JP2003173900A - 超伝導加速空洞 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、全体を小形化し、設備費用及び運
転費用を低減することを目的とするものである。 【解決手段】 加速空洞本体２を超伝導状態にするため
の４Ｋの寒冷を発生する空洞用蓄冷式冷凍機１１を断熱
真空槽７に搭載し、空洞用蓄冷式冷凍機１１の寒冷を加
速空洞本体２に伝達する空洞用伝導体１２を、加速空洞
本体２と空洞用蓄冷式冷凍機１１との間に熱的に結合し
た。また、輻射熱シールド５を冷却するための寒冷を発
生するシールド用蓄冷式冷凍機１３を用い、シールド用
蓄冷式冷凍機１３の寒冷を輻射熱シールドに伝達するシ
ールド用伝導体１４を、輻射熱シールドとシールド用蓄
冷式冷凍機との間に熱的に結合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、荷電粒子ビーム
の軌道を囲繞する加速空洞本体がクライオスタットによ
り超伝導転移温度以下に冷却される超伝導加速空洞に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えば文献「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ
ｕｃｔｉｎｇ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ Ｃａｖｉｔ
ｙ ｆｏｒ ＫＥＫ Ｂ−Ｆａｃｔｏｒｙ」（ＫＥＫ
Ｐｒｅｐｒｉｎｔ ９５−１９０ Ｊａｎｕａｒｙ １
９９６ Ａ）に示されている従来の超伝導加速空洞の断
面図である。

【０００３】図において、例えば電子ビーム等の荷電粒
子ビームの軌道１を囲繞する真空ダクト（図示せず）の
一部には、加速空洞本体２が介在されている。即ち、荷
電粒子ビームの軌道１の一部は、加速空洞本体２により
囲繞されている。加速空洞本体２は、超伝導材料、例え
ば純ニオビウム材で構成されている。また、加速空洞本
体２の内部は、超高真空状態に排気されている。

【０００４】加速空洞本体２は、液体ヘリウム槽３内に
収納されている。液体ヘリウム槽３内には、寒剤である
液体ヘリウム４が入れられている。加速空洞本体２は、
液体ヘリウム４に浸漬されて、超伝導状態に冷却保持さ
れている。

【０００５】液体ヘリウム槽３は、断熱真空槽７内に収
容されている。断熱真空槽７と液体ヘリウム槽３との間
には、輻射熱シールド５が配置されている。輻射熱シー
ルド５の外面には、地磁気シールド材が設けられてい
る。輻射熱シールド５の外周部には、液体窒素冷却管６
が配置されている。輻射熱シールド５は、液体窒素冷却
管６に液体窒素を流すことにより冷却される。液体ヘリ
ウム槽３及び輻射熱シールド５は、断熱真空槽７により
真空断熱されている。

【０００６】液体ヘリウム槽３には、液体ヘリウム４を
注液するための冷媒供給ポート８と、液体ヘリウム槽３
内で蒸発したヘリウムガスを排出するための排気ポート
９とが接続されている。また、加速空洞本体２には、高
周波電源（図示せず）からの電力を供給するＲＦ入力部
であるＲＦ入力カプラ１０が接続されている。

【０００７】次に、動作について説明する。加速空洞本
体２は、液体ヘリウム４により冷却され、超伝導状態と
なっている。この加速空洞本体２にＲＦ入力カプラ１０
から高周波の電力が供給される。これにより、加速空洞
本体２内には、強力な高周波電場が発生され、荷電粒子
が加速される。

【０００８】液体ヘリウム槽３は、断熱真空槽７内を真
空排気することにより、魔法瓶と同様の原理で真空断熱
されている。また、室温である断熱真空槽７から極低温
である４．２Ｋ（約−２６９℃）の液体ヘリウム槽３へ
の輻射熱流入を抑え、液体ヘリウム４の消費量を低減す
るため、断熱真空槽７と液体ヘリウム槽３との間の真空
空間に輻射熱シールド５が配置され、その輻射熱シール
ド５が約８０Ｋ（約−１９６℃）の液体窒素により冷却
されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の超伝導加速空洞においては、液体ヘリウム４に
浸漬することにより加速空洞本体２を冷却しているた
め、超伝導状態を維持するためには、蒸発した分に相当
する量の液体ヘリウム４を常時補充する手間がかかると
ともに、冷却システムが大形化し、設備費用が高くなっ
てしまう。また、超伝導加速空洞の運転中は液体ヘリウ
ム４が常時消費されるが、液体ヘリウム４は高価な寒剤
であるため、運転費用が莫大になってしまう。

【００１０】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、全体を小形化
することができ、設備費用及び運転費用を低減すること
ができる超伝導加速空洞を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る超伝導加
速空洞は、少なくとも一部が超伝導材料で構成され、荷
電粒子ビームの軌道を囲繞する加速空洞本体、高周波電
源からの電力を加速空洞本体に供給するＲＦ入力部、加
速空洞本体を収容する断熱真空槽、及び断熱真空槽に搭
載され、寒冷を発生して加速空洞本体を超伝導状態にす
る空洞用蓄冷式冷凍機を備えたものである。また、加速
空洞本体と空洞用蓄冷式冷凍機との間に熱的に結合さ
れ、空洞用蓄冷式冷凍機の寒冷を加速空洞本体に伝達す
る可撓性の空洞用伝導体をさらに備えている。

【００１２】さらに、断熱真空槽と加速空洞本体との間
に設けられている輻射熱シールド、及び断熱真空槽に搭
載され、寒冷を発生して輻射熱シールドを冷却するシー
ルド用蓄冷式冷凍機をさらに備えている。さらにまた、
輻射熱シールドとシールド用蓄冷式冷凍機との間に熱的
に結合され、シールド用蓄冷式冷凍機の寒冷を輻射熱シ
ールドに伝達する可撓性のシールド用伝導体をさらに備
えている。また、加速空洞本体は、超伝導材料で構成さ
れている内周部と、この内周部に熱的に結合されるよう
に内周部の外周に設けられ、超伝導材料よりも熱伝導率
の高い材料で構成されている外周部とを有し、空洞用蓄
冷式冷凍機は、外周部に熱的に結合されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による超
伝導加速空洞を示す断面図である。図において、例えば
電子ビーム等の荷電粒子ビームの軌道１を囲繞する真空
ダクト（図示せず）の一部には、加速空洞本体２が介在
されている。即ち、荷電粒子ビームの軌道１の一部は、
加速空洞本体２により囲繞されている。加速空洞本体２
は、超伝導材料、例えば純ニオビウム材で構成されてい
る。また、加速空洞本体２の内部は、超高真空状態に排
気されている。

【００１４】加速空洞本体２は、断熱真空槽７内に収容
されている。断熱真空槽７と加速空洞本体２との間に
は、輻射熱シールド５が設けられている。輻射熱シール
ド５の外面には、地磁気シールド材が設けられている。
輻射熱シールド５の外周部には、液体窒素冷却管６が配
置されている。輻射熱シールド５は、液体窒素冷却管６
に液体窒素を流すことにより冷却される。加速空洞本体
２には、高周波電源（図示せず）からの電力を供給する
ＲＦ入力部であるＲＦ入力カプラ１０が接続されてい
る。

【００１５】断熱真空槽７には、加速空洞本体２を超伝
導状態にするための寒冷を発生する空洞用蓄冷式冷凍機
１１が取り付けられている。空洞用蓄冷式冷凍機１１
は、約４Ｋの極低温状態となる通称４Ｋ温度ステージ
（以下、４Ｋ温度ステージと称す）１１ａを有してい
る。４Ｋ温度ステージ１１ａは、輻射熱シールド５内に
挿入されている。

【００１６】また、空洞用蓄冷式冷凍機１１は、シリン
ダ、ディスプレーサ、蓄冷器及びディスプレーサ駆動用
モータ等を有している。空洞用蓄冷式冷凍機１１には、
ヘリウムガスを圧縮して空洞用蓄冷式冷凍機１１に供給
するコンプレッサ（図示せず）が配管（図示せず）を介
して接続されている。

【００１７】加速空洞本体２と４Ｋ温度ステージ１１ａ
との間には、空洞用蓄冷式冷凍機１１で発生した寒冷を
加速空洞本体２に伝達する空洞用伝導体１２が熱的に結
合されている。空洞用伝導体１２は、例えば電気銅な
ど、熱伝導率の高い材料で製作されている。また、空洞
用伝導体１２は、適当な可撓性を有している。

【００１８】次に、動作について説明する。加速空洞本
体２は、空洞用伝導体１２を介して空洞用蓄冷式冷凍機
１１により冷却され、超伝導状態となっている。この加
速空洞本体２にＲＦ入力カプラ１０から高周波の電力が
供給される。これにより、加速空洞本体２内には、強力
な高周波電場が発生され、荷電粒子が加速される。

【００１９】また、加速空洞本体２は、断熱真空槽７内
を真空排気することにより、魔法瓶と同様の原理で真空
断熱されている。また、室温である断熱真空槽７から極
低温（約４Ｋ（約−２６９℃））部への輻射熱流入を抑
えるため、断熱真空槽７と加速空洞本体２との間の真空
空間に輻射熱シールド５が配置され、その輻射熱シール
ド５が約８０Ｋ（約−１９６℃）の液体窒素により冷却
されている。

【００２０】このような超伝導加速空洞では、空洞用蓄
冷式冷凍機１１により加速空洞本体２が冷却されている
ため、寒剤として高価な液体ヘリウムを使用せずに済
み、かつ液体ヘリウム槽を設ける必要がない。従って、
全体の設備を小形化することができ、設備費用及び運転
費用を低減することができる。

【００２１】また、空洞用蓄冷式冷凍機１１と加速空洞
本体２との間に可撓性の空洞用伝導体１２が接続されて
いるため、空洞用蓄冷式冷凍機１１及び加速空洞本体２
の熱収縮を吸収することができるとともに、加速空洞本
体２をより均等に冷却することができる。

【００２２】なお、実施の形態１では、空洞用蓄冷式冷
凍機１１と輻射熱シールド５との間を熱的に非接触とし
たが、両者を熱的に結合し、空洞用蓄冷式冷凍機１１に
より輻射熱シールド５を冷却することも可能である。

【００２３】実施の形態２．次に、図２はこの発明の実
施の形態２による超伝導加速空洞を示す断面図である。
断熱真空槽７には、輻射熱シールド５を冷却するための
寒冷を発生するシールド用蓄冷式冷凍機１３が取り付け
られている。シールド用蓄冷式冷凍機１３は、約８０Ｋ
の低温状態となる通称８０Ｋ温度ステージ（以下、８０
Ｋ温度ステージと称す）１３ａを有している。

【００２４】輻射熱シールド５と８０Ｋ温度ステージ１
３ａとの間には、シールド用蓄冷式冷凍機１３で発生し
た寒冷を輻射熱シールド５に伝達するシールド用伝導体
１４が熱的に結合されている。シールド用伝導体１４
は、例えば電気銅など、熱伝導率の高い材料で製作され
ている。また、シールド用伝導体１４は、適当な可撓性
を有している。さらに、実施の形態１で用いた液体窒素
冷却管６は、省略されている。他の構成は、実施の形態
１と同様である。

【００２５】このような超伝導加速空洞では、輻射熱シ
ールド５がシールド用伝導体１４を介してシールド用蓄
冷式冷凍機１３により冷却される。このため、液体窒素
冷却管を用いる必要がなく、液体窒素の循環システムも
不要となる。従って、構成を簡素化し、コストを低減す
ることができる。

【００２６】また、加速空洞本体２の冷却用の液体ヘリ
ウムを使用せずに済むのに加えて、輻射熱シールド５を
冷却するための液体窒素も使用せずに済み、寒剤切れに
よる超伝導加速空洞の運転停止を防止することができ
る。また、寒剤の入手が困難な地域でも超伝導加速空洞
を連続して運転することができる。

【００２７】さらに、シールド用蓄冷式冷凍機１３と輻
射熱シールド５との間に可撓性のシールド用伝導体１４
が接続されているため、シールド用蓄冷式冷凍機１３及
び輻射熱シールド５の熱収縮を吸収することができると
ともに、輻射熱シールド５をより均等に冷却することが
できる。

【００２８】なお、空洞用蓄冷式冷凍機１１と輻射熱シ
ールド５とを熱的に接触させることもできるが、実施の
形態２では、輻射熱シールド５を冷却するためにシール
ド用蓄冷式冷凍機１３を別に用いているため、空洞用蓄
冷式冷凍機１１は、輻射熱シールド５と熱的に切り離す
のが好適であり、加速空洞本体２を効率良く冷却するこ
とができる。

【００２９】実施の形態３．次に、図３はこの発明の実
施の形態３による超伝導加速空洞を示す断面図である。
この例における加速空洞本体２１は、超伝導材料で構成
されている内周部（図示せず）と、この内周部に熱的に
結合されるように内周部の外周に設けられている外周部
２１ａとを有している。外周部２１ａは、超伝導材料よ
りも熱伝導率の高い材料、 例えば電気銅により
構成されている。空洞用伝導体１２は、外周部２１ａに
熱的に結合されている。他の構成は、実施の形態１と同
様である。

【００３０】ここで、上記のような２重構造の加速空洞
本体２１は、例えば円筒状の外周部２１ａの内周面に、
イオンプレーティング等の蒸着工程により超伝導材料を
付着させ内周部を形成することにより製作される。ま
た、円筒状の外周部２１ａの内部に円筒状の内周部を挿
入し、両者を圧着させる方法によっても製作できる。

【００３１】このような超伝導加速空洞では、超伝導材
料からなる内周部の外周面が、熱伝導率の高い材料から
なる外周部２１ａで覆われているため、空洞用蓄冷式冷
凍機１１で発生した寒冷を内周部全体に均等にかつ効率
良く伝えることができる。また、何らかの原因で超伝導
材料の温度がスポット的に上昇しようとした場合、その
部分にも外周部２１ａが接しているため、熱が速やかに
取り出され、局部超伝導破壊現象の発生を防止すること
ができる。

【００３２】実施の形態４．なお、例えば図４に示すよ
うに、実施の形態３の超伝導加速空洞に実施の形態２で
示したようなシールド用蓄冷式冷凍機１３を適用しても
よく、空洞用蓄冷式冷凍機１１で発生した寒冷を超伝導
部分全体に均等にかつ効率良く伝えることができるとと
もに、液体窒素冷却管を省略することができる。

【００３３】また、実施の形態１〜４では空洞用伝導体
１２を用いたが、熱収縮を別な手段により吸収できれ
ば、４Ｋ温度ステージ１１ａを加速空洞本体２，２１に
直接接触させることも可能である。同様に、８０Ｋ温度
ステージ１３ａを輻射熱シールド５に直接接触させるこ
とも可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の超伝導
加速空洞は、加速空洞本体を超伝導状態にする空洞用蓄
冷式冷凍機を断熱真空槽に搭載したので、全体を小形化
することができ、設備費用及び運転費用を低減すること
ができる。また、空洞用蓄冷式冷凍機と加速空洞本体と
の間に可撓性の空洞用伝導体を設けたので、空洞用蓄冷
式冷凍機及び加速空洞本体の熱収縮を吸収することがで
きるとともに、加速空洞本体をより均等に冷却すること
ができる。

【００３５】さらに、輻射熱シールドを冷却するシール
ド用蓄冷式冷凍機を断熱真空槽に搭載したので、液体窒
素冷却管を用いる必要がなく、液体窒素の循環システム
も不要となり、構成を簡素化し、コストを低減すること
ができる。さらにまた、シールド用蓄冷式冷凍機と輻射
熱シールドとの間に可撓性のシールド用伝導体を設けた
ので、シールド用蓄冷式冷凍機及び輻射熱シールドの熱
収縮を吸収することができるとともに、輻射熱シールド
をより均等に冷却することができる。また、超伝導材料
で構成されている内周部と、この内周部に熱的に結合さ
れるように内周部の外周に設けられ、超伝導材料よりも
熱伝導率の高い材料で構成されている外周部とを有する
加速空洞本体を用い、空洞用伝導体は、加速空洞本体の
外周部に熱的に結合したので、空洞用蓄冷式冷凍機で発
生した寒冷を超伝導部分全体に均等にかつ効率良く伝え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による超伝導加速空
洞を示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２による超伝導加速空
洞を示す断面図である。

【図３】 この発明の実施の形態３による超伝導加速空
洞を示す断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態４による超伝導加速空
洞を示す断面図である。

【図５】 従来の超伝導加速空洞の一例の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 軌道、２，２１ 加速空洞本体、５ 輻射熱シール
ド、７ 断熱真空槽、１０ ＲＦ入力カプラ（ＲＦ入力
部）、１１ 空洞用蓄冷式冷凍機、１２ 空洞用伝導
体、１３ シールド用蓄冷式冷凍機、１４ シールド用
伝導体、２１ａ外周部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一部が超伝導材料で構成さ
   れ、荷電粒子ビームの軌道を囲繞する加速空洞本体、 高周波電源からの電力を上記加速空洞本体に供給するＲ
   Ｆ入力部、 上記加速空洞本体を収容する断熱真空槽、及び上記断熱
   真空槽に搭載され、寒冷を発生して上記加速空洞本体を
   超伝導状態にする空洞用蓄冷式冷凍機を備えていること
   を特徴とする超伝導加速空洞。
2. 【請求項２】 上記加速空洞本体と上記空洞用蓄冷式冷
   凍機との間に熱的に結合され、上記空洞用蓄冷式冷凍機
   の寒冷を上記加速空洞本体に伝達する可撓性の空洞用伝
   導体をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載
   の超伝導加速空洞。
3. 【請求項３】 上記断熱真空槽と上記加速空洞本体との
   間に設けられている輻射熱シールド、及び上記断熱真空
   槽に搭載され、寒冷を発生して上記輻射熱シールドを冷
   却するシールド用蓄冷式冷凍機をさらに備えていること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超伝導加速
   空洞。
4. 【請求項４】 上記輻射熱シールドと上記シールド用蓄
   冷式冷凍機との間に熱的に結合され、上記シールド用蓄
   冷式冷凍機の寒冷を上記輻射熱シールドに伝達する可撓
   性のシールド用伝導体をさらに備えていることを特徴と
   する請求項３記載の超伝導加速空洞。
5. 【請求項５】 上記加速空洞本体は、超伝導材料で構成
   されている内周部と、この内周部に熱的に結合されるよ
   うに上記内周部の外周に設けられ、上記超伝導材料より
   も熱伝導率の高い材料で構成されている外周部とを有
   し、上記空洞用蓄冷式冷凍機は、上記外周部に熱的に結
   合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４
   のいずれかに記載の超伝導加速空洞。