JP4937196B2

JP4937196B2 - 超電導コイル装置

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Publication number: JP4937196B2
Application number: JP2008157819A
Authority: JP
Inventors: 隆博土橋; 朝文折笠
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP2009301992A

Description

本発明は、荷電粒子加速器のビームラインに設置される超電導電磁石に用いられる超電導コイル装置に関する。

荷電粒子加速器は、図１３に示すように、イオン源や電子銃から放出された陽子や電子などの荷電粒子を、ビームラインとなる平面視円形状の真空ダクト１に導き、この真空ダクト１の外側に適宜配置された高周波加速空洞２、双極電磁石３及び４極電磁石４を用いて、荷電粒子を周回させながら加速するものである。高周波加速空洞２は、真空ダクト１内を流れる荷電粒子を加速し、双極電磁石３は、真空ダクト１内を流れる荷電粒子の軌道を偏向させ、４極電磁石４は、真空ダクト１内を流れる荷電粒子を真空ダクト１の中心領域に収束して、荷電粒子ビームの発散を防止している。真空ダクト１内を流れる荷電粒子のビームは、双極電磁石３により偏向される際に放射光を発生する。

上述の双極電磁石３や４極電磁石４が超電導電磁石により構成されたものが、特許文献１及び２等に記載されている。

また、製作の容易化を図るために、ヘリカル回転角が１８０度以下の複数の双極磁場生成磁石を、その長軸方向に直列に連結して、３６０度ヘリカル回転双極磁場生成電磁石を構成するものが特許文献３に提案されている。そして、この電磁石では、隣接する電磁石間に、端部磁場補正用の補正コイルが配置されている。

また、荷電粒子加速器において、放射光の発生は、前述の如く、一般にビームの偏向部分においてなされるが、ビームの直線部において放射光を発生させるために、ウィグラー電磁石やヘリカル電磁石などの専用の電磁石をビームラインに配置した加速器がある。このように放射光を放出させることで、荷電粒子のビームのエミッタンスを小さくすることが可能となる。

上記ウィグラー電磁石は、図１４に示すように、荷電粒子のビームの流れ方向５に沿って双極電磁石６を複数配置することでビームの軌道を偏向させ、これにより、ビームの流れ方向Ｃと同一の方向に放射光Ｐを発生させるものである。
特開平８−１４８３２７号公報特開平１０−１５４６１５号公報特開平１０−１４４５２１号公報

ところで、荷電粒子加速器に用いられて、荷電粒子のビームを収束させる４極電磁石４などの多極電磁石では、磁場の中心を真空ダクト１の中心に一致して据え付けないと、真空ダクト１の中心領域に誤差磁場が生じ、真空ダクト１の中心領域を流れる荷電粒子のビームが発散してしまう恐れがある。このような電磁石の据付誤差により生ずる誤差磁場の発生を防止するために、電磁石のアライメントが慎重に、長時間をかけて実施されている。

また、電磁石自体の個体差によっても上述と同様な誤差磁場が生じ、荷電粒子のビームが発散してしまう恐れがある。このため、高い磁場精度を確保すべく、電磁石を高精度に設計し、製作しなければならない。

また、特許文献３に記載の補正コイルは、設計段階で予測可能な端部磁場を除去するにすぎず、電磁石の全体に生ずる誤差磁場を解消するものではない。

更に、荷電粒子加速器において、ビームの直線部に放射光を発生させるための専用の電磁石（ウィグラー電磁石など）を配置する場合には、その分、加速器のビームラインが長くなってしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、誤差磁場を解消して、荷電粒子加速器のビームラインを流れる荷電粒子のビームの発散を確実に防止できる超電導コイル装置を提供することにある。

本発明は、荷電粒子加速器のビームラインに設置される２極以上の超電導電磁石に用いられる超電導コイル装置において、主磁場コイルの周囲に独立して、この主磁場コイルを含む電磁石により生じた誤差磁場を打ち消すための磁場を形成可能な補正磁場コイルが配置され、前記補正磁場コイルは、前記主磁場コイルを含む電磁石により生じた誤差磁場の種類に対応して、コイルの極数、形状、ターン数、設置位置の少なくとも一つが設定されると共に、前記主磁場コイルを含む電磁石に生じた磁場の測定結果から、発生した誤差磁場を打ち消すように、コイルの極数、形状、ターン数、設置位置が決定されて設計されることを特徴とするものである。

本発明によれば、主磁場コイルを含む電磁石の据付誤差により生ずる誤差磁場、または主磁場コイルを含む電磁石自体の個体差等により生ずる誤差磁場が解消されるので、荷電粒子加速器のビームラインを流れる荷電粒子のビームの発散を、本超電導コイル装置を用いた超電導電磁石によって確実に防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図９）
図１は、本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。図２は、図１のII‐II線に沿う横断面図である。図３は、図１の主磁場コイルを示す斜視図である。

この超電導コイル装置１０は、荷電粒子加速器（図１３参照）のビームラインに設置される２極以上の多極の超電導電磁石、本実施の形態では４極の超電導電磁石に用いられるものである。この４極の超電導電磁石は、陽子や電子などの荷電粒子のビームが流れる前記ビームラインとしての真空ダクト１１の中心Ｏの領域に、荷電粒子のビームを収束させて、ビームの発散を防止する機能を有する。

本実施の形態の超電導コイル装置１０は、主磁場コイル１２と補正磁場コイル１３とを有してなる。主磁場コイル１２は、図２及び図３に示すように、真空ダクト１１の外側周囲に、導体が長円形の渦巻状に巻き線されてなる鞍型コイル１４が４個配置されたものであり、隣接する各鞍型コイル１４に発生する磁極Ｎ、Ｓが互いに異なるように設けられている。図２の矢印は、主磁場コイル１２にて発生する磁場Ｂの向きを示す。この磁場Ｂは、真空ダクト１１の中心Ｏにおいて０(ゼロ)になり、中心Ｏから離れるに従って大きくなる。従って、この磁場Ｂによって、真空ダクト１１内を流れる荷電粒子のビームを、真空ダクト１１の中心Ｏの領域に収束させることが可能となる。

補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２の外側周囲に重畳して巻き線されて配置され、主磁場コイル１２と独立して設けられたものであり、主磁場コイル１２により生じた誤差磁場を打ち消すための磁場を形成可能とする。この誤差磁場は、主磁場コイル１２を含む電磁石の据付誤差や、主磁場コイル１２を含む電磁石自体の個体差により生ずるものである。例えば、主磁場コイル１２を含む電磁石の回転や軸ずれ等の据付により生ずる誤差磁場や、主磁場コイル１２を含む電磁石の磁場有効長の長さずれや磁場のねじれ、高次成分磁場の発生など、主磁場コイル１２を含む電磁石自体の個体差により生ずる誤差磁場などがある。

補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２の鞍型コイル１４と同様な複数の鞍型コイル１５からなるが、上述のような主磁場コイル１２を含む電磁石に発生した誤差磁場の種類に対応して、その極数や形状、ターン数、設置位置などの少なくとも一つが設定される。

具体的には、図５（Ａ）に示すように、主磁場コイル１２を含む電磁石が正規の位置から角度αだけ回転して据え付けられたことにより誤差磁場が生じた場合には、その誤差磁場を解消して、図５（Ｂ）に示す正規の磁場分布とするために、図４に示すように、主磁場コイル１２の外側周囲に補正磁場コイル１３が配置される。この補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２と同じ極数であって、それぞれの鞍型コイル１５は、主磁場コイル１２に対してある角度回転させた位置に配置される。この補正磁場コイル１３により発生する磁場によって、主磁場コイル１２を含む電磁石に生じた回転による誤差磁場が打ち消されて解消される。

また、図７（Ａ）に示すように、主磁場コイル１２を含む電磁石の軸心Ｑが真空ダクト１１の中心Ｏから距離ｔだけ位置ずれして据え付けられたことにより誤差磁場が生じた場合には、この誤差磁場を解消して、図７（Ｂ）に示す正規の磁場分布とするために、図６に示すように、主磁場コイル１２の外側周囲に補正磁場コイル１３が配置される。この補正磁場コイル１３は、例えば、主磁場コイル１２を含む電磁石の軸心Ｑと真空ダクト１１の中心Ｏとを結ぶ直線Ａ上に２極の鞍型コイル１５を対向して配置し、これらの鞍型コイル１５により軸心Ｑから中心Ｏへ向かう向きの磁場Ｅを、主磁場コイル１２を含む電磁石に作用する。これにより、主磁場コイル１２を含む電磁石に生じた軸ずれによる誤差磁場が打ち消されて解消される。

また、図８（Ｂ）に示すように、主磁場コイル１２を含む電磁石自体の磁場有効長Ｌに長さずれΔＬが生じたことにより誤差磁場が生じた場合には、その誤差磁場を解消するために、図８（Ａ）に示すように、主磁場コイル１２の外側周囲に補正磁場コイル１３を配置する。この補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２と同じ極数であって、それぞれの鞍型コイル１５を、主磁場コイル１２の各鞍型コイル１４の直上に配置し、各鞍型コイル１５の長さやターン数が調整されたものである。この補正磁場コイル１３により発生する磁場によって、主磁場コイル１２を含む電磁石に生じた磁場有効長Ｌの長さずれΔＬにより生ずる誤差磁場が打ち消されて解消される。

更に、主磁場コイル１２の鞍型コイル１４が真空ダクト１１の長手方向に対して捩られてヘリカル配置され、この結果、主磁場コイル１２を含む電磁石自体に誤差磁場が生じた場合には、この誤差磁場を解消する補正磁場コイル１３を主磁場コイル１２の外側周囲に配置する。この補正磁場コイル１３は、図示しないが、例えば主磁場コイル１２と同じ極数であって、それぞれの鞍型コイル１５が、主磁場コイル１２の各鞍型コイル１４の捩れと反対向きに同程度捩られて配置されたものである。この補正磁場コイル１３により発生する磁場によって、主磁場コイル１２を含む電磁石に生じた磁場の捩れにより生ずる誤差磁場が打ち消されて解消される。

また、図９（Ａ）に示す主磁場コイル１２の各鞍型コイル１４が、例えばその寸法が互いに異なることで非対称となって、この主磁場コイル１２を含む電磁石に、図９（Ｂ）に示す８極の高次成分磁場が生じたり、図９（Ｃ）に示す６極の高次成分磁場が生じ、これにより誤差磁場が生じた場合には、この誤差磁場を解消するために、主磁場コイル１２の周囲に補正磁場コイル１３が配置される。

この場合には、図９（Ｂ）、（Ｃ）などの高次成分磁場を生じさせるコイルの配置位置に補正磁場コイル１３の各鞍型コイル１５を配置し、これらの各鞍型コイル１５によって、高次成分磁場とは逆の磁場を発生させることで、高次成分磁場のみを打ち消す。このような補正磁場コイル１３によって、高次成分磁場による誤差磁場を解消することが可能となる。

上述の補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２を含む電磁石に生ずる磁場を高精度に測定して、この測定結果から誤差磁場が生じている場合に、この誤差磁場を打ち消すように、補正磁場コイル１３の極数、形状、ターン数、設置位置などが決定されて設計される。その際に、補正磁場コイル１３へ流す電流値を主磁場コイル１２と同一に設計する。これにより、補正磁場コイル１３を主磁場コイル１２と直列に電気的に接続して、主磁場コイル１２と共通の電源から電力を供給させる構成とすることが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。

（１）主磁場コイル１２の外側周囲に独立して、この主磁場コイル１２を含む電磁石により生じた誤差磁場を打ち消すための磁場を形成可能な補正磁場コイル１３が配置されている。このことから、主磁場コイル１２を含む電磁石の据付誤差により生ずる誤差磁場、または主磁場コイル１２を含む電磁石自体の個体差等により生ずる誤差磁場を解消することができる。この結果、荷電粒子加速器のビームラインである真空ダクト１１内を流れる荷電粒子のビームを、超電導コイル装置１０を備えた超電導電磁石によって、真空ダクト１１の中心Ｏ領域に収束させることができるので、上記ビームの発散を確実に防止できる。

（２）補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２を含む電磁石に生じた磁場の測定結果から、発生した誤差磁場を打ち消すように設計されることから、発生した誤差磁場を確実に解消させることができる。

（３）補正磁場コイル１３は、主磁場コイル１２と直列に電気的に接続され、この主磁場コイル１２と共通の電源から電力が供給されることから、補正磁場コイル１３と主磁場コイル１２とにおいて個別の電源を独立してそれぞれ設置する必要がない。この結果、超電導コイル装置１０を備えた超電導電磁石のコンパクト化及びコストの低減を実現できる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図１０〜図１２）
図１０は、本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施の形態を示す横断面図である。図１１（Ａ）は、図１０の放射光発生用磁場コイルとしての双極交番磁場コイルを概略して示す斜視図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の双極交番磁場コイルにより発生する磁場を示す説明図である。本実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の超電導コイル装置は、荷電粒子加速器（図１３参照）のビームラインに設置される２極以上の多極の超電導電磁石、本実施の形態では４極の超電導電磁石に用いられるものであり、主磁場コイル１２と、この主磁場コイル１２の外側周囲に重畳して配置された放射光発生用磁場コイル２１とを有してなる。

主磁場コイル１２は、前記第１の実施の形態と同様に、荷電粒子のビームを真空ダクト１１の中心Ｏ領域に収束させて、その発散を防止するものである。また、放射光発生用磁場コイル２１は、主磁場コイル１２により収束して真空ダクト１１内を流れる荷電粒子のビームから放射光を発生させるための磁場を形成する双極交番磁場コイル２２、またはヘリカルダイポールコイル２３である。これらの双極交番磁場コイル２２及びヘリカルダイポールコイル２３は、主磁場コイル１２とは独立して配置されている。

ここで、荷電粒子のビームからの放射光の発生は、荷電粒子そのものを物性や分子生物学などの研究に利用する場合のほか、荷電粒子のビームのエミッタンスを小さくして、ビームにおける荷電粒子の密度を高め、特にビーム衝突型加速器におけるビーム衝突頻度の向上を図るためである。尚、エミッタンスとは、ビームの実効的な大きさを表す物理量であり、運動量位相空間でのビーム全体が占める面積をいう。

双極交番磁場コイル２２は、図１１（Ａ）、(Ｂ)では１本または複数本の導体２４を用いて、真空ダクト１１内に、荷電粒子のビームの流れ方向Ｃに沿って交互に磁場の向きＢが変化する双極交番磁場（つまりウィグラー磁場）を形成する。荷電粒子のビームは、上記双極交番磁場内を流れる間にその軌道が偏向されて、ビームの流れ方向Ｃと同一の方向に放射光Ｐ（図１４参照）を放出する。

また、ヘリカルダイポールコイル２３は、図１２（Ａ）に示すように、ダイポールコイルが荷電粒子の流れ方向Ｃに沿って螺旋状に捩られて配置されたものである。従って、このヘリカルダイポールコイル２３により真空ダクト１１内に発生する磁場の向きＢも、図１２（Ｂ）に示すようにビームの流れ方向Ｃに沿って螺旋状に移動する。このため、真空ダクト１１内を流れる荷電粒子のビームは、螺旋状に捩られながらその軌道が偏向されることになるので、放射光が発生する。尚、双極交番磁場コイル２２及びヘリカルダイポールコイル２３の電源は、主磁場コイル１２と共通であっても、別電源であってもよい。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（４）を奏する。

（４）荷電粒子のビームを収束してビームの発散を防止する主磁場コイル１２の外側周囲に、荷電粒子のビームから放射光を発生させるための磁場を形成可能な放射光発生用磁場コイル（双極交番磁場コイル２２、ヘリカルダイポールコイル２３等）が配置されている。このため、荷電粒子加速器のビームラインの直線部に、荷電粒子のビームから放射光発生させるための専用の電磁石（ウィグラー電磁石やヘリカル電磁石等）を設置する必要がない。この結果、荷電粒子加速器のビームラインを長くすることをなく、ビームラインの直線部からの放射光を発生することができ、ビームのエミッタンスを小さくすることができる。

本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施の形態を示す斜視図。図１のII‐II線に沿う横断面図。図１の主磁場コイルを示す斜視図。図１の補正磁場コイルが回転による誤差磁場補正用である場合の超電導コイル装置を示す概略横断面図。（Ａ）は、図４の主磁場コイルを含む電磁石に回転による誤差磁場が発生した場合の磁場の強さを、ｘ軸およびｙ軸上において示す磁場分布図、（Ｂ）は、図５（Ａ）の回転による誤差磁場が解消されたときの磁場の強さの変化を、ｘ軸およびｙ軸上において示す磁場分布図。図１の補正磁場コイルが軸ずれによる誤差磁場補正用である場合の超電導コイル装置を示す概略横断面図。（Ａ）は、図４の主磁場コイルを含む電磁石に軸ずれによる誤差磁場が生じた場合の磁場の強さを、ｘ軸およびｙ軸上において示す磁場分布図、（Ｂ）は、図７（Ａ）の軸ずれによる誤差磁場が解消されたときの磁場の強さの変化を、ｘ軸およびｙ軸上において示す磁場分布図。（Ａ）は、図１の補正磁場コイルが磁場有効長の長さずれによる誤差磁場補正用である場合の超電導コイル装置を示す概略縦断面図、（Ｂ）は、図８（Ａ）の主磁場コイルを含む電磁石に磁場有効長の長さずれが生じた場合の磁場の強さを、超電導コイル装置の軸に沿った平面内で示す磁場分布図。（Ａ）は、図１の主磁場コイルを示す概略縦断面図、（Ｂ）は、図９（Ａ）の主磁場コイルを含む電磁石に８極の高次成分磁場による誤差磁場が生じた場合の説明図、（Ｃ）は、図９（Ａ）の主磁場コイルを含む電磁石に６極の高次成分磁場による誤差磁場が生じた場合の説明図。本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施の形態を示す横断面図。（Ａ）は、図１０の放射光発生用磁場コイルとしての双極交番磁場コイルを概略して示す斜視図、（Ｂ）は、図１１（Ａ）の双極交番磁場コイルにより発生する磁場を示す説明図。（Ａ）は、図１０の放射光発生用磁場コイルとしてのヘリカルダイポールコイルを概略して示す斜視図、（Ｂ）は、図１２（Ａ）のヘリカルダイポールコイルにより発生する磁場を示す説明図。一般の荷電粒子加速器の一部を概略して示す平面図。通常のウィグラー電磁石による放射光発生状況を示す説明図。

符号の説明

１０超電導コイル装置
１１真空ダクト（ビームライン）
１２主磁場コイル
１３補正磁場コイル
２０超電導コイル装置
２１放射光発生用磁場コイル
２２双極交番磁場コイル
２３ヘリカルダイポールコイル

Claims

荷電粒子加速器のビームラインに設置される２極以上の超電導電磁石に用いられる超電導コイル装置において、
主磁場コイルの周囲に独立して、この主磁場コイルを含む電磁石により生じた誤差磁場を打ち消すための磁場を形成可能な補正磁場コイルが配置され、
前記補正磁場コイルは、前記主磁場コイルを含む電磁石により生じた誤差磁場の種類に対応して、コイルの極数、形状、ターン数、設置位置の少なくとも一つが設定されると共に、前記主磁場コイルを含む電磁石に生じた磁場の測定結果から、発生した誤差磁場を打ち消すように、コイルの極数、形状、ターン数、設置位置が決定されて設計されることを特徴とする超電導コイル装置。
前記補正磁場コイルは、主磁場コイルと直列に電気的に接続され、この主磁場コイルと共通の電源から電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。