JP4543182B2

JP4543182B2 - 電磁石の励磁方法及びパルス電磁石システム

Info

Publication number: JP4543182B2
Application number: JP2007071350A
Authority: JP
Inventors: 英滋中村
Original assignee: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP2008234938A

Description

本発明は、磁性体を高速に強磁場化すると共にその磁場を消滅させる高速強磁場化方法及びパルス電磁石システムに関する。

現在、素粒子実験、原子核実験、核医学（放射線治療等）等の分野では、高エネルギー粒子線加速器の利用が図られている。従来の高エネルギー粒子線加速器は、高エネルギーの荷電粒子の軌道を偏向させるために、軌道偏向用のパルス電磁石を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。

図８は、従来のパルス電磁石の構成例を示す図である。
鉄心枠１１の内周に珪素鋼板を積層したヨーク１を配置し、珪素鋼板を積層したＣ型のヨーク１の開口部２に、一巻のコイル、つまりセプタムコイル３及びリターンコイル４が巻装された構成となっている。また、開口部２におけるセプタムコイル３近傍には、導電性板６がセプタムコイル３とは接触せずにそれぞれ独立に設けられている。そして、開口部２に発生する磁場により、ビームダクト５の偏向部でのビームの取り出しを行うようになっている。ビームダクト５中の９は出射軌道を示しており、１０はバンプ軌道を示している。また、セプタムコイル３に流れる電流により発生する熱を除去するために、鉄心枠１１の外側には冷却管１２が設けられている。

ところで、小型の粒子加速器で加速された高エネルギー荷電粒子を外部に取り出して利用する場合、大強度の磁場が必要である。発生する磁場強度はパルス電磁石の開口部２のサイズに反比例し、セプタムコイルに流れる電流に比例する。一方、開口部２のサイズは荷電粒子のビームサイズにより決まるので、開口部２のサイズを小さくするには限度がある。従って、発生磁場強度を高めるためには、セプタムコイル３に流す電流を増加させなければならないことになる。

上述のような荷電粒子の軌道偏向を行うためには、まず、セプタム電磁石のバンプ軌道１０からセプタム電磁石の開口部２に荷電粒子の軌道を瞬間的に偏向させなければならない。この役割を果すのが、パルス電磁石の中でも最高速偏向が可能なキッカー電磁石システムである。キッカー電磁石システムは周回軌道上に存在するため、軌道偏向を行う以外の殆どの時間帯は、出力があると周回軌道を妨げてしまうため、出力が出てはいけない。したがって、キッカー電磁石システムは磁場のオン／オフが明瞭である必要がある。

ヨーク１等に用いられる軟磁性材料の磁性体であっても、励磁電流を増大して飽和点を超えた大きな外部磁場（不可逆領域）を印加した場合には、励磁電流をオフした後も磁化されたままの状態が維持されてしまう。このため、従来の磁化方法では、磁性体の飽和点に近づくと励磁電流のオン／オフによる磁力の変化幅を十分に確保できなかった。

そのため、従来の電磁石の磁場化方法では、磁性体の飽和点付近に比べて大きな変化幅を確保できる動作領域として、磁性体の飽和点から十分に離れていて磁力曲線の傾きが大きい可逆領域を用いていた。
特開平８−２８８１２６号公報

しかしながら、従来の電磁石の磁場化方法では、磁性体の飽和点から十分に離れていて磁力曲線の傾きが大きい可逆領域を動作領域としていたので、励磁電流の大きさが制限されることとなり、励磁電流を供給して所望の強磁場が得られるまでの所要時間（立上がり時間）をこれ以上短縮するのは困難であった。

また、従来の電磁石の磁場化方法では、磁力曲線の傾きが大きい可逆領域の一部しか利用していないため、磁力の変化幅もこれ以上大きくすることは困難であった。

本発明は、所要の強磁場が得られるまでの立ち上がり時間を大幅に短縮することができると共に励磁電流のオン／オフによる磁力の変化幅を拡大でき、しかも大幅な小型化が可能な電磁石の高速強磁場化方法及びパルス電磁石システムを提供することを目的とする。

本発明の電磁石の励磁方法は、励磁電流の大きさに比例して発生磁力もリニアに増大する可逆領域と、前記励磁電流をオフした後も磁化された状態が維持される不可逆領域と、前記可逆領域と前記不可逆領域の間にある可逆な中間領域を有する磁性体に沿って配設した励磁導体にパルス状の励磁電流を流して磁場の発生と消滅を１μ秒前後の時間で引き起こす電磁石の励磁方法であって、前記励磁電流の電流値を前記磁性体の可逆な中間領域に設定して当該磁性体を励磁することを特徴とする。

本発明の電磁石の高速強磁場化方法によれば、磁性体の飽和点付近の可逆領域を動作領域とするので、所要の強磁場が得られるまでの立ち上がり時間を大幅に短縮することができると共に励磁電流のオン／オフによる磁力の変化幅を拡大でき、しかも大幅な小型化が可能である。

本発明のパルス電磁石システムは、励磁電流の大きさに比例して発生磁力もリニアに増大する可逆領域と、前記励磁電流をオフした後も磁化された状態が維持される不可逆領域と、前記可逆領域と前記不可逆領域の間にある可逆な中間領域を有し、且つ磁場が発生する間隙部を有する磁性体ブロックと、前記磁性体ブロックの間隙に沿って配設された励磁導体と、前記励磁導体にパルス状の励磁電流を印加する高電圧パルス発生手段とを備え、前記励磁電流の電流値を前記磁性体の可逆な中間領域に設定して当該磁性体ブロックを励磁することを特徴とする。

上記電磁石の励磁方法及びパルス電磁石システムにおいて、前記磁性体の飽和点付近の可逆領域は、励磁電流の増大に対して磁力増大率が減少し始める磁性体飽和開始点以上の動作領域であることが望ましい。また、パルス状の励磁電流の周期は、磁性体の高周波損失が顕著にならない程度の１ＫＨｚ未満であることが望ましい。

本発明によれば、所要の強磁場が得られるまでの立上がり時間を大幅に短縮することができると共に励磁電流のオン／オフによる磁力の変化幅を拡大でき、しかも大幅な小型化が可能である。

本発明者は、磁性体に磁場を発生させる励磁電流の周期が、１ＫＨｚ未満であれば励磁電流の電流値を磁性体の飽和点付近まで増大しても励磁電流をオフしたときに出力が０又は０近傍まで戻ることを発見した。すなわち、従来は動作領域として使用できないとされていた領域が、磁性体の励磁周期によっては励磁電流の電流値を磁性体の飽和点付近まで上げることが可能であり、それに伴い立ち上げ時間の高速化及び高磁場化が可能であることが判明した。
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施の形態に係る高速磁場化方法において用いるパルス電磁石の動作領域について、図１を参照して説明する。

図１はパルス電磁石における励磁電流と発生磁力との関係を示す図である。同図に示すように、励磁電流の増大に対して磁力増大率が減少し始める磁性体飽和開始点Ｐ１までは励磁電流の大きさに比例して発生磁力もリニアに増大している。そして、磁性体飽和開始点Ｐ１から励磁電流をオフしても磁場の消滅が認められなくなる永久磁石化開始点Ｐ２までの領域（本明細書では「ＯＣＥＭ領域(Over-Current Excitation Method)」と呼称する）では磁力曲線の傾きが緩やかになり、永久磁石化開始点Ｐ２以降は励磁電流を大きくしてもほとんど発生磁力が変化しない状態となる。すなわち、磁性体飽和開始点Ｐ１までは従来の磁場化方法でも励磁電流をオフすれば磁性体の磁力が無くなり、磁性体飽和開始点Ｐ１から永久磁石化開始点Ｐ２までは従来の磁場化方法では励磁電流をオフしても磁性体に磁力が残るが可逆性が認められる可逆領域である。また、永久磁石化開始点Ｐ２以降は磁性体が永久磁石化して励磁電流をオフしても磁性体が元の磁力を出力しない状態とはならない不可逆領域である。従来方法では、可逆領域でも磁力線の傾きが大きい励磁電流＝５ＫＡ未満の動作領域（Ａ）を用いていた。以下の説明では動作領域（Ａ）のことを従来領域と呼称する。

本実施の形態では、磁性体飽和開始点Ｐ１から永久磁石化開始点Ｐ２までの励磁電流が大きく、磁力線曲線の傾きが小さいＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いるものとする。ＯＣＥＭ領域（Ｂ）は励磁電流が９ＫＡ〜２０ＫＡと大きく、発生磁力も従来領域（Ａ）に比べて数倍大きな値が得られる。

図２は本実施の形態のパルス電磁石の断面図である。
磁性体ブロック２１は高電気抵抗フェライト材から構成されている。磁性体ブロック２１は全体として四角形の筒状体をなしており、中央空隙部２２は励磁導体としてのセプタムコイル２３及びリターンコイル２４が挿通されている。高エネルギー粒子線加速器に適用した場合には、中央空隙部２２の中央がビーム軌道Ｐとなる。

図３はパルス電磁石の励磁導体（２３，２４）に励磁電流を流すためのシステム構成図である。高電圧パルス発生器３０は、0.1μ秒の立上り時間を有し1.3μ秒の時間長で最大２０ＫＡのパルス電流を発生させる能力を備える。高電圧パルス発生器３０で発生させたパルス電流をパルス伝送線３１経由でパルス電磁石のコイル２３の一端に印加するように構成している。なお、コイル２３の他端はリターンコイル２４の一端に接続され、リターンコイル２４の他端がグラウンドに接続された状態を示している。磁性体ブロック２１は、パルス電磁石の動作領域が図１のＯＣＥＭ領域（Ｂ）となるように寸法が調整される。なお、本実施形態では上記パルス電流に耐え得るような磁性体としてフェライト材を用いている。

従来領域（Ａ）を用いる従来型のパルス電磁石とＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いて本実施の形態のパルス電磁石との高速特性の比較結果について説明する。

図４に示す出力特性を測定するために用いた従来型のパルス電磁石及び本実施の形態のパルス電磁石の基本構造及びパラメータは図５の基本設計例に示す通りであり、出力高速特性及び磁性体寸法の実測値を図６に示す。なお、従来型のパルス電磁石は最も強い磁場を発生可能な分布定数、全反射電流利用型を用いた。また、励磁電流のパルス幅は１．３μ秒とした。

図４及び図６に示すように、従来型のパルス電磁石で従来領域（Ａ）を用いて励磁した場合、最大出力が得られるまでの時間（立ち上がり時間）は０．９６９μ秒である。これに対してＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いて励磁した場合、最大出力が得られるまでの時間（立ち上がり時間）は０．４６７μ秒であり、本実施の形態の方が立ち上がり時間を約２倍も高速化できていることが判る。

また、ＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いる本実施の形態により、従来領域（Ａ）を用いる従来型のパルス電磁石と同等の出力を得ようとすると、図６に示すように磁性体寸法を大幅に縮小できることが判る。

図７は従来型のパルス電磁石と本実施の形態のパルス電磁石とを、磁性体ブロックの中央空隙部に発生させる磁場性能が同等である条件で設計した場合の、寸法比較図である。同図（ａ）は従来型のパルス電磁石を示し、同図（ｂ）は本実施の形態のパルス電磁石を示している。同図に示すように、従来型のパルス電磁石は高速性能を達成させるために磁性体ブロック４０の外周に大きな金属電極板４１が必要となる。一方、本実施の形態では金属電極板４１が不要であるのと同時に、ＯＣＥＭ領域での使用となり磁性体ブロック２１そのものの体積を減らす事ができる。このため、本実施例では従来型のパルス電磁石に比べて全体の寸法を大幅に縮小することができる。

また、図４に示す出力波形は比較のため上部平坦部の値で正規化されているが、ＯＣＥＭ領域（Ｂ）使用時の最大出力（上部平坦部）は０．３Ｔであり、従来領域（Ａ）使用時の最大出力は０．１Ｔであった。すなわち、ＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いることにより、従来領域（Ａ）使用する場合に比べて３倍も強い磁力を実現することができる。

以上のように、本実施の形態は、ＯＣＥＭ領域（Ｂ）を用いてパルス電磁石を高速磁場化するようにしたので、従来領域（Ａ）使用するパルス電磁石に比べて、最大出力が得られるまでの立ち上がり時間を大幅に短縮することができると共に励磁電流を印加した時の最大出力とオフしたときの出力（例えば０）との幅である磁力変化幅を拡大できる。しかも、磁性体ブロック自体及びパルス電磁石全体を大幅に縮小することができる。

以上の説明では高エネルギー粒子線加速器において荷電粒子の進行方向を曲げるのに好適なパルス電磁石及びその高速強磁場化方法について説明したが、本発明は高エネルギー粒子線加速器以外にも極めて短い時間（１μ秒前後のオーダー）で磁力の発生と消滅を繰り返す用途であれば適用可能である。

本発明は、磁性体を高速に強磁場化すると共にその磁場を消滅させるパルス電磁石システムに適用可能である。

本実施の形態で使用するＯＣＥＭ領域及び従来使用している従来領域対比して示す発生磁力−励磁電流の特性図本実施の形態のパルス電磁石の断面図パルス電磁石の励磁導体に励磁電流を流すためのシステム構成図従来型のパルス電磁石及び本実施の形態のパルス電磁石による出力特性の比較例を示す出力特性図従来型のパルス電磁石及び本実施の形態のパルス電磁石の基本構造及びパラメータの基本設計例に示す図従来型のパルス電磁石及び本実施の形態のパルス電磁石の出力高速特性及び磁性体寸法の実測値を示す図従来型のパルス電磁石と本実施の形態のパルス電磁石との寸法比較図従来型のパルス電磁石の構成図

符号の説明

１…ヨーク
２…開口部
３…セプタムコイル
４…リターンコイル
５…ビームダクト
６…導電性板
１０…バンプ軌道
１１…鉄心枠
１２…冷却管
Ｐ１…磁性体飽和開始点
Ｐ２…永久磁石化開始点
２０…パルス電磁石
２１…磁性体ブロック
２２…中央空隙部
２３…コイル
２４…リターンコイル

Claims

励磁電流の大きさに比例して発生磁力もリニアに増大する可逆領域と、前記励磁電流をオフした後も磁化された状態が維持される不可逆領域と、前記可逆領域と前記不可逆領域の間にある可逆な中間領域を有する磁性体に沿って配設した励磁導体にパルス状の励磁電流を流して磁場の発生と消滅を１μ秒前後の時間で引き起こす電磁石の励磁方法であって、
前記励磁電流の電流値を前記磁性体の可逆な中間領域に設定して当該磁性体を励磁することを特徴とする電磁石の励磁方法。
前記磁性体の可逆な中間領域は、励磁電流の増大に対して磁力増大率が減少し始める磁性体飽和開始点から前記不可逆領域の開始点までの間の領域であることを特徴とする請求項１記載の電磁石の励磁方法。
前記パルス状の励磁電流の周期は、１ＫＨｚ未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電磁石の励磁方法。
前記パルス状の１μ秒程度の時間長の励磁電流により、最大出力が０．３[Ｔ]、最大出力に達するまでの所要時間が０．４μ秒であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電磁石の励磁方法。
励磁電流の大きさに比例して発生磁力もリニアに増大する可逆領域と、前記励磁電流をオフした後も磁化された状態が維持される不可逆領域と、前記可逆領域と前記不可逆領域の間にある可逆な中間領域を有し、且つ磁場が発生する間隙部を有する磁性体ブロックと、前記磁性体ブロックの間隙に沿って配設された励磁導体と、前記励磁導体にパルス状の励磁電流を印加する高電圧パルス発生手段とを備え、前記励磁電流の電流値を前記磁性体の可逆な中間領域に設定して当該磁性体ブロックを励磁することを特徴とするパルス電磁石システム。