に組み込んだ場合、このエッジフォーカスによる垂直方向の収束力は加速装置の径方向に依存して増加していく。そのため、加速エネルギーの増加により荷電粒子の周回軌道が大きくなるに従い、チューンは急速に増大することになる。これは周回軌道周長の増加と収束力の増大によるベータトロン振動の周期の減少とが同時に起こるこためである。このようにチューンの変化が著しい場合、いずれかの共鳴線にかかってしまい、荷電粒子は周回できなくなる。従って、通常のエッジフォーカスによる収束力では「周回条件を満たす収束力」になり得ないこととなる。   As described above, in the FFAG accelerator, the orbit is widened in the radial direction, and it is difficult to realize the convergence force as described above with the quadrupole electromagnet. Therefore, it is considered to obtain a predetermined convergence force by using the convergence action of the deflection electromagnet. This is a so-called edge focus method (see Non-Patent Document 1). When a normal sector-type deflection electromagnet is incorporated in an acceleration device, the vertical focusing force due to the edge focus increases depending on the radial direction of the acceleration device. Therefore, the tune increases rapidly as the orbit of charged particles increases due to the increase in acceleration energy. This is because an increase in the circumference of the orbit and a decrease in the period of betatron oscillation due to an increase in the convergence force occur simultaneously. Thus, when the change of tune is remarkable, it will be applied to one of the resonance lines, and the charged particles cannot go around. Therefore, the convergence force by the normal edge focus cannot be a “convergence force that satisfies the circulation condition”.

そこで、「周回条件を満たすような収束力」を付与するための方策として、通常のセクター型偏向電磁石の両側に逆極性の偏向電磁石を設置するという構成の偏向電磁石が提案されている(非特許文献2)。両側の偏向電磁石の設置によりエッジフォーカスの機能を持たせると共に、両側を逆極性の偏向電磁石にすることで偏向半径の符号を反転させることにより、水平方向の収束力を垂直方向の収束力に変えて「周回条件を満たす収束力」を実現している。   Therefore, as a measure for imparting a “convergence force that satisfies the orbital condition”, a deflection electromagnet having a configuration in which deflection electromagnets having opposite polarities are installed on both sides of a normal sector-type deflection electromagnet has been proposed (non-patent document). Reference 2). The horizontal focusing force is changed to the vertical focusing force by inverting the sign of the deflection radius by providing the deflecting electromagnets on both sides and providing the edge focusing function on both sides. The "convergence power that satisfies the circuit condition" is realized.

「高エネルギー加速器セミナーOHO’87」テキスト、1987.8、I−p6"High Energy Accelerator Seminar OHO'87" Text, 1987.8, I-p6 「DEVELOPMENT OF A FFAG PROTON SYNCHROTRON」,Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria,p.582,Fig.1`` DEVELOPMENT OF A FFAG PROTON SYNCHROTRON '', Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p.582, Fig.1

しかし、このように逆極性の偏向電磁石を本来の偏向電磁石の両側に配置して構成された一組の偏向電磁石を用いて加速装置を構成すると、所期の収束力は得られるが、加速装置が大きくなってしまうという欠点がある。例えば、本来の偏向電磁石の偏向角をθ1、逆極性の偏向電磁石の偏向角をθ2とする。そうすると、上記、一組の偏向電磁石全体としての偏向角θtはθ1−θ2*2に等しくなり、逆極性の偏向電磁石のない場合に比べるとθ2*2だけ小さな値になる。荷電粒子を周回させるには、偏向電磁石による偏向角の合計が2πに等しくなるように複数の偏向電磁石を配置しなければならないから、逆極性の偏向電磁石がない場合に比べると、どうしても余分な偏向電磁石の組みを必要とし、しかも、逆極性の偏向電磁石のスペースまで必要になることから、加速装置全体の大きさが大きくなってしまうことになる。このように、加速装置の小型化の観点から、加速装置での荷電粒子の周回条件を満たす収束力を有するコンパクトな偏向電磁石が求められていた。   However, when the acceleration device is configured by using a pair of deflection electromagnets configured by arranging the opposite polarity deflection electromagnets on both sides of the original deflection electromagnet, the desired convergence force can be obtained. Has the disadvantage of becoming larger. For example, the deflection angle of the original deflection electromagnet is θ1, and the deflection angle of the reverse polarity deflection electromagnet is θ2. Then, the deflection angle θt as a whole of the set of deflection electromagnets is equal to θ1−θ2 * 2, which is smaller by θ2 * 2 than in the case where there is no reverse polarity deflection electromagnet. In order to make the charged particles circulate, a plurality of deflecting electromagnets must be arranged so that the total deflection angle of the deflecting electromagnets is equal to 2π. Since a combination of electromagnets is required, and a space for a deflecting electromagnet having a reverse polarity is required, the size of the entire acceleration device is increased. Thus, from the viewpoint of miniaturization of the acceleration device, there has been a demand for a compact deflection electromagnet having a converging force that satisfies the rotating condition of charged particles in the acceleration device.

本発明の偏向電磁石は、荷電粒子の入射位置が、偏向磁場と上記荷電粒子の入射する軌道とに対して略直交する方向に分布する偏向電磁石において、この偏向電磁石に入射し出射する前記荷電粒子の各軌道近傍でのその軌道方向への偏向磁場からの漏洩磁場分布を、磁場の漏洩率を調節することにより、上記入射又は出射する位置に依存して異なる分布形状にする漏洩磁場調整手段を備えたものである。   The deflection electromagnet of the present invention is a deflection electromagnet in which charged particle incident positions are distributed in a direction substantially orthogonal to the deflection magnetic field and the trajectory on which the charged particle is incident. Leakage magnetic field adjustment means for adjusting the leakage magnetic field distribution from the deflection magnetic field in the orbital direction near each orbit to a different distribution shape depending on the incident or exiting position by adjusting the leakage rate of the magnetic field. It is provided.

本発明の偏向電磁石は、上記の構成により、コンパクトな形状で、荷電粒子の周回条件を満たす収束力を得ることができる。   The deflecting electromagnet of the present invention can obtain a converging force satisfying the rotating condition of charged particles with a compact shape by the above configuration.

実施の形態1
本発明の実施の形態1にかかる偏向電磁石を図1乃至図3に示す。以下では、偏向電磁石の2つの磁極を垂直上下方向にとり、この間を荷電粒子が周回するという配置で説明する。また、ここでは、この偏向電磁石の磁極が、平面図において、荷電粒子の入射、及び出射のそれぞれの側で、螺旋形状を平面投影した形状の一部をからなる形状(以下、螺旋形状と略称する)である場合を示している。
図1は本発明にかかる偏向電磁石1の上半分を示す鳥瞰図である。偏向電磁石1は荷電粒子偏向軌道面14(図3参照)に対して上下で対称な形状となっているので、上半分のみを示したものである。図2はこの偏向電磁石1の平面図、図3は図2のA−A’方向からの側面図を示す。図2のB−B’、C−C’、D−D’はそれぞれ偏向電磁石1の荷電粒子の入射位置又は出射位置の違いに対応させたものである。図1乃至図3において、偏向電磁石1は、鉄心10と、磁極形成のためにこの鉄心10に巻き回すコイル12a,12b(図1、図2では12bは省略)と、この巻き回されたコイル12a,12bにより形成される磁極11a、11b(図1、図2では省略)と、荷電粒子が偏向電磁石1へ入射または出射する側のコイル12a,12bの外側面を覆い、その覆う面積を、上記偏向電磁石1への入射又は出射する位置に対応して変化させた、磁性材からなる磁極板13a,13b(図1、図2では13bは省略)と、磁極板13a,13bを、鉄心10に磁気的に結合、固定するための磁性材で作られた支持材18a、18b(図1では18bは省略、図2では18a、18bとも省略)とを有する。鉄心10は、図3の両端に示すとおり、磁束に対するリターンヨークとしての役割も担っている。同じく図3に、偏向電磁石1を加速装置に組み込んだ場合の荷電粒子偏向軌道面14を示す。この荷電粒子偏向軌道面14はこの偏向電磁石部では荷電粒子の周回軌道面と一致する。この偏向電磁石内を通過する特定のエネルギーに対応した荷電粒子を番号15として例示した。
Embodiment 1
A deflection electromagnet according to a first exemplary embodiment of the present invention is shown in FIGS. In the following description, the two magnetic poles of the deflecting electromagnet are arranged in the vertical vertical direction and the charged particles circulate between them. In addition, here, the magnetic pole of this deflecting electromagnet is a shape formed of a part of a shape obtained by planarly projecting a helical shape on each of incident and outgoing sides of charged particles in a plan view (hereinafter abbreviated as a helical shape). )).
FIG. 1 is a bird's-eye view showing the upper half of the deflection electromagnet 1 according to the present invention. Since the deflection electromagnet 1 has a vertically symmetrical shape with respect to the charged particle deflection track surface 14 (see FIG. 3), only the upper half is shown. FIG. 2 is a plan view of the bending electromagnet 1, and FIG. 3 is a side view from the AA 'direction of FIG. BB ′, CC ′, and DD ′ in FIG. 2 correspond to differences in the charged particle incident position or outgoing position of the deflection electromagnet 1, respectively. 1 to 3, a deflection electromagnet 1 includes an iron core 10, coils 12a and 12b (12b is omitted in FIGS. 1 and 2) wound around the iron core 10 to form a magnetic pole, and the wound coil. The magnetic poles 11a and 11b formed by 12a and 12b (not shown in FIGS. 1 and 2) and the outer surfaces of the coils 12a and 12b on the side where charged particles enter or exit the deflecting electromagnet 1 are covered. The magnetic pole plates 13a and 13b (13b are omitted in FIGS. 1 and 2) and the magnetic pole plates 13a and 13b made of a magnetic material, which are changed in accordance with the position where the light enters or exits the deflection electromagnet 1, and the iron core 10 And support members 18a and 18b made of a magnetic material for magnetically coupling and fixing to the substrate (18b is omitted in FIG. 1 and 18a and 18b are also omitted in FIG. 2). As shown at both ends of FIG. 3, the iron core 10 also serves as a return yoke for the magnetic flux. Similarly, FIG. 3 shows a charged particle deflection track surface 14 when the deflection electromagnet 1 is incorporated in an acceleration device. The charged particle deflection orbit surface 14 coincides with the orbital surface of the charged particles in the deflection electromagnet portion. A charged particle corresponding to specific energy passing through the deflection electromagnet is exemplified as number 15.

次に、磁極板13a,13bについてもう少し詳しく説明する。磁極板13a,13bは、偏向軌道面と、磁極板のこの偏向軌道面に対向する面との距離が、上記偏向電磁石1への入射又は出射する位置に依存して設定されている。図4の(a),(b),(c)は、そのことを示したもので、それぞれ図2のB−B’、C−C’、D−D’断面図を示したものである。図4(a)では、磁極板13a,13bは、荷電粒子が偏向電磁石を通過するために必要な高さ分を除き、コイル12a,12bの側面をほぼ完全に覆っている。図4(b)では、磁極板13a,13bは、前記荷電粒子の通過に必要な高さ分に加え、さらにコイル12a,12bの側面のほぼ半分程度を露出させ、コイル側面の残り半分程度を覆っている。図4(c)では、磁極板13a,13bは、前記荷電粒子の通過に必要な高さ分に加え、さらにコイル12a,12bの側面のほぼ全面を露出させている。このことは図1の磁極板13a、図3の磁極板13a、13bの形状からも読み取れる。   Next, the magnetic pole plates 13a and 13b will be described in a little more detail. In the magnetic pole plates 13 a and 13 b, the distance between the deflection track surface and the surface of the magnetic pole plate facing the deflection track surface is set depending on the position where it enters or exits the deflection electromagnet 1. (A), (b), and (c) of FIG. 4 show this, and show cross-sectional views along BB ′, CC ′, and DD ′ of FIG. 2, respectively. . In FIG. 4A, the pole plates 13a and 13b almost completely cover the sides of the coils 12a and 12b except for the height necessary for charged particles to pass through the deflecting electromagnet. In FIG. 4 (b), in addition to the height necessary for the passage of the charged particles, the magnetic pole plates 13a and 13b expose approximately half of the side surfaces of the coils 12a and 12b, and the remaining half of the coil side surfaces. Covering. In FIG. 4 (c), the magnetic pole plates 13a and 13b expose almost the entire side surfaces of the coils 12a and 12b in addition to the height necessary for the passage of the charged particles. This can also be read from the shapes of the magnetic pole plate 13a in FIG. 1 and the magnetic pole plates 13a and 13b in FIG.

次に、本発明にかかる偏向電磁石の動作について説明する。図1に示すようにコイル12aの側面に上述の磁性材からなる磁極板13aを、支持材18aを介して鉄心10に取り付けることにより、コイル12aによる磁場の漏洩率を、そのコイル12aの側面を磁極板13aが覆う面積に応じて低減することができる。ここでは、偏向電磁石1のB−B’位置からD−D’位置に行くに従って、磁極板13aがコイル12aを覆う面積を小さくしていくことにより、B−B’近傍では漏洩磁場が小さく、D−D’に近づくにつれて漏洩磁場が大きくなる。このことは図3に示す偏向軌道面14をはさんで磁極板13aと対称に配置されている磁極板13bについても同様である。従って、この両者の効果により、荷電粒子の周回軌道近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場の分布形状が、偏向電磁石1への入射又は出射する位置に依存して大きく変化することとなる。   Next, the operation of the bending electromagnet according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the magnetic pole plate 13a made of the above-mentioned magnetic material is attached to the iron core 10 via the support member 18a on the side surface of the coil 12a, thereby reducing the leakage rate of the magnetic field by the coil 12a and the side surface of the coil 12a. It can be reduced according to the area covered by the magnetic pole plate 13a. Here, as the area of the magnetic pole plate 13a covering the coil 12a is reduced from the BB ′ position to the DD ′ position of the deflection electromagnet 1, the leakage magnetic field is small in the vicinity of BB ′. The leakage magnetic field increases as it approaches DD ′. The same applies to the magnetic pole plate 13b arranged symmetrically with the magnetic pole plate 13a across the deflection track surface 14 shown in FIG. Therefore, due to the effects of both, the distribution shape of the leakage magnetic field along the circular orbit in the vicinity of the circular orbit of the charged particle greatly changes depending on the position where it enters or exits the deflection electromagnet 1.

磁極板13a、13bの形状については、この偏向電磁石1を使用する加速装置があらかじめ決められていることを前提として、加速装置内での荷電粒子ビーム力学計算および偏向電磁石1の磁界解析計算によってあらかじめ求めることができる。荷電粒子ビーム力学の計算から、必要な収束力の条件が求められ、この収束力を得るための偏向電磁石の漏洩磁場分布が求められる。次に、この必要な漏洩磁場分布を実現するために3次元磁場解析計算を行うことにより、磁極板13の形状を求めることができる。図3の側面図では偏向軌道面14と、磁極板13の偏向軌道面14と対向する面との距離は荷電粒子の入射又は出射位置と共に直線的に変化しているように描かれているが、必ずしも直線的に変化するとは限らない。上記の通り、計算により求められるものである。また、磁極板13a,13bとも、偏向電磁石1の入射側、出射側にそれぞれ設置するが、入射側と出射側の形状は必ずしも同じである必要は無い。荷電粒子の入射、出射の位置に応じて漏洩率が変化する形状であり、上記計算により所定の収束力を得られる組み合わせである限り、形状の制約はない。   The shapes of the magnetic pole plates 13a and 13b are preliminarily determined by calculation of charged particle beam dynamics and magnetic field analysis of the deflection electromagnet 1 in the acceleration device on the assumption that the acceleration device using the deflection electromagnet 1 is determined in advance. Can be sought. From the calculation of the charged particle beam dynamics, a necessary convergence force condition is obtained, and the leakage magnetic field distribution of the deflecting electromagnet for obtaining this convergence force is obtained. Next, the shape of the magnetic pole plate 13 can be obtained by performing a three-dimensional magnetic field analysis calculation in order to realize this necessary leakage magnetic field distribution. In the side view of FIG. 3, the distance between the deflection track surface 14 and the surface of the magnetic pole plate 13 facing the deflection track surface 14 is drawn so as to change linearly with the incident or exit position of the charged particles. However, it does not always change linearly. As described above, it is obtained by calculation. The magnetic pole plates 13a and 13b are also installed on the incident side and the outgoing side of the deflection electromagnet 1, respectively, but the shapes of the incident side and the outgoing side are not necessarily the same. There is no shape restriction as long as the leakage rate changes in accordance with the incident and exiting positions of charged particles and the combination allows obtaining a predetermined convergence force by the above calculation.

次に、このような偏向電磁石1を加速装置に設置した場合のこの偏向電磁石1の動作と効果について説明する。図6は、複数台の偏向電磁石1を組み込み、構成したFFAG加速装置2の概念図である。FFAG加速装置2は、偏向電磁石1(この例では6台)と、荷電粒子を入射するために用いる入射手段3と、入射した荷電粒子を加速する加速手段4とを併せ備えている。荷電粒子は、荷電粒子発生手段(図示していない)により生成され、生成された荷電粒子は、荷電粒子輸送手段(図示していない)により入射手段3に入射される。入射された荷電粒子は入射手段3を介して荷電粒子周回軌道5に入り、この周回軌道5に沿って加速装置2内を周回する。この周回する荷電粒子は、途中、加速手段4により加速され、エネルギーが増加する。そうすると、荷電粒子が偏向電磁石1を通過するときにこの偏向電磁石1により偏向を受ける際の偏向半径が大きくなり、より外側の軌道を周回することになる。このように、加速装置2内を周回する荷電粒子は加速手段4を通過する毎に周回軌道が大きくなり、周回軌道は周回軌道6にまで増大していく。従って荷電粒子は加速に伴い偏向電磁石1を通過する軌道は加速装置の径方向外側に移動していく。   Next, the operation and effect of this bending electromagnet 1 when such a bending electromagnet 1 is installed in an acceleration device will be described. FIG. 6 is a conceptual diagram of the FFAG acceleration device 2 configured by incorporating a plurality of bending electromagnets 1. The FFAG acceleration device 2 includes a deflection electromagnet 1 (six in this example), an incident means 3 used for making charged particles incident, and an acceleration means 4 for accelerating the incident charged particles. The charged particles are generated by charged particle generating means (not shown), and the generated charged particles are incident on the incident means 3 by charged particle transport means (not shown). The incident charged particles enter the charged particle orbit 5 via the incident means 3 and circulate in the acceleration device 2 along the orbit 5. The circulating charged particles are accelerated by the acceleration means 4 on the way, and the energy increases. Then, when charged particles pass through the deflection electromagnet 1, the deflection radius when receiving the deflection by the deflection electromagnet 1 is increased, and the outer orbit is circulated. In this way, the charged orbit that goes around the acceleration device 2 increases in the orbit every time it passes through the acceleration means 4, and the orbit increases up to the orbit 6. Therefore, as the charged particles accelerate, the trajectory passing through the deflecting electromagnet 1 moves outward in the radial direction of the acceleration device.

先に、「背景技術」で説明したとおり、通常のセクター型偏向電磁石のエッジフォーカスによる収束力は、周回軌道が広がるにつれて大きくなるが、これは、通常のセクター型偏向電磁石では、周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状が荷電粒子の入射、出射の位置に依存しないためである。上記のように磁場漏洩率を荷電粒子の入射、出射の位置に応じて変え、加速装置径方向内側で漏洩率を小さくすることにより、偏向電磁石1へ荷電粒子が入射、又は出射する軌道近傍での軌道に沿った漏洩磁場分布を加速装置の径方向位置に依存した分布形状とすることでき、これにより、磁極板13aのない場合に比べて、加速装置径方向内側での収束力を大きくすることができる。収束力が大きくなるとチューンは増加するので、磁極板無しの場合に比べて、荷電粒子が加速装置の径方向内側を周回するときのチューンが増加することとなる。従って、この発明による偏向電磁石1を加速装置2に採用することにより、加速エネルギーによるチューンの変化を低減することが可能となる。   As described above in “Background Art”, the convergence force due to edge focus of a normal sector-type deflecting electromagnet increases as the circular orbit expands. This is because the leakage magnetic field distribution shape does not depend on the positions of incident and outgoing charged particles. As described above, the magnetic field leakage rate is changed in accordance with the position of incident and exiting charged particles, and the leakage rate is reduced on the inner side in the radial direction of the accelerator, so that the charged particles enter or exit the deflecting electromagnet 1 near the orbit. The distribution of the leakage magnetic field along the trajectory of the accelerator can be made a distribution shape depending on the radial position of the accelerator, thereby increasing the convergence force on the radially inner side of the accelerator compared to the case without the magnetic pole plate 13a. be able to. Since the tune increases as the convergence force increases, the tune when the charged particles orbit around the inside of the accelerating device in the radial direction increases as compared with the case without the magnetic pole plate. Therefore, by adopting the bending electromagnet 1 according to the present invention in the acceleration device 2, it becomes possible to reduce the change in the tune due to the acceleration energy.

図7(a)、図7(b)は本発明の効果をシミュレーション計算により示した図である。図7(a)は、図1乃至図3に示す偏向電磁石1から磁極板13a、13bを取り外して、図6に示す加速装置に使用した場合の、チューンの荷電粒子エネルギー依存性を示したもので、図7(b)は、これに磁極板13a、13bを取り付けた場合のチューンの荷電粒子エネルギー依存性を示したものである。荷電粒子エネルギーは加速とともに増加するので、図7(a)、(b)共、加速時のチューン変化を示すものである。磁極板13a、13bを取り付けない場合はチューンの変化が大きく、特に加速初期にその変化が著しいが、磁極板13a、13bを取り付けた場合は、加速初期も含めて、全体としてチューンの変化が小さくなっている。従って、チューンが共鳴線にかかることはなくなり、安定した加速が可能となる。   FIG. 7A and FIG. 7B are diagrams showing the effect of the present invention by simulation calculation. FIG. 7A shows the dependence of the tune on the charged particle energy when the magnetic pole plates 13a and 13b are removed from the deflection electromagnet 1 shown in FIGS. 1 to 3 and used in the acceleration device shown in FIG. FIG. 7B shows the dependence of the tune on the charged particle energy when the magnetic pole plates 13a and 13b are attached thereto. Since charged particle energy increases with acceleration, both FIGS. 7 (a) and 7 (b) show tune changes during acceleration. When the magnetic pole plates 13a and 13b are not attached, the change in the tune is large, and the change is particularly remarkable in the early stage of acceleration. However, when the magnetic pole plates 13a and 13b are attached, the change in the tune is small as a whole including the initial stage of acceleration. It has become. Therefore, the tune is not applied to the resonance line, and stable acceleration is possible.

このように、本発明では、偏向電磁石に磁極板を設置し、荷電粒子の入射又は出射する位置に依存して磁場漏洩率を変えることにより、この入射又は出射する位置に依存して、荷電粒子周回軌道近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状が変化する。これにより、この偏向電磁石は、加速装置に組み込んだ場合に、簡便な構造で荷電粒子の周回条件を満たす収束力を付与することができるようになる。従って、この偏向電磁石を使用した加速装置の小型化も可能になる。   As described above, in the present invention, a magnetic pole plate is installed in the deflection electromagnet, and the magnetic field leakage rate is changed depending on the position where the charged particles are incident or emitted, so that the charged particles depend on the position where the charged particles are incident or emitted. The leakage magnetic field distribution shape along the orbit around the orbit changes. Thereby, when this deflection electromagnet is incorporated in an acceleration device, it becomes possible to apply a convergence force that satisfies the circumstance of charged particles with a simple structure. Accordingly, it is possible to reduce the size of the acceleration device using the deflection electromagnet.

なお、図4(a)に磁極11aに取り付けたトリムコイル16aを示した。このトリムコイルは「背景技術」で説明したように、加速装置径方向外側に近づくにつれて偏向電磁石1の磁場強度を大きくするために設置したものである。磁極11bにも同様に取り付けてあるが、符号は省略してある。図4(b)、(c)も同様である。図5は、平面図において矩形の磁極形状を例に、トリムコイル16aの設置状況を模式的に示したものである。このトリムコイル16aはコイル12aの内側に設置されているが、その設置状況がわかるように、コイル12a,12bは省略してある。このトリムコイルにより磁場強度が分布することになるので漏洩磁場分布も不均一なものになる。しかし、この荷電粒子の軌道に沿った漏洩磁場分布を見ると、どの入射、出射位置においても相似であり、その形状は変わらないものである。従って、トリムコイルの有無は本発明の効果に影響しないといえる。   FIG. 4A shows the trim coil 16a attached to the magnetic pole 11a. As described in “Background Art”, this trim coil is installed in order to increase the magnetic field strength of the deflecting electromagnet 1 as it approaches the outside in the radial direction of the accelerator. It is similarly attached to the magnetic pole 11b, but the reference numerals are omitted. The same applies to FIGS. 4B and 4C. FIG. 5 schematically shows an installation state of the trim coil 16a, taking a rectangular magnetic pole shape as an example in the plan view. The trim coil 16a is installed on the inner side of the coil 12a, but the coils 12a and 12b are omitted so that the installation status can be understood. Since the magnetic field strength is distributed by the trim coil, the leakage magnetic field distribution is also non-uniform. However, when the leakage magnetic field distribution along the trajectory of the charged particles is seen, it is similar at any incident and outgoing position, and its shape does not change. Therefore, it can be said that the presence or absence of the trim coil does not affect the effect of the present invention.

トリムコイル以外にも、磁場勾配を持たせる方法がある。磁極間間隔を偏向電磁石への荷電粒子入出射位置に依存して変えるという方法である。この様な偏向電磁石に対しても本発明は同様に適用できる。例えば、図2を例にとると、B−B’部分の磁極間隔を大きくし、D−D’部分の磁極間隔を小さくすれば、上記トリムコイルを配置した場合と同様の磁場勾配が得られる。しかし、この構成では磁極間間隔の大きい部分即ちB−B’部で漏洩磁場が大きくなってしまい、漏洩磁場について逆の傾向になってしまう。図6示すような加速装置に、この様な偏向電磁石を利用した場合は、このままでは周回条件を満たす収束力を与えることはできなくなるが、磁極板により、この磁場漏洩率の逆転状況を補償してやれば、周回条件を満たす収束力を与えることができる偏向電磁石になりうる余地がある。   In addition to the trim coil, there is a method of giving a magnetic field gradient. In this method, the interval between the magnetic poles is changed depending on the charged particle entrance / exit position to the deflection electromagnet. The present invention can be similarly applied to such a bending electromagnet. For example, taking FIG. 2 as an example, a magnetic field gradient similar to that when the trim coil is arranged can be obtained by increasing the magnetic pole spacing of the BB ′ portion and decreasing the magnetic pole spacing of the DD ′ portion. . However, in this configuration, the leakage magnetic field becomes large at the portion where the interval between the magnetic poles is large, that is, the B-B 'portion, and the leakage magnetic field tends to be reversed. When such a deflecting electromagnet is used for the acceleration device as shown in FIG. 6, it is impossible to provide a convergence force that satisfies the rotation condition as it is, but the magnetic pole plate can compensate for the reverse state of the magnetic field leakage rate. For example, there is room for a bending electromagnet that can provide a converging force that satisfies the circuit condition.

また、以上の説明では螺旋形状の磁極を例にしたが、これまで説明した効果は偏向電磁石磁極形状に関係なく成立する。そのことの詳細は実施の形態5で説明する。ここで、螺旋形状の偏向電磁石を例に持ってきた理由は、本発明の有力な適用先であるFFAG加速装置で本発明と螺旋形状とを組み合わせるのが現実的であるためである。この点についても実施の形態5で説明する。なお、以上の説明では偏向電磁石の偏向面を水平面であるとして説明してきたが、これに限る必要はなく、任意の方向に設置することが可能で、同様の効果を奏することが出来る。   In the above description, the spiral magnetic pole is taken as an example. However, the effects described so far are established regardless of the shape of the deflection electromagnet magnetic pole. Details of this will be described in the fifth embodiment. Here, the reason why the spiral-shaped deflecting electromagnet is taken as an example is that it is realistic to combine the present invention and the spiral shape in the FFAG accelerator which is a powerful application destination of the present invention. This point will also be described in Embodiment 5. In the above description, the deflecting surface of the deflecting electromagnet has been described as being a horizontal plane. However, the present invention is not limited to this, and the deflecting electromagnet can be installed in any direction, and similar effects can be achieved.

実施の形態2
本発明の実施の形態2に係る偏向電磁石1の磁極板13aは、磁極板13aと荷電粒子周回軌道面14との距離を可変とする位置調節部を備えた位置調整型の磁極板である。
図8、図9に具体例を示す。図8は本発明の実施の形態の磁極板13aで、図に示すように、偏向電磁石1の荷電粒子の入射又は出射位置に対応した磁極板13aの長手方向には位置調節部17aが複数箇所設けられている。位置調節部17aは、例えば、磁極板13aに開けた位置調整穴19aと、この位置調整穴19aを介して支持板18aに磁極板13aを固定するねじ等の位置調整用留め具20aとで構成されており、位置調節部17aにより、図8に白抜きの矢印で示す方向に磁極板13aを移動させて支持板18aに固定することにより、磁極板13aと荷電粒子周回軌道面14との距離を変えることができる。図9は図8に示すE−E'での断面図である。図10は位置調整型磁極板13aの別の例である。ここでは、磁極板13aを支持する支持板18aをなくし、鉄心10に直接磁極板13aを取り付けている。又、磁極板13aと支持板18aとを一体にし、支持板18aに位置調節部17aを設置し、これを介して鉄心10に固定するという方法でもよい。
Embodiment 2
The magnetic pole plate 13a of the deflection electromagnet 1 according to Embodiment 2 of the present invention is a position adjustment type magnetic pole plate provided with a position adjustment unit that makes the distance between the magnetic pole plate 13a and the charged particle orbiting surface 14 variable.
Specific examples are shown in FIGS. FIG. 8 shows a magnetic pole plate 13a according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, there are a plurality of position adjusting portions 17a in the longitudinal direction of the magnetic pole plate 13a corresponding to the incident or outgoing position of the charged particles of the deflection electromagnet 1. Is provided. The position adjusting unit 17a includes, for example, a position adjusting hole 19a opened in the magnetic pole plate 13a, and a position adjusting fastener 20a such as a screw for fixing the magnetic pole plate 13a to the support plate 18a through the position adjusting hole 19a. The position adjusting unit 17a moves the magnetic pole plate 13a in the direction indicated by the white arrow in FIG. 8 and fixes it to the support plate 18a. Can be changed. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line EE ′ shown in FIG. FIG. 10 shows another example of the position adjusting type magnetic pole plate 13a. Here, the support plate 18 a that supports the magnetic pole plate 13 a is eliminated, and the magnetic pole plate 13 a is directly attached to the iron core 10. Alternatively, the magnetic pole plate 13a and the support plate 18a may be integrated, and the position adjusting unit 17a may be installed on the support plate 18a and fixed to the iron core 10 via this.

このように偏向軌道面からの磁極板の距離を可変にすることで、偏向電磁石の漏れ磁場の分布を簡単に調整することが可能となる。従って、この偏向電磁石による径方向の収束力を、偏向電磁石製作後でも簡便に調整することが出来、より高い精度で周回条件を満たす収束力を有する偏向電磁石を得ることが出来る。このような漏洩磁場分布形状の調整が可能な偏向電磁石を加速装置に使用することにより、実施の形態1で述べた理由と同じ理由で、加速過程でのチューン変化を、簡便に、より小さくすることが出来るため、加速装置のチューンが共鳴線に掛からなくなり、より安定した加速が可能となる。   Thus, by making the distance of the magnetic pole plate from the deflection track surface variable, it is possible to easily adjust the distribution of the leakage magnetic field of the deflection electromagnet. Therefore, the converging force in the radial direction by the deflecting electromagnet can be easily adjusted even after the deflection electromagnet is manufactured, and a deflecting electromagnet having a converging force satisfying the rotation condition can be obtained with higher accuracy. By using a deflecting electromagnet capable of adjusting the leakage magnetic field distribution shape in the acceleration device, the tune change during the acceleration process can be easily reduced for the same reason as described in the first embodiment. Therefore, the tune of the accelerator is not applied to the resonance line, and more stable acceleration is possible.

なお、図10では磁極板を全体として上下させることで偏向軌道面からの磁極板距離を可変にしたが、図11に示すように回転運動、またはこれに上下動を併用することにより偏向軌道面からの磁極板距離を可変にしてもよい。図11では、図8に示した位置調整部17aと同じものに加え、この位置調整部17aの位置調整用留め具20aを中心に回転できるように作られた回転位置調整部21aを備えている。この回転は、回転位置調節穴22aの回転角度範囲内で許される。また、位置調整用留め具20aに対して、位置調整穴19aの範囲で磁極板を上下に調整することが出来、その上下調整後、回転可能に固定した位置調整用留め具20aを中心に回転させることもできる。このようにして、偏向軌道面からの磁極板距離を可変にすることが出来る。   In FIG. 10, the pole plate distance from the deflection track surface is made variable by moving the pole plate up and down as a whole. However, as shown in FIG. The distance between the magnetic pole plate and the magnetic pole plate may be variable. In FIG. 11, in addition to the same position adjustment unit 17a as shown in FIG. 8, a rotation position adjustment unit 21a made to be rotatable around the position adjustment fastener 20a of the position adjustment unit 17a is provided. . This rotation is allowed within the rotation angle range of the rotation position adjusting hole 22a. Further, the pole plate can be adjusted up and down within the range of the position adjustment hole 19a with respect to the position adjustment fastener 20a, and after the vertical adjustment, the position adjustment fastener 20a is rotated and fixed. It can also be made. In this way, the pole plate distance from the deflection track surface can be made variable.

実施の形態3
本発明の実施の形態3に係る偏向電磁石1の磁極板13aを図12に示す。この実施の形態の磁極板13aは、磁極板をその長手方向に複数に分割して、偏向軌道面14からの磁極板距離を分割磁極板毎に調整できるようにした。この磁極板13aは分割磁極板毎に位置調整部17aを少なくとも1箇所備えている。偏向電磁石1への磁極板13aの支持方法は実施の形態2で説明した方法と同様である。
Embodiment 3
FIG. 12 shows a magnetic pole plate 13a of the bending electromagnet 1 according to Embodiment 3 of the present invention. In the magnetic pole plate 13a of this embodiment, the magnetic pole plate is divided into a plurality of pieces in the longitudinal direction so that the magnetic pole plate distance from the deflection track surface 14 can be adjusted for each divided magnetic pole plate. The magnetic pole plate 13a includes at least one position adjusting portion 17a for each divided magnetic pole plate. The method for supporting the magnetic pole plate 13a to the deflection electromagnet 1 is the same as the method described in the second embodiment.

分割磁極板の設計(分割枚数と、形状若しくは偏向面からの距離)は、実施の形態1の場合と同じく、周回軌道近傍で必要な漏洩磁場分布が得られるように、加速装置の荷電粒子ビーム力学計算、及び3次元磁界解析計算に基づき決定する。なお、分割磁極板形状は、図12に示すように矩形にしても良いし、図8に示す磁極板を単にその長手方向に分割しただけのものであっても良く、自由に決めることができる。このように、偏向軌道面からの磁極板距離を分割磁極板毎に調節できることにより、偏向電磁石の漏れ磁場の分布を簡単により高精度に調整することが可能となる。従って、この偏向電磁石による収束力の加速装置径方向依存性を偏向電磁石製作後でも簡便により高精度に調整することが出来、より高い精度で周回条件を満たす収束力を有する偏向電磁石を得ることが出来る。このような漏洩磁場分布の微調整が可能な偏向電磁石を加速装置に使用することにより、実施の形態1及び2で述べた効果に加えて、加速過程でのチューン変化を、簡便に、より小さくすることが出来るため、加速装置のチューンが共鳴線にかからなくなり、より安定した加速が可能となる。   As with the case of the first embodiment, the design of the divided magnetic pole plate (the number of divided pieces and the distance from the deflection surface) is the same as in the first embodiment, so that the necessary leakage magnetic field distribution can be obtained in the vicinity of the orbit. It is determined based on dynamic calculation and three-dimensional magnetic field analysis calculation. The shape of the divided magnetic pole plate may be rectangular as shown in FIG. 12, or the magnetic pole plate shown in FIG. 8 may be simply divided in the longitudinal direction, and can be freely determined. . As described above, by adjusting the magnetic pole plate distance from the deflection track surface for each divided magnetic pole plate, it is possible to easily and accurately adjust the distribution of the leakage magnetic field of the deflection electromagnet. Therefore, it is possible to easily and accurately adjust the dependence of the convergence force by the deflecting electromagnet on the acceleration device radial direction even after the deflection electromagnet is manufactured, and to obtain a deflecting electromagnet having a convergence force that satisfies the rotation condition with higher accuracy. I can do it. In addition to the effects described in the first and second embodiments, by using a deflecting electromagnet capable of fine adjustment of the leakage magnetic field distribution in this way, the tune change during the acceleration process can be made easier and smaller. Therefore, the tune of the accelerator is not applied to the resonance line, and more stable acceleration is possible.

実施の形態4
本発明の実施の形態4に係る偏向電磁石1を図13に示す。本実施の形態は、磁極板以外の漏洩磁場調整手段を有する偏向電磁石についての発明である。図13ではトリムコイルの設置状況が見やすいようにコイル12a、12bは省略した。磁極形状も矩形とし、単純化して示した。図13の偏向電磁石1では、この偏向電磁石1を加速装置2に設置した場合に、磁極11a、11b間の間隔を加速装置の径方向内側に近づくにつれてより狭くしてある。磁極間間隔が小さいと磁場漏洩率は小さくなるので、磁極間間隔を径方向に沿って広げていくことで磁極板でコイル側面を覆う面積を径方向外側に沿って小さくしていくということと同様の効果を得ることができる。しかし、この様にすると、径方向内側に近づくにつれて磁場が強くなってしまい、FFAG加速装置2で要請されている偏向磁場強度分布の径方向依存性が逆転してしまう。この発明では、これを補正するためにトリムコイル21a、21bを設置し、磁場強度分布を補償している。トリムコイルによる補償の具体的な方法としては偏向半径の小さいところで磁極とは逆向きに強い磁場を発生させ磁場強度分布を補償する方法と、偏向半径の大きいところで磁極と同じ向きに強い磁場を発生させて磁場強度分布を補償する方法とがある。図13は前者の例を示した。補償の程度はトリムコイルの設置態様やトリムコイルへの通電量を変えることにより、用途に応じて変えることができる。
Embodiment 4
FIG. 13 shows a bending electromagnet 1 according to Embodiment 4 of the present invention. The present embodiment is an invention relating to a deflection electromagnet having a leakage magnetic field adjusting means other than a magnetic pole plate. In FIG. 13, the coils 12a and 12b are omitted so that the installation condition of the trim coil can be easily seen. The magnetic pole shape is also shown as a rectangle and simplified. In the deflection electromagnet 1 of FIG. 13, when the deflection electromagnet 1 is installed in the acceleration device 2, the distance between the magnetic poles 11a and 11b is made narrower as it approaches the radially inner side of the acceleration device. If the gap between the magnetic poles is small, the magnetic field leakage rate will be small. Therefore, by expanding the gap between the magnetic poles along the radial direction, the area covering the coil side surface with the magnetic pole plate will be reduced along the radial outside. Similar effects can be obtained. However, if this is done, the magnetic field becomes stronger as it approaches the inner side in the radial direction, and the radial dependence of the deflection magnetic field strength distribution required by the FFAG accelerator 2 is reversed. In the present invention, in order to correct this, trim coils 21a and 21b are provided to compensate for the magnetic field strength distribution. A specific compensation method using a trim coil is to generate a strong magnetic field in the opposite direction to the magnetic pole when the deflection radius is small and to compensate the magnetic field strength distribution, and to generate a strong magnetic field in the same direction as the magnetic pole when the deflection radius is large. And a method for compensating the magnetic field strength distribution. FIG. 13 shows the former example. The degree of compensation can be changed according to the application by changing the installation mode of the trim coil and the energization amount to the trim coil.

上記、磁極間間隔は、実施の形態1で説明したように、まず、周回条件を満たす収束力を得るために要請される漏洩磁場分布形状がビーム力学計算から決められ、この漏洩磁場分布形状を実現するために必要な磁極間間隔形状を3次元磁界解析計算により求める。   As described in the first embodiment, the magnetic pole spacing is determined from the beam dynamics calculation to determine the leakage magnetic field distribution shape required to obtain the convergence force satisfying the circular condition. The distance between the magnetic poles necessary for the realization is obtained by three-dimensional magnetic field analysis calculation.

このように、磁極板以外にも漏洩磁場調整手段は存在する。どの様な方法にせよ、漏洩磁場調整手段を偏向電磁石に付加し、この漏洩磁場調整手段より偏向電磁石からの偏向面近傍での周回軌道に沿った漏洩磁場分布形状を径方向に応じて変化させることで偏向電磁石の垂直方向の収束力の加速装置径方向依存性を調整するというものはこれまでになかったもので、実施の形態1から4に述べたとおりの効果を奏することができる点で有用な発明である。   Thus, there is a leakage magnetic field adjusting means other than the magnetic pole plate. Whatever method is used, the leakage magnetic field adjusting means is added to the deflection electromagnet, and the leakage magnetic field adjustment means changes the leakage magnetic field distribution shape along the circular orbit near the deflection surface from the deflection electromagnet according to the radial direction. Thus, adjusting the dependence of the converging force in the vertical direction of the deflection electromagnet on the acceleration device radial direction has never been achieved, and the effects as described in the first to fourth embodiments can be achieved. It is a useful invention.

実施の形態5
本実施の形態は、実施の形態1から4で説明した漏洩磁場調整手段のいずれかと螺旋形状の磁極を有する偏向電磁石とを組み合わせたものである。初めに、螺旋形状の磁極の必要性について説明する。FFAG加速装置2では偏向電磁石1の径方向に磁場強度を大きくしているが、この磁場勾配により荷電粒子には垂直方向に発散力が働いてしまい、荷電粒子の安定な周回の妨げになる。この発散力を抑えるための収束力を得るために螺旋形状磁極を有する偏向電磁石1を採用する。螺旋形状の磁極にすることにより、偏向電磁石への荷電粒子の入射角、および偏向電磁石からの荷電粒子の出射角φ(φは平衡軌道の進行方向に垂直な線と偏向電磁石の磁極面とのなす角度である。)は、通常のセクター型偏向電磁石に比べて大きくすることができ、しかも、いずれの周回軌道からの入射、出射においても同じ角度にすることができる。エッジフォーカスによる垂直方向の収束力はtanφに比例することから、通常のセクター形状の偏向電磁石に比べた場合、この様な螺旋形状の偏向電磁石では、荷電粒子に対する垂直方向の収束力を、加速装置の周回軌道位置に依存することなく一様に、大きくすることができる。従って、螺旋形状磁極は加速装置の径方向の大きさを抑えるための有効な選択と言える。しかし、これだけではこれまで述べてきたように、加速過程でのチューンの変化による共鳴線との抵触を避けられないことから、実施の形態1から4で説明した漏洩磁場調整手段のいずれかを選択して、上記螺旋形状磁極を有する偏向電磁石と組み合わせることにより、加速過程でのチューンの変化を低減することが可能で、且つ、従来の偏向電磁石に比べて周方向にもコンパクトな偏向電磁石を実現することが出来る。この偏向電磁石を加速装置に採用することにより、加速装置もコンパクトにすることが出来る。尚、漏洩磁場分布形状は磁極形状により影響を受けるので、磁極板の形状設計には磁極形状が影響するが、これまで説明してきた本発明の意義と効果は、螺旋形状以外の形状であっても、磁極形状によらず成立する。
Embodiment 5
In the present embodiment, any one of the leakage magnetic field adjusting means described in the first to fourth embodiments is combined with a deflection electromagnet having a helical magnetic pole. First, the necessity of the spiral magnetic pole will be described. In the FFAG accelerator 2, the magnetic field strength is increased in the radial direction of the deflecting electromagnet 1, but due to this magnetic field gradient, a diverging force acts on the charged particles in the vertical direction, which hinders stable circulation of the charged particles. In order to obtain a converging force for suppressing the diverging force, a deflection electromagnet 1 having a helical magnetic pole is employed. By making the magnetic pole in a spiral shape, the incident angle of the charged particles to the deflection electromagnet and the emission angle φ of the charged particles from the deflection electromagnet (φ is the line perpendicular to the traveling direction of the equilibrium orbit and the magnetic pole surface of the deflection electromagnet Can be made larger than that of a normal sector-type deflection electromagnet, and the same angle can be set for incident and outgoing from any orbit. Since the vertical focusing force due to edge focus is proportional to tanφ, such a helical deflecting electromagnet, when compared to a normal sector-shaped deflecting electromagnet, has a vertical focusing force with respect to charged particles. It is possible to increase the size uniformly without depending on the position of the orbit. Therefore, it can be said that the spiral magnetic pole is an effective choice for suppressing the radial size of the accelerator. However, as described above, since it is unavoidable that there is a conflict with the resonance line due to the tune change during the acceleration process, one of the leakage magnetic field adjusting means described in the first to fourth embodiments is selected. In combination with a deflection electromagnet having the above-mentioned helical magnetic pole, it is possible to reduce the tune change during the acceleration process and realize a compact deflection electromagnet in the circumferential direction compared to conventional deflection electromagnets. I can do it. By adopting this deflection electromagnet in the acceleration device, the acceleration device can also be made compact. Note that the leakage magnetic field distribution shape is affected by the magnetic pole shape, so the magnetic pole shape influences the shape design of the magnetic pole plate. However, the significance and effects of the present invention described so far are shapes other than the helical shape. This is true regardless of the magnetic pole shape.

また、本発明に係る偏向電磁石を利用する加速装置として、図6に示すようなFFAG加速装置を例にとり説明したが、必ずしもFFAG加速装置に限る必要はない。荷電粒子の加速過程において、垂直方向のチューンの変化が大きくなるような加速装置に対して、垂直方向の収束力を偏向電磁石の径方向に依存して変化させることにより、このチューンの変化を小さくするという用途であれば共通に使用できるものである。   Further, although the FFAG accelerator as shown in FIG. 6 has been described as an example of the accelerator using the deflection electromagnet according to the present invention, it is not necessarily limited to the FFAG accelerator. In the acceleration process of charged particles, the change in the tune is reduced by changing the vertical convergence force depending on the radial direction of the deflecting electromagnet for an acceleration device in which the change in the vertical tune is large. It can be used in common if it is used.

本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石の上半分鳥瞰図The bird's-eye view of the upper half of the bending electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石の平面図FIG. 2 is a plan view of a bending electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石の側面図Side view of the bending electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention. (a)本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石のB−B’断面図 (b)本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石のC−C’断面図 (c)本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石のD−D’断面図(A) BB ′ sectional view of the deflection electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention (b) CC ′ sectional view of the deflection electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention (c) Implementation of the present invention DD 'sectional drawing of the bending electromagnet which concerns on form 1 本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石のトリムコイル敷設状況を示す斜視図(概念図)The perspective view (conceptual figure) which shows the trim coil laying state of the bending electromagnet which concerns on Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1に係る偏向電磁石を使用したFFAG加速装置の概念図Schematic diagram of FFAG accelerator using deflection electromagnet according to Embodiment 1 of the present invention (a)垂直方向チューンの加速エネルギーによる変化(磁極板なし) (b)垂直方向チューンの加速エネルギーによる変化(磁極板あり)(A) Change due to acceleration energy of vertical tune (without pole plate) (b) Change due to acceleration energy of vertical tune (with pole plate) 本発明の実施の形態2に係る偏向電磁石の側面図Side view of the bending electromagnet according to Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2に係る偏向電磁石の断面図1Sectional drawing 1 of the bending electromagnet which concerns on Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2に係る偏向電磁石の断面図2Sectional drawing 2 of the bending electromagnet based on Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2に係る偏向電磁石の他の例による側面図The side view by the other example of the bending electromagnet based on Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3に係る偏向電磁石の側面図Side view of a bending electromagnet according to Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態4に係る偏向電磁石の斜視図(概念図)Perspective view (conceptual diagram) of a bending electromagnet according to Embodiment 4 of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 本発明に係る偏向電磁石、2 本発明に係る偏向電磁石を組み込んだ円形加速装置、3 荷電粒子入射手段、 4 加速手段、 5 加速初期の荷電粒子周回軌道、 6 加速終期の荷電粒子周回軌道、 10 鉄心、 11a,11b 磁極、 12a,12b コイル、 13a,13b 磁極板、 14 荷電粒子周回軌道面、 15 荷電粒子、 16a トリムコイル、17a 位置調整部、18a 支持材、 19a 位置調整穴、 20a 位置調整用留め具、21a 回転位置調整部、22a 回転位置調整穴、23a 回転位置調整用留め具

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 The deflection electromagnet which concerns on this invention, 2 The circular acceleration apparatus incorporating the deflection electromagnet which concerns on this invention, 3 Charged particle injection means, 4 Acceleration means, 5 Charged particle circular orbit in the early stage of acceleration, 6 Charged particle circular orbit in the final stage of acceleration, 10 iron core, 11a, 11b magnetic pole, 12a, 12b coil, 13a, 13b magnetic pole plate, 14 charged particle orbiting surface, 15 charged particle, 16a trim coil, 17a position adjusting portion, 18a support material, 19a position adjusting hole, 20a position Fastening for adjustment, 21a Rotation position adjustment part, 22a Rotation position adjustment hole, 23a Rotation position adjustment fastener

Claims (7)

荷電粒子の入射位置が、偏向磁場と上記荷電粒子の入射する軌道とに対して略直交する方向に分布する偏向電磁石において、この偏向電磁石に入射し出射する前記荷電粒子の各軌道近傍でのその軌道方向への偏向磁場からの漏洩磁場分布を、磁場の漏洩率を調節することにより、上記入射又は出射する位置に依存して異なる分布形状にする漏洩磁場調整手段を備えた偏向電磁石。 In a deflecting electromagnet in which charged particle incident positions are distributed in a direction substantially perpendicular to the deflection magnetic field and the trajectory on which the charged particle is incident, the charged particles entering and exiting the deflecting electromagnet in the vicinity of each trajectory. A deflecting electromagnet provided with a leakage magnetic field adjusting means for adjusting a leakage magnetic field distribution from a deflection magnetic field in an orbital direction to a different distribution shape depending on the incident or exiting position by adjusting a leakage rate of the magnetic field. 漏洩磁場調整手段は、荷電粒子が偏向電磁石に入射又は出射する側の上記コイル最外側面に、磁性材で構成される磁極板を、上記偏向電磁石を構成する鉄心を介して配置し、上記偏向電磁石による上記荷電粒子の偏向軌道面に対向する上記磁極板の面と上記偏向軌道面との空隙間距離が、上記偏向電磁石の上記入射又は出射する位置に依存して設定されたものであることを特徴とする請求項1に記載の偏向電磁石。 The leakage magnetic field adjusting means arranges a magnetic pole plate made of a magnetic material on the outermost surface of the coil on the side where charged particles enter or exit the deflecting electromagnet via an iron core constituting the deflecting electromagnet. An air gap distance between the surface of the magnetic pole plate facing the deflection trajectory surface of the charged particle by the electromagnet and the deflection trajectory surface is set depending on the incident or exit position of the deflection electromagnet. The deflection electromagnet according to claim 1. 磁極板は、位置調整部を備え、この位置調整部により上記空隙間距離を可変にしたことを特徴とする請求項2に記載の偏向電磁石。 3. The deflecting electromagnet according to claim 2, wherein the magnetic pole plate includes a position adjusting unit, and the air gap distance is made variable by the position adjusting unit. 磁極板は、荷電粒子が上記偏向電磁石に入射又は出射する位置に対応して複数に分割された分割磁極板で構成されるとともに、この分割磁極板毎に、位置調整部を備えたことを特徴とする請求項3に記載の偏向電磁石。 The magnetic pole plate is composed of a divided magnetic pole plate that is divided into a plurality of parts corresponding to positions where charged particles enter or exit the deflection electromagnet, and each of the divided magnetic pole plates is provided with a position adjusting unit. The deflection electromagnet according to claim 3. 漏洩磁場調整手段は、偏向電磁石磁極間の間隔を、荷電粒子が上記偏向電磁石に入射又は出射する位置に依存して変化させた構成であり、かつ、上記入射又は出射する位置に依存した磁場強度分布を調節するトリムコイルを備えたことを特徴とする請求項1に記載の偏向電磁石。 The leakage magnetic field adjusting means has a configuration in which the interval between the deflecting electromagnet magnetic poles is changed depending on the position where the charged particle enters or exits the deflecting electromagnet, and the magnetic field strength depends on the position where the incident or exiting is present. The bending electromagnet according to claim 1, further comprising a trim coil for adjusting the distribution. 偏向電磁石磁極の荷電粒子偏向軌道面への投影形状が、荷電粒子の入射及び出射のそれぞれの側で、螺旋形状を平面投影して形成される形状の一部であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の偏向電磁石。 The projected shape of the deflecting electromagnet magnetic pole on the charged particle deflection orbital surface is a part of a shape formed by planarly projecting a helical shape on each of incident and outgoing charged particle sides. The deflection electromagnet according to any one of 1 to 5. 請求項1から6の何れかに記載の2以上の偏向電磁石を使って構成したことを特徴とする荷電粒子加速装置。
A charged particle acceleration apparatus comprising two or more deflection electromagnets according to claim 1.
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