(57)【要約】【課題】  磁場勾配を形成する電磁石であって、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる電磁石を提供する。【解決手段】  この電磁石４ａは、一対の磁極６と、それに巻かれていて一様な磁場を形成するメインコイル１４と、その内側にあって半径ｒ方向に磁場勾配を形成するマルチコイル１６ａとを備えている。しかも、各マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８を互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイル１８の並設部１９の半径ｒ方向におけるピッチを変化させている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子が通過する隙間をあけて相対向する一対の磁極と、
前記各磁極に巻かれていて、前記荷電粒子の通過方向と交差する方向である半径方向に一様な磁場を前記磁極間に形成するメインコイルと、
前記各メインコイルの内側に設けられていて、前記磁極間の相対向面に沿って前記半径方向に並べられた並設部を有する複数のコイルから成り、前記磁極間の前記半径方向に磁場勾配を形成するマルチコイルとを備える電磁石において、
前記各マルチコイルを構成するコイルの内の少なくとも一部の複数のコイルを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていることを特徴とする、磁場勾配を形成する電磁石。
【請求項２】
前記各マルチコイルを構成するコイルの全てを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させている請求項１に記載の磁場勾配を形成する電磁石。
【請求項３】
前記直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを、半径が大きくなるに従って小さくしている請求項１または２に記載の磁場勾配を形成する電磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばＦＦＡＧ（Fixed Field Alternating Gradient: 固定磁場強収束）加速器、ＦＦＡＧ加速器を用いて電子を加速する電子線照射装置、その他の加速器等に用いられて、荷電粒子を偏向させる電磁石に関し、より具体的には、マルチコイルを用いて磁場勾配を形成する、コイル型の電磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
半径方向に磁場勾配を形成する電磁石のタイプの一つに、マルチコイルを用いて磁場勾配を形成するコイル型がある。従来から提案されているコイル型の電磁石は、磁極の周囲に巻かれたメインコイルによって一様な磁場を形成し、その内側に同一ピッチで複数本並べられたマルチコイルの電流を変えることによって磁場勾配を形成するものである（例えば、非特許文献１の頁６−７参照）。
【０００３】
そのような電磁石の一例を図４、図５に示す。
【０００４】
この電磁石４は、荷電粒子２が通過する隙間１０をあけて相対向する一対の磁極６を有している。両磁極６間はヨーク８で接続されている。なお、荷電粒子２が通る経路は、非磁性材から成る真空容器（図示省略）で囲まれていて、真空雰囲気に保たれる。後述する本発明の実施形態においても同様である。
【０００５】
荷電粒子２は、例えば、電子、陽子、イオン等である。
【０００６】
上記各磁極６の周囲には、荷電粒子２の通過方向（図５、図２における紙面の表裏方向）と交差する方向である半径ｒ方向に一様な磁場を、上下の磁極６間に、即ち上記隙間１０に形成するメインコイル１４がそれぞれ巻かれている。上下のメインコイル１４は、通常は互いに直列接続されて、図示しない直流の電源（メインコイル用電源）によって励磁される。後述する本発明の実施形態においても同様である。
【０００７】
上記各メインコイル１４の内側であって各磁極６の表面近傍には、マルチコイル１６がそれぞれ設けられている。各マルチコイル１６は、各磁極６の相対向面６ａに沿って半径ｒ方向に並べられた並設部１９を有する複数の（通常は多数の）コイル１８から成る。各コイル１８の並設部１９は、半径ｒ方向に同一ピッチで並べられている。
【０００８】
上記のようなマルチコイルによって上下の磁極６間の半径ｒ方向に磁場勾配を形成するために、マルチコイル１６を構成する各コイル１８に流す電流値を互いに異なる値にする。これを以下に詳述する。
【０００９】
図６に、上下のマルチコイル１６を構成するコイル１８を１本ずつ簡略化して示すと共に、それに電源２２を接続した例を示す。上下のコイル１８を互いに直列接続してそれに直流の電源２２（マルチコイル用電源）を接続している。そしてこのような構成を、マルチコイル１６を構成するコイル１８の数だけ設ける。
【００１０】
上記のような構成によって、上下の磁極６間の隙間１０に、例えば図７に示すように、半径ｒが大きくなるに従って磁束密度Ｂが大きくなる磁場勾配を形成することができる。なお、上下の磁極６間の隙間１０に形成される磁場の向きの一例を図中に矢印Ｍで示すが、これと逆向きに磁場を形成しても良い。
【００１１】
例えば、この電磁石４をＦＦＡＧ加速器に用いる場合、隙間１０における半径ｒ方向の磁束密度Ｂの分布は、次式に従ったものにする。ここで、ｒ0 は基準半径（例えば、荷電粒子２の曲率半径方向における磁極６の内側端の半径）、Ｂ0 は当該基準半径ｒ0 における基準磁束密度、ｋは磁場勾配を表すパラメータである。上記メインコイル１４は、例えば、この基準磁束密度Ｂ0 を発生させる。
【００１２】
［数１］
Ｂ＝Ｂ0 （ｒ／ｒ0 ）k 
【００１３】
磁束密度Ｂを形成するために必要な電流値をＩとすると、一般に、Ｂ∝Ｉであるから、これと上記数１から次式が導かれる。Ｉ0 は基準半径ｒ0 における電流値である。
【００１４】
［数２］
Ｉ＝Ｉ0 （ｒ／ｒ0 ）k 
【００１５】
上記数２では、電流値Ｉは連続的に変化するけれども、実際には、上記マルチコイル１６を構成する複数のコイル１８は飛び飛びに（離散的に）並べられていて、上記電流値Ｉは各コイル１８に流れる電流の合計であるため、電流値Ｉはステップ的に変化することになる。これを以下に詳述する。
【００１６】
基準半径ｒ0 における電流値をＩ0 、そこからｎ番目のコイル１８（半径ｒn ）までの合計の電流値をＩn とすると、数２から次式が導かれる。ｎは０以上の整数である。
【００１７】
［数３］
Ｉn ＝Ｉ0 （ｒn ／ｒ0 ）k 
【００１８】
マルチコイル１６を構成する複数のコイル１８の一定のピッチをｄｒとし、基準半径ｒ0 の位置にコイル１８は無くその次のコイル１８を１番目とすると、ｎ番目のコイル１８の半径ｒn は次式で表される。
【００１９】
［数４］
ｒn ＝ｒ0 ＋ｎ・ｄｒ
【００２０】
この数４を数３に代入すると次式が導かれる。
【００２１】
［数５］
Ｉn ＝Ｉ0 （１＋ｎ・ｄｒ／ｒ0 ）k 
【００２２】
上記数５から、ｎ−１番目のコイル１８までの合計の電流値Ｉn-1 は次式で表される。  
【００２３】
［数６］
Ｉn-1 ＝Ｉ0 ｛１＋（ｎ−１）・ｄｒ／ｒ0 ｝k 
【００２４】
従って、ｎ番目のコイル１８の電流値ｉn は次式で表される。
【００２５】
［数７］
ｉn ＝Ｉn −Ｉn-1 
＝Ｉ0 （１＋ｎ・ｄｒ／ｒ0 ）k −Ｉ0 ｛１＋（ｎ−１）・ｄｒ／ｒ0 ｝k 
【００２６】
上記数７に従って、マルチコイル１６を構成する各コイル１８に流す電流値を互いに異なる値にすることによって、ピッチｄｒが一定のマルチコイル１６を用いて、上記のような磁場勾配を形成することができる。
【００２７】
【非特許文献１】「加速器の基礎と先端加速器」、ＯＨＯ  '０３  高エネルギー加速器セミナー、（財）高エネルギー加速器科学研究奨励会、２００３年８月２５日、頁１−２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上記電磁石４においては、磁場勾配を形成するためには、マルチコイル１６を構成する各コイル１８に流す電流値を互いに異なる値にする必要があるため、コイル１８の数だけマルチコイル用の電源２２（図６参照）が必要になる。即ち、マルチコイル用の電源が多数必要になるので、電源の構成が複雑になり、その制御も複雑になる。
【００２９】
そこでこの発明は、磁場勾配を形成する電磁石であって、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる電磁石を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
この発明に係る電磁石は、前記各マルチコイルを構成するコイルの内の少なくとも一部の複数のコイルを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていることを特徴としている。
【００３１】
上記電磁石によれば、各マルチコイルを構成するコイルの内の直列接続した複数のコイルには、一つの電源から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、当該直列接続した複数のコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を前記半径方向に形成することができる。  
【００３２】
前記各マルチコイルを構成するコイルの全てを互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させていても良い。
【００３３】
前記直列接続したコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを、半径が大きくなるに従って小さくしていても良い。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１に記載の発明によれば、各マルチコイルを構成するコイルの内の直列接続した複数のコイルには、一つの電源から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、当該直列接続した複数のコイルの前記並設部の前記半径方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を前記半径方向に形成することができる。従って、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる。またそれに伴って、当該電源の制御も容易になる。
【００３５】
請求項２に記載の発明によれば、各マルチコイルを構成するコイルの全てを互いに直列接続し、かつその並設部のピッチを変化させているので、マルチコイル用の電源の数をより減少させることができ、かつ当該電源の制御もより容易になる、という更なる効果を奏する。
【００３６】
請求項３に記載の発明によれば、直列接続したコイルの並設部のピッチを、前記半径が大きくなるに従って小さくしているので、前記半径が大きくなるに従って磁束密度が大きくなる磁場勾配を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、この発明に係る電磁石の一実施形態を示す概略斜視図である。図２は、図１に示す電磁石の概略縦断面図である。図４、図５に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００３８】
この電磁石４ａは、従来のマルチコイル１６に代えて、次のようなマルチコイル１６ａを備えている。即ち、上記各メインコイル１４の内側であって各磁極６の表面近傍に、マルチコイル１６ａがそれぞれ設けられている。各マルチコイル１６ａは、各磁極６の相対向面６ａに沿って半径ｒ方向に並べられた並設部１９を有する複数の（通常は多数の）コイル１８から成る。
【００３９】
そして、この実施形態では、上記各マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８の全てを互いに直列接続している。その様子を図３に簡略化して示す。なお、図３では、各マルチコイル１６ａを構成するコイル１８は三つしか図示していないけれども、これはあくまでも図示を簡略化するためであり、実際は各マルチコイル１６ａはもっと多くのコイル１８を有している。
【００４０】
更にこの実施形態では、上下のマルチコイル１６ａを互いに直列接続して、それに直流の電源２４（マルチコイル用電源）を接続している。このような構成を、この実施形態では１台の電磁石４ａについて一つ設けている。
【００４１】
更にこの実施形態では、上記各マルチコイル１６ａにおいて、直列接続したコイル１８の並設部１９の前記半径ｒ方向におけるピッチ（間隔）を変化させている。より具体的には、図１、図２からも分かるように、この実施形態では半径ｒが大きくなるに従ってピッチを小さくしている。
【００４２】
この電磁石４ａによれば、各マルチコイル１６ａを構成する全てのコイル１８に、一つの電源２４から互いに同一の大きさの電流を流すことができる。その場合でも、直列接続した全てのコイル１８の並設部１９の半径ｒ方向におけるピッチを変化させているので、このピッチの変化に応じた磁場勾配を半径ｒ方向に形成することができる。具体的には、この実施形態では、各コイル１８の並設部１９の半径ｒ方向におけるピッチを、半径ｒが大きくなるに従って小さくしているので、半径ｒが大きくなるに従って磁束密度が大きくなる磁場勾配を形成することができる。
【００４３】
従って、この電磁石４ａによれば、従来よりもマルチコイル用の電源の数を大幅に減らすことができる。またそれに伴って、当該電源の制御も容易になると共に、電源の低コスト化も可能になる。特にこの実施形態では、上下のマルチコイル１６ａ用の電源が一つの電源２４で済むので、上記効果はより顕著になる。
【００４４】
上記各マルチコイル１６ａを構成するコイル１８のピッチと磁場勾配との関係の一例を以下に詳述する。
【００４５】
この電磁石４ａを例えばＦＦＡＧ加速器に用いる場合を例に取ると、上記数１に示した磁束密度Ｂの分布に近い磁場勾配を形成する場合、上記数２より、次式が導かれる。ｒn 、ｒ0 、Ｉn 、Ｉ0 、ｋの意味は前述のとおりである。
【００４６】
［数８］
ｒn ＝ｒ0 （Ｉn ／Ｉ0 ）1/k 
【００４７】
また、マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８に流す電流値をｄｉとすると、この電流値ｄｉは全てのコイル１８において同一の値となり、ｎ番目のコイル１８までの合計の電流値Ｉn は次式で表される。
【００４８】
［数９］
Ｉn ＝Ｉ0 ＋ｎ・ｄｉ
【００４９】
この数９を上記数８に代入すると次式が得られる。
【００５０】
［数１０］
ｒn ＝ｒ0 （１＋ｎ・ｄｉ／Ｉ0 ）1/k 
【００５１】
従って、この数１０から、マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８の並設部１９のピッチＰn は、次式で表すことができる。
【００５２】
［数１１］
Ｐn ＝ｒn −ｒn-1 
＝ｒ0 （１＋ｎ・ｄｉ／Ｉ0 ）1/k −ｒ0 ｛１＋（ｎ−１）・ｄｉ／Ｉ0 ｝1/k 
【００５３】
マルチコイル１６ａに流す電流値ｄｉを一定にしても、この数１１に従ってピッチＰn を変化させることによって、上記数１に示した磁束密度Ｂの分布に近い磁場勾配を形成することができる。
【００５４】
なお、各マルチコイル１６ａを構成する各コイル１８は、その一部分または全部が、各磁極６内に、例えば各磁極６の表面近傍内に埋め込まれていても良い。各メインコイル１４についても同様である。
【００５５】
また、図３に示す例のように上下のマルチコイル１６ａを互いに直列接続するのが、マルチコイル用の電源２４が一つで済む等の観点から好ましいけれども、上下のマルチコイル１６ａを互いに直列接続せずに、各マルチコイル１６ａに電源をそれぞれ設けても良い。その場合はマルチコイル用の電源が二つ必要になるけれども、それでも従来よりも電源の数を大幅に少なくすることができる。あるいは、上下のマルチコイル１６ａを互いに並列接続して一つの電源２４に接続しても良い。
【００５６】
また、以上では、各マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８の全てを互いに直列接続しかつピッチを変化させた実施形態を説明したけれども、この発明はそれに限られるものではなく、必要に応じて、各マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８の内の一部の複数のコイル１８を互いに直列接続し、かつ当該直列接続したコイル１８の並設部１９のピッチを変化させておいても良い。例えば、各マルチコイル１６ａを構成する複数のコイル１８を複数群（例えば２〜３群）に分け、各群におけるコイル１８を互いに直列接続し、かつそれぞれ所望の割合でピッチを変化させても良い。この場合は、各群用にマルチコイル用の電源を設けることになるが、それでも、従来のように各コイル１８ごとに電源を設ける場合に比べれば、マルチコイル用の電源の数を減らすことができる。
【００５７】
上記のような電磁石４ａとそれ用の電源とを備えるものを電磁石装置と呼ぶことができる。従って例えば、上記電磁石４ａを構成する上下のメインコイル１４を互いに直列接続してそれにメインコイル用の直流の電源を接続し、かつ図３に示す例のように上下のマルチコイル１６ａを互いに直列接続してそれにマルチコイル用の直流の電源２４を接続して、磁場勾配を形成する電磁石装置を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明に係る電磁石の一実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す電磁石の概略縦断面図である。
【図３】図１および図２に示す電磁石を構成する上下のマルチコイルを簡略化して示すと共に、それに電源を接続した例を示す図である。
【図４】従来の電磁石の一実施形態を示す概略斜視図である。
【図５】図４に示す電磁石の概略縦断面図である。
【図６】図４および図５に示す電磁石の上下のマルチコイルを構成するコイルを１本ずつ簡略化して示すと共に、それに電源を接続した例を示す図である。
【図７】半径方向に形成された磁場勾配の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
２  荷電粒子
４ａ  電磁石
６  磁極
１４  メインコイル
１６ａ  マルチコイル
１８  コイル
１９  並設部
２４  電源（マルチコイル用電源）
【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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