ファインメットコア片面の間接冷却構造を有する無同調キャビティ
北條悟、三須敏幸、岩田佳之、杉浦彰則、金澤光隆、宮原信幸、村上健、山田聰
放射線医学総合研究所 先進小型加速器事業推進室〒263-8555 千葉市稲毛区穴川４−９−１ある。使用限界磁束密度が高く、キューリー点も500℃ 程 度 と 高 い 。 し か し 、 必ずしも技術的・特性的に安定したコア製作が確立されている状況で放射線医学総合研究所で現在検討中のFFAG加速はない。日立金属では、大型丸型コア（φ８０ｃ器では、繰り返しが早いため高加速勾配を有し、ｍ ） ２５枚では周波数に対するインピーダンス特かつ広い加速周波数帯域の空胴が必要となる。そのため、加速空胴として、コンパクト化のできる、 性 が 測 定 さ れ て お り 、 ± １ ５ ％ 程 度 の ば ら つ き（個体差）があることがわかっている。コアの巻Ｑ値が低く高透磁率を有するファインメットコア
き方、巻き強度、コアの形状等によっても特性にを装荷した無同調キャビティを予定している。空変化があることが予想される。
胴のインピーダンス特性を低下させずに、コア片面からの間接冷却を行うためのテストを行ったの２．ファインメットコアの特性で、その報告を行う。
今 回 設 計 し た 、 FFAG加 速 器 で は 約1m×2mの大きさが必要となる。また、形状が丸型ではなくス１．はじめにトレート部のあるレーストラック型となる。
今 回 設 計 し た FFAG 加 速 器 で は 、 0.2MHz か ら
丸型コアの場合、インダクタンスを考慮すると2.3MHz と い っ た 広 帯 域 で 、 200Hzの繰り返しで、µτr
L0 = 0 log 24kVの加速電圧を必要とする [1]。そのため、約50cm
2πr1の限られたストレートセクションで、大電力を投で表されるがレーストラック型のような形状では、入する必要があり、空胴の磁性体として使用限界
磁束密度が高いファインメットコアを用いた加速コア断面積をＳ、磁路長をｌとすると、空胴を用いる必要がある。（図１）µS
L0 = 0ファインメットコアを用いた加速空胴では、同l軸上にコアが置かれており、そのコアによるインのような近似を用いる事になる。
ダクタンスと加速ギャップのキャパシタンスの並
そのため、大きさ及びコアの形状によるファイ列等価回路により、共振周波数が決まる。また、ンメットコアの特性の変化を測定し、検討を行っ加速空胴のシャント抵抗を増加させることで、よた。
り高い加速電圧を得ることができる。

概要

2.1 コア特性のサイズ依存性

加速Gap

Beam

コアサイズが違う場合に、特性に変化が生じる
可 能 性 が あ る 。 そこで、外形φ６５ｃｍ（1999製作 ） 、 φ ２ ３ ｃ ｍ （ 2002製作）大小２種類の丸型コアをそれぞれ８枚及び１０枚用意し、ＦＦＡＧで 使 用 す る と 思 わ れ る 0.3-3.0MHzで各コアのインピーダンス（Ｒ Ｓ、Ｘ Ｓ）を測定した。一方、それら測定値及びコア形状から複素透磁率（シャント抵抗Ｚ ０）を以下の式により算出し比較した。

Z = jωµs L0 = jωL0 (µ's − jµ"s ) = jωµ 's L0 + µ"s ωL0≡ jωLs + Rs ≡ Rs + jX s
図１：ファインメットコア加速空胴フ ァ イ ン メ ッ ト コ ア を 4枚用いた加速空胴
コ ア 1枚のシャントインピーダンスを100Ωとすると、空洞のシャントインピーダンスは400Ωとなる。
ファインメットコアは日立金属製であり、近年加速器の分野で活用され始めた高透磁率磁性体で()(Z 0 = Rs 1 + Q 2 = µs " ωL 0 1 + Q 2())∝ µs " f 1 + Q 2 = µp " f = µp ' Qf
測定の結果、コアサイズの違う丸型コアに関し て は 、 図 ２ （ 周 波 数 vs シャント抵抗に比例する 量 µ’pQf）のようになった。同じコアでの個体差

u'pQf (x10^6)は最大±１５％程度（図２のエラーバー）である。 を考慮しても、丸型コアよりもシャント抵抗は高又、測定誤差は±５％程度である。この結果から、 くなると考えられる。
サイズの違いによる差は、コアのばらつきに比べ従って、コアのサイズ依存性は少なく、レースて小さく、コアのインピーダンス特性はサイズにトラック型のコアにした場合ではコアの特性は、あまり依存しないことがわかる。
高くなる傾向があることが分かった。

３．冷却方法と特性の変化

7000
6000
5000
4000

①3000
2000
1000
0②012345678910

周波数 ｆ（ＭＨｚ）

図２：コアの大きさによる特性の比較① 外 径 Φ 650mm(1999 製 )②外径Φ230mm(2002製)2.2

コアインピーダンスの形状依存性

ファインメットコアの周波数に対する特性は、丸型以外の形状では磁歪などの影響で特性が変わることも考えられる。
そ こ で 、 レーストラック型コア（概念設計の１／３サイズ）を用意し、コアの複素インピーダンスを測定することで、測定値及びコア形状から、コアの複素透磁率（又はシャント抵抗に比例する量µ’pQf）を算出し比較した。
その結果、レーストラック型コアのシャント抵
抗はＭＨｚ領域で丸型コアに比べて２０％程度高くなる（図３参照）。

8000

ﾌｧｲﾝﾒｯﾄ

7000

u'pQf (x10^6)

ファインメットコアを用いた加速空胴に投入された高周波電力のほとんどが、コアでの発熱となる た め 、コアの冷却が必要不可欠となる。冷却方法としては、直接冷却水の中にファインメットコアを入れる直接冷却と、冷却銅板の間にファインメットコアを挟み込む、間接冷却が用いられている 。 しかし、直接冷却方式では、空胴の内部を水で満たした状態になるため、冷却水の誘電率により空胴自身の特性を下げる結果となってしまう為、今回の検討では、間接冷却を用いることとした。
間接冷却を行う場合、コアの構造を考慮しなければならない。ファインメットコアは、高周波損失を下げ特性を出すために、特有のリボン状のもの を 巻 い た 構造をしており、各リボン層間をＳｉ
Ｏ ２に よ り 絶 縁 を と る こ と に よ っ て 、 高 い 高 周 波特性を得ている。（図４参照）
そ の た め 、銅板とコアを接触させる際に、リボン層間の絶縁を確保する必要がある。両側を挟み込んだ銅板とファインメットコアのリボンを通した 形 で 、 コ ア 内 部 の 磁 束 に 対 し て の 短 絡 LOOPができてしまい、コアの特性が得られない為であると考えられる。両側から銅板でコアを挟み込み絶縁 層 と し て 、 PPP(ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ ε＝2.8)、を挟み込
み、厚みを変化したときのコアのインピーダンスを測定した結果を示す。（図５実数部Rs、図６虚数部Xs）

ＳｉＯ２6000
5000
4000
3000

①2000

②10000012345678910

周波数 ｆ（ＭＨｚ）

図３：コアの形状による特性の比較①レーストラック型②丸型
伴に平均磁路長が等しい
レーストラック型のコアは、サンプル数が今回作製した二枚と少ない為、丸型コアと同等の個体差があったとして、エラーバーを表したが、それ

図４：ファインメットコア断面形状
フ ァ イ ン メ ッ ト と SiO2 の 積 層 になっており、表面は凸凹している。ファインメット自身が導体であるため、両側に導体があると短絡Loopが出来てしまう。

140120①Ｒs［Ω］

100②80③60④4020

高周波特性を保つための開放面を片面ずつで役割を分ければ、インピーダンスが保たれるのではないかと考えた。
直接両側から銅板でコアを挟み込んだ状態でコ
ア単体のインピーダンス測定を行ったが、短絡状態に等しかった。次に、片側のみを銅板と接触させ測定を行うと、銅板が無い状態との変化がほとんど見られなかった。（図７：銅板の接触によるインピーダンスの変化）
したがって、片側だけであれば、ファインメッ
トコアと銅板を直接接触させることができることが分かった。

246ｆ［MHｚ］810

図５：銅板コア間PPP厚みによる実部変移① 銅板無しコア単体② ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ1mm③ ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ2mm④ ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ4mm

（Ω）

0140

インピーダンス

0100①120②80③60④4020⑥0012345678

周波数 （ＭＨｚ）

80.0

図７：銅板の接触状態によるｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ変化

Ｘs［Ω］

60.040.0①20.0②③0.0-20.0 0246810④-40.0①②③④⑤⑥

銅板無しコア単体実数部
銅板無しコア単体虚数部
片側銅板コア単体実数部
片側銅板コア単体虚数部
両側銅板コア単体実数部
両側銅板コア単体実数部

RXRXR
X-60.0-80.0４．まとめ
ｆ［MHｚ］

図６：銅板コア間PPP厚みによる虚部変移① 銅板無しコア単体② ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ1mm③ ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ2mm④ ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ4mm

レーストラック型のコアの特性は、丸型と比較して、高くなる傾向があることがわかった。また、片面のみを直接銅板に接触させても、特性の変化は非常に少なく、熱コンタクトを良くすることが出来ることがわかった。このため、十分な電力密度に耐えうる、冷却方法となりえる。今後、冷却銅板の構造製作方法等の検討、ファインメットコ
アとの接合及び冷却テスト等を引き続き行っていく予定である。

この結果より、銅板とコア間の絶縁層は、誘電 参 考 文 献
率 ε ＝ 2.8の 物 質 で 4mmあっても、インピーダンス[1]三須敏幸他、「がん治療用小型FFAG加速器の開の虚数部に低下が生じており、さらに熱伝導率が発 研 究
Ｉ 」 、 Proceedings of the Linear
低いため熱コンタクトが悪く、冷却効率が低下す
Accelerator
Meetingin Japan, 2003
る。そのため、インピーダンス及び冷却効率を低下させずに、冷却を行う方法を考慮した。
その方法として、両側から挟み込むのではなく、片側だけを銅板と接触させ、反対側を開放した状
態 、 つ まり、銅板と直接接触して冷却を行う面と、