JP2007026818A - Electromagnet forming magnetic field gradient - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えばFFAG(Fixed Field Alternating Gradient: 固定磁場強収束)加速器、FFAG加速器を用いて電子を加速する電子線照射装置、その他の加速器等に用いられて、荷電粒子を偏向させる電磁石に関し、より具体的には、マルチコイルを用いて磁場勾配を形成する、コイル型の電磁石に関する。 The present invention relates to, for example, an FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) accelerator, an electron beam irradiation apparatus for accelerating electrons using the FFAG accelerator, an electromagnet for deflecting charged particles, and the like. More specifically, the present invention relates to a coil-type electromagnet that forms a magnetic field gradient using a multi-coil.
半径方向に磁場勾配を形成する電磁石のタイプの一つに、マルチコイルを用いて磁場勾配を形成するコイル型がある。従来から提案されているコイル型の電磁石は、磁極の周囲に巻かれたメインコイルによって一様な磁場を形成し、その内側に同一ピッチで複数本並べられたマルチコイルの電流を変えることによって磁場勾配を形成するものである(例えば、非特許文献1の頁6−7参照)。 One type of electromagnet that forms a magnetic field gradient in the radial direction is a coil type that forms a magnetic field gradient using a multi-coil. Conventionally proposed coil-type electromagnets form a uniform magnetic field by a main coil wound around a magnetic pole, and change the current of multiple coils arranged at the same pitch inside the magnetic field. A gradient is formed (see, for example, pages 6-7 of Non-Patent Document 1).
そのような電磁石の一例を図4、図5に示す。 An example of such an electromagnet is shown in FIGS.
この電磁石4は、荷電粒子2が通過する隙間10をあけて相対向する一対の磁極6を有している。両磁極6間はヨーク8で接続されている。なお、荷電粒子2が通る経路は、非磁性材から成る真空容器(図示省略)で囲まれていて、真空雰囲気に保たれる。後述する本発明の実施形態においても同様である。
The
荷電粒子2は、例えば、電子、陽子、イオン等である。
The
上記各磁極6の周囲には、荷電粒子2の通過方向(図5、図2における紙面の表裏方向)と交差する方向である半径r方向に一様な磁場を、上下の磁極6間に、即ち上記隙間10に形成するメインコイル14がそれぞれ巻かれている。上下のメインコイル14は、通常は互いに直列接続されて、図示しない直流の電源(メインコイル用電源)によって励磁される。後述する本発明の実施形態においても同様である。
Around each of the
上記各メインコイル14の内側であって各磁極6の表面近傍には、マルチコイル16がそれぞれ設けられている。各マルチコイル16は、各磁極6の相対向面6aに沿って半径r方向に並べられた並設部19を有する複数の(通常は多数の)コイル18から成る。各コイル18の並設部19は、半径r方向に同一ピッチで並べられている。
A multi-coil 16 is provided inside each
上記のようなマルチコイルによって上下の磁極6間の半径r方向に磁場勾配を形成するために、マルチコイル16を構成する各コイル18に流す電流値を互いに異なる値にする。これを以下に詳述する。
In order to form a magnetic field gradient in the radius r direction between the upper and lower
図6に、上下のマルチコイル16を構成するコイル18を1本ずつ簡略化して示すと共に、それに電源22を接続した例を示す。上下のコイル18を互いに直列接続してそれに直流の電源22(マルチコイル用電源)を接続している。そしてこのような構成を、マルチコイル16を構成するコイル18の数だけ設ける。
FIG. 6 shows a simplified example of the
上記のような構成によって、上下の磁極6間の隙間10に、例えば図7に示すように、半径rが大きくなるに従って磁束密度Bが大きくなる磁場勾配を形成することができる。なお、上下の磁極6間の隙間10に形成される磁場の向きの一例を図中に矢印Mで示すが、これと逆向きに磁場を形成しても良い。
With the configuration as described above, a magnetic field gradient in which the magnetic flux density B increases as the radius r increases can be formed in the
例えば、この電磁石4をFFAG加速器に用いる場合、隙間10における半径r方向の磁束密度Bの分布は、次式に従ったものにする。ここで、r0 は基準半径(例えば、荷電粒子2の曲率半径方向における磁極6の内側端の半径)、B0 は当該基準半径r0 における基準磁束密度、kは磁場勾配を表すパラメータである。上記メインコイル14は、例えば、この基準磁束密度B0 を発生させる。
For example, when the
[数1]
B=B0 (r/r0 )k
[Equation 1]
B = B 0 (r / r 0 ) k
磁束密度Bを形成するために必要な電流値をIとすると、一般に、B∝Iであるから、これと上記数1から次式が導かれる。I0 は基準半径r0 における電流値である。 Assuming that the current value necessary for forming the magnetic flux density B is I, generally, B∝I. Therefore, the following equation is derived from this and the above equation (1). I 0 is the current value at the reference radius r 0 .
[数2]
I=I0 (r/r0 )k
[Equation 2]
I = I 0 (r / r 0 ) k
上記数2では、電流値Iは連続的に変化するけれども、実際には、上記マルチコイル16を構成する複数のコイル18は飛び飛びに(離散的に)並べられていて、上記電流値Iは各コイル18に流れる電流の合計であるため、電流値Iはステップ的に変化することになる。これを以下に詳述する。
In
基準半径r0 における電流値をI0 、そこからn番目のコイル18(半径rn )までの合計の電流値をIn とすると、数2から次式が導かれる。nは0以上の整数である。
Assuming that the current value at the reference radius r 0 is I 0 and the total current value from there to the n-th coil 18 (radius r n ) is I n , the following equation is derived from
[数3]
In =I0 (rn /r0 )k
[Equation 3]
I n = I 0 (r n / r 0 ) k
マルチコイル16を構成する複数のコイル18の一定のピッチをdrとし、基準半径r0 の位置にコイル18は無くその次のコイル18を1番目とすると、n番目のコイル18の半径rn は次式で表される。
If the constant pitch of the plurality of
[数4]
rn =r0 +n・dr
[Equation 4]
r n = r 0 + n · dr
この数4を数3に代入すると次式が導かれる。
Substituting
[数5]
In =I0 (1+n・dr/r0 )k
[Equation 5]
I n = I 0 (1 + n · dr / r 0 ) k
上記数5から、n−1番目のコイル18までの合計の電流値In-1 は次式で表される。
The total current value I n−1 from the above equation 5 to the (n−1)
[数6]
In-1 =I0 {1+(n−1)・dr/r0 }k
[Equation 6]
I n-1 = I 0 {1+ (n-1) · dr / r 0 } k
従って、n番目のコイル18の電流値in は次式で表される。
Therefore, the current value in of the nth
[数7]
in =In −In-1
=I0 (1+n・dr/r0 )k −I0 {1+(n−1)・dr/r0 }k
[Equation 7]
i n = I n -I n- 1
= I 0 (1 + n · dr / r 0 ) k −I 0 {1+ (n−1) · dr / r 0 } k
上記数7に従って、マルチコイル16を構成する各コイル18に流す電流値を互いに異なる値にすることによって、ピッチdrが一定のマルチコイル16を用いて、上記のような磁場勾配を形成することができる。
The magnetic field gradient as described above can be formed by using the multi-coil 16 having a constant pitch dr by changing the current values passed through the
上記電磁石4においては、磁場勾配を形成するためには、マルチコイル16を構成する各コイル18に流す電流値を互いに異なる値にする必要があるため、コイル18の数だけマルチコイル用の電源22(図6参照)が必要になる。即ち、マルチコイル用の電源が多数必要になるので、電源の構成が複雑になり、その制御も複雑になる。
In the
そこでこの発明は、磁場勾配を形成する電磁石であって、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる電磁石を提供することを主たる目的としている。 Accordingly, the main object of the present invention is to provide an electromagnet that forms a magnetic field gradient and can reduce the number of multi-coil power supplies.
この発明に係る電磁石は、前記各マルチコイルを構成するコイルの内の少なくとも一部の複数のコイルを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていることを特徴としている。 In the electromagnet according to the present invention, at least some of the coils constituting each multi-coil are connected in series to each other, and the pitch in the radial direction of the parallel portions of the series-connected coils is changed. It is characterized by letting it.
上記電磁石によれば、各マルチコイルを構成するコイルの内の直列接続した複数のコイルには、一つの電源から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、当該直列接続した複数のコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を前記半径方向に形成することができる。 According to the electromagnet, currents of the same magnitude can be supplied from a single power source to a plurality of coils connected in series among the coils constituting each multi-coil. Even in that case, since the pitch in the radial direction of the juxtaposed portion of the plurality of coils connected in series is changed, a magnetic field gradient corresponding to the change in the pitch can be formed in the radial direction.
前記各マルチコイルを構成するコイルの全てを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていても良い。 All of the coils constituting each multi-coil may be connected in series with each other, and the pitch in the radial direction of the juxtaposed portions of the coils connected in series may be changed.
前記直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを、半径が大きくなるに従って小さくしていても良い。 The pitch in the radial direction of the juxtaposed coils of the series-connected coils may be reduced as the radius increases.
請求項1に記載の発明によれば、各マルチコイルを構成するコイルの内の直列接続した複数のコイルには、一つの電源から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、当該直列接続した複数のコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を前記半径方向に形成することができる。従って、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる。またそれに伴って、当該電源の制御も容易になる。 According to the first aspect of the present invention, currents of the same magnitude can be supplied from a single power source to a plurality of coils connected in series among the coils constituting each multi-coil. Even in that case, since the pitch in the radial direction of the juxtaposed portion of the plurality of coils connected in series is changed, a magnetic field gradient corresponding to the change in the pitch can be formed in the radial direction. Therefore, the number of multi-coil power supplies can be reduced. Along with this, control of the power supply becomes easy.
請求項2に記載の発明によれば、各マルチコイルを構成するコイルの全てを互いに直列接続し、かつその並設部のピッチを変化させているので、マルチコイル用の電源の数をより減少させることができ、かつ当該電源の制御もより容易になる、という更なる効果を奏する。 According to the second aspect of the present invention, since all the coils constituting each multi-coil are connected in series with each other and the pitch of the juxtaposed portion is changed, the number of power sources for the multi-coil is further reduced. This has the further effect that the power supply can be easily controlled.
請求項3に記載の発明によれば、直列接続したコイルの並設部のピッチを、前記半径が大きくなるに従って小さくしているので、前記半径が大きくなるに従って磁束密度が大きくなる磁場勾配を形成することができる。 According to the third aspect of the present invention, since the pitch of the parallel portions of the coils connected in series is reduced as the radius increases, a magnetic field gradient in which the magnetic flux density increases as the radius increases is formed. can do.
図1は、この発明に係る電磁石の一実施形態を示す概略斜視図である。図2は、図1に示す電磁石の概略縦断面図である。図4、図5に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an embodiment of an electromagnet according to the present invention. FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of the electromagnet shown in FIG. Parts identical or corresponding to those in the conventional example shown in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
この電磁石4aは、従来のマルチコイル16に代えて、次のようなマルチコイル16aを備えている。即ち、上記各メインコイル14の内側であって各磁極6の表面近傍に、マルチコイル16aがそれぞれ設けられている。各マルチコイル16aは、各磁極6の相対向面6aに沿って半径r方向に並べられた並設部19を有する複数の(通常は多数の)コイル18から成る。
The
そして、この実施形態では、上記各マルチコイル16aを構成する複数のコイル18の全てを互いに直列接続している。その様子を図3に簡略化して示す。なお、図3では、各マルチコイル16aを構成するコイル18は三つしか図示していないけれども、これはあくまでも図示を簡略化するためであり、実際は各マルチコイル16aはもっと多くのコイル18を有している。
In this embodiment, all of the plurality of
更にこの実施形態では、上下のマルチコイル16aを互いに直列接続して、それに直流の電源24(マルチコイル用電源)を接続している。このような構成を、この実施形態では1台の電磁石4aについて一つ設けている。
Furthermore, in this embodiment, the upper and lower multi-coils 16a are connected in series with each other, and a DC power source 24 (multi-coil power source) is connected thereto. In this embodiment, one such configuration is provided for one
更にこの実施形態では、上記各マルチコイル16aにおいて、直列接続したコイル18の並設部19の前記半径r方向におけるピッチ(間隔)を変化させている。より具体的には、図1、図2からも分かるように、この実施形態では半径rが大きくなるに従ってピッチを小さくしている。
Furthermore, in this embodiment, in each of the multi-coils 16a, the pitch (interval) in the radius r direction of the juxtaposed
この電磁石4aによれば、各マルチコイル16aを構成する全てのコイル18に、一つの電源24から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、直列接続した全てのコイル18の並設部19の半径r方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を半径r方向に形成することができる。具体的には、この実施形態では、各コイル18の並設部19の半径r方向におけるピッチを、半径rが大きくなるに従って小さくしているので、半径rが大きくなるに従って磁束密度が大きくなる磁場勾配を形成することができる。
According to the
従って、この電磁石4aによれば、従来よりもマルチコイル用の電源の数を大幅に減らすことができる。またそれに伴って、当該電源の制御も容易になると共に、電源の低コスト化も可能になる。特にこの実施形態では、上下のマルチコイル16a用の電源が一つの電源24で済むので、上記効果はより顕著になる。
Therefore, according to this
上記各マルチコイル16aを構成するコイル18のピッチと磁場勾配との関係の一例を以下に詳述する。
An example of the relationship between the pitch of the
この電磁石4aを例えばFFAG加速器に用いる場合を例に取ると、上記数1に示した磁束密度Bの分布に近い磁場勾配を形成する場合、上記数2より、次式が導かれる。rn 、r0 、In 、I0 、kの意味は前述のとおりである。
Taking the case where this
[数8]
rn =r0 (In /I0 )1/k
[Equation 8]
r n = r 0 (I n / I 0 ) 1 / k
また、マルチコイル16aを構成する複数のコイル18に流す電流値をdiとすると、この電流値diは全てのコイル18において同一の値となり、n番目のコイル18までの合計の電流値In は次式で表される。
Further, when the value of the current flowing to the plurality of
[数9]
In =I0 +n・di
[Equation 9]
I n = I 0 + n · di
この数9を上記数8に代入すると次式が得られる。
Substituting Equation 9 into
[数10]
rn =r0 (1+n・di/I0 )1/k
[Equation 10]
r n = r 0 (1 + n · di / I 0 ) 1 / k
従って、この数10から、マルチコイル16aを構成する複数のコイル18の並設部19のピッチPn は、次式で表すことができる。
Therefore, from this
[数11]
Pn =rn −rn-1
=r0 (1+n・di/I0 )1/k −r0 {1+(n−1)・di/I0 }1/k
[Equation 11]
P n = r n −r n−1
= R 0 (1 + n · di / I 0 ) 1 / k −r 0 {1+ (n−1) · di / I 0 } 1 / k
マルチコイル16aに流す電流値diを一定にしても、この数11に従ってピッチPn を変化させることによって、上記数1に示した磁束密度Bの分布に近い磁場勾配を形成することができる。 Even if the current value di flowing through the multi-coil 16a is constant, the magnetic field gradient close to the distribution of the magnetic flux density B shown in Equation 1 can be formed by changing the pitch Pn according to Equation 11.
なお、各マルチコイル16aを構成する各コイル18は、その一部分または全部が、各磁極6内に、例えば各磁極6の表面近傍内に埋め込まれていても良い。各メインコイル14についても同様である。
A part or all of each
また、図3に示す例のように上下のマルチコイル16aを互いに直列接続するのが、マルチコイル用の電源24が一つで済む等の観点から好ましいけれども、上下のマルチコイル16aを互いに直列接続せずに、各マルチコイル16aに電源をそれぞれ設けても良い。その場合はマルチコイル用の電源が二つ必要になるけれども、それでも従来よりも電源の数を大幅に少なくすることができる。あるいは、上下のマルチコイル16aを互いに並列接続して一つの電源24に接続しても良い。
In addition, it is preferable to connect the upper and lower multi-coils 16a in series as shown in the example of FIG. 3 from the viewpoint that only one
また、以上では、各マルチコイル16aを構成する複数のコイル18の全てを互いに直列接続しかつピッチを変化させた実施形態を説明したけれども、この発明はそれに限られるものではなく、必要に応じて、各マルチコイル16aを構成する複数のコイル18の内の一部の複数のコイル18を互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイル18の並設部19のピッチを変化させておいても良い。例えば、各マルチコイル16aを構成する複数のコイル18を複数群(例えば2〜3群)に分け、各群におけるコイル18を互いに直列接続し、かつそれぞれ所望の割合でピッチを変化させても良い。この場合は、各群用にマルチコイル用の電源を設けることになるが、それでも、従来のように各コイル18ごとに電源を設ける場合に比べれば、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる。
In the above, the embodiment has been described in which all of the plurality of
上記のような電磁石4aとそれ用の電源とを備えるものを電磁石装置と呼ぶことができる。従って例えば、上記電磁石4aを構成する上下のメインコイル14を互いに直列接続してそれにメインコイル用の直流の電源を接続し、かつ図3に示す例のように上下のマルチコイル16aを互いに直列接続してそれにマルチコイル用の直流の電源24を接続して、磁場勾配を形成する電磁石装置を構成しても良い。
A device including the above-described
2 荷電粒子
4a 電磁石
6 磁極
14 メインコイル
16a マルチコイル
18 コイル
19 並設部
24 電源(マルチコイル用電源)
2 charged
Claims (3)
前記各磁極に巻かれていて、前記荷電粒子の通過方向と交差する方向である半径方向に一様な磁場を前記磁極間に形成するメインコイルと、
前記各メインコイルの内側に設けられていて、前記磁極間の相対向面に沿って前記半径方向に並べられた並設部を有する複数のコイルから成り、前記磁極間の前記半径方向に磁場勾配を形成するマルチコイルとを備える電磁石において、
前記各マルチコイルを構成するコイルの内の少なくとも一部の複数のコイルを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていることを特徴とする、磁場勾配を形成する電磁石。 A pair of magnetic poles facing each other with a gap through which charged particles pass;
A main coil that is wound around each of the magnetic poles, and that forms a uniform magnetic field between the magnetic poles in a radial direction that is a direction that intersects the direction of passage of the charged particles;
A magnetic field gradient in the radial direction between the magnetic poles is provided inside the main coils and includes a plurality of coils having juxtaposed portions arranged in the radial direction along opposing surfaces between the magnetic poles. In an electromagnet comprising a multi-coil forming
A plurality of at least some of the coils constituting each multi-coil are connected in series with each other, and the pitch in the radial direction of the juxtaposed portions of the series-connected coils is changed. An electromagnet that forms a magnetic field gradient.
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Effective date: 20091222 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100420 |