(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子のビームが加速されるビーム軌道面に対して対称に配置された一対のコイルと、それぞれの前記コイルの内側に配置され、前記ビーム軌道面に対して対称に配置されると共に、前記コイルにより発生された磁場から前記荷電粒子のビームを前記ビーム軌道面にて周回させる磁場分布を形成する一対の磁極と、一対の前記コイル及び一対の前記磁極を覆うリターンヨークを備えた加速器用電磁石であって、
前記磁極は、
前記ビーム軌道面に対向する磁極内向面と前記磁極内向面よりも遠方の磁極外向面との厚さである肉厚が径方向において異なっており、
前記コイルの径方向に垂直で前記コイルの中心を通るコイル軸を内包する中央部と径方向の外周部との間に、前記中央部及び前記外周部よりも前記肉厚が薄くかつ極小値を有する肉薄部を有し、
前記磁極は、前記リターンヨークの前記ビーム軌道面に対向するヨーク内向面に前記中央部が接続されており、
前記リターンヨークの前記ヨーク内向面と前記磁極の前記磁極外向面との間に形成されたギャップを有し、
前記ギャップは、前記コイル軸方向のギャップ長が、前記磁極の径方向において異なっており、かつ前記磁極の前記肉薄部が位置する径方向位置において極大値を有する、ことを特徴とする加速器用電磁石。
【請求項２】
前記磁極は、前記磁極外向面において、前記磁極内向面に最も近い磁極外向面側平坦部と、前記磁極内向面から離れる方向に突出した磁極外向面側の凸部を有し、
前記肉薄部は前記磁極外向面側平坦部の領域に含まれており、
前記磁極外向面側平坦部の面積は前記磁極内向面における平坦部の面積よりも小さい、ことを特徴とする請求項１記載の加速器用電磁石。
【請求項３】
前記磁極は、前記磁極内向面において、前記磁極外向面に最も近い磁極内向面側平坦部と、前記磁極外向面から離れる方向に突出した磁極内向面側の凸部を有し、
前記肉薄部は前記磁極内向面側平坦部の領域に含まれており、
前記磁極外向面側平坦部の面積は前記磁極内向面側平坦部の面積よりも小さい、ことを特徴とする請求項２記載の加速器用電磁石。
【請求項４】
前記磁極は、前記外周部に前記磁極内向面側の凸部を有することを特徴とする請求項３記載の加速器用電磁石。
【請求項５】
前記磁極は、前記磁極外向面における前記磁極外向面側の凸部は、前記肉厚が階段状に変化していることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の加速器用電磁石。
【請求項６】
前記磁極は、前記磁極外向面における前記磁極外向面側の凸部及び前記磁極内向面における前記磁極内向面側の凸部は、前記肉厚が階段状に変化していることを特徴とする請求項３または４に記載の加速器用電磁石。
【請求項７】
前記磁極の前記肉薄部は、径方向の配置領域における半分以上の領域が、前記コイル軸と前記外周部の外周端との中間の中間線よりも外周側になるように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の加速器用電磁石。
【請求項８】
前記磁極は、前記肉薄部を複数有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加速器用電磁石。
【請求項９】
前記ギャップに、非磁性部材が配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の加速器用電磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器用電磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速器用電磁石とは円形加速器において荷電粒子のビームを必要なエネルギーまで加速するため、ビームを集束させながら、加速器周りを周回するような磁場を発生させる電磁石である。２極電磁石による磁場で荷電粒子のビームを集束させる円形弱集束加速器では、径方向に沿って磁場強度が減少する磁場を発生させる。特許文献１には、円形弱集束加速器に分類されるシンクロサイクロトロンが開示されている。特許文献１のシンクロサイクロトロンは、荷電粒子が集束されながら加速される正中面（ビーム軌道面）に対して対称に配置された２つのポール（磁極）と、２つのポールに接続された２つのシリンダーヘッドと、２つのポールを取り囲み、２つのシリンダーヘッドに接続するフローリターン部と、２つのポールを取り囲む２つの磁気誘導コイル等を備えている。【０００３】
特許文献１のシンクロサイクロトロンは、所望の磁場分布を２つの磁極の形状を工夫することで生成する。また、特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、２つの磁気誘導コイルで発生した磁場の漏洩を抑制するために、２つのシリンダーヘッド及びフローリターン部が２つのポール及び２つの磁気誘導コイルを覆うように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３-５４１１７０号公報（図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、２つのポール（磁極）の正中面（ビーム軌道面）側、すなわち磁極内向面を加工する（磁極内向面の形状を変化させる）ことで所望の磁場を生成していた。しかし、各磁極内向面はビーム軌道面に近いため、各磁極内向面の加工誤差がビームに与える影響が大きい。このため、特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、磁極内向面の高精度加工が必要だった。また、特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、磁極内向面の加工精度が十分でない場合には、磁極に磁場を補正する金属片であるシムを配置といった後調整が必要だった。この後調整は、磁場分布を測定しながら、誤差に起因する箇所に微小なシムを配置することで行われる。したがって、特許文献１のシンクロサイクロトロンは、磁極内向面の構造が高精度加工で実現可能な構造に限定されることで所望の磁場分布を形成することが困難であるという問題があった。また、加工精度が十分でない場合、シムを用いて磁場の調整工程が追加され、製造が煩雑であるという問題があった。【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、従来よりも低い加工精度で加工された磁極でも後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる加速器用電磁石を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の加速器用電磁石は、荷電粒子のビームが加速されるビーム軌道面に対して対称に配置された一対のコイルと、それぞれのコイルの内側に配置され、ビーム軌道面に対して対称に配置されると共に、コイルにより発生された磁場から荷電粒子のビームをビーム軌道面にて周回させる磁場分布を形成する一対の磁極と、一対のコイル及び一対の磁極を覆うリターンヨークを備えている。磁極は、ビーム軌道面に対向する磁極内向面と磁極内向面よりも遠方の磁極外向面との厚さである肉厚が径方向において異なっており、コイルの径方向に垂直でコイルの中心を通るコイル軸を内包する中央部と径方向の外周部との間に、中央部及び外周部よりも肉厚が薄くかつ極小値を有する肉薄部を有している。磁極はリターンヨークのビーム軌道面に対向するヨーク内向面に中央部が接続されており、加速器用電磁石はリターンヨークのヨーク内向面と磁極の磁極外向面との間に形成されたギャップを有する。ギャップは、コイル軸方向のギャップ長が、磁極の径方向において異なっており、かつ磁極の肉薄部が位置する径方向位置において極大値を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の加速器用電磁石は、磁極が中央部及び外周部よりも薄くかつ極小値を有する肉薄部を有し、中央部が接続されたヨーク内向面と磁極外向面との間に形成されたギャップを有し、ギャップ長が磁極の肉薄部が位置する径方向位置において極大値を有するので、従来よりも低い加工精度で加工された磁極でも後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による第一の加速器用電磁石の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による第二の加速器用電磁石の概略構成図である。
【図３】図１及び図２の磁極の断面図である。
【図４】図１及び図２の磁極の鳥瞰図である。
【図５】図１及び図２の磁極の外向面を示す図である。
【図６】図１及び図２の磁極とコイルによる磁場分布を示す図である。
【図７】図１及び図２のコイルによる磁場分布を示す図である。
【図８】図１及び図２の磁極及び磁極による磁場分布を示す図である。
【図９】磁場分布を評価する際に使用した加工誤差を示す図である。
【図１０】図９の加工誤差がある場合の磁場分布を示す図である。
【図１１】図９の加工誤差がある場合の磁場誤差を示す図である。
【図１２】比較例の磁極の断面図である。
【図１３】図１及び図２の他の磁極の要部断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による磁極の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による磁極の鳥瞰図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による磁極の外向面を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態３による磁極の断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態３による磁極の鳥瞰図である。
【図１９】本発明の実施の形態３による磁極の外向面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による第一の加速器用電磁石の概略構成図であり、図２は本発明の実施の形態１による第二の加速器用電磁石の概略構成図である。図３は図１及び図２の磁極の断面図であり、図４は図１及び図２の磁極の鳥瞰図であり、図５は図１及び図２の磁極の外向面を示す図である。図６は、図１及び図２の磁極とコイルによる磁場分布を示す図である。図７は、図１及び図２のコイルによる磁場分布を示す図である。図８は、図１及び図２の磁極及び磁極による磁場分布を示す図である。図９は、磁場分布を評価する際に使用した加工誤差を示す図である。図１０は図９の加工誤差がある場合の磁場分布を示す図であり、図１１は図９の加工誤差がある場合の磁場誤差を示す図である。図１２は、比較例の磁極の断面図である。図１３は、図１及び図２の他の磁極の要部断面図である。なお、図４において、半分に切断した磁極の鳥瞰図を示した。
【００１１】
実施の形態１の第一の加速器用電磁石１は、一対の磁極２ａ、２ｂと一対のコイル３ａ、３ｂと、リターンヨーク４と、クライオスタット５を備える。コイル３ａ、３ｂは、超電導コイルであり、真空状態のクライオスタット５内に配置されている。リターンヨーク４は、コイル３ａ、３ｂ、磁極２ａ、２ｂ、クライオスタット５を覆うように配置されている。クライオスタット５では、コイル３ａ、３ｂを冷却している。加速器用電磁石１によりビーム加速の際に、コイル３ａ、３ｂに電流を印加することで加速器用電磁石１内に磁場を発生させる。発生された磁場が磁極２ａ、２ｂに吸い寄せられることで、磁極形状に応じた磁場分布を発生させることが可能である。磁極の符号は、総括的に２を用い、区別して説明する場合に２ａ、２ｂを用いる。コイルの符号は、総括的に３を用い、区別して説明する場合に３ａ、３ｂを用いる。
【００１２】
リターンヨーク４は、加速器用電磁石１の外部に磁場が漏洩する防ぐために、配置された磁性材料部品である。リターンヨーク４は、例えば、ヨーク板６ａ、６ｂと、ヨーク外周構造体７を備えている。ヨーク外周構造体７は、複数の部品で構成されてもよい。実施の形態１の加速器用電磁石１では磁極２（２ａ、２ｂ）とリターンヨーク４の間にギャップ８（８ａ、８ｂ）を設ける。図１の第一の加速器用電磁石１では、磁極２ａとヨーク板６ａの間にギャップ８ａが設けられており、磁極２ｂとヨーク板６ｂの間にギャップ８ｂが設けられている。このギャップ８ａ、８ｂにそれぞれ非磁性材料の非磁性部材９ａ、９ｂが配置された加速器用電磁石が、図２に示した第二の加速器用電磁石１である。第二の加速器用電磁石１は、ギャップ８ａ、８ｂにそれぞれ非磁性部材９ａ、９ｂが配置された点で、第一の加速器用電磁石１と異なる。ギャップの符号は、総括的に８を用い、区別して説明する場合に８ａ、８ｂを用いる。非磁性部材の符号は、総括的に９を用い、区別して説明する場合に９ａ、９ｂを用いる。ヨーク板の符号は、総括的に６を用い、区別して説明する場合に６ａ、６ｂを用いる。
【００１３】
磁極２の形状について説明する。図１、図２に示すように、磁極２ａと磁極２ｂは、ビーム軌道面１２に対して互いに対称に配置されており、コイル軸１７に対して径方向（コイル軸１７に垂直な方向）に対称な形状を備えている。図３から図５に示すように、磁極２は、ビーム軌道面１２に対向している磁極内向面（磁極の内向面）１８と、磁極内向面１８よりもビーム軌道面１２から遠方に配置された磁極外向面（磁極の外向面）２２を備えており、磁極内向面１８と磁極外向面２２との厚さである肉厚が中心線２８から外周側に向かって変化する断面形状を有している。中心線２８はビーム軌道面１２に垂直である。磁極２は、中心線２８に対して径方向（中心線２８に垂直な方向）に対称な形状を備えており、加速器用電磁石１において中心線２８がコイル軸１７と一致するように配置される。図３から図４に示した磁極２は、磁極内向面１８及び磁極外向面２２に凹凸がある例である。磁極２は、図５に示すように磁極外向面２２及び磁極内向面１８の外周は円形である。
【００１４】
磁極２は、磁極外向面２２の側において、中心線２８を内包するように形成された磁極外向面側凸部２４と、磁極外向面側凸部２４の外周側に形成された磁極外向面側平坦部２３と、磁極外向面側平坦部２３の外周側に形成された磁極外向面側外周凸部２５を備えている。また、磁極２は、磁極内向面１８の側において、中心線２８を内包するように形成された磁極内向面側凸部２０と、磁極内向面側凸部２０の外周側に形成された磁極内向面側平坦部１９と、磁極内向面側平坦部１９の外周側に形成された磁極内向面側外周凸部２１を備えている。磁極外向面側平坦部２３及び磁極内向面側平坦部１９は、ビーム軌道面１２と平行である。磁極外向面側平坦部２３は磁極内向面１８に最も近くに形成され、磁極内向面側平坦部１９は磁極外向面２２に最も近くに形成されている。磁極外向面側凸部２４、磁極外向面側外周凸部２５は、磁極外向面側平坦部２３からコイル軸１７（中心線２８）の方向でかつ磁極内向面１８から離れる方向に突出している。磁極内向面側凸部２０、磁極内向面側外周凸部２１は、磁極内向面側平坦部１９からコイル軸１７（中心線２８）の方向でかつ磁極外向面２２から離れる方向に突出している。なお、磁極外向面２２の側における磁極外向面側凸部２４、磁極外向面側平坦部２３、磁極外向面側外周凸部２５と、磁極内向面１８の側における磁極内向面側凸部２０、磁極内向面側平坦部１９、磁極内向面側外周凸部２１を分ける境界は、例えば磁極外向面側平坦部２３と磁極内向面側平坦部１９との肉厚の中間の平坦部肉厚中間線４５である。
【００１５】
中心線２８に平行な破線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を用いて、磁極外向面側凸部２４、磁極外向面側平坦部２３、磁極外向面側外周凸部２５、磁極内向面側凸部２０、磁極内向面側平坦部１９、磁極内向面側外周凸部２１の範囲を説明する。図３において、磁極外向面側凸部２４は破線Ａ２と破線Ａ３との間であり、磁極外向面側平坦部２３は破線Ａ１と破線Ａ２との間及び破線Ａ３と破線Ａ４との間であり、磁極外向面側外周凸部２５は破線Ａ１と左側端との間及び破線Ａ４と右側端との間である。また、図３において、磁極内向面側凸部２０は破線Ｂ２と破線Ｂ３との間であり、磁極内向面側平坦部１９は破線Ｂ１と破線Ｂ２との間及び破線Ｂ３と破線Ｂ４との間であり、磁極内向面側外周凸部２１は破線Ｂ１と左側端との間及び破線Ｂ４と右側端との間である。中間線２９は中心線２８と磁極２の外周端との中間の線である。磁極２の外周端は、図３において磁極２の左側端と右側端である。中間線２９は中心線２８に平行な線である。
【００１６】
磁極２は、磁極内向面１８及び磁極外向面２２に凹凸があるので、ビーム軌道面１２に垂直方向の肉厚は中心線２８から外周側に向かって変化している。中心線２８から左側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する中央部が最も厚く、破線Ａ２に向かって減少し、破線Ａ２から破線Ｂ１の間が最も薄くなり、左側端に向かって厚くなっている。破線Ａ２から破線Ｂ１の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。中心線２８から右側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する中央部が最も厚く、破線Ａ３に向かって減少し、破線Ａ３から破線Ｂ４の間が最も薄くなり、右側端に向かって厚くなっている。破線Ａ３から破線Ｂ４の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。肉厚が最も厚い中央部は、磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）であり、かつ磁極内向面側凸部２０の最厚部の部分である。なお、図３における左側の肉薄部２６と右側の肉薄部２６は、磁極内向面側平坦部１９及び磁極外向面側平坦部２３等と同様に、中心線２８を中心として同心円状に形成されている。図３において、肉薄部２６は、径方向の配置領域における全てが中間線２９よりも外周側にある例を示した。
【００１７】
次に、図６から図８を用いて、コイル３ａ、３ｂと磁極２により形成される磁場分布を説明する。図６には、加速器用電磁石１におけるコイル３ａ及び磁極２ａに形成される磁場分布３１を示した。図７には、加速器用電磁石１におけるコイル３ａの磁場分布３２を示した。また、コイル３ａ、３ｂの外周側断面を破線示した。図８には、加速器用電磁石１における磁極２ａと磁極２ａの磁場分布３３を示した。磁場分布の図において、横軸は中心線２８からの径方向の位置Ｒであり、縦軸は中心線２８方向の磁場、すなわちＺ方向の磁場Ｂｚである。磁場Ｂｚは磁極内向面１８から磁極外向面２２へ向かう方向が正方向である。径方向の位置Ｒは、中心線２８から外周端へ向かう方向が正方向である。図８に示した磁極形状図において、横軸は中心線２８からの径方向の位置Ｒであり、縦軸は中心線２８方向の位置、すなわちＺ方向の位置Ｚである。なお、コイル３ｂ及び磁極２ｂに形成される磁場分布は、磁場分布３１が横軸を中心に反転した分布になる。コイル３ｂに形成される磁場分布は、磁場分布３２が横軸を中心に反転した分布になる。磁極２ｂに形成される磁場分布は、磁場分布３３が横軸を中心に反転した分布になる。
【００１８】
磁場分布３１は、径方向の位置Ｒが０（ゼロ）である中心線２８から径方向に向かって位置ｒａ１まで緩やかに減少し、位置ｒａ１から遠方は急激に減少し、位置ｒａ２にて磁場強度が０（ゼロ）になる。中心線２８から位置ｒａ１までの磁場は加速空洞１１内の荷電粒子を周回させる磁場強度を有しており、位置ｒａ１から位置ｒａ２までの磁場は荷電粒子をビームとして外部に出射するための磁場強度、すなわち荷電粒子を周回させない磁場強度を有している。
【００１９】
磁場分布３２は、中心線２８から径方向に向かって位置ｒｃ１まで緩やかに増大し、位置ｒｃ１から遠方は緩やかに減少する。磁場分布３３は、磁極２ａにおける径方向の肉厚変化に基づいて、中心線２８から径方向に向かって位置ｒｐ２まで緩やかに減少し、位置ｒｐ２にて極小になり、その後増加して位置ｒｐ３にて極大になり、その後減少し位置ｒｐ４にて０（ゼロ）になる。磁場分布３２と磁場分布３３を重ねることで、粒子線円形加速器に必要な所望の磁場分布３１、すなわち加速器用電磁石１に必要な所望の磁場分布３１を得ることができる。
【００２０】
磁場分布３３について、図８を用いて詳しく説明する。位置ｒｐ１は磁極内向面側凸部２０の厚さが減少する境界点である。破線Ｃ１は磁極外向面側凸部２４と磁極外向面側平坦部２３との境界を通る線であり、破線Ｃ２は磁極内向面側平坦部１９と磁極内向面側外周凸部２１との境界を通る線である。破線Ｃ３は磁極外向面側外周凸部２５における厚さが最大になる境界を通る線であり、破線Ｃ４は磁極２ａの外周端を通る線である。破線Ｃ１と破線Ｃ２との間の領域が磁極２ａの肉薄部２６であり、破線Ｃ３と破線Ｃ４との間の領域が磁極２ａの外周部における最大肉厚となる外周肉厚部２７である。磁極２ａの肉厚は位置ｒｐ１より外周側へ向かって破線Ｃ１まで減少する。磁極２ａの肉厚は、破線Ｃ１から破線Ｃ２まで最小となり、破線Ｃ２から破線Ｃ３まで増加し、破線Ｃ３から破線Ｃ４まで外周部における最大肉厚を維持している。なお、外周肉厚部２７の肉厚は、中央部における肉厚と同等又は厚くなっている。外周肉厚部２７の肉厚は、磁場分布３３の位置ｒｐ３から位置ｒｐ４における磁場強度の減少傾きに応じて決定する。外周肉厚部２７の肉厚が厚いほど、磁場分布３３の位置ｒｐ３から位置ｒｐ４における磁場強度の減少傾きが急になる。
【００２１】
図８には、中間線２９と磁極２ａの外周端との中間の線である四分線３０を示した。中間線２９は中心線２８と磁極２ａの外周端との中間の線なので、四分線３０は磁極２ａの外周端から半径の１／４の位置を通過する線である。図８において、磁場分布３３の磁場強度が極小値となる位置ｒｐ２は、磁極２ａの中間線２９よりも外周側にあり、かつ四分線３０よりも外周側にある肉薄部２６の領域に存在する。磁場分布３３の磁場強度が極大値となる位置ｒｐ３は、磁極２ａの外周肉厚部２７の領域に存在する。図８に示すように極小値及び極大値を有する磁場分布３３を得るには、磁極２ａの肉薄部２６及び外周肉厚部２７の領域を、それぞれ希望する磁場分布３３の極小値の位置ｒｐ２及び希望する磁場分布３３の極大値の位置ｒｐ３を含むように調整すればよい。また、磁極２ａの肉薄部２６の厚さを調整することで、希望する磁場分布３３の極小値の位置ｒｐ２を調整することができる。同様に、磁極２ａの外周肉厚部２７の厚さを調整することで、希望する磁場分布３３の極大値の位置ｒｐ３を調整することができる。
【００２２】
希望する磁場分布３３の極小値の位置ｒｐ２は、磁極２の肉薄部２６の配置位置及び肉薄部２６の厚さで変化することができる。また、同様に、希望する磁場分布３３の極大値の位置ｒｐ３は、磁極２の外周肉厚部２７の配置位置及び外周肉厚部２７の厚さで変化することができる。なお、磁極２の外周肉厚部２７は、外周端を含んでいるで、外周肉厚部２７の配置位置は外周肉厚部２７の径方向幅と言い換えることもできる。
【００２３】
磁極２によるＺ方向磁場の強度を強くするには、２つの方法がある。第一の方法は、磁極２の肉厚を厚くすることである。第二の方法は、磁極２をビーム軌道面１２に近付けることである。
【００２４】
したがって、磁極２の肉厚を径方向位置に応じて決定し、加速器用電磁石１における磁極２の配置位置を決定することで、希望する磁場分布３３を得ることができる。希望する一つの磁場分布３３を形成する磁極２の断面形状は無数にある。図３から図５に示した第一例の磁極２は、磁極内向面１８及び磁極外向面２２に凹凸があり、磁極内向面１８の磁極内向面側平坦部１９の径方向幅が磁極外向面２２の磁極外向面側平坦部２３よりも広い例である。また、第一例の磁極２は、磁極内向面１８の磁極内向面側平坦部１９の面積が磁極外向面２２の磁極外向面側平坦部２３よりもが広い例でもある。
【００２５】
磁極２による磁場分布を高精度にするには、磁極２の形状を高精度に形成することが必要であるが、ビーム軌道面１２に対向する側の磁極内向面１８の形状精度は磁極外向面２２の形状精度よりも高いことが必要である。第一例の磁極２は、ビーム軌道面１２に対向する側の磁極内向面１８における磁極内向面側平坦部１９の面積が磁極外向面２２の磁極外向面側平坦部２３よりも広いので、機械加工精度を十分高くすることができる。したがって、第一例の磁極２は、希望する磁場分布３３を高精度に形成することができる。
【００２６】
図９から図１１を用いて、Ｚ方向の設計磁場Ｂｚに対するＺ方向の磁場誤差ΔＢｚにおける機械加工精度の影響を説明する。図９のように径方向の位置Ｒにおける磁極２の機械加工精度を仮定して、図１０のように磁極２の形状からＺ方向の磁場分布を計算する。磁極の形状からの磁場分布の計算としては、表面磁化を用いて計算を行う。具体的には、コイル３ａに電流を印加したとき、磁極２においてビーム軌道面１２の側とリターンヨーク４の側に、すなわち磁極内向面１８と磁極外向面２２の側に、逆の極性の表面磁化が現れる。表面磁化による磁場Ｂｚは距離の２乗分の１に比例するので、ある基準位置に対する磁極２の磁極内向面１８までの距離の２乗分の１と、この基準位置に対する磁極２の磁極外向面２２までの距離の２乗分の１との差を用いて磁場Ｂｚの計算を行った。差を取るのは、磁極内向面１８の表面磁化と、磁極外向面２２の表面磁化の特性が逆だからである。
【００２７】
Ｚ方向の磁場分布は、荷電粒子のビームが加速器から出射される径方向位置、すなわち図６に示した位置ｒａ１まで計算した。図９には、磁極２の中心線２８から位置ｒａ１までの、磁極２に与えた加工誤差ΔＰを示した。図９において、横軸は中心線２８からの径方向の位置Ｒであり、縦軸は加工誤差ΔＰである。図９に示した加工誤差３７は、中心線２８と位置ｒａ１との中間位置０．５ｒａ１、中心線２８の位置、位置ｒａ１では、０（ゼロ）になる正弦波特性の例である。図１０には、第一例の磁極２及び比較例の磁極６１の中心線２８から位置ｒａ１までの、Ｚ方向の磁場分布を示した。図１０において、横軸は中心線２８からの径方向の位置Ｒであり、縦軸はＺ方向の磁場Ｂｚである。磁場分布３８は、図３から図５に示した第一例の磁極２における設計磁場の分布、すなわち図９の加工誤差３７が無い場合の磁場分布である。磁場分布３９は、図３から図５に示した第一例の磁極２における磁場分布である。磁場分布４０は、図１２に示した比較例の磁極６１における磁場分布である。比較例の磁極６１は特許文献１の磁極と同様の形状である。磁極６１は、磁極外向面６２が平坦であり、磁極内向面６３に加工がされている（磁極内向面の形状が変化している）。磁極６１は、磁極２と同様に中心線２８を中心として同心円状に形成されている。
【００２８】
図１１には、第一例の磁極２及び比較例の磁極６１の中心線２８から位置ｒａ１までの、Ｚ方向の設計磁場Ｂｚに対するＺ方向の磁場誤差ΔＢｚの分布を示した。磁場誤差ΔＢｚは、磁極２の磁場の値から設計磁場Ｂｚの値を引いた値である。図１１において、横軸は中心線２８からの径方向の位置Ｒであり、縦軸はＺ方向の磁場誤差ΔＢｚである。磁場誤差分布４１は第一例の磁極２における磁場誤差分布であり、磁場誤差分布４２は比較例の磁極６１における磁場誤差分布である。第一例の磁極２の磁場誤差分布４１は、比較例の磁極６１の磁場誤差分布４２と比較して、加工誤差ΔＰが０（ゼロ）以外の部分において、８０％以上低減している。比較例の磁極６１の磁極構造、すなわち特許文献１の磁極構造は、磁極６１とリターンヨーク４との間のギャップ８がなく、ビーム軌道面１２に近い磁極内向面６３を加工することで希望する磁場分布を形成しているので、図１１のように、磁場誤差ΔＢｚの値が第一例の磁極２よりも大きくなっている。
【００２９】
実施の形態１の加速器用電磁石１は、リターンヨーク４と磁極２の間にギャップ８を設け、磁極２の磁極外向面２２の形状を磁極内向面１８の形状よりも大きな形状変化（大きな高低差）を有するように磁極２を加工して、ギャップ８のギャップ長ｄを決定することで、特許文献１と同様の比較例の磁極６１の磁極内向面６３を加工する加工精度よりも低い加工精度で磁極外向面２２及び磁極内向面１８を加工しても、後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる。
【００３０】
実施の形態１の加速器用電磁石１は、磁極２の加工精度が低減できるので、後調整なしでビーム加速に必要な精度の磁場分布の発生が可能になった。しかし更に高精度な磁場分布が必要な場合は、前述した従来の加速器用電磁石が必須にしていた後調整を行ってもよい。この後調整は、たとえば、磁場分布を測定しながら、誤差が発生している箇所に微小な金属片であるシムを配置する。シムは磁極２と同じ材料でも、鉄でもよい。この後調整を行う場合でも、実施の形態１の加速器用電磁石１は、従来の加速器用電磁石におけるシム配置の数よりも格段に少なくすることができる。
【００３１】
加速器用電磁石１のギャップ８について、詳しく説明する。ギャップ８は、リターンヨーク４と磁極２の間に設けられており、リターンヨーク４のビーム軌道面１２側の内向面（ヨーク内向面）と磁極２の磁極外向面２２とのＺ方向の長さがギャップ長ｄ（図１参照）である。磁極２は磁極外向面２２に凹凸があるので、ギャップ８はビーム軌道面１２に垂直方向のギャップ長ｄが中心線２８から磁極２の外周側に向かって変化している。中心線２８が通過する磁極２の中央部は、リターンヨーク４のヨーク板６ａに接続されている。図３に示した磁極外向側線１３は、加速器用電磁石１におけるリターンヨーク４のヨーク板６ａの内向面が位置する線に該当する。図３の破線Ｄ１から破線Ｄ２の間が磁極２の中央部である。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ｄ２から破線Ａ３に向かって増大し、破線Ａ３から破線Ｂ４の間が最大となり、最大のギャップ長ｄ２になっている。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ａ４から右側端に向かって減少し、破線Ｄ３から外周端の間においてギャップ長ｄ３になっている。図３において、磁極外向面側外周凸部２５よりも磁極外向側線１３の近い位置に破線１４を記載し、破線１４と磁極外向側線１３との間の長さをギャップ長ｄ１と記載した。なお、ｄ２＞ｄ３＞ｄ１である。磁極２は中心線２８を中心として同心円状に形成されているので、中心線２８から左側端方向におけるギャップ長ｄは、中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄと同様に変化する。なお、図１、図２において、リターンヨーク４の内向面（ヨーク内向面）が平坦である例を示した。
【００３２】
加速器用電磁石１のギャップ８を形成する方法を説明する。まず、リターンヨーク４と磁極２が別々に製造されている例として、図２に示した第二の加速器用電磁石１を説明する。非磁性部材９（９ａ、９ｂ）は、径方向位置（位置Ｒ）におけるＺ方向の高さがギャップ８（８ａ、８ｂ）のギャップ長ｄと同じ長さを有するように形成されている。リターンヨーク４がビーム軌道面１２の位置で分割された分割体である半リターンヨークを配置する。リターンヨーク４のヨーク板６（６ａ、６ｂ）における内向面に非磁性部材９（９ａ、９ｂ）を図示しない螺子等で固定する。磁極２（２ａ、２ｂ）を非磁性部材９（９ａ、９ｂ）のビーム軌道面１２側の面（内向面）に磁極外向面２２が対向するように配置して、磁極２（２ａ、２ｂ）を半リターンヨークに図示しない螺子等で固定する。具体的には、磁極２の中央部とリターンヨーク４のヨーク板６とを螺子等で固定する。磁極２の磁極内向面１８は半リターンヨークに対して固定しない。このようにすることで、非磁性部材９を介在させたギャップ８を形成することができる。
【００３３】
図１の第一の加速器用電磁石１のように、非磁性部材９を介在させないギャップ８は、例えば次のように形成する。リターンヨーク４のヨーク板６（６ａ、６ｂ）における内向面に非磁性部材９（９ａ、９ｂ）を図示しない螺子等で仮固定する。磁極２（２ａ、２ｂ）を非磁性部材９（９ａ、９ｂ）のビーム軌道面１２側の面（内向面）に磁極外向面２２が対向するように配置して、磁極２（２ａ、２ｂ）を半リターンヨークに図示しない螺子等で固定する。具体的には、磁極２の中央部とリターンヨーク４のヨーク板６とを螺子等で固定する。仮固定していた非磁性部材９（９ａ、９ｂ）を取り除く。このようにすることで、非磁性部材９を介在させないギャップ８を形成することができる。
【００３４】
また、非磁性部材９を介在させないギャップ８は、例えばヨーク板６（６ａ、６ｂ）と磁極２（２ａ、２ｂ）を、磁性材料から一体で削り出した、すなわち一体加工により一体加工品として形成してもよい。ヨーク板６（６ａ、６ｂ）の内向面と磁極２（２ａ、２ｂ）の磁極外向面２２との間のギャップ長ｄは一体加工によって形成される。一体加工品のギャップ８は、数値制御加工（ＮＣ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）加工）により形成することができる。一体加工品のヨーク板６と磁極２に、ヨーク外周構造体７をビーム軌道面１２の位置で分割された分割体である半外周構造体を接続して、磁極２が半リターンヨークに配置された構造体を形成することができる。
【００３５】
前述したように、希望する一つの磁場分布３３を形成する磁極２の断面形状は無数にあるので、図３から図５に示した例に限られず、他の磁極でもよい。例えば、図１３に示すように、磁極２は複数の肉薄部を有してもよい。図１３には他の磁極２の外周側の断面を示した。図１３に示した他の磁極２は、肉薄部２６の外周側に肉薄部５２が形成された例である。破線Ａ４から左側と破線Ｂ４の左側は、図３における中心線２８から破線Ａ４から左側と破線Ｂ４の左側までと同じである。磁極外向面２２において、破線Ａ４から破線Ａ５までビーム軌道面１２に対して離れるように延伸しており、破線Ａ５から破線Ａ６までビーム軌道面１２に対して平行になっている。また、磁極外向面２２において、破線Ａ６から破線Ａ７までビーム軌道面１２側に近づき、破線Ａ７から破線Ａ８までビーム軌道面１２に対して離れるように延伸しており、破線Ａ８から外周端までビーム軌道面１２に対して平行になっている。磁極外向面２２における破線Ａ７から外周端までは、磁極外向面側外周凸部２５である。磁極外向面２２における破線Ａ４から破線Ａ７までは、磁極外向面側凸部５１である。
【００３６】
磁極内向面１８において、破線Ｂ４から破線Ｂ５までビーム軌道面１２に近づくように延伸しており、破線Ｂ５から破線Ｂ６までビーム軌道面１２に対して平行になっている。また、磁極内向面１８において、破線Ｂ６から破線Ｂ７までビーム軌道面１２に更に近づくように延伸しており、破線Ｂ７から外周端までビーム軌道面１２に対して平行になっている。磁極内向面１８における破線Ｂ５から破線Ｂ６までは、磁極内向面側平坦部５３である。磁極内向面１８における破線Ｂ６から外周端までは、磁極内向面側外周凸部２１である。図３に示したように、破線Ａ３の左側には磁極外向面側凸部２４があるので、図１３に示した他の磁極２は、磁極外向面２２において磁極外向面側凸部２４、磁極外向面側凸部５１、磁極外向面側外周凸部２５の３つの凸部を有している。また、破線Ａ３の左側には、磁極内向面１８において磁極内向面側平坦部１９と磁極内向面側凸部２０を有している。図１３に示した他の磁極２は、中心線２８（図３参照）から外周側に肉厚が極小になる肉薄部２６と肉薄部５２を有している。なお、図１３において、肉薄部５２は肉厚が１点で極小になる例を示した。なお、図１３において、肉薄部２６及び肉薄部５２は、中心線２８と外周端との中間の線である中間線２９よりも外周側に形成されている。
【００３７】
前述したように、肉厚が薄くなる肉薄部２６では磁場分布３３の傾きが急峻に変化する位置であり、肉薄部２６には磁場分布３３の位置ｒａ１（図６参照）に相当する位置が存在する。この位置ｒａ１に相当する位置は、荷電粒子のビームが加速器から出射される径方向位置である。磁極２において、肉薄部２６を決定することで、荷電粒子のビームが加速器から出射される径方向位置、すなわちビームの出射位置を決定することができる。図１３に示した他の磁極２は、肉薄部２６の外周側に肉薄部５２を有しているので、肉薄部５２の近傍に磁場分布３３の傾きが急峻に変化する第２の位置が形成できる。磁場分布３３における位置ｒａ１からこの第２の位置までは、荷電粒子を加速器内で周回させることはできないが、この第２の位置にて荷電粒子のビームを加速器から出射されることができる。したがって、図１３に示した他の磁極２は、肉厚が周辺より薄くなる複数の肉薄部２６、５２を有するので、図１３に示した他の磁極２を備えた加速器用電磁石１は、磁場分布３３の傾きが急峻になる位置を複数指定することができ、すなわち複数の径方向位置で荷電粒子のビームを出射することができる。
【００３８】
以上のように、実施の形態１の加速器用電磁石１は、荷電粒子のビームが加速されるビーム軌道面１２に対して対称に配置された一対のコイル３（３ａ、３ｂ）と、それぞれのコイル３の内側に配置され、ビーム軌道面１２に対して対称に配置されると共に、コイル３により発生された磁場から荷電粒子のビームをビーム軌道面１２にて周回させる磁場分布を形成する一対の磁極２（２ａ、２ｂ）と、一対のコイル３（３ａ、３ｂ）及び一対の磁極２（２ａ、２ｂ）を覆うリターンヨーク４を備えている。磁極２は、ビーム軌道面１２に対向する磁極内向面１８と磁極内向面１８よりも遠方の磁極外向面２２との厚さである肉厚が径方向において異なっており、コイル３の径方向に垂直でコイル３の中心を通るコイル軸１７を内包する中央部と径方向の外周部との間に、中央部及び外周部よりも肉厚が薄くかつ極小値を有する肉薄部２６を有している。磁極２はリターンヨーク４のビーム軌道面１２に対向するヨーク内向面に中央部が接続されており、加速器用電磁石１はリターンヨーク４のヨーク内向面と磁極２の磁極外向面２２との間に形成されたギャップ８を有する。ギャップ８は、コイル軸方向のギャップ長ｄが、磁極２の径方向において異なっており、かつ磁極２の肉薄部２６が位置する径方向位置において極大値を有する。実施の形態１の加速器用電磁石１は、このように、磁極２が中央部及び外周部よりも薄くかつ極小値を有する肉薄部２６を有し、中央部が接続されたヨーク内向面と磁極外向面２２との間に形成されたギャップ８を有し、ギャップ長ｄが磁極２の肉薄部２６が位置する径方向位置において極大値を有するので、従来よりも低い加工精度で加工された磁極でも後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる。
【００３９】
実施の形態２．
図１４は本発明の実施の形態２による磁極の断面図であり、図１５は本発明の実施の形態２による磁極の鳥瞰図である。図１６は、本発明の実施の形態２による磁極の外向面を示す図である。なお、図１５において、半分に切断した磁極の鳥瞰図を示した。実施の形態２の磁極３４は、磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０がない点で実施の形態１の磁極２と異なる。また、図１３から図１５に示した磁極３４は、肉薄部２６の径方向位置と径方向幅が実施の形態１の磁極２と異なる例を示した。
【００４０】
図１４において、磁極外向面側凸部２４は破線Ａ２と破線Ａ３との間であり、磁極外向面側平坦部２３は破線Ａ１と破線Ａ２との間及び破線Ａ３と破線Ａ４との間であり、磁極外向面側外周凸部２５は破線Ａ１と左側端との間及び破線Ａ４と右側端との間である。また、図１４において、磁極内向面側平坦部１９は破線Ｂ１と破線Ｂ２との間であり、磁極内向面側外周凸部２１は破線Ｂ１と左側端との間及び破線Ｂ２と右側端との間である。磁極３４の外周端は、図１４において磁極３４の左側端と右側端である。
【００４１】
磁極３４は、磁極内向面１８及び磁極外向面２２に凹凸があるので、ビーム軌道面１２（図１、図２参照）に垂直方向の肉厚は中心線２８から外周側に向かって変化している。磁極３４の肉厚は、左側端及び右側端が最も厚い。中心線２８から左側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）から破線Ａ２に向かって減少し、破線Ａ２から破線Ｂ１の間が最も薄くなり、左側端に向かって厚くなっている。破線Ａ２から破線Ｂ１の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。中心線２８から右側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）から破線Ａ３に向かって減少し、破線Ａ３から破線Ｂ２の間が最も薄くなり、右側端に向かって厚くなっている。破線Ａ３から破線Ｂ２の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。なお、図１４における左側の肉薄部２６と右側の肉薄部２６は、磁極外向面側平坦部２３等と同様に、中心線２８を中心として同心円状に形成されている。図１４において、肉薄部２６は、径方向の配置領域における半分以上が中間線２９よりも外周側にある例を示した。
【００４２】
実施の形態２の磁極３４は、ビーム軌道面１２に対向する側の磁極内向面１８における磁極内向面側平坦部１９の面積が磁極外向面２２の磁極外向面側平坦部２３よりもが広いので、機械加工精度を十分高くすることができる。したがって、実施の形態２の磁極３４は、実施の形態１の磁極２よりも希望する磁場分布３３を高精度に形成することができる。実施の形態２の磁極３４は、磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０がないので、実施の形態１の磁極２よりも磁場分布３３が減少する傾きを緩くすることができる。なお、実施の形態１の磁極２には逆のことが言える。すなわち、実施の形態１の磁極２は、磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０があるので、磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０がない実施の形態２の磁極３４よりも磁場分布３３が減少する傾きを急峻にすることができる。
【００４３】
実施の形態２の磁極３４を加速器用電磁石１に搭載した場合のギャップ８を説明する。磁極３４は磁極外向面２２に凹凸があるので、ギャップ８はビーム軌道面１２に垂直方向のギャップ長ｄ（図１、図２参照）が中心線２８から磁極３４の外周側に向かって変化している。中心線２８が通過する磁極３４の中央部は、リターンヨーク４のヨーク板６ａに接続されている。図１４に示した磁極外向側線１３は、加速器用電磁石１におけるリターンヨーク４のヨーク板６ａの内向面が位置する線に該当する。図１４の破線Ｄ１から破線Ｄ２の間が磁極３４の中央部である。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ｄ２から破線Ａ３に向かって増大し、破線Ａ３から破線Ｂ４の間が最大となり、最大のギャップ長ｄ２になっている。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ａ４から右側端に向かって減少し、破線Ｄ３から外周端の間においてギャップ長ｄ３になっている。なお、ｄ２＞ｄ３である。磁極３４は中心線２８を中心として同心円状に形成されているので、中心線２８から左側端方向におけるギャップ長ｄは、中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄと同様に変化する。
【００４４】
実施の形態２の磁極３４を搭載した加速器用電磁石１は、リターンヨーク４と磁極３４の間にギャップ８を設け、磁極３４の磁極外向面２２の形状を磁極内向面１８の形状よりも大きな形状変化（大きな高低差）を有するように磁極３４を加工して、ギャップ８のギャップ長ｄを決定することで、特許文献１と同様の比較例の磁極６１の磁極内向面６３を加工する加工精度よりも低い加工精度で磁極外向面２２及び磁極内向面１８を加工しても、後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる。実施の形態２の磁極３４を搭載した加速器用電磁石１は、磁極３４の加工精度が低減できるので、実施の形態１の加速器用電磁石１と同様に後調整なしでビーム加速に必要な精度の磁場分布の発生が可能である。しかし更に高精度な磁場分布が必要な場合は、前述した従来の加速器用電磁石が必須にしていた後調整を行ってもよい。この後調整を行う場合でも、実施の形態２の磁極３４を搭載した加速器用電磁石１は、従来の加速器用電磁石におけるシム配置の数よりも格段に少なくすることができる。
【００４５】
実施の形態３．
図１７は本発明の実施の形態３による磁極の断面図であり、図１８は本発明の実施の形態３による磁極の鳥瞰図である。図１９は、本発明の実施の形態３による磁極の外向面を示す図である。なお、図１８において、半分に切断した磁極の鳥瞰図を示した。実施の形態３の磁極３５は、実施の形態２の磁極３４と同様に磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０がない点で実施の形態１の磁極２と異なる。また、図１７から図１９に示した実施の形態３の磁極３５は、実施の形態２の磁極３４と同様に肉薄部２６の径方向位置と径方向幅が実施の形態１の磁極２と異なる例を示した。実施の形態３の磁極３５は、磁極外向面側凸部２４及び磁極外向面側外周凸部２５の肉厚が階段状に変化している点でも、実施の形態２の磁極３４と異なる。図１７から図１９では、磁極外向面側平坦部２３から磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）まで、及び磁極外向面側平坦部２３から磁極外向面側外周凸部２５の最厚部（頂上部）まで、３段の平坦部により肉厚が階段状に変化する例を示した。なお、磁極内向面１８の磁極内向面側外周凸部２１において、中心線２８の側に肉厚が階段状に変化するようにしてもよい。
【００４６】
図１７において、磁極外向面側凸部２４は破線Ａ２と破線Ａ３との間であり、磁極外向面側平坦部２３は破線Ａ１と破線Ａ２との間及び破線Ａ３と破線Ａ４との間であり、磁極外向面側外周凸部２５は破線Ａ１と左側端との間及び破線Ａ４と右側端との間である。また、図１７において、磁極内向面側平坦部１９は破線Ｂ１と破線Ｂ２との間であり、磁極内向面側外周凸部２１は破線Ｂ１と左側端との間及び破線Ｂ２と右側端との間である。磁極３５の外周端は、図１７において磁極３５の左側端と右側端である。
【００４７】
磁極３５は、磁極内向面１８及び磁極外向面２２に凹凸があるので、ビーム軌道面１２（図１、図２参照）に垂直方向の肉厚は中心線２８から外周側に向かって変化している。磁極３５の肉厚は、左側端及び右側端が最も厚い。中心線２８から左側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）から破線Ａ２に向かって減少し、破線Ａ２から破線Ｂ１の間が最も薄くなり、左側端に向かって厚くなっている。破線Ａ２から破線Ｂ１の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。中心線２８から右側端方向における肉厚は、中心線２８が通過する磁極外向面側凸部２４の最厚部（頂上部）から破線Ａ３に向かって減少し、破線Ａ３から破線Ｂ２の間が最も薄くなり、右側端に向かって厚くなっている。破線Ａ３から破線Ｂ２の間は、垂直方向の肉厚が最も薄い肉薄部２６である。なお、図１７における左側の肉薄部２６と右側の肉薄部２６は、磁極外向面側平坦部２３等と同様に、中心線２８を中心として同心円状に形成されている。図１７において、肉薄部２６は、径方向の配置領域における半分以上が中間線２９よりも外周側にある例を示した。
【００４８】
実施の形態３の磁極３５は、ビーム軌道面１２に対向する側の磁極内向面１８における磁極内向面側平坦部１９の面積が磁極外向面２２の磁極外向面側平坦部２３よりもが広いので、機械加工精度を十分高くすることができる。また、実施の形態３の磁極３５は、磁極外向面側凸部２４及び磁極外向面側外周凸部２５の肉厚が階段状に変化しているので、磁極外向面２２の加工が容易であり、磁極の作成コストを低減することができる。したがって、実施の形態３の磁極３５は、作成コストの低減を図りながら、希望する磁場分布３３を十分な精度で形成することができる。実施の形態３の磁極３５は、実施の形態１の磁極２に比べれば希望する磁場分布３３の形成精度は劣るが、十分な精度で、すなわち高精度で希望する磁場分布３３を形成することができる。実施の形態３の磁極３５は、磁極内向面１８に磁極内向面側凸部２０がないので、実施の形態１の磁極２よりも磁場分布３３が減少する傾きを緩くすることができる。
【００４９】
実施の形態３の磁極３５を加速器用電磁石１に搭載した場合のギャップ８を説明する。磁極３５は磁極外向面２２に凹凸があるので、ギャップ８はビーム軌道面１２に垂直方向のギャップ長ｄ（図１、図２参照）が中心線２８から磁極３５の外周側に向かって変化している。中心線２８が通過する磁極３５の中央部は、リターンヨーク４のヨーク板６ａに接続されている。また、磁極３５の磁極外向面側外周凸部２５は、磁極３５の中央部と同じ高さなので、リターンヨーク４のヨーク板６ａに接触又は接続されている。磁極３５の磁極外向面側外周凸部２５は、磁極３５の中央部と異なり、リターンヨーク４のヨーク板６ａに固定されていなくても構わない。
【００５０】
図１７に示した磁極外向側線１３は、加速器用電磁石１におけるリターンヨーク４のヨーク板６ａの内向面が位置する線に該当する。図１７の破線Ｄ１から破線Ｄ２の間が磁極３５の中央部である。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ｄ２から破線Ａ３に向かって段階的に増大し、破線Ａ３から破線Ｂ４の間が最大となり、最大のギャップ長ｄ２になっている。中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄは、破線Ａ４から右側端に向かって段階的に減少している。なお、ｄ２＞ｄ３である。磁極３５は中心線２８を中心として同心円状に形成されているので、中心線２８から左側端方向におけるギャップ長ｄは、中心線２８から右側端方向におけるギャップ長ｄと同様に変化する。
【００５１】
実施の形態３の磁極３５を搭載した加速器用電磁石１は、リターンヨーク４と磁極３５の間にギャップ８を設け、磁極３５の磁極外向面２２の形状を磁極内向面１８の形状よりも大きな形状変化（大きな高低差）を有するように磁極３５を加工して、ギャップ８のギャップ長ｄを決定することで、特許文献１と同様の比較例の磁極６１の磁極内向面６３を加工する加工精度よりも低い加工精度で磁極外向面２２及び磁極内向面１８を加工しても、後調整なしで円形加速器の所望の磁場分布を形成できる。実施の形態３の磁極３５を搭載した加速器用電磁石１は、磁極３５の加工精度が低減できるので、実施の形態１の加速器用電磁石１と同様に後調整なしでビーム加速に必要な精度の磁場分布の発生が可能である。しかし更に高精度な磁場分布が必要な場合は、前述した従来の加速器用電磁石が必須にしていた後調整を行ってもよい。この後調整を行う場合でも、実施の形態３の磁極３５を搭載した加速器用電磁石１は、従来の加速器用電磁石におけるシム配置の数よりも格段に少なくすることができる。
【００５２】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１…加速器用電磁石、２、２ａ、２ｂ…磁極、３、３ａ、３ｂ…コイル、４…リターンヨーク、８、８ａ、８ｂ…ギャップ、９、９ａ、９ｂ…非磁性部材、１２…ビーム軌道面、１７…コイル軸、１８…磁極内向面、１９…磁極内向面側平坦部、２０…磁極内向面側凸部、２１…磁極内向面側外周凸部、２２…磁極外向面、２３…磁極外向面側平坦部、２４…磁極外向面側凸部、２５…磁極外向面側外周凸部、２６…肉薄部、２９…中間線、３４、３５…磁極、５１…磁極外向面側凸部、５２…肉薄部、５３…磁極内向面側平坦部、ｄ、ｄ１、ｄ２、ｄ３…ギャップ長
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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