CN104112561B - 超导磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导磁铁，其能够降低发生骤冷的危险，并且能够实现缩小超导线圈内周侧的部件配置空间的同时限制超导线圈。本发明的超导磁铁（1）具备：超导线圈（8），其为空心线圈；1对框体（10a、10d），从超导线圈（8）的中心轴线（C）方向的两侧以夹持的方式支承超导线圈（8）；外周侧限制部（31），在超导线圈（8）的外周侧沿中心轴线（C）方向延伸而限制1对框体（10a、10d）；及带状或线状的内周侧张力赋予部（22），在超导线圈（8）的内周侧沿中心轴线（C）方向延伸而与1对框体（10a、10d）连接，并沿中心轴线（C）方向赋予张力。

Description

超导磁铁

技术领域

本申请主张基于2013年4月19日申请的日本专利申请第2013-088512号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种具有超导线圈的超导磁铁。

背景技术

以往，作为这类领域的技术已知有例如专利文献1。专利文献1所记载的超导磁铁具备圆筒状的真空容器，在真空容器的中央部形成有沿上下方向贯穿的空间。在真空容器内配置有用于在该空间产生强磁场的超导线圈。卷绕有超导线圈的卷绕框由圆筒状的内框及形成在内框的两端的1对凸缘构成。超导线圈的上方设置有与GM（吉福德-麦克马洪）制冷机一体化的冷却构件。该冷却构件的冷头经由冷却台与上部的凸缘连接。通过冷却构件冷却超导线圈，从而能够产生强磁场。

专利文献1中记载的超导磁铁适用于硅单晶提拉装置，用作所谓MCZ（外加磁场直拉）法的强磁场源。作为由MCZ法进行的硅单晶提拉装置，已知有例如专利文献2中记载的装置。该装置具备容纳单晶硅原料的坩埚，坩埚的一侧设置有作为强磁场源的磁铁。专利文献2所记载的磁铁由不具有内框的空心线圈构成。

专利文献1：日本特开2004-319777号公报

专利文献2：日本特开昭63-297292号公报

为了将线圈设为超导状态，需要将线圈冷却成超低温。若发生形成线圈的线材进行收缩且摆动的线运动，则一线材与相邻的线材和内框的相对位置偏离时产生摩擦热。若通过该摩擦热，线圈的温度超过临界温度，则会破坏超导状态。该超导状态的破坏被称为骤冷。为了抑制骤冷的发生，要求采用空心线圈。空心线圈中不存在内框且不存在线圈内周侧的机械限制力，因此需要设置在线圈内周侧产生限制力的部件。

并且，设计超导磁铁时，计算由超导磁铁产生的磁场及用于产生该磁场的电流等设计条件，并根据该设计条件决定线圈的卷绕数及内径等设计事项。决定这些设计事项后，决定用来保持线圈的部件的配置，因此在线圈的内周侧配置部件的空间受到限制。若在线圈的内周侧，为了确保部件的配置空间，以扩大线圈的内径的方式变更设计，则有可能产生磁场变小、需要增加线圈的卷绕数或增加流过线圈的电流的不良情况。通过变更线圈的设计，例如会妨碍超导磁铁的小型化。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种超导磁铁，其具备作为空心线圈的超导线圈，其中，即使部件的配置空间在超导线圈的内周侧较窄的情况下，也能够通过配置机械性限制部件来限制超导线圈，从而能够降低发生骤冷的危险。

本发明的超导磁铁具备：超导线圈，由空心线圈构成；1对框体，从超导线圈的中心轴线方向的两侧以夹持的方式支承超导线圈；外周侧限制部，在超导线圈的外周侧沿中心轴线方向延伸而限制1对框体；及带状或线状的内周侧张力赋予部，在超导线圈的内周侧沿中心轴线方向延伸而与1对框体连接，并沿中心轴线方向赋予张力。

根据该超导磁铁，由于超导线圈为空心线圈，因此超导线圈的内周侧不存在内框。由此，不会发生超导线圈与内框摩擦而产生摩擦热的情况，因此能够降低发生骤冷的危险。并且，该超导磁铁具备从超导线圈的中心轴线方向的两侧以夹持的方式支承超导线圈的1对框体，1对框体通过在超导线圈的外周侧沿中心轴线方向延伸的外周侧限制部受到限制，并且通过在超导线圈的内周侧沿中心轴线方向延伸的带状或线状的内周侧张力赋予部受到限制。内周侧张力赋予部为带状或线状，因此即使配置空间在超导线圈的内周侧较少的情况下，也能够在内周侧配置张力赋予部。并且，内周侧张力赋予部与沿中心轴线方向赋予张力的1对框体连接，因此能够限制1对框体并从中心轴线方向的两侧保持超导线圈。

超导磁铁可构成为还具备能够调整赋予到内周侧张力赋予部的张力的张力调整部。根据该结构的超导磁铁，能够通过调整赋予到内周侧张力赋予部的张力来适当限制超导线圈。通过增加张力，能够增加拉近1对框体的夹紧力，通过减少张力，能够缓和由1对框体产生的紧固力。由此，能够可靠地限制超导线圈。

并且，张力调整部具有将内周侧张力赋予部的长边方向的端部紧固在框体上的棒状紧固部件，可通过调整由紧固部件进行的紧固，调整赋予到内周侧张力赋予部的张力。根据该结构的超导磁铁，能够通过紧固或松动棒状的紧固部件，移动内周侧张力赋予部的端部来调整张力。

优选紧固部件在框体的中心轴线方向的外表面侧沿超导线圈的径向延伸，内周侧张力赋予部的长边方向的端部配置在框体的中心轴线方向的外表面侧，内周侧张力赋予部与框体内周侧的端部抵接，从框体的中心轴线方向的外表面侧向超导线圈的内周侧弯曲，对与内周侧张力赋予部接触的框体内周侧的端部实施R倒角加工。如上，若对框体的内周侧端部实施R倒角加工，则能够沿该端部的曲面使内周侧张力赋予部弯曲，从而能够降低内周侧张力赋予部与框体内周侧的端部摩擦而产生摩擦热的危险，并抑制骤冷的发生。

优选超导磁铁在超导线圈的径向上，在超导线圈与内周侧张力赋予部之间设置间隙。由此，能够构成为超导线圈与内周侧张力赋予部不接触，因此超导线圈与内周侧张力赋予部摩擦而产生摩擦热的危险消失，从而能够抑制骤冷的发生。

框体的超导线圈内周侧的端部可构成为比超导线圈的内周面更向内侧伸出。由此，通过将内周侧张力赋予部与框体内周侧的端部抵接来限制位置，从而能够在超导线圈与内周侧张力赋予部之间轻松地设置间隙。

发明效果：

根据本发明，在具备作为空心线圈的超导线圈的超导磁铁中，能够降低发生骤冷的危险，能够实现缩小超导线圈的内部侧的部件配置空间的同时限制超导线圈。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的第1实施方式的超导磁铁的概要剖视图。

图2是表示图1的超导磁铁的立体图。

图3是沿图2的III-III线的剖视图。

图4是沿超导线圈的径向D的剖视图。

图5是表示本发明所涉及的第2实施方式的超导磁铁的概要剖视图。

图中：1、51-超导磁铁，2-超导线圈体，6-制冷机（冷却构件），8、9-超导线圈，8a、9a-空心部，8b-内周，10a-上环部件（框体），10b-中间框体，10c-下环部件（框体），10f-凸缘部，10d-凸缘部，20、21-粘结剂，22、23-带，25-螺栓（棒状紧固部件），52-线状部件，60-张力调整部，A-回旋加速器，C-中心轴线。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明中，对本发明所涉及的超导磁铁适用于回旋加速器的情况进行说明。

（第1实施方式）

如图1所示，回旋加速器A为加速从离子源（未图示）供给的带电粒子而输出带电粒子束（带电粒子射束）的圆形加速器。作为带电粒子可举出例如质子、重粒子（重离子）等。回旋加速器A具有超导磁铁1。

超导磁铁1通过制冷机6被冷却且向设为超导状态的超导线圈8、9通入电流，从而产生强力磁场。回旋加速器A通过超导磁铁1产生磁场，从而加速带电粒子而输出带电粒子束。

超导磁铁1具备：具有配置在同轴上的2个超导线圈8、9的超导线圈体2；容纳超导线圈8、9的圆环状真空容器3；分别配置在超导线圈8、9的空心部8a、9a上的上极点（上磁极）4及下极点（下磁极）5；用于冷却超导线圈8、9的制冷机（冷却构件）6；及磁轭7。磁轭7为中空圆盘状块，其内部配置有真空容器3、上极点4及下极点5。

超导线圈体2具备：以中心轴线C为中心配置的圆环状超导线圈8、9；配置在中心轴线C方向上的超导线圈8的上端的圆环板状的上环部件10a；夹在超导线圈8与超导线圈9之间的圆环状的中间框体10b；及配置在中心轴线C方向上的超导线圈9的下端的圆环板状的下环部件10c。中间框体10b具有：位于其上端的凸缘部10d；位于其下端的凸缘部10f；及连结凸缘部10d与凸缘部10f的圆筒部10e。上环部件10a、中间框体10b及下环部件10c为金属制，能够设为例如铁制、不锈钢制或铜制。凸缘部10d在圆筒部10e的上端向外侧伸出，凸缘部10f在圆筒部10e的下端向外侧伸出。

如图1及图2所示，超导线圈8及超导线圈9为在内周侧未设置内框（或内卷绕框），且线圈（线材及固着线材的粘结材料）的内周面未通过其他部件粘结、固定的空心线圈。超导线圈8及超导线圈9沿中心轴线C方向并列配置。制造空心线圈时，能够相对于筒状内框缠绕线材来形成线圈，并通过环氧树脂等粘结剂固着线材，之后通过拔出内框而得到空心线圈。

上环部件10a及圆筒部10e在中心轴线C方向的两侧相对配置且夹持超导线圈8。圆筒部10e及下环部件10c在中心轴线C方向的两侧相对配置且夹持超导线圈9。上环部件10a、中间框体10b及下环部件10c为支承超导线圈8、9的支承部件。

超导线圈体2具备从外周侧覆盖超导线圈8、9的加强环31、32。另外，图2中省略加强环31、32的图示。加强环31、32例如为圆筒体，与超导线圈8、9的中心轴线C同轴配置。

加强环31连接配置在中心轴线C方向的两侧的上环部件10a与凸缘部10d。上环部件10a固定在加强环31的上端面31a上，凸缘部10d固定在加强环31的下端面31b上。上环部件10a及凸缘部10d相对于加强环31例如螺栓结合。在超导线圈8的径向D上，加强环31与超导线圈8之间形成有间隙G₃₁。

加强环32连接配置在中心轴线C方向的两侧的凸缘部10f与下环部件10c。凸缘部10f固定在加强环32的上端面32a上，下环部件10c固定在加强环32的下端面32b上。凸缘部10f及下环部件10c相对于加强环32例如螺栓结合。在超导线圈9的径向D上，加强环32与超导线圈9之间形成有间隙G₃₂。

加强环31、32作为在超导线圈8、9的外周侧限制沿中心轴线C分离的1对框体的外周侧限制部而发挥作用。

如图2及图3所示，超导线圈体2上设置有在超导线圈8的内周侧连接上环部件10a与圆筒部10e的多根带22（带状的内周侧张力赋予部）。超导线圈体2上设置有在超导线圈9的内周侧连接圆筒部10e与下环部件10c的多根带23（带状的内周侧张力赋予部）。带22及带23呈沿中心轴线C延伸的细长薄板状。带22及带23在周向上等间隔配置。带22及带23例如可为金属制也可为树脂制。作为金属能够使用铁、不锈钢、铜等。作为树脂能够使用FRP(FiberReinforced Plastics)。另外，图1所示的截面为未配置有带22及带23的截面。

带22的上端部22a固定在上环部件10a的内周侧。带22的上端部22a上设置有例如实心块体即连接件24。并且，连接件24上形成有螺栓孔24a，螺栓25（棒状紧固部件）插穿该螺栓孔24a，螺栓25沿径向D延伸。连接件24通过螺栓25紧固在上环部件10a上。

如图3所示，在上环部件10a的上端面10g上形成有容纳连接件24的收容部41。收容部41在径向D具有规定长度，并在上环部件10a的内周侧开口。连接件24配置在收容部41的底面41a上。并且，相对于收容部41的径向D交叉的面41b上设置有螺固螺栓25的内螺纹部41c。

与连接件24连接的带22在上环部件10a的上端面10g沿径向D配置，与收容部41的内周侧的缘部41d抵接而朝下弯曲，在超导线圈8的内周侧沿中心轴线C方向延伸。另外，与带22抵接的内周侧的缘部41d上实施有R倒角加工。带22沿内周侧的缘部41d的R部弯曲。

带22的下端部22b固定在圆筒部10e的内周侧。带22的下端部22b上设置有例如实心块体即连接件26。并且，连接件26上形成有螺栓孔26a，通过插穿螺栓孔26a并沿中心轴线C方向延伸的螺栓27而紧固于圆筒部10e。

圆筒部10e的上表面10h上形成有容纳连接件26的收容部42。收容部42在圆筒部10e的内周面17侧开口。连接件26配置在收容部42的底面42a上。收容部42的底面42a上设置有将螺栓27螺固的内螺纹部42b。

并且，连接件26比圆筒部10e的内周面17在径向D上更向内侧伸出。与连接件26连接的带22的下端部22b在径向D位置通过连接件26受到限制，因此超导线圈8的内周面8b与带22之间形成有间隙G₂₂。

另外，带23的上端部及下端部的结构为带22上下反转的结构，因此省略说明。

下环部件10c上连接有制冷机6的一部分（未图示连接部分），超导线圈8、9被冷却成约4.2K的超低温。作为制冷机6能够采用例如小型GM制冷机。作为冷却构件的制冷机6可与上环部件10a连接，也可与上环部件10a及下环部件10c这双方连接。制冷机6可与上环部件10a、中间框体10b及下环部件10c中的至少一个连接。

另外，本实施方式中，对以中心轴线C沿上下方向延伸的姿势（横置姿势）配置回旋加速器A时的情况进行说明，但回旋加速器A例如也能够以中心轴线C沿水平方向延伸的姿势（纵置姿势）配置。即，说明中的“上下左右”并不限定部件的配置方向等，也可以调换“上下”与“左右”。例如，当为纵置姿势的回旋加速器时，上极点4及下极点5能够以左极点和右极点表现。

超导线圈体2通过拉伸型支承部件11、12支承。支承部件11设置在真空容器3的内表面与上环部件10a之间。支承部件12设置在真空容器3的内表面与下环部件10c之间。支承部件11及支承部件12上下配对而配置成夹持超导线圈体2，通过相互向相反方向拉伸超导线圈体2来保持超导线圈体2的位置。另外，对支承部件11及支承部件12的数量、配置、结构等没有特别限定，可根据回旋加速器A的大小之外的设计事项适当选择。

另外，真空容器3中的固定有支承部件11、12的表面的背面侧（即中心轴线C方向上的外面侧）配置有构成磁轭7的一部分的块体7a。块体7a从中心轴线C的外侧按压真空容器3来加强真空容器3中固定有支承部件11、12的部分。

如图4所示，超导线圈8的内周8b上遍及其大致整个面涂布有粘结剂20。超导线圈9的内周9b上遍及其大致整个面涂布有粘结剂21。即使在超导线圈8、9膨胀或收缩时，粘结剂20、21也保持相对于超导线圈8、9的粘附性。粘结剂20、21例如为超低温用环氧树脂系粘结剂。粘结剂20、21不限定于环氧树脂系粘结剂，也可为其他粘结剂。

如上构成的超导磁铁1中，通过上环部件10a及圆筒部10e从中心轴线C的两侧以夹持的方式支承超导线圈8。上环部件10a及凸缘部10d固定于在超导线圈8的外周侧配置的加强环31上，且其位置受到限制。

带22在超导线圈8的内周侧沿中心轴线C方向延伸，且连接上环部件10a及圆筒部10e。带22的下端部22b通过连接件26固定于圆筒部10e，带22的上端部22a通过连接件24固定于上环部件10a。

连接件24通过沿径向D延伸的螺栓25安装于上环部件10a。通过拧紧螺栓25，连接件24在收容部41的底面41a上滑动而向径向D的外侧移动。由此，能够对带22赋予中心轴线C方向的张力。通过对带22施加张力而拉近上环部件10a及圆筒部10e，因此能够通过上环部件10a及圆筒部10e夹紧而限制超导线圈8。

另外通过拧紧螺栓25，能够增加赋予到带22的张力。由此，能够调整赋予到带22的张力来牢固地限制超导线圈8。

另一方面，通过松动螺栓25，连接件24在收容部41的底面41a上滑动而向径向D的内侧移动。由此，能够减少赋予到带22的张力。通过如上调整赋予到带22的张力，能够缓和超导线圈8的限制。超导线圈9也与超导线圈8相同，通过带23受到限制。

超导磁铁1通过制冷机6冷却超导线圈8、9而成为超低温状态。此时，带22、23也被冷却而收缩，且带22、23的张力增加。

通过向冷却成超低温而成为超导状态的超导线圈8、9通入电流，使超导磁铁1产生强磁场。回旋加速器A通过超导磁铁1产生强磁铁，从而能够加速带电粒子且输出带电粒子束。

根据超导磁铁1，由于超导线圈8、9为空心线圈，因此不存在超导线圈8、9与内框摩擦而产生摩擦热的情况，因此，能够减少骤冷的发生。并且，带22、23形成为带状，因此能够配置在超导线圈8、9的内周侧的较窄空间内。由此，能够抑制超导磁铁1的大型化，从内周侧限制超导线圈8、9来防止超导线圈8、9的线运动，从而能够抑制骤冷的发生。结果，能够提高超导磁铁1的可靠性。

超导磁铁1中能够调整赋予到带22、23的张力，因此能够可靠地限制超导线圈8、9，防止线运动，并抑制骤冷的发生。

另外，超导磁铁1中，对收容部41的内周侧的缘部41d实施R倒角加工，因此能够沿该缘部41d弯曲带22、23，从而能够降低带22、23与缘部41d摩擦而产生摩擦热的危险，并抑制骤冷的发生。

并且，超导磁铁1中，在超导线圈8的径向D上，超导线圈8与带22之间设置有间隙，因此构成为超导线圈8与带22不接触，从而能够消除产生摩擦热的危险，并防止骤冷的发生。

（第2实施方式）

第2实施方式的超导磁铁51与第1实施方式的超导磁铁1的不同点在于，具备线状内周侧张力赋予部来代替带22这一点，以及能够调整赋予到内周侧张力赋予部的张力的张力调整部的结构。

如图5所示，超导磁铁51在超导线圈8的内周侧具备连接上环部件10a与圆筒部10e的环形的线状部件52。线状部件52沿中心轴线C方向延伸。线状部件52挂饶于沿上下方向分离配置的销53及销54。

下侧的销54被固定在圆筒部10e上的连接件55支承。销54配制在例如与径向D正交的方向上。连接件55相比圆筒部10e的内周面17更向中心轴线C伸出，销54在比超导线圈8更靠中心轴线C侧限制线状部件52的下端侧的位置。

上侧的销53被设置在上环部件10a上的张力调整部60支承。张力调整部60绕固定在上环部件10a的旋转轴61旋转移动，且具备能够调整销53的位置的位置调整部件62。旋转轴61在比上环部件10a更靠上侧分离配制。与位置调整部件62的上环部件10a相对的面形成为曲面。该曲面62a的曲率半径形成为根据周向的位置逐渐变化。即，通过旋转移动位置调整部件62，能够改变与上环部件10a抵接的位置调整部件62的曲面62a的位置，从而调整位置调整部件62按压上环部件10a的力。

位置调整部件62通过沿上下方向延伸的螺栓63从上方被按压。螺栓63被设置有内螺纹部64的支承部件65支承。支承部件65固定在上环部件10a上，螺栓63螺固在内螺纹部64。通过拧入螺栓63，螺栓63向下方移动从而改变位置调整部件62的旋转位置。若螺栓63被拧入，则位置调整部件62以旋转轴61为支点旋转移动，销53向上方移动，从而能够增加赋予到线状部件52的张力。由此，能够使上环部件10a及圆筒部10e在中心轴线C方向拉近，从而从两侧夹紧超导线圈8。

这种超导磁铁51在超导线圈8的内周侧具备沿中心轴线C方向赋予张力的线状部件52，因此能够抑制超导线圈8的线运动，从而降低骤冷的发生。另外，超导磁铁51可构成为代替环形的线状部件52而具备由环形带构成的内周侧张力赋予部。并且，可将长边方向的端部上设置有连接件的带状或线状的内周侧张力赋予部与销53、54连接。

本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行如下述的各种变形。

作为在超导线圈的外周侧沿中心轴线C方向延伸而限制1对框体的外周侧限制部，构成为具备柱状加强环31，但外周侧限制部也可以为沿周向以规定间隔配制的棒状部件。

超导磁铁1、51可通过隔热材料覆盖超导线圈8、9，从而提高冷却效率。

超导磁铁1的超导线圈体2并不限定于具有2个超导线圈8、9的情况，可以具有1个或3个以上超导线圈。

并且，本发明所涉及的超导磁铁并不限定于回旋加速器，能够适用于由MCZ法进行的硅单晶提拉装置中。只要是要求强磁场的装置，则超导磁铁能够适用于任何装置中。

Claims (6)

1.一种超导磁铁，其特征在于，具备：

超导线圈，由在内周侧没有设置内卷绕框的空心线圈构成；

1对框体，从所述超导线圈的中心轴线方向的两侧以夹持的方式支承一个所述超导线圈；

外周侧限制部，在所述超导线圈的外周侧沿所述中心轴线方向延伸而限制所述1对框体；及

带状或线状的内周侧张力赋予部，在所述超导线圈的内周侧沿所述中心轴线方向延伸而与所述1对框体连接，并沿所述中心轴线方向赋予张力，

在所述超导线圈的内周面与所述内周侧张力赋予部之间形成有间隙。

2.根据权利要求1所述的超导磁铁，其特征在于，

所述超导磁铁进一步具备能够调整赋予到所述内周侧张力赋予部的所述张力的张力调整部。

3.根据权利要求2所述的超导磁铁，其特征在于，

所述张力调整部具有将所述内周侧张力赋予部的长边方向的端部紧固在所述框体上的棒状紧固部件，通过调整由所述紧固部件进行的夹紧，调整赋予到所述内周侧张力赋予部的所述张力。

4.根据权利要求3所述的超导磁铁，其特征在于，

所述紧固部件在所述框体的所述中心轴线方向的外表面上沿所述超导线圈的径向延伸，

所述内周侧张力赋予部的长边方向的所述端部配置在所述框体的所述中心轴线方向的外表面上，

所述内周侧张力赋予部与所述框体的所述内周侧的端部抵接，而被从所述框体的所述中心轴线方向的外表面侧向所述超导线圈的内周面弯曲，

对与所述内周侧张力赋予部接触的所述框体的所述内周面的端部实施R倒角加工。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的超导磁铁，其特征在于，

在所述超导线圈的径向上，在所述超导线圈与所述内周侧张力赋予部之间设置有间隙。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的超导磁铁，其特征在于，

所述框体的所述超导线圈内周侧的端部比所述超导线圈的内周面更向内侧伸出。