JP6231039B2 - サイクロトロン及び超伝導電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、サイクロトロン及び超伝導電磁石に関する。

従来、このような分野の技術として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１に記載されたサイクロトロンは、真空容器と、真空容器の内部に配置された超伝導コイルと、超伝導コイルを支持するコイル支持体と、を備えている。このサイクロトロンでは、真空容器の内部で、超伝導コイルによって磁場を発生させて、荷電粒子に磁場を作用させる。

特開２０１４−０８６５４５７号公報

例えば、超伝導コイルによって発生した磁場を調整することにより、荷電粒子によるビームを調整することができる。そして、超伝導コイルによる磁場を調整するために、超伝導コイルの位置を高精度に調整することが求められている。

本発明は、超伝導コイルの位置調整の精度向上が図られたサイクロトロン及び超伝導電磁石を提供することを目的とする。

本発明のサイクロトロンは、ポールと、ポールの外周を覆うように巻かれた超伝導コイルと、超伝導コイルを支持するコイル支持体と、超伝導コイルを冷却する冷却部と、コイル支持体に接続され、超伝導コイルの巻き中心軸方向におけるコイル支持体の位置を調整可能な第１支持体と、コイル支持体に接続され、超伝導コイルの巻き中心軸方向と直交する直交方向におけるコイル支持体の位置を調整可能な第２支持体と、を備え、第２支持体は、巻き中心軸方向及び直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有する。

このサイクロトロンでは、超伝導コイルを支持するコイル支持体を、超伝導コイルの巻き中心軸方向に位置調整する第１支持体を備えているので、第１支持体によってコイル支持体を巻き中心軸方向に位置調整することができる。このサイクロトロンでは、コイル支持体を、超伝導コイルの巻き中心軸方向に直交する直交方向に位置調整する第２支持体を備えているので、第２支持体によってコイル支持体を直交方向に位置調整することができる。また、第２支持体は、中心軸方向及び直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有するので、巻き中心軸方向の変位に追従してコイル支持体を支持すると共に、直交方向にコイル支持体を変位させることができる。そのため、コイル支持体を、コイルの巻き中心軸方向及びその直交方向に位置調整することができ、超伝導コイルの位置調整の精度向上を図ることができる。

また、サイクロトロンは、ポールに対して相対的に固定された固定部と、第２支持体の一端側を固定部に対して位置決めする位置決め部と、を備える構成でもよい。この構成のサイクロトロンによれば、第２支持体が固定部に対して位置決めされることで、コイル支持体が巻き中心軸方向の直交方向に位置調整される。

リンク機構は、第１方向に延在する第１方向部材と、第１方向部材の一端側に連結され、第１方向に直交する第２方向に延在するピン部材と、第１方向部材の他端側に連結され、第２方向に延在し、球面を有する球面軸と、球面に当接する当接面を有し、球面軸を受ける球面軸受け部と、を有する構成でもよい。この構成では、リンク機構が第１方向部材を備え、この第１方向部材は第２方向に延在するピン部材に連結されているので、第２方向に延在する軸線回りに第１方向部材を変位させることができる。また、第１方向部材は、第２方向に延在すると共に球面を有する球面軸に連結されているので、第１方向部材を、第２方向に延在する軸線回りに変位させると共に、第１方向に延在する軸線回りに変位させることができる。これにより、コイル支持体の傾きに対応して、コイル支持体を支持しながら、コイル支持体を超伝導コイルの巻き中心軸方向及び直交方向に位置調整することができる。

本発明の超伝導電磁石は、巻き中心軸回りに巻かれた超伝導コイルと、超伝導コイルを支持するコイル支持体と、超伝導コイルを冷却する冷却部と、コイル支持体に接続され、超伝導コイルの巻き中心軸方向におけるコイル支持体の位置を調整可能な第１支持体と、コイル支持体に接続され、超伝導コイルの巻き中心軸方向と直交する直交方向におけるコイル支持体の位置を調整可能な第２支持体と、を備え、第２支持体は、巻き中心軸方向及び直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有する。

この超伝導電磁石は、超伝導コイルを支持するコイル支持体を、超伝導コイルの巻き中心軸方向に位置調整する第１支持体を備えているので、第１支持体によってコイル支持体を巻き中心軸方向に位置調整することができる。このサイクロトロンでは、コイル支持体を、超伝導コイルの巻き中心軸方向に直交する直交方向に位置調整する第２支持体を備えているので、第２支持体によってコイル支持体を直交方向に位置調整することができる。また、第２支持体は、中心軸方向及び直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有するので、巻き中心軸方向の変位に追従してコイル支持体を支持すると共に、直交方向にコイル支持体を変位させることができる。そのため、コイル支持体を、コイルの巻き中心軸方向及びその直交方向に位置調整することができ、超伝導コイルの位置調整の精度向上を図ることができる。

本発明によれば、超伝導コイルを高精度で位置調整することが可能なサイクロトロン及び超伝導電磁石を提供することができる。

本発明の一実施形態のサイクロトロンを超伝導コイルの中心軸に沿う方向に切った断面を示す断面図である。 サイクロトロンを超伝導コイルの中心軸に直交する方向に切った断面を示す断面図である。 水平方向荷重支持体を示す斜視図である。 水平方向荷重支持体を示す断面図である。 水平方向荷重支持体を示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源（不図示）から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する横置きの円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。

このサイクロトロン１では、加速空間Ｇ内で円軌道を描く荷電粒子ビームを継続的に加速するため、等時性（円軌道の半径の大きさに関係なく一周にかかる時間が等しいこと）を確保するように磁束密度を制御する必要がある。

サイクロトロン１は、イオン源の他に、超伝導電磁石装置５を備えている。超伝導電磁石装置５は、ポール３，４と、ヨーク６と、超伝導コイル７，８と、コイル支持枠（コイル支持体）９と、真空容器１０と、を有する。

ポール３，４は、超伝導コイル７，８の中心軸（超伝導コイル７，８の巻き中心軸）Ｃ方向に離間して配置されている。なお、サイクロトロン１では、中心軸Ｃ方向は、上下方向に沿って配置されている。ポール３は、加速空間Ｇより上方に配置された上ポールであり、ポール４は、加速空間Ｇより下方に配置された下ポールである。また、ポール３，４間には、電極（ディ電極、不図示）が設けられている。この電極に高周波を付与することで、電場が形成される。

ヨーク６は、中空の円盤型のブロックであり、その内部にポール３，４及び真空容器１０が配置されている。ヨーク６は、円筒部６ａと、円筒部６ａの一方の開口を閉じるように形成された天部６ｂと、円筒部６ａの他方の開口を閉じるように形成された底部６ｃと、を備える。ヨーク６は、超伝導コイル７，８及びポール３，４で生成した磁力線が外部に漏れないようにするためのものである。

ポール３，４は、図２に示されるように、中心軸Ｃの近傍から径方向外側へ向けて螺旋を描くようなスパイラル状に設けられた四つのヒル１１を有する。ヒル１１は、加速空間Ｇを挟んで上下に対向し、加速空間Ｇ内の荷電粒子ビームを上下方向に収束させるものである。

ヒル１１は、中心軸Ｃの周方向に等間隔で配置され、周方向に隣り合うヒル１１の間には、空隙であるバレー１２が形成されている。すなわち、ポール３，４には、周方向においてヒル１１及びバレー１２が交互に形成されている。サイクロトロン１では、ヒル１１において磁束密度が強められ、バレー１２において磁束密度が弱まることで、荷電粒子ビームを垂直方向（中心軸Ｃ方向）及び水平方向（中心軸Ｃに直交する方向）に収束させる。このように、周方向に強弱のある磁束密度を形成するサイクロトロンはＡＶＦ［Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ］サイクロトロンと呼ばれる。

ＡＶＦサイクロトロンにおいて、４つのヒル１１は径方向外側ほど、磁束密度が強くなるように形成されている。ヒル１１では、荷電粒子ビームの垂直方向の収束力を強くするためにスパイラル状に形成されている。径方向外側に行くほど、磁束密度が弱くなると、荷電粒子ビームに垂直方向の発散力が働いてしまうことになる。なお、バレー１２は空隙に限られず、ヒル１１の厚さよりも薄い厚さの金属であってもよい。

超伝導コイル７，８は、図１に示されるように、ポール３，４の外周を覆うように巻かれている。超伝導コイル７および超伝導コイル８は、中心軸Ｃ方向に並んで配置されている。上側の超伝導コイル７は、ポール３の外周を覆うように巻かれ、下側の超伝導コイル８は、ポール４の外周を覆うように巻かれている。超伝導コイル７，８は、例えば、内周側に内枠（または内巻枠）が設けられておらず、コイル（線材及び線材を固着する接着材）の内周面が他の部材によって接着・固定されていない空芯コイルである。

コイル支持枠９は、超伝導コイル７の外周面を覆う側板部９ａと、超伝導コイル７の上面を覆う上リング部材９ｂと、超伝導コイル８の外周面を覆う側板部９ｃと、超伝導コイル８の下面を覆う下リング部材９ｄと、上下の側板部９ａ，９ｃを連結する中間部９ｅと、を備える。コイル支持枠９は、超伝導コイル７，８の周方向において全周に亘って形成されている。

上リング部材９ｂは、側板部９ａの上端部から径方向内側に張り出すように形成されている。上リング部材９ｂは、円環板状を成し、上リング部材９ｂの板厚方向は、中心軸Ｃ方向に沿うように配置されている。

下リング部材９ｄは、側板部９ｃの下端部から径方向内側に張り出すように形成されている。下リング部材９ｄは、円環板状を成し、下リング部材９ｄの板厚方向は、中心軸Ｃ方向に沿うように配置されている。

中間部９ｅは、中間リング部９ｆと、上側張出部９ｇと、下側張出部９ｈとを有する。中間リング部９ｆの径方向の幅は、超伝導コイル７，８の径方向の幅に対応している。中間リング部９ｆの断面は、例えば矩形を成している。中間リング部９ｆの上面は、超伝導コイル７の下面に当接し、中間リング部９ｆの下面は、超伝導コイル８の上面に当接している。上側張出部９ｇ及び下側張出部９ｈは、中間リング部９ｆの外周面から径方向外側に張り出している。上側張出部９ｇ及び下側張出部９ｈは、中心軸Ｃ方向に離間して配置されている。上側張出部９ｇは、側板部９ａに接合され、下側張出部９ｈは、側板部９ａに接合されている。具体的には、上側張出部９ｇの上面は、側板部９ａの下面に当接し、下側張出部９ｈの下面は、側板部９ｃの上面に当接している。上側張出部９ｇと側板部９ａとの接合は、ボルト接合でもよく、溶接などその他の接合方法でもよい。同様に、下側張出部９ｈと側板部９ｃとの接合は、ボルト接合でもよく、溶接などその他の接合方法でもよい。

真空容器１０は、超伝導コイル７，８及びコイル支持枠９を収容している。真空容器は、超伝導コイル及びコイル支持枠９を収容するコイル収容部１０ａと、コイル収容部１０ａに連通し、上下方向に延びる連通部１０ｂと、水平方向に延びる連通部１０ｃとを有する。コイル収容部１０ａは、超伝導コイル７，８の径方向内側に配置された内壁１０ｄと、超伝導コイル７，８の径方向外側に配置された外壁１０ｅと、を有する。内壁１０ｄは、超伝導コイル７，８及びコイル支持枠９の内周側を覆うように配置され、外壁１０ｅは、超伝導コイル７，８及びコイル支持枠９の外周側を覆うように配置されている。すなわち、内壁１０ｄ及び外壁１０ｅによって挟まれた収容空間内に、超伝導コイル７，８及びコイル支持枠９が配置されている。

また、真空容器１０は、収容空間の上側を閉じる上面壁と、収容空間の下側を閉じる下面壁とを有する。上面壁は、中心軸Ｃ方向において、上リング部材９ｂと対向して配置され、下面壁は、中心軸Ｃ方向において、下リング部材９ｄと対向して配置されている。上面壁には、開口部が設けられ、この開口部に対応して連通部１０ｂが配置されている。同様に、下面壁には、開口部が設けられ、この開口部に対応して連通部１０ｂが配置されている。

連通部１０ｂは、例えば円筒形状を成し、中心軸Ｃ方向に延びている。連通部１０ｂは、後述する上下方向荷重支持体２１，２２を収容している。連通部１０ｃは、例えば円筒形状を成し、中心軸Ｃと直交する直交方向に延びている。連通部１０ｃは、後述する水平方向荷重支持体３１，３２を収容している。また、真空容器１０には、超伝導コイル７，８を冷却するための冷凍機（冷却部）１３が接続されている。冷凍機１３は、例えば、ＧＭ冷凍機であり、超伝導コイル７，８を例えば４Ｋに冷却することができる。冷凍機は、ＧＭ冷凍機（Gifford-McMahon cooler）に限定されず、例えばスターリング冷凍機を始めその他の冷凍機でもよい。

ここで、サイクロトロン１は、コイル支持枠９を支持すると共にコイル支持枠９の中心軸Ｃ方向の位置を調整する上下方向荷重支持体（第１支持体）２１，２２と、コイル支持枠９を支持すると共にコイル支持枠９の径方向の位置を調整する水平方向荷重支持体（第２支持体）３１，３２と、を有する。なお、径方向は、中心軸Ｃに直交する直交方向である。

上下方向荷重支持体２１、２２は、ヨーク６に対して相対的に固定され、中心軸Ｃ方向からコイル支持枠９を支持するものである。上下方向荷重支持体２１，２２は、上下一対としてコイル支持枠９を挟むように配置され、互いに反対方向にコイル支持枠９を引っ張ることでコイル支持枠９を支持している。上下方向荷重支持体２１，２２は、コイル支持枠９の周方向において、複数配置されている。複数の上下方向荷重支持体２１，２２は、コイル支持枠９の周方向において、等間隔で配置されている。

上下方向荷重支持体２１の下端部は、上リング部材９ｂに連結されている。上下方向荷重支持体２１は、上リング部材９ｂから上方に延在し、真空容器１０の壁体を貫通し、ヨーク６の外側まで張り出している。上下方向荷重支持体２１の上端部には、ヨーク６に対して上下方向荷重支持体２１を位置決めする位置決め部が設けられている。この位置決め部によって上下方向荷重支持体２１を中心軸Ｃ方向に変位させることができる。位置決め部としては、ねじによる位置調整が挙げられる。ねじに取り付けられたナットを回転させることで、ねじを中心軸Ｃ方向に移動させ、上下方向荷重支持体２１を変位させる。上下方向荷重支持体２１のヨーク６に対する取付部及び位置決め部は、後述する水平方向荷重支持体３１と同様の構成とすることができる。

上下方向荷重支持体２２の上端部は、下リング部材９ｄに連結されている。上下方向荷重支持体２２は、下リング部材９ｄから下方に延在し、真空容器１０の壁体を貫通し、ヨーク６の外側まで張り出している。上下方向荷重支持体２２の下端部には、ヨーク６に対して上下方向荷重支持体２２を位置決めする位置決め部が設けられている。この位置決め部によって上下方向荷重支持体２２を中心軸Ｃ方向に変位させることができる。位置決め部としては、ねじによる位置調整が挙げられる。ねじに取り付けられたナットを回転させることで、ねじを中心軸Ｃ方向に移動させ、上下方向荷重支持体２１を変位させる。上下方向荷重支持体２１のヨーク６に対する取付部及び位置決め部は、後述する水平方向荷重支持体３１と同様の構成とすることができる。

複数の上下方向荷重支持体２１，２２を用いて、適宜、位置調整を行うことで、超伝導コイル７，８のポール３，４に対する位置を変更することができる。具体的には、超伝導コイル７，８を上方に変位させたり、超伝導コイル７，８を下方に変位させたり、または、鉛直方向に対して超伝導コイル７，８の中心軸Ｃが傾斜するように、超伝導コイル７，８を変位させることができる。

水平方向荷重支持体３１，３２は、ヨーク６に対して相対的に固定され、径方向外側からコイル支持枠９を支持するものである。水平方向荷重支持体３１，３２は、複数（例えば４本）設けられている。ここで、上下方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交すると共に互いに直交する軸をＸ軸（第１方向）及びＹ軸（第２方向）とする（図３〜図５参照）。超伝導コイル７，８の中心軸ＣがＺ軸に沿って配置されている場合には、Ｘ軸及びＹ軸は、中心軸Ｃに直交している。図１に示されるように、一対の水平方向荷重支持体３１は、コイル支持枠９を挟んで対向して配置され、一対の水平方向荷重支持体３２は、コイル支持枠９を挟んで対向して配置されている。なお、一対の水平方向荷重支持体３１が延在する方向Ｘ_１（Ｘ軸方向）と、一対の水平方向荷重支持体３２が延在する方向Ｘ_２（Ｘ軸方向）とは、直交していてもよく、所定の角度で交差していてもよい。

一対の水平方向荷重支持体３１は、互いに反対方向にコイル支持枠９を引っ張ることでコイル支持枠９を支持している。同様に、一対の水平方向荷重支持体３２は、互いに反対方向にコイル支持枠９を引っ張ることでコイル支持枠９を支持している。

図３は、水平方向荷重支持体３１，３２を示す斜視図である。図４は、水平方向荷重支持体３１，３２を示す断面図である。図５は、水平方向荷重支持体３１，３２を示す側面図である。図３〜図５に示されるように、水平方向荷重支持体３１，３２は、コイル支持枠取付部３３と、内側リンク部３４と、中間連結部３５と、外側リンク部３６と、ヨーク取付部３７と、を有する。以下、水平方向荷重支持体３１について説明する。水平方向荷重支持体３２は、配置されている方向が異なるだけであり、水平方向荷重支持体３１と同一の構成であるので、水平方向荷重支持体３２の説明を省略する。

コイル支持枠取付部３３は、コイル支持枠９に取り付けられる部分である。コイル支持枠取付部３３は、コイル支持枠９に固定されるフランジ部４１と、フランジ部４１から延出する延出部４２とを有する。フランジ部４１は円盤状を成し、一方の面がコイル支持枠９に接続される。フランジ部４１は、ボルト接合により、コイル支持枠９の中間部９ｅに接続される。なお、フランジ部４１は、コイル支持枠９の中間部９ｅ以外のその他の部位に接続される構成でもよい。コイル支持枠取付部３３及び内側リンク部３４は、例えばチタンから形成されている。コイル支持枠取付部３３及び内側リンク部３４は、例えばステンレス鋼など、チタン以外の材質から形成されていてもよい。

延出部４２は、フランジ部４１の他方の面からＸ軸方向の外側（超伝導コイル７，８の径方向外側）に延出している。延出部４２のＸ軸方向の外側の端部には、連結ブロック部４３が設けられている。連結ブロック部４３には、Ｙ軸方向に貫通する貫通孔４３ａが形成されている。また、連結ブロック部４３のＹ軸方向に対向する側面は、平坦面となっている。

内側リンク部３４は、Ｙ軸方向に離間して配置された一対の連結板（第１方向部材）４４，４５と、一対の連結板４４，４５の一方の端部同士を連結するピン部材４６と、一対の連結板４４，４５の他方の端部同士を連結する球面軸４７と、を有する。

連結板４４，４５は、Ｘ軸方向に所定の長さを有する。連結板４４，４５の板厚方向はＹ軸方向に沿うよう配置されている。連結板４４，４５のＸ軸方向の両端部には、板厚方向に貫通する貫通孔４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂがそれぞれ設けられている。また、一対の連結板４４，４５は、Ｙ軸方向において、連結ブロック部４３を挟むように配置されている。連結板４４，４５の内面（連結ブロック部４３の側面に対向する面）は、平坦面として形成されている。連結板４４，４５の内面は、連結ブロック部４３の側面と当接している。

ピン部材４６は、円柱状を成し、連結ブロック部４３の貫通孔４１ａに挿通されている。ピン部材４６の外周面は、貫通孔４１ａの内周面に当接している。ピン部材４６は、連結ブロック部４３に対して、ピン部材４６の軸線回りに回転可能に支持されている。また、ピン部材４６の両端部は、Ｙ軸方向において、連結ブロック部４３の側面より外方に張り出している。

ピン部材４６のＸ軸方向の両端部は、一対の連結板４４，４５の一端側の貫通孔４４ａ，４５ａにそれぞれ挿通されている。ピン部材４６の両端部において、ピン部材４６の外周面は、一対の連結板４４，４５の一端側の貫通孔４５ａの内周面に当接している。ピン部材４６は、一対の連結板４４，４５に対して、ピン部材４６の軸線回りに回転可能に支持されている。これにより、一対の連結板４４，４５は、コイル支持枠取付部３３に対して、Ｙ軸回りに回転可能に支持されている。

球面軸４７は、Ｙ軸方向の両端部に設けられた円柱部４７ａと、この円柱部４７ａの間に配置された球体部分４７ｂと、を有する。円柱部４７ａは、一対の連結板４４，４５の他端側の貫通孔４４ｂ，４５ｂにそれぞれ挿通されている。円柱部４７ａの外周面は、一対の連結板４４，４５の他端側の貫通孔４４ｂ，４５ｂの内周面に当接している。

球体部分４７ｂは、円柱部４７ａの外径よりも大きな外径を有する。また、球体部分４７ｂのＹ軸方向における幅は、球体部分４７ｂの外径より小さく、例えば、連結ブロック部４３のＹ軸方向における幅（厚さ）よりも小さくなっている。また、球体部分４７ｂの中心は、一対の連結板４４，４５間の中央に配置されている。

中間連結部３５は、内側リンク部３４と外側リンク部３６とを連結する部分である。中間連結部３５は、一端側に設けられ、内側リンク部３４の球面軸４７を保持する軸受け部（球面軸受け部）４８と、他端側に設けられ、外側リンク部３６の球面軸４７を保持する軸受け部（球面軸受け部）４９と、両方の軸受け部４８，４９を連結するストラップ部５０と、を有する。

軸受け部４８はブロック体を有し、このブロック体には球面軸４７の球体部分４７ｂを受ける球体受容部が形成されている。球体受容部は、球体部分４７ｂを保持する開口である。球体受容部の内面形状は、球体部分４７ｂの外面形状に対応し、球体受容部の内面４８ａは、球体部分４７ｂの外面に当接する当接面である。また、軸受け部４８のＹ軸方向に対向する側面は、Ｙ軸方向において、一対の連結板４４，４５の内面に対向して配置されている。軸受け部４８の側面と、一対の連結板４４，４５の内面との間には、所定の隙間が形成されている。軸受け部４８は、球面軸４７の球体部分４７ｂの外面（球面）に沿って摺動可能である。

なお、球面軸４７及び軸受け部４８に代えて、ピン部材及び球面滑り軸受けを備える構成でもよい。この構成の場合には、球面滑り軸受けに保持されたピン部材が、一対の連結板４４，４５の他端側の貫通孔４４ｂ，４５ｂに挿通されて保持される。

軸受け部４９はブロック体を有し、このブロック体には外側リンク部３６の後述する球面軸５３の球体部分５３ｂを受ける球体受容部が形成されている。球体受容部は、球体部分５３ｂを保持する開口である。球体受容部の内面形状は、球体部分５３ｂの外面形状に対応し、球体受容部の内面４９ａは、球体部分５３ｂの外面に当接する当接面である。また、軸受け部４９のＹ軸方向に対向する側面は、Ｙ軸方向において、一対の連結板５１，５２の内面に対向して配置されている。軸受け部４９の側面と、一対の連結板５１，５２の内面との間には、所定の隙間が形成されている。軸受け部４９は、球面軸５３の球体部分５３ｂの外面（球面）に沿って摺動可能である。

なお、球面軸５３及び軸受け部４９に代えて、ピン部材及び球面滑り軸受けを備える構成でもよい。この構成の場合には、球面滑り軸受けに保持されたピン部材が、外側リンク部３６の後述する一対の連結板５１，５２の他端側の貫通孔５１ａ，５２ａに挿通されて保持される。

ストラップ部５０は、図５に示されるように上下方向に離間して、Ｘ軸方向に延在する一対の帯状部５０ａ，５０ｂを有する。帯状部５０ａ，５０ｂの厚み方向は、Ｚ軸方向に沿って配置されている。また、帯状部５０ａ，５０ｂの幅方向は、例えば、軸受け部４８，４９のＹ軸方向の幅に対応している。このストラップ部５０は、例えば、ＣＦＲＰ（carbon-fiber-reinforced plastic）により形成されている。

帯状部５０ａ，５０ｂの一端側は、軸受け部４８に連結され、帯状部５０ａ，５０ｂの他端部は、軸受け部４９に連結されている。帯状部５０ａ，５０ｂは、帯状部を固定するための留め具によって、軸受け部４８，４９のブロック体に固定されていてもよく、例えば、接着により接合されているものでもよく、ブロック体の部分と一体成形されているものでもよい。また、ストラップ部５０は、一対の帯状部５０ａ，５０ｂの端部同士が接続されて無端状に形成されているものでもよい。

このストラップ部５０は、内側リンク部３４に対して、Ｙ軸回りに揺動可能（回転可能）に支持されている。また、ストラップ部５０は、内側リンク部３４に対して、Ｘ軸回りに傾倒可能（回転可能）に支持されている。ストラップ部５０は、内側リンク部３４に対して、Ｚ軸回りに揺動可能（回転可能）に支持されている。

同様に、このストラップ部５０は、外側リンク部３６に対して、Ｙ軸回りに揺動可能（回転可能）に支持されている。また、ストラップ部５０は、外側リンク部３６に対して、Ｘ軸回りに傾倒可能（回転可能）に支持されている。ストラップ部５０は、外側リンク部３６に対して、Ｚ軸回りに揺動可能（回転可能）に支持されている。

また、中間連結部３５は、ストラップ部５０に代えて、所定の長さを有する板状部材を備えるものでもよく、所定の長さを有る棒状部材を備えるものでもよい。また、中間連結部３５は、リンク機構を介して接続された複数のストラップ部を備える構成でもよい。

外側リンク部３６は、Ｙ軸方向に離間して配置された一対の連結板（第１方向部材）５１，５２と、一対の連結板５１，５２の一方の端部同士を連結する球面軸５３と、一対の連結板５１，５２の他方の端部同士を連結するピン部材５４と、を有する。

連結板５１，５２は、Ｘ軸方向に所定の長さを有する。連結板５１，５２の板厚方向はＹ軸方向に沿うよう配置されている。連結板５１，５２のＸ軸方向の両端部には、板厚方向に貫通する貫通孔５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂがそれぞれ設けられている。また、一対の連結板５１，５２は、Ｙ軸方向において、ヨーク取付部３７の後述する連結ブロック部５５を挟むように配置されている。連結板５１，５２の内面（連結ブロック部５５の側面に対向する面）は、平坦面として形成されている。連結板５１，５２の内面は、連結ブロック部５５の側面と当接している。

球面軸５３は、軸線方向の両端部に設けられた円柱部５３ａと、この円柱部５３ａの間に配置された球体部分５３ｂと、を有する。円柱部５３ａは、一対の連結板５１，５２の一端側の貫通孔５１ａ，５２ａにそれぞれ挿通されている。円柱部５３ａの外周面は、一対の連結板５１，５２の一端側の貫通孔５１ａ，５１ｂの内周面に当接している。

球体部分５３ｂは、円柱部５３ａの外径よりも大きな外径を有する。また、球体部分のＹ軸方向における幅は、球体部分５３ｂの外径より小さく、例えば、連結ブロック部５５のＹ軸方向における幅（厚さ）よりも小さくなっている。また、球体部分５３ｂの中心は、一対の連結板５１，５２間の中央に配置されている。

ピン部材５４は、円柱状を成し、ヨーク取付部３７の連結ブロック部５５の貫通孔５５ａに挿通されている。ピン部材５４の外周面は、連結ブロック部５５の貫通孔５５ａの内周面に当接している。ピン部材５４は、連結ブロック部５５に対して、ピン部材５４の軸線回りに回転可能に支持されている。また、ピン部材５４の両端部は、Ｙ軸方向において、連結ブロック部５５の側面より外方に張り出している。

ピン部材５４の長手方向の両端部は、一対の連結板５１，５２の他端側の貫通孔５１ｂ，５２ｂにそれぞれ挿通されている。ピン部材５４の両端部において、ピン部材５４の外周面は、一対の連結板５１，５２の他端側の貫通孔５１ｂ，５２ｂの内周面に当接している。ピン部材５４は、一対の連結板５１，５２に対して、ピン部材５４の軸線回りに回転可能に支持されている。これにより、一対の連結板５１，５２は、ヨーク取付部３７に対して、Ｙ軸回りに回転可能に支持されている。

ヨーク取付部３７は、ヨーク６に対して取り付けられる部分である。ヨーク取付部３７は、連結ブロック部５５と、べローズ５６と、ロッド部５７と、位置調整部５８と、を有する。

連結ブロック部５５には、ピン部材５４が挿通される貫通孔５５ａが形成されている。貫通孔５５ａは、Ｙ軸方向に貫通している。また、連結ブロック部５５のＹ軸方向に対向する側面は、平坦面となっている。連結ブロック部５５は、一対の連結板５１，５２に挟まれるように配置され、貫通孔５５ａに挿通されたピン部材５４が、一対の連結板５１，５２の貫通孔５１ｂ，５２ｂに挿通されている。また、連結ブロック部５５の側面は、一対の連結板５１，５２の内面と当接している。

連結ブロック部５５には、Ｘ軸方向の外側の端面から外方に張り出す張出部５５ｂが設けられている。この張出部５５ｂに、べローズ５６が接続されている。なお、図３では、べローズ５６及び後述するねじ部５９の図示が省略されている。べローズ５６は、蛇腹形状を有し、Ｘ軸方向に伸縮自在の継手である。このべローズ５６は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）から形成されている。べローズ５６の一端側は、張出部５５ｂに接続され、べローズ５６の他端側は、ロッド部５７に接続されている。べローズ５６と張出部５５ｂとは、例えば溶接により接合されている。同様に、べローズ５６とロッド部５７とは、例えば溶接により接合されている。

ロッド部５７は、べローズ５６から外側に延在する棒状の部材である。ロッド部５７は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）から形成されている。ロッド部５７は、ヨーク６を貫通して、ヨーク６の側面よりも外方に突出している。ロッド部５７の外側の端部の外周面にはねじ部５９が形成されている。

位置調整部５８は、ヨーク６に対して固定されると共に、ヨーク６に対して位置決めする位置決め部である。位置調整部５８は、ヨーク６の外周面から外方に突出する荷重支持体固定部６０と、ロッド部５７の外側の端部の外周面に形成されたねじ部５９と、このねじ部５９に取り付けられたナット６１，６２と、を有する。

荷重支持体固定部６０は、ヨーク６に固定されたブロック体である。荷重支持体固定部０は、ヨーク６に対して例えば溶接等により接合されている。荷重支持体固定部６０には、ロッド部５７を挿通させる貫通孔６０ａが形成されている。ロッド部５７は、この貫通孔６０ａに挿通されて、ヨーク６の外側まで延出している。また、荷重支持体固定部６０のＸ軸に直交する面である座面６０ｂは、平坦面となっている。また、貫通孔６０ａの内周面には、キー溝が形成されており、ロッド部５７の軸回りの回転が防止される。

ねじ部５９は、ロッド部５７の外側の端部の外周面に形成されている。ねじ部５９は、ロッド部５７の貫通孔６０ａに配置されている部分から、貫通孔６０ａより外側に配置されている部分にかけて形成されている。ロッド部５７のねじ部５９には、ワッシャー６３及びナット６１，６２が取り付けられている。ワッシャー６３は、荷重支持体固定部６０の座面６０ｂとナット６１との間に配置されている。ナット６１を締め付けることで、ワッシャー６３は荷重支持体固定部６０の座面６０ｂに押し当てられる。

そして、ナット６１を締め付けることにより、ロッド部５７がＸ軸方向の外側（図示右側）に移動し、水平方向荷重支持体３１に引張力を作用することができる。水平方向荷重支持体３１に引張力が発生することで、ナット６１及びワッシャー６３は、荷重支持体固定部６０の座面６０ｂに押し当てられる。これにより、ロッド部５７は、ナット６１及びワッシャー６３を介して荷重支持体固定部６０に固定される。すなわち、水平方向荷重支持体３１のヨーク取付部３７は、ヨーク６に対して固定され、ポール３，４に対して相対的に固定される。

次にサイクロトロン１の作用について説明する。

このサイクロトロン１では、超伝導電磁石装置５の超伝導コイル７，８が通電されて、超伝導コイル７，８の周囲に磁束が発生する。この磁束がヨーク６及びポール３，４を通り超伝導コイル７，８周りに磁気回路を形成し、対向する一対のポール３，４間の加速空間Ｇに磁場が形成される。そして、加速空間Ｇに供給された荷電粒子は、磁場及び電場によって加速されて、荷電粒子ビームとして出射される。

このサイクロトロン１では、上下方向荷重支持体２１，２２を用いて、コイル支持枠９の上下方向の位置を調整することができる。また、複数の上下方向荷重支持体２１，２２による位置調整により、コイル支持枠９の傾きを変えるように、位置調整を行うことができる。これにより、超伝導コイル７，８の位置及び傾きを調整することができ、加速空間Ｇにおける磁場を調整して、荷電粒子ビームを調整することができる。

サイクロトロン１では、コイル支持枠９が水平方向荷重支持体３１，３２によって支持されているので、水平方向荷重支持体３１，３２を用いて、中心軸Ｃ方向と直交する方向にコイル支持枠９を移動させて、位置調整することができる。

また、水平方向荷重支持体３１，３２は、内側リンク部３４、中間連結部３５、及び外側リンク部３６を備えているので、水平方向荷重支持体３１のフランジ部４１は、荷重支持体固定部６０に対して、中心軸Ｃ方向及び中心軸Ｃに直交する方向に変位可能である。そのため、上下方向荷重支持体２１，２２による位置調整に追従させて、コイル支持枠９を支持することができる。

例えば、コイル支持枠９が傾斜するように変位した場合には、内側リンク部３４及び中間連結部３５が、適宜、Ｘ軸回りに揺動して変位する。また、コイル支持枠９が、上方又は下方に変位した場合には、ヨーク取付部３７に対して、外側リンク部３６、中間連結部３５及び内側リンク部３４が、適宜、Ｙ軸回りに揺動して回転移動する。また、コイル支持枠９が傾斜すると共に、上下方向に変位した場合には、内側リンク部３４及び中間連結部３５が、適宜、Ｘ軸回りに回転移動すると共に、外側リンク部３６、中間連結部３５及び内側リンク部３４が、適宜、ヨーク取付部３７に対して揺動して変位する。また、コイル支持枠９がＹ軸方向に変位した場合には、内側リンク部３４及び中間連結部３５が、適宜、Ｚ軸回りに揺動して変位する。すなわち、水平方向荷重支持体３１，３２によれば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれの軸線回りに揺動可能であり、ヨーク取付部３７に対して、いずれの方向にもフランジ部４１を変位させることができる。そのため、上下方向荷重支持体２１，２２による超伝導コイル７，８の位置調整を妨げることがない。その結果、超伝導コイル７，８を高精度に位置調整することができ、サイクロトロン１から出力されるビームを精度良く調整可能である。

また、水平方向荷重支持体３１，３２では、位置調整部５８を備えているので、ナット６１を回転操作することで、ロッド部５７を荷重支持体固定部６０に対して、Ｘ軸方向に移動させることができる。複数の水平方向荷重支持体３１，３２の位置を適宜移動させることで、コイル支持枠９を、中心軸Ｃと直交する方向に移動して位置調整することができる。これにより、超伝導コイル７，８を中心軸Ｃと直交する方向に移動させて、超伝導コイル７，８による磁場を調整して、荷電粒子ビームを調整することができる。

また、位置調整部５８は、ナット６１を回転させることで、ロッド部５７を変位させることができるので、ナット６１の１回転に対するロッド部５７の変位量を一定とすることができる。そのため、位置調整の管理を容易とすることができる。

また、水平方向荷重支持体３１，３２は、内側リンク部３４及び外側リンク部３６を備え、Ｙ軸回りに揺動可能であるので、温度変化により、水平方向荷重支持体３１，３２が熱収縮して、その全長が変化する場合には、内側リンク部３４、中間連結部３５、及び外側リンク部３６が、適宜、揺動して変位し、熱収縮による変化を吸収することができる。

また、水平方向荷重支持体３１，３２は、ステンレス鋼、チタンなどの材料から形成されており、使用温度において、所定の強度を有するので、超伝導コイル７，８による電磁力に対応して、コイル支持枠９に作用する負荷を受けることができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

超伝導電磁石装置５の超伝導コイル７，８は、２個の超伝導コイル７，８を有する場合に限られず、１個または３個以上の超伝導コイルを有してもよい。

また、本発明に係る超伝導電磁石は、サイクロトロンに限られず、ＭＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げ装置に適用することもできる。超伝導電磁石は、高磁場が求められる装置であれば、どのような装置にでも適用可能である。

また、上記実施形態では、４本の水平方向荷重支持体３１，３２を備える構成としているが、１本の水平方向荷重支持体を備える構成でもよく、２本以上の水平方向荷重支持体を備える構成でもよい。

また、上記実施形態では、ナット６１を締め付けることで、水平方向荷重支持体をＸ軸方向に変位させているが、例えば、油圧シリンダなどを用いてロッド部５７を変位させてもよく、その他の方法によって、ロッド部５７を変位させてもよい。

また、上記実施形態では、水平方向荷重支持体は、内側リンク部３４、中間連結部３５、及び外側リンク部３６を備えたリンク機構を有する構成としているが、例えば、内側リンク部３４及び中間連結部３５からなるリンク機構でもよく、その他のピン接合部及び球面軸受けを有する構成でもよい。

また、真空容器と、水平方向荷重支持体との接合部は、溶接を用いて接合してもよく、その他のシール構造を介して接合してもよい。

また、上記実施形態では、超伝導コイル７，８の中心軸Ｃは、上下方向に沿うように配置されているが、中心軸Ｃが水平方向に沿うように配置された超伝導コイル７，８でもよく、中心軸Ｃが上下方向に対して傾斜して配置された超伝導コイル７，８でもよい。

また、上記実施形態において、例えば、内側リンク部３４において、一方の端部にピン部材４６が、配置され他方の端部に球面軸４７が配置されているが、両端部において、ピン部材が配置されている構成でもよく、両端部において球面軸が配置されている構成でもよい。また、一方の端部に球面軸が配置され、他方の端部にピン部材が配置されている構成でもよい。同様に、外側リンク部３６においても、ピン部材及び球面軸の配置を適宜変更してもよい。

１…サイクロトロン、３，４…ポール、５…超伝導電磁石装置、６…ヨーク、７，８…超伝導コイル、９…コイル支持枠（コイル支持体）、１３…冷凍機（冷却部）、２１，２２…上下方向荷重支持体（第１支持体）、３１，３２…水平方向荷重支持体（第２支持体）、３４…内側リンク部（リンク機構）、３５…中間連結部（リンク機構）、３６…外側リンク部（リンク機構）、４４，４５，５１，５２…連結板（第１方向部材）、４６，５４…ピン部材、４７，５３…球面軸、４８，４９…軸受け部（球面軸受け部）、４８ａ，４９ａ…内面（当接面）、Ｃ…中心軸（超伝導コイルの巻き中心軸）、Ｘ…Ｘ軸（第１方向）、Ｙ…Ｙ軸（第２方向）。

Claims (4)

1. ポールと、
   前記ポールの外周を覆うように巻かれた超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを支持するコイル支持体と、
   前記超伝導コイルを冷却する冷却部と、
   前記コイル支持体に接続され、前記超伝導コイルの巻き中心軸方向における前記コイル支持体の位置を調整可能な第１支持体と、
   前記コイル支持体に接続され、前記超伝導コイルの巻き中心軸方向と直交する直交方向における前記コイル支持体の位置を調整可能な第２支持体と、
   を備え、
   前記第２支持体は、前記巻き中心軸方向及び前記直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有するサイクロトロン。
2. 前記ポールに対して相対的に固定された固定部と、
   前記第２支持体の一端側を前記固定部に対して位置決めする位置決め部と、
   を更に備える請求項１に記載のサイクロトロン。
3. 前記リンク機構は、
   第１方向に延在する第１方向部材と、
   前記第１方向部材の一端側に連結され、前記第１方向に直交する第２方向に延在するピン部材と、
   前記第１方向部材の他端側に連結され、前記第２方向に延在し、球面を有する球面軸と、
   前記球面に当接する当接面を有し、前記球面軸を受ける球面軸受け部と、
   を有する請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
4. 巻き中心軸回りに巻かれた超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを支持するコイル支持体と、
   前記超伝導コイルを冷却する冷却部と、
   前記コイル支持体に接続され、前記超伝導コイルの巻き中心軸方向における前記コイル支持体の位置を調整可能な第１支持体と、
   前記コイル支持体に接続され、前記超伝導コイルの巻き中心軸方向と直交する直交方向における前記コイル支持体の位置を調整可能な第２支持体と、
   を備え、
   前記第２支持体は、前記巻き中心軸方向及び前記直交方向のそれぞれに変位可能なリンク機構を有する超伝導電磁石。

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