JP2006236729A - 荷電粒子加速器用ベローズ - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却性能の向上を図ることができる荷電粒子加速器用ベローズを提供すること。
【解決手段】 真空チェンバ２のフランジ６ａ，６ｂに連結される一対のフランジ８ａ，８ｂと、そのフランジ８ａ，８ｂ間に伸縮自在に設けられるベローズ部材２２と、ベローズ部材２２の内側に設けられベローズ部材２２の伸縮による変形を吸収する摺動部材１９ａ，１９ｂの歯部２０ａ，２０ｂに荷電粒子の放射光が照射されないようにアンテ開口部１３の側壁１３ａからビーム開口部１２の軸線方向に突出するマスク部１４ａ，１４ｂと、アンテ開口部１３の側壁１３ａの外側に冷却水路１６とを備えるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子、陽電子、イオン等の荷電粒子を高エネルギー状態に加速させる荷電粒子加速器のベローズに関する。

荷電粒子加速器は、内部を超高真空とした直線状あるいは環状の真空チェンバ内で電子、陽電子、イオン等の荷電粒子を磁場により偏向周回させて電場により光速近くまで加速させることにより、荷電粒子に高エネルギーを付与する装置である。

一般に、荷電粒子加速器は、所定長さの真空チェンバ同士を多数連結させて構成されており、隣接する真空チェンバの連結部間にはベローズが介装されている。このようにベローズを設けることにより、隣接する真空チェンバの軸心合わせを容易に行える他、荷電粒子の周回時に発生する真空チェンバの軸線方向の熱伸縮を吸収することができる。

このような荷電粒子加速器においては、光速に近い高エネルギーの荷電粒子が磁場中を通過するときに、荷電粒子の軌道の接線方向に放射光を生じ、この放射光が真空チェンバの径方向外側の内壁面に照射される。これは、真空チェンバ間に介装されるベローズ内でも同じであり、この結果、内壁面が過熱されてベローズに多大な熱負荷が加わるばかりでなく、放射光の照射に伴う光電効果により、内壁面から光電子が放出され、周回する荷電粒子の障害となる等の問題があった。

一般的に荷電粒子加速器のベローズは、ステンレス鋼で形成されることが多く、ステンレス鋼は熱伝導性が低いため、ベローズを直接冷却しても冷却効果を十分に得ることは困難であった。このため、上記問題を解決するために、ベローズの荷電粒子周回方向の前方の真空チェンバ内に、真空チェンバの中心に向かって突出させることでベローズの内壁面に照射する放射光を防ぐためのマスク部を設けていた。このマスク部の内部には冷却水が流通するようになっており、これにより放射光の照射による熱負荷を低減させていた。このような構成をなすことにより、放射光の照射に伴ってベローズに加わる熱負荷を抑制していた。

上述した従来の電荷粒子加速器用ベローズは、例えば、非特許文献１に開示されている。

edited by J.W Flanagan and Y.Ohnishi、"Letter of Intent for KEK Super B Factory PartIII:Accelerator Design"、インターネット<http：//www-kekb.kek.jp/SuperKEKB/Documennt/LoI accelerator.pdf>

しかしながら、近年の荷電粒子加速では、荷電粒子の更なる高エネルギー化が進められており、その分、放射光の照射によるベローズに加わる熱負荷も大きくなってきている。ベローズが高温に保持されると、真空度の低下を招くだけでなく、材料が延びてベローズが熱変形してしまうおそれがある。このため、ベローズの耐熱性、つまり、冷却性能の向上が求められているが、従来の荷電粒子加速器用ベローズにおいては、冷却性能が十分ではなかった。

従って、本願発明は上記課題を解決するものであって、冷却性能の向上を図ることができる荷電粒子加速器用ベローズを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズは、
荷電粒子を周回させる真空チェンバの連結部間に介装される荷電粒子加速器用ベローズであって、
前記真空チェンバの連結部に連結される一対のフランジと、
前記一対のフランジ間に伸縮自在に設けられるベローズ部材と、
前記ベローズ部材の内側に設けられ前記ベローズ部材の伸縮による変形を吸収する支持部材の伸縮部に前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光が照射されないように前記フランジの内周面から前記フランジの軸線方向に突出するマスク部と、
前記フランジに設けられる冷却水路とを備えた
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズは、
第１の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズにおいて、
前記冷却水路を前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光に対して略鉛直方向に延設して形成させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズは、
第１または２の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズにおいて、
前記フランジを銅合金で形成させる
ことを特徴とする。

第１の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズによれば、荷電粒子を周回させる真空チェンバの連結部間に介装される荷電粒子加速器用ベローズであって、前記真空チェンバの連結部に連結される一対のフランジと、前記一対のフランジ間に伸縮自在に設けられるベローズ部材と、前記ベローズ部材の内側に設けられ前記ベローズ部材の伸縮による変形を吸収する吸収部材の伸縮部に前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光が照射されないように前記フランジの内周面から前記フランジの軸線方向に突出するマスク部と、前記フランジに設けられる冷却水路とを備えたことにより、冷却性能の向上を図ることができる。

第２の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズによれば、第１の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズにおいて、前記冷却水路を前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光に対して略鉛直方向に延設して形成させることにより、効率的に冷却することができる。

第３の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズによれば、第１の発明に係る荷電粒子加速器用ベローズにおいて、前記フランジを銅合金で形成させることにより、耐熱性と熱伝導性が向上され、冷却効果を十分に得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係るベローズを備えた荷電粒子加速器の平面図、図２はベローズの断面図、図３はフランジの正面図、図４は図２のＡ−Ａ矢視断面図、図５は図３のＢ−Ｂ矢視断面図、図６は図２のＣ拡大図である。なお、図２〜４に示す矢印は、荷電粒子加速器１及びベローズ４の上下方向及び径方向を示している。

図１に示すように、荷電粒子加速器１は、直線状の真空チェンバ２と円弧状の真空チェンバ３とを多数連結させることで全体として環状に構成されている。真空チェンバ２と隣接する真空チェンバ３との間には、後述する真空チェンバ２の横断面に適合するベローズ４が介装されており、真空チェンバ３と隣接する他の真空チェンバ３との間には、後述する真空チェンバ３の横断面に適合するベローズ５が介装されている。

真空チェンバ２の両端にはフランジ６ａ，６ｂが設けられ、真空チェンバ３の両端にはフランジ７ａ，７ｂが設けられる一方、ベローズ４の両端にはフランジ８ａ，８ｂが設けられ、ベローズ５の両端にはフランジ９ａ，９ｂが設けられている。つまり、真空チェンバ２のフランジ６ａ，６ｂとベローズ４のフランジ８ａ，８ｂとが接合されると共に、真空チェンバ３のフランジ７ａ，７ｂとベローズ５のフランジ９ａ，９ｂとが接合されている。このように構成されることにより、荷電粒子加速器１は、内部を超高真空とした真空チェンバ２，３内で電子、陽電子、イオン等の荷電粒子を磁場により偏向周回させて電場により光速近くまで加速させ、当該荷電粒子に高エネルギーを付与することができる。

ここで、真空チェンバ２には、荷電粒子の軌道に沿って周期磁場を与えることにより、荷電粒子を偏向させて蛇行させ、それによって特定の波長の光を取り出すための挿入光源と称されるウィグラー（図示省略）が設けられている。ウィグラーは、真空チェンバ２の上下（図３に示す矢印方向）に、上下で対をなすと共に極性が交互に変化している多数の磁石（図示省略）を真空チェンバ２の長手方向に沿って設けており、この磁石によって真空チェンバ２を上下に貫通し、かつ方向が交互に反転するような磁束を発生させる構成となっている。従って、ウィグラーを備えた真空チェンバ２内では、通過する荷電粒子に対して周期磁場が与えられて磁束と直角な方向、即ち水平方向（荷電粒子加速器１の径方向：図２に示す矢印方向）に荷電粒子が蛇行することになり、その蛇行の際に接線方向に放射光が放射される。

一方、真空チェンバ３には上記のようなウィグラーは設けられてはおらず、従って、真空チェンバ３内では、真空チェンバ３の軸線方向に沿うように荷電粒子が周回することになり、その周回の際に接線方向に放射光が放射される。

つまり、荷電粒子加速器１では、真空チェンバ２内においては荷電粒子加速器１の径方向の内側及び外側の内壁面に放射光が放射されると共に、真空チェンバ３内においては荷電粒子加速器１（真空チェンバ３）の径方向外側の内壁面に放射光が放射される。従って、円弧状に伸縮されたベローズ４内においてはベローズ４の径方向の内側及び外側の内壁面に放射光が放射されると共に、円弧状に伸縮されたベローズ５内においてはベローズ５の径方向外側の内壁面に放射光が放射される。

次に、図２乃至６を用いてベローズ４の構成について説明する。

図２乃至６に示すように、ベローズ４の両側には、クロムジルコニウム銅合金からなる一対のフランジ８ａ，８ｂが設けられている。フランジ８ａ，８ｂには、真空チェンバ２のチェンバ本体（図示省略）の横断面と同じ形状をなした開口部１１が形成されている。

この開口部１１は略円形をなすビーム開口部１２と、その両側で矩形をなすアンテ開口部１３とにより構成されている。つまり、荷電粒子はビーム開口部１２の軸心周辺を周回し、アンテ開口部１３はその荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光の放射方向に延設して形成されている。また、アンテ開口部１３の側壁１３ａには、荷電粒子が周回するビーム開口部１２の軸心に向けて突出するマスク部１４ａ，１４ｂが形成されている。このマスク部１４ａ，１４ｂは、図２に示すように、側壁１３ａにおいて荷電粒子の周回方向前方側に形成されている。

フランジ８ａ，８ｂの外周には、真空チェンバ２のフランジ６ａ，６ｂと接合するための複数のボルト穴１５が形成されている。そして、アンテ開口部１３の外側には、そのボルト穴１５と連通しないようにベローズ４の上下方向、即ち放射光の放射方向に対して略鉛直方向に延設する冷却水路１６が設けられており、その両端は冷却管１７に連結されている。

フランジ８ａ，８ｂ間には、無酸素銅からなり筒状をなす支持部材１８が設けられている。支持部材１８は横断面が開口部１１と同じ形状した一対の摺動部材１９ａ，１９ｂから構成され、摺動部材１９ａ，１９ｂの一端に形成されるくし状の歯部２０ａ，２０ｂを摺動可能に互いに噛み合わせている。つまり、一方の摺動部材１９ａと他方の摺動部材１９ｂとを支持部材１８の軸線方向に相対的に移動させることにより、支持部材１８の軸線方向の長さを変えることができる。また、図６に示すように、歯部２０ａ，２０ｂ間には、導電性及び弾性に優れるベリリウム銅からなる薄板を曲げ加工することによって形成さるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コンタクト２１が設置されている。

支持部材１８の外側にはベローズ部材２２が設けられている。ベローズ部材２２はその両端を取付部材２３，２４により支持されており、取付部材２３は摺動部材１９ａに支持されると共に、取付部材２４は摺動部材１９ｂに支持されている。即ち、ベローズ部材２２が伸縮した場合、摺動部材１９ａ，１９ｂが互いに離間または接近するように摺動できるので、支持部材１８はベローズ部材２２の変形を吸収することができる。しかも、摺動部材１９ａ，１９ｂは歯部２０ａ，２０ｂにおいてＲＦコンタクト２１により連結されているので、表面に沿って流れる表面電流を妨げない。

従って、上述した構成をなすことにより、荷電粒子がベローズ４内を周回し、フランジ８ａ，８ｂのビーム開口部１２を通過したときに、その荷電粒子の放射光がアンテ開口部１３の側壁１３ａに照射されても、冷却水路１６を形成させているのでフランジ８ａ，８ｂを冷却することができる。しかも、冷却水路１６は放射光に対して略鉛直方向に延設して設けられているので、側壁１３ａに対向する接触長さが多くなり、効率的に冷却することができる。

また、噛み合わさった歯部２０ａ，２０ｂにおいては、多少なりとも段差を生じるおそれがあり、このような段差に放射光が照射されると熱変形するだけではなく、ベローズ４の発熱をもたらしてしまう。しかしながら、側壁１３ａにマスク部１４ｂを形成させることにより、荷電粒子の放射光が歯部２０ａ，２０ｂに照射するのを防ぐことができる。つまり、マスク部１４ｂの突出量は、荷電粒子の放射光が歯部２０ａ，２０ｂに照射しない程度に形成されている。なお、マスク部１４ａは、真空チェンバ２のフランジ６ａとベローズ４のフランジ８ａとの接合部に荷電粒子の放射光が照射されるのを防ぐために形成させたものである。

更に、フランジ８ａ，８ｂは高硬度を有し、耐熱性と熱伝導性とに優れるクロムジルコニウム銅合金又はクロム銅合金、ジルコニウム銅合金、銀入り銅合金等で形成されると共に、支持部材１８は熱伝導性に優れる無酸素銅で形成されるので、冷却効果を十分に得ることができる。

ここで本実施例においては、真空チェンバ２に適合するベローズ４の構成について説明したが、真空チェンバ３に適合するベローズ５に上記構成を適用することも可能である。

従って、本発明の荷電粒子加速器用ベローズによれば、真空チェンバ２のフランジ６ａ，６ｂに連結される一対のフランジ８ａ，８ｂと、そのフランジ８ａ，８ｂ間に伸縮自在に設けられるベローズ部材２２と、ベローズ部材２２の内側に設けられベローズ部材２２の伸縮による変形を吸収する摺動部材１９ａ，１９ｂの歯部２０ａ，２０ｂに荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光が照射されないようにアンテ開口部１３の側壁１３ａからビーム開口部１２の軸線方向に突出するマスク部１４ａ，１４ｂと、アンテ開口部１３の側壁１３ａの外側に冷却水路１６とを備えたことにより、冷却性能の向上を図ることができる。

また、冷却水路１６は荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光に対して略鉛直方向に延設しているので、効率的にフランジ８ａ，８ｂを冷却することができる。

また、フランジ８ａ，８はクロムジルコニウム銅合金又はクロム銅合金、ジルコニウム銅合金、銀入り銅合金等で形成されているので、耐熱性と熱伝導性が向上され、冷却効果を十分に得ることができる。ベローズ２，３を対象とすれば図３，４のアンテ開口部１３は片側のみにすることが可能である。

荷電粒子を周回させて加速する荷電粒子加速器に適用可能である。

本発明の一実施例に係るベローズを備えた荷電粒子加速器の平面図である。 ベローズの断面図である。 フランジの正面図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図２のＣ拡大図である。

符号の説明

１ 荷電粒子加速器
２，３ 真空チェンバ
４，５ ベローズ
６ａ，６ｂ〜９ａ，９ｂ フランジ
１１ 開口部
１２ ビーム開口部
１３ アンテ開口部
１３ａ 側壁
１４ａ，１４ｂ マスク部
１５ ボルト穴
１６ 冷却水路
１７ 冷却管
１８ 支持部材
１９ａ，１９ｂ 摺動部材
２０ａ，２０ｂ 歯部
２１ ＲＦコンタクト
２２ ベローズ部材
２３，２４ 取付部材

Claims (3)

1. 荷電粒子を周回させる真空チェンバの連結部間に介装される荷電粒子加速器用ベローズであって、
   前記真空チェンバの連結部に連結される一対のフランジと、
   前記一対のフランジ間に伸縮自在に設けられるベローズ部材と、
   前記ベローズ部材の内側に設けられ前記ベローズ部材の伸縮による変形を吸収する支持部材の伸縮部に前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光が照射されないように前記フランジの内周面から前記フランジの軸線方向に突出するマスク部と、
   前記フランジに設けられる冷却水路とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子加速器用ベローズ。
2. 請求項１に記載の荷電粒子加速器用ベローズにおいて、
   前記冷却水路を前記荷電粒子の周回に伴いその接線方向に放射される放射光に対して略鉛直方向に延設して形成させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器用ベローズ。
3. 請求項１または２に記載の荷電粒子加速器用ベローズにおいて、
   前記フランジを銅合金で形成させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器用ベローズ。

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