(57)【要約】【課題】環状コアの平均磁束密度を高くすることのできるコア装置及び高エネルギーの荷電粒子を出射できる荷電粒子加速装置を得る。【解決手段】環状コア１は、内周部から外周部に向かって半径方向に磁気絶縁板４により複数に磁気回路的に分離された円環状の部分コア１１〜１６を有する。各部分コア１１〜１６にはそれぞれを個別に励磁するための励磁コイル２１〜２６が巻回されて、それぞれ環状部分コア装置８１〜８６を構成している。環状コア１を複数の部分コア１１〜１６に分割した形にして個別に励磁できるようにしたので、各部分コア１１〜１６の内周部と外周部の磁路長の差が、環状コア１を分割しない場合に比し小さくなり、各部分コアごとに飽和磁束密度近くまで励磁可能となる。従って、荷電粒子加速装置に用いた場合、環状コア１による加速電圧が向上し、高エネルギーの荷電粒子を出射できる。【選択図】　　　　図１
2004134681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の環状の部分コアとこの部分コアにそれぞれ巻回され上記部分コアを励磁する励磁コイルとを有するものであって、上記部分コアは一の部分コアの外周部に別の部分コアの内周部が対向するようにして複数配設されたものであるコア装置。
【請求項２】
上記各部分コアは、円環状又は四角形状の環状に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のコア装置。
【請求項３】
上記各部分コアは、その平均磁束密度がほぼ同じになるようにされているものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコア装置。
【請求項４】
上記各部分コアは、同じ透磁率の磁性材料で形成されるとともに上記各励磁コイルに同じ電圧を印加したときにその平均磁束密度がほぼ同じになるようにされているものであることを特徴とする請求項３に記載のコア装置。
【請求項５】
上記各部分コアは、それぞれの内周長と外周長との差がほぼ一定にされたものであることを特徴とする請求項４に記載のコア装置。
【請求項６】
上記各部分コアは、同じ透磁率の磁性材料で形成されるとともに上記各励磁コイルにその平均磁束密度がほぼ同じになるような電圧が印加されるものであることを特徴とする請求項３に記載のコア装置。
【請求項７】
上記各部分コアは、それぞれ透磁率の異なる磁性材料で形成されたものであることを特徴とする請求項３に記載のコア装置。
【請求項８】
上記各部分コアは、加える張力によってその透磁率が変化する帯状の磁性材料を上記各部分コアごとにそれぞれ透磁率が異なるように張力を変化させて巻回して形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載のコア装置。
【請求項９】
上記各部分コアは、熱処理によってその透磁率が変化する帯状の磁性材料を上記各部分コアごとにそれぞれ透磁率が異なるように熱処理をしして形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載のコア装置。
【請求項１０】
上記各部分コアは、上記励磁コイルに交流電圧が印加され交流励磁されるとともに互いに対向する上記内周部及び上記外周部の間に導電性の磁気絶縁部材が設けられたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコア装置。
【請求項１１】
上記部分コアの内の最も内側にある上記部分コアの内周側と、上記各部分コアの対向する上記内周部及び上記外周部の間と、上記部分コアの内の最も外側にある上記部分コアの外周側とに、それぞれ導電体が設けられ、上記各励磁コイルは上記導電体を導電回路として利用するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコア装置。
【請求項１２】
上記各部分コアは上記励磁コイルに交流電圧が印加され交流励磁されるものであり、上記各部分コアの対向する上記内周部及び上記外周部の間に設けられた上記導電体が上記磁気絶縁部材を兼ねるものであることを特徴とする請求項１１に記載のコア装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のコア装置により発生する誘導起電力により荷電粒子を加速する荷電粒子加速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば荷電粒子加速装置等に用いられるコア装置及び荷電粒子加速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コア装置を使用した加速器の一種として、内部に荷電粒子ビームの通路を形成し該荷電粒子ビームの加速電場を誘起する間隙を有する円環状の環状加速室、及びこの環状加速室にて形成される円形の空間を貫通するとともに環状加速室を周回するようにして設けられ閉じた磁気回路を形成する環状の一対の閉ループセクション（以下、環状コアという）とこの環状コアに巻回され環状コアを励磁するコアコイルとを有するコア装置を備えた加速器がある（例えば、特許文献１参照）。この加速器に用いられている従来のコア装置においては、環状コアが一つの場合も複数の場合も全ての環状コアに対して一つのコアコイルを巻き、一つの電源でコアコイルを励磁して加速電圧を発生させていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３３５０９８公報（第６頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
加速器の性能の重要な指標の一つに、出射ビームエネルギーがあり、高いビームエネルギーが求められている。上記のような従来の加速器において出射ビームエネルギーを最大化する場合、運転周波数の１周期以内に粒子の入射から出射までを完了しなければならないので、１周期中の加速期間の加速電圧Ｖを可能な限り高くする必要がある。
【０００５】
加速電圧Ｖは、コア装置における環状コア内の磁束φ、磁束密度ｂ＝Ｂ・ｃｏｓ（ω・ｔ）としたとき、
Ｖ＝ｄφ／ｄｔ＝Ｓ・ｄｂ／ｄｔ＝−ω・Ｓ・Ｂ
で与えられる。
従って、加速電圧Ｖは、コア内磁束密度の振幅Ｂで決定される。環状コア内の磁束密度ｂの最大値は、各種コア材料の飽和磁束密度Ｂｍａｘが上限となるので、結局、加速電圧Ｖはコア材料のＢｍａｘで決まることになる。
【０００６】
しかし、従来の加速器の環状コアでは、コア材の特性を充分に活用できないとう問題点があった。すなわち、環状コアの内周部と外周部とで磁束密度を比較した場合、内周部の磁路長Ｃ１、外周部の磁路長Ｃ２とを比較すると、内周部の磁路長Ｃ１が短く、各インダクタンスＬｃ１，Ｌｃ２は、
Ｌｃ１＝Ｎ・Ｎ・μ・Ｓ／Ｃ１
Ｌｃ２＝Ｎ・Ｎ・μ・Ｓ／Ｃ２
（但し、Ｎ：励磁コイルの巻数、μ：コア材の透磁率、Ｓ：環状コアの断面積）
となり、内周部のインダクタンスＬｃ１の方が大きいため、内周部の磁束密度Ｂ１＝Ｊ・（Ｌｃ１）／Ｓ（Ｊ：励磁電流）が先に飽和する構造となっている。
【０００７】
環状コアの内周部が飽和に達すると、（１）励磁電流の増大、（２）発熱の増大、（３）磁歪増による音発生、などの問題が発生する。このため、それ以上の電流を流せず、従って、コア外周部の磁束密度はＢ２＝（Ｃ１／Ｃ２）Ｂｍａｘとなり、例えば内周・外周比Ｃ１／Ｃ２＝１／１．５＝０．６７とすると、飽和磁束密度Ｂｍａｘの６７％までしか利用できなかった。
この発明は、上記のような問題点を解決して、環状コアの平均磁束密度を高くすることのできるコア装置及び高エネルギーの荷電粒子を出射できる荷電粒子加速装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るコア装置は、複数の環状の部分コアとこの部分コアにそれぞれ巻回され部分コアを励磁する励磁コイルとを有するものであって、部分コアは一の部分コアの外周部に別の部分コアの内周部が対向するようにして複数配設されたものである。
【０００９】
また、この発明に係る荷電粒子加速装置は、複数の環状の部分コアとこの部分コアにそれぞれ巻回され部分コアを励磁する励磁コイルとを有するものであって、部分コアは一の部分コアの外周部に別の部分コアの内周部が対向するようにして複数配設されたコア装置により発生する誘導起電力により荷電粒子を加速するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１は円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図、図２は環状コアの分割数と環状コアによる加速電圧との関係を示す特性図である。図１において、円環状の環状コア１は、内周部から外周部に向かって半径方向に磁気絶縁板４により複数（この実施の形態においては、６個）に磁気回路的に分離された円環状の部分コア１１〜１６を有している。
【００１１】
各部分コア１１〜１６には、それぞれを個別に励磁するための励磁コイル２１〜２６がそれぞれ巻回され、環状部分コア装置８１〜８６を構成している。なお、各部分コアの個数ｎは任意の値としてよいが、本実施例ではｎ＝６とした。コイル２は、各部分コア１１〜１６を励磁する励磁コイル２１〜２６にて構成されている。これら各励磁コイル２１〜２６は、交流の励磁電源３に並列接続されている。このような環状コア１を有するコア装置は、例えばベータトロン加速装置に用いられる。
【００１２】
各部分コア１１〜１６は、コア材として鉄系アモルファス材、ナノクリスタル材、電磁鋼板などが使用される。鉄系アモルファス材またはナノクリスタル材を使用した場合、部分コアは巻着テープ形状で形成する。例えば、円筒形の巻芯に、テープ状のコア材料を所定回数巻き付けて部分コア１１を形成し、この部分コア１１に励磁コイル２１を１ターン巻き付け、環状部分コア装置８１を製作する。そして、その外側に磁気絶縁板４を周回して巻き付ける。さらに、テープ状のコア材料を所定回数巻き付けて部分コア１２を形成し、この部分コア１２に励磁コイル２２を１ターン巻き付け、環状部分コア装置８２を製作する。この作業を繰り返して、環状部分コア装置８１〜８６を有するコア装置を製作する。
【００１３】
各部分コア１１〜１６にそれぞれに巻きつける励磁コイル２１〜２６の巻き数Ｎは、任意に選ぶことができるが、この実施の形態ではＮ＝１とした。励磁電源３の電源電圧ｖ０は、この環状コア１に求められる加速電圧をｖ＝｜Ｖ｜ｃｏｓ（ω・ｔ）とすると、ｖ０＝ｖ／ｎ（この実施の形態ではｖ／６）に等しくなるよう設定する。磁気絶縁板４は、部分コア１１〜１６相互間の磁気的な絶縁を効果的に行うために、透磁率がコア材と比較して十分小さい材料、交流の場合は電流の浸透深さの数倍程度の厚さの導電体を使用する。この実施の形態では、厚さ１ｍｍの銅板を使用している。
【００１４】
各部分コア１１〜１６を形成するときのテープ状のコア材料の巻き回数は、各部分コア１１〜１６に同じ電圧ｖ０を印加したときに各部分コア１１〜１６内における磁束密度Ｂの振幅｜Ｂ｜がコア材料の飽和磁束密度Ｂｍａｘに等しいという条件（印加電圧を一定とする条件）を満たすように決定する。
【００１５】
ここで、部分コア１１の内半径ｒ０および外半径ｒ１、部分コア１２について内半径ｒ１及び外半径ｒ２と定義し、以下同様に最外周の部分コアについて内半径ｒ（ｎ−１）及び外半径ｒｎ、とする。環状コア１の内半径に相当するｒ０と外半径に相当するｒｎは、加速器の仕様により決められる値であり、この実施の形態では、ｒ０＝１，ｒｎ＝１．５とした。なお、ここでは、磁気絶縁板４の厚さは薄いので無視して、部分コア１１の外半径と隣接する部分コア１２の内半径とを同じｒ１とした。
【００１６】
ｒ１〜ｒ（ｎ−１）までの値は、印加電圧一定条件を満たす以下の関数方程式をｒ１について解くと、関数ｒ（ｍ）が確定するのでｒｍ＝ｒ（ｍ）、（ｍ＝１〜ｎ−１）より求められる。
ｒ（ｎ）＝ｒｎ
但し、関数ｒ（ｍ）は再帰的関数として次の数式１のように定義される。
【００１７】
【数１】
2004134681.tif 000003
【００１８】
この実施の形態では、ｒ０＝１、ｒ１＝１．１、ｒ２＝１．２０、ｒ３＝１．３０、ｒ４＝１．４０、ｒ５＝１．５、である。すなわち、この場合、各部分コア１１〜１６の内外径の差がほぼ一定となる。
【００１９】
以上のように構成された環状コア１、すなわち各環状部分コア装置に電圧ｖ０を印加する。各部分コア１１〜１６の内部において最内周における磁束密度Ｂｍｉを計算すると以下のようになる。
各部分コアのインダクタンスＬｍは関数ｒ（ｍ）を使って、
Ｌｍ＝Ｎ・Ｎ・μ・ｔ／（２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・μ・ｔ・ｒ０・ｌｎ（ｒ１／ｒ０）／（２π・ｒ（ｍ−１））
ここで、ｔは部分コアの厚み、μは部分コアのコア材の透磁率である。
【００２０】
電圧ｖ０を各部分コアの励磁コイルに印加したときの電流ｊｍは、
ｊｍ＝−ｖ０／Ｌｍ
＝（−２π・ｒ（ｍ−１））／（ω・Ｎ・Ｎ・μ・ｔ・ｒ０・ｌｎ（ｒ１／ｒ０））｜Ｖ｜（ｓｉｎ（ω・ｔ））／ｎ
最内周部の厚さδの部分について考えると、インダクタンスＬｍｉは
Ｌｍｉ＝Ｎ・Ｎ・μ・ｔ／（２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・ｔ・μ・（１／２π）・（δ／ｒ（ｍ−１））
各部分コアの厚みδの最内周部における磁束密度ｂｍｉは、
ｂｍｉ＝ｊｍ・Ｌｍｉ／（ｔ・δ）
＝−Ｖ・（ｓｉｎ（ω・ｔ））／（ｎ・ω・ｔ・ｒ０・ｌｎ（ｒ１／ｒ０））
【００２１】
振幅で考えると、
Ｂｍｉ＝｜ｂｍｉ｜＝Ｖ／（ω・ｎ・ｔ・ｒ０・ｌｎ（ｒ１／ｒ０））
すなわち、全ての部分コアの最内周部においては一定振幅の磁束密度Ｂｍｉが得られる。
加速電圧の最大振幅Ｖｍａｘは、コア材の飽和磁束密度をＢｍａｘとしたとき｜Ｂｍｉ｜＝Ｂｍａｘのときに得られる。
Ｖｍａｘ（ｎ）＝（ω・ｎ・ｔ・ｒ０・ｌｎ（ｒ１／ｒ０））・Ｂｍａｘ
十分大きい分割数ｎでは、部分コアは等分割でよいと考えられるので、ｒ１→ｒ０＋（ｒｎ−ｒ０）／ｎと置くと、
Ｖｍａｘ（∞）＝（ｒｎ−ｒ０）・ｔ・ω・Ｂｍａｘ
となる。
【００２２】
上記実施の形態においては、環状コア１の分割数ｎを６としているが、各部分コアの内部でも最内周において先に飽和磁束密度Ｂｍａｘに達し、外周部が飽和磁束密度Ｂｍａｘ以下で使用され、部分コアの特性をさらに利用する余地が残っている。従って、理論的には無限に分割すればコアの特性を完全に利用できることになるが、現実的でない。実際は、コスト面等を考慮して適当な分割数を設定する。
【００２３】
そこで、横軸に分割数をとり、縦軸に環状コア１による加速電圧Ｖｍａｘ（ｎ）／Ｖｍａｘ（ｎ→∞）をプロットした結果を、図２に示す。但し、環状コア１の外周長／内周長比は１．５とした。図２に示すように、分割無しの場合のＶｍａｘ（ｎ＝１）／Ｖｍａｘ（ｎ一∞）＝０．８１に対して、５分割程度とすればＶｍａｘ（ｎ＝５）／Ｖｍａｘ（ｎ→∞）＝０．９６となり、従来よりおよそ１８％の加速電圧Ｖの増大が可能になる。
【００２４】
以上のように、この実施の形態によれば、環状コアを、複数に分割された形の部分コアにより構成し、各部分コアにそれぞれ励磁コイルを設けて複数の環状部分コア装置とし、各部分コアを独立に励磁している。従って、各部分コアの内周部と外周部の磁路長の差が、環状コアを分割しない場合に比し小さくなり、各部分コアごとに飽和磁束密度近くまで励磁可能となる。荷電粒子加速装置に用いた場合、複数の部分コアによる加速電圧を向上させることができ、高エネルギーの荷電粒子を出射できる。また、各部分コアに設けた励磁コイルに同じ電圧を印加すると各部分コアの磁束密度がほぼ同じになり、単一の電源で複数の部分コアを並列に励磁できるので、一つの電源で足りコスト低減できるという効果がある。
【００２５】
実施の形態２．
図３及び図４は、この発明の他の実施の形態を示すものであり、図３は矩形状の環状コアを備えたコア装置の構成図、図４は環状コアの分割数と環状コアによる加速電圧との関係を示す特性図である。上記実施の形態１では環状コアの形状は円環状としていたが、図３に示すような角部が円弧状に形成された矩形状や四角形状である環状コア１であってもよい。
【００２６】
この場合、部分コア１１〜１５の形成方法や使用する材料は、実施の形態１と同様である。また、各部分コア１１〜１５に励磁コイル２１〜２５を設けて、環状部分コア装置８１〜８６を形成するのも同様である。なお、図示の都合上、環状部分コア装置は５個として図示している。
環状コアを各部分コアに分割して構成する場合、各部分コアの分割割合は、次の方程式を解いて求められる。なお、矩形状の環状コア１の各直線部の寸法をａ，ｂ、円弧部の内半径をｒ０とする。
ｒ（ｎ）＝ｒｎ
但し、関数ｒ（ｍ）は再帰的関数として次の数式２のように定義される。
【００２７】
【数２】
2004134681.tif 000004
【００２８】
この実施の形態では、ａ＝１、ｂ＝１．５、ｒ０＝１、ｒｎ＝２．５、ｎ＝５、として計算すると、
ｒ０＝１、ｒ１＝１．３１、ｒ２＝１．６１、ｒ３＝１．９１、ｒ４＝２．２０、ｒ５＝２．５と、分割割合が求められる。すなわち、各部分コアの内外周の寸法差をほぼ一定とすればよい。
上記実施例と同様にして加速電圧の最大振幅Ｖｍａｘを求めると、
Ｖｍａｘ（ｎ）＝（ω・ｎ・ｔ・（ａ＋ｂ＋ｒ０）・ｌｎ（（ａ＋ｂ＋ｒ１）／（ａ＋ｂ＋ｒ０）））・Ｂｍａｘ
Ｖｍａｘ（ｎ→∞）＝（ｒｎ−ｒ０）・ｔ・ω・Ｂｍａｘ
となる。
【００２９】
横軸に分割数ｎ、縦軸に加速電圧Ｖｍａｘ（ｎ）／Ｖｍａｘ〈ｎ＝∞）をプロットした計算結果を図４に示す。図４に示すように、分割無しの場合のＶｍａｘ（ｎ＝１）／Ｖｍａｘ（ｎ＝∞）＝０．８３に対して、５分割とすればＶｍａｘ（ｎ＝５）／Ｖｍａｘ（ｎ＝∞）＝０．９８となり、ほぼ１００％近く、従来より約１８％加速電圧Ｖの増大が可能になる。
【００３０】
この実施の形態によれば、矩形状や四角形状の環状コアであっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００３１】
実施の形態３．
図５及び図６は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図５は円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図、図６は励磁コイルの接続図である。上記各実施の形態では、電源電圧は従来の分割されていない環状コアを励磁するときの電圧ｖに対して、環状コアの分割数ｎ等分した電源電圧ｖ０＝ｖ／ｎを使用している。従って、電源電流はｎ倍となっている。通常、加速器としてのベータトロンでは、電圧ｖは数ｋＶと高いので、電源電圧を下げる方向である上記各実施の形態は、望ましい方向である。
【００３２】
しかし、電源の電流容量に制限があるので、電圧を高くして投入電力を大きくしたい場合には、励磁コイルを所定個数、直並列接続にして電源に接続する。すなわち、この実施の形態では、図５及び図６に示すように、２ターンの励磁用の励磁コイル２１〜２６を、励磁コイル２１と励磁コイル２６とを並列接続し、励磁コイル２２と励磁コイル２５とを並列接続し、励磁コイル２３と励磁コイル２４とを並列接続し、これら並列接続された３組の励磁コイルを３個直列に接続にして、電源３に接続している。このような構成を採れば、電源３の電圧は従来と同じ電圧ｖで駆動することが可能である。
【００３３】
この実施の形態によれば、各部分コアに設けた各励磁コイルに電圧を印加するにあたって適宜、並列接続と直列接続とを組み合わせたので、励磁コイルに流す電流を任意に選ぶことができるようになり、電源の製作の自由度が高くなるのでコスト低減が可能となるという効果がある。
【００３４】
実施の形態４．
図７は、さらにこの発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを備えた電磁石装置の構成図である。以上の各実施の形態では、１台の電源装置により環状コアを励磁するために各部分コアに同じ電圧を印加した場合に、環状コアの特性を最大限に利用できるように環状コアを分割する方法を採っている。これに対し、この実施の形態においては、図７に示すように部分コア１１〜１６の分割寸法を任意として、励磁コイル２１〜２６をおのおの設けて環状部分コア装置８１〜８６を構成し、各部分コア１１〜１６に対して、それぞれ最適な電圧を印加できるように各励磁コイル２１〜２６に対応して電源３１〜３６を設けている。
【００３５】
各部分コアにおけるインダクタンスＬｍは、近似的に次のように表される。
Ｌｍ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
≒Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・（ｒｍ／ｒ（ｍ−１）−１）
各部分コアに印加する電圧をｖｍ＝Ｖｍ・ｃｏｓ（ω・ｔ）とすると励磁コイルに流れる電流ｊｍは
ｊｍ＝ｖｍ／Ｌｍ
となる。
【００３６】
部分コアにおける最内周部のインダクタンスＬｍｉは、最内周部の厚さδの部分について考えると、次式で表される。
Ｌｍｉ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・（δ／ｒ（ｍ−１））
部分コアの最内周部における磁束密度ｂｍｉは、次のようになる。
ｂｍｉ＝−ｊｍ・Ｌｍｉ／（ｔ・δ）＝−Ｖｍ／｛ｔ・（ｒｍ−ｒ（ｍ−１））｝
【００３７】
従って、磁束密度が各部分コアにかかわらず同じになるようにする条件は、
Ｖｍ∝ｒｍ−ｒ（ｍ−１）
となり、任意のコア分割半径ｒｍに対して上の式で規定されるＶｍが最適であることが分かる。
【００３８】
この実施の形態によれば、各励磁コイルをそれぞれ個別に励磁できる励磁電源を設け、独立に励磁電圧を設定するようにしたので、各部分コアを任意に分割せざるを得ない場合にも、飽和磁束密度近くまでの励磁が可能となり、加速電圧が向上するという効果がある。なお、実施の形態１や実施の形態２と同様に、部分コアへの分割数を増加させるほど、加速電圧を向上できる。
【００３９】
実施の形態５．
上記実施の形態４においては、環状コアが円環状である場合について示した。この実施の形態５においては、環状コアの形状が矩形状である場合について説明する。なお、矩形状の環状コアの内外周の寸法は、図３に示したものと同じであるが、部分コア１１〜１６の分割の寸法を任意としたものである。
【００４０】
矩形状の環状コアの各部分コアにおけるインダクタンスＬｍは近似的に、次の式で表される。
Ｌｍ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（（ａ＋ｂ＋π・ｒｍ）／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
≒Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２）・（ｒｍ−ｒ（ｍ−１））／（（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
各部分コアに印加する電圧をｖｍ＝Ｖｍ・ｃｏｓ（ω・ｔ）とすると、励磁コイルに流れる電流はｊｍは
ｊｍ＝ｖｍ／Ｌｍ
となる。
【００４１】
部分コアにおける最内周部のインダクタンスＬｍｉは、最内周部の厚さδの部分について考えると、次式で表される。
Ｌｍｉ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（（ａ＋ｂ＋π・ｒｍ）／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２）・（δ／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
【００４２】
部分コアの最内周部における磁束密度ｂｍｉは、次のようになる。
ｂｍｉ＝−ｊｍ・Ｌｍｉ／（ｔ・δ）
＝−Ｖｍ／｛ｔ・（ｒｍ−ｒ（ｍ−１））｝
従って、磁束密度が各部分コアにかかわらず同じになるようにする条件は、
Ｖｍ∝ｒｍ−ｒ（ｍ−１）
となり、任意のコア分割半径ｒｍに対して上の式で規定される電圧Ｖｍが最適であることが分かる。
【００４３】
この実施の形態によれば、矩形状や四角形状の環状コアであっても、実施の形態５と同様の効果を奏する。
【００４４】
実施の形態６．
図８は、さらにこの発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。以上の各実施の形態では、部分コアに用いるコア材料は同じで、その透磁率μは一定としていた。この実施の形態では、図８に示すように、任意の半径ｒｍで部分コア１１〜１６に分割し、各部分コア１１〜１６ごとに異なる透磁率μｍのコア材を、特に環状コアの内周部に位置する部分コアほど透磁率の大きな材料を使用する。すなわち、部分コア１１のコア材料の透磁率μ１が一番大きく、部分コア１６のコア材料の透磁率μ６は部分コアの中では一番小さいものを選ぶ。そして、励磁コイル２１〜２６を設けて、環状部分コア装置８１〜８６を製作する。
【００４５】
各部分コアにおける透磁率をμｍとするとき、各部分コアのインダクタンスＬｍは、近似的に次の式で表される。
Ｌｍ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・μｍ・（１／２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
部分コアにおける最内周部のインダクタンスＬｍｉは、最内周部の厚さδの部分について考えると、次式で表される。
Ｌｍｉ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（ｒｍ／ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・（δ／ｒ（ｍ−１））
【００４６】
励磁コイルの電流をｊとすると、部分コアの最内周部における磁束密度ｂｍｉは、次のようになる。
ｂｍｉ＝ｊ・Ｌｍｉ／（ｔ・δ）
＝ｊ・Ｎ・Ｎ（μｍ）（１／２π）・（１／ｒ（ｍ−１））
従って、磁束密度が各部分コアにかかわらず同じになるようにする条件は、
μｍ∝１／ｒ（ｍ−１）
となり、任意の環状コアの分割ｒ（ｍ−１）に対して上の式で規定される透磁率μｍのコア材を使用するのが最適となる。
【００４７】
異なる透磁率μｍのコア材は、例えば環状コア１の最外周部を構成する部分コア１６を鉄系アモルファスで製作し、環状コア１の最内周部を構成する部分コア１１をナノクリスタル材料などの高い透磁率材料で形成するなどの材料選択により行う。また、同じ材料だけを使用する場合には、材料の焼鈍条件や応力緩和度の調整により異なる透磁率μｍのコア材を製作することができる。
【００４８】
例えば、環状コアの製造工程においてコア材としてテープ状の磁性材料を環状に巻回して各部分コアを形成する際に、各部分コアごとに巻きつける張力を変化させることにより透磁率を変化させることができる。また、環状コアの製造工程において部分コアを巻回した後、焼鈍する際に、アモルファス材であれば結晶化処理の際に各部分コアごとに異なる強さの磁界を印加することにより、透磁率を変化させることが可能となる。
【００４９】
この実施の形態によれば、環状コアをその内周部から外周部にかけて複数に分割された部分コアにより構成し、かつ各部分コアそれぞれの透磁率を最適化したので、環状コアを一つの励磁コイルで励磁した場合にも、各部分コアの磁束密度が同じになり、飽和磁束密度一杯までの励磁が可能となり、加速電圧が向上するという効果がある。なお、部分コアへの分割数を増加させるほど、加速電圧を向上できる。
【００５０】
そして、この実施の形態によれば、環状コアの製造工程においてテープ状のコア材を環状に巻回して各部分コアを形成する際に、各部分コアごとに巻きつける張力を変化させることにより透磁率を変化させるようにしたので、高透磁率の高価な材料を使用することなく同じ材料でも各部分コアごとに透磁率を変化させることが可能となり、低いコストで加速電圧を向上させることができるという効果がある。
【００５１】
さらに、環状コアの製造工程において焼鈍する際に各部分コアごとに異なる強さの磁界を印加して透磁率を変化させるようにしたので、高透磁率の高価な材料を使用することなく同じ材料でも各部分コアごとに透磁率を変化させることが可能となり、低いコストで加速電圧が向上するという効果がある。
【００５２】
実施の形態７．
上記の実施例では環状コアの形状は円環状としていたが、形状が矩形状や四角形状であっても同様に実施できる。
矩形状の環状コアの各部分コアにおける透磁率をμｍとすると、各部分コアのインダクタンスＬｍは近似的に、次の式で表される。
Ｌｍ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（（ａ＋ｂ＋π・ｒｍ）／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
【００５３】
部分コアにおける最内周部のインダクタンスＬｍｉは、最内周部の厚さδの部分について考えると、次式で表される。
Ｌｍｉ＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２π）・ｌｎ（（ａ＋ｂ＋π・ｒｍ）／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
＝Ｎ・Ｎ・ｔ・（μｍ）・（１／２）・（δ／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
【００５４】
部分コアを励磁する励磁コイルの電流をｊとすると、部分コアの最内周部における磁束密度ｂｍｉは、次のようになる。
ｂｍｉ＝ｊ・Ｌｍｉ／（ｔ・δ）
＝ｊ・Ｎ・Ｎ・（μｍ）・（１／２）・（１／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
従って、磁束密度が各部分コアにかかわらず同じになるようにする条件は、
μｍ∝１／（ａ＋ｂ＋π・ｒ（ｍ−１））
となり、任意のコア分割半径ｒ（ｍ−１）に対して上の式で規定されるμｍが最適であることが分かる。なお、部分コアのコア材の選択方法は、実施の形態６に示したものと同様にすればよい。
【００５５】
この実施の形態によれば、形状が矩形状や四角形状の環状コアであっても、実施の形態６と同様の効果を奏する。
【００５６】
実施の形態８．
図９〜図１１は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図９（ａ）は円環状の環状コアを有するコア装置の平面図、図９（ｂ）はコア装置の断面図、図９（ｃ）は図９（ｂ）図のコア装置を左方から見た側面図である。図１０は、各薄肉銅板の側面図である。図１１はコア装置の要部拡大図であり、図１１（ａ）はコア装置の断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のコア装置を下方から見た底面図である。
【００５７】
図９（ｂ），（ｃ）において、薄肉銅板５１〜５６の幅Ｗは、部分コア１１〜１５と同じ幅にされ、そのうちの薄肉銅板５２〜５５は、各部分コア１１〜１５の間に設けられており、図１に示した磁気絶縁板４を兼ねている（図９（ｂ）参照）。また、一番内側の薄肉銅板５１は、部分コア１１の巻芯を兼ねるために所定の強度を有するように薄肉銅板５２〜５５よりも厚さが厚くされている。薄肉銅板５６は、薄肉銅板５２等と同じ厚さのものであり、コイルの導体用として設けられている。
【００５８】
薄肉銅板５１には、図１０（ａ）に示すように、その円周上の所定の位置において所定の幅で上方へ延伸された端子５１ａと、下方に延伸された渡り用銅板５１ｂとが薄肉銅板５１と一体に形成されている。薄肉銅板５２には、図１０（ｂ）に示すように、その円周上の所定の位置において所定の幅で上方へ延伸された端子５２ａと、下方に延伸された２枚の渡り用銅板５２ｂ及び５２ｃが薄肉銅板５２と一体に形成されている。
【００５９】
薄肉銅板５３〜５５は、薄肉銅板５２と同様のものである。薄肉銅板５６には、図１０（ｃ）に示すように、その円周上の所定の位置において所定の幅で上方へ延伸された端子５６ａと、下方に延伸された渡り用銅板５６ｂとが薄肉銅板５１と一体に形成されている。
【００６０】
図１１に示すように、薄肉銅板５１に設けられた渡り用銅板５１ｂは隣接する渡り用銅板５２ｂと接続され、端子５１ａ−薄肉銅板５１−渡り用銅板５１ｂ−隣接する渡り用銅板５２ｂ−薄肉銅板５２−端子５２ａの導電回路で、部分コア１１を取り囲む１ターンのコイル２１が形成されている。同様に、他の隣接する端子同士が接続され、各部分コア１２〜１５を励磁する１ターンのコイル２２〜２５が形成されている。
【００６１】
なお、図１１（ｂ）に示すように、例えば端子５１ｂと端子５２ｂとを接続する薄肉銅板５１における周方向の位置と、端子５２ｃと端子５３ｃとを接続する薄肉銅板５１における周方向の位置は、所定寸法ずらしてある（図１０（ｂ）も参照）。そして、各コイル２１〜２５の端子５１ａ〜５６ａは、ケーブル６を介して、それぞれ同じ電圧の電源装置に接続されている。
【００６２】
高周波でコアを励磁する用途に使用する場合は、薄肉銅板５２〜５５を図１に示した磁気絶縁板４と同じように磁気絶縁板として機能させることができるが、高周波の周波数に応じ、その表皮効果よる電流の浸透深さαの数倍程度の厚さに設定すればよい。この浸透深さは、
α＝√（２／ω・μ・σ）
ここに、ω：周波数　μ：透磁率　σ：電気伝導度
で表され、薄肉銅板の両面に逆方向の電流が流れ、各部分コア１１〜１５間は磁気回路的に分離される。例えば、１０ＭＨｚ近傍の周波数では、概ね１枚数百ミクロンメータ程度の厚さの銅板でよい。
【００６３】
部分コアの製作は、薄肉銅板５２よりも厚さを厚くして強度を持たせた薄肉銅板５１を巻芯にして、鉄系アモルファス材やナノクリスタル材で十ミクロンメータオーダのテープ状にロール成型されたコア材を所定巻き厚さになるまで巻き、一番内側の部分コア１１を作る。その上に、絶縁を補強するために電気絶縁の薄膜シートを巻き（図示していない、通常テープの表面が絶縁皮膜処理されているので、不可欠なものではない）、その上に薄肉銅板５２を巻きつける。この上にコア材を所定回数巻回し、次の部分コア１２を作る。
【００６４】
なお、励磁コイル２１〜２６に直流電流を流す場合は１枚の薄肉銅板５２の外側に例えばカプトンなどの絶縁薄膜テープを巻き、その上に薄肉銅板５２をもう１枚巻き、そしてコア材を巻きつけ、次の部分コア１２を作る。以上の繰り返しで、必要な個数の部分コアを製作する。最後に、外側に薄肉銅板５６を巻き、巻き方向に固定する。励磁コイルに直流電流を流すことがある場合には、上記のように薄肉銅板５２〜５５を二重にしてその間を絶縁し、互いに絶縁された励磁コイルとした方が電源との接続関係が煩わしくなくなる。
【００６５】
実施の形態９．
図１２は、さらにこの発明の他の実施の形態であるコア装置の構成図であり、図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の左方より見た側面図である。上記実施の形態８では、薄肉銅板５１〜５６の幅Ｗを部分コア１１〜１５の幅と同じにして、端子５１ａ及び渡り部５１ｂ等を薄肉銅板から延伸して設けるものを示した。
【００６６】
これに代わり、図１２に示すように、部分コア１１〜１５の幅Ｗよりも幅広の幅Ｗ２の薄肉銅板６１〜６６を設けて、その一部が端子部６１ａや渡り部６１ｂ等を兼ねるようにしてもよい。この場合、渡り部６６ｂ（図１２（ｂ））等となる部分は、図１２（ｂ）のように下方から上方に向かって切り込みを入れ、隣接する渡り部同士を容易に接続できるようにする。その他の構成については、実施の形態８と同様のものである。
【００６７】
この実施の形態においては、薄肉銅板６１〜６６の部分コア１１〜１５から突出した部分が放熱フィンとして機能する。この薄肉銅板を自然対流あるいは強制冷却により冷却することにより、部分コアを効率よく冷却でき、部分コア内の巻き重ね方向の温度差を小さくできる。なお、冷却機能を持たせることで、温度変化による透磁率の変化を小さくでき、機械的な歪も小さく抑制される環状コアを製作できる。
【００６８】
上記各実施の形態では、部分コアは交流で励磁されるものを主に説明したが、直流で励磁されるものであってもよい。直流で励磁される場合は、図１等に示した磁気絶縁板４は、設けなくてよい。また、環状コアは、その磁気回路に空隙を有するものであってもよい。また、部分コア１１〜１６のコア材として、アモルファス材やナノクリスタル材などを使うものを示したが、これに限られるものではなく、珪素鋼板や電磁鋼板などその他の材料を使用する場合であっても、同様の効果を奏する。
【００６９】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、複数の環状の部分コアとこの部分コアにそれぞれ巻回され部分コアを励磁する励磁コイルとを有するものであって、部分コアは一の部分コアの外周部に別の部分コアの内周部が対向するようにして複数配設されたものであるので、各部分コアにそれぞれ設けられた励磁コイルにより各部分コアを独立に励磁可能であるので、各部分コアの内周部と外周部の磁路長の差が、複数の部分コアにて構成しない場合に比し小さくなり、各部分コアごとに飽和磁束密度近くまで励磁可能となる。
【００７０】
また、この発明に係る荷電粒子加速装置は、複数の環状の部分コアとこの部分コアにそれぞれ巻回され部分コアを励磁する励磁コイルとを有するものであって、部分コアは一の部分コアの外周部に別の部分コアの内周部が対向するようにして複数配設されたコア装置により発生する誘導起電力により荷電粒子を加速するものであるので、複数の部分コアによる加速電圧を向上させることができ、高エネルギーの荷電粒子を出射できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態である円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。
【図２】図１の環状コアの分割数と環状コアによる加速電圧との関係を示す特性図である。
【図３】この発明の他の実施の形態である矩形状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。
【図４】図３の環状コアの分割数と環状コアによる加速電圧との関係を示す特性図である。
【図５】さらに、この発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。
【図６】図５の励磁コイルの接続図である。
【図７】さらに、この発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。
【図８】さらに、この発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを備えたコア装置の構成図である。
【図９】図（ａ）は、さらにこの発明の他の実施の形態である円環状の環状コアを有するコア装置の平面図、図（ｂ）はコア装置の断面図、図（ｃ）は図９（ｂ）図のコア装置を左方から見た側面図である。
【図１０】図９の各薄肉銅板の側面図である。
【図１１】図９のコア装置の要部拡大図である。
【図１２】さらに、この発明の他の実施の形態であるコア装置の構成図である。
【符号の説明】
１　環状コア、１１〜１６　部分コア、２１〜２６　励磁コイル、
４　磁気絶縁板、５１〜５６，６１〜６６　薄肉銅板。
【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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