JP3905905B2 - 荷電粒子加速器の真空チェンバ - Google Patents

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真空チェンバに関する。

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周回させて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。

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し、軌道が曲がるときに、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。この結果、内壁面が過熱されて真空チェンバ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。

このため、真空チェンバの荷電粒子が周回する円形断面のビームチャンネルの真空チェンバの径方向外側に、荷電粒子の周回軌道（ビームチャンネルの軸心周辺）から離反させるようにアンテ部を形成させると共に、アンテ部の放射光が照射される真空チェンバの径方向外側の内壁面に隣接するように冷却水を流通させる冷却チャンネルを形成させたものが、種々提供されている。

このような構成をなすことにより、荷電粒子の周回軌道からアンテ部の内壁面までの距離が長くなり、その分、この内壁面から放出される光電子と周回する荷電粒子との距離も遠くなる。この結果、放射光の照射に伴って真空チェンバに加わる熱負荷を抑制すると共に、放射光の照射に伴って放出される光電子が走行する荷電粒子の周回軌道まで容易に到達できないようにしている。

上述した従来の電荷粒子加速器の真空チェンバは、例えば、非特許文献１に開示されている。

Y.Suetsugu，外１１名、"R&D OF COPPER BEAM DUCT WITH ANTECHAMBER SCHEME FOR CURRENT ACCELERATORS"、インターネット<http：//www-lib.kek.jp/cgi-bin/kiss prepri?KN=200427053&0F=8.>

しかしながら、従来の荷電粒子加速器の真空チェンバにおいては、チェンバ本体内を真空にするためのポンプ室を形成するために溝形（コ字形）のポンプチャンネルが接合されており、このポンプチャンネルは引き抜き加工等により製造されるので、加工に手間がかかっていた。また、ポンプチャンネルと冷却チャンネルとをチェンバ本体に接合する箇所も多く、接合工程が複雑になることから、機械加工の比率が大きくなり製造コストの増加に繋がっていた。

また、近年の荷電粒子加速器の真空チェンバでは、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挿入光源と称されるウィグラーを組み込んだものが提供されている。このような真空チェンバでは、荷電粒子を蛇行させるために、真空チェンバの荷電粒子が周回するビームチャンネルの真空チェンバの径方向内側にも、荷電粒子の周回軌道から離反させるようにアンテ部を形成させると共に、アンテ部の放射光が照射される真空チェンバの径方向内側の内壁面に隣接するように冷却水を流通させる冷却チャンネルを形成させていた。

上記のようなウィグラー等の挿入光源を備えた真空チェンバにおいては、更に、加工に手間がかかると共に、接合箇所が多く、接合工程が複雑になるので、製造コストの増加に繋がるという問題があった。

従って、本願発明は上記課題を解決するものであって、簡素な構成にすることで機械加工の比率を低減させ、製造コストの低減を図ることができる荷電粒子加速器の真空チェンバ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の真空チェンバは、
荷電粒子を周回させるビームチャンネルと、
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の放射方向に延設するように前記ビームチャンネルに一体的に形成されるアンテ部と、
前記アンテ部の外側に設けられて冷却水を流通させる冷却チャンネルと、
前記ビームチャンネル内及び前記アンテ部内を真空にするポンプを収納すると共に横断面がＬ字形をなすポンプアングルとを備え、
前記ポンプアングルの一端を前記ビームチャンネルの膨出部に接合する一方、前記ポンプアングルの他端を前記アンテ部及び前記冷却チャンネルに重合接合させる
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の真空チェンバは、
第１の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
前記ポンプアングルの一端に形成させた段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させる一方、前記アンテ部の端部に形成させた薄肉部を前記ポンプアングルの他端及び前記冷却チャンネルで挟むように接合させる
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の真空チェンバは、
第１の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
前記ポンプアングルの一端に形成させた段部同士を接合させ、接合させた前記段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバは、
第１乃至３のいずれかの発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
前記ビームチャンネル、前記アンテ部、前記冷却チャンネル及び前記ポンプアングルを無酸素銅で形成させる
ことを特徴とする。

第１の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバによれば、荷電粒子を周回させるビームチャンネルと、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の放射方向に延設するように前記ビームチャンネルに一体的に形成されるアンテ部と、前記アンテ部の外側に設けられて冷却水を流通させる冷却チャンネルと、前記ビームチャンネル内及び前記アンテ部内を真空にするポンプを収納すると共に横断面がＬ字形をなすポンプアングルとを備え、前記ポンプアングルの一端を前記ビームチャンネルの膨出部に接合する一方、前記ポンプアングルの他端を前記アンテ部及び前記冷却チャンネルに重合接合させることにより、真空チェンバが簡素な構成になり、引き抜き加工や溶接等の機械加工の比率が低減され、製造コストの低減を図ることができる。

第２の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバによれば、第１の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、前記ポンプアングルの一端に形成させた段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させる一方、前記アンテ部の端部に形成させた薄肉部を前記ポンプアングルの他端及び前記冷却チャンネルで挟むように接合させることにより、前記ポンプアングルの一端が固定されるので作業性を向上させることができ、また、接合箇所を減少させることができる。更に、ポンプ室が拡大されるので、ポンプ室に挿入するポンプ容量を大きくすることができ、排気効率が向上され、高真空度を得ることができる。

第３の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバによれば、第１の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、前記ポンプアングルの一端に形成させた段部同士を接合させ、接合させた前記段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させることにより、更に、製造コストの低減を図ることができる。

第４の発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバによれば、第１乃至３のいずれかの発明に係る荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、前記ビームチャンネル、前記アンテ部、前記冷却チャンネル及び前記ポンプアングルを無酸素銅で形成させることにより、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真空チェンバを備えた荷電粒子加速器の平面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は薄肉部の接合方法を示した図、図４は本発明の他の実施例に係る荷電粒子加速器の真空チェンバの横断面図である。なお、図２，４に示す矢印は、荷電粒子加速器１及び真空チェンバ２の上下方向と荷電粒子加速器１の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。つまり、真空チェンバ２，３の両端にはフランジ２ａ，３ａが設けられる一方、ベローズ４，５の両端にはフランジ４ａ，５ａが設けられ、真空チェンバ２，３はこのフランジ２ａ，３ａとベローズ４，５のフランジ４ａ，５ａと接合されることで連結されている。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周回させて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２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。

次に、図２を用いて真空チェンバ２の構成について説明する。

図２に示すように、真空チェンバ２は、真空チェンバ２の軸線方向に延設すると共に無酸素銅で形成されるチェンバ本体１１，１２、冷却チャンネル１３，１４及びＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８から構成されている。

チェンバ本体１１は膨出部１９とその両端に形成される平坦部２０，２１とを有しており、同様に、チェンバ本体１２は膨出部２２とその両端に形成される平坦部２３，２４とを有している。そして、同じ形状のチェンバ本体１１，１２を上下方向に対向するように配置させることにより、膨出部１９，２２によりビームチャンネル２５が形成され、平坦部２０，２３により内側アンテ部２６が形成され、平坦部２１，２４により外側アンテ部２７が形成されている。ビームチャンネル２５は断面が略円形に形成され、その軸心周辺が荷電粒子の周回軌道になっている。アンテ部２６，２７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（荷電粒子加速器１の径方向）に延設し、その断面は矩形に形成されている。

また、膨出部１９，２２には取付座２８，２９，３０，３１が形成され、平坦部２０，２１，２３，２４には排気スリット３２，３３，３４，３５が開口されている。そして、アンテ部２６，２７の両側端には、薄肉部３６，３７，３８，３９が形成されている。

冷却チャンネル１３，１４は筒状に形成されており、その軸線方向には冷却水路４０，４１が形成される一方、外面には上下方向に突出した接合部４２，４３が形成されている。冷却チャンネル１３は接合部４２を上下方向から薄肉部３６，３８で接合されることにより、内側アンテ部２６の外側（荷電粒子加速器１の径方向内側）に設けられており、冷却チャンネル１４は接合部４３を上下方向から薄肉部３７，３９で接合されることにより、内側アンテ部２７の外側（荷電粒子加速器１の径方向外側）に設けられている。

ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８は断面がＬ字形に形成されており、その一端には段部４４，４５，４６，４７が形成されている。ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８は、一端に形成された段部４４，４５，４６，４７が取付座２８，２９，３０，３１に接合されると共に、他端が薄肉部３６，３７，３８，３９に接合されている。これにより、チェンバ本体１１とＮＥＧアングル１５，１６とによりポンプ室４８，４９が形成されると共に、チェンバ本体１２とＮＥＧアングル１７，１８とによりポンプ室５０，５１が形成される。そして、ポンプ室４８，４９，５０，５１には、排気スリット３２，３３，３４，３５上にＮＥＧ（Non Evaporable Getter：非蒸着型ゲッター）ポンプ５２が設けられている。

即ち、ＮＥＧポンプ５２を駆動させることにより、ビームチャンネル２５内及びアンテ部２６，２７内を超高真空にさせ、ビームチャンネル２５の軸心周辺で荷電粒子が周回すると、その荷電粒子の周回に伴い接線方向に放射光が放射される。そして、放射光はアンテ部２６，２７を通過した後、接合部４２の内壁面４２ａ及び接合部４３の内壁面４３ａに照射する。このとき、内壁面４２ａ，４３ａは加熱されるが、冷却水路４０，４１内を流れる冷却水により冷却される。

従って、上述した構成をなすことにより、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８をＬ字形断面に形成したことにより、引き抜き加工が容易に行うことができる。また、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の一端に段部４４，４５，４６，４７を形成したことにより、チェンバ本体１１，１２への接合を容易に行うことができ、作業効率が向上される。一方、図３に示すように、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の他端を接合させる場合には、その他端と冷却チャンネル１３，１４の接合部４２，４３とで、チェンバ本体１１，１２の薄肉部３６，３７，３８，３９を上下方向から挟むように、例えば、電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接を用いれば一度に３部材を接合させることができ、接合箇所の低減を図ることができる。即ち、機械加工の比率が低減され、製造コストの低減を図ることができる。なお、図３に記載されるＷは溶接部を示している。

そして、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８を膨出部１９，２２と薄肉部３６，３７，３８，３９とに亘り設けることにより、ポンプ室４８，４９，５０，５１を十分に確保することができるので、排気効率が向上され高真空度を得ることができる。更に、真空チェンバ２の断面が全体として矩形に形成されるので、剛性が向上され、チェンバ本体１１，１２の板厚を薄くすることができると共に取り扱い性に優れる。また、チェンバ本体１１，１２、冷却チャンネル１３，１４及びＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８を無酸素銅で形成させることにより、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。

また、図４に示すように、ＮＥＧアングル１５，１６の一端に形成させた段部５３，５４同士を接合させた後に膨出部１９に形成させた取付座５７に接合させ、ＮＥＧアングル１７，１８に形成させた段部５５，５６同士を接合させた後に膨出部２２に形成させた取付座５８に接合させても構わない。これにより、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８のチェンバ本体１１，１２への接合工程が簡単になり、作業性が向上される。また、ＮＥＧアングル１５，１６及び１７，１８を一体とすることで、更に作業性を向上させることもできる。

なお、上述した真空チェンバ２の構成及び接合方法を、従来の真空チェンバのようにビームチャンネルの片側だけにアンテ部を備える真空チェンバ３に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の真空チェンバによれば、荷電粒子を周回させるビームチャンネル２５と、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するようにビームチャンネル２５に一体的に形成されるアンテ部２６，２７と、アンテ部２６，２７の外側に設けられて冷却水を流通させる冷却チャンネル１３，１４と、ビームチャンネル２５内及びアンテ部２６，２７内を真空にするＮＥＧポンプ５２を収納すると共に横断面がＬ字形をなすＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８を備え、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の一端をビームチャンネル２５の膨出部１９，２２に接合する一方、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の他端をアンテ部２６，２７及び冷却チャンネル１３，１４に重合接合させることにより、真空チェンバ２が簡素な構成になり、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の引き抜き加工や溶接等の機械加工の比率が低減され、製造コストの低減を図ることができる。

また、段部４４，４５，４６，４７を膨出部１９，２２に形成させた取付座２８，２９，３０，３１に接合させる一方、薄肉部３６，３７，３８，３９をＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の他端及び冷却チャンネル１３，１４の接合部４２，４３で挟むように接合させることにより、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８の一端が固定されるので作業性を向上させることができ、また、他端側においては、一度に接合させることができるので、接合箇所を減少させることができる。しかも、ポンプ室４８，４９，５０，５１が拡大されるので排気効率が向上され、高真空度を得ることができる。

また、段部５３，５４同士または段部５５，５６同士を接合させた後に膨出部１９，２２に形成させた取付座５７，５８に接合させることにより、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８のチェンバ本体１１，１２への接合工程が簡単になり作業性が向上されるので、更に、製造コストの低減を図ることができる。

また、冷却チャンネル１３，１４、ＮＥＧアングル１５，１６，１７，１８、ビームチャンネル２５及びアンテ部２６，２７を無酸素銅で形成させることにより、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。

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真空チェンバを備えた荷電粒子加速器の平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 薄肉部の接合方法を示した図である。 本発明の他の実施例に係る荷電粒子加速器の真空チェンバの横断面図である。

符号の説明

１ 荷電粒子加速器
２，３ 真空チェンバ
２ａ，３ａ フランジ
４，５ ベローズ
４ａ，５ａ フランジ
１１，１２ チェンバ本体
１３，１４ 冷却チャンネル
１５〜１８ ＮＥＧアングル
１９，２２ 膨出部
２０，２１，２３，２４ 平坦部
２５ ビームチャンネル
２６，２７ アンテ部
２８〜３１，５７，５８ 取付座
３２〜３５ 排気スリット
３６〜３９ 薄肉部
４０，４１ 冷却水路
４２，４３ 接合部
４２ａ，４３ａ 内壁面
４４〜４７，５３〜５６ 段部
４８〜５１ ポンプ室
５２ ＮＥＧポンプ
Ｗ 接合部

Claims (4)

1. 荷電粒子を周回させるビームチャンネルと、
   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の放射方向に延設するように前記ビームチャンネルに一体的に形成されるアンテ部と、
   前記アンテ部の外側に設けられて冷却水を流通させる冷却チャンネルと、
   前記ビームチャンネル内及び前記アンテ部内を真空にするポンプを収納すると共に横断面がＬ字形をなすポンプアングルとを備え、
   前記ポンプアングルの一端を前記ビームチャンネルの膨出部に接合する一方、前記ポンプアングルの他端を前記アンテ部及び前記冷却チャンネルに重合接合させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器の真空チェンバ。
2. 請求項１に記載の荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
   前記ポンプアングルの一端に形成させた段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させる一方、前記アンテ部の端部に形成させた薄肉部を前記ポンプアングルの他端及び前記冷却チャンネルで挟むように接合させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器の真空チェンバ。
3. 請求項１に記載の荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
   前記ポンプアングルの一端に形成させた段部同士を接合させ、接合させた前記段部を前記膨出部に形成させた取付座に接合させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器の真空チェンバ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の荷電粒子加速器の真空チェンバにおいて、
   前記ビームチャンネル、前記アンテ部、前記冷却チャンネル及び前記ポンプアングルを無酸素銅で形成させる
   ことを特徴とする荷電粒子加速器の真空チェンバ。

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