WO2008072394A1

WO2008072394A1 - 高速励磁装置

Info

Publication number: WO2008072394A1
Application number: PCT/JP2007/063338
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Oki; Takahisa Itahashi; Yoshitaka Kuno
Original assignee: Osaka University
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US8089222B2; JPWO2008072394A1; EP2094067A1; JP4674367B2; US20100060206A1

Abstract

　同軸ケーブルを介して接続されているパルス電源から高電圧が印加されることで高速に励磁させて荷電粒子ビームを偏向させる高速励磁装置（１４０）は、集中定数回路の回路素子と等価であり、荷電粒子ビームの進行方向に対して貫通された空間が形成され、高電圧が印加されることで貫通された空間に磁場を瞬時に発生させ、貫通された空間を通過する荷電粒子ビームを偏向させるキッカー電磁石（１５０）と、キッカー電磁石（１５０）と組み合わさって整合回路を構成し、整合回路の入力インピーダンスと、整合回路の入力端子に接続される同軸ケーブルの特性インピーダンスとを整合する補助回路（１６０）とを備える。

Description

明細書

高速励磁装置

技術分野

[0001] 本発明は、電磁石を瞬時的に励磁することで発生させた磁場を荷電粒子ビームに作用させ、荷電粒子ビームを円形加速器に入射させる、または荷電粒子ビームを円形加速器力射出させる高速励磁装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、シンクロトロンなどの円形加速器で使用されるキッカー電磁石は、分布定数回路を構成する複数の回路素子として設計されている (例えば、非特許文献 1参照。

)。ここで、キッカー電磁石とは、円形加速器のリングに荷電粒子ビームを入射させる、または円形加速器のリングから荷電粒子ビームを射出させるときに使用される電磁石である。

[0003] 図 1は、従来の形態におけるキッカー電磁石を備える円形加速器の概要を示す図である。図 1に示されるように、シンクロトロンなどの円形加速器 10では、リング状に設置された複数の偏向電磁石 11によって荷電粒子ビーム 12を偏向させる磁場を発生させる。また、リングの一部に設置された高周波加速装置 13によって円周方向に高周波加速電場を発生させる。これに伴い、荷電粒子ビーム 12は、周回軌道をとりな力 Sら周回を重ねるうちに加速される。このとき、高周波加速電場は、復元力としても作用する。このため、荷電粒子ビーム 12は、パンチと呼ばれる塊を形成しながら円形カロ速器 10のリング内を局在化して周回する。そして、十分に加速された後に、リング内を局在化して周回している荷電粒子ビーム、すなわち、パンチ化した荷電粒子ビーム (以下、ビームパンチと呼称する。）は、速いビーム取り出し法などによってリングから射出される。

[0004] 速いビーム取り出し法では、ビームパンチ 12をリングから射出させるにあたり、射出用のキッカー電磁石 15を高速で励磁する。このとき、射出用のキッカー電磁石 15は、 50〜200nsec程度で立ち上がり、 20〜50mT程度の磁場を発生させる。これは、円形加速器 10で加速されて高エネルギー状態になったビームパンチ 12を偏向させるにあたり、射出用のキッカー電磁石 15として、応答特性が高速であり、十分な強度の磁場を発生させる必要があるためである。

[0005] 図 2は、従来の形態におけるキッカー電磁石を備える高速励磁装置の概要を示す図である。図 2に示されるように、高速励磁装置 14は、円形加速器 10のリングの直線部に設置された射出用のキッカー電磁石 15を高速で励磁する。ここでは、一例として、パルス電源 21、同軸ケーブル 22、射出用のキッカー電磁石 15 (以下、キッカー電磁石 15と略称する。）、終端抵抗 23などを備える。同軸ケーブル 22を介してパルス電源 21の出力端子とキッカー電磁石 15の入力端子とが接続されている。キッカー電磁石 15の出力端子に終端抵抗 23の一端が接続されている。終端抵抗 23の他端が接地されている。

[0006] また、パルス電源 21は、直流充電電源、 PFN (Pulse Formulating Network)、サイラトロンなどを備える。キッカー電磁石 15を励磁するにあたり、直流充電電源で PFNを予め充電した後に、サイラトロンを点呼し、高電圧を出力する。これに伴い、キッカー電磁石 15は、伝送線の一種である同軸ケーブル 22を介して、パルス波形の高電圧（以下、パルス電圧と呼称する。）がパルス電源 21から印加される。これによつて、波形 33に示されるように、パルス波形の電流（以下、パルス電流と呼称する。）が流れて駆動される。

[0007] このとき、高速励磁装置 14は、所定のビームパンチがキッカー電磁石 15を通過した直後に、キッカー電磁石 15の励磁を開始し、次のビームパンチがキッカー電磁石 15に到達する前に、キッカー電磁石 15の励磁を完了し、所定の磁場を発生させる必要がある。すなわち、キッカー電磁石 15に磁場が立ち上がるまでに要する時間 tは、ビームパンチ間の時間差よりも、さらに短くなるように設計されている必要がある。

[0008] また、一般に、円形加速器 10のリング一周あたりに存在するビームパンチの個数やビームパンチ間の時間差は、円形加速器 10の設計や運転パラメーターで定まる。典型的には、ビームパンチの個数が 1から数千個程度であり、ビームパンチ間の時間差が数十から数百 nsecである。このため、波形 32に示されるように、キッカー電磁石 15 の励磁立ち上がり時間として、数十から数百 nsec程度の応答特性が要求される。ここで、波形 31は、横軸を時間とし、縦軸をキッカー電磁石 15が設置されている場所で観測されたビームパンチの強度としている。また、波形 32は、横軸を時間とし、縦軸をキッカー電磁石 15の磁場強度としている。

[0009] これにより、高速励磁装置 14は、高速の応答特性が要求されるので、キッカー電磁石 15に流れる電流の反射が起こらないようにしておく必要がある。そのために、キッカー電磁石 15の入力インピーダンスと、同軸ケーブル 22の特性インピーダンスとが等しくなるように整合をとる必要がある。ただし、通常、同軸ケーブル 22の特性インピ一ダンスは、純抵抗として扱われ、周波数と独立している。これに対して、コイルのように集中定数回路を構成する一つの回路素子としてキッカー電磁石 15が設計されてレ、るとする。この場合において、キッカー電磁石 15の入力インピーダンスは、周波数の関数となり、同軸ケーブル 22の特性インピーダンスと整合がとれなくなる。そこで、キッカー電磁石 15は、分布定数回路を構成する複数の回路素子として設計されている。

[0010] 図 3は、従来の形態におけるキッカー電磁石の概要を示す図である。図 3に示されるように、ここでは、一例として、キッカー電磁石 15は、磁性体コア 15dと、磁性体コア 15dを挟み込む電極板 15a, 15b, 15cとから構成されるユニットを複数有し、分布定数回路を構成する回路素子 16a, 16b, 16dとして設計されている。これによつて、所定の遮断周波数以下の帯域に限って周波数によらず、キッカー電磁石 15の入カインピーダンスが一定になる。そして、キッカー電磁石 15に流れる電流の高調波成分の内、主成分に対して整合をとることができる。

非特許文献 l : KEK-76-21, K. Takata. S. Tazawa and Y. Kimura. "FULL APERTUR E KICKER MAGNETS FOR KEK PROTON SYNCHROTRON. "(1977).

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] し力ながら、キッカー電磁石 15に流れるパルス電流（波形 33)には、振幅が小さいものの、遮断周波数よりも周波数が高い高周波成分が含まれるので、高速励磁装置 14は、そのような高周波成分については、整合をとることができない。結果、パルス電流に含まれる高周波成分の反射が起こり、それによつて絶縁破壊が引き起こされる [0012] 例えば、円形加速器 10に設置された複数のキッカー電磁石 15に接続された 56本の同軸ケーブル（65kV耐電圧）のうち 13本（23%)を 1年間で交換したという事例がある。このように、キッカー電磁石 15を使用するにあたり、長期間安定して運転することが困難という問題がある。また、放射線被爆のある保守作業が必要になるという問題もある。

[0013] さらに、キッカー電磁石 15は、電極板 15a, 15b, 15cで磁性体コア 15dを挟み込んでいるので、高電圧が印加されることで電極板間に放電が起こることがある。これを回避するために、キッカー電磁石 15の全体を真空容器の中に収める必要がある。

[0014] また、キッカー電磁石 15が設置される円形加速器 10のリングの直線部は、長さが制限されている。このため、キッカー電磁石 15が真空容器の中に収められることで、キッカー電磁石 15の大きさの制限がさらに厳しくなるという問題もある。

[0015] また、円形加速器 10のリングの真空部分に、こうした真空特性の悪い磁性体を揷入するので、磁性体から生じるガスによって、真空状態が悪化し、ビーム損失を引き起こすという問題もある。

[0016] また、キッカー電磁石 15が真空容器の中に収められるので、キッカー電磁石 15に電流を導入するために、パルス電流導入端子が真空容器に取り付けられる。このパノレス電流導入端子は、インピーダンスの整合がとられ、かつ耐圧が要求されるので、非常に高い精度で加工される必要があり、非常に高価である。このように、インピーダンス整合、高耐圧、真空の条件などにより、フェライト、接着剤、パルス電流導入端子、コンデンサなど、構成要素の製作及び選択が困難という問題もある。

[0017] そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、全周波数帯域に亘つて無反射であって構造が簡単で保守が容易である高速励磁装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0018] 上記目的を達成するために、本発明に係わる高速励磁装置は、（a)伝送線を介して接続されているパルス電源から高電圧が印加されることで高速に励磁させて荷電粒子ビームを偏向させる高速励磁装置であって、（al)集中定数回路の回路素子と等価であり、荷電粒子ビームの進行方向に対して貫通された空間が形成され、前記高電圧が印加されることで前記空間に磁場を瞬時に発生させ、前記空間を通過する荷電粒子ビームを偏向させる電磁石と、 (a2)前記電磁石と組み合わさって整合回路を構成し、前記整合回路の入力インピーダンスと、前記整合回路の入力端子に接続される前記伝送線の特性インピーダンスとを整合する補助回路とを備える。

[0019] これによつて、電磁石と補助回路とが組み合わさることで構成される整合回路 (集中定数回路）と伝送線との間でインピーダンスを整合することができる。これにより、一切反射が起こらないようにすることができる。反射による破壊故障が極力さけられ、長期間に亘つて安定した運転を実現することが期待でき、放射線被爆を含む保守作業を軽減すること力 Sできる。

発明の効果

[0020] 本発明によれば、電磁石が集中定数回路を構成する一つの回路素子として設計されているにもかかわらず、電磁石と補助回路とが組み合わさることで、原理的に全周波数帯域に亘つて入力インピーダンスを一定にすることができる。このため、電磁石と補助回路とが組み合わさることで構成される整合回路 (集中定数回路）と伝送線との間で完全な整合をとることができ、一切反射が起こらないようにすることができる。反射による破壊故障が極力さけられ、長期間に亘つて安定した運転を実現することが期待でき、放射線被爆を含む保守作業を軽減することができる。

[0021] さらに、本発明における電磁石と補助回路とは、別々に実装することができる。これにより、補助回路の回路素子として安価でサイズが大きい部品を利用することができ、耐電圧条件の緩和等、回路素子の製作や選別が容易になる。

[0022] さらに、本発明における電磁石は、従来の形態における電磁石と比べれば、構造が単純であり、部品点数が大幅に少なくて済み、設計が飛躍的に容易になる。

[0023] さらに、本発明における電磁石は、磁性体コアを電極板で挟み込む必要がなぐ電極板間の放電を考慮して電磁石を真空容器に収める必要がないので、従来の形態における電磁石で必要不可欠であった真空容器を必要としない。これにより、設置スペースが制限されている円形加速器のリングの直線部を有効に活用することができる。また、真空容器に取り付けられている端子のように、非常に高い精度を要求する部品を使用する必要がない。しかも、真空特性を劣化させる磁性体コアを大気中に設置することができるので、荷電粒子ビームが周回する円形加速器のリング内を高真空状態に維持することができ、荷電粒子ビームの不必要な損失を避けることができる。図面の簡単な説明

[0024] [図 1]図 1は、従来の形態におけるキッカー電磁石を備える円形加速器の概要を示す図である。

[図 2]図 2は、従来の形態におけるキッカー電磁石を備える高速励磁装置の概要を示す図である。

[図 3]図 3は、従来の形態におけるキッカー電磁石の概要を示す図である。

[図 4]図 4は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石を備える円形加速器の概要を示す図である。

[図 5]図 5は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石を備える高速励磁装置の概要を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石の概要を示す斜視図である。

[図 7]図 7は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石を入射口側から見た側面図と、射出口側から見た側面図と、 A— A線で切断して矢視方向に見た断面図とから構成される図である。

[図 8A]図 8Aは、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石と補助回路と力なる回路の概要を示す第 1の図である。

[図 8B]図 8Bは、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石と補助回路とからなる回路の概要を示す第 2の図である。

[図 9]図 9は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石と従来の形態におけるキッカー電磁石とのパルス応答の比較を示す図である。

[図 10]図 10は、本発明に係わる実施の形態におけるキッカー電磁石と従来の形態におけるキッカー電磁石との入力インピーダンスの比較を示す図である。

符号の説明

[0025] 10 円形加速器

11 偏向電磁石 12 荷電粒子ビーム（ビームパンチ）

13 高周波加速装置

14 高速励磁装置

15 キッカー電磁石

17 励磁回路

21 パルス電源

22 同軸ケーブル

23 終端抵抗

15a, 15b, 15c 電極板

15d 磁性体コア

16a, 16b 回路素子（コンデンサ）

16d 回路素子 (インダクタ）

100 加速器

140 高速励磁装置

150 キッカー電磁石（回路素子 Z1)

151 磁性体

152, 153 導体

154 ダクト

155 入射口

156 射出口

160 補助回路

161 コンデンサ（回路素子 Z2) 162 コンデンサ（回路素子 Z3) 163 コイル（回路素子 Z4)

170 4端子回路

171 , 172 入力端子

173, 174 出力端子

発明を実施するための最良の形態 [0026] (実施の形態）

以下、本発明に係わる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

[0027] 本実施の形態における高速励磁装置は、下記（a)〜（c)に示される特徴を備える。

[0028] (a)伝送線を介して接続されてレ、るパルス電源から高電圧が印加されることで高速に励磁させて荷電粒子ビームを偏向させる高速励磁装置であって、（al)集中定数回路の回路素子と等価であり、荷電粒子ビームの進行方向に対して貫通された空間が形成され、高電圧が印加されることで空間に磁場を瞬時に発生させ、空間を通過する荷電粒子ビームを偏向させる電磁石と、 (a2)電磁石と組み合わさって整合回路を構成し、整合回路の入力インピーダンスと、整合回路の入力端子に接続される伝送線の特性インピーダンスとを整合する補助回路とを備える。

[0029] (b) (bl)電磁石は、コイルと磁性体のコアとから構成され、コイルの一端に伝送線を介してパルス電源が接続され、（b2)補助回路は、（b2— 1)コイルの一端に一端が接続されている第 1の回路素子と、（b2— 2)コイルの他端に一端が接続されている第 2の回路素子と、（b2— 3)第 1の回路素子の他端と第 2の回路素子の他端とに一端が接続されている第 3の回路素子と、（b2— 4)コイルの他端に一端が接続され、第 3 の回路素子の他端に他端が接続されている終端抵抗とを備える。

[0030] (c)終端抵抗の抵抗値を Rとし、電磁石のインピーダンスを Zとした場合において、 ( cl)第 1の回路素子のインピーダンスが 2R²/Zであり、 (c2)第 2の回路素子のインピ一ダンスが 2R²/Zであり、 (c3)第 3の回路素子のインピーダンスが Z/4である。

[0031] 以上の点を踏まえて、本実施の形態における高速励磁装置について説明する。

[0032] 図 4は、本実施の形態におけるキッカー電磁石を備える円形加速器の概要を示す図である。図 4に示されるように、円形加速器 100は、複数の偏向電磁石 11がリング状に設置されている。また、これら偏向電磁石 11の間のうち、すなわち、円形加速器 100のリングの直線部のうち、荷電粒子ビーム 12の入射箇所に、入射用のキッカー電磁石 150が設置され、荷電粒子ビーム 12の射出箇所に、射出用のキッカー電磁石 150が設置されている。

[0033] そして、入射用のキッカー電磁石 150によって所定時間分の荷電粒子ビーム 12 ( 以下、ビームパンチ 12と呼称する。）が円形加速器 100のリングに入射する。入射したビームパンチ 12は、複数の偏向電磁石 11によって偏向されて周回軌道をとりながら周回を重ねる。そして、周回を重ねるうちに加速され、十二分に加速された後に、射出用のキッカー電磁石 150によって取り出される。

[0034] ここで、入射箇所と射出個所とに設置されるキッカー電磁石 150は、キッカー電磁石 15と比べれば、構造が単純であり、コイルと磁性体 (フェライトなど）とから構成され、集中定数回路を構成する一つの回路素子と等価である。さらに、補助回路 160と組み合わさることで、キッカー電磁石 150を駆動する駆動系との間でインピーダンス整合がとれた回路を構成する。

[0035] なお、キッカー電磁石 150と補助回路 160とは、別々に設置することができる。これによって、設置スペースが制限される円形加速器 100のリングの直線部を有効に活用すること力 Sできる。ここでは、一例として、キッカー電磁石 150は、 0. 2〜0. 5m程度の長さの直線部に設置されているとする。

[0036] 図 5は、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150を備える高速励磁装置の概要を示す図である。図 5に示されるように、ここでは、一例として、高速励磁装置 140は、キッカー電磁石 150、補助回路 160を備える。また、従来の高速励磁装置 14のように（例えば、図 2参照。）、パルス電源、同軸ケーブルなどを備える。パルス電源 21は、直流充電電源、 PFN (Pulse Formulating Network)、サイラトロンなどを備える。キッカー電磁石 150を励磁するにあたり、直流充電電源で PFNを予め充電した後に、サイラトロンを点呼し、高電圧を出力する。これによつて、キッカー電磁石 150は、伝送線の一種である同軸ケーブル 22を介して、ノ^レス波形の高電圧（以下、パルス電圧と呼称する。）がパルス電源から印加され、パルス電流が流れて駆動される。このようにして、高速励磁装置 140は、円形加速器 100のリングの直線部に設置されたキッカー電磁石 150を高速で励磁する。

[0037] 図 6は、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150の概要を示す斜視図である。

図 7は、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150を入射口 155側から見た側面図と、射出口 156側から見た側面図と、 A— A線で切断して矢視方向に見た断面図とから構成される図である。図 6，図 7に示されるように、キッカー電磁石 150は、ビームバンチ 12の進行方向に対して貫通された空間が磁性体 151に形成されてレ、る。また、パルス波形の電流（以下、パルス電流と呼称する。）が流れる導体 152, 153が磁性体 151の内側に取り付けられている。ここで、導体 152, 153は、射出口 156側で短絡されている。さらに、貫通された空間にセラミック製のダクト 154が挿入されて円形加速器 100のリングの直線部に設置される。

[0038] そして、あらかじめ真空にされているダクト 154の内部をビームパンチ 12が通過し、入射口 155側からビームパンチ 12が入射する時機を見計らってノ^レス電流が供給されたとする。この場合において、キッカー電磁石 150は、ビームパンチ 12の進行方向に対して垂直方向に強磁場を発生させ、ビームパンチ 12を偏向させて、射出口 156 力射出する。

[0039] なお、導体 153から導体 152の向きに流れるパルス電流が供給されると、キッカー電磁石 150は、ビームパンチ 12の進行方向に対して垂直方向（上向き）に強磁場を発生させる。逆向きのパルス電流が供給されると、逆向きの強磁場を発生させ、逆向きに偏向する。

[0040] 図 8A、図 8Bは、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150と補助回路 160とからなる回路の概要を示す図である。図 8Aに示されるように、キッカー電磁石 150は、補助回路 160と組み合わさることで、 4端子回路 170と終端抵抗 23とからなる集中定数回路を構成する。

[0041] 4端子回路 170は、回路素子 Zl, Z2, Z3, Z4から構成されるブリッジ T型の 4端子回路である。入力端子 171が同軸ケーブル 22を介してパルス電源 21の出力端子に接続されている。出力端子 173が終端抵抗 23の一端に接続されている。入力端子 1 72が接地されている。出力端子 174が終端抵抗 23の他端に接続されている。

[0042] また、 4端子回路 170は、回路素子 Z1の一端が入力端子 171に接続され、回路素子 Z1の他端が出力端子に接続されている。回路素子 Z2の一端が入力端子 171に接続され、回路素子 Z2の他端が回路素子 Z3の一端に接続されている。回路素子 Z 3の一端が回路素子 Z2の他端に接続され、回路素子 Z3の他端が出力端子 173に接続されている。回路素子 Z4の一端が回路素子 Z2の他端と回路素子 Z3の一端とに接続され、回路素子 Z4の他端が入力端子 172と出力端子 174とに接続されている。 [0043] ここで、終端抵抗 23の抵抗値を Rとし、回路素子 Z1のインピーダンスを Zとし、回路素子 Z2, Z3のインピーダンスを Zとし、回路素子 Z4のインピーダンスを Zとする。こ

P

の場合において、 4端子回路 170の入力インピーダンス Z は、下記の式（1)で示され

m

る。

[0044] [数 1] z ^ ZZ_P(2Z_S + Z_P) + R (Z_P(Z + Z_p) + Z_S (Z + 2Z_P))

'" Z_P(Z + Z_p) + R (Z + 2Z_P) + Z_S (Z + 2Z_P) ~

[0045] ここで、下記の式 (2)で示される条件 (以下、完全整合条件と呼称する。）を満たすとき、人力インピーダンス Zが Rになる。

in

[0046] [数 2]

[0047] なお、完全整合条件を満たす Zと Zとの解は複数存在する。ここでは、一例として、

p

下記の式（3)で示されるように、 Zと Zとの解を回路素子 Z1のインピーダンス Zを使用

p

して定義する。

[0048] [数 3]

(3) 2_S - - _! Z_p

r ^p z

[0049] ここで、図 8Bに示されるように、回路素子 Z1をキッカー電磁石 150とする。また、回路素子 Z2， Z3をコンデンサ 161 , 162とする。回路素子 Z4をコイル 163とする。この場合において、キッカー電磁石 150のインダクタンスをしとする。また、上記の式（3) から、コンデンサ 161， 162の静電容量を LZ (2R²)とし、コイル 163のインダクタンスを LZ4とする。さらに、同軸ケーブル 22の特性インピーダンスを Z =Rとすれば、 4

0

端子回路 170の入力インピーダンス Zは、周波数によらず、 Rで一定の値とすることができる。これによつて、 4端子回路 170の入力インピーダンス Zと、同軸ケーブル 2 in

2の特性インピーダンス Zとの整合を実現することができる。

0

[0050] このとき、 4端子回路 170は、パルス電圧 Vに対するパルス電流 I の周波数応答特

0 m

性が低域通過網型の周波数特性になる。その遮断角周波数は ω = 2R/Lである。また、キッカー電磁石 150に流れるパルス電流は I =V /Rである。

0

[0051] なお、キッカー電磁石 150に印加されるパルス電圧 V (Vく 40kV程度である。）が

0 0

立ち上がるまでにパルス電源 21のサイラトロンのスイッチングに要するスイッチング遅延時間 t (t〜25nsec程度である。）だけ要する。さらに、キッカー電磁石 150にパルス電流 Iが伝達されるまでに電流伝達時間 t =L/Rだけ要する。これから、最終的に、キッカー電磁石 150に磁場が立ち上がるまでの立ち上がり時間は t = t +tになる。

[0052] ここで、一例として、パルス電流を I = 6kA、立ち上がり時間 50nsec、パルス出力 m

電圧 V = 30kVとする。この場合において、終端抵抗 23の抵抗値は Rく V Zl〜5

0 0 m

Ω程度になり、キッカー電磁石 150のインダクタンスは L<R (t_t )〜0. 125 μ Η¾ 度になる。

[0053] 図 9は、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150と従来の形態におけるキッカー電磁石 15とのパルス応答の比較を示す図である。図 9に示されるように、ここでは、一例として、キッカー電磁石 150のインダクタンスを 0· 125 /i Hとし、コンデンサ 161 , 1 62の静電容量を 2. 5nFとし、コイル 163のインダクタンスを 31. 25nHとする。この場合において、パルス電源 21からスイッチング遅延時間 25nsecで 30kVのパルス電圧 Vが印加されると、立ち上がり時間 50nsecで 6kAのパルス電流がキッカー電磁石 1

0

50に流れる（グラフ 180)。これに対して、キッカー電磁石 15では、 5つに分割された磁性体コアに順次ノ^レス電流が流れ、 50nsecで立ち上がることが示されている（ダラフ 18)。

[0054] すなわち、立ち上がり時間に関しては、両者に顕著な差がみられなレ、。これにより、複雑な構造のキッカー電磁石 15の代わりに、単純な構造のキッカー電磁石 150によつても、同等の立ち上がり時間を実現することができる。

[0055] 図 10は、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150と従来の形態におけるキッカ一電磁石 15との入力インピーダンスの比較を示す図である。図 10に示されるように、従来の形態におけるキッカー電磁石 15では、遮断周波数より高い帯域においては、入力インピーダンスが周波数に依存し、整合をとることができない（グラフ 19)。しかし、本実施の形態におけるキッカー電磁石 150では、補助回路 160と組み合わさることによって、全周波数帯域に亘つてインピーダンスが 5 Ωで一定となる（グラフ 190)。このため、反射による破壊故障が起き難くなり、長期間安定して運転することが容易になる。その結果として、放射線被爆のある保守作業を軽減することできる。

[0056] 以上、本実施の形態における高速励磁装置 140によれば、キッカー電磁石 150が集中定数回路を構成する一つの回路素子として設計されているにもかかわらず、キッカー電磁石 150と補助回路 160とが組み合わさることで、原理的に全周波数帯域に亘つて入力インピーダンスを一定にすることができる。このため、 4端子回路 170と同軸ケーブル 22との間で完全な整合をとることができ、一切反射が起こらないようにすること力 Sできる。反射による破壊故障が極力さけられ、長期間に亘つて安定した運転を実現することが期待でき、放射線被爆を含む保守作業を軽減することができる。

[0057] さらに、キッカー電磁石 150と補助回路 160とは、別々に実装することができる。これにより、補助回路 160の回路素子として安価でサイズが大きい部品を利用することができ、耐電圧条件の緩和等、回路素子の製作や選別が容易になる。

[0058] さらに、キッカー電磁石 150は、キッカー電磁石 15と比べれば、構造が単純であり、部品点数が大幅に少なくて済み、キッカー電磁石 150自体の設計が飛躍的に容易になる。

[0059] さらに、キッカー電磁石 150は、従来の形態におけるキッカー電磁石 15で必要不可欠であった真空容器を必要としない。これにより、設置スペースが制限されている円形加速器 100のリングの直線部を有効に活用することができる。また、真空容器に取り付けられている端子のように、非常に高い精度を要求する部品を使用する必要がない。し力も、真空特性を劣化させる磁性体コアを大気中に設置することができるので、荷電粒子ビームが周回する円形加速器のリング内を高真空状態に維持することができ、荷電粒子ビームの不必要な損失を避けることができる。

産業上の利用可能性

[0060] 本発明は、電磁石を瞬時的に励磁することで発生させた磁場を荷電粒子ビームに作用させ、荷電粒子ビームを円形加速器に入射させる、または荷電粒子ビームを円形加速器力射出させる高速励磁装置などとして、利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 伝送線を介して接続されてレ、るパルス電源から高電圧が印加されることで高速に励磁させて荷電粒子ビームを偏向させる高速励磁装置であって、

集中定数回路の回路素子と等価であり、荷電粒子ビームの進行方向に対して貫通された空間が形成され、前記高電圧が印加されることで前記空間に磁場を瞬時に発生させ、前記空間を通過する荷電粒子ビームを偏向させる電磁石と、

前記電磁石と組み合わさって整合回路を構成し、前記整合回路の入力インピーダンスと、前記整合回路の入力端子に接続される前記伝送線の特性インピーダンスとを整合する補助回路と

を備えることを特徴とする高速励磁装置。

[2] 前記電磁石は、コイルと磁性体のコアとから構成され、前記コイルの一端に前記伝送線を介して前記パルス電源が接続され、

前記補助回路は、

前記コイルの一端に一端が接続されている第 1の回路素子と、

前記コイルの他端に一端が接続されている第 2の回路素子と、

前記第 1の回路素子の他端と前記第 2の回路素子の他端とに一端が接続されている第 3の回路素子と、

前記コイルの他端に一端が接続され、前記第 3の回路素子の他端に他端が接続されている終端抵抗と

を備えることを特徴とする請求項 1に記載の高速励磁装置。

[3] 前記終端抵抗の抵抗値を Rとし、前記電磁石のインピーダンスを Zとした場合において、

前記第 1の回路素子のインピーダンスが 2R²/Zであり、

前記第 2の回路素子のインピーダンスが 2R²/Zであり、

前記第 3の回路素子のインピーダンスが Z/4である

ことを特徴とする請求項 2に記載の高速励磁装置。