JP2021141095A - 超電導磁石装置および偏向電磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型に構成でき、強い磁場を発生できる超電導磁石装置を実現する。【解決手段】磁性体を有し環状に形成されたヨークと、ヨークから対向するように突出した一対の第１の磁極５４と、超電導線材を含み、一対の第１の磁極５４に各々巻回された一対の第１のコイル６４と、を備え、第１のコイル６４は、超電導線材を直線状に延設した第１のコイル直線部６４ａと、超電導線材を湾曲させた一対の第１のコイル湾曲部６４ｂと、を有し、第１のコイル湾曲部６４ｂの内周面の曲率半径ｒa，ｒbは、第１のコイル直線部６４ａの内周面の半幅ｒ1よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、超電導磁石装置および偏向電磁石装置に関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約には、「通過する荷電粒子ビームを偏向させる偏向電磁石装置であって、荷電粒子ビームが通過する間隙を介して上下に対向して一対のヨーク５Ａ、５Ｂが配置され、当該ヨークはメインポール１Ａ、１Ｂ、サイドポール２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂを有し、当該ポールに磁場を生成する一対のコイル４１Ａ、４１Ｂ、およびそれの外周側であってコイル４１Ａ、４１Ｂと同軸の一対のコイル５１Ａ、５１Ｂとを備え、上部のヨーク５Ａ及び下部のヨーク５Ｂを非磁性体の支持部材で連結する構成である」と記載されている。また、下記特許文献２の請求項１には、「単結晶状のREBa₂Cu₃O_7-x相（REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量）中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物超伝導体を有するコイルであって、前記コイルが、前記酸化物超伝導体の単芯線で構成され、前記コイルの形状が、直線部と曲線部とを有する擬レーストラック型であり、かつ、変形されてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル」と記載されている。これら文献の記述は、本願明細書の一部として包含される。

特開２０１７−８４５９５号広報 特許第４７９９９７９号広報

ところで、超電導磁石装置に対しては、小型に構成でき強い磁場を発生できることが望まれている。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型に構成でき強い磁場を発生できる超電導磁石装置および偏向電磁石装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の超電導磁石装置は、磁性体を有し環状に形成されたヨークと、前記ヨークから対向するように突出した一対の第１の磁極と、超電導線材を含み、一対の前記第１の磁極に各々巻回された一対の第１のコイルと、を備え、前記第１のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第１のコイル直線部と、前記超電導線材を湾曲させた一対の第１のコイル湾曲部と、を有し、前記第１のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第１のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、小型に構成でき強い磁場を発生できる超電導磁石装置を実現できる。

比較例による偏向電磁石の模式的な断面斜視図である。 比較例による偏向電磁石の模式的な横断面図である。 比較例による偏向電磁石の模式的な縦断面図である。 図３の要部の拡大断面図である。 比較例のメインコイルの要部における磁束分布を示す模式図である。 好適な第１実施形態による偏向電磁石装置の要部の断面図である。 好適な第２実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。 好適な第３実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。 好適な第４実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。

［実施形態の前提］
超電導磁石装置は、極低温に冷却された超電導材料を有するコイルに電流を通電し、所望の磁場を発生させる装置である。超電導物質はある一定の温度以下となった場合に電気抵抗がゼロとなる物質であり、通常の常温における導電性金属よりも大きな電流を通電できるため、強い磁場が必要な装置、例えば、磁気共鳴イメージング装置や加速器の偏向磁石等に使用されている。加速器の偏向磁石には、鉄心に銅線等を巻回した常電導磁石や、永久磁石を使用したものも使用されている。しかし、近年の偏向磁石には、より小さい領域に強い磁場を生成することが求められるため、超電導磁石を採用する場合が増加している。

超電導磁石は、一般に鉄等の磁性体を用いた芯（鉄心）の周りに超電導コイルを巻き回した磁極と継鉄（ヨーク）で磁気回路を構成した電磁石である。超電導コイルは、極低温に冷却すると電気抵抗がゼロとなる超電導物質でコイルを生成している。その温度は超電導物質によって異なるが、絶対温度で４ケルビンから７７ケルビン程度まで冷却する必要がある。このため、現在一般的に使用されている超電導コイルの材質であるニオブ・チタン材を用いた超電導コイルでは、約４ケルビンに冷却した状態を保持するため、例えば、沸点が４．２ケルビンの液体のヘリウム中に浸されている。また、ヘリウムの液体状態を保持するため、超電導コイルと液体ヘリウムはヘリウム容器と呼ばれる金属容器と、それを取り囲み輻射による伝熱を遮蔽する輻射シールド、および、内部を真空状態として外部からの熱伝導による熱侵入を低減する真空容器内に収められている。さらに、冷凍機によって液体ヘリウムの蒸発を抑えることによって極低温の状態を保持している。

液体ヘリウムは収集が困難であるため高価であり、また、装置の簡素化による小型化の要請からも、液体ヘリウムの使用量を低減し、または使用しない超電導磁石の開発も進められている。液体ヘリウムを使用しない方法の一つとして、冷凍機から固体熱伝導物質を介して冷却される伝導冷却型の超電導コイルの採用がある。冷凍機の冷却能力が十分大きければ、超電導コイルを超電導状態となる温度よりも十分低い温度、例えば４ケルビン以下に保持することができる。

超電導コイルは超電導線材を構成する超電導物質は物質毎に決まる温度以下に冷却すると超電導状態となり、この温度は常電導転移温度と呼ばれる。常電導転移温度以下に保持された超電導コイルは電気抵抗ゼロになるが、大きな電流密度の電流を通電したり、強い磁場環境に置かれると超電導状態を維持できなくなる。電流密度と磁場は温度と同様に超電導状態を決定する因子であり、超電導コイルはこれら３つの要素で決まる超電導状態を安定に維持できる範囲で運転する場合が多い。超電導コイルを構成する超電導線材は、コイル全体を同じ線材で巻き回した場合、場所によって温度や磁場の強さが異なっていれば、最も温度や磁場の環境が過酷な部分にある線材の性能以上の電流を通電することが出来ない。すなわち、当該部分によって超電導磁石の磁場発生強度の限界が生じる。

加速器の偏向電磁石に使用される超電導コイルには、直線部と円弧部からなるレーストラック形状を有する物がある。これは、偏向磁石がレーストラックの長軸方向に均一な磁場を生成し、短軸方向には急峻に変化する磁場を生成するためである。一般に偏向磁石に超電導コイルを使用する理由は、常電導コイルや永久磁石と比較して、より強力な磁場を狭い領域に生成することにある。従って、超電導コイルには、より大きな電流を通電することで強い磁場を生成し、レーストラックの短軸方向寸法を短くすることで、より狭い領域に磁場を生じさせる場合が多い。

レーストラック形状の超電導コイル全体を同一の超電導線材で巻回した場合、レーストラックの円弧部内周側の磁場が強くなり、コイルを均一の温度に冷却した場合であっても、円弧部内周側の環境における超電導線材の裕度で超電導磁石の磁場性能が決まる。特に、レーストラックの短軸方向を短くし、円弧部の曲率が小さくなると、直線部に比べてコイル円弧部内周側の磁場が強くなる。

上述の特許文献１に示された技術を適用して、一対のメイン磁極と二対のサイド磁極を併用する磁石装置を構成することが考えられる。この磁石装置は、独立した３台の磁石（一対のメイン磁石と二対のサイド磁石）を配置する構成と比較して、サイドコイル（サイド磁石またはサイド磁極に巻回されるコイル）の巻回数を少なくでき、全体の構成を小型化できる。しかし、この磁石装置は、メインコイル（メイン磁石またはメイン磁極に巻回されるコイル）の巻回数が多くなり、特にメインコイルの円弧部分で生じる磁場が増大することで、超電導線材の裕度が低下し、磁石装置が発生する磁場強度を向上させることが困難になる。

また、特許文献２に示された技術を適用して、レーストラック型の超電導コイルにおいて、磁束が集中する曲率部分の超電導体すなわち超電導線材の断面積を増加する磁石装置を構成することが考えられる。しかし、この磁石装置では、巻線途中で超電導線材の断面積を変化させる必要が生じる。そのため、ニオブ・チタン線材などの引き抜きにより製作された超電導線材では、コイル製作時において巻線の途中で断面の異なる線材を接続する必要がある。超電導線材の接続部分は超電導性能が低下しやすく、また、コイル断面積が増大するため、磁場強度を向上させつつ小型化を両立することが困難である。そのため、後述する好適な実施形態は、小型に構成でき、強い磁場を発生できる磁石装置を実現しようとするものである。

［比較例］
好適な実施形態について説明する前に、まず比較例による偏向電磁石について説明する。図１は、比較例による偏向電磁石１の模式的な断面斜視図である。なお、図１において前後方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、上下方向をｚ軸とする。
偏向電磁石１は、加速器等（図示せず）から出射された電子ビーム、陽子線等の荷電粒子ビームに対し、ビーム進行方向と垂直な方向に周期的な運動を加えることで放射光を発生させる装置である。偏向電磁石１は、ビームダクト２と、鉄心３０と、コイル群４０と、を備えている。ビームダクト２は、断面略矩形のダクトである。ビームダクト２の内部においては、例えば、破線で示す直線軌道ＲＳに沿って荷電粒子ビーム等が通過する。

鉄心３０は、一対の上下ヨーク３１（ヨーク）と、一対のサイドヨーク３２（ヨーク）と、一対のメイン磁極３４と、一対のサイド磁極３３と、一対のサイド磁極３５と、を備えている。一対の上下ヨーク３１は、長方形板状に形成され、ビームダクト２の上下に配置されている。一対のサイドヨーク３２は、長方形板状に形成され、上下ヨーク３１の各左端および各右端を接続している。一対のメイン磁極３４は、一対の上下ヨーク３１の各対向面からビームダクト２に向かって突出している。一対のサイド磁極３３は、メイン磁極３４の後方において、一対の上下ヨーク３１の対向面からビームダクト２に向かって突出している。また、一対のサイド磁極３５は、メイン磁極３４の前方において、一対の上下ヨーク３１の対向面からビームダクト２に向かって突出している。

また、コイル群４０は、一対のメインコイル４４と、一対のサイドコイル４３と、一対のサイドコイル４５と、を備えている。一対のメインコイル４４は、一対のメイン磁極３４に各々巻回されている。一対のサイドコイル４３は、一対のサイド磁極３３に、各々巻回されている。また、一対のサイドコイル４５は、一対のサイド磁極３５に、各々巻回されている。これにより、偏向電磁石１は、三極の超電導磁石になっている。

なお、偏向電磁石１には、サイドコイル４３，４５およびメインコイル４４の超電導状態を維持するため、真空容器や輻射シールド等を含むクライオスタットに収納され、クライオスタットの内部を冷却する冷凍機等も設けられる。また、偏向電磁石１には、支持構造や接続線も設けられる。但し、図１においては、これらの部材の図示は省略する。

図２は、比較例による偏向電磁石１の模式的な横断面図である。
図示のように、サイド磁極３３，３５およびメイン磁極３４は、何れも外周がレーストラック形状、すなわち半径の等しい二つの円を共通外接線で接続した形状を有している。また、サイドコイル４３，４５およびメインコイル４４は、各々サイド磁極３３，３５およびメイン磁極３４の外周に沿って、レーストラック形状を成すように巻回されている。

鉄心３０およびコイル群４０は、ビームダクト２の内部に磁場を形成することにより、ビームダクト２の内部を通過する荷電粒子ビームの軌道を湾曲させ、放射光を発生させる。図示の例において、サイドコイル４３，４５が形成する磁場をＨ４３，Ｈ４５とし、メインコイル４４が形成する磁場をＨ４４とする。コイル群４０に電流が流れていないと仮定すると、磁場Ｈ４３，Ｈ４４，Ｈ４５の強度は「０」になるため、加速器等（図示せず）から出射された荷電粒子ビームは、直線軌道ＲＳに沿って進む。

一方、荷電粒子ビームによって放射光を発生させる場合、鉄心３０およびコイル群４０は、荷電粒子ビームの軌道が、例えば図示のような偏向軌道ＲＣになるように、磁場Ｈ４３，Ｈ４４，Ｈ４５を発生させる。荷電粒子ビームが偏向軌道ＲＣに沿って進むと、偏向軌道ＲＣが曲がる箇所で放射光を発生する。図示の偏向軌道ＲＣの例では、ビームダクト２の後方から荷電粒子ビームが入射した直後では、偏向軌道ＲＣは直線軌道ＲＳと一致している。

しかし、その後、荷電粒子ビームは、サイド磁極３３が生成した磁場によって左方向に偏向される。次に、荷電粒子ビームは、メイン磁極３４が発生した磁場によって右方向に偏向される。さらに、荷電粒子ビームは、サイド磁極３５が発生した磁場によって、元の直線軌道ＲＳに一致するように偏向される。このような偏向軌道を実現するためには、磁場Ｈ４４の極性と磁場Ｈ４３，Ｈ４５の極性とを反対にし、荷電粒子ビームがビーム軌道（例えば偏向軌道ＲＣ）に沿って受ける磁場Ｈ４４の積分値と、磁場Ｈ４３，Ｈ４５の積分値と、が等しくなるように、磁場Ｈ４３，Ｈ４４，Ｈ４５を決定するとよい。

図３は、比較例による偏向電磁石１の模式的な縦断面図である。
すなわち、図３は、直線軌道ＲＳ（図２参照）の箇所における断面図であり、偏向電磁石１の内部を流れる磁束Φを破線で示す。また、メインコイル４４流れる電流をＩ４４と呼び、サイドコイル４３，４５に流れる電流をＩ４３，Ｉ４５と呼ぶ。図３に示すように、偏向電磁石１は、一対のメイン磁極３４と二対のサイド磁極３３，３５の間で閉じた磁気回路を形成している。これにより、一対のメイン磁極３４の間を通過する磁束は、一対のサイド磁極３３または一対のサイド磁極３５の間を通過する磁束の約２倍になる。

図４は、比較例における図３の要部の拡大断面図である。特に、図４においては、図３の前上部分における磁束Φの詳細な分布例を示す。
一対のメイン磁極３４の間における磁束Φの磁束密度を強くするため、メインコイル４４における電流Ｉ４４と、隣接するサイドコイル４５における電流Ｉ４５とは、同一方向に設定される。上述したように、本比較例においては、一対のメイン磁極３４間の磁束は、一対のサイド磁極３３間（またはサイド磁極３５間）の磁束の２倍程度になる。

そして、メインコイル４４またはサイドコイル４３，４５を構成する超電導線材が置かれる位置の磁場強度は、メインコイル４４のメイン磁極３４側の高さ中心付近、すなわち図示の領域４４ａ付近で最も大きくなる。
アンペールの法則（2πｒＨ＝Ｉ、但しＨは磁場の強さ、Ｉは積分経路に含まれる電流、ｒは積分経路の半径）からも、メインコイル４４の中心よりも表面付近で最も磁場が強くなる。同様に、メインコイル４４の断面積が小さい程、コイル表面の超電導線材が受ける磁場は強くなる。

図５は、比較例によるメインコイル４４の要部、すなわち平面視（図２参照）における右前隅部分の約１／４周部分、における磁束分布を示す模式図である。
すなわち、図５において、破線の密度が磁束Φの磁束密度に対応している。メインコイル４４が円弧状に湾曲している箇所における内周部を円弧内周部領域４４ｂと呼ぶ。また、メインコイル４４が直線状である箇所における内周部を直線内周部領域４４ｃと呼ぶ。円弧内周部領域４４ｂでは、直線内周部領域４４ｃと比較して、磁束Φが集中し、磁束密度が高くなっている。これにより、円弧内周部領域４４ｂにおいて超電導線材が受ける磁場強度は、直線内周部領域４４ｃにおける磁場強度よりも高くなる。

さらに、メインコイル４４の円弧部における内半径を小さくするほど、円弧内周部領域４４ｂの磁場強度は高くなる。超電導線材に流せる電流値は、温度と磁場の強さと、によって決定される。従って、メインコイル４４の全体が均一な温度であれば、円弧内周部領域４４ｂの磁束密度によって決まる電流値が、メインコイル４４に通電できる最大の電流値になる。すなわち、メインコイル４４の短軸方向径が小さいほどメインコイル４４に流せる電流値は小さくなる。従って、円弧内周部領域４４ｂの曲率半径を大きくすれば、メインコイル４４に流せる電流値を大きくすることができ、対向する磁極間により強い磁場を発生させることができる。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図６は、好適な第１実施形態による偏向電磁石装置１００（超電導磁石装置）の要部の断面図である。なお、以下の説明において、上述した比較例の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１に示した比較例の偏向電磁石１におけるサイド磁極３３，３５、メイン磁極３４、サイドコイル４３，４５、およびメインコイル４４に代えて、本実施形態の偏向電磁石装置１００は、図６に示すように、サイド磁極５３，５５、メイン磁極５４（第１の磁極）、サイドコイル６３（第２のコイル）、サイドコイル６５（第３のコイル）、およびメインコイル６４（第１のコイル）を備えている。

サイド磁極５３，５５の構成は、比較例（図１〜図５参照）のサイド磁極３３，３５の構成と同様であり、サイドコイル６３，６５の構成は、比較例のサイドコイル４３，４５の構成と同様である。すなわち、サイドコイル６３は、レーストラック状に形成され、超電導線材を直線状に延設したコイル直線部６３ａ（第２のコイル直線部）と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対のコイル湾曲部６３ｂ（第２のコイル湾曲部）と、を有する。サイドコイル６５も、サイドコイル６３と同様に構成され、コイル直線部６５ａ（第３のコイル直線部）と、コイル湾曲部６５ｂ（第３のコイル湾曲部）と、を有する。一方、メイン磁極５４は、全体として平面視が略ダンベル状に構成されており、周縁部が直線状である磁極直線部５４ａ（第１の磁極直線部）と、周縁部が略円弧状に湾曲する一対の磁極湾曲部５４ｂ（第１の磁極湾曲部）と、を有している。

磁極直線部５４ａの周縁部の半幅をｒ₁と呼ぶ。また、磁極湾曲部５４ｂの周縁部の曲率半径をｒ_aと呼び、磁極直線部５４ａと磁極湾曲部５４ｂの接続部分の周縁部の曲率半径をｒ_bと呼ぶ。曲率半径ｒ_a，ｒ_bは、何れも半幅ｒ₁よりも大きくなっている。換言すれば、磁極湾曲部５４ｂの周縁部の曲率半径は、何れの箇所においても、磁極直線部５４ａの半幅ｒ₁よりも大きくなっている。

また、メインコイル６４は、メイン磁極５４の周縁部に沿った形状に形成され、超電導線材を直線状に延設したコイル直線部６４ａと、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対のコイル湾曲部６４ｂと、を有している。コイル直線部６４ａの内周面の半幅は、上述した磁極直線部５４ａの半幅ｒ₁と略同一である。また、コイル湾曲部６４ｂの内周面の曲率半径は、磁極湾曲部５４ｂの曲率半径ｒ_aと略同一である。また、コイル直線部６４ａとコイル湾曲部６４ｂの接続部分における内周面の曲率半径は、上述した曲率半径ｒ_bと略同一である。換言すれば、コイル湾曲部６４ｂの内周面の曲率半径は、何れの箇所においても、コイル直線部６４ａの半幅よりも大きくなっている。

ここで、メインコイル６４のコイル湾曲部６４ｂの外周位置のｘ軸成分のうち、メインコイル６４の中心位置Ｏから最も離れるものを位置ｘ１，ｘ１１（第１の位置）と呼ぶ。また、コイル直線部６３ａ，６５ａの外周位置のｘ軸成分のうち、中心位置Ｏに最も近接するものを位置ｘ２，ｘ１２（第２の位置）と呼ぶ。また、メインコイル６４のコイル直線部６４ａの外周位置のうち、ｘ軸成分が中心位置Ｏから最も離れるものを位置ｘ３，ｘ１３（第３の位置）と呼ぶ。本実施形態においては、位置ｘ２が位置ｘ１と位置ｘ３との間にあり、位置ｘ１２が位置ｘ１１と位置ｘ１３との間にある。これにより、コイル６３，６４，６５を入れ子状に配置することができ、偏向電磁石装置１００を小型化できる。

上述した以外の偏向電磁石装置１００の構成は、比較例（図１〜図５参照）のものと同様である。すなわち、偏向電磁石装置１００の鉄心３０は、図１のものと同様に、一対の上下ヨーク３１（ヨーク）と、一対のサイドヨーク３２（ヨーク）と、を備えている。そして、一対の上下ヨーク３１には、各々図６に示した磁極５３，５４，５５が、相互に対向するように突出している。そして、各一対の磁極５３，５４，５５には、それぞれコイル６３，６４，６５が巻回されている。

上記構成によれば、特にコイル湾曲部６４ｂの内周部分における磁場強度を低減できる。これにより、メインコイル６４には、大きな電流を通電でき、これによって一対のメイン磁極５４間に強い磁場を形成できる。逆に、上述した比較例と同程度または同一の磁場強度を発生できれば足りる場合は、より小さな偏向電磁石装置１００によって、これを実現できる。

また、メイン磁極５４の磁極湾曲部５４ｂは、メインコイル６４のコイル湾曲部６４ｂの内周に沿った形状を有している。これにより、磁束を通過する面積を大きくできるため、対向するメイン磁極５４間に、より多くの磁束を発生することができる。また、本実施形態においては、メインコイル６４の前後方向に配置したサイドコイル６３，６５の長軸方向（ｙ軸方向）の軸長を、メインコイル６４よりも短くし、これらコイルを入れ子状に配置している。これにより、荷電粒子ビームの進行方向（ｘ軸方向）に沿って、短い距離で強い磁場を発生することができる。

メインコイル６４において、荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる際、磁場を発生させるｘ軸方向の範囲は、メインコイル６４のｙ軸方向の長さよりも充分に短い。従って、メインコイル６４のコイル湾曲部６４ｂが磁場に及ぼす影響は無視できる。これにより、メインコイル６４を構成する超電導線材は、メインコイル６４の全周に渡って均一にすることができる。すなわち、単一種類の線材を巻回してメインコイル６４を構成できる。但し、メインコイル６４の断面内の負荷率や線材長に合せて、複数種類の線材を適用してメインコイル６４を構成してもよい。

各磁極５３，５４，５５を構成する材質としては、磁性材料を主とすることが好適であり、鉄、珪素鋼板またはパーメンジュール等の強磁性体を適用することが一層好ましい。これにより、磁極を通過する磁束を多くし、対向する磁極間に強い磁場を発生することができる。また、磁極５３，５４，５５と、コイル６３，６４，６５との間には、絶縁のために、セラミックや強化繊維樹脂を挿入することが好ましく、また、強度確保のためのステンレスや、冷却のためのアルミニウム、銅等の金属材料を挿入してもよい。

［第２実施形態］
図７は、好適な第２実施形態による偏向電磁石装置１０２の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置１０２は、コイル６３，６４，６５の間に絶縁部材１８が挿入される点で第１実施形態のもの（図６参照）とは異なっている。略ダンベル状のメイン磁極５４に対して、その周縁部に沿ってメインコイル６４を巻回してゆくと、超電導線材の張力によって、メインコイル６４がメイン磁極５４から離間しやすくなる。例えば、図示の例において、前側のコイル直線部６４ａは、磁極直線部５４ａから離間している。

そこで、本実施形態においては、メインコイル６４をメイン磁極５４に巻回した後、コイル直線部６４ａの外側から可撓性を有する板状の絶縁部材１８を介して、サイドコイル６３，６５でコイル直線部６４ａを内側に向かって押圧する。これにより、メインコイル６４を所望の形状に設定しやすくなる。また、絶縁部材１８によってメインコイル６４を押圧した後、メインコイル６４等に樹脂を含侵させれば、その後に形状を維持することが容易になる。また、メインコイル６４に対して、冷却通電時にも白抜きの矢印１９で示す方向に押圧力を加え続ければ、超電導線材に張力が印加され、これによって超電導状態を維持する耐性が向上する。

［第３実施形態］
図８は、好適な第３実施形態による偏向電磁石装置１０４の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置１０４は、第１実施形態の偏向電磁石装置１００（図６参照）と同様に構成されている。
上述したように、略ダンベル状のメイン磁極５４に対して、その周縁部に沿ってメインコイル６４を巻回してゆくと、超電導線材の張力によって、メインコイル６４がメイン磁極５４から離間しやすくなる。

そこで、本実施形態においては、メインコイル６４をメイン磁極５４に巻回した後、コイル直線部６４ａに対して、白抜きの矢印１９で示す方向に圧縮治具２０を押圧し、押圧状態でメインコイル６４等に樹脂を含侵させる。これにより、メインコイル６４の形状を単独で維持することができ、メインコイル６４とサイドコイル６３，６５（図６参照）とを独立に形成することができる。本実施形態においては、メイン磁極５４と同様の形状をした治具（図示せず）に超電導線材を巻回してメインコイル６４を構成することができる。これにより、メインコイル６４とメイン磁極５４とを独立して構成することができ、偏向電磁石装置１０４の組立が容易になる。

［第４実施形態］
図９は、好適な第４実施形態による偏向電磁石装置１０６の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置１０６は、第１実施形態の偏向電磁石装置１００（図６参照）と比較して、メイン磁極５４に代えて、図９に示すメイン磁極７４が適用される点で異なる。メイン磁極７４は、周縁部が直線状である磁極直線部７４ａと、小片状に分割された複数の磁極湾曲部小片７４ｂ（第１の磁極湾曲部）と、を備えている。

これら磁極直線部７４ａおよび磁極湾曲部小片７４ｂを纏めたメイン磁極７４の全体形状は、第１実施形態におけるメイン磁極５４（図６参照）の形状と同様である。メインコイル６４を作成する際、最初は、磁極直線部７４ａおよび磁極湾曲部小片７４ｂを例えば図示の位置に配置し、これらの周縁部に沿って超電導線材を巻回してゆく。次に、図示のように、メインコイル６４の前後にサイド磁極５３，５５およびサイドコイル６３，６５を配置し、これらによってコイル直線部６４ａを前後から押圧しつつ、コイル湾曲部６４ｂの形状を整えてゆく。

すなわち、磁極湾曲部小片７４ｂを、ｘ軸方向、すなわち矢印２２で示す方向にコイル湾曲部６４ｂを押し広げてゆく。これにより、メインコイル６４の形状は、第１実施形態のもの（図６参照）と同様になる。換言すれば、コイル直線部６４ａの短軸方向直線部の半幅よりも大きな曲率半径を、コイル湾曲部６４ｂにおいて実現することができ、そして、コイル６３，６４，６５に樹脂を含浸すると、コイル６３，６４，６５の形状を、その後も維持できる。

本実施形態においては、メインコイル６４の巻線時においては、メインコイル６４の形状を通常のレーストラック形状に近いものにでき、巻線作業が容易になる。また、本実施形態においては、磁極直線部７４ａおよび磁極湾曲部小片７４ｂと同様の形状をした治具（図示せず）に超電導線材を巻回してメインコイル６４を構成することができる。このようにメインコイル６４を形成した後に、これらをサイド磁極５３，５５、サイドコイル６３，６５等と組み合わせて偏向電磁石装置１０６を構成してもよい。

［実施形態の効果］
以上のように好適な実施形態によれば、磁性体を有し環状に形成されたヨーク（３１，３２）と、ヨーク（３１，３２）から対向するように突出した一対の第１の磁極（５４）と、超電導線材を含み、一対の第１の磁極（５４）に各々巻回された一対の第１のコイル（６４）と、を備え、第１のコイル（６４）は、超電導線材を直線状に延設した第１のコイル直線部（６４ａ）と、超電導線材を湾曲させた一対の第１のコイル湾曲部（６４ｂ）と、を有し、第１のコイル湾曲部（６４ｂ）の内周面の曲率半径（ｒ_a，ｒ_b）は、第１のコイル直線部（６４ａ）の内周面の半幅（ｒ₁）よりも大きい。第１のコイル湾曲部（６４ｂ）の内周面の曲率半径（ｒ_a，ｒ_b）を大きくしたことにより、内周面付近の磁場強度を抑制でき、第１のコイル（６４）に大きな電流を流せる。これにより、超電導磁石装置（１００）を小型に構成でき、強い磁場を発生できる。

また、超電導磁石装置（１００）は、超電導線材を直線状に延設した第２のコイル直線部（６３ａ）と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第２のコイル湾曲部（６３ｂ）と、を有する第２のコイル（６３）をさらに備え、第２のコイル湾曲部（６３ｂ）の内周面の曲率半径は第２のコイル直線部（６３ａ）の内周面の半幅と略同一であることが好ましい。このように、第２のコイル（６３）を備えることにより、第１のコイル（６４）とは異なる方向に磁場を形成することができる。

また、超電導磁石装置（１００）は、第１のコイル（６４）および第２のコイル（６３）の配列方向の軸をｘ軸とし、第１のコイル湾曲部（６４ｂ）の外周位置のｘ軸成分のうち、第１のコイル（６４）の中心位置（Ｏ）から最も離れるものを第１の位置（ｘ１）とし、第２のコイル直線部（６３ａ）の外周位置のｘ軸成分のうち、中心位置（Ｏ）に最も近接するものを第２の位置（ｘ２）とし、第１のコイル直線部（６４ａ）の外周位置のｘ軸成分のうち、中心位置（Ｏ）から最も離れるものを第３の位置（ｘ３）としたとき、第２の位置（ｘ２）は、第１の位置（ｘ１）と第３の位置（ｘ３）との間にあることが一層好ましい。これにより、第１のコイル（６４）と第２のコイル（６３）とを入れ子状態に配置することができ、超電導磁石装置（１００）のサイズを一層小型化することができる。

また、超電導磁石装置（１００）は、超電導線材を直線状に延設した第３のコイル直線部（６５ａ）と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第３のコイル湾曲部（６５ｂ）と、を有する第３のコイル（６５）をさらに備え、第３のコイル湾曲部（６５ｂ）の内周面の曲率半径は第３のコイル直線部（６５ａ）の内周面の半幅と略同一であり、第１のコイル（６４）は、第２のコイル（６３）と第３のコイル（６５）との間に設けられていることが一層好ましい。このように、第２のコイル（６３）とともに第３のコイル（６５）を備えることにより、第１のコイル（６４）とは異なる方向に磁場を形成することができる。

また、第１の磁極（５４）は、周縁部が第１のコイル直線部（６４ａ）の内周に沿った形状である第１の磁極直線部（５４ａ）と、周縁部が一対の第１のコイル湾曲部（６４ｂ）の各内周に沿った形状である一対の第１の磁極湾曲部（５４ｂ）と、を備え、第１の磁極湾曲部（５４ｂ）の周縁部の曲率半径（ｒ_a，ｒ_b）は、第１の磁極湾曲部（５４ｂ）の半幅（ｒ₁）よりも大きいことが一層好ましい。これにより、第１の磁極（５４）の形状を第１のコイル（６４）の内周に沿わせることができ、一層強い磁場を形成できる。

また、一対の第１の磁極湾曲部（７４ｂ）は、各々複数に分割されていることが一層好ましい。これにより、第１のコイル（６４）の巻線時においては、第１のコイル（６４）の形状を通常のレーストラック形状に近いものにでき、巻線作業を容易にすることができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態の偏向電磁石装置１００〜１０６は、何れも一対のメイン磁極と、二対のサイド磁極と、一対のメインコイルと、二対のサイドコイルと、を備えるものであった。しかし、二対のサイド磁極および二対のサイドコイルは、必須のものではなく、これらを省略することができる。例えば、メインコイルの前後で電界によって荷電粒子を偏向させることにより、荷電粒子を偏向軌道ＲＣ（図２参照）に沿って進行させることができる。

（２）本発明の超電導磁石装置は、上記各実施形態の偏向電磁石装置に限られず、例えば、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging；磁気共鳴イメージング装置）、粒子線医療装置、超電導モータ等、種々の電気機器の磁極に適用できる。

２ ビームダクト
３１ 上下ヨーク（ヨーク）
３２ サイドヨーク（ヨーク）
５４ メイン磁極（第１の磁極）
５４ａ 磁極直線部（第１の磁極直線部）
５４ｂ 磁極湾曲部（第１の磁極湾曲部）
６３ サイドコイル（第２のコイル）
６３ａ コイル直線部（第２のコイル直線部）
６３ｂ コイル湾曲部（第２のコイル湾曲部）
６４ メインコイル（第１のコイル）
６４ａ コイル直線部（第１のコイル直線部）
６４ｂ コイル湾曲部（第１のコイル湾曲部）
６５ サイドコイル（第３のコイル）
６５ａ コイル直線部（第３のコイル直線部）
６５ｂ コイル湾曲部（第３のコイル湾曲部）
７４ｂ 磁極湾曲部小片（第１の磁極湾曲部）
１００ 偏向電磁石装置（超電導磁石装置）
１０６ 偏向電磁石装置
Ｏ 中心位置
ｘ１，ｘ１１ 位置（第１の位置）
ｘ２，ｘ１２ 位置（第２の位置）
ｘ３，ｘ１３ 位置（第３の位置）
ｒ₁ 半幅
ｒ_a，ｒ_b 曲率半径

Claims (7)

1. 磁性体を有し環状に形成されたヨークと、
   前記ヨークから対向するように突出した一対の第１の磁極と、
   超電導線材を含み、一対の前記第１の磁極に各々巻回された一対の第１のコイルと、を備え、
   前記第１のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第１のコイル直線部と、前記超電導線材を湾曲させた一対の第１のコイル湾曲部と、を有し、
   前記第１のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第１のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きい
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記超電導線材を直線状に延設した第２のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第２のコイル湾曲部と、を有する第２のコイルをさらに備え、
   前記第２のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第２のコイル直線部の内周面の半幅と略同一である
   ことを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの配列方向の軸をｘ軸とし、前記第１のコイル湾曲部の外周位置のｘ軸成分のうち、前記第１のコイルの中心位置から最も離れるものを第１の位置とし、前記第２のコイル直線部の外周位置のｘ軸成分のうち、前記中心位置に最も近接するものを第２の位置とし、前記第１のコイル直線部の外周位置のｘ軸成分のうち、前記中心位置から最も離れるものを第３の位置としたとき、前記第２の位置は、前記第１の位置と前記第３の位置との間にある
   ことを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記超電導線材を直線状に延設した第３のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第３のコイル湾曲部と、を有する第３のコイルをさらに備え、
   前記第３のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第３のコイル直線部の内周面の半幅と略同一であり、
   前記第１のコイルは、前記第２のコイルと前記第３のコイルとの間に設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の超電導磁石装置。
5. 前記第１の磁極は、
   周縁部が前記第１のコイル直線部の内周に沿った形状である第１の磁極直線部と、
   周縁部が一対の前記第１のコイル湾曲部の各内周に沿った形状である一対の第１の磁極湾曲部と、を備え、
   前記第１の磁極湾曲部の周縁部の曲率半径は、前記第１の磁極湾曲部の半幅よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の超電導磁石装置。
6. 一対の前記第１の磁極湾曲部は、各々複数に分割されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の偏向電磁石装置。
7. 磁性体を有し環状に形成されたヨークと、
   前記ヨークから対向するように突出した一対の第１の磁極と、
   超電導線材を含み、一対の前記第１の磁極に各々巻回された一対の第１のコイルと、
   一対の前記第１のコイルの間に挿通され、荷電粒子を通過させるビームダクトと、を備え、
   前記第１のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第１のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第１のコイル湾曲部と、を有し、
   前記第１のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第１のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きい
   ことを特徴とする偏向電磁石装置。

Images