JPH06509209A - 粒子加速器用超伝導電磁石 - 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】 粒子加速器用超伝導電磁石 未発明は、素粒子およびイオンのような粒子に対する粒子加速器の技術、特に粒 子加速器用超伝導電磁石に間する。ここで「粒子加速器−１とは本来の意味にお けろ粒子加速器だけではなく、メモリリング装置並びに粒子線放射用のあらゆる 案内および搬送装置をも意味する。

粒子加速器用超伝導電磁石において重要な運転パラメータの一つは、ビーム管の 内部において設定軌道に沿って電磁石を貫流する粒子のビームから散乱過程など によって偏向されビーム管の壁を通過して励磁コイルに到達する粒子による相伝 ４助峨コイルの加熱である。励磁コイルの有害な加熱を避けるために、偏向され た粒子によるＮＴｔ５１石の負荷を規則的に監視しなければならない。何故なら ばそのようなり荷は所定の設計限度以上において超伝導性能の局所的な損失を生 じ、ｔｍ石の故障を生しるおそれがあるからである。

粒子加速器用超伝導電磁石は公知である（ジンネケン、エドワーズ、ハリソン＃ ｉ　’ＦＰｒ＋＊１ｌａｂ　Ｐ＋＋ｂ、　８７／１１３−１バダヴイア、イリノ イ（米国）１９８７年参昭）。

この超伝導電磁石は電気環縫端子を備えた円筒状の真空ハウジングを有しており 、その内部には長手軸線に対して間軸的に、長手軸線に沿って粒子ビームで貫流 されるビーム管、液化ヘリウム用のヘリウム容器、ヘリウム容器の内部における ６悦４動峨コイル、内側面がヘリウム容器の外側面と一緒にヘリウム容器との間 で軌絶縁するための真空室を形成する窒素遮蔽体、および窒素′ｉＸ蔽体と真空 ハウジングとの間の軌絶縁体が配置さ机ている。更に電磁石には、真空室内に配 置されへりカム容器に連通している極低温配管、超伝導励磁コイルの磁界を外部 に対して遮蔽し真空ハウジングを包囲する磁気遮蔽体並びにセンサ素子と記録素 子とを情えた放射線モニタが付設している。記録素子はセンサ素子に接触し、ビ ーム管を譚ンなする粒子束から偏向された粒子に対して感応する。！離電流計並 びに放射線モニタのセンサ素子に電気的に接続されている電圧源によって、放射 線モニタがＶｉ動さ机る。放射線モニタは磁気遮皓体の上に配置され、ガス状ア ルゴンが記録媒体として使用されている。

放射線モニタを磁気ｔ！、蔽体の表面に配置することにより、電磁石を貫流する 粒子ビームの損失測定は、ビームから偏向された粒子が電磁石の上述のすべての 構成要素およびユニットを横切ったときにはしめて行われることになる。これは 勿論、検出可能な粒子の強度損失を伴うとともに、検出済み粒子がビームから偏 向さ牲た場所についての感度の低下を伴う、従って粒子加速器におけるビーム損 失の検査の精度は著しぐ限られる。更に損失の測定は一般にその負荷が主として 問題となる励磁コイルから離れて行われ、このことは得られる測定値の信頼性を 著しく低下する。

放射線モニタにおけろ記録媒体としてアルゴンを使用することも、偏向された粒 子の検出に対して低い固有感度を生しる。このことは同様に、ｔｍ石のビーム管 を＊ｙｉするビームにおける偏向された粒子により生した損失を監視する際の達 成可能精度を必歎的に低下する。

敏射碑モニタにおける記録媒体としての希ガスの使用可能性については次の刊行 物を参昭されたい。

ストックトン、ケト、フィッノモンズ共著の文献’Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、門　（１ ９７１）　３７２Ｊンキン著の文献’ＩＪＦＮ　１２１　（＋９７７）　４５７ −１木発明の課題は、冒頭に述べた形式の粒子加速器用超伝導′ｇｌＴＩｇ１石 を、電磁石をＷｔ凌するビームから偏向された粒子の測定をその偏向場所の近く で行えるように放射線モニタが形成且つ配置され、超伝導励磁コイルの負荷に関 する測定精度が増大されるように構成する二とにある。更に偏向された粒子の検 出に対する放射線モニタの固有変をできるだけ高めようとするものである。

この課題の未発明に基づ←解決策は、 ａ）荷電粒子から成るビームで１１ｔ流されるビーム管、ｂ〕ビーム管を包囲し 液体ヘリウムが充填されているヘリウム容器の中に配置さｎ、ている超伝導励磁 コイル、 Ｃ）ビームから偏向された粒子を検出できる少なくとも−っの放射線モニ外を備 えている粒子加速器用電磁石において、放射線モニタがヘリウム容器の中に配置 されている二とにある。

本発明によれば、粒子がビームから偏向された際の散乱過程などにより生しるビ ーム損失を、損失が生じた場所の近くで測定することが可能となるので、測定晴 噴を高めることができ、ビームから偏向された粒子が放射線モニタに到達する前 Ｃコこれがａｍ石に咲収されることによる障害は著しく減少される。これは一方 ではビームと放射線モニタとのＶ＠離が非常に短いことに起因し、他方ではビー ムから偏向された粒子が電磁石の例えば超伝導コイル、種々のハウジングおよび 遮蔽体のような重くて吸収力の強い構成要素をもはや貫通する必要がないことに 起因している。放射線モニタとしては粒子に対する公知のすべての検出装置、特 に電離検出器、／ンチレーンヨン検出器および半導体検出器が挙げられる。

本発明の特に有利な実施態様の枠内において、放射線モニタは、ビームから偏向 された粒子によってその中で反応が生しる記録媒体並びにその反応を検出できる センサ素子を有しており、記録媒体は液体ヘリウムである。この実施態様の枠内 において、放射線モニタは検出すべき粒子に対して特に高い固有感度を存してお り、こ虹はビーム損失の監視を一層改善する。有利にはセンサ素子は記録媒体に 接触している少なくとも７つの電極を備えている。

有利にはセンサ素子で検出できる反応（これは電磁石を設計する際に放射線モニ タの相応した設計によって選択される）は、記録媒体内で生しる電離である。

１！鯛は荷電粒子、特に素粒子あるいはイオンにより横切られるすべての媒体に おいて生しる。このようなａｌの利用並びにそれを検出するための処置は公知の 関連技術に応し７て行うことができる。

本発明に基づくすべての実施態様の電磁石において、放射線モニタが励磁コイル にほぼ直接配置されていることが特に有利である。この実施Ｍ様の枠内において 、放射線モニタで検出できる測定値はビームから偏向され励磁コイルに作用す７ １粒子によって引き起こされる励磁コイルの負荷を直接且つ極めて精確に記録す る。従ってこの実施略様の枠内における放射線モニタは、励磁コイルの負荷を検 出すＺ・ためにおよびこの負荷が曖る許容限界を超過した場合の対抗処置を講じ るたＶ）に特に適している。

更に特に電磁石に？尊数個の好適には多数の放射線モニタを設けることが有利で ある。特に多数の放射線モニタは励磁コ・イルにほぼ一層に分布することができ る。

二のようにしてビームの特に局所的に敏感な監視（例えばビーム管の中に侵入す る残留ガスとの相互干渉について）並びに励磁コイルの局所的に敏感な監視が可 能となる。この枠内において相応して設計された励磁コイルの場合、所定の放射 線モニタで得られた測定値が局所的に制限された許容限界を超過したとき、場合 によって局所的に制限された対抗処置が講じられる。

未発明は上述した特徴を有する！磁石の運転方法にも関する。

ａ）ヘリウム容器が液体ヘリウムで充填され、ｂ）励磁コイルが電流を供給され 磁界を発生し、ｃ）Ｇｆｆ界が作用する荷電粒子から成るビームによりビーム管 が貫流される、形式の７４Ｎ石を運転するための本発明に基づ（方法は、本発明 に基づいて配置された放射線モニタで、ビームから偏向された粒子により生じる ビーム損失が測定さ机ることを特徴とする。！Ｔｌち本発明に基づいてビーム損 失の測定は電磁石のこのために特に有利な個所で行われる。従って本発明によれ ば測定は特に高い精度で行えるので、測定は例えば有効な診断の枠内において良 好に利用することができる。

特に本発明に基づく方法の枠内において有利には、粒子の偏向によるビームの損 失によって生しる励磁コイル内におけるエネルギー発生がめられる。これによっ て、工フルギー発生の監視および許容限界との比較によって励磁コイル自体の有 効な診断が可能となる。

本発明の他の利点、は、多数の粒子加速器が空間的に互いに直接近接して同時に 運転されるときに生しる。即ち本発明によれば放射線モニタがすべての粒子加速 器においてその都度のビームのごく近くに磁石、遮蔽装置およびハウジングの下 側に配置されているので、各粒子加速器の隣りにある粒子加速器におけるビーム による影響は十分に排除される。従って本発明は、隣接する粒子加速器の診断装 ！とはほぼ完全に筆関係にすることを可能にしている。

次に本発明を図面に示す具体的な実施例を器間して詳細に説明する０図面は粒子 加速器用電磁石の−ｙＩ縦断面図である。図示されている粒子加速器用超伝導電 磁石は長手軸＆１２に関してほぼ真っ直くに延びているが、これは、例えばビー ム５を集束するために四極子磁界を発生する電磁石の場合に、あるいは粒子特に 電ｆ−１陽イあるいはその反粒子がその中で非常に大きな連動エネルギーに加速 されるｔ☆子和１！器における二重磁界に対する電磁石の場合において生しる。

本発明は勿論そのような真っ直ぐな電磁石に限定されるものではない。

図面に示されている超伝導％ｉ［石は長手軸線２を持つ円筒状真空ハウジング１ を有している。電磁石の中には長手軸線２から出発して内側から外側に向かって 、ビー１．５によって長手軸線２に沿って！流されるビーム管６、液体ヘリウム ４を持つヘリウム容器３、窒素遮蔽体８即ちヘリウム容器３を包囲し液体窒素の 沸４４ｉ１ｔ４こ冷４Ｊ１さねている管、熱絶縁体９（中実の熱絶縁体９が示さ れているが、場合によっては１９などから成る絶縁体で置き換えることもできる ）、真空ハウ、ジング１．および電磁石を包囲し、そこで発生される磁界を遮蔽 する磁気遮蔽体２ｑが配置されている。ビーム管６は粒子加速器内において管な どから成りその中をビーム）が案内される真空早の一部を形成している。ヘリウ ム容器３の中に励磁フィル７が存在しており、これはハントＩＯで保持されてい る。ヘリウム容器３の外側面ＩＬおよび窒素遮蔽体８の内側面１２は真空室１３ を形成し、この真空室１３はヘリウム容器３と窒素遮蔽体８との間で熱絶縁体を 形成している。真上室１３の中には液状あるいはガス状ヘリウムを供給および排 出するための極低温配管１４．１５が存在している。ヘリウム容器３の内部に本 発明に基づいて放射線モニタ１６が存在し、でいる。これは電極１８．１９で形 成されているセンサＭｌ−１７並びに記録媒体４　（Ｎ体ヘリウムが利用されて いる）を存している。この液化へり・リムは必イ′しも放射線モニタ１６の中に 封入されている必要はなく、あくまでも液体ヘリウムの成分が励磁コイル７をｆ ｃ流するものであればよい。電極１日の電気接続端子２０．２１および電極１９ の電気接続端子２２はヘリウム容器３の壁に配置されている！＄！仮２３を貫通 して導かれている。真空ハウジングｌはｌ１に絶縁板２６内に電気接続端子２４ ．２５を有し、これらの電気接続・喘子に電極１８、ｌ（］の′屯気接続端子２ ０．２２が接続されている。電磁石の外部にＪ９いて電気接続端子２Ａ、２５は 電子源２８と電離電流測定器２７とから成るＩｒ列回路に橋絡さ机ている。

［伝導電磁石の動作は以下のとおりである。超伝導Ｉｌ］ｍコイル７を通って流 れる霧、・ζは、ヒ゛−ム管６を！流するビーム５に作用する磁界を形成する。

ビーム管６中の残留ガスにおける散乱によって、あるいはビーム５内に存在する 粒子の相互干渉によって、荷電粒子がビーム５からとび出し、一部が液体ヘリウ ムを通過する。これによって液体ヘリウムの部分的な電離が生ずる。このｔ離は 放射線モニタ１６によって次のようにして検出される。即ち、放射線モニタ１６ の電極１８．１９間に電圧′ａ２８から供給される電圧が印加され、この電圧に 基づいて上述ｒ−だように電離した液体ヘリウムの中に微電流いわゆる「電離電 流−１が生し、二重、は電離ミノｌ測定器２７によって測定される。この電Ｍ電 流の大きさは、粒子がビーム５から４．ＵＫヘリウムの中に転向されることによ るビーム５の損失の大きさに間係している。未発明に基づいてヘリウム容器３の 中に放射線モニタ１６を配置する二とによって、損失の測定は特に敏感となり従 って特に精確となる。

更に未発明に基づいて放射線モニタ１６を超伝導動磁コイル７の近くに配置する 二とによって、ビーム５の損失によって生しる励磁コイル７内におけるエネルギ ー発生の測定精変を非常に高めることができ、それとともに電ａｔ流の測定値を 監視することによってそれが所定の許容限度を超過した際に、励磁コイル７の超 伝導性能の損失を［ｇＩＩｇ！するための処置を適時に講しることができる。

；（発明は、使用されている超伝導電磁石を有効に監視および診断目的に使用で きるようにするために、素粒子およびイオンの粒子加速器を診断目的に装備する 二とに多大な成功を収めている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）荷電粒子から成るビーム（５）で貫流されるビーム管（６）、ｂ）ビー ム管（６）を包囲し液体へリウムが充填されているヘリウム容器（３）の中に配 置されている超伝導励磁コイル（７）、ｃ）ビーム（５）から転向された粒子を 検出できる少なくとも一つの放射線モニタ（１６）、 を有している粒子加速器用電磁石において、放射線モニタ（１６）がヘリウム容 器（３）の中に配置されていることを特徴とする粒子加速器用電磁石。 ２．放射線モニタ（１６）が、ビーム（５）から偏向された粒子によってその中 で反応が生じる記録媒体（４）並びにその反応を検出できるセンサ素子（１７） を有しており、記録媒体（４）が液体ヘリウムであることを特徴とする請求の範 囲１記載の電磁石。 ３．センサ素子（１７）が、記録媒体（４）に接触している少なくとも二つの電 極（１８、１９）を有していることを特徴とする請求の範囲２記載の電磁石。 ４．センサ素子（１７）で検出できる反応が記録媒体（４）内で生じる電離であ ることを特徴とする請求の範囲２又は３記載の電磁石。 ５．放射線モニタ（１６）が励磁コイル（７）に直接配置されていることを特徴 とする請求の範囲１ないし４の１つに記載の電磁石。 ６．複数個の好適には多数の放射線モニタ（１６）を有していることを特徴とす る請求の範囲１ないし５の１つに記載の電磁石。 ７．放射線モニタ（１６）が励磁コイル（７）にほぼ一様に分布されていること を特徴とする請求の範囲６記載の電磁石。 ８．ａ）ヘリウム容器（３）が液体ヘリウムで充填され、ｂ）励磁コイル（７） が電流を供給されて磁界を発生し、ｃ）磁界が作用する荷電粒子から成るビーム （５）によりビーム管（６）が貫流され、 ｄ）放射線モニタ（１６）で、ビーム（５）から偏向された粒子により生じるビ ーム（５）の損失が測定される、 ことを特徴とする請求の範囲１ないし７の１つに記載の電磁石の運転方法。 ９．ビーム（５）の損失から、それにより生じた励磁コイル（７）内におけるエ ネルギー発生が求められることを特徴とする請求の範囲８記載の方法。