JP2000046999A - Uniform magnetic field generator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、空間的に均一な磁
場を発生することができ、かつ漏れ磁場の小さい、医療
機器や加速器などに用いて有用な均一磁場発生装置に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a uniform magnetic field generator capable of generating a spatially uniform magnetic field and having a small leakage magnetic field and useful for medical equipment, accelerators, and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】MRIや加速器などには、磁場勾配の少
ない空間的に均一な磁場を発生することのできる均一磁
場発生装置が使用されている。例えば、荷電粒子ビーム
を加速するリングサイクロトロン装置においては、荷電
粒子の軌道をリング状に曲げるための磁場発生装置とし
てセクター電磁石が用いられ、また、リングサイクロト
ロン装置へ荷電粒子ビームを入射させるビーム入射系あ
るいはリングサイクロトロン装置で加速された荷電粒子
ビームを外部に取り出すビーム取出し系にビーム経路を
曲げるための均一磁場発生装置が配置されている。2. Description of the Related Art A uniform magnetic field generator capable of generating a spatially uniform magnetic field having a small magnetic field gradient is used for an MRI, an accelerator and the like. For example, in a ring cyclotron apparatus for accelerating a charged particle beam, a sector electromagnet is used as a magnetic field generator for bending the trajectory of the charged particles in a ring shape, and a beam injection system for injecting the charged particle beam into the ring cyclotron apparatus Alternatively, a uniform magnetic field generator for bending a beam path is arranged in a beam extraction system for extracting a charged particle beam accelerated by a ring cyclotron apparatus to the outside.
【0003】リングサイクロトロン装置のビーム入射系
やビーム取出し系に配置される均一磁場発生装置は、ビ
ーム経路上で均一磁場を発生すると共に、外部への漏洩
磁場が小さいことが要求される。漏洩磁場があると、そ
の磁場発生装置の近くの軌道を通過する荷電粒子ビーム
が影響を受け、リングサイクロトロン装置の性能を低下
させてしまうからである。A uniform magnetic field generator arranged in a beam incidence system or a beam extraction system of a ring cyclotron device is required to generate a uniform magnetic field on a beam path and to have a small leakage magnetic field to the outside. This is because, if there is a stray magnetic field, the charged particle beam passing through the orbit near the magnetic field generator is affected, and the performance of the ring cyclotron apparatus is reduced.
【0004】図11は従来のリングサイクロトロン装置
のビーム入射系やビーム取出し系に配置される均一磁場
発生装置の概略斜視図、図12は図11のAA′断面図
である。この均一磁場発生装置は、図のxz平面内で湾
曲したビーム経路に沿った領域106にy方向の均一磁
場を発生するためのメインコイル100,101,10
3,104と、装置外部への漏洩磁場、特に図12のx
軸上の漏洩磁場を相殺するためのシールドコイル10
2,105を備える。ビーム経路上に空間的に均一な磁
場を発生することができるように、各コイル100〜1
05はビーム経路に沿って湾曲している。FIG. 11 is a schematic perspective view of a uniform magnetic field generator disposed in a beam incidence system and a beam extraction system of a conventional ring cyclotron apparatus, and FIG. 12 is a sectional view taken along the line AA 'of FIG. The uniform magnetic field generator includes main coils 100, 101, and 10 for generating a uniform magnetic field in the y direction in an area 106 along a curved beam path in the xz plane of the drawing.
3, 104, and the leakage magnetic field to the outside of the device, in particular, x in FIG.
Shield coil 10 for canceling the on-axis leakage magnetic field
2,105. Each coil 100-1 is generated so that a spatially uniform magnetic field can be generated on the beam path.
05 is curved along the beam path.
【0005】領域106に均一磁場を発生させるには、
領域106の中心と磁場発生コイルの断面中心を結ぶラ
インがx軸に対して±約30°となるように配置するの
が好ましい。従って、図12の断面図に図示するよう
に、メインコイル100,101の断面中心とシールド
コイル102の断面中心がx軸に対して30°のライン
上に位置し、メインコイル103,104の断面中心と
シールドコイル105の断面中心がx軸に対して−30
°のライン上に位置するように配置されている。また、
メインコイル101,103は、領域106を通過する
ビームを遮断することがないように、その端部101
a,101b,103a,103bでy方向に立ち上が
った3次元形状を有する(図11参照)。To generate a uniform magnetic field in the region 106,
It is preferable that the line connecting the center of the region 106 and the center of the cross section of the magnetic field generating coil is arranged at ± 30 ° with respect to the x-axis. Therefore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 12, the cross-sectional centers of the main coils 100 and 101 and the cross-sectional center of the shield coil 102 are located on a line at 30 ° with respect to the x-axis. The center and the cross-sectional center of the shield coil 105 are -30 with respect to the x-axis.
° are located on the line. Also,
The main coils 101 and 103 have their ends 101 so as not to block the beam passing through the region 106.
It has a three-dimensional shape rising in the y-direction at a, 101b, 103a, and 103b (see FIG. 11).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】均一磁場を発生させる
ために、メインコイル及びシールドコイルは通常コイル
断面が約30°ライン上に位置するように配置される。
しかし、この配置を採用すると前述のようにメインコイ
ルの端部形状を含めてコイル形状が3次元的になって複
雑になり、製作が容易ではない。また、均一磁場領域へ
アクセス可能な方向が両端部に限られるため、この均一
磁場発生装置を他に利用する場合、不利であった。さら
に、この均一磁場発生装置を極低温で動作するNiT
b,Nb3 Snなどの超電導コイルを用いて構成する場
合、液体ヘリウム等の冷媒でコイルを冷却するクライオ
スタットの形状が複雑になる、あるいはコイル支持構造
が複雑になるといった問題がある。本発明は、このよう
な従来技術の問題点に鑑み、コイルの構造が簡単で、ク
ライオスタットや支持構造等も簡略化できる均一磁場発
生装置を提供することを目的とする。In order to generate a uniform magnetic field, the main coil and the shield coil are usually arranged such that the cross section of the coil is located on a line of about 30 °.
However, if this arrangement is adopted, the coil shape including the end shape of the main coil becomes three-dimensional and complicated as described above, and the production is not easy. In addition, since the direction in which the uniform magnetic field region can be accessed is limited to both ends, it is disadvantageous when this uniform magnetic field generator is used for other purposes. Furthermore, NiT operating this uniform magnetic field generator at cryogenic temperature
In the case of using a superconducting coil such as b, Nb 3 Sn or the like, there is a problem that the shape of a cryostat that cools the coil with a coolant such as liquid helium becomes complicated or the coil supporting structure becomes complicated. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the related art, and has as its object to provide a uniform magnetic field generator in which a coil structure is simple and a cryostat and a support structure can be simplified.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明においては、均一
磁場を主として発生するメインコイル、漏洩磁場を相殺
するシールドコイル等を平面的に配置することで前記目
的を達成する。通常、例えば、アクティブシールド型M
RIマグネットのように、メインコイルの外側にシール
ドコイルを配置することによって均一磁場を発生するこ
とができる。しかし、均一磁場発生装置を使いやすくす
るためにメインコイル及びシールドコイルを平面的に配
置しようとすればコイルの数を増やす必要がある。本発
明者らの検討によると、この時、メインコイルの内側に
磁場補正用のトリムコイルを配置すると、少ないコイル
数で均一磁場領域の磁場均一度を向上させることができ
ることが判明した。In the present invention, the above object is achieved by arranging a main coil which mainly generates a uniform magnetic field, a shield coil which cancels out a leakage magnetic field, and the like in a plane. Usually, for example, an active shield type M
A uniform magnetic field can be generated by disposing a shield coil outside the main coil like an RI magnet. However, if the main coil and the shield coil are arranged in a plane to make the uniform magnetic field generator easy to use, it is necessary to increase the number of coils. According to the study of the present inventors, it has been found that, at this time, if the trim coil for correcting the magnetic field is arranged inside the main coil, the magnetic field uniformity of the uniform magnetic field region can be improved with a small number of coils.
【0008】図1は、本発明による均一磁場発生装置の
概念図を示す。図示されているように、本発明による均
一磁場発生装置は、メインコイル1、メインコイル1の
内側に配置されるトリムコイル2、及びメインコイル1
の外側に配置されるシールドコイル3からなっており、
各コイルは略相似の2次元形状を有する。トリムコイル
2とシールドコイル3には、メインコイル1とは逆向き
の電流を流す。トリムコイル2によって発生される磁場
はメインコイル1の磁場を補正して中心部の均一磁場領
域の磁場均一度を高めるように作用し、シールドコイル
3によって発生される磁場は外部の漏れ磁場を所定の値
以下に低減するように作用する。FIG. 1 is a conceptual diagram of a uniform magnetic field generator according to the present invention. As shown, the uniform magnetic field generating apparatus according to the present invention includes a main coil 1, a trim coil 2 disposed inside the main coil 1, and a main coil 1.
Consisting of a shield coil 3 arranged outside the
Each coil has a substantially similar two-dimensional shape. A current in a direction opposite to that of the main coil 1 flows through the trim coil 2 and the shield coil 3. The magnetic field generated by the trim coil 2 acts to correct the magnetic field of the main coil 1 to increase the magnetic field uniformity in the central uniform magnetic field region, and the magnetic field generated by the shield coil 3 reduces the external leakage magnetic field to a predetermined value. In order to reduce the value below.
【0009】これらは1つのコイル群Aとして平面的に
配置され、好ましくは、そのコイル群平面に垂直な方向
に間隔をあけて2組のコイル群A,Bを平行に配置する
ことで均一磁場発生装置を構成する。均一磁場は、2組
のコイル群A,Bで挟まれた領域の中央部分に発生され
る。均一磁場領域はメインコイル、トリムコイル及びシ
ールドコイルの2次元平面形状と相似的な形状となるた
め、これらのコイル形状を選択することにより円形領
域、楕円形領域、矩形領域、細長い直線状領域、湾曲し
た曲線状領域、など任意の形状とすることができる。These are arranged in a plane as one coil group A. Preferably, the two sets of coil groups A and B are arranged in parallel at a distance in a direction perpendicular to the plane of the coil group so as to form a uniform magnetic field. Configure the generator. The uniform magnetic field is generated at a central portion of a region sandwiched between the two coil groups A and B. The uniform magnetic field region has a shape similar to the two-dimensional planar shape of the main coil, the trim coil, and the shield coil. Therefore, by selecting these coil shapes, a circular region, an elliptical region, a rectangular region, an elongated linear region, Any shape, such as a curved curved area, can be used.
【0010】メインコイルは、図12に示したメインコ
イルの配置と同様に、中央面(median plane)に対して
±30°のライン上に位置するように配置するのが好ま
しい。トリムコイル及びシールドコイルの位置関係から
して、シールドコイルからの発生磁場は均一磁場領域の
磁場均一度にほとんど影響を与えず、またトリムコイル
からの発生磁場は漏れ磁場にほとんど影響を与えない。The main coils are preferably arranged so as to be located on a line of ± 30 ° with respect to the median plane, similarly to the arrangement of the main coils shown in FIG. Due to the positional relationship between the trim coil and the shield coil, the magnetic field generated from the shield coil hardly affects the magnetic field uniformity in the uniform magnetic field region, and the magnetic field generated from the trim coil hardly affects the leakage magnetic field.
【0011】本発明の均一磁場発生装置は、従来のよう
にメインコイルに立ち上げ部がなく、全てのコイルを2
次元形状とすることができ、メインコイル、トリムコイ
ル及びシールドコイルからなるコイル群を平面的に配置
することが可能である。従って、超電導コイルを使用す
る場合に、コイル冷却のために使用されるクライオスタ
ットも平板状の簡単な構造とすることができ、クライオ
スタット内でのコイルの支持構造も簡単にすることがで
きる。According to the uniform magnetic field generator of the present invention, the main coil does not have a rising portion as in the prior art,
The coil group can be formed in a three-dimensional shape, and a coil group including a main coil, a trim coil, and a shield coil can be arranged in a plane. Therefore, when a superconducting coil is used, the cryostat used for cooling the coil can have a simple plate-like structure, and the structure for supporting the coil in the cryostat can be simplified.
【0012】また、コイルの形状が平面的であるためマ
グネットコイルの製作が容易になるとともに、従来は不
可能であった均一磁場発生装置の側方から均一磁場領域
にアクセスすることも可能になる。メインコイル、トリ
ムコイル及びシールドコイルは、薄いコイルを多層に重
ね合わせて構成することもできる。その場合、コイル配
置の自由度を増すことができ、また、各層のコイルに流
す電流を調整することにより、均一磁場領域により均一
な磁場を発生することができる。Further, since the shape of the coil is planar, it is easy to manufacture the magnet coil, and it is also possible to access the uniform magnetic field region from the side of the uniform magnetic field generator, which has been impossible in the past. . The main coil, the trim coil, and the shield coil can also be configured by stacking thin coils in multiple layers. In this case, the degree of freedom in coil arrangement can be increased, and a uniform magnetic field can be generated in a uniform magnetic field region by adjusting the current flowing through the coils of each layer.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ここでは、リングサイクロトロン
装置の荷電粒子ビーム入射系、取り出し系に用いられる
均一磁場発生装置を例にとって説明するが、本発明はこ
れ以外にもMRIなどの医療診断装置、他の均一磁場を
用いる分析機器等、種々の用途に適用することができる
のはもちろんである。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, a uniform magnetic field generator used for a charged particle beam incidence system and a take-out system of a ring cyclotron device will be described as an example. However, the present invention is also applicable to medical diagnostic devices such as MRI and analysis using other uniform magnetic fields. Of course, it can be applied to various uses such as equipment.
【0014】図2は、リングサイクロトロン装置を概念
的に示す平面図である。このリングサイクロトロン装置
は、荷電粒子入射系を構成する均一磁場発生装置11
a,11b,11c、セクター電磁石12a,12b,
12c,12d、高周波加速空洞13a,13b、及び
荷電粒子ビーム取出し系を構成する均一磁場発生装置1
4a,14bを備える。均一磁場発生装置11a,11
b,11c、セクター電磁石12a,12b,12c,
12d、及び均一磁場発生装置14a,14bは、いず
れも紙面に垂直な方向の直流磁場を発生する。FIG. 2 is a plan view conceptually showing a ring cyclotron apparatus. This ring cyclotron device is a uniform magnetic field generator 11 constituting a charged particle injection system.
a, 11b, 11c, sector electromagnets 12a, 12b,
12c, 12d, high-frequency accelerating cavities 13a, 13b, and uniform magnetic field generator 1 constituting a charged particle beam extraction system
4a and 14b. Uniform magnetic field generators 11a, 11
b, 11c, sector electromagnets 12a, 12b, 12c,
12d and the uniform magnetic field generators 14a and 14b both generate a DC magnetic field in a direction perpendicular to the plane of the paper.
【0015】荷電粒子ビーム10は、荷電粒子入射系を
構成する均一磁場発生装置11a,11b,11cを通
ってセクター電磁石12a,12b,12c,12dの
発生する磁場中に入る。図の例の場合、荷電粒子ビーム
10は各セクター電磁石で方向を90°曲げられ、ほぼ
四角形の軌道を描く。高周波加速空洞13a,13bを
通過するとき荷電粒子ビーム10は加速を受け、渦巻き
状に次第に外側の軌道に移り、最後に荷電粒子ビーム取
出し系を構成する均一磁場発生装置14a,14bを通
って外部に取り出される。The charged particle beam 10 enters the magnetic field generated by the sector electromagnets 12a, 12b, 12c and 12d through the uniform magnetic field generators 11a, 11b and 11c constituting the charged particle incident system. In the case of the example in the figure, the charged particle beam 10 is bent by 90 ° by each sector electromagnet, and draws a substantially rectangular trajectory. When passing through the high-frequency accelerating cavities 13a and 13b, the charged particle beam 10 is accelerated, gradually moves to the outer orbit in a spiral shape, and finally passes through the uniform magnetic field generators 14a and 14b constituting the charged particle beam extraction system to the outside. Is taken out.
【0016】次に、荷電粒子ビーム入射系、取り出し系
の均一磁場発生装置の構造を説明する。ここでは荷電粒
子ビーム入射系の均一磁場発生装置11aを例にとって
その構造を説明するが、他の均一磁場発生装置11b,
11c,14a,14bも同様の構造を有する。図3は
均一磁場発生装置11aの概略斜視図、図4は図3のB
B′断面図である。Next, the structure of a uniform magnetic field generator of a charged particle beam incident system and an extraction system will be described. Here, the structure will be described by taking the uniform magnetic field generator 11a of the charged particle beam incident system as an example, but other uniform magnetic field generators 11b, 11b,
11c, 14a, and 14b have the same structure. FIG. 3 is a schematic perspective view of the uniform magnetic field generator 11a, and FIG.
It is B 'sectional drawing.
【0017】この均一磁場発生装置は、互いに平面的に
円弧状に配置された3種類のコイル20,21,22か
らなる第1のコイル群と、同様に円弧状に平面的に配置
された3種類のコイル23,24,25からなる第2の
コイル群の2組のコイル群によって構成されており、平
面的な上下2組のコイル群で挟まれた空間の中央に位置
する均一磁場領域26にy方向の均一な磁場を発生す
る。This uniform magnetic field generator comprises a first coil group consisting of three types of coils 20, 21, 22 arranged in a circular arc shape in a plane with each other, and a three-dimensional coil similarly arranged in a planar shape in a circular arc shape. A uniform magnetic field region 26 is formed by two coil groups of a second coil group consisting of coils 23, 24, and 25 of different types, and is located at the center of a space sandwiched by two planar upper and lower coil groups. Generates a uniform magnetic field in the y direction.
【0018】第1のコイル群は、メインコイル20と、
メインコイル20の内側に配置されたトリムコイル21
と、メインコイル20の外側に配置されたシールドコイ
ル22とを備える。第2のコイル群は、同様にメインコ
イル23と、メインコイル23の内側に配置されたトリ
ムコイル24と、メインコイル23の外側に配置された
シールドコイル25とを備える。2つのメインコイル2
0,23には同じ向きの電流が流され、トリムコイル2
1,24及びシールドコイル22,25にはそれぞれメ
インコイル20,23と逆向きの電流が流される。The first coil group includes a main coil 20 and
Trim coil 21 arranged inside main coil 20
And a shield coil 22 arranged outside the main coil 20. The second coil group similarly includes a main coil 23, a trim coil 24 disposed inside the main coil 23, and a shield coil 25 disposed outside the main coil 23. Two main coils 2
Currents in the same direction flow through 0, 23, and the trim coil 2
Currents in the opposite directions to the main coils 20, 23 are passed through the shield coils 22, 25 and the shield coils 22, 25, respectively.
【0019】図4に示されているように、メインコイル
20,23は、均一磁場領域26の断面積が最小になる
ようにコイル群平面に対して垂直に切った断面図でみ
て、メインコイル20,23の断面中心が、均一磁場領
域26の中心を通りコイル群平面に平行な平面である中
央面(median plane)に対して±30°のライン上に位
置するように配置されている。このような配置をとるこ
とにより、最低次の不整磁場となる6極成分を最小とす
ることができる。As shown in FIG. 4, the main coils 20 and 23 are viewed from a cross section perpendicular to the coil group plane so that the cross-sectional area of the uniform magnetic field region 26 is minimized. The centers of the sections 20 and 23 are arranged so as to be located on a line of ± 30 ° with respect to a center plane (median plane) passing through the center of the uniform magnetic field region 26 and being parallel to the coil group plane. With such an arrangement, it is possible to minimize the six-pole component that becomes the lowest-order irregular magnetic field.
【0020】次に、この均一磁場発生装置によって発生
される磁場の特性について説明する。図4に示すよう
に、メインコイル20,23の断面寸法を44mm×2
4mm、トリムコイル21,24の断面寸法を5mm×
24mm、シールドコイル22,25の断面寸法を20
mm×24mmとした。y軸からトリムコイル21,2
4の中心までのx方向距離、メインコイル20,23の
中心までのx方向距離、シールドコイル22,25の中
心までのx方向距離をそれぞれ29.0mm、55.4
mm、103.9mmとした。また、x軸から第1のコ
イル群20,21,22のy方向中心及び第2のコイル
群23,24,25のy方向中心までの距離をそれぞれ
42mmとした。この均一磁場発生装置に、メインコイ
ルに電流密度180A/mm2の電流を流し、トリムコ
イル及びシールドコイルにメインコイルと逆向きの電流
を同様に各々電流密度180A/mm2及び180A/
mm2で流す条件で2次元平面内で磁場強度分布を計算
した。Next, the characteristics of the magnetic field generated by the uniform magnetic field generator will be described. As shown in FIG. 4, the cross-sectional dimension of the main coils 20 and 23 is 44 mm × 2.
4 mm, the cross-sectional dimensions of the trim coils 21 and 24 are 5 mm x
24 mm, and the cross-sectional dimensions of the shield coils 22 and 25 are 20
mm × 24 mm. Trim coils 21 and 2 from y-axis
4, the distance in the x direction to the center of the main coils 20 and 23, and the distance in the x direction to the center of the shield coils 22 and 25 are 29.0 mm and 55.4, respectively.
mm and 103.9 mm. The distance from the x-axis to the center of the first coil group 20, 21, 22 in the y direction and the center of the second coil group 23, 24, 25 in the y direction was 42 mm. A current having a current density of 180 A / mm 2 is supplied to the main coil through the uniform magnetic field generator, and currents of 180 A / mm 2 and 180 A /
The magnetic field intensity distribution was calculated in a two-dimensional plane under the condition of flowing in mm 2 .
【0021】図5は、x軸に沿ったy方向の磁場強度B
yの分布を示す。図5には、メインコイル、トリムコイ
ル及びシールドコイルによって個々に生成される磁場
と、その合成磁場とを示す。図6は漏れ磁場のx軸方向
分布を示し、図7はx=0におけるy方向磁場強度By
の値をBy0とするとき均一磁場領域26でのBy/By0
のx軸方向分布を示す。また、(2次元)多極成分の係
数は、以下の〔表1〕の通りであった。FIG. 5 shows the magnetic field strength B in the y direction along the x axis.
6 shows the distribution of y. FIG. 5 shows a magnetic field individually generated by the main coil, the trim coil, and the shield coil, and a combined magnetic field thereof. FIG. 6 shows the distribution of the leakage magnetic field in the x-axis direction, and FIG. 7 shows the y-direction magnetic field intensity B y at x = 0.
When the value of B y0 is B y0 , B y / B y0 in the uniform magnetic field region 26
Of the x-axis direction is shown. Also, the coefficients of the (two-dimensional) multipole component are as shown in [Table 1] below.
【0022】[0022]
【表1】 [Table 1]
【0023】これらの図及び表1から、本発明による均
一磁場発生装置は、十分均一な磁場を均一磁場領域26
内に発生するとともに装置外部に対する漏れ磁場が非常
に小さいこと、また、2極成分以外の多極成分の係数が
ほぼ1%以下であることが分かり、従来の均一磁場発生
装置と同等の性能を発揮することができるものであるこ
とが分かる。均一磁場発生装置を構成するコイルを超電
導コイルとする場合には、それらの超電導コイルを冷却
する必要がある。図8は、冷却装置としてクライオスタ
ットを使用した本発明による均一磁場発生装置のコイル
群の断面模式図である。From these figures and Table 1, it can be seen that the uniform magnetic field generating apparatus according to the present invention generates a sufficiently uniform magnetic field in the uniform magnetic field region 26.
It can be seen that the leakage magnetic field generated inside and outside the device is very small, and that the coefficient of multi-pole components other than the dipole component is almost 1% or less. It turns out that it can be demonstrated. When the coils constituting the uniform magnetic field generator are superconducting coils, the superconducting coils need to be cooled. FIG. 8 is a schematic sectional view of a coil group of a uniform magnetic field generator according to the present invention using a cryostat as a cooling device.
【0024】メインコイル20(23)、トリムコイル
21(24)、シールドコイル23(25)が平面状に
配置されているために、これらのコイルを収納するコイ
ル容器30,33として断面形状が単純な矩形形状であ
る平板状の容器を採用することができる。コイルに電流
を流して励磁すると各コイルに電磁力が作用してコイル
容器全体が変形しようとする。従って、設計時に、それ
らの予想される電磁力に耐えられるようにコイル容器3
0,33の肉厚を設定し、あるいはコイル容器30,3
3の変形量が許容値以下になるようにコイル容器の肉
厚、形状を決める。Since the main coil 20 (23), the trim coil 21 (24), and the shield coil 23 (25) are arranged in a plane, the cross-sectional shapes of the coil containers 30, 33 for storing these coils are simple. A flat container having a rectangular shape can be employed. When current is applied to the coils to excite them, electromagnetic force acts on each coil, and the entire coil container tends to deform. Therefore, at the time of design, the coil container 3 is designed to withstand the expected electromagnetic force.
0, 33, or the coil containers 30, 3
The thickness and shape of the coil container are determined so that the deformation amount of No. 3 is equal to or less than the allowable value.
【0025】そして、コイル容器30,33への熱侵入
量を低減するために、コイル容器30,33の外側に8
0Kシールド又は輻射シールド31,34を設ける。更
に、これらのコイル容器30,33及び80Kシールド
31,34を真空容器32,35内に収納した構造にす
ることにより、クライオスタットを構成することができ
る。コイル容器30は支持構造物36,37によって真
空容器32内に固定され、コイル容器33は支持構造物
38,39によって真空容器35内に固定される。ま
た、上下の真空容器32,35は数ヶ所に設けられた帯
状の支持枠40によって連結され、固定される。以上の
説明でも分かるように、最も内側のコイルの断面の配置
形状が平面状であるために、クライオスタット全体の断
面形状が非常にシンプルになる利点がある。In order to reduce the amount of heat entering the coil containers 30 and 33, 8
0K shields or radiation shields 31 and 34 are provided. Furthermore, a cryostat can be formed by adopting a structure in which these coil containers 30, 33 and 80K shields 31, 34 are housed in vacuum containers 32, 35. The coil container 30 is fixed in the vacuum container 32 by support structures 36 and 37, and the coil container 33 is fixed in the vacuum container 35 by support structures 38 and 39. The upper and lower vacuum vessels 32 and 35 are connected and fixed by belt-like support frames 40 provided at several places. As can be seen from the above description, since the arrangement of the innermost coil in cross section is planar, there is an advantage that the cross sectional shape of the entire cryostat is very simple.
【0026】図9は、他のコイル冷却方法を採用した均
一磁場発生装置の断面模式図である。この図では簡単の
ため、コイル容器外側の80Kシールド、真空容器、上
下のコイル群を固定する支持構造等は図示を省略した。
この例では、コイル容器45,46をアルミニウムや銅
などの熱伝導度の高い材料のブロックとする。超電導コ
イル20〜22,23〜25は、コイル容器45,46
を構成する高熱伝導度ブロックの内部に熱的に接触させ
て埋設する。コイル容器45,46すなわち高熱伝導度
ブロックは、GM冷凍機などの冷凍機ユニット47,4
8で冷却する。このような構造とすることで、液体ヘリ
ウム等の冷媒をコイル容器内に循環させることなく、伝
導冷却によって各コイルを超伝導状態にすることができ
る。FIG. 9 is a schematic sectional view of a uniform magnetic field generator employing another coil cooling method. For simplicity, the illustration of the 80K shield outside the coil container, the vacuum container, the support structure for fixing the upper and lower coil groups, and the like are omitted in FIG.
In this example, the coil containers 45 and 46 are blocks made of a material having high thermal conductivity such as aluminum and copper. The superconducting coils 20 to 22 and 23 to 25 are coil containers 45 and 46, respectively.
Embedded in the inside of the high thermal conductivity block constituting the above. The coil containers 45 and 46, that is, the high thermal conductivity blocks are provided with refrigerator units 47 and 4 such as GM refrigerators.
Cool at 8. With such a structure, each coil can be brought into a superconducting state by conduction cooling without circulating a coolant such as liquid helium in the coil container.
【0027】図10は、本発明による均一磁場発生装置
の他の例を示す模式的断面図である。この例の均一磁場
発生装置は、メインコイル、トリムコイル、シールドコ
イルを組み合わせたものを薄く製作したものを重ねて
(図示の例の場合3層に重ねる)全体のコイル群を構成
する。すなわち、上方のコイル群は、薄く製作されたメ
インコイル50a、トリムコイル51a、シールドコイ
ル52aの層と、メインコイル50b、トリムコイル5
1b、シールドコイル52bの層と、メインコイル50
c、トリムコイル51c、シールドコイル52cの層を
重ねて構成される。同様に下方のコイル群は、薄く製作
されたメインコイル53a、トリムコイル54a、シー
ルドコイル55aの層と、メインコイル53b、トリム
コイル54b、シールドコイル55bの層と、メインコ
イル53c、トリムコイル54c、シールドコイル55
cの層を重ねて構成される。FIG. 10 is a schematic sectional view showing another example of the uniform magnetic field generator according to the present invention. In the uniform magnetic field generating apparatus of this example, a combination of a main coil, a trim coil, and a shield coil, which are thinly formed, are stacked (three layers in the illustrated example) to form an entire coil group. That is, the upper coil group includes a main coil 50a, a trim coil 51a, and a shield coil 52a, which are made thin, a main coil 50b, and a trim coil 5a.
1b, the layer of the shield coil 52b and the main coil 50
c, the trim coil 51c and the shield coil 52c are layered. Similarly, the lower coil group includes a main coil 53a, a trim coil 54a, and a shield coil 55a, a thin layer, a main coil 53b, a trim coil 54b, a shield coil 55b, a main coil 53c, a trim coil 54c, Shield coil 55
It is configured by stacking layers of c.
【0028】薄い各コイルは、コイルが平面状であるた
めNCマシーンを用いて容易に巻線できる。薄いコイル
を層状に重ねることによりコイル配置の自由度が増し、
さらに各コイルに流す電流値を調整することにより精密
な均一磁場を発生することが可能となるEach thin coil can be easily wound using an NC machine because the coil is flat. By stacking thin coils in layers, the degree of freedom of coil arrangement increases,
Furthermore, it is possible to generate a precise uniform magnetic field by adjusting the value of the current flowing through each coil.
【0029】[0029]
【発明の効果】本発明によると、均一磁場を発生するコ
イルを平面的に配置することができ、均一磁場発生装置
の性能、利便性などを向上させることができる。According to the present invention, coils for generating a uniform magnetic field can be arranged in a plane, and the performance and convenience of the uniform magnetic field generator can be improved.
【図1】本発明による均一磁場発生装置の概念図。FIG. 1 is a conceptual diagram of a uniform magnetic field generator according to the present invention.
【図2】リングサイクロトロン装置を概念的に示す平面
図。FIG. 2 is a plan view conceptually showing a ring cyclotron device.
【図3】本発明による均一磁場発生装置の一例の概略斜
視図。FIG. 3 is a schematic perspective view of an example of a uniform magnetic field generator according to the present invention.
【図4】図3のBB′断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 3;
【図5】x軸に沿ったy方向の磁場強度By の分布を示
す図。5 is a diagram showing the distribution of magnetic field strength B y in the y direction along the x-axis.
【図6】漏れ磁場のx軸方向分布を示す図。FIG. 6 is a diagram showing an x-axis direction distribution of a leakage magnetic field.
【図7】中心付近でのBy のx軸方向分布を示す図。7 is a diagram showing the x-axis direction distribution of B y in the vicinity of the center.
【図8】冷却装置としてクライオスタットを使用した本
発明による均一磁場発生装置のコイル群の一例の断面模
式図。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of a coil group of a uniform magnetic field generator according to the present invention using a cryostat as a cooling device.
【図9】他のコイル冷却方法を採用した均一磁場発生装
置の断面模式図。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a uniform magnetic field generator using another coil cooling method.
【図10】本発明による均一磁場発生装置の他の例を示
す模式的断面図。FIG. 10 is a schematic sectional view showing another example of the uniform magnetic field generator according to the present invention.
【図11】従来のリングサイクロトロン装置のビーム入
射系やビーム出射系に配置される均一磁場発生装置の概
略斜視図。FIG. 11 is a schematic perspective view of a uniform magnetic field generator disposed in a beam incidence system and a beam emission system of a conventional ring cyclotron device.
【図12】図11のAA′断面図。FIG. 12 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 11;
1…メインコイル、2…トリムコイル、3…シールドコ
イル、10…荷電粒子ビーム、11a〜11c…荷電粒
子入射系を構成する均一磁場発生装置、12a〜12d
…セクター電磁石、13a,13b…高周波加速空洞、
14a,14b…荷電粒子ビーム取出し系を構成する均
一磁場発生装置、20,23…メインコイル、21,2
4…トリムコイル、22,25…シールドコイル、26
…均一磁場領域、30,33…コイル容器、31,34
…80Kシールド、32,35…真空容器、36〜39
…支持構造物、40…支持枠、45,46…コイル容
器、47,48…冷凍機ユニット、50a〜50c…メ
インコイル、51a〜51c…トリムコイル、52a〜
52c…シールドコイル、53a〜53c…メインコイ
ル、54a〜54c…トリムコイル、55a〜55c…
シールドコイル、56…均一磁場領域、100〜104
…メインコイル、102,105…シールドコイルDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Main coil, 2 ... Trim coil, 3 ... Shield coil, 10 ... Charged particle beam, 11a-11c ... Uniform magnetic field generator which comprises a charged particle incident system, 12a-12d
... Sector electromagnets, 13a, 13b ... High frequency accelerating cavities,
14a, 14b: Uniform magnetic field generator constituting a charged particle beam extraction system, 20, 23: Main coil, 21, 22
4: Trim coil, 22, 25: Shield coil, 26
... Uniform magnetic field region, 30, 33 ... Coil container, 31, 34
... 80K shield, 32,35 ... Vacuum container, 36-39
... Support structure, 40 ... Support frame, 45, 46 ... Coil container, 47,48 ... Refrigerator unit, 50a-50c ... Main coil, 51a-51c ... Trim coil, 52a-
52c: shield coil, 53a to 53c: main coil, 54a to 54c: trim coil, 55a to 55c ...
Shield coil, 56: uniform magnetic field region, 100 to 104
... Main coil, 102,105 ... Shield coil
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05H 13/00 G01N 24/06 520J (72)発明者 後藤 彰 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (72)発明者 矢野 安重 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 Fターム(参考) 2G085 AA11 BC04 BC09 4C096 AB42 AD08 CA02 CA15 CA22 CA27 CA35 CA36 CA39 CA40 CA52 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H05H 13/00 G01N 24/06 520J (72) Inventor Akira Goto 2-1, Hirosawa, Wako-shi, Saitama Pref. RIKEN ( 72) Inventor Yasushige Yano 2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama F-term in RIKEN (Reference) 2G085 AA11 BC04 BC09 4C096 AB42 AD08 CA02 CA15 CA22 CA27 CA35 CA36 CA39 CA40 CA52
Claims (8)
一な磁場を発生する均一磁場発生装置において、 平面的に配置された複数のコイルからなるコイル群を用
い、前記コイル群で囲まれた領域に空間的に均一な磁場
を発生すると共に、前記コイル群の外部の漏れ磁場を所
定の値以下に低減することを特徴とする均一磁場発生装
置。1. A uniform magnetic field generating apparatus for generating a spatially uniform magnetic field by combining a plurality of coils, wherein a coil group including a plurality of coils arranged in a plane is used, and a region surrounded by the coil group is used. And generating a spatially uniform magnetic field and reducing a leakage magnetic field outside the coil group to a predetermined value or less.
2組のコイル群で挟まれた領域の中央部分に空間的にほ
ぼ均一な磁場を発生するとともに、外部の漏れ磁場を所
定の値以下に低減することを特徴とする請求項1記載の
均一磁場発生装置。2. A method according to claim 1, further comprising: arranging the two coil groups in parallel, generating a spatially substantially uniform magnetic field in a central portion of a region sandwiched between the two coil groups, and reducing an external leakage magnetic field to a predetermined value. The uniform magnetic field generator according to claim 1, wherein the value is reduced to a value or less.
メインコイルの発生する磁場を補正して前記中央部分の
磁場均一度を高めるために主として作用するトリムコイ
ルと、外部の漏れ磁場を所定の値以下に低減するように
主として作用するシールドコイルからなることを特徴と
する請求項1又は2記載の均一磁場発生装置。3. The coil group includes a main coil, a trim coil mainly acting to correct a magnetic field generated by the main coil to increase the magnetic field uniformity of the central portion, and an external leakage magnetic field by a predetermined amount. The uniform magnetic field generator according to claim 1 or 2, comprising a shield coil that mainly acts so as to reduce the value to a value less than or equal to the value.
内側に配置され、前記シールドコイルは前記メインコイ
ルの外側に配置されていることを特徴とする請求項3記
載の均一磁場発生装置。4. The uniform magnetic field generator according to claim 3, wherein the trim coil is disposed inside the main coil, and the shield coil is disposed outside the main coil.
30°の方向に配置されていることを特徴とする請求項
3又は4記載の均一磁場発生装置。5. The uniform magnetic field generator according to claim 3, wherein the main coil is disposed in a direction substantially at 30 ° with respect to a center plane.
ールドコイルは超電導コイルであることを特徴とする請
求項3、4又は5記載の均一磁場発生装置。6. The uniform magnetic field generator according to claim 3, wherein said main coil, trim coil and shield coil are superconducting coils.
ールドコイルは平板状のクライオスタット内に配置され
ていることを特徴とする請求項6記載の均一磁場発生装
置。7. The uniform magnetic field generator according to claim 6, wherein said main coil, trim coil and shield coil are arranged in a flat cryostat.
ールドコイルは、各々薄いコイルを多層に重ね合わせて
構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれ
か1項記載の均一磁場発生装置。8. The uniform magnetic field generator according to claim 1, wherein said main coil, trim coil and shield coil are each formed by superimposing thin coils in a multilayer. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10217180A JP2000046999A (en) | 1998-07-31 | 1998-07-31 | Uniform magnetic field generator |
Applications Claiming Priority (1)
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JP10217180A JP2000046999A (en) | 1998-07-31 | 1998-07-31 | Uniform magnetic field generator |
Publications (1)
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---|---|
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ID=16700127
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Country | Link |
---|---|
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JP2017003546A (en) * | 2015-06-16 | 2017-01-05 | 株式会社日立製作所 | Superconductive deflection electromagnet for beam and beam deflection device using the same |
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- 1998-07-31 JP JP10217180A patent/JP2000046999A/en active Pending
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