JP5431332B2 - 粒子線用チョッパー - Google Patents

Description

本発明は、粒子線用チョッパーに関する。

チョッパーは、連続した粒子線を断続して、空間的及び時間的に区切ったパルスとするために使用される。チョッパーは、粒子線を通す領域と粒子線を通さない領域とを有する部品である。粒子線を通過するようにチョッパーを動かすと、粒子線を通す領域と通さない領域が交互に粒子線を通過し、その結果粒子線が変調されることとなる。

特許文献１により、粒子線を通過するように回転する車輪として構成されたチョッパーが周知である。そのようなチョッパーの性能に関する主要な評価基準は、粒子線を変調することが可能な最高周波数である。そのような周波数は、チョッパー車輪の周縁部の周速度によって決まり、その周速度は、更に、直径と回転数によって決まる。

前記の特許文献は、典型的な実験に関して、約３００ｍ／ｓの周速度が必要であることを開示している。その特許文献は、そのような周速度を実現するために、全円形状の円盤に形成されたチョッパーとスポーク形状に分割されたチョッパーとを開示している。

チョッパー車輪の材料は、遠心力のために、その機械的な強度の限界にまで酷使されることが不利である。更に、チョッパー車輪は、振動状態に移行する可能性が有る。実際、チョッパー車輪の固有振動数を励起することが可能な回転数領域を避けなければならない。即ち、機械的な強度からは実現可能である周速度全体に渡ってチョッパーを動作させることができないことが起こり得る。

ドイツ特許公開第１０２００４００２３２６号明細書

以上のことから、本発明の課題は、これまでに実現可能であった周波数よりも高い周波数で粒子線を変調すると同時に、従来技術のチョッパーよりも安全に動作させることができるチョッパーを提供することである。

本課題は、本発明の請求項１にもとづくチョッパーによって解決される。別の有利な実施形態は、請求項１を引用する従属請求項から明らかとなる。

本発明の枠組みにおいて、粒子線用チョッパーを開発する。そのチョッパーは、少なくとも一つのリング形状、特に、円環形状のガイド部材と、少なくとも一つの粒子線用制御部材とが配備されており、その制御部材は、制御部材上の少なくとも一つの衝突点がガイド部材の周囲に沿って回転することができるように、ガイド部材に対して軸支されていることを特徴とする。

本発明の意味において、ガイド部材とは、制御部材の動きに一つ以上の必須条件を付与するための部材であると解釈する。従って、ガイド部材は、少なくともチョッパーの動作時における制御部材の動きがガイド部材の動きを引き起こさないように実現されるか、或いは空間内に固定される。

本発明の意味において、制御部材とは、粒子線の強度を弱めることができる少なくとも一つの領域を有する部材であると解釈する。そのような領域は、特に、粒子線を全く通さない領域とすることができる。粒子線を通過するように制御部材を動かすと、粒子線の強度を変調することができる。

本発明による措置によって、これまで常に車輪として構成されていたチョッパーの代替構成が初めて実現可能であることが分かる。それによって、これまで車輪形状の構成の結果必然的に起こる望ましくない振動が有利に防止される。即ち、その結果従来技術で実現可能であった周波数よりも大幅に高い周波数で粒子線を変調することが可能なチョッパーが得られる。しかし、本発明による周囲に沿った軸支は、制御部材上の衝突点がガイド部材の周囲に沿って回転する周波数が実現可能な最大回転周波数よりも低い場合でも有効かつ有利である。

更に、特に、胴回りの長さ及び回転速度が大きい場合、本発明による周囲に沿った軸支は、従来技術による車輪形状のチョッパーで必ず必要であった回転軸での軸支よりも大幅に安定していることが分かっている。所定の外乱モーメントを補償するために必要な力は、回転モーメントの定義から、周囲に沿った軸支の場合の方が回転軸で軸支する場合よりも大幅に小さくなる。それと同時に、発生しなければならない軸支する力をガイド部材の周囲全体に分散することができ、その結果全体として、より大きな軸支する力を制御部材に加えることも可能となる。そのため、ガイド部材が、より大きな胴回りを持つと同時に、より速く制御部材を動かすことができる。従って、より速い周速度で制御部材を動かすことができる。そのことは、従来技術で実現可能であった周波数よりも高い周波数で粒子線を変調することができるとの作用効果を奏する。

本発明は、明らかに、制御部材としてのチョッパー車輪も包含し、全円形状の円盤としても、スポーク形状に分割した形でも制御部材を構成することができるとともに、回転軸での軸支を実施することもできる。従って、既存のチョッパーに本発明による周囲に沿った軸支を後で配備することも可能である。その場合でも同様に、所定の外乱モーメントを補償するために発生しなければならない力は、周囲に沿った軸支の方が回転軸での軸支よりも小さくなり、全体として、より大きな軸支する力を制御部材に加えることができるという本発明による利点が得られる。

本発明では、制御部材は、それが作用する場所の近くで軸支されているので、有利には、外乱モーメントが軸支部分に加わる際の梃子の腕の長さが短くなる。従って、所定の外乱モーメントが軸支部分に加わる力は、従来技術による回転軸で軸支する場合よりも小さくなる。そのため、例えば、制御部材の動きが異物によって急停止した場合に、軸支部分が破壊されて、制御部材又はその一部が制御不可能な形で飛び出す虞が防止される。

その結果、回転軸自体が不要となる。従って、制御部材の一部を回転軸と機械的に連結する必要性も無くなる。そのため、制御部材に関する多様な構造形態が可能となる。例えば、リング形状、特に、円環形状に構成することができる。特に、制御部材は、ガイド部材に対して同心に配置することができる。しかし、粒子線に対する作用は、ガイド部材の周囲を回転している時の一定の時点で粒子線を弱めるためにちょうど十分な大きさの単一の制御部材だけを用いて実現することもできる。そのような単一の制御部材を複数個用いて、ガイド部材の周囲全体を回転することができる制御部材を組み立てることができる。そのような制御部材は、例えば、ガイド部材の周囲の全体又は一部に係止することができる。そして、例えば、粒子線との相互作用による粒子線障害などの故障時には、単一の制御部材を互いに独立して交換することができる。単一の制御部材の連結は、弾力的又は固定的に実施することができる。

そのような制御部材の構造体の重量は、従来技術によるチョッパー車輪よりも大幅に軽くすることができる。更に、その重量は、制御部材の胴回りの長さに関して線形的にしか増大しない。実現可能な最大変調周波数に関して重要な周速度が回転数と胴回りの長さの積であるため、制御部材の胴回りを出来る限り大きくするのが有利である。それに対して、従来技術による（中実の）チョッパー車輪では、重量が面積に比例し、そのため胴回りの長さの二乗に比例して増大する。更に、本発明による大幅に軽い重量は、制御部材に加わる軸支する力の単位当りの周速度の上昇とそのため変調周波数の増大を実現することができるという作用効果を奏する。

重量を軽くすることは、チョッパーの動作の安全性を二重に改善し、遠心力による制御部材の応力が軽減され、その結果制御部材が壊れる虞が低下することとなる。更に、可能性の低い引き裂かれた場合に、破片の重量が非常に軽くなり、そのため運動エネルギーも低下し、その結果そのような破片から周囲環境を保護するために払わなければならない囲いに関する負担が大幅に軽減される。

それと同時に、重量を軽くすることは、制御部材の固有振動数も上昇させ、その結果固有振動数が、もはやガイド部材の周囲を回転する周波数の領域内に存在しなくなる。

チョッパーを真空内で動作させた場合、制御部材のリング形状の構造体は、一層有利な形で作用する。ガイド部材と制御部材だけを真空内に置かなければならないが、これらの部材によって境界を画定される領域全体を真空内に置く必要はない。従って、制御部材とガイド部材を取り囲む管状の領域を真空に保持すれば十分である。そのような領域は、特に、制御部材の内径よりも小さい内径とガイド部材の外径よりも大きい外径の間に置くことができる。そのことは、真空に保持すべき体積を劇的に低減させる。そのような真空を保持するためのポンプエネルギーと時間の負担が大幅に軽減される。

本発明では、ガイド部材のリング形状は、円環形状に決められている訳ではない。例えば、既に存在する実験設備の空間的に狭い実情にチョッパーを適合させる必要が有る場合、それ以外のリング形状の構造形態、例えば、楕円形が有利なことも有る。

本発明の特に有利な実施形態では、制御部材は、粒子線を反射する領域を少なくとも一つ有する。中性子線の場合、例えば、グラファイトの単結晶が、それに適している。その場合、チョッパーを通過できなかった粒子線の成分を別の実験に活用することができる。しかし、別のチョッパーによって誘導することもできる。粒子線の二つのビームを互いに組み合わせた場合、単一のチョッパーが実現可能な周波数よりも高い周波数で変調するとの効果が得られる。

本発明の別の有利な実施構成では、制御部材は、少なくとも一つのねじ形状の穴を有する。その場合、所定の周速度に対して、狭い速度範囲内の粒子だけが制御部材を通過することができる。そして、チョッパーは、粒子線の強度を変調するだけでなく、それと同時に速度に応じて、そのためエネルギー及び運動量に応じて粒子線の粒子を選定する。従って、有利には、チョッパーと速度選択器が一つの機器に統合されることとなる。そのように組み合せた機器は、駆動部だけが必要なので、二つの単一の機器よりも信頼性が高くなる。それと同時に、取り付ける空間が節約され、そのことは、特に、空間的に狭い実験設備及び真空内で動作させる場合に有利である。

ねじ形状の穴が長くなる程、穴を通過することができる粒子の速度範囲が狭くなる。しかし、穴を長くすることは、厚さと、そのため制御部材の重量を増大させる。本発明による制御部材では、それ以外の場所でも非常に多くの重量が節約されているので、安定性を損なうこと無く、ねじ形状の穴の領域を厚く構成することが可能である。

衝突点がガイド部材の外周に沿って回転することができるように、制御部材をガイド部材に対して軸支することが考えられる。しかし、本発明の特に有利な実施形態では、衝突点がガイド部材の内周に沿って回転することができるように、制御部材をガイド部材に対して軸支する。この実施形態では、動作時において、制御部材は、遠心力によってガイド部材に押し付けられる。そのことは、軸支の安定性を向上させると同時に、動作の安全性をも向上させ、制御部材が壊れた場合でも、ガイド部材が、半径方向への破片の飛散を防止する。破片から周囲環境を保護するためのチョッパーの負担のかかる別個の囲いが不要となる。ガイド部材自体が動作の安全性を向上させている。

本発明の特に有利な実施形態では、ガイド部材に対する制御部材の軸支は、磁気的な軸支であり、ここでは、特に、永久磁石による軸支である。そのような軸支は、非接触であり、そのため回転数が高い場合でも摩擦が生じない。潤滑剤は全く不要であり、その結果軸支部分は、制約無しに超高真空に適している。

有利には、ガイド部材と制御部材は、それぞれ少なくとも一つの磁化領域を有し、それらの磁化領域は、衝突点が回転している時に最接近する時点において、反発し合うこととなる。例えば、制御部材が円環形状に構成され、磁化領域がリングの中心点に関して点対称に配置されている場合、磁化領域の間の全ての反発力が釣り合う静止位置が規定される。そのような静止位置からずれると、磁気ギャップが小さくなり、その結果対応する磁化領域の間の反発し合う力が増大して、制御部材が静止位置に引き戻される。

別の有利な実施形態では、制御部材を軸支する際の必須条件は、制御部材が軸方向に動いてガイド部材から外れることも、ガイド部材内で傾斜することもできないようにすることである。それは、例えば、制御部材とガイド部材に磁化領域を追加して、動作中にそれらが直に対向した際、軸方向の成分を有する磁力が互いに作用し合うようにすることによって実現することができる。

本発明の特に有利な実施形態では、ガイド部材は、進行磁界を発生させる手段を有する。その場合、磁気的な軸支以外に、ガイド部材による制御部材の駆動を行うこともできる。そのような駆動機能と軸支機能の統合は、進行磁界の強さを時間に応じて変化させることによって、制御部材内の不平衡に対抗することも可能となる。そのような不平衡は、典型的には、１．２０ｍ以上の直径と３００ｍ／ｓまでの周速度のチョッパーでは、防止することが非常に難しい。

本発明の有利な実施形態では、ガイド部材の少なくとも一つの一時的又は持続的な磁化領域が、ガイド部材に対する制御部材の磁気的な軸支に関与すると同時に、進行磁界を発生させるための部材でもある。そのような磁化領域が、例えば、制御部材を磁気的に軸支するために、時間スケジュールにもとづき電流が流されるコイルである場合、その電流に進行磁界を発生させるための電流を追加する形で電流を変化させることができる。

最大推進力とそのため最大周速度を実現するために、有利には、進行磁界は、磁気的に軸支するための磁界に対して垂直に作用する。

前述した実施形態がベースとする技術思想は、これまでに詳細に述べたチョッパーの実施例に限定されない。それに代わって、一般的に、有利には、磁気的な軸支が、特に、逆方向に回転可能な二つの構成部品で構成され、第一の構成部品上の少なくとも一つの衝突点が、第二の構成部品の周囲に沿って回転することができ、これらの二つの構成部品が、有利には、リング形状に構成されるのが有利であることが分かっている。そのような本発明による構成の前述した利点は、例えば、ターボ分子ポンプ又は排気ガスターボチャージャーの磁気的な軸支形態でも有効である。

一般的に、本発明によるアプローチは、外周部の領域に物理的な作用を加えていた、これまでの従来技術による回転軸の周りを回転する部品を改良して、その部品を外周部に沿って軸支する手段を提供するものである。そのようにして、回転軸及びそのような回転軸と外周部の間の如何なる形式の連結部も部分的又は完全に省略することができる。そのため、有利には、そのような構成の重量が低減されるとともに、有利には、外乱モーメントが軸支部分に加わる際の梃子の腕の長さを短くすることができる。外周部は、必要に応じてカットすることができる。それは、空間内の任意の方向、例えば、垂直な平面内に向けられた、例えば、閉じたループとすることができる。軸支部分は、物理的な作用を発生させる部品、例えば、一つ以上のタービンブレード、ビームストッパー、フィルター、反射器又はエネルギー選択器を支持する。

特に、ターボ分子ポンプ及び排気ガスターボチャージャーは、従来技術による軸での磁気的な軸支の場合に、大きな梃子の腕の長さで軸支部分に加わる特に大きな外乱モーメントを特徴としている。本発明による周囲に沿った軸支の場合、そのような外乱モーメントは、非常に短い梃子の腕の長さでしか加わらず、そのため、より良好に軸支部分によって補償することができる。一般的に、軸支する力は、第二の構成部品の周囲全体に分散され、その結果本発明では、全体として従来技術よりも大幅に大きな軸支する力を受け入れることができる。また、有利には、本発明にもとづく駆動部及び軸支部分の統合によって、ターボ分子ポンプの構造体積も、排気ガスターボチャージャーの構造体積も低減することができる。

以下において、図面にもとづき、本発明の対象を詳しく説明するが、それによって、本発明の対象を制限するものではない。

対称軸に沿って見た、本発明によるチョッパーの実施例の図 図１のチョッパーの側面図 図１のチョッパーの部分断面図 図１のチョッパーの三次元的な図

同じ符号は、それぞれ同じ作用の部品を表す。

図１は、本発明によるチョッパーの実施例の対称軸に沿った図面を図示している（対称軸は、図面の平面に対して垂直である）。このチョッパーは、脚部１２上に有る円環形状のガイド部材１１と、ガイド部材１１に対して同心に配置された同じく円環形状の制御部材１３とを有する。ガイド部材１１は、本体部分１１ａと磁気コイル１１ｂとを有する。本体部分１１ａは、二つの円環形円盤１１ａ２と１１ａ３の間に配置された円環部１１ａ１から構成されている。磁気コイル１１ｂは、本体部分１１ａの円環部１１ａ１の内側に規則的な間隔を開けて埋め込まれている。

制御部材１３は、主リング１３ａ、永久磁石領域１３ｂ及び粒子線を反射する、そのため粒子線を通さない領域１３ｃを有する。永久磁石領域１３ｂは、主リング１３ａの外側に規則的な間隔を開けて埋め込まれている。粒子線を反射する、そのため粒子線を通さない領域１３ｃは、主リング１３ａの内側に規則的な間隔を開けて取り付けられている。

磁気コイル１１ｂと永久磁石領域１３ｂは、制御部材１３がガイド部材１１に対して磁気的に軸支されるように互いに作用し合う。それと同時に、磁気コイル１１ｂは、制御部材１３とそのため粒子線を反射する領域１３ｃをガイド部材１１内で回転する状態に移行させることができる進行磁界を発生する部品でもある。

本体部分１１ａは、粒子線を反射する領域１３ｃが制御部材１３の各回転位置においてガイド部材１１から半径方向に対して内側に突き出ることができる、半径方向に対して内側を向いた領域までほぼ完全に主リング１３ａを取り囲んでいる。従って、ガイド部材１１に対する制御部材１３の磁気的な軸支は、制御部材１３が軸方向に動いてガイド部材１１から外れることも、ガイド部材内で傾斜することもできないという必須条件を制御部材に付与するための機械的な安全保証用軸支部によって補完されている。

本体部分１１ａ内への磁気コイル１１ｂの埋め込み状況及び主リング１３ａ内への磁化領域１３ｂの埋め込み状況は、チョッパーの部分断面が図示された図１の右上の部分だけに見ることができる。

図２は、図１のチョッパーの側面図を図示している。この場合、図１と異なり、チョッパーは、図面の平面に対して９０度回転されている。ここでは、本体部分１１ａが円環部１１ａ１と二つの円環形円盤１１ａ２及び１１ａ３とに分割されていることが分かる。

図３には、チョッパーの部分断面図が図示されており、図１の線Ａ−Ａに沿った断面が描かれている。本体部分１１ａの円環形円盤１１ａ２と１１ａ３は、それらのガイド部材１１と制御部材１３の共通の対称軸の方向を向いた端部に、互いに対向する突起１１ａ４と１１ａ５を有する。突起１１ａ４と１１ａ５が、隙間１１ａ６を形成し、その中には、粒子線を反射する制御部材の領域１３ｃが入り込んで、その中において、その領域１３ｃが回転することができる。

制御部材１３の主リング１３ａの方向を向いたガイド部材１１の円環形円盤１１ａ２と１１ａ３の端部には、追加の磁化領域１１ａ７と１１ａ８が埋め込まれている。それらの領域１１ａ７と１１ａ８の方向を向いた制御部材１３の主リング１３ａの端部には、磁化領域１３ａ１と１３ａ２が埋め込まれている。円環形円盤内の磁化領域１１ａ７と１１ａ８は、主リングの磁化領域１３ａ１及び１３ａ２と協力して動作して、円環形円盤１１ａ２と１１ａ３が、軸方向の磁力によって主リング１３ａと相互に作用し合うようになっており、ここで、「軸方向」とは、ガイド部材１１と制御部材１３の共通の対称軸を表すものとする。従って、ガイド部材１１に対する制御部材１３の磁気的な軸支の必須条件は、制御部材１３が軸方向に動いてガイド部材１１から外れることも、ガイド部材内で傾斜することもできないということである。前述した機械的な安全保証用軸支部は、磁化領域１１ａ７及び１１ａ８と磁化領域１３ａ１及び１３ａ２の相互作用による磁気的な軸支形態が過剰な負荷に曝される異常な動作状態でのみ用いられる。

制御部材の主リング１３ａ内に埋め込まれた磁化領域１３ｂは、磁気コイル１１ｂと共に磁気ギャップを形成している。磁化領域１１ａ７は、磁化領域１３ａ１と共に磁気ギャップを形成している。磁化領域１１ａ８は、磁化領域１３ａ２と共に磁気ギャップを形成している。

粒子線を反射する、そのため粒子線を通さない領域１３ｃの反射する特性は、片側に設けられた被膜１３ｃ１によって得られる。

図３に図示されている実施形態では、任意選択により、制御部材１３の主リング１３ａ内に埋め込まれた磁化領域１３ｂは、主リング１３ａから外れようとする半径方向に対して外側への磁化領域１３ｂの動きを防止する高剛性の材料（例えば、ＣＦＩＣや織物構造）から成る層又は巻線によって、追加的に保護することができる。永久磁石の材料は、大抵大きな厚さを有するので、そのような方向には、動作中に、相当大きくなる可能性の有る遠心力が磁化領域１３ｂに作用する。

図４は、チョッパーの三次元による図面を図示している。動作中に、粒子線を反射する領域１３ｃがガイド部材１１の本体部分１１ａの円環形円盤１１ａ２及び１１ａ３の突起１１ａ４と１１ａ５の間の隙間１１ａ６内を回転することが、特に明確に分かる。

Claims (14)

1. 粒子線用チョッパーにおいて、
   少なくとも一つのリング形状のガイド部材と、そのガイド部材と同心に配置された少なくとも一つのリング形状の粒子線用制御部材とが配備されており、その制御部材は、制御部材上の少なくとも一つの衝突点がガイド部材の周囲に沿って回転することができるように、ガイド部材に対してのみ磁気的に軸支されており、その制御部材は、回転の中心方向、即ち、半径方向の機械的な連結部を備えていないことを特徴とするチョッパー。
2. 当該のガイド部材の形状が円環形であることを特徴とする請求項１に記載のチョッパー。
3. 当該の制御部材がチョッパー車輪として構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のチョッパー。
4. 当該の制御部材が円環形状に構成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のチョッパー。
5. 当該の制御部材が粒子線を反射する領域を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のチョッパー。
6. 当該の制御部材が軸方向に対してらせん形状に延びる少なくとも一つの穴を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載のチョッパー。
7. 当該の粒子線が中性子線であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載のチョッパー。
8. 当該の衝突点がガイド部材の内周に沿って回転することができるように、当該の制御部材が軸支されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載のチョッパー。
9. 当該のガイド部材と制御部材がそれぞれ少なくとも一つの磁化領域を有し、それらの磁化領域は、衝突点の回転中にそれらが最接近する時点で反発し合うことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載のチョッパー。
10. 当該の磁気的な軸支の必須条件は、当該の制御部材が軸方向に動いてガイド部材から外れることも、ガイド部材内で傾斜することもできないようにすることであることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載のチョッパー。
11. 当該のガイド部材が進行磁界を発生させる手段を有することを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載のチョッパー。
12. 当該の進行磁界に時間に依存した特性を付与する手段が配備されていることを特徴とする請求項１１に記載のチョッパー。
13. 当該のガイド部材の少なくとも一つの一時的又は持続的な磁化領域が、ガイド部材に対する制御部材の磁気的な軸支に関与すると同時に、当該の進行磁界を発生させる部品でもあることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のチョッパー。
14. 当該の進行磁界が、当該の磁気的に軸支するための磁界に対して垂直に作用することを特徴とする請求項１１から１３までのいずれか一つに記載のチョッパー。

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