JP2010257633A

JP2010257633A - 磁場発生装置及びシンクロトロン

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Publication number: JP2010257633A
Application number: JP2009103905A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kuroda; 洋一黒田; Kazuo Yamamoto; 和男山本; Hirobumi Tanaka; 博文田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: JP5399763B2

Abstract

【課題】発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない磁極材料を使用した四極又は六極電磁石においても設定磁場が得られる磁場発生装置及びシンクロトロンを得る
【解決手段】四極又は六極電磁石と、電磁石電源１０と、波形を発生する波形生成器９とを有する磁場発生装置であって、前記四極又は六極電磁石に発生する磁場１５と前記電磁石電源１０への入力電圧１２とから求めた前記四極又は六極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧１２を決定し、前記波形生成器９からこの入力電圧１２と同じ波形の入力信号１２を発生し、この入力信号１２を前記電磁石電源１０に入力して前記四極又は六極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を得るように構成した。
【選択図】図３

Description

この発明は、磁場発生装置及びシンクロトロンに関し、出力される磁場と印加する電圧の関係に周波数依存性のある交流磁場を発生する四極又は六極電磁石に係わるものである。

交流電磁石に磁場を発生させる際、電磁石の周波数に依存したインピーダンスにより、電磁石に印加した電圧波形と電磁石に流れる電流波形は異なる。また磁極材料の周波数特性により、意図した出力磁場と同様の波形の電流を電磁石に印加しても、実際に電磁石から出力される磁場は意図した磁場の波形とは異なったものとなる。従来、交流電磁石に意図した出力磁場を得るために、特許文献１に示すような、電磁石に流れる電流、または発生する磁場をその都度サンプリングし、入力信号に対する電磁石に流れる電流または発生する磁場の伝達関数を求めて、設定磁場を発生させるために電磁石への印加電圧の波形にフィードバックする手法が取られてきた。

また、シンクロトロンとは、荷電粒子を低エネルギーから高エネルギーに加速する円形の加速器のことである。シンクロトロンにおいては、荷電粒子の軌道を環状の加速軸に保つことで、１つの加速空胴によって繰り返し荷電粒子が加速される。シンクロトロンには荷電粒子の軌道を加速軸に保つための偏向電磁石のほか、荷電粒子の広がりを抑えるための四極電磁石、クロマティシティを補正する六極電磁石、シンクロトロンへの荷電粒子の入射やシンクロトロンからの荷電粒子の取り出しに使用するキッカー電磁石、セプタム電磁石、バンプ電磁石、荷電粒子取り出し用四極電磁石、荷電粒子取り出し用六極電磁石など、多数の電磁石が設置されている。

これら電磁石のうち、荷電粒子の入射、取り出しなどに用いるキッカー電磁石、セプタム電磁石、バンプ電磁石、荷電粒子取り出し用四極電磁石、荷電粒子取り出し用六極電磁石などは高速な磁場の立ち上げや立ち下げが必要であり、交流電磁石とする必要がある。交流磁場を発生させる際、電磁石に印加した電圧波形と電磁石に流れる電流波形は異なり、また意図した出力磁場と同様の波形の電圧を電磁石に印加しても、実際に電磁石から出力される磁場は意図した磁場の波形とは異なったものとなってしまう。

特開平６−５３９０号公報

Beam simulation of the extraction method from a synchrotron using a fast Q-magnet assisted by RF-knockout, Tetsuya NAKANISHI（中西哲也）

特許文献１に示した出力磁場の調整方法においては、入力電圧と出力磁場の周波数依存性を考慮していないため、高速な磁場の立ち上がりや高精度な磁場の波形の制御をすることはできない。また、シンクロトロンからの荷電粒子の出射に非特許文献１に示す方法を用いる際、入力電圧と出力磁場の関係に周波数依存性がない高価な磁極材料を用いると装置コストが高額になり、また入力電圧と出力磁場の関係に周波数依存性がある安価な磁極材料を用いると出力磁場の波形が設定の波形とならないという課題がある。
この発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない磁極材料を使用した交流電磁石においても設定磁場が得られる磁場発生装置又はシンクロトロンを得るものである。

この発明に係わる磁場発生装置は、四極又は六極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有する磁場発生装置であって、前記四極又は六極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記四極又は六極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を決定し、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記四極又は六極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を得るように構成したものである。

また、この発明に係わるシンクロトロンは、荷電粒子取り出し用の四極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有するシンクロトロンであって、前記四極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記四極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を求め、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記四極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を発生させ、荷電粒子を取り出すように構成したものである。

さらに、この発明に係わるシンクロトロンは、荷電粒子取り出し用の六極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有するシンクロトロンであって、前記六極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記六極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を求め、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記六極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を発生させ、荷電粒子を取り出すように構成したものである。

この発明の磁場発生装置によれば、発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない磁極材料を使用した四極又は六極電磁石においても設定磁場が容易に得られる。
また、この発明のシンクロトロンによれば、発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない安価な磁極材料を四極又は六極電磁石に使用しても、設定磁場が容易に得られ、シンクロトロンからの荷電粒子の取り出しと停止を行なうことができる。

この発明の実施の形態１による四極電磁石を示す構成図である。電磁石への入力電圧に対する出力磁場の割合の周波数特性を示す特性図である。実施の形態１に係わり、四極電磁石における出力磁場と入力信号の伝達関数の関係から方形磁場を発生させる試験の機器構成と入出力の波形を示す図である。実施の形態１に係わり、四極電磁石における電磁石に流れる電流と入力信号の伝達関数の関係から方形電流を発生させた試験の入出力の波形を示す図である。実施の形態３における荷電粒子取り出し用四極電磁石を設置したシンクロトロンと電磁石を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による四極電磁石を示す構成図である。磁場を発生する四極電磁石５と、四極電磁石５に電圧を印加する電源３と、電源からの電圧波形を出力する任意の波形を出力することのできる波形生成器１から構成されている。波形生成器１から電源３に入力波形２を入力し、入力波形２を増幅して出力電圧４を四極電磁石５に印加し、四極電磁石５から出力磁場６が出力される。図２に電磁石への入力電圧に対する出力磁場の割合の周波数特性を示す。７は周波数依存性の小さい磁極材料を使用した電磁石の特性で、例えばフェライトなど、入力電圧に対する出力磁場の周波数依存性が少ない磁極材料を使用した電磁石の特性を示す。８は周波数依存性の大きい磁極材料を使用した電磁石の特性で、例えば鉄材など、入力電圧に対する出力磁場の周波数依存性が大きい磁極材料を使用した電磁石の特性を示す。

鉄材などの磁極材料を使用した場合、周波数が高くなるにしたがって電磁石のインピーダンスが大きくなり、電磁石に流れる電流は小さくなる。四極電磁石５から発生する磁場の波形６は交流磁場であるため、出力磁場６に任意の波形、例えば方形磁場を発生させる場合、方形の入力波形２を入力しても出力磁場６の波形は方形にはならない。方形の出力磁場６を発生させる場合、あらかじめ四極電磁石５の入力電圧に対する出力磁場の周波数特性を含む伝達関数を測定しておき、方形の出力磁場を発生させるための入力電圧を電磁石に印加する。この方法で方形の出力電流を発生させる入力波形を算出し、波形生成器から出力すると、鉄材のような入力電圧に対する出力磁場の周波数依存性が大きい磁極材料を使用した電磁石においても方形の出力磁場を得ることが可能となる。波形生成器は、例えば、デジタルシンセサイザであり、簡単に所望する任意の波形を作成できる。

これを実証する試験を行なった。図３は出力磁場と入力信号の伝達関数の関係から方形磁場を発生させる試験の機器構成と入出力の波形を示す図である。まず、四極電磁石１１のインピーダンスを測定し、出力磁場と入力電圧の伝達関数を算出した。この伝達関数から設定磁場を発生させるための入力波形１２を算出し、波形生成器９から電源１０に入力した。電源１０からは任意波形生成器からの入力波形１２と同様の波形をした電圧波形１３が四極電磁石１１に印加され、四極電磁石１１には電磁石に流れる電流波形１４の電流が流れ、このとき四極電磁石１１に流れた電流によって四極電磁石１１に磁場波形１５の方形磁場が発生した。

また、四極電磁石のインピーダンスを測定し電磁石に流れる電流と入力電圧の伝達関数の関係から方形電流を発生させた試験の入出力の波形を図４に示す。この実験においても同様に電磁石のインピーダンスの周波数特性を測定し、入力電圧に対する電磁石電流の伝達関数を算出する。この伝達関数から設定磁場を発生させるための入力波形を算出し、波形生成器からの入力波形１６を電源に入力する。電源からはこの入力波形１６と同様の波形をした電圧波形１７が電磁石に印加され、電磁石には電磁石に流れる電流波形１８のような方形電流が流れた。この電流により、電磁石には磁場波形１９のような磁場が流れ、磁場波形１９は立ち上がりまでに少なくとも１２０μ秒を必要とし、波形は方形にはならなかった。波形制御の精度や立ち上がり速度が要求される際には出力磁場と入力電圧の伝達関数から算出した入力波形を入力する必要がある。
実施の形態１の四極電磁石においては、発生磁場（出力磁場）と印加電圧（入力電圧）の周波数特性が一定にはならない安価な磁極材料を使用しても、例えば方形磁場など任意の設定磁場を得ることが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、四極電磁石を用いて説明したが、六極電磁石としてもよい。四極電磁石と六極電磁石では、発生する磁場の分布が異なるが、この構成においても四極電磁石と同様、六極電磁石のインピーダンスを測定し、入出力の伝達関数を求めて入力波形に反映することで、安価な磁極材料を使用しても例えば方形磁場など任意の磁場を得ることができる。
同様に、キッカー電磁石、セプタム電磁石、バンプ電磁石などの交流電磁石にも適用が可能であり、特に、高速な磁場の立ち上げや立ち下げが必要である交流電磁石には好適である。
このように,交流電磁石においては、発生磁場（出力磁場）と印加電圧（入力電圧）の
周波数特性が一定にはならない安価な磁極材料を使用しても、例えば方形磁場など任意の設定磁場を得ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１の四極電磁石をシンクロトロンからの荷電粒子の取り出し用電磁石としてシンクロトロン内に設置してもよい。このときのシンクロトロンの構成を図５に示す。環状加速器であるシンクロトロンは、荷電粒子加速軸２５に沿って加速空胴２０、偏向電磁石２１、チューン調整用四極電磁石２６、クロマティシティ補正用六極電磁石２７、入射用電磁石３０、荷電粒子取り出し用四極電磁石２２などが環状に配置される。荷電粒子入射用電磁石３０、荷電粒子取り出し用四極電磁石２２など高速な磁場の応答が必要な電磁石は交流磁場で運転し、荷電粒子取り出し用四極電磁石２２には電圧を印加する電磁石電源２３を設置し、電磁石に印加する電圧波形を出力する波形生成器２４を設置している。

シンクロトロンで荷電粒子を加速するためには、シンクロトロン入射時の粒子のエネルギーをある程度以上高くする必要があるため、荷電粒子はまず入射器２９により初期加速されて数ＭｅＶのエネルギーまで到達し、その後入射用電磁石３０によってシンクロトロンに入射する。シンクロトロン内に入射した荷電粒子は偏向電磁石２１によって進行方向を荷電粒子加速軸２５上に保たれながら、加速空胴２０によって繰り返し加速電圧を与えられ、高エネルギーまで加速される。加速された荷電粒子は荷電粒子取り出し用四極電磁石２２によってシンクロトロンから取り出され、荷電粒子利用部２８において、例えば素粒子実験や疾病治療など様々な用途に利用される。シンクロトロンには、荷電粒子の進行方向を保つための偏向電磁石２１のほかに荷電粒子の広がりを抑えるためのチューン調整用四極電磁石２６、クロマティシティ補正用六極電磁石２７など多くの電磁石が設置され、これらは入出射に用いられる電磁石に比べ高速な時間応答が必要にならないため直流電磁石として運転される。

荷電粒子を取り出す場合、シンクロトロン内で安定に加速されている荷電粒子の加速状態を不安定にする。これにより安定領域の外に出た荷電粒子が徐々に取り出される。荷電粒子の取り出しを停止するときには荷電粒子取り出し用四極電磁石２２に磁場を発生させて荷電粒子の安定領域を広げ、荷電粒子を安定領域内に収めることで取り出しを停止する。再びシンクロトロンから荷電粒子を取り出す際には、荷電粒子取り出し用四極電磁石２２によって磁場を発生し、荷電粒子の安定領域を小さくして安定領域の外に出た荷電粒子を取り出す。このように四極電磁石の磁場を操作することによって自由にシンクロトロンからの荷電粒子の取り出しを行なうことが可能となる。実施の形態１の四極電磁石を用いることで、発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない安価な磁極材料を使用しても、シンクロトロンからの荷電粒子の取り出しと停止を行なうことが可能となる。

実施の形態４．
また、実施の形態３の荷電粒子取り出し用四極電磁石２２は六極電磁石としてもよい。四極電磁石と六極電磁石では発生する磁場の分布は異なるが、六極電磁石としたときも発生磁場によりシンクロトロン内の荷電粒子の安定状態を変化させることができるため、シンクロトロンからの粒子の取り出しを行なうことが可能となる。
実施の形態２の六極電磁石を用いることで、発生磁場と印加電圧の周波数特性が一定ではない安価な磁極材料を使用しても、シンクロトロンからの荷電粒子の取り出しと停止を行なうことが可能となる。

１波形生成器２入力波形
３電源４出力電圧
５四極電磁石６出力磁場
９波形生成器１０電源
１１四極電磁石１２入力波形
１３電圧波形１４電流波形
１５磁場波形１６入力波形
１７電圧波形１８電流波形
１９磁場波形２０加速空胴
２１偏向電磁石２２荷電粒子取り出し用四極電磁石
２３電磁石電源２４波形生成器
２５荷電粒子加速軸２６チューン調整用四極電磁石
２７クロマティシティ補正用六極電磁石２８荷電粒子利用部
２９入射器３０入射用電磁石

Claims

四極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有する磁場発生装置であって、前記四極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記四極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を決定し、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記四極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を得るように構成したことを特徴とする磁場発生装置。
六極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有する磁場発生装置であって、前記六極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記六極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を決定し、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記六極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を得るように構成したことを特徴とする磁場発生装置。
荷電粒子取り出し用の四極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有するシンクロトロンであって、前記四極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記四極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を求め、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記四極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を発生させ、荷電粒子を取り出すように構成したことを特徴とするシンクロトロン。
荷電粒子取り出し用の六極電磁石と、電磁石電源と、波形を発生する波形生成器とを有するシンクロトロンであって、前記六極電磁石に発生する磁場と前記電磁石電源への入力電圧とから求めた前記六極電磁石の周波数特性を含む入出力の伝達関数から設定磁場を発生させる入力電圧を求め、前記波形生成器からこの入力電圧と同じ波形の入力信号を発生し、この入力信号を前記電磁石電源に入力して前記六極電磁石に電圧を印加して、前記設定磁場を発生させ、荷電粒子を取り出すように構成したことを特徴とするシンクロトロン。
前記設定磁場は設定方形磁場である請求項３又は請求項４記載のシンクロトロン。