JP2001210499A - 超電導高周波加速空胴用入力カプラー - Google Patents

超電導高周波加速空胴用入力カプラー

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JP2001210499A
JP2001210499A JP2000016188A JP2000016188A JP2001210499A JP 2001210499 A JP2001210499 A JP 2001210499A JP 2000016188 A JP2000016188 A JP 2000016188A JP 2000016188 A JP2000016188 A JP 2000016188A JP 2001210499 A JP2001210499 A JP 2001210499A
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superconducting
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inner conductor
temperature
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Tomoko Ota
智子 太田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高周波損失及び常温部からの熱侵入を小さくす
ることにある。 【解決手段】内導体11及びこの内導体と同軸的に配設
された外導体12と、これら内導体と外導体との間を仕
切るように設けられた高周波窓と、前記外導体の外周面
に適宜の間隔を存して軸方向に取付けられた80Kサー
マルアンカー9及び4Kサーマルアンカー10とを備
え、超電導高周波加速空胴1に繋がるビームパイプ2に
高周波電力を供給する入力カプラー6において、高周波
窓13を80Kサーマルアンカー9付近に設置し、この
高周波窓13より低温側の内導体を高温超電導材料14
で形成した構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームの
加速器等に使用される超電導高周波加速空胴に高周波電
力を供給する入力カプラーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、加速器は電子、陽子、イオン等
の荷電粒子を電磁力で数十億電子ボルト(数GeV)程度の
高エネルギー状態に加速するための装置であり、もとも
とは原子核や素粒子の研究のために開発されてきたもの
である。
【0003】ここで、電子用加速器の概略構成を図4を
参照して説明する。すなわち、電子を生成して低エネル
ギーまで加速する線形加速器21、この線形加速器21
より出た電子ビームを後述するビームパイプ23へ導く
輸送管22、電子ビームが残留気体との衝突による損失
を防ぐため、内部を超高真空状態に保たれているルルビ
ームパイプ23、上記電子ビームを所定方向へ曲げるた
め所定方向磁場をかける偏向電磁石24、電子ビーム収
束用の四極電磁石25a及び電子ビーム発散用の四極電
磁石25b、上記線形加速器21より入射されたビーム
を高エネルギーまで加速するための高周波加速空胴2
6、この高周波加速空胴26に高周波電力を導入する高
周波発振器7等から構成されている。そして、これら四
極電磁石24、偏向電磁石25a、25b、ビームパイ
プ23および高周波加速空胴26などの一連のそうち
は、その内部に電子ビームが周回することから一般的に
ビームライン30と呼ばれている。
【0004】このような構成の電子用加速器において、
荷電粒子を加速するには高周波発振器27よりビームラ
イン30に設けられている高周波加速空胴26に高周波
電力を導入することで、この高周波加速空胴26は共振
によって内部に電磁エネルギーを蓄え、高電磁界を発生
させてビームにエネルギーを与えて加速している。
【0005】ところで、高周波加速空胴内が高電界にな
ると、高周波加速空胴の内表面に循環電流が流れるが、
この電流は高周波電流であるため、高周波加速空胴の内
面の材質に応じた表皮深さを流れ、ジュール損失を生じ
る。
【0006】通常、銅やアルミニウム等で作られた常電
導高周波加速空胴で、荷電粒子ビームの加速に必要な高
電界を得るには、ジュール損失が極めて大きくなり、こ
のジュール損失を補うために、大きな高周波電力を供給
できる大出力の高周波発振器が必要となるが、それを賄
えるだけの高周波発振器は現存しない。さらに、高周波
加速空胴の冷却面でも問題があり、常電導高周波加速空
胴の適用には限界がある。
【0007】そこで、最近では高周波加速空胴の内面に
電流が流れてもジュール損失が生じないように電気抵抗
がほぼ0Ωである超電導材料で超電導高周波加速空胴を
構成することが考えられている。
【0008】この超電導高周波加速空胴の使用分野は多
方面にわたるが、特に最近では放射性廃棄物の消滅処理
用加速器において、限られた電力、限られた空間の範囲
でできるだけ高いエネルギーを持った粒子を得るため
に、超電導高周波加速空胴装置が切望されてきている。
【0009】図3は、この種の従来の超電導高周波加速
空胴装置の構成例の一部を示す断面図である。図3に示
すように、超電導高周波加速空胴装置は、超電導高周波
加速空胴1と、荷電粒子の輸送路を形成するビームパイ
プ2と、このビームパイプ2に連通し、且つ液体ヘリウ
ム容器3内に満たされた冷却材である液体ヘリウム4中
に浸漬させて設けられた超電導高周波加速空洞1と、こ
の超電導高周波加速空胴1に繋がるビームパイプ2に接
続され、超電導高周波加速空胴1に高周波電力5を供給
する入力カプラ6と、これら全体を収容して外部との間
を断熱する真空容器7とから成っている。
【0010】上記液体ヘリウム容器3は、図示しない液
体ヘリウム注入ポートと気化ヘリウム回収ポートを有
し、液体ヘリウム容器3の内部に満たされた液体ヘリウ
ム4により、超電導高周波加速空胴1を冷却している。
【0011】また、上記入力カプラ6は、内導体11及
びこの内導体11と同軸的に配設された円筒状の外導体
12とから構成され、その外導体12の真空容器7より
外方に位置する部分に保持筒6aの一端部が取付けら
れ、この保持筒6aの他端部に有するフランジ部を真空
容器7の開口端部に有するフランジ部に取付けられてい
る。この保持筒6aの一部には軸方向に伸縮可能なベロ
ーズが設けられている。
【0012】さらに、入力カプラ6の真空容器7より外
側に対応する部分に内導体11と外導体12との間を仕
切り、且つ高周波電力を通す高周波窓8が設けられ、こ
の高周波窓8より高周波発振器側の空間部には絶縁ガス
として例えばSF6ガスが封入されている。
【0013】一方、入力カプラー6の高周波窓8よりビ
ームパイプ2側の外導体12の外周部には、80K冷凍
機(図示せず)の冷却ヘッド9及び4K冷凍機(図示せ
ず)の冷却ヘッド10が取付けられ、真空容器7の外側
からの熱侵入を小さくしている。
【0014】しかしながら、このような従来の超電導高
周波加速空胴装置において、入力カプラー6は高周波損
失が非常に大きく、装置全体の高周波損失の大部分を占
めている。また、常温部からの熱侵入が非常に大きく、
このため入力カプラー6は80K及び4Kのサーマルア
ンカーをとって冷却しているが、これらの冷凍機は非常
に大きな冷凍能力を必要とし、運転コストも非常に高く
なる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の超
電導高周波加速空胴用入力カプラーにおいては、高周波
損失が非常に大きく、荷電粒子の加速効率が悪い。ま
た、常温部からの熱侵入が非常に大きく、80K及び4
K冷凍機は非常に大きな冷凍能力を必要とし、運転コス
トも非常に高くなるという問題があった。
【0016】本発明の目的は、高周波損失及び常温部か
らの熱侵入を小さくすることが可能な超電導高周波加速
空胴用入力カプラーを提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により超電導高周波加速空
胴用入力カプラーを構成するものである。
【0018】請求項1に対応する発明は、内導体及びこ
の内導体と同軸的に配設された外導体と、これら内導体
と外導体との間を仕切るように設けられた高周波窓と、
前記外導体の外周面に冷却能力の異なる複数の冷凍機の
冷却ヘッドを高温側から低温側に軸方向に適宜の間隔を
存して取付けられたサーマルアンカーとを備え、超電導
高周波加速空胴に繋がるビームパイプに高周波電力を供
給する入力カプラーにおいて、前記高周波窓を高温側の
サーマルアンカー付近に設置し、この高周波窓より低温
側の内導体を高温超電導材料で形成した構造とする。
【0019】このような構成の超電導高周波加速空胴用
入力カプラーにあっては、低温用の高周波窓を高温側の
サーマルアンカー付近に取付けることにより、内導体は
高温側の温度に冷却され、その表面は電気的に超導電性
を有するためジュール損失を抑えることができ、冷却上
は熱を伝え難いため常温部からの熱侵入を小さくするこ
とができ、延いては使用する低温側の冷凍機の冷凍能力
を小さくして運転費のコストダウンを図ることが可能に
なる。
【0020】請求項2に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の超電導高周波加速空胴用入力カプラーにお
いて、高周波窓より低温側の内導体の表面に高温超電導
材料の薄膜を形成した構造とする。
【0021】このような構成の超電導高周波加速空胴用
入力カプラーにあっては、請求項1に対応する発明と同
等の効果が得られることに加えて、バルク(素材形状)
では加工性が悪い高温超電導材料を例えばSUS等の表
面に薄膜を形成するような構造にすることによって、内
導体の加工が容易にできる。また、高価な高温超電導材
料の使用量を減らすことができ、内導体を安価に加工で
きる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。
【0023】図1は本発明による超電導高周波加速空胴
用入力カプラーの第1の実施の形態を示す断面図であ
り、図3と同一部分には同一符号を付してその説明を省
略し、ここでは異なる部分について述べる。
【0024】第1の実施の形態においては、図1に示す
ように外導体12の外周面に取付けられた80Kサーマ
ルアンカー9付近に対応する内導体11と外導体12と
の間に高周波窓13を取付け、この高周波窓13を境界
に低温側の内導体部分を例えばYBa2Cu37-yのよ
うな高温超電導材料で高温超電導内導体14として構成
するものである。
【0025】このような構成の入力カプラー6とすれ
ば、高周波窓13を80Kサーマルアンカー9付近に取
付けることにより、高温超電導材料14は80Kに冷却
され、電気的に超電導特性を示すため、表面電流によっ
て生じるジュール損失は非常に少なくなる。
【0026】一方、熱伝導率は従来のSUSの場合と比
べると非常に低く、例えば液体ヘリウム温度(4.2
K)におけるYBa2Cu37-yの熱伝導率はSUS3
16の1/4程度であり、常温部からの熱侵入を小さく
抑えることが可能である。また、高温超電導材料で形成
された高温超電導内導体14は80Kで超電導特性を示
すため、4Kにおける熱負荷はほとんどなく、4K冷凍
機の冷凍能力を小さくして運転費のコストダウンを図る
ことが可能となる。
【0027】図2は本発明による超電導高周波加速空胴
用入力カプラーの第2の実施の形態を示す断面図で、図
1と同一の部分には同一符号を付してその説明を省略
し、ここでは異なる部分について述べる。
【0028】第2の実施の形態において、図2に示すよ
うに80Kサーマルアンカー9付近に低温用の高周波窓
13を取付け、その低温用高周波窓13より低温側の内
導体をハイブリッド内導体15で構成するものである。
【0029】このハイブリッド内導体15は、中心が例
えばSUSのような構造材であり、その表面には例えば
YBa2Cu37-yのような高温超電導材料の薄膜を例
えば蒸着やスパッター等で形成した構成とする。
【0030】このような構成の入力カプラー6とすれ
ば、低温用の高周波窓13を80Kサーマルアンカー9
付近に取付けることにより、ハイブリッド内導体15は
80Kに冷却されて電気的に超電導特性を示すので、表
面電流によって生じるジュール損失は非常に少なくな
る。
【0031】一方、熱伝導率は従来のSUSの場合と比
べると非常に低く、例えば液体ヘリウム温度(4.2
K)におけるYBa2Cu37-yの熱伝導率はSUS3
16の1/4程度であり、常温部からの熱侵入を小さく
抑えることが可能である。
【0032】また、表面を高温超電導材料で形成された
ハイブリッド内導体15は80Kで超電導特性を示すた
め、4Kにおける熱負荷はほとんどなく、4K冷凍機の
冷凍能力を小さくして運転費のコストダウンを図ること
が可能となる。
【0033】さらに、バルクでは加工性が悪い高温超電
導材料を例えばSUS等の表面に薄膜を形成するような
構造にすることによって、高温超電導内導体14と比べ
て容易にハイブリッド内導体15を加工することができ
る。また、高価な高温超電導材料の使用量を減らすこと
ができ、高温超電導内導体14と比べて安価にハイブリ
ッド内導体15を加工できる。
【0034】
【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、低
温用の高周波窓を80Kサーマルアンカー付近に設置
し、高周波窓より低温側の内導体を高温超電導材料で形
成するようにしたので、高周波損失及び常温部からの熱
侵入を小さくすることができる超電導高周波加速空胴用
入力カプラーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超電導高周波加速空胴用入力カプ
ラーの第1の実施の形態を示す断面図。
【図2】本発明による超電導高周波加速空胴用入力カプ
ラーの第2の実施の形態を示す断面図。
【図3】従来の超電導高周波加速空胴装置の構成例の一
部を示す断面図。
【図4】電子用加速器の概略を示す構成図。
【符号の説明】
1…超電導高周波加速空胴 2…ビームパイプ 3…液体ヘリウム容器 4…液体ヘリウム 5…高周波電力 6…入力カプラー 7…真空容器 9…80Kサーマルアンカー 10…4Kサーマルアンカー 13…低温用高周波窓 14…高温超電導内導体 15…ハイブリッド内導体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内導体及びこの内導体と同軸的に配設さ
    れた外導体と、これら内導体と外導体との間を仕切るよ
    うに設けられた高周波窓と、前記外導体の外周面に冷却
    能力の異なる複数の冷凍機の冷却ヘッドを高温側から低
    温側に軸方向に適宜の間隔を存して取付けられたサーマ
    ルアンカーとを備え、超電導高周波加速空胴に繋がるビ
    ームパイプに高周波電力を供給する入力カプラーにおい
    て、前記高周波窓を高温側のサーマルアンカー付近に設
    置し、この高周波窓より低温側の内導体を高温超電導材
    料で形成したことを特徴とする超電導高周波加速空胴用
    入力カプラー。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の超電導高周波加速空胴用
    入力カプラーにおいて、高周波窓より低温側の内導体の
    表面に高温超電導材料の薄膜を形成したことを特徴とす
    る超電導高周波加速空胴用入力カプラー。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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