JP4851640B2

JP4851640B2 - 加速器用アモルファスコア及びそれを用いた加速器

Info

Publication number: JP4851640B2
Application number: JP03087498A
Authority: JP
Inventors: 泰明森谷; 隆夫日下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JPH11233327A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速器や共振現象を利用するフィルタ等に用いられるＱ値の高いアモルファスコアおよびそれを用いた加速器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速器とは、電子、陽子、イオン等のビームを１ＧｅＶ程度の高エネルギー状態に加速するものであり、現在、様々な大きさの装置が使用されている。この加速器には、荷電粒子の加速等の高周波エネルギーを荷電粒子に供給する高周波加速空胴が設置されている。
【０００３】
これらの加速器は、１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの周波数において安定的に高周波電力を供給する必要があり、そのために高周波加速空胴に用いる磁性材料の改善は重要な技術課題となっていた。
【０００４】
従来、この加速空胴に用いられる磁性コアとしては、フェライトが用いられてきた。また、特開平７−６９００のようにフェライトコアの損失を利用して加速空洞のＱ値を下げて加速空洞の共振特性をブロードにして制御性を改善する試みがなされている。しかしながらフェライトは磁性体の中ではＱ値が高すぎるため、加速空洞のＱ値を十分に落とせず制御が難しいこと、キュリー温度、飽和磁束密度が小さいためフェライト自身の発熱の問題や磁束の飽和の問題から高周波化・高電力化への対応は十分でなかった。なお、ここで言う加速空洞のＱ値とは、入力された高周波電力エネルギーに対する、高周波加速空胴内に蓄積される電磁界のエネルギーの強さの比を表わす量であり、通常、１／損失で表わされる。このＱ値が高いほど、同じ入力に対して高出力が可能であるといえ、加速空胴内での損失が大きいほどＱ値は小さくなり損失が大きいことが分かる。
【０００５】
そこで、特開平９−１６７６９９号のように平均粒径１μｍ以下の微細結晶構造を持つＦｅ基軟磁性合金コアの適用が試みられるようになっていた。この微細結晶を持つＦｅ基軟磁性合金コアを用いた場合、発熱量等はフェライトと比較して改善され、１００〜１０００ｋＨｚといった比較的低い周波数においては良好な特性を示していた。
【０００６】
一方、１ＭＨｚ以上の比較的高い周波数領域において前記Ｆｅ基軟磁性合金コアを用いたものはＱ値が低く十分な高周波電力供給ができないといった問題が起きていた。このため、Ｆｅ基軟磁性合金コアよりＱ値が高く、フェライトよりキュリー温度、飽和磁束密度が高いコアが必要とされていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のフェライト磁性材料および微細結晶構造を持つＦｅ基軟磁性材料を用いた加速器では、１ＭＨｚ以上の高周波領域において十分な制御性や出力を得ることはできないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような課題に対処してなされたものであり、３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上と高いアモルファスコア、さらにはＱ値が０．５以上と高く、加速器の高周波加速空胴に用いた場合１ＭＨｚ以上の高周波領域において高出力を得ることを可能するアモルファスコアおよび該コアを用いた加速器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアモルファスコアおよびそれを用いた加速器は、請求項１に記載したように、加速器用アモルファスコアが、単ロール法により形成したアモルファス薄帯を巻回してなるアモルファスコアにおいて、一般式：（Ｎｉ_１−ａＦｅ_ａ）_{１００−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍ_ｘＳｉ_ｙＢ_ｚ（式中、ＭはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、０．２≦ａ≦０．７、０．０５≦ｘ≦１０、４≦ｙ≦１２、５≦ｚ≦２０、１５≦ｙ＋ｚ≦３０、各数値はａｔ％）で実質的に表わされる歪取り熱処理を施していないアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回してなり、前記アモルファス薄帯の層間に絶縁層を有し、３ＭＨｚでのＱ値が１以上であることを特徴とするものである。請求項２の発明は、樹脂含浸またはコーティングしたことを特徴とする請求項１に記載の加速器用アモルファスコアとし、請求項３の発明は、前記一般式のａ値が０．２≦ａ≦０．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の加速器用アモルファスコアとしたものである。請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の加速器用アモルファスコアを用いたことを特徴とする加速器としている。
【００１０】
本発明においては、３ＭＨｚでのＱ値を０．５以上と高Ｑ値化されたアモルファスコアを提供することにおいて、磁性材料としてＮｉ−Ｆｅ系アモルファス合金やＦｅ系アモルファス合金を用いること、アモルファス薄帯に熱処理を施さずに巻回または積層することによりコアを形成すること、単ロール法により製造したアモルファス薄帯を薄帯のロール面側を外側に向けて巻回すること、といった構成をとっている。このような構成をとることにより、３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上のアモルファスコアを得ることができ、加速器の高周波加速空胴に用いた場合、１ＭＨｚ以上の高周波領域、特に１〜４ＭＨｚの領域において安定で高出力な加速器を可能とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明のアモルファス磁性材料としては、３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上となるものであれば特に限定されるものではないが、次の一般式１および２で示すＮｉ−Ｆｅ系またはＦｅ系のアモルファス磁性合金であることが好ましい。
【００１２】
まず、Ｎｉ−Ｆｅ系アモルファス磁性合金としては、
一般式１：（Ｎｉ_1-a Ｆｅ_a ）_100-x-y-z Ｍ_x Ｓｉ_y Ｂ_z
（式中、ＭはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、０．２≦ａ≦０．７、０．０５≦ｘ≦１０、４≦ｙ≦１２、５≦ｚ≦２０、１５≦ｙ＋ｚ≦３０、各数値はａｔ％）で実質的に表わされる。
【００１３】
このような組成の中で、特に０．２≦ａ≦０．５としたＮｉリッチのＮｉ−Ｆｅベースの組成をとることにより、磁束密度や保磁力等の制御がより可能となる。Ｍ元素は、磁性合金の熱安定性の向上等に寄与する元素であり、好ましくはＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏであり、より好ましい含有量としては０．１≦ｘ≦５ａｔ％である。
【００１４】
ＳｉおよびＢはアモルファス化のための元素であり、Ｓｉ量とＢ量の合計が１５≦ｘ＋ｙ≦３０ａｔ％の範囲であり、好ましくは１９≦ｘ＋ｙ≦２４ａｔ％である。
【００１５】
次に、Ｆｅ系アモルファス磁性材料としては、
一般式２：Ｆｅ_a Ｍ_b Ｙ_c
（式中、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類元素の群から選ばれた少なくとも１種の元素を、ＹはＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃの群から選ばれた少なくとも１種の元素を示し、６５≦ａ≦８５、０≦ｂ≦１５、５≦ｃ≦３５、各数字はａｔ％）で実質的に表わされる。Ｍ元素は、磁性合金の熱安定性の向上等に寄与する元素であり、好ましい元素としてはＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏであり、より好ましい含有量としては０．１≦ｘ≦５ａｔ％である。
【００１６】
Ｙ元素は、アモルファス化のための元素であり、好ましくはＳｉ、Ｂであり、より好ましくはＳｉとＢを両方用いる組成である。
以上のような組成を有するアモルファス磁性合金の製造方法として、通常の液体急冷法、例えば単ロール法が用いられる。液体急冷法とは、所定の組成を有する合金溶湯を超急冷することによりアモルファス合金を得る方法であり、具体的には単ロール法を適用し超急冷することによりアモルファス磁性合金薄帯を製造することである。このようなアモルファス磁性薄帯の平均板厚は、損失の低減を図る上で２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１５μｍ以下である。
【００１７】
アモルファスコアは、このような単ロール法等の液体急冷法により製造したアモルファス合金薄帯を所望の形状に巻回または所望の形状に打ち抜いた後に積層することによって得られる（図１、図２）。
【００１８】
巻回または積層する際に本発明では絶縁層を設けている、絶縁層の材質としては有機物、無機物と特に限定するものではないが、好ましくはポリエステル、ポリイミド、マグネシアやシリカ等のセラミックのように耐熱性のあるものがよい。絶縁層の形成方法としてもフィルムを挟む方法、絶縁物を直接的に塗布や蒸着する方法、コロイダル化合物等の絶縁物形成可能な化合物を塗布後熱処理し所定の絶縁層を得る方法等特に限定するものではない。絶縁層の厚みとしても絶縁性が確保できれば特に限定されるものではないが２０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは１０μｍ以下である。絶縁層の厚みがあまり厚すぎるとコアにおけるアモルファス薄帯の占積率が悪くなり同様の性能を得ようとした場合にコアが大型化するといった問題が起こる。
【００１９】
巻回または積層したコアには、歪取り熱処理を施しても施さなくてもよい。
本発明では、３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上と高い値を示す加速器用アモルファスコアを提供するものであるが、そのようなコアを提供する方法として、前述したようなＮｉ−Ｆｅ系アモルファス合金またはＦｅ系アモルファス合金を用いる方法があり、それとは別にコア自体に応力がかかる状態を形成することによってもＱ値を高くすることが可能となることを見出した。
【００２０】
コア自体に応力をかける方法として、液体急冷法により製造したアモルファス薄帯に歪取り熱処理を施さず、薄帯に歪が残ったままコアを形成することにより、コアに応力がかかる状態を形成することができる。熱処理を施さずにコアを製造できるということは作業工程を減らすことになるため工業的価値が高い。
【００２１】
また、このような高電圧下で使用するコアは磁性材料の層間を絶縁するために磁性薄帯に絶縁フィルムを挟む方法等が取られる。しかしながら構造的に横にズレ易く不安定となる場合がある。本発明のコアは樹脂含浸を行い強度を高めることが可能である。ここで用いる樹脂についても特に限定されるものではないが、加速器の使用条件を考慮すると耐熱性のあるエポキシ樹脂が好ましい。また、この樹脂含浸により応力のかかった状態を保ち易くなるという効果も得ることができる。
【００２２】
また、熱処理を施したアモルファス薄帯を用いる場合、前述のようにアモルファス薄帯は、液体急冷法、具体的には単ロール法で製造されており、薄帯の表面はロールと接する側のロール面とロールと接しない側の自由面が存在する。単ロール法において、ロールは高速回転しているため、合金溶湯から薄帯を形成した場合どうしてもロール面側に反ってしまう。この薄帯の反りを利用し、薄帯のロール面側を外側に向けて巻回することにより材料に加わる応力を増したコアを形成することが可能となる。ここでロール面と自由面の見分け方として、ロール面は単ロール法で使用されるロールの表面形状、特に表面粗さがそのまま薄帯のロール面側の表面粗さとして現れるので、この表面粗さの違いによりロール面と自由面を見分けることができる（図３）。
【００２３】
また、より応力をかける方法として、目的のコアの径とは異なる径に巻いた状態で熱処理したアモルファス薄帯を目的の径に巻回する方法も有効である。さらに一旦ロール面側を内側にして巻回した後、ロール面側を外側にして巻回するといった方法もある。このような方法を用いれば、より応力のかかったコアを形成することができる。
【００２４】
このようなアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回したコアの応力を保つために、樹脂含浸をすることが好ましく、この樹脂含浸により絶縁性をも保つことが可能となる。ここで用いる樹脂については特に限定されるものではないが、加速器の使用条件を考慮すると耐熱性および絶縁性のあるエポキシ樹脂が好ましい。
【００２５】
なお、本発明でいうＱ値は磁心のＱ値であり、損失係数tan δの逆数である。tan δはμ”／μ’で示される。μ’は透磁率μの実部でμ”ｆは虚部であり損失に相当する。よってＱ値＝μ’／μ”であり、インダクタとして有効に動作するためにはＱ≧０．５が好ましく特に実部が虚部より高いＱ≧１を示すことが望ましい。また、電気回路ではＱ＝Ｒ／ωＬの表現が用いられる。ここでＲは抵抗分（損失）、ωは角速度、Ｌはインダクタンスである。このようなＱ値は共振回路で回路特性を決定する重要な値である。このような回路にインダクタに磁性体を使用すると透磁率の作用により高いインダクタンスの値を容易に得ることができるが、損失の発生により高周波におけるＱ値は低下してしまう。特に金属磁性材料は渦電流の発生により低下が著しい。（また、磁心の性能を現す方法としてμＱ積を用いることもある。μＱ積の高い材料程小型で同性能のインダクタを構成することができる。）
【００２６】
【実施例】
（比較例１〜１１）
表１に示すようなＮｉ−Ｆｅ系アモルファス合金、またはＦｅ系アモルファス合金からなる巾25mmの磁性薄帯を層間絶縁用フィルムと共に巻回し、外形70mm、内径34mmのコアを作製し、３ＭＨｚにおけるＱ値、比透磁率μｒとＱ値の積を測定した。層間絶縁はポリエステルフィルム（厚さ６μｍ），ポリイミドフィルム（厚さ７μｍ）およびセラミック層（厚さ２μｍ）を使用した。
【００２７】
比較例１２として層間絶縁の無いもの、比較例１３、１４は一般に鉄損が低くＱ値が高いと考えられるコバルト系アモルファス合金の例、比較例１５は１μｍ以下の微細結晶構造を８０％もつＦｅ系磁性材料の特性を同様の条件で測定した。
【００２８】
表１から、一般に低損失で知られるコバルト系アモルファス材や鉄系微結晶材比べ本願発明のＮｉ−Ｆｅ系アモルファス合金、またはＦｅ系アモルフアス合金はいずれも０．５以上のＱ値を示した。また、Ｆｅ系アモルファスでも比較例１のように層間絶縁を行わないと特性が得られない。
【００２９】
特にＮｉ−Ｆｅ系の材料は熱処理なしに１以上のＱ値が得られている。熱処理なしに特性が得られることは製造が容易であること、層間絶縁に安価な比較的耐熱性の低いポリエステル等の材料を使用できるため工業的価値が高い。
【００３０】
【表１】

【００３１】
（実施例１、比較例１６〜２６）
表２に示すようなＮｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ系アモルファス合金を用いて、熱処理しない薄帯を異なる径の巻心に巻回した（比較例１６〜２１）。さらに薄帯のロール面側を外側に向けて巻回したもの（実施例１、比較例２２）。予め１３２φの巻心に巻回し熱処理した薄帯を熱処理した時に内側であった面を外側に向けて巻回したもの（比較例２３および２４）。および樹脂含浸したもの（比較例２５および２６）を用意し、Ｑ値および比透磁率の測定を行った。
【００３２】
表２から、巻内径を小さくすることにより比透磁率は低下するが高いＱ値が得られた。また、液体急冷法により作製された薄帯は作製時に急冷用ロ−ルに近い曲率半径を持った薄帯となるが、薄帯のロール面側を外側に向けて巻回し、癖付き状態とは逆の曲率を持たせることによりＱ値は向上する。さらに、熱処理によつて任意の曲率形状を付与した後薄帯の内側と外側を逆にして巻くとより高いＱ値が得られる。また、このようなコアは形状維持や周囲との絶縁を保つために樹脂含浸やコ−ティングを行うことがあるが、本発明のコアは殆ど特性の劣化を示さない。
【００３３】
【表２】

【００３４】
【発明の効果】
以上のような本発明のアモルファスコアは、加速器の高周波加速空胴に好適である。そして、本発明のアモルファスコアは、Ｎｉ−Ｆｅ系またはＦｅ系アモルファス磁性合金を用いること、液体急冷法により製造したアモルファス薄帯を熱処理を施さないまま巻回または積層することによりコアを形成すること、単ロール法により製造したアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回することによりコアを形成すること、といった様々な方法により３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上と高いＱ値を示す加速器用アモルファスコアを得ることができ、このようなコアを用いることにより高周波かつ高出力の加速器を可能とする（図４）。なお、本発明のアモルファスコアは３ＭＨｚでのＱ値が０．５以上と高いＱ値を示すことから加速器以外の共振現状を利用した電気回路、例えばブロッキングフィルター等に用いても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の巻回型コアの一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜面図である。
【図２】本発明の積層型コアの一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜面図である。
【図３】本発明の磁性薄帯のロール面、自由面を示す図である。
【図４】本発明のコアを装着した加速器の加速空胴の断面図を示す図である。
【符号の説明】
１…薄帯
２…ロール
３…コア
４…加速空胴

Claims

単ロール法により形成したアモルファス薄帯を巻回してなるアモルファスコアにおいて、
一般式：（Ｎｉ_１−ａＦｅ_ａ）_{１００−ｘ−ｙ−ｚ}Ｍ_ｘＳｉ_ｙＢ_ｚ
（式中、ＭはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、０．２≦ａ≦０．７、０．０５≦ｘ≦１０、４≦ｙ≦１２、５≦ｚ≦２０、１５≦ｙ＋ｚ≦３０、各数値はａｔ％）で実質的に表わされる歪取り熱処理を施していないアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回してなり、前記アモルファス薄帯の層間に絶縁層を有し、３ＭＨｚでのＱ値が１以上であることを特徴とする加速器用アモルファスコア。
樹脂含浸またはコーティングしたことを特徴とする請求項１に記載の加速器用アモルファスコア。
前記一般式のａ値が０．２≦ａ≦０．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の加速器用アモルファスコア。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の加速器用アモルファスコアを用いたことを特徴とする加速器。