JP4851640B2 - 加速器用アモルファスコア及びそれを用いた加速器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速器や共振現象を利用するフィルタ等に用いられるQ値の高いアモルファスコアおよびそれを用いた加速器に関する。
【0002】
【従来の技術】
加速器とは、電子、陽子、イオン等のビームを1GeV程度の高エネルギー状態に加速するものであり、現在、様々な大きさの装置が使用されている。この加速器には、荷電粒子の加速等の高周波エネルギーを荷電粒子に供給する高周波加速空胴が設置されている。
【0003】
これらの加速器は、100kHz〜数10MHzの周波数において安定的に高周波電力を供給する必要があり、そのために高周波加速空胴に用いる磁性材料の改善は重要な技術課題となっていた。
【0004】
従来、この加速空胴に用いられる磁性コアとしては、フェライトが用いられてきた。また、特開平7−6900のようにフェライトコアの損失を利用して加速空洞のQ値を下げて加速空洞の共振特性をブロードにして制御性を改善する試みがなされている。しかしながらフェライトは磁性体の中ではQ値が高すぎるため、加速空洞のQ値を十分に落とせず制御が難しいこと、キュリー温度、飽和磁束密度が小さいためフェライト自身の発熱の問題や磁束の飽和の問題から高周波化・高電力化への対応は十分でなかった。なお、ここで言う加速空洞のQ値とは、入力された高周波電力エネルギーに対する、高周波加速空胴内に蓄積される電磁界のエネルギーの強さの比を表わす量であり、通常、1/損失で表わされる。このQ値が高いほど、同じ入力に対して高出力が可能であるといえ、加速空胴内での損失が大きいほどQ値は小さくなり損失が大きいことが分かる。
【0005】
そこで、特開平9−167699号のように平均粒径1μm以下の微細結晶構造を持つFe基軟磁性合金コアの適用が試みられるようになっていた。この微細結晶を持つFe基軟磁性合金コアを用いた場合、発熱量等はフェライトと比較して改善され、100〜1000kHzといった比較的低い周波数においては良好な特性を示していた。
【0006】
一方、1MHz以上の比較的高い周波数領域において前記Fe基軟磁性合金コアを用いたものはQ値が低く十分な高周波電力供給ができないといった問題が起きていた。このため、Fe基軟磁性合金コアよりQ値が高く、フェライトよりキュリー温度、飽和磁束密度が高いコアが必要とされていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のフェライト磁性材料および微細結晶構造を持つFe基軟磁性材料を用いた加速器では、1MHz以上の高周波領域において十分な制御性や出力を得ることはできないという問題点があった。
【0008】
本発明は、このような課題に対処してなされたものであり、3MHzでのQ値が0.5以上と高いアモルファスコア、さらにはQ値が0.5以上と高く、加速器の高周波加速空胴に用いた場合1MHz以上の高周波領域において高出力を得ることを可能するアモルファスコアおよび該コアを用いた加速器を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のアモルファスコアおよびそれを用いた加速器は、請求項1に記載したように、加速器用アモルファスコアが、単ロール法により形成したアモルファス薄帯を巻回してなるアモルファスコアにおいて、一般式:(Ni1−aFea)100−x−y−zMxSiyBz(式中、MはV、Cr、Mn、Co、Nb、Mo、Ta、W、Zrから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、0.2≦a≦0.7、0.05≦x≦10、4≦y≦12、5≦z≦20、15≦y+z≦30、各数値はat%)で実質的に表わされる歪取り熱処理を施していないアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回してなり、前記アモルファス薄帯の層間に絶縁層を有し、3MHzでのQ値が1以上であることを特徴とするものである。請求項2の発明は、樹脂含浸またはコーティングしたことを特徴とする請求項1に記載の加速器用アモルファスコアとし、請求項3の発明は、前記一般式のa値が0.2≦a≦0.5であることを特徴とする請求項1または2に記載の加速器用アモルファスコアとしたものである。請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の加速器用アモルファスコアを用いたことを特徴とする加速器としている。
【0010】
本発明においては、3MHzでのQ値を0.5以上と高Q値化されたアモルファスコアを提供することにおいて、磁性材料としてNi−Fe系アモルファス合金やFe系アモルファス合金を用いること、アモルファス薄帯に熱処理を施さずに巻回または積層することによりコアを形成すること、単ロール法により製造したアモルファス薄帯を薄帯のロール面側を外側に向けて巻回すること、といった構成をとっている。このような構成をとることにより、3MHzでのQ値が0.5以上のアモルファスコアを得ることができ、加速器の高周波加速空胴に用いた場合、1MHz以上の高周波領域、特に1〜4MHzの領域において安定で高出力な加速器を可能とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明のアモルファス磁性材料としては、3MHzでのQ値が0.5以上となるものであれば特に限定されるものではないが、次の一般式1および2で示すNi−Fe系またはFe系のアモルファス磁性合金であることが好ましい。
【0012】
まず、Ni−Fe系アモルファス磁性合金としては、
一般式1:(Ni1-a Fea )100-x-y-z Mx Siy Bz
(式中、MはV、Cr、Mn、Co、Nb、Mo、Ta、W、Zrから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、0.2≦a≦0.7、0.05≦x≦10、4≦y≦12、5≦z≦20、15≦y+z≦30、各数値はat%)で実質的に表わされる。
【0013】
このような組成の中で、特に0.2≦a≦0.5としたNiリッチのNi−Feベースの組成をとることにより、磁束密度や保磁力等の制御がより可能となる。M元素は、磁性合金の熱安定性の向上等に寄与する元素であり、好ましくはCr、Mn、Coであり、より好ましい含有量としては0.1≦x≦5at%である。
【0014】
SiおよびBはアモルファス化のための元素であり、Si量とB量の合計が15≦x+y≦30at%の範囲であり、好ましくは19≦x+y≦24at%である。
【0015】
次に、Fe系アモルファス磁性材料としては、
一般式2:Fea Mb Yc
(式中、MはTi、V、Cr、Mn、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re、Ga、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、希土類元素の群から選ばれた少なくとも1種の元素を、YはSi、B、P、Cの群から選ばれた少なくとも1種の元素を示し、65≦a≦85、0≦b≦15、5≦c≦35、各数字はat%)で実質的に表わされる。 M元素は、磁性合金の熱安定性の向上等に寄与する元素であり、好ましい元素としてはCr、Mn、Coであり、より好ましい含有量としては0.1≦x≦5at%である。
【0016】
Y元素は、アモルファス化のための元素であり、好ましくはSi、Bであり、より好ましくはSiとBを両方用いる組成である。
以上のような組成を有するアモルファス磁性合金の製造方法として、通常の液体急冷法、例えば単ロール法が用いられる。液体急冷法とは、所定の組成を有する合金溶湯を超急冷することによりアモルファス合金を得る方法であり、具体的には単ロール法を適用し超急冷することによりアモルファス磁性合金薄帯を製造することである。このようなアモルファス磁性薄帯の平均板厚は、損失の低減を図る上で20μm以下とすることが好ましく、より好ましくは15μm以下である。
【0017】
アモルファスコアは、このような単ロール法等の液体急冷法により製造したアモルファス合金薄帯を所望の形状に巻回または所望の形状に打ち抜いた後に積層することによって得られる(図1、図2)。
【0018】
巻回または積層する際に本発明では絶縁層を設けている、絶縁層の材質としては有機物、無機物と特に限定するものではないが、好ましくはポリエステル、ポリイミド、マグネシアやシリカ等のセラミックのように耐熱性のあるものがよい。絶縁層の形成方法としてもフィルムを挟む方法、絶縁物を直接的に塗布や蒸着する方法、コロイダル化合物等の絶縁物形成可能な化合物を塗布後熱処理し所定の絶縁層を得る方法等特に限定するものではない。絶縁層の厚みとしても絶縁性が確保できれば特に限定されるものではないが20μm以下が好ましく、さらに好ましくは10μm以下である。絶縁層の厚みがあまり厚すぎるとコアにおけるアモルファス薄帯の占積率が悪くなり同様の性能を得ようとした場合にコアが大型化するといった問題が起こる。
【0019】
巻回または積層したコアには、歪取り熱処理を施しても施さなくてもよい。
本発明では、3MHzでのQ値が0.5以上と高い値を示す加速器用アモルファスコアを提供するものであるが、そのようなコアを提供する方法として、前述したようなNi−Fe系アモルファス合金またはFe系アモルファス合金を用いる方法があり、それとは別にコア自体に応力がかかる状態を形成することによってもQ値を高くすることが可能となることを見出した。
【0020】
コア自体に応力をかける方法として、液体急冷法により製造したアモルファス薄帯に歪取り熱処理を施さず、薄帯に歪が残ったままコアを形成することにより、コアに応力がかかる状態を形成することができる。熱処理を施さずにコアを製造できるということは作業工程を減らすことになるため工業的価値が高い。
【0021】
また、このような高電圧下で使用するコアは磁性材料の層間を絶縁するために磁性薄帯に絶縁フィルムを挟む方法等が取られる。しかしながら構造的に横にズレ易く不安定となる場合がある。本発明のコアは樹脂含浸を行い強度を高めることが可能である。ここで用いる樹脂についても特に限定されるものではないが、加速器の使用条件を考慮すると耐熱性のあるエポキシ樹脂が好ましい。また、この樹脂含浸により応力のかかった状態を保ち易くなるという効果も得ることができる。
【0022】
また、熱処理を施したアモルファス薄帯を用いる場合、前述のようにアモルファス薄帯は、液体急冷法、具体的には単ロール法で製造されており、薄帯の表面はロールと接する側のロール面とロールと接しない側の自由面が存在する。単ロール法において、ロールは高速回転しているため、合金溶湯から薄帯を形成した場合どうしてもロール面側に反ってしまう。この薄帯の反りを利用し、薄帯のロール面側を外側に向けて巻回することにより材料に加わる応力を増したコアを形成することが可能となる。ここでロール面と自由面の見分け方として、ロール面は単ロール法で使用されるロールの表面形状、特に表面粗さがそのまま薄帯のロール面側の表面粗さとして現れるので、この表面粗さの違いによりロール面と自由面を見分けることができる(図3)。
【0023】
また、より応力をかける方法として、目的のコアの径とは異なる径に巻いた状態で熱処理したアモルファス薄帯を目的の径に巻回する方法も有効である。さらに一旦ロール面側を内側にして巻回した後、ロール面側を外側にして巻回するといった方法もある。このような方法を用いれば、より応力のかかったコアを形成することができる。
【0024】
このようなアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回したコアの応力を保つために、樹脂含浸をすることが好ましく、この樹脂含浸により絶縁性をも保つことが可能となる。ここで用いる樹脂については特に限定されるものではないが、加速器の使用条件を考慮すると耐熱性および絶縁性のあるエポキシ樹脂が好ましい。
【0025】
なお、本発明でいうQ値は磁心のQ値であり、損失係数tan δの逆数である。tan δはμ”/μ’で示される。μ’は透磁率μの実部でμ”fは虚部であり損失に相当する。よってQ値=μ’/μ”であり、インダクタとして有効に動作するためにはQ≧0.5が好ましく特に実部が虚部より高いQ≧1を示すことが望ましい。また、電気回路ではQ=R/ωLの表現が用いられる。ここでRは抵抗分(損失)、ωは角速度、Lはインダクタンスである。このようなQ値は共振回路で回路特性を決定する重要な値である。このような回路にインダクタに磁性体を使用すると透磁率の作用により高いインダクタンスの値を容易に得ることができるが、損失の発生により高周波におけるQ値は低下してしまう。特に金属磁性材料は渦電流の発生により低下が著しい。(また、磁心の性能を現す方法としてμQ積を用いることもある。μQ積の高い材料程小型で同性能のインダクタを構成することができる。)
【0026】
【実施例】
(比較例1〜11)
表1に示すようなNi−Fe系アモルファス合金、またはFe系アモルファス合金からなる巾25mmの磁性薄帯を層間絶縁用フィルムと共に巻回し、外形70mm、内径34mmのコアを作製し、3MHzにおけるQ値、比透磁率μrとQ値の積を測定した。層間絶縁はポリエステルフィルム(厚さ6μm),ポリイミドフィルム(厚さ7μm)およびセラミック層(厚さ2μm)を使用した。
【0027】
比較例12として層間絶縁の無いもの、比較例13、14は一般に鉄損が低くQ値が高いと考えられるコバルト系アモルファス合金の例、比較例15は1μm以下の微細結晶構造を80%もつFe系磁性材料の特性を同様の条件で測定した。
【0028】
表1から、一般に低損失で知られるコバルト系アモルファス材や鉄系微結晶材比べ本願発明のNi−Fe系アモルファス合金、またはFe系アモルフアス合金はいずれも0.5以上のQ値を示した。また、Fe系アモルファスでも比較例1のように層間絶縁を行わないと特性が得られない。
【0029】
特にNi−Fe系の材料は熱処理なしに1以上のQ値が得られている。熱処理なしに特性が得られることは製造が容易であること、層間絶縁に安価な比較的耐熱性の低いポリエステル等の材料を使用できるため工業的価値が高い。
【0030】
【表1】
【0031】
(実施例1、比較例16〜26)
表2に示すようなNi−Fe系、Fe系アモルファス合金を用いて、熱処理しない薄帯を異なる径の巻心に巻回した(比較例16〜21)。さらに薄帯のロール面側を外側に向けて巻回したもの(実施例1、比較例22)。予め132φの巻心に巻回し熱処理した薄帯を熱処理した時に内側であった面を外側に向けて巻回したもの(比較例23および24)。および樹脂含浸したもの(比較例25および26)を用意し、Q値および比透磁率の測定を行った。
【0032】
表2から、巻内径を小さくすることにより比透磁率は低下するが高いQ値が得られた。また、液体急冷法により作製された薄帯は作製時に急冷用ロ−ルに近い曲率半径を持った薄帯となるが、薄帯のロール面側を外側に向けて巻回し、癖付き状態とは逆の曲率を持たせることによりQ値は向上する。さらに、熱処理によつて任意の曲率形状を付与した後薄帯の内側と外側を逆にして巻くとより高いQ値が得られる。また、このようなコアは形状維持や周囲との絶縁を保つために樹脂含浸やコ−ティングを行うことがあるが、本発明のコアは殆ど特性の劣化を示さない。
【0033】
【表2】
【0034】
【発明の効果】
以上のような本発明のアモルファスコアは、加速器の高周波加速空胴に好適である。そして、本発明のアモルファスコアは、Ni−Fe系またはFe系アモルファス磁性合金を用いること、液体急冷法により製造したアモルファス薄帯を熱処理を施さないまま巻回または積層することによりコアを形成すること、単ロール法により製造したアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回することによりコアを形成すること、といった様々な方法により3MHzでのQ値が0.5以上と高いQ値を示す加速器用アモルファスコアを得ることができ、このようなコアを用いることにより高周波かつ高出力の加速器を可能とする(図4)。なお、本発明のアモルファスコアは3MHzでのQ値が0.5以上と高いQ値を示すことから加速器以外の共振現状を利用した電気回路、例えばブロッキングフィルター等に用いても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の巻回型コアの一例を示す図であり、(a)は上面図、(b)は斜面図である。
【図2】本発明の積層型コアの一例を示す図であり、(a)は上面図、(b)は斜面図である。
【図3】本発明の磁性薄帯のロール面、自由面を示す図である。
【図4】本発明のコアを装着した加速器の加速空胴の断面図を示す図である。
【符号の説明】
1…薄帯
2…ロール
3…コア
4…加速空胴
Claims (4)
- 単ロール法により形成したアモルファス薄帯を巻回してなるアモルファスコアにおいて、
一般式:(Ni1−aFea)100−x−y−zMxSiyBz
(式中、MはV、Cr、Mn、Co、Nb、Mo、Ta、W、Zrから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、0.2≦a≦0.7、0.05≦x≦10、4≦y≦12、5≦z≦20、15≦y+z≦30、各数値はat%)で実質的に表わされる歪取り熱処理を施していないアモルファス薄帯のロール面を外側に向けて巻回してなり、前記アモルファス薄帯の層間に絶縁層を有し、3MHzでのQ値が1以上であることを特徴とする加速器用アモルファスコア。 - 樹脂含浸またはコーティングしたことを特徴とする請求項1に記載の加速器用アモルファスコア。
- 前記一般式のa値が0.2≦a≦0.5であることを特徴とする請求項1または2に記載の加速器用アモルファスコア。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の加速器用アモルファスコアを用いたことを特徴とする加速器。
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