JP7336930B2 - 磁場分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場分布測定装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の超伝導サイクロトロンが知られている。この種の円形加速器では、荷電粒子を所望の軌道で加速するために、荷電粒子の加速空間には磁極によって所望の磁場が形成される必要がある。従って円形加速器の製造時には、磁極同士の間の領域の二次元的な磁場分布を実測し、所望の磁場が得られることを確認する必要がある。

特開2016-207454号公報

しかしながら、上記のような二次元的な磁場分布を得るためには、対象の領域内の多数の測定点において磁束密度を各々測定する必要があり、磁場分布測定作業は時間がかかるものであった。本発明は、円形加速器の磁場分布測定作業の作業時間を短縮する磁場分布測定装置を提供することを目的とする。

本発明の磁場分布測定装置は、円形加速器の磁場分布を測定する円形加速器用の磁場分布測定装置であって、円形加速器の一対の磁極同士の間に配置される可動部と、可動部を磁極の中心軸線周りに回転させる回転駆動部と、可動部に設けられ可動部の回転径方向に沿って並ぶ複数の磁束密度測定部と、を備える。

本発明の磁場分布測定装置は、可動部を回転径方向に移動させる径方向駆動部を更に備えてもよい。また、回転駆動部は、可動部を回転径方向にスライド可能に支持すると共に磁極の中心軸線周りに回転する回転ステージを有することとしてもよい。回転駆動部は、超音波モータを含み磁極に対して回転ステージを回転させる第１アクチュエータを有し、径方向駆動部は、超音波モータを含み回転ステージに対して可動部をスライドさせる第２アクチュエータを有することとしてもよい。第２アクチュエータは、超音波モータの回転を可動部の直線運動に変換するラックアンドピニオン機構を有することとしてもよい。

本発明の磁場分布測定装置では、可動部上における磁束密度測定部の配列ピッチをａとし、磁束密度測定部による磁束密度測定毎に段階的に移動する可動部の回転径方向の移動ピッチをΔＬとし、移動ピッチでの移動を繰り返した可動部の回転径方向の合計の移動距離をＬとしたとき、
Ｌ－ａ＞０ …（１）
を満足することとしてもよい。
また、本発明の磁場分布測定装置では、
Ｌ－ａ＞ΔＬ …（２）
を更に満足することとしてもよい。

本発明によれば、円形加速器の磁場分布測定作業の作業時間を短縮する磁場分布測定装置を提供することができる。

サイクロトロンの平面図であり、上の磁極を取り除いた状態を示す図である。 サイクロトロンの磁極と、当該磁極の間に磁場分布測定装置を設置した状態を示す分解斜視図である。 磁場分布測定装置の装置本体部の分解斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、装置本体部のアクチュエータ近傍を拡大して示す斜視図である。 Ｒステージの径方向への移動状態を順次示す模式図である。

以下、図１～図５を参照しながら本発明に係る磁場分布測定装置の実施形態について説明する。磁場分布測定装置１は、円形加速器の磁場分布を測定する円形加速器用の磁場分布測定装置である。上記の円形加速器の例としては、サイクロトロン、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、マイクロトロン等が挙げられる。

本実施形態においては、磁場分布測定装置１が超伝導サイクロトロン５１の磁場分布を測定する場合を例として説明する。また、磁場分布測定装置１による測定対象の円形加速器は、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置されてもよく、水平面上にあるように配置されてもよいが、本実施形態においては、サイクロトロン５１の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。また、以下の説明で用いる「径方向」、「周方向」、及び「軸方向」との文言は、サイクロトロン５１が備える円柱状の磁極５５Ａ，５５Ｂの径方向、周方向、及び軸方向を意味するものとする。

図１は、サイクロトロン５１の平面図であり、磁極５５Ｂを取り除いた状態を示す図である。図２は、サイクロトロン５１の磁極５５Ａ，５５Ｂと、当該磁極５５Ａ，５５Ｂの間に磁場分布測定装置１を設置した状態を示す分解斜視図である。図３は、磁場分布測定装置１の装置本体部２の分解斜視図である。図４（ａ），（ｂ）は、装置本体部２のアクチュエータ近傍を拡大して示す斜視図である。

図１及び図２に示されるように、サイクロトロン５１は、真空容器５３、磁極５５Ａ，５５Ｂ、ディ電極５７Ａ，５７Ｂ、インフレクタ５９、静電デフレクタ６１、及びマグネティックチャンネル６３，６４を有する。真空容器５３は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。

磁極５５Ａ，５５Ｂは、軸線Ｚを中心軸線とする円柱状をなす。磁極５５Ａ，５５Ｂは、真空容器５３内に上下一対で互いの間に軸方向のギャップをあけて設けられ、当該ギャップ内に荷電粒子の周回軌道Ｂが形成される。磁極５５Ａ，５５Ｂは、周回軌道Ｂに対して上下面対称の形状をなしている。磁極５５Ａの上面及び磁極５５Ｂの下面には、螺旋状に湾曲した４つの凸部と、４つの凹部とが、周方向に交互に配列され形成されている。磁極５５Ａ及び磁極５５Ｂの上記凸部同士で挟まれた領域がヒル領域５６ｈであり、上記凹部同士で挟まれた領域がバレー領域５６ｖである。このような磁極５５Ａ，５５Ｂのそれぞれの周囲に超伝導コイルが配置され、粒子加速に必要な磁場が周回軌道Ｂ上に形成される。

ディ電極５７Ａ，５７Ｂは、真空容器５３内で磁極５５Ａ，５５Ｂの中心の位置（軸線Ｚ上の位置）に対し互いに点対称に設けられ、粒子加速に必要な電場を形成する電極である。インフレクタ５９は、磁極５５Ａ，５５Ｂの中心の位置（軸線Ｚ上の位置）に設けられ、イオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、周回軌道Ｂ上に送り出す。

サイクロトロン５１では、磁極５５Ａと磁極５５Ｂとの間に磁場を発生させると共に、ディ電極５７Ａ，５７Ｂに高周波電圧が付与されることで、インフレクタ５９から送り出された荷電粒子は、加速されつつ螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。そして、磁極５５Ａ，５５Ｂの外周部の位置に達した荷電粒子は、静電デフレクタ６１で周回軌道から分けられ、更にマグネティックチャンネル６３，６４の導入ギャップを通過して偏向と集束を繰り返し、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出され出射される。

磁場分布測定装置１は、上記の磁極５５Ａ，５５Ｂによって周回軌道Ｂの位置に形成される二次元的な磁場分布を測定する装置である。このような磁場分布測定は、例えば、サイクロトロン５１の製造時において、磁極５５Ａ，５５Ｂの磁場の調整のために実行される。磁場分布測定作業においては、図２に示されるように、磁場分布測定装置１の装置本体部２が、磁極５５Ａと磁極５５Ｂとの間に上下に挟まれて設置される。

図２及び図３に示されるように、装置本体部２は、θステージ３（回転ステージ、回転駆動部）と、Ｒステージ５（可動部）と、θアクチュエータ７（第１アクチュエータ、回転駆動部）と、Ｒアクチュエータ９（第２アクチュエータ、径方向駆動部）と、を備えている。また、磁場分布測定装置１は、Ｒステージ５に保持される複数（ｎ個とする）のプローブ２１（磁束密度測定部）を備えている。

θステージ３は、磁極５５Ａ，５５Ｂよりも小径の円板状をなす部材であり、磁極５５Ａ，５５Ｂに対して同軸で軸線Ｚ周りに回転可能であるように支持されている。Ｒステージ５は、磁極５５Ａ，５５Ｂの中心位置を通り径方向に延在する長尺板状をなす部材であり、θステージ３に対し、径方向に直線的にスライド可能であるように支持されている。Ｒステージ５は、その一部がθステージ３の外周縁から径方向外側に突出する位置までスライド可能である。例えば、Ｒステージ５の移動を径方向にガイドするガイド部３ａが、θステージ３に設けられている。図３では、ガイド部３ａは、Ｒステージ５が嵌め込まれるガイド溝として模式的に示されているがこれには限定されず、ガイド部３ａとしては種々の構造のものを適宜採用することができる。

θアクチュエータ７は、磁極５５Ａ，５５Ｂに対して位置固定されており、θステージ３の外周縁近傍に位置している。θアクチュエータ７は例えば磁極５５Ａ，５５Ｂに固定されてもよい。図４（ａ）に示されるように、θアクチュエータ７は超音波モータ１１を有している。超音波モータ１１のシャフトには駆動ギア１１ａが取り付けられている。また、θステージ３の周縁部に従動ギア３ｂが形成されており、駆動ギア１１ａと従動ギア３ｂとが噛み合わされている。このような機構により、θアクチュエータ７は、超音波モータ１１を動力源としてθステージ３を軸線Ｚ周りに回転させる。なお、図４（ａ）においては、θアクチュエータ７のうち超音波モータ１１以外の部位の図示は省略されている。

Ｒアクチュエータ９は、θアクチュエータ７の中央近傍に固定され、Ｒステージ５の側縁部近傍に位置している。図４（ｂ）に示されるように、Ｒアクチュエータ９は超音波モータ１３を有している。そして、Ｒアクチュエータ９は超音波モータ１３の回転をＲステージ５の直線運動に変換するラックアンドピニオン機構１４を含んでいる。具体的には、超音波モータ１３のシャフトにピニオンギア１３ａが取り付けられている。また、Ｒステージ５の側縁にはラック５ｂが形成されており、ピニオンギア１３ａとラック５ｂとが噛み合わされている。このようなラックアンドピニオン機構１４により、Ｒアクチュエータ９は、超音波モータ１３を動力源としてＲステージ５をθステージ３に対して並進移動させる。なお、図４（ｂ）においては、Ｒアクチュエータ９のうち超音波モータ１３以外の部位の図示は省略されている。

ｎ個のプローブ２１はＲステージ５上において、当該Ｒステージ５のスライド方向（径方向）に沿って並んでいる。本実施形態においては、平面視で、すべてのプローブ２１が径方向に一直線で等間隔で並ぶものとする。また、各プローブ２１は、周回軌道Ｂが存在する仮想平面上に位置している。なお、周回軌道Ｂが存在する仮想平面は、「メディアンプレーン」などと呼ばれる場合がある。各プローブ２１は、自機の現在位置における磁束密度をセンシングし、センシング信号を出力する。このようなプローブ２１としては、例えばホールセンサを採用することができる。各プローブ２１は、上述したようなθステージ３及びＲステージ５の動作によって、軸線Ｚの位置を原点とするＲθ平面内で二次元的に移動される。

更に、装置本体部２は、磁極５５Ａ，５５Ｂに対するθステージ３のθ方向の現在位置を検知しθ位置信号を出力するθエンコーダ２３と、θステージ３に対するＲステージ５のＲ方向の現在位置を検知しＲ位置信号を出力するＲエンコーダ２５と、を備えている。

更に、磁場分布測定装置１は、装置本体部２を制御するために、例えばコンピュータで構成される制御部２９を備えている。制御部２９は、超音波モータ１１，１３に対して駆動信号を出力し、θステージ３及びＲステージ５の駆動を制御する。また、制御部２９は、各プローブ２１からのセンシング信号、θエンコーダ２３からのθ位置信号、及びＲエンコーダ２５からのＲ位置信号を取得する。制御部２９は、サイクロトロン５１の外部に設置されてもよい。

制御部２９は、θエンコーダ２３からのθ位置信号及びＲエンコーダ２５からのＲ位置信号に基づいてθアクチュエータ７及びＲアクチュエータ９の駆動を制御することにより、θステージ３及びＲステージ５の駆動を制御する。制御部２９は上記のθ位置信号及びＲ位置信号に基づいてｎ個の各プローブ２１の現在位置のＲθ座標を認識することができる。また、制御部２９は、各プローブ２１からのセンシング信号に基づいて各プローブ２１の現在位置における磁束密度を認識することができる。従って、制御部２９においては、測定点のＲθ座標と、当該測定点の磁束密度と、を関連づけた磁束密度データが、同時にプローブ２１と同数（ｎ個）取得される。

磁場分布測定作業において、制御部２９は、所定の磁場分布測定プログラムに従って、ｎ個のプローブ２１をＲ方向・θ方向に順次移動させ、各測定点に関する磁束密度データを収集していく。例えば、制御部２９は、まずプローブ２１のθ座標を固定した状態で、各プローブ２１を所定ピッチで径方向に移動しながら、移動毎に各プローブ２１で磁束密度を測定し磁束密度データを取得する。これを所定の回数繰り返した後、制御部２９は、プローブ２１のθ座標を変更して、上記の処理を再び実行する。そして最終的には、磁極５５Ａ，５５Ｂで軸線Ｚ方向に挟まれた全領域内に亘る磁束密度データが取得され、ひいては、当該領域の磁場分布が得られる。

図５に示されるように、上記のような磁場分布測定作業には、径方向一直線上の領域の磁束密度データを連続的に収集する径方向収集工程が含まれる。この径方向収集工程においては、制御部２９による制御下において、θステージ３を固定した状態で、Ｒステージ５を所定の移動ピッチΔＬで段階的に径方向へ移動しながら、移動毎に各プローブ２１による磁束密度測定が行われ磁束密度データが取得される。図５に示されるように、上記の径方向収集工程において径方向に順次移動するＲステージ５の位置をＰ１，Ｐ２，…，Ｐｍとする。また、上記のように各プローブ２１により磁束密度測定を行う毎に移動するＲステージ５の径方向の移動ピッチがΔＬであり、磁束密度データが取得される複数の測定点の径方向の配列ピッチがΔＬである。また、Ｒステージ５が位置Ｐ１から位置Ｐｍまで移動したときの合計移動距離をＬとする。また、合計移動距離Ｌは、Ｒステージ５及びθステージ３の機械的要素（例えば、Ｒステージ５の径方向移動を規制するストッパ等）によって決定されるＲステージ５の径方向のストロークであってもよい。また、Ｒステージ５上に配列されたプローブ２１の配列ピッチをａとする。

なお、上記の移動ピッチΔＬ及び合計移動距離Ｌは、予め設定され制御部２９に記憶されている。そして、前述のように制御部２９が所定の磁場分布測定プログラムに従って処理を行うことにより、移動ピッチをΔＬとし、合計移動距離ＬとするＲステージ５の移動が実現される。なお、Ｒステージ５が位置Ｐｍに到達し位置Ｐｍにおける磁束密度データが取得された後は、制御部２９は、θステージ３を所定の角度回転させ、Ｒステージ５を位置Ｐ１に戻して、異なるθ座標上において上記同様の径方向収集工程を再び実行する。

磁場分布測定装置１においては、下の関係式（１）が満足されることが好ましい。
Ｌ－ａ＞０ …（１）
すなわち、上記の径方向収集工程において、Ｒステージ５の径方向の合計移動距離が、プローブ２１の配列ピッチよりも長いことが好ましい。
また、磁場分布測定装置１においては、下の関係式（２）が満足されると更に好ましい。
Ｌ－ａ＞ΔＬ …（２）

続いて、磁場分布測定装置１による作用効果について説明する。磁場分布測定装置１は複数のプローブ２１を備えるので、Ｒステージ５を移動させずにプローブ２１と同数の測定点の磁束密度データが同時に取得される。すなわちＲステージ５の移動毎にプローブ２１と同数の測定点の磁束密度データを同時に取得可能である。従って、プローブ２１が単数である場合に比較して、磁場分布測定作業の作業時間を短縮することができる。

また、θアクチュエータ７やＲアクチュエータ９においては、超音波モータ１１，１３が動力源として採用されている。この比較として、仮に、電磁アクチュエータ等を動力源として採用する場合を考える。この場合、磁極５５Ａ，５５Ｂの漏洩磁場による電磁アクチュエータの動作不良や誤動作を防止するために、磁極５５Ａ，５５Ｂから電磁アクチュエータを離して設置する必要がある。また、電磁アクチュエータで発生する磁場が測定対象の磁場に影響を与えることを防止するためにも、磁極５５Ａ，５５Ｂから電磁アクチュエータを離して設置する必要がある。そうすると、電磁アクチュエータからθステージ３やＲステージ５への比較的長い距離で駆動力伝達が必要になり、駆動力伝達機構等が複雑化してしまう。

これに対し、超音波モータは、電磁気的に動力を発生するタイプのモータではないので、磁場の影響を受け難く、また超音波モータから周囲の磁場に与える影響もほとんどない。従って、超音波モータであれば、磁極５５Ａ，５５Ｂに近い位置のθステージ３やＲステージ５の直近に設置することが可能である。また、超音波モータは比較的小型化し易いので、θアクチュエータ７及びＲアクチュエータ９を小型化して磁極５５Ａ，５５Ｂの間のスペースに配置し易い。

磁場分布測定装置１においては、超音波モータ１１がθステージ３の外周縁近傍に設置され、超音波モータ１３がＲステージ５の側縁部近傍に設置されている。そして、このような磁極５５Ａ，５５Ｂで挟まれた領域に超音波モータ１１，１３が設置されても、磁極５５Ａ，５５Ｂの磁場による超音波モータ１１，１３の動作不良や誤動作の可能性は低い。また、超音波モータ１１，１３がその周囲の測定対象の磁場に与える影響もほとんどないので、磁場分布測定装置１によって、磁極５５Ａ，５５Ｂに起因する正確な磁場分布の測定を行うことができる。

また、Ｒステージ５とその動力源の超音波モータ１３を近接して設置することができるので、超音波モータ１３からＲステージ５への駆動力伝達には、前述のようにラックアンドピニオン機構１４（図４（ｂ）参照）といった簡易な機構を採用可能であり、その結果、安価でロバスト性が高いＲアクチュエータ９が実現される。また、θステージ３とその動力源の超音波モータ１１についても、同様に近接して設置することができるので、図４（ａ）で説明したような簡易な機構が採用可能であり、安価でロバスト性が高いθアクチュエータ７が実現される。

また、Ｒステージ５上の１つのプローブ２１を「プローブ２１ａ」とし、当該プローブ２１ａに隣接して位置する他のプローブ２１を「プローブ２１ｂ」とする。前述の関係式（１）が満足されれば、図５に示されるように、プローブ２１ａによる径方向の測定範囲２２ａと、プローブ２１ｂによる径方向の測定範囲２２ｂとが一部重複することになる。この重複範囲は図中の符号２２ｗで示され、重複範囲２２ｗ内では、プローブ２１ａによる測定点とプローブ２１ｂによる測定点とで、少なくとも合計２個の磁束密度データが取得される。従って、当該重複範囲２２ｗ内の磁束密度データについては、内挿域での校正が可能になり、磁束密度の測定精度が向上する。また、重複範囲２２ｗ内のプローブ２１ａ由来の磁束密度データと、プローブ２１ｂ由来の磁束密度データとの比較により、各プローブ２１ａ，２１ｂの特性の個体差を認識することができ、当該個体差に対応する措置を適切に取ることも可能になる。

また、更に前述の関係式（２）が満足されれば、上記の重複範囲２２ｗ内では、プローブ２１ａによる少なくとも２つの測定点と、プローブ２１ｂによる少なくとも２つの測定点とで、少なくとも合計４個の磁束密度データが取得される。従って、より精度が高い校正が可能になり、磁束密度の測定精度が更に向上する。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、上述の実施形態では、複数のプローブ２１がＲステージ５上において径方向に等間隔に配列されているが、プローブ２１の配列は不等間隔であってもよい。但し、プローブ２１の配列が等間隔である方が、磁束密度データの解析処理等が単純化され演算処理が低減される点で好ましい。

１…磁場分布測定装置、３…θステージ（回転駆動部、回転ステージ）、５…Ｒステージ（可動部）、７…θアクチュエータ（回転駆動部、第１アクチュエータ）、９…Ｒアクチュエータ（径方向駆動部、第２アクチュエータ）、１１，１３…超音波モータ、１４…ラックアンドピニオン機構、２１…プローブ（磁束密度測定部）、５１…サイクロトロン（円形加速器）、５５Ａ，５５Ｂ…磁極、Ｚ…中心軸線。

Claims (7)

1. 円形加速器の磁場分布を測定する円形加速器用の磁場分布測定装置であって、
   前記円形加速器の一対の磁極同士の間に配置される可動部と、
   前記可動部を前記磁極の中心軸線周りに回転させる回転駆動部と、
   前記可動部に設けられ前記可動部の回転径方向に沿って並ぶ複数の磁束密度測定部と、を備える、磁場分布測定装置。
2. 前記可動部を前記回転径方向に移動させる径方向駆動部を更に備える、請求項１に記載の磁場分布測定装置。
3. 前記回転駆動部は、
   前記可動部を前記回転径方向にスライド可能に支持すると共に前記磁極の中心軸線周りに回転する回転ステージを有する、請求項２に記載の磁場分布測定装置。
4. 前記回転駆動部は、超音波モータを含み前記磁極に対して前記回転ステージを回転させる第１アクチュエータを有し、
   前記径方向駆動部は、超音波モータを含み前記回転ステージに対して前記可動部をスライドさせる第２アクチュエータを有する、請求項３に記載の磁場分布測定装置。
5. 前記第２アクチュエータは、
   前記超音波モータの回転を前記可動部の直線運動に変換するラックアンドピニオン機構を有する、請求項４に記載の磁場分布測定装置。
6. 前記可動部上における前記磁束密度測定部の配列ピッチをａとし、
   前記磁束密度測定部による磁束密度測定毎に段階的に移動する前記可動部の前記回転径方向の移動ピッチをΔＬとし、
   前記移動ピッチでの移動を繰り返した前記可動部の前記回転径方向の合計の移動距離をＬとしたとき、
   Ｌ－ａ＞０ …（１）
   を満足する、請求項２～５の何れか１項に記載の磁場分布測定装置。
7. Ｌ－ａ＞ΔＬ …（２）
   を更に満足する、請求項６に記載の磁場分布測定装置。
   
   

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