JP2006135060A - Superconductive magnet and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒子加速器などに使用される超電導マグネットおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet used for a particle accelerator and the like and a method for manufacturing the same.
粒子加速器などに使用される超電導マグネットにおいては、必要な精度の磁場を発生させるためにはコイル内の導体が精度良く設計通り配置されていることが必要であり、導体位置精度として±0.05mmが求められる例もある。また超電導マグネットの多くは極低温に冷却されて使用されるため、コイルは冷却に伴い発生する熱応力に対し剥離、割れ,過剰歪みなどの異常を発生しない構造を求められる。 Superconducting magnets used in particle accelerators, etc., require that the conductors in the coil be accurately arranged as designed in order to generate a magnetic field with the required accuracy. There is an example where is required. In addition, since many superconducting magnets are used after being cooled to a very low temperature, the coil is required to have a structure that does not cause any abnormalities such as peeling, cracking, and excessive strain with respect to the thermal stress generated by cooling.
コイルが高電流密度化、大型化するとそれに伴い発生磁場が大きくなるため、大きな電磁力が生じることになり構造的な支持固定が重要となる。コイルの固定が充分でないと、電磁力等の擾乱により導体が微少移動した際に超電導状態が破れるクエンチ現象が起きることがあり、機器の性能が発揮出来ないという事態が生じる。また、粒子加速器に使用される超電導マグネットの場合、放射線に曝されるので材料の耐放射線特性も求められる。 When the coil has a high current density and a large size, the generated magnetic field increases accordingly, so that a large electromagnetic force is generated and structural support and fixing are important. If the coil is not sufficiently fixed, a quench phenomenon may occur in which the superconducting state is broken when the conductor is slightly moved due to disturbance such as electromagnetic force, and the performance of the device cannot be exhibited. In addition, since the superconducting magnet used for the particle accelerator is exposed to radiation, the radiation resistance property of the material is also required.
一般的に大型の粒子加速器に使用される2極以上の超電導マグネットの場合、単線の超電導導体を何本か集合させそれを撚った後、ダイスにて台形状に成型したラザフォードタイプと呼ばれるケーブル導体を使用する。コイル成型する場合はこのケーブル導体を鞍形に巻線成型し、それをビームの貫通孔の周囲に集合させ必要な磁場を発生させるような構造としている(下記非特許文献1参照)。但しこれはケーブル導体が複数の単線を撚り線した導体のため、断面積が大きくなり必然的に大電流にて使用する超電導マグネットに適用さている。
In the case of a superconducting magnet with two or more poles generally used for large particle accelerators, a cable called Rutherford type is formed by gathering several single-conductor superconducting conductors, twisting them, and then forming them into a trapezoid shape with a die. Use a conductor. In the case of coil molding, the cable conductor is formed into a bowl shape and is assembled around the beam through-hole to generate a necessary magnetic field (see Non-Patent
それに対し、上記とは別に、小電流にて使用される超電導マグネットの場合、丸線や角線の単線を使用するが、鞍型コイルを形成させ更に、導体位置精度を高めるため導体を整列させた巻線を効率的に行う方法は現在確立されていない。効率的ではないが単線の超電導線を位置精度良く巻線する方法として、ビーム貫通孔周囲の構造物に座標制御可能な巻線機で直接導体を接着固定しながら巻線していく方法がある。この巻線方法では接着材はアクリル系瞬間接着剤やエポキシ系加熱硬化樹脂が使用されている。さらにコイルの冷却時の熱応力や励磁に伴う電磁力の支持固定は巻線時の接着剤による接着強度に頼るか、コイル外周側からの機械的拘束に依存している。 On the other hand, apart from the above, in the case of a superconducting magnet used at a small current, a round wire or a single wire of a square wire is used, but a saddle coil is formed and the conductors are aligned to improve the conductor position accuracy. There is currently no established method for efficient winding. Although it is not efficient, as a method of winding a single superconducting wire with high positional accuracy, there is a method of winding while directly bonding and fixing the conductor to the structure around the beam through hole with a winding machine capable of coordinate control . In this winding method, an acrylic instantaneous adhesive or an epoxy thermosetting resin is used as the adhesive. Furthermore, the support and fixing of the electromagnetic force accompanying the thermal stress and excitation during cooling of the coil depend on the adhesive strength of the adhesive at the time of winding or depend on the mechanical constraint from the coil outer peripheral side.
上述の小電流にて使用される超電導マグネットは図7のようになっている。すなわち、ビーム貫通孔を構成する構造物1の周囲に層間シート2を挟みながら、超電導導体3が数値制御された巻線機により接着固定されながら巻線されコイルを構成している。図8は導体部を示した詳細断面図で、層間シート2と超電導導体3は、超電導導体3と層間シート2の間に塗布した瞬間接着剤9により接着固定されている。
上述のように構成された超電導マグネットでは、下側層の超電導導体3が無い部分の上に上側層の超電導導体3が配置される場合は、上層導体の直下部が何もない空間10となるため、層間シート2が下層側に落込み、上層の導体位置精度が悪化する場合がある。また、瞬間接着剤9は点接触に近い状態で層間シート2と超電導導体3を接着しているため、接着強度が十分に確保出来ない問題がある。さらに超電導導体3の間は何も無い空間10となるため、コイル自体の構造体としての剛性が低く、熱応力や電磁力に耐えられないという問題がある。
In the superconducting magnet configured as described above, when the
このように、多層のコイルの場合、巻き進めていく段階で下側層にて超電導導体3の配置が無い部分に層間シート2が落込むなどして、上層の導体位置精度が悪化するため、上層に巻き進む程、超電導導体3の位置精度が確保出来ないという問題がある。また電磁力が強大となった場合は、導体の支持巻線時の接着強度のみでは十分でなく、冷却による熱応力、励磁による電磁力に耐えられないという問題があり、多層化した大型のコイルを使用する超電導マグネットには適用することが出来ないという問題がある。
Thus, in the case of a multi-layer coil, the
このようにビーム貫通孔周囲の構造物に座標制御可能な巻線機で直接超電導導体を接着固定しながら巻線していく方法を採用する場合、超電導導体の位置精度は巻線機の機械的制御精度により確保出来るものの、超電導導体固定のため瞬間接着剤を使用した場合は極低温において接着強度が低下し十分な強度が得られない。またエポキシ系の熱硬化型樹脂により接着固定した場合は極低温での強度は確保出来るものの一定の熱硬化時間が必要であり、巻線中接着剤の硬化を待つ時間が必要で巻線速度が著しく低下する。また、エポキシ樹脂系の熱硬化型接着剤では、架橋反応により強固な分子の網目構造が形成されることにより再加熱しても流動化しないため、巻線のやり直しなど修正が出来ない等の問題がある。
そこで本発明は、超電導導体が所定の位置に強固に固定されるとともに製作および分解の作業性のよい超電導マグネットおよびその製造方法を提供することを目的とする。
In this way, when adopting a method of winding while superimposing a superconducting conductor directly on the structure around the beam through-hole with a coordinate controllable winding machine, the position accuracy of the superconducting conductor is the mechanical property of the winding machine. Although it can be ensured by the control accuracy, when an instantaneous adhesive is used for fixing the superconducting conductor, the adhesive strength is lowered at a very low temperature, and sufficient strength cannot be obtained. In addition, when bonded and fixed with an epoxy-based thermosetting resin, the strength at extremely low temperatures can be secured, but a certain thermosetting time is required, and it is necessary to wait for the adhesive in the winding to cure, and the winding speed is low. It drops significantly. In addition, with epoxy resin thermosetting adhesives, a strong molecular network is formed by the cross-linking reaction, so it does not flow even when reheated. There is.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a superconducting magnet in which a superconducting conductor is firmly fixed at a predetermined position and has good workability in manufacturing and disassembling, and a manufacturing method thereof.
請求項1の発明は、巻枠の周囲に層間シートを介在させて超電導導体を複数層に巻回する超電導マグネットの製造方法において、前記超電導導体の表面および前記巻枠の表面および前記層間シートの表面に接着剤を塗布し、前記接着剤を融着一体化させることにより前記超電導導体を前記巻枠または前記層間シートに接着固定する方法とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a superconducting magnet in which a superconducting conductor is wound in a plurality of layers by interposing an interlayer sheet around a winding frame, the surface of the superconducting conductor, the surface of the winding frame, and the interlayer sheet. The superconductive conductor is bonded and fixed to the winding frame or the interlayer sheet by applying an adhesive to the surface and fusing and integrating the adhesive.
請求項5の発明は、巻枠と、前記巻枠の周囲に層間シートを介して複数層に巻回された超電導導体と、前記超電導導体相互間に配置されたダミー導体と、前記巻枠と前記層間シートと前記超電導導体と前記ダミー導体の少なくとも二者を相互に接着する接着剤とを備えている構成とする。
The invention of
本発明によれば、超電導導体が所定の位置に強固に固定されるとともに製作および分解の作業性のよい超電導マグネットおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a superconducting magnet having a superconducting conductor firmly fixed at a predetermined position and having good workability in manufacturing and disassembling, and a manufacturing method thereof.
本発明の実施の形態を図1から図6を参照して説明する。
図1に示すように、巻枠であるビーム貫通孔構造物1の周囲に図示しない座標制御可能な巻線機により超電導導体3が巻き回される。超電導導体3と超電導導体3の隙間の空間にはダミー導体4が配置される。このダミー導体4として、コイルに使用しているものと同種類の超電導導体を短く切断したものを使用する。また図2に示すように、超電導導体3は層間シート2を挟み多層に巻線されている。超電導導体3は、図3に示すように、超電導導体3の上部から超音波振動子8を用いて超電導導体3を層間シート2に押圧振動させることにより、超電導導体3と層間シート2の間が振動摩擦により加熱され、層間シート2上に塗布した接着剤6と導体周囲に塗布した接着剤5が融着一体化することにより、超電導導体3が位置精度良く、強固に固定される。図4は、図3の接着工程を経て形成された上層および下層の2層から成るコイル部の拡大断面図であり、このコイル部は、導体3間の空間にはシリカフィラー入りのエポキシ樹脂からなる充填樹脂7が充填された構成となっている。なお、エポキシ樹脂は一般的なビスフェノールA型で図6の様な分子構造を有する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, a
実際の巻線時には超音波振動子8が超電導導体3の上を押圧しながら通過し、超電導導体3を層間シート2に接着固定していく巻線方法を取る。超電導導体3の周囲の接着剤5と層間シート2表面の接着剤6には図5に示す分子構造を持ったフェノキシ樹脂が用いられる。超電導導体3への接着剤の塗布に関しては特許第2597724号公報に記載されている方法と同様の方法が取られる。
In actual winding, the
上記のように構成された本実施の形態の超電導マグネットでは、超電導導体3の周囲及び層間シート2にフェノキシ樹脂からなる接着剤5,6が塗布してあり、超音波振動子8を使用して超電導導体3を層間シート2に押付けることにより発生する摩擦熱により接着剤5,6が融解する。超音波振動子8が押し当てられながら通過してゆくことによる融解・再凝固の過程でフェノキシ樹脂層が一体となることにより、超電導導体3が所定の位置に精度良く強固に固定されている。
In the superconducting magnet of the present embodiment configured as described above,
フェノキシ樹脂は熱可塑性のため、熱硬化型の樹脂と異なり再融解が可能なため、巻線の修正作業などが可能となり作業性を高めることが出来る。またフェノキシ樹脂の融解・再凝固は短時間で反応が収束するので巻線作業の高速化を図ることが出来る。またフェノキシ樹脂は接着強度が高く、極低温においても十分な接着強度を有するため、極低温に冷却することによる接着力の低下で、導体が剥離するようなことが起きない。 Since the phenoxy resin is thermoplastic, it can be remelted unlike a thermosetting resin, so that it is possible to correct the winding and improve workability. Moreover, the melting and re-solidification of the phenoxy resin converges in a short time, so that the winding work can be speeded up. Moreover, since the phenoxy resin has a high adhesive strength and has a sufficient adhesive strength even at an extremely low temperature, the conductor does not peel off due to a decrease in the adhesive strength caused by cooling to an extremely low temperature.
また超電導導体3間の大きな隙間には、同一寸法で同じ接着剤を塗布したダミー導体4を配置することにより、上層との間の層間スペーサ2が下層側に落ち込むことがなく、下層から上層へ巻き進めていく上での超電導導体3の位置精度を高くしている。また超電導導体3と同じ材質の導体をダミー導体4として配置することにより、コイル構造体としての剛性も高めている。なお、本実施の形態ではダミー導体4として超電導導体を使用したが、同等の断面寸法を有するGFRP(ガラス繊維強化プラスチック)のスペーサなどで代用することも出来る。
In addition, by placing a dummy conductor 4 having the same dimensions and the same adhesive applied in a large gap between the
最終的に超電導導体3間の空間はシリカフィラーによって熱収縮率を超電導導体3に近づけた充填樹脂7により充填され、冷却及び励磁に伴う熱応力及び大きな電磁力に耐える構造となっている。フェノキシ樹脂で接着固定された超電導導体3間の充填材としてエポキシ樹脂を使用する場合、フェノキシ樹脂とエポキシ樹脂は分子構造的に類似しているため、物性が類似しているため相性が良く、異種樹脂材料を複合的に用いた場合に界面で生じる剥離等の問題が起きることがない。そのため、超電導導体3の強固な位置固定が可能となる。また、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂とも高い耐放射線特性を持っている。
Finally, the space between the
本実施の形態の超電導マグネットは図1,2,3,4に示したように超電導導体3の周囲とビーム貫通孔構造物1の外周及び層間シート2の表面にフェノキシ樹脂を塗布し、それを接着固定させることによりコイルを成型してゆくもので、巻線時の超電導導体3の位置精度を確保すると共に、作業性が良く、高い接着強度も得ることが出来る。
As shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4, the superconducting magnet of the present embodiment is obtained by applying phenoxy resin to the periphery of the
また超音波振動子8により超電導導体3を振動させることによって、超電導導体3と被接着物である層間シート2の間に起きる摩擦発熱を利用して接着剤5,6を融着させることにより、他の部分に熱影響を及ぼさない局所的な加熱接着が高速で可能となり、安定した超電導導体位置精度を確保でき、作業性も向上させることが出来る。
Further, by vibrating the
また超電導導体3の間の大きな空間には、同寸法で同一接着剤を施したダミー導体4を配置することにより、層間シート2が下層側に落込むことによる上層側導体の寸法精度の悪化を防ぎ、また導体が無い空間を少なくすることにより全体的なコイル構造体としての剛性も高めている。
Further, by disposing a dummy conductor 4 having the same size and the same adhesive in a large space between the
さらに、導体と導体の隙間をフィラー入りエポキシ樹脂の充填樹脂7で充填することにより、超電導導体3の位置固定及び熱応力と電磁力に対する固定を強固なものにしている。エポキシ樹脂はフェノキシ樹脂と分子構造的に類似しており。樹脂界面での剥離現象などが起きることがない。エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂は放射線に対する耐力の高い材料であるので、コイル及び超電導マグネットとしての耐放射線能力は高いものとなっている。
Further, the gap between the conductors is filled with a filling
なお、以上の説明は鞍形コイルの超電導マグネットについて行ってきたが、本発明はソレノイド形等の超電導マグネットにも適用することができる。 Although the above description has been made with respect to a superconducting magnet of a saddle coil, the present invention can also be applied to a superconducting magnet of a solenoid type or the like.
1…ビーム貫通孔構造物、2…層間シート、3…超電導導体、4…ダミー導体、5…導体周囲に塗布した接着剤、6…層間シート表面に塗布した接着剤、7…導体間に充填した樹脂、8…超音波振動子、9…瞬間接着剤、10…空間。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
6. A superconducting magnet according to claim 5, wherein a gap between the superconducting conductor or the dummy conductor is filled with an epoxy resin containing a filler.
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