JP4298312B2

JP4298312B2 - 電磁石装置および荷電粒子加速装置

Info

Publication number: JP4298312B2
Application number: JP2003030655A
Authority: JP
Inventors: 太▲げん▼ 金
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004241293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極とヨークを含む電磁石装置、および、そのような電磁石装置を利用した荷電粒子の加速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヨークの形がＣの文字形状をした一般的にＣ型電磁石と呼ばれる電磁石装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献に記載の電磁石装置は、磁極とヨーク腕部との間に非磁性層を設け、非磁性層に面する磁極およびヨーク腕部の少なくとも一方の形状を任意に加工して非磁性層の厚さを調節することにより、磁気抵抗を調節している。この結果、磁路長の変化によって発生する磁極間領域の、ヨーク腕部からヨーク基部へ向かう方向の誤差磁場分布を補正し、所定の磁場分布を発生させることができる。
【０００３】
この電磁石装置では、Ｃ字型を呈する側面からみた奥行き方向の磁場分布は均一であると考えられていた。よって電磁石の形状が奥行き方向に長い場合には、奥行き方向に無限長であると近似し、磁場が均一であると仮定していた。また磁場分布は、磁極の奥行き方向の両端部付近において、概ね上下の磁極間隔程度の距離分を奥行き方向に調節すればよかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５１２９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、対向する上下の磁極が薄型で、電磁石の発生する磁場強度が比較的低い場合、Ｃ字型を呈する側面からみた奥行き方向に均一でない広範囲の磁場分布が発生することがあった。
【０００６】
本発明の目的は、Ｃ字型を呈する側面からみた奥行き方向に均一な磁場を発生させる電磁石装置を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁石装置は、対向する２つの磁極と、磁路を形成するヨークであって、対向する２つのヨーク腕部および該２つのヨーク腕部の各々を接続するヨーク基部とからなるコの字型のヨークと、少なくとも一方の磁極とヨーク腕部との間に設けられた非磁性層と、磁極を励磁するコイルとから構成される。この電磁石装置は、コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、磁極の端部近傍の磁性体の量が、磁極の中心部の磁性体の量よりも多い。これにより上記目的が達成される。
【０００８】
また本発明は、この電磁石装置を用いた荷電粒子加速装置を提供する。荷電粒子加速装置は、荷電粒子を入射する入射装置と、入射装置が入射した荷電粒子にエネルギーを与えて加速させる加速装置と、加速装置により加速された荷電粒子を偏向する、上述の電磁石装置と、偏向された荷電粒子を取り出す取出装置とを備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面では、同様の構造および機能を有する構成要素には、同じ参照符号を付している。
【００１０】
まず、本発明の電磁石装置を用いた荷電粒子加速装置を説明し、その後、電磁石装置を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の荷電粒子加速装置１００を示す。図１の（ａ）は、荷電粒子加速装置１００の上面図を、図１の（ｂ）は、（ａ）の長手方向に平行な平面による荷電粒子加速装置１００の断面図を示す。図１の（ａ）を参照して、荷電粒子加速装置１００は、電磁石装置１０と、入射装置１２と、高周波加速装置１４と、真空ダクト１６と、取出装置１８とを含む。電磁石装置１０は、荷電粒子を偏向するために設けられている。より具体的には、図１の（ｂ）を参照して、荷電粒子は磁場の中を通過するように構成されている。電磁石装置１０はコイル１に電流を流して磁場を発生させ、磁場内を通過した荷電粒子の進行方向を偏向させる。偏向は、ローレンツ力が荷電粒子に作用することに基づく。電磁石装置１０の構造は後に詳述する。
【００１２】
再び図１の（ａ）を参照して、入射装置１２は、荷電粒子を生成し荷電粒子加速装置１００に入射する。高周波加速装置１４は、高周波加速空洞を備えており、高周波加速空洞内の荷電粒子にエネルギーを与えて荷電粒子を加速する。真空ダクト１６は、荷電粒子を通過させる真空のダクトである。取出装置１８は、加速された荷電粒子を装置外に取り出すための、周知の偏向電磁石等である。電磁石装置１０を除く他の構成、すなわち入射装置１２、高周波加速装置１４、真空ダクト１６および取出装置１８は、従来からの荷電粒子加速装置に用いられている周知の構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００１３】
荷電粒子加速装置１００では、入射装置１２から入射された荷電粒子は電磁石装置１０の発生する磁場により偏向される。例えば、入射後に高周波加速装置１４で加速された荷電粒子は、左側の電磁石装置１０により偏向され、真空ダクト１６に入る。そして、真空ダクト１６内を進行した荷電粒子は、次に右側の電磁石装置１０により偏向され、再び高周波加速装置１４へ向けて運動する。このようにして荷電粒子は、電磁石装置１０、高周波加速装置１４および真空ダクト１６内を回りつづける。高周波加速装置１４によりエネルギを与えられて加速された荷電粒子は、高周波加速装置１４を通過するたびに、電磁石装置１０中の偏向半径を次第に大きくする。荷電粒子の偏向半径が大きくなることによって、荷電粒子の軌道は、取出装置１８との距離を縮め、最終的に取出装置１８により取り出される。
【００１４】
次に本発明による電磁石装置１０の構成を説明する。図２の（ａ）は、電磁石装置１０の斜視断面図である。まず図２の（ａ）を参照して、電磁石装置１０を説明する。電磁石装置１０は、コイル１と、ヨーク基部２０および２つのヨーク腕部２１により磁路を形成するコの字型のヨークと、非磁性体からなる非磁性層２２と、磁極２３と、磁性体の非磁性層部シム２４を有する。電磁石装置１０は、参照符号を付した磁極２３の下部の磁場発生空間２５に磁場を発生させる。コの字型を呈する側面側からみた電磁石装置１０の奥行き方向をｘ軸方向、２つのヨーク腕部２１の間のヨーク基部２０が延びる方向をｙ軸方向、および、ヨーク腕部２１が延びる方向をｚ軸方向とすると、磁場発生空間２５は、図のｘ−ｚ平面に平行に広がっている。磁場発生空間２５に関してコイル１および磁極２３と対称な位置には、参照符号を付さないコイルおよび磁極が配置されている。換言すれば、図示されるように対向する１組の磁極２３の間に、磁場発生空間２５が存在する。図２の（ｂ）は、（ａ）で説明した電磁石装置１０の外観の構成を示す斜視図である。以下では、主として参照符号を付した方のコイル１および磁極２３を説明する。
【００１５】
本発明による電磁石装置１０の特徴は、ヨーク基部と平行な方向に関して、磁極の端部近傍の磁性体の量を、磁極の中心部の磁性体の量よりも多くしたことにある。より具体的には、磁極２３とヨーク腕部２１との間に磁気抵抗を調節する非磁性層２２を設け、かつ、非磁性層２２に面する磁極２３およびヨーク腕部２１の少なくとも一方の端部に磁性体の非磁性層部シム２４を設けたことにある。図３は、ヨーク基部２０に平行で、かつヨーク腕部２１に垂直な平面（ｘ−ｙ平面）による、電磁石装置１０の断面図である。図３から明らかなように、非磁性層部シム２４は、ヨーク基部２０と平行な方向（ｘ方向）の両端部に設けられていることが理解される。非磁性層部シム２４を設けて、磁極の端部近傍の磁性体の量を磁極の中心部の磁性体の量よりも多くすることにより、磁場発生空間２５におけるｘ方向の磁場分布を補正することができる。他の利点およびその根拠は後述する。
【００１６】
以下再び図２の（ａ）を参照して、電磁石装置１０の各構成要素を説明する。コイル１は、電流を流すことにより磁極２３を励磁する。すなわちコイル１は、起磁力を発生するために設けられている。コイル１に流れる電流を制御し、磁場発生空間２５内の磁場を制御することにより、磁場発生空間２５を通る荷電粒子の運動を制御できる。ヨーク基部２０およびヨーク腕部２１からなるヨークは、磁場発生空間２５を荷電粒子が通過する際の平面（軌道平面）の磁場強度の調整、および、電磁石装置１０外への磁場漏洩の抑制のために設けられている。ヨークは、コイル１の一部を取り囲むように配置されている。また、ヨークは、磁場を増大させ、磁路を形成する機能も有する。上述のように、荷電粒子加速装置１００（図１）や蓄積リング等の高エネルギー物理装置に適用される電磁石装置１０は、高磁場が必要だからである。なお本明細書では、ヨークをヨーク基部２０およびヨーク腕部２１とに分けている。しかし、これは説明の便宜のためであるので、厳密にどのように分けるかは特に問題ではない。本明細書では一例として図２に示すように分けている。
【００１７】
非磁性層２２は、非磁性体の層であり、例えば空気や、ステンレス材等の加工が必要である非磁性材料の層である。非磁性層２２は、磁路の磁性抵抗を調整するために設けられている。非磁性層２２は、ヨーク腕部２１と磁極２３の間に設けられ、磁極２３の上面と、その面に対向するヨーク腕部２１の下面の形状に応じて加工され、その位置に挿入される。結果的に、非磁性層２２は磁極２３を支持するためにも機能する。
【００１８】
非磁性層２２部分の磁性抵抗は、非磁性層２２の厚さが大きいほど大きくなる。上述のように、非磁性層２２の厚さは、適宜加工された磁極２３の上面とヨーク腕部２１の下面の形状に応じて規定される。磁極２３の上面とヨーク腕部２１の下面が平行な平面であれば非磁性層２２も一定の厚さを有する平面である。一方磁極２３の上面とヨーク腕部２１の下面が平行でない場合には、非磁性層２２は位置によって厚さが異なる。以下の説明では、非磁性層２２は一定の厚さを有する平面状の層とする。
【００１９】
磁極２３は、非磁性層２２により支持されており、磁場発生空間２５に磁場を発生するために設けられている。例えば、磁場は上側の磁極２３から下側の磁極へ向かう方向に発生する。１つの磁極２３から出た磁束は磁場発生空間２５を通って下側の磁極に入り、ヨークを通って元の上側の磁極２３に戻る。
【００２０】
次に非磁性層部シム２４を説明する。非磁性層部シム２４は、直方体形状の磁性体（例えば鉄）で形成されている。非磁性層部シム２４を加工に簡便な直方体形状とすることで、加工コストを低減できる。非磁性層部シム２４は、磁極２３のｘ軸方向の端部において、ｚ軸方向にわたって設けられている。上述のように、非磁性層部シム２４を設けることにより、磁場発生空間２５におけるｘ方向（図３）の磁場分布を補正し、磁場発生空間２５の磁場均一度を向上させることができる。
【００２１】
非磁性層部シム２４により磁場発生空間２５の磁場分布を補正できる理由は、以下のとおりである。まず非磁性層部シム２４を設けない場合には、磁極２３の中心部から両端部に向かって、磁場強度は低下していく。すなわち磁場発生空間２５の磁場分布は均一ではない。そこで磁極２３のｘ軸方向の両端部に非磁性層部シム２４を設けることにより、磁極２３の両端部では、ヨーク腕部２１との磁気抵抗が小さくなり、磁極２３の中心部と比較して磁場強度を増強できる。よって磁極２３の両端部に向かって低下していく磁場強度を補正できる。
【００２２】
また非磁性層シム２４を磁極２３の非磁性層２２側の位置、すなわち磁極２３が磁場発生空間２５に対向する側と反対側の位置に設けたことにより、磁場分布を広範囲にわたって緩やかに変化するように補正できる。非磁性層部シム２４が磁場発生空間２５に直接対向しないので、磁場強度を増強する効果が弱められるからである。なお磁場発生空間２５に直接対向する磁極２３の位置に非磁性層部シム２４を配置した場合には、磁場発生空間２５の中心位置から磁極２３の端部へと急激に磁場分布が大きくなり、均一度がばらついてしまう。
【００２３】
図４は、磁場発生空間２５（図１）の磁場分布を示すグラフである。グラフの横軸の「位置」は、所定の基準位置からのｘ軸方向（図３）の距離を示す。縦軸は、磁場発生空間２５の中心（約１０００ｍｍの位置）における磁場強度に対する比を表す。この例による電磁石装置１０では、磁極２３（図３）の間隔は４６ｍｍである。
【００２４】
グラフ４１で示すように、本発明の電磁石装置１０では、磁場分布は概ね矩形状である。よって、磁場強度の比が所定の範囲（仕様磁場均一度範囲）Ｒ内に入っている幅（均一度達成範囲）Ｌが広い。一方グラフ４２で示すように、従来の電磁石装置では、磁場分布は概ね上に凸の半円状である。よって、磁場強度が仕様磁場均一度範囲Ｒ内に入っている均一度達成範囲Ｌが、グラフ４１より狭い。グラフ４２から明らかなように、従来の電磁石装置では、磁極間隔より広範囲で所定の磁場均一度を達成できていないことが理解される。
【００２５】
図５は、電磁石装置１０のｙ−ｚ平面（図２の（ａ））による断面図である。この図では、磁場発生空間２５に対向する磁極２３の幅Ａとヨーク基部２０の幅Ｂとの比は、４：１である。ヨーク基部２０の幅Ｂが磁極２３の幅Ａの１／４以下になると、ｘ軸方向（図の奥行き方向）の磁場強度の変化は、磁極２３端部に向かって大きく低下する。よってヨーク基部２０の幅が磁極２３の幅の１／４以下である場合には特に、上述の位置に非磁性層部シム２４を設けることは有効である。
【００２６】
図６は、磁極材料の比透磁率曲線を示すグラフである。図では、起磁力１（Ｏｅ）以下の部分は示されていないが、起磁力が１（Ｏｅ）以下になると一般に透磁率は低下する。この値は、磁場発生空間２５の磁場強度が１０００ガウス（Gauss）以下に相当する。このとき、磁極２３やヨーク腕部２１の磁気抵抗は大きくなり、ｘ軸方向（図２の（ａ））の磁場分布の誤差も大きくなる。よって、電磁石装置１０が発生する磁場強度が１０００ガウス以下である場合には特に、上述の位置に非磁性層部シム２４を設けることは有用である。
【００２７】
以上説明したように、図２の本発明の電磁石装置１０によれば、磁場均一度が向上し、所定の磁場分布を達成できる。上述の説明では、非磁性層部シム２４の形状は、加工に簡便で加工コストを低減できることから直方体形状であるとした。しかし、ｘ軸方向（図３）の磁場分布を補正できるのであれば、直方体形状に限られず、任意の形状であってもよい。さらに非磁性層部シム２４を、非磁性層２２に面するヨーク腕部２１の面に設けてもよい。この場合も非磁性層部シム２４が磁場発生空間２５に直接対向しないので、磁場強度を増強する効果が弱められ、磁場分布を広範囲にわたって緩やかに変化するように補正できる。なお非磁性層部シム２４を設ける位置は、非磁性層２２に面する磁極２３上面、または非磁性層２２に面するヨーク腕部２１下面であることから、結果的に非磁性層２２内に設ければよいといえる。
【００２８】
磁極２３またはヨーク腕部２１の非磁性層２２部に面した面を加工して、非磁性層部シム２４と同等の機能を与えてもよい。具体的にはｘ軸方向の磁極２３端部において、磁極２３が非磁性層に面する側に直方体形状に突起した凸部を設ければよい。または磁極２３の端部近傍の、非磁性層２２に面する側のヨーク腕部２１に、直方体形状で突起した凸部を設けてもよい。このようにして磁極２３の端部近傍の磁性体の量を磁極２３の中心部より増やすことで、磁場強度を増強でき磁場分布を補正できる。
【００２９】
また非磁性層２２の厚さを、ヨーク基部２０に近いほど大きく、離れるほど小さくなるように、例えば直線的に傾斜させて形成してもよい。これにより非磁性層２２部分の磁性抵抗は、ヨークの外側よりも内側の方が大きくなる。一方、ヨーク内の磁性抵抗はヨーク内の磁路が短いほど小さいので、外側よりも内側の方が小さい。したがって、非磁性層２２部分の厚さを調整することで、ヨークの比較的内側であっても比較的外側であっても、ｚ軸方向（図２）については磁路全体ではほぼ同じ磁性抵抗を持たせることができる。これを非磁性層部シム２４とともに具備した電磁石装置であれば、ｘ軸方向とｚ軸方向（図２）の両方において、均一な磁場を得ることができる。すなわちｘ−ｚ平面に平行な磁場発生空間２５全体において均一な磁場を得ることができる。
【００３０】
なお非磁性層２２および非磁性層部シム２４は、それぞれ磁場発生空間２５に関して対称な位置に複数設けてもよいし、磁場発生空間２５の一方に設けてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、磁極の端部近傍の磁性体の量を、磁極の中心部の磁性体の量よりも多くした。これにより、その方向に関して電磁石両端部で発生する磁場強度の低下を、精度よく、かつ、広範囲に補正できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷電粒子加速装置１００を示す。
【図２】（ａ）は、電磁石装置１０の斜視断面図である。（ｂ）は、（ａ）で説明した電磁石装置１０の外観の構成を示す斜視図である。
【図３】ヨーク基部２０に平行で、かつヨーク腕部２１に垂直な平面（ｘ−ｙ平面）による、電磁石装置１０の断面図である。
【図４】磁場発生空間２５（図１）の磁場分布を示すグラフである。
【図５】電磁石装置１０のｙ−ｚ平面（図２の（ａ））による断面図である。
【図６】磁極材料の比透磁率曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１０電磁石装置、１２出射装置、１４高周波加速装置、１６真空ダクト、１８取出装置、２０ヨーク基部、２１ヨーク腕部、２２非磁性層、２３磁極、２４非磁性層部シム、２５磁場発生空間

Claims

対向する２つの磁極と、
磁路を形成するヨークであって、対向する２つのヨーク腕部、および、該２つのヨーク腕部の各々を接続するヨーク基部を有するコの字型のヨークと、
少なくとも一方の磁極とヨーク腕部との間に設けられた非磁性層と、
磁極を励磁するコイルと
から構成される電磁石装置において、
前記コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、前記磁極の端部近傍の磁性体の量が、前記磁極の中心部の磁性体の量よりも多い、電磁石装置。
前記磁極の端部近傍に位置する前記非磁性層に磁性体を設けることにより、前記コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、前記磁極の端部近傍の磁性体の量を前記磁極の中心部の磁性体の量よりも多くした、請求項１に記載の電磁石装置。
前記非磁性層に面する側の前記磁極の端部に凸部を設けることにより、前記コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、前記磁極の端部近傍の磁性体の量を前記磁極の中心部の磁性体の量よりも多くした、請求項１に記載の電磁石装置。
前記磁極の端部近傍の、前記非磁性層に面する側の前記ヨーク腕部に凸部を設けることにより、前記コの字型を呈する側面側から見た奥行き方向に関して、前記磁極の端部近傍の磁性体の量を前記磁極の中心部の磁性体の量よりも多くした、請求項１に記載の電磁石装置。
前記磁性体は直方体形状である、請求項２に記載の電磁石装置。
前記磁性体は、前記磁極の端部に沿って設けられている、請求項５に記載の電磁石装置。
前記凸部は、直方体形状で突起した部分である、請求項３または４に記載の電磁石装置。
前記ヨーク腕部から前記ヨーク基部へ向かう方向に関して、前記ヨーク基部の幅が、前記磁極の幅の１／４以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の電磁石装置。
磁場強度が１０００ガウス以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の電磁石装置。
前記非磁性層の厚さは、前記ヨーク腕部から前記ヨーク基部へ向かう方向に関して、ヨーク基部からの距離に応じて変化しており、磁路の磁気抵抗の大きさを均一にする、請求項１〜９のいずれかに記載の電磁石装置。
前記非磁性層の厚さは、前記ヨーク基部からの距離に応じて減少する、請求項１０に記載の電磁石装置。
荷電粒子を入射する入射装置と
入射装置が入射した荷電粒子にエネルギーを与えて加速させる加速装置と、
加速装置により加速された荷電粒子を偏向する、請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁石装置と、
偏向された荷電粒子を取り出す取出装置と
を備えた、荷電粒子加速装置。