JP4066351B2 - 固定磁界交番勾配加速器用電磁石 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いる固定磁界交番勾配型で円形磁気誘導（ベータトロン）加速方式の固定磁界交番勾配加速器に用いられる電磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかる環状加速器は、固定磁界交番勾配（ＦＦＡＧ：Fixed Field Alternating Gradient）型の加速器（以下、ＦＦＡＧ加速器とも言う）であり、小型、高出力という特徴を持っている。ＦＦＡＧ加速器とは、その名の通り粒子を軌道に導く電磁石が、固定磁場（Fixed Field）で隣同士に極性の異なる電磁石を配した構造を持っている。
【０００３】
電磁石においては、ＮＳ−ＮＳ−ＮＳ・・・の様に、交互に磁極を配置し、Ｎ極とＳ極との間に入射部、加速部などを配置する場合と、ＮＳＮ−ＮＳＮ−ＮＳＮ・・・の様に、３つの電磁石を一組とし、その間に入射部、加速部等を配置する場合とがある。
【０００４】
前者の例としては、電子加速のため米国のＭＵＲＡ（Midwestern Universities Research Association）で試作された例がある（例えば、非特許文献１参照）。後者の例としては、アメリカ電気・電子通信学会加速器会議で提案されたものがある。
【０００５】
【非特許文献１】
エフ・ティー・コール(F.T.Cole),外４名,“ザ レビュー オブ サイエンティフィック インストロメンツ(THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS) ボリュウーム２８(Vo1.28) ナンバー６(Num.6)”,（米国）,アメリカ物理学会(American Institute of Physics),１９５７年,ｐ．４０３−４２０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の文献に見られるように、従来のＦＦＡＧ加速器では、電磁石を一つ一つ独立として、もしくは、３個一組の電磁石を一つのユニットとして製作し、組立工程において、相互のユニット間の位置合わせを行って作製する。一方で、これらの電磁石は、１００μｍ以下の精度で相互に位置を調整する必要があるため、調整作業に多大な時間を費やしていた。さらに、磁極自体の加工精度も数十μｍ以下の精度を要求されるため、製造工程が高コストになっていた。
【０００７】
また、このＦＦＡＧ加速器において、対向する磁極間で荷電粒子を加速するため、この磁極間の空間を真空にする必要がある。このため、環状真空容器を対向する磁極間に配し、その中で荷電粒子を加速する構成を用いている。一方で、電磁石は磁極間に必要な磁場強度を発生させるため、磁極間の空間にほぼ比例した電流で励磁される。そして、装置の消費電力を下げるために対向する磁極間の空間は狭い方がよい。このため、大気圧に耐えられる範囲で、真空状真空容器を出来るだけ薄く構成するのが望ましいが、あまり薄いと大気圧に耐えられないという問題があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、磁極の大半を一体して成形することにより、磁極間の相対位置の精度をあげ、調整作業を簡素化することができ、また、磁極の基本形状の加工が容易でコストダウンを図ることができ、さらには、磁極を環状真空容器一部として用いることで、対向する磁極間の空間を狭くすることができ、そのため、励磁電流を小さくでき、消費電力を抑制できる、固定磁界交番勾配加速器用電磁石を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る固定磁界交番勾配加速器用電磁石は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路が内部に形成された環状真空容器と、環状真空通路の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段と、環状真空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状真空容器の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極が一体に形成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を用いたビーム加速装器の上面図である。図２は図１のビーム加速装器のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。図３は図２のビーム加速装器の断面図の電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。図４は図３の電磁石の磁極に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。図５は電磁石が共通架台上に一体に固定された様子を示す斜視図である。
【００１１】
本実施の形態のビーム加速装器は、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装器である。図１及び図２において、ビーム加速装器は、環状を成す環状真空容器１を有している。環状真空容器１は、ステンレス或いは鉄でなる薄板が接合されて作製され円形環状をなし、内部に断面楔型の密閉空間が形成された密閉空間を有している。この密閉空間は真空に保持され荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａとされている。環状真空通路１ａの断面の形状は、径方向において内径側から径方向外側に向かって幅（高さ）が徐々に小さくなる概略楔型を成している。
【００１２】
環状真空容器１には、環状真空容器１の円周方向に沿って６個の偏向用の電磁石２が所定の間隔を空けて等間隔に配設されている。６個の電磁石２は、断面楔型の環状真空容器１を所々で取り囲むようにして設けられている。この固定磁界交番勾配加速器用電磁石２（以下、ＦＦＡＧ電磁石、或いは単に電磁石とも言う））は、環状真空容器１の上下２主面に各々対向する２つの磁極２１、２２を有している。２つの磁極２１、２２は、環状真空容器１を挟んで上下に対向して配置され、環状真空通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭めるように設けられている。２つの磁極２１、２２は中央部でさらに互いに間隔を狭めるように断面形状が中央部で凸の湾曲形状とされている。
【００１３】
２つの磁極２１、２２には、図３及び図４に示すように、それぞれコイル２３、２４が巻回されている。２つのコイル２３、２４は、同じ巻回方向で巻かれている。そして、電磁石２は、電源１３からコイル２３、２４に電力を供給されて図３に太線矢印で示すような磁力を発生する。一対の磁極２１、２２の間隔が広がると磁束密度が粗となり磁力が弱くなる。逆に間隔が狭まると磁束密度が密となり磁力が強くなる。つまり、固定磁界交番勾配磁場発生手段である電磁石２の作り出す磁場は、半径方向に内径側から外径側に徐々に小から大となる固定の強さの固定磁場である。この固定磁場は、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に移動される変動磁場と逆の関係にあるものである。電磁石２は、この磁場によって荷電粒子ビームの移動方向を所定の曲率半径で偏向させる。そして、電磁石２は、荷電粒子ビームを環状真空通路１ａ内の所定の周回軌道上に誘導する。
【００１４】
図１に戻り、環状真空容器１の円周方向の一箇所に環状真空容器１を囲繞するように加速ギャップ３が設けられている。加速ギャップ３が設けられた部分の環状真空容器１は、加速電場を発生する為に円周方向に直角な面で分断され、分断箇所は所定の隙間を持って離されている。そして、加速ギャップ３は、セラミック等で作成された短尺円筒状の部材を有し、この円筒部材で該隙間を覆うようにして分断された部分の環状真空容器１を密閉して連結している。そして加速ギャップ３は、このセラミック円筒部材の内側の空間に荷電粒子ビームの加速電場を誘起する。
【００１５】
また、環状真空容器１の円周方向の二箇所で該環状真空容器１を取り囲むようにして一対の加速コア４が設けられている。一対の加速コア４は環状真空容器１の中心に対して対象に配置されている。２つの加速コア４には、それぞれ加速コア駆動電源１２から駆動電流を供給するコイル５が１回巻かれている。
【００１６】
各々の加速コア４には、加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電流を供給されるコイル５が一巻き巻かれている。２つの加速コア４は環状真空容器１を介して加速ギャップ３と電気的に接続されている。加速コア４はコイル５を介して加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電力を供給され内部の磁束を変化させる。この磁束の変化は、電磁誘導の法則にしたがって加速ギャップ３に加速電場を発生させる。
【００１７】
図１に戻り、環状真空容器１の所定の位置に、電子を発射する電子銃６が設けられている。電子銃６には、発射された電子を環状真空容器１内に導く静電偏向器７が接続されている。一方、電子ビームの出口８には、電子が加速されてなる高エネルギー電子ビーム９が衝突する位置にＸ線変換ターゲット１０が配置されている。高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０を通過することによりＸ線１１となる。
【００１８】
次にビーム加速装器の動作を示す。電子銃６により生成された電子は、静電偏向器７により環状真空容器１の中の周回軌道に誘導される。電子は電磁石２により生成されたフィールド磁界により偏向され、周回軌道上に閉じこめられる。この周回軌道には加速ギャップ３設けられており、加速コア４内の磁束が変化するとき、電磁誘導の法則により加速ギャップ３に加速電場が発生する。この加速電場によって電子は周回を重ねる毎に加速され、高エネルギー電子ビーム９となる。そして環状真空容器１から引き出される。引き出された高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０に照射されＸ線１１に変換される。
【００１９】
次に加速ギャップ３が誘起する加速電場の印加方法について説明する。本発明に係るビーム加速装器は、ベータトロン加速方式のものであり、加速ギャップ３にかかる交番電界の加速フェーズの間を周回電子が何度も通過することで、該電子は高エネルギーをえる。そして、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。
【００２０】
図５は電磁石２が共通架台１４上に一体に固定された様子を示す斜視図である。尚、図５は全体の半分のみの電磁石２及び共通架台１４を示しているが、実際には円形の共通架台１４に６個の電磁石２が固定される。また、図５において、電磁石２及び共通架台１４以外の部材は省略されている。
【００２１】
従来、電磁石２は加速器が設置される設置場所に運ばれてから共通架台１４上に固定されていた。本実施の形態の電磁石２は、工場内にて作製された後、共通架台１４上に載置されて、この状態で位置合わせをされて共通架台１４に固定されることにより相互に一体化される。このように、複数の電磁石２を共通架台１４の１つの面上に載置することで、電磁石２間の相対位置を高精度に合わせることが可能となり、現地組立作業を大幅に簡略化することができる。
【００２２】
また、電磁石２は重量が大きいので、共通架台１４は重力によって撓むが、この撓みによる誤差については、工場にて電磁石２を共通架台１４に仮固定した際に相対誤差を測定し、電磁石２と共通架台１４の間に適当な厚みのスペーサ薄板を挟んで相対位置を補正することで解消することができる。
【００２３】
このように構成された固定磁界交番勾配加速器用電磁石である電磁石２０は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａが内部に形成された環状真空容器１と、環状真空通路１ａの円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路１ａ内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段２と、環状真空容器１の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップ３と、環状真空容器１の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップ３を介して加速電場を発生する加速コア４とを備え、加速コア４に印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石２であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極２２が一体に形成されている。そのため、磁極２２間の相対位置の精度をあげることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【００２４】
尚、本実施の形態の電磁石２は６個が共通架台１４上に一体に固定されるものであるが、４個、８個、１２個等一体に固定されるものであってもよい。
【００２５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２の加速器用電磁石を搭載する加速器の一部を断面とする上面図である。図７は図６の加速器の一部を断面とする側面図である。尚、図６は図に向かって右半分を図７のVI-VI線に沿う矢視断面図としたものであり、図７は図に向かって右半分を図７のVII-VII線に沿う矢視断面図としたものである。本実施の形態の加速器は、真空容器一体型電磁石２０を有している。本実施の形態の真空容器一体型電磁石２０は、中空のドーナツを、中心軸線を含む面で半分に切断したような形状をなし、そして、この半円弧状の真空容器一体型電磁石２０が向き合わせるように接合されて環状真空通路１ａが形成されている。２つの半円弧状の真空容器一体型電磁石２０は、２箇所の接合に各々加速ギャップ３を形成しながら接合される。
【００２６】
真空容器一体型電磁石２０は、図７のVI-VI線が示す面にて分割された図７の上側に示す第１一体型電磁石２０Ａと図７の下側に示す第２一体型電磁石２０Ｂとが分割面を密閉状態に接合されて作製されている。すなわち、図６の図に向かって右半分は、第２一体型電磁石２０Ｂを分割面側から見た図である。第２一体型電磁石２０Ｂの内側には、工作機械にて削り出されて複数の磁極が形成されている。図８はその削り出された磁極の部分のみを示す斜視図である。
【００２７】
以下、第２一体型電磁石２０Ｂの作製方法を説明するが、第２一体型電磁石２０Ｂと面対称の第１一体型電磁石２０Ａも同様の方法で作製される。２つの第２一体型電磁石２０Ｂは、円環状の部材から工作機械によって削り出すことにより容易に作製することができる。まず、円環状の部材に対して旋盤を使って磁極２２表面の湾曲面が全周にわたって削り出され、さらに磁極２２の内径側端部と外径側端部を形成するための溝が全周にわたって彫り込まれる。その後、フライス盤を使って図６に示されるように放射状の溝２２ｃが全周にわたって彫り込まれる。このようにして、第２一体型電磁石２０Ｂの内部に図８に示されるように磁極２２が突設される。その後、このように成形された環状の部材が２つに分割されて、二つの第２一体型電磁石２０Ｂが作製される。第２一体型電磁石２０Ｂの外径側と内径側には、磁極２２を削り出した為に相対的に外周壁２０ｃと内周壁２０ｄが形成されている。
【００２８】
図６及び図８において、溝２２ｃによって複数の磁極２２が形成されるが、この複数の磁極２２は、Ｎ極２２ａ及びＳ極２２ｂに割り当てられる。Ｎ極２２ａはＳ極２２ｂよりも大きい角度の扇形を成している。そして、図４と概略同様に各々の磁極２２の周囲に形成された溝にコイル２４が巻回される。Ｎ極２２ａ及びＳ極２２ｂとなる為の励磁が、このコイル２４の巻かれる方向によって決まる。本実施の形態の磁極は、Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ−Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ−Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ・・・の様に交互に形成される。
【００２９】
このようにして作製された第２一体型電磁石２０Ｂは、同様の方法にて作製された第１一体型電磁石２０Ａと向き合わされて配置され、外周壁２０ｃと内周壁２０ｄの周縁を互いに当接させ、この当接部を溶接されて、半円弧状の真空容器一体型電磁石２０となる。すなわち、内部に磁極２１，２２が立設された第１一体型電磁石２０Ａと第２一体型電磁石２０Ｂが対向して接合され、内部に環状真空通路１ａが形成される。
【００３０】
このように構成された固定磁界交番勾配加速器用電磁石である真空容器一体型電磁石２０は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａが内部に形成された環状真空容器を兼ねている。そして、磁極２１及び磁極２２に関しては、多数の磁極が一体に形成されている。そのため、磁極２２間の相対位置の精度を向上させることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【００３１】
また、磁極２２は、概略同心円周上に配置される。そのため、旋盤やフライス盤といった工作機械を用いて磁極２２の基本形状を容易に加工することができ、コストダウンを図ることができる。
【００３２】
さらに、真空容器一体型電磁石２０においては、環状真空容器と磁極２２とが一体に設けられており、磁極２２を環状真空容器一部として用いることで、対向する磁極２２間の空間を狭くすることができ、そのため、励磁電流を小さくでき、消費電力を抑制できる。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、中空のドーナツを中心軸線を含む面で半分に切断したような形状の真空容器一体型電磁石２０であるが、分割のされ方は、図９の（ａ）に示されるように１個とされてもよいし、図９の（ｂ）に示されるように４個に分割されてもよい。図９の（ａ）ように１個とされた場合においても、周方向に少なくとも１つの分割箇所が設けられている理由は、この部分に加速ギャップ３を形成するためである。
【００３４】
実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３の加速器用電磁石の断面の一部を拡大して示す拡大図である。本実施の形態の固定磁界交番勾配加速器用電磁石においては、外周壁２０ｃと内周壁２０ｄの外周縁にそれぞれ、溶接代２０ａ，２０ｂが設けられている。溶接代２０ａ，２０ｂは、各々の壁の先端から、それぞれ外径側及び内径側に張り出すように形成され、１回の溶接にて必要な長さより所定量長く形成されている。この理由を次に述べる。
【００３５】
溶接代２０ａ，２０ｂは、その先端部のみが溶接されるが、万一磁極の手直しが必要になったとき、この溶接された部分を削り落とすと、第１一体型電磁石２０Ａと第２一体型電磁石２０Ｂは再び離れる。そして、磁極に対して所定の手直しをした後、再び溶接をして一体化することができる。
【００３６】
図１１は真空容器一体型電磁石の接合部に形成された加速ギャップ３の断面図である。２との半円弧状の真空容器一体型電磁石２０の接合部には、フランジ２０ｈが形成されている。対向するフランジ２０ｈに挟まれて、絶縁材で作製された四角環状の絶縁板１８が配置されている。絶縁板１８は、電位差を生ずる２つの真空容器一体型電磁石２０間を絶縁して加速ギャップ３を形成する。フランジ２０ｈの対向面にＯリング溝が形成され、このなかにＯリング１７が収納されている。Ｏリング溝には、この溝内の圧力を低くする為に図示しない真空ポンプに延びる差動排気配管１９が連通している。図示しない真空ポンプは、差動排気配管１９を介して真空引きを行い、Ｏリング１７をフランジ２０ｈに密着させ、空気の漏洩を抑制している。
【００３７】
【発明の効果】
この発明に係る固定磁界交番勾配加速器用電磁石は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路が内部に形成された環状真空容器と、環状真空通路の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段と、環状真空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状真空容器の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極が一体に形成されている。そのため、各磁極間の相対位置の精度をあげることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を用いたビーム加速装器の上面図である。
【図２】 図１のビーム加速装器のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。
【図３】 図２のビーム加速装器の断面図の電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。
【図４】 図３の電磁石の磁極に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。
【図５】 電磁石が共通架台上に一体に固定された様子を示す斜視図である。
【図６】 この発明の実施の形態２の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を搭載する加速器の一部を断面とする上面図である。
【図７】 図６の加速器の一部を断面とする側面図である。
【図８】 真空容器一体型電磁石の内部に形成された磁極を示す斜視図である。
【図９】 真空容器一体型電磁石の分割の他の例を示す説明図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３の加速器用電磁石の断面の一部を拡大して示す拡大図である。
【図１１】 真空容器一体型電磁石の接合部に設けられた加速ギャップの断面図である。
【符号の説明】
１ 環状真空容器、１ａ 環状真空通路、２ 固定磁界交番勾配加速器用電磁石（固定磁界交番勾配磁場発生手段）、３ 加速ギャップ、４ 加速コア、１４共通架台、１７ Ｏリング、１８ 絶縁板、１９ 差動排気配管、２０ 真空容器一体型電磁石、２１，２２ 磁極、２３，２４ コイル。
【発明の属する技術分野】
荷電粒子ビームを偏向させる手段として固定磁場を用いる固定磁界交番勾配型で円形磁気誘導（ベータトロン）加速方式の固定磁界交番勾配加速器に用いられる電磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかる環状加速器は、固定磁界交番勾配（ＦＦＡＧ：Fixed Field Alternating Gradient）型の加速器（以下、ＦＦＡＧ加速器とも言う）であり、小型、高出力という特徴を持っている。ＦＦＡＧ加速器とは、その名の通り粒子を軌道に導く電磁石が、固定磁場（Fixed Field）で隣同士に極性の異なる電磁石を配した構造を持っている。
【０００３】
電磁石においては、ＮＳ−ＮＳ−ＮＳ・・・の様に、交互に磁極を配置し、Ｎ極とＳ極との間に入射部、加速部などを配置する場合と、ＮＳＮ−ＮＳＮ−ＮＳＮ・・・の様に、３つの電磁石を一組とし、その間に入射部、加速部等を配置する場合とがある。
【０００４】
前者の例としては、電子加速のため米国のＭＵＲＡ（Midwestern Universities Research Association）で試作された例がある（例えば、非特許文献１参照）。後者の例としては、アメリカ電気・電子通信学会加速器会議で提案されたものがある。
【０００５】
【非特許文献１】
エフ・ティー・コール(F.T.Cole),外４名,“ザ レビュー オブ サイエンティフィック インストロメンツ(THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS) ボリュウーム２８(Vo1.28) ナンバー６(Num.6)”,（米国）,アメリカ物理学会(American Institute of Physics),１９５７年,ｐ．４０３−４２０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の文献に見られるように、従来のＦＦＡＧ加速器では、電磁石を一つ一つ独立として、もしくは、３個一組の電磁石を一つのユニットとして製作し、組立工程において、相互のユニット間の位置合わせを行って作製する。一方で、これらの電磁石は、１００μｍ以下の精度で相互に位置を調整する必要があるため、調整作業に多大な時間を費やしていた。さらに、磁極自体の加工精度も数十μｍ以下の精度を要求されるため、製造工程が高コストになっていた。
【０００７】
また、このＦＦＡＧ加速器において、対向する磁極間で荷電粒子を加速するため、この磁極間の空間を真空にする必要がある。このため、環状真空容器を対向する磁極間に配し、その中で荷電粒子を加速する構成を用いている。一方で、電磁石は磁極間に必要な磁場強度を発生させるため、磁極間の空間にほぼ比例した電流で励磁される。そして、装置の消費電力を下げるために対向する磁極間の空間は狭い方がよい。このため、大気圧に耐えられる範囲で、真空状真空容器を出来るだけ薄く構成するのが望ましいが、あまり薄いと大気圧に耐えられないという問題があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、磁極の大半を一体して成形することにより、磁極間の相対位置の精度をあげ、調整作業を簡素化することができ、また、磁極の基本形状の加工が容易でコストダウンを図ることができ、さらには、磁極を環状真空容器一部として用いることで、対向する磁極間の空間を狭くすることができ、そのため、励磁電流を小さくでき、消費電力を抑制できる、固定磁界交番勾配加速器用電磁石を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る固定磁界交番勾配加速器用電磁石は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路が内部に形成された環状真空容器と、環状真空通路の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段と、環状真空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状真空容器の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極が一体に形成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を用いたビーム加速装器の上面図である。図２は図１のビーム加速装器のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。図３は図２のビーム加速装器の断面図の電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。図４は図３の電磁石の磁極に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。図５は電磁石が共通架台上に一体に固定された様子を示す斜視図である。
【００１１】
本実施の形態のビーム加速装器は、ＦＦＡＧ型で且つベータトロン加速方式のビーム加速装器である。図１及び図２において、ビーム加速装器は、環状を成す環状真空容器１を有している。環状真空容器１は、ステンレス或いは鉄でなる薄板が接合されて作製され円形環状をなし、内部に断面楔型の密閉空間が形成された密閉空間を有している。この密閉空間は真空に保持され荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａとされている。環状真空通路１ａの断面の形状は、径方向において内径側から径方向外側に向かって幅（高さ）が徐々に小さくなる概略楔型を成している。
【００１２】
環状真空容器１には、環状真空容器１の円周方向に沿って６個の偏向用の電磁石２が所定の間隔を空けて等間隔に配設されている。６個の電磁石２は、断面楔型の環状真空容器１を所々で取り囲むようにして設けられている。この固定磁界交番勾配加速器用電磁石２（以下、ＦＦＡＧ電磁石、或いは単に電磁石とも言う））は、環状真空容器１の上下２主面に各々対向する２つの磁極２１、２２を有している。２つの磁極２１、２２は、環状真空容器１を挟んで上下に対向して配置され、環状真空通路１ａの内径側から外径側に向かって徐々に間隔を狭めるように設けられている。２つの磁極２１、２２は中央部でさらに互いに間隔を狭めるように断面形状が中央部で凸の湾曲形状とされている。
【００１３】
２つの磁極２１、２２には、図３及び図４に示すように、それぞれコイル２３、２４が巻回されている。２つのコイル２３、２４は、同じ巻回方向で巻かれている。そして、電磁石２は、電源１３からコイル２３、２４に電力を供給されて図３に太線矢印で示すような磁力を発生する。一対の磁極２１、２２の間隔が広がると磁束密度が粗となり磁力が弱くなる。逆に間隔が狭まると磁束密度が密となり磁力が強くなる。つまり、固定磁界交番勾配磁場発生手段である電磁石２の作り出す磁場は、半径方向に内径側から外径側に徐々に小から大となる固定の強さの固定磁場である。この固定磁場は、荷電粒子の回転に同期させて磁場を内側から外側に移動される変動磁場と逆の関係にあるものである。電磁石２は、この磁場によって荷電粒子ビームの移動方向を所定の曲率半径で偏向させる。そして、電磁石２は、荷電粒子ビームを環状真空通路１ａ内の所定の周回軌道上に誘導する。
【００１４】
図１に戻り、環状真空容器１の円周方向の一箇所に環状真空容器１を囲繞するように加速ギャップ３が設けられている。加速ギャップ３が設けられた部分の環状真空容器１は、加速電場を発生する為に円周方向に直角な面で分断され、分断箇所は所定の隙間を持って離されている。そして、加速ギャップ３は、セラミック等で作成された短尺円筒状の部材を有し、この円筒部材で該隙間を覆うようにして分断された部分の環状真空容器１を密閉して連結している。そして加速ギャップ３は、このセラミック円筒部材の内側の空間に荷電粒子ビームの加速電場を誘起する。
【００１５】
また、環状真空容器１の円周方向の二箇所で該環状真空容器１を取り囲むようにして一対の加速コア４が設けられている。一対の加速コア４は環状真空容器１の中心に対して対象に配置されている。２つの加速コア４には、それぞれ加速コア駆動電源１２から駆動電流を供給するコイル５が１回巻かれている。
【００１６】
各々の加速コア４には、加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電流を供給されるコイル５が一巻き巻かれている。２つの加速コア４は環状真空容器１を介して加速ギャップ３と電気的に接続されている。加速コア４はコイル５を介して加速コア駆動電源１２から非常に強い交流の電力を供給され内部の磁束を変化させる。この磁束の変化は、電磁誘導の法則にしたがって加速ギャップ３に加速電場を発生させる。
【００１７】
図１に戻り、環状真空容器１の所定の位置に、電子を発射する電子銃６が設けられている。電子銃６には、発射された電子を環状真空容器１内に導く静電偏向器７が接続されている。一方、電子ビームの出口８には、電子が加速されてなる高エネルギー電子ビーム９が衝突する位置にＸ線変換ターゲット１０が配置されている。高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０を通過することによりＸ線１１となる。
【００１８】
次にビーム加速装器の動作を示す。電子銃６により生成された電子は、静電偏向器７により環状真空容器１の中の周回軌道に誘導される。電子は電磁石２により生成されたフィールド磁界により偏向され、周回軌道上に閉じこめられる。この周回軌道には加速ギャップ３設けられており、加速コア４内の磁束が変化するとき、電磁誘導の法則により加速ギャップ３に加速電場が発生する。この加速電場によって電子は周回を重ねる毎に加速され、高エネルギー電子ビーム９となる。そして環状真空容器１から引き出される。引き出された高エネルギー電子ビーム９は、Ｘ線変換ターゲット１０に照射されＸ線１１に変換される。
【００１９】
次に加速ギャップ３が誘起する加速電場の印加方法について説明する。本発明に係るビーム加速装器は、ベータトロン加速方式のものであり、加速ギャップ３にかかる交番電界の加速フェーズの間を周回電子が何度も通過することで、該電子は高エネルギーをえる。そして、電子の入射から出射までは、交番電磁界の一周期以内で終了する。
【００２０】
図５は電磁石２が共通架台１４上に一体に固定された様子を示す斜視図である。尚、図５は全体の半分のみの電磁石２及び共通架台１４を示しているが、実際には円形の共通架台１４に６個の電磁石２が固定される。また、図５において、電磁石２及び共通架台１４以外の部材は省略されている。
【００２１】
従来、電磁石２は加速器が設置される設置場所に運ばれてから共通架台１４上に固定されていた。本実施の形態の電磁石２は、工場内にて作製された後、共通架台１４上に載置されて、この状態で位置合わせをされて共通架台１４に固定されることにより相互に一体化される。このように、複数の電磁石２を共通架台１４の１つの面上に載置することで、電磁石２間の相対位置を高精度に合わせることが可能となり、現地組立作業を大幅に簡略化することができる。
【００２２】
また、電磁石２は重量が大きいので、共通架台１４は重力によって撓むが、この撓みによる誤差については、工場にて電磁石２を共通架台１４に仮固定した際に相対誤差を測定し、電磁石２と共通架台１４の間に適当な厚みのスペーサ薄板を挟んで相対位置を補正することで解消することができる。
【００２３】
このように構成された固定磁界交番勾配加速器用電磁石である電磁石２０は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａが内部に形成された環状真空容器１と、環状真空通路１ａの円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路１ａ内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段２と、環状真空容器１の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップ３と、環状真空容器１の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップ３を介して加速電場を発生する加速コア４とを備え、加速コア４に印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石２であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極２２が一体に形成されている。そのため、磁極２２間の相対位置の精度をあげることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【００２４】
尚、本実施の形態の電磁石２は６個が共通架台１４上に一体に固定されるものであるが、４個、８個、１２個等一体に固定されるものであってもよい。
【００２５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２の加速器用電磁石を搭載する加速器の一部を断面とする上面図である。図７は図６の加速器の一部を断面とする側面図である。尚、図６は図に向かって右半分を図７のVI-VI線に沿う矢視断面図としたものであり、図７は図に向かって右半分を図７のVII-VII線に沿う矢視断面図としたものである。本実施の形態の加速器は、真空容器一体型電磁石２０を有している。本実施の形態の真空容器一体型電磁石２０は、中空のドーナツを、中心軸線を含む面で半分に切断したような形状をなし、そして、この半円弧状の真空容器一体型電磁石２０が向き合わせるように接合されて環状真空通路１ａが形成されている。２つの半円弧状の真空容器一体型電磁石２０は、２箇所の接合に各々加速ギャップ３を形成しながら接合される。
【００２６】
真空容器一体型電磁石２０は、図７のVI-VI線が示す面にて分割された図７の上側に示す第１一体型電磁石２０Ａと図７の下側に示す第２一体型電磁石２０Ｂとが分割面を密閉状態に接合されて作製されている。すなわち、図６の図に向かって右半分は、第２一体型電磁石２０Ｂを分割面側から見た図である。第２一体型電磁石２０Ｂの内側には、工作機械にて削り出されて複数の磁極が形成されている。図８はその削り出された磁極の部分のみを示す斜視図である。
【００２７】
以下、第２一体型電磁石２０Ｂの作製方法を説明するが、第２一体型電磁石２０Ｂと面対称の第１一体型電磁石２０Ａも同様の方法で作製される。２つの第２一体型電磁石２０Ｂは、円環状の部材から工作機械によって削り出すことにより容易に作製することができる。まず、円環状の部材に対して旋盤を使って磁極２２表面の湾曲面が全周にわたって削り出され、さらに磁極２２の内径側端部と外径側端部を形成するための溝が全周にわたって彫り込まれる。その後、フライス盤を使って図６に示されるように放射状の溝２２ｃが全周にわたって彫り込まれる。このようにして、第２一体型電磁石２０Ｂの内部に図８に示されるように磁極２２が突設される。その後、このように成形された環状の部材が２つに分割されて、二つの第２一体型電磁石２０Ｂが作製される。第２一体型電磁石２０Ｂの外径側と内径側には、磁極２２を削り出した為に相対的に外周壁２０ｃと内周壁２０ｄが形成されている。
【００２８】
図６及び図８において、溝２２ｃによって複数の磁極２２が形成されるが、この複数の磁極２２は、Ｎ極２２ａ及びＳ極２２ｂに割り当てられる。Ｎ極２２ａはＳ極２２ｂよりも大きい角度の扇形を成している。そして、図４と概略同様に各々の磁極２２の周囲に形成された溝にコイル２４が巻回される。Ｎ極２２ａ及びＳ極２２ｂとなる為の励磁が、このコイル２４の巻かれる方向によって決まる。本実施の形態の磁極は、Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ−Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ−Ｎ極２２ａ，Ｓ極２２ｂ・・・の様に交互に形成される。
【００２９】
このようにして作製された第２一体型電磁石２０Ｂは、同様の方法にて作製された第１一体型電磁石２０Ａと向き合わされて配置され、外周壁２０ｃと内周壁２０ｄの周縁を互いに当接させ、この当接部を溶接されて、半円弧状の真空容器一体型電磁石２０となる。すなわち、内部に磁極２１，２２が立設された第１一体型電磁石２０Ａと第２一体型電磁石２０Ｂが対向して接合され、内部に環状真空通路１ａが形成される。
【００３０】
このように構成された固定磁界交番勾配加速器用電磁石である真空容器一体型電磁石２０は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路１ａが内部に形成された環状真空容器を兼ねている。そして、磁極２１及び磁極２２に関しては、多数の磁極が一体に形成されている。そのため、磁極２２間の相対位置の精度を向上させることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【００３１】
また、磁極２２は、概略同心円周上に配置される。そのため、旋盤やフライス盤といった工作機械を用いて磁極２２の基本形状を容易に加工することができ、コストダウンを図ることができる。
【００３２】
さらに、真空容器一体型電磁石２０においては、環状真空容器と磁極２２とが一体に設けられており、磁極２２を環状真空容器一部として用いることで、対向する磁極２２間の空間を狭くすることができ、そのため、励磁電流を小さくでき、消費電力を抑制できる。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、中空のドーナツを中心軸線を含む面で半分に切断したような形状の真空容器一体型電磁石２０であるが、分割のされ方は、図９の（ａ）に示されるように１個とされてもよいし、図９の（ｂ）に示されるように４個に分割されてもよい。図９の（ａ）ように１個とされた場合においても、周方向に少なくとも１つの分割箇所が設けられている理由は、この部分に加速ギャップ３を形成するためである。
【００３４】
実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３の加速器用電磁石の断面の一部を拡大して示す拡大図である。本実施の形態の固定磁界交番勾配加速器用電磁石においては、外周壁２０ｃと内周壁２０ｄの外周縁にそれぞれ、溶接代２０ａ，２０ｂが設けられている。溶接代２０ａ，２０ｂは、各々の壁の先端から、それぞれ外径側及び内径側に張り出すように形成され、１回の溶接にて必要な長さより所定量長く形成されている。この理由を次に述べる。
【００３５】
溶接代２０ａ，２０ｂは、その先端部のみが溶接されるが、万一磁極の手直しが必要になったとき、この溶接された部分を削り落とすと、第１一体型電磁石２０Ａと第２一体型電磁石２０Ｂは再び離れる。そして、磁極に対して所定の手直しをした後、再び溶接をして一体化することができる。
【００３６】
図１１は真空容器一体型電磁石の接合部に形成された加速ギャップ３の断面図である。２との半円弧状の真空容器一体型電磁石２０の接合部には、フランジ２０ｈが形成されている。対向するフランジ２０ｈに挟まれて、絶縁材で作製された四角環状の絶縁板１８が配置されている。絶縁板１８は、電位差を生ずる２つの真空容器一体型電磁石２０間を絶縁して加速ギャップ３を形成する。フランジ２０ｈの対向面にＯリング溝が形成され、このなかにＯリング１７が収納されている。Ｏリング溝には、この溝内の圧力を低くする為に図示しない真空ポンプに延びる差動排気配管１９が連通している。図示しない真空ポンプは、差動排気配管１９を介して真空引きを行い、Ｏリング１７をフランジ２０ｈに密着させ、空気の漏洩を抑制している。
【００３７】
【発明の効果】
この発明に係る固定磁界交番勾配加速器用電磁石は、荷電粒子ビームが通過する環状真空通路が内部に形成された環状真空容器と、環状真空通路の円周方向に沿って複数個設けられ荷電粒子ビームを偏向させて荷電粒子ビームを環状真空通路内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段と、環状真空容器の所定の位置に設けられ荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、環状真空容器の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により加速ギャップを介して加速電場を発生する加速コアとを備え、加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石であって、複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極が一体に形成されている。そのため、各磁極間の相対位置の精度をあげることができ、また、調整作業を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を用いたビーム加速装器の上面図である。
【図２】 図１のビーム加速装器のＩＩ−ＩＩ線に沿う矢視断面図である。
【図３】 図２のビーム加速装器の断面図の電磁石の部分を拡大して示す拡大図である。
【図４】 図３の電磁石の磁極に巻回された巻線の様子を示す斜視図である。
【図５】 電磁石が共通架台上に一体に固定された様子を示す斜視図である。
【図６】 この発明の実施の形態２の固定磁界交番勾配加速器用電磁石を搭載する加速器の一部を断面とする上面図である。
【図７】 図６の加速器の一部を断面とする側面図である。
【図８】 真空容器一体型電磁石の内部に形成された磁極を示す斜視図である。
【図９】 真空容器一体型電磁石の分割の他の例を示す説明図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３の加速器用電磁石の断面の一部を拡大して示す拡大図である。
【図１１】 真空容器一体型電磁石の接合部に設けられた加速ギャップの断面図である。
【符号の説明】
１ 環状真空容器、１ａ 環状真空通路、２ 固定磁界交番勾配加速器用電磁石（固定磁界交番勾配磁場発生手段）、３ 加速ギャップ、４ 加速コア、１４共通架台、１７ Ｏリング、１８ 絶縁板、１９ 差動排気配管、２０ 真空容器一体型電磁石、２１，２２ 磁極、２３，２４ コイル。
Claims (3)
- 荷電粒子ビームが通過する環状真空通路が内部に形成された環状真空容器と、
前記環状真空通路の円周方向に沿って複数個設けられ前記荷電粒子ビームを偏向させて該荷電粒子ビームを前記環状真空通路内の周回軌道上に誘導する固定磁界交番勾配磁場を発生させる固定磁界交番勾配磁場発生手段と、
前記環状真空容器の所定の位置に設けられ前記荷電粒子ビームの加速電場を誘起する加速ギャップと、
前記環状真空容器の所定の部分を取り囲むように設けられ内部の磁束を変化させて電磁誘導により前記加速ギャップを介して前記加速電場を発生する加速コアとを備え、
前記加速コアに印可する励磁周波数の１周期以内に荷電粒子の入射から出射までを完了する固定磁界交番勾配加速器において、
前記固定磁界交番勾配磁場発生手段に用いられる固定磁界交番勾配加速器用電磁石であって、
複数の磁極のうち少なくとも４個の磁極が一体に形成されている
ことを特徴とする固定磁界交番勾配加速器用電磁石。 - 前記磁極は、概略同心円周上に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の固定磁界交番勾配加速器用電磁石。 - 前記環状真空通路と前記磁極とが一体に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２記載の固定磁界交番勾配加速器用電磁石。
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