JP2009053073A

JP2009053073A - 中性子チョッパー

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Publication number: JP2009053073A
Application number: JP2007220648A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yoshida; 勝彦吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: KR20090023179A; EP2031601B1; KR101057256B1; EP2031601A1; ATE531050T1; US20090121161A1; US7820992B2; JP4417410B2

Abstract

【課題】本発明は、コンパクトに構成され、中性子導管を容易に近接配置できるとともに、真空漏れが発生しにくい中性子チョッパーを提供することを目的とする。
【解決手段】中性子チョッパー１は、内部に密閉空間を形成するとともに中性子が通過可能な窓部１３を有するハウジング１０と、前記ハウジング１０の内部に固定された固定軸２０と、前記固定軸２０に回転自在に支持されるとともに、前記ハウジング１０内を通過する中性子を遮断可能な遮断部３３が設けられたロータ３０と、前記ハウジング１０の内部に配設される、前記ロータ３０を回転させるための電動機４０と、を備える。そして、前記電動機４０の固定子４１は前記固定軸２０に固定され、前記電動機４０の回転子４２は前記固定子４１から前記固定軸２０周りの回転力を受けるとともに、前記ロータ３０に固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、中性子を試料に照射し、散乱された中性子から試料内部の構造等を分析する中性子散乱実験装置に利用される中性子チョッパーに関する。

中性子散乱実験装置は、中性子を試料に照射して、試料で散乱された中性子を観測して試料の物性（内部構造）を分析するものである。当該中性子散乱実験装置において、中性子発生源にてパルス状に発生した中性子は、中性子導管（例えば、スーパーミラー等）により低損失で中性子を輸送できるように設計されたビーム輸送系によって試料まで導かれる。途中、中性子チョッパー等にてそのビームの時間幅を適宜整形、選別される。試料に入射された中性子は、その試料内の原子・分子配列、運動の様相に応じて、特定の角度・特定の速度で散乱されて、中性子検出器によって検出される。散乱された中性子のエネルギーは、パルス状の中性子ビームの飛行時間を測定することによって決定され、散乱強度の角度依存性等と共に解析されて、実験結果が抽出される。

中性子発生源としての核破砕中性子源では、陽子が液体水銀標的に衝突した瞬間に、高速中性子が発生し、それが瞬時に伝送される。中性子散乱実験装置による観測は、非常に高精度、高感度で実現されるので、所定間隔で発生する当該高速中性子がバックグラウンド源となり、観測を妨げる要因となる。

非特許文献１には、この高速中性子を遮断する装置としての中性子チョッパー（いわゆるＴ_０チョッパー）が開示されている。この中性子チョッパーは、数百ｍｅＶ以上の不要に高いエネルギーを有する中性子を遮断するのに十分な質量の金属ハンマーを装備した回転体と、それをパルス中性子の発生に同期した高精度で回転させる機構とを有する。具体的には、真空容器内において、中性子を遮断するために、高Ｎｉ材料のＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０でできたハンマーがロータと一体的に設けられている。そして、真空容器の外側に設置されたモータからの動力が磁気シールユニットを介して当該ロータに伝達され、ロータ及びハンマーが回転する。このハンマーで高速中性子が発生する時間原点（ｔ＝０）近傍だけビームラインを遮断することにより、その高速中性子が実験装置の下流側に伝送されるのを防ぐ。分析実験に必要とされる中性子はエネルギーが低く飛行速度が遅いため、これらの高速中性子に比べれば遅い時刻に中性子チョッパーの位置に到達する。そのため、ハンマーの回転のタイミングを調整することで、その到達時刻にはハンマーがビームラインを遮断しないようにできるので、必要な中性子ビームの輸送を損なわずに、バックグラウンド源となる不要な高速中性子のみを除去することができる。

大久保隆治、外４名、第7回高エネ研メカ・ワークショップ報告集"中性子Ｔ０チョッパーの開発"、［online］、インターネット〈ＵＲＬ：http://ilc.kek.jp/MechWS/2006/〉

ここで、大気中を中性子が通過すると空気の分子に衝突・散乱し、減衰するため、中性子チョッパーの前後に、中性子導管をできるだけ近接して設置する必要がある。しかしながら、非特許文献１に記載された中性子チョッパーは、モータやモータの動力を伝達するための機構が中性子チョッパーを形成するハウジングの外に配置されているため、中性子導管を当該ハウジングに近接配置しにくい構成となり問題となる。
また、非特許文献１に記載された中性子チョッパーは、大気側にあるモータから真空側にあるハンマーに動力を伝達する構成であるため、真空漏れが発生し易く問題となる。
更に、真空漏れを抑制するための磁気シールユニットや、モータからハンマーに動力を伝達するためのカップリング、タイミングベルト等、多くの機器を要し、コストが増加することや、中性子チョッパーが大型化してしまうことが問題となる。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、コンパクトに構成され、中性子導管を容易に近接配置できるとともに、真空漏れが発生しにくい中性子チョッパーを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、中性子を試料に照射し、散乱された中性子から試料内部の構造等を分析する中性子散乱実験装置に利用される中性子チョッパーに関する。
そして、本発明に係る中性子チョッパーは、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の中性子チョッパーは、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る中性子チョッパーにおける第１の特徴は、内部に密閉空間を形成するとともに中性子が通過可能な窓部を有するハウジングと、前記ハウジングの内部に固定された固定軸と、前記固定軸に回転自在に支持されるとともに、前記ハウジング内を通過する中性子を遮断可能な遮断部が設けられたロータと、前記ロータを回転させるために、前記ハウジングの内部に配設されるとともに前記固定軸と前記ロータとの間に設けられた電動機と、を備えることである。

この構成によると、遮断部が設けられたロータを回転させるための電動機がハウジング内部に配設されているため、電動機からロータまでの動力伝達系がハウジング内で完結する。その結果、ハウジングにおいてハウジング内外を連通するような経路が少なくなり、真空漏れが発生しにくい構成となる。また、電動機や当該電動機の動力を伝達するための機構がハウジングの外に配置されないため、中性子チョッパーの前後に設置される中性子導管を中性子チョッパーのハウジングに近接して配置し易い構成となる。
また、電動機が、固定軸とロータとの間に設けられており、ロータの回転中心近傍に駆動機構が集中して配置される。その結果、駆動機構の配置スペースが過度に大きくなることなく、駆動機構、及び、当該駆動機構やロータ等を内包するハウジングをコンパクトに構成することができる。これにより、中性子チョッパーを小型化することが可能になる。

また、本発明に係る中性子チョッパーにおける第２の特徴は、前記電動機の固定子は前記固定軸に固定され、前記電動機の回転子は前記固定子から前記固定軸周りの回転力を受けるとともに、前記ロータに固定されていることである。

この構成によると、固定子が固定軸に安定して支持されるとともに、固定子との相互作用により回転子が受ける回転力がロータの回転に直接寄与することになるため、効率よくロータを回転することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る中性子チョッパーを用いた分光器の概略図である。
本実施形態に係る中性子チョッパーとしてＴ_０チョッパーを例に挙げて説明する。Ｔ_０チョッパー１は、例えば、図１に示すような、
試料９の原子配列構造、原子、分子の運動状態と物性や機能の関係等に関する情報を得るための中性子実験装置１００に好適に用いられる。中性子実験装置１００は、パルス中性子発生源２と、ビームシャッター３と、Ｔ_０チョッパー１と、ディスクチョッパー４と、試料槽５と、真空散乱槽６と、ビームストッパ７と、中性子導管８と、を有する。

パルス中性子発生源２は、パルス状の白色中性子（中性子ビーム）を発生させるものである。ここで、白色中性子とは、様々なエネルギー（速度）を有する中性子の集まりである。当該パルス中性子発生源２として、例えば、核破砕中性子源においては、所定の繰り返し周期（例えば、２５Ｈｚ）で入射する高エネルギー（例えば、３ＧｅＶ）の陽子ビームを標的（例えば、液体水銀）に衝突させ、核破砕によってパルス状の中性子ビームを発生させることができる。

中性子導管８は、パルス中性子発生源２とビームシャッター３との間、ビームシャッター３とＴ_０チョッパー１との間、Ｔ_０チョッパー１とディスクチョッパー４との間、ディスクチョッパー４と試料槽５との間等に配設され、白色中性子中の中性子を損失しないように各装置に導くものである。尚、中性子導管８として、例えば、導管の内壁にＮｉを貼り付け、全反射を利用して中性子を導くものが用いられる。

ビームシャッター３は、パルス中性子発生源２から発生して試料槽５に向かう中性子を遮断可能なシャッターである。

ディスクチョッパー４は、中性子ビームを通過する通過部と中性子ビームを遮断する遮断部とを有するディスクを回転させて、白色中性子のパルスの整形を行ったり、白色中性子から、あるエネルギー（速度）だけを有する単色中性子を選別したりするための中性子チョッパーである。

真空散乱槽６は、試料９の後方に配置され、試料９に入射されて散乱された中性子を検出可能な検出器６ａを有している。当該検出器６ａにより検出された中性子の散乱角度や速度が解析されることにより、試料９の原子配列構造、原子、分子の運動状態と物性や機能の関係等に関する情報を得ることができる。

Ｔ_０チョッパー１は、パルス中性子発生源２から高速中性子が発生する時間原点近傍だけ中性子のビームラインを遮断することにより、その高速中性子が実験装置の下流側（試料槽５側）に伝送されるのを防ぐための中性子チョッパーである。

以下、このＴ_０チョッパー１について詳述する。

図２は、図１に示すＴ_０チョッパー１において中性子の進行方向と略平行に配置される固定軸２０と直交する断面を模式的に示す図である。図３は、図２に示すＴ_０チョッパー１のＸ−Ｘ断面矢視図である。また、図４は、図２に示すＴ_０チョッパー１のＹ−Ｙ断面矢視図である。

図２〜図４に示すように、Ｔ_０チョッパー１は、ハウジング１０と、ハウジング１０に固定された固定軸２０と、固定軸２０に回転自在に支持されるロータ３０と、ロータ３０を回転させるための電動機４０と、を備えている。

ハウジング１０は、前後に開口する円柱状空間１０Ａが内側に形成された本体部１１と、当該本体部１１の前後を覆うように設置された一対の端面部１２・１２と、を有する。端面部１２・１２は、ハウジング１０内の円柱状空間１０Ａが密閉されるように、Ｏリングを介してボルト等により本体部１１に対して取り付けられている。

図３に示すように、一対の端面部１２・１２は、上端部近傍位置において、互いに対面する位置に開口部１２ａ・１２ａを有しており、当該開口部１２ａ・１２ａを覆うように、薄肉板状のビーム窓１３・１３（窓部）が設けられている。ビーム窓１３は、例えば、アルミニウムからなり、中性子は、当該ビーム窓１３を通過することができる。

尚、ビーム窓１３は、ハウジング１０内の円柱状空間１０Ａが密閉されるように、Ｏリングを介してボルト等により端面部１２に対して取り付けられている。

また、一対の端面部１２・１２には、円柱状空間１０Ａの中心軸と交差する位置において、取付穴１２ｂ・１２ｂが形成されており、当該取付穴１２ｂ・１２ｂに対して固定軸２０の両端部が固定されている。尚、固定軸２０は、端面部１２・１２に対して相対回転できないように固定されている。そして、取付穴１２ｂを外側から覆うように、蓋部材１４が取り付けられている。

尚、蓋部材１４は、ハウジング１０内の円柱状空間１０Ａが密閉されるように、Ｏリングを介してボルト等により端面部１２に対して取り付けられている。

ハウジング１０の周りには、地面に対して固定された支持枠１５が設けられている。ハウジング１０は当該支持枠１５に対してボルト等で固定されている。

ロータ３０は、略円筒状に形成され、例えば、アルミニウム合金等で構成される。図３及び図４に示すように、当該ロータ３０には、円筒軸方向両端部において円筒中心（固定軸２０側）に向かって延出する支持部３１・３１がボルト等により固定されている。この支持部３１・３１は、固定軸２０が貫通可能な円形状の空所を中心部に有する円板状部材により構成される。また、当該支持部３１・３１と固定軸２０との間には、ころがり軸受３２・３２が介設されている。即ち、ロータ３０は、支持部３１・３１と、ころがり軸受３２・３２と、を介して固定軸２０に対して回転自在に支持されている。

また、ロータ３０は、外周面の一部において、半径方向を深さ方向とするとともに円筒軸方向における一端の近傍部から他端の近傍部まで延びる溝部３０ａが形成されている。尚、当該溝部３０ａの縁部は、円筒軸方向において直線状に延びて互いに対面する一対の凸条部３０ｂ・３０ｂとなるように、円筒状のロータ３０の外周面を段状に切削することにより形成されている。

溝部３０ａには、ハンマー３３（遮断部）が嵌め込まれて固定されている。当該ハンマー３３は、数百ｍｅＶ以上のエネルギーを有する中性子を遮断するのに十分な質量の金属からなり、例えば、高Ｎｉ材料のＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０により、中性子の進行方向（図３中、矢印Ａで示す方向）における長さが約３００ｍｍ程度となるように構成されている。尚、本実施形態においては、３つのハンマーブロックが中性子の進行方向に並んで配置され、ハンマー３３を構成しているが、これらのハンマーブロックが一体的に形成されていてもよい。ハンマー３３は、中性子の進行方向と垂直な断面（図２参照）が略正方形状に形成された頭部３３ａと当該頭部３３ａよりも幅狭で延びる胴部３３ｂとからなり、当該頭部３３ａをロータ３０の外周面から突出させた状態で、胴部３３ｂを溝部３０ａに挿入され、当該溝部３０ａの縁部を構成する一対の凸条部３０ｂ・３０ｂと胴部３３ｂとを貫通する複数のボルト３４によりロータ３０に対して固定されている。

尚、ハンマー３３は、ロータ３０の回転時において、当該ハンマー３３が固定軸２０に対して鉛直上方に位置したとき（図２に示す状態のとき）に、頭部３３ａにより一対のビーム窓１３・１３の間を直線的に結ぶ経路が遮られるようにロータ３０に対して固定されている。

電動機４０は、回転磁界をつくるために巻線をはめ込まれた固定子４１と、固定子４１の外側に所定の隙間を有して設けられ当該回転磁界により固定子４１の周りを回転する回転子４２を備えて構成される外回転子型の三相誘導電動機である。電動機４０の固定子４１は、固定軸２０におけるロータ３０を支持するための一対の軸受３２・３２の中間部に、図示しないボルト等により固定されている。また、電動機４０における回転子４２の回転中心軸が固定軸２０の中心軸と同軸になるように、固定子４１が固定軸２０に対して固定される。また、電動機４０の回転子４２は、ロータ３０の内周面に対して図示しないボルト等により固定されている。尚、電動機４０の固定子４１への電力供給は、例えば、固定軸２０内を軸方向に貫通するように設けられた電力線等により行われる。

電動機４０を駆動すると、回転子４２には、固定子４１から固定軸２０周りの回転モーメントが作用し、回転子４２及び当該回転子４２に固定されるロータ３０は、固定軸２０周りに回転する。

次に、Ｔ_０チョッパー１の動作について説明する。

Ｔ_０チョッパー１のハウジング１０内は、約１Ｐａ程度の真空状態とされ、電動機４０の駆動により、ロータ３０及びハンマー３３が固定軸２０周りを回転する。電動機４０の回転数は、パルス中性子発生源２におけるパルス中性子の発生に同期するように調整される。そして、Ｔ_０チョッパー１内を高速中性子が通過しようとするときに、ハンマー３３がビーム窓１３・１３の間の経路を遮断するように、回転のタイミングを調整することで、この高速中性子が実験装置の下流側に伝送されるのを防ぐことができる。

以上、説明したように、本実施形態に係るＴ_０チョッパー１は、内部に密閉空間を形成するとともに中性子が通過可能なビーム窓１３・１３を有するハウジング１０と、ハウジング１０の内部に固定された固定軸２０と、固定軸２０に回転自在に支持されるとともに、ハウジング１０内を通過する中性子を遮断可能なハンマー３３が設けられたロータ３０と、ロータ３０を回転させるために、ハウジング１０の内部に配設されるとともに固定軸２０とロータ３０との間に設けられた電動機４０と、を備える。

この構成によると、ハンマー３３が設けられたロータ３０を回転させるための電動機４０がハウジング１０内部に配設されているため、電動機４０からロータ３０までの動力伝達系がハウジング１０内で完結する。その結果、ハウジング１０においてハウジング１０内外を連通するような経路が少なくなり、真空漏れが発生しにくい構成となる。

また、電動機４０や電動機４０の動力を伝達するための機構がハウジング１０の外に配置されないため、Ｔ_０チョッパー１の前後に設置される中性子導管８をＴ_０チョッパー１のハウジング１０に近接して配置し易い構成となる。中性子導管８を近接配置することで、大気中を中性子が通過する長さを短くすることができ、中性子が空気の分子に衝突・散乱して減衰することを抑制できる。

また、電動機４０が、ハンマー３３の回転中心となる固定軸２０とロータ３０との間に設けられており、ロータ３０の回転中心近傍に駆動機構が集中して配置される。その結果、駆動機構の配置スペースが過度に大きくなることなく、電動機４０等の駆動機構、及び、当該駆動機構やロータ等を内包するハウジングをコンパクトに構成することができる。これにより、Ｔ_０チョッパー１を小型化することが可能になる。

また、電動機４０の固定子４１は固定軸２０に固定されているので、電動機４０の固定子４１が固定軸２０に安定して支持される。また、固定子４１と固定軸２０とが略一体的に形成されるため電動機４０をより小型化することができる。

また、電動機４０の回転子４２は固定子４１から固定軸２０周りの回転力を受けるとともに、ロータ３０に直接固定されて、電動機４０による回転力がロータ３０の回転に直接作用する構成であるため、固定子４１との相互作用により回転子４２が受ける回転力がロータ３０の回転に直接寄与することになる。したがって、効率よくロータ３０を回転することが可能になる。また、電動機４０によりロータ３０を回転させるためにタイミングベルト等の回転力伝達部材が不要となる。このように、駆動機構が簡易な構成なため、製造コストを削減できるとともに、故障等が発生しにくく、メンテナンス費用を削減することも可能である。

また、中性子を遮断する遮断部であるハンマー３３と、ロータ３０とが別部材により構成されており、ハンマー３３のみに中性子遮断材であるＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０を用いて構成されている。これにより、ロータ３０は、比較的安価な部材により形成できるため、材料コストを削減することができる。尚、中性子を遮断する遮断部をロータと別部材により構成する場合に限らず、遮断部をロータと一体的に形成してもよい。この場合、ボルト等の取付部材が不要となるため、部品点数を削減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。例えば、以下のように変形して実施することができる。

（１）本実施形態においては、ロータ３０の円周方向における一の位置にハンマー３３が設けられたＴ_０チョッパーを例示したが、この場合に限られず、ロータの円周方向にハンマーが複数設置されたＴ_０チョッパーに本発明を適用することもできる。

（２）遮断部としてのハンマーを有するＴ_０チョッパーに本発明を適用する場合に限らず、ディスク部分を遮断部として有するディスクチョッパー等の中性子チョッパーに本発明を適用することもできる。

（３）ロータを回転させるための電動機は、三相誘導電動機に限らず、固定子と回転子との相互作用により回転モーメントが回転子に作用するような他の外回転子型電動機を適宜用いることができる。

（４）固定子４１を固定軸２０に直接固定する構成に限らず、電動機４０のハウジング等を介して固定軸２０に取り付けた構成であってもよい。また、回転子４２をロータ３０に直接固定する構成に限らず、減速機等を介して電動機４０の回転をロータ３０に伝達する構成としてもよい。また、固定子４１に回転磁界を発生させるための巻線を設ける場合に限らず、回転子側に巻線を設け、ブラシ等を介して当該回転子側に電力供給する構成としてもよい。

本発明の実施形態に係る中性子チョッパーを用いた分光器の概略図である。図１に示すＴ_０チョッパーにおいて固定軸と直交する断面を模式的に示す図である。図２に示すＴ_０チョッパーのＸ−Ｘ断面矢視図である。図２に示すＴ_０チョッパー１のＹ−Ｙ断面矢視図である。

符号の説明

１Ｔ_０チョッパー（中性子チョッパー）
１０ハウジング
１３ビーム窓（窓部）
２０固定軸
３０ロータ
３３ハンマー（遮断部）
４０電動機
４１固定子
４２回転子
１００中性子実験装置

Claims

内部に密閉空間を形成するとともに中性子が通過可能な窓部を有するハウジングと、
前記ハウジングの内部に固定された固定軸と、
前記固定軸に回転自在に支持されるとともに、前記ハウジング内を通過する中性子を遮断可能な遮断部が設けられたロータと、
前記ロータを回転させるために、前記ハウジングの内部に配設されるとともに前記固定軸と前記ロータとの間に設けられた電動機と、
を備えることを特徴とする中性子チョッパー。
前記電動機の固定子は前記固定軸に固定され、
前記電動機の回転子は前記固定子から前記固定軸周りの回転力を受けるとともに、前記ロータに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の中性子チョッパー。