WO2004077457A1

WO2004077457A1 - 粒子線加速器用永久磁石および磁界発生装置

Info

Publication number: WO2004077457A1
Application number: PCT/JP2004/002038
Authority: WO
Inventors: Ken Makita; Eiji Sugiyama; Masaaki Aoki; Kaichi Murakami; Tadamichi Kawakubo; Eiji Nakamura
Original assignee: Neomax Co., Ltd.; Inter-University Research Institute Corporation H Igh Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2004-09-10
Also published as: US20050258784A1; JPWO2004077457A1; EP1603142B1; US7570142B2; EP1603142A1; JP4697961B2; EP1603142A4

Abstract

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いながら、放射線照射によっても減磁しにくい粒子線加速器用永久磁石と磁界発生装置を提供することができる。吸収線量３，０００Ｇｙ以上の放射線に被曝される環境で使用される粒子線加速器用永久磁石であって、Ｒ（希土類元素のうちの少なくとも１種）、Ｂ、ＴＭ（遷移元素のうち少なくとも１種で、Ｆｅを含有する）：残部、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、パーミアンス係数が０．５以上の着磁状態にあり、かつ保磁力ＨｃＪが１．６ＭＡ／ｍ以上の焼結磁石である。

Description

明細書

粒子線加速器用永久磁石および磁界発生装置技術分野

本発明は、吸収線量 3，〇 0 0 G y以上の放射線に被曝される環境で使用される永久磁石に関しており、特に、物性研究に使われるシンクロ卜ロンや、放射線医療の分野で使われるサイクロ卜ロンなどに用いることができる粒子線加速器用永久磁石に関している ₉ また、本発明は、このよな永久磁石を複数備え磁界発生装置に関している。背景技術

粒子線加速器には、物性研究のための高エネルギー粒子線の発生に使われるシンクロトロンゆ、ガン検診に'使われる放射性同位体を製造するめの小型のサイクロ卜ロンなどがある。最近では、診断だけでなく、陽子線をガン患者の患部に直接照射する放射線治療にち加速器が用いられ始めている。

粒子線加速器は、粒子線を入射させる機構、電荷をもつ粒子に高周波電場を加えて加速するための機構、および粒子線を所望の方向に偏向させるための磁界を印加する機構を備えている。

例えばシンクロ卜ロンの揚合は、主リングまは蓄積リングと呼ばれる環状の軌道内で粒子線を走らせるための偏向磁界、軌道内の粒子線を収束させるための収束磁界、および、主リングへの粒子線の入射まは主リングからの粒子線の取り出しのだめの偏向磁界が用いられる。一方、サイク口卜ロンの場合では、粒子線が渦巻き状に加速するための均一な静磁界が用いられる。

従来、シンクロ卜ロンおよびサイクロトロンのいずれについても、上記の磁界は、電磁石によって発生させられてしヽ。

粒子線加速器には、収束磁界のよに原理的に磁界強度を可変とすることによって調整可能にしなければならない箇所ちある一方、運転中は一定の静磁界が必要な箇所もある。シンクロ卜ロンのビーム取出口では、主リングまたは蓄積リング中を走る粒子線に「キッカー磁石」と呼ばれる電磁石でパルス状の磁界を与えて粒子線のコースをわずかに変化させる。その粒子線は、更に「セプタム磁石」と呼ばれる電磁石によって大きく偏向されることになる。このようなセプタム磁石は、大きくて均一な静磁界を形成することが求められるととちに、粒子加速器の主リングの近くに設置されるだめ、セプタム磁石が強磁界を発生する空間 (磁界発生空間）から外部の領域へ漏洩する磁界を可能な限り小さくする（例えば 5 m T以下）ことが必要である。

なお、サイクロトロンの場合は、前述のように、均一な静磁界を形成することが必要であるが、加速粒子として陽子を使用する場合、陽子は電子に比べて質量が大きし、ため陽子を偏向するめに 1 . 0 T以上の強い静磁界が必要とされる。

粒子線加速器用に用し、られる磁石につし、ては、特開昭 6

4—了 2502号公報、特開平 8— 255726号公報、特開 2〇 0 1 — 28300号公報、特開 2003— 305 021 号公報などに記載されている。

前述のように、粒子加速器用に用いられる電磁石は強い磁界を発生することが求められるため、動作に際して電磁石のコイルに大電流を流す必要がある。

しかし、コイルに大電流を流すと、コイルで発生するジユール熱が多大になるめ、この熱を速やかに取り除く必要があり、そのためにコイル周辺に冷却機構を設ける必要がある。

更に、電磁石を用いる場合、電磁石の発生する断続的な強し、磁界のため、電磁石を構成する各部材が破損しゆすいという問題ちある。また、電磁石に用いられる大量のョ一ク材は、主として鉄からなるため、ビームラインから発生する放射線の照射によって放射化されゆすい。放射化とは加速粒子線などを照射された物質の一部が放射性核種に転換されて、自ら放射能を持つようになる現象である。ョーク材が放射化されてしまうと、電磁石のメインテナンスのために作業者が電磁石に接近することが困難になる。

このよに、粒子加速器に電磁石を用いる場合に生じる種々の問題を避けるため、電磁石に代えて永久磁石を用いることが可能である。例えば、米国のフェルミ研究所における粒子加速器の蓄積リングには、八一ドフェライ卜磁石が採用されている。八ードフェライ卜は、小型のままでは強い偏向磁界（例えば約 2 T ) を発生することができず、小型の粒子加速器を病院などに普及させることができなくなる。

2— 1 7系 S m C o焼結磁石は、放射線照射による減磁が少なく、最大エネルギー積が 2 4 0 k J m ³を超える高性能磁石である。このため、粒子加速器のめの強い磁界を発生するために、 2— 1 7系 S m C o焼結磁石を用いることも可能である。しかし、この磁石の主要成分でありかつ必須元素でもある C oには、放射化しやすし、という欠点があり、メインテナンスを考えると加速器への採用は難しし、。

N d— F e— B系焼結磁石は、最大エネルギー積が 3 2 O k J / m ³を超える高性能を発揮し得るため、加速器の小型化に威力を発揮、放射化も 2— "1 7系 S m C o焼結磁石と比較して生じにくい利点がある。しかし、 N d— F e 一 B系焼結磁石は、放射線の照射によって減磁しゅすいという欠点を有している。図 1 を参照しながら、 N d— F e— B系焼結磁石が放射線照射によって減磁するメカニズムを説明する。図 1 は、 N d— F e— B系焼結磁石の一部を拡大し模式図である囡中の〇は、 N d ₂ F e _{1 4} B型結晶を構成する原子を示している。相対的に小さな ·は、エネルギー E 0の放射線 (高エネルギー粒子）を示しており、この粒子は、矢印に沿つて飛行し、領域 Rの中心に位置する原子に衝突するものとする。なお、放射線は、陽子線、中性子線、アルファ線、ベ一タ線、重イオン粒子線のよラな粒子線であってもよいし、ガンマ線、 X線のような電磁波であってもよい。

図 1 に示すように、放射線が N d— F e _ B系焼結磁石における原子内の原子核に衝突すると、衝突された原子がはじき飛ばされる場合もあるが、多くの場合、原子は弾き飛ばされず、入射エネルギー E 0が熱として磁石に吸収され、衝突原子の周辺における格子振動を増大させる。その結果、領域 Rで局所的な温度上昇が生じる。放射線のエネルギ一 E 0が領域 Rに吸収される前の温度を Tし、吸収後の温度を T _Hとすると、温度上昇の大きさは、 Δ Τ二 T _H 一 Tしで表され、エネルギー E 0に比例する。放射線照射後の温度 T _Hが磁石のキュリー温度 T _cよりも高くなる揚合、磁石の保磁力 H。 jゆ領域 Rのパ一ミアンス係数 P _cの大きさにかかわらず、領域 Rは冷却過程で磁化反転をおこす。 N d— F e— B系焼結磁石の保磁力発現メカニズムはニュークリエーション型であるため、領域 Rが磁気反転を引き起こすと、領域 Rを含 1 つの結晶粒の全体が磁化反転を起こすことになる。このよな磁化反転は、放射線の照射量が増えるにつれ、焼結磁石のあらゆる領域（結晶粒）で進行し、ゆがては焼結磁石の全体が大きく減磁するこのようにして減磁が進 ¾と、一定の強力な磁界を発生させることができず、したがって、従来の N d— F e— B 系焼結磁石を用いて粒子線加速器用磁界発生装置を作製することは実用化に至っていない。

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、 N d — F e — B系磁石を用いながら放射線照射によっても減磁しにくい粒子線加速器用永久磁石および磁界発生装置を提供することにある。発明の開示

本発明の粒子線加速器用永久磁石は、吸収線量 3， 0 0 〇 G y以上の放射線に被曝される環境で使用される粒子線加速器用永久磁石であって、 R (希土類元素のうちの少なくとも 1 種）、 B (硼素）、および T M (遷移元素のうち少なくとち 1 種で、 F e を含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、パ一ミアンス係数が〇 5以上の着磁状態にあり、かつ保磁力 H c jが 1 . 6 M A Z m以上の焼結磁石である粒子線加速器用永^磁石。好ましい実施形態において、前記焼結磁石の組成比は、

R ： 25. 0〜40. 0質量％>、 B ： 0. 8〜 1 . 2質量％、不可避的に含まれる不純物元素、および T M ：残部である。

好ましい実施形態においては、 Rが N dおよびまたは

P rを必須元素として含む。

好ましい実施形態においては、 Rが D yおよびノまたは T bを更に含む。

好ましい実施形態においては、 T Mが磁石全体の 1 . 0 質量％以下の C oを含。

本発明の磁界発生装置は、吸収線量 3， 000 G y以上の放射線に被曝される環境で使用される磁界発生装置であつて、磁界発生空間を形成するように略環状に配置された複数の永久磁石を備えており、前記永^磁石は、 R (希土類元素のうちの少なくとも 1 種）、 B (硼素）、および T M (遷移元素のうち少なくとち 1 種で、 F eを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、パアンス係数が 0. 5以上の着磁状態にあり、かつ保磁力 H。」が 1 . 6MAZm以上の焼結磁石である。

好まし ( 実施形態において、前記焼結磁石の組成比は、

R ： 25. 〇〜40. 0質量％>、 B ： 0. 8〜 1 . 2質量％>、不可避的に含まれる不純物元素、および T M ：残部である。好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石は、前記磁界発生空間を挟んで対向する第 1 磁石および第 2磁石を含み、前記第 1 磁石および第 2磁石は、前記磁界発生空間の中央部を通る直線であって前記中央部における磁界方向に平行な直線に沿つて配列されている。

好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石によつて構成される磁石体の形状は、前記直線を含第 1 の平面に関して略対称であるが、前記直線を含み前記第 1 の平面に垂直な第 2の平面に関しては非対称である。

好ましい実施形態において、前記磁石体の外周面の少なくとち一部は強磁性体によって覆われている。

好ましい実施形態において、前記複数の永^磁石は、前記第 1 磁石を挟みこ位置に配置された第 3磁石および第 4磁石と、前記第 2磁石を挟みこ ¾位置に配置され第 5 磁石および第 6磁石とを含み、前記第 2の平面に垂直な方向に沿つて計測しだ前記第 3磁石のサイズは、前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 4磁石のサイズより小さく、前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 5磁石のサイズは、前記第 2の平面に垂直な方向に沿つて計測し前記第 6磁石のサイズより小さい。

好ましい実施形態において、前記磁界発生空間に形成される磁界の強度を変化させるめの付加的な磁石をさらに備え、前記付加的な磁石は、前記複数の永久磁石の少なくとも一部と磁気的に結合する可動磁気回路部分を形成し、かつ、前記磁界発生空間に対する相対位置関係が可変に調節できるょラに保持されている。

好ましい実施形態において、前記可動磁気回路部分は、複数の磁石を構成要素として含み、前記複数の磁石は水平方向に移動可能である。

好ましし、実施形態において、前記複数の永久磁石は、前記第 4磁石と前記第 6磁石との間に配置された第 7磁石を含んでいる。

好ましい実施形態におし、て、前記永^磁石の温度を室温よりも低い温度に保持する機構を更に備えている。

好ましい実施形態において、前記第 1 磁石および前記第 2磁石の対向面には、前記第 2の平面からの距離に )gじて厚さが変化する強磁性体が設けられている。

好ましい実施形態において、前記複数の永ス磁石の各々は、直方体形状を有している。

本発明の粒子線加速器は、上記のいずれかの磁界発生装置と、前記磁界発生装置と放射線飛来源との間に配置された厚さ〇 . 1 m m以上の遮蔽板とを備えている。囡面の簡単な説明

図 1 は、放射線に被曝し磁石の結晶構造を表す模式図である。図中の丸印は、磁石を構成する原子を表している図 2は、本発明の永久磁石が好適に用いられる粒子線加速器の構成を模式的に示している図である。

図 3は、永久磁石を用いセプタム磁石の構造を示す模式的斜視図である。

図 4は、図 3に示す構成の改変例を示す斜視図である。発明を実施するための最良の形態図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図 2は、本発明の永久磁石が好適に用いられる粒子線加速器の構成を模式的に示している。

図 2の粒子線加速器は、少な < とも、粒子線を加速するための主リング M Rと、主リング中を走る粒子線に対してパルス状の磁界を及ぼすキッカー磁石 Kと、キッ力一磁石 Kによって主リング内のコースから分離させられた粒子線を更に偏向するめのセプタム磁石 S 1 、 S 2、 S 3 とを備えている。

主リング M Rゃキッ力一磁石 Kの構成は、従来のちのと同様であり、本実施形態で特徴的な点は、セプタム磁石の構成にある。このため、以下においては、セプタム磁石について、その詳細を説明する。

図 3を参照する。図 3は、セプタム磁石 S 1 、 S 2、 S 3の少なくとも 1 つ（好ましくは全てのセプタム磁石）に用いられる本実施形態の磁界発生装置を示している。図 3 には、 X Y Z座標が示されている。この座標の原点は、ビ —ム卜ランスポー卜ラインが通る磁界発生空間の中央に位置しているちのとする。 Z軸方向は、ビーム卜ランスポ一卜ライン内を飛行する粒子に及ぼされる磁界の向きに平行であり、 Y軸方向は、ビームトランスポートライン内を飛行する粒子の進行方向に平行である。 X軸方向は、ビームトランスポー卜ライン内を飛行する粒子が陽子である場合に、その陽子に及^力の向きに平行である。なお、粒子が電子などの負に荷電した粒子である場合、図 3の磁界発生装置の構成のままでは、その粒子に及^力が X軸方向に対して反平行となる。この磁界発生装置は、粒子に対してビ —ムラインから離れる方向に力を付与する必要があるため負に荷電している粒子の場合は、各永^磁石の磁化方向を反転し、磁界発生空間に形成する磁界の向きを一 Z軸方向に一致させる必要がある。

本実施形態の磁界発生装置は、主リング内のビームラインの近くに配置され、かつ、ビームラインから分離しだビー厶卜ランスポー卜ラインに対して強い偏向磁界を付与するめ、ビーム卜ランスポートラインを取り囲むようにして複数の永久磁石が略リング状に配置されてし、る。

この磁界発生装置を構成する永久磁石は、何れち、 N d 一 F e — B系焼結磁石であり、 R (希土類元素のうちの少なくとも 1 種）、 B (硼素）、および T M (遷移元素のうち少なくとち 1 種で、 F eを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有している。好ましい形態では、 R : 25. 0〜40. 0質量％>、 B ： 0. 8〜 1 . 2質量％、 T M ：残部、および、不可避的に含まれる不純物元素を含有している。ま、本実施形態の磁石は、パーミアンス係数が 0. 5以上の着磁状態にあり、かつ、保磁力 H _{c J}が 1 . 6 M A/m以上である。この永^磁石の組成や磁気特性などの詳細については、後述し、ここでは、この永久磁石によって構成される磁気回路を説明する。

さらに、上記の永久磁石を用いて磁気回路を形成した後高温下にさらされると、磁界の均一度が低下する可能性がある。このような磁界均一度の低下を防止するためには、特開 2003— 305021 号公報に開示されている熱処理（例えば 40〜了 0 °Cの加熱処理）を上記永久磁石に対して施しておくことが好ましい。

本実施形態の磁界発生装置は、それぞれが直方体形状を有する 7つの永^磁石領域から構成され、これらの永久磁石を磁界発生空間の周りに略リング状に配列することによつて八ルバッ八型磁界回路に類似し磁気回路が形成されてし、る。なお、各磁石領域は、図 3に示す磁気回路を形成する複数の永久磁石のち、第 1 磁石領域 Aおよび第 2磁石領域 Bは、磁界発生空間を挟んで対向しており、磁界発生空間の中央部を通る直線（ Z軸）に沿って配列されている。

第 3磁石領域 Cおよび第 4磁石領域 Dは、第 1 磁石領域 Aを挟みこむよ 5にして第 1 磁石領域 Aの両側に配置され第 5磁石領域 Eおよび第 6磁石領域 Fは、第 2磁石領域 B を挟みこようにして第 2磁石領域 Bの両側に配置されている。また、第 4磁石領域 Dと第 6磁石領域 F との間には第了磁石領域 Gが配置されてし、る。

第 1 磁石領域 Aおよび第 2磁石領域 Bの磁化方向は、磁界発生空間の中央部に形成する磁界の方向と一致し、 Z軸方向を向いている。これに対し、第 3磁石領域 Cおよび第 6磁石領域 Fの磁化方向は X軸方向を向き、第 4磁石領域 Dおよび第 5磁石領域 Eの磁化方向は一 X軸方向を向いている。第了磁石領域 Gの磁化方向は一 Z軸方向を向き、第 1 磁石領域 Aおよび第 2磁石領域 Bの磁化方向とは反平行の関係にある。

このよ 5に了つの永久磁石領域 A ~ Gは、中央部に磁界発生空間を形成するように略リング状に配列されているが完全なリング状構造は形成されおらず、ビームラインとビー厶卜ランスポートラインとの間には永久磁石の存在しない部分が設けられている。このだめ、図 3に示す磁石体 (磁気回路）は、厳密な意味では「八ルバッ八型」でなくギャップを有する「 C型（コの字型）」の構造を有していること (こなる。

磁界発生空間の中央を通る前記の直線（ Z軸）を含 ¾第 1 の平面（ X Z面）と、この Z軸を含み第 1 の平面に垂直な第 2の平面（ Y Z面）を仮想的に考えると、 7つの永久磁石領域 A〜 Gによって構成される磁石体（磁器回路）の形状は、第 1 の平面（ X Z平面）に関して略対称であるが第 2の平面（ Y Z面）に関しては非対称である。すなわち Y Z面に垂直な方向（ X軸方向）に沿って計測した第 3磁石領域 Cおよび第 5磁石領域 Eのサイズ（ X方向サイズ）は、第 4磁石領域 Dおよび第 6磁石領域 Fの X方向サイズより小さくなるように設計されてし、る。

このような左右非対称構造の磁気回路を採用する理由はビームラインとビームトランスポートラインとの間の距離が小さし、場合においても、強力な磁界を発生させるためである。図 2に示すセプタム磁石 S 1 は、主リング M Rに最も近い位置に置かれるが、従来の八ルバッ八型構造の磁器回路を採用したならば、このような位置に置くことは困難になる。これに対し、本実施形態の構成によれば、図 3に示す構成の磁界発生装置をセプタム磁石 S 1 に用いることが可能となる。なお、各磁石領域は、より小型の磁石体を重ね合わせたものであってよし、。

磁界発生空間の磁界強度を変化させるめ、図 4に示すよな可動磁気回路部分を形成するよラに他の永久磁石を付加しても良い。図 4に示す可動磁気回路部分は、第 8磁石領域 H、第 9磁石領域 I 、第 1 0磁石領域 J、および第 1 1 磁石領域 Kを有している。第 8磁石領域 Hおよび第 9 磁石領域 I は、それぞれ、第 1 磁石領域 Aおよび第 4磁石領域 Dと同様の方向に磁化されている。一方、第 1 〇磁石領域 J および第 1 1 磁石領域 Kは、それぞれ。第 2磁石領域 Bおよび第 6磁石領域 F と同様の方向に磁化されている第 8磁石領域！"!、第 9磁石領域 I 、第 1 0磁石領域 J、および第 1 1 磁石領域 Kは、水平方向に移動できるように保持されている。これらの磁石を図 4において左方向に徐に移動させてゆくと、最終的には、第 8磁石領域 Hおよび第 9磁石領域 I は、それぞれ、第 1 磁石領域 Aおよび第 4磁石領域 Dの真上に位置し、第 1 0磁石領域 J および第 1 1 磁石領域 Kは、それぞれ、第 2磁石領域 Bおよび第 6磁石領域 Fの真下に位置することになる。このときの図 4に示す磁界発生装置は、図 3の磁界発生装置における第 1 磁石領域 Aおよび第 4磁石領域 D、ならびに第 2磁石領域 Bおよび第 6磁石領域 Fの各を上下に 2分し構成と類似した構成を有することになる。

上記の第 8磁石領域 H、第 9磁石領域 I 、第 1 0磁石領域 J、および第 1 1 磁石領域 Kを水方向に移動させ、これらの磁石領域の位置を調節することにより、磁界発生空間に形成される磁界の強度を所定範囲内で磁場分布を大きく乱すことなく任意に変化させることが能になる。

ま、図 4には示していないが、漏洩磁界を低減したり組み立てを容易にするめ、磁石 H、 I 、 J、 Kの外周部に鉄、鉄 · ニッケル合金、鉄 · コバル卜合金などの高飽和磁束密度材料からなる部材を配置してもよい。

このような可動磁界回路部分を形成するために必要な磁石領域の構成ゆ磁石数は、図 4に示すちのに限定されないなお、磁石 Η、 I 、 J、 Kを可動させる機構については公知のリニアガイド、ネジ、ベアリングモータなどを使用することができる。ま、位置決めには、公知のセンサや磁気スケールを使用することができる。

なお、ビームラインとビーム卜ランスポートラインとの分岐点では、粒子線照射による放射化が特に生じゅすい。このめ、放射化した部材からセプタム磁石への粒子線照射が問題になる。本実施形態では、後述するように、放射線照射によってほとんど減磁しない焼結磁石を採用しているが、それでも、可能な限り、粒子線の照射量を低減することが好ましし、。このため、磁石の表面と放射線の飛来源との間に遮蔽板を配置すると、磁石への被曝量を低減できるので好ましい。遮蔽板の厚さが 0 . 1 m m未満であると被曝量の低減に効果があまりないので、遮蔽板の厚さは〇 1 m m以上であることが好ましい。遮蔽板の材料としては例えば、熱中性子に対する散乱断面積の大きいポロンの同位体 ^{1 0} Bや通常のボロンを多く含んだボロンステンレス材などを用いることが好ましい。

また、磁石の温度を室温よりち低い温度に保持することが好ましい。磁石を冷却する機構を設けた場合、磁石温度が室温に略等しい場合に比べて保磁力が向上する。また、図 1 に示す領域 Rの温度上昇後の温度 Τ _Ηも低くなるため. 被曝時の減磁が少なくなるため好ましい。

磁石を冷却する手段としては、液体窒素、液体ヘリウム , 固体二酸化炭素などの寒剤を用いり、循環型の冷媒ゅぺルチェ素子を用い冶凍装置を用いることができる。磁石を冷却する場合、 Rに N dを含めるかわりに P r を含有させれば、 N d系の磁石に見られる低温でのスピン再配列現象に伴う残留磁束密度の低下を防止することができるので好ましい。また、磁石材料の放射化を防止するには、 T M に C oを含ませない組成にすることが好ましい。 R - T M _ B焼結磁石において、 C oは必須元素ではないので、 C oを含有させない磁石組成は極めて容易に実現できる。

本発明の磁石組成は、 25. 0〜 40. 0質量％の R (希土類元素のうちの少なくとち 1 種）と、 0. 8〜 1 . 2質量の巳（硼素）とを含有し、残部が T M (遷移元素のち少なくとち 1 種で、 F eを含有する）である。ただし、不可避的に含まれる不純物元素を含有していても良い Rが 25. 0質量％未満であると、保磁力が低下し、 Rが 4〇. O質量％を越えると、残留磁束密度が低下する。 R の好ましい範囲は 29. 〇〜 32. 〇質量％»である。が N dの他に D y、およびあるいは T bを含有すると、固有保磁力を高めることができるので更に好ましい。 D y、および/あるいは T bの磁石組成に占める割合は 2. 5質量％以上であることが好ましし、。 B (硼素）が〇。 8質量％未満であると保磁力が低下し、 1 . 2質量％を越えると残留磁束密度が低下する。 T Mが F eを含有しないと残留磁束密度が低下するので、 T Mは F eを必ず含。 T M における F eの含有率は 50質量％以上であることが好ましい。

本実施形態における R— T M— B系焼結磁石は、例えば原料合金の粉砕、磁界中成形、真空雰囲気中での焼結、熱処理、機械加工、表面コ一ティングなどの工程を行うことによって製造される。こして作成される R— T M— B系焼結磁石の密度は 7. 5 g Z c m ³以上、結晶粒径は 1 ~ 20 mであることが好ましい。より好ましい結晶粒径の範囲は 5〜 1 〇 mである。

本実施形態における R— T M— B系焼結磁石は、パーミアンス係数が 0. 5以上での着磁状態にあり、吸収線量 3 O O O G y以上の放射線に被曝させとき、その表面磁束密度の低下率が 5 %未満となるように組成が調節されている。表面磁束密度の低下率が 5%以上になると、磁気回路としての安定性に欠けるめ好ましくない。また、パ一ミアンス係数が 0. 5未満となる形状を有する磁石は、磁石内部に発生する反磁界が大きくなるため、同じ条件で被曝させた場合でも表面磁束密度の低下率が大きくなる傾向がある。このため、本発明では、パ一ミアンス係数を〇 . 5 以上に限定している。

なお、本明細書において、磁石の吸収線量とは、被曝時間の長短にかかわらず、磁石が吸収した線量の総和を表すちのとする。 3， O O OG yの吸収線量は、磁石が 1 k <3 当り 3，〇 0〇 Jの放射線エネルギーを吸収しときの線量を意味する。

1 k Gの磁石が 3， 000 Jの放射線エネルギーを吸収し、そのエネルギーがすべて熱に変換された場合における磁石の温度上昇を見積もると、磁石の比熱を〇 . 5 J K_ ¹ g— ¹ として、磁石全体の温度上昇は 6 Kとなる。 6 Kの温度上昇は、熱減磁が大きな問題となるような大きさではない。しかし、従来の磁石では、前述したように、局所的な温度上昇によってち磁化反転が生じ、表面磁束密度の低下が起こる。

【実施例】

(実施例 1 )

まず、表 1 に示すように、 N d、 D y、 B、 F e、および不可避的に含有される元素を含む組成の R— TM— B系原料粉末を用意し。粉末の平均粒径は 3. 0 mであつた。この粉末を磁界中で成形した後、真空中において 1 〇 60°C、 4 hの焼結を行い、焼結磁石素材を作製した。この焼結磁石素材から採取した試験片の着磁後における磁気特性（室温）を表 2に示す。また、表 2には、各焼結磁石素材のキュリー点（T c) を記載している。 (表 1 )

(表 2)

No. B r H c J (B H) max キュリー点

(T) (MA/m) (k J/m³) (°C) 実 1 1. 15 2. 4 255 31 6 施

例 2 1. 21 2. 0 279 31 6

3 1. 26 1. 6 303 31 6 比

例 4 1. 33 1. 3 342 31 8 較

5 1. 39 0. 9 374 31 6 次に、得られた焼結磁石素材を機械的に加工し、着磁方向が 1 0 m m、磁化困難方向が 3 4 m m四方の直方体形状を有する磁石加工品を作製した。次に、これらの磁石加工品を、表 1 に示す各組成につき、 2個ずっ着磁した。

この後、同一組成を有する 2個の磁石加工品のろちの一方の磁石の N極と、他方の磁石の S極とに、それぞれ、ポールピースを吸着させた。各ホールピースは、厚さ 1 m m . 長さ 3 4 m m四方の鉄板から作製し。さらに、両方のポールピース同士を、スぺ一サを挟んで吸着させ、 1 対の磁石試料を完成させた。スぺ一サは、厚さ 1 . 6 5 m m、長さ 3 4 m m四方のアクリル板から作製し、スぺ一サの中央部には巾 5 m mの欠落部を設けた。この欠落部からガウスメータのホール素子を挿入し、ギヤップ間の中心における磁束量を測定できるようにした。このよにして作製し磁石試料のパーミアンス係数 P c ( B / 0 H ) の平均値は 1 . 2であった。

上記磁石試料を、陽子シンクロ卜ロン加速器の主リングのビーム取り出し口に設置されセプタム電磁石のそばに配置し。磁石試料とビームラインとの距離は 8 5 c mに設定し。

次に、加速され陽子がビームラインの配管と衝突する際に発生する中性子によって磁石試料を被曝させた。磁石試料の吸収線量は、磁石試料のそばに設置したアルミニゥ厶試料の放射化の程度によって測定し。磁石試料の吸収線量が 3， 5 0 0 G y に達したとき、磁石試料の中心磁束を測定し。被曝前の測定値と比較して、被曝前後における表面磁束の低下率を求めた結果を表 3に示す。

(表 3 )

(比較例 1 )

表 1 に示した組成を有する焼結磁石を実施例 1 と全く同様の製造条件で作製し、表 2に示す磁気特性を有する焼結磁石素材を得た。得られ磁石素材について、実施例 1 と同様の機械加工と被曝試験を行った。表 3には、磁石の吸収線量が 3， 5 0 0 G y に達したときの磁石試料（比較例 1 ) の中心磁束の低下率を示している。

表 3から、実施例 1 ~ 3については、 3 , 5 0 0 G y の吸収線量に達するまで放射線に被曝させた場合でも、表面磁束の低下率が 5 %以下に抑えられることがわかる。このよろな表面磁束の低下率は、実用的に問題のないレベルである。これに対し、比較例 1 〜 2では、表面磁束の低下率が 5%を越えている。

表 2に示すように、実施例と比較例との間にキュリー点の差異はほとんどない。図 1 を参照しながら説明し考え方によれば、キュリー点が同レベルにあれば、保磁力の大きさによらず、放射線照射による減磁は同程度に進行すると考えるべきであるが、実際には、保磁力が高いほど減磁率が小さくなるととし、う予想外の結果が得られた。

(実施例 2 )

まず、 N d、 D y、 B、 F e、および不可避的に含有される元素からなる組成を有し、平均粒径が 3. O mの R 一 T M— B系原料粉末を用意した。この粉末を磁界中で成形し後、真空中で 1 〇 6〇°C、 4 hの焼結を行った。こうして、 N dが 28. 5質量％、 D yが 2. 5質量％、 B が 1 . 〇質量％»、 C oが 1 . 0質量％、残部が F eからなる組成の焼結磁石素材を作製した。これらの焼結磁石素材から採取しだ試験片の着磁後の室温における磁気特性は、 B rが "1 . 33 T、 H c Jが 1 . 3 MAZm、（ B H) _m _{a x}が 342 k J /m³であった。

次に、上記の焼結磁石素材を機械的に加工して、直方体磁石を作製し、着磁した。着磁後の直方体磁石を用いて、図 3に示す構成の磁界発生装置を組み立てた。なお、図 3 に示す個々の各磁石領域を一個の磁石素材で構成することは困難であるめ、多数の小さな磁石素材ブロックを相に接着することにより、図 3の磁界発生装置を組み立てたこのような磁界発生装置において、対向させた鉄製シムの間に発生する磁界は 1 . 1 0 Tであった。本実施例における鉄製ジムの各は、対向面側に傾斜部を有している。この傾斜部の存在により、対向する鉄製シムの間隔が図 3 の X軸に沿って変化している。鉄製シ厶の形状を適切に設計することにより、発生磁界の均一度を高めることができる。囡 3における磁界強度の X軸方向における均一性は、装置の略中央に位置する磁界発生空間において ± 3 %以内であり、ま、図 3における磁界発生装置の左側の位置における漏洩磁界は 1 . 4 m Tであった。

作製した磁界発生装置をセプタム磁石として実際の粒子加速器に組み込、場合には、図 3に示しよに磁界発生部の中心にキッ力一磁石から分岐されたビーム卜ランスポ一卜のステンレス管を挿入し、図 3の左側の鉄板の磁気シ —ルドの外側に主リングのビームラインのステンレス管が通るょラに磁界発生装置を配置すればよい。このとき、ビ —ム卜ランスポ一卜のステンレス管には 1 . Ο Τ以上の強い磁界で加速粒子を偏向することができる。

本実施例では、主リングのビ一厶ラインのステンレス管への漏洩磁界は小さいので、好ましくない偏向を加えるおそれがない。また、磁石中の C ο含有料が少ないので、 S m— C ο系焼結磁石を用いた磁界発生装置に比べて放射化に伴ろ磁界発生装置からの放射線の発生量ち少なし、と予想され、磁界発生装置のメインテナンスの際の作業者の被曝量を低減することが可能である。

実施例 1 の結果から、本願発明の H c Jが 1 . 6 M A m以上の磁石を用いて実施例 2に示し磁界発生装置を組み立てとき、磁界発生装置を構成する磁石は加速器の運転中に発生する中性子により被曝してち減磁率が小さくできる。

このようにして、電力消費ゆ冷却水の循環なしに安定で均一度の高い静磁界の発生が可能で、かつ加速器運転時に発生する放射線に被曝してち発生磁界の低下がなく、従来の電磁石式のセプタム磁石と同等の機能を有する N d— F e— B永久磁石式のセプタム磁石を提供できることがわかる。産業上の利用可能性

本発明によれば、 N d— F e— B系磁石を用いながら、放射線照射によってち減磁しにくい粒子線加速器用永久磁石と磁界発生装置を提供することができる。本発明によれば、電磁石のように多量の電力を消費することなく、粒子加速器用途に必要な強し、磁界を発生することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 吸収線量 3，〇〇 0 <3 y以上の放射線に被曝される環境で使用される粒子線加速器用永^磁石であって、 R (希土類元素のうちの少なくとも 1 種）、 B (硼素）および TM (遷移元素のうち少なくとも 1 種で、 F eを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、

パーミアンス係数が 0. 5以上の着磁状態にあり、かつ保磁力 H。 jが 1 . 6 M A m以上の焼結磁石である粒子線加速器用永久磁石。

2. 前記焼結磁石の組成比は、

R ： 25. 0〜40. 0質量《%、

B : 0. 8〜 1 . 2質量％、

不可避的に含まれる不純物元素、および

T M ：残部である、請求項 1 に記載の粒子線加速器用永久磁石。

3. Rが N dおよび/まは P rを必須元素として含請求項 1 または 2に記載の粒子線加速器用永久磁石。

4. Rが D yおよび Zまは T bを更に含請求項 3 に記載の粒子線加速器用永久磁石。

5. T Mが磁石全体の 1 . 0質量％以下の C oを含 ¾ 請求項 1 から 4のいずれかに記載の粒子線加速器用永久磁石。

6. 吸収線量 3.， 000 G y以上の放射線に被曝される環境で使用される磁界発生装置であって、

磁界発生空間を形成するように略環状に配置された複数の永久磁石を備えており、

前記永^磁石は、

R (希土類元素のろちの少なくとも 1 種）、 B (硼素）および T M (遷移元素のうち少なくとも 1 種で、 F eを含有するもの）、および不可避的に含まれる不純物元素を含有し、

パ一ミアンス係数が 0. 5以上での着磁状態にあり、かつ保磁力 Η。」が 1 . 6 MA/m以上である磁界発生装置

7. 前記焼結磁石の組成比は、

R ： 25. 〇〜40. 0質量《%、

B ： 0. 8〜 1 . 2質量％、

不可避的に含まれる不純物元素、および T M : 残部である、請求項 6に記載の磁界発生装置。

8 . 前記複数の永^磁石は、前記磁界発生空間を挟んで対向する第 1 磁石および第 2磁石を含み、

前記第 1 磁石および第 2磁石は、前記磁界発生空間の中央部を通る直線であって前記中央部における磁界方向に平行な直線に沿つて配列されている、請求項 7に記載の磁界発生装置。

9 . 前記複数の永久磁石によって構成される磁石体の形状は、前記直線を含第 1 の平面に関して略対称であるが、前記直線を含み前記第 1 の平面に垂直な第 2の平面に関しては非対称である、請求項 8に記載の磁界発生装置。

1 0 . 前記磁石体の外周面の少な < とち一部は強磁性体によって覆われている請求項 9に記載の磁界発生装置。

1 1 . 前記複数の永久磁石は、

前記第 1 磁石を挟みこ ¾位置に配置され第 3磁石および第 4磁石と、

前記第 2磁石を挟みこ ¾位置に配置された第 5磁石および第 6磁石と、

を含み、前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 3 磁石のサイズは、前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 4磁石のサイズより小さく、

前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 5 磁石のサイズは、前記第 2の平面に垂直な方向に沿って計測した前記第 6磁石のサイズより小さい、請求項 9まは 1 0に記載の磁界発生装置。

1 2 . 前記磁界発生空間に形成される磁界の強度を変化させるための付加的な磁石をさらに備え、

前記付加的な磁石は、前記複数の永久磁石の少なくとち一部と磁気的に結合する可動磁気回路部分を形成し、かつ前記磁界発生空間に対する相対位置関係が可変に調節できるように保持されている請求項 1 1 に記載の磁界発生装置

1 3 . 前記可動磁気回路部分は、複数の磁石を構成要素として含み、前記複数の磁石は水平方向に移動可能である請求項 1 2に記載の磁界発生装置。

1 4 . 前記複数の永久磁石は、

前記第 4磁石と前記第 6磁石との間に配置された第 7磁石を含んでいる請求項 1 1 から 1 3のいずれかに記載の磁界発生装置。

1 5 . 前記永久磁石の温度を室温よりち低い温度に保持する機構を更に備えている請求項 6から 1 4のいずれかに記載の磁界発生装置。

1 6 . 前記第 1 磁石および前記第 2磁石の対向面には前記第 2の平面からの距離に ¾じて厚さが変化する強磁性体が設けられている請求項 6から 1 5のいずれかに記載の磁界発生装置。

1 7 . 前記複数の永ス磁石の各は、直方体形状を有している請求項 6から 1 5のいずれかに記載の磁界発生装

1 8 . 請求項 6から 1 7のいずれかに記載の磁界発生装置と、

前記磁界発生装置と放射線飛来源との間に配置され厚さ〇 . 1 m m以上の遮蔽板と、

を備え粒子線加速器。