JP4697961B2 - 粒子線加速器用永久磁石および磁界発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝される環境で使用される永久磁石に関しており、特に、物性研究に使われるシンクロトロンや、放射線医療の分野で使われるサイクロトロンなどに用いることができる粒子線加速器用永久磁石に関している。また、本発明は、このような永久磁石を複数備えた磁界発生装置に関している。

粒子線加速器には、物性研究のための高エネルギー粒子線の発生に使われるシンクロトロンや、ガン検診に使われる放射性同位体を製造するための小型のサイクロトロンなとがある。最近では、診断だけでなく、陽子線をガン患者の患部に直接照射する放射線治療にも加速器が用いられ始めている。
粒子線加速器は、粒子線を入射させる機構、電荷をもつ粒子に高周波電場を加えて加速するための機構、および粒子線を所望の方向に偏向させるための磁界を印加する機構を備えている。
例えばシンクロトロンの場合は、主リングまたは蓄積リングと呼ばれる環状の軌道内で粒子線を走らせるための偏向磁界、軌道内の粒子線を収束させるための収束磁界、および、主リングへの粒子線の入射または主リングからの粒子線の取り出しのための偏向磁界が用いられる。一方、サイクロトロンの場合では、粒子線が渦巻き状に加速するための均一な静磁界が用いられる。
従来、シンクロトロンおよびサイクロトロンのいずれについても、上記の磁界は、電磁石によって発生させられていた。
粒子線加速器には、収束磁界のように原理的に磁界強度を可変とすることによって調整可能にしなければならない箇所もある一方、運転中は一定の静磁界が必要な箇所もある。シンクロトロンのビーム取出口では、主リングまたは蓄積リング中を走る粒子線に「キッカー磁石」と呼ばれる電磁石でパルス状の磁界を与えて粒子線のコースをわずかに変化させる。その粒子線は、更に「セプタム磁石」と呼ばれる電磁石によって大きく偏向されることになる。このようなセプタム磁石は、大きくて均一な静磁界を形成することが求められるとともに、粒子加速器の主リングの近くに設置されるため、セプタム磁石が強磁界を発生する空間（磁界発生空間）から外部の領域へ漏洩する磁界を可能な限り小さくする（例えば５ｍＴ以下）ことが必要である。
なお、サイクロトロンの場合は、前述のように、均一な静磁界を形成することが必要であるが、加速粒子として陽子を使用する場合、陽子は電子に比べて質量が大きいため、陽子を偏向するために１．０Ｔ以上の強い静磁界が必要とされる。
粒子線加速器用に用いられる磁石については、特開昭６４−７２５０２号公報、特開平８−２５５７２６号公報、特開２００１−２８３００号公報、特開２００３−３０５０２１号公報などに記載されている。
前述のように、粒子加速器用に用いられる電磁石は強い磁界を発生することが求められるため、動作に際して電磁石のコイルに大電流を流す必要がある。
しかし、コイルに大電流を流すと、コイルで発生するジュール熱が多大になるため、この熱を速やかに取り除く必要があり、そのためにコイル周辺に冷却機構を設ける必要がある。
更に、電磁石を用いる場合、電磁石の発生する断続的な強い磁界のため、電磁石を構成する各部材が破損しやすいという問題もある。また、電磁石に用いられる大量のヨーク材は、主として鉄からなるため、ビームラインから発生する放射線の照射によって放射化されやすい。放射化とは、加速粒子線などを照射された物質の一部が放射性核種に転換されて、自ら放射能を持つようになる現象である。ヨーク材が放射化されてしまうと、電磁石のメインテナンスのために作業者が電磁石に接近することが困難になる。
このように、粒子加速器に電磁石を用いる場合に生じる種々の問題を避けるため、電磁石に代えて永久磁石を用いることが可能である。例えば、米国のフェルミ研究所における粒子加速器の蓄積リングには、ハードフェライト磁石が採用されている。ハードフェライトは、小型のままでは強い偏向磁界（例えば約２Ｔ）を発生することができず、小型の粒子加速器を病院などに普及させることができなくなる。
２−１７系ＳｍＣｏ焼結磁石は、放射線照射による減磁が少なく、最大エネルギー積が２４０ｋＪ／ｍ^３を超える高性能磁石である。このため、粒子加速器のための強い磁界を発生するために、２−１７系ＳｍＣｏ焼結磁石を用いることも可能である。しかし、この磁石の主要成分であり、かつ必須元素でもあるＣｏには、放射化しやすいという欠点があり、メインテナンスを考えると加速器への採用は難しい。
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石は、最大エネルギー積が３２０ｋＪ／ｍ^３を超える高性能を発揮し得るため、加速器の小型化に威力を発揮、放射化も２−１７系ＳｍＣｏ焼結磁石と比較して生じにくい利点がある。しかし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石は、放射線の照射によって減磁しやすいという欠点を有している。
図１を参照しながら、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石が放射線照射によって減磁するメカニズムを説明する。図１は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の一部を拡大した模式図である。図中の○は、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶を構成する原子を示している。相対的に小さな●は、エネルギーＥ_Ｏの放射線（高エネルギー粒子）を示しており、この粒子は、矢印に沿って飛行し、領域Ｒの中心に位置する原子に衝突するものとする。なお、放射線は、陽子線、中性子線、アルファ線、ベータ線、重イオン粒子線のような粒子線であってもよいし、ガンマ線、Ｘ線のような電磁波であってもよい。
図１に示すように、放射線がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石における原子内の原子核に衝突すると、衝突された原子がはじき飛ばされる場合もあるが、多くの場合、原子は弾き飛ばされず、入射エネルギーＥ_Ｏが熱として磁石に吸収され、衝突原子の周辺における格子振動を増大させる。その結果、領域Ｒで局所的な温度上昇が生じる。放射線のエネルギーＥ_Ｏが領域Ｒに吸収される前の温度をＴ_Ｌ、吸収後の温度をＴ_Ｈとすると、温度上昇の大きさは、ΔＴ＝Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｌで表され、エネルギーＥ_Ｏに比例する。放射線照射後の温度Ｔ_Ｈが磁石のキュリー温度Ｔ_Ｃよりも高くなる場合、磁石の保磁力Ｈ_ｃＪや領域Ｒのパーミアンス係数Ｐ_Ｃの大きさにかかわらず、領域Ｒは冷却過程で磁化反転をおこす。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保磁力発現メカニズムは、ニュークリエーション型であるため、領域Ｒが磁気反転を引き起こすと、領域Ｒを含む１つの結晶粒の全体が磁化反転を起こすことになる。このような磁化反転は、放射線の照射量が増えるにつれ、焼結磁石のあらゆる領域（結晶粒）で進行し、やがては焼結磁石の全体が大きく減磁する。
このようにして減磁が進むと、一定の強力な磁界を発生させることができず、したがって、従来のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を用いて粒子線加速器用磁界発生装置を作製することは実用化に至っていない。
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いながら放射線照射によっても減磁しにくい粒子線加速器用永久磁石および磁界発生装置を提供することにある。

本発明の粒子線加速器用永久磁石は、吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝される環境で使用される粒子線加速器用永久磁石であって、Ｒ（希土類元素のうちの少なくとも１種）、Ｂ（硼素）、およびＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、パーミアンス係数が０．５以上の着磁状態にあり、かつ保磁力Ｈ_ｃＪが１．６ＭＡ／ｍ以上の焼結磁石である粒子線加速器用永久磁石。
好ましい実施形態において、前記焼結磁石の組成比は、Ｒ：２５．０〜４０．０質量％、Ｂ：０．８〜１．２質量％、不可避的に含まれる不純物元素、およびＴＭ：残部である。
好ましい実施形態においては、ＲがＮｄおよび／またはＰｒを必須元素として含む。
好ましい実施形態においては、ＲがＤｙおよび／またはＴｂを更に含む。
好ましい実施形態においては、ＴＭが磁石全体の１．０質量％以下のＣｏを含む。
本発明の磁界発生装置は、吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝される環境で使用される磁界発生装置であって、磁界発生空間を形成するように略環状に配置された複数の永久磁石を備えており、前記永久磁石は、Ｒ（希土類元素のうちの少なくとも１種）、Ｂ（硼素）、およびＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、パーミアンス係数が０．５以上の着磁状態にあり、かつ保磁力Ｈ_ｃＪが１．６ＭＡ／ｍ以上の焼結磁石である。
好ましい実施形態において、前記焼結磁石の組成比は、Ｒ：２５．０〜４０．０質量％、Ｂ：０．８〜１．２質量％、不可避的に含まれる不純物元素、およびＴＭ：残部である。
好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石は、前記磁界発生空間を挟んで対向する第１磁石および第２磁石を含み、前記第１磁石および第２磁石は、前記磁界発生空間の中央部を通る直線であって前記中央部における磁界方向に平行な直線に沿って配列されている。
好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石によって構成される磁石体の形状は、前記直線を含む第１の平面に関して略対称であるが、前記直線を含み前記第１の平面に垂直な第２の平面に関しては非対称である。
好ましい実施形態において、前記磁石体の外周面の少なくとも一部は強磁性体によって覆われている。
好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石は、前記第１磁石を挟みこむ位置に配置された第３磁石および第４磁石と、前記第２磁石を挟みこむ位置に配置された第５磁石および第６磁石とを含み、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第３磁石のサイズは、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第４磁石のサイズより小さく、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第５磁石のサイズは、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第６磁石のサイズより小さい。
好ましい実施形態において、前記磁界発生空間に形成される磁界の強度を変化させるための付加的な磁石をさらに備え、前記付加的な磁石は、前記複数の永久磁石の少なくとも一部と磁気的に結合する可動磁気回路部分を形成し、かつ、前記磁界発生空間に対する相対位置関係が可変に調節できるように保持されている。
好ましい実施形態において、前記可動磁気回路部分は、複数の磁石を構成要素として含み、前記複数の磁石は水平方向に移動可能である。
好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石は、前記第４磁石と前記第６磁石との間に配置された第７磁石を含んでいる。
好ましい実施形態において、前記永久磁石の温度を室温よりも低い温度に保持する機構を更に備えている。
好ましい実施形態において、前記第１磁石および前記第２磁石の対向面には、前記第２の平面からの距離に応じて厚さが変化する強磁性体が設けられている。
好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石の各々は、直方体形状を有している。
本発明の粒子線加速器は、上記のいずれかの磁界発生装置と、前記磁界発生装置と放射線飛来源との間に配置された厚さ０．１ｍｍ以上の遮蔽板とを備えている。

図１は、放射線に被曝した磁石の結晶構造を表す模式図である。図中の丸印は、磁石を構成する原子を表している。
図２は、本発明の永久磁石が好適に用いられる粒子線加速器の構成を模式的に示している図である。
図３は、永久磁石を用いたセプタム磁石の構造を示す模式的斜視図である。
図４は、図３に示す構成の改変例を示す斜視図である。

図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図２は、本発明の永久磁石が好適に用いられる粒子線加速器の構成を模式的に示している。
図２の粒子線加速器は、少なくとも、粒子線を加速するための主リングＭＲと、主リング中を走る粒子線に対してパルス状の磁界を及ぼすキッカー磁石Ｋと、キッカー磁石Ｋによって主リング内のコースから分離させられた粒子線を更に偏向するためのセプタム磁石Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とを備えている。
主リングＭＲやキッカー磁石Ｋの構成は、従来のものと同様であり、本実施形態で特徴的な点は、セプタム磁石の構成にある。このため、以下においては、セプタム磁石について、その詳細を説明する。
図３を参照する。図３は、セプタム磁石Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の少なくとも１つ（好ましくは全てのセプタム磁石）に用いられる本実施形態の磁界発生装置を示している。図３には、ＸＹＺ座標が示されている。この座標の原点は、ビームトランスポートラインが通る磁界発生空間の中央に位置しているものとする。Ｚ軸方向は、ビームトランスポートライン内を飛行する粒子に及ぼされる磁界の向きに平行であり、Ｙ軸方向は、ビームトランスポートライン内を飛行する粒子の進行方向に平行である。Ｘ軸方向は、ビームトランスポートライン内を飛行する粒子が陽子である場合に、その陽子に及ぶ力の向きに平行である。なお、粒子が電子などの負に荷電した粒子である場合、図３の磁界発生装置の構成のままでは、その粒子に及ぶ力がＸ軸方向に対して反平行となる。この磁界発生装置は、粒子に対してビームラインから離れる方向に力を付与する必要があるため、負に荷電している粒子の場合は、各永久磁石の磁化方向を反転し、磁界発生空間に形成する磁界の向きを−Ｚ軸方向に一致させる必要がある。
本実施形態の磁界発生装置は、主リング内のビームラインの近くに配置され、かつ、ビームラインから分離したビームトランスポートラインに対して強い偏向磁界を付与するため、ビームトランスポートラインを取り囲むようにして複数の永久磁石が略リング状に配置されている。
この磁界発生装置を構成する永久磁石は、何れも、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石であり、Ｒ（希土類元素のうちの少なくとも１種）、Ｂ（硼素）、およびＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有している。好ましい形態では、Ｒ：２５．０〜４０．０質量％、Ｂ：０．８〜１．２質量％、ＴＭ：残部、および、不可避的に含まれる不純物元素を含有している。また、本実施形態の磁石は、パーミアンス係数が０．５以上の着磁状態にあり、かつ、保磁力Ｈ_ｃＪが１．６ＭＡ／ｍ以上である。この永久磁石の組成や磁気特性などの詳細については、後述し、ここでは、この永久磁石によって構成される磁気回路を説明する。
さらに、上記の永久磁石を用いて磁気回路を形成した後、高温下にさらされると、磁界の均一度が低下する可能性がある。このような磁界均一度の低下を防止するためには、特開２００３−３０５０２１号公報に開示されている熱処理（例えば４０〜７０℃の加熱処理）を上記永久磁石に対して施しておくことが好ましい。
本実施形態の磁界発生装置は、それぞれが直方体形状を有する７つの永久磁石領域から構成され、これらの永久磁石を磁界発生空間の周りに略リング状に配列することによってハルバッハ型磁界回路に類似した磁気回路が形成されている。なお、各磁石領域は、図３に示す磁気回路を形成する複数の永久磁石のうち、第１磁石領域Ａおよび第２磁石領域Ｂは、磁界発生空間を挟んで対向しており、磁界発生空間の中央部を通る直線（Ｚ軸）に沿って配列されている。
第３磁石領域Ｃおよび第４磁石領域Ｄは、第１磁石領域Ａを挟みこむようにして第１磁石領域Ａの両側に配置され、第５磁石領域Ｅおよび第６磁石領域Ｆは、第２磁石領域Ｂを挟みこむようにして第２磁石領域Ｂの両側に配置されている。また、第４磁石領域Ｄと第６磁石領域Ｆとの間には、第７磁石領域Ｇが配置されている。
第１磁石領域Ａおよび第２磁石領域Ｂの磁化方向は、磁界発生空間の中央部に形成する磁界の方向と一致し、Ｚ軸方向を向いている。これに対し、第３磁石領域Ｃおよび第６磁石領域Ｆの磁化方向はＸ軸方向を向き、第４磁石領域Ｄおよび第５磁石領域Ｅの磁化方向は−Ｘ軸方向を向いている。第７磁石領域Ｇの磁化方向は−Ｚ軸方向を向き、第１磁石領域Ａおよび第２磁石領域Ｂの磁化方向とは反平行の関係にある。
このように７つの永久磁石領域Ａ〜Ｇは、中央部に磁界発生空間を形成するように略リング状に配列されているが、完全なリング状構造は形成されおらず、ビームラインとビームトランスポートラインとの間には永久磁石の存在しない部分が設けられている。このため、図３に示す磁石体（磁気回路）は、厳密な意味では「ハルバッハ型」でなく、ギャップを有する「Ｃ型（コの字型）」の構造を有していることになる。
磁界発生空間の中央を通る前記の直線（Ｚ軸）を含む第１の平面（ＸＺ面）と、このＺ軸を含み第１の平面に垂直な第２の平面（ＹＺ面）を仮想的に考えると、７つの永久磁石領域Ａ〜Ｇによって構成される磁石体（磁器回路）の形状は、第１の平面（ＸＺ平面）に関して略対称であるが、第２の平面（ＹＺ面）に関しては非対称である。すなわち、ＹＺ面に垂直な方向（Ｘ軸方向）に沿って計測した第３磁石領域Ｃおよび第５磁石領域Ｅのサイズ（Ｘ方向サイズ）は、第４磁石領域Ｄおよび第６磁石領域ＦのＸ方向サイズより小さくなるように設計されている。
このような左右非対称構造の磁気回路を採用する理由は、ビームラインとビームトランスポートラインとの間の距離が小さい場合においても、強力な磁界を発生させるためである。図２に示すセプタム磁石Ｓ１は、主リングＭＲに最も近い位置に置かれるが、従来のハルバッハ型構造の磁器回路を採用したならば、このような位置に置くことは困難になる。これに対し、本実施形態の構成によれば、図３に示す構成の磁界発生装置をセプタム磁石Ｓ１に用いることが可能となる。なお、各磁石領域は、より小型の磁石体を重ね合わせたものであってよい。
磁界発生空間の磁界強度を変化させるため、図４に示すような可動磁気回路部分を形成するように他の永久磁石を付加しても良い。図４に示す可動磁気回路部分は、第８磁石領域Ｈ、第９磁石領域Ｉ、第１０磁石領域Ｊ、および第１１磁石領域Ｋを有している。第８磁石領域Ｈおよび第９磁石領域Ｉは、それぞれ、第１磁石領域Ａおよび第４磁石領域Ｄと同様の方向に磁化されている。一方、第１０磁石領域Ｊおよび第１１磁石領域Ｋは、それぞれ。第２磁石領域Ｂおよび第６磁石領域Ｆと同様の方向に磁化されている。
第８磁石領域Ｈ、第９磁石領域Ｉ、第１０磁石領域Ｊ、および第１１磁石領域Ｋは、水平方向に移動できるように保持されている。これらの磁石を図４において左方向に徐々に移動させてゆくと、最終的には、第８磁石領域Ｈおよび第９磁石領域Ｉは、それぞれ、第１磁石領域Ａおよび第４磁石領域Ｄの真上に位置し、第１０磁石領域Ｊおよび第１１磁石領域Ｋは、それぞれ、第２磁石領域Ｂおよび第６磁石領域Ｆの真下に位置することになる。このときの図４に示す磁界発生装置は、図３の磁界発生装置における第１磁石領域Ａおよび第４磁石領域Ｄ、ならびに第２磁石領域Ｂおよび第６磁石領域Ｆの各々を上下に２分した構成と類似した構成を有することになる。
上記の第８磁石領域Ｈ、第９磁石領域Ｉ、第１０磁石領域Ｊ、および第１１磁石領域Ｋを水平方向に移動させ、これらの磁石領域の位置を調節することにより、磁界発生空間に形成される磁界の強度を所定範囲内で磁場分布を大きく乱すことなく任意に変化させることが可能になる。
また、図４には示していないが、漏洩磁界を低減したり、組み立てを容易にするため、磁石Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの外周部に鉄、鉄・ニッケル合金、鉄・コバルト合金などの高飽和磁束密度材料からなる部材を配置してもよい。
このような可動磁界回路部分を形成するために必要な磁石領域の構成や磁石数は、図４に示すものに限定されない。
なお、磁石Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを可動させる機構については、公知のリニアガイド、ネジ、ベアリングモータなどを使用することができる。また、位置決めには、公知のセンサや磁気スケールを使用することができる。
なお、ビームラインとビームトランスポートラインとの分岐点では、粒子線照射による放射化が特に生じやすい。このため、放射化した部材からセプタム磁石への粒子線照射が問題になる。本実施形態では、後述するように、放射線照射によってほとんど減磁しない焼結磁石を採用しているが、それでも、可能な限り、粒子線の照射量を低減することが好ましい。このため、磁石の表面と放射線の飛来源との間に遮蔽板を配置すると、磁石への被曝量を低減できるので好ましい。遮蔽板の厚さが０．１ｍｍ未満であると、被曝量の低減に効果があまりないので、遮蔽板の厚さは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。遮蔽板の材料としては、例えば、熱中性子に対する散乱断面積の大きいボロンの同位体^１０Ｂや通常のボロンを多く含んだボロンステンレス材などを用いることが好ましい。
また、磁石の温度を室温よりも低い温度に保持することが好ましい。磁石を冷却する機構を設けた場合、磁石温度が室温に略等しい場合に比べて保磁力が向上する。また、図１に示す領域Ｒの温度上昇後の温度Ｔ_Ｈも低くなるため、被曝時の減磁が少なくなるため好ましい。
磁石を冷却する手段としては、液体窒素、液体ヘリウム、固体二酸化炭素などの寒剤を用いたり、循環型の冷媒やペルチェ素子を用いた冷凍装置を用いることができる。磁石を冷却する場合、ＲにＮｄを含めるかわりにＰｒを含有させれば、Ｎｄ系の磁石に見られる低温でのスピン再配列現象に伴う残留磁束密度の低下を防止することができるので好ましい。また、磁石材料の放射化を防止するには、ＴＭにＣｏを含ませない組成にすることが好ましい。Ｒ−ＴＭ−Ｂ焼結磁石において、Ｃｏは必須元素ではないので、Ｃｏを含有させない磁石組成は極めて容易に実現できる。
本発明の磁石組成は、２５．０〜４０．０質量％のＲ（希土類元素のうちの少なくとも１種）と、０．８〜１．２質量％のＢ（硼素）とを含有し、残部がＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有する）である。ただし、不可避的に含まれる不純物元素を含有していても良い。Ｒが２５．０質量％未満であると、保磁力が低下し、Ｒが４０．０質量％を越えると、残留磁束密度が低下する。Ｒの好ましい範囲は２９．０〜３２．０質量％である。ＲがＮｄの他にＤｙ、および／あるいはＴｂを含有すると、固有保磁力を高めることができるので更に好ましい。Ｄｙ、および／あるいはＴｂの磁石組成に占める割合は２．５質量％以上であることが好ましい。Ｂ（硼素）が０．８質量％未満であると保磁力が低下し、１．２質量％を越えると残留磁束密度が低下する。ＴＭがＦｅを含有しないと残留磁束密度が低下するので、ＴＭはＦｅを必ず含む。ＴＭにおけるＦｅの含有率は５０質量％以上であることが好ましい。
本実施形態におけるＲ−ＴＭ−Ｂ系焼結磁石は、例えば原料合金の粉砕、磁界中成形、真空雰囲気中での焼結、熱処理、機械加工、表面コーティングなどの工程を行うことによって製造される。こうして作成されるＲ−ＴＭ−Ｂ系焼結磁石の密度は７．５ｇ／ｃｍ^３以上、結晶粒径は１〜２０μｍであることが好ましい。より好ましい結晶粒径の範囲は５〜１０μｍである。
本実施形態におけるＲ−ＴＭ−Ｂ系焼結磁石は、パーミアンス係数が０．５以上での着磁状態にあり、吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝させたとき、その表面磁束密度の低下率が５％未満となるように組成が調節されている。表面磁束密度の低下率が５％以上になると、磁気回路としての安定性に欠けるため好ましくない。また、パーミアンス係数が０．５未満となる形状を有する磁石は、磁石内部に発生する反磁界が大きくなるため、同じ条件で被曝させた場合でも表面磁束密度の低下率が大きくなる傾向がある。このため、本発明では、パーミアンス係数を０．５以上に限定している。
なお、本明細書において、磁石の吸収線量とは、被曝時間の長短にかかわらず、磁石が吸収した線量の総和を表すものとする。３，０００Ｇｙの吸収線量は、磁石が１ｋＧ当たり３，０００Ｊの放射線エネルギーを吸収したときの線量を意味する。
１ｋＧの磁石が３，０００Ｊの放射線エネルギーを吸収し、そのエネルギーがすべて熱に変換された場合における磁石の温度上昇を見積もると、磁石の比熱を０．５ＪＫ^{− １}ｇ^−１として、磁石全体の温度上昇は６Ｋとなる。６Ｋの温度上昇は、熱減磁が大きな問題となるような大きさではない。しかし、従来の磁石では、前述したように、局所的な温度上昇によっても磁化反転が生じ、表面磁束密度の低下が起こる。

まず、表１に示すように、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｂ、Ｆｅ、および不可避的に含有される元素を含む組成のＲ−ＴＭ−Ｂ系原料粉末を用意した。粉末の平均粒径は３．０μｍであった。この粉末を磁界中で成形した後、真空中において１０６０℃、４ｈの焼結を行い、焼結磁石素材を作製した。この焼結磁石素材から採取した試験片の着磁後における磁気特性（室温）を表２に示す。また、表２には、各焼結磁石素材のキュリー点（Ｔｃ）を記載している。

次に、得られた焼結磁石素材を機械的に加工し、着磁方向が１０ｍｍ、磁化困難方向が３４ｍｍ四方の直方体形状を有する磁石加工品を作製した。次に、これらの磁石加工品を、表１に示す各組成につき、２個ずつ着磁した。
この後、同一組成を有する２個の磁石加工品のうちの一方の磁石のＮ極と、他方の磁石のＳ極とに、それぞれ、ポールピースを吸着させた。各ホールピースは、厚さ１ｍｍ、長さ３４ｍｍ四方の鉄板から作製した。さらに、両方のポールピース同士を、スペーサを挟んで吸着させ、１対の磁石試料を完成させた。スペーサは、厚さ１．６５ｍｍ、長さ３４ｍｍ四方のアクリル板から作製し、スペーサの中央部には巾５ｍｍの欠落部を設けた。この欠落部からガウスメータのホール素子を挿入し、ギャップ間の中心における磁束量を測定できるようにした。このようにして作製した磁石試料のパーミアンス係数Ｐｃ（Ｂ／μ_ＯＨ）の平均値は１．２であった。
上記磁石試料を、陽子シンクロトロン加速器の主リングのビーム取り出し口に設置されたセプタム電磁石のそばに配置した。磁石試料とビームラインとの距離は８５ｃｍに設定した。
次に、加速された陽子がビームラインの配管と衝突する際に発生する中性子によって磁石試料を被曝させた。磁石試料の吸収線量は、磁石試料のそばに設置したアルミニウム試料の放射化の程度によって測定した。磁石試料の吸収線量が３，５００Ｇｙに達したとき、磁石試料の中心磁束を測定した。被曝前の測定値と比較して、被曝前後における表面磁束の低下率を求めた結果を表３に示す。

（比較例１）
表１に示した組成を有する焼結磁石を実施例１と全く同様の製造条件で作製し、表２に示す磁気特性を有する焼結磁石素材を得た。得られた磁石素材について、実施例１と同様の機械加工と被曝試験を行った。表３には、磁石の吸収線量が３，５００Ｇｙに達したときの磁石試料（比較例１）の中心磁束の低下率を示している。
表３から、実施例１〜３については、３，５００Ｇｙの吸収線量に達するまで放射線に被曝させた場合でも、表面磁束の低下率が５％以下に抑えられることがわかる。このような表面磁束の低下率は、実用的に問題のないレベルである。これに対し、比較例１〜２では、表面磁束の低下率が５％を越えている。
表２に示すように、実施例と比較例との間にキュリー点の差異はほとんどない。図１を参照しながら説明した考え方によれば、キュリー点が同レベルにあれば、保磁力の大きさによらず、放射線照射による減磁は同程度に進行すると考えるべきであるが、実際には、保磁力が高いほど減磁率が小さくなるとという予想外の結果が得られた。

まず、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｂ、Ｆｅ、および不可避的に含有される元素からなる組成を有し、平均粒径が３．０μｍのＲ−ＴＭ−Ｂ系原料紛末を用意した。この粉末を磁界中で成形した後、真空中で１０６０℃、４ｈの焼結を行った。こうして、Ｎｄが２８．５質量％、Ｄｙが２．５質量％、Ｂが１．０質量％、Ｃｏが１．０質量％、残部がＦｅからなる組成の焼結磁石素材を作製した。これらの焼結磁石素材から採取した試験片の着磁後の室温における磁気特性は、Ｂｒが１．３３Ｔ、ＨｃＪが１．３ＭＡ／ｍ、（ＢＨ）_{ｍ ａｘ}が３４２ｋＪ／ｍ^３であった。
次に、上記の焼結磁石素材を機械的に加工して、直方体磁石を作製し、着磁した。着磁後の直方体磁石を用いて、図３に示す構成の磁界発生装置を組み立てた。なお、図３に示す個々の各磁石領域を一個の磁石素材で構成することは困難であるため、多数の小さな磁石素材ブロックを相互に接着することにより、図３の磁界発生装置を組み立てた。
このような磁界発生装置において、対向させた鉄製シムの間に発生する磁界は１．１０Ｔであった。本実施例における鉄製シムの各々は、対向面側に傾斜部を有している。この傾斜部の存在により、対向する鉄製シムの間隔が図３のＸ軸に沿って変化している。鉄製シムの形状を適切に設計することにより、発生磁界の均一度を高めることができる。図３における磁界強度のＸ軸方向における均一性は、装置の略中央に位置する磁界発生空間において±３％以内であり、また、図３における磁界発生装置の左側の位置における漏洩磁界は１．４ｍＴであった。
作製した磁界発生装置をセプタム磁石として実際の粒子加速器に組み込む場合には、図３に示したように磁界発生部の中心にキッカー磁石から分岐されたビームトランスポートのステンレス管を挿入し、図３の左側の鉄板の磁気シールドの外側に主リングのビームラインのステンレス管が通るように磁界発生装置を配置すればよい。このとき、ビームトランスポートのステンレス管には１．０Ｔ以上の強い磁界で加速粒子を偏向することができる。
本実施例では、主リングのビームラインのステンレス管への漏洩磁界は小さいので、好ましくない偏向を加えるおそれがない。また、磁石中のＣｏ含有料が少ないので、Ｓｍ−Ｃｏ系焼結磁石を用いた磁界発生装置に比べて放射化に伴う磁界発生装置からの放射線の発生景も少ないと予想され、磁界発生装置のメインテナンスの際の作業者の被曝量を低減することが可能である。
実施例１の結果から、本願発明のＨｃＪが１．６ＭＡ／ｍ以上の磁石を用いて実施例２に示した磁界発生装置を組み立てたとき、磁界発生装置を構成する磁石は加速器の運転中に発生する中性子により被曝しても減磁率が小さくできる。
このようにして、電力消費や冷却水の循環なしに安定で均一度の高い静磁界の発生が可能で、かつ加速器運転時に発生する放射線に被曝しても発生磁界の低下がなく、従来の電磁石式のセプタム磁石と同等の機能を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石式のセプタム磁石を提供できることがわかる。

本発明によれば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いながら、放射線照射によっても減磁しにくい粒子線加速器用永久磁石と磁界発生装置を提供することができる。本発明によれば、電磁石のように多量の電力を消費することなく、粒子加速器用途に必要な強い磁界を発生することができる。

Claims (8)

1. 吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝される環境で使用される磁界発生装置であって、
   磁界発生空間を形成するように略環状に配置された複数の永久磁石を備えており、
   前記永久磁石は、
   Ｒ（希土類元素のうちの少なくとも１種）、Ｂ（硼素）、およびＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、
   パーミアンス係数が０．５以上での着磁状態にあり、かつ保磁力Ｈ_cJが１．６ＭＡ／ｍ以上であり、
   前記焼結磁石の組成比は、
   Ｒ：２５．０〜４０．０質量％、
   Ｂ：０．８〜１．２質量％、
   不可避的に含まれる不純物元素、および
   ＴＭ：残部であり、
   前記複数の永久磁石は、前記磁界発生空間を挟んで対向する第１磁石および第２磁石を含み、
   前記第１磁石および第２磁石は、前記磁界発生空間の中央部を通る直線であって前記中央部における磁界方向に平行な直線に沿って配列されており、
   前記複数の永久磁石によって構成される磁石体の形状は、前記直線を含む第１の平面に関して略対称であるが、前記直線を含み前記第１の平面に垂直な第２の平面に関しては非対称であり、
   前記複数の永久磁石は、更に
   前記第１磁石を挟みこむ位置に配置された第３磁石および第４磁石と、
   前記第２磁石を挟みこむ位置に配置された第５磁石および第６磁石と、
   を含み、
   前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第３磁石のサイズは、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第４磁石のサイズより小さく、
   前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第５磁石のサイズは、前記第２の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第６磁石のサイズより小さく、
   前記第１磁石と前記第２磁石との間には、前記磁界発生空間を挟んで対向する２つの鉄製シムが設けられており、前記鉄製シムの各々は、対向面側に傾斜部を有しており、前記２つの鉄製シムの間隔が前記第２の平面に垂直な方向に沿って前記第４磁石および第６磁石に近づくほど広くなっている、磁界発生装置。
2. 前記磁石体の外周面の少なくとも一部は強磁性体によって覆われている請求項１に記載の磁界発生装置。
3. 前記磁界発生空間に形成される磁界の強度を変化させるための付加的な磁石をさらに備え、
   前記付加的な磁石は、前記複数の永久磁石の少なくとも一部と磁気的に結合する可動磁気回路部分を形成し、かつ、前記磁界発生空間に対する相対位置関係が可変に調節できるように保持されている請求項１に記載の磁界発生装置。
4. 前記可動磁気回路部分は、複数の磁石を構成要素として含み、前記複数の磁石は水平方向に移動可能である請求項３に記載の磁界発生装置。
5. 前記複数の永久磁石は、
   前記第４磁石と前記第６磁石との間に配置された第７磁石を含んでいる請求項１から４のいずれかに記載の磁界発生装置。
6. 前記永久磁石の温度を室温よりも低い温度に保持する機構を更に備えている請求項１から５のいずれかに記載の磁界発生装置。
7. 前記複数の永久磁石の各々は、直方体形状を有している請求項１から６のいずれかに記載の磁界発生装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の磁界発生装置と、
   前記磁界発生装置と放射線飛来源との間に配置された厚さ０．１ｍｍ以上の遮蔽板と、
   を備えた粒子線加速器。

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