JP2020202282A

JP2020202282A - 超伝導装置

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Publication number: JP2020202282A
Application number: JP2019107930A
Authority: JP
Inventors: 悠太江原; Yuta EBARA; 鶴留　武尚; Takenao Tsurutome; 武尚鶴留; 篤橋本; Atsushi Hashimoto; 吉田　潤; Jun Yoshida; 潤吉田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-06-10
Also published as: JP7329367B2

Abstract

【課題】電流リードの引出部位の高温化を抑制しながら、引出部位への着氷を抑制する超伝導装置を提供する。【解決手段】サイクロトロン１は、冷凍機１３によって内部が冷却される真空容器１０と、真空容器１０の内部に収容される超伝導コイル７，８と、超伝導コイル７，８から真空容器１０の外部まで延び、真空容器１０外部からの電流を超伝導コイル７，８に供給する電流リード２０と、真空容器１０の容器壁１１から外部に引き出された電流リード２０のうち容器壁１１の近傍の部位である入力端子部１５の周囲の湿度を低下させる湿度低下部３０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の超伝導装置が知られている。この装置では、極低温に冷却された低温容器内に超伝導素子が収容されている。この超伝導素子に外部からの電流を供給するために、超伝導素子から低温容器の壁を貫通して外部まで延びる電流リードが正負一対で存在している。外部に引き出された電流リードのうち低温容器の壁の近傍の部位（引出部位）には、当該引出部位と低温容器外との温度差に起因して結露が生じ、引出部位に氷が付着する。そして、正負一対の引出部位にそれぞれ付着した氷が成長し両者が近接すれば電流がショートしてしまうので、氷の除去作業が必要になる。このような作業負担を低減するためにも、引出部位に対する着氷を抑制することが望まれる。この問題に対し、特許文献１では、引出部位の周囲に加熱器を配置することで、引出部位への着氷を抑制することが提案されている。

特許5649682号公報

しかしながら、加熱器によって電流リードの引出部位が高温化することは、低温容器内部への熱侵入を増加させる原因となるので、好ましいとは言えない。本発明は、電流リードの引出部位の高温化を抑制しながら、引出部位への着氷を抑制する超伝導装置を提供することを目的とする。

本発明の超伝導装置は、冷却手段によって内部が冷却される低温容器と、低温容器の内部に収容される超伝導素子と、超伝導素子から低温容器の外部まで延び、低温容器の外部からの電流を超伝導素子に供給する電流リードと、低温容器の内部を区画する容器壁から外部に引き出された電流リードのうち容器壁の近傍の部位である引出部位の周囲の湿度を低下させる湿度低下部と、を備える。

湿度低下部は、引出部位を包囲するカバーを有しており、カバーの内部空間の湿度を低下させることとしてもよい。また、湿度低下部は、カバーの内部空間に設置され当該内部空間を除湿する除湿部を有することとしてもよい。湿度低下部は、引出部位の周囲に低湿度気体を供給する低湿度気体供給部を有することとしてもよい。

本発明によれば、電流リードの引出部位の高温化を抑制しながら、引出部位への着氷を抑制する超伝導装置を提供することができる。

本実施形態のサイクロトロンが設置される建屋の断面図である。本実施形態のサイクロトロンの断面図である。（ａ）は、変形例に係るサイクロトロンを模式的に示す図であり、（ｂ）は、他の変形例に係るサイクロトロンの入力電極部近傍を模式的に示す図である。（ａ）は、更に他の変形例に係るサイクロトロンを模式的に示す図であり、（ｂ）は、更に他の変形例に係るサイクロトロンの入力電極部近傍を模式的に示す図である。更に他の変形例に係るサイクロトロンを模式的に示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１（超伝導装置）は、例えば荷電粒子線治療装置１０１の加速器として使用される。荷電粒子線治療装置１０１は建屋１０３内に設置される。建屋１０３の下階にサイクロトロン１が設置され、建屋１０３の上階には回転ガントリー１０５が設置されている。

サイクロトロン１と回転ガントリー１０５とは、搬送ライン１０７で接続されている。サイクロトロン１から出射される荷電粒子線は搬送ライン１０７によって搬送され、回転ガントリー１０５に送られる。サイクロトロン１等を囲む建屋１０３の壁１０９は、放射線の透過を抑制するために十分な厚さをもつ放射線遮蔽壁であり、サイクロトロン１で発生する放射線はほとんど建屋１０３外部に漏出しないようになっている。

図２に示されるように、サイクロトロン１は、平面視において鉛直な中心軸線Ｃを中心とする円形を呈する。図２において、中心軸線Ｃよりも左側は、中心軸線Ｃと荷重支持体１２とを含む鉛直平面に沿った断面を示し、中心軸線Ｃよりも右側は、中心軸線Ｃと電流リード２０とを含む鉛直平面に沿った断面を示す。

サイクロトロン１は、イオン源（不図示）から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する横置きの円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。

サイクロトロン１は、イオン源の他に、超伝導電磁石装置５（超伝導装置）を備えている。超伝導電磁石装置５は、ポール３，４と、ヨーク６と、超伝導コイル７，８（超伝導素子）と、コイル支持枠９と、真空容器１０（低温容器）と、を有する。

ポール３，４は、超伝導コイル７，８の中心軸線（超伝導コイル７，８の巻き中心軸）Ｃ方向に離間して配置されている。なお、サイクロトロン１は、中心軸線Ｃが鉛直になるように配置され使用される。ポール３は、加速空間Ｇより上方に配置された上ポールであり、ポール４は、加速空間Ｇより下方に配置された下ポールである。また、ポール３，４間には、電極（ディ電極、不図示）が設けられている。この電極に高周波を付与することで、電場が形成される。

ヨーク６は、中空の円盤型のブロックであり、その内部にポール３，４及び真空容器１０が配置されている。ヨーク６は、超伝導コイル７，８及びポール３，４で生成した磁力線が外部に漏れないようにするためのものである。

上側の超伝導コイル７は、中心軸線Ｃを中心としてポール３の外周を覆うように巻かれ、下側の超伝導コイル８は、ポール４の外周を覆うように巻かれている。超伝導コイル７および超伝導コイル８は、中心軸線Ｃ方向に並んで配置されコイル支持枠９に収容されている。超伝導コイル７，８は、超伝導線材を巻回した構成のコイル本体を有しており、超伝導線材として高温超伝導線材を用いてよい。高温超伝導線材として、酸化物超伝導体（例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３）や、ＭｇＢ２等を用いてよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。超伝導コイル７，８は、例えば、内周側に内枠（または内巻枠）が設けられておらず、コイル（線材及び線材を固着する接着材）の内周面が他の部材によって接着・固定されていない空芯コイルである。コイル支持枠９は荷重支持体１２を介してヨーク６に固定され支持されている。荷重支持体１２は、中心軸線Ｃを中心として周方向に例えば４箇所に配置されている。

真空容器１０は、中心軸線Ｃを中心として円環状に延びるコイル収容部１０ａと、コイル収容部１０ａに連通して上下に延びる円筒状の支持体収容部１０ｂと、コイル収容部１０ａに連通して上方に延びる円筒状の電極収容部１０ｃと、を有する。コイル収容部１０ａには、コイル支持枠９に装着された状態の超伝導コイル７，８が収容されている。支持体収容部１０ｂには、上記の荷重支持体１２が収容されている。電極収容部１０ｃには、外部から超伝導コイル７，８に電流を導入するための電流リード２０が通過している。なお、サイクロトロン１には、正負一対の電流リード２０が存在しており、これら一対の電流リード２０は同一の構造をなしている。

真空容器１０には、超伝導コイル７，８を冷却するための冷凍機１３（冷却手段）が接続されている。冷凍機１３は、例えば、ＧＭ冷凍機である。冷凍機１３は、真空容器１０内を冷却し、超伝導コイル７，８を例えば４Ｋに冷却することができる。冷凍機は、ＧＭ冷凍機（Gifford-McMahon cooler）に限定されず、例えばスターリング冷凍機を始めその他の冷凍機でもよい。

電流リード２０は、超伝導コイル７，８に電気的に接続されており、真空容器１０の内部を区画する容器壁を貫通して外部に引き出される。具体的には、各電流リード２０は、超伝導コイル７，８から電極収容部１０ｃを通過し真空容器１０の上端の容器壁１１を貫通して、真空容器１０の外部まで延びている。容器壁１１から外部に引き出された電流リード２０のうち、容器壁１１の直ぐ近傍の部位は、入力端子部１５（引出部位）として形成されている。一対の入力端子部１５には、電流の供給源である外部電源（不図示）の正極と負極とがそれぞれ接続される。

入力端子部１５の周囲は室温であるので、入力端子部１５自体の温度と室温との温度差に起因して結露が生じ、ひいては、入力端子部１５に氷が付着することになる。そして、正負一対の入力端子部１５にそれぞれ付着した氷が成長し両者が近接すれば電流がショートしてしまうので、入力端子部１５から氷を除去する作業が必要になる。入力端子部１５上の氷を物理的に破壊する場合には、入力端子部１５や電流リード２０を破損しないように慎重に行う必要もある。このような作業負担を低減するためにも、入力端子部１５に対する着氷を抑制することが望まれる。

そこで、サイクロトロン１は、入力端子部１５の周囲の湿度を低下させる湿度低下部３０を備えている。湿度低下部３０で入力端子部１５の周囲の湿度が低下されることにより、入力端子部１５の周囲の空気の露点が低下するので、入力端子部１５への結露が抑制され、その結果、入力端子部１５の着氷が抑制される。このような湿度低下部３０によれば、入力端子部１５を加熱することなく（或いは、加熱温度を抑えて）着氷を抑制することができるので、入力端子部１５の高温化が抑制され、真空容器１０内部への熱侵入を抑制することができる。

また、仮に、入力端子部１５の加熱のみで入力端子部１５への着氷を抑制したり、入力端子部１５上の氷を解凍したりしようとすれば、比較的高出力の加熱器が必要になる。高出力の加熱器において制御不良等が万一発生すれば、入力端子部１５やその周辺部品が焼損するおそれもある。湿度低下部３０によれば、入力端子部１５を加熱することなく（或いは、加熱温度を抑えて）着氷を抑制することができるので、高出力の加熱器を使用する必要性が低く、上記の問題も抑制することができる。

以下、このような湿度低下部３０の具体的な構成について説明する。

湿度低下部３０は、入力端子部１５を包囲するカバー３１を有している。また、湿度低下部３０は、カバー３１で囲まれる内部空間３３の湿度を低下させるために、内部空間３３に設置され当該内部空間３３の除湿を行う除湿部３５を有している。カバー３１は、内部空間３３を外部から仕切るものであり、例えば、金属製のフレーム材と、当該フレーム材に張られたシート材（例えばビニールシート）と、で構成されてもよい。或いは、カバー３１はプラスチック製であってもよい。

カバー３１は、例えば超伝導電磁石装置５のヨーク６の外壁面上に構築される。除湿部３５は、例えば公知の除湿装置であってもよく、市販の空調装置であってもよい。また、除湿部３５は、例えば内部空間３３に設置された除湿剤（例えば、シリカゲル等）であってもよい。この構成によれば、入力端子部１５が存在するカバー３１の内部空間３３を外部よりも低湿度にすることができ、入力端子部１５の周囲の湿度を低下させることができる。

図３（ａ）に示されるように、２つの入力端子部１５のそれぞれに対して湿度低下部３０が設けられてもよい。この場合、２つの入力端子部１５をそれぞれ別に包囲する２つのカバー３１が存在し、２つの内部空間３３にそれぞれ除湿部３５が設置される。また、サイクロトロン１のうち湿度低下部３０以外の部分を「装置本体部２」とすれば、図３（ｂ）に示されるように、カバー３１が装置本体部２の全体を包囲し、内部空間３３内に装置本体部２全体が収容されてもよい。

また、カバー３１の内部空間３３の湿度を低下させる湿度低下部３０の構成としては、図４（ａ）に示されるようなものであってもよい。図４（ａ）の湿度低下部３０は、空気導入口３７が設けられているカバー３１と、空気導入口３７を通じてカバー３１の内部空間３３に低湿度気体Ａ（水蒸気の含有量が少ない気体）を送り込む送風装置３９（低湿度気体供給部）と、を有している。低湿度気体Ａとしては、例えば乾燥空気、乾燥窒素等が適用される。そして、カバー３１が装置本体部２の全体を包囲し、内部空間３３内に装置本体部２全体が収容される。この構成によっても、入力端子部１５が存在するカバー３１の内部空間３３を外部よりも低湿度にすることができる。送風装置３９は、市販の空調装置であってもよい。

また、図４（ｂ）に示されるように、カバー３１に空気排出口４１を更に設けて、送風装置３９からの低湿度気体Ａが内部空間３３内を吹き抜けるようにしてもよい。この構成によれば、送風装置３９からの低湿度気体Ａが内部空間３３内に効率良く導入される。

なお、上述したような図２〜図４の各カバー３１は、サイクロトロン１が設置される建屋１０３の壁１０９（図１参照）とは異なる。すなわち、各カバー３１は、サイクロトロン１が設置される建屋１０３の壁１０９とは別に設けられるものであり、建屋１０３内でサイクロトロン１の一部として存在するものである。各カバー３１は、壁１０９とは異なり放射線の遮蔽機能が期待されるものではなく、放射線の遮蔽機能をほとんど備えていない。更には、除湿部３５や送風装置３９も、建屋１０３の室内を空調するための空調設備とは別に設けられるものであり、建屋１０３内でサイクロトロン１の一部として存在するものである。

また、入力端子部１５の周囲の湿度を低下させる湿度低下部３０の構成としては、図５に示されるようなものであってもよい。図５の湿度低下部３０では、カバー３１が省略されており、送風装置３９からの低湿度気体Ａは、入力端子部１５に向けて吹付けられる。

また、図２〜図５に示されるサイクロトロン１には、湿度低下部３０に加えて更に、各入力端子部１５を加熱するための加熱部（不図示）が設けられてもよい。この場合、湿度低下部３０により着氷が抑制されるので、その分、加熱部による入力端子部１５の加熱を抑えることができ、入力端子部１５の高温化が抑えられる。

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。各実施形態及び変形例の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、上記実施形態では、真空容器１０の内部を冷却する冷却手段の例として冷凍機１３が用いられているが、この冷却手段は、冷凍機には限定されず、例えば液体ヘリウムを用いて真空容器１０の内部の冷却を行うものであってもよい。

１…サイクロトロン（超伝導装置）、５…超伝導電磁石装置（超伝導装置）、７，８…超伝導コイル（超伝導素子）、１０…真空容器（低温容器）、１１…容器壁、１３…冷凍機（冷却手段）、１５…入力端子部（引出部位）、２０…電流リード、３０…湿度低下部、３１…カバー、３３…内部空間、３５…除湿部、３９…送風装置（低湿度気体供給部）、Ａ…低湿度気体。

Claims

冷却手段によって内部が冷却される低温容器と、
前記低温容器の内部に収容される超伝導素子と、
前記超伝導素子から前記低温容器の外部まで延び、前記低温容器の外部からの電流を前記超伝導素子に供給する電流リードと、
前記低温容器の内部を区画する容器壁から外部に引き出された前記電流リードのうち前記容器壁の近傍の部位である引出部位の周囲の湿度を低下させる湿度低下部と、を備える超伝導装置。
前記湿度低下部は、
前記引出部位を包囲するカバーを有しており、前記カバーの内部空間の湿度を低下させる、請求項１に記載の超伝導装置。
前記湿度低下部は、
前記カバーの内部空間に設置され当該内部空間を除湿する除湿部を有する、請求項２に記載の超伝導装置。
前記湿度低下部は、
前記引出部位の周囲に低湿度気体を供給する低湿度気体供給部を有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の超伝導装置。