JP2021158210A - Multipolar electromagnet and accelerator using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多極電磁石、およびそれを用いた加速器に関する。 The present invention relates to a multipolar electromagnet and an accelerator using the same.
荷電粒子を加速するための加速器において、荷電粒子ビームの収束および補正のために多極電磁石が広く用いられている。
荷電粒子ビームは、多極電磁石のうち複数の磁心先端に囲われた部分を通る。また、２Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の磁心を持つ前記多極電磁石は、磁石の径方向最外周を囲うヨークと、前記ヨークからビーム軸の方向へ伸び、ビーム軸を中心に２Ｎ回対称な形状で配置された２Ｎ本の磁心と、前記２Ｎ本の磁心に磁化を生じさせるためのコイルを有する。
In accelerators for accelerating charged particles, multipolar electromagnets are widely used for the convergence and correction of charged particle beams.
The charged particle beam passes through a portion of the multipolar electromagnet surrounded by a plurality of magnetic core tips. Further, the multipolar electromagnet having 2N magnetic cores (N is a natural number of 2 or more) extends from the yoke in the direction of the beam axis with a yoke surrounding the outermost periphery in the radial direction of the magnet, and extends 2N times around the beam axis. It has 2N magnetic cores arranged in a symmetrical shape and a coil for causing magnetization in the 2N magnetic cores.
これらに関連する技術として、特許文献１がある。
特許文献１の［要約］には、「［目的］ボア内の多極磁場を乱すことなく、偏向電磁石の放射光取出しパイプとのスペース的干渉を排除する。［構成］多極電磁石としての四極電磁石４０は、半径方向断面がほぼリング状を成す継鉄４１と、この継鉄４１から内側に等角度で一体に突設させた４個の磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌと、この磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌに個別に巻装した励磁コイル４３…４３とを備える。これにより、磁極Ｐ１〜Ｐ４が形成される。継鉄４１の磁極Ｐ３、Ｐ４間の部分（電子ビームの周回軌道の半径方向に沿った部分）が切除される。磁極Ｐ３、Ｐ４の磁心４２Ｌ、４２Ｌの幅を、継鉄半径方向の断面において、他の磁極Ｐ１、Ｐ２の磁心４２、４２よりも広くする。全ての磁心４２、４２、４２Ｌ、４２Ｌの先端面の形状は、ボア半径Ｒ０に基づく双曲線の曲面を維持させる。」と記載され、電子加速器の多極電磁石の技術が開示されている。また、多極電磁石に隣接するパイプとのスペース的干渉を排除する技術が開示されている。
Patent Document 1 is a technique related to these.
The [Summary] of Patent Document 1 states that "[Purpose] eliminates spatial interference of the deflecting electromagnet with the synchrotron radiation extraction pipe without disturbing the multipolar magnetic field in the bore. [Construction] Four poles as a multipolar electromagnet. The
多極電磁石（四極電磁石）を置く位置に隣接するビームパイプがある場合、多極電磁石（四極電磁石）と隣接するビームパイプとが干渉してしまうという問題がある。特許文献１に記載されている形状の四極電磁石は、４本の磁心がビーム軸を軸とした４回対称な形で伸びている。また、取り出し用ビームパイプとの干渉を避けるための四極電磁石の形状が提案されている。
特許文献１のようにビーム軸を軸とした４回対称の磁心を持つ四極電磁石では、四極電磁石中心に生成される磁場勾配を大きくしようとすると磁心が太くなる。そのため、生成する磁場勾配が大きくなると四極電磁石の幅が大きくなり、隣接してビームパイプを置ける距離が広がってしまうという問題がある。
また、特許文献１の電磁石形状は磁石外周のヨークの一部が開放された形となっているため、漏れ磁場が隣接するビームパイプまで届いてしまう。そのため、隣接するビームへの漏れ磁場の影響を避けるために、隣接してビームパイプを置ける距離をさらに広げる必要が生じる場合があるという問題がある。
If there is a beam pipe adjacent to the position where the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) is placed, there is a problem that the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) and the adjacent beam pipe interfere with each other. In the quadrupole electromagnet having the shape described in Patent Document 1, four magnetic cores extend in a four-fold symmetrical shape about the beam axis. Further, a shape of a quadrupole electromagnet has been proposed to avoid interference with the take-out beam pipe.
In a quadrupole electromagnet having a quadrupole symmetric magnetic core about the beam axis as in Patent Document 1, the magnetic core becomes thicker when an attempt is made to increase the magnetic field gradient generated at the center of the quadrupole electromagnet. Therefore, when the generated magnetic field gradient becomes large, the width of the quadrupole electromagnet becomes large, and there is a problem that the distance in which the beam pipes can be placed adjacent to each other becomes wide.
Further, since the electromagnet shape of Patent Document 1 is a shape in which a part of the yoke on the outer circumference of the magnet is open, the leakage magnetic field reaches the adjacent beam pipe. Therefore, there is a problem that it may be necessary to further increase the distance in which the beam pipes can be placed adjacent to each other in order to avoid the influence of the leakage magnetic field on the adjacent beams.
本発明は、前記の問題を解決するために、多極電磁石の水平方向の幅をより小さくすることが可能な多極電磁石を提供することを課題（目的）とする。 An object of the present invention is to provide a multi-pole electromagnet capable of reducing the horizontal width of the multi-pole electromagnet in order to solve the above-mentioned problems.
前記の課題を解決するために、本発明を以下のように構成した。
すなわち、本発明の多極電磁石は、４以上の偶数からなる複数の磁心と、複数の前記磁心のそれぞれの周囲に巻回して配置される複数のコイルと、複数の前記磁心を囲み、多極電磁石の外周部に配置されるヨークと、を備え、複数の前記磁心は、互いに平行または同方向に配置され、複数の前記磁心は、それぞれ先端に磁心先端部を有し、複数の前記磁心先端部は、それぞれ多極電磁石としての中心部に向かって曲がり延びて形成されている、
ことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention was configured as follows.
That is, the multipolar electromagnet of the present invention surrounds a plurality of magnetic cores composed of four or more even numbers, a plurality of coils arranged around each of the plurality of magnetic cores, and the plurality of magnetic cores, and has multiple poles. A yoke arranged on the outer peripheral portion of the electromagnet, and the plurality of the magnetic cores are arranged in parallel or the same direction with each other, and the plurality of the magnetic cores each have a magnetic core tip portion at the tip thereof, and the plurality of the magnetic core tips thereof. Each part is formed by bending toward the central part as a multipolar electromagnet.
It is characterized by that.
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。 In addition, other means will be described in the form for carrying out the invention.
本発明によれば、多極電磁石の水平方向の幅をより小さくすることが可能な多極電磁石を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a multi-pole electromagnet capable of reducing the horizontal width of the multi-pole electromagnet.
以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described with reference to the drawings as appropriate.
≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１において、多極電磁石１０は、四極電磁石として構成され、４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２と、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を備えている。４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２は、それぞれ４本の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２の周囲に巻回され、４極の電磁石が構成されている。
<< First Embodiment >>
The multi-pole electromagnet according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration and a cross-sectional structure of a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the
また、多極電磁石（四極電磁石）１０は、磁気回路を構成するために最外周が磁性体であるヨーク１２に覆われている。なお、ヨーク１２は、図１に示す断面において、長方形の枠状である。
４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、ヨーク１２と一体となって形成されている。磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、およびヨーク１２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。なお、鉄と同じく強磁性体であるコバルトやニッケルが用いられることもある。
また、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が備えられている。
Further, the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 is covered with a
The four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are integrally formed with the
Further, each tip of the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 is provided with magnetic core tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 which are ferromagnets.
前記のように、図１に示した多極電磁石（四極電磁石）１０の大きな特徴は、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２が、互いに平行、または同方向に配置されていることである。このような磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２の構成をとることが、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の横幅（幅寸法）をより小さくすることを可能とする要因となっている。
ただし、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を、単に、互いに平行、または同方向に配置したとすると、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２からの磁束線が、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部（ビーム軸１１ｃｘに対応）に効率よく集まらなくなる。
As described above, a major feature of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 shown in FIG. 1 is that four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are arranged in parallel or in the same direction with each other. .. Such a configuration of the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 is a factor that makes it possible to make the horizontal width (width dimension) of the
However, if the four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are simply arranged parallel to each other or in the same direction, the magnetic flux lines from the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are multipolar electromagnets (quadrupole electromagnets). It does not efficiently gather at the center of 10 (corresponding to the beam axis 11cx).
そのため、中心部（ビーム軸１１ｃｘに対応）に向かって曲がり延びた磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を、磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの先端に備えている。
中心部に向かって曲がり延びた磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２によって、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２と４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２による四極電磁石が多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に効率よく磁場を形成する。
この構成によって、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の横幅をより小さくすること、多極電磁石１０の中心部に効率よく磁場を形成することが両立する。その理由の詳細については、後記する。
Therefore, magnetic core tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 that are bent toward the central portion (corresponding to the beam axis 11cx) are provided at the respective tips of the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2.
The quadrupole electromagnet with four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 and four coils 14U1, 14U2, 14L1, 14L2 is a multi-pole electromagnet with the magnetic core tip 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 bent toward the center. (Quadrupole electromagnet) Efficiently forms a magnetic field at the center of 10.
With this configuration, it is possible to reduce the horizontal width of the
また、多極電磁石１０は、加速器のビームライン上に取り付けられ、荷電粒子ビームを収束させる。荷電粒子ビームが通る空間は真空にする必要があるため、ビーム（荷電粒子ビーム）が通る領域を囲う必要がある。
図１に示すビームパイプ１１（１１ｃ，１１ｂ，１１ｄ）が前記したビームが通る領域の囲いである。なお、ビームパイプ１１ｃは、多極電磁石１０の中を通るビームパイプであり、ビームパイプ１１ｂ，１１ｄは、多極電磁石１０に隣接して通るビームパイプである。また、ビームパイプ１１ｃの中心をビーム軸１１ｃｘとして示している。また、ビーム軸１１ｃｘは、多極電磁石１０の中心部に対応している。
多極電磁石１０は、荷電粒子ビームの軸に直交する断面を有し、ビームパイプ１１を中心部に貫通させた構造を有する。
なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（右手系）を示している。多極電磁石の幅（水平方向の幅）とは、多極電磁石１０のＸ軸方向の長さ（寸法）である。多極電磁石の高さが多極電磁石１０のＹ軸方向の長さ（寸法）に相当する。また、ビームパイプ１１を通過するビームの方向は、Ｚ軸方向である。
Further, the
The beam pipe 11 (11c, 11b, 11d) shown in FIG. 1 is an enclosure of a region through which the above-mentioned beam passes. The
The
In addition, in FIG. 1, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis (right-handed system) are shown. The width (horizontal width) of the multipolar electromagnet is the length (dimension) of the
４本の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、ビーム軸１１ｃｘに垂直な方向（Ｙ軸方向）でヨーク１２に接続し、一体化している。
前記したように、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、多極電磁石１０の中心部に相当するビーム軸１１ｃｘに向かって延びた構成となっている。
前記の４個のコイル１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２が生成した磁束が、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、および磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２と、ヨーク１２を主に通過し、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２に囲まれた空間内に四極磁場が生成される。
The four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are connected to and integrated with the
As described above, the four magnetic core tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 are bent with respect to the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2, respectively, toward the beam axis 11cx corresponding to the central portion of the
The magnetic flux generated by the four coils 14U1, 14U2, 14L1, 14L2 mainly passes through the four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2, the magnetic core tips 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2, and the
図１に示すように、磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が、ビームパイプ１１（ビーム軸１１ｃｘ）を囲うように構成されているので、多極電磁石（四極電磁石）１０の磁場勾配を大きくすることができる。
この磁場勾配の数値計算例は、後記する。
As shown in FIG. 1, since the magnetic core tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 are configured to surround the beam pipe 11 (beam axis 11cx), the magnetic field gradient of the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 is increased. can do.
An example of numerical calculation of this magnetic field gradient will be described later.
多極電磁石（四極電磁石）１０は、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２のそれぞれの磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２が途中で折れ曲がり、コイルが巻かれた部分である磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、多極電磁石１０の鉛直方向（Ｙ軸方向）に伸びている。そのため、効率よく磁場が形成され、多極電磁石１０の水平方向（Ｘ軸方向）の寸法を小さく抑えられる。
多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなることで、図２に示すようにビームパイプが複数隣接している場合、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離を小さくすることができる。さらに、多極電磁石（四極電磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ、１１ｄ）との間にヨークを設置することで、漏れ磁場（漏れ磁束）の低減が可能となる。その結果として、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間にヨークを設置しない場合よりも、多極電磁石（四極磁石）１０と隣接するビームパイプ（１１ｂ，１１ｄ）との間の距離をさらに小さくすることが可能となる。
The multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 is a portion in which the tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 of the four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are bent in the middle and the coil is wound. 13U2, 13L1, and 13L2 extend in the vertical direction (Y-axis direction) of the
As the horizontal dimension of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 becomes smaller, when a plurality of beam pipes are adjacent to each other as shown in FIG. 2, the beam pipe (11b) adjacent to the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 , 11d) can be reduced. Further, by installing a yoke between the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 and the adjacent beam pipes (11b, 11d), the leakage magnetic flux (leakage magnetic flux) can be reduced. As a result, the beam pipe (11b, 11b, adjacent to the multi-pole electromagnet (quadrupole magnet) 10 is more than the case where the yoke is not installed between the multi-pole electromagnet (quadrupole magnet) 10 and the adjacent beam pipe (11b, 11d). It is possible to further reduce the distance from 11d).
＜複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等における効果＞
また、価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等における効果について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
図２において、複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器１００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ）が配置されている。なお、図２において、多極電磁石１０ａ，１０ｃ，１０ｅが隣接する方向は、図１におけるＸ軸方向である。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）のそれぞれの中心部を貫通している。
<Effects in accelerators that orbit multiple types of charged particles at the same time>
In addition, the effect on an accelerator or the like that simultaneously orbits a plurality of types of charged particles having different valences will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating an effect when the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 according to the first embodiment of the present invention is used in an accelerator or the like that simultaneously orbits a plurality of types of charged particles having different valences.
In FIG. 2, five multi-pole electromagnets (quadrupole electromagnets) 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e) and a plurality of types of charged particles are passed through the
The
図２に示すように、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが、比較的、近くに隣接している。
図２に示すように、複数台の多極電磁石１０を設置する場合に、前記した構成と理由から水平方向の寸法を小さく抑えられるため、複数台の多極電磁石１０を狭い領域に隣接して設置することが可能である。
As shown in FIG. 2,
As shown in FIG. 2, when a plurality of
＜多極電磁石１０の磁場のシミュレーション結果＞
磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いて、多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場をシミュレーションした結果について、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅを参照して説明する。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場（磁束線）のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図３Ｂは、図３Ａの磁場のシミュレーションの結果の部分を拡大して示す図である。
図３Ｃは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場Ｂｙと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｄは、図３Ａの磁場のシミュレーションにおける磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘと磁石中心からの距離ｘとの関係の例を示す図である。
図３Ｅは、図３Ａ〜図３Ｄの磁場のシミュレーションにおける条件としての各項目と各値の例を示す図である。
<Simulation result of magnetic field of
The results of simulating the magnetic field generated by the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 using the magnetic field analysis software Poisson Superfish will be described with reference to FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E.
FIG. 3A is a diagram showing an example of a simulation result of a magnetic field (magnetic flux line) generated by a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3B is an enlarged view showing a portion of the result of the magnetic field simulation of FIG. 3A.
FIG. 3C is a diagram showing an example of the relationship between the magnetic field By and the distance x from the magnet center in the magnetic field simulation of FIG. 3A.
FIG. 3D is a diagram showing an example of the relationship between the magnetic field gradient dBy / dx and the distance x from the magnet center in the magnetic field simulation of FIG. 3A.
FIG. 3E is a diagram showing an example of each item and each value as a condition in the simulation of the magnetic field of FIGS. 3A to 3D.
図３Ａでは、多極電磁石（四極電磁石）１０において、４個のコイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）、磁心（１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２）、磁心先端部（１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２）、およびヨーク（１２）によって、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に四極磁場が形成されることが、磁束線の分布によって示されている。
なお、図３Ａにおいて、横軸はＸ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示し、縦軸はＹ軸方向の長さ、座標（単位はｃｍ）を示している。座標（０，０）は、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心であり、ビーム軸（１１ｃｘ：図１）の位置を示している。
また、横軸方向において、磁束線分布が示された多極電磁石１０が、概ね−１０〜＋１０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の幅が約２０ｃｍであることに対応している。また、多極電磁石１０が縦軸方向において、−２０〜＋２０の範囲に記載されていることは、多極電磁石１０の高さが約４０ｃｍであることに対応している。
In FIG. 3A, in the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10, four coils (14U1, 14U2, 14L1, 14L2), a magnetic core (13U1, 13U2, 13L1, 13L2), and a magnetic core tip (13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2). ), And the yoke (12) form a quadrupole magnetic field at the center of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10, as shown by the distribution of magnetic flux lines.
In FIG. 3A, the horizontal axis indicates the length and coordinates (unit: cm) in the X-axis direction, and the vertical axis indicates the length and coordinates (unit: cm) in the Y-axis direction. The coordinates (0,0) are the centers of the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 and indicate the position of the beam axis (11cx: FIG. 1).
Further, the fact that the
図３Ｂでは、コイル１４Ｕ２（図１）の生成する起磁力Ｆ１を表記している。なお、後記するように各コイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）の起磁力Ｆ１は、図３Ａ〜図３Ｅの磁場のシミュレーションにおける条件では、７２４３［ＡＴ］である。 In FIG. 3B, the magnetomotive force F1 generated by the coil 14U2 (FIG. 1) is shown. As will be described later, the magnetomotive force F1 of each coil (14U1, 14U2, 14L1, 14L2) is 7243 [AT] under the conditions in the magnetic field simulations of FIGS. 3A to 3E.
図３Ｃにおいて、磁場のシミュレーションにおける磁場Ｂｙと磁石（四極電磁石）中心からの距離ｘ（Ｘ軸方向）との関係を示しており、縦軸にｙ方向（Ｙ軸方向）の磁場Ｂｙ［Ｇ］、横軸に磁石中心からの距離ｘ［ｃｍ］を表している。
図３Ｃに示すように、磁石中心において磁場Ｂｙは、ほぼ０［Ｇ］であり、中心から離れるにしたがって、磁場Ｂｙは強くなっている。
FIG. 3C shows the relationship between the magnetic field By in the magnetic field simulation and the distance x (X-axis direction) from the center of the magnet (quadrupole magnet), and the vertical axis shows the magnetic field By [G] in the y direction (Y-axis direction). , The horizontal axis represents the distance x [cm] from the center of the magnet.
As shown in FIG. 3C, the magnetic field By is approximately 0 [G] at the center of the magnet, and the magnetic field By becomes stronger as the distance from the center increases.
図３Ｄにおいて、磁場のシミュレーションにおける磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘと磁石（四極電磁石）中心からの距離ｘとの関係を示しており、縦軸にｙ方向（Ｙ方向）の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘ［Ｇ／ｃｍ］、横軸に磁石中心からの距離ｘ［ｃｍ］を表している。
図３Ｄに示すように、磁石中心のｘ＝０からｘ＝１．５０あたりにおいて磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘは、ほぼ所定の値を保ち、ビームパイプ（１１：図１）の外部に相当するｘ＝２．４０を超えると急激に減少している。
FIG. 3D shows the relationship between the magnetic field gradient dBy / dx in the magnetic field simulation and the distance x from the center of the magnet (quadrupole electromagnet), and the vertical axis shows the magnetic field gradient dBy / dx [G /] in the y direction (Y direction). cm], and the horizontal axis represents the distance x [cm] from the center of the magnet.
As shown in FIG. 3D, the magnetic field gradient dBy / dx keeps a substantially predetermined value from x = 0 to x = 1.50 at the center of the magnet, and x = corresponding to the outside of the beam pipe (11: FIG. 1). When it exceeds 2.40, it decreases sharply.
図３Ｃに示す磁場Ｂｙの特性と、図３Ｄに示す磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘの特性は、ビームパイプ（１１：図１）を通る荷電粒子がビームパイプの中心を通りやすく、ビームパイプの中心から離れると、ビームパイプの中心へと向かわせる力が作用することを意味している。すなわち、多極電磁石（四極電磁石）１０は、ビームパイプを通る荷電粒子ビームを収束するように作用する。
なお、図３Ｃと図３Ｄは、ｘ方向の磁場や磁場勾配について記載したもので、前記したように、ビームパイプを通る荷電粒子（荷電粒子ビーム）を収束する作用について説明したものである。
The characteristics of the magnetic field By shown in FIG. 3C and the characteristics of the magnetic field gradient dBy / dx shown in FIG. 3D are such that the charged particles passing through the beam pipe (11: FIG. 1) easily pass through the center of the beam pipe and are separated from the center of the beam pipe. It means that the force toward the center of the beam pipe acts. That is, the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 acts to converge the charged particle beam passing through the beam pipe.
Note that FIGS. 3C and 3D describe the magnetic field and the magnetic field gradient in the x direction, and as described above, describe the action of converging charged particles (charged particle beam) passing through the beam pipe.
図３Ｅにおいて、図３Ａ〜図３Ｄの磁場のシミュレーションにおける条件として、多極電磁石（四極電磁石）１０の幅は約２０［ｃｍ］、高さは約４０［ｃｍ］、中心磁場勾配（四極電磁石の中心）は２０００［Ｇ／ｃｍ］、各コイルの起磁力は７２４３［ＡＴ］、各コイルの電流密度は、３．７２［Ａ／ｍｍ2］である。なお、コイルの電流密度とは、図３Ａにおけるコイルの部分の断面における電流密度を示している。コイルの巻数や長さや、コイルに流れる電流量で表記するのではなく、前記のようにコイルの部分の断面における電流密度で表記している。
また、前記したように、図３Ｅに示した多極電磁石（四極電磁石）１０の幅と高さは、図３ＡにおけるＸ方向の座標、Ｙ方向の座標から算出されるサイズに、それぞれ対応している。
In FIG. 3E, as conditions in the magnetic field simulation of FIGS. 3A to 3D, the width of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 is about 20 [cm], the height is about 40 [cm], and the central magnetic field gradient (of the quadrupole electromagnet). The center) is 2000 [G / cm], the magnetomotive force of each coil is 7243 [AT], and the current density of each coil is 3.72 [A / mm 2 ]. The coil current density indicates the current density in the cross section of the coil portion in FIG. 3A. It is not expressed by the number of turns and length of the coil or the amount of current flowing through the coil, but by the current density in the cross section of the coil portion as described above.
Further, as described above, the width and height of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 shown in FIG. 3E correspond to the sizes calculated from the coordinates in the X direction and the coordinates in the Y direction in FIG. 3A, respectively. There is.
以上、図３Ａ〜図３Ｅに示すように、本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０の構造（図１）によって、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に四極磁場を作ることができる。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０のコイルの起磁力を７２４３［ＡＴ］（電流密度３．７２［Ａ／ｍｍ2］）とした場合、多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成することが可能である。
このように、四極磁場で通常必要とされる磁場勾配を本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０の構造で生成することができる。
また、コイル（１４Ｕ１，１４Ｕ２，１４Ｌ１，１４Ｌ２）を縦に伸ばすことでコイルの起磁力を増やした場合（電流密度は固定）、磁心が飽和しない範囲で多極電磁石（四極電磁石）１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくすることも可能である。
As described above, as shown in FIGS. 3A to 3E, the structure (FIG. 1) of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 of the first embodiment of the present invention causes a quadrupole magnetic field at the center of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10. Can be made.
Further, when the magnetomotive force of the coil of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 is 7243 [AT] (current density 3.72 [A / mm 2 ]), 2000 is located at the center of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10. It is possible to generate a magnetic field gradient of [G / cm].
In this way, the magnetic field gradient normally required for a quadrupole magnetic field can be generated by the structure of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 according to the first embodiment of the present invention.
Further, when the magnetomotive force of the coil is increased by extending the coil (14U1, 14U2, 14L1, 14L2) vertically (current density is fixed), the central portion of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 within a range where the magnetic core is not saturated. It is also possible to increase the magnetic field gradient created in.
＜第１実施形態の総括＞
第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０においては、４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、互いに平行、または同方向に配置され、それぞれビーム軸１１ｃｘに垂直な方向でヨーク１２に接している。また、４個の磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、それぞれ磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２に対して折れ曲がり、ビーム軸１１ｃｘに向かって構成されている。
このように、多極電磁石１０の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２を互いに平行、または同方向に配置して、磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を中心部に向かって曲げて構成することにより、多極電磁石１０の中心部に作られる磁場勾配を大きくしながら、多極電磁石１０の幅を小さく抑えることが可能となっている。
<Summary of the first embodiment>
In the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 of the first embodiment, the four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 are arranged in parallel or in the same direction as each other, and the
In this way, the magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 of the
なお、前記のように、多極電磁石（四極電磁石）１０の４個の磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２、および磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２は、ビームパイプ１１の中心軸であるビーム軸１１ｃｘを中心に配置されているが、４回対称（例えば特許文献１の図１）の構成ではない。
As described above, the four magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 and the magnetic core tip portions 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1, 13Lc2 are beams which are the central axes of the
それに対して、ビーム軸を中心に４回対称である従来（例えば特許文献１の図１）の磁心形状では、四極電磁石の磁場勾配を大きくしようとすると磁心が太くなり、四極電磁石に隣接して置けるビームパイプとの距離が広がる。
また、特許文献１の四極電磁石のようにヨークの一部が開放されていると漏れ磁場が大きくなり、その影響を避けるために、隣接するビームパイプとの距離を広げる必要が出る場合がある。
On the other hand, in the conventional magnetic core shape (for example, FIG. 1 of Patent Document 1), which is symmetric four times around the beam axis, the magnetic core becomes thicker when trying to increase the magnetic field gradient of the quadrupole electromagnet, and is adjacent to the quadrupole electromagnet. The distance from the beam pipe that can be placed increases.
Further, when a part of the yoke is open as in the quadrupole electromagnet of Patent Document 1, the leakage magnetic field becomes large, and in order to avoid the influence thereof, it may be necessary to increase the distance from the adjacent beam pipe.
一方、前記したように、本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）１０は、それぞれの磁心の先端部に、折れ曲がって中心部の方向に向かった磁心先端部１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２を有し、また、コイルが巻かれた磁心１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２は、多極電磁石（四極電磁石）１０の鉛直方向に伸びているため、従来（例えば特許文献１の図１）の四極電磁石と比べて水平方向の寸法を小さく抑えられる。
このように、多極電磁石（四極電磁石）１０の水平方向の寸法が小さくなったことでコイルと隣接するビームパイプの間にヨークを設置することが可能となり、その結果漏れ磁場が低減され、隣接するビームパイプとの距離を縮めることが可能となる。
On the other hand, as described above, the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 of the first embodiment of the present invention is bent toward the tip of each magnetic core, and the tip of the magnetic core is 13Uc1, 13Uc2, 13Lc1. , 13Lc2, and the coiled magnetic cores 13U1, 13U2, 13L1, 13L2 extend in the vertical direction of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10, so that they are conventional (for example, FIG. 1 of Patent Document 1). Compared to the quadrupole electromagnet of, the horizontal dimension can be kept small.
As described above, the smaller horizontal dimension of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 makes it possible to install a yoke between the coil and the adjacent beam pipe, and as a result, the leakage magnetic field is reduced and the adjacent beam pipe is adjacent. It is possible to shorten the distance from the beam pipe.
また、価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等においては、図２に示したように、複数のビームがすぐ近くに隣接しており、この場所へ多極電磁石を設置したい場合がある。多極電磁石（四極電磁石）１０は、従来の四極電磁石形状よりも水平方向の寸法を小さく抑えられるため、この場合にも複数の多極電磁石を隣接して設置することが可能となる。 Further, in an accelerator or the like that simultaneously orbits a plurality of types of charged particles having different valences, as shown in FIG. 2, when a plurality of beams are adjacent to each other in the immediate vicinity and a multipolar electromagnet is desired to be installed at this location. There is. Since the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 can have a smaller horizontal dimension than the conventional quadrupole electromagnet shape, a plurality of multi-pole electromagnets can be installed adjacent to each other in this case as well.
＜第１実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態の多極電磁石（四極電磁石）によれば、４個の磁心は、互いに平行、または同方向に配置され、ヨークに垂直に接しており、それぞれの磁心の先端部で中心部に向かって曲がり延びている磁心先端部が形成されている。この構造によって、多極電磁石の中心部の磁場勾配を大きく確保しながら、多極電磁石の幅（水平方向の幅寸法）を小さく抑える事が可能となる。
そして、多極電磁石の幅を小さく抑えることによって、隣接するビームパイプとの空間的干渉を抑える事が可能となる。
<Effect of the first embodiment>
According to the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) of the first embodiment of the present invention, the four magnetic cores are arranged in parallel or in the same direction with each other and are in vertical contact with the yoke, and at the tip of each magnetic core. A magnetic core tip that bends toward the center is formed. With this structure, it is possible to keep the width (horizontal width dimension) of the multipolar electromagnet small while ensuring a large magnetic field gradient at the center of the multipolar electromagnet.
Then, by suppressing the width of the multipolar electromagnet to be small, it is possible to suppress spatial interference with the adjacent beam pipe.
また、多極電磁石の幅を小さく抑えられることにより、コイルと隣接するビームパイプの間にスペースができる。そして、そのスペースにヨークを置くことが可能となるため、漏れ磁場を低減できる。その結果、ビームパイプを多極電磁石に近づけることができる。
また、従来の４回対称形状の多極電磁石よりも水平方向の幅が小さくなることにより、複数の多極電磁石を近接させて設置できる。すなわち、複数の多極電磁石を隣接して効率よく設置することが可能となる。
また、コイルを鉛直方向に大きくすることにより、コイルの巻数を増やしたり、コイル長を長くすることができて、多極電磁石の横方向寸法を維持したままコイル起磁力を上げ、多極電磁石中心の磁場勾配を大きくすることも可能である。
Further, by keeping the width of the multipolar electromagnet small, a space is created between the coil and the adjacent beam pipe. Then, since the yoke can be placed in that space, the leakage magnetic field can be reduced. As a result, the beam pipe can be brought closer to the multipolar electromagnet.
Further, since the width in the horizontal direction is smaller than that of the conventional multi-pole electromagnet having a 4-fold symmetry shape, a plurality of multi-pole electromagnets can be installed close to each other. That is, it becomes possible to efficiently install a plurality of multi-pole electromagnets adjacent to each other.
Further, by enlarging the coil in the vertical direction, the number of turns of the coil can be increased and the coil length can be lengthened, and the coil magnetomotive force can be increased while maintaining the lateral dimension of the multipolar electromagnet, and the center of the multipolar electromagnet can be increased. It is also possible to increase the magnetic field gradient of.
≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態に係る多極電磁石について、図を参照して説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）２０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク２２のうち磁心（１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｌ１，１３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク２２Ｒ，２２Ｌの中央部において、多極電磁石２０の内側に向かって凹んでいる（くびれている）ヨーク屈曲部２２Ｄを有していることである。
<< Second Embodiment >>
The multi-pole electromagnet according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration and cross-sectional structure of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 20 according to the second embodiment of the present invention.
In addition to the characteristics of the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 described above, the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 20 has
多極電磁石（四極電磁石）２０は、中心部にビームパイプ１１を通している。それとともに、多極電磁石２０は、ヨーク２２（ヨーク２２Ｒ，２２Ｌ）に前記のヨーク屈曲部２２Ｄを有することによって、図４に示すように、ヨーク２２（ヨーク２２Ｒ，２２Ｌ）の隣接する位置に、別の多極電磁石２０を通過するビームパイプ２１を通すことが可能となる。
他の構成要素は同じであるので、重複する説明は、適宜、省略する。
The multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 20 passes through a
Since the other components are the same, duplicate description will be omitted as appropriate.
図５は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０を価数の異なる複数種類の荷電粒子を同時に周回させる加速器等に用いた場合の効果を説明する図である。
図５において、複数種類の荷電粒子（荷電粒子のビーム）を同時に周回させる加速器２００には、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ）と、複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが配置されている。
複数種類の荷電粒子をそれぞれ通すビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、５台の多極電磁石（四極電磁石）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅのそれぞれの中心部を貫通している。
FIG. 5 is a diagram illustrating an effect when the multipolar electromagnet (quadrupole electromagnet) 20 according to the second embodiment of the present invention is used in an accelerator or the like that simultaneously orbits a plurality of types of charged particles having different valences.
In FIG. 5, the
The
図５におけるビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、図４における多極電磁石（四極電磁石）２０のビームパイプ１１にそれぞれ相当する。すなわち、例えば、図５における多極電磁石（四極電磁石）２０ｂとビームパイプ２１ａ、ビームパイプ１１ｂ、ビームパイプ２１ｃの配置の関係は、図４における多極電磁石２０と、一方のビームパイプ２１、ビームパイプ１１、他方のビームパイプ２１の配置の関係に相当する。
ただし、図４におけるビームパイプ１１は、別の多極電磁石２０から観ると、図４におけるビームパイプ２１に相当することがある。すなわち、図５におけるビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、ビームパイプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅとも観ることもできる。
The
However, the
図５に示すように、ビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ（ビームパイプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ）は、隣接する複数の多極電磁石２０が、ビームパイプの延びている方向において、重なる位置までビームパイプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ、および複数の多極電磁石２０を接近させられる。
そのため、図５に示す第２実施形態の多極電磁石２０は、図２に示す第１実施形態の多極電磁石１０の設置できる限界よりも、狭いビームパイプ間隔（ビーム間隔）での箇所へ多極電磁石の設置が可能となる。
As shown in FIG. 5, in the
Therefore, the
図６は、本発明の第２実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）２０を、ビームパイプ２１を挟んで２台を配置した構成と断面構造の例を示す図である。
図６において、２台の多極電磁石２０（２０ａ，２０ｃ）は、ビームパイプ２１（２１ｂ）を挟んで配置されている。
図６における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂとの関係は、図５における多極電磁石２０ａと多極電磁石２０ｃとビームパイプ２１ｂの配置の関係に対応している。
図６および図５に示すように、図４において説明した多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a configuration and a cross-sectional structure in which two multi-pole electromagnets (quadrupole electromagnets) 20 according to a second embodiment of the present invention are arranged with a
In FIG. 6, the two multipolar electromagnets 20 (20a, 20c) are arranged so as to sandwich the beam pipe 21 (21b).
The relationship between the
As shown in FIGS. 6 and 5, by adopting the
＜第２実施形態の効果＞
本発明の第２実施形態によれば、ヨーク２２のうち磁心に平行な２辺のヨーク２２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）２０の内側に向かってくびれたヨーク屈曲部２２Ｄを有する多極電磁石２０を採用することによって、隣接するビームパイプ（１１，２１）だけではなく、隣接する多極電磁石２０との干渉も抑えることができる。
そのため、多極電磁石２０は、多極電磁石１０よりも隣接する複数の多極電磁石の間隔を狭くすることが可能となる。
<Effect of the second embodiment>
According to the second embodiment of the present invention, the central portion of the
Therefore, the
≪第３実施形態≫
本発明の第３実施形態に係る多極電磁石３０Ａとその変形例の多極電磁石３０Ｂについて、図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。まず、図７Ａを参照して、多極電磁石３０Ａについて説明し、変形例の多極電磁石３０Ｂについては、図７Ｂを参照して後記する。
<< Third Embodiment >>
The
図７Ａは、本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ａの部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
図７Ａにおいて、ヨーク３２Ｕは、ヨーク（１２：図１）の上辺の部分（ヨークの上部）であり、ヨーク３２Ｒは、ヨーク（１２：図１）の右辺の部分（ヨークの側面）を示している。
ヨーク３２Ｕは、磁心３３Ｕ２と接して一体となっている。また磁心３３Ｕ２の周囲をコイル３４Ｕ２が巻回している。また、磁心３３Ｕ２の先端部に、磁心先端部３３Ｕｃ２が設けられている。
FIG. 7A is a diagram showing an example of a partial configuration and a cross-sectional structure of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 30A according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 7A, the
The
図７Ａにおいて、ヨーク３２Ｕにおける磁心３３Ｕ２と垂直な辺の厚さａは、ヨーク３２Ｒにおける厚さｂよりも厚い構成となっている。
また、磁心３３Ｕ２の幅を幅ｃとして、ヨークの厚さａ（ヨークの厚みの長さ）とヨークの厚さｂ（ヨークの厚みの長さ）の和が幅ｃ（磁心のコイルが巻回される方向の幅の長さ）よりも厚い構成となっている。
すなわち、
ａ＞ｂ
かつ、
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があることを特徴としている。
以上の構造の作用と効果を、図８と図９を参照して説明する。
In FIG. 7A, the thickness a of the side of the
Further, where the width of the magnetic core 33U2 is the width c, the sum of the yoke thickness a (the length of the yoke thickness) and the yoke thickness b (the length of the yoke thickness) is the width c (the coil of the magnetic core is wound). It has a thicker structure than the width in the direction in which it is formed.
That is,
a> b
And,
(A + b)> c
It is characterized by having a relationship of.
The action and effect of the above structure will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
＜磁束線の経路＞
図８は、図７Ａにおけるヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２における磁束線８８ａ，８８ｂ，８８ｃの経路の例を模式的に示した図である。図７Ａにおける、
ａ＞ｂ
の関係、すなわち、ヨーク３２Ｕ（ヨークの上部）の厚さａ（ヨークの厚み）が、ヨーク３２Ｒ（ヨークの側面）の厚さｂ（ヨークの厚み）よりも大きいことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束（磁束線８８ｃ）のうち、図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。
そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場は小さくなり、多極電磁石３０Ａに隣接するビームに与える影響を抑えることが可能となる。
なお、以上の「ａ＞ｂ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みが、ヨークの側面におけるヨークの厚みよりも大きい」とも表記する。
<Path of magnetic flux line>
FIG. 8 is a diagram schematically showing an example of the path of the
a> b
That is, the thickness a (thickness of the yoke) of the
Therefore, the magnetic field leaking to the outside of the
The above relationship of "a>b" is also described as "the thickness of the yoke on the upper part of the yoke is larger than the thickness of the yoke on the side surface of the yoke".
また、ヨーク３２Ｕの厚さａ（ヨークの厚み）とヨーク３２Ｒの厚さｂ（ヨークの厚み）と磁心３３Ｕ２の幅（径）ｃ（磁心のコイルが巻回それる方向の幅）との関係において、幅ｃの磁心３３Ｕ２を通った磁束８８ｃがヨーク３２Ｕに達し、厚さａのヨーク３２Ｕへの磁束８８ａと、厚さｂのヨーク３２Ｒへの磁束８８ｂに分かれるときに、
（ａ＋ｂ）＞ｃ
の関係があると、分岐点において、磁束はすみやかに分岐し、漏洩する磁束もより低減される効果がある。
なお、以上の「（ａ＋ｂ）＞ｃ」の関係を「ヨークの上部におけるヨークの厚みと、ヨークの側面におけるヨークの厚みとの合計が、磁心のコイルが巻回される方向の幅よりも大きい」とも表記する。
The relationship between the thickness a of the
(A + b)> c
If there is a relationship of, the magnetic flux branches promptly at the branching point, and the leaking magnetic flux also has the effect of being further reduced.
The above relationship of "(a + b)>c" is that "the sum of the thickness of the yoke on the upper part of the yoke and the thickness of the yoke on the side surface of the yoke is larger than the width in the direction in which the coil of the magnetic core is wound. It is also written as.
＜多極電磁石３０Ａの磁場のシミュレーションの結果＞
磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図９に示す。
図９は、本発明の第３実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ａによって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図９において、コイル３４Ｕ２、ヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２、磁心先端部３３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの長さにおける距離を示している。
<Results of magnetic field simulation of
FIG. 9 shows the results of simulating the state of the magnetic flux lines using the magnetic field analysis software Poisson Superfish.
FIG. 9 is a diagram showing an example of the result of simulation of the magnetic field generated by the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 30A according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows the state of the magnetic flux line of the portion composed of the coil 34U2, the
図９においては、コイル３４Ｕ２によって、磁心３３Ｕ２を通る磁束が形成され、磁心３３Ｕ２を通る磁束のうちの多くが上側のヨーク３２Ｕを通り、残りが横側のヨーク３２Ｒを通っている。
図９に示すように、
ａ＞ｂ
（ａ＋ｂ）＞ｃ
と設定してシミュレーションをした結果、磁心３３Ｕ２を通る磁束の多くは、ヨーク３２Ｕを通り、ヨーク３２Ｒを通る磁束は相対的に少ない。また、漏洩する磁束（例えば、磁束線８９）は僅かである。
In FIG. 9, the coil 34U2 forms a magnetic flux that passes through the magnetic core 33U2, and most of the magnetic flux that passes through the magnetic core 33U2 passes through the
As shown in FIG.
a> b
(A + b)> c
As a result of the simulation, most of the magnetic flux passing through the magnetic core 33U2 passes through the
以上は、コイル３４Ｕ２、ヨーク３２Ｕ、ヨーク３２Ｒ、磁心３３Ｕ２、磁心先端部３３Ｕｃ２について、説明し、シミュレーション結果を示したが、他の磁極に関連する部分のコイル、ヨーク、磁心、磁心先端部についても、概ね同様である。
また、その他の構成要素は、図１で示した多極電磁石（四極電磁石）１０と同じであるので、事実上、重複する説明は、省略する。
The above describes the coil 34U2, the
Further, since the other components are the same as those of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 shown in FIG. 1, substantially overlapping description will be omitted.
＜第３実施形態の効果＞
ヨーク３２Ｕの厚さａがヨーク３２Ｒの厚さｂよりも大きい（ａ＞ｂ）ことによって、コイル３４Ｕ２によって生成される磁束のうち図８に示される磁束線８８ａの経路を通る磁束の割合が増加し、磁束線８８ｂの経路を通る磁束の割合が減少する。そのため、横側のヨーク３２Ｒの外に漏れる磁場（磁束）は小さくなり、多極電磁石（四極電磁石）３０に隣接するビームパイプを通るビームに与える影響を抑えることが可能となる。
また、ヨーク３２Ｕの厚さａとヨーク３２Ｒの厚さｂと磁心３３Ｕ２の幅（径）ｃとの関係において、（ａ＋ｂ）＞ｃの関係があると、さらに効果的である。
<Effect of the third embodiment>
Since the thickness a of the
Further, in the relationship between the thickness a of the
≪第３実施形態の変形例≫
本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石３０Ｂについて、図７Ｂを参照して説明する。
図７Ｂは、本発明の第３実施形態の変形例に係る多極電磁石（四極電磁石）３０Ｂの部分的な構成と断面構造の例を示す図である。
図７Ｂと図７Ａの違いは、図７Ｂの側面のヨーク３２Ｒが、第２実施形態の多極電磁石（四極電磁石）２０のヨーク屈曲部２２Ｄのように、図７Ｂにおいて凹んだヨーク屈曲部を有していることである。このヨーク屈曲部のヨークの厚みを厚さｂ２（ヨークの厚み）とすれば、図７Ａにおける関係式と同様に、
ａ＞ｂ２
（ａ＋ｂ２）＞ｃ
の関係があることが望ましい。これらの関係があることによって、ヨーク３２Ｒおよびヨーク屈曲部（２２Ｄ）における漏洩する磁場、磁束が低減できる。
<< Modified example of the third embodiment >>
The
FIG. 7B is a diagram showing an example of a partial configuration and a cross-sectional structure of a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 30B according to a modified example of the third embodiment of the present invention.
The difference between FIGS. 7B and 7A is that the
a> b2
(A + b2)> c
It is desirable that there is a relationship. Due to these relationships, the magnetic flux and magnetic flux leaking at the
≪第４実施形態≫
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石４０について、図を参照して説明する。
図１０は、本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０の構成と断面構造の例を示す図である。
この多極電磁石（四極電磁石）４０は、前記した多極電磁石（四極電磁石）１０の特徴に加え、ヨーク４２のうち磁心（４３Ｕ１，４３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２）に平行な２辺のヨーク４２の中央部が、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸（逆くびれ）となってヨーク突出部４２Ｂを有していることである。
<< Fourth Embodiment >>
The
FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration and cross-sectional structure of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 according to the fourth embodiment of the present invention.
This multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 has, in addition to the characteristics of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 described above, the center of the yoke 42 on two sides parallel to the magnetic core (43U1, 43U2, 43L1, 43L2) of the yoke 42. The portion is convex (reverse constriction) toward the outside of the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 and has a
図１０は、図９に示したのと同様に、磁心先端部（４３Ｕｃ１，４３Ｕｃ２，４３Ｌｃ１，４３Ｌｃ２）を通る磁束の一部は、横のヨーク（４２Ｒ，４２Ｌ）に逃げているが、多極電磁石（四極電磁石）４０は、外側に向かって凸となってヨーク突出部４２Ｂを有することによって、４個の磁心（４３Ｕ１，４３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２）から出る磁束線のうちヨークに逃げる分が少なくなる。そのため、ある所定の値の磁場勾配を多極電磁石（四極電磁石）４０の中央部に生成するために必要なコイルの起磁力が、多極電磁石（四極電磁石）１０の形状と比べて小さくなる。
In FIG. 10, as shown in FIG. 9, a part of the magnetic flux passing through the tip of the electromagnetic core (43Uc1, 43Uc2, 43Lc1, 43Lc2) escapes to the lateral yoke (42R, 42L), but is multi-pole. Since the electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 has a
＜多極電磁石４０の磁場のシミュレーションの結果＞
ヨーク４２のうち横側のヨーク４２Ｒ，４２Ｌのそれぞれ中央付近に、多極電磁石（四極電磁石）４０の外側に向かって凸となってヨーク突出部４２Ｂを有している場合の磁束線の様子を磁場解析ソフトウェアＰｏｉｓｓｏｎ Ｓｕｐｅｒｆｉｓｈを用いてシミュレーションした結果を図１１Ａ、および比較して図１１Ｂに示す。
図１１Ａは、本発明の第４実施形態に係るヨーク突出部４２Ｂを有する多極電磁石（四極電磁石）４０によって生成される磁場のシミュレーションの結果の例を示す図である。
図１１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）１０によって生成される磁場のシミュレーションの結果を比較として示す図である。なお、多極電磁石（四極電磁石）１０は、ヨーク突出部４２Ｂを有してはいない。比較のための磁場のシミュレーションの結果を示す図である。
<Result of magnetic field simulation of
The state of the magnetic flux line when the
FIG. 11A is a diagram showing an example of a simulation result of a magnetic field generated by a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 having a
FIG. 11B is a diagram showing the results of simulation of the magnetic field generated by the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 according to the first embodiment of the present invention as a comparison. The multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 does not have a
図１１Ａにおいて、ヨーク突出部４２Ｂを有する多極電磁石（四極電磁石）４０において、四極電磁石中心部で２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成に要する起磁力Ｆ４は、７０４０［ＡＴ］であった。
なお、図１１Ａにおいて、図１０におけるコイル４４Ｕ２、ヨーク４２Ｕ、ヨーク４２Ｒ、磁心４３Ｕ２、磁心先端部４３Ｕｃ２で構成されている部分の磁束線の様子を示している。また、横軸と縦軸はそれぞれの方向における座標（距離）を示している。
In FIG. 11A, in the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 having the
Note that FIG. 11A shows the state of the magnetic flux line of the portion composed of the coil 44U2, the yoke 42U, the
図１１Ｂにおいて、ヨーク突出部４２Ｂがない多極電磁石（四極電磁石）１０において、四極電磁石中心部で２０００［Ｇ／ｃｍ］の磁場勾配を生成に要する起磁力Ｆ１は、７２４３［ＡＴ］であった。なお、図１１Ｂの結果は、図３Ｂで示した結果と同じである。
In FIG. 11B, in the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 without the
以上の図１１Ａと図１１Ｂの磁場のシミュレーションの結果に示すように、第４実施形態に示した外側に向かってヨーク突出部４２Ｂを有している多極電磁石４０（起磁力Ｆ４＝７０４０［ＡＴ］）は、前記した、第１実施形態の多極電磁石１０（起磁力Ｆ１＝７２４３［ＡＴ］）よりも、必要となる起磁力が、さらに低減できる。
As shown in the results of the magnetic field simulations of FIGS. 11A and 11B above, the
＜第４実施形態の効果＞
本発明の第４実施形態に係る多極電磁石（四極電磁石）４０によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、ヨークの側面において、ヨーク突出部４２Ｂを有することで、多極電磁石４０の中心部に所定の磁場勾配を生成するために必要なコイルの起磁力を低減できる。
そのため、磁心を曲げ延ばす形状にすることで横方向のスペースに余裕ができた場合、逆くびれのヨーク突出部４２Ｂの大きさを、隣接するビームパイプと空間的干渉が起こらない範囲で微調整することで、必要な磁場勾配を電磁石中心部に生成するために必要なコイル起磁力を低減することが可能である。
<Effect of Fourth Embodiment>
According to the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 according to the fourth embodiment of the present invention, not only the same effect as that of the first embodiment can be obtained, but also the
Therefore, if there is room in the lateral direction by bending and extending the magnetic core, the size of the
また、コイル起磁力の低減によって多極電磁石（四極電磁石）４０の鉛直方向の寸法は小さくなるため、四極電磁石の設置スペースの鉛直方向に制限がある場合にも、本発明の第４実施形態の多極電磁石４０を適用することが可能である。
本発明の第４実施形態の多極電磁石（四極電磁石）４０は、ヨーク突出部４２Ｂを設けているので、多極電磁石４０の幅が増加する要素があるが、前記の様々の作用、効果によって、最終的に多極電磁石の水平方向の寸法幅を小さくすることが可能である。
Further, since the vertical dimension of the multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 becomes smaller due to the reduction of the coil magnetomotive force, the fourth embodiment of the present invention can be used even when the installation space of the quadrupole electromagnet is limited in the vertical direction. It is possible to apply the
Since the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 of the fourth embodiment of the present invention is provided with the
≪第５実施形態≫
本発明の第５実施形態に係る多極電磁石５０について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態に係る多極電磁石（六極電磁石）５０の構成と断面構造の例を示す図である。
図１２において、多極電磁石５０は、六極電磁石として構成され、６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３と６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３を備えている。６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３は、それぞれ６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３の周囲に巻回され、６極の電磁石が構成されている。
<< Fifth Embodiment >>
The
FIG. 12 is a diagram showing an example of the configuration and cross-sectional structure of the multi-pole electromagnet (hexa-pole electromagnet) 50 according to the fifth embodiment of the present invention.
In FIG. 12, the
また、多極電磁石（六極電磁石）５０は、磁気回路を構成するために外周が磁性体であるヨーク５２に覆われている。なお、ヨーク５２は、図１２に示す断面において、長方形の枠状である。
６本の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３は、ヨーク５２と一体となって形成されている。磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３、およびヨーク５２の素材は、強磁性体である鉄が使用されている。
また、磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３のそれぞれの先端部には強磁性体である磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３が備えられている。
Further, the multi-pole electromagnet (hexapole electromagnet) 50 is covered with a
The six magnetic cores 53U1, 53U2, 53U3, 53L1, 53L2, 53L3 are formed integrally with the
Further, each tip of the magnetic cores 53U1, 53U2, 53U3, 53L1, 53L2, 53L3 is provided with a magnetic core tip portion 53Uc1, 53Uc2, 53Uc3, 53Lc1, 53Lc2, 53Lc3 which is a ferromagnet.
また、図１２に示すビームパイプ５１は、荷電粒子ビームが通る領域の囲いである。
磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３は、それぞれ磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３からビームパイプ５１に向かって曲がり延びた形状で構成されている。
Further, the
The magnetic core tip portions 53Uc1, 53Uc2, 53Uc3, 53Lc1, 53Lc2, 53Lc3 are formed in a shape that extends from the magnetic cores 53U1, 53U2, 53U3, 53L1, 53L2, 53L3 toward the
前記の６個のコイル５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３が生成した磁束が６個の磁心５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３、および磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３と、ヨーク５２を主に通過し、６個の磁心先端部５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３に囲まれた空間内に六極磁場が生成される。
The magnetic flux generated by the six coils 54U1, 54U2, 54U3, 54L1, 54L2, 54L3 is the six magnetic cores 53U1, 53U2, 53U3, 53L1, 53L2, 53L3, and the magnetic core tip 53Uc1, 53Uc2, 53Uc3, 53Lc1, A hexapole magnetic field is generated in a space surrounded by six magnetic core tip portions 53Uc1, 53Uc2, 53Uc3, 53Lc1, 53Lc2, 53Lc3, which mainly pass through 53Lc2, 53Lc3 and the
以上の図１２に示す構成においては、図１に示した四極の多極電磁石（四極電磁石）１０を、六極の多極電磁石（六極電磁石）５０に拡張、応用したものである。
四極と六極の多極電磁石の相違はあるが、その他の構成や作用において、同じようなものは、重複する説明は省略する。
なお、多極電磁石を四極から六極に増やすことによって、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差（クロマティシティ）の調整が可能となる。
In the configuration shown in FIG. 12 above, the quadrupole multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 shown in FIG. 1 is expanded and applied to a hexapole multipole electromagnet (hexagonal electromagnet) 50.
Although there are differences between quadrupole and hexapole multi-pole electromagnets, duplicate explanations will be omitted for similar ones in other configurations and operations.
By increasing the number of multi-pole electromagnets from four poles to six poles, it is possible to adjust the chromatic aberration (chromaticity) of the charged particles passing through the
＜第５実施形態の効果＞
六極の多極電磁石５０によれば、多極電磁石５０の水平方向の幅を小さくして隣接するビームパイプとの干渉を回避しながら、ビームパイプ５１を通る荷電粒子の色収差の調整が可能となる。
<Effect of the fifth embodiment>
According to the
≪その他の実施形態≫
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべ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の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
<< Other Embodiments >>
The present invention is not limited to the embodiments described above, and further includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with a part of the configuration of another embodiment, and further, add a part or all of the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to delete / replace.
Hereinafter, other embodiments and modifications will be further described.
《四極電磁石の組み合わせ》
図２おいて、加速器１００に用いる多極電磁石は、すべて図１で説明した多極電磁石（四極電磁石）１０を用いることを想定して説明したが、多極電磁石１０に限定されない。
例えば、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、多極電磁石（四極電磁石）２０（図４）、あるいは多極電磁石（四極電磁石）４０（図１０）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と多極電磁石（六極電磁石）５０（図１２）とを組み合わせてもよい。
また、多極電磁石（四極電磁石）１０（図１）と、従来のビーム軸を中心に４回対称である磁心形状を有する四極電磁石とを組み合わせてもよい。
また、図５における、加速器２００に用いる多極電磁石は、図４で説明した多極電磁石（四極電磁石）２０に限定されない。様々な構成の多極電磁石の組み合わせでもよい。
<< Combination of quadrupole electromagnets >>
In FIG. 2, all the multipolar electromagnets used in the
For example, a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 (FIG. 1) may be combined with a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 20 (FIG. 4) or a multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 (FIG. 10).
Further, the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 (FIG. 1) and the multi-pole electromagnet (hexagonal electromagnet) 50 (FIG. 12) may be combined.
Further, a multipole electromagnet (quadrupole electromagnet) 10 (FIG. 1) may be combined with a quadrupole electromagnet having a magnetic core shape that is quadrupole symmetric about the conventional beam axis.
Further, the multi-pole electromagnet used in the
《ヨークの厚みの関係》
図７Ａにおいて、多極電磁石（四極電磁石）１０の上部のヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク３２Ｒの厚さｂとの関係において、ａ＞ｂの関係があることが望ましいことを説明した。
また、図７Ｂにおいて、ヨーク３２Ｕの厚さａと、側面のヨーク屈曲部３２Ｄの厚さｂ２との関係において、ａ＞ｂ２の関係があることが望ましいことを説明した。
以上において、説明したのと概ね同様の理由によって、図１０の多極電磁石（四極電磁石）４０において、上部のヨーク４２Ｕの厚さ（厚さａとする）と、側面のヨーク突出部４２Ｂの厚さ（厚さｂ３とする）との関係において、ａ＞ｂ３の関係があることが望ましい。
<< Relationship of yoke thickness >>
In FIG. 7A, it has been explained that it is desirable that there is a relationship of a> b in the relationship between the thickness a of the
Further, in FIG. 7B, it has been explained that it is desirable that there is a relationship of a> b2 in the relationship between the thickness a of the
In the above, for the same reason as described above, in the multi-pole electromagnet (quadrupole electromagnet) 40 of FIG. 10, the thickness of the upper yoke 42U (referred to as the thickness a) and the thickness of the
《ヨーク屈曲部とヨーク突出部の形状》
図４において、ヨーク屈曲部２２Ｄは、直線状のヨークの２辺が互いに接する形状の構成例を示した。しかし、ヨーク屈曲部２２Ｄの形状は、前記の直線状の２辺を合わせた形状に限定されない。
例えば、ヨーク屈曲部２２Ｄを一つの連続した曲線状の形状で構成しても類似した効果が得られる。また、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
また、図１０に示したヨーク突出部４２Ｂの形状についても、一つの連続した曲線状の形状でも、複数の直線状のヨークを複数の屈曲点で連結させた形状で構成してもよい。
《Shape of yoke bend and yoke protrusion》
In FIG. 4, the
For example, a similar effect can be obtained even if the
Further, the shape of the
《上部のヨーク、下部のヨーク、側面のヨークの関係》
図１で示した多極電磁石１０、あるいは図４で示した多極電磁石２０においては、上部におけるヨーク、下部におけるヨーク、側面におけるヨークは、一体化して表記した。
しかし、前記のそれぞれのヨークは、一体化されることに限定されない。
例えば、側面のヨークは、上部のヨークおよび下部のヨークの双方と分離してもよい。あるいは、また側面のヨークは、上部のヨークと下部のヨークのどちらか一方のみと分離していてもよい。
このように、側面におけるヨークが、上部のヨーク、あるいは下部のヨークと分離していても、磁気シールドの作用は、有効に機能することがある。
<< Relationship between upper yoke, lower yoke, and side yoke >>
In the
However, each of the above yokes is not limited to being integrated.
For example, the side yoke may be separated from both the upper yoke and the lower yoke. Alternatively, the side yoke may be separated from only one of the upper yoke and the lower yoke.
Thus, even if the yoke on the side surface is separated from the upper yoke or the lower yoke, the action of the magnetic shield may function effectively.
《八極以上の多極電磁石》
図１に示した四極の多極電磁石１０、また図１２に示した六極の多極電磁石５０は、磁心先端部以外の複数の磁心が互いに平行に上部または下部のヨークに伸びている構造をしている。このような構造は、四極や六極の多極電磁石に限定されない。八極以上の多極電磁石にも、前記した複数の磁心の構造を適用することは可能である。
《Multipole electromagnet with more than eight poles》
The quadrupole
《ヨーク屈曲部、ヨーク突出部を有する六極以上の多極電磁石》
六極の多極電磁石として、図１２に示す多極電磁石５０の側面の左右のヨークは、まっすぐで平行な構造として説明した。
しかし、六極以上の多極電磁石においても、ヨークの側面において、ヨーク屈曲部あるいは、ヨーク突出部を有する構造にすることは、四極の多極電磁石の場合と同様の作用と効果を有する。
<< Multi-pole electromagnet with 6 or more poles with yoke bend and yoke protrusion >>
As a hexapole electromagnet, the left and right yokes on the side surface of the
However, even in a multi-pole electromagnet having six or more poles, having a structure having a yoke bent portion or a yoke protruding portion on the side surface of the yoke has the same operation and effect as in the case of a four-pole multi-pole electromagnet.
《加速器》
例えば図２や図５で示したように、第１実施形態から第５実施形態の多極電磁石を用いた加速器（１００，２００）は、小型で漏洩磁束も少なく効率のよい優れた加速器を構成できる。
《Accelerator》
For example, as shown in FIGS. 2 and 5, the accelerators (100, 200) using the multipolar electromagnets of the first to fifth embodiments constitute an excellent accelerator that is compact, has little leakage magnetic flux, and is efficient. can.
１０，１０ａ〜１０ｅ，２０，２０ａ〜２０ｅ，３０，４０ 多極電磁石（四極電磁石）
１１，１１ａ〜１１ｅ，２１，２１ａ〜２１ｅ，５１ ビームパイプ
１１ｃｘ ビーム軸（多極電磁石の中心部）
１２，２２，３２Ｒ，３２Ｕ，４２，４２Ｕ，４２Ｌ，４２Ｒ，５２ ヨーク
１３Ｌ１，１３Ｌ２，１３Ｕ１，１３Ｕ２，３３Ｕ２，４３Ｌ１，４３Ｌ２，４３Ｕ１，４３Ｕ２，５３Ｌ１，５３Ｌ２，５３Ｌ３，５３Ｕ１，５３Ｕ２，５３Ｕ３ 磁心
１３Ｌｃ１，１３Ｌｃ２，１３Ｕｃ１，１３Ｕｃ２，３３Ｕｃ２，４３Ｌｃ１，４３Ｌｃ２，４３Ｕｃ１，４３Ｕｃ２，５３Ｌｃ１，５３Ｌｃ２，５３Ｌｃ３，５３Ｕｃ１，５３Ｕｃ２，５３Ｕｃ３ 磁心先端部（磁心）
１４Ｌ１，１４Ｌ２，１４Ｕ１，１４Ｕ２，３４Ｕ２，４４Ｌ１，４４Ｌ２，４４Ｕ１，４４Ｕ２，５４Ｌ１，５４Ｌ２，５４Ｌ３，５４Ｕ１，５４Ｕ２，５４Ｕ３ コイル
２２Ｄ ヨーク屈曲部（ヨーク）
４２Ｂ ヨーク突出部（ヨーク）
５０ 多極電磁石（六極電磁石）
８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８９ 磁束線
１００，２００ 加速器
10,10a-10e, 20,20a-20e, 30,40 Multipole electromagnet (quadrupole electromagnet)
11, 11a to 11e, 21,21a to 21e, 51 Beam pipe 11cx Beam axis (center of multi-pole electromagnet)
12, 22, 32R, 32U, 42, 42U, 42L, 42R, 52 York 13L1, 13L2, 13U1, 13U2, 33U2, 43L1, 43L2, 43U1, 43U2, 53L1, 53L2, 53L3, 53U1, 53U2, 53U3 Magnetic core 13Lc1, 13Lc2, 13Uc1, 13Uc2, 33Uc2, 43Lc1, 43Lc2, 43Uc1, 43Uc2, 53Lc1, 53Lc2, 53Lc3, 53Uc1, 53Uc2, 53Uc3 Magnetic core tip (magnetic core)
14L1,14L2,14U1,14U2,34U2,44L1,44L2,44U1,44U2,54L1,54L2,54L3,54U1,54U2,
42B York protrusion (yoke)
50 Multi-pole electromagnet (hexagonal electromagnet)
88a, 88b, 88c, 89 Magnetic flux line 100,200 Accelerator
Claims (10)
複数の前記磁心のそれぞれの周囲に巻回して配置される複数のコイルと、
複数の前記磁心を囲み、多極電磁石の外周部に配置されるヨークと、
を備え、
複数の前記磁心は、互いに平行または同方向に配置され、
複数の前記磁心は、それぞれ先端に磁心先端部を有し、
複数の前記磁心先端部は、それぞれ多極電磁石としての中心部に向かって曲がり延びて形成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。 Multiple magnetic cores consisting of even numbers of 4 or more,
A plurality of coils arranged by winding around each of the plurality of magnetic cores,
A yoke that surrounds the plurality of magnetic cores and is arranged on the outer periphery of the multipolar electromagnet,
With
The plurality of magnetic cores are arranged parallel to or in the same direction as each other.
Each of the plurality of magnetic cores has a magnetic core tip portion at the tip thereof.
Each of the plurality of magnetic core tip portions is formed by bending toward the central portion as a multipolar electromagnet.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記多極電磁石の外周部を囲う前記ヨークが、前記コイルと接していない所定の部分において前記多極電磁石の中心部に向かって凹んでいるヨーク屈曲部を有する、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 1,
The yoke that surrounds the outer peripheral portion of the multipolar electromagnet has a yoke bent portion that is recessed toward the central portion of the multipolar electromagnet at a predetermined portion that is not in contact with the coil.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記多極電磁石の外周部を囲う前記ヨークが、前記コイルと接していない所定の部分において前記多極電磁石の外側に向かって凸となっているヨーク突出部を有する、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 1,
The yoke that surrounds the outer peripheral portion of the multipolar electromagnet has a yoke protruding portion that is convex toward the outside of the multipolar electromagnet at a predetermined portion that is not in contact with the coil.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨークの側面におけるヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 1,
The thickness of the yoke at the top of the yoke is greater than the thickness of the yoke at the sides of the yoke.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記ヨークの上部におけるヨークの厚みと、前記ヨークの側面におけるヨークの厚みとの合計が、前記磁心のコイルが巻回される方向の幅よりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 1,
The sum of the thickness of the yoke on the upper part of the yoke and the thickness of the yoke on the side surface of the yoke is larger than the width in the direction in which the coil of the magnetic core is wound.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨーク屈曲部のヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 2,
The thickness of the yoke at the upper part of the yoke is larger than the thickness of the yoke at the bent portion of the yoke.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記ヨークの上部におけるヨークの厚みが、前記ヨーク突出部のヨークの厚みよりも大きい、
ことを特徴とする多極電磁石。 In claim 3,
The thickness of the yoke at the top of the yoke is larger than the thickness of the yoke at the protrusion of the yoke.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記多極電磁石が四極の電磁石で構成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。 In any one of claims 1 to 3,
The multi-pole electromagnet is composed of a quadrupole electromagnet.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
前記多極電磁石が六極以上の電磁石で構成されている、
ことを特徴とする多極電磁石。 In any one of claims 1 to 3,
The multi-pole electromagnet is composed of six or more pole electromagnets.
A multi-pole electromagnet characterized by this.
ことを特徴とする加速器。 The multipolar electromagnet according to any one of claims 1 to 3 is provided.
An accelerator that features that.
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