JPH03122999A - 偏向電磁石およびそれを用いた円形加速器の荷電粒子加速方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、荷電粒子を偏向させるための偏向電磁石、お
よび、これを使用した円形加速器における荷電粒子加速
方法に関する。

［従来の技術］ 従来の円形加速器の例を第７図に示す、荷電粒子は、入
射器１より入射し、偏向電磁石２、四極収束ｆ１！磁石
３及び四極非収束電磁石４の作用により、加速器内を安
定に周回する。荷電粒子の加速は、高周波加速空胴５に
より荷電粒子にエネルギーを与え、かつ、偏向電磁石２
および四極電磁石３．４の磁場強度を連携させ増加させ
ていくことにより行なわれる。加速後は、荷電粒子を偏
向させる時に発生するシンクロトロン放射光を物理実験
に使用したり、あるいは、荷電粒子を加速器から取り出
し物理実験等に使用するのが従来一般であった。

而して、近年、上記のシンクロトロン・放射光や加速後
の荷電粒子を工業用や医療用に使用するため１円形加速
器を小型化する必要が生じており、そのため、偏向電磁
石を小型化する必要性が生じてきた。荷電粒子の運動量
Ｐ　（ｋｇ＋ｏ）は偏向電磁石の磁場をＢ　（Ｔ）　、
曲率半径をρ（ｍ）とし、粒子の電気量をｑ　（Ｃ）と
すると、 Ｐ＝ｑＩ３ρ　　　　　　・・・（１）と表わせる。従
って、荷電粒子の加速後の運動量Ｐを同一とする条件下
でρを小さくして偏向電磁石を小型化するためには磁場
強度Ｂを高くする必要があり、そのため、コイルに超電
導線を用いた偏向ｍ磁石が用いられるようになってきた
。

超電導コイルを用いた偏向電磁石の従来例の断面を第８
図に示す、この偏向電磁石は曲率半径ρが１．０ｍ、偏
向角が９０′であり、電子を５０ＨｅＶから１０００Ｈ
ｅＶまで加速し蓄積する電子円形加速器に使用される。

超電導コイル６をヘリウム容器７に収納し、液体ヘリウ
ム８により冷却した状態で電流を流し、電子が走る真空
ダクト９を横切る−様な垂直方向磁界を鉄心１２のギャ
ップ１１中に発生させる。超電導コイル６は全て２５０
ターンずつ巻かれており、超電導コイルの自己インダク
タンスは１．ＯＨである。

この偏向電磁石を用いた円形加速器において。

エネルギーが５０ＨｅＶの電子を入射した場合には、超
電導コイル６には１２０Ａの電流を流し、真空ダクト９
を横切る０、１７Ｔの磁場を発生させる。１！子を加速
して行く過程では、超電導コイルに流す電流値を増やし
、偏向磁場強度Ｂを増加させていくため、超電導コイル
の両端に数１００Ｖ程度の電圧を印加する。ｆ！！子を
１０００ＨｅＶまで加速し。

周回させるには、偏向磁場Ｂを３．３Ｔとする必要があ
り、超電導コイル６に流す電流を電子のエネルギーが５
０ＨｅＶの時の１２ＯＡから２４０ＯＡに徐々に増加さ
せる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、円形加速器内を周回する荷電粒子は。

周回方向に垂直な方向にベータトロン振動し、かつ１周
囲の同種の荷電粒子から反発力（クーロン力）を受ける
。荷電粒子が低エネルギーである程ベータトロン振動の
減衰時間は長く、荷電粒子の損失確率が増加する。また
、クーロン力に起因する荷電粒子の寿命は、およそエネ
ルギーが１００ＨｅＶ程度のとき最小値（およそ１０秒
）となり、エネルギーを１００ＭａＶ以上に増加させて
いくと寿命は大幅に増加する。

従って、円形加速器で荷電粒子を失うことなく加速する
ためには、高エネルギーまでできるだけ短時間で加速す
る必要がある。

しかし、超電導コイルを使用した従来の偏向電磁石では
、強磁場を発生させるために超電導コイルの巻数が多く
なり、その結果、自己インダクタンスが大きくなるため
、短時間でコイル電流を増加させるためには、該コイル
のための電源電圧を高くする必要がある０例えば、第８
図の従来の偏向電磁石を用いて電子を５０ＨｅＶから２
００ＭａＶまで０．２秒で加速し、その後、１００１０
０Ｏまでおよそ１０秒で加速する場合、電流を１２ＯＡ
から４８　ＯＡ　ニ０．２秒間で増加させ、さらニ４８
０　Ａから２４０ＯＡに９．８秒で増加させる必要があ
り、電源電圧は１．８ｋＶ、　［源容量は９００ｋＶＡ
必要となる、このように従来の超電導偏向電磁石では、
加速時の電流（荷電粒子電流）の損失を防ぐための短時
間の加速を行う場合、大きな電源容量を必要とし、ひい
ては、電源に給電するために送電線より受電する設備の
受電容量を予め大きく確保しておく必要があり、実際上
、前記の電流（荷電粒子電流）の損失を抑える加速を行
うことが困難であった。

本発明の目的は、上記従来の欠点をなくシ、大きな受電
容量や電源容量を必要とせず、短時間で荷電粒子を損失
なく加速することが可能な小型偏向電磁石及びこれを用
いた円形加速器の荷電粒子加速方法を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明による、偏向電磁石は特許請求の範囲の請求項１
，２又は３記載の構成を有し、この偏向電磁石を用いた
円形加速器における本発明による荷電粒子の加速方法は
請求項４，５又は６記載の構成を有する。

［作　　　用コ 本発明の偏向電磁石は、第１種のコイルに流れる電流に
よる磁場と、第２種のコイルに流れる電流による磁場と
の重畳で偏向磁場を発生させることができる。

この偏向電磁石を用いた円形加速器における荷電粒子の
加速方法として、本発明では荷電粒子の加速に必要な偏
向磁場の増加を主に自己インダクタンスの小さな第２種
の偏向コイルにより行ない、目標到達エネルギーに近い
エネルギーで必要となる高い偏向磁場強度は主に第１種
の偏向コイルにより発生させる。

自己インダクタンスの小さな第２種のコイルを用いるこ
とにより、相対的に低エネルギー時に必要となる短時間
の加速を大きな電源容量を用いずに実現できる。また、
強磁場発生が可能な第１種のコイルを用いることにより
、高エネルギーまで粒子を加速し周回させることが可能
であり９円形加速器の小型化を損なうことなく１．また
１粒子ビーム電流を損失することなく、目標エネルギー
まで荷電粒子を加速できる。

本発明による荷電粒子加速方法についてより具体的に説
明する。

即ち、荷電粒子の加速前後のエネルギーの差で表わす加
速エネルギー幅が小さい場合には、加速に必要な磁場上
昇を自己インダクタンスの小さな第２種の偏向コイルに
よる磁場を急激に増加させることにより行う、この場合
、加速を開始する際の荷電粒子エネルギーが高く、必要
な偏向磁場強度が高い場合には、高エネルギーを保持す
るために強磁場発生が可能な第１種の偏向コイルを励磁
して発生させる磁場と、加速用の前記の自己インダクタ
ンスが小さな第２種のコイルからの磁場を重畳して偏向
磁場を得るようにする。この場合の加速開始後の時間と
偏向磁場強度の関係を第３図に示す、あるいは、第４図
に示すように、強磁場発生が可能な第１種のコイルによ
る磁場強度を加速後の最終エネルギーに必要な強度にあ
らかじめ設定しておき、自己インダクタンスの小さな第
２種の偏向コイルによる偏向磁場を上記第１種の偏向コ
イルによる磁場の方向と反対になるように設定して、加
速開始と共に自己インダクタンスの小さな第２種の偏向
コイルによる′ＩＪｉ場強度裂強度に減少させる方法も
可能である。

また、加速エネルギー幅が大きい場合については、第５
図に示すように、エネルギーが相対的に低い加速初期に
は、主に、自己インダクタンスが小さい第２種の偏向コ
イルの電流を急峻に増加させて磁場を上昇させる。その
後、エネルギーが高くなった後の加速については、主に
、強磁場発生が可能な第１種のコイルを用い、相対的に
小さな速度で偏向磁場を増加させる。この場合について
も、第６図に示すように、まず、強磁場発生が可能な第
１種のコイルを励磁しておくと共に、自己インダクタン
スの小さな第２種の偏向コイルにより第１種のコイルに
よる初期磁場と反対方向の磁場を励磁し、自己インダク
タンスの小さな第２′Ｎ１の偏向コイルによる磁場を急
峻に減少させることにより加速することもできる。

なお、第３図〜第６図では強磁場発生用の第１種のコイ
ルを加速当初から励磁する方法を示しているが、第１種
のコイルの励磁を加速途中から開始するようにしても荷
電粒子を短時間で加速することが可能である。

［実　施　例］ 以下１本発明の実施例を詳細に説明する。

尖廠Ｍ上 第２図は、本発明に係る円形電子加速器の例を示し、入
射器１よりエネルギーが５０にｅＶの電子を入射し１０
０１００Ｏまで加速する。３と４は、夫々、四極収束電
磁石と四極非収束電磁石である。

５は高周波加速空胴であり、電子にエネルギーを与える
。２は本発明による偏向電磁石であって、その曲率半径
すなわち電子の軌道半径は１ｍであり、電子の軌道を９
０″偏向するものくすなわち偏向角が９０’）である。

第２図の位置Ａ−Ａにおける偏向電磁石２の断面図を第
１図に示す、６は強磁場発生用の超電導コイルであって
１巻数は２４０ターンであり、自己インダクタンスは０
．９Ｈとなっている。超電導コイル６はヘリウム容器７
に収納され、ヘリウム容器７の中には超電導コイル６を
極低温に保つための液体ヘリウムを充填しておく。他方
、９は常電導コイルであって、巻数は全部で２０ターン
。

自己インダクタンスは１０ｍ１（、コイルの抵抗は５ｍ
Ωである。常電導コイル９を励磁するときには、該ｇ電
導コイルで発生する熱を除去するためコイル導体の中心
部に水を流し冷却する。１０は中を電子が走る真空ダク
トであり、鉄心１２のギャップ１１の中央部に設置する
。これらの超電導コイル６と常電導コイル９及び真空ダ
クト１０等は鉄心１２で囲まれている。鉄心１２は、加
速時に偏向磁場の強度を増加させる際に渦電流が流れる
ことを最小限に抑えるために、硅素鋼板を積層したもの
を使用する。

次に、第１図に示した偏向電磁石２を有する第２図の円
形加速器での粒子加速方法について説明する。入射器１
よりエネルギーが５０ＭｅＶの電子を入射した段階では
、第１図の常導電コイル９には、第１図の真空ダクト１
０の部分に垂直方向の上から下へと０．１７Ｔの磁場を
発生させるよう１７０Ａの電流を流しておく、加速する
際には。

第９図のように、常電導コイル９の両端に４０Ｖの電圧
を印加すると、常電導コイル９の電流はＱ、２秒で直線
的に６８ＯＡまで増加し、第１図の真空ダクト１０の部
分での偏向磁場は０．７Ｔまで直線的に上昇する。この
過程で、高周波加速空胴５から高周波を継続して印加し
ておくことにより、０．２秒間に電子のエネルギーは５
０ＭｅＶから２００ＭａＶに上昇する。第１図の真空ダ
クト１０の部分での偏向磁場が０．７Ｔ以上になった後
は、常電導コイル９に流す電流を一定に保ちながら。

強磁場発生用の超電導コイル６の両端に１５０ｖの電圧
をかける。これにより、超電導コイル６の電流は１５０
Ａ／秒の割合で増加し、その結果、偏向磁場も第９図の
ように直線的に増加し３．３Ｔに達する。この偏向磁場
の増加により、電子を１００１００Ｏまでおよそ１０秒
で加速できる。

このように、電子を２００ＭａＶまで０．２秒で加速し
、その後、１００１００Ｏまでおよそ１０秒で加速する
場合に２００ＭａＶ以下での加速を速くしたことにより
、５０ＭａＶから１０００ＭｅＶまでおよそ１２秒で一
定の加速速さで加速した場合に比べて、荷電粒子電流の
損失を減らすことができ、加速・蓄積する粒子電流を２
倍以上にすることができる。

また、第９図に示す１本発明に基づく短時間の加速では
、偏向電磁石１台あたりの電源容量が、常電導コイルに
ついて３０ｋＶＡ、超電導コイルについて２３０ｋＶＡ
必要であるが、これは自己インダクタンスの大きな従来
の強磁場発生用の超電導コイルのみを用いる場合のおよ
そ１／４に低減されている。

ス］１阿」ユ 円形加速器及び偏向電磁石は、それぞれ第２図、第１図
と同一のものを使用し、第１図の常電導コイルによる磁
場を減少させることによって偏向磁場を増加させ、′Ｒ
子を加速する実施例について説明する。

本実施例２において超電導コイル６と常電導コイル９に
印加する電圧、電流、及び、第１図の真空ダクト１ｏの
位置での磁場強度を第１０図に示す、超電導コイル６に
は、加速初期から３８ＯＡの電流を流し、２００ＭｏＶ
の電子を周回させるのに必要な磁場０．７Ｔを発生させ
ておく、一方、常電導コイル９には、加速開始時に超電
導コイル６による磁場を打ち消す方向の磁場を発生させ
る電流を５０ＯＡ流し、真空ダクト１ｏの位置での磁場
（常電導コイルによる磁場と超電導コイルによる磁場と
の重畳磁場）が下向きに０．１７Ｔ　（電子のエネルギ
ー５０ＭａＶに対応）となるようにしておく、この状況
で５０ＭｅＶのエネルギーの電子を入射し、常電導コイ
ル９の電流の絶対値を減らすと共に超電導コイル６に一
定の電流が流れるように調整すると、常電導コイルによ
る磁場の減少に伴って偏向磁場は増大し、電子はおよそ
０．２秒で２００ＭａＶに加速される。この後、超電導
コイルの電流を増加させて行き、電子を１００１００Ｏ
まで加速する。　本実施例２の加速で必要な電源容量は
実施例１と同一である。

去ＪＪＬジ 本実施例３では、第２図と同一の磁石配列において、第
１１図に断面を示す偏向電磁石２を使用し、高周波加速
空胴５から高周波を印加し、電子を５０ＭａＶから１０
０１００Ｏまで加速する。第１１図の偏向電磁石２は、
軌道の曲率半径が１ｍであり、偏向磁場発生用コイルと
しては２種類の超電導コイル１３及び１４を使用する。

超電導コイル１３は１巻数が３０ターンで自己インダク
タンスが２５ａｌｌであり、超電導コイル１４は巻数が
２５０ターンで自己インダクタンスがＩＨである。

このうち、相対的に自己インダクタンスの小さい超電導
コイル１３を用いて電子を５０ＭｅＶから１５０ＭｅＶ
まで加速する。電子を１５０ＭｅＶまで加速するには、
偏向磁場を０．５１Ｔに上昇させる必要があり、第１２
図のように、超電導コイル１３に電圧１５０ｖを印加し
、０．２秒テ０．５１Ｔまで偏向磁場強度を増加する。

コイル１３は超電導コイルではあるが、発生磁場を小さ
く抑え巻線数を少くしであることにより、その自己イン
ダクタンスが小さいので、短時間でのその電流増加に必
要な電圧は小さくて足りる。１５０ＭａＶまで加速後は
。

相対的にインダクタンスの大きな超電導コイル１４の励
磁量を増加させ、偏向磁場の強度を３．３Ｔにすること
により電子を１００１００Ｏまで加速する。この場合、
超電導コイル１４には１５０Ｖの電圧を印加し、１００
１００Ｏまテ１０秒で加速する。

本実施例では、加速に必要な電源容量は２７０ｋＶＡで
あり、従来の超電導コイル利用小型偏向電磁石で電子を
短時間に加速する場合に必要であった電源容量９００ｋ
ＶＡの１／４に抑えられている。

［発明の効果］ 本発明によれば、荷電粒子を短時間で加速することがで
きるため、従来の超電導偏向磁石を用いた円形加速器に
比べ、粒子電流の損失を例えば１７３以下にでき、加速
電流を例えば２倍以上に増加することができる。

また、従来の超電導偏向磁石では、電流損失を少くする
ようにするためには、大きな電源容量を必要としたが１
本発明では従来の超電導偏向磁石が必要とした電源容量
の例えば１／４以下で足りる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の偏向電磁石の実施例の断面図。 第２図はそれを用いた円形加速器の概要配置図、第３図
ないし第６図は本発明による加速方法を夫々説明するた
めの図、第７図および第８図は夫々従来の円形加速器の
概要配置図および従来の偏向電磁石の断面図、第９図お
よび第１０図は前記第１図の偏向電磁石を用いた円形加
速器の本発明による粒子加速方法の異なる実施例の説明
図、第。 １１図は本発明の偏向電磁石の他の実施例の断面図、第
１２図は第１１図の偏向電磁石を用いた本発明による円
形加速器の粒子加速方法の実施例の説明図である。 １・・・入射器 ３．４・・・四極電磁石 ６・・・超電導コイル ２・・・偏向電磁石 ５・・・高周波加速空胴 ７・・・ヘリウム容器 ９・・・常電導コイル １０・・・真空ダクト １１ギヤツプ １２・・・鉄心 １３・・・超電導コイル（自己インダクタンス小）１４
・・・超電導コイル（自己インダクタンス大）（他１名
） 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 ７ 図 第 図 １２・・・鉄心 第 ０ 図 第 図 加速開始後時間（秒） 加速開始後時間（秒） 加速開始後時間（秒） 第 １ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　円形加速器における荷電粒子の軌道を偏向させるた
   めの偏向電磁石において、偏向磁場発生用コイルを、相
   対的に大電流を流すことが可能で且つ自己インダクタン
   スの大きい第１種のコイルと、相対的に小電流を流すこ
   とが可能で且つ自己インダクタンスの小さい第２種のコ
   イルとの組合せで構成したことを特徴とする偏向電磁石
   。 ２　第１種のコイルが超電導コイルであり、第２種のコ
   イルが常電導コイルである請求項１記載の偏向電磁石。 ３　第１種のコイルおよび第２種のコイルがいずれも超
   電導コイルであって、後者は前者よりも巻数が少い請求
   項１記載の偏向電磁石。 ４　請求項１、２又は３記載の偏向電磁石を具備した円
   形加速器において、偏向電磁石の偏向磁場を前記第１種
   のコイルおよび第２のコイルの励磁による磁場の重畳磁
   場として発生せしめ、荷電粒子の加速に必要な偏向磁場
   強度の増加を、荷電粒子のエネルギーが相対的に低い加
   速初期には主として前記第２種のコイルによる磁場強度
   を変化させることにより行ない、荷電粒子のエネルギー
   が相対的に高い加速後期には前記第１種のコイルによる
   磁場強度を変化させることにより行なうことを特徴とす
   る、円形加速器の荷電粒子加速方法。 ５　前記第２種のコイルによる磁場を第１種のコイルに
   よる磁場の向きと同じ向きに発生させる請求項４記載の
   円形加速器の荷電粒子加速方法。 ６　前記第２種のコイルによる磁場を第１種のコイルに
   よる磁場の向きと反対向きに発生させる請求項４記載の
   円形加速器の荷電粒子加速方法。