JP5565798B2 - 加速機能付き偏向電磁石システム - Google Patents

Description

本発明は、主に円形粒子線加速器において使用される偏向電磁石システムに関し、特に粒子の加速機能を備えた偏向電磁石システムに関する。

陽子などの粒子を加速するシンクロトロン系の加速器として、従来、例えば図８に示すような構成の円形粒子加速器が知られている。

図８に示す円形粒子加速器１０１は、陽子発生源（図示は省略する）、直線状に形成される真空空洞パイプ１０２、この真空空洞パイプ１０２に沿って配置される複数の直線加速器（図示は省略する）などによって構成されている。

このような円形粒子加速器１０１においては、陽子発生源などで得られた陽子などの荷電粒子を直線加速器側に導いて、指定された速度まで加速させる入射路１０３と、リング状に形成される真空空洞パイプ１０４、真空空洞パイプ１０４に沿って配置される複数の加速機器１０５、複数の偏向電磁石１０６、１つの入射機器１０７、１つの出射機器１０８などによって構成される。

そして、入射機器１０７を介して、入射路１０３から供給される荷電粒子を取り込み、指定された速度になるまで加速させるリング１０９と、直線状に形成され、その一端が出射機器１０８に連通される真空空洞パイプ１１０、この真空空洞パイプ１１０に沿って配置される電磁石（図示は省略する）などによって構成され、出射機器１０８を介して、リング１０９によって指定された速度まで加速させられた荷電粒子を取り込み、ターゲットまで導く出射路１１１とを備えている。

ここで、加速器制御装置（図示せず）などから指示に基づき、入射路１０３に設けられた陽子発生源、複数の直線加速器を動作させて、指定された速度の荷電粒子を発生させるとともに、リング１０９に設けられた入射機器１０９、各加速機器１０５、各偏向電磁石１０６を動作させて、入射路１０３から出射される荷電粒子をリング１０９の真空空洞パイプ１０４内に導いて、指定された速度になるまで、加速させる。

この後、リング１０９に設けられた出射機器１０８、出射路１１１に設けられた電磁磁石などを動作させて、リング１０９で加速された荷電粒子を取り込ませ、ターゲットまで導く。

ところで、このような円形粒子加速器１０１では、入射路１０３からリング１０９内に導入された荷電粒子を加速する際、複数の偏向電磁石１０６を使用して、荷電粒子の経路を制御しながら、複数の加速機器１０５を使用して、荷電粒子を加速させるようにしているので、リング１０９を構成する真空空洞パイプ１０９に沿って、多数の偏向電磁石１０６と、多数の加速機器１０５とを配置しなければならず、リング自体が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、このような従来技術に係る円形加速器の課題に鑑みてなされたものであって、円形粒子加速器などで使用される偏向電磁石に、本来の機能である偏向機能のほか、荷電粒子を加速させる加速機能を持たせることができ、これによってリングで使用される加速機器を大幅に低減、またはゼロにさせることができ、これによって加速器の低価格化、小型化を達成させることができる偏向電磁石システムを提供することを目的としている。

また、本発明は、１つの磁性体に偏向地場用励磁コイルと加速用励磁コイルとを効率良く、かつ相互に干渉しないように配置させながら、加速器で使用される加速機器の数を大幅に低減、またはゼロにさせることができ、これによって加速器の低価格化、小型化を達成させることができる偏向電磁石システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本願の請求項１に記載の偏向電磁石システムは、偏向磁力線を発生して、荷電粒子を偏向させる偏向電磁石システムにおいて、所定の磁気特性、所定の導電特性を持つ磁性材料によって構成され、中央部分に荷電粒子が通過するギャップが形成された中空パイプ状の磁性体と、この磁性体の外面、前記ギャップを通るように、前記磁性体の一側面側、または両側面側に所定の巻き数だけ、巻き付けられる１つ、または複数の偏向磁場用励磁コイルと、偏向用励磁電流を生成して、前記偏向磁場用励磁コイルを励磁させ、前記磁性体の前記ギャップ内に偏向磁力線を生成させる偏向用電源と、前記磁性体の外面、前記ギャップを通るように、前記磁性体の所定部分に、１ターン、または数ターンだけ、巻き付けられる加速用励磁コイルと、所定の周波数、所定の電圧値を持つ加速用励磁電流を生成して、前記加速用励磁コイルを励磁させ、前記磁性体内に加速磁力線を生成させるとともに、前記加速磁力線によって、前記磁性体の長手方向に、誘導電圧を発生させる加速用電流源とを備えたことを特徴としている。

また、本願の請求項２に記載の本偏向電磁石システムにおいては、前記磁性体は断面中央部分にギャップが形成された窓枠型の中空パイプによって構成され、前記偏向磁場用励磁コイルは、前記磁性体の一側面に所定の巻き数だけ、巻き付けられる第１偏向磁場用励磁コイル、前記磁性体の他側面に所定の巻き数だけ、巻き付けられる第２偏向磁場用励磁コイルによって構成され、前記加速用励磁コイルは、前記磁性体の上面、または下面のいずれかに巻き付けられることを特徴としている。

本発明に係る請求項１の偏向電磁石システムは、円形粒子加速器などで使用される偏向電磁石に、本来の機能である偏向機能のほか、荷電粒子を加速させる加速機能を持たせることができ、これによってリングで使用される加速機器を大幅に低減、またはゼロにさせることができ、これによって加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。

また、本発明に係る請求項２の偏向電磁石システムは、１つの磁性体に偏向地場用励磁コイルと加速用励磁コイルとを効率良く、かつ相互に干渉しないように配置させながら、加速器で使用される加速機器の数を大幅に低減、またはゼロにさせることができ、これによって加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。

本発明による偏向電磁石システムを使用した円形粒子加速器の一形態を示す概略構成図である。 図１に示す偏向電磁石システムの詳細な構成例を示す正面側断面図である。 図２に示す偏向電磁石システムの斜視図である。 図２に示す偏向電磁石システムの磁化曲線図である。 本発明による偏向電磁石システムを使用した円形粒子加速器の他の形態例を示す概略構成図である。 本発明による偏向電磁石システムの他の構成例を示す右側断面図である。 本発明による偏向電磁石システムの他の構成例を示す正面側断面図である。 従来から知られている円形粒子加速器の一例を示す概略構成図である。

Ａ．本発明の第１の実施形態
図１は、本発明による偏向電磁石システムを使用した円形粒子加速器の一形態を示す概略構成図である。

この図に示す円形粒子加速器１は、陽子発生源（図示は省略する）、直線状に形成される真空空洞パイプ２、この真空空洞パイプ２に沿って配置される複数の直線加速器（図示は省略する）などによって構成される。

ここで、陽子発生源などで得られた陽子などの荷電粒子は、直線加速器側に導かれ、指定された速度まで、加速させる入射路３と、リング状に形成される真空空洞パイプ４、真空空洞パイプ４に沿って配置される複数の偏向電磁石システム５、１つの高場入射機器（Hight Field 入射機器）６、１つの高場出射機器（Hight Field 出射機器）７などによって構成される。

ここで、高場入射機器６を介して、入射路３から供給される荷電粒子を取り込み、指定された速度になるまで加速させるリング８と、直線状に形成され、その一端が高場出射機器７に連通される真空空洞パイプ１０、この真空空洞パイプ１０に沿って配置される電磁石（図示は省略する）などによって構成され、高場出射機器７を介して、リング８によって指定された速度まで加速させられた荷電粒子を取り込み、ターゲットまで導く出射路１１と、を備えている。

そして、加速器制御装置（図示は省略する）などから指示に基づき、入射路３に設けられた陽子発生源、複数の直線加速器を動作させて、指定された速度の荷電粒子を発生させるとともに、リング８に設けられた高場入射機器６、各偏向電磁石システム５を動作させて、入射路３から出射される荷電粒子をリング８の真空空洞パイプ４内に導いて、指定された速度になるまで加速させる。

この後、リング８に設けられた高場出射機器７、出射路１１に設けられた電磁磁石などを動作させて、リング８で加速された荷電粒子を取り込ませ、ターゲットまで導く。

各偏向電磁石システム５の各々は、図２の正面側断面図に示す如く所定の磁気特性、所定の導電特性を持つ中空の長手磁性材料によって構成され、断面中央に形成されたギャップ（開口部）１４に真空空洞パイプ４が通される窓枠形状の磁性体１５と、磁性体１５のギャップ１４および外面を通るように、指定された巻き数、例えばｎ１ターンだけ、磁性体１５の一側面に巻き付けられる第１偏向磁場用励磁コイル１６と、磁性体１５のギャップ１４および外面を通るように、指定された巻き数、例えばｎ２ターン（但し、ｎ１≒ｎ２）だけ、磁性体１５の他側面に巻き付けられる第２偏向磁場用励磁コイル１７と、を備える。

また、偏向用励磁電流を発生して、第１偏向磁場用励磁コイル１６を励磁させ、矢印Ａ１方向の磁力線１８を生成させるとともに、第２偏向磁場用励磁コイル１７を励磁させ、矢印Ａ２方向（矢印Ａ１方向と同じ方向）の磁力線１９を生成させ、磁性体１５のギャップ１４内に矢印Ｂ方向の偏向磁力線２０を発生させる偏向用電源２１と、磁性体１５のギャップ、および外面を通るように、指定された巻き数、例えば１ターン、または数ターンだけ、磁性体１５の上部面に巻き付けられる加速用励磁コイル２２と、を備える。

さらには、加速用励磁電流（高周波励磁電流）を発生して、加速用励磁コイル２２を励磁させ、磁性体１５の上部、右側面部、下部、左側面部を順次、通る矢印Ｃ方向の加速磁力線２３を発生させるとともに、加速磁力線２３によって、図３に示す如く磁性体１５の先端、後端間に誘導電圧Ｖａを発生させる加速用電源２３と、を備える。

そして、加速器制御装置（図示は省略する）などから指示に基づき、リング８に設けられた高場入射機器６、各偏向電磁石システム５を動作させるとき、偏向用電流源２１から、偏向用励磁電流、例えば数Ｈｚの周波数を持ち、第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７に数十キロＡｔの起磁力を発生させるのに必要な電流値を持つ偏向用励磁電流を出力させて、第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７を励磁させる。

これにより、図２に示す矢印Ａ１方向の磁力線１８と、矢印Ａ２方向の磁力線１９とが生成されて、磁性体１５の各側面部、ギャップ１４を通る偏向磁力線２０が生成され、ギャップ１４内に配置された真空空洞パイプ４中を通過する荷電粒子が右方向（または、左方向）に付勢されて、偏向させられる。

またこの動作と並行し、加速用電源２３から加速用励磁電流、例えば５００Ｖの電圧値、数ＭＨｚの周波数、数Ａの電流値を持つ加速用励磁電流を出力させて、加速用励磁コイル２２を励磁させる。

これによって、図２に示す磁性体１５の上部、右側面部、下部、左側面部を順次、通る矢印Ｃ方向の加速磁力線２３が生成されて、図３に示す如く磁性体１５の先端、後端間に誘導電圧Ｖａが生成され、ギャップ１４内に配置された真空空洞パイプ４中を通過する荷電粒子が矢印Ｄ方向（または、矢印Ｄ方向と逆方向）に加速される。

このとき、偏向用励磁電流が供給された第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７によって、磁性体１５内に図４のＢ−Ｈ磁化曲線図に示す磁化曲線２４に沿った強さの偏向磁力線２０が生成されるとともに、加速用励磁電流が供給された加速用励磁コイル２２によって、図４の部分拡大図に示す如く磁化曲線２５に沿った強さの加速磁力線２３が生成されることから、加速用励磁電流の周波数に対応するように、偏向磁力線２０の動作点が変動する。

しかし、第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７の励磁量に対し、加速用励磁コイル２２の励磁量が１／１０００程度であることから、偏向磁力線２０の変動を小さく抑えることができるとともに、磁性体１５の鉄損失などの磁性体損失を小さく抑えることができ、加速磁力線２３を重乗させる前の磁性体発熱量とほぼ同じ程度まで、磁性体１５の磁性体発熱量を抑えさせることができる。

これにより、複数の加速機器と、複数の偏向電磁石とを使用する従来の円形粒子加速器に比べ、図１に示す円形粒子加速器全体１では、複数の加速機器を無くした分だけ、円形粒子加速器全体１全体の発熱量を小さく抑えさせて、冷却媒体の使用量を少なくさせることができる。

このように、この形態では、偏向用励磁電流によって、第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７を励磁させて、磁性体１５のギャップ１４内に偏向磁力線２０を生成させ、磁性体１５のギャップ１４内に配置された真空空洞パイプ４中を通過する荷電粒子を偏向させるとともに、加速用励磁電流によって、加速用励磁コイル２２を励磁させて、磁性体１５内に加速磁力線２３を生成させる。

また、この加速磁力線２３によって磁性体１５の両端部間に誘導電圧Ｖａを生成させ、磁性体１５のギャップ１４内に配置された真空空洞パイプ４中を通過する荷電粒子を加速させるようにしているので、リング状に形成される真空空洞パイプ４、真空空洞パイプ４に沿って、複数の偏向電磁石システム５、１つの高場入射機器６、１つの高場出射機器７などによってリング８を構成させることができる（請求項１の効果）。

これにより、高電圧、大電力を必要とする加速機器を削除できた分だけ、円形粒子加速器１の低価格化を達成させることができる。

また、高電圧、大電力を必要とする加速機器を削除できた分だけ、真空空洞パイプ４の周囲に隙間が発生することから、隙間を小さくさせることにより、図５に示す如くリング８径自体を小さくさせ、円形粒子加速器１の小型化を達成させることができる。

さらに、偏向磁力線２０と、加速用励磁コイル２２とが交差しないようにしているので、偏向磁力線２０、加速磁力線２３が相互に干渉しないようにさせることができ、これによって偏向電磁石システム５が持つ偏向電磁石機能と、加速機能とを独立させて機能させることができる（請求項２の効果）。

また、磁性体１５として、従来の偏向電磁石などで使用されている一般的なヨーク構造（窓枠構造）のものを使用させることができることから、従来の偏向電磁石とほぼ同じ部品で、偏向電磁石システム５を製造させることができる。

また、本発明は、例えば、特開２００８−２３４９３８号公報に開示されている電磁石の高速強地場化方法、パルス電磁石システムなどと、偏向電磁石システム５の技術とを併用させることにより、シンクロトロンなどにおける入出射機器、加速機器に用いている直線部を短縮させることができ、これによって、リング自体の小型化を促進させることができる。

Ｂ．本発明の他の実施形態
上述した本発明の第１の実施形態では、磁性体１５が持つ導電特性を利用し、磁性体１５の両端部間に、加速磁力線２３に対応する誘導電圧Ｖａを発生させるようにしているが、図６に示す如く磁性体１５の外側に導電体３０を取り付け、この導電体３０の両端間に、加速磁力線２３に対応する誘導電圧Ｖａを発生させるようにしても良い。

導電体３０は、磁性体１５に外挿された金属パイプ、または塗布された金属膜などによって構成されており、その先端、後端が磁性体１５のギャップ１４内に折り曲げられ、磁性体１５内に生成される加速磁力線２３を半ターンだけ、囲むことにより、導電体３０の両端間に、加速磁力線２３の変化に応じた誘導電圧Ｖａを発生し、この誘導電圧Ｖａによって生じる加速電界により、ギャップ１４内を通過する荷電粒子を加速する。

このようにすることにより、磁性体１５の導電特性が十分でない場合でも、導電体３０が持つ導電性を利用し、荷電粒子を加速するのに必要な加速電界を生成させることができる。

また、上述した形態では、磁性体１５の一側面に第１偏向磁場用励磁コイル１６を巻き付けるとともに、磁性体１５の他側面に第２偏向磁場用励磁コイル１７を巻き付け、これら第１偏向磁場用励磁コイル１６、第２偏向磁場用励磁コイル１７を励磁したときに発生する磁力線１８、１９で、磁性体１５のギャップ１４内に偏向磁力線２０を生成させ、磁性体１５のギャップ１４内に配置された真空空洞パイプ４中を通過する荷電粒子を偏向させるようにしているが、図７に示す如く磁性体１５のギャップ１４内に１つの偏向磁場用励磁コイル３５を配置し、この偏向磁場用励磁コイル３５を励磁して、磁性体１５のギャップ１４内に偏向磁力線２０を生成させるようにしても良い。

このようにしても、上述した形態と同様に、磁性体１５のギャップ１４内に偏向磁力線２０を生成させ、ギャップ１４内を通過する荷電粒子を偏向させることができる。

本発明は、主に円形粒子線加速器において使用される偏向電磁石システムに関し、特に粒子の加速機能を備えた偏向電磁石システムに関するものであって、産業上の利用可能性を有する。粒子の加速機能を備えた偏向電磁石システムは、素粒子実験、原子核実験、医学利用（放射線治療）などを目的とした高エネルギー粒子線加速器の多機能化が見込まれ、一般的に普及されることが期待される。また、一般普及により、今までに困難であったバルク加工を対象にしたナノ材料の量産化への一歩である重イオン加速器に貢献することが期待されている。

１：円形粒子加速器
２：真空空洞パイプ
３：入射路
４：真空空洞パイプ
５：偏向電磁石システム
６：高場入射機器
７：高場出射機器
８：リング
１０：真空空洞パイプ
１１：出射路
１４：ギャップ
１５：磁性体
１６：第１偏向磁場用励磁コイル（偏向磁場用励磁コイル）
１７：第２偏向磁場用励磁コイル（偏向磁場用励磁コイル）
１８：磁力線
１９：磁力線
２０：偏向磁力線
２１：偏向用電源
２２：加速用励磁コイル
２３：加速用電源
２４：磁化曲線
２５：磁化曲線
３０：導電体
３５：偏向磁場用励磁コイル

Claims (2)

1. 偏向磁力線を発生して、荷電粒子を偏向させる偏向電磁石システムであって、
   断面中央に荷電粒子が通過するギャップを有する断面左右対称な窓枠型の磁性体と、
   前記磁性体の一側面部に、前記磁性体の外面及び前記ギャップを通るように巻き付けられる第１偏向磁場用励磁コイルと、
   前記磁性体の他側面部に、前記磁性体の外面及び前記ギャップを通るように巻き付けられる第２偏向磁場用励磁コイルと、
   前記磁性体の上面部または下面部の左右中心位置に、前記磁性体の外面及び前記ギャップを通るように巻き付けられる加速用励磁コイルとを備え、
   前記第１偏向磁場用励磁コイルと前記第２偏向磁場用励磁コイルとが、それぞれ偏向用励磁電流の印加により、前記偏向磁力線が前記ギャップ内に生成されるように、前記磁性体の一側面部及び前記ギャップを通る第１磁力線と、前記磁性体の他側面部及び前記ギャップを通る第２磁力線とを左右対称に発生させ、
   前記加速用励磁コイルが、加速用励磁電流の印加により、前記磁性体内にそれを一方向に周回する加速磁力線を生成することによって、前記磁性体に前記荷電粒子が通過する向きに、前記荷電粒子を加速するための誘導電圧を発生させることを特徴とする加速機能付き偏向電磁石システム。
2. 前記磁性体の外面を前記荷電粒子が通過する向きに沿って覆い、かつ前記磁性体の両端から、前記磁性体内に生成される前記加速磁力線の半ターン分だけ囲むように前記ギャップ内に入った位置まで設けられた導電体を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の加速機能付き偏向電磁石システム。

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