JP2599988B2 - 超電導磁場利用装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超電導磁場利用装置に関し、特に極低温に維
持した超電導コイルを極低温に保ったまま、磁極間の磁
場利用空間を画定する容器を外部に取り出すことのでき
る超電導磁場利用装置に関する。

以下、主として放射光を発生させる電子蓄積リングを
例として説明する。

［従来の技術］ 電子蓄積リング（SOR）は加速した電子を強磁場中に
閉じ込め、回転運動をさせることによって放射光を発生
させる。この加速電子を閉じこめるための強磁場形成に
超電導マグネットが用いられる。超電導マグネットは、
極低温に冷却された超電導コイルを含む。

第２図に従来の電子蓄積リングの代表的構造を概略的
に示す。上超電導コイル51と下超電導コイル52とはヘル
ムホルツコイル型に同軸に向い合って配置されている。
上超電導コイル51に囲まれた領域内に環状の上磁極53が
配置され、対称的に下超電導コイル52に囲まれた領域内
に環状の下磁極54が配置されている。両磁極53、54間に
磁場によって周回軌道を描く電子を蓄積するための環状
の真空容器55が配置されている。ヨーク57が上超電導コ
イル51と下超電導コイル52とを外側から取り囲み、さら
に上下から上磁極53、下磁極54を挟むように延在して磁
気回路を形成している。

上超電導コイル51、下超電導コイル52に電流を流すと
両超電導コイル間に強い吸引力が働く。そこで、両超電
導コイルと対抗する物理的な支持構造が必要である。

一方、真空容器55は必要に応じて外部に取り出し、整
備、設定変更等を行う必要がある。

まず、上下超電導コイル51、52間に働く力を支持する
には、両超電導コイル51、52間に物理的支持部材を配置
するのが好ましい。

そこで、第３図（Ａ）、（Ｂ）、に示すように内部支
持ロッド58a、58bを用いて、上下超電導コイル51、52を
少なくとも数箇所で直接連結することが望ましい。しか
し、この構造では真空容器55を外部に取り出すことがで
きない。

真空容器55を外に取り出せるようにするには、第４図
に示すように、ヨーク57を水平中立面56で分割すること
が望ましい。上側の超電導コイル51とヨーク57aを持上
げることにより真空容器55を取り出すことができる。し
かし、この方法では超電導コイル51、52の外部支持ロッ
ド59からの熱の侵入が大きく、ヘリウムの消費量が大き
くなる。

このような事情は、電子蓄積装置に限らず、超電導磁
場利用装置に広く存在する。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したように、従来技術によれば、１対の超電
導コイル51、52間を物理的に支持すると、磁極53、54間
の真空容器55が容易に取り出せず、真空容器55が取り出
し易いようにヨーク57を２分し、外部支持部材59によっ
て各ヨーク57a、57bに超電導コイル51、52を支持する
と、外部支持部材59からの熱侵入が大きくなり、液体ヘ
リウムの消費が増大する問題があった。

本発明の目的は、真空容器の取出しが容易でかつ外部
から超電導コイルへの支持部材を熱侵入の小さいものに
することができる超電導磁場利用装置を提供することで
ある。

［課題を解決するための手段］ １対の超電導コイル間に内部支持部材を設け、この内
部支持部材を分割可能な構成とし、さらに各超電導コイ
ルに対して気密容器を形成できる気密部材を備える。

さらに、内部支持部材を超電導コイルからも分割可能
な構成としてもよい。

第１図（Ａ）、（Ｂ）を参照して本発明の基本概念を
説明する。（Ａ）が全体の断面図、（Ｂ）が超電導コイ
ル切離し時の部分断面図である。１対の超電導コイル
１、２が１対の磁極３、４を取り巻き、磁極３、４間に
磁場を発生させる。真空容器５がこの磁場中に置かれ、
この内部で電子を蓄積すること等に磁場を利用する。超
電導コイル１、２は液体ヘリウムを用いて極低温に冷却
される。但し、極低温冷却用の液体ヘリウム、液体窒素
のシステム系統は図示していない。上ヨーク７、下ヨー
ク８はそれぞれ上磁極３、下磁極４に連続し、水平中立
面６で互いに接触して磁気回路を構成する。上超電導コ
イル１、下超電導コイル２の間には上、下内部支持部材
９、10が設けられ、両超電導コイル１、２に電流を流
し、吸引力が働いた時に、その吸引力に対向して両超電
導コイル１、２を支持する。この内部支持部材９、10も
使用時には極低温になる。これら極低温になる部分を囲
んでクライオスタットケース14、15が設けられている。
このクライオスタットケースは両超電導コイル１、２に
対応して上クライオスタットケース部14と下クライオス
タットケース部15に分離できる。超電導コイル１、２は
また位置決め部材16、17によってヨーク７、８に支持さ
れ、その位置を定めている。

クライオスタットケースを分離した時に、内部支持部
材９、10も分離し、さらに上下内部支持部材９、10から
張り出した第２シール部材20、21が上、下クライオスタ
ットケース部14、15から張り出した第１シール部材18、
19とそれぞれ係合し、上下別個に気密真空容器を形成で
きる。

第１図（Ｂ）に上側を示すように、さらに超電導コイ
ル１を引上げることにより、超電導コイル１と内部支持
部材９も切り離され、内部支持部材９は極低温から分離
される。なお、下側も同様である。

［作用］ まず装置を組立てた使用時は、超電導コイル１、２間
に内部支持部材９、10が挿入されて超電導コイル１、２
間の吸引力に対して物理的支持を与えている。このため
超電導コイル１、２とヨークとの間の位置決め部材（外
部支持部材）16、17は熱伝導の小さい断面積の小さなも
ので足りる。このため、外部より極低温部への熱の流入
を低減できる。

上、下ヨーク７、８が分離でき、ヨーク分離と共に上
下超電導コイル１、２も分離できるので真空容器５の取
り出しが容易である。

さらに、内部支持部材９、10が超電導コイル１、２と
の係合を解除できる構成を持つときは、分離時の極低温
部への熱の流入をさらに低減できる。

［実施例］ 第５、６、７図を参照して、本発明の実施例を説明す
る。

第５図は、第１図に示すような超電導磁場利用装置の
部分断面図である。

上磁極３と下磁極４との間に真空容器５が配置されて
いる。上磁極３、４間を、水平中立面６で接続した上ヨ
ーク７と下ヨーク８が磁気回路的に接続している。上、
下ヨーク７、８及び真空容器５を貫いて上、下超電導コ
イルユニット29、30が配置されている。

上超電導コイル１はコイルケース23内に密封され、液
体ヘリウムで冷却されている。上下のコイルユニット2
9、30はほぼ対称的な構成を有する。ここでは上側のコ
イルユニット29について説明する。コイルケース23の上
には位置決め部材である外部支持ロッド16aが取り付け
られ上端で上ヨーク７に固定される。コイルケース23の
下には内部支持部材である内部支持ロッド9aが取り付け
られ、装置の水平中立面６で下コイルユニット30の内部
支持ロッド10a（図示せず）と接触している。通電時に
上下コイル１、２に働く吸引力は内部支持ロッド9a、10
aで受け持ち、外部支持ロッド16aは上コイルユニット29
を上ヨーク７に固定するためのもので支持力は小さい。

内部支持ロッド9aとコイルケース23との間の係合部に
は、コンタクトフィンガ31が設けられている。完全な係
合を達成する前にコンタクトフィンガを介して部分的な
熱的、ないし機械的係合を行う。

コイルケース23の周囲には熱シールド板25が取り付け
られ、その外側の上クライオスタットケース14からの熱
侵入を小さくする作用をする。１層で図示するが、温度
の異なる複数の層で構成するのが好ましい。

外部支持ロッド16aの上端には調整機構が取り付けら
れ、コイルケース23を上クライオスタットケース14に対
し、相対的に上下できる。内部支持ロッド9aには、第６
図の部分拡大図に示すようにシール部材であるバルブプ
レート20aが取り付けられバネ33でコイルケース23に引
き付けられている。上クライオスタットケース14には対
応する位置にシール部材であるバルブシート18aが取り
付けられている。バルブプレート20aとバルブシート18a
とが係合すると気密状態を保つバルブが構成される。同
様に、下側には、バルブプレート40とバルブシート38が
設けられ、バルブを構成する。上クライオスタットケー
ス14の下面当接部にはフランジ37が形成され、下クライ
オスタットケースのフランジとの間でＯリングを利用し
て真空を保つ構成を有している。

図示の場合、内部支持ロッド9aを取り囲むクライオス
タットケース14は真空容器５に設けた連結用の孔39に入
っている。真空容器に設ける孔39は、例えば第７図の平
面図に示すように均等に分布した６箇所に設ける。電子
は矢印で示す方向から入射し、破線で示す軌道を回る。
この軌道経路上のハッチングで示す領域に各種機器が設
置される。前述の孔39はこのハッチング領域を避けて決
定される。この孔は外縁に対し切欠かれた孔でもよい。
また真空容器の外径を小さくすることが可能なら切欠き
も不要である。

第６図に示すように、支持ロッド9aの下端面に近い所
にヒータと温度センサ27が取り付けられている。極低温
であった内部支持ロッド9aを外気に露出するとき結露防
止のため加熱するためである。

第５〜７図に示す構成は、磁気回路が上下対称的な構
造で構成され、中央部で上下に分離できる。分離時にも
超電導コイルを極低温に維持できるので、ヘリウムの消
費を節約すると共に真空容器取り付け後の操作開始まで
の時間を短縮できる。

以下に真空容器５の取出し、組込みの手順を簡単に説
明する。

真空容器５を外部に取出す場合の手順は以下のようで
ある。

1.外部支持ロッド16を上部の調整機構を用いて上側に引
上げる。この操作により内部支持ロッド9aに取り付けら
れたバルブプレート20a（第６図）はバルブシート18aに
押し付けられる。これで上クライオスタットケース14側
に気密真空容器が形成される。

2.外部支持ロッド16aをさらに引上げるとコイルケース2
3と内部支持ロッド9aとが分離し、バネ33で互いに引合
う状態になる。すなわち内部支持ロッド9aが極低温から
分離される。

3.ヒータ27で内部支持ロッド9a下部を加熱し、室温に戻
す。これで外気が触れても結露しない状態になる。

4.上記操作を下側コイルユニットにも同様の手順で行
う。両バルブプレート20a、40はバルブシート18a、38と
係合し、中間にバッファ空間43を作る。

5.リーク弁35を開き、バッファ空間43を大気圧にする。

6.上ヨーク７を持上げ真空容器５を取出す。

真空容器を取込む場合の手段は以下のようである。

1.真空容器５を組込む。

2.上ヨーク７を下げ、上クライオスタットケース14のフ
ランジ部37を下クライオスタットケースのフランジ部と
突合わせる。

3.バッファ空間43を真空排気する。

4.外部支持ロッド16aを下げ、内部支持ロッド9aに取り
付けたコンタクトフィンガ31をコイルケース32に接触さ
せる。さらに外部支持ロッド16aを下げるとバルブプレ
ート20aがバルブシート18aから離れる。この際、内部支
持ロッド9aとコイルケース23はコンタクトフィンガ31を
介して部分的に機械的および熱的に接触している。

5.ヒータ27を切ると内部支持ロッド9aはコンタクトフィ
ンガ31とバネ33を経由して冷却される。温度センサで温
度を検知する 6.内部支持ロッド9aの温度がコイルケース23の温度に近
付いた時点で外部支持ロッド16aを最終位置まで押し下
げる。

以上説明したように本実施例によれば、 低温部と連結している外部支持ロッド16aの荷重は小
さいので断面を小さくでき、外部からの熱侵入の少ない
超電導コイルができる。

内部支持ロッドが上下分割可能で、超電導コイルを上
下別個の気密真空容器に収容できるので、磁場利用のた
めの真空容器を容易に取り出せる。

さらに、コイルユニットの上下接合部を大気に露出す
る場合、内部支持ロッド9aを極低温部と分離することに
より、内部支持ロッド9aからの熱侵入を小さくできる。

内部支持ロッド9a端面にヒータを設け、加熱すること
により端面の結露、凍結を防止できる。

以上、実施例に沿って説明したが、本実施例はこれら
に制限されるものではない。たとえば、種々の変形、変
更、組み合わせなどが可能であることは当業者に自明で
あろう。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によればヨークを分割し
て真空容器を容易に外部に取出せる構造としつつ、超電
導コイル間に支持部材を設けて吸引力を支持できる。

真空容器取出し時には、上、下超電導コイルを極低温
に保ったまま、分離された真空気密容器内に上、下超電
導コイルを独立別個に収納できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の基本概念を示し、
（Ａ）は使用時の超電導磁場利用装置の模式断面図、
（Ｂ）は切離時の模式部分断面図、 第２図、第３図（Ａ）、（Ｂ）、第４図は従来技術を説
明するための超電導磁場利用装置の模式断面図、 第５図は本発明の１実施例による超電導磁場利用装置を
示す断面図、 第６図は第５図の部分拡大図、 第７図は第５図に示す真空容器５の平面構造例を示す平
面図である。 図において、 １、２……超電導コイル ３、４……磁極 ５……真空容器 ６……中立面 ７、８……ヨーク ９、10……支持部材 9a……内部支持ロッド 14、15……クライオスタットケース 16、17……位置決め部材 16a……外部支持ロッド 18、19……第１シール部材 20、21……第２シール部材 23……コイルケース 25……熱シールド板 27……ヒータ及び温度センサ 29、30……コイルユニット 31……コンタクトフィンガ 33……バネ 35……リーク弁 37……フランジ 18a、38……バルブシート 20a、40……バルブプレート 39……孔 43……バッファ空間 51……上超電導コイル 52……下超電導コイル 53……上磁極 54……下磁極 55……真空容器 57……ヨーク 59……支持ロッド

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁場を利用する空間を画定する容器（５）
   と容器（５）内の少なくとも所定の領域に磁場を形成す
   るための１対の磁極（３、４）とこれら磁極間を磁気的
   に接続するヨークとこれら磁極（３、４）を囲んで磁束
   を発生するための１対の超電導コイル（１、２）とを有
   する超電導磁場利用装置であって、 前記ヨークが各磁極（３、４）に接続する２つの部分
   （７、８）に分離可能であり、 １端で前記１対の超電導コイル（１、２）に係合し、他
   端で互いに係合して前記超電導コイル間に働く吸引力を
   支持する１対の荷重支持部材（９、10）と、 前記１対の荷重支持部材（９、10）の各々とそれに隣接
   する前記超電導コイル（１、２）の１方を取り囲む１対
   のクライオスタットケース（14、15）であり、互いに係
   合して１つの真空容器を作ると共に、別にそれぞれが気
   密シールを形成するための第１シール部材（18、19）を
   有する１対のクライオスタットケース（14、15）と、 前記１対の各荷重支持部材（９、10）の相互に係合する
   端部近傍から外に向かって形成され、前記第１シール部
   材と係合して気密シールを形成するための第２シール部
   材（20、21）と、 前記第１シール部材（18、19）間に形成され排気系との
   接続及び外気のリークを行うための弁部材（35）と を有する超電導磁場利用装置。
2. 【請求項２】前記荷重支持部材（9,10）が、前記超電導
   コイル（1,2）との係合を解除できる構成を有している
   請求項１記載の超電動磁場利用装置。