高インピーダンス金属磁性体コアの研究
Study of high impedance Magnetic Alloy core

野村昌弘、山本昌亘、島田太平、田村文彦,
大森千広、戸田信、長谷川豪志、原圭吾、吉井正人、
シュナーゼ アレクサンダー (GSI)
JAEA, KEK J-PARC センター RingRF Gr.

Introduction(1/14)

・J-PARC では金属磁性体コア(FINEMET® core)を用いたRF空胴を採用。
・MR用高シャントインピーダンスコアの開発。
高い加速電圧を発生させ、High Powerのビームを供給。
・高シャントインピーダンスコアの開発を磁気特性から考察。

空胴あたりの最大加速電圧:45kV
加速周波数:
RCS 0.94 - 1.67 MHz (h = 2)
MR 1.67 - 1.72 MHz (h = 9)®

FINEMET core: 製造過程

(2/14)
日立金属カタログより

RCS:
内径:375 mm
外径:850 mm
厚さ:35 mm
MR:
内径:245 mm
外径:800 mm
厚さ:35 (25) mm

®

FINEMET core: 特長(3/14)・飽和磁束密度が高い ~ 1.2 [T]
高い加速電圧を発生させることができる。
・Q値が低い ~ 0.6加速周波数変化に追随させる為のチューニングループが不要。
-6・磁歪定数が小さい ~10 以下含浸による磁気特性の劣化が少ない。
・コア巻き製造
大型コアの製造が可能。

シャントインピーダンスRp と複素比透磁率μ(4/14)

μ's :比透磁率 μ''s :抵抗成分
μ0 :真空の透磁率 f:周波数t:厚さ、a,b:コア内外径 (形状因子)
P f :占積率(Packing factor)
Rp [Ω]
500

Rp [Ω]
500μ''s = 4000

Q=1400μ's = 2000

400
Q>1300

300

200

200

10002000μ's

4000

6000

10002000

Q<1μ''s

4000

Rp を高めるにはμ's を高める。

Q < 1: μ''s を高める。
Q > 1: μ''s を下げる。

Q ~ 0.6

6000

Rp を高めるには:

1. 占積率を高める方法。

2. リボン板厚を薄くする方法。

3. 磁化過程を磁化回転で行う方法。

(5/14)

Rp を高めるには: 1. 占積率 (1)(6/14)

Pf :占積率(Packing factor)

占積率Pf を高めることによりRp を高められる。

RCS用コアの開発段階でコアのテンションを変えてコアの製作を行った。

コア巻きテンションを強くして占積率Pf 高めた場合。

MA coreRp を高めるには: 1. 占積率 (2)Shunt Impedance Rp

Complex relative permeability μRp [Ω]300Complex relative permeability

5Black:Low tension
Red :High tension

250
20015010050(7/14)

Pf = 73%
Pf = 80%00.01RCS, MR
加速周波数領域

0.1
1Frequency [MHz]510μ'sBlack:Low tension
Red :High tension

410μ''s
3100.010.1
1Frequency [MHz]5・占積率は約7%程度高くなったが、逆にRp は低下した。
・コアの磁気特性が劣化。μ''s が影響。
・原因はテンションを強くしたことによる残留応力によるものと考えられる。

Rp を高めるには: 2. リボン板厚 (1)(8/14)

リボン板厚を薄くすることにより、渦電流の影響を小さくする。
18μm

13μm

Complex relative permeability μ (計算値)

Complex relative permeability

リボン板厚を薄くすることにより、
510μ'sBlack:18 μm
Blue :13 μm

低周波数側:μ''s が低減し、Rp は高くなる。

410μ''s

高周波数側:
透磁率が高周波側まで伸びRp は高くなる。

3100.010.1
1Frequency [MHz]5Rp を高めるには: 2. リボン板厚 (2)μ'p QfComplex relative permeability μμ'p Qf [GHz]145Complex relative permeability

12Black:18 μm
Blue :13 μm

10864200.01(9/14)

RCS, MR
加速周波数領域

0.1
1Frequency [MHz]510μ'sBlack:18 μm
Blue :13 μm

410μ''s
3100.010.1
1Frequency [MHz]5μ'p Qf は形状の違いを除いた、シャントインピーダンスRp に比例する物理量。
μ'p Qf は高くなった。 透磁率は高周波側に延びている。
低周波数領域の挙動については現在検討中。残留応力の影響の可能性も考えられる。

Rp を高めるには: 3. 磁化過程 (1)(10/14)磁化過程には磁壁移動によるものと磁化回転によるものがある。

外部磁場無し磁壁外部磁場

外部磁場

磁壁移動

外部磁場

磁化回転

高周波領域では、磁壁移動による磁化は磁界の変化に追従できず透磁率は低下。
磁化過程を磁化回転にすることにより、透磁率は高周波側に延びる。
磁化回転では μ''s が小さい。

Rp を高めるには: 3. 磁化過程 (2)(11/14)

熱処理中に磁場をリボン幅方向に印加し、結晶の磁化容易軸をリボン幅方向に。
熱処理中
外部磁場

FT3L:
磁場無し

運転中磁場

磁化回転

FT3H:リボン長手方向に磁場
FT3M:磁場処理無し

Rp を高めるには: 3. 磁化過程 (3)μ'p QfComplex relative permeability μμ'p Qf [GHz]20Black :FT3M 18 μm
Blue :FT3M 13 μm
15 Green :FT3L 13 μm

Complex relative permeability

510500.01(12/14)

RCS, MR
加速周波数領域

0.1
1Frequency [MHz]510μ'sBlue :FT3M 13 μm
Green :FT3L 13 μm

410μ''s
3100.01

0.1
1Frequency [MHz]5高い μ'p Qf を達成。低周波側では μ''s 低いことが、高周波側では μ's が高い事が主な要因。
FT3Lの比透磁率μ's は低周波側では低く、高周波側まで延びている。
磁化回転の特徴である低い μ''s を示している。

Summary (1)高いシャントインピーダンスRp を達成するための以下の方法について、コアの磁気特性(複素透磁率)の観点から考察した。
1. コア巻きテンションを強くし占積率を高める方法
・ R p が低下、原因はコアの磁気特性の劣化。
2. リボン板厚を薄くする方法
・透磁率が高周波側に延びることにより、μ'p Qf は高くなった。
・低周波数領域の挙動については要検討。

3. 磁化過程を主に磁化回転にする方法
・高い μ'p Qf を達成。
・低周波側では μ''s 低く、透磁率が高周波側に延びた事が主な要因。

(13/14)

Summary (2)残留応力の磁気特性に与える影響は大きい。
・薄いリボン板厚の低い周波数領域での挙動。
・コアの形状でのRp の違い。
・今後も検討が必要。

高いシャントインピーダンスRp 。
・運転周波数領域で高い透磁率 (μ's , μ''s ) を得る。

シャントインピーダンスRp の挙動を磁気特性から考察を行った。
現象をより理解する事ができ、コア開発にも有効である事が分かった。

(14/14)