(57)【要約】【課題】螺旋磁路構造及びそれを応用した粒子加速器を提供する。【解決手段】螺旋磁路構造１００は、少なくとも１つのマグネット組立体２００を備える。前記マグネット組立体２００は、複数の永久磁石２１０及び複数の鉄心２２０を有する。前記永久磁石２１０は、磁化方向を有し、螺旋状かつ螺旋曲面を形成するように配列される。前記螺旋曲面の中心には、荷電粒子が通過する軸方向通路が形成される。前記鉄心２２０は、前記永久磁石２１０と同じ数を有し、前記永久磁石２１０の一側に吸着され、前記永久磁石２１０により磁化される。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのマグネット組立体を備えた螺旋磁路構造であって、
前記マグネット組立体は、複数の永久磁石及び複数の鉄心を有し、
前記永久磁石は、磁化方向を有し、螺旋状かつ螺旋曲面を形成するように配列され、前記螺旋曲面の中心には、荷電粒子が通過する軸方向通路が形成され、
前記鉄心は、前記永久磁石と同じ数を有し、前記永久磁石の一側に吸着され、前記永久磁石により磁化される
ことを特徴とする螺旋磁路構造。
【請求項２】
前記マグネット組立体は、複数である上、互いに直列接続されて前記軸方向通路に沿って延びる、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項３】
前記マグネット組立体は、複数である上、互いにずれて配置されて二重螺旋状に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項４】
２つの前記マグネット組立体の前記磁化方向は互いに反対である、ことを特徴とする請求項３に記載の螺旋磁路構造。
【請求項５】
前記マグネット組立体の外側を取り囲むように配設され、前記マグネット組立体を位置拘束するインナーフレームをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項６】
前記マグネット組立体は、前記永久磁石及び前記鉄心を前記インナーフレーム内に位置決めする複数の位置決め部材を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の螺旋磁路構造。
【請求項７】
前記インナーフレームの形状に対応して固定設置され、前記インナーフレームをその上で押動する複数のガイドレールをさらに備える、ことを特徴とする請求項５に記載の螺旋磁路構造。
【請求項８】
前記永久磁石は、ネオジム、鉄及びホウ素を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項９】
前記鉄心は、クロムバナジウム鋼、鉄、コバルト又はそれらの合金を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項１０】
前記軸方向通路の断面は、円形又は楕円形である、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項１１】
前記永久磁石の数は２つ又は４つである、ことを特徴とする請求項１に記載の螺旋磁路構造。
【請求項１２】
請求項１に記載の螺旋磁路構造を含む、ことを特徴とする粒子加速器。
【請求項１３】
自由電子レーザ又はシンクロトロン放射加速器である、ことを特徴とする請求項１２に記載の粒子加速器。
【請求項１４】
前記マグネット組立体は、複数である上、互いに直列接続されて前記軸方向通路に沿って延びる、ことを特徴とする請求項１２に記載の粒子加速器。
【請求項１５】
前記マグネット組立体は、複数である上、互いにずれて配置され、二重螺旋状に形成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の粒子加速器。
【請求項１６】
２つの前記永久磁石の前記磁化方向は互いに反対である、ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁路構造及びそれを応用した粒子加速器に関し、特に、螺旋磁路構造及びそれを応用した粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子加速器とは、近年、研究開発された装置であり、それは放射実験、固体物理、生物学、医療など様々な分野で広く利用され、今日に至るまで、様々な応用可能性が次々と見つかっている。
【０００３】
初期の粒子加速器は、線形粒子加速器（Ｌｉｎｅａｒ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）であり、直線状に配列された複数の電界生成装置（例えば、電極リング）により電界を生成し、各電界表面の電性を制御し、荷電粒子の吸引又は排斥を行い、この方式は荷電粒子の移動速度を継続的に加速させることができる。しかし、荷電粒子の速度が常に高いため、電界生成装置の動作を高電圧環境下で維持しなければならず、コスト面及び安全面で問題があり、その表面の誘導電荷も荷電粒子に対して干渉し易かった。また、線形粒子加速器の粒子移動経路が直接、粒子加速器自身の長さにより決められるが、この特性は線形粒子加速器の体積が大きいことを意味し、イニシャルコストが高くなる上、空間が無駄となる欠点もあった。
【０００４】
近年の粒子加速器はシンクロトロン（ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ）であり、例えば、米国のスタンフォード大学のＳＬＡＣ実験室が２０１４年に発表した分極アンジュレータを粒子加速器として用いるものは（ＣＯＭＭＩＳＳＩＯＮＩＮＧ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＤＥＬＴＡ
ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ  ＵＮＤＵＬＡＴＯＲ  ＡＴ  ＬＣＬＳ，ＳＬＡＣ−ＰＵＢ−１６４０４）、磁場及び電界が荷電粒子に同時に作用し、荷電粒子が加速する過程で螺旋状磁場の影響を受け、螺旋状の経路で前進するため、同じ線形長さ内で荷電粒子の移動経路を延ばすことができた。
【０００５】
しかし、上述したシンクロトロンのアンジュレータが荷電粒子の４方向に設置されていたため、その螺旋状磁場は、実際にはＸ−Ｙ平面の４つの磁場方向で形成されている。そのため、着磁効果が低く、磁場強度も弱かった。また、上述した磁路構造は、磁場の４方向の磁極の空間が制限を受けるため、磁場強度の均一性が低くなり、不均一な磁場は粒子加速器の応用にとって好ましくなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、従来の磁路構造の上述した問題点を改善するために、螺旋状のマグネット組立体を構成要素として用い、磁路構造に螺旋磁場を発生させ、磁路構造の磁場の強度及び均一性を高める螺旋磁路構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、螺旋磁路構造を提供する。それは少なくとも１つのマグネット組立体を含み、マグネット組立体は、同じ数の複数の永久磁石及び鉄心を有し、永久磁石は、磁化方向を有し、螺旋状かつ螺旋曲面を形成するように配列される。螺旋曲面の中心には、荷電粒子が通過する軸方向通路が形成される。鉄心は、前述した永久磁石の一側に吸着され、永久磁石により磁化される。
【０００８】
それによって、永久磁石により鉄心を磁化し、鉄心が着磁して螺旋状磁場が生成され、
軸方向通路内の荷電粒子が螺旋形経路で前進する。また、本発明の螺旋磁路構造は連続した螺旋曲面であるため、磁場強度に特定方向でピークが現れることを防ぎ、磁場強度の均一性を大幅に高めることができる。
【０００９】
一実施形態において、前述したマグネット組立体は、複数であり、これらマグネット組立体は互いに直列接続されて軸方向通路に沿って延びる。また、マグネット組立体は、互いにずれて配置されて二重螺旋状に形成され、この状態下で互いにずれて配置されたマグネット組立体の磁化方向は互いに反対となる。
【００１０】
一実施形態において、螺旋磁路構造は、マグネット組立体の外側を取り囲むように配設され、マグネット組立体を位置拘束するインナーフレームをさらに備える。螺旋磁路構造は、前述した永久磁石及び鉄心をインナーフレーム内に位置決めする位置決め部材をさらに備える。螺旋磁路構造は、インナーフレームの形状に対応して固定設置され、インナーフレームをその上で押動する複数のガイドレールをさらに含む。
【００１１】
一実施形態において、前述した永久磁石は、ネオジム、鉄及びホウ素を含む。また、前述した鉄心は、クロムバナジウム鋼、鉄、コバルト又はそれらの合金でもよい。
【００１２】
一実施形態において、前述した軸方向通路の断面は、円形又は楕円形でもよい。
【００１３】
一実施形態において、マグネット組立体の永久磁石の数は２つ又は４つでもよい。
【００１４】
上述した実施形態において、本発明の螺旋磁路構造は、マグネット組立体を直列接続して磁場の作用区間を延ばしてもよい。軸方向の長さを変化させる以外に、マグネット組立体は、互いにずれて配置され、二重螺旋状に形成されてもよい。この状態下で、２つのマグネット組立体の前記磁化方向が互いに反対となり、各鉄心の磁化効果がさらに向上する。また、各マグネット組立体は、４つの永久磁石により構成される実施形態の下、螺旋磁路構造を上下磁列の２つのセクターにそれぞれ均等に分け、水平移動により上下磁列の相対距離を変えると、螺旋状磁場の強度を調整することができる。
【００１５】
本発明の他の目的は、粒子加速器を提供することにあり、これは前述した螺旋磁路構造を含み、螺旋磁路構造の技術的特徴の詳細については既に上述しているため、ここでは繰り返して述べない。
【００１６】
本発明の螺旋磁路構造は、例えば、自由電子レーザ又はシンクロトロン放射加速器粒子加速器に応用することができるがこれらだけに限定されるわけではない。
【００１７】
一実施形態において、前述した粒子加速器の螺旋磁路構造のマグネット組立体は、複数でもよく、これらマグネット組立体は互いに直列接続されて前記軸方向通路に沿って延びる。また、マグネット組立体は、互いにずれて配置されて二重螺旋状に形成され、この状態下で互いにずれて配置されたマグネット組立体の磁化方向は互いに反対となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の螺旋磁路構造及びそれを応用した粒子加速器は、螺旋状のマグネット組立体を構成要素として用い、磁路構造に螺旋磁場を発生させ、磁路構造の磁場の強度及び均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造を示す分解斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造を示す断面斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造を示す正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造のマグネット組立体を示す構造図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造の永久磁石を示す構造図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造の鉄心を示す構造図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造のマグネット組立体を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのマグネット組立体の磁場分布図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造のマグネット組立体を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａのマグネット組立体の磁場分布図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造のマグネット組立体を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのマグネット組立体の磁場分布図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造のマグネット組立体を示す斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａのマグネット組立体の磁場分布図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造の磁化方向を示す説明図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造の他の永久磁石を示す構造図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造の他の鉄心を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の目的、特徴及び効果をより分かりやすくするために、具体的な実施形態について図に基づいて詳しく説明する。
【００２１】
図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照する。図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造１００は、複数のマグネット組立体２００と、インナーフレーム３００と、複数の位置決め部材４００と、複数のガイドレール５００と、アウターフレーム６００と、を備える。図２Ａに示すように、各マグネット組立体２００は、複数の永久磁石２１０と、鉄心２２０と、を含む。これら複数の永久磁石２１０と、鉄心２２０とは、直列接続されて柱状に形成されるとともに、外側を取り囲むように設けたインナーフレーム３００により位置拘束される。インナーフレーム３００の外側には、ガイドレール５００の形状に対応した凹溝が形成される。ガイドレール５００がアウターフレーム６００に固定設置され、インナーフレーム３００がアウターフレーム６００に対して押動される。
【００２２】
マグネット組立体２００を直列接続する過程で、磁力の影響に打ち勝つ必要があるため、各永久磁石２１０及び鉄心２２０の外側には、位置決め部材４００の形状に対応した凹溝が同様に形成されている。位置決め部材４００により永久磁石２１０及び鉄心２２０がインナーフレーム３００上に位置決めされるため、各マグネット組立体２００を正確に位置決めすることができる。
【００２３】
図２Ｂを参照する。図２Ｂに示すように、インナーフレーム３００又は位置決め部材４００の大きさ又は両者の相対位置を変え、永久磁石２１０間の間隙を調整すると、磁場強
度を変化させることができる。
【００２４】
図３Ａを参照する。図３Ａに示すように、本発明の一実施形態に係る螺旋磁路構造１００の最小単位は１つのマグネット組立体２００である。図３Ａに示すように、マグネット組立体２００は、４つの永久磁石２１０と、鉄心２２０と、を含む。４つの永久磁石２１０と鉄心２２０とにより螺旋曲面を構成する上、螺旋曲面の中心には、荷電粒子を通過させる軸方向通路Ｐが形成される。鉄心２２０は、永久磁石２１０の一側に吸着される。ここで、永久磁石２１０と鉄心２２０とは分離されて異なる個数にしてもよく、上述した本実施形態の永久磁石２１０及び鉄心２２０の数は限定されない。
【００２５】
図３Ｂ及び図３Ｃを参照する。図３Ｂ及び図３Ｃからマグネット組立体２００の構造をはっきりと見ることができる。図３Ｂは永久磁石２１０を示し、図３Ｃは鉄心２２０を示す。本実施形態において、各マグネット組立体２００は、互いにずれて配置されて二重螺旋状に形成され、軸方向通路Ｐを構成し、必要に応じてマグネット組立体２００を直列接続させて磁列を軸方向通路Ｐで延ばしてもよい。
【００２６】
図４Ａ及び図４Ｂを参照する。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、螺旋状の螺旋磁路構造１００は、普通の状態下で水平磁場と垂直磁場とが軸方向（Ｚ軸）で均等かつ周期的に分布される。図５Ａ及び図５Ｂを参照する。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、マグネット組立体２００は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのセクターに分けられるため、直列接続の磁列が軸方向で進み、磁路構造全体の磁性相が変化するため、各種状況に柔軟に応用することができる。図５Ａに示すように、対角のＡ、Ｃ２つの磁列が軸方向で３分の１周期進むと（磁場周期と永久磁石２１０と鉄心２２０との厚さとに関係し、本実施形態の周期の長さは２４ｍｍである）、磁路構造に垂直方向の磁場のみが発生する。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、Ａ、Ｃ２つの磁列が軸方向で２分の１周期進み、水平磁場と垂直磁場とが入れ替わると、これは螺旋磁場の回転方向が時計回りから逆時計回りに変わることを表す。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、Ａ、Ｃ２つの磁列が軸方向で３分の２周期進むと、磁路構造には水平方向の磁場が生じる。また、４つの磁列が径方向の間隙の大きさを変えることにより磁場の強度を調整することができる。
【００２７】
図８を参照する。図８に示すように、螺旋状の螺旋磁路構造１００の水平方向及び垂直方向の磁場は軸方向の位相角が９０度であり、この特性を利用し、２つの交差したマグネット組立体２００の永久磁石２１０は、反対の磁化方向Ｍを有する。そのため、鉄心２２０が磁化した後に２倍の磁場強度が発生する。本実施形態において、永久磁石２１０は、ネオジム、鉄及びホウ素材料を含む。鉄心２２０は、クロムバナジウム鋼、鉄、コバルト又はその合金からなってもよい。また、前述した軸方向通路Ｐの断面は、円形又は楕円形でもよい。
【００２８】
図９Ａ及び図９Ｂを参照する。図９Ａ及び図９Ｂに示す実施形態は、永久磁石２１０及び鉄心２２０の数を変えてもよい。各マグネット組立体２００の永久磁石２１０及び鉄心２２０は、上下２枚の形式にそれぞれ施されてもよい。本実施形態の長所は、永久磁石２１０及び鉄心２２０の数が少ないため、製造又は組立の誤差により生じる悪影響を減らし、螺旋磁路構造１００の磁場の強度及び方向の精度が高いことにある。
【００２９】
本発明の螺旋磁路構造１００は、粒子加速器に応用することができ、前記粒子加速器は、自由電子レーザ又はシンクロトロン放射加速器を含むがこれらだけに限定されるわけではない。
【００３０】
上述した実施形態から分かるように、本発明は、螺旋状の磁路構造により高着磁率の磁場を発生させ、短い周期内により高い磁場の強度及び均一性を高めることができる。その
ため従来の磁路構造と比べ、本発明は粒子加速器の性能を大幅に高めることができる。
【００３１】
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００３２】
１００  螺旋磁路構造
２００  マグネット組立体
２１０  永久磁石
２２０  鉄心
３００  インナーフレーム
４００  位置決め部材
５００  ガイドレール
６００  アウターフレーム
Ｍ  磁化方向
Ｐ  軸方向通路
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2019050194.tif 000006
【図３Ｂ】
2019050194.tif 000007
【図３Ｃ】
2019050194.tif 000008
【図４Ａ】
2019050194.tif 000009
【図４Ｂ】
2019050194.tif 000010
【図５Ａ】
2019050194.tif 000011
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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