JP2006302818A - 高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
作業が簡単かつ短時間で済む高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムを提供すること。
【解決手段】
電磁石１の位置及び姿勢を調整する調整機構５と、電磁石１上の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３と、計測基準点Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の位置を計測する３次元計測装置３と、調整ボルトＬ１〜Ｌ８の調整量を算出する解析装置４とを備え、計測基準点Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の位置を計測することにより、調整量を各調整ボルトＬ１〜Ｌ８別に算出し、調整ボルトＬ１〜Ｌ８を算出された調整量分移動させることにより、電磁石１を正規の位置まで移動させることを可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高エネルギー加速器に設けられ、電子軌道を制御する電磁石の位置や姿勢を調整する、高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムに関するものである。

高エネルギー加速器では、電子軌道の制御用として例えば、偏向電磁石や四極電磁石などが連続して複数個設置される。この場合に、それぞれの電磁石は、電子軌道に対して正確なアライメントが取られていることが必要である。そこで、このような高エネルギー加速器では、各種の方法によってアライメントが図られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

特許文献１および特許文献２に開示されている高エネルギー加速器では、電磁石を水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に調整するボルト及び鉛直方向（Ｚ方向）に調整するボルトが設置され、それらのボルトによって電磁石のアライメントが行なわれている。
特開平６−１６３１９７号公報 特開平１１−２１４１９８号公報

ところで、特許文献１および特許文献２に開示されているアライメント方法では、建屋内に設けられた建屋基準点に基づき、電磁石の位置を確認しながら必要と思われる複数の調整ボルトを回転させ、電磁石のアライメントを行なっている。しかし、このようなアライメント方法では、正規の位置まで移動させる調整ボルトの位置と調整量とが明確でない為、トライアンドエラーを繰り返し、作業に膨大な時間を要していた。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、作業が簡単かつ短時間で済む高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムを提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、電磁石の位置及び姿勢を複数の調整ボルトにより調整する調整機構と、前記電磁石上の複数箇所に設けられた計測基準点と、前記電磁石が設置された建屋内のいずれかの場所に設置され、前記計測基準点の位置を計測する計測装置と、前記電磁石を正規の位置まで調整する複数の前記調整ボルトの調整量を算出する解析装置とを備え、前記計測基準点の位置を計測することにより、前記調整量を各前記調整ボルト別に算出し、該各調整ボルトを算出された該調整量移動させることにより、前記電磁石を正規の位置まで移動させることを特徴とする。

また、前記調整量は、各前記調整ボルト別に所定量移動させた際の前記計測基準点の位置変動量を計測し、該調整ボルト別に計測された該位置変動量に基づき、該調整ボルト別に算出することを特徴とする。

更に、前記調整ボルトは、該調整ボルトを回転させるアクチュエータを備え、該アクチュエータは、前記解析装置の指令によって作動されることを特徴とする。

本発明によれば、電磁石は調整ボルトにより水平方向及び鉛直方向に移動する。電磁石上には複数箇所に計測基準点が設けられ、計測基準点の位置を建屋基準点に設置された計測装置により計測する。

複数ある調整ボルトの１つを所定量移動させ、計測基準点の変動量を計測し、移動させた調整ボルトを元の位置まで戻す。全ての調整ボルトにおいて同様に所定量移動させた際の計測基準点の変動量を計測する。各調整ボルトの変動量の計測結果に基づき、電磁石を正規の位置まで調整する各調整ボルトの調整量を解析装置によって算出する。各調整ボルトを算出された調整量移動させることにより、電磁石を正規の位置へ移動させる。

これにより、調整が必要な調整ボルトの位置と調整量とが明確になり、トライアンドエラーを繰り返すことなく容易に高エネルギー加速器用電磁石のアライメントが行なえる。

また、調整ボルトには回転させるアクチュエータが備えられている為、調整量の算出から、電磁石を正規の位置まで移動させる動作を自動的に行なうことが可能である。

以上説明したように、本発明の高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムによれば、電磁石のアライメントに必要な調整ボルトの位置と調整量とを明確にし、電磁石のアライメント作業が簡単かつ短時間で済む。

以下、添付図面に従って本発明に係る高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムについて説明する。

図１は本発明に係る高エネルギー加速器用アライメントシステムを概念的に示した模式図、図２は３次元計測装置による計測と調整量の求め方を説明するための模式図、図３はアライメントシステムの動作を示したフロー図である。

図１に示すように、高エネルギー加速器には電子軌道の制御用として、偏向電磁石や四極電磁石などの電磁石１が備えられている。

電磁石１の下部には、電磁石１の位置及び姿勢を調整する調整機構５が設けられている。調整機構５には、電磁石１を鉛直方向（Ｚ方向）に調整するための調整ボルトＬ１〜Ｌ４、及び水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に調整するための調整ボルトＬ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８が設けられている。

調整ボルトＬ１〜Ｌ８には、それぞれモータ等のアクチュエータＡ１〜Ａ８（不図示）が設置されている。電磁石１の上面には、３点の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が配設されている。

高エネルギー加速器が設置されている建屋内には、いずれかの場所に計測基準点２が設けられ、計測基準点２上にはレーザ等を用いて物体の三次元位置を測定する３次元計測装置３（以下、計測装置）が設置されている。計測装置３は、計測装置３近傍、又は建屋外のいずれかの場所に設置された解析装置４に接続される。また、解析装置４はアクチュエータＡ１〜Ａ８とも接続され、アクチュエータＡ１〜Ａ８の動作を制御する。

次に、図２において、電磁石１の鉛直，水平方向と分けた調整量の算出方法を示す。調整ボルトＬ１〜Ｌ８の１つを一定量移動させることで電磁石１の姿勢は一様の変化を生じる。これにより、調整ボルトＬ１〜Ｌ８の夫々の変動に対する電磁石１の姿勢変動には一定の再現性があり、行列式として成り立つ。

高エネルギー加速器が設置されている建屋内に想定されたＸ、Ｙ、Ｚ軸に対して、電磁石１の正規の位置までの水平方向の移動量をＸ、Ｙ、垂直方向の移動量をＺ。更に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に対して回転した際の回転角度をθｘ、θｙ、θｚとしたとき、電磁石１の正規の位置までの移動量は（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）となる。このとき、最短で電磁石１を移動させるための各調整ボルトＬ１〜Ｌ８の調整量は上記行列の一般化逆行列から求まる。

まず、鉛直方向における各調整ボルトＬ１〜Ｌ４の調整量の算出方法を示す。

計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各座標をＰ１：Ｐ_１０（ｘ_１０，ｙ_１０，ｚ_１０）、Ｐ２：Ｐ_２０（ｘ_２０，ｙ_２０，ｚ_２０）、Ｐ３：Ｐ_３０（ｘ_３０，ｙ_３０，ｚ_３０）として解析装置４へ取り込む。アクチュエータＡ１を駆動させて０．５ｍｍ調整ボルトＬ１を上昇方向に移動させる。

電磁石１の姿勢が変化した後の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標をＰ１：Ｐ_１１（ｘ_１１，ｙ_１１，ｚ_１１）、Ｐ２：Ｐ_２１（ｘ_２１，ｙ_２１，ｚ_２１）、Ｐ３：Ｐ_３１（ｘ_３１，ｙ_３１，ｚ_３１）として解析装置４へ取込む。

取り込まれた計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標より、解析装置４によって、３点の計測点の図心Ｇを仮基準点とし、移動前のＰ_１０、Ｐ_２０、Ｐ_３０の図心Ｇの位置から、新たなＰ_１１、Ｐ_２１、Ｐ_３１の図心Ｇの位置までの位置変動量Ｇ１（ｚ_ｇ１，θｘ_ｇ１，θｙ_ｇ１）を算出する。算出後調整ボルトＬ１を逆方向に０．５ｍｍ移動させて、電磁石１の姿勢を元に戻す。

Ｌ１を戻した後、再度計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各座標をＰ_１０、Ｐ_２０、Ｐ_３０として解析装置４へ取り込む。アクチュエータＡ２を駆動させ、同様に調整ボルトＬ２を０．５ｍｍ上昇させる。

電磁石１の姿勢が変化した後の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標をＰ１：Ｐ_１２（ｘ_１２，ｙ_１２，ｚ_１２）、Ｐ２：Ｐ_２２（ｘ_２２，ｙ_２２，ｚ_２２）、Ｐ３：Ｐ_３２（ｘ_３２，ｙ_３２，ｚ_３２）として解析装置４へ取込む。取り込まれた計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標より、解析装置４によって、移動前の図心Ｇの位置から、新たな図心Ｇの位置までの位置変動量Ｇ２（ｚ_ｇ２，θｘ_ｇ２，θｙ_ｇ２）を算出する。算出後調整ボルトＬ２を逆方向に０．５ｍｍ移動させて、電磁石１の姿勢を元に戻す。

Ｌ２を戻した後、再度計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各座標をＰ_１０、Ｐ_２０、Ｐ_３０として解析装置４へ取り込む。アクチュエータＡ３を駆動させ、同様に調整ボルトＬ３を０．５ｍｍ上昇させる。

電磁石１の姿勢が変化した後の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標をＰ１：Ｐ_１３（ｘ_１３，ｙ_１３，ｚ_１３）、Ｐ２：Ｐ_２３（ｘ_２３，ｙ_２３，ｚ_２３）、Ｐ３：Ｐ_３３（ｘ_３３，ｙ_３３，ｚ_３３）として解析装置４へ取込む。取り込まれた計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標より、解析装置４によって、移動前の図心Ｇの位置から、新たな図心Ｇの位置までの位置変動量Ｇ３（ｚ_ｇ３，θｘ_ｇ３，θｙ_ｇ３）を算出する。算出後調整ボルトＬ３を逆方向に０．５ｍｍ移動させて、電磁石１の姿勢を元に戻す。

Ｌ３を戻した後、再度計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各座標をＰ_１０、Ｐ_２０、Ｐ_３０として解析装置４へ取り込む。アクチュエータＡ４を駆動させ、同様に調整ボルトＬ４を０．５ｍｍ上昇させる。

電磁石１の姿勢が変化した後の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標をＰ１：Ｐ_１４（ｘ_１４，ｙ_１４，ｚ_１４）、Ｐ２：Ｐ_２４（ｘ_２４，ｙ_２４，ｚ_２４）、Ｐ３：Ｐ_３４（ｘ_３４，ｙ_３４，ｚ_３４）として解析装置４へ取込む。取り込まれた計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標より、解析装置４によって、移動前の図心Ｇの位置から、新たな図心Ｇの位置までの位置変動量Ｇ４（ｚ_ｇ４，θｘ_ｇ４，θｙ_ｇ４）を算出する。算出後調整ボルトＬ４を逆方向に０．５ｍｍ移動させて、電磁石１の姿勢を元に戻す。

以上のように、調整ボルトＬ１〜Ｌ４を所定量（０．５ｍｍ）移動させた際の電磁石１の姿勢の変化は、Ｇ１（ｚ_ｇ１，θｘ_ｇ１，θｙ_ｇ１），Ｇ２（ｚ_ｇ２，θｘ_ｇ２，θｙ_ｇ２），Ｇ３（ｚ_ｇ３，θｘ_ｇ３，θｙ_ｇ３），Ｇ４（ｚ_ｇ４，θｘ_ｇ４，θｙ_ｇ４）であり、これよりヤコビアン関係Ｊ(Ｘ_１)は以下の式が成り立つ。

調整ボルトＬ１〜Ｌ４の調整量は、上記ヤコビアン行列の一般化逆行列を計算することで求まる。即ち、目標値に対する各調整ボルトＬ１〜Ｌ４の調整量 ＩＪ(Ｘ_１) は、以下の式で求めることが可能である。

次に、水平方向における各調整ボルトＬ５〜Ｌ８の調整量の算出方法を示す。

調整ボルトＬ５〜Ｌ８の調整量の算出は、調整ボルトＬ１〜Ｌ４の調整量の算出と同様に、アクチュエータＡ５〜Ａ８を駆動して調整ボルトＬ５〜Ｌ８をそれぞれ所定量（例えば０．５ｍｍ）移動させる。

解析装置４へ取り込んだ元の位置での計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標と、電磁石１の姿勢が変化した後の計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標より、図心Ｇを仮基準点として電磁石１の姿勢の変化は、調整ボルトＬ５〜Ｌ８でそれぞれ位置変動量Ｇ５（ｘ_ｇ５，ｙ_ｇ５，θｚ_ｇ５）、Ｇ６（ｘ_ｇ６，ｙ_ｇ６，θｚ_ｇ６）、Ｇ７（ｘ_ｇ７，ｙ_ｇ７，θｚ_ｇ７）、Ｇ８（ｘ_ｇ８，ｙ_ｇ８，θｚ_ｇ８）として算出される。

これよりヤコビアン関係Ｊ(Ｘ_２)は以下の式が成り立つ。

調整ボルトＬ５〜Ｌ８の調整量は、上記ヤコビアン行列の一般化逆行列を計算することで求まる。即ち、目標値に対する各調整ボルトＬ５〜Ｌ８の調整量ＩＪ(Ｘ_２) は、以下の式で求めることが可能である。

次に、図３において、本発明に係る高エネルギー加速器用電磁石のアライメントシステムの動作フローを説明する。

はじめに図１に示す３次元計測装置３によって基準点２より、電磁石１上の計測基準Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標をＰ１：Ｐ_１０（ｘ_１０，ｙ_１０，ｚ_１０）、Ｐ２：Ｐ_２０（ｘ_２０，ｙ_２０，ｚ_２０）、Ｐ３：Ｐ_３０（ｘ_３０，ｙ_３０，ｚ_３０）として解析装置４へ取込む。（ステップＳ１）。

取り込み終了後、アクチュエータＡ１を駆動させて調整ボルトＬ１を所定量（０．５ｍｍ）移動させる。（ステップＳ２）。

計測装置３によって基準点２より、姿勢を変化させた電磁石１の計測基準Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標を、計測基準Ｐ１：Ｐ_１１（ｘ_１１，ｙ_１１，ｚ_１１）、Ｐ２：Ｐ_２１（ｘ_２１，ｙ_２１，ｚ_２１）、Ｐ３：Ｐ_３１（ｘ_３１，ｙ_３１，ｚ_３１）として解析装置４へ取込む。（ステップＳ３）。

ステップＳ１にて解析装置４へ取り込んだ計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標と、ステップＳ３にて解析装置４へ取り込んだ計測基準点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の新たな座標より、図心Ｇを仮基準点とし位置変動量Ｇ１を算出する。（ステップＳ４）。

算出後、アクチュエータＡ１を駆動させて調整ボルトＬ１をステップ２とは逆の方向へ所定量（０．５ｍｍ）移動させて電磁石１を元の姿勢へ戻す。（ステップＳ５）。

ステップ１からステップ５までを調整ボルトＬ１から調整ボルトＬ８まで繰り返す。調整ボルトＬ８までの作業が終了したらステップＳ６を実行する。（判断Ａ1）
算出された調整ボルトＬ１からＬ８までの位置変動量よりコビアン行列の一般化逆行列を計算し、各調整ボルトＬ１からＬ８の調整量を算出する。（ステップＳ６）。

調整ボルトＬ１からＬ８に備えられたアクチュエータＡ１〜Ａ８を駆動させ、調整ボルトＬ１からＬ８を調整量分移動させる。（ステップＳ７）。

計測装置３によって基準点２より、電磁石１上の計測基準Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標を再度計測する。（ステップＳ８）。

ステップＳ８で計測した座標より、電磁石１の位置が正規の位置へ移動しているか判断する。正規の位置へ達していない場合は、ステップＳ８で計測した座標より、正規の位置までの調整量をステップＳ６へ戻り再調整する。正規の位置へ達していた場合は調整作業を終了する。（判断Ａ２）。

以上説明したように、本発明に係る高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法およびアライメントシステムは、電磁石のアライメントに必要な調整ボルトの位置と調整量とを明確にし、電磁石のアライメント作業が簡単かつ短時間で済む。

なお、本実施の形態では調整ボルトＬ１〜Ｌ８はアクチュエータＡ１〜Ａ８により移動しているが、調整ボルトＬ１〜Ｌ８の移動は手動で行なっても良い。

また、調整ボルトＬ１〜Ｌ８の調整量算出後、調整ボルトＬ１〜Ｌ８を手動で調整する際、計測基準Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標を一定の時間間隔で解析装置４へ取り込み、取り込まれた座標から調整量を順次新たに算出し、算出された結果が調整を行なう作業者へ通知される形態でもよい。

更に、本実施の形態では調整ボルトはＬ１〜Ｌ８の８本であるが、調整機構５の形態に合わせて８本よりも多数、又は少数であってもよい。

本発明に係る高エネルギー加速器用アライメントシステムの模式図。 調整量の求め方を説明するための模式図。 アライメントシステムの動作を示したフロー図。

符号の説明

１…電磁石，２…基準点，３…３次元測定装置，４…解析装置，５…調整機構，Ｌ１〜Ｌ８…調整ボルト，Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…計測基準点

Claims (5)

1. 電磁石の位置及び姿勢を複数の調整ボルトにより調整する調整機構と、
   前記電磁石上の複数箇所に設けられた計測基準点と、
   前記電磁石が設置された建屋内のいずれかの場所に設置され、前記計測基準点の位置を計測する計測装置と、
   前記電磁石を正規の位置まで調整する複数の前記調整ボルトの調整量を算出する解析装置とを備え、
   前記計測基準点の位置を計測することにより、前記調整量を各前記調整ボルト別に算出し、該各調整ボルトを算出された該調整量移動させることにより、前記電磁石を正規の位置まで移動させることを特徴とする高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法。
2. 前記調整量は、各前記調整ボルト別に所定量移動させた際の前記計測基準点の位置変動量を計測し、該調整ボルト別に計測された該位置変動量に基づき、該調整ボルト別に算出することを特徴とする請求項１に記載の高エネルギー加速器用電磁石のアライメント方法。
3. 電磁石の位置及び姿勢を調整する複数の調整ボルトにより調整する調整機構と、
   前記電磁石上の複数箇所に設けられた基準点と、
   前記電磁石が設置された建屋内のいずれかの場所に設置され、前記計測基準点の位置を計測する計測装置と、
   前記電磁石を正規の位置まで調整する複数の前記調整ボルトの調整量を算出する解析装置とを備えたことを特徴とする高エネルギー加速器用電磁石のアライメントシステム。
4. 前記調整機構は、複数の前記調整ボルトを回転させることによって前記電磁石の水平方向及び鉛直方向位置を調整することを特徴とする請求項３に記載の高エネルギー加速器用電磁石のアライメントシステム。
5. 前記調整ボルトは、該調整ボルトを回転させるアクチュエータを備え、該アクチュエータは、前記解析装置の指令によって作動されることを特徴とする請求項４に記載の高エネルギー加速器用電磁石のアライメントシステム。

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