JP4587967B2 - 荷電粒子加速装置用電磁石装置 - Google Patents

Description

この発明は、研究・医療・工業分野等で用いられる荷電粒子加速装置用電磁石装置に関するものである。

図５は、従来の荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図で、（ｂ）は正面断面図、（ａ）は側面図である。これらの図に示すように、電磁石装置１０は鉄心本体１１と、積層鋼板１２と、積層鋼板１２に巻装されたコイル１４とからなる電磁石と、上記積層鋼板の端部に装着されたステンレス等の端板１３とから構成され、これらがセンターライン１５を含む空隙１６を介して対向配置されている。

１７は端板１３を鉄心本体１１に固定するための固定部である。（例えば非特許文献１参照）。なお、矢印１８は上記空隙における磁場、矢印１９は漏れ磁場を示す。

"ACCELERATORTECHNICAL DESIGN REPORT FOR J−PARC"KEK Report 2002-13,JAERI-Tech 2003-44,J-PARC 03-01 March 2003Ap411-414

次に、従来の荷電粒子加速装置用電磁石装置の動作について説明する。
コイル１４に交流電流を流すことにより、電磁石装置１０の空隙１６に交互に向きが反転する交流磁場１８が生成される。荷電粒子ビームは空隙１６に生成された磁場１８のビーム進行方向に沿った積分値を感じて、その分だけ軌道が曲げられるが磁場１８の向きが反転するため、センターライン１５に沿って図５（ｂ）において左右方向に掃引されることになる。

この交流電磁石装置においては、積層鋼板１２の端部における磁場は矢印１９で示すように、磁石中央部の磁場１８のように平行かつ一様にはならず、端板１３と交差する漏れ磁場１９が生成される。電磁石装置１０の端部からの漏れ磁場１９が端板１３と交差する際に、端板１３には漏れ磁場１９をキャンセルする方向に渦電流が流れ、この渦電流によって端板１３が過熱されるという問題点があった。従って、この渦電流が流れるパスをカットするためにスリット２０を設けていた。

従来の荷電粒子加速装置用電磁石装置においては、積層鋼板１２の端部における漏れ磁場１９について、外部に漏れにくくするような対策は特に施されておらず、端板１３が漏れ磁場１９に起因する渦電流で過熱するような場合には、上述のようにスリット２０を設けていたため、更に磁場が漏れ易くなる状態となっていた。

このため、交流電磁石装置の周辺に非常に微細な電磁場を検出するような荷電粒子ビームモニタ等が配設されている場合には、交流電磁石装置からの漏れ磁場の影響を受けてモニタ等が正常に動作しなくなる場合もあった。

一方、金属で構成された機器が交流電磁石装置の近傍に配設された場合には、その機器も渦電流によって過熱されるという問題点があった。このような問題点を回避するためには、交流電磁石装置に隣接して設置される機器については、漏れ磁場が十分減衰するような距離を確保した位置に設置しなければならず、ビームライン全体が長くなってしまう等、機器構成の配置を行なう上で大きな制約となっていた。

この発明は上記のような問題点に対処するためになされたものであり、電磁石装置の端部からの交流漏れ磁場を効果的に遮蔽して周辺機器が過熱、誤動作等を引き起こすことがない荷電粒子加速装置用電磁石装置を提供することを第１の目的とする。

また、端板の冷却を強化することにより、積層鋼板端部からの交流漏れ磁場を遮蔽し、周辺機器が過熱、誤動作等を引き起こさないようにすると共に、渦電流により端板が過熱されても端板の温度上昇を抑え、強い磁場を発生させることが可能な荷電粒子加速装置用電磁石装置を提供することを第２の目的とする。

更に、端板を導電率及び溶接性のよい材料からなる部材を接合して構成することにより、積層鋼板端部からの交流漏れ磁場を遮蔽し、周辺機器が過熱、誤動作等を引き起こさないようにすると共に、長期間使用しても電磁力による振動に対して固定ボルト等の緩みが発生せず、より信頼性の高い荷電粒子加速装置用電磁石装置を提供することを第３の目的とする。

この発明に係る荷電粒子加速装置用電磁石装置は、所定の空隙を介して配設され、上記空隙に荷電粒子ビームの進行方向と直交する磁場を形成する電磁石と、上記電磁石の両端部に装着された端板とを備え、上記端板を中央寄り部分の漏れ磁場が発生し易い個所に配設される導電性材料からなる部材と、外周部を構成するステンレスの溶接性のよい材料からなる部材とを異材継手により接合して形成すると共に、上記端板に、冷却液が通流される流路を有する冷却ジャケットを設けたものである。

この発明に係る荷電粒子加速装置用電磁石装置は上記のように構成されているため、電磁石装置端部からの交流漏れ磁場を遮蔽して周辺機器の過熱や誤動作等を防止することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図で、（ｂ）は正面断面図、（ａ）は側面図である。これらの図において、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図５と異なる点は、端板１３を導電率の高い電気良導体で構成すると共に、固定ボルト２１によって鉄心本体１１の端面に固定するようにした点である。端板１３の材料としては、例えば銅、アルミ、銀等の金属材料のうち電気伝導度が4×10^７S/ｍ以上のものが適している。

実施の形態１の動作について説明する。電磁石装置１０の端部における磁場は平行かつ一様ではなく、上述したように、端板１３と交差する方向の漏れ磁場１９が発生する。
この場合、端板１３の電気伝導度をσ[S/m]、透磁率をμ[H/m]、交流漏れ磁場の周波数をf[Hz]、表皮深さをδ[m]とすると、表皮深さは
δ＝1/(πfμσ)
で示される。

端板１３と漏れ磁束とが交差する際に交差する磁束を妨げる方向に渦電流が流れるために、δの値が小さいほど、漏れ磁場強度を減衰させることが可能となる。例えば、電磁石装置の端板としてステンレスを使用した場合と、良導体である銅を使用した場合について60Hzの交流磁場に対する遮蔽効果を比較すると次表のようになる。

この表から明らかなように、電気伝導度の良好な材料である銅を端板１３として使用した場合には、表皮深さδを小さくすることができ、同じ厚みのステンレスを使用した場合に比して端板１３から漏れ出す磁場強度を大幅に低減させることが可能となる。

交流電磁石装置を配置できるスペースは制約されていることが多いが、上記のように、端板１３に電気良導体を使用すれば比較的薄い端板であっても効率的に漏れ交流磁場を遮蔽することが可能であり、周辺機器に与える悪影響を低減させることが可能となる。
なお、この実施の形態は、元々の磁場強度がそれほど強くなく、端板自体の発熱が比較的小さい場合に好適である。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図２は、実施の形態２による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図で、（ｂ）は装置の上半分を示す正面断面図、（ａ）は下半分をも含めた側面図である。これらの図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、端板１３に放熱フィン２２を設けて、この放熱フィンを空冷するようにした点である。放熱フィン２２は端板１３に対して垂直方向に複数枚の金属板等を取り付け、放熱面積を増加させることにより効率的に熱を除去する目的で設けられるものである。

実施の形態２の動作について説明する。端板１３に良伝導性材料を使用しているため交流漏れ磁場を効率よく遮蔽できる効果については実施の形態１と同様であるが、漏れ磁場強度Ｂが大きくなってくると渦電流による発熱ＰはＢ^２に比例して大きくなり、過熱が問題になる。

例えば、端板１３の発熱が数Ｗ程度であれば、特に冷却は必要ないが、数１０Ｗ程度になれば冷却を強化する必要がある。このため、実施の形態２では端板１３に放熱フィン２２を取り付け、自然対流空冷により冷却するようにしたものである。なお、放熱フィン２２を冷却するためのファンを設け、強制冷却するようにしてもよい。

このような構成とすることにより、単純な構成で安価に形成することができる。また、冷却水等を必要としないため、断水となった場合の電磁石装置励磁停止等のインターロックを設ける必要もなく、システムが簡便であるため、本質的に安全であるという利点を有する。

実施の形態２によれば、電磁石装置端部からの漏れ磁場を遮蔽することができるのに加えて、比較的簡便な構造により実施の形態１よりも大きな交流磁場を電磁石装置内部において発生させることが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態３による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図で、（ｂ）は装置の上半分を示す正面断面図、（ａ）は下半分をも含めた側面図である。これらの図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、端板１３を冷却することを目的として、端板１３に、冷却水（冷却液）が通流される流路を有する水冷ジャケット２３（冷却ジャケット）を設けた点である。水冷ジャケット２３には配管２４が接続され、配管２４を経て冷却水が供給される。

実施の形態３の動作について説明する。端板１３に良伝導性材料を使用しているため交流漏れ磁場を効率よく遮蔽できる効果については実施の形態１及び２と同様であるが、磁場強度が更に大きくなり、100Ｗ程度を超えるようになると自然空冷だけでは冷却が困難となり、更に効率の良い冷却方法に変更する必要がある。

このため、実施の形態３では端板１３に水冷ジャケット２３を取り付けると共に、配管２４を経て冷却水を供給することにより発熱部を直接水冷することで実施の形態２よりも更に効率的に冷却するようにしたものである。この結果、実施の形態２よりも更に大きな磁場まで励磁することが可能となり、装置全体の小型化を実現することが可能となる。

実施の形態３によれば、電磁石装置端部からの漏れ磁場を遮蔽することができるのに加えて、実施の形態２よりも大幅に大きな交流磁場を電磁石装置内部において発生させることが可能となる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図４は、実施の形態４による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図で、（ｂ）は装置の上半分を示す正面断面図、（ａ）は下半分をも含めた側面図である。これらの図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、端板１３を２つ以上の異なる材料からなる部材を接合して形成した点である。

即ち、漏れ磁場が発生し易い個所に配設される導電性材料からなる部材２５と、その他の個所に配設される溶接性の良い材料からなる部材２６とを接合部２７で接合して形成するようにしたものである。より具体的には、端板１３の中央寄りの部分に導電性の部材を用い、端板１３の外周部に鉄心本体１１との溶接性がよい部材を用いたものである。

実施の形態４の動作について説明する。上述した実施の形態１〜３においては、いずれも端板１３をボルト２１によって鉄心本体１１に固定していた。これは、端板１３を構成している良伝導性材料として例えば銅やアルミニウム等を採用しているのに対し、鉄心本体１１の材料は構造用炭素鋼等が使用され、熱伝導が銅、アルミ等と比較して悪いため両者の熱伝導率が異なる結果、両者を溶接すると溶接部での溶け込み量に大きな差ができて溶接が困難となるためである。

しかし、ボルト固定の場合には、交流電磁場が発生することによる繰り返しの電磁力によってボルトが緩んでくるという問題点があるため、端板１３と鉄心本体１１とは、やはり溶接による固定が望ましい。

実施の形態４は、このような問題点を解決しようとするものである。即ち、端板１３のうち、鎖交する交流磁場が比較的大きく、漏れ磁場が発生し易い磁極先端部分（端板１３の中央寄りの部分）については、実施の形態１と同様に良伝導性材料からなる部材２５で構成し、電磁石装置の鉄心本体１１と固定する部分（端板１３の外周部）については、良溶接性材料からなる部材２６、例えばステンレスで構成し、両者を異材継手２７、例えばロウ付け、HIP(Hot Isostatic Press=熱間当方圧)等の工法により接合して端板１３を形成し、鉄心本体１１に対しては符号２８で示すように、溶接固定するものである。

実施の形態４によれば、良伝導性材料からなる部材２５によって電磁石装置端部からの漏れ磁場を遮蔽することができると共に、良溶接性材料からなる部材２６によって鉄心本体１１と強固に溶接固定することができるため、長期間使用しても電磁力による振動に対して緩みが発生せず、信頼性の高い荷電粒子加速装置用電磁石装置を提供することが可能となる。

なお、実施の形態４においても、実施の形態２及び３と同様に、放熱フィンや水冷ジャケットを取り付けて端板１３を冷却するようにすれば、更に大きな交流磁場を電磁石装置内部において発生させることが可能となる。

この発明の実施の形態１による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態２による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態３による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態４による荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図である。 従来の荷電粒子加速装置用電磁石装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ 電磁石装置、 １１ 鉄心本体、 １２ 積層鋼板、 １３ 端板、
１４ コイル、 １５ センターライン、 １６ 空隙、 １７ 固定部、
１８ 磁場、 １９ 漏れ磁場、 ２１ 固定ボルト、 ２２ 放熱フィン、
２３ 水冷ジャケット、 ２４ 配管、 ２５、２６ 部材、 ２７ 接合部、
２８ 溶接部。

Claims (1)

1. 所定の空隙を介して配設され、上記空隙に荷電粒子ビームの進行方向と直交する磁場を形成する電磁石と、上記電磁石の両端部に装着された端板とを備え、上記端板を中央寄り部分の漏れ磁場が発生し易い個所に配設される導電性材料からなる部材と、外周部を構成するステンレスの溶接性のよい材料からなる部材とを異材継手により接合して形成すると共に、上記端板に、冷却液が通流される流路を有する冷却ジャケットを設けたことを特徴とする荷電粒子加速装置用電磁石装置。

Images