JP4279647B2 - 電磁石の磁力線シールド機構 - Google Patents

Description

本発明は、電磁石の磁力線シールド機構に関する。粒子線治療装置において荷電粒子を被験者に照射するための回転ガントリーや、荷電粒子を加速するサイクロトロン等の加速器では、荷電粒子を通過させる空間に強い磁場を形成し、この磁場によって粒子の走行方向を制御している。このような磁場の形成には、前記空間を挟むように配設された一対の磁極を有する電磁石が使用される。
本発明は、かかる空間に磁場を発生させる電磁石の磁力線シールド機構に関する。

図４に示すように、通常、加速器等において空間に磁場を形成する電磁石100 は、Ｃ字状の鉄芯101 を有しており、この鉄芯101 の対向する端部101a，101bの間に、粒子を通過させるためのエアギャップＡＧが形成されている。そして、この鉄芯101 の対向する端部101a，101bの周囲にそれぞれコイル102a，102bが巻き付けられている（例えば、非特許文献１）。
このため、コイル102a，102bに交流電流を流すと、コイル102a，102bの周囲には磁場が形成され、この磁場によって鉄芯101 の内部とエアギャップＡＧを通る連続した磁力線、つまり磁気回路が形成されるから、エアギャップＡＧに磁場を形成することができる。すると、このエアギャップＡＧを通過する荷電粒子（図４では紙面に垂直な方向に通過する）に、エアギャップＡＧ間に形成されている磁力線を作用させることができ、荷電粒子を加速することができるのである。

しかるに、鉄芯101 に比べてエアギャップＡＧは、その透磁率が小さいので、このエアギャップＡＧでは磁束密度が低下してしまう。このため、従来は、磁束密度の低下を補うために、コイル102a，102bが形成する磁場の強度を大きくしていた。コイル102a，102bが形成する磁場の強度を大きくするためには、コイル102a，102bに流す電流を大きくする必要があるが、加速器の消費電力が大きくなるし、コイル自体の発熱が大きくなるという問題が生じる。
かといって、鉄芯101 の断面積を大きくすれば磁気飽和は防ぐことができるが、電磁石が大型化し、加速器自体も大型化してしまう。

「実験物理学講座 第２８巻」,ｐ364〜365，共立出版株式会社，1975年

本発明はかかる事情に鑑み、空間中における磁束密度の低下を防ぐことができ、しかも電磁石を小型化できる電磁石の磁力線シールド機構を提供することを目的とする。

第１発明の電磁石の磁力線シールド機構は、一対の磁極が、互いに対向するようにかつ、両者の間にエアギャップが形成されるように配設された交流電磁石において、前記エアギャップ間における磁束密度の低下を防ぐために設けられたシールド機構であって、該シールド機構が、前記一対の磁極の間に形成された前記エアギャップを挟み、かつ互いに対向するように設けられた一対のシールド部材からなり、該シールド部材の素材が、導電性を有する非磁性材料であり、前記一対の磁極が、軸芯が一致するように設けられた一対の芯材と、該芯材の側面に、該芯材の軸芯の周囲を囲むように巻き付けられた一対のコイルとから構成されており、前記シールド機構が、前記芯材の軸芯方向における前記一対のコイルの互いに対向する面に設けられた補助シールド部材を備えており、該補助シールド部材の素材が、導電性を有する非磁性材料であることを特徴とする。
第２発明の電磁石の磁力線シールド機構は、第１発明において、前記シールド機構が、前記シールド部材と前記磁極との間に設けられた絶縁部材を備えていることを特徴とする。
第３発明の電磁石の磁力線シールド機構は、第１発明において、前記補助シールド部材が、前記芯材との間に前記コイルを挟むように設けられた側方カバーを備えていることを特徴とする。
第４発明の電磁石の磁力線シールド機構は、第１発明において、荷電粒子を照射する回転ガントリーの走査電磁石に設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、交流電磁石のエアギャップに形成される磁場の変化に伴って、シールド部材内部には渦電流が形成される。この渦電流が形成する磁場によって、エアギャップ間を流れる磁力線がシールド部材よりも外方に漏れることを防ぐことができるから、エアギャップにおける磁束密度の低下を防ぐことができる。また、エアギャップ間における磁束密度の低下を防ぐことができるから、コイルの起磁力を増加させる必要がない。よって、磁石の芯材を大型化しなくても、エアギャップ間に所望の強度の磁場を形成することができるから、交流電磁石を小型化することができ、コイルから直接外部に漏れる磁力線を低減することができるから、交流電磁石に形成される磁気回路の磁束密度を高くすることができる。よって、交流電磁石を小型化しても、エアギャップ間に形成される磁場を強くすることができる。
第２発明によれば、磁力線が、磁極から直接シールド部材を通して外部に漏れることを防ぐことができるから、エアギャップ間における磁束密度が低下することを防ぐことができる。そして、磁極とシールド部材との間に電流が流れて、両者の抵抗によって磁極等が発熱して損傷することを防ぐことができる。
第３発明によれば、コイルによって形成される磁力線のほとんどを、芯材に供給することができるから、交流電磁石に形成される磁気回路の磁束密度を高くすることができる。よって、交流電磁石を小型化しても、エアギャップ間に形成される磁場を強くすることができる。
第４発明によれば、回転ガントリーのノズル先端に設けられている走査電磁石を小型化することができるから、回転ガントリー自体を小型化することができ、回転ガントリーの回転半径を小さくすることができる。よって、回転ガントリーを備えた、例えば粒子線ガン治療装置等も小型化することができ、粒子線ガン治療装置等を収容する建造物なども小さくすることができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態の磁力線シールド機構１０が設けられた交流電磁石１の概略説明図である。図１において、符号３、４は、互いに対向するように設けられた一対の磁極を示している。この一対の磁極３，４は、軸心が一致するように設けられた一対の芯材３ａ，４ａと、その側面に巻き付けられたコイル３ｂ，４ｂとから構成されている。このコイル３ｂ，４ｂには、図示しない交流電源が接続されており、このコイル３ｂ，４ｂには同位相の交流電流が同時に供給されるように調整されている。しかも、コイル３ｂ，４ｂは、同位相の交流電流を流すと、一対の芯材３ａ，４ａ中に、同位相の磁場が形成されるように配設されている。そして、一対の磁極３，４は、その一対の芯材３ａ，４ａの互いに対向する一端同士の間にエアギャップＡＧが形成されるように配設されており、その他端は、芯材２によって連結されている。
このため、コイル３ｂ，４ｂに交流電流を流せば、この電磁石１には、芯材２、一対の芯材３ａ，４ａおよびエアギャップＡＧを通る連続した磁力線、つまり磁気回路が形成されるから、エアギャップＡＧ間に磁場が形成されるのである。

さて、本実施形態の磁力線シールド機構１０を説明する。
図１に示すように、前記交流電磁石１の一対の磁極３，４間において、前記エアギャップＡＧの側方には、このエアギャップＡＧを挟むように、一対のシールド部材１１，１１が設けられている。この一対のシールド部材１１，１１は板状の部材であり、その素材が、例えば銅やアルミ、ステンレス等の導電性を有する非磁性材料である。そして、一対のシールド部材１１，１１は、エアギャップＡＧ側の面が互いに平行かつ対向するように設けられている。

前記コイル３ｂ，４ｂに交流電流を流せば、交流電流の周期に伴って、交流電磁石１に形成される磁場が時間とともに変化する。つまり、エアギャップＡＧに形成される磁場が変化すると、一対のシールド部材１１を貫通する磁力線の密度が変化するので、各シールド部材１１内部には渦電流が発生し、各シールド部材１１を貫通する方向へ進む磁力線の変化を打ち消すような磁場が形成される。つまり、図１に示すように、渦電流によって形成される磁場は、磁力線がシールド部材１１からエアギャップＡＧに向かう方向（矢印ａ）に流れるように形成される。すると、この渦電流によって形成される磁場によって、エアギャップＡＧ間を流れる磁力線はエアギャップＡＧの内側に押し戻される。よって、エアギャップＡＧ間を流れる磁力線が一対のシールド部材１１，１１よりも外方に漏れることを防ぐことができるから、エアギャップＡＧにおける磁束密度の低下を防ぐことができる。

また、エアギャップＡＧ間における磁束密度の低下を防ぐことができるから、コイル３ｂ，４ｂの起磁力、つまりコイル３ｂ，４ｂに流す交流電流の電流量を増加させる必要がないので、交流電磁石１の芯材２や一対の磁極３，４の一対の芯材３ａ，４ａを大型化しなくても、エアギャップＡＧ間に所望の強度の磁場を形成することができる。

上記のごとく、本実施形態の磁力線シールド機構１０を交流電磁石１に設けておけば、エアギャップＡＧにおける磁束密度の低下を防ぐことができるから、エアギャップＡＧ間に所望の強度の磁場を形成することができ、交流電磁石１を小型化することができる。

なお、図１に示すように、一対のシールド部材１１，１１と一対の磁極３，４の一対の芯材３ａ，４ａの間に、例えばセラミックや樹脂等の絶縁部材１５を設けておくと好適である。なぜなら、一対のシールド部材１１，１１に発生した渦電流が、一対のシールド部材１１，１１から一対の芯材３ａ，４ａに流れた場合、両者の間の抵抗によって一対の芯材３ａ，４ａ等が発熱して損傷する可能性があるが、絶縁部材１５を設けておけば、一対のシールド部材１１，１１から一対の芯材３ａ，４ａに電流が流れることを確実に防ぐことができ、発熱等による損傷を確実に防ぐことができるからである。

また、図１に示すように、コイル３ｂ，４ｂの周囲には、コイル３ｂ，４ｂを囲むように補助シールド部材１２，１３が設けられている。この補助シールド部材１２，１３は、底面カバー12a ,13aと、側方カバー12b ,13bとから構成されている。この底面カバー12a ,13aと、側方カバー12b ,13bは、シールド部材１１と同様に、導電性を有する非磁性材料によって形成されている。

底面カバー12a ,13aは、コイル３ｂ，４ｂの互いに対向する面、つまりコイル３ｂの下面およびコイル４ｂの上面に、それぞれ設けられている。また、側方カバー12b ,13bは、コイル３ｂ，４ｂの側面に設けられており、その内面と一対の芯材３ａ，４ａの側面との間にコイル３ｂ，４ｂを挟むように配置されている。
このため、コイル３ｂ，４ｂの外面から直接外部に漏れる磁力線を低減することができ、コイル３ｂ，４ｂによって形成される磁力線のほとんどを、一対の芯材３ａ，４ａに供給することができる。よって、交流電磁石１に形成される磁気回路の磁束密度を高くすることができるから、交流電磁石１を小型化しても、エアギャップＡＧ間に形成される磁場を強くすることができる。
そして、補助シールド部材１２，１３は、芯材２、一対の芯材３ａ，４ａに接触しないように配設されている。このため、芯材２から補助シールド部材１２，１３に電流が流れることを防ぐことができ、その電流が形成する磁場によってエアギャップＡＧ間に形成される磁場が乱れることを防ぐことができる。

なお、図２に示すように、補助シールド部材１２，１３は、底面カバー12a ,13aだけを有するものとしてもよいし（図２（Ａ））、補助シールド部材１２，１３自体を設けなくてもよく（図２（Ｂ））、この場合、交流電磁石１の構造をより簡単にできる。

また、本実施形態の磁力線シールド機構１０は、粒子線治療装置の回転ガントリーにおいて、そのノズルの先端部に設けられている走査電磁石、具体的には、ワブラー電磁石やスキャニング電磁石等に適用すると好適である。
粒子線ガン治療装置等では、回転ガントリーの大きさやその回転半径によって、装置の大きさや装置を収容する建造物などが規制されてしまうため、回転ガントリー自体を小型化するとともにその回転半径を小さくすることが非常に求められていた。
このような粒子線治療装置において、ノズルの先端部に設けられている走査電磁石に本実施形態の磁力線シールド機構１０を適用すれば、走査電磁石を小型化することができるので、回転ガントリー自体を小型化することが可能となる。すると、回転ガントリーの回転半径も小さくすることができるし、回転ガントリーが設けられている粒子線ガン治療装置等自体を小型化することができるし、粒子線ガン治療装置等を収容する建造物なども小さくすることができる。

なお、本実施形態の磁力線シールド機構１０は、上述したような粒子線治療装置の回転ガントリーの走査電磁石だけでなく、エアギャップＡＧ間に磁場を形成させる交流電磁石であれば、種々な装置に使用されている交流電磁石に適用することができる。
例えば、シンクロトロンや、サイクロトロン等の荷電粒子を加速する加速器に使用される電磁石にも適用することができる。この場合、電磁石自体が小さくなったことによって、粒子の回転半径を小さくできるので、加速器自体も小型化することができる。

なお、本実施形態の磁力線シールド機構１０が適用される電磁石１は、上記の交流電磁石に限られず、エアギャップＡＧを通る連続した磁気回路が形成される交流電磁石であればよく、狭義の交流電磁石はもちろん、パルス電磁石にも適用することができる。

つぎに、本実施形態の磁力線シールド機構１０を備えた交流電磁石（本実施例１）と、シールド機構を有しない交流電磁石（従来例１）において、エアギャップ間に形成される磁場の磁束密度を比較した。
図３に示すように、本実施例１の磁束密度の極大値および極小値が、従来例１の磁束密度の極大値および極小値の約1.4倍となっていることから、エアギャップ間に形成される磁場の磁束密度が強化されていることが確認できる。

また、本発明の磁力線シールド機構は、エアギャップ間に磁場を形成させる交流電磁石であれば、種々な装置に使用されている交流電磁石に適用することができ、上述した回転ガントリーやシンクロトロン、サイクロトロン等の粒子加速器に適用することができる。

本実施形態の磁力線シールド機構１０が設けられた交流電磁石１の概略説明図である。 他の実施形態の磁力線シールド機構１０が設けられた交流電磁石１の概略説明図である。 エアギャップ間に形成される磁場の磁束密度の時間変動を比較した図である。 従来の交流電磁石１の概略説明図である。

１ 交流電磁石
３ 磁極
４ 磁極
１０ 磁力線シールド機構
１１ シールド部材
１２ 補助シールド部材
１３ 補助シールド部材
１５ 絶縁部材
ＡＧ エアギャップ

Claims (4)

1. 一対の磁極が、互いに対向するようにかつ、両者の間にエアギャップが形成されるように配設された交流電磁石において、前記エアギャップ間における磁束密度の低下を防ぐために設けられたシールド機構であって、
   該シールド機構が、
   前記一対の磁極の間に形成された前記エアギャップを挟み、かつ互いに対向するように設けられた一対のシールド部材からなり、
   該シールド部材の素材が、導電性を有する非磁性材料であり、
   前記一対の磁極が、
   軸芯が一致するように設けられた一対の芯材と、
   該芯材の側面に、該芯材の軸芯の周囲を囲むように巻き付けられた一対のコイルとから構成されており、
   前記シールド機構が、
   前記芯材の軸芯方向における前記一対のコイルの互いに対向する面に設けられた補助シールド部材を備えており、
   該補助シールド部材の素材が、導電性を有する非磁性材料である
   ことを特徴とする電磁石の磁力線シールド機構。
2. 前記シールド機構が、
   前記シールド部材と前記磁極との間に設けられた絶縁部材を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁石の磁力線シールド機構。
3. 前記補助シールド部材が、
   前記芯材との間に前記コイルを挟むように設けられた側方カバーを備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁石の磁力線シールド機構。
4. 荷電粒子を照射する回転ガントリーの走査電磁石に設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁石の磁力線シールド機構。