磁場分布可変型電磁石システム
【課題】荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させ、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることにより、荷電粒子加速器のリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成する。
【解決手段】励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布パターンの第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布パターンの第２ギャップ内磁力線１７を生成させ、指定された磁場分布パターンのギャップ内磁力線１８を生成させる。
【解決手段】励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布パターンの第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布パターンの第２ギャップ内磁力線１７を生成させ、指定された磁場分布パターンのギャップ内磁力線１８を生成させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線加速器などで使用される電磁石システムに関し、特に、磁場分布を変更し得るようにした磁場分布可変型電磁石システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
陽子などの粒子を加速するシンクロトロン系の粒子線加速器では、リンクを構成する真空チャンバ（真空空洞パイプ）に沿って複数の加速機器、複数の偏向電磁石、複数の収束電磁石などを配置し、これら各加速機器、各偏向電磁石、各収束電磁石などを動作させて、入射路側からリングの真空チャンバ内に導かれた荷電粒子を加速させている。
【０００３】
図１０は、このような従来の粒子線加速器で使用される偏向電磁石の正面側断面図を示すものである。
【０００４】
図１０に示す偏向電磁石１０１は、窓枠状に形成された磁性材料などによって構成される磁性体１０２と、磁性体１０２に形成されたギャップ（空隙）１０３内に配置された往路側励磁コイル１０４、復路側励磁コイル１０６によって構成される偏向励磁コイル１０９とを備えている。
【０００５】
そして、加速器制御装置（図示は省略する）からの指示に対応して、励磁電源（図示は省略する）から励磁電流が供給されているとき、往路側励磁コイル１０４によって、磁性体１０２内に磁力線１０５を発生させるとともに、復路側励磁コイル１０６によって、磁性体１０２内に磁力線１０７を発生させる。
【０００６】
これによって、図１１に示す如くギャップ１０３内にフラットな磁場分布特性を持つギャップ内磁力線（偏向磁力線）１０８が発生し、ギャップ１０３内に配置された真空チャンバ（図示は省略する）内を通過する荷電粒子が水平方向に偏向させられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような粒子線加速器で使用される従来の偏向電磁石１０１では、荷電粒子を偏向させるという１つの機能しか持っていないことから、リングを構成する真空チャンバに沿って、多数の偏向電磁石、多数の収束電磁石、多数の加速機器などを配置するのに必要なスペースを確保しなければならない。このため、リング自体が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑み、請求項１では、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができ、さらに応答速度を２倍以上、高速化させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【０００９】
また、請求項２では、２つのＣ型励磁ユニットを組み合わせて、これらＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内の磁場分布を変化させることができ、これによって偏向機能のほか、収束機能、他の機能などを持たせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１０】
また、請求項３では、２つのＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内に２極励磁パターン、４極励磁パターン、または機能結合パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１１】
また、請求項４では、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内の磁場分布を変化させることができ、これによって収束機能などを調整自在にさせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１２】
そして、請求項５では、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内に８極励磁パターン、または４極励磁パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明は、請求項１の磁場分布可変型電磁石システムでは、磁力線を発生して、荷電粒子の軌道を制御する電磁石システムにおいて、荷電粒子の通路となる真空チャンバを囲むように配置される複数の励磁ユニットと、これら各励磁ユニット毎に、指定された電流方向、電流値の励磁電流を生成して、前記各励磁ユニットを各々、励磁させる励磁電源とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２では、請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記各励磁ユニットは各々、Ｃ字形状の磁性体、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、前記真空チャンバを囲むように、一方の前記励磁ユニット端部と、他方の前記励磁ユニット端部と対向配置させ、前記励磁電源から一方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットによって生成されるギャップ内磁力線の磁場分布を制御させることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３では、請求項２に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記励磁電源は、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットのギャップ内に、２極磁場分布特性、４極磁場分布特性、または機能結合磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４では、請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記各励磁ユニットは各々、内面側に２つの突起が形成される円弧形状の磁性体、前記各突起に対し、“８”字状に巻き付けられ、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記各突起、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、前記真空チャンバを囲むように、かつ前記各励磁ユニットの各端部のうち、隣り合う端部同士が密着、または近接するように、前記各励磁ユニットを円形に配置し、前記励磁電源から前記各励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、前記各励磁ユニットによって画成される円形空間内に生成される磁力線の磁場分布を制御させることを特徴としている。
【００１７】
そして、請求項５では、請求項４に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記励磁電源は、前記各励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットによって画成される前記円形空間内に、８極磁場分布特性、または４極磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による、請求項１の磁場分布可変型電磁石システムでは、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができ、さらに応答速度を２倍以上、高速化させることができる。
【００１９】
また、請求項２の磁場分布可変型電磁石システムでは、２つのＣ型励磁ユニットを組み合わせて、これらＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内の磁場分布を変化させることができ、これによって偏向機能のほか、収束機能、他の機能などを持たせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２０】
また、請求項３の磁場分布可変型電磁石システムでは、２つのＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内に２極励磁パターン、４極励磁パターン、または機能結合パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２１】
また、請求項４の磁場分布可変型電磁石システムでは、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内の磁場分布を変化させることができ、これによって収束機能などを調整自在にさせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２２】
そして、請求項５の磁場分布可変型電磁石システムでは、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内に８極励磁パターン、または４極励磁パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第１形態を示す正面側断面図である。
【図２】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムの設置例を示す正面側断面図である。
【図３】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを２極偏向電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図４】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを４極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図５】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを機能結合型電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図６】本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第２形態を示す正面側断面図である。
【図７】図６に示す第１電磁石ユニット〜第４電磁石ユニットの詳細な構成例を示す正面側断面図である。
【図８】図６に示す磁場分布可変型電磁石システムを８極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図９】図６に示す磁場分布可変型電磁石システムを４極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図１０】従来から知られている偏向電磁石の一例を示す正面側断面図である。
【図１１】図１０に示す偏向電磁石のギャップ内磁場分布パターン例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
Ａ．本発明の第１の実施形態
図１は、本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第１実施形態を示す正面側断面図である。
【００２５】
図１に示す磁場分布可変型電磁石システム１は、リングを構成する真空チャンバ１５（図２参照）の一側面側に配置されるＣ型の第１励磁ユニット２と、真空チャンバ１５の他側面側に配置されるＣ型の第２励磁ユニット３と、これら第１励磁ユニット２、第２励磁ユニット３を各々、励磁する励磁電源４とを備えており、励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６（図３〜図５参照）を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７（図３〜図５参照）を生成させることにより、ギャップ６、１２内に、指定された磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８（図３〜図５参照）を生成させる。
【００２６】
第１励磁ユニット２は、所定の磁気特性を持ち、断面がＣ型形状になるように加工された長手磁性材料などによって構成される第１磁性体５と、第１磁性体５の上部、下部間に形成されたギャップ６内に配置された厚板状の往路側励磁コイル７、第１磁性体５の内面以外の面に密着するように配置された薄板状の復路側励磁コイル８によって構成される第１励磁コイル９とを備えており、励磁電源４から第１励磁電流が供給されているとき、第１励磁コイル９を励磁させて、第１磁性体５内に、第１励磁電流の電流方向、電流値に応じた方向、強さの磁力線を生成させて、ギャップ６内に、第１ギャップ内磁力線１６を生成させる。
【００２７】
また、第２励磁ユニット３は、所定の磁気特性を持ち、第１磁性体５と同一形状、同一サイズとなるように、かつ断面がＣ型形状になるように加工された長手磁性材料などによって構成される第２磁性体１０と、第２磁性体１０の内面以外の面に密着するように配置された薄板状の往路側励磁コイル１１、第２磁性体１０の上部、下部間に形成されたギャップ１２内に配置された厚板状の復路側励磁コイル１３によって構成される第２励磁コイル１４とを備えており、励磁電源４から第２励磁電流が供給されているとき、第２励磁コイル１４を励磁させて、第２磁性体１０内に、第２励磁電流の電流方向、電流値に応じた方向、強さの磁力線を生成させて、ギャップ１２内に、第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００２８】
また、励磁電源４は、リング制御装置（図示は省略する）からの指示に対応した電流方向、電流値の第１励磁電流を発生して、第１励磁コイル９を励磁させ、ギャップ６内に指定された磁束密度、磁場分布を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、リング制御装置からの指示に対応した第２励磁電流を発生して、第２励磁コイル１４を励磁させ、ギャップ１２内に指定された磁束密度、磁場分布を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００２９】
次に、図２に示す正面側断面図、図３乃至５を参照しながら、磁場分布可変型電磁石システム１の動作を説明する。
【００３０】
まず、図２に示す如く第１励磁ユニット２の各端面と、第２励磁ユニット３の各端面とが密に接合させられ、これら第１励磁ユニット２、第２励磁ユニット３が機械的に一体化させられるとともに、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に真空チャンバ１５が挿通される。
【００３１】
この後、２極偏向電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図３に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６が生成される。
【００３２】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７が生成される。
【００３３】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図３に示す如く通常の２極偏向電磁石と同様に、均一な磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が右方向（または、左方向）に偏向される。
【００３４】
また、４極励磁電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図４に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６が生成される。
【００３５】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７が生成される。
【００３６】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図４に示す如く通常の４極電磁石と同様に、４極成分となる斜め勾配磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が中心方向に収束する。
【００３７】
また、機能結合型電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図５に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させる。
【００３８】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を５０％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００３９】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図５に示すような通常の２極偏向電磁石と、４極電磁石とを合わせた機能結合型電磁石と同様に、斜め勾配磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が右方向に偏向させられながら、収束させられる。
【００４０】
このように、この第１形態では、励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させ、ギャップ６、１２内に、指定された磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８を生成させるようにしているので、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる（請求項１、２及び３に記載の発明の効果）。
【００４１】
また、この第１形態では、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９と、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４とによって、１つのギャップ内磁力線１８を生成させるようにしているので、従来の偏向電磁石に設けられている励磁コイルに比べ、第１励磁コイル９、第２励磁コイル１４のインダクタンスを半減させることができ、これによって応答速度を１マイクロ秒以下にさせることができる。
【００４２】
さらに、この第１形態では、第１磁性体５、第２磁性体１０などの鉄心の制約に起因する最大加速エネルギーＬの制約を無くすことができ、これによってシンクロトロン等の高エネルギー粒子線加速器の機能を維持しつつ、加速器本体をコンパクト化させることができるとともに、運転中においても、磁場分布を変更させることができる。
【００４３】
２．本発明の第２の実施形態
図６は、本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第２形態を示す正面側断面図である。
【００４４】
図６に示す磁場分布可変型電磁石システム２１は、１／４円弧状に形成される第１電磁石ユニット２２、第２電磁石ユニット２３、第３電磁石ユニット２４、第４電磁石ユニット２５と、第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５を個別に励磁する励磁電源２６とを備えており、加速器制御装置からの指示信号に応じて、励磁電源２６から第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５に励磁電流を供給させて、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５（図８参照）、または４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５（図９参照）を生成させ、内部に配置された真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４５】
第１乃至第４電磁石ユニット２２−２５は各々、図７に示すように内面側に２つの平面部２８、２９が形成され、外面側が１／４円弧形状にされた長手磁性材料などによって構成されるベース磁性体３０と、所定の磁気特性を持つ長板形状の磁性材料などによって構成され、外面側がベース磁性体３０の平面部２８と密着させられる第１磁性体３１と、所定の磁気特性を持つ長板形状の磁性材料などによって構成され、外面側がベース磁性体３０の平面部２９と密着させられる第２磁性体３２と、第１磁性体３１の各側面、第２磁性体３２の各３側面を順次、経由するように、第１磁性体３１、第２磁性体３２に巻き付けられて形成される“８”字状の励磁コイル３３と、を備えている。
【００４６】
そして、８極電磁石として使用するときには、励磁電源２６によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ４つの励磁電流が生成されて、第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５が各々、励磁される。これにより、図８に示す如く第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５間で、隣り合う磁力線が分岐させられて、空洞３４内に、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性を持つ磁力線３５が生成され、真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４７】
また、４極電磁石として使用するときには、励磁電源２６によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ２つの励磁電流が生成されて、第１電磁石ユニット２２、第３電磁石ユニット２４が励磁させられるとともに、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ２つの励磁電流が生成されて、第２電磁石ユニット２３、第４電磁石ユニット２５が励磁される。これにより、図９に示す如く第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５毎に磁力線が独立させられて、空洞３４内に、通常の４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５が生成され、真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４８】
このように、この第２形態では、加速器制御装置からの指示信号に応じて、励磁電源２６から第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５に励磁電流を各々、供給させて、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５、または４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５を生成させるようにしているので、加速対象となっている荷電粒子の種類、目標速度などに応じて、最適な磁場分布特性の磁力線３５を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる（請求項１、４及び５に記載の発明の効果）。
【００４９】
また、この第２形態では、第１電磁石ユニット２２の励磁コイル３３〜第４電磁石ユニット２２の励磁コイル３３を個別に励磁させて、空洞３４内に４極、または８極の磁力線３５を生成させるようにしているので、従来の収束電磁石に設けられている励磁コイルに比べ、各励磁コイル３３のインダクタンスを１／４以下にさせることができ、これによって応答速度を４倍以上、高速化させることができる。
【００５０】
さらに、この第２形態では、第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５の各ベース磁性体３０、各第１磁性体３１、各第２磁性体３２などの鉄心の制約に起因する最大加速エネルギーＬの制約を無くすことができ、これによってシンクロトロン等の高エネルギー粒子線加速器の機能を維持しつつ加速器本体をコンパクト化させることができるとともに、運転中においても、磁場分布を変更させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、粒子線加速器などで使用される電磁石システムに関するものであり、特に、素粒子実験、原子核実験、医学利用（放射線治療）等を目的とした高エネルギー粒子線加速器の多機能化を可能とし、バルク加工を対象にしたナノ材料の量産化への一歩である重イオン加速器に貢献するものであって、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００５２】
１：磁場分布可変型電磁石システム
２：第１励磁ユニット（励磁ユニット）
３：第２励磁ユニット（励磁ユニット）
４：励磁電源
５：第１磁性体（Ｃ字形状の磁性体）
６：ギャップ
７：往路側励磁コイル
８：復路側励磁コイル
９：第１励磁コイル（励磁コイル）
１０：第２磁性体（Ｃ字形状の磁性体）
１１：往路側励磁コイル
１２：ギャップ
１３：復路側励磁コイル
１４：第２励磁コイル（励磁コイル）
１５：真空チャンバ
１６：第１ギャップ内磁力線
１７：第２ギャップ内磁力線
１８：ギャップ内磁力線
２１：磁場分布可変型電磁石システム
２２：第１電磁石ユニット（励磁ユニット）
２３：第２電磁石ユニット（励磁ユニット）
２４：第３電磁石ユニット（励磁ユニット）
２５：第４電磁石ユニット（励磁ユニット）
２６：励磁電源
２７：真空チャンバ
２８：平面部
２９：平面部
３０：ベース磁性体（円弧形状の磁性体）
３１：第１磁性体（円弧形状の磁性体）
３２：第２磁性体（円弧形状の磁性体）
３３：励磁コイル
３４：空洞（円形空間）
３５：磁力線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線加速器などで使用される電磁石システムに関し、特に、磁場分布を変更し得るようにした磁場分布可変型電磁石システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
陽子などの粒子を加速するシンクロトロン系の粒子線加速器では、リンクを構成する真空チャンバ（真空空洞パイプ）に沿って複数の加速機器、複数の偏向電磁石、複数の収束電磁石などを配置し、これら各加速機器、各偏向電磁石、各収束電磁石などを動作させて、入射路側からリングの真空チャンバ内に導かれた荷電粒子を加速させている。
【０００３】
図１０は、このような従来の粒子線加速器で使用される偏向電磁石の正面側断面図を示すものである。
【０００４】
図１０に示す偏向電磁石１０１は、窓枠状に形成された磁性材料などによって構成される磁性体１０２と、磁性体１０２に形成されたギャップ（空隙）１０３内に配置された往路側励磁コイル１０４、復路側励磁コイル１０６によって構成される偏向励磁コイル１０９とを備えている。
【０００５】
そして、加速器制御装置（図示は省略する）からの指示に対応して、励磁電源（図示は省略する）から励磁電流が供給されているとき、往路側励磁コイル１０４によって、磁性体１０２内に磁力線１０５を発生させるとともに、復路側励磁コイル１０６によって、磁性体１０２内に磁力線１０７を発生させる。
【０００６】
これによって、図１１に示す如くギャップ１０３内にフラットな磁場分布特性を持つギャップ内磁力線（偏向磁力線）１０８が発生し、ギャップ１０３内に配置された真空チャンバ（図示は省略する）内を通過する荷電粒子が水平方向に偏向させられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような粒子線加速器で使用される従来の偏向電磁石１０１では、荷電粒子を偏向させるという１つの機能しか持っていないことから、リングを構成する真空チャンバに沿って、多数の偏向電磁石、多数の収束電磁石、多数の加速機器などを配置するのに必要なスペースを確保しなければならない。このため、リング自体が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑み、請求項１では、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができ、さらに応答速度を２倍以上、高速化させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【０００９】
また、請求項２では、２つのＣ型励磁ユニットを組み合わせて、これらＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内の磁場分布を変化させることができ、これによって偏向機能のほか、収束機能、他の機能などを持たせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１０】
また、請求項３では、２つのＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内に２極励磁パターン、４極励磁パターン、または機能結合パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１１】
また、請求項４では、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内の磁場分布を変化させることができ、これによって収束機能などを調整自在にさせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【００１２】
そして、請求項５では、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内に８極励磁パターン、または４極励磁パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる磁場分布可変型電磁石システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明は、請求項１の磁場分布可変型電磁石システムでは、磁力線を発生して、荷電粒子の軌道を制御する電磁石システムにおいて、荷電粒子の通路となる真空チャンバを囲むように配置される複数の励磁ユニットと、これら各励磁ユニット毎に、指定された電流方向、電流値の励磁電流を生成して、前記各励磁ユニットを各々、励磁させる励磁電源とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２では、請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記各励磁ユニットは各々、Ｃ字形状の磁性体、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、前記真空チャンバを囲むように、一方の前記励磁ユニット端部と、他方の前記励磁ユニット端部と対向配置させ、前記励磁電源から一方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットによって生成されるギャップ内磁力線の磁場分布を制御させることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３では、請求項２に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記励磁電源は、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットのギャップ内に、２極磁場分布特性、４極磁場分布特性、または機能結合磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４では、請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記各励磁ユニットは各々、内面側に２つの突起が形成される円弧形状の磁性体、前記各突起に対し、“８”字状に巻き付けられ、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記各突起、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、前記真空チャンバを囲むように、かつ前記各励磁ユニットの各端部のうち、隣り合う端部同士が密着、または近接するように、前記各励磁ユニットを円形に配置し、前記励磁電源から前記各励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、前記各励磁ユニットによって画成される円形空間内に生成される磁力線の磁場分布を制御させることを特徴としている。
【００１７】
そして、請求項５では、請求項４に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、前記励磁電源は、前記各励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットによって画成される前記円形空間内に、８極磁場分布特性、または４極磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による、請求項１の磁場分布可変型電磁石システムでは、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができ、さらに応答速度を２倍以上、高速化させることができる。
【００１９】
また、請求項２の磁場分布可変型電磁石システムでは、２つのＣ型励磁ユニットを組み合わせて、これらＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内の磁場分布を変化させることができ、これによって偏向機能のほか、収束機能、他の機能などを持たせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２０】
また、請求項３の磁場分布可変型電磁石システムでは、２つのＣ型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各Ｃ型励磁ユニットによって画成されるギャップ内に２極励磁パターン、４極励磁パターン、または機能結合パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２１】
また、請求項４の磁場分布可変型電磁石システムでは、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させることにより、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内の磁場分布を変化させることができ、これによって収束機能などを調整自在にさせて、リングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる。
【００２２】
そして、請求項５の磁場分布可変型電磁石システムでは、複数の円弧型励磁ユニットを組み合わせて、これら円弧型励磁ユニットを各々、独立させて励磁させ、各円弧型励磁ユニットによって画成される空間内に８極励磁パターン、または４極励磁パターンのいずれかに対応する磁力線を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第１形態を示す正面側断面図である。
【図２】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムの設置例を示す正面側断面図である。
【図３】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを２極偏向電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図４】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを４極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図５】図１に示す磁場分布可変型電磁石システムを機能結合型電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図６】本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第２形態を示す正面側断面図である。
【図７】図６に示す第１電磁石ユニット〜第４電磁石ユニットの詳細な構成例を示す正面側断面図である。
【図８】図６に示す磁場分布可変型電磁石システムを８極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図９】図６に示す磁場分布可変型電磁石システムを４極電磁石として使用するときの励磁例を示す模式図である。
【図１０】従来から知られている偏向電磁石の一例を示す正面側断面図である。
【図１１】図１０に示す偏向電磁石のギャップ内磁場分布パターン例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
Ａ．本発明の第１の実施形態
図１は、本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第１実施形態を示す正面側断面図である。
【００２５】
図１に示す磁場分布可変型電磁石システム１は、リングを構成する真空チャンバ１５（図２参照）の一側面側に配置されるＣ型の第１励磁ユニット２と、真空チャンバ１５の他側面側に配置されるＣ型の第２励磁ユニット３と、これら第１励磁ユニット２、第２励磁ユニット３を各々、励磁する励磁電源４とを備えており、励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６（図３〜図５参照）を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７（図３〜図５参照）を生成させることにより、ギャップ６、１２内に、指定された磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８（図３〜図５参照）を生成させる。
【００２６】
第１励磁ユニット２は、所定の磁気特性を持ち、断面がＣ型形状になるように加工された長手磁性材料などによって構成される第１磁性体５と、第１磁性体５の上部、下部間に形成されたギャップ６内に配置された厚板状の往路側励磁コイル７、第１磁性体５の内面以外の面に密着するように配置された薄板状の復路側励磁コイル８によって構成される第１励磁コイル９とを備えており、励磁電源４から第１励磁電流が供給されているとき、第１励磁コイル９を励磁させて、第１磁性体５内に、第１励磁電流の電流方向、電流値に応じた方向、強さの磁力線を生成させて、ギャップ６内に、第１ギャップ内磁力線１６を生成させる。
【００２７】
また、第２励磁ユニット３は、所定の磁気特性を持ち、第１磁性体５と同一形状、同一サイズとなるように、かつ断面がＣ型形状になるように加工された長手磁性材料などによって構成される第２磁性体１０と、第２磁性体１０の内面以外の面に密着するように配置された薄板状の往路側励磁コイル１１、第２磁性体１０の上部、下部間に形成されたギャップ１２内に配置された厚板状の復路側励磁コイル１３によって構成される第２励磁コイル１４とを備えており、励磁電源４から第２励磁電流が供給されているとき、第２励磁コイル１４を励磁させて、第２磁性体１０内に、第２励磁電流の電流方向、電流値に応じた方向、強さの磁力線を生成させて、ギャップ１２内に、第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００２８】
また、励磁電源４は、リング制御装置（図示は省略する）からの指示に対応した電流方向、電流値の第１励磁電流を発生して、第１励磁コイル９を励磁させ、ギャップ６内に指定された磁束密度、磁場分布を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、リング制御装置からの指示に対応した第２励磁電流を発生して、第２励磁コイル１４を励磁させ、ギャップ１２内に指定された磁束密度、磁場分布を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００２９】
次に、図２に示す正面側断面図、図３乃至５を参照しながら、磁場分布可変型電磁石システム１の動作を説明する。
【００３０】
まず、図２に示す如く第１励磁ユニット２の各端面と、第２励磁ユニット３の各端面とが密に接合させられ、これら第１励磁ユニット２、第２励磁ユニット３が機械的に一体化させられるとともに、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に真空チャンバ１５が挿通される。
【００３１】
この後、２極偏向電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図３に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６が生成される。
【００３２】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７が生成される。
【００３３】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図３に示す如く通常の２極偏向電磁石と同様に、均一な磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が右方向（または、左方向）に偏向される。
【００３４】
また、４極励磁電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図４に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６が生成される。
【００３５】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７が生成される。
【００３６】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図４に示す如く通常の４極電磁石と同様に、４極成分となる斜め勾配磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が中心方向に収束する。
【００３７】
また、機能結合型電磁石として使用するときには、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第１励磁電流が生成されて、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９が励磁される。これにより、図５に示す如くギャップ６内に第１ギャップ内磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させる。
【００３８】
また、この動作と並行し、励磁電源４によって、励磁方向をプラス側にし、励磁量を５０％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ第２励磁電流が生成されて、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４が励磁される。これにより、ギャップ１２内に第２ギャップ内磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させる。
【００３９】
この結果、機械的に一体化された第１励磁ユニット２のギャップ６内に生成された第１ギャップ内磁力線１６と、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に生成された第２ギャップ内磁力線１７とが合成されて、図５に示すような通常の２極偏向電磁石と、４極電磁石とを合わせた機能結合型電磁石と同様に、斜め勾配磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８が生成され、第１励磁ユニット２のギャップ６内、第２励磁ユニット３のギャップ１２内に配置された、真空チャンバ１５内を通過する荷電粒子が右方向に偏向させられながら、収束させられる。
【００４０】
このように、この第１形態では、励磁電源４によって、第１励磁ユニット２の励磁方向、励磁量、第２励磁ユニット３の励磁方向、励磁量を各々、制御させて、第１励磁ユニット２に、指定された磁場分布特性を持つ第１ギャップ内磁力線１６を生成させるとともに、第２励磁ユニット３に、指定された磁場分布特性を持つ第２ギャップ内磁力線１７を生成させ、ギャップ６、１２内に、指定された磁場分布特性を持つギャップ内磁力線１８を生成させるようにしているので、荷電粒子の軌道を調整する磁力線の磁場分布を変化させて、各種偏向機能、各種収束機能、他の機能などを持たせることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる（請求項１、２及び３に記載の発明の効果）。
【００４１】
また、この第１形態では、第１励磁ユニット２の第１励磁コイル９と、第２励磁ユニット３の第２励磁コイル１４とによって、１つのギャップ内磁力線１８を生成させるようにしているので、従来の偏向電磁石に設けられている励磁コイルに比べ、第１励磁コイル９、第２励磁コイル１４のインダクタンスを半減させることができ、これによって応答速度を１マイクロ秒以下にさせることができる。
【００４２】
さらに、この第１形態では、第１磁性体５、第２磁性体１０などの鉄心の制約に起因する最大加速エネルギーＬの制約を無くすことができ、これによってシンクロトロン等の高エネルギー粒子線加速器の機能を維持しつつ、加速器本体をコンパクト化させることができるとともに、運転中においても、磁場分布を変更させることができる。
【００４３】
２．本発明の第２の実施形態
図６は、本発明による磁場分布可変型電磁石システムの第２形態を示す正面側断面図である。
【００４４】
図６に示す磁場分布可変型電磁石システム２１は、１／４円弧状に形成される第１電磁石ユニット２２、第２電磁石ユニット２３、第３電磁石ユニット２４、第４電磁石ユニット２５と、第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５を個別に励磁する励磁電源２６とを備えており、加速器制御装置からの指示信号に応じて、励磁電源２６から第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５に励磁電流を供給させて、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５（図８参照）、または４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５（図９参照）を生成させ、内部に配置された真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４５】
第１乃至第４電磁石ユニット２２−２５は各々、図７に示すように内面側に２つの平面部２８、２９が形成され、外面側が１／４円弧形状にされた長手磁性材料などによって構成されるベース磁性体３０と、所定の磁気特性を持つ長板形状の磁性材料などによって構成され、外面側がベース磁性体３０の平面部２８と密着させられる第１磁性体３１と、所定の磁気特性を持つ長板形状の磁性材料などによって構成され、外面側がベース磁性体３０の平面部２９と密着させられる第２磁性体３２と、第１磁性体３１の各側面、第２磁性体３２の各３側面を順次、経由するように、第１磁性体３１、第２磁性体３２に巻き付けられて形成される“８”字状の励磁コイル３３と、を備えている。
【００４６】
そして、８極電磁石として使用するときには、励磁電源２６によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ４つの励磁電流が生成されて、第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５が各々、励磁される。これにより、図８に示す如く第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５間で、隣り合う磁力線が分岐させられて、空洞３４内に、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性を持つ磁力線３５が生成され、真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４７】
また、４極電磁石として使用するときには、励磁電源２６によって、励磁方向をマイナス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ２つの励磁電流が生成されて、第１電磁石ユニット２２、第３電磁石ユニット２４が励磁させられるとともに、励磁方向をプラス側にし、励磁量を１００％にするのに必要な電流方向、電流値を持つ２つの励磁電流が生成されて、第２電磁石ユニット２３、第４電磁石ユニット２５が励磁される。これにより、図９に示す如く第１電磁石ユニット２２〜第４電磁石ユニット２５毎に磁力線が独立させられて、空洞３４内に、通常の４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５が生成され、真空チャンバ２７内を通る荷電粒子を収束させる。
【００４８】
このように、この第２形態では、加速器制御装置からの指示信号に応じて、励磁電源２６から第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５に励磁電流を各々、供給させて、通常の８極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５、または４極電磁石と同じ磁場分布特性の磁力線３５を生成させるようにしているので、加速対象となっている荷電粒子の種類、目標速度などに応じて、最適な磁場分布特性の磁力線３５を生成させることができ、これによってリングで使用される電磁石の種類数を大幅に低減させ、加速器の低価格化、小型化を達成させることができる（請求項１、４及び５に記載の発明の効果）。
【００４９】
また、この第２形態では、第１電磁石ユニット２２の励磁コイル３３〜第４電磁石ユニット２２の励磁コイル３３を個別に励磁させて、空洞３４内に４極、または８極の磁力線３５を生成させるようにしているので、従来の収束電磁石に設けられている励磁コイルに比べ、各励磁コイル３３のインダクタンスを１／４以下にさせることができ、これによって応答速度を４倍以上、高速化させることができる。
【００５０】
さらに、この第２形態では、第１〜第４電磁石ユニット２２〜２５の各ベース磁性体３０、各第１磁性体３１、各第２磁性体３２などの鉄心の制約に起因する最大加速エネルギーＬの制約を無くすことができ、これによってシンクロトロン等の高エネルギー粒子線加速器の機能を維持しつつ加速器本体をコンパクト化させることができるとともに、運転中においても、磁場分布を変更させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、粒子線加速器などで使用される電磁石システムに関するものであり、特に、素粒子実験、原子核実験、医学利用（放射線治療）等を目的とした高エネルギー粒子線加速器の多機能化を可能とし、バルク加工を対象にしたナノ材料の量産化への一歩である重イオン加速器に貢献するものであって、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００５２】
１：磁場分布可変型電磁石システム
２：第１励磁ユニット（励磁ユニット）
３：第２励磁ユニット（励磁ユニット）
４：励磁電源
５：第１磁性体（Ｃ字形状の磁性体）
６：ギャップ
７：往路側励磁コイル
８：復路側励磁コイル
９：第１励磁コイル（励磁コイル）
１０：第２磁性体（Ｃ字形状の磁性体）
１１：往路側励磁コイル
１２：ギャップ
１３：復路側励磁コイル
１４：第２励磁コイル（励磁コイル）
１５：真空チャンバ
１６：第１ギャップ内磁力線
１７：第２ギャップ内磁力線
１８：ギャップ内磁力線
２１：磁場分布可変型電磁石システム
２２：第１電磁石ユニット（励磁ユニット）
２３：第２電磁石ユニット（励磁ユニット）
２４：第３電磁石ユニット（励磁ユニット）
２５：第４電磁石ユニット（励磁ユニット）
２６：励磁電源
２７：真空チャンバ
２８：平面部
２９：平面部
３０：ベース磁性体（円弧形状の磁性体）
３１：第１磁性体（円弧形状の磁性体）
３２：第２磁性体（円弧形状の磁性体）
３３：励磁コイル
３４：空洞（円形空間）
３５：磁力線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁力線を発生して、荷電粒子の軌道を制御する電磁石システムにおいて、
荷電粒子の通路となる真空チャンバを囲むように配置される複数の励磁ユニットと、
これら各励磁ユニット毎に、指定された電流方向、電流値の励磁電流を生成して、前記各励磁ユニットを各々、励磁させる励磁電源と、
を備えたことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項２】
請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記各励磁ユニットは各々、Ｃ字形状の磁性体、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、
前記真空チャンバを囲むように、一方の前記励磁ユニット端部と、他方の前記励磁ユニット端部と対向配置させ、
前記励磁電源から一方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットによって生成されるギャップ内磁力線の磁場分布を制御させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項３】
請求項２に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記励磁電源は、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットのギャップ内に、２極磁場分布特性、４極磁場分布特性、または機能結合磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項４】
請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記各励磁ユニットは各々、内面側に２つの突起が形成される円弧形状の磁性体、前記各突起に対し、“８”字状に巻き付けられ、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記各突起、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、
前記真空チャンバを囲むように、かつ前記各励磁ユニットの各端部のうち、隣り合う端部同士が密着、または近接するように、前記各励磁ユニットを円形に配置し、
前記励磁電源から前記各励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、前記各励磁ユニットによって画成される円形空間内に生成される磁力線の磁場分布を制御させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項５】
請求項４に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記励磁電源は、前記各励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットによって画成される前記円形空間内に、８極磁場分布特性、または４極磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項１】
磁力線を発生して、荷電粒子の軌道を制御する電磁石システムにおいて、
荷電粒子の通路となる真空チャンバを囲むように配置される複数の励磁ユニットと、
これら各励磁ユニット毎に、指定された電流方向、電流値の励磁電流を生成して、前記各励磁ユニットを各々、励磁させる励磁電源と、
を備えたことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項２】
請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記各励磁ユニットは各々、Ｃ字形状の磁性体、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、
前記真空チャンバを囲むように、一方の前記励磁ユニット端部と、他方の前記励磁ユニット端部と対向配置させ、
前記励磁電源から一方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットによって生成されるギャップ内磁力線の磁場分布を制御させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項３】
請求項２に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記励磁電源は、一方の前記励磁ユニット、他方の前記励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットのギャップ内に、２極磁場分布特性、４極磁場分布特性、または機能結合磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項４】
請求項１に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記各励磁ユニットは各々、内面側に２つの突起が形成される円弧形状の磁性体、前記各突起に対し、“８”字状に巻き付けられ、前記励磁電源から励磁電流が供給されたとき、前記各突起、前記磁性体内に磁力線を発生させる励磁コイルを備え、
前記真空チャンバを囲むように、かつ前記各励磁ユニットの各端部のうち、隣り合う端部同士が密着、または近接するように、前記各励磁ユニットを円形に配置し、
前記励磁電源から前記各励磁ユニットに供給する励磁電流を各々、制御させて、前記各励磁ユニットによって画成される円形空間内に生成される磁力線の磁場分布を制御させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【請求項５】
請求項４に記載の磁場分布可変型電磁石システムにおいて、
前記励磁電源は、前記各励磁ユニットに供給する励磁電流の電流方向、電流値を各々、調整し、前記各励磁ユニットによって画成される前記円形空間内に、８極磁場分布特性、または４極磁場分布特性のいずれかに対応する磁力線を生成させる、ことを特徴とする磁場分布可変型電磁石システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１０５６１（Ｐ２０１１−２１０５６１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７６２０（Ｐ２０１０−７７６２０）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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