JP2015220014A - 磁場発生箇所の磁場を任意に変化させる磁場変化機構を具備する磁場発生装置及び磁場調整方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】電力や冷却水を不要として、維持コストを低減し、電源や冷却水に起因するトラブルを解消し、簡易な構造であり、磁場勾配を有する複合機能磁石等にも適用可能で、大幅かつ不均一に磁場を変化させることができる磁場変化機構を提供する。【解決手段】中央に磁極１、磁極１の両側に永久磁石２、永久磁石２の外側に磁性体３、磁場発生箇所とは反対側に外部磁性体プレート１０がそれぞれ配置されており、外部磁性体プレート１０は、磁性体３の上面に設けられた外部磁性体駆動軸１５に取り付けられ、Ｙ方向に移動可能である。磁極１を移動させずに、外部磁性体プレート１０を移動させることで、発生磁場を任意に変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、磁場を大幅かつ不均一に変化させる機構を具備する双極磁石に関し、特に外付けされた磁性体プレートを移動させることによって、永久磁石が生成する磁場を任意に変化させる機構を具備する双極磁石を含む磁場発生装置に関する。

通常、大幅な磁場の変化が必要な双極磁石には、電磁石が用いられている。電磁石を用いる場合には、磁場を作る電流が必要であり、且つ、強磁場の場合は大電流を冷却する水も必要となる。たとえば、大型加速器施設の場合、磁石による年間消費電力が膨大となり、冷却水に起因する好ましくないジッターやドリフトが存在する。また、電源や冷却水系の故障による磁場停止の問題が避けられず、機器の信頼性及び安全性に重大な影響を与えている。

永久磁石による双極磁石も存在するが、磁石製作や調整時にシムによって磁場を微調整するか、あるいは磁石全体を移動させてギャップを開閉して磁場強度及び磁場分布を変える手法が用いられている。永久磁石を用いる場合には、電磁石の場合に必要となる電流や冷却水が不要であるが、通常の利用時に磁場を大きく変えることができない。磁石全体を移動させてギャップを開閉する手法では、強力な磁場吸引力に抗う複雑且つ高価な構造が必要となる。また、たとえば水平方向に双極磁場の傾きを有する複合機能型磁石（Combined magnet）、あるいは、荷電粒子の進行方向（Ｚ方向）に任意の磁場勾配を有する磁石（Longitudinal gradient bend）など、何れかの方向に向かって磁場の傾きを有する磁石を製作する場合には、従来のようにギャップの開閉によって磁場を変化させる（特許文献１）と、磁極自体が動くため、磁場分布自体が変わってしまい、上述のような任意の磁場の傾きを有する磁石には適用できない。昨今、次世代放射光源あるいは粒子線ガン治療器をはじめとする新規加速器開発において、その内部で荷電粒子の進行方向を所望のとおりに導く双極磁石、およびそれに含まれる種々の磁石の中には、旧来のような単純な構造、つまり磁極が並行、且つ磁場が一定な構造ではなく、複雑な磁場分布を有する磁石が必要とされてきている。更に、昨今、これらの装置において、その省電力化は重要な要求性能である。

これまでに提案されている磁場調整方法は、製作時に生じる磁場のバラツキを改善して均一な磁場を得ることを目的としている（特許文献１〜２）。複雑な磁場分布を有する磁石を用いて、任意の磁場勾配を変化させる磁場調整方法は得られていない。

特開平5-152120号公報 特開平10-162998号公報

本発明は、電力や冷却水を不要として、維持コストを低減し、電源や冷却水に起因するトラブルを解消し、簡易な構造であり、複合機能磁石をはじめとする磁場勾配を持った双極磁石に対し、所望の磁場に変化させる機構を提供することを目的とする。

本発明によれば、永久磁石による双極磁石において下記態様の磁場変化機構を具備する磁場発生装置が提供される。
［１］永久磁石を用いた双極磁石において、一対あるいは複数対から構成される外部磁性体プレートの位置を変化させることで、磁場発生箇所の磁場を任意に変化させる磁場変化機構を具備することを特徴とする、磁場発生装置。
［２］前記磁場変化機構は、前記外部磁性体プレートと、外部磁性体プレートを移動可能に取り付ける外部磁性体プレート駆動用軸と、を具備することを特徴とする、［１］に記載の磁場発生装置。
［３］前記双極磁石は、磁極が並行に向き合う双極磁石、水平方向に双極磁場の傾きを有する複合機能磁石（Combined magnet）、又は荷電粒子の進行方向に任意に磁場分布を変化させることができる任意の磁極形状を有する磁石（Longitudinal gradient bend）である、［１］又は［２］に記載の磁場発生装置。
［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の磁場発生装置を用いて、磁束経路を漏洩させて、磁極を移動させずに、漏れ磁場に外部磁性体プレートを近接させ又は離隔させて磁場発生位置の磁場強度を任意に変化させることを特徴とする、磁場調整方法。

前記磁場変化機構は、複数の外部磁性体プレート駆動用軸と、各外部磁性体プレート駆動用軸にそれぞれ移動可能に取り付けられている複数の外部磁性体プレートであって、隣接する外部磁性体プレート同士が可動的に連結している外部磁性体プレートと、を具備するものでもよい。

本発明によれば、永久磁石を用いているため、電流や冷却水が不要であり、維持コストを低減でき、電源や冷却水に起因するトラブルを解消することができる。

本発明の磁場調整方法によれば、外部磁性体プレートに大半の磁場を流して磁場発生位置に流さない状態から、外部磁性体プレートに磁場を流さず磁場発生位置に大半の磁場を流す状態まで、広範囲にわたり、磁場を大幅かつ不均一に任意に変化させることが可能である。

本発明の磁場調整方法は、磁極を移動させないため、複合機能磁石に代表される磁場勾配を持った双極磁石にも適用可能である。

本発明の磁場調整方法は、ギャップ間の磁場よりも非常に小さい漏れ磁場を利用するため、外部磁性体プレートの駆動が容易であり、簡易且つ安価な構造とすることができる。

本発明の双極磁石を含む磁場発生装置の基本構成を示す正面図である。 図１に示す双極磁石における磁場を変化させる状態を示す説明図である。 図２に示す磁場変化において、外部磁性体プレートの移動距離と磁場との関係を示すグラフである。 磁極を複合機能磁石とし、１対の外部磁性体プレートで磁場を変化させる場合の基本構成を示す正面図である。 複数の外部磁性体プレートが複数の外部磁性体駆動用軸に取り付けられている態様を示す側面図である。

好ましい実施形態

以下、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に、本発明の磁場変化機構を具備する双極磁石を含む磁場発生装置の基本構成を示す。なお、当業者には周知のように、双極磁石は対称線を中心として線対称の構造を有するため、半分のみを示す。

図１の双極磁石は、中央に磁極１、磁極１の両側に永久磁石（ＰＭ）２、永久磁石２の外側に磁束漏洩遮蔽体としての磁性体３、磁場発生箇所とは反対側に外部磁性体プレート１０がそれぞれ配置されてなる。図１において、外部磁性体プレート１０は、磁性体３の上面に設けられた外部磁性体駆動軸１５（図４及び図５参照）に取り付けられており、図中Ｙ方向に移動可能である。

図４は、磁極１Ａとして、Ｘ方向に傾斜する表面を有する複合機能磁石を用いた点を除き、図１と同じ構成である。

磁極１としては、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、及びこれらを単独又は組み合わせで含む合金（パーメンジュール等）による磁性体を制限なく用いることができる。ただし、単体の磁石内において、上記磁性体が複数種類で構成されても、単一種類で構成されても良い。

磁極１の形状は、上面と底面とが平行な形状に限定されず、図中Ｘ方向又はＺ方向に傾斜する磁石（複合機能磁石等）でも良い。

永久磁石２としては、ネオジウム磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等の永久磁石を制限なく用いることができる。

磁性体３としては、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、及びこれらを単独又は組み合わせで含む合金（パーメンジュール、軟鉄等）による磁性体を制限なく用いることができる。

外部磁性体プレート１０は、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、及びこれらを単独又は組み合わせで含む合金（パーメンジュール、軟鉄等）による磁性体を制限なく用いることができる。外部磁性体プレート１０は１枚（上下で１対）の大面積の板でもよいし、あるいは図５に示すように複数の磁性板を並べた形状でもよい。外部磁性体プレート１０の厚みは、十分に磁場を変化できる程度（数センチメートル以上）であることが望ましいが、これに限定されない。

外部磁性体駆動軸１５は、外部磁性体プレート１０を所定高さ位置に保持できるものであれば特に制限されない。たとえば、外部磁性体駆動軸１５の外周面にネジ溝を設け、外部磁性体プレート１０を所望の方向（図５中、通常は上下方向）に駆動させる機能を有していてもよい。

外部磁性体プレート１０の位置調整は、上述の通り外部磁性体駆動軸１５の回転等を用いるか、あるいは、別途設置されたネジ機構などの位置調整用機構（図示せず）を用いて行うことができる。外部磁性体プレート１０の位置調整は、人力で行うか、あるいはモーター等の機械を用いて行うことができる。現場で位置調整を行うか、あるいはＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）等の遠隔制御装置を用いて遠隔に行うこともできる。位置調整後は、調整機構を固定する、あるいは外部磁性体プレート１０を固定して動かないようにする固定器具を用いることで、外部磁性体プレート１０の位置を保持する。

図５は、双極磁石を含む磁場発生装置の側面図であり、磁性体３の上面に複数の外部磁性体駆動用軸１５が取り付けられている態様を示す。各外部磁性駆動用軸１５ａ〜１５ｅには、それぞれ外部磁性体プレート１０ａ〜１０ｅが取り付けられている。各外部磁性体プレート１０ａ〜１０ｅは、それぞれが独立に位置を変化させることができ、特定の方向に対し、磁性体３からの距離を徐々に大きく、あるいは小さく変化させることができる。あるいは、各外部磁性体プレート１０ａ〜１０ｅを異なる高さ位置に配置することで、特定の方向に対し、磁性体３からの距離を任意に変化させることができ、任意の磁場分布を形成することができる。図５では、Ｚ方向に傾斜した距離とすることで、Ｚ方向に磁場勾配を有する磁場分布を生成している（図５下グラフ参照）。また、磁性体３を、比透磁率の低い磁性体、あるいは、磁性体３を複数のパーツに分割し、各パーツ間に空気層など強磁性を持たない材質を介在させることで、より効果的に磁場勾配をつくることができる。

図１を参照しながら、本発明の磁場調整方法を説明する。永久磁石（ＰＭ）２によって励磁された磁場は、磁極１を介して磁場発生箇所に磁場を形成し、再び磁極（図示せず。磁石の下半分にある磁極）を通り、リターンヨークとして機能する磁性体３を介して永久磁石（ＰＭ）２に戻る。磁場の流れ（磁束）は、必ず閉軌道（ループ）を形成する。この際、磁場発生箇所とは反対側の外部磁性体プレート１０側に、磁場を閉じ込める遮蔽体（磁性体）を設けないことで、外部磁性体プレート１０側に磁場を漏洩させることができる。次いで、外部磁性体駆動用軸１５によって外部磁性体プレート１０の位置を変化させることで、磁場発生箇所の磁場を連続して広範囲にわたって変化させることができる（図３）。なお、本発明においては、従来のギャップ開閉方式とは異なり、磁極を一切動かさない。

数値計算結果の一例を図２及び３に示す。この図では、磁極１、磁性体３、および外部磁性体プレート１０に軟鉄を用い、永久磁石（ＰＭ）２にネオジウム磁石を用いている。磁性体３の厚み（図２の上下方向の高さ）を１５センチメートルとし、外部磁性体プレート１０の厚みを５センチメートルとしている。図３の「5cm thickness」は、この外部磁性体プレートの厚みを意味している。つまり、図３は、５ｃｍ厚の外部磁性体プレートの位置を変化させた場合の磁場の変化を示す。図３では、外部磁性体プレート１０の位置（Outer plate position (y) [mm]）（図２中、上下方向の位置）を横軸とし、磁場発生箇所における磁場（Magnetic field By [T]）を縦軸に示している。横軸の値は、磁性体３の厚みが１５センチメートルのため、外部磁性体プレート１０を磁性体３に最も近づけた時を１５センチメートルとしている。図３より、外部磁性体プレート１０の位置変化に応じて、磁場発生箇所における磁場は大きく且つ連続的に変化することが明かである。

図４に示すＸ方向に傾斜した磁極１Ａの場合の磁場の変化方法を説明する。本方法では、磁極の形状、傾きによらず磁場を変化させることができる。図４に示す場合も、外部磁性体プレート１０の位置を上下させるだけで、磁場発生箇所の磁場を変化させることができる。この際、Ｘ方向に傾斜した磁極１Ａでは、磁場発生箇所に磁場の傾き（図４の場合、磁場発生箇所である黒丸の左側は磁場が強く、右側は磁場が弱い）が存在する。本発明の方法では、この磁場の傾きは一切変えずに、磁場の値だけを変えることができる。この点、従来のギャップ駆動方法による磁場調整方法では、黒丸の位置の磁場を変化させると、磁場の傾き（黒丸の周辺の磁場分布）も自動的に変わってしまうことと大きく異なる。

Claims (4)

1. 永久磁石を用いた双極磁石において、磁極を移動させずに、一対あるいは複数対から構成される外部磁性体プレートの位置を変化させることで、磁場発生箇所の磁場を任意に変化させる磁場変化機構を具備することを特徴とする、磁場発生装置。
2. 前記磁場変化機構は、前記外部磁性体プレートと、外部磁性体プレートを移動可能に取り付ける外部磁性体プレート駆動用軸と、を具備することを特徴とする、請求項１に記載の磁場発生装置。
3. 前記双極磁石は、磁極が並行に向き合う双極磁石、水平方向に双極磁場の傾きを有する複合機能磁石（Combined magnet）、又は荷電粒子の進行方向に任意に磁場分布を変化させることができる任意の磁極形状を有する磁石（Longitudinal gradient bend）である、請求項１又は２に記載の磁場発生装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の磁場発生装置を用いて、磁束経路を漏洩させて、磁極を移動させずに、漏れ磁場に外部磁性体プレートを近接させ又は離隔させて磁場発生位置の磁場強度を任意に変化させることを特徴とする、磁場調整方法。