JP2978873B2 - 電磁石及び加速器、並びに加速器システム - Google Patents

電磁石及び加速器、並びに加速器システム

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JP2978873B2
JP2978873B2 JP10059256A JP5925698A JP2978873B2 JP 2978873 B2 JP2978873 B2 JP 2978873B2 JP 10059256 A JP10059256 A JP 10059256A JP 5925698 A JP5925698 A JP 5925698A JP 2978873 B2 JP2978873 B2 JP 2978873B2
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和夫 平本
真澄 梅沢
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/147—Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
    • H01J37/1472—Deflecting along given lines
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/15—Means for deflecting or directing discharge
    • H01J2237/152—Magnetic means

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子ビームの軌
道を変える電磁石に係わり、特に、物理実験用加速器，
工業用加速器、又は医療用加速器に用いるのに好適な電
磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、加速器に使用される電磁石は、
荷電粒子ビーム(以下、ビームという)のサイズなどで決
まる所定の領域内で所望の磁場分布となるように設計さ
れる。しかし、磁場強度が増大すると、電磁石の磁極に
使用する鉄芯の磁気飽和の影響により、磁極からの漏洩
磁場が増大する。この漏洩磁場の影響により、所望の磁
場分布からのズレ量が所定値以下となる領域（以下、好
ましい磁場領域という）が狭くなるため、電磁石で実際
に使用できる最大磁場強度が制限される。
【０００３】例えば、加速器用の偏向電磁石の場合、そ
の曲率半径と最大磁場強度が決まれば、加速器で得られ
るビームの最大エネルギーが決まる。従って、広いエネ
ルギー範囲でビームを使用したい場合、電磁石の最大磁
場強度が上記理由により制限されるため、大きな曲率半
径を有する偏向電磁石が必要となる。
【０００４】偏向電磁石に関する従来技術としては、特
開平5−47547号公報に、対向して配置された磁極の端部
に磁極シムと呼ばれる突起を設けた偏向電磁石が記載さ
れている。
【０００５】
【０００６】
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、磁
極の端部から横方向に広がっていた磁力線を端部に設け
た突起に集中させることにより、磁極間の有効磁場領域
（後述）を広げようとしている。
【０００８】しかし、磁極に突起を設ける必要があるた
め、磁極の構造が複雑になる。また、磁極間の磁場分布
は突起の形状に大きく影響されるため、磁極には高い加
工精度が要求される。これに伴い、製造コストが高くな
る。
【０００９】
【００１０】
【００１１】本発明の目的は、単純な構造で、高磁場で
かつ一様性の良い磁場を確保できる電磁石を提供するこ
とにある。ここで、磁場の一様性が良いということは、
有効磁場領域が広いということである。なお、電磁石に
おける有効磁場領域とは、後述するように、好ましい磁
場領域のうちビームの軌道を変えるために利用できる磁
場領域を指す。
【００１２】
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、磁極及び磁極につながるリターンヨークを
有する鋼板を複数枚積層して構成される磁芯を備えた電
磁石において、前記鋼板は、前記磁極部分に空気層を形
成する穴を有することにある。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）以下、本発明による電磁石の第１実施例
を図１を用いて説明する。図１は、本発明を適用した機
能結合型偏向電磁石の縦断面図である。本電磁石は、偏
向電磁石（二極電磁石）と四極電磁石の両方の機能を備
えており、周回するビームの軌道上に設けることを想定
している。
【００２０】本電磁石は、ビームの軌道を挟むように対
向して配置される一対の磁極１ａ及び１ｂ，磁極１ａと
１ｂを接続して磁路を形成するリターンヨーク３，励磁
コイル４及び５などから構成される。磁極１ａ及び１ｂ
の内部には、それぞれ複数の空間２ａ〜２ｇが水平方向
（図１の横方向）に並べて設けてある。本電磁石は、ビ
ーム軌道中心Ｏを含む水平平面（以下、軌道水平面とい
う）に対して上下対称となるように構成されている。
【００２１】リターンヨーク３は軌道水平面上で上下に
分割されており、上側のリターンヨーク３と磁極１ａが
一体で上部磁芯を構成し、下側のリターンヨーク３と磁
極１ｂが一体で下部磁芯を構成している。上部磁芯及び
下部磁芯は、それぞれ薄板状の電磁鋼板を積層して構成
され、軌道平面上で組み合わされている。
【００２２】磁極１ａと磁極１ｂの対向する表面は、互
いに異なる磁極（Ｎ極又はＳ極）となるように構成され
ている。例えば、磁極１ａの表面がＮ極のときに磁極１
ｂの表面がＳ極となるように、励磁コイル４と５に流す
電流方向を調整する。
【００２３】磁極１ａと１ｂの垂直方向（図１の上下方
向）の間隔は、右側ほど広くなるように構成されてい
る。このような構造の磁極を用いて、励磁コイル４及び
５に電流を流すことにより、磁極間のビーム軌道を含む
領域に、二極磁場成分及び四極磁場成分を有する磁場を
発生できる。
【００２４】空間２ａ〜２ｇの内部は空気層で、磁極材
料よりも比透磁率の低い領域を形成している。空間２ａ
〜２ｇはほぼ同じ形状をしており、縦断面がほぼ四角形
で図１の紙面に垂直な方向に長く伸びたスリット状の形
状をしている。複数の空間は、磁極表面に近い領域で、
主にビーム軌道中心Ｏよりも右側に配置されており、隣
接する空間の間隔は右側ほど狭くなっている。この場
合、右側方向は周回するビーム軌道の外側方向に、左側
方向はビーム軌道の内側方向にそれぞれ対応している。
【００２５】第１実施例による磁場分布の改善効果を、
図２及び図３を用いて説明する。図２は第１実施例によ
る磁場分布の解析例を、図３は図１で空間がない第１比
較例における磁場分布の解析例をそれぞれ示す。両図と
も、横軸は図１で軌道水平面上におけるビーム軌道中心
Ｏからの水平方向距離を表し、縦軸は図１の電磁石に要
求される所望磁場強度との差を所望磁場強度で規格化し
た相対値で表したものである。
【００２６】ここで、所望磁場強度とは図４に示すよう
な磁場分布である。即ち、所望磁場強度は、ビーム軌道
中心Ｏからの水平方向距離が大きくなるに伴い単調減少
する。図４で、実線，点線、及び一点鎖線は、ビーム軌
道中心Ｏにおける磁場強度（以下、中心磁場強度とい
う）が、０.８Ｔ，１.１Ｔ、及び１.２Ｔ の場合をそれ
ぞれ示す。
【００２７】図２及び図３の場合、例えば、横軸の＋５
０mmは図１でビーム軌道中心Ｏよりも右側に５０mm離れ
た位置に対応し、縦軸の＋０.０５％ は所望磁場強度に
対して０.０５％ 強い磁場強度が発生することに対応し
ている。
【００２８】磁極内に空間がない場合、図３に示すよう
に、中心磁場強度Ｂ０が０.８Ｔ までは、水平方向距離
が−５０mm〜＋５５mmの範囲で、所望磁場との差が約±
0.02％以下を達成できている。即ち、好ましい磁場領域
は、水平方向距離が−５０mm〜＋５５mmの範囲の領域と
なる。以下、好ましい磁場領域の右端及び左端のうち、
ビーム軌道中心からの距離が短い方で規定される領域を
有効磁場領域と呼ぶ。例えば、上記例の場合、好ましい
磁場領域の上限は＋５５mm、下限は−５０mmであるの
で、ビーム軌道中心からの距離が短い方は−５０mmとな
る。この場合、水平方向距離が±５０mmの領域を有効磁
場領域と呼ぶ。ビームはビーム軌道中心を中心として振
動しながら周回するので、有効磁場領域がビームの軌道
を変えるために利用できる磁場領域となる。以下、有効
磁場領域をＬｅで表す。
【００２９】図３の場合、Ｂ０＝０.８ＴでＬｅは約±
５０mm、Ｂ０＝１.１ＴでＬｅは約±１０mm、Ｂ０＝１.
２ＴでＬｅは約±５mmとなる。即ち、中心磁場強度が0.
8Ｔから１.１Ｔの間で、有効磁場領域は急激に減少す
る。
【００３０】これに比べて、本実施例の場合、図２に示
すように、中心磁場強度が1.35Ｔまで約±５５mmのＬｅ
を達成できている。即ち、中心磁場強度にして１.３５
Ｔ という非常に強い磁場強度まで、約±５５mmという
広い有効磁場領域を実現できている。
【００３１】このように強い磁場強度まで広い有効磁場
領域を維持できるのは、以下の理由による。本実施例の
電磁石の場合、図４に示したように、磁極間の左側は磁
場強度が強く、磁極間の右側ほど磁場強度が弱くなる。
即ち、磁極内の右側領域ほど磁束密度が低くなる。
【００３２】従って、中心磁場強度が強くなると、磁極
内の左側領域は磁気飽和を起こすが、磁極内の右側領域
は磁束密度が低いために磁気飽和の影響がない。即ち、
磁極内の左右で磁束密度のバランスが大きく崩れるた
め、有効磁場領域が大きく減少する。これは、磁気飽和
の非線形性に起因している。
【００３３】しかし、図１のように、主に磁極内の右側
領域に複数の空間を設けると、右側領域の磁束は、磁気
抵抗が大きい空間を避けて、空間の周りの磁極内の比透
磁率が大きな領域を通過する。この結果、主に磁極内の
右側領域の磁束密度が増加し、右側の磁極にも磁気飽和
の影響が現れる。即ち、磁極内の左右における磁束密度
のバランスの崩れ（磁気飽和の非線形性の影響）を小さ
くすることが可能となる。従って、図２のように、強い
磁場強度まで広い有効磁場領域を実現できる。本実施例
では、従来の磁極の突起が不要となるため、磁極構造を
単純にできる。また、磁極に設ける空間は高い加工精度
を必要としないので、製造コストも安くできる。
【００３４】以上のように、本実施例は、磁極内の磁束
密度が相対的に低い領域に空間を設けることにより、こ
の領域の磁束密度を増加させて磁極全体に磁気飽和効果
を持たせ、所定の有効磁場領域を実現する例である。
尚、本実施例において、隣接する空間の間隔を右側ほど
狭くしたことにより、右側領域の磁束密度の増加はより
効果的になっている。
【００３５】（第２実施例）次に、本発明による電磁石
の第２実施例を図５を用いて説明する。図５は、本発明
を適用した偏向電磁石の縦断面図である。本電磁石も周
回する荷電粒子ビームの軌道上に設けることを想定して
いる。
【００３６】本電磁石は、荷電粒子ビームの軌道を挟む
ように対向して配置される一対の磁極１ａ及び１ｂ，磁
極１ａと１ｂを接続して磁路を形成するリターンヨーク
３，励磁コイル４及び５などから構成される。磁極１ａ
及び１ｂの内部には、それぞれ２つの空間２ａ及び２ｂ
が、磁極表面に近い領域に水平方向（図５の横方向）に
並べて設けてある。空間２ａ及び２ｂの水平方向位置
は、ビーム軌道中心Ｏを挟んで、それぞれ約−４０mm及
び約＋４０mmである。
【００３７】磁極１ａと磁極１ｂの対向する表面は、第
１実施例と同様に、互いに異なる磁極（Ｎ極又はＳ極）
となるように構成されている。本電磁石の軌道水平面に
対する上下対称構造、磁芯の上下分割構造及び積層鋼板
構造は、第１実施例と同じである。
【００３８】空間２ａ及び２ｂの内部は空気層で、磁極
材料よりも比透磁率の低い領域を形成している。空間２
ａ及び２ｂはほぼ同じ形状をしており、縦断面がほぼ四
角形またはレーストラック形状で図５の紙面に垂直な方
向に長く伸びたスリット状の形状をしている。
【００３９】第２実施例による磁場分布の改善効果を、
図６及び図７を用いて説明する。図６は第２実施例によ
る磁場分布の解析例を、図７は図５で空間がない第２比
較例における磁場分布の解析例をそれぞれ示す。両図と
も、横軸は図５で軌道水平面上におけるビーム軌道中心
Ｏからの水平方向距離を表し、縦軸は図５の電磁石に要
求される所望磁場強度との差を所望磁場強度で規格化し
た相対値で表したものである。本実施例の所望磁場は、
水平方向に一様な磁場分布である。図６及び図７で、実
線，破線及び一点鎖線は、中心磁場強度が０.２７Ｔ，
１.３３Ｔ及び１.８２Ｔの場合をそれぞれ示す。
【００４０】図７の場合、中心磁場強度Ｂ０＝０.２７
Ｔで有効磁場領域Ｌｅは約±６０mm,Ｂ０＝１.３３Ｔで
Ｌｅは約±５０mm、Ｂ０＝１.８２ＴでＬｅは約±１０m
mとなる。即ち、中心磁場強度が１.３３Ｔから１.８２
Ｔの間で、有効磁場領域は急激に小さくなる。
【００４１】これに比べて、本実施例の場合、図６に示
すように、中心磁場強度が1.82Ｔまで約±５５mmのＬｅ
を達成できている。即ち、中心磁場強度にして１.８２
Ｔ という非常に強い磁場強度まで、水平方向距離にし
て約±５５mmという広い有効磁場領域を実現できてい
る。
【００４２】これは以下の理由による。図５の場合、磁
極内の磁束密度は左右の端部領域で高く、中央領域で低
い。図５のように、磁極中央に比べて磁束密度が比較的
高い領域に２つの空間を設けると、空間より内側の領域
の磁束密度が高くなる。この結果、磁極内部でほぼ一様
な磁束密度となる。従って、図６のように、強い磁場強
度まで広い有効磁場領域、即ちほぼ均一な磁場領域を実
現できる。
【００４３】本実施例でも、第１実施例と同じ理由で、
磁極構造を単純にでき、製造コストを安くできる。更
に、本実施例では、積層する電磁鋼板の打ち抜き型をよ
り単純化できるので、これも電磁石のコスト低減に寄与
する。
【００４４】以上のように、本実施例は、磁極内の磁束
密度が相対的に高い領域に空間を設けることにより、空
間を設けた領域の周辺領域の磁束密度を増加させて、所
定の有効磁場領域を実現する例である。
【００４５】尚、上記の各実施例において、磁極構造が
多少複雑になることを許容できる場合には、磁極端部に
従来のような突起を設けても良い。この場合、磁場強度
の増大に対する広い有効磁場領域の確保がより効果的と
なる。
【００４６】（第３実施例）次に、本発明による電磁石
の第３実施例を図８を用いて説明する。図８は、本発明
を適用した四極電磁石の縦断面図である。本電磁石も周
回する荷電粒子ビームの軌道上に設けることを想定して
いる。
【００４７】本電磁石は、荷電粒子ビームのビーム軌道
中心Ｏに対して点対称に配置される二対の磁極１ａ及び
１ｂ、隣り合う磁極同士を接続して磁路を形成するリタ
ーンヨーク３，励磁コイル４及び５などから構成され
る。磁極１ａ及び１ｂの内部には、それぞれ２つの空間
２ａ及び２ｂが、磁極表面に近い領域で磁極中央の周辺
部に設けてある。
【００４８】リターンヨーク３は、軌道水平面上で上下
に分割され、さらにビーム軌道中心Ｏを含む垂直平面
（以下、軌道垂直平面という）に対して左右に分割され
ている。このように４分割された各リターンヨークと各
磁極がそれぞれ一体構造をなし、図８のように４つの磁
芯を構成している。各磁芯は、それぞれ薄板状の鋼板を
積層して構成され、軌道水平面上及び軌道垂直平面上で
組み合わされている。
【００４９】磁極１ａの表面と磁極１ｂの表面は、互い
に異なる磁極（Ｎ極又はＳ極）となるように構成されて
いる。例えば、磁極１ａの表面がＮ極のときに磁極１ｂ
の表面がＳ極となるように、励磁コイル４と５に流す電
流方向を調整する。こうしてＮ極とＳ極が交互に配置さ
れることにより、ビーム軌道上に四極磁場が形成され
る。
【００５０】空間２ａ及び２ｂの内部は空気層で、磁極
材料よりも比透磁率の低い領域を形成している。空間２
ａ及び２ｂは形状が同じで、縦断面がほぼ円形で図８の
紙面に垂直な方向に長く伸びた円柱状の形状をしてい
る。
【００５１】本実施例の場合、隣り合う磁極の間隔は磁
極の端部の方が狭いので、磁極間の磁場強度は磁極端部
に近いほど強くなる。即ち、磁極内の磁束密度は端部領
域で高くなる。図８のように、磁極中央に比べて磁束密
度が比較的高い領域に空間を設けると、この空間を通過
していた磁束は、主に空間より内側の磁気抵抗の低い磁
極内の中央領域を通過する。この結果、空間より内側の
中央領域の磁束密度が増加する。
【００５２】従って、本実施例でも、第１実施例と同様
に、強い磁場強度まで広い有効磁場領域を実現できる。
但し、本実施例の場合、電磁石が発生する四極磁極成分
は磁場勾配により規定される。また、第１実施例と同じ
理由で、磁極構造を単純にでき、製造コストも安くでき
る。
【００５３】以上のように、本実施例は、磁極内の磁束
密度が相対的に高い領域に空間を設けることにより、空
間を設けた領域の周辺領域の磁束密度を増加させて、所
定の有効磁場領域を実現する例である。
【００５４】尚、以上の各実施例では、磁極内の磁束密
度が相対的に高い領域又は相対的に低い領域の何れかに
空間を設けたが、両方の領域に適切に空間を設けても同
様な効果が得られる。更に、磁極内の領域のうち磁極表
面に近い領域に空間を設けることが効果的であり、２つ
以上の複数の空間を適切に配置することが効果的であ
る。
【００５５】また、積層した電磁鋼板の替わりに鉄ブロ
ックを磁極に用いても同様な効果が得られる。空間の替
わりに磁極を構成する鉄系材料よりも比透磁率の低いも
のを充填した領域を設けても良い。
【００５６】以上の考え方は、六極以上の多極磁場を発
生する電磁石についても適用可能である。
【００５７】（第４実施例）次に、本発明による電磁石
を用いた医療用加速器システムの第４実施例を図９を用
いて説明する。図９は、本医療用加速器システムの概略
構成図である。本医療用加速器システムは、前段加速器
１０，低エネルギービーム輸送系２０，シンクロトロン
３０，高エネルギービーム輸送系４０，ビーム照射装置
５０、これらの装置に電力を供給する電源（図示せ
ず）、これらの装置の個々の制御及び連携制御を行う制
御装置（図示せず）などから構成される。
【００５８】低エネルギービーム輸送系２０は、前段加
速器１０から出射された低エネルギーのビームをシンク
ロトロン３０に入射させる。シンクロトロン３０は、入
射された低エネルギーのビームを高エネルギーのビーム
に加速する。高エネルギービーム輸送系４０は、シンク
ロトロン３０から出射された高エネルギービームをビー
ム照射装置５０に輸送する。ビーム照射装置５０は、照
射室（図示せず）内で患者６０の患部に高エネルギービ
ームを照射する。
【００５９】低エネルギービーム輸送系２０は、四極電
磁石２１及び２２，偏向電磁石２３などから構成され
る。四極電磁石は、例えば、２１がビームを水平方向に
収束させる磁場を発生し、２２がビームを垂直方向に収
束させる磁場を発生する。偏向電磁石２３は、水平面内
においてビームを偏向する。
【００６０】シンクロトロン３０は、入射器３１，四極
電磁石３２及び３３，偏向電磁石３４，六極電磁石３
５，高周波加速空胴３６，出射器３７などから構成され
る。入射器３１は、四極電磁石２２から出射された低エ
ネルギーのビームをシンクロトロン３０に入射する。四
極電磁石は、例えば、３２がビームを水平方向に収束さ
せる磁場を発生し、３３がビームを垂直方向に収束させ
る磁場を発生する。偏向電磁石３４は、水平面（周回す
るビームの軌道水平面）内においてビームを偏向する。
【００６１】高周波加速空胴３６は、周回するビームに
高周波電磁場を印加してビームを加速する。出射器３７
は、高周波加速空胴３６で加速されたビームをシンクロ
トロン３０から出射する。この際、六極電磁石３５から
周回するビームに六極磁場を印加してビーム出射を支援
する。
【００６２】高エネルギービーム輸送系４０は、四極電
磁石４１及び４２，偏向電磁石４３などから構成され
る。四極電磁石は、例えば、４１がビームを水平方向に
収束させる磁場を発生し、４２がビームを垂直方向に収
束させる磁場を発生する。偏向電磁石４３は、水平面内
においてビームを偏向する。
【００６３】本実施例では、低エネルギービーム輸送系
２０の電磁石には従来の電磁石（磁極内に空間が無い電
磁石）を用い、シンクロトロン３０及び高エネルギービ
ーム輸送系４０の電磁石には本発明の電磁石（磁極内に
空間がある電磁石）を用いる。
【００６４】即ち、シンクロトロン３０の四極電磁石３
２及び３３，偏向電磁石３４，六極電磁石３５、並びに
高エネルギービーム輸送系４０の四極電磁石４１及び４
２，偏向電磁石４３に本発明の電磁石を用いる。例え
ば、偏向電磁石として図５の電磁石を、四極電磁石とし
て図８の電磁石を用いることができる。
【００６５】本実施例の場合、前段加速器１０から出射
されるビームのエネルギーは低く殆ど一定であるため、
低エネルギービーム輸送系２０に本発明の電磁石を使用
する必要はない。一方、シンクロトロン３０では、入射
したビームを照射治療に必要なエネルギーまで加速する
ため、広範囲な中心磁場強度が必要となるので、本発明
の電磁石を使用する。更に、高エネルギービーム輸送系
４０では、シンクロトロン３０から出射されるビームの
エネルギー範囲が広い場合、即ちシンクロトロンから出
射されるビームのエネルギーが短時間、運転パルス毎に
変化する場合にも対応できるように、本発明の電磁石を
用いる。
【００６６】本実施例によれば、シンクロトロン３０及
び高エネルギービーム輸送系４０の電磁石に本発明の電
磁石を用いることにより、必要な最大ビームエネルギー
が従来と同じ場合、電磁石を従来よりも小さくでき、シ
ンクロトロン３０及び高エネルギービーム輸送系４０を
小型にできる。即ち、医療用加速器システムの小型化が
図れる。
【００６７】また、シンクロトロン３０及び高エネルギ
ービーム輸送系４０の電磁石の大きさが従来と同じ場
合、即ちシンクロトロン３０及び高エネルギービーム輸
送系４０の大きさが従来と同じ場合、電磁石で発生可能
な最大磁場強度が従来よりも大きくなるので、照射治療
用に得られる最大ビームエネルギーを高くすることがで
きる。
【００６８】尚、本実施例では、シンクロトロン３０及
び高エネルギービーム輸送系４０の両方の電磁石に本発
明の電磁石を用いたが、３０又は４０の何れかのみに本
発明の電磁石を用いたり、偏向電磁石又は四極電磁石の
何れかのみに本発明の電磁石を用いた場合でも、従来に
比べれば上記の効果が得られる。
【００６９】また、本実施例のように、シンクロトロン
から取り出したビームを直接利用する医療用加速器に限
らず、一般の物理実験用加速器や工業用加速器などに本
発明の電磁石を適用しても、同様の効果が得られる。更
に、本発明の電磁石は、偏向電磁石，四極電磁石，六極
電磁石に限らず、八極電磁石，ステアリング電磁石など
の各種電磁石にも適用できる。
【００７０】（実施例５） 次に、本発明による磁場発生装置の実施例であるＭＲＩ
(Magnetic ResonanceImager）について説明する。 ま
ず、従来のＭＲＩについて説明する。最近、フレキシビ
リティのある永久磁石を用いたオープン型ＭＲＩ等の磁
場を用いた医療用診断機器が注目を集めており、空隙間
に高磁場でかつ一様性の良い磁場を発生させる方法が検
討されている。 永久磁石を用いた磁場発生装置におい
て、高磁場でかつ一様性の良い磁場を発生させるための
従来技術としては、特開平5−243037 号公報に、対向し
て配置され、かつ端部に磁極シムが設けられたポールピ
ースと、永久磁石とを用いた磁場発生装置が記載されて
いる。また、この磁場発生装置ではポールピースの中心
部が上下に移動することも記載されている。この磁場発
生装置における上部磁極部の横断面図を図１２に示す。
図１２において、１０１は永久磁石、１０３はヨーク、
１０８は永久磁石固定用ボルト、１２１及び１２２はポ
ールピースである。 この従来技術では、ポールピースに
突起を設けるため、ポールピースの構造が複雑になる。
また、ポールピース間の磁場分布は突起の形状に大きく
影響されるため、ポールピースには高い加工精度が要求
される。更に、ポールピースを分割して移動機構を設け
ているため、機械的摺動部に大きな機械力と高い信頼
性，再現性が要求される。これらの要求に伴い、製造コ
ストが高くなる。 一方、ポールピースに突起を設けない
場合には、磁気飽和の影響で最大磁場強度が制限される
ため、磁場発生装置が大型化してしまう。 本実施例で
は、以上のような従来技術の問題を解決し、単純な構造
で、高磁場でかつ一様性の良い磁場を確保できる磁場発
生装置を提供する。 本実施例の磁場発生装置を用いたＭ
ＲＩを図１０及び図１１を用いて説明する。図１０はＭ
ＲＩの概略構成図であり、図１０(ａ）は縦断面図、図
１０(ｂ）は横断面図を示す。ＭＲＩは、空隙を形成し
て対向する一対の永久磁石１０１，永久磁石１０１の空
隙側に設けられた一対のポールピース１２０，永久磁石
１０１およびポールピース１２０を磁気的に結合するヨ
ーク１０３および支柱１０４、永久磁石１０１を固定す
るための永久磁石固定用ボルト１０８、及び４本の支柱
１０４の上部に前述の空隙の長さを調整するために設け
られた調整用ボルト105からなる。なお、ポールピース
１２０は空間１２３を有する。また、ヨーク103および
支柱１０４は磁性体である。
【００７１】更に、図１１を用いてＭＲＩの上部磁極部
について説明する。図に示すように、上部磁極部は、永
久磁石１０１，ポールピース１２０，ヨーク１０３、及
び永久磁石固定用ボルト１０８からなる。
【００７２】図１１において、永久磁石１０１の発生す
る磁場は、ポールピース１２０及びヨーク１０３に全て
吸い込まれ、結果的にはポールピース１２０から空隙に
磁場が発生する。本実施例では、磁場集中を避けるため
に、ポールピース１２０の端部を図１１に示すように斜
めにカットしている。このように端部をカットした場
合、一般にはこの端部からの磁束の漏洩が大きくなるた
め、均一な磁場領域が狭くなる。しかしながら本実施例
では、ポールピース内に空間１２３を設けているため
に、磁場が空間を避けて通るように分布し、その結果、
カットを施した端部領域に中心領域の磁束が流れる。よ
って、端部領域の磁束の漏洩が補償され、均一な磁場領
域が広げられる。なお、本実施例で得られる効果は、図
５に示される実施例の効果と同様である。
【００７３】また、漏れ磁場は永久磁石の磁場強度を強
くするほど大きくなるため、空間１２３の位置を使用す
る最大磁場強度に合わせて変えることで磁束分布を制御
することができる。従って、ポールピース１２０で一様
に磁気飽和を起こさせること、及び磁気強度によらず均
一な磁場領域を生成することができる。
【００７４】以上説明したように本実施例によれば、均
一な磁場領域が広範囲で得られるため、上部磁極部を小
型化することができる。従って、ＭＲＩも小型化するこ
とができる。
【００７５】
【発明の効果】本発明によれば、単純な構造で、高磁場
でかつ一様性の良い磁場を確保できる。
【００７６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電磁石の第１実施例の縦断面図。
【図２】第１実施例による磁場分布の解析例を示す図。
【図３】第１比較例による磁場分布の解析例を示す図。
【図４】第１実施例の所望磁場強度を示す図。
【図５】本発明による電磁石の第２実施例の縦断面図。
【図６】第２実施例による磁場分布の解析例を示す図。
【図７】第２比較例による磁場分布の解析例を示す図。
【図８】本発明による電磁石の第３実施例の縦断面図。
【図９】本発明による電磁石を用いた医療用加速器シス
テムの第４実施例の概略構成図。
【図１０】本発明による磁場発生装置の第５実施例の縦
断面図及び横断面図。
【図１１】第５実施例の上部磁極部の横断面図。
【図１２】従来の磁場発生装置における上部磁極部の横
断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…磁極、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２
ｆ，２ｇ…空間、３…リターンヨーク、４，５…励磁コ
イル、１０…前段加速器、２０…低エネルギービーム輸
送系、２１，２２，３２，３３，４１，４２…四極電磁
石、２３，３４，４３…偏向電磁石、３０…シンクロト
ロン、３１…入射器、３５…六極電磁石、３６…高周波
加速空胴、３７…出射器、４０…高エネルギービーム輸
送系、５０…照射装置、６０…患者、１０１…永久磁
石、１０３…ヨーク、１０４…支柱、１０５…調整用ボ
ルト、１０８…永久磁石固定用ボルト、１２０…ポール
ピース。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平本 和夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 梅沢 真澄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 岩下 芳久 京都府宇治市兎道東隼上り５丁目79番地 (56)参考文献 実開 平３−82600（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−74800（ＪＰ，Ｕ) Ｙ．Ｏｋｕｍａ ｅｔ ａｌ．，”Ｍ ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ａｎ ａｌｙｓｅｓ ｏｆ Ｉｎｈｏｍｏｇｅ ｎｅｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉ ｃ Ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ａ Ｓｅｃｔ ｏｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅ ｔ”，ＲＣＮＰ−Ｔ−４，Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌ ｅａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ（1977) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 13/04 H01F 7/02 H01F 7/20

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁極及び磁極につながるリターンヨークを
    有する鋼板を複数枚積層して構成される磁芯を備えた電
    磁石において、 前記鋼板は、前記磁極部分に空気層を形成する穴を有す
    ることを特徴とする電磁石。
  2. 【請求項２】磁場を発生する電磁石と、荷電粒子ビーム
    を加速する高周波加速空胴と、荷電粒子ビームを出射す
    る出射器とを備えた加速器において、 前記電磁石は、磁極及び磁極につながるリターンヨーク
    を有する鋼板を複数枚積層して構成される磁芯を備え、
    前記鋼板は、前記磁極部分に空気層を形成する穴を有す
    ることを特徴とする加速器。
  3. 【請求項３】荷電粒子ビームを加速し、加速した荷電粒
    子ビームを出射する加速器と、前記加速器から出射され
    た荷電粒子ビームを電磁石を用いて照射装置に輸送する
    ビーム輸送系とを備えた加速器システムにおいて、 前記電磁石は、磁極及び磁極につながるリターンヨーク
    を有する鋼板を複数枚積層して構成される磁芯を備え、
    前記鋼板は、前記磁極部分に空気層を形成する穴を有す
    ることを特徴とする加速器システム。
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