(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２つの磁極と、
対向する２つのヨーク腕部、および、該２つのヨーク腕部の各々を接続する少なくとも１つのヨーク基部とからなり、磁路を形成するヨークと、
少なくとも一方の磁極とヨーク腕部との間に設けられた非磁性層と、
磁極を励磁するコイルと
から構成される電磁石装置において、
非磁性層に面する磁極およびヨーク腕部の少なくとも一方の形状を加工して、非磁性層の厚さを調節し、非磁性層の厚さが磁路の磁気抵抗の大きさを均一にするようヨーク基部からの距離に応じて変化する、電磁石装置。
【請求項２】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて直線的に減少する、請求項１に記載の電磁石装置。
【請求項３】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の一方は、他方に対して傾斜している、請求項２に記載の電磁石装置。
【請求項４】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて階段状に減少する、請求項１に記載の電磁石装置。
【請求項５】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方は、階段状に形成されている、請求項４に記載の電磁石装置。
【請求項６】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて曲線的に減少する、請求項１に記載の電磁石装置。
【請求項７】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方は、曲面である、請求項６に記載の電磁石装置。
【請求項８】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて増加する、請求項１に記載の電磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極とヨークを含む電磁石装置、および、そのような電磁石装置を利用した荷電粒子の加速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の電磁石装置２００の断面図である。電磁石装置２００は、コイル２１１と、ヨーク２１２と、磁極２１３とからなる。参照符号を付さないコイルおよび磁極が、空間２１４に関してコイル２１１および磁極２１３に対称に配置されている。このような電磁石装置２００を荷電粒子加速装置に採用すると、空間２１４に磁場を発生させることにより、空間２１４を通過する荷電粒子を偏向させることができる。すなわち、コイル２１１に流す電流を制御し空間２１４内の磁場を調整することにより、空間２１４を通る荷電粒子の運動を制御できる。
【０００３】
荷電粒子の運動を正確に制御するためには、荷電粒子が運動する平面（軌道平面）内の磁場の大きさが均一である必要がある。ところが従来の電磁石装置２００では軌道平面内の磁場の大きさは均一ではなかった。図１１は、軌道平面上の磁場分布を示す図である。磁場分布は、空間２１４の中央（位置５０）の磁束密度の大きさ（Ｂ０）に対する、他の位置の磁束密度の大きさ（Ｂ）の比として表されている。図１１に示すように、磁場分布は均一でなく、ヨーク２１２（図１０）の内側に近い方（位置０に近い方）が磁場が大きい。この理由は、図１０の磁路ａとｂの長さに差があるからである。すなわち、一般に磁場の強度は磁路が短いほど大きいため、より短い磁路ａの方が磁場の強度は大きい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
磁場の強度をできるだけ均一にするためには、磁極２１３（図１０）の空間２１４（図１０）側の面を非常に精密に加工し、または磁極に別の部品を付加することが必要になり、加工コストが高額になるという問題があった。図１２は、磁極２１３の空間２１４側の面を加工した電磁石装置２２０の断面図を示す。磁極２１３の空間２１４側の面２２１は、傾斜している。一方、図１３は、磁極２１３に磁性体であるシム２３１を貼り付けた電磁石装置２３０の断面図を示す。
【０００５】
別の構造を有する電磁石装置も存在する。図１４は、従来の別の電磁石装置２４０を示す。図１４の（ａ）は電磁石装置２４０の断面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’よりも上部分の磁路および磁場を模式的に示す。電磁石２４０は、PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS  ACCELERATORS AND BEAMS, VOLUME 2  に記載された電磁石装置である。図１４の（ｂ）に示されるように、電磁石装置２４０によれば均一な大きさの磁場を得られるが、磁極２１３およびヨーク２１２の構造は複雑にならざるを得ない。そのため電磁石装置２４０製造時の加工が難しく、やはり設計コストおよび製造コストは高額である。
【０００６】
本発明の目的は、均一な大きさの磁場を発生させ、かつ加工コストを含む製造コストを低減する電磁石装置およびそのような電磁石装置を用いた荷電粒子加速装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁石装置は、対向する２つの磁極と、対向する２つのヨーク腕部、および、該２つのヨーク腕部の各々を接続する少なくとも１つのヨーク基部とからなり、磁路を形成するヨークと、少なくとも一方の磁極とヨーク腕部との間に設けられた非磁性層と、磁極を励磁するコイルとから構成される電磁石装置であって、非磁性層に面する磁極およびヨーク腕部の少なくとも一方の形状を加工して、非磁性層の厚さを調節し、非磁性層の厚さが磁路の磁気抵抗の大きさを均一にするようヨーク基部からの距離に応じて変化する、電磁石装置であり、これにより上記目的が達成される。
【０００９】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて直線的に減少してもよい。
【００１０】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の一方は、他方に対して傾斜してもよい。
【００１１】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて階段状に減少してもよい。
【００１２】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方は、階段状に形成されていてもよい。
【００１３】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて曲線的に減少してもよい。
【００１４】
非磁性層に接する磁極の面および非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方は、曲面であってもよい。
【００１５】
非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて増加してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
まず、本発明の電磁石装置を用いた荷電粒子加速装置を説明し、その後、電磁石装置を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の荷電粒子加速装置１００を示す。図１の（ａ）は、荷電粒子加速装置１００の上面図を、図１の（ｂ）は、（ａ）の長手方向に平行な平面による荷電粒子加速装置１００の断面図を示す。図１の（ａ）を参照して、荷電粒子加速装置１００は、電磁石装置１０と、入射装置１２と、高周波加速装置１４と、真空ダクト１６と、取出装置１８とを含む。電磁石装置１０は、荷電粒子を偏向するために設けられている。より具体的には、図１の（ｂ）を参照して、荷電粒子は磁場の中を通過するように構成されている。電磁石装置１０はコイル１に電流を流して磁場を発生させ、磁場内を通過した荷電粒子の進行方向を偏向させる。偏向は、ローレンツ力が荷電粒子に作用することに基づく。電磁石装置１０の構造は後に詳述する。
【００２３】
再び図１の（ａ）を参照して、入射装置１２は、荷電粒子を生成し荷電粒子加速装置１００に入射する。高周波加速装置１４は、高周波加速空洞を備えており、高周波加速空洞内の荷電粒子にエネルギーを与えて荷電粒子を加速する。真空ダクト１６は、荷電粒子を通過させる真空のダクトである。取出装置１８は、加速された荷電粒子を装置外に取り出すための、周知の静電デフレクタ、磁気チャネルおよび偏向電磁石等である。電磁石装置１０を除く他の構成、すなわち入射装置１２、高周波加速装置１４、真空ダクト１６および取出装置１８は、従来からの荷電粒子加速装置に用いられている周知の構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００２４】
荷電粒子加速装置１００では、図１の（ａ）において、入射装置１２が入射した荷電粒子は電磁石装置１０の発生する磁場により偏向される。例えば、高周波加速装置１４で加速された荷電粒子の進行方向は、電磁石装置１０により偏向されて１６に入る。そして、真空ダクト１６を進行してきた荷電粒子の進行方向は、次に電磁石装置１０により偏向され、再び高周波加速装置１４へ向けて運動する。このようにして荷電粒子は、電磁石装置１０、高周波加速装置１４および真空ダクト１６を回りつづける。高周波加速装置１４によりエネルギを与えられて加速した荷電粒子は、その軌道半径を次第に大きくしながら、取出装置１８との距離を縮め、最終的に取出装置１８により取り出される。
【００２５】
次に、荷電粒子を偏向するために用いられる電磁石装置１０を説明する。図２は、本発明の電磁石装置１０の断面図を示す。電磁石装置１０は、コイル１と、ヨーク基部２０およびヨーク腕部２１からなり磁路を形成するヨークと、非磁性層２２と、磁極２３とを有する。参照符号を付さないコイルおよび磁極が、磁場発生空間２５に関してコイル１および磁極２３と対称に配置されている。図示されるように、対向する１組の磁極の間には、磁場が発生する空間（磁場発生空間）２５が存在する。以下では、主として参照符号を付した方のコイル１および磁極２３を説明する。
【００２６】
電磁石装置１０の特徴は、磁極２３とヨーク腕部２１との間に磁気抵抗を調節するための非磁性層２２を設け、非磁性層２２に面する磁極２３およびヨーク腕部２１の少なくとも一方の形状を任意に加工して非磁性層２２の厚さを調節することにある。磁極２３の面２３−１の加工精度が磁場に与える影響は、磁場発生空間２５側の面２３−２の加工精度が磁場に与える影響よりも小さい。したがって、非磁性層２２に面する磁極２３およびヨーク腕部２１の形状を加工することにより、低い加工精度で均一な大きさの磁場を得ることができる。よって加工コストを低減できる。これは、磁極２３の下面２３−２（磁場発生空間２５側の面）を非常に精密に加工しなければ、均一な大きさの磁場を得られないのとは対称的である。
【００２７】
また電磁石装置１０のさらなる特徴は、磁路の磁気抵抗の大きさを均一にするよう、ヨーク基部２０からの距離に応じて非磁性層２２の厚さを変化させることである。非磁性層２２の厚さの変化とは、その厚さを減少すること、または増加させることである。この構造によれば、ヨーク腕部２１の位置にかかわらず、磁路の磁気的な抵抗（磁性抵抗）をほぼ等しくすることができる。したがって、磁路長の差に起因する磁場強度の分布がなくなり、磁場強度を均一にできる。
【００２８】
以下、電磁石装置１０の各構成要素を説明する。コイル１は、電流を流すことにより磁極２３を励磁する、すなわち起磁力を発生するために設けられている。コイル３に流れる電流を制御し、磁場発生空間２５内の磁場を制御することにより、磁場発生空間２５を通る荷電粒子の運動を制御できる。
【００２９】
ヨーク基部２０およびヨーク腕部２１からなるヨークは、磁場発生空間２５（図２）を荷電粒子が通過する際の平面（軌道平面）の磁場強度の調整、および、電磁石装置１０外への磁場漏洩の抑制のために設けられている。ヨークは、コイル１の一部を取り囲むように配置されている。また、ヨークは、磁場を増大させ、磁路を形成する機能も有する。上述のように、荷電粒子加速装置１００（図１）や蓄積リング等の高エネルギー物理装置に適用される電磁石装置１０は、高磁場が必要だからである。なお本明細書では、ヨークをヨーク基部２０およびヨーク腕部２１とに分けている。しかし、これは説明の便宜のためであるので、厳密にどのように分けるかは特に問題ではない。本明細書では一例として図２に示すように分けている。
【００３０】
ヨークの形状としては、図２に示す、いわゆるＣ型電磁石を構成するヨークだけでなく、他の形状であってもよい。図１５は、電磁石装置におけるヨークの形状の例を示す図である。図１５の（ａ）は、図２の電磁石装置１０であり、いわゆるＣ型電磁石装置と呼ばれる。図１５の（ｂ）は、Ｃ型電磁石装置の別の例である。図１５の（ｃ）および（ｄ）は、いわゆるＨ型電磁石装置の例である。ヨークを構成するヨーク基部２０およびヨーク腕部２１からなるヨークは、様々な形状を取りうることが理解される。なお、図１５によれば、コイル１も様々に設けることが可能であることが理解される。
【００３１】
再び図２を参照して、非磁性層２２は、磁性体ではない層、例えば空気である。空気以外の、加工が必要である非磁性材料であってもよい。非磁性層２２は、磁路の磁性抵抗を調整するために設けられている。非磁性層２２は、ヨーク腕部２１と磁極２３の間に設けられ、磁極２３の上面２３−１と、その面に対向するヨーク腕部２１の下面の形状に応じて加工され、その位置に挿入される。結果的に、非磁性層２２は磁極２３を支持するためにも機能する。上述のように、非磁性層２２の厚さは、適宜加工された磁極２３の上面２３−１とヨーク腕部２１の下面の形状に応じて規定される。例えば、非磁性層２２の厚さは、ヨーク基部２０に近いほど大きく、離れるほど小さくなるように設けられている。非磁性層２２の厚さは、図２の断面図においては直線的に変化するように形成されている。具体的には、非磁性層２２に接する磁極２３の上面２３−１は、ヨーク腕部２１の下面（非磁性層２２と接する面）に対して傾斜するように加工されている。非磁性層２２部分の磁性抵抗は、非磁性層２２の厚さが大きいほど大きくなるので、ヨークの比較的内側の方が、比較的外側よりも大きい。一方、ヨーク内の磁性抵抗はヨーク内の磁路が短いほど小さいので、比較的内側の方が、比較的外側よりも小さい。したがって、非磁性層２２部分の厚さを調整することで、ヨークの比較的内側であっても比較的外側であっても磁路全体ではほぼ同じ磁性抵抗を持たせることができる。
【００３２】
磁極２３は、非磁性層２２により支持されており、磁場発生空間２５に磁場を発生するために設けられている。例えば、磁場は図２の上側の磁極２３から下側の磁極へ向かう方向に発生する。１つの磁極１から出た磁束は磁場発生空間２５を通って下側の磁極に入り、ヨークを通って元の上側の磁極２３に戻る。
【００３３】
次に、以上のように構成された電磁石装置１０によれば、磁場強度がどの程度均一になるかを説明する。図３は、磁極２３の上面２３−１（図２）および下面２３−２（図２）をそれぞれ加工した場合の磁場の大きさの均一度を示すグラフである。グラフの横軸は、磁場発生空間２５（図２）の荷電粒子の軌道平面に対する磁極２３の面２３−１または２３−２（図２）の勾配を示している。図３を参照して、例えば、磁極２３の面２３−１および２３−２（図２）にそれぞれ１（ｍｒａｄ）の勾配を持たせた場合を考える。磁極２３の上面２３−１（図２）を加工したときの磁場均一度は約１．００７５である。一方、磁極２３の下面２３−２（図２）を加工したときの磁場均一度は約０．９７５である。したがって、磁極２３の上面２３−１（図２）を加工した方が、より均一な大きさの磁場を得ることができる。
【００３４】
引き続き図３を参照して、次は磁場均一度が１の状態を考える。磁場均一度を１にするためには、磁極２３の上面２３−１（図２）の磁極勾配は約２．２５ｍｒａｄであることが必要である。磁極２３の上面２３−１（図２）を加工する場合は、仮に厳密に約２．２５ｍｒａｄで加工できず多少勾配に誤差が生じても、磁場均一度には大きな影響は与えない。それはグラフの傾きが小さく（平坦に近く）、磁場均一度の変化量も小さいからである。一方、磁極２３の下面２３−２（図２）に関して、磁場均一度を１にするためには、磁極勾配は約０．５ｍｒａｄであることが必要である。この勾配は非常に微小であるから、加工するのは困難である。さらに磁極２３の下面２３−２（図２）を加工する場合には、加工時に誤差が生じると磁場均一度には大きな影響が生じる。それはグラフの傾きが大きく、磁場均一度の変化量が大きいからである。したがって、やはり磁極２３の上面２３−１（図２）を加工した方が、より均一な大きさの磁場を得られることが理解される。磁場均一度は磁極２３の上面２３−１（図２）の加工量に対してより鈍感であるといえる。その結果、磁極２３の上面２３−１（図２）を加工した本発明の電磁石装置１０（図２）によれば、均一な大きさの磁場を得ることができ、かつ非常に高い加工精度でなくともよいので加工コストを低減できる。
【００３５】
以下、図４〜図９を参照して、本発明の電磁石装置１０の別の構成を説明する。先の説明では、非磁性層２２（図２）に接する磁極２３の上面２３−１（図２）は、ヨーク腕部２１（図２）が非磁性層２２（図２）と接する面に対して傾斜するように加工されているとした。図４〜図９は、磁性抵抗および磁場強度をほぼ均一にできる磁極２３の上面２３−１（図２）の他の形状およびヨーク腕部２１（図２）が非磁性層２２（図２）と接する面の形状の例を示す。以下の説明は断面図についてであるが、立体的に見れば直線部分は平面として、曲線部分は曲面として捉えることができる。
【００３６】
図４は、磁極２３の上面４０が曲面である場合の電磁石装置の断面図を示す。非磁性層２２の厚さが直線的に減少する先の例に対し、曲線的に減少させてもよいことを表す。
【００３７】
図５は、磁極２３の上面５０が階段状に加工されている場合の電磁石装置の断面図を示す。この例は、非磁性層２２の厚さを連続的に減少させるのではなく、一定のステップごとに減少させてもよいことを表す。
【００３８】
続く図６〜図８は、ヨーク腕部２１が非磁性層２２と接する面（ヨーク腕部２１の下面）の形状を加工した例を説明する。磁極２３に代えてヨーク腕部２１の下面をヨーク基部２０からの距離に応じて減少させても、磁性抵抗および磁場強度をほぼ均一にできる。
【００３９】
図６は、ヨーク腕部２１の下面６０が直線的に加工されている場合の電磁石装置の断面図を示す。すなわち、これはヨーク腕部２１の下面６０を磁極２３の上面に対して傾斜させた例である。
【００４０】
図７は、ヨーク腕部２１の下面７０が曲面である場合の電磁石装置の断面図を示す。非磁性層２２の厚さが直線的に減少する先の例に対し、曲線的に減少させてもよいことを表す。
【００４１】
図８は、ヨーク腕部２１の下面８０が階段状に加工されている場合の電磁石装置の断面図を示す。この例は、非磁性層２２の厚さを連続的に減少させるのではなく、一定のステップごとに減少させてもよいことを表す。
【００４２】
上述の例は、いずれもＣ型電磁石装置（図１５の（ａ）または（ｂ））に対して適用可能である。一方、本発明は、Ｈ型電磁石装置（図１５の（ｃ）または（ｄ））に対しても適用可能である。図１６を参照して、その例を説明する。図１６は、Ｈ型電磁石装置１６０の断面図を示す。図示されるように、磁極２３の上面２３−１は、両側のヨーク基部２０から離れるほど、すなわち中央にいくほどヨーク腕部２１の下面に近くなるように傾斜がつけられている。
【００４３】
以上説明したように、磁極２３の上面およびヨーク腕部２１の下面に様々な加工を施して非磁性層２２の厚さを変化させることにより、磁性抵抗および磁場強度をほぼ均一にできる。なお、磁極２３の上面については図２、図４および図５のいずれかに示す磁極２３の構造を、ヨーク腕部２１の下面については図６〜図８に示すヨーク腕部２１の構造を組み合わせて採用してもよい。
【００４４】
次に図９は、磁極２３の位置を調整するための位置調整部９０を設けた電磁石装置を示す。位置調整部９０は、磁極２３とヨーク腕部２１との間に設けられ、ヨーク腕部２１に対する磁極の位置を変化させることができる。これにより、位置調整部９０は、磁路の磁気抵抗の大きさを均一にするよう磁極の位置を調整し、ヨーク基部からの距離に応じてヨーク腕部と磁極との距離を減少させる、または増加させることができる。位置調整部９０は、例えば油圧ジャッキである。これにより、電磁石装置が完成した後に磁場の均一性を得ることができない場合でも、磁極２３の位置を調整して磁場均一度を向上できる。このとき磁場分布を計測すれば、微調整をしながら、磁場の大きさが均一になる磁極２３の位置を特定できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の電磁石装置よれば、非磁性層２２に面する磁極２３およびヨーク腕部２１の少なくとも一方の形状を任意に加工して非磁性層２２の厚さを調節するので、低い加工精度で均一な大きさの磁場を得ることができる。よって加工コストを低減できる。例えば、非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて変化する。より具体的には、非磁性層の厚さは、磁路の磁気抵抗の大きさを均一にするようヨーク基部からの距離に応じて減少し、または増加する。磁路の磁性抵抗をほぼ等しくすることができるので、磁場強度を均一にできる。
【００４６】
例えば、非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて直線的に減少する。すなわち非磁性層に接する磁極の面、および、非磁性層に接するヨーク腕部の面の一方は、他方に対して傾斜している。また、非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて階段状に減少する。より具体的には、非磁性層に接する磁極の面、および、非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方は、階段状に形成されている。また、非磁性層の厚さは、ヨーク基部からの距離に応じて曲線的に減少する。より具体的には、非磁性層に接する磁極の面、および、非磁性層に接するヨーク腕部の面の少なくとも一方が、曲面になるように形成されている。これらのように磁極またはヨーク腕部を加工することは、加工量に対して磁場強度の変動が小さくなるため、比較的低い精度の加工で精度の良い均一な大きさの磁場を得ることができる。これにより加工コストを低減できる。これらの構成によれば、いうまでもなく磁場強度も均一にできる。
【００４７】
本発明の電磁石装置によれば、ヨーク基部からの距離に応じてヨーク腕部と磁極との距離を変化させるよう磁極の位置を調整する位置調整部を含むので、電磁石装置が完成した後に磁場の大きさが均一でない場合でも、磁極の位置を調整して磁場均一度を向上できる。このとき磁場分布を計測すれば、微調整をしながら、磁場の大きさが均一になる磁極の位置を特定できる。
【００４８】
本発明の荷電粒子加速装置は、ヨーク基部からの距離に応じてヨーク腕部と磁極との距離が変化する電磁石装置を用いるので、電磁石装置が発生する磁場、より具体的には荷電粒子が運動する平面（軌道平面）内の磁場の大きさは均一である。これにより、荷電粒子の運動を正確に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の荷電粒子加速装置を示す図である。
【図２】  本発明の電磁石装置の断面図である。
【図３】  磁極２３の上面および下面をそれぞれ加工した場合の磁場の大きさの均一度を示すグラフである。
【図４】  磁極の上面が曲面である場合の電磁石装置の断面図である。
【図５】  磁極２３の上面５０が階段状に加工されている場合の電磁石装置の断面図である。
【図６】  ヨーク腕部の下面が直線的に加工されている場合の電磁石装置の断面図である。
【図７】  ヨーク腕部の下面が曲面である場合の電磁石装置の断面図である。
【図８】  ヨーク腕部の下面が階段状に加工されている場合の電磁石装置の断面図である。
【図９】  磁極の位置を調整するための位置調整部を設けた電磁石装置を示す図である。
【図１０】  従来の電磁石装置の断面図である。
【図１１】  軌道平面上の磁場分布を示す図である。
【図１２】  磁極の空間側の面を加工した電磁石装置の断面図である。
【図１３】  磁極に磁性体であるシムを貼り付けた電磁石装置の断面図である。
【図１４】  従来の別の電磁石装置を示す図である。
【図１５】  電磁石装置におけるヨークの形状の例を示す図である。
【図１６】  Ｈ型電磁石装置の断面図を示す。
【符号の説明】
１  コイル、  １０  電磁石装置、  ２０  ヨーク基部、  ２１  ヨーク腕部、  ２２  非磁性層、  ２３  磁極、  ２５  磁場発生空間
【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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