JP3948511B2 - 電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、電磁石と永久磁石をビームの進行方向である縦方向に組み合わせた磁界発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高エネルギー物理学、原子核物理学、エネルギー科学、物質・材料科学、生命科学、医療利用研究等に利用可能な、シンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）等の円形荷電粒子加速器において、荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために必要な磁界を形成する、電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、円形荷電粒子加速器において荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために使用する磁界発生装置としては、電磁石を用いるのが大半であった。電磁石は従来型の主に銅コイルで励磁するもの（以下、通常電磁石と呼ぶ）と超伝導線のコイルで励磁するもの（以下、超伝導電磁石と呼ぶ）とに大別される。
【０００３】
通常電磁石は直流電磁石と交流電磁石に分類され、交流電磁石はさらに、繰返し周期が秒のオーダーの遅い繰返し電磁石と、繰返し周期が数十分の一秒の速い繰返し電磁石、そしてさらに高速のパルス電磁石に分類される。
【０００４】
一般的に電磁石の磁場強度は高い方が望ましいが、磁場強度は繰返しの周波数や磁場の上がり方（磁場が一定値に達するまでの速さを立ち上がり速度という）に依存しており、直流磁場の方が高く、繰返しや立ち上がり速度が高速になるにつれて磁場強度は低くなる。これは電磁石で一般的に使用する鉄の特性、特に鉄の比透磁率が繰返し周波数に依存するからである。
【０００５】
ところで加速器で一番使用されているシンクロトロン電磁石は通常電磁石である。これは鉄の比透磁率が高いことを利用して、ビームを加速する空隙（ギャップ）での磁場の分布を精度良く、しかもできるだけ高くするのに役立っている。
【０００６】
しかしながら、磁場強度を上げていくと、電磁石に使用する材料にも依存するが、鉄を使用した場合は、磁場強度は１テスラくらいから電流との比例関係ほどには上がらなくなる。これを飽和という。数秒の遅い繰返し周波数のシンクロトロン電磁石でも１．５テスラ程度でとどまり、速い繰返しにすると、１．５テスラより低くせざるを得なくなる。直流磁石の場合、磁場強度が３テスラまで上がる例があるが、それは特殊な例である。
【０００７】
一方、超伝導電磁石では、低磁場では永久電流と呼ばれる電流による空間分布のずれが問題となるが、電流を上げても損失が少ないので、大電流で容易に励磁することができる。そのため鉄を使う必要がなく飽和の問題は少ない。しかしながら、超伝導電磁石は通常電磁石と比べて繰返し周波数を高くとれないという欠点がある。
【０００８】
以上をまとめると通常電磁石は遅い繰返しの場合でも、１．５テスラを多少超えるぐらいが限度であり、超伝導電磁石では磁場強度はその数倍まで上げられるが、繰返し周波数を上げられないという欠点がある。
【０００９】
他方で、希土類永久磁石材料等を使った永久磁石は磁気回路を工夫すれば、通常の鉄芯入りの電磁石よりも大幅に高い磁場強度を得ることが可能であることが判ってきた（磁界発生装置（特願２００１−０８６０９８））が、永久磁石の磁場は特別の工夫をしない限り直流磁場なので、加速器への応用としては、ＦＦＡＧ加速器やサイクロトロン等を除いて応用の仕方に制約があった。
【００１０】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、円形荷電粒子加速器において、荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために必要な高強度の磁界を形成する、電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供することを課題としている。
【００１１】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず、第１には、円形荷電粒子加速器に用いる磁界発生装置であって、電磁石の鉄芯および鉄ヨークの少なくとも一方と永久磁石を、ビームの進行方法である縦方向に交互に配置し、それらを共通のコイルで励磁するようになし、各永久磁石が形成する磁界方向は、全て同一方向であり、かつ、電磁石が形成する磁界と平行となるようにしたことを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
【００１２】
第２には、上記第１の発明において、前記コイルが銅コイルであることを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
さらに、第３には、上記第１の発明において、前記コイルが超伝導コイルであることを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置は、通常電磁石の磁場強度をさらに上げることを目的としており、永久磁石を用いて磁場を可変にする方法として、電磁石と永久磁石を組み合わせて磁場の変動部分を銅コイルの鉄芯電磁石に、バイアス部分を永久磁石に機能分担させるハイブリッド磁石とする。なお、超伝導電磁石と永久磁石を組み合わせても良い。
【００１４】
この出願の発明の磁界発生装置の具体的構成としては、電磁石の鉄芯および鉄ヨークの少なくとも一方と永久磁石を、ビームの進行方向である縦方向に交互に配置し、これを共通のコイルで励磁するようになしており、共通のコイルとしては、銅コイルを用いても良いし、あるいは超伝導コイルを用いても良い。
【００１５】
この出願の発明と同様の課題と解決手段を有する発明では、発明者（熊田）が開発した「永久磁石組込型高磁場発生装置」（特願２００１−２１５８７４）があるが、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置は、上記の発明とは別の方法で解決しようというものである。
【００１６】
上記の発明（特願２００１−２１５８７４）およびこの出願の発明のいずれにおいても、発明者（熊田）等が開発した小型高磁場永久磁石と電磁石を組み合わせた磁気回路を用いる。
【００１７】
前者の方法では電磁石の内側に永久磁石を挿入するようにしたが、この出願の発明の方法では、永久磁石を、電磁石のビーム方向において外側、あるいは電磁石と電磁石の間に挿入するようにした。
【００１８】
なお、電磁石の内側はビームの進行方向に垂直な面内にあり、永久磁石を電磁石の内側に挿入した場合、これを「電磁石と永久磁石を横方向に組み合わせる」といい、電磁石のビーム方向における外側に永久磁石を置いた場合、これを「電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせる」という。
【００１９】
この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置では、電磁石と永久磁石とを横方向に配置する方式と比較して、電磁石の空隙（ギャップ）を小さくとれるという利点が得られる。
【００２０】
また、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を用いることで、通常のシンクロトロンでは１．５テスラ程度の最高磁場しか出せなかったものが、磁場強度が２テスラ以上の速い繰返しのシンクロトロンが得られる可能性が生まれ、シンクロトロン型加速器の小型化への可能性が出てくる。また、装置の軽量化が図れる可能性があるため、粒子線治療装置の回転ガントリーの構造設計が楽になるなどの利点も得られる。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
図１に通常電磁石の断面図を示す。銅コイル（１）、鉄芯（２）、鉄ヨーク（３）で構成される通常電磁石（４）であって、この断面図にビームの進行方向（縦方向）に交互に配置されるべき永久磁石（５）の外径を重ね合わせて示してある。
【００２３】
ここで永久磁石（５）には、図２に示すような異方永久磁石材料（６）および鉄芯（７）から成り、飽和磁極を用いた改良ハ−ルバッハ型磁界発生装置（熊田他 特願２００１−０８６０９８）を用い、その磁場強度は３テスラに設定してある。
【００２４】
図３に上記の改良ハールバッハ型磁界発生装置からなる３テスラ永久磁石（５）（縦方向の磁石長は０．６４ｍ）と１．８テスラ通常電磁石（４）（縦方向の磁石長は０．６４ｍ）をビームの進行方向（縦方向）にそれぞれ交互に配置し共通銅励磁コイル（８）で取り巻き、９０度の偏向磁石を構成したものを示す。この例では最大磁場（取出磁場）と最小磁場（入射磁場）の磁場強度の比が２：１で、最大平均磁場が２．５６テスラになるように設定してある。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、電磁石と高磁場永久磁石を縦方向に組み合わせることで平均最高磁場で２．５テスラを超える可変磁場の磁石を作ることができる。また、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を用いた場合、一例として完全電離の炭素イオンの７５ＭｅＶ入射、３００ＭｅＶ取出の直径８ｍ強の小型シンクロトロンや従来の医療用加速器のサイズを大幅に小さくできる可能性を有する磁界発生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例における通常電磁石を例示した断面図である。
【図２】この発明の実施例における改良ハールバッハ型永久磁石を例示した図である。
【図３】この発明の実施例における電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた９０度偏向磁石を示した図である。
【符号の説明】
１ 励磁コイル
２ 鉄芯
３ 鉄ヨーク
４ 通常電磁石
５ 永久磁石
６ 異方性永久磁石材料
７ 鉄芯
８ 共通銅励磁コイル
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、電磁石と永久磁石をビームの進行方向である縦方向に組み合わせた磁界発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高エネルギー物理学、原子核物理学、エネルギー科学、物質・材料科学、生命科学、医療利用研究等に利用可能な、シンクロトロン、サイクロトロン、貯蔵リング（ストレージリング）等の円形荷電粒子加速器において、荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために必要な磁界を形成する、電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、円形荷電粒子加速器において荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために使用する磁界発生装置としては、電磁石を用いるのが大半であった。電磁石は従来型の主に銅コイルで励磁するもの（以下、通常電磁石と呼ぶ）と超伝導線のコイルで励磁するもの（以下、超伝導電磁石と呼ぶ）とに大別される。
【０００３】
通常電磁石は直流電磁石と交流電磁石に分類され、交流電磁石はさらに、繰返し周期が秒のオーダーの遅い繰返し電磁石と、繰返し周期が数十分の一秒の速い繰返し電磁石、そしてさらに高速のパルス電磁石に分類される。
【０００４】
一般的に電磁石の磁場強度は高い方が望ましいが、磁場強度は繰返しの周波数や磁場の上がり方（磁場が一定値に達するまでの速さを立ち上がり速度という）に依存しており、直流磁場の方が高く、繰返しや立ち上がり速度が高速になるにつれて磁場強度は低くなる。これは電磁石で一般的に使用する鉄の特性、特に鉄の比透磁率が繰返し周波数に依存するからである。
【０００５】
ところで加速器で一番使用されているシンクロトロン電磁石は通常電磁石である。これは鉄の比透磁率が高いことを利用して、ビームを加速する空隙（ギャップ）での磁場の分布を精度良く、しかもできるだけ高くするのに役立っている。
【０００６】
しかしながら、磁場強度を上げていくと、電磁石に使用する材料にも依存するが、鉄を使用した場合は、磁場強度は１テスラくらいから電流との比例関係ほどには上がらなくなる。これを飽和という。数秒の遅い繰返し周波数のシンクロトロン電磁石でも１．５テスラ程度でとどまり、速い繰返しにすると、１．５テスラより低くせざるを得なくなる。直流磁石の場合、磁場強度が３テスラまで上がる例があるが、それは特殊な例である。
【０００７】
一方、超伝導電磁石では、低磁場では永久電流と呼ばれる電流による空間分布のずれが問題となるが、電流を上げても損失が少ないので、大電流で容易に励磁することができる。そのため鉄を使う必要がなく飽和の問題は少ない。しかしながら、超伝導電磁石は通常電磁石と比べて繰返し周波数を高くとれないという欠点がある。
【０００８】
以上をまとめると通常電磁石は遅い繰返しの場合でも、１．５テスラを多少超えるぐらいが限度であり、超伝導電磁石では磁場強度はその数倍まで上げられるが、繰返し周波数を上げられないという欠点がある。
【０００９】
他方で、希土類永久磁石材料等を使った永久磁石は磁気回路を工夫すれば、通常の鉄芯入りの電磁石よりも大幅に高い磁場強度を得ることが可能であることが判ってきた（磁界発生装置（特願２００１−０８６０９８））が、永久磁石の磁場は特別の工夫をしない限り直流磁場なので、加速器への応用としては、ＦＦＡＧ加速器やサイクロトロン等を除いて応用の仕方に制約があった。
【００１０】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、円形荷電粒子加速器において、荷電粒子を偏向及び収束・発散させるために必要な高強度の磁界を形成する、電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供することを課題としている。
【００１１】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず、第１には、円形荷電粒子加速器に用いる磁界発生装置であって、電磁石の鉄芯および鉄ヨークの少なくとも一方と永久磁石を、ビームの進行方法である縦方向に交互に配置し、それらを共通のコイルで励磁するようになし、各永久磁石が形成する磁界方向は、全て同一方向であり、かつ、電磁石が形成する磁界と平行となるようにしたことを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
【００１２】
第２には、上記第１の発明において、前記コイルが銅コイルであることを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
さらに、第３には、上記第１の発明において、前記コイルが超伝導コイルであることを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置は、通常電磁石の磁場強度をさらに上げることを目的としており、永久磁石を用いて磁場を可変にする方法として、電磁石と永久磁石を組み合わせて磁場の変動部分を銅コイルの鉄芯電磁石に、バイアス部分を永久磁石に機能分担させるハイブリッド磁石とする。なお、超伝導電磁石と永久磁石を組み合わせても良い。
【００１４】
この出願の発明の磁界発生装置の具体的構成としては、電磁石の鉄芯および鉄ヨークの少なくとも一方と永久磁石を、ビームの進行方向である縦方向に交互に配置し、これを共通のコイルで励磁するようになしており、共通のコイルとしては、銅コイルを用いても良いし、あるいは超伝導コイルを用いても良い。
【００１５】
この出願の発明と同様の課題と解決手段を有する発明では、発明者（熊田）が開発した「永久磁石組込型高磁場発生装置」（特願２００１−２１５８７４）があるが、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置は、上記の発明とは別の方法で解決しようというものである。
【００１６】
上記の発明（特願２００１−２１５８７４）およびこの出願の発明のいずれにおいても、発明者（熊田）等が開発した小型高磁場永久磁石と電磁石を組み合わせた磁気回路を用いる。
【００１７】
前者の方法では電磁石の内側に永久磁石を挿入するようにしたが、この出願の発明の方法では、永久磁石を、電磁石のビーム方向において外側、あるいは電磁石と電磁石の間に挿入するようにした。
【００１８】
なお、電磁石の内側はビームの進行方向に垂直な面内にあり、永久磁石を電磁石の内側に挿入した場合、これを「電磁石と永久磁石を横方向に組み合わせる」といい、電磁石のビーム方向における外側に永久磁石を置いた場合、これを「電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせる」という。
【００１９】
この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置では、電磁石と永久磁石とを横方向に配置する方式と比較して、電磁石の空隙（ギャップ）を小さくとれるという利点が得られる。
【００２０】
また、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を用いることで、通常のシンクロトロンでは１．５テスラ程度の最高磁場しか出せなかったものが、磁場強度が２テスラ以上の速い繰返しのシンクロトロンが得られる可能性が生まれ、シンクロトロン型加速器の小型化への可能性が出てくる。また、装置の軽量化が図れる可能性があるため、粒子線治療装置の回転ガントリーの構造設計が楽になるなどの利点も得られる。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
図１に通常電磁石の断面図を示す。銅コイル（１）、鉄芯（２）、鉄ヨーク（３）で構成される通常電磁石（４）であって、この断面図にビームの進行方向（縦方向）に交互に配置されるべき永久磁石（５）の外径を重ね合わせて示してある。
【００２３】
ここで永久磁石（５）には、図２に示すような異方永久磁石材料（６）および鉄芯（７）から成り、飽和磁極を用いた改良ハ−ルバッハ型磁界発生装置（熊田他 特願２００１−０８６０９８）を用い、その磁場強度は３テスラに設定してある。
【００２４】
図３に上記の改良ハールバッハ型磁界発生装置からなる３テスラ永久磁石（５）（縦方向の磁石長は０．６４ｍ）と１．８テスラ通常電磁石（４）（縦方向の磁石長は０．６４ｍ）をビームの進行方向（縦方向）にそれぞれ交互に配置し共通銅励磁コイル（８）で取り巻き、９０度の偏向磁石を構成したものを示す。この例では最大磁場（取出磁場）と最小磁場（入射磁場）の磁場強度の比が２：１で、最大平均磁場が２．５６テスラになるように設定してある。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、電磁石と高磁場永久磁石を縦方向に組み合わせることで平均最高磁場で２．５テスラを超える可変磁場の磁石を作ることができる。また、この出願の発明の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置を用いた場合、一例として完全電離の炭素イオンの７５ＭｅＶ入射、３００ＭｅＶ取出の直径８ｍ強の小型シンクロトロンや従来の医療用加速器のサイズを大幅に小さくできる可能性を有する磁界発生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例における通常電磁石を例示した断面図である。
【図２】この発明の実施例における改良ハールバッハ型永久磁石を例示した図である。
【図３】この発明の実施例における電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた９０度偏向磁石を示した図である。
【符号の説明】
１ 励磁コイル
２ 鉄芯
３ 鉄ヨーク
４ 通常電磁石
５ 永久磁石
６ 異方性永久磁石材料
７ 鉄芯
８ 共通銅励磁コイル
Claims (3)
- 円形荷電粒子加速器に用いる磁界発生装置であって、電磁石の鉄芯および鉄ヨークの少なくとも一方と永久磁石を、ビームの進行方法である縦方向に交互に配置し、それらを共通のコイルで励磁するようになし、各永久磁石が形成する磁界方向は、全て同一方向であり、かつ、電磁石が形成する磁界と平行となるようにしたことを特徴とする電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置。
- 前記コイルが銅コイルであることを特徴とする請求項１記載の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置。
- 前記コイルが超伝導コイルであることを特徴とする請求項１記載の電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001329856A JP3948511B2 (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | 電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001329856A JP3948511B2 (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | 電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003133133A JP2003133133A (ja) | 2003-05-09 |
| JP3948511B2 true JP3948511B2 (ja) | 2007-07-25 |
Family
ID=19145677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001329856A Expired - Lifetime JP3948511B2 (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | 電磁石と永久磁石を縦方向に組み合わせた磁界発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3948511B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| EP2389983B1 (en) | 2005-11-18 | 2016-05-25 | Mevion Medical Systems, Inc. | Charged particle radiation therapy |
| CN110461083B (zh) * | 2019-08-20 | 2021-04-23 | 中国科学技术大学 | 一种跳变磁铁 |
| CN110491621B (zh) * | 2019-08-20 | 2021-07-09 | 中国科学技术大学 | 一种跳变磁铁 |
-
2001
- 2001-10-26 JP JP2001329856A patent/JP3948511B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003133133A (ja) | 2003-05-09 |
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