JP2005276768A

JP2005276768A - 磁場分布制御方法、磁場発生装置および加速器

Info

Publication number: JP2005276768A
Application number: JP2004092188A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Iwashita; 芳久岩下; Akira Sato; 朗佐藤; Yasushi Arimoto; 靖有本
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】安価に高い磁場分布精度を実現し得る磁場分布制御方法、磁場発生装置及びそれを用いた加速器を提供する。
【解決手段】透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極が磁場中に配置されていることを特徴とし、異方性中間磁極としては磁気異方性を持つ物質、透磁率の異なる物質の組み合わせ等であり、例えば磁場発生装置によってビームの軌道を制御する加速器において、前記磁場発生装置が、コイルの巻かれた主磁極と、主磁極によって形成される磁場分布の領域に配置され透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極とを備えることを特徴とする加速器に好適に利用される。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁場分布制御方法と磁場発生装置及びそれを用いた加速器に属し、特に磁場の精密な制御が必要な分野で好適に利用されうる。

従来、特定領域に磁場を形成するためには、（１）磁極をその磁場分布に対応した形状に加工する、（２）コイルをその磁場分布に対応するように磁極に巻き付ける、（３）主コイルの他にトリムコイルを必要本数配置する、等の方法がとられてきた。
これを、近年癌治療や加速器駆動型原子炉などの分野での利用が期待されているＦＦＡＧ(Fix Field Alternating Gradient)加速器などの円形加速器を例として説明する。図２はＦＦＡＧ加速器を示す平面図である。ＦＦＡＧ加速器１は、複数（図示は８つ）の高周波空洞２と、電磁石３とを備える。高周波空洞２は、周方向に均等に設けられ、内部に加速電極７を有する。電磁石３は、それらの高周波空洞２と交互に配置され、内周側で幅小、外周側で幅大の形状を有している。そして、円周上の一箇所に入射機構４、別の箇所に取り出し機構５がそれぞれ取り付けられている。加速器１においては入射機構４より入射した荷電粒子が高周波空洞２にて加速されてビーム６となり、電磁石３にて周方向に軌道制御されながら何度も周回し、取り出し機構５より取り出される。

電磁石３は、図４に図２のＡＡ矢視断面図（上半部のみ）で示すように、内周側で上下間隔が広く且つ周方向幅が小さく、外周側で上下間隔が狭く且つ周方向幅の大きい磁極３１を有し、上下対称形状をなしている。それぞれの磁極３１にはコイル３２が巻き付けられ、通電に伴って上下の磁極３１，３１間に磁力を生じるように構成されている。そして、磁極３１，３１間にはコイル３２とは別に個々に電流量を制御可能な複数のトリムコイル３３、３３・・・３３、３３が上段と下段とにそれぞれ径方向に置かれている。
上記の電磁石３によれば、内周側で弱い磁場、外周側で強い磁場が形成されることから、外周側を飛ぶ粒子は内周側を飛ぶ粒子よりも強いローレンツ力で大きく内側に方向転換させられる。しかもトリムコイル３３によって径方向の各位置における磁力が適当に調整される。その結果、全ての粒子が、ほぼ同じ半径の軌道を回る。

加速器において、ビーム輸送効率を高めるためには高い磁場分布精度を実現する必要がある。しかし、従来の磁石において高い磁場分布精度を実現するためには、磁極を複雑且つ高精度に加工する、コイルを高精度に配置する、電流量を微調整する、トリムコイルの本数を増やす等の手段をとらざるを得なかった。従って、装置全体が高価となっていた。また、磁極外への漏洩磁場の存在により、装置周辺に磁場の影響を受けてはならない部品を配置することができなかったり、磁力を遮蔽する壁を設けたりする必要があった。
それ故、この発明の課題は、安価に高い磁場分布精度を実現し得る磁場分布制御方法、磁場発生装置及びそれを用いた加速器を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の磁場分布制御方法は、
透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極を磁場中に配置することを特徴とする。異方性中間磁極の形状、方向及び配置は、主磁極との関係も考慮し、対象領域に目標とする磁場分布を形成するように設計される。

例えば図１（ａ）に基本的な構成形態を示すように、一方の側にＮ極（又はＳ極）１１、対向する他方の側にＳ極（又はＮ極）１２が配置されているとすると、それらの主磁極を通る中心線（これをｚ方向とする。）を軸として対称に外側に膨らんだ磁場が形成される。そこで、図１（ｂ）に示すように異方性中間磁極１３を配置すると、漏洩磁場が低減されるとともに、磁場分布精度が向上する。中間磁極１３はｚ方向の透磁率がそれと直交するｘ方向及び／又はｙ方向の透磁率よりも大きい材料からなるか、又はそのような構造を有する。

従って、この発明の磁場発生装置は、
透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極が磁場中に配置されていることを特徴とする。前記異方性中間磁極としては、方向性珪素鋼板のように磁気異方性を持つ物質からなるもの、及び透磁率の異なる物質の組み合わせからなるものが挙げられる。組み合わせとしては、一の透磁率を有する物質Ａと別の透磁率を有する物質Ｂとからなり、物質Ａと物質Ｂとが交互に積層されているものでも良いし、一の透磁率を有する物質Ａと別の透磁率を有する物質Ｂとからなり、物質Ａが格子状をなし、物質Ｂが物質Ａの格子内に埋められているものでもよい。前記磁場は、電流の流れより発生するものでも、永久磁石により発生するものでもよい。
この磁場発生装置によれば、磁場が異方性中間磁極によって規制され、漏洩磁場も低減される。主磁極及び中間磁極の配置は、上記のような互いに平行である構成の他に、図１（ｃ）に示すように主磁極が互いに直交し、中間磁極がそれらの間に配置されていても良く、特に限定されない。

また、上記課題を解決するために、この発明の加速器は、
磁場発生装置によってビームの軌道を制御する加速器において、
前記磁場発生装置が、コイルの巻かれた主磁極と、主磁極によって形成される磁場分布の領域に配置され透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極とを備えることを特徴とする。
この加速器によれば、粒子の方向を転換させる電磁石等の磁場発生装置が上記の構成を有するので、磁場分布精度が向上し、漏洩磁場も低減され、対象領域に目標とする磁場がほぼ正確に反映される。その結果、ビーム輸送効率も向上する。

異方性中間磁極を配置するだけで高い磁場分布精度を実現し、漏洩磁場も低減することができる。また、これにより磁石を必要とする装置全体が安価になる。

−実施形態１−
以下、この発明を実施形態の円形加速器に基づいて具体的に説明する。
実施形態に係る円形加速器は、従来と同じく図２に示す平面視形状を有するＦＦＡＧ加速器である。電磁石３は、図３（ａ）に拡大平面図、図３（ｂ）にそのＡＡ矢視断面図（上半部のみ）、図３（ｃ）にＢＢ矢視断面図（同左）、図３（ｄ）にＣＣ矢視断面図（同左）で示すように、平面視では従来と同形であるが、断面視では異なる。よって、従来と同形同質の要素については同じ符号を付して説明に代えることとし、相違点について以下に詳述する。尚、各断面視において下半部は上半部と対称に表れるので図示を省略する。

この実施形態では上段のトリムコイル３３の直下と図略の下段のトリムコイルの直上とに異方性中間磁石３４が置かれている。異方性中間磁石３４は、平面視で磁極３１に沿って内側に幅小、外側に幅大のほぼ台形状、断面視で長方形状をなす。そして、中心軸方向の透磁率が径方向の透磁率よりも大きい。このような異方性中間磁石３４は、図５に示すように透磁率の大きい物質（ハッチング部分）と透磁率の小さい物質（白抜き部分）とを径方向に交互に積層することで実現可能である。尚、中心軸方向の透磁率が径方向の透磁率及び周方向の透磁率のいずれよりも大きい異方性中間磁石は、図６に示すように断面視で透磁率の小さい格子状の物質とその間に埋められた透磁率の大きい物質とを組み合わせることにより実現可能である。

加速器１においては電磁石３は、磁場の垂直成分（中心軸方向の成分）Ｂｚが径方向位置ｒに対してＢｚ∝ｒ^kの関係を満たし、次式で定義されるlocal_kのｒによらずほぼ一定であること即ちlocal_kのばらつきがｒによらず１％以内となることが要求される。

そこで、異方性中間磁極を配置した場合としていない場合とで、磁場の数値計算を行い、中間磁極の有無による磁場分布精度の差異を調べた。計算の条件は以下の通りである。異方性中間磁極を配置した場合の計算結果を図７、配置していない場合の計算結果を図８に示す。

［計算条件］
計算コード: PANDIRA (POISSON/SUPERFISH Group Programs)
主磁極幅:158 cm (r=442〜600cm)
主磁極面と中間平面との距離（中間磁極を挿入した時）： 38(r/500)^-5.7+10 cm
主磁極面と中間平面との距離（中間磁極を挿入しない時）： 34(r/500)^-5.4 cm
中間磁極幅：155 cm
中間磁極厚さ：10 cm
中間磁極下面と中間平面（軸方向の中心位置を通る径方向の平面）との距離：17 cm
中間磁極に異方性を入れた場合の水平方向のパッキングファクター（水平方向に透磁率の小さい物質と透磁率の大きい物質を積層して行った時に、中間磁極の全幅に対する磁性体の層の占める割合）：0.5
メインコイルの電流(中間磁極有り)：310,000 A
メインコイルの電流(中間磁極無し)：300,000 A
メインコイルのサイズ（断面）：高さ80.2 cm、横幅12.8 cm
中間平面からメインコイル底面までの高さ(中間磁極を挿入した時)：32.2 cm
中間平面からメインコイル底面までの高さ(中間磁極なしの時)：22.2 cm
メインコイルと磁極の間隙：14.8 cm
トリムコイルの配置方法 : r=500 cmを中心にして左右に等間隔に振り分ける。
中間平面からトリムコイル底面までの高さ(中間磁極を挿入した時)：27 cm
中間平面からトリムコイル底面までの高さ(中間磁極なしの時)：17 cm
トリムコイル４本の場合
各トリムコイルの間隔 : 25 cm
トリムコイルのサイズ（断面）: 高さ 3.2 cm, 幅19.5 cm
各トリムコイルの電流（ｒの小さい位置から）：−１１１００Ａ，−１１７００Ａ，−１２３００Ａ，−１２９００Ａ
トリムコイル１０本の場合
各トリムコイルの間隔：10 cm
トリムコイルのサイズ（断面）: 高さ 3.2 cm, 幅 7.8 cm
各トリムコイルの電流（ｒの小さい順に）：−４３６８Ａ，−４４６４Ａ，−４５６０Ａ，−４６５６Ａ，−４７５２Ａ，−４８４８Ａ，−４９４４Ａ，−５０４０Ａ，−５１３６Ａ，−５２３２Ａ

図７及び図８に見られるように、中間磁極を配置することにより、配置していない構成に比べてトリムコイルが４本の場合も１０本の場合もlocal_kの値の径方向に対するバラツキが小さくなっていることから、磁場分布精度が著しく向上していることが明らかである。特に中間磁極を配置しなければｚが大きくなるにつれて即ち位置が垂直方向上方もしくは下方にずれるにつれてlocal_kの値が径方向の位置によって大きく変動している。これに対して中間磁極を配置した場合は、ほとんど変動していない。従って、中間磁極を配置することにより磁場分布精度を損なわずにトリムコイルの本数を減らすことが可能といえる。

−実施形態２＆３−
この発明の磁場発生装置である電磁石の第二及び第三の実施形態を図面とともに説明する。図９及び図１０は、それぞれ第二実施形態及び第三実施形態の電磁石の上半部を示すｚ方向断面図である。図１１及び図１２は、それぞれ第一比較形態及び第二比較形態の電磁石の上半部を示すｚ方向断面図である。いずれも下半部は上半部と対称に表れる。図中の細い曲線は磁力線である。
電磁石２０は、上方に位置する幅の広い肉厚の主磁極（Ｎ極又はＳ極）２１と、主磁極２１の一端に連なり下方に延びて図略のもう一方の主磁極（Ｓ極又はＮ極）と接続する幅の狭いヨーク２２と、コイル２３と、中間磁極２４とを備える。尚、図１２の第二比較形態では中間磁極は備えられていない。両主磁極とヨーク２２とは一体で、ヨーク２２と反対側が開いた片口形状をなしている。コイル２３は、主磁極２１における上下方向の中心線を中心として主磁極２１の周囲に巻き付けられている。

中間磁極２４は、図９の第二実施形態ではｚ方向の透磁率μｚに対してｘ方向即ち主磁極の幅方向（図面の左右方向）の透磁率μｘが十分小さい異方性を有する。図１０の第三実施形態ではヨーク２２側の三分の二は透磁率に方向性の無い等方性材料からなり、残り三分の一が第二実施形態と同じく異方性材料からなる。図１１の第一比較形態の中間磁極は全体が等方性材料からなる。
これらの４つの磁石について位置ｘにおける垂直磁場成分Ｂｚを次の条件で計算した。計算結果を打点したグラフを図１３に示す。図１３において、等方性材料と異方性材料との境界はｘ＝８０の位置である。
［計算条件］
計算コード: PANDIRA (POISSON/SUPERFISH Group Programs)
主磁極の径方向幅: 60 cm
主磁極面と中間平面（軸方向の中心位置を通る径方向の平面）との距離（中間磁極を挿入した時）: 30 cm
主磁極面と中間平面との距離（中間磁極を挿入しない時）: 20 cm
中間磁極幅：60 cm
中間磁極厚さ：10 cm
上段（下段）の中間磁極の下面（上面）と中間平面との距離：15 cm
中間磁極に異方性を入れた場合の水平方向のパッキングファクター（水平方向に交互に透磁率の小さい材料と大きい材料とを積層した時に、中間磁極の全径方向幅に対する磁性体の層の占める割合）：0.5
メインコイルに流れる電流：30,000 A
メインコイルのサイズ（断面）：高さ30 cm、横幅10 cm
中間平面からメインコイル底面までの高さ(中間磁極を挿入した時)：25 cm
中間平面からメインコイル底面までの高さ(中間磁極なしの時)：15 cm
メインコイルと主磁極の間隙：5 cm

図１３に示されるように、異方性中間磁極を備えた第一実施形態と中間磁極の無い第二比較形態とを対比することにより、異方性中間磁極を配置することで漏洩磁場が低減されていることがわかる。また、第一比較形態と第二比較形態とを対比することにより、たとえ中間磁極を配置しても中間磁極が等方性材料からなる場合はかえって漏洩磁場を増すことがわかる。更にまた、中間磁極の全体が異方性材料からなる第一実施形態と外側の一部のみ異方性材料からなる第二実施形態とを対比することにより、外側部のみ異方性にすることで漏洩磁場が低減され且つ内側部の磁場が均一になることがわかる。

この発明の作用を説明するための磁石の構成図であり、（ａ）は中間磁石を備えていない構成、（ｂ）は異方性中間磁石を備えた構成、（ｃ）は異方性中間磁石を備えた別の構成である。円形加速器の平面図である。円形加速器に用いられる実施形態の電磁石に係わり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその上半部におけるＡＡ矢視断面図、（ｃ）は同じくＢＢ矢視断面図、（ｄ）はＣＣ矢視断面図である。円形加速器に用いられる従来の電磁石を示す断面図である。第一実施形態の電磁石に用いられる異方性中間磁石を示す断面図である。第一実施形態の電磁石に用いられるもう一つの異方性中間磁石を示す断面図である。上記電磁石の磁場の径方向分布を示すグラフである。従来の電磁石の磁場の径方向分布を示すグラフである。第二実施形態の電磁石の上半部を示す断面図である。第三実施形態の電磁石の上半部を示す断面図である。第一比較形態の電磁石の上半部を示す断面図である。第二比較形態の電磁石の上半部を示す断面図である。第一、第二実施形態及び第一、第二比較形態の垂直磁場成分を打点したグラフである。

符号の説明

１１、１２主磁極
１３、３４中間磁極
１円形加速器
２高周波空洞
３電磁石
３１磁極
３２コイル
３３トリムコイル

Claims

透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極を磁場中に配置することにより磁場分布を制御する方法。
透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極が磁場中に配置されていることを特徴とする磁場発生装置。
前記異方性中間磁極が、磁気異方性を持つ物質からなる請求項２に記載の磁場発生装置。
前記磁気異方性を持つ物質が、方向性珪素鋼板である請求項３に記載の磁場発生装置。
前記異方性中間磁極が、透磁率の異なる物質の組み合わせからなる請求項２に記載の磁場発生装置。
前記組み合わせが、一の透磁率を有する物質Ａと別の透磁率を有する物質Ｂとからなり、物質Ａと物質Ｂとが交互に積層されている請求項５に記載の磁場発生装置。
前記組み合わせが、一の透磁率を有する物質Ａと別の透磁率を有する物質Ｂとからなり、物質Ａが格子状をなし、物質Ｂが物質Ａの格子内に埋められている請求項５に記載の磁場発生装置。
前記磁場が、電流の流れより発生する請求項２に記載の磁場発生装置。
前記磁場が、永久磁石により発生する請求項２に記載の磁場発生装置。
２つ以上の主磁極を有する請求項８又は９に記載の磁場発生装置。
磁場発生装置によってビームの軌道を制御する加速器において、
前記磁場発生装置が、コイルの巻かれた主磁極と、主磁極によって形成される磁場分布の領域に配置され透磁率が１つ以上の方向において異なる異方性中間磁極とを備えることを特徴とする加速器。