JPH11345700A - 電磁石及びそれを用いたシンクロトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁場検出用のサーチコイルを据え付ける空間を
磁極内に設けることで磁極間間隔を大きくすることなく
精度良く偏向磁場の強度を検出できる偏向電磁石を提供
する。 【解決手段】本電磁石は、一対の磁極１ａ及び１ｂ，リ
ターンヨーク３，励磁コイル４及び５などから構成され
る。磁極内部には空間２ａ及び２ｂを設け、空間内にサ
ーチコイル７を据え付ける。空間２ａ，２ｂ及びサーチ
コイルは、紙面に垂直な方向に長く伸び、サーチコイル
７は磁極のビーム進行方向外側にて結合しループを形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子ビームの軌
道を変える電磁石に係わり、特に、物理実験用加速器，
工業用加速器、又は医療用加速器に用いるのに好適な電
磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンシンクロトロンにおいて陽子や重
イオンを加速する際、シンクロトロン内の高周波加速空
洞で行う。この加速による周回ビームのエネルギー増加
に伴い、偏向電磁石の励磁量と高周波加速空洞に印加す
る高周波電圧の振幅および周波数を協調的に制御してい
く必要がある。したがって、高周波加速空洞の制御装置
は偏向電磁石の磁場強度を基準とし、この偏向磁場強度
の変化に基づいた磁場クロックで加速高周波電圧の振幅
および周波数を制御する。

【０００３】また、シンクロトロンの電磁石において
は、周回ビームのサイズなどで決まる所定の領域内で所
望の磁場分布となるように、加速に伴う磁場強度の変化
による影響も考慮して設計されている。

【０００４】従来のシンクロトロンにおける偏向磁場強
度の変化の検出は、「B−CLCOKSYSTEM FOR THE KEK MAI
N RING，IEEE Transactions on Nuclear Science,Ｖol.
ＮＳ−２４，Ｎo.３，ｐｐ.１７４２，June １９７７」
に記載のように、偏向電磁石の磁極間にサーチコイルお
よびホール素子を設置して測定している。

【０００５】特開平7−263199 号公報に、ホール素子を
偏向電磁石の真空ダクトの上側の磁極の中心を取り付け
て磁場を測定し、ビーム加速を行うことが記載されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、磁
場の検出素子である導線を巻いたサーチコイルやホール
素子を磁極間に据え付けている。ホール素子を用いる場
合には、素子自体は小型であるが、温度補償が必要とな
り、ホール素子以外に温度補償用の機器が必要となり、
ホール素子の測定端子のみでなく、シンクロトロンシス
テム全体が大型化する問題がある。

【０００７】また、サーチコイルやホール素子などの磁
場検出素子を磁極間に据え付けるために、偏向磁場を発
生する磁極間間隔が大きくなるため、電磁石が大型化す
る問題や、所望の磁場強度を発生するために、必要な励
磁電流が大きくなり、偏向電磁石用電源の電源容量やシ
ンクロトロンの運転の際の消費電力が大きくなる問題が
ある。

【０００８】本発明の目的は、偏向電磁石の磁場強度の
変化を検出するサーチコイルを偏向電磁石磁極内に設け
て、磁極間間隔を低減した偏向電磁石を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の特徴は、シンクロトロン用偏向電磁石の磁極
内に周回軌道方向の空間を設けてサーチコイルを据え付
けることにある。この特徴によれば、磁極間内に磁場検
出素子を設けることなく、ビームに影響する偏向磁場強
度の変化を精度良く検出することができるため、磁極間
間隔を小さくし、偏向電磁石用電源の電源容量やシンク
ロトロンの運転の際の消費電力を低減することができ
る。

【００１０】本発明の第２の特徴は、磁極間において周
回するビームに影響を与える磁場を形成している磁束を
包含するような位置にサーチコイルを据え付ける空間を
設けることにある。この特徴によれば、ビーム周回軌道
方向の漏れ磁場を与える磁束が磁極中でサーチコイルと
鎖交するため、偏向電磁石周回軌道方向長さと同程度の
大きさのサーチコイルによって、ビーム周回軌道方向の
漏れ磁場の変化も検出することができる。

【００１１】本発明の第３の特徴は、磁極間に形成され
る磁場が、周回ビームのサイズなどで決まる所定の領域
内で、必要な磁場強度の範囲で所望の磁場分布となるよ
うに、磁極内のサーチコイルを据え付ける空間を設ける
ことにある。この特徴によれば、周回ビームが受ける影
響は所望の磁場分布によるものになるため、安定して周
回可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１実施例）本発明による電磁
石の第１実施例を図１及び図２を用いて説明する。図１
は、本発明を適用した偏向電磁石のビーム進行方向に垂
直な平面での縦断面図、図２は横断面図である。

【００１３】本電磁石は、ビーム軌道を挟むように対抗
して配置する一対の磁極１ａ及び１ｂ，磁極１ａと１ｂ
を接続して磁路を形成するリターンヨーク３，励磁コイ
ル４及び５などから構成される。磁極１ａ及び１ｂの内
部には、それぞれ複数の空間２ａ，２ｂが水平方向（図
１の横方向）に並べて設けてある。本電磁石は、ビーム
軌道中心Ｏを含む水平面内に対して上下対称となるよう
に構成されている。リターンヨーク３は軌道水平面上で
上下に分割されており、上側のリターンヨーク３と磁極
１ａが一体で上部磁芯を構成し、下側のリターンヨーク
３と磁極１ｂが一体で下部磁芯を構成している。上部磁
芯及び下部磁芯は、それぞれ薄板状の電磁鋼板を積層し
て構成され、軌道平面上で組み合わされている。

【００１４】磁極１ａと磁極１ｂの対向する表面は、互
いに異なる磁極（Ｎ極またはＳ極）となるように構成さ
れている。例えば、磁極１ａの表面がＮ極のときに磁極
１ｂの表面がＳ極となるように、励磁コイル４と５に電
流方向を調整する。

【００１５】磁極１ａと１ｂとの垂直方向（図１の上下
方向）の間隔は平行となっており、励磁コイル４及び５
に電流を流すことによって、磁極間のビームダクト６内
におけるビーム通過領域に、平坦な二極磁場成分を有す
る磁場を発生する。

【００１６】空間２ａ及び２ｂ内には、サーチコイル７
を据え付ける。サーチコイル７は、空間２ａ及び２ｂ
内、磁極のビーム周回方向の外側を通ってループを形成
する。サーチコイル７には、サーチコイル７が検出した
磁場に対応して、磁場クロックが発生する磁場クロック
発生装置８が接続する。

【００１７】図３及び図４に、本実施例における偏向電
磁石の磁場解析に基づく磁束の分布例を示す。図３は図
１と同様の縦方向断面図の、磁極１ａ内の磁束及び磁極
１ａと１ｂ間の空間内の磁束の分布を示したものであ
る。図４はビーム進行方向に平行な平面による縦断面図
における、磁極１ａ内の磁束及びビーム進行外側の漏れ
磁場を形成する磁極１ａのビーム進行方向外側の磁束の
分布を示したものである。図４において、図中の横方向
がビームの進行方向となり、磁極のビーム進行方向の終
端位置の点Ａより右側が磁極外部，左側が磁極内部とな
る。

【００１８】図３において、空間２ａと２ｂとの間を通
る磁束が、ビームダクト６内のビーム通過領域における
磁場を形成しているため、サーチコイル７によって磁束
により形成される磁場の変化を検出することにより、周
回ビームに影響を与えるビームダクト６内のビーム通過
領域の磁場の変化を検出することが可能となる。

【００１９】また、図４において、点Ａより右側の領域
である磁極外部に存在する磁束が、漏れ磁場を形成して
いるが、空間２ａ及び２ｂ、すなわちサーチコイル７の
位置では漏れ磁場を形成している磁束はサーチコイル７
内にあるため、サーチコイル７によって磁場の変化を検
出することにより、漏れ磁場の寄与まで含めた磁場強度
の変化を検出することが可能となる。

【００２０】サーチコイル７を据え付ける空間２ａ及び
２ｂの位置は、以下のような条件で決定する。空間２ａ
及び２ｂの図１及び図３における横方向の位置は、図３
において空間２ａと２ｂとの間の磁束により形成される
磁場が、ビームダクト６内のビーム通過領域における磁
場に対応するように位置を決める。

【００２１】空間２ａ及び２ｂの上下方向の位置は、図
２において点Ａより右側の漏れ磁場を形成する磁束がサ
ーチコイル７を通過するように位置を決める。漏れ磁場
を形成する磁束分布は電磁石の磁場強度によって変化
し、最も高い磁場強度を発生する際に最大となるため、
その際の磁束分布から位置を決める。

【００２２】また、空間２ａ及び２ｂの横方向，上下方
向の位置とも、ビームダクト６内のビーム通過領域にお
ける磁場が所望の磁場分布となっているように位置を決
める。

【００２３】本実施例は、以上に説明したように、磁極
内にサーチコイルを据え付ける空間を設けることによ
り、磁極間間隔を大きくすることなくサーチコイルによ
る磁場の検出を実現するため、偏向電磁石用電源の電源
容量やシンクロトロンの運転の際の消費電力を低減する
ことができる。

【００２４】また、磁極内にサーチコイルを据え付ける
ことにより、サーチコイルが偏向電磁石のビーム進行方
向の漏れ磁場を形成する磁束を囲むようになるため、周
回ビームに影響する漏れ磁場を含めた磁場を正確に検出
することができる。

【００２５】（第２実施例）次に、本発明による電磁石
の第２実施例であるイオンシンクロトロンを図５を用い
て説明する。図５は、本イオンシンクロトロンの構成概
略図である。本イオンシンクロトロンは、前段加速器１
０，シンクロトロン２０，ビーム利用系３０、これらの
装置に電力を供給する電源（図示せず）、これらの装置
の個々の制御及び連携制御を行う制御装置（図示せず）
などから構成される。

【００２６】シンクロトロン２０は、ビーム入射器２
１，偏向電磁石２２，高周波加速空洞２３，四極電磁石
２４，ビーム出射器２５などから構成される。荷電粒子
の加速制御は加速制御部４０で行われる。

【００２７】加速制御部４０は、偏向電磁石２２の磁極
内部に設けた空間に据え付けた偏向磁場を検出するサー
チコイル４１，サーチコイル４１が検出した磁場に対応
して磁場クロックを発生する磁場クロック発生装置４
２，磁場クロック装置４２が発生した磁場クロック信号
に同期して加速電圧の周波数及び振幅を発振器４４に設
定する制御装置４３，設定された周波数及び振幅の高周
波電圧を発生する発振器４４，発振器４４が発生した高
周波電圧を増幅して高周波加速空洞２３に印加する増幅
器４５から構成されている。

【００２８】この加速制御部４０によりシンクロトロン
２０を周回するビームを加速する際の各機器の働きを以
下に説明する。

【００２９】ビームを加速するためには、高周波加速空
洞２３からビームにエネルギーを与えるとともに、ビー
ムが一定の軌道上を周回するように偏向電磁石２２が磁
極間に発生する磁場の強度を大きくしていく。

【００３０】予め定められたシンクロトロン２０の運転
パターンにしたがって、偏向電磁石２に励磁電流が供給
されることにより、サーチコイル４１を貫く磁束密度が
変化して、コイル端間に電圧が発生する。コイル端間に
電圧が発生すると、磁場クロック発生装置４２は、その
電圧差に基づいて磁場クロック信号を発生する、磁場ク
ロック信号は、磁極間の磁場の変化に同期した制御クロ
ック信号として、制御装置４３に入力される。

【００３１】制御装置６は入力された磁場クロックに同
期して、運転パターンに従う加速高周波電圧の周波数お
よび振幅のデータを発生し、予め定められている増幅器
４５の増幅率に基づいて、運転パターンに従う周波数及
び振幅の加速高周波電圧が高周波加速空洞２３に印加さ
れるように、発振器４４に高周波電圧を発生させる。高
周波加速空洞２３には、運転パターンに従う加速高周波
電界が発生して、ビームにエネルギーが与えられる。

【００３２】本実施例のシンクロトロンでは、本発明の
偏向電磁石を用いることによって、シンクロトロンの加
速制御に必要な磁場クロック信号を、磁場の磁極間間隔
を大きくすることなく、漏れ磁場の影響まで含めて制御
良く検出することができるため、磁石を小型化してシン
クロトロンを小型化するとともに、正確な磁場クロック
信号により安定したビームの周回及び加速が可能とな
る。

【００３３】また、前段加速器１０からシンクロトロン
２０へビームを輸送するビームラインの偏向電磁石（図
示せず）、またシンクロトロン２０からビーム利用系３
０へビームを輸送するビームラインの偏向電磁石（図示
せず）においては、シンクロトロン内の偏向電磁石２２
のように時間的に変動する磁場を用いることは少ないた
め、制御信号としての磁場クロック信号をサーチコイル
によって検出する必要はない。

【００３４】しかし、所定の磁場から何らかのトラブル
により磁場が変動した場合に、シンクロトロンの運転を
停止するための安全装置に対する信号を発生する装置と
して、本発明の電磁石及びサーチコイルを用いれば、そ
れらの電磁石についても磁極間間隔を大きくすることな
く、磁場の変動を精度良く検出するものとして適用可能
である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、磁極内に設けた空間に
サーチコイルを据え付けることにより、磁極間間隔を低
減して小型化した偏向電磁石を実現可能となる。

【００３６】また、磁極内の磁束による磁場強度の変化
をサーチコイルで検出することにより、磁極端部からの
漏れ磁場を検出することができるので、周回ビームに影
響する偏向磁場を精度良く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の偏向電磁石のビーム進行方向に垂
直な平面による縦方向断面図。

【図２】第１実施例の偏向電磁石の横方向断面図。

【図３】第１実施例の偏向電磁石のビーム進行方向に垂
直な平面内の磁束分布の解析例を示す図。

【図４】第１実施例の偏向電磁石のビーム進行方向に平
行な平面内の磁束分布の解析例を示す図。

【図５】第２実施例の本発明による電磁石を用いたイオ
ンシンクロトロンシステムを示す図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…磁極、２ａ，２ｂ…空間、３…リターンヨ
ーク、４，５…励磁コイル、６…ビームダクト、７，４
１…サーチコイル、８，４２…磁場クロック発生装置、
１０…前段加速器、２０…シンクロトロン、２１…ビー
ム入射器、２２…偏向電磁石、２３…高周波加速空洞、
２４…四極電磁石、２５…ビーム出射器、３０…ビーム
利用系、４０…加速制御部、４３…制御装置、４４…発
振器、４５…増幅器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁極間に発生させた磁場により荷電粒子ビ
   ームの軌道を偏向させるための電磁石において、前記磁
   極は、その内部にサーチコイルを備えたことを特徴とす
   る電磁石。
2. 【請求項２】請求項１において、前記サーチコイル内を
   通る磁束が、磁極間で発生する磁場に対応した磁束とな
   ることを特徴とする電磁石。
3. 【請求項３】荷電粒子ビームを周回させる電磁石を備え
   たシンクロトロンにおいて、前記シンクロトロンは、電
   磁石の磁極内にサーチコイルを備えたことを特徴とする
   電磁石を用いたシンクロトロン。