JP6063883B2 - 超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器に関する。

荷電粒子加速器は、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真空ダクトに導き、輸送するように構成されている（例えば、特許文献１および２参照）。ここで荷電粒子加速器は、荷電粒子を加速させて輸送するものもあれば、加速させることなく輸送するものもある。

真空ダクト内における荷電粒子の軌道は、例えばソレノイドコイルや双極コイル（ダイポールコイル）によって画定される。ソレノイドコイル１００および双極コイル１０１は、図１０に示すように、真空ダクト（ビームライン）１０２の外周側に設けられており、真空ダクト１０２に沿って互いに異なる位置に配置されている。このうちソレノイドコイル１００は、真空ダクト１０２に沿う方向の磁場を形成して当該方向に荷電粒子１０３の軌道を向け、双極コイル１０１は、２極の磁場、すなわち真空ダクト１０２に沿う方向に直交する方向の磁場を形成して、真空ダクト１０２内の荷電粒子１０３の軌道を偏向させてビームドリフト補正および偏向角度による粒子の選別を行う。なお、図１０においては、双極コイル１０１が、平坦状に形成されたレーストラックコイル１０４により構成されている例を示しているが、双極コイル１０１は、コイル導体を全体的に真空ダクト１０２内の荷電粒子１０３に近づけるために、図１１に示すような、内筒（図示せず）の曲面に沿って形成された鞍形形状の一対の鞍型コイル１０５により構成することもできる。この場合、双極コイル１０１のコイル導体を、全体的に真空ダクト１０２内の荷電粒子１０３に近づけることができ、真空ダクト１０２内に形成される磁場を強めることができる。また、図示しないが、荷電粒子１０３を収束させるための４極コイルまたは６極コイルなどが設けられる場合もある。４極コイルおよび６極コイルは、荷電粒子１０３を真空ダクト１０２の中心領域に収束して、荷電粒子１０３の発散を防止する。

上述したソレノイドコイル１００や鞍型コイル１０５には、励磁された際に電磁力が発生し得る。この場合、図１２に示すように、ソレノイドコイル１００に発生する電磁力Ｆ１は外周側を向く。このため、ソレノイドコイル１００の外周側に、当該電磁力Ｆ１を受ける外周側サポート筒１０６が取り付けられ、ソレノイドコイル１００の変形を防止している。

鞍型コイル１０５には、図１３に示すように、外周側を向く電磁力Ｆ２と内周側を向く電磁力Ｆ３とが発生し得る。このため、鞍型コイル１０５の外周側に外周側サポート筒１０７が取り付けられるとともに、鞍型コイル１０５の内周側に内周側サポート筒１０８が取り付けられ、鞍型コイル１０５の変形を防止している。

特開２０１１−１３８８９２号公報 特許第４９３７１９６号公報

上述のようにして外周側サポート筒が取り付けられたソレノイドコイルと、外周側サポート筒および内周側サポート筒が取り付けられた鞍型コイルは、荷電粒子加速器の真空ダクトに多数設置される。このことにより、荷電粒子加速器では多数のサポート筒が存在することになる。このため、超伝導マグネット装置のサポート筒が、荷電粒子加速器のコンパクト化、低コスト化を妨げる一つの要因となっていた。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、設置される荷電粒子加速器のコンパクト化、低コスト化に寄与し得る超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器を提供することを目的とする。

実施の形態による超伝導マグネット装置は、荷電粒子加速器のビームラインに設置される。この超伝導マグネット装置は、荷電粒子の軌道をビームラインに沿う方向に向けるための磁場を形成するソレノイドコイルと、２極以上の磁場を形成する複数対の鞍型コイルと、を備えている。複数対の鞍型コイルは、ソレノイドコイルの外周側に配置されている。

また、実施の形態による超伝導マグネット装置は、荷電粒子加速器のビームラインに設置される。この超伝導マグネット装置は、荷電粒子の軌道をビームラインに沿う方向に向けるための磁場を形成するソレノイドコイルと、２極以上の磁場を形成する複数対の鞍型コイルと、を備えている。複数対の鞍型コイルは、ソレノイドコイルの内周側に配置されている。

実施の形態による荷電粒子加速器は、ビームラインと、ビームラインに設置され、上述した超伝導マグネット装置と、を備えている。

図１は、本発明の第１の実施の形態における荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１の荷電粒子加速器の超伝導マグネット装置の概略構成を示す斜視図である。 図３は、図２の超伝導マグネット装置の全体構成を示す断面図である。 図４は、図２のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態における超伝導マグネット装置を示す断面図である。 図６は、図５の超伝導マグネット装置の回路構成を示す図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態における超伝導マグネット装置の概略構成を示す斜視図である。 図８は、図７のＢ−Ｂ線断面図である。 図９は、本発明の第４の実施の形態における超伝導マグネット装置を示す断面図である。 図１０は、従来の荷電粒子加速器の概略構成を示す斜視図である。 図１１は、鞍型コイルを示す斜視図である。 図１２は、ソレノイドコイルに生じる電磁力を示す断面図である。 図１３は、双極コイルに生じる電磁力を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器について説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施の形態における超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器について説明する。

ここではまず、図１を用いて、荷電粒子加速器について概略説明する。図１に示すように、荷電粒子加速器１は、荷電粒子３（ビーム）が導かれる真空ダクト（ビームライン）２と、真空ダクト２に設置され、真空ダクト２内の荷電粒子３の軌道を画定する複数の超伝導マグネット装置１０と、を備えている。このうち真空ダクト２は、イオン源や電子銃などの粒子発生源４に連結されている。また、粒子発生源４の近傍には、荷電粒子３に高周波電圧を与えて荷電粒子３を加速させる高周波加速空洞（図示せず）が設けられている。このようにして、粒子発生源４により発生した荷電粒子３は高周波加速空洞により加速されて真空ダクト２内を輸送される。この間、荷電粒子３の軌道が、超伝導マグネット装置１０によって画定される。

次に、本実施の形態による超伝導マグネット装置１０について詳述する。

図１および図２に示すように、超伝導マグネット装置１０は、荷電粒子３の軌道を真空ダクト（ビームライン）２に沿う方向に向けるための磁場Ｂ１を形成するソレノイドコイル１１と、２極の磁場Ｂ２、すなわち荷電粒子３の軌道を偏向させるための磁場Ｂ２を形成する一対の鞍型コイル１２と、を備えている。このうち鞍型コイル１２は、ソレノイドコイル１１の外周側に配置され、ソレノイドコイル１１の外周面に沿って形成されている。

ソレノイドコイル１１は、ソレノイドコイル１１用の巻き枠（図示せず）にコイル導体１１ａが多層にコイル状に巻き回されて構成されている。これにより、ソレノイドコイル１１が励磁された場合、ソレノイドコイル１１の内側に、真空ダクト２の軸線方向（以下、単に軸線方向と記す）に沿う方向の磁場Ｂ１が形成され、荷電粒子３の軌道を真空ダクト２に沿う方向に向けることができる。コイル導体１１ａは、超伝導材料、例えばニオブチタンにより作製することができる。

一対の鞍型コイル１２は、２極磁場を形成する双極コイル（ダイポールコイル）１３を構成している。すなわち、一対の鞍型コイル１２は、真空ダクト２を介して対向配置されており、一方の鞍型コイル１２がＮ極の磁場を形成し、他方の鞍型コイル１２がＳ極の磁場を形成する。また、各鞍型コイル１２のコイル導体１２ａは、渦巻き状に巻かれている。すなわち、ソレノイドコイル１１の外周面に、鞍型コイル１２用の巻き枠（図示せず）が取り付けられて、当該巻き枠に、コイル導体１２ａが渦巻き状に巻かれて鞍型コイル１２が作製されている。

より具体的には、各鞍型コイル１２は、軸線方向に直交する方向から見た場合に、長円形状、楕円形状、矩形状、または、矩形の角部が湾曲して形成されたレーストラック形状を有している。さらに、本実施の形態においては、各鞍型コイル１２は、軸線方向から見た場合に、ソレノイドコイル１１の外周面に沿って湾曲し、ソレノイドコイル１１と略同心状に形成されている。このことにより、コイル導体１２ａを全体的に真空ダクト２内の荷電粒子３に近づけて、磁場Ｂ２を強めることができる。なお、一対の鞍型コイル１２は、直列接続されており、ほぼ同時に励磁されるようになっている。また、鞍型コイル１２のコイル導体１２ａは、ソレノイドコイル１１のコイル導体１１ａと同様の材料を用いることが好適である。

一対の鞍型コイル１２が励磁されると、上述したように一方の鞍型コイル１２がＮ極の磁場を形成し、他方の鞍型コイル１２がＳ極の磁場を形成して、これにより軸線方向に直交する方向の磁場Ｂ２が形成される。このため、一対の鞍型コイル１２の間を通過する荷電粒子３の軌道を偏向することができる。

このような鞍型コイル１２は、ソレノイドコイル１１と連続的に巻線して作製してもよく、あるいは鞍型コイル１２をソレノイドコイル１１とは別体に作製した後にソレノイドコイル１１に組み合わせるようにしてもよい。

ところで、超伝導マグネット装置１０は、図３に示すように、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２を覆い、輻射熱の侵入を防止するための輻射シールド２０と、ソレノイドコイル１１、鞍型コイル１２および輻射シールド２０を収容した真空容器（クライオスタット）２１と、を更に備えている。

真空容器２１には、輻射シールド２０の内側に延びるコールドヘッド２３を有する冷凍機２２が設けられている。一方、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間には、伝熱部材２６（図４参照）が介在されており、この伝熱部材２６は、コールヘッド２３の先端部に設けられた第１ステージ２４に連結されている。このことにより、伝熱部材２６が冷凍機２２の第１ステージ２４によって冷却されて、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２が、例えば４Ｋ程度に冷却される。このようにして、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２は超伝導状態に維持される。なお、伝熱部材２６には、アルミシートなどを好適に用いることができる。また、上述した輻射シールド２０は、コールドヘッド２３に設けられた第２ステージ２５に連結されて、例えば４０Ｋ程度に冷却されるようになっている。

ソレノイドコイル１１と伝熱部材２６との間および伝熱部材２６と鞍型コイル１２との間には、絶縁フィルム（図示せず）がそれぞれ介在されている。絶縁フィルムは、樹脂等の絶縁材料により作製することができ、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間の絶縁を確保している。

このように構成されたソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２は、別々の電源から電流が供給されて、独立して励磁されるように構成されている（図６参照）。このことにより、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とが、真空ダクト２内に磁場Ｂ１、Ｂ２を別々に形成する。

ところで、図４に示すように、鞍型コイル１２の外周側には、外周側サポート筒３０が設けられている。外周側サポート筒３０は、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２が励磁された場合に発生する外周側に向く電磁力を受ける。

すなわち、ソレノイドコイル１１が励磁されると外周側に向く電磁力Ｆ１が発生する（図１２参照）。また、鞍型コイル１２が励磁されると外周側に向く電磁力Ｆ２がそれぞれ発生する（図１３参照）。このことにより、外周側サポート筒３０が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２に発生する外周側に向く電磁力Ｆ１、Ｆ２を受けて、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２の変形を防止している。

上述した外周側サポート筒３０は、例えばアルミニウムやＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を円筒状に加工することにより構成され、または、ガラスバインドやステンレスバインド等を鞍型コイル１２の外周側に巻き付けて構成され得る。

また、励磁された鞍型コイル１２には、内周側に向く電磁力Ｆ３が発生する（図１３参照）。当該電磁力Ｆ３は、鞍型コイル１２の内周側に配置されているソレノイドコイル１１によって受けられ得る。このため、当該電磁力Ｆ３を受けるためのサポート筒（例えば、図１３に示す内周側サポート筒１０８）を不要とすることができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

超伝導マグネット装置１０により荷電粒子加速器１の真空ダクト２内に磁場Ｂ１、Ｂ２を形成する場合、まず、冷凍機２２が駆動されて、コールドヘッド２３を介して第１ステージ２４および第２ステージ２５が冷却される。このことにより、第１ステージ２４に伝熱部材２６を介して連結されたソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２が、例えば４Ｋ程度に冷却される。

その後、ソレノイドコイル１１、および双極コイル１３を構成する一対の鞍型コイル１２に、別々の電源から直流電流が供給されて、これらのコイル１１、１２がそれぞれ励磁される。このことにより、真空ダクト２内に、軸線方向に沿う方向の磁場Ｂ１と、当該軸線方向に直交する方向の磁場Ｂ２とが形成され、当該超伝導マグネット装置１０を通過する荷電粒子３の軌道は、真空ダクト２に沿う方向に向けられるとともに、軸線方向に直交する方向に偏向される。すなわち、軸線方向に対して傾斜する方向に荷電粒子３の軌道が画定される。

ソレノイドコイル１１が励磁されている間、ソレノイドコイル１１には外周側に向く電磁力Ｆ１（図１２参照）が発生し、鞍型コイル１２が励磁されている間、鞍型コイル１２には外周側に向く電磁力Ｆ２および内周側に向く電磁力Ｆ３が発生する（図１３参照）。このうち、外周側に向く電磁力Ｆ１、Ｆ２は外周側サポート筒３０によって受けられ、これにより、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２の変形が防止される。

一方、鞍型コイル１２に発生する内周側に向く電磁力Ｆ３は、ソレノイドコイル１１によって受けられる。すなわち、ソレノイドコイル１１は、鞍型コイル１２に発生し得る内周側に向く電磁力Ｆ３を受けるサポートとして機能することができ、当該電磁力Ｆ３による鞍型コイル１２の変形を防止することができる。このため、鞍型コイル１２に発生し得る内周側に向く電磁力Ｆ３を受けるためのサポート筒を不要とすることができる。

このように本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１の外周側に、一対の鞍型コイル１２が配置されている。このことにより、励磁されたソレノイドコイル１１に発生する外周側に向く電磁力Ｆ１を受けるサポート筒と、励磁された鞍型コイル１２に発生する外周側に向く電磁力Ｆ２を受けるサポート筒とを共有化することができる。すなわち、鞍型コイル１２の外周側に設けられた外周側サポート筒３０によって、上述した電磁力Ｆ１と電磁力Ｆ２とを受けることができる。この結果、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、電磁力を受けるためのサポート筒の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。また、この場合、荷電粒子加速器１において使用される冷凍機２２の合計冷却能力の省力化を図ることもできる。

また、本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１の外周側に、一対の鞍型コイル１２が配置されている。このことにより、励磁された鞍型コイル１２に発生する内周側に向く電磁力Ｆ３を、ソレノイドコイル１１が受けることができ、当該電磁力Ｆ３を受けるためのサポート筒を不要とすることができる。この結果、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、電磁力を受けるためのサポート筒の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。

また、本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１の外周側に、一対の鞍型コイル１２が配置されていることにより、ソレノイドコイル１１と一対の鞍型コイル１２とが占有する真空ダクト２の軸線方向の長さを短くすることができる。このため、真空ダクト２を短くして、荷電粒子加速器１のコンパクト化を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１と一対の鞍型コイル１２との間に介在された伝熱部材２６が、ソレノイドコイル１１と一対の鞍型コイル１２とを冷却することができる。このことにより、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とを冷却するための伝熱部材２６を共有化することができる。このため、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、伝熱部材２６の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。とりわけ、本実施の形態によれば、冷凍機２２、輻射シールド２０および真空容器２１をも共有化することができ、より一層のコンパクト化、低コスト化を図ることもできる。

なお、上述した本実施の形態においては、超伝導マグネット装置１０が、荷電粒子３の軌道を偏向させる磁場Ｂ２を形成する一対の鞍型コイル１２（双極コイル１３）を備えている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、超伝導マグネット装置１０は、荷電粒子３を収束させるための磁場を形成する４極コイルを構成する４つの鞍型コイルを備え、４つの鞍型コイルをソレノイドコイル１１の円周方向に略均等に配置するようにしてもよい。さらには、超伝導マグネット装置１０は、６極コイルを構成する６つの鞍型コイルを備えて、６つの鞍型コイルをソレノイドコイル１１の円周方向に略均等に配置するようにしてもよい。すなわち、鞍型コイル１２の対の数は限られることはなく任意である。

また、上述した本実施の形態においては、超伝導マグネット装置１０の真空容器２１内に、１つのソレノイドコイル１１と、当該ソレノイドコイル１１の外周側に配置された一対の鞍型コイル１２とが設けられている例ついて説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、真空容器２１内には、２つ以上のソレノイドコイル１１が設けられて、そのうちの一つ以上のソレノイドコイル１１に、複数対の鞍型コイル１２が設けられるようにしてもよい。

（第２の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第２の実施の形態における超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器について説明する。

図５および図６に示す第２の実施の形態においては、ソレノイドコイルと鞍型コイルとの間にヒータコイルが介在されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間にヒータコイル３５が介在されている。この場合、伝熱部材２６（図４参照）は、ソレノイドコイル１１とヒータコイル３５との間に介在されていてもよい。この場合、絶縁フィルム（図示せず）は、ソレノイドコイル１１と伝熱部材２６との間、およびヒータコイル３５と鞍型コイル１２との間に介在されることが好適である。また、伝熱部材２６は、ヒータコイル３５と鞍型コイル１２との間に介在されていてもよい。この場合、絶縁フィルムは、ソレノイドコイル１１とヒータコイル３５との間、および伝熱部材２６と鞍型コイル１２との間に介在されることが好適である。

ヒータコイル３５は、ソレノイドコイル１１の外周面にヒータコイル３５用の巻き枠（図示せず）が取り付けられ、当該巻き枠にヒータ導体がコイル状に巻き回されることにより構成されている。ヒータ導体は、ソレノイドコイル１１のコイル導体１１ａ（図２参照）を巻き回す際に使用された巻線機を用いて、当該コイル導体１１ａと同一の向きに巻き回されている。そして、鞍型コイル１２は、ヒータコイル３５の外周面に作製されている。また、ヒータ導体は、無誘導巻きにされて、ヒータ導体に電流が流れることによる磁場が形成されることを抑制し、誘導電圧の発生が抑制されていることが好適である。

ヒータ導体は、ソレノイドコイル１１のコイル導体１１ａおよび鞍型コイル１２のコイル導体１２ａ（図２参照）と略同等の熱収縮率（線膨張率）を有する金属で、且つ極低温（例えば４Ｋ程度）における抵抗値がソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２のコイル導体１１ａ、１２ａと略同等になる金属にて構成されることが好適である。例えば、ヒータ導体は、銅やアルミニウムからなる線材が被覆されたヒータ被覆線として構成され得る。特に、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２のコイル導体１１ａ、１２ａがニオブチタンから構成される場合には、ヒータ導体は、ニオブチタンと抵抗値の近い銅を用いることが好適である。

上述したヒータコイル３５は、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２のうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱するように構成されている。ここで、クエンチとは、超伝導状態のコイル内に局所的な常伝導状態が発生して、その部分が発熱して超伝導状態が急激に破壊される現象をいう。

このようなヒータコイル３５の機能を発現するための超伝導マグネット装置１０の回路構成を、図６を用いて説明する。超伝導マグネット装置１０の回路構成は、ソレノイドコイル１１側の第１回路４０と、鞍型コイル１２側の第２回路５０とにより構成されている。ここでは、真空容器２１内に、２つのソレノイドコイル１１と、各々のソレノイドコイル１１に設けられた一対の鞍型コイル１２およびヒータコイル３５が収容されている例を示している。

第１回路４０では、２つのソレノイドコイル１１が互いに直列に接続され、これらのソレノイドコイル１１に、直流電流を供給する第１電源（Ｐ／Ｓ）４１と、第１遮断機４２とが直列に接続されている。２つのヒータコイル３５は互いに直列に接続されるとともに、第１ダイオード４３に直列に接続されている。ここで、第１ダイオード４３は、通常運転時には第１電源４１からヒータコイル３５への電流の供給を阻止し、クエンチが発生した場合には、ソレノイドコイル１１からヒータコイル３５への電流の供給を可能にするように、アノードとカソードの向きが定められている。また、ヒータコイル３５はソレノイドコイル１１に並列に接続されている。なお、図６においては、ソレノイドコイル１１に１つの第１ダイオード４３が接続されている例を示しているが、第１電源４１の容量に応じて複数の第１ダイオード４３が接続されてもよい。

第２回路５０では、第１回路４０と同様に、各々が一対の鞍型コイル１２により構成された２つの双極コイル１３が直列に接続され、これらの双極コイル１３に、直流電流を供給する第２電源（Ｐ／Ｓ）５１と、第２遮断機５２とが直列に接続されている。すなわち、双極コイル１３は、ソレノイドコイル１１とは別の第２電源５１から電流が供給されて（図６の矢印Ｐ１およびＰ２参照）、独立して励磁されるようになっている。また、第２回路５０では、双極コイル１３に並列に第２ダイオード５３が接続されているが、ヒータコイル３５は接続されていない。ここで、第２ダイオード５３は、通常運転時には第２電源５１から電流が流れてくることを阻止し、クエンチが発生した場合には、双極コイル１３から電流が流れてくるように、アノードとカソードの向きが定められている。なお、図６においては、双極コイル１３に１つの第２ダイオード５３が接続されている例を示しているが、第２電源５１の容量に応じて複数の第２ダイオード５３が接続されてもよい。

また、第１回路４０は、各ソレノイドコイル１１に超伝導状態から常伝導状態に遷移するクエンチが発生したことを検出する第１クエンチ検出器４４を有している。第１クエンチ検出器４４には制御器６０が接続されており、第１クエンチ検出器４４は、少なくとも一つのソレノイドコイル１１にクエンチが発生したことを検出した場合に検出信号を制御器６０に送信する。

同様に、第２回路５０は、各双極コイル１３に超伝導状態から常伝導状態に遷移するクエンチが発生したことを検出する第２クエンチ検出器５４を有している。第２クエンチ検出器５４には、上述した制御器６０が接続されており、第２クエンチ検出器５４は、少なくとも一つの双極コイル１３（鞍型コイル１２）にクエンチが発生したことを検出した場合に検出信号を制御器６０に送信する。

制御器６０は、第１クエンチ検出器４４および／または第２クエンチ検出器５４から検出信号を受信した場合、第１遮断機４２および第２遮断機５２を開動作させ、第１電源４１からソレノイドコイル１１への電流を遮断すると共に、第２電源５１から双極コイル１３への電流を遮断する。このことにより、第１回路４０では、ソレノイドコイル１１の自己誘導により誘導起電力が発生し、ソレノイドコイル１１から第１ダイオード４３を通ってヒータコイル３５に向けて電流が流れる（図６の矢印Ｑ１参照）。この場合、ヒータコイル３５は発熱し、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱する。このようにして、ヒータコイル３５は、ソレノイドコイル１１および双極コイル１３の鞍型コイル１２のうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱するように構成されている

次に、このような回路構成からなる超伝導マグネット装置１０の作用について説明する。

通常運転時、第１回路４０の第１遮断器４２が閉状態とされ、第１電源４１からソレノイドコイル１１に向けて直流電流が流れ（図６の矢印Ｐ１参照）、各ソレノイドコイル１１が励磁される。これにより、荷電粒子３の軌道を真空ダクト２に沿う方向に向けるための磁場Ｂ１が形成される。この際、ヒータコイル３５に第１ダイオード４３が図６に示すように直列に接続されているため、ヒータコイル３５には電流は流れない。

第２回路５０においても第２遮断機５２が閉状態とされ、第２電源５１から双極コイル１３に向けて直流電流が流れ（図６の矢印Ｐ２参照）、各双極コイル１３の鞍型コイル１２が励磁される。これにより、荷電粒子３の軌道を偏向させる磁場Ｂ２が形成される。この際、双極コイル１３に図６に示すように並列に接続されている第２ダイオード５３には電流は流れない。

第１クエンチ検出器４４および／または第２クエンチ検出器５４が、２つのソレノイドコイル１１および２つの双極コイル１３のうちの少なくとも一つのコイルにクエンチが発生したことを検出した場合、制御器６０が検出信号を受信する。制御器６０は、受信した検出信号に基づいて、第１遮断機４２および第２遮断機５２を開動作させる。このことにより、第１回路４０では、第１電源４１からソレノイドコイル１１に供給されていた電流が遮断される。この際、ソレノイドコイル１１の自己誘導作用により誘導起電力が発生し、ソレノイドコイル１１から第１ダイオード４３を通ってヒータコイル３５に向けて電流が流れる（図６の矢印Ｑ１参照）。第２回路５０では、第２電源５１から双極コイル１３に供給されていた電流が遮断され、双極コイル１３を構成する鞍型コイル１２の自己誘導作用により誘導起電力が発生し、双極コイル１３から第２ダイオード５３に向けて電流が流れる（図６の矢印Ｑ２参照）。

第１回路４０のヒータコイル３５に電流が供給されると、ヒータコイル３５の抵抗によってヒータコイル３５が発熱する。すなわち、通常運転時にソレノイドコイル１１に蓄積されていた磁気エネルギの大部分が、電流となってヒータコイル３５の抵抗により消費される。このため、ソレノイドコイル１１を流れる電流が迅速に減衰する。そして、ヒータコイル３５の発熱により、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２が加熱されて、クエンチされていないコイル１１、１２は強制的にクエンチされる。その結果、各ソレノイドコイル１１および各鞍型コイル１２のコイル抵抗が増大して、各ソレノイドコイル１１を流れる電流がより一層迅速に減衰する。また、各鞍型コイル１２を流れる電流は、上述したように鞍型コイル１２がクエンチされることにより迅速に減衰する。これにより、クエンチが発生したコイルの損傷や劣化が回避される。

このように本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間に介在されたヒータコイル３５が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２のうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に、クエンチしていないソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱することができる。このことにより、クエンチしていないソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を強制的にクエンチすることができる。このため、各ソレノイドコイル１１および各鞍型コイル１２を流れる電流を迅速に減衰させることができ、当該コイルを損傷や劣化から保護することができる。

また、本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間に介在されたヒータコイル３５が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱することができる。このことにより、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とを加熱するためのヒータコイル３５を共有化することができ、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とを加熱するためのヒータコイル３５の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、ヒータコイル３５が第１回路４０に属してソレノイドコイル１１に並列に接続されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ヒータコイル３５が第２回路５０に属して双極コイル１３に並列に接続されるようにしてもよい。この場合、クエンチが発生すると、ヒータコイル３５には双極コイル１３を構成する鞍型コイル１２から電流が流れて、ヒータコイル３５を発熱させることができる。このことにより、通常運転時に鞍型コイル１２に蓄積されていた磁気エネルギの大部分が、電流となってヒータコイル３５の抵抗により消費され、鞍型コイル１２を流れる電流をより一層迅速に減衰することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図７および図８を用いて、本発明の第３の実施の形態における超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器について説明する。

図７および図８に示す第４の実施の形態においては、鞍型コイルがソレノイドコイルの内周側に配置されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７および図８において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施の形態においては、一対の鞍型コイル１２は、ソレノイドコイル１１の内周側に配置されている。また、一対の鞍型コイル１２は、後述する内周側サポート筒３１の外周面に形成されている。

すなわち、内周側サポート筒３１の外周面には、鞍型コイル１２用のコイル巻き枠（図示せず）が取り付けられ、当該コイル巻き枠に、コイル導体１２ａ（図２参照）が渦巻き状に巻かれて一対の鞍型コイル１２が作製されている。鞍型コイル１２の外周面に、ソレノイドコイル１１用の巻き枠（図示せず）が取り付けられ、当該巻き枠に、コイル導体１１ａが多層にコイル状に巻き回されてソレノイドコイル１１が作製されている。

図７に示す鞍型コイル１２およびソレノイドコイル１１は、第１の実施の形態と同様にして、同一の巻線機によって連続的に作製することができる。

図８に示すように、上述した内周側サポート筒３１は、鞍型コイル１２の内周側に設けられており、鞍型コイル１２が励磁された場合に発生する内周側に向く電磁力を受けるように構成されている。

すなわち、鞍型コイル１２が励磁されると内周側に向く電磁力Ｆ３が発生する（図１３参照）。このことにより、内周側サポート筒３１が、鞍型コイル１２に発生する内周側に向く電磁力Ｆ３を受けて、鞍型コイル１２の変形を防止している。

上述のようにして設けられたソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２の間には、第１の実施の形態と同様にして、伝熱部材２６が介在されており、この伝熱部材２６によって、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とが冷却されるようになっている。

また、図８に示すように、ソレノイドコイル１１の外周側には、外周側サポート筒３０が設けられている。外周側サポート筒３０は、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２が励磁された場合に発生する外周側に向く電磁力を受ける。

すなわち、鞍型コイル１２が励磁されると外周側に向く電磁力Ｆ２が発生し（図１３参照）、ソレノイドコイル１１が励磁されると外周側に向く電磁力Ｆ１がそれぞれ発生する（図１２参照）。このことにより、外周側サポート筒３０が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２に発生する外周側に向く電磁力Ｆ１、Ｆ２を受けて、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２の変形を防止している。

上述した内周側サポート筒３１は、外周側サポート筒３０と同様に、例えばアルミニウムやＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を円筒状に加工することにより構成され、または、ガラスバインドやステンレスバインド等を鞍型コイル１２の外周側に巻き付けて構成され得る。

このように本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１の内周側に、一対の鞍型コイル１２が配置されている。このことにより、励磁されたソレノイドコイル１１に発生する外周側に向く電磁力Ｆ１を受けるサポート筒と、励磁された鞍型コイル１２に発生する外周側に向く電磁力Ｆ２を受けるサポート筒とを共有化することができる。すなわち、ソレノイドコイル１１の外周側に設けられた外周側サポート筒３０によって、上述した電磁力Ｆ１、Ｆ２を受けることができる。この結果、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、電磁力を受けるためのサポート筒の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。また、この場合、荷電粒子加速器１において使用される冷凍機２２の合計冷却能力の省力化を図ることもできる。

（第４の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第４の実施の形態における超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器について説明する。

図９に示す第４の実施の形態においては、ソレノイドコイルと鞍型コイルとの間にヒータコイルが介在されている点が主に異なり、他の構成は、図５および図６に示す第２の実施の形態および図７および図８に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図５および図６に示す第２の実施の形態および図７および図８に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図９に示すように、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間にヒータコイル３５が介在されている。この場合、伝熱部材２６（図４参照）は、鞍型コイル１２とヒータコイル３５との間に介在されてもよく、あるいは、ヒータコイル３５とソレノイドコイル１１との間に介在されてもよい。

ヒータコイル３５は、鞍型コイル１２の外周面にヒータコイル３５用の巻き枠（図示せず）が取り付けられ、当該巻き枠にヒータ導体がコイル状に巻き回されることにより構成されている。ソレノイドコイル１１は、ヒータコイル３５の外周面に作製されている。ヒータ導体は、第２の実施の形態と同様の材料を使用することができ、ヒータコイル３５は、第２の実施の形態と同様の回路構成とすることができる。

このように本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間に介在されたヒータコイル３５が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２のうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に、クエンチしていないソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱することができる。このことにより、クエンチしていないソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を強制的にクエンチすることができる。このため、各ソレノイドコイル１１および各鞍型コイル１２を流れる電流を減衰させることができ、当該コイルを損傷や劣化から保護することができる。

また、本実施の形態によれば、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２との間に介在されたヒータコイル３５が、ソレノイドコイル１１および鞍型コイル１２を加熱することができる。このことにより、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とを冷却するためのヒータコイル３５を共有化することができ、超伝導マグネット装置１０が設置される荷電粒子加速器１において、ソレノイドコイル１１と鞍型コイル１２とを加熱するためのヒータコイル３５の個数を削減することができ、荷電粒子加速器１のコンパクト化、低コスト化に寄与することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による超伝導マグネット装置および荷電粒子加速器は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１ 荷電粒子加速器
２ 真空ダクト（ビームライン）
３ 荷電粒子
１０ 超伝導マグネット装置
１１ ソレノイドコイル
１２ 鞍型コイル
２２ 冷凍機
２６ 伝熱部材
３０ 外周側サポート筒
３１ 内周側サポート筒
３５ ヒータコイル
Ｂ１、Ｂ２ 磁場
Ｆ１〜Ｆ３ 電磁力

Claims (10)

1. 荷電粒子加速器のビームラインに設置される超伝導マグネット装置であって、
   荷電粒子の軌道を前記ビームラインに沿う方向に向けるための磁場を形成するソレノイドコイルと、
   ２極以上の磁場を形成する複数対の鞍型コイルと、を備え、
   複数対の前記鞍型コイルは、前記ソレノイドコイルの外周側に配置されていることを特徴とする超伝導マグネット装置。
2. 前記鞍型コイルの外周側に設けられ、前記ソレノイドコイルおよび前記鞍型コイルが励磁された場合に発生する外周側に向く電磁力を受ける外周側サポート筒を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の超伝導マグネット装置。
3. 前記ソレノイドコイルと前記鞍型コイルとの間に介在されたヒータコイルを更に備え、
   前記ヒータコイルは、前記ソレノイドコイルおよび前記鞍型コイルのうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に当該ソレノイドコイルおよび当該鞍型コイルを加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導マグネット装置。
4. 冷凍機と、
   前記冷凍機により冷却される伝熱部材と、を更に備え、
   前記伝熱部材は、前記ソレノイドコイルと前記鞍型コイルとの間に介在されて当該ソレノイドコイルおよび当該鞍型コイルを冷却することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝導マグネット装置。
5. 荷電粒子加速器のビームラインに設置される超伝導マグネット装置であって、
   荷電粒子の軌道を前記ビームラインに沿う方向に向けるための磁場を形成するソレノイドコイルと、
   ２極以上の磁場を形成する複数対の鞍型コイルと、を備え、
   複数対の前記鞍型コイルは、前記ソレノイドコイルの内周側に配置されていることを特徴とする超伝導マグネット装置。
6. 前記ソレノイドコイルの外周側に設けられ、前記ソレノイドコイルおよび前記鞍型コイルが励磁された場合に発生する外周側に向く電磁力を受ける外周側サポート筒を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の超伝導マグネット装置。
7. 前記鞍型コイルの内周側に設けられ、前記鞍型コイルが励磁された場合に発生する内周側に向く電磁力を受ける内周側サポート筒を更に備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の超伝導マグネット装置。
8. 前記ソレノイドコイルと前記鞍型コイルとの間に介在されたヒータコイルを更に備え、
   前記ヒータコイルは、前記ソレノイドコイルおよび前記鞍型コイルのうちの少なくとも一つにクエンチが発生した場合に当該ソレノイドコイルおよび当該鞍型コイルを加熱することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の超伝導マグネット装置。
9. 冷凍機と、
   前記冷凍機により冷却される伝熱部材と、を更に備え、
   前記伝熱部材は、前記ソレノイドコイルと前記鞍型コイルとの間に介在されて当該ソレノイドコイルおよび当該鞍型コイルを冷却することを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の超伝導マグネット装置。
10. 前記ビームラインと、
    前記ビームラインに設置され、請求項１乃至９のいずれかに記載の超伝導マグネット装置と、を備えたことを特徴とする荷電粒子加速器。

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