JP7356934B2 - Superconducting magnet device and bending electromagnet device - Google Patents

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Description

本発明は、超電導磁石装置および偏向電磁石装置に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a bending electromagnet device.

本技術分野の背景技術として、下記特許文献1の要約には、「通過する荷電粒子ビームを偏向させる偏向電磁石装置であって、荷電粒子ビームが通過する間隙を介して上下に対向して一対のヨーク5A、5Bが配置され、当該ヨークはメインポール1A、1B、サイドポール21A、21B、22A、22Bを有し、当該ポールに磁場を生成する一対のコイル41A、41B、およびそれの外周側であってコイル41A、41Bと同軸の一対のコイル51A、51Bとを備え、上部のヨーク5A及び下部のヨーク5Bを非磁性体の支持部材で連結する構成である」と記載されている。また、下記特許文献2の請求項1には、「単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物超伝導体を有するコイルであって、前記コイルが、前記酸化物超伝導体の単芯線で構成され、前記コイルの形状が、直線部と曲線部とを有する擬レーストラック型であり、かつ、変形されてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル」と記載されている。これら文献の記述は、本願明細書の一部として包含される。 As background technology in this technical field, the summary of Patent Document 1 below states, ``A deflection electromagnet device that deflects a passing charged particle beam, comprising a pair of vertically opposed magnets that are vertically opposed to each other with a gap through which the charged particle beam passes. Yokes 5A, 5B are arranged, and the yokes have main poles 1A, 1B, side poles 21A, 21B, 22A, 22B, a pair of coils 41A, 41B that generate a magnetic field on the poles, and a pair of coils 41A, 41B on the outer peripheral side thereof. It includes coils 41A and 41B and a pair of coaxial coils 51A and 51B, and the upper yoke 5A and lower yoke 5B are connected by a non-magnetic support member.'' In addition, claim 1 of Patent Document 2 below states that ``in the single crystal REBa 2 Cu 3 O 7-x phase (RE is a rare earth element containing Y or a combination thereof, x is the amount of oxygen vacancies) A coil including an oxide superconductor having a structure in which a conductive phase is finely dispersed, the coil being composed of a single core wire of the oxide superconductor, and the shape of the coil having a straight part and a curved part. ``An oxide superconductor coil characterized by being of a quasi-racetrack type having a deformed structure.'' The descriptions of these documents are included as part of this specification.

特開2017-84595号広報JP2017-84595 Publication 特許第4799979号広報Patent No. 4799979 Public Relations

ところで、超電導磁石装置に対しては、小型に構成でき強い磁場を発生できることが望まれている。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型に構成でき強い磁場を発生できる超電導磁石装置および偏向電磁石装置を提供することを目的とする。
Incidentally, it is desired that a superconducting magnet device be constructed in a small size and capable of generating a strong magnetic field.
The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object thereof is to provide a superconducting magnet device and a bending electromagnet device that can be constructed in a small size and generate a strong magnetic field.

上記課題を解決するため本発明の超電導磁石装置は、磁性体を有し環状に形成されたヨークと、前記ヨークから対向するように突出した一対の第1の磁極と、超電導線材を含み、一対の前記第1の磁極に各々巻回された一対の第1のコイルと、前記超電導線材を直線状に延設した第2のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第2のコイル湾曲部と、を有する第2のコイルと、を備え、前記第1のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第1のコイル直線部と、前記超電導線材を湾曲させた一対の第1のコイル湾曲部と、を有し、前記第1のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第1のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きく、前記第2のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第2のコイル直線部の内周面の半幅と略同一であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a superconducting magnet device of the present invention includes a yoke having a magnetic material and formed in an annular shape, a pair of first magnetic poles protruding from the yoke so as to face each other, and a superconducting wire. a pair of first coils each wound around the first magnetic pole of the second coil, a second coil straight section formed by extending the superconducting wire in a straight line, and a pair of coils formed by bending the superconducting wire into a substantially arc shape. a second coil having a second coil curved portion, the first coil having a first coil straight portion in which the superconducting wire extends in a straight line; a pair of first coil curved parts, the radius of curvature of the inner peripheral surface of the first coil curved part is larger than the half width of the inner peripheral surface of the first coil straight part, The radius of curvature of the inner circumferential surface of the second coil curved portion is approximately the same as the half width of the inner circumferential surface of the second coil straight portion.

本発明によれば、小型に構成でき強い磁場を発生できる超電導磁石装置を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a superconducting magnet device that can be constructed in a small size and can generate a strong magnetic field.

比較例による偏向電磁石の模式的な断面斜視図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional perspective view of a bending electromagnet according to a comparative example. 比較例による偏向電磁石の模式的な横断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a bending electromagnet according to a comparative example. 比較例による偏向電磁石の模式的な縦断面図である。FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view of a bending electromagnet according to a comparative example. 図3の要部の拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 3; 比較例のメインコイルの要部における磁束分布を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the magnetic flux distribution in the main part of the main coil of a comparative example. 好適な第1実施形態による偏向電磁石装置の要部の断面図である。1 is a sectional view of a main part of a bending electromagnet device according to a first preferred embodiment; FIG. 好適な第2実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a bending electromagnet device according to a second preferred embodiment. 好適な第3実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a bending electromagnet device according to a third preferred embodiment. 好適な第4実施形態による偏向電磁石装置の製作過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the bending electromagnet device by a suitable 4th embodiment.

[実施形態の前提]
超電導磁石装置は、極低温に冷却された超電導材料を有するコイルに電流を通電し、所望の磁場を発生させる装置である。超電導物質はある一定の温度以下となった場合に電気抵抗がゼロとなる物質であり、通常の常温における導電性金属よりも大きな電流を通電できるため、強い磁場が必要な装置、例えば、磁気共鳴イメージング装置や加速器の偏向磁石等に使用されている。加速器の偏向磁石には、鉄心に銅線等を巻回した常電導磁石や、永久磁石を使用したものも使用されている。しかし、近年の偏向磁石には、より小さい領域に強い磁場を生成することが求められるため、超電導磁石を採用する場合が増加している。
[Premise of embodiment]
A superconducting magnet device is a device that generates a desired magnetic field by passing current through a coil having a superconducting material cooled to an extremely low temperature. Superconducting materials are materials whose electrical resistance becomes zero below a certain temperature, and because they can conduct a larger current than normal conductive metals at room temperature, they can be used in devices that require strong magnetic fields, such as magnetic resonance. It is used in deflection magnets for imaging devices and accelerators. The deflection magnets used in accelerators include normal conducting magnets with copper wire wound around an iron core, and permanent magnets. However, in recent years, bending magnets are required to generate a strong magnetic field in a smaller area, so superconducting magnets are increasingly being used.

超電導磁石は、一般に鉄等の磁性体を用いた芯(鉄心)の周りに超電導コイルを巻き回した磁極と継鉄(ヨーク)で磁気回路を構成した電磁石である。超電導コイルは、極低温に冷却すると電気抵抗がゼロとなる超電導物質でコイルを生成している。その温度は超電導物質によって異なるが、絶対温度で4ケルビンから77ケルビン程度まで冷却する必要がある。このため、現在一般的に使用されている超電導コイルの材質であるニオブ・チタン材を用いた超電導コイルでは、約4ケルビンに冷却した状態を保持するため、例えば、沸点が4.2ケルビンの液体のヘリウム中に浸されている。また、ヘリウムの液体状態を保持するため、超電導コイルと液体ヘリウムはヘリウム容器と呼ばれる金属容器と、それを取り囲み輻射による伝熱を遮蔽する輻射シールド、および、内部を真空状態として外部からの熱伝導による熱侵入を低減する真空容器内に収められている。さらに、冷凍機によって液体ヘリウムの蒸発を抑えることによって極低温の状態を保持している。 A superconducting magnet is an electromagnet in which a magnetic circuit is constructed of a core made of a magnetic material such as iron, a magnetic pole in which a superconducting coil is wound around a yoke, and a yoke. Superconducting coils are made of superconducting materials that have zero electrical resistance when cooled to extremely low temperatures. Although the temperature varies depending on the superconducting material, it is necessary to cool it to an absolute temperature of about 4 Kelvin to 77 Kelvin. For this reason, in superconducting coils using niobium titanium, which is the material for superconducting coils commonly used today, in order to maintain a cooled state at about 4 Kelvin, for example, liquid with a boiling point of 4.2 Kelvin immersed in helium. In addition, in order to maintain the liquid state of helium, the superconducting coil and liquid helium are stored in a metal container called a helium container, a radiation shield that surrounds it and blocks heat transfer due to radiation, and a vacuum state inside to prevent heat transfer from the outside. It is housed in a vacuum container to reduce heat intrusion. Furthermore, the cryogenic temperature is maintained by suppressing the evaporation of liquid helium using a refrigerator.

液体ヘリウムは収集が困難であるため高価であり、また、装置の簡素化による小型化の要請からも、液体ヘリウムの使用量を低減し、または使用しない超電導磁石の開発も進められている。液体ヘリウムを使用しない方法の一つとして、冷凍機から固体熱伝導物質を介して冷却される伝導冷却型の超電導コイルの採用がある。冷凍機の冷却能力が十分大きければ、超電導コイルを超電導状態となる温度よりも十分低い温度、例えば4ケルビン以下に保持することができる。 Liquid helium is expensive because it is difficult to collect, and in response to the need for simpler and more compact devices, efforts are being made to develop superconducting magnets that use less or no liquid helium. One method that does not use liquid helium is to use a conduction-cooled superconducting coil that is cooled from a refrigerator via a solid heat-conducting material. If the cooling capacity of the refrigerator is sufficiently large, the superconducting coil can be maintained at a temperature sufficiently lower than the temperature at which it becomes superconducting, for example, 4 Kelvin or less.

超電導コイルは超電導線材を構成する超電導物質は物質毎に決まる温度以下に冷却すると超電導状態となり、この温度は常電導転移温度と呼ばれる。常電導転移温度以下に保持された超電導コイルは電気抵抗ゼロになるが、大きな電流密度の電流を通電したり、強い磁場環境に置かれると超電導状態を維持できなくなる。電流密度と磁場は温度と同様に超電導状態を決定する因子であり、超電導コイルはこれら3つの要素で決まる超電導状態を安定に維持できる範囲で運転する場合が多い。超電導コイルを構成する超電導線材は、コイル全体を同じ線材で巻き回した場合、場所によって温度や磁場の強さが異なっていれば、最も温度や磁場の環境が過酷な部分にある線材の性能以上の電流を通電することが出来ない。すなわち、当該部分によって超電導磁石の磁場発生強度の限界が生じる。 The superconducting material that makes up the superconducting wire of a superconducting coil becomes a superconducting state when it is cooled to a temperature determined for each material, and this temperature is called the normal conduction transition temperature. A superconducting coil held below the normal conduction transition temperature has zero electrical resistance, but if a current with a large current density is passed through it or if it is placed in a strong magnetic field environment, it will no longer be able to maintain its superconducting state. Current density and magnetic field, like temperature, are factors that determine the superconducting state, and superconducting coils are often operated within a range in which the superconducting state determined by these three factors can be stably maintained. The superconducting wire that makes up a superconducting coil has the same wire wrapped around the entire coil, but if the temperature and magnetic field strength differ depending on the location, the performance of the wire in the part where the temperature and magnetic field environment is the harshest will be higher than that of the wire. It is not possible to conduct current. That is, this portion imposes a limit on the magnetic field generation strength of the superconducting magnet.

加速器の偏向電磁石に使用される超電導コイルには、直線部と円弧部からなるレーストラック形状を有する物がある。これは、偏向磁石がレーストラックの長軸方向に均一な磁場を生成し、短軸方向には急峻に変化する磁場を生成するためである。一般に偏向磁石に超電導コイルを使用する理由は、常電導コイルや永久磁石と比較して、より強力な磁場を狭い領域に生成することにある。従って、超電導コイルには、より大きな電流を通電することで強い磁場を生成し、レーストラックの短軸方向寸法を短くすることで、より狭い領域に磁場を生じさせる場合が多い。 Some superconducting coils used in bending electromagnets of accelerators have a racetrack shape consisting of a straight part and an arc part. This is because the deflection magnet generates a uniform magnetic field in the long axis direction of the race track, and a magnetic field that changes sharply in the short axis direction. Generally, the reason why superconducting coils are used as deflection magnets is to generate a stronger magnetic field in a narrow area compared to normal conducting coils or permanent magnets. Therefore, in many cases, a strong magnetic field is generated by passing a larger current through the superconducting coil, and a magnetic field is generated in a narrower region by shortening the short axis direction of the race track.

レーストラック形状の超電導コイル全体を同一の超電導線材で巻回した場合、レーストラックの円弧部内周側の磁場が強くなり、コイルを均一の温度に冷却した場合であっても、円弧部内周側の環境における超電導線材の裕度で超電導磁石の磁場性能が決まる。特に、レーストラックの短軸方向を短くし、円弧部の曲率が小さくなると、直線部に比べてコイル円弧部内周側の磁場が強くなる。 If the entire racetrack-shaped superconducting coil is wound with the same superconducting wire, the magnetic field on the inner circumferential side of the arc of the racetrack will become stronger, and even if the coil is cooled to a uniform temperature, the magnetic field on the inner circumferential side of the arc will become stronger. The magnetic field performance of a superconducting magnet is determined by the tolerance of the superconducting wire in the environment. In particular, when the short axis direction of the race track is shortened and the curvature of the arc portion is reduced, the magnetic field on the inner circumferential side of the coil arc portion becomes stronger than in the straight portion.

上述の特許文献1に示された技術を適用して、一対のメイン磁極と二対のサイド磁極を併用する磁石装置を構成することが考えられる。この磁石装置は、独立した3台の磁石(一対のメイン磁石と二対のサイド磁石)を配置する構成と比較して、サイドコイル(サイド磁石またはサイド磁極に巻回されるコイル)の巻回数を少なくでき、全体の構成を小型化できる。しかし、この磁石装置は、メインコイル(メイン磁石またはメイン磁極に巻回されるコイル)の巻回数が多くなり、特にメインコイルの円弧部分で生じる磁場が増大することで、超電導線材の裕度が低下し、磁石装置が発生する磁場強度を向上させることが困難になる。 It is conceivable to apply the technique disclosed in Patent Document 1 mentioned above to configure a magnet device that uses a pair of main magnetic poles and two pairs of side magnetic poles. Compared to a configuration in which three independent magnets (one pair of main magnets and two pairs of side magnets) are arranged, this magnet device has a higher number of turns of the side coil (the side magnet or the coil wound around the side magnetic pole). The overall configuration can be made smaller. However, in this magnet device, the number of turns of the main coil (the coil wound around the main magnet or main magnetic pole) increases, and the magnetic field generated in the arc portion of the main coil increases, which reduces the tolerance of the superconducting wire. This makes it difficult to improve the magnetic field strength generated by the magnet device.

また、特許文献2に示された技術を適用して、レーストラック型の超電導コイルにおいて、磁束が集中する曲率部分の超電導体すなわち超電導線材の断面積を増加する磁石装置を構成することが考えられる。しかし、この磁石装置では、巻線途中で超電導線材の断面積を変化させる必要が生じる。そのため、ニオブ・チタン線材などの引き抜きにより製作された超電導線材では、コイル製作時において巻線の途中で断面の異なる線材を接続する必要がある。超電導線材の接続部分は超電導性能が低下しやすく、また、コイル断面積が増大するため、磁場強度を向上させつつ小型化を両立することが困難である。そのため、後述する好適な実施形態は、小型に構成でき、強い磁場を発生できる磁石装置を実現しようとするものである。 It is also conceivable to apply the technology shown in Patent Document 2 to configure a magnet device that increases the cross-sectional area of the superconductor, that is, the superconducting wire, in the curved portion where magnetic flux is concentrated in a racetrack-type superconducting coil. . However, in this magnet device, it is necessary to change the cross-sectional area of the superconducting wire during winding. Therefore, in superconducting wires manufactured by drawing niobium titanium wires, etc., it is necessary to connect wires with different cross sections in the middle of the winding when manufacturing the coil. The superconducting performance of the connecting portion of the superconducting wire tends to deteriorate, and the cross-sectional area of the coil increases, making it difficult to simultaneously improve the magnetic field strength and reduce the size. Therefore, the preferred embodiments described below are intended to realize a magnet device that can be constructed in a small size and can generate a strong magnetic field.

[比較例]
好適な実施形態について説明する前に、まず比較例による偏向電磁石について説明する。図1は、比較例による偏向電磁石1の模式的な断面斜視図である。なお、図1において前後方向をx軸、左右方向をy軸、上下方向をz軸とする。
偏向電磁石1は、加速器等(図示せず)から出射された電子ビーム、陽子線等の荷電粒子ビームに対し、ビーム進行方向と垂直な方向に周期的な運動を加えることで放射光を発生させる装置である。偏向電磁石1は、ビームダクト2と、鉄心30と、コイル群40と、を備えている。ビームダクト2は、断面略矩形のダクトである。ビームダクト2の内部においては、例えば、破線で示す直線軌道RSに沿って荷電粒子ビーム等が通過する。
[Comparative example]
Before describing a preferred embodiment, a bending electromagnet according to a comparative example will first be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional perspective view of a bending electromagnet 1 according to a comparative example. In FIG. 1, the front-rear direction is the x-axis, the left-right direction is the y-axis, and the up-down direction is the z-axis.
The bending electromagnet 1 generates synchrotron radiation by applying periodic motion in a direction perpendicular to the beam traveling direction to a charged particle beam such as an electron beam or a proton beam emitted from an accelerator or the like (not shown). It is a device. The bending electromagnet 1 includes a beam duct 2, an iron core 30, and a coil group 40. The beam duct 2 is a duct having a substantially rectangular cross section. Inside the beam duct 2, for example, a charged particle beam or the like passes along a straight trajectory RS shown by a broken line.

鉄心30は、一対の上下ヨーク31(ヨーク)と、一対のサイドヨーク32(ヨーク)と、一対のメイン磁極34と、一対のサイド磁極33と、一対のサイド磁極35と、を備えている。一対の上下ヨーク31は、長方形板状に形成され、ビームダクト2の上下に配置されている。一対のサイドヨーク32は、長方形板状に形成され、上下ヨーク31の各左端および各右端を接続している。一対のメイン磁極34は、一対の上下ヨーク31の各対向面からビームダクト2に向かって突出している。一対のサイド磁極33は、メイン磁極34の後方において、一対の上下ヨーク31の対向面からビームダクト2に向かって突出している。また、一対のサイド磁極35は、メイン磁極34の前方において、一対の上下ヨーク31の対向面からビームダクト2に向かって突出している。 The iron core 30 includes a pair of upper and lower yokes 31 (yokes), a pair of side yokes 32 (yokes), a pair of main magnetic poles 34, a pair of side magnetic poles 33, and a pair of side magnetic poles 35. The pair of upper and lower yokes 31 are formed into rectangular plate shapes and are arranged above and below the beam duct 2. The pair of side yokes 32 are formed into rectangular plate shapes, and connect the left ends and right ends of the upper and lower yokes 31. The pair of main magnetic poles 34 protrude toward the beam duct 2 from each opposing surface of the pair of upper and lower yokes 31. The pair of side magnetic poles 33 protrude toward the beam duct 2 from the opposing surfaces of the pair of upper and lower yokes 31 behind the main magnetic pole 34 . Further, the pair of side magnetic poles 35 protrude toward the beam duct 2 from the opposing surfaces of the pair of upper and lower yokes 31 in front of the main magnetic pole 34 .

また、コイル群40は、一対のメインコイル44と、一対のサイドコイル43と、一対のサイドコイル45と、を備えている。一対のメインコイル44は、一対のメイン磁極34に各々巻回されている。一対のサイドコイル43は、一対のサイド磁極33に、各々巻回されている。また、一対のサイドコイル45は、一対のサイド磁極35に、各々巻回されている。これにより、偏向電磁石1は、三極の超電導磁石になっている。 Further, the coil group 40 includes a pair of main coils 44, a pair of side coils 43, and a pair of side coils 45. The pair of main coils 44 are each wound around the pair of main magnetic poles 34. The pair of side coils 43 are wound around the pair of side magnetic poles 33, respectively. Further, the pair of side coils 45 are each wound around the pair of side magnetic poles 35. Thereby, the bending electromagnet 1 becomes a three-pole superconducting magnet.

なお、偏向電磁石1には、サイドコイル43,45およびメインコイル44の超電導状態を維持するため、真空容器や輻射シールド等を含むクライオスタットに収納され、クライオスタットの内部を冷却する冷凍機等も設けられる。また、偏向電磁石1には、支持構造や接続線も設けられる。但し、図1においては、これらの部材の図示は省略する。 In addition, in order to maintain the superconducting state of the side coils 43, 45 and the main coil 44, the bending electromagnet 1 is housed in a cryostat that includes a vacuum container, a radiation shield, etc., and is also provided with a refrigerator that cools the inside of the cryostat. . The bending electromagnet 1 is also provided with a support structure and connection lines. However, in FIG. 1, illustration of these members is omitted.

図2は、比較例による偏向電磁石1の模式的な横断面図である。
図示のように、サイド磁極33,35およびメイン磁極34は、何れも外周がレーストラック形状、すなわち半径の等しい二つの円を共通外接線で接続した形状を有している。また、サイドコイル43,45およびメインコイル44は、各々サイド磁極33,35およびメイン磁極34の外周に沿って、レーストラック形状を成すように巻回されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a bending electromagnet 1 according to a comparative example.
As shown in the figure, the side magnetic poles 33, 35 and the main magnetic pole 34 each have a racetrack outer periphery, that is, a shape in which two circles with the same radius are connected by a common external tangent. Further, the side coils 43, 45 and the main coil 44 are wound in a racetrack shape along the outer circumferences of the side magnetic poles 33, 35 and the main magnetic pole 34, respectively.

鉄心30およびコイル群40は、ビームダクト2の内部に磁場を形成することにより、ビームダクト2の内部を通過する荷電粒子ビームの軌道を湾曲させ、放射光を発生させる。図示の例において、サイドコイル43,45が形成する磁場をH43,H45とし、メインコイル44が形成する磁場をH44とする。コイル群40に電流が流れていないと仮定すると、磁場H43,H44,H45の強度は「0」になるため、加速器等(図示せず)から出射された荷電粒子ビームは、直線軌道RSに沿って進む。 By forming a magnetic field inside the beam duct 2, the iron core 30 and the coil group 40 curve the trajectory of the charged particle beam passing through the inside of the beam duct 2, and generate synchrotron radiation. In the illustrated example, the magnetic fields formed by the side coils 43 and 45 are H43 and H45, and the magnetic field formed by the main coil 44 is H44. Assuming that no current flows through the coil group 40, the strength of the magnetic fields H43, H44, and H45 will be "0", so the charged particle beam emitted from the accelerator etc. (not shown) will follow the straight trajectory RS. Proceed.

一方、荷電粒子ビームによって放射光を発生させる場合、鉄心30およびコイル群40は、荷電粒子ビームの軌道が、例えば図示のような偏向軌道RCになるように、磁場H43,H44,H45を発生させる。荷電粒子ビームが偏向軌道RCに沿って進むと、偏向軌道RCが曲がる箇所で放射光を発生する。図示の偏向軌道RCの例では、ビームダクト2の後方から荷電粒子ビームが入射した直後では、偏向軌道RCは直線軌道RSと一致している。 On the other hand, when synchrotron radiation is generated by a charged particle beam, the iron core 30 and the coil group 40 generate magnetic fields H43, H44, and H45 so that the trajectory of the charged particle beam becomes, for example, a deflection trajectory RC as shown in the figure. . When the charged particle beam travels along the deflection trajectory RC, synchrotron radiation is generated at a point where the deflection trajectory RC bends. In the illustrated example of the deflection trajectory RC, immediately after the charged particle beam enters from the rear of the beam duct 2, the deflection trajectory RC coincides with the straight trajectory RS.

しかし、その後、荷電粒子ビームは、サイド磁極33が生成した磁場によって左方向に偏向される。次に、荷電粒子ビームは、メイン磁極34が発生した磁場によって右方向に偏向される。さらに、荷電粒子ビームは、サイド磁極35が発生した磁場によって、元の直線軌道RSに一致するように偏向される。このような偏向軌道を実現するためには、磁場H44の極性と磁場H43,H45の極性とを反対にし、荷電粒子ビームがビーム軌道(例えば偏向軌道RC)に沿って受ける磁場H44の積分値と、磁場H43,H45の積分値と、が等しくなるように、磁場H43,H44,H45を決定するとよい。 However, the charged particle beam is then deflected to the left by the magnetic field generated by the side magnetic poles 33. The charged particle beam is then deflected to the right by the magnetic field generated by the main magnetic pole 34. Further, the charged particle beam is deflected by the magnetic field generated by the side magnetic poles 35 so as to match the original straight trajectory RS. In order to realize such a deflection trajectory, the polarity of the magnetic field H44 and the polarity of the magnetic fields H43 and H45 are reversed, and the integral value of the magnetic field H44 that the charged particle beam receives along the beam trajectory (for example, deflection trajectory RC) and It is preferable to determine the magnetic fields H43, H44, H45 so that the integral values of the magnetic fields H43, H45 are equal.

図3は、比較例による偏向電磁石1の模式的な縦断面図である。
すなわち、図3は、直線軌道RS(図2参照)の箇所における断面図であり、偏向電磁石1の内部を流れる磁束Φを破線で示す。また、メインコイル44流れる電流をI44と呼び、サイドコイル43,45に流れる電流をI43,I45と呼ぶ。図3に示すように、偏向電磁石1は、一対のメイン磁極34と二対のサイド磁極33,35の間で閉じた磁気回路を形成している。これにより、一対のメイン磁極34の間を通過する磁束は、一対のサイド磁極33または一対のサイド磁極35の間を通過する磁束の約2倍になる。
FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view of a bending electromagnet 1 according to a comparative example.
That is, FIG. 3 is a cross-sectional view at a location along the linear trajectory RS (see FIG. 2), and the magnetic flux Φ flowing inside the bending electromagnet 1 is shown by a broken line. Further, the current flowing through the main coil 44 is called I44, and the current flowing through the side coils 43 and 45 is called I43 and I45. As shown in FIG. 3, the bending electromagnet 1 forms a closed magnetic circuit between a pair of main magnetic poles 34 and two pairs of side magnetic poles 33 and 35. As a result, the magnetic flux passing between the pair of main magnetic poles 34 is approximately twice the magnetic flux passing between the pair of side magnetic poles 33 or the pair of side magnetic poles 35.

図4は、比較例における図3の要部の拡大断面図である。特に、図4においては、図3の前上部分における磁束Φの詳細な分布例を示す。
一対のメイン磁極34の間における磁束Φの磁束密度を強くするため、メインコイル44における電流I44と、隣接するサイドコイル45における電流I45とは、同一方向に設定される。上述したように、本比較例においては、一対のメイン磁極34間の磁束は、一対のサイド磁極33間(またはサイド磁極35間)の磁束の2倍程度になる。
FIG. 4 is an enlarged sectional view of the main part of FIG. 3 in a comparative example. In particular, FIG. 4 shows a detailed example of the distribution of the magnetic flux Φ in the upper front part of FIG.
In order to increase the magnetic flux density of the magnetic flux Φ between the pair of main magnetic poles 34, the current I44 in the main coil 44 and the current I45 in the adjacent side coil 45 are set in the same direction. As described above, in this comparative example, the magnetic flux between the pair of main magnetic poles 34 is approximately twice the magnetic flux between the pair of side magnetic poles 33 (or between the side magnetic poles 35).

そして、メインコイル44またはサイドコイル43,45を構成する超電導線材が置かれる位置の磁場強度は、メインコイル44のメイン磁極34側の高さ中心付近、すなわち図示の領域44a付近で最も大きくなる。
アンペールの法則(2πrH=I、但しHは磁場の強さ、Iは積分経路に含まれる電流、rは積分経路の半径)からも、メインコイル44の中心よりも表面付近で最も磁場が強くなる。同様に、メインコイル44の断面積が小さい程、コイル表面の超電導線材が受ける磁場は強くなる。
The magnetic field strength at the position where the superconducting wire forming the main coil 44 or the side coils 43 and 45 is placed is greatest near the height center of the main coil 44 on the main magnetic pole 34 side, that is, near the illustrated region 44a.
According to Ampere's law (2πrH=I, where H is the strength of the magnetic field, I is the current included in the integral path, and r is the radius of the integral path), the magnetic field is strongest near the surface of the main coil 44 than at the center. . Similarly, the smaller the cross-sectional area of the main coil 44, the stronger the magnetic field received by the superconducting wire on the surface of the coil.

図5は、比較例によるメインコイル44の要部、すなわち平面視(図2参照)における右前隅部分の約1/4周部分、における磁束分布を示す模式図である。
すなわち、図5において、破線の密度が磁束Φの磁束密度に対応している。メインコイル44が円弧状に湾曲している箇所における内周部を円弧内周部領域44bと呼ぶ。また、メインコイル44が直線状である箇所における内周部を直線内周部領域44cと呼ぶ。円弧内周部領域44bでは、直線内周部領域44cと比較して、磁束Φが集中し、磁束密度が高くなっている。これにより、円弧内周部領域44bにおいて超電導線材が受ける磁場強度は、直線内周部領域44cにおける磁場強度よりも高くなる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the magnetic flux distribution in a main part of the main coil 44 according to a comparative example, that is, about a quarter circumference of the front right corner in plan view (see FIG. 2).
That is, in FIG. 5, the density of the broken line corresponds to the magnetic flux density of the magnetic flux Φ. The inner circumferential portion of the main coil 44 where it is curved in an arc shape is referred to as an arcuate inner circumferential region 44b. Further, the inner peripheral portion where the main coil 44 is linear is referred to as a linear inner peripheral region 44c. In the arc inner peripheral region 44b, the magnetic flux Φ is concentrated and the magnetic flux density is higher than in the straight inner peripheral region 44c. Thereby, the magnetic field strength that the superconducting wire receives in the arcuate inner peripheral region 44b becomes higher than the magnetic field strength in the linear inner peripheral region 44c.

さらに、メインコイル44の円弧部における内半径を小さくするほど、円弧内周部領域44bの磁場強度は高くなる。超電導線材に流せる電流値は、温度と磁場の強さと、によって決定される。従って、メインコイル44の全体が均一な温度であれば、円弧内周部領域44bの磁束密度によって決まる電流値が、メインコイル44に通電できる最大の電流値になる。すなわち、メインコイル44の短軸方向径が小さいほどメインコイル44に流せる電流値は小さくなる。従って、円弧内周部領域44bの曲率半径を大きくすれば、メインコイル44に流せる電流値を大きくすることができ、対向する磁極間により強い磁場を発生させることができる。 Furthermore, the smaller the inner radius of the arc portion of the main coil 44, the higher the magnetic field strength of the arc inner peripheral region 44b. The current value that can be passed through the superconducting wire is determined by the temperature and the strength of the magnetic field. Therefore, if the temperature of the entire main coil 44 is uniform, the current value determined by the magnetic flux density of the arcuate inner peripheral region 44b becomes the maximum current value that can be passed through the main coil 44. That is, the smaller the diameter of the main coil 44 in the minor axis direction, the smaller the current value that can be passed through the main coil 44. Therefore, by increasing the radius of curvature of the arcuate inner peripheral region 44b, it is possible to increase the current value that can be passed through the main coil 44, and it is possible to generate a stronger magnetic field between the opposing magnetic poles.

[第1実施形態]
〈第1実施形態の構成〉
図6は、好適な第1実施形態による偏向電磁石装置100(超電導磁石装置)の要部の断面図である。なお、以下の説明において、上述した比較例の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図1に示した比較例の偏向電磁石1におけるサイド磁極33,35、メイン磁極34、サイドコイル43,45、およびメインコイル44に代えて、本実施形態の偏向電磁石装置100は、図6に示すように、サイド磁極53,55、メイン磁極54(第1の磁極)、サイドコイル63(第2のコイル)、サイドコイル65(第3のコイル)、およびメインコイル64(第1のコイル)を備えている。
[First embodiment]
<Configuration of first embodiment>
FIG. 6 is a sectional view of a main part of the bending electromagnet device 100 (superconducting magnet device) according to the first preferred embodiment. In the following description, the same reference numerals are given to parts corresponding to those in the above-described comparative example, and the description thereof may be omitted.
In place of the side magnetic poles 33, 35, main magnetic pole 34, side coils 43, 45, and main coil 44 in the bending electromagnet 1 of the comparative example shown in FIG. 1, the bending electromagnet device 100 of this embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. We are prepared.

サイド磁極53,55の構成は、比較例(図1~図5参照)のサイド磁極33,35の構成と同様であり、サイドコイル63,65の構成は、比較例のサイドコイル43,45の構成と同様である。すなわち、サイドコイル63は、レーストラック状に形成され、超電導線材を直線状に延設したコイル直線部63a(第2のコイル直線部)と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対のコイル湾曲部63b(第2のコイル湾曲部)と、を有する。サイドコイル65も、サイドコイル63と同様に構成され、コイル直線部65a(第3のコイル直線部)と、コイル湾曲部65b(第3のコイル湾曲部)と、を有する。一方、メイン磁極54は、全体として平面視が略ダンベル状に構成されており、周縁部が直線状である磁極直線部54a(第1の磁極直線部)と、周縁部が略円弧状に湾曲する一対の磁極湾曲部54b(第1の磁極湾曲部)と、を有している。 The configuration of the side magnetic poles 53, 55 is the same as that of the side magnetic poles 33, 35 of the comparative example (see FIGS. 1 to 5), and the configuration of the side coils 63, 65 is the same as that of the side coils 43, 45 of the comparative example. It is similar to the configuration. That is, the side coil 63 is formed in a racetrack shape and includes a coil straight section 63a (second coil straight section) in which a superconducting wire extends in a straight line, and a pair of coils in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape. It has a curved portion 63b (second coil curved portion). The side coil 65 is also configured similarly to the side coil 63, and includes a coil straight section 65a (third coil straight section) and a coil curved section 65b (third coil curved section). On the other hand, the main magnetic pole 54 as a whole has a substantially dumbbell shape in plan view, and includes a magnetic pole straight portion 54a (first magnetic pole straight portion) having a straight peripheral edge and a roughly arcuate peripheral edge. A pair of magnetic pole curved parts 54b (first magnetic pole curved parts) are provided.

磁極直線部54aの周縁部の半幅をr1と呼ぶ。また、磁極湾曲部54bの周縁部の曲率半径をraと呼び、磁極直線部54aと磁極湾曲部54bの接続部分の周縁部の曲率半径をrbと呼ぶ。曲率半径ra,rbは、何れも半幅r1よりも大きくなっている。換言すれば、磁極湾曲部54bの周縁部の曲率半径は、何れの箇所においても、磁極直線部54aの半幅r1よりも大きくなっている。 The half width of the peripheral edge of the magnetic pole straight portion 54a is called r 1 . Further, the radius of curvature of the peripheral edge of the magnetic pole curved portion 54b is referred to as ra , and the radius of curvature of the peripheral edge of the connection portion between the magnetic pole straight portion 54a and the magnetic pole curved portion 54b is referred to as rb . The radii of curvature r a and r b are both larger than the half width r 1 . In other words, the radius of curvature of the peripheral edge of the magnetic pole curved portion 54b is larger than the half width r 1 of the magnetic pole straight portion 54a at any location.

また、メインコイル64は、メイン磁極54の周縁部に沿った形状に形成され、超電導線材を直線状に延設したコイル直線部64aと、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対のコイル湾曲部64bと、を有している。コイル直線部64aの内周面の半幅は、上述した磁極直線部54aの半幅r1と略同一である。また、コイル湾曲部64bの内周面の曲率半径は、磁極湾曲部54bの曲率半径raと略同一である。また、コイル直線部64aとコイル湾曲部64bの接続部分における内周面の曲率半径は、上述した曲率半径rbと略同一である。換言すれば、コイル湾曲部64bの内周面の曲率半径は、何れの箇所においても、コイル直線部64aの半幅よりも大きくなっている。 The main coil 64 is formed in a shape along the peripheral edge of the main magnetic pole 54, and includes a coil straight part 64a in which a superconducting wire extends in a straight line, and a pair of coil curved parts in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape. It has a portion 64b. The half width of the inner peripheral surface of the coil straight portion 64a is approximately the same as the half width r1 of the magnetic pole straight portion 54a described above. Further, the radius of curvature of the inner peripheral surface of the coil curved portion 64b is approximately the same as the radius of curvature r a of the magnetic pole curved portion 54b. Further, the radius of curvature of the inner circumferential surface at the connection portion between the coil straight portion 64a and the coil curved portion 64b is approximately the same as the radius of curvature r b described above. In other words, the radius of curvature of the inner peripheral surface of the coil curved portion 64b is larger than the half width of the coil straight portion 64a at any location.

ここで、メインコイル64のコイル湾曲部64bの外周位置のx軸成分のうち、メインコイル64の中心位置Oから最も離れるものを位置x1,x11(第1の位置)と呼ぶ。また、コイル直線部63a,65aの外周位置のx軸成分のうち、中心位置Oに最も近接するものを位置x2,x12(第2の位置)と呼ぶ。また、メインコイル64のコイル直線部64aの外周位置のうち、x軸成分が中心位置Oから最も離れるものを位置x3,x13(第3の位置)と呼ぶ。本実施形態においては、位置x2が位置x1と位置x3との間にあり、位置x12が位置x11と位置x13との間にある。これにより、コイル63,64,65を入れ子状に配置することができ、偏向電磁石装置100を小型化できる。 Here, among the x-axis components of the outer peripheral position of the coil curved portion 64b of the main coil 64, those farthest from the center position O of the main coil 64 are referred to as positions x1 and x11 (first position). Further, among the x-axis components of the outer peripheral positions of the coil straight portions 63a and 65a, those closest to the center position O are referred to as positions x2 and x12 (second positions). Further, among the outer peripheral positions of the coil straight portion 64a of the main coil 64, those where the x-axis component is farthest from the center position O are referred to as positions x3 and x13 (third position). In this embodiment, the position x2 is between the positions x1 and x3, and the position x12 is between the positions x11 and x13. Thereby, the coils 63, 64, and 65 can be arranged in a nested manner, and the bending electromagnet device 100 can be miniaturized.

上述した以外の偏向電磁石装置100の構成は、比較例(図1~図5参照)のものと同様である。すなわち、偏向電磁石装置100の鉄心30は、図1のものと同様に、一対の上下ヨーク31(ヨーク)と、一対のサイドヨーク32(ヨーク)と、を備えている。そして、一対の上下ヨーク31には、各々図6に示した磁極53,54,55が、相互に対向するように突出している。そして、各一対の磁極53,54,55には、それぞれコイル63,64,65が巻回されている。 The configuration of the bending electromagnet device 100 other than that described above is the same as that of the comparative example (see FIGS. 1 to 5). That is, the iron core 30 of the bending electromagnet device 100 includes a pair of upper and lower yokes 31 (yokes) and a pair of side yokes 32 (yokes), similar to the one shown in FIG. The pair of upper and lower yokes 31 have magnetic poles 53, 54, and 55, respectively shown in FIG. 6, protruding so as to face each other. Coils 63, 64, 65 are wound around each pair of magnetic poles 53, 54, 55, respectively.

上記構成によれば、特にコイル湾曲部64bの内周部分における磁場強度を低減できる。これにより、メインコイル64には、大きな電流を通電でき、これによって一対のメイン磁極54間に強い磁場を形成できる。逆に、上述した比較例と同程度または同一の磁場強度を発生できれば足りる場合は、より小さな偏向電磁石装置100によって、これを実現できる。 According to the above configuration, it is possible to reduce the magnetic field strength particularly at the inner peripheral portion of the coil curved portion 64b. As a result, a large current can be passed through the main coil 64, thereby forming a strong magnetic field between the pair of main magnetic poles 54. On the other hand, if it is sufficient to generate a magnetic field strength comparable to or the same as that of the above-mentioned comparative example, this can be achieved using a smaller bending electromagnet device 100.

また、メイン磁極54の磁極湾曲部54bは、メインコイル64のコイル湾曲部64bの内周に沿った形状を有している。これにより、磁束を通過する面積を大きくできるため、対向するメイン磁極54間に、より多くの磁束を発生することができる。また、本実施形態においては、メインコイル64の前後方向に配置したサイドコイル63,65の長軸方向(y軸方向)の軸長を、メインコイル64よりも短くし、これらコイルを入れ子状に配置している。これにより、荷電粒子ビームの進行方向(x軸方向)に沿って、短い距離で強い磁場を発生することができる。 Further, the magnetic pole curved portion 54b of the main magnetic pole 54 has a shape that follows the inner circumference of the coil curved portion 64b of the main coil 64. As a result, the area through which the magnetic flux passes can be increased, so that more magnetic flux can be generated between the opposing main magnetic poles 54. Further, in this embodiment, the axial length of the side coils 63 and 65 disposed in the front-rear direction of the main coil 64 in the long axis direction (y-axis direction) is made shorter than that of the main coil 64, and these coils are arranged in a nested manner. It is placed. Thereby, a strong magnetic field can be generated over a short distance along the traveling direction (x-axis direction) of the charged particle beam.

メインコイル64において、荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる際、磁場を発生させるx軸方向の範囲は、メインコイル64のy軸方向の長さよりも充分に短い。従って、メインコイル64のコイル湾曲部64bが磁場に及ぼす影響は無視できる。これにより、メインコイル64を構成する超電導線材は、メインコイル64の全周に渡って均一にすることができる。すなわち、単一種類の線材を巻回してメインコイル64を構成できる。但し、メインコイル64の断面内の負荷率や線材長に合せて、複数種類の線材を適用してメインコイル64を構成してもよい。 When the main coil 64 generates a magnetic field that deflects the charged particle beam, the range in the x-axis direction in which the magnetic field is generated is sufficiently shorter than the length of the main coil 64 in the y-axis direction. Therefore, the influence of the coil curved portion 64b of the main coil 64 on the magnetic field can be ignored. Thereby, the superconducting wire forming the main coil 64 can be made uniform over the entire circumference of the main coil 64. That is, the main coil 64 can be configured by winding a single type of wire. However, the main coil 64 may be configured using a plurality of types of wire rods depending on the load factor in the cross section of the main coil 64 and the wire length.

各磁極53,54,55を構成する材質としては、磁性材料を主とすることが好適であり、鉄、珪素鋼板またはパーメンジュール等の強磁性体を適用することが一層好ましい。これにより、磁極を通過する磁束を多くし、対向する磁極間に強い磁場を発生することができる。また、磁極53,54,55と、コイル63,64,65との間には、絶縁のために、セラミックや強化繊維樹脂を挿入することが好ましく、また、強度確保のためのステンレスや、冷却のためのアルミニウム、銅等の金属材料を挿入してもよい。 As the material constituting each magnetic pole 53, 54, 55, it is preferable to mainly use a magnetic material, and it is more preferable to use a ferromagnetic material such as iron, silicon steel plate, or permendur. Thereby, it is possible to increase the magnetic flux passing through the magnetic poles and generate a strong magnetic field between the opposing magnetic poles. Furthermore, between the magnetic poles 53, 54, 55 and the coils 63, 64, 65, it is preferable to insert ceramic or reinforced fiber resin for insulation. Metal materials such as aluminum and copper may be inserted for the purpose.

[第2実施形態]
図7は、好適な第2実施形態による偏向電磁石装置102の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置102は、コイル63,64,65の間に絶縁部材18が挿入される点で第1実施形態のもの(図6参照)とは異なっている。略ダンベル状のメイン磁極54に対して、その周縁部に沿ってメインコイル64を巻回してゆくと、超電導線材の張力によって、メインコイル64がメイン磁極54から離間しやすくなる。例えば、図示の例において、前側のコイル直線部64aは、磁極直線部54aから離間している。
[Second embodiment]
FIG. 7 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the bending electromagnet device 102 according to the second preferred embodiment. In the following description, parts corresponding to those in the first embodiment described above may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.
The bending electromagnet device 102 of this embodiment differs from that of the first embodiment (see FIG. 6) in that an insulating member 18 is inserted between the coils 63, 64, and 65. When the main coil 64 is wound around the substantially dumbbell-shaped main magnetic pole 54 along its periphery, the main coil 64 tends to separate from the main magnetic pole 54 due to the tension of the superconducting wire. For example, in the illustrated example, the front coil straight portion 64a is spaced apart from the magnetic pole straight portion 54a.

そこで、本実施形態においては、メインコイル64をメイン磁極54に巻回した後、コイル直線部64aの外側から可撓性を有する板状の絶縁部材18を介して、サイドコイル63,65でコイル直線部64aを内側に向かって押圧する。これにより、メインコイル64を所望の形状に設定しやすくなる。また、絶縁部材18によってメインコイル64を押圧した後、メインコイル64等に樹脂を含侵させれば、その後に形状を維持することが容易になる。また、メインコイル64に対して、冷却通電時にも白抜きの矢印19で示す方向に押圧力を加え続ければ、超電導線材に張力が印加され、これによって超電導状態を維持する耐性が向上する。 Therefore, in this embodiment, after the main coil 64 is wound around the main magnetic pole 54, the coil is connected to the side coils 63 and 65 from the outside of the coil straight portion 64a through the flexible plate-shaped insulating member 18. Press the straight portion 64a inward. This makes it easier to set the main coil 64 in a desired shape. Further, after the main coil 64 is pressed by the insulating member 18, if the main coil 64 and the like are impregnated with resin, it becomes easier to maintain the shape thereafter. Further, if a pressing force is continued to be applied to the main coil 64 in the direction shown by the white arrow 19 even during cooling and energization, tension is applied to the superconducting wire, thereby improving the resistance to maintain the superconducting state.

[第3実施形態]
図8は、好適な第3実施形態による偏向電磁石装置104の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置104は、第1実施形態の偏向電磁石装置100(図6参照)と同様に構成されている。
上述したように、略ダンベル状のメイン磁極54に対して、その周縁部に沿ってメインコイル64を巻回してゆくと、超電導線材の張力によって、メインコイル64がメイン磁極54から離間しやすくなる。
[Third embodiment]
FIG. 8 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the bending electromagnet device 104 according to the third preferred embodiment. In the following description, parts corresponding to those in the other embodiments described above may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.
The bending electromagnet device 104 of this embodiment is configured similarly to the bending electromagnet device 100 of the first embodiment (see FIG. 6).
As described above, when the main coil 64 is wound around the substantially dumbbell-shaped main magnetic pole 54 along its periphery, the main coil 64 tends to separate from the main magnetic pole 54 due to the tension of the superconducting wire. .

そこで、本実施形態においては、メインコイル64をメイン磁極54に巻回した後、コイル直線部64aに対して、白抜きの矢印19で示す方向に圧縮治具20を押圧し、押圧状態でメインコイル64等に樹脂を含侵させる。これにより、メインコイル64の形状を単独で維持することができ、メインコイル64とサイドコイル63,65(図6参照)とを独立に形成することができる。本実施形態においては、メイン磁極54と同様の形状をした治具(図示せず)に超電導線材を巻回してメインコイル64を構成することができる。これにより、メインコイル64とメイン磁極54とを独立して構成することができ、偏向電磁石装置104の組立が容易になる。 Therefore, in this embodiment, after the main coil 64 is wound around the main magnetic pole 54, the compression jig 20 is pressed against the coil straight portion 64a in the direction shown by the white arrow 19, and in the pressed state, the main coil 64 is wound around the main magnetic pole 54. The coil 64 and the like are impregnated with resin. Thereby, the shape of the main coil 64 can be maintained independently, and the main coil 64 and the side coils 63 and 65 (see FIG. 6) can be formed independently. In the present embodiment, the main coil 64 can be configured by winding a superconducting wire around a jig (not shown) having the same shape as the main magnetic pole 54. Thereby, the main coil 64 and the main magnetic pole 54 can be configured independently, and the bending electromagnet device 104 can be easily assembled.

[第4実施形態]
図9は、好適な第4実施形態による偏向電磁石装置106の製作過程を示す模式図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の偏向電磁石装置106は、第1実施形態の偏向電磁石装置100(図6参照)と比較して、メイン磁極54に代えて、図9に示すメイン磁極74が適用される点で異なる。メイン磁極74は、周縁部が直線状である磁極直線部74aと、小片状に分割された複数の磁極湾曲部小片74b(第1の磁極湾曲部)と、を備えている。
[Fourth embodiment]
FIG. 9 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the bending electromagnet device 106 according to the fourth preferred embodiment. In the following description, parts corresponding to those in the other embodiments described above may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.
The bending electromagnet device 106 of this embodiment differs from the bending electromagnet device 100 of the first embodiment (see FIG. 6) in that a main magnetic pole 74 shown in FIG. 9 is applied instead of the main magnetic pole 54. . The main magnetic pole 74 includes a magnetic pole straight portion 74a having a straight peripheral edge, and a plurality of magnetic pole curved portion pieces 74b (first magnetic pole curved portion) divided into small pieces.

これら磁極直線部74aおよび磁極湾曲部小片74bを纏めたメイン磁極74の全体形状は、第1実施形態におけるメイン磁極54(図6参照)の形状と同様である。メインコイル64を作成する際、最初は、磁極直線部74aおよび磁極湾曲部小片74bを例えば図示の位置に配置し、これらの周縁部に沿って超電導線材を巻回してゆく。次に、図示のように、メインコイル64の前後にサイド磁極53,55およびサイドコイル63,65を配置し、これらによってコイル直線部64aを前後から押圧しつつ、コイル湾曲部64bの形状を整えてゆく。 The overall shape of the main magnetic pole 74 including the magnetic pole straight portion 74a and the magnetic pole curved portion small piece 74b is similar to the shape of the main magnetic pole 54 (see FIG. 6) in the first embodiment. When creating the main coil 64, first, the magnetic pole straight portion 74a and the magnetic pole curved portion small piece 74b are arranged, for example, in the illustrated positions, and the superconducting wire is wound along their peripheral edges. Next, as shown in the figure, side magnetic poles 53, 55 and side coils 63, 65 are arranged before and after the main coil 64, and while pressing the coil straight part 64a from the front and back, the shape of the coil curved part 64b is adjusted. I'm going to go.

すなわち、磁極湾曲部小片74bを、x軸方向、すなわち矢印22で示す方向にコイル湾曲部64bを押し広げてゆく。これにより、メインコイル64の形状は、第1実施形態のもの(図6参照)と同様になる。換言すれば、コイル直線部64aの短軸方向直線部の半幅よりも大きな曲率半径を、コイル湾曲部64bにおいて実現することができ、そして、コイル63,64,65に樹脂を含浸すると、コイル63,64,65の形状を、その後も維持できる。 That is, the magnetic pole curved portion small piece 74b is pushed to spread the coil curved portion 64b in the x-axis direction, that is, in the direction indicated by the arrow 22. Thereby, the shape of the main coil 64 becomes similar to that of the first embodiment (see FIG. 6). In other words, it is possible to realize a radius of curvature larger than the half width of the straight portion in the short axis direction of the coil straight portion 64a in the coil curved portion 64b, and when the coils 63, 64, and 65 are impregnated with resin, the coil 63 , 64, 65 can be maintained thereafter.

本実施形態においては、メインコイル64の巻線時においては、メインコイル64の形状を通常のレーストラック形状に近いものにでき、巻線作業が容易になる。また、本実施形態においては、磁極直線部74aおよび磁極湾曲部小片74bと同様の形状をした治具(図示せず)に超電導線材を巻回してメインコイル64を構成することができる。このようにメインコイル64を形成した後に、これらをサイド磁極53,55、サイドコイル63,65等と組み合わせて偏向電磁石装置106を構成してもよい。 In this embodiment, when winding the main coil 64, the shape of the main coil 64 can be made close to a normal racetrack shape, which facilitates the winding work. Further, in this embodiment, the main coil 64 can be constructed by winding a superconducting wire around a jig (not shown) having the same shape as the magnetic pole straight portion 74a and the magnetic pole curved portion small piece 74b. After forming the main coil 64 in this way, the bending electromagnet device 106 may be configured by combining these with the side magnetic poles 53, 55, side coils 63, 65, etc.

[実施形態の効果]
以上のように好適な実施形態によれば、磁性体を有し環状に形成されたヨーク(31,32)と、ヨーク(31,32)から対向するように突出した一対の第1の磁極(54)と、超電導線材を含み、一対の第1の磁極(54)に各々巻回された一対の第1のコイル(64)と、を備え、第1のコイル(64)は、超電導線材を直線状に延設した第1のコイル直線部(64a)と、超電導線材を湾曲させた一対の第1のコイル湾曲部(64b)と、を有し、第1のコイル湾曲部(64b)の内周面の曲率半径(ra,rb)は、第1のコイル直線部(64a)の内周面の半幅(r1)よりも大きい。第1のコイル湾曲部(64b)の内周面の曲率半径(ra,rb)を大きくしたことにより、内周面付近の磁場強度を抑制でき、第1のコイル(64)に大きな電流を流せる。これにより、超電導磁石装置(100)を小型に構成でき、強い磁場を発生できる。
[Effects of embodiment]
As described above, according to the preferred embodiment, the yokes (31, 32) are formed in an annular shape and have a magnetic material, and the pair of first magnetic poles ( 54) and a pair of first coils (64) each containing a superconducting wire and wound around a pair of first magnetic poles (54), the first coil (64) containing a superconducting wire. It has a first coil straight portion (64a) extending in a straight line and a pair of first coil curved portions (64b) formed by curved superconducting wire, and the first coil curved portion (64b) The radius of curvature (r a , r b ) of the inner circumferential surface is larger than the half width (r 1 ) of the inner circumferential surface of the first coil straight portion (64a). By increasing the radius of curvature (r a , r b ) of the inner circumferential surface of the first coil curved portion (64b), the magnetic field strength near the inner circumferential surface can be suppressed, and a large current flows through the first coil (64). can flow. Thereby, the superconducting magnet device (100) can be configured in a small size and can generate a strong magnetic field.

また、超電導磁石装置(100)は、超電導線材を直線状に延設した第2のコイル直線部(63a)と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第2のコイル湾曲部(63b)と、を有する第2のコイル(63)をさらに備え、第2のコイル湾曲部(63b)の内周面の曲率半径は第2のコイル直線部(63a)の内周面の半幅と略同一であることが好ましい。このように、第2のコイル(63)を備えることにより、第1のコイル(64)とは異なる方向に磁場を形成することができる。 The superconducting magnet device (100) also includes a second coil straight section (63a) in which a superconducting wire extends in a straight line, and a pair of second coil curved sections (63b) in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape. ), the radius of curvature of the inner circumferential surface of the second coil curved portion (63b) is approximately half the width of the inner circumferential surface of the second coil straight portion (63a). Preferably, they are the same. In this way, by providing the second coil (63), it is possible to form a magnetic field in a direction different from that of the first coil (64).

また、超電導磁石装置(100)は、第1のコイル(64)および第2のコイル(63)の配列方向の軸をx軸とし、第1のコイル湾曲部(64b)の外周位置のx軸成分のうち、第1のコイル(64)の中心位置(O)から最も離れるものを第1の位置(x1)とし、第2のコイル直線部(63a)の外周位置のx軸成分のうち、中心位置(O)に最も近接するものを第2の位置(x2)とし、第1のコイル直線部(64a)の外周位置のx軸成分のうち、中心位置(O)から最も離れるものを第3の位置(x3)としたとき、第2の位置(x2)は、第1の位置(x1)と第3の位置(x3)との間にあることが一層好ましい。これにより、第1のコイル(64)と第2のコイル(63)とを入れ子状態に配置することができ、超電導磁石装置(100)のサイズを一層小型化することができる。 In addition, the superconducting magnet device (100) has an axis in the arrangement direction of the first coil (64) and the second coil (63) as the x-axis, and the x-axis at the outer peripheral position of the first coil curved portion (64b). Among the components, the one farthest from the center position (O) of the first coil (64) is defined as the first position (x1), and among the x-axis components of the outer peripheral position of the second coil straight portion (63a), The one closest to the center position (O) is defined as the second position (x2), and the one farthest from the center position (O) among the x-axis components of the outer peripheral position of the first coil straight portion (64a) is defined as the second position (x2). It is more preferable that the second position (x2) is between the first position (x1) and the third position (x3). Thereby, the first coil (64) and the second coil (63) can be arranged in a nested state, and the size of the superconducting magnet device (100) can be further reduced.

また、超電導磁石装置(100)は、超電導線材を直線状に延設した第3のコイル直線部(65a)と、超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第3のコイル湾曲部(65b)と、を有する第3のコイル(65)をさらに備え、第3のコイル湾曲部(65b)の内周面の曲率半径は第3のコイル直線部(65a)の内周面の半幅と略同一であり、第1のコイル(64)は、第2のコイル(63)と第3のコイル(65)との間に設けられていることが一層好ましい。このように、第2のコイル(63)とともに第3のコイル(65)を備えることにより、第1のコイル(64)とは異なる方向に磁場を形成することができる。 The superconducting magnet device (100) also includes a third coil straight section (65a) in which a superconducting wire extends in a straight line, and a pair of third coil curved sections (65b) in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape. ), the radius of curvature of the inner circumferential surface of the third coil curved portion (65b) is approximately half the width of the inner circumferential surface of the third coil straight portion (65a). More preferably, the first coil (64) is provided between the second coil (63) and the third coil (65). In this way, by providing the third coil (65) together with the second coil (63), it is possible to form a magnetic field in a direction different from that of the first coil (64).

また、第1の磁極(54)は、周縁部が第1のコイル直線部(64a)の内周に沿った形状である第1の磁極直線部(54a)と、周縁部が一対の第1のコイル湾曲部(64b)の各内周に沿った形状である一対の第1の磁極湾曲部(54b)と、を備え、第1の磁極湾曲部(54b)の周縁部の曲率半径(ra,rb)は、第1の磁極湾曲部(54b)の半幅(r1)よりも大きいことが一層好ましい。これにより、第1の磁極(54)の形状を第1のコイル(64)の内周に沿わせることができ、一層強い磁場を形成できる。 Further, the first magnetic pole (54) has a first magnetic pole straight part (54a) whose peripheral part has a shape along the inner circumference of the first coil straight part (64a), and a pair of first magnetic pole straight parts (54a) whose peripheral part has a shape along the inner circumference of the first coil straight part (64a). a pair of first magnetic pole curved parts (54b) having a shape along each inner circumference of the coil curved parts (64b), and a radius of curvature (r) of the peripheral edge of the first magnetic pole curved parts (54b). It is more preferable that a , r b ) be larger than the half width (r 1 ) of the first magnetic pole curved portion (54b). Thereby, the shape of the first magnetic pole (54) can be made to follow the inner circumference of the first coil (64), and an even stronger magnetic field can be formed.

また、一対の第1の磁極湾曲部(74b)は、各々複数に分割されていることが一層好ましい。これにより、第1のコイル(64)の巻線時においては、第1のコイル(64)の形状を通常のレーストラック形状に近いものにでき、巻線作業を容易にすることができる。 Moreover, it is more preferable that each of the pair of first magnetic pole curved parts (74b) is divided into a plurality of parts. Thereby, when winding the first coil (64), the shape of the first coil (64) can be made close to a normal racetrack shape, and the winding work can be facilitated.

[変形例]
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
[Modified example]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible. The embodiments described above are exemplified to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Furthermore, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to delete a part of the configuration of each embodiment, or add or replace other configurations. Furthermore, the control lines and information lines shown in the figures are those considered necessary for explanation, and do not necessarily show all the control lines and information lines necessary on the product. In reality, almost all components may be considered to be interconnected. Possible modifications to the above embodiment include, for example, the following.

(1)上記各実施形態の偏向電磁石装置100~106は、何れも一対のメイン磁極と、二対のサイド磁極と、一対のメインコイルと、二対のサイドコイルと、を備えるものであった。しかし、二対のサイド磁極および二対のサイドコイルは、必須のものではなく、これらを省略することができる。例えば、メインコイルの前後で電界によって荷電粒子を偏向させることにより、荷電粒子を偏向軌道RC(図2参照)に沿って進行させることができる。 (1) The bending electromagnet devices 100 to 106 of each of the above embodiments each include a pair of main magnetic poles, two pairs of side magnetic poles, a pair of main coils, and two pairs of side coils. . However, the two pairs of side magnetic poles and the two pairs of side coils are not essential and can be omitted. For example, by deflecting the charged particles using an electric field before and after the main coil, the charged particles can be caused to travel along the deflection trajectory RC (see FIG. 2).

(2)本発明の超電導磁石装置は、上記各実施形態の偏向電磁石装置に限られず、例えば、MRI(Magnetic Resonance Imaging;磁気共鳴イメージング装置)、粒子線医療装置、超電導モータ等、種々の電気機器の磁極に適用できる。 (2) The superconducting magnet device of the present invention is not limited to the bending electromagnet device of each of the above embodiments, but can be used for various electrical devices such as MRI (Magnetic Resonance Imaging), particle beam medical equipment, superconducting motors, etc. Applicable to magnetic poles.

2 ビームダクト
31 上下ヨーク(ヨーク)
32 サイドヨーク(ヨーク)
54 メイン磁極(第1の磁極)
54a 磁極直線部(第1の磁極直線部)
54b 磁極湾曲部(第1の磁極湾曲部)
63 サイドコイル(第2のコイル)
63a コイル直線部(第2のコイル直線部)
63b コイル湾曲部(第2のコイル湾曲部)
64 メインコイル(第1のコイル)
64a コイル直線部(第1のコイル直線部)
64b コイル湾曲部(第1のコイル湾曲部)
65 サイドコイル(第3のコイル)
65a コイル直線部(第3のコイル直線部)
65b コイル湾曲部(第3のコイル湾曲部)
74b 磁極湾曲部小片(第1の磁極湾曲部)
100 偏向電磁石装置(超電導磁石装置)
106 偏向電磁石装置
O 中心位置
x1,x11 位置(第1の位置)
x2,x12 位置(第2の位置)
x3,x13 位置(第3の位置)
1 半幅
a,rb 曲率半径
2 Beam duct 31 Upper and lower yokes (yoke)
32 Side yoke (yoke)
54 Main magnetic pole (first magnetic pole)
54a Magnetic pole straight part (first magnetic pole straight part)
54b Magnetic pole curved part (first magnetic pole curved part)
63 Side coil (second coil)
63a Coil straight part (second coil straight part)
63b Coil curved part (second coil curved part)
64 Main coil (first coil)
64a Coil straight part (first coil straight part)
64b Coil curved part (first coil curved part)
65 Side coil (third coil)
65a Coil straight part (third coil straight part)
65b Coil curved part (third coil curved part)
74b Magnetic pole curved part small piece (first magnetic pole curved part)
100 Bending electromagnet device (superconducting magnet device)
106 Bending electromagnet device O center position x1, x11 position (first position)
x2, x12 position (second position)
x3, x13 position (third position)
r 1 half width r a , r b radius of curvature

Claims (6)

磁性体を有し環状に形成されたヨークと、
前記ヨークから対向するように突出した一対の第1の磁極と、
超電導線材を含み、一対の前記第1の磁極に各々巻回された一対の第1のコイルと、
前記超電導線材を直線状に延設した第2のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第2のコイル湾曲部と、を有する第2のコイルと、を備え、
前記第1のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第1のコイル直線部と、前記超電導線材を湾曲させた一対の第1のコイル湾曲部と、を有し、
前記第1のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第1のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きく、
前記第2のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第2のコイル直線部の内周面の半幅と略同一である
ことを特徴とする超電導磁石装置。
a yoke formed in an annular shape and having a magnetic substance;
a pair of first magnetic poles protruding from the yoke to face each other;
a pair of first coils each containing a superconducting wire and wound around the pair of first magnetic poles;
a second coil having a second coil straight portion in which the superconducting wire extends linearly, and a pair of second coil curved portions in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape;
The first coil has a first coil straight portion in which the superconducting wire extends in a straight line, and a pair of first coil curved portions in which the superconducting wire is curved,
The radius of curvature of the inner circumferential surface of the first coil curved section is larger than the half width of the inner circumferential surface of the first coil straight section,
The radius of curvature of the inner circumferential surface of the second coil curved portion is approximately the same as the half width of the inner circumferential surface of the second coil straight portion.
A superconducting magnet device characterized by:
前記第1のコイルおよび前記第2のコイルの配列方向の軸をx軸とし、前記第1のコイル湾曲部の外周位置のx軸成分のうち、前記第1のコイルの中心位置から最も離れるものを第1の位置とし、前記第2のコイル直線部の外周位置のx軸成分のうち、前記中心位置に最も近接するものを第2の位置とし、前記第1のコイル直線部の外周位置のx軸成分のうち、前記中心位置から最も離れるものを第3の位置としたとき、前記第2の位置は、前記第1の位置と前記第3の位置との間にある
ことを特徴とする請求項に記載の超電導磁石装置。
The axis in the arrangement direction of the first coil and the second coil is the x-axis, and among the x-axis components of the outer peripheral position of the first coil curved part, the one farthest from the center position of the first coil is the first position, and among the x-axis components of the outer peripheral position of the second coil straight part, the one closest to the center position is the second position, and the outer peripheral position of the first coil straight part is the second position. Among the x-axis components, when the one farthest from the center position is defined as a third position, the second position is between the first position and the third position. The superconducting magnet device according to claim 1 .
前記超電導線材を直線状に延設した第3のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第3のコイル湾曲部と、を有する第3のコイルをさらに備え、
前記第3のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第3のコイル直線部の内周面の半幅と略同一であり、
前記第1のコイルは、前記第2のコイルと前記第3のコイルとの間に設けられている
ことを特徴とする請求項に記載の超電導磁石装置。
Further comprising a third coil having a third coil straight portion in which the superconducting wire extends in a straight line, and a pair of third coil curved portions in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape,
The radius of curvature of the inner circumferential surface of the third coil curved portion is approximately the same as the half width of the inner circumferential surface of the third coil straight portion,
The superconducting magnet device according to claim 2 , wherein the first coil is provided between the second coil and the third coil.
前記第1の磁極は、
周縁部が前記第1のコイル直線部の内周に沿った形状である第1の磁極直線部と、
周縁部が一対の前記第1のコイル湾曲部の各内周に沿った形状である一対の第1の磁極湾曲部と、を備え、
前記第1の磁極湾曲部の周縁部の曲率半径は、前記第1の磁極湾曲部の半幅よりも大きい
ことを特徴とする請求項1ないしの何れか一項に記載の超電導磁石装置。
The first magnetic pole is
a first magnetic pole straight section whose peripheral edge has a shape along the inner periphery of the first coil straight section;
a pair of first magnetic pole curved parts, the peripheral edge of which is shaped along each inner periphery of the pair of first coil curved parts,
The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 3 , wherein a radius of curvature of a peripheral edge of the first magnetic pole curved portion is larger than a half width of the first magnetic pole curved portion.
一対の前記第1の磁極湾曲部は、各々複数に分割されている
ことを特徴とする請求項に記載の超電導磁石装置
The superconducting magnet device according to claim 4 , wherein each of the pair of first magnetic pole curved parts is divided into a plurality of parts.
磁性体を有し環状に形成されたヨークと、
前記ヨークから対向するように突出した一対の第1の磁極と、
超電導線材を含み、一対の前記第1の磁極に各々巻回された一対の第1のコイルと、
前記超電導線材を直線状に延設した第2のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第2のコイル湾曲部と、を有する第2のコイルと、
一対の前記第1のコイルの間に挿通され、荷電粒子を通過させるビームダクトと、を備え、
前記第1のコイルは、前記超電導線材を直線状に延設した第1のコイル直線部と、前記超電導線材を略円弧状に湾曲させた一対の第1のコイル湾曲部と、を有し、
前記第1のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は、前記第1のコイル直線部の内周面の半幅よりも大きく、
前記第2のコイル湾曲部の内周面の曲率半径は前記第2のコイル直線部の内周面の半幅と略同一である
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
a yoke formed in an annular shape and having a magnetic substance;
a pair of first magnetic poles protruding from the yoke to face each other;
a pair of first coils each containing a superconducting wire and wound around the pair of first magnetic poles;
a second coil having a second coil straight portion in which the superconducting wire extends in a straight line; and a pair of second coil curved portions in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape;
a beam duct inserted between the pair of first coils and passing charged particles;
The first coil has a first coil straight portion in which the superconducting wire extends in a straight line, and a pair of first coil curved portions in which the superconducting wire is curved into a substantially arc shape,
The radius of curvature of the inner circumferential surface of the first coil curved section is larger than the half width of the inner circumferential surface of the first coil straight section,
The radius of curvature of the inner circumferential surface of the second coil curved portion is approximately the same as the half width of the inner circumferential surface of the second coil straight portion.
A bending electromagnet device characterized by:
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