(57)【要約】【課題】起動時間を短縮することが可能なサイクロトロンを提供する。【解決手段】サイクロトロン１は、互いに対向する一対の上ポール部２４及び下ポール部２６と、各ポール部２４，２６の外周に巻回された電磁石コイル１２（主コイル３２）と、電磁石コイル１２との間で熱交換を行う流体を供給する冷却装置１８と、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイル１２に流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、冷却装置１８から供給される流体の流量又は温度を調節する運転停止制御を行う制御部２２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の第１及び第２のポール部と、
前記第１及び第２のポール部の外周に巻回された電磁石コイルと、
前記電磁石コイルとの間で熱交換を行う流体が流れる流路と、
入力される運転停止信号に応じて、前記電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、前記流路を流れる流体の流量又は温度を調節する運転停止制御を行う制御部とを備える、サイクロトロン。
【請求項２】
前記第１又は第２のポール部の温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記運転停止制御を行った後で、且つ、前記温度センサで測定された前記第１又は第２のポール部の温度が所定のしきい値以下になったときに、前記電磁石コイルに流す電流量を増加させる、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記制御部は、入力される運転停止信号に応じて、前記電磁石コイルに流れる電流値を０とすると共に、前記流路を流れる流体の流量又は温度を調節する前記運転停止制御を行う、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記温度センサは、前記第１又は第２のポール部内に配置されている、請求項２に記載のサイクロトロン。
【請求項５】
前記温度センサは白金抵抗温度センサである、請求項４に記載のサイクロトロン。
【請求項６】
前記第１又は第２のポール部の温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記運転停止制御を行った後で、且つ、前記温度センサで測定された前記第１又は第２のポール部の温度が所定のしきい値以下になったときに、前記流路を流れる流体の温度を昇温させる、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項７】
互いに対向する一対の第１及び第２のポール部と、
前記第１及び第２のポール部の外周に巻回された電磁石コイルと、
前記第１及び第２のポール部を加熱するヒータと、
入力される運転停止信号に応じて、前記電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、前記ヒータにより前記第１及び第２のポール部を加熱する運転停止制御を行う制御部とを備える、サイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
サイクロトロンは、陽子などの荷電粒子を加速するための粒子加速器の一種である。特許文献１は、コアと、電磁石コイルと、高周波発生装置とを備えるサイクロトロンを開示している。
【０００３】
コアは、互いに対向して主磁場を形成する一対の上ポール部及び下ポール部と、上ポール部及び下ポール部を磁気的に接続するヨーク部とを有する。電磁石コイルは、主磁場を形成するために上ポール部及び下ポール部の外周を囲むように配置された主コイルと、等時性磁場を形成するために上ポール部と下ポール部との間に配置されたトリムコイルとを有する。これらのコア及び電磁石コイルにより形成される磁場により、サイクロトロンの中心部に導入された荷電粒子は、円軌道（螺旋軌道）を描きつつ外側に向けて移動する。
【０００４】
高周波発生装置は、例えば扇形状を呈する一対のディー電極と、高周波電源とを有する。高周波電源によりディー電極の間に一定の周期で電場の向きが入れ替わる交流電場を発生させると共に、荷電粒子がディー電極間を通過するタイミングと高周波電場の周期を同期させることにより、ディー電極を通過するごとに荷電粒子が加速される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１５０１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、サイクロトロンにおいては、電磁石コイルに極めて大きな電流を流して磁場を形成する必要がある。そのため、電磁石コイルから発生するジュール熱がコアに伝達し、コアの熱膨張により上ポール部と下ポール部との離間距離が変化してしまう。具体的には、上ポール部及び下ポール部よりもヨーク部の体積が大きいため、上ポール部と下ポール部とが離れるようにヨーク部が熱膨張し、上ポール部と下ポール部との離間距離が大きくなる。
【０００７】
当該離間距離が大きくなると、磁場の分布が変化して磁場と高周波電場とが対応しなくなり、荷電粒子の加速効率が低下して安定な荷電粒子線（ビーム）が得られなくなる。従って、通常は、電磁石コイルに大電流が流れてコアが加熱された状態（サイクロトロンの稼働時）における当該離間距離を想定して、磁場と高周波電場とを対応づけている。
【０００８】
ところが、サイクロトロンの非稼働時には、電磁石コイルに電流が流れないため、電磁石コイル及びコアの温度が低下する。従って、サイクロトロンの再稼働時には、電磁石コイル及びコアが所定の温度に達して所望の磁場の分布が得られまでに時間を要する。特に、週末や定期点検などでサイクロトロンが長時間にわたって停止し、電磁石コイル及びコアの温度が極端に低下した場合や、サイクロトロンが大型で電磁石コイル及びコアの体積（熱容量）が大きい場合には、所望の磁場の分布が得られてサイクロトロンの起動が完了するまでに１０数時間以上かかることもある。このような長時間を要するのは、電磁石コイルとヨーク部との間の熱伝導の効率が悪く、さらには、ヨーク部、上ポール部、及び下ポール部の熱容量が大きいためである。
【０００９】
そのため、本発明の目的は、起動時間を短縮することが可能なサイクロトロンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面に係るサイクロトロンは、互いに対向する一対の第１及び第２のポール部と、第１及び第２のポール部の外周に巻回された電磁石コイルと、電磁石コイルとの間で熱交換を行う流体が流れる流路と、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、流路を流れる流体の流量又は温度を調節する運転停止制御を行う制御部とを備える。
【００１１】
本発明の一側面に係るサイクロトロンでは、制御部が、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、流路を流れる流体の流量又は温度を調節する運転停止制御を行う。そのため、電流値の低下に応じて電磁石コイルにおいて発生するジュール熱が小さくなるが、流路を流れる流体の流量又は温度が調節されるので、電磁石コイルと流体との間で交換される熱量も小さくなる。従って、サイクロトロンの運転が停止しても、稼働時における第１及び第２のポール部の温度が極端に低下することがないので、これらのポール部の離間距離に大きな変化が生じ難くなる。その結果、サイクロトロンの非稼働時でも所望の磁場の分布が維持できるので、サイクロトロンの起動時間を短縮することが可能となる。
【００１２】
ところで、サイクロトロンの起動時間を短縮するために、サイクロトロンの非稼働時にも稼働時と同様に、電磁石コイルに大通電を流しつつ電磁石コイルを冷却することも考えられる。この場合、サイクロトロンが稼働していないにもかかわらず消費電力量が極めて大きくなってしまう。しかしながら、本発明の一側面に係るサイクロトロンでは、制御部がサイクロトロンの運転停止制御を行うと、電磁石コイルに流れる電流値が稼働時における電流値よりも小さくなる。そのため、サイクロトロンの起動時間を短縮しつつ、省電力化を図ることが可能となる。
【００１３】
第１又は第２のポール部の温度を測定する温度センサをさらに備え、制御部は、運転停止制御を行った後で、且つ、温度センサで測定された第１又は第２のポール部の温度が所定のしきい値以下になったときに、電磁石コイルに流す電流量を増加させてもよい。この場合、流路を流れる流体の流量又は温度を調節したにもかかわらずさらに第１又は第２のポール部の温度が下がっても、電磁石コイルに電流が流れてジュール熱が発生する。そのため、当該ジュール熱が第１及び第２のポール部に伝熱する。従って、第１及び第２のポール部の温度を、所望の磁場の分布が得られる所望の範囲内とすることができる。
【００１４】
制御部は、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイルに流れる電流値を０とすると共に、流路を流れる流体の流量又は温度を調節する運転停止制御を行ってもよい。この場合、サイクロトロンの非稼働時に電磁石コイルに電流が流れないため、より一層の省電力化を図ることが可能となる。
【００１５】
温度センサは、第１又は第２のポール部内に配置されていてもよい。
【００１６】
温度センサは白金抵抗温度センサであってもよい。
【００１７】
第１又は第２のポール部の温度を測定する温度センサをさらに備え、制御部は、運転停止制御を行った後で、且つ、温度センサで測定された第１又は第２のポール部の温度が所定のしきい値以下になったときに、流路を流れる流体の温度を昇温させてもよい。この場合、流路を流れる流体の流量又は温度を調節したにもかかわらずさらに第１又は第２のポール部の温度が下がっても、流路を流れる流体の温度が昇温する。そのため、当該流体の熱が第１及び第２のポール部に伝熱する。従って、第１及び第２のポール部の温度を、所望の磁場の分布が得られる範囲内とすることができる。
【００１８】
本発明の他の側面に係るサイクロトロンは、互いに対向する一対の第１及び第２のポール部と、第１及び第２のポール部の外周に巻回された電磁石コイルと、第１及び第２のポール部を加熱するヒータと、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、ヒータにより第１及び第２のポール部を加熱する運転停止制御を行う制御部とを備える。
【００１９】
本発明の他の側面に係るサイクロトロンでは、制御部が、入力される運転停止信号に応じて、電磁石コイルに流れる電流値を稼働時における電流値よりも小さくすると共に、ヒータにより第１及び第２のポール部を加熱する運転停止制御を行う。そのため、電流値の低下に応じて電磁石コイルにおいて発生するジュール熱が小さくなるが、ヒータにより第１及び第２のポール部が加熱されるので、サイクロトロンの運転が停止しても、稼働時における第１及び第２のポール部の温度が極端に低下することがない。従って、これらのポール部の離間距離に大きな変化が生じ難くなる。その結果、サイクロトロンの非稼働時でも所望の磁場の分布が維持できるので、サイクロトロンの起動時間を短縮することが可能となる。
【００２０】
ところで、サイクロトロンの起動時間を短縮するために、サイクロトロンの非稼働時にも稼働時と同様に、電磁石コイルに大通電を流しつつ電磁石コイルを冷却することも考えられる。この場合、サイクロトロンが稼働していないにもかかわらず消費電力量が極めて大きくなってしまう。しかしながら、本発明の一側面に係るサイクロトロンでは、制御部がサイクロトロンの運転停止制御を行うと、電磁石コイルに流れる電流値が稼働時における電流値よりも小さくなる。そのため、サイクロトロンの起動時間を短縮しつつ、省電力化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、起動時間を短縮することが可能なサイクロトロンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本実施形態に係るサイクロトロンを示す概略図である。
【図２】図２は、図１の電磁石コイル部分を拡大して示す図である。
【図３】図３は、電流及び流量の変化を示す図である。
【図４】図４は、電流及び流量の変化の他の例を示す図である。
【図５】図５は、電流及び流量の変化のさらに他の例を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係るサイクロトロンの他の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
本実施形態に係るサイクロトロン１は、図１に示されるように、コア１０と、電磁石コイル１２と、電磁石コイル電源１４と、高周波発生装置１６と、冷却装置１８と、温水供給装置２０と、制御部２２とを備える。コア１０は、互いに対向して主磁場を形成する一対の上ポール部２４及び下ポール部２６と、上ポール部２４及び下ポール部２６を磁気的に接続するヨーク部２８とを有する。上ポール部２４及び下ポール部２６は、内部が真空とされた真空箱３０内に位置している。
【００２５】
本実施形態では、上ポール部２４内に温度センサ２４ａが設けられている。図示していないが、下ポール部２６内にも温度センサを設けてもよい。これらの温度センサとしては、例えば、白金抵抗温度センサを用いることができる。温度センサによって検出された温度のデータは、制御部２２に入力される。
【００２６】
電磁石コイル１２は、主コイル３２と、トリムコイル３４とを有する。主コイル３２は、主磁場を形成するためのものであり、図２に詳しく示されるように、中空の金属管３６（ホロウコンダクタとも呼ばれる）が巻回されて構成されている。主コイル３２は、上ポール部２４の外周を囲むように配置された第１の部分３２ａと、下ポール部２６の外周を囲むように配置された第２の部分３２ｂとを含む。第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとは、電気的に直列に接続されている。
【００２７】
トリムコイル３４は、等時性磁場を形成するためのものであり、上ポール部２４と下ポール部２６との間に配置されている。ただし、電磁石コイル１２は、トリムコイル３４を備えていなくてもよい。電磁石コイル電源１４は、制御部２２からの指示に基づいて電磁石コイル１２（主コイル３２及びトリムコイル３４）に電流を流す。
【００２８】
サイクロトロン１の中心部に荷電粒子が導入されると、これらのコア１０及び電磁石コイル１２により形成される磁場により、当該荷電粒子が円軌道（螺旋軌道）を描きつつ外側に向けて移動する。すなわち、真空箱３０内で、且つ、上ポール部２４と下ポール部２６との間の領域は、荷電粒子の加速空間として機能する。
【００２９】
高周波発生装置１６は、例えば扇形状を呈する一対のディー電極３８と、高周波電源４０とを有する。ディー電極３８は、真空箱３０内で、且つ、上ポール部２４と下ポール部２６との間（トリムコイル３４の間）に配置されている。すなわち、ディー電極３８は、加速空間内に位置している。
【００３０】
高周波電源４０は、制御部２２の指示に基づいてディー電極３８に高周波の電力を供給して、ディー電極３８の間に一定の周期で電場の向きが入れ替わる交流電場（高周波電場）を発生させる。荷電粒子がディー電極３８間を通過するタイミングと高周波電場の周期を同期させることにより、ディー電極３８を通過するごとに荷電粒子が加速される。
【００３１】
冷却装置１８は、冷却水などの冷却媒体（流体）を、配管４２，４４を通じて循環させ、電磁石コイル１２の冷却を行うものである。冷却装置１８と主コイル３２との間に延びる配管４２は、２つに分岐され、主コイル３２の第１の部分３２ａを構成する金属管３６の入口側と、主コイル３２の第２の部分３２ｂを構成する金属管３６の入口側とに、それぞれ並列に接続されている。冷却装置１８と主コイル３２との間に延びる配管４４は、２つに分岐され、主コイル３２の第１の部分３２ａを構成する金属管３６の出口側と、主コイル３２の第２の部分３２ｂを構成する金属管３６の出口側とに、それぞれ並列に接続されている。従って、冷却装置１８から流れる流体は、第１の部分３２ａを構成する金属管３６と、第２の部分３２ｂを構成する金属管３６とをそれぞれ流れて、主コイル３２と熱交換をした後に、冷却装置１８に戻る。すなわち、冷却装置１８と、配管４２，４４と、第１及び第２の部分３２ａ，３２ｂを構成する金属管３６とは、流体が流れる流路を構成している。
【００３２】
配管４２，４４にはそれぞれ、バルブ４６，４７が設けられており、制御部２２の指示に基づいて開閉される。配管４４には、流量計４８が設けられており、流量計４８において計測した流量のデータが制御部２２に入力される。
【００３３】
温水供給装置２０は、温水などの加熱媒体（流体）を、配管５０，５２及び配管４２，４４を通じて循環させ、電磁石コイル１２の保温を行うものである。配管５０は、配管４２と接続されている。配管５０には、バルブ５４が設けられており、制御部２２の指示に基づいて開閉される。配管５２は、配管４４と接続されている。配管４４には、バルブ５６が設けられており、制御部２２の指示に基づいて開閉される。
【００３４】
制御部２２は、入力される運転信号又は運転停止信号に応じて、サイクロトロンを稼働状態と非稼働状態との間で切り替える。制御部２２に運転信号が入力されると、制御部２２は、電磁石コイル電源１４、高周波電源４０及び冷却装置１８に指示して、主磁場、等時性磁場及び高周波電場をそれぞれ形成する。
【００３５】
一方、制御部２２に運転停止信号が入力されると、制御部２２は、高周波電源４０に指示して、ディー電極３８への高周波の電力供給を停止する。また、制御部２２は、図３に示されるように、電磁石コイル電源１４に指示して、主コイル３２に流れる電流の大きさをサイクロトロン１の稼働時よりも小さくすると共に、バルブ４６，４７に指示して、冷却装置１８と主コイル３２（金属管３６）との間を循環する流体の流量を小さくする。主コイル３２に流れる電流の大きさと、冷却装置１８と主コイル３２（金属管３６）との間を循環する流体の流量とは、上ポール部２４と下ポール部２６との離間距離が保たれるように設定される。予め実験等で求めた値に従って当該電流の大きさと当該流量とを設定してもよいし、温度センサ２４ａによって測定された温度に応じて当該電流の大きさと当該流量とを設定してもよい。
【００３６】
以上のような本実施形態では、電流値の低下に応じて電磁石コイル１２において発生するジュール熱が小さくなるが、流路を流れる流体の流量が小さくなるように調節されるので、電磁石コイル１２と流体との間で交換される熱量も小さくなる。従って、サイクロトロン１の運転が停止しても、稼働時におけるポール部２４，２６の温度が極端に低下することがないので、上ポール部２４と下ポール部２６との離間距離に大きな変化が生じ難くなる。その結果、サイクロトロン１の非稼働時でも所望の磁場の分布が維持できるので、サイクロトロン１の起動時間を短縮することが可能となる。
【００３７】
ところで、サイクロトロン１の起動時間を短縮するために、サイクロトロン１の非稼働時にも稼働時と同様に、電磁石コイル１２に大通電を流しつつ電磁石コイル１２を冷却することも考えられる。この場合、サイクロトロン１が稼働していないにもかかわらず消費電力量が極めて大きくなってしまう。しかしながら、本実施形態に係るサイクロトロン１では、制御部２２がサイクロトロン１の運転停止制御を行うと、電磁石コイル１２に流れる電流値が稼働時における電流値よりも小さくなる。そのため、サイクロトロンの起動時間を短縮しつつ、省電力化を図ることが可能となる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、制御部２２に運転停止信号が入力されたときに、制御部２２は、図４に示されるように、電磁石コイル電源１４に指示して、主コイル３２に流れる電流の大きさを０とすると共に、バルブ４６，４７に指示して、冷却装置１８と主コイル３２（金属管３６）との間を循環する流体の流量が小さくしてもよい。この場合、サイクロトロン１の非稼働時に電磁石コイル１２に電流が流れないため、より一層の省電力化を図ることが可能となる。
【００３９】
制御部２２に運転停止信号が入力されたときに、制御部２２は、電磁石コイル電源１４に指示して、主コイル３２に流れる電流の大きさをサイクロトロン１の稼働時よりも小さくする（電流の大きさを０にする場合も含む）と共に、バルブ４６，４７，５４，５６に指示して、主コイル３２と温水供給装置２０との間で流体（温水）を循環させるようにしてもよい。この場合、電流値の低下に応じて電磁石コイル１２において発生するジュール熱が小さくなるものの、温水が電磁石コイル１２に供給されてその温度が保温される。従って、サイクロトロン１の運転が停止しても、稼働時におけるポール部２４，２６の温度が極端に低下することがないので、上ポール部２４と下ポール部２６との離間距離に大きな変化が生じ難くなる。その結果、サイクロトロン１の非稼働時でも所望の磁場の分布が維持できるので、サイクロトロン１の起動時間を短縮することが可能となる。
【００４０】
なお、温水供給装置２０に代えて、または加えて、例えば配管４２，４４に設けられたヒータにより、冷却装置１８と主コイル３２との間を循環する流体を加熱し、当該流体の温度を調節するようにしてもよい。
【００４１】
上記の本実施形態では、制御部２２が、電磁石コイル電源１４に指示して、主コイル３２に流れる電流の大きさをサイクロトロン１の稼働時よりも小さくすると共に、バルブ４６，４７に指示して、冷却装置１８と主コイル３２（金属管３６）との間を循環する流体の流量が小さくなるよう調整している。この場合、サイクロトロン１の運転が停止しても、稼働時におけるポール部２４，２６の温度が極端に低下することがないものの、図５（ａ）に示されるように、ポール部２４，２６の温度は徐々に低下しうる。そこで、制御部２２がサイクロトロン１の運転停止制御を行った後に、温度センサ２４ａによって検出される上ポール部２４の温度が所定のしきい値以下となったときに、制御部２２が電磁石コイル電源１４を制御して、図５（ｂ）に示されるように電磁石コイル１２に流す電流量を一時的に増加させてもよい。この場合、電磁石コイル１２に電流が流れてジュール熱が発生して、当該ジュール熱がポール部２４，２６に伝熱する。従って、ポール部２４，２６の温度を、所望の磁場の分布が得られる所望の範囲内とすることができる。このとき、図５（ｃ）に示されるように、冷却装置１８と主コイル３２（金属管３６）との間を循環する流体の流量について制御しなくてもよいし、当該流量を一時的にさらに小さくなるように制御してもよいし、温水供給装置２０から温水を供給して、主コイル３２（金属管３６）内を流れる流体の温度を一時的に昇温させるようにしてもよい。
【００４２】
上ポール部２４の温度が所定のしきい値以下となったか否かの判断は、上記のように温度センサ２４ａによって測定される上ポール部２４の温度に基づいて行ってもよいし、所定時間を経過したか否かにより行ってもよい。具体的には、予め実験等を行って、上ポール部２４の温度が所定のしきい値以下となる時間を測定し、当該時間を経過したときに、制御部２２が電磁石コイル電源１４を制御して、図５（ｂ）に示されるように電磁石コイル１２に流す電流量を一時的に増加させてもよい。
【００４３】
図６に示されるように、冷却装置１８及び温水供給装置２０に代えて、又は加えて、サイクロトロン１がヒータ５８をさらに備えてもよい。図６の例では、ヒータ５８は、コア１０の外表面を覆うように配置されている。制御部２２に運転停止信号が入力されたときに、制御部２２は、電磁石コイル電源１４に指示して、主コイル３２に流れる電流の大きさをサイクロトロン１の稼働時よりも小さくする（電流の大きさを０にする場合も含む）と共に、ヒータ５８に指示して、コア１０（ポール部２４，２６）を加熱する。この場合、電流値の低下に応じて電磁石コイル１２において発生するジュール熱が小さくなるものの、ヒータ５８の熱がポール部２４，２６に伝熱する。従って、ポール部２４，２６の温度を、所望の磁場の分布が得られる所望の範囲内とすることができる。しかも、ヒータ５８における消費電力は、電磁石コイル電源１４における消費電力よりも極めて小さいため、より一層の省電力化を図ることが可能となる。ヒータ５８によってポール部２４，２６を加熱することができれば、ヒータ５８は、コア１０の外表面の一部を覆っていてもよいし、コア１０の内部に埋設されていてもよい。
【００４４】
本発明は、シンクロサイクロトロンを含むサイクロトロン一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…サイクロトロン、１０…コア、１２…電磁石コイル、１４…電磁石コイル電源、１６…高周波発生装置、１８…冷却装置、２０…温水供給装置、２２…制御部、２４…上ポール部、２４ａ…温度センサ、２６…下ポール部、３２…主コイル、３６…金属管、５８…ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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