JP3620784B2 - 高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子を加速する加速器に用いられる高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、加速器は原子核物理学の研究のみならず、医療、材料科学、生命科学などの先端技術開発に広く用いられるようになってきている。シンクロトロンでは、イオンを加速するために高周波電圧を発生させる高周波加速空胴が必要となる。通常、空胴共振器内に磁性体を用いた周波数帯域が数ＭＨｚの加速空胴が採用されており、特に、大強度陽子加速器に用いられる加速空胴には高い加速電圧が必要とされている。
【０００３】
磁性体を装荷した高周波加速空胴は図５に示すように、円筒状の真空ダクト１の中央に加速間隙２を有し、真空ダクト１の周囲に磁心３ｂと磁心３ｃが対向して装荷されており、真空ダクト１と外側カバー５で同軸伝送線路が構成されている。高周波電源４により給電することにより、磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパシタンスとの共振により高周波電圧が加速間隙に発生し、イオンビームはこの高周波電圧により加速される。
更に、イオンビームの加速エネルギーの増加に伴って周回速度が上がるため、加速空胴の共振周波数を時間と共に上げる必要があり、通常、バイアス電源６を設置しており、磁心に巻線を施すことにより、バイアス電流が作る外部磁界で磁心の透磁率を制御することで対応している。
【０００４】
従来、加速空胴用磁心にはＮｉ−Ｚｎフェライトが用いられてきた。また、最近では特開平６−３３３７１７号および特許番号第２８５６１３０号に開示の粒径５０ｎｍ以下の微細なナノ結晶粒が組織の少なくとも５０％を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いた磁心を加速空胴として適用することが提案されている。これらの技術については、吉井：”高周波加速空胴”、高エネルギー加速器セミナー、ＯＨＯ９６（１９９６）などに記載されている。
【０００５】
加速空胴用磁心の性能は、動作周波数ｆにおける磁心の複素透磁率の実数部μ’およびＱ値を用いたμ’Ｑｆ値にて評価され、この値が高い磁心を使用することにより、損失が小さく、高効率で動作する優れた加速空胴が得られる。なお、Ｑ値は複素透磁率の実数部μ’と虚数部μ”の比μ’／μ”で定義され、この値が大きいほど優れた磁心であることを意味する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎｉ−Ｚｎフェライト磁心を用いた加速空胴は、飽和磁束密度、キュリー温度が低いため加速間隙の高電圧化が困難であった。加速電圧を高くするために高電力を投入するとフェライトの発熱により磁気飽和が起こるためμ’Ｑｆ値が著しく低下し、加速空胴の動作が不安定になる問題があった。また、上記ナノ結晶軟磁性合金を用いた場合は、加速空胴が動作するＭＨｚ帯域におけるＱ値が小さいためμ’Ｑｆ値が低くなり、加速空胴として損失が大きく充分な性能が得られない問題があった。
【０００７】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、μ’Ｑｆ値が大きい高性能な高周波加速空胴用磁心およびこれを用いた高周波加速空胴を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ナノ結晶軟磁性合金薄帯の特性を高周波加速空胴として利用することを鋭意検討した。その結果、モールド磁心として形成すると共に、ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さを 10 〜 30 μ m とし、かつ、磁路の少なくとも一部に空隙を有するようにすれば、優れた特性を得ることができることを見出し、本発明に到達した。即ち、本発明は、平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回したモールド磁心であって、前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さが 10 〜 30 μ m であり、かつ、当該モールド磁心の磁路の少なくとも一部に空隙を有することを特徴とする高周波加速空胴用磁心である。そして、上述した加速空胴用磁心を直列に複数個配置したスタックコアを、高電圧ギャップを介して対向設置することで、優れた高周波加速空胴を提供することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の加速空胴に使用する磁心の形状の一例を図１に示す。
この図は、ナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回した磁心３ａに、磁路に空隙１０を設けたものである。
本発明において、空隙を設けるのは、空隙の形成により磁気共鳴が起こる周波数がより高周波側にシフトするので、ＭＨｚ帯域においてμ’を極力低下させずにＱ値を大きくすることが可能となるためである。これにより、結果としてのμ’Ｑｆ値が高くなり、高性能な加速空胴が実現できるものである。
もちろん、図２に示すように２カ所の空隙を用いたり、それ以上の空隙を形成しても良い。
なお、空隙の間隔や個数が大きくなるとＱ値は大きくなるが、基本的な磁気特性であるμ’が低下するため、必要に応じて調整する必要がある。
また、空隙にはエポキシ系樹脂などの電気絶縁材を挿入することができる。空隙を設けるための磁心の切断は、砥石、ワイヤー放電、ウォータージェット、レーザなどの加工方法により行うことができる。切断面はそのままの状態で使用することもできるが、バフ研磨あるいは化学研磨により切断面を平滑化することにより、渦電流損失をより一層低下させることができる。
【００１０】
磁心に平均粒径が１００ｎｍ以下のｂｃｃ−Ｆｅ固溶体結晶が組織の５０％以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いることにより飽和磁束密度、キュリー温度が共に高いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が容易に達成できる。
上述したように、空隙の形成は、μ’の低下に繋がるため、空隙のない場合のμ’ができるだけ大きい磁性材料が要求される。すなわち低磁歪で結晶磁気異方性が小さい高周波特性に優れる素材であることが必要である。
これらの条件を満たす磁性材料として本発明者は、上述したナノ結晶軟磁性合金薄帯を選択したのである。
【００１１】
本発明磁心のモールドは、磁路に空隙を設けるすなわち磁心を切断する場合に、層間絶縁が施された合金薄帯同士を固着させ、切断時薄帯の脱落を防止するために不可欠である。
モールド材としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、変性アルキルシリケートを主成分とするワニス、シリコーン系樹脂などを使用することができる。モールドは真空中あるいは減圧下で行うことが望ましい。これによりピンホールなどの欠陥を発生させずに均一にモールドできる。モールド後、磁心は室温あるいは１００〜２００℃に数時間保持して硬化させることができる。
【００１２】
本発明においては、層間絶縁膜を形成することが好ましい。層間絶縁膜を形成した場合の磁心の構造は、たとえば、模式図として
図３に示す断面構造を有するものである。図３において、磁心３ａは層間絶縁膜７を有するナノ結晶軟磁性合金薄帯８から構成され、周囲を樹脂９によりモールドしたものである。
ナノ結晶軟磁性合金薄帯の少なくとも一方の面に層間絶縁膜を形成させることにより渦電流損失を低減し、ＭＨｚ帯域におけるμ’の低下を抑制できる。層間絶縁膜の厚さは０．５〜５μｍが好ましく、より好ましくは１〜３μｍである。絶縁膜厚が０．５μｍ未満の場合は渦電流損失によるμ’の低下が著しくなり、逆に５μｍを超えると磁心に応力歪みが発生するためμ’が劣化し、加速空胴としての性能が低下する場合があるためである。
【００１３】
層間絶縁膜はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯなどが使用できる。この場合、金属アルコキシドを含有するアルコール溶液を合金薄帯に塗布、乾燥させることにより形成させる方法、粉末を浸漬法、スプレー法、電気泳動法により付着させる方法、スパッター法や蒸着法で成膜させる方法、熱処理により薄帯表面に形成させる方法などを適用して形成することができる。
磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さは、たとえば１０〜３０μｍ、好ましくは１５〜２５μｍである。厚さが１０μｍ未満の薄帯を製造することは難しく、一方、薄帯厚さが３０μｍを超えると、磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性能が劣化したり、薄帯の靭性が低下する場合があるためである。
【００１４】
また、磁心の占積率は、好ましくは６０〜８０％、さらに好ましくは６５〜７５％であり、この範囲で高性能な加速空胴用磁心が得られる。ここで、占積率とは見かけの磁心体積に対する磁性体のみが占める体積の空間的な比率で定義される。占積率が６０％未満の場合は空間が多すぎて磁心の製造自体が困難となり、占積率が８０％を超えると磁心の渦電流損失が増大し高周波加速空胴の性能が低下する場合があるためである。
【００１５】
本発明に係わる磁心を構成するナノ結晶磁性合金薄帯としては、Ｆｅを主体とし、Ｃｕ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素およびＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１種の元素を必須元素として含むものが適している。例えば、特公平４−４３９３号に開示のＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系の他、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｚｒ−Ｂ系、
Ｆｅ−Ｍｏ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｚｒ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｂ系などがあげられる。
【００１６】
次に、本発明の磁心の製造方法の一例について説明をしておく。
まず、上記した所定組成の合金溶湯から単ロール法などの液体急冷法により非晶質合金薄帯を作製する。この非晶質合金薄帯は結晶相を含んでも良いが、その後の熱処理によりナノ結晶粒を均一に生成させるためには非晶質単相であることが望ましい。
次に、上記した方法で層間絶縁を施した後、非晶質合金薄帯を巻き回して磁心を製造した後熱処理を行う。
【００１７】
熱処理は本発明に係わる平均粒径が１００ｎｍ以下のｂｃｃ−Ｆｅ固溶体結晶が組織の５０％以上を占めるナノ結晶組織を得るために必須である。
熱処理温度および時間は磁心の形状あるいは磁心を構成する合金薄帯の組成により異なるが、一般的には４５０〜７００℃で５分から２４時間程度であり、好ましくは５００〜６００℃で２０分から６時間である。熱処理温度が４５０℃未満であると結晶化が起こりにくく、熱処理に時間がかかり過ぎ、７００℃を超えると粗大な結晶粒が不均一に生成する恐れがあり、ナノ結晶粒を均一に得ることができなくなるからである。
【００１８】
熱処理時間については、５分未満では磁心全体を均一な温度とすることが困難でありμ’がばらつきやすく、２４時間より長いと生産性が悪くばかりでなく、結晶粒の過剰な成長や不均一な形態の結晶粒の生成により磁気特性の劣化が起きやすくなる。熱処理雰囲気は真空中、窒素、アルゴン、水素などの不活性ガス雰囲気中、還元性ガス雰囲気中が望ましいが、大気中などの酸化性雰囲気でも良い。冷却は空冷、炉冷など適宜選択できる。
【００１９】
熱処理は直流あるいは交流などの磁場中で行うこともできる。磁場中熱処理により磁心に磁気異方性を付与して磁気特性の向上を図ることができる。磁場は熱処理の全期間印加する必要はなく、合金薄帯のキュリー温度より低い温度に保持されている期間中であれば良い。また、印加する磁場の強さは磁心が磁気飽和する程度で良く、一般的には１０００Ａ／ｍ以上が望ましい。
【００２０】
熱処理した磁心を上記のように樹脂によってモールドした後、磁心の一部を切断することにより空隙を設ける。最後に、空隙部分にスペーサを挿入し、非磁性金属のバンドで磁心外周を固定する。特に、外径が５００ｍｍを超えるような大型磁心の場合は、図４に示すように自重による変形を防止するために、磁心の内側に非磁性金属や絶縁物などで内芯１１を配し、非磁性金属のバンド１２で磁心外周を固定すると共に、非磁性金属や絶縁物などの支持板１３にて補強する方法を取ることが望ましい。非磁性金属としてはステンレス鋼、真鍮、アルミニウムなど、絶縁材としてはエポキシ系樹脂、フェノール樹系樹脂、繊維強化プラスチック、セラミックスなどをあげることができる。
また、磁心の発熱を防止するために熱伝導率の高い材質、例えばＣｕ製パイプを磁心周囲に配置し、パイプ内部に冷却水を循環させて磁心を冷却することができる。
【００２１】
本発明における高周波加速空胴は、たとえば上述した図５に示す加速空胴として使用することができる。
図５に示す加速空胴は、上述した本発明の加速空胴用磁心３ａを直列に複数個配置したスタックコアを、図５に示す磁心３ｂとし、加速間隙２を介して同様のスタックコアで形成した磁心３ｃを対向設置すれば良い。
本発明の加速空胴で使用する磁心３ｂあるいは磁心３ｃを構成する本発明の加速空胴用磁心３ａのスタック数は、磁心に要求される有効断面積を確保するために適宜選択できる。
【００２２】
高周波電源４により給電することにより、磁心のインダクタンスと加速間隙のキャパシタンスとの共振により高周波電圧が加速間隙に発生し、イオンビームはこの高周波電圧により加速することができる。
もちろん、従来の高周波加速空胴と同様に、イオンビームの加速エネルギーの増加に伴って周回速度が上がるため、加速空胴の共振周波数を時間と共に上げる制御することが好ましく、バイアス電源６を設置し、磁心に巻線を施すことにより、バイアス電流が作る外部磁界で磁心の透磁率を制御することで対応することもできる。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
単ロール法により幅２５ｍｍ、厚み１８μｍのＦｅ_ｂａｌＣｕ_１Ｎｂ_３Ｓｉ_１６Ｂ_７（ａｔ％）合金薄帯を作製し、この合金薄帯の両面に２μｍ厚さのＳｉＯ_２の層間絶縁膜を塗布、乾燥しながら巻き回し外径９００ｍｍ、内径３００ｍｍ、高さ２５ｍｍのトロイダル磁心を得た。その後、窒素ガス雰囲気中で５５０℃、１時間、無磁場中で熱処理した。磁心の組織は８０％が平均粒径２０ｎｍの微細なナノ結晶粒であった。次に、この磁心を減圧下でエポキシ樹脂にてモールド固化後、ウォータージェット加工にて磁路の一部を切断して図２に示すように磁心３ａの磁路に各々２ｍｍの空隙１０を設けた。
また、比較例として、磁路には空隙を設けない磁心を同様に得た。表１にＬＣＲメータにより周波数０．５〜１０ＭＨｚにおいて測定した磁心のＱ値およびμ’Ｑｆ値を示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１から分かるように、本発明例は比較例に比べＱ値が著しく向上する。その結果、高いμ’Ｑｆ値を示すことから、高効率で動作する優れた高周波加速空胴が得られる。
また、本発明の高周波加速空胴用磁心は、飽和磁束密度が１．２４Ｔであり、キュリー温度が５７０℃と高いため、高周波加速空胴の加速間隙の高電圧化が可能である。
【００２６】
（実施例２）
単ロール法により幅２５ｍｍ、厚み１５μｍのＦｅ_ｂａｌＣｕ_１．５Ｎｂ_３．５Ｚｒ_２．９Ｓｉ_０．３Ｂ_６．４（ａｔ％）合金薄帯を作製し、この合金薄帯の両面にＭｇＯの層間絶縁膜を塗布しながら巻き回し外径９５０ｍｍ、内径２６０ｍｍ、高さ２５ｍｍのトロイダル磁心を得た。なお、磁心としては層間絶縁膜の厚さを０から７μｍまで変えたものを作製した。その後、真空中で６００℃、１時間、無磁場中で熱処理した。磁心の組織は９０％が平均粒径１５ｎｍの微細なナノ結晶粒であった。
次に、この磁心を真空中でエポキシ樹脂にてモールド固化後、炭酸ガスレーザーにて磁心の一部を切断して図１に示すように磁路に２ｍｍの空隙１０を設けた。表２に層間絶縁膜厚を変えて作製した磁心の周波数１ＭＨｚにおける複素透磁率の実数部μ’を示す。この表から分かるように、０．５〜５μｍ厚さの層間絶縁膜を有する磁心が高いμ’を示し、加速空胴用磁心として特に優れている。
【００２７】
【表２】

【００２８】
（実施例３）
単ロール法により幅２５ｍｍのＦｅ_ｂａｌＮｂ_７．４Ｂ_８．４（ａｔ％）合金薄帯を厚さを８から３５μｍまで変えて作製し、この合金薄帯の片面に１．８μｍ厚さのＳｉＯ_２層間絶縁膜を塗布しながら巻き回し外径５５０ｍｍ、内径３００ｍｍ、高さ５０ｍｍのトロイダル磁心を得た。その後、水素ガス雰囲気中で６５０℃、１時間、無磁場中で熱処理した。磁心の組織は９５％が平均粒径１２ｎｍの微細なナノ結晶粒であった。次に、この磁心を真空中で無機ワニスでモールド固化後、ワイヤー放電加工にて磁心の一部を切断して図２に示すように磁心３ａの磁路に各々１ｍｍの空隙１０を設けた。表３に作製した磁心の周波数１ＭＨｚにおける複素透磁率の実数部μ’およびＱ値を示す。１０〜３０μｍ厚さのナノ結晶合金薄帯を用いた磁心が高いμ’およびＱ値を示し、加速空胴用磁心として特に優れていることが分かる。
【００２９】
【表３】

【００３０】
（実施例４）
単ロール法により幅２５ｍｍ、厚み２５μｍのＦｅ_ｂａｌＣｕ_１Ｎｂ_２Ｓｉ_７．５Ｂ_１２（ａｔ％）合金薄帯を作製し、この合金薄帯の両面に２μｍ厚さのＳｉＯ_２の層間絶縁膜を塗布、乾燥しながら巻き回し外径９３０ｍｍ、内径５２０ｍｍ、高さ２５ｍｍのトロイダル磁心を得た。なお、磁心作製の際、巻張力を変えながら５５から８５％の占積率を有する磁心を得た。その後、窒素ガス雰囲気中で５３０℃、１時間、磁心の高さ方向に１０００Ａ／ｍの磁場を印加しながら熱処理した。磁心の組織は８０％が平均粒径２５ｎｍの微細なナノ結晶粒であった。次に、この磁心を減圧下でエポキシ樹脂でモールド後、ウォータージェット加工にて磁心の一部を切断して図２に示すように磁心３ａの磁路に各々２ｍｍの空隙１０を設けた。表４に作製した磁心の周波数３ＭＨｚにおける複素透磁率の実数部μ’およびＱ値を示す。この表から分かるように、占積率が６０〜８０％の磁心が高いμ’およびＱ値を示し、優れた加速空胴用磁心である。
【００３１】
【表４】

【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、高い加速間隙電圧で安定に動作する高性能な高周波加速空胴用磁心および高周波加速空胴を提供できるためその効果には著しいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の一例を示す図である。
【図２】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の別の例を示す図である。
【図３】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の断面構造の一例を示す図である。
【図４】本発明に係わる高周波加速空胴用磁心の構造の別の例を示す図である。
【図５】本発明に係わる高周波加速空胴の構成図である。
【符号の説明】
１ 真空ダクト、２ 加速空隙、３ａ，３ｂ，３ｃ 磁心、４ 高周波電源、５ 外側カバー、６ バイアス電源、７ 層間絶縁膜、８ ナノ結晶軟磁性合金薄帯、９樹脂、１０ 空隙、１１ 内芯、１２ 外周バンド、１３ 支持板

Claims (6)

1. 平均粒径が100nm以下のbcc-Fe固溶体結晶が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻き回したモールド磁心であって、前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さが 10 〜 30 μ m であり、かつ、当該モールド磁心の磁路の少なくとも一部に空隙を有することを特徴とする高周波加速空胴用磁心。
2. ナノ結晶軟磁性合金薄帯の少なくとも一方の面に層間絶縁膜を有することを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴用磁心。
3. 層間絶縁膜の厚さが0.5〜5μmであることを特徴とする請求項２に記載の高周波加速空胴用磁心。
4. 磁心の占積率が60〜80%であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の高周波加速空胴用磁心。
5. ナノ結晶軟磁性合金薄帯がFeを主体とし、Cu、Auから選ばれる少なくとも1種の元素およびTi、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる少なくとも1種の元素を必須元素として含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の高周波加速空胴用磁心。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の加速空胴用磁心を直列に複数個配置したスタックコアを、加速間隙を介して対向設置することを特徴とする高周波加速空胴。

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