JP2013182881A - 磁気チャンネル - Google Patents
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Abstract
【課題】支持部に対して磁極部を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる磁気チャンネルを提供する。
【解決手段】グラディエントコレクタ10は、荷電粒子線の軌道空間Sを隔てて互いに対向して配置される一対の磁極板20、20と、非磁性体部材からなり磁極板20を支持する支持板30と、磁極板20側の部分(第1の軸部41)が磁性体からなり、支持板30側の部分(第2の軸部42)が非磁性体からなり、支持板30に対して磁極板20を固定する固定ボルト40とを備える。これにより、支持板30に対して磁極板20を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる。
【選択図】図4
【解決手段】グラディエントコレクタ10は、荷電粒子線の軌道空間Sを隔てて互いに対向して配置される一対の磁極板20、20と、非磁性体部材からなり磁極板20を支持する支持板30と、磁極板20側の部分(第1の軸部41)が磁性体からなり、支持板30側の部分(第2の軸部42)が非磁性体からなり、支持板30に対して磁極板20を固定する固定ボルト40とを備える。これにより、支持板30に対して磁極板20を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる。
【選択図】図4
Description
本発明は、粒子加速器において荷電粒子線の軌道を制御するための磁気チャンネルに関する。
例えば下記特許文献1に記載されるように、サイクロトロンなどの粒子加速器において荷電粒子線の軌道を制御するためのグラディエントコレクタ(磁気チャンネル)が知られている。
グラディエントコレクタは、荷電粒子線の軌道空間を隔てて互いに対向して配置される一対の磁極部と、磁極部を支持する支持部とを有する。ここで、磁極部は、鉄などの磁性体からなり、支持部は、銅などの非磁性体からなる。
磁極部の形状は、荷電粒子線の軌道方向およびそれに直交する方向に沿って軌道空間に所定の磁場勾配を形成するように予め決定される。グラディエントコレクタは、励磁電流の供給により軌道空間に所定の磁場勾配を形成することで、軌道空間を通過する荷電粒子線の軌道を最適な状態に制御する。
このような磁極部は、半田付けまたはロウ付けにより支持部に接合して固定される。しかし、この固定方法では、荷電粒子線の熱により半田、ロウなどの接合部が溶融し、軌道空間に生じる強い磁力により磁極部が支持部から離脱し、結果としてサイクロトロンの運転を停止することを余儀なくされる。
そこで、本発明は、支持部に対して磁極部を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる磁気チャンネルを提供しようとするものである。
本発明に係る磁気チャンネルは、荷電粒子線の軌道空間を隔てて互いに対向して配置される一対の磁極部と、非磁性体部材からなり磁極部を支持する支持部と、磁極部側の部分が磁性体からなり、支持部側の部分が非磁性体からなり、支持部に対して磁極部を固定する固定手段とを備える。
本発明に係る磁気チャンネルによれば、固定手段のうち磁極部側の部分および支持部側の部分がそれぞれに磁性体および非磁性体からなるので、固定手段を設ける前後で磁性体の領域が維持される。これにより、支持部に対して磁極部を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる。
ここで、磁極部側の部分は、磁極部と同一または同等の磁性を伴う材料、特に純鉄または鉄で形成されることが好ましい。また、支持部側の部分は、非磁性体であるステンレススチール、真鍮および銅のいずれかで形成されることが好ましい。
また、固定手段は、支持部と磁極部とを締結するように構成されてもよい。これにより、両部材の締結により磁極部をさらに強固に固定することができる。
また、固定手段は、磁性体部分と非磁性体部分とが圧接された圧接接合ボルトであってもよい。これにより、接着固定する場合のように磁性体部分(第1の軸部)と非磁性体部分(第2の軸部)の間に別の材料が介在したり、溶接固定する場合のように磁性体部分(第1の軸部)と非磁性体部分(第2の軸部)の間で材料が混じり合ったりせず、所定の磁場勾配を確実に形成することができる。
また、磁極部は、支持部に半田付けまたはロウ付けされてもよい。これにより、両部材間の熱伝達性が高まり、磁極部の放熱を促すことができる。
本発明によれば、支持部に対して磁極部を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる磁気チャンネルを提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
まず、図1を参照して、本発明の実施形態に係るグラディエントコレクタ10を含むサイクロトロン1の構成について説明する。図1は、荷電粒子線の引き出し機能を要部としてサイクロトロン1の概要を示す図である。
サイクロトロン1は、真空容器2、ディー電極3、デフレクタ4(静電偏向器)、およびグラディエントコレクタ10(磁気チャンネル)を有する。
真空容器2は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。真空容器2の上下(紙面に対して垂直な方向の上下)には、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の電磁石が設けられる。
ディー電極3は、真空容器2の内部で荷電粒子を加速するための電極である。ディー電極3は、互いに対向して配置され、それぞれが三角形状をなす一対の電極3a、3bからなる。ディー電極3の中心部には、真空容器2の内部に荷電粒子を供給する供給源5が配置される。
デフレクタ4は、磁場中で周回軌道O1を周回する荷電粒子線を偏向させて、引出軌道O2に引き出すための装置である。デフレクタ4は、可変的に電場を与えうる導入ギャップ4aを有し、導入ギャップ4aに荷電粒子線を導いて偏向させる。
グラディエントコレクタ10は、荷電粒子線の磁場勾配(引出軌道O2に直交する断面での半径方向の磁場勾配)を補正して粒子線を水平方向に収束するための装置である。グラディエントコレクタ10は、固定的に磁場勾配を与えうる導入ギャップ10aを有し、導入ギャップ10aに荷電粒子線を導いて粒子線を水平方向に収束する。
サイクロトロン1では、真空容器2の内部においてディー電極3により加速された荷電粒子線がデフレクタ4の導入ギャップ4aおよびグラディエントコレクタ10の導入ギャップ10a、ならびにビーム引出ダクト6を通じて真空容器2の外部に引き出される。
つぎに、図2から図4を参照して、本発明の実施形態に係るグラディエントコレクタ10(磁気チャンネル)について説明する。
グラディエントコレクタ10は、支持部(支持板30)に対して磁極部(磁極板20)を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる。グラディエントコレクタ10は、一対の磁極板20(磁極部)、支持板30(支持部)、および固定ボルト40(固定手段)を有する。
一対の磁極板20、20は、荷電粒子線の軌道空間Sを隔てて互いに対向して、例えば上下に配置される一対の磁極部を構成する。磁極板20は、薄板状の純鉄、鉄、コバルト、ニッケルなどの磁性体で形成される。
磁極板20の形状は、荷電粒子の軌道方向Oおよびそれに直交する方向に沿って軌道空間Sに所定の磁場勾配を形成するように予め決定される。例えば、図2では、磁極板20は、荷電粒子線の軌道方向Oの下流側ほど薄くなると共に、その板厚が三次元的に変化するように形成されている。なお、磁極板20は、荷電粒子線の軌道方向Oに沿って複数の部材(図2に示す例では6つの部材)に区分されてもよい。
支持板30は、軌道空間Sの側に接合面31を有する部材からなり、磁極部(磁極板20)を支持する支持部を構成する。支持板30は、薄板状のステンレススチール、真鍮、銅などの非磁性体で形成される。ここで、接合面31とは、荷電粒子線の軌道方向Oに沿ってほぼ一様に延びる面を意味する。
支持板30は、磁極板20と同様に、荷電粒子線の軌道方向Oに沿って複数の部材(図2に示す例では6つの部材)に区分されてもよい。支持板30は、ピン51aなどを介して横壁51に支持され、横壁51は、真空容器2の外壁(不図示)に支持される縦壁52にピン52a(図3参照)などを介して支持される。支持板30には、荷電粒子線の軌道方向Oに沿って、磁極板20を冷却するための冷却管33が設けられる(図3参照)。
図4に示すように、磁極板20および支持板30には、固定ボルト40を挿通するためのボルト孔が設けられる。ボルト孔は、磁極板20に穿設される第1の孔部21と、支持板30に穿設される第2の孔部32とを有する。ボルト孔では、この例では第1の孔部21の周面の一部に雌ねじが設けられる。なお、第1の孔部21は、貫通孔でもよく、有底孔でもよい。
また、支持板30の接合面31には、磁極板20と支持板30を接合する接合部55が設けられてもよい。接合部55は、例えば銀/スズ系金属による半田付け、またはロウ付けなどとして構成される。接合部55は、両部材20、30を機械的に接合すると共に、両部材20、30間の熱伝達性を高める。これにより、支持板30の冷却管33を用いて、荷電粒子線の衝突に起因して加熱された磁極板20の放熱および冷却を促すことができる。なお、接合部55は、熱伝達性の高い材料であればよく、磁極板20と支持板30を機械的に接合する機能を有していなくてもよい。
固定ボルト40は、支持板30に対して磁極部(磁極板20)を固定するための固定手段を構成する。固定ボルト40は、接合面31より磁極部(磁極板20)側の部分が磁性体からなり、支持部(支持板30)側の部分が非磁性体からなる。固定ボルト40は、例えば、磁性体の部分と非磁性体の部分とが圧接された圧接接合ボルトである。
固定ボルト40は、磁極板20に穿設される第1の孔部21に適合するように形成される第1の軸部41と、支持板30に穿設される第2の孔部32に適合するように形成される第2の軸部42とを有する。固定ボルト40では、この例では第1の軸部41の周面の一部に雄ねじが設けられる。
ここで、第1の軸部41は、磁極部(磁極板20)側の部分に相当し、第2の軸部42は、支持部(支持板30)側の部分に相当する。第1の軸部41は、純鉄、鉄、コバルト、ニッケルなど、磁極板20と同一または同等の磁性を伴う材料で形成される。つまり、第1の軸部41の材料としては、磁極板20の材料と磁気特性(B−H特性)が同一または同等の材料が選択される。
一方、第2の軸部42は、例えばステンレススチール、真鍮、銅などの磁性を伴わない材料、好ましくは支持板30と同一または同等の特性を伴う材料で形成される。つまり、第2の軸部42の材料としては、非磁性体材料が選択される。
グラディエントコレクタ10の製造に際しては、まず、磁極板20および支持板30が準備される。磁極板20の形状は、軌道空間Sに所定の磁場を形成するように予め決定される。さらに、磁極板20および支持板30には、固定ボルト40を挿通するためのボルト孔、つまり第1の孔部21、第2の孔部32がそれぞれ穿設される。
つぎに、支持板30に対して磁極板20が固定される。このため、第1の孔部21と第2の孔部32が一致するように支持板30に対して磁極板20を位置決めし、接合部55により支持板30に対して磁極板20が密着される。つぎに、ボルト孔に固定ボルト40を挿通し、固定ボルト40を締めることで支持板30に対して磁極板20が締結される。この状態で、固定ボルト40の第1の軸部41と第2の軸部42の境界(圧接面43)は、ボルト孔の第1の孔部21と第2の孔部32の境界、つまり支持板30の接合面31とほぼ一致している。
ここで、固定ボルト40は、第1の孔部21に適合する第1の軸部41が磁性体で形成され、第2の孔部32に適合する第2の軸部42が非磁性体で形成されている。よって、磁極板20のうち第1の孔部21の穿設により除去された磁性体の部分が磁性体からなる第1の軸部41により補填され、支持板30のうち第2の孔部32の穿設により除去された非磁性体の部分が非磁性体からなる第2の軸部42により補填される。
これにより、磁極板20は、第1の孔部21を穿設される前と比べて磁性体の領域がほぼ維持される。また、支持板30も、第2の孔部32を穿設される前と比べて非磁性体の領域がほぼ維持される。このため、第1の孔部21および第2の孔部32が穿設される前と比べて磁性体の領域が増加または減少しないので、軌道空間Sに所定の磁場勾配とは異なる磁場勾配が形成されることが抑制される。
以上説明したように、本発明の実施形態に係るグラディエントコレクタ10によれば、固定手段(固定ボルト40)のうち磁極板20側の部分および支持板30側の部分がそれぞれに磁性体および非磁性体からなるので、固定手段を設ける前後において磁性体の領域が維持される。これにより、支持板30に対して磁極板20を確実に固定すると共に、所定の磁場勾配を形成することができる。
また、支持板30に対して磁極板20を締結するように固定手段を構成することで、両部材20、30の締結により磁極板20をさらに強固に固定することができる。
また、固定ボルト40を磁性体部分と非磁性体部分とが圧接された圧接接合ボルトとすることで、所定の磁場勾配を確実に形成することができる。これは、接着固定する場合のように第1の軸部41と第2の軸部42の間に別の材料が介在したり、溶接固定する場合のように第1の軸部41と第2の軸部42の間で材料が混じり合ったりすることが抑制できるためである。
また、支持板30に磁極板20を半田付けまたはロウ付けすることで、両部材20、30間の熱伝達性が高まり、磁極板20の放熱を促すことができる。
なお、前述した実施形態は、本発明に係るグラディエントコレクタ10の最良な実施形態を説明したものであり、本発明に係るグラディエントコレクタ10は、本実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係るグラディエントコレクタ10は、各請求項に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲で本実施形態に係るグラディエントコレクタ10を変形し、または他のものに適用したものであってもよい。
例えば、前述した第1の実施形態は、固定手段を固定ボルト40により構成したが、それに代えて、リベット、またはボルトとナットの組合せにより構成してもよい。固定ボルト40を支持板30の側から挿通するように構成したが、磁極板20の側から挿通するように構成してもよい。
また、前述した実施形態では、荷電粒子線の軌道空間Sを隔てて互いに対向して一対の磁極板20、20を配置する場合について説明したが、二対以上の磁極板を配置する場合についても同様に説明することができる。
また、前述した実施形態では、電極部および支持部を薄板状に構成したが、ブロック状に構成してもよい。また、前述した実施形態では、荷電粒子線の軌道方向Oとほぼ直交する断面において、固定ボルト40を1つだけ設けたが、2つ以上設けてもよい。
1…サイクロトロン、10…グラディエントコレクタ、20…電極板、30…支持板、31…接合面、40…固定ボルト、55…接合部。
Claims (7)
- 荷電粒子線の軌道空間を隔てて互いに対向して配置される一対の磁極部と、
非磁性体部材からなり前記磁極部を支持する支持部と、
前記磁極部側の部分が磁性体からなり、前記支持部側の部分が非磁性体からなり、前記支持部に対して前記磁極部を固定する固定手段と、
を備える磁気チャンネル。 - 前記固定手段は、前記支持部と前記磁極部とを締結するように構成される、請求項1に記載の磁気チャンネル。
- 前記固定手段は、磁性体部分と非磁性体部分とが圧接された圧接接合ボルトである、請求項1または2に記載の磁気チャンネル。
- 前記磁極部側の部分は、前記磁極部と同一または同等の磁性を伴う材料で形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気チャンネル。
- 前記磁極部側の部分は、純鉄または鉄で形成される、請求項4に記載の磁気チャンネル。
- 前記支持部側の部分は、ステンレススチール、真鍮および銅のいずれかで形成される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁気チャンネル。
- 前記磁極部は、前記支持部に半田付けまたはロウ付けされる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の磁気チャンネル。
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CN106132061A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-11-16 | 中国原子能科学研究院 | 适用于200‑250 MeV超导质子回旋加速器束流引出的超小型磁通道 |
WO2020184524A1 (ja) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | 住友重機械工業株式会社 | 加速器、及びサイクロトロン |
CN112449476A (zh) * | 2019-08-28 | 2021-03-05 | 住友重机械工业株式会社 | 回旋加速器 |
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