JP2013182881A

JP2013182881A - 磁気チャンネル

Info

Publication number: JP2013182881A
Application number: JP2012048349A
Authority: JP
Inventors: Masami Sano; 正美佐野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-12

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

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。

特開平６−３４９５９８号公報

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。

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の概要を示す図である。本発明の実施形態に係るグラディエントコレクタの要部を示す斜視図である。図２に示すグラディエントコレクタをＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って示す断面図である。図３に示すグラディエントコレクタを一部拡大して示す断面図である。

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

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。