CN114342004A - 电磁场控制用构件 - Google Patents

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CN114342004A CN202080059832.4A CN202080059832A CN114342004A CN 114342004 A CN114342004 A CN 114342004A CN 202080059832 A CN202080059832 A CN 202080059832A CN 114342004 A CN114342004 A CN 114342004A
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Abstract

电磁场控制用构件具备：第1绝缘构件，包含筒状的陶瓷，具有沿着轴向延伸的多个贯通孔；导通构件，包含金属，堵塞贯通孔以使得具有在第1绝缘构件的外周开口的开口部；供电端子，与该导通构件连接；和凸缘，位于第1绝缘构件的两端，在第1绝缘构件的外周侧配置包含筒状的陶瓷的第2绝缘构件，该第2绝缘构件的两端被气密地固定于凸缘。

Description

电磁场控制用构件
技术领域
本公开涉及用于使电子、重粒子等带电粒子加速的加速器等中使用的电磁场控制用构件。
背景技术
以往，用于使电子、重粒子等带电粒子加速的加速器中使用的电磁场控制用构件谋求高速性、高磁场输出性以及高反复性。关于这些性能的提高，由高能加速器研究机构的满田史织等提出了陶瓷腔室-一体型脉冲磁体(Ceramics Chamber with integratedPulsed-Magnet，以下称为CCiPM。)(非专利文献1)。
CCiPM具备包含陶瓷的圆筒状的绝缘构件，在沿着该绝缘构件的轴向形成、并将绝缘构件的厚度方向贯通的贯通孔中埋设有基板状的线圈。并且，线圈作为将绝缘构件的内部与外部分开的隔壁的一部分而发挥作用，确保绝缘构件的内部的气密性。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：满田史织等12人《在KEK-PF环形光束传输路径转储线处的陶瓷腔室-一体型脉冲磁束性能测试》
发明内容
本公开的电磁场控制用构件具备：第1绝缘构件，包含筒状的陶瓷，具有沿着轴向延伸的多个贯通孔；导通构件，包含金属，堵塞贯通孔以使得具有在第1绝缘构件的外周开口的开口部；供电端子，与该导通构件连接；和凸缘，位于第1绝缘构件的两端，在第1绝缘构件的外周侧配置包含筒状的陶瓷的第2绝缘构件，该第2绝缘构件的两端被气密地固定于所述凸缘。
附图说明
图1A是表示本公开的一实施方式所涉及的电磁场控制用构件的主视图。
图1B是图1A中的A-A′线剖视图。
图1C是图1A中的B-B′线剖视图。
图2是图1B中的F部的放大图。
图3是图1C中的G部的放大图。
图4A是图1C中的C-C′线剖视图。
图4B是图4A中的D部的放大图。
图4C是图4A中的E部的放大图。
图5是表示图1A的凸缘的主视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的一实施方式所涉及的电磁场控制用构件进行说明。在本例中，作为电磁场控制用构件的一实施方式，对CCiPM(陶瓷腔室一体型脉冲磁体)的一例进行说明。
图1A是表示作为CCiPM的本公开的一实施方式所涉及的电磁场控制用构件100。图1所示的电磁场控制用构件100具备：绝缘构件1、分别位于该绝缘构件的两端的凸缘2、2。
如图1A中的A-A′线剖视图即图1B以及B-B′线剖视图即图1C所示，绝缘构件1具备：包含筒状的陶瓷的第1绝缘构件11、被配置于第1绝缘构件11的外周侧的包含筒状的陶瓷的第2绝缘构件12，在内部形成由第1绝缘构件11的内周面包围的空间14。第2绝缘构件12通过后述的套筒9的安装而被定位(参照图4B、图4C)。
第1绝缘构件11具有沿着轴向延伸的多个贯通孔3。在此，所谓轴向，是沿着包含筒状的陶瓷的绝缘构件1的中心轴的方向。此外，在第2绝缘构件12设有与第1绝缘构件11的贯通孔3连通的贯通孔31。
绝缘构件1在两端部分别设置多个第1供电端子5以及第2供电端子6。如图1B所示，相邻的第1供电端子5、5为了形成磁场而通过引线16连接。此外，在第2供电端子6连接有供电用的连接部件23。
如将图1B中的F部放大的图2以及将图1C中的G部放大的图3分别所示，在贯通孔3配置有导通构件4。导通构件4包含金属，与贯通孔3一起在轴向延伸，如图2、图3所示将贯通孔3堵塞，形成有在第1绝缘构件11的外周开口的开口部13。通过导通构件4堵塞贯通孔3，由此确保被第1绝缘构件11的内周面包围的空间14(参照图1B、图1C、图4A)的气密性。
在此，导通构件4的轴向的两端面可以是在俯视下朝向轴向延伸的曲面状。
若导通构件4的轴向的两端面为这种形状，则即使反复加热以及冷却，也能够减少在导通构件4的轴向的两端面附近残留的热应力。
如图2、图3所示，贯通孔3可以是从第1绝缘构件11的内周侧向外周侧、内壁间的宽度逐渐增加的、即锥形面。在贯通孔3是这种锥形面时，即使反复加热以及冷却，在第1绝缘构件11残留的应力也被缓和，因此能够在整个长期间抑制第1绝缘构件11中的裂纹。
并且，在贯通孔3是具有锥形面的贯通孔时，对置的内壁所成的角度θ1(参照图3)可以是12°以上且20°以下。在角度θ1是该范围时，能够维持绝缘构件1的机械强度，并且能够进一步抑制向绝缘构件1的裂纹。另外，在测定相对置的内壁所成的角度θ1时，在与轴向正交的断面进行测定即可。
可以形成贯通孔4的两端面的至少任一者在图4C所示的剖视下，朝向轴向的两端而倾斜。中心轴的法线n与端面所成的角度θ2例如为4°以上且12°以下。
另一方面，第2绝缘构件12的贯通孔31的内壁间的宽度从第2绝缘构件12的内周侧向外周侧而大致一定。也就是说，如图2、图3所示，在第2绝缘构件12的贯通孔31内的外周侧设置台阶部24，在该台阶部24的表面形成金属化层22，进而将后述的第1套筒20的前端部插入台阶部24内进行固定，将内壁间的宽度设为大致一定。由此，能够使得被第2绝缘构件11的内周面包围的空间的气密性更加提高。作为其结果，电磁场控制用构件100的气密度通过基于He泄漏检测器的测定例如能够设为1.3×10-11Pa·m3/s以下。
另外，也可以与贯通孔3同样，是贯通孔31的内壁间的宽度逐渐增加的锥形面。
导通构件4是确保用于为了使空间14内移动的电子、重粒子等加速或者偏向而流过被激励的感应电流的导电区域的构件。导通构件4的第1绝缘构件11的内周侧可以是平面状，但是如图2、图3所示那样，优选沿着第1绝缘构件11的内周11c而弯曲。
为了在沿着轴向而配置的导通构件4的两端附近对导通构件4提供电力，第1供电端子5以及第2供电端子6分别穿过第2绝缘构件12的贯通孔31，与第1绝缘构件11的贯通孔3内的导通构件4连接。
此外，如图2、图3所示，在夹着贯通孔3而相互对置的第1绝缘构件11的两内壁，形成有金属化层15。该金属化层15可以位于第1绝缘构件11与导通构件4之间。此外，金属化层15从第1供电端子5形成至第2供电端子6(参照图4A)。
金属化层15例如列举以钼为主成分并包含锰。此外，也可以在金属化层15的表面具备以镍为主成分的金属层。
金属化层15的厚度例如为15μm以上且45μm以下。金属层的厚度例如为0.01μm以上且0.1μm以下。
导通构件4经由金属化层15、金属层，通过银焊料(例如BAg-8、BAg-8A、BAg-8B)等的焊料而与第1绝缘构件11接合。
如图2所示，第1供电端子5具备：销18，沿着绝缘构件1的径向被插入贯通孔3、31内；块19，被螺纹紧固于该销18的前端部；第1套筒20，前端部被插入第2绝缘构件12内，与第2绝缘构件12的内壁面接合；和第2套筒21，被嵌入该第1套筒20的后端扩径部内，与第1套筒20接合。
第1套筒20经由在第2绝缘构件12的内壁面所形成的金属化层22，通过银焊料(例如BAg-8、BAg-8A、BAg-8B)等的焊料而与第2绝缘构件12接合。
第1供电端子5的销18在位于第2绝缘构件12的外周侧的后端部，连接引线16。销18以及引线16例如包含无氧铜(例如JIS H 3100：2012中规定的合金编号为C1020或者JIS H3510：2012中规定的合金编号为C1011等)。块19将销18螺纹紧固来进行保持，底面被固定于导通构件4的表面。导通构件4介于在第1绝缘构件11的两内壁所形成的金属化层15之间，经由金属化层15而钎焊于第1绝缘构件1。由此，可靠地保持导通构件4。
例如，块19包含无氧铜(C1020、C1011等)，第1套筒20、第2套筒21均包含钛(例如JIS H4600：2012中规定的种类为1种、2种、3种、4种等)。第1套筒20与第2套筒21例如通过作为电弧电解法的一种的TIG焊接来接合，此外，销18与第2套筒21通过银焊料(例如BAg-8、BAg-8A、BAg-8B)等的焊料来接合，均对想要从块19与销18的螺纹部的间隙向外部泄露的气体进行气密密封。在第1套筒20以及第2套筒21均包含钛的情况下，TIG焊接较为容易，气密度的可靠性得以提高。
图3所示的第2供电端子6取代引线16而连接构件23嵌合于销18，除此以外与图2所示的第1供电端子5相同，因此对于同一构件赋予同一符号并省略说明。
如图4A所示，第1绝缘构件11的两端被凸缘2固定而进行气密密封。也就是说，由于位于第1绝缘构件11的内部的空间14是用于通过高频或者脉冲的电磁场而使在空间14内移动的电子、重粒子等进行加速或者偏向的空间，因此需要确保真空。另外，凸缘2是与用于将空间14设为真空的真空泵连接的构件。
如图5所示，凸缘2具备：环状基部2a、从环状基部2a的外周面向径向延伸的多个延伸部2b。延伸部2b通过作为电弧焊接法的一种的TIG焊接来接合于环状基部2a的外周面，在图5所示的例子中，沿着圆周方向等间隔地设置4个。延伸部2b具有沿着厚度方向具备雌螺纹部的插入孔2c，具有雄螺纹部的轴S被插入至插入孔2c，从延伸部2b的厚度方向两侧通过螺母(未图示)进行紧固，从而在绝缘构件1的两端分别安装的凸缘2、2被相互连结。
环状基部2a沿着圆周方向而等间隔地具备用于与真空泵侧的凸缘(未图示)连接的安装孔2d，螺栓等的紧固构件被插入该安装孔2d，从而相互的凸缘被紧固。
凸缘2、轴S以及螺母可以包含奥氏体系不锈钢。由于奥氏体系不锈钢是非磁性，因此能够相对于电磁场控制用构件100，减少由凸缘2产生的磁所带来的影响。特别地，凸缘2可以包含SUS304L或者SUS304L。SUS304L、SUS304L是难以发生晶界腐蚀的不锈钢。因此，在环状基部2a的外周面对延伸部2b进行TIG焊接，即使环状基部2a以及延伸部2b处于高温，也难以发生晶界腐蚀，环状基部2a的气密性难以受损。延伸部2b相对于环状基部2a的外周面的TIG焊接沿着厚度方向可以是断续焊接、连续焊接的任一者。
第2绝缘构件12通过第1封接单元被固定于凸缘2从而进行气密密封。如将图4A中的D部放大的图4B以及将E部放大的图4C分别所示，第1封接单元具备形成于第2绝缘构件12的端面的接合部、与该接合部接合的套筒9。作为接合部，例如包含形成在第2绝缘构件12的端面的金属化层17、将该金属化层17与套筒9之间接合的焊料。套筒9前端弯折以使得与第2绝缘构件12的端面面接触。焊料是银焊料(例如BAg-8、BAg-8A、BAg-8B)等。
此外，套筒9在凸缘2的内周面使用TIG焊接进行接合，进行气密密封。
第1以及第2供电端子5、6在通过第2封接单元而形成于第2绝缘构件12的贯通孔31的内壁气密地进行接合/固定。例如图2、图3所示，在第2封接单元，采用通过焊料将形成于贯通孔31的内壁面的金属化层22与包含金属的第1套筒20接合的手段。
通过上述的第1封接单元、第2封接单元以及套筒9与凸缘2的TIG焊接，电磁场控制用构件100的气密度在基于氦泄漏检测器的测定下例如能够设为1.3×10-11Pa·m3/s以下。
第1绝缘构件11的两端部的外周侧可以在贯通孔3的轴向的延长线上具备平面。
若具备该平面，能够局部地扩大两端部的第1绝缘构件11以及第2绝缘构件12的间隙，因此能够使得从第1绝缘构件11和第2绝缘构件12的间隙的排气变得容易。
第2绝缘构件12的两端部的外周侧可以在贯通孔31的轴向的延长线上具备平面。
若具备该平面，则第1供电端子5以及第2供电端子6相对于导通构件4的装配作业中能够第2绝缘构件11不转动地进行固定，因此装配较为容易。
这些平面例如是D切割面，所谓D切割面是在贯通孔3、31的轴向的延长线上分别消除了外周面的面。
第1绝缘构件11具有电绝缘性以及非磁性，例如包含以氧化铝为主成分的陶瓷、以氧化锆为主成分的陶瓷等，特别优选包含以氧化铝为主成分的陶瓷。优选氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上且20μm以下。
如果氧化铝的结晶的平均粒径为上述范围内，则相比于平均粒径低于5μm的情况，由于每单位面积的晶界相的面积减少，因此热传导性提高。另一方面，相比于平均粒径超过20μm的情况，由于每单位面积当的晶界相的面积增加，因此通过晶界相处的金属化层15的锚定效应，金属化层15的密接性变高，由此可靠性得以提高，并且机械特性变高。
为了测定氧化铝的结晶的粒径，在第1绝缘构件11的表面在深度方向，使用平均粒径D50为3μm的金刚石磨粒以铜盘进行第1研磨。之后，使用平均粒径D50为0.5μm的金刚石磨粒以锡盘进行第2研磨。研磨的深度是第1研磨以及第2研磨合计例如为0.6mm。对通过这些研磨而得到的研磨面在1480℃下进行热处理，直到能够识别结晶粒子和粒界层，得到观察面。热处理例如进行30分钟左右。
以光学显微镜观察被热处理的面，以例如400倍的倍率进行摄影。将被拍摄的图像之中、面积为4.8747×102μm的范围作为测量范围。使用图像解析软件(例如三谷商事(株式会社)制、Win ROOF)，来解析该测量范围，从而能够得到各个结晶的粒径，结晶的平均粒径是各个结晶的粒径的相加平均。
此时，氧化铝结晶的粒径的峰度可以为0以上。由此，由于结晶的粒径的偏差被抑制，因此减少局部机械强度下降的可能。特别地，氧化铝结晶的粒径的峰度可以为0.1以上。
所谓峰度，一般是表示分布偏离正态分布的统计量，表示山峰的尖锐度和底部的扩展度。在峰度低于0时，尖锐度平缓且底部短。在大于0时，意味着尖锐度陡峭且底部长。在正态分布中，峰度为0。
峰度能够使用上述的结晶的粒径、通过Excel(注册商标、MicrosoftCorporation)中具备的函数Kurt来求取。为了将峰度设为0以上，例如使得作为原料的氧化铝粉末的粒径的峰度为0以上即可。
在此，所谓以氧化铝为主成分的陶瓷，是构成陶瓷的全部成分100质量％之中、将Al换算为Al2O3而得到的氧化铝的含有量为90质量％以上的陶瓷。作为主成分以外的成分，例如可以包含氧化硅、氧化钙以及氧化镁之中的至少一者。
所谓以氧化锆为主成分的陶瓷，是构成陶瓷的全部成分100质量％之中、将zr换算为ZrO2而得到的氧化锆的含有量为90质量％以上的陶瓷。作为主成分以外的成分，例如可以包含氧化钇。
在此，构成陶瓷的成分能够根据基于使用了CuKα射线的X射线衍射装置的测定结果来进行确定，各成分的含有量例如能够通过ICP(Inductively Coupled Plasma)发光分光分析装置或者荧光X射线分析装置来求取。
第2绝缘构件12与第1绝缘构件11同样地，具有电绝缘性以及非磁性。例如包含以氧化铝为主成分的陶瓷、以氧化锆为主成分的陶瓷等，特别优选包含以氧化铝为主成分的陶瓷。与第1绝缘构件11同样地，氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上且20μm以下，氧化铝结晶的粒径的峰度可以为0以上
作为第1绝缘构件11的大小，例如外径设定为35mm以上且45mm以下，内径设定为25mm以上且35mm以下，轴向的长度设定为350mm以上且370mm以下。
作为第2绝缘构件12的大小，例如外径为50mm以上且60mm以下，内径为36mm以上且46mm以下，轴向的长度设定为与第1绝缘构件11大致相同。
在获得包含主成分为氧化铝的陶瓷的第1绝缘构件11以及第2绝缘构件12的情况下，首先，将作为主成分的氧化铝粉末、氢氧化镁、氧化硅及碳酸钙的各粉末、和根据需要使氧化铝粉末分散的分散剂，用球磨机、珠磨机或振动磨机进行粉碎、混合，制成浆料，在该浆料中添加粘合剂、混合后，进行喷雾干燥，制成以氧化铝为主成分的颗粒。
为了将氧化铝的结晶的粒径的峰度设为0以上，调整进行粉碎、混合的时间以使得粉末的粒径的峰度为0以上。
在此，氧化铝粉末的平均粒径(D50)为1.6μm以上且2.0μm以下。上述粉末的合计100质量％中的氢氧化镁粉末的含有量为0.43～0.53质量％，氧化硅粉末的含有量为0.039～0.041质量％，碳酸钙粉末的含有量为0.020～0.022质量％。
接下来，将通过上述方法得到的颗粒填充至成形模具中，采用静水压成形法(橡胶压制法)等，例如将成形压力设为98MPa以上且147MPa以上，从而得到成形体。
在成形后，通过切削加工来形成作为沿着第1绝缘构件11的轴向的多个贯通孔3的长条状的下孔、作为将第2绝缘构件12的供电端子6插入的贯通孔31的圆柱状的下孔、沿着第1绝缘构件11以及第2绝缘构件12各自的轴向将两侧的端面开口的下孔，均设为圆筒状的成形体。
通过切削加工而形成的成形体根据需要在氮气氛中以10小时～40小时升温，在450℃～650℃下保持2小时～10小时后，通过自然冷却使粘合剂消失而成为脱脂体。
并且，在大气气氛中，例如将烧成温度设为1500℃以上且1800℃以下，在该烧成温度下将成形体(脱脂体)保持4小时以上且6小时以下，从而能够得到以氧化铝为主成分、氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上且20μm以下的陶瓷的第1绝缘构件11以及第2绝缘构件12。
本公开的电磁场控制用构件在筒状的第1绝缘构件11的外周侧配置筒状的第2绝缘构件12，第2绝缘构件12的两端被气密地固定于凸缘2，因此绝缘构件1的两端部的气密性变高，能够使得电磁场控制用构件100整体的气密性提高。
以上，说明了本公开的电磁场控制用构件的一实施方式，但是本公开并不仅限定于该实施方式，能够进行各种的变更、改良，例如可以根据需要不使用金属化层而直接进行钎焊。
符号说明
1 绝缘构件
11 第1绝缘构件
12 第2绝缘构件
2 凸缘
3、31 贯通孔
4 导通构件
5 第1供电端子
6 第2供电端子
9 套筒
13 开口部
14 空间
15、17、22 金属化层
16 引线
18 销
19 块
20 第1套筒
21 第2套筒
23 连接构件
24 台阶部
100 电磁场控制用构件。

Claims (12)

1.一种电磁场控制用构件，具备：
第1绝缘构件，包含筒状的陶瓷，具有沿着轴向延伸的多个贯通孔；
导通构件，包含金属，堵塞所述贯通孔以使得具有在所述第1绝缘构件的外周开口的开口部；
供电端子，与该导通构件连接；和
凸缘，位于所述第1绝缘构件的两端，
在所述第1绝缘构件的外周侧配置包含筒状的陶瓷的第2绝缘构件，该第2绝缘构件的两端被气密地固定于所述凸缘。
2.根据权利要求1所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第2绝缘构件的各端部经由套筒被固定于所述凸缘，所述套筒被气密地固定于所述凸缘的内周面，从该凸缘的内周面向所述第2绝缘构件延伸的前端部弯折，该弯折的前端部的表面与所述第2绝缘构件的端面接触并被气密地固定。
3.根据权利要求2所述的电磁场控制用构件，其中，
在所述第2绝缘构件的端面形成有金属化层，通过焊料将该金属化层与所述套筒的弯折前端部之间接合。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第2绝缘构件具备穿过所述供电端子的贯通孔，所述供电端子被气密地固定于形成所述贯通孔的内壁。
5.根据权利要求4所述的电磁场控制用构件，其中，
所述供电端子具有前端部被插入第2绝缘构件的所述贯通孔内的套筒，通过焊料将在所述贯通孔的内壁面所形成的金属化层与所述套筒接合。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述导通构件具备在厚度方向装配所述供电端子的槽，该槽的两端面在俯视下是朝向轴向延伸的曲面状。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第1绝缘构件的两端部的外周侧在所述贯通孔的轴向的延长线上具备平面。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第2绝缘构件的两端部的外周侧在所述贯通孔的轴向的延长线上具备平面。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第1绝缘构件包含以氧化铝为主成分的陶瓷，氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上且20μm以下。
10.根据权利要求9所述的电磁场控制用构件，其中，
所述氧化铝的结晶的粒径的峰度为0以上。
11.根据权利要求1至10的任意一项所述的电磁场控制用构件，其中，
所述第2绝缘构件包含以氧化铝为主成分的陶瓷，氧化铝的结晶的平均粒径为5μm以上且20μm以下。
12.根据权利要求11所述的电磁场控制用构件，其中，
所述氧化铝的结晶的粒径的峰度为0以上。
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