JP5726154B2 - ドリフトチューブの製造方法、ドリフトチューブ - Google Patents

Description

本発明は、ドリフトチューブ型の加速器に用いられるドリフトチューブの製造方法、ドリフトチューブに関するものである。

ドリフトチューブ型の加速器は、円筒状のチューブ内に、チューブの中心軸線上に沿って間隔を隔てて複数のドリフトチューブが設けられている。（例えば、特許文献１参照。）
各ドリフトチューブは、中心部に貫通孔が形成された円環状をなしており、貫通孔の外周側に磁界を発生させる磁石が内蔵されている。このドリフトチューブは、棒状のステムにより、貫通孔がチューブの中心軸線上に位置するようチューブの上部から吊り下げられている。

このような加速器においては、ビーム発生器で発生させた陽子ビーム、イオンビーム等の粒子ビームをチューブ内で加速させ、ターゲットに打ち込むことで、実験等を行う。このとき、チューブ内で粒子ビームが拡散してしまうため、ドリフトチューブの貫通孔に粒子ビームを通し、磁石で発生する磁界によって粒子ビームを集束させる。

実開平４−１０８９００号公報 特開平１１−３２９７９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、磁石に永久磁石を用いているため、以下に示すような問題が存在する。
まず、ドリフトチューブの製造時には、永久磁石をドリフトチューブのハウジングに形成された開口部からハウジング内に収め、ハウジングの開口部を蓋で塞ぎ、蓋とハウジングを溶接する。溶接に電子ビーム溶接を用いた場合、電子ビーム溶接は、真空下で行われるため、熱の逃げ場がなく、熱影響がより大きくなり、永久磁石が減磁してしまうという問題がある。また、ステンレス合金などの熱伝導率が低い材料でハウジングを形成した場合、加速器運転時に粒子ビームによってドリフトチューブ表面にかかる発熱量に対し、冷却効率が悪い。すると、温度上昇が大きくなり、ハウジングや蓋の熱歪み及び永久磁石の減磁が発生するという問題がある。

また、永久磁石の場合、溶接に電子ビーム溶接を用いようとすると、電子ビームが永久磁石で発生する磁界の影響を受けて電子ビームが曲がってしまう。このため、蓋とハウジングの境界に沿って、溶接を精度よく行えないという問題もある。

これに対し、ドリフトチューブの磁石に、永久磁石に代えて電磁石を用いれば、上記の問題が解決できるため、近年では、電磁石を用いたドリフトチューブが採用されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、電磁石を用いた場合、磁界を発生するためにドリフトチューブ内部に設けられたコイルに電流を流す。このため、配線や、各部の絶縁が必要になる等、セル内部構造が複雑化する。また、コイルに電流を供給する外部電源等も必要となる。その結果、装置コストが上昇するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、粒子ビームの十分な集束性能を確保しつつ、低コスト化を図ることのできるドリフトチューブの製造方法、ドリフトチューブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のドリフトチューブの製造方法、ドリフトチューブは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、ドリフトチューブ型の加速器に備えられるドリフトチューブの製造方法であって、中心部に貫通孔を有するとともに、前記貫通孔の外周側に円環状の磁石収容空間を有したハウジングに対し、定められた数の永久磁石を前記磁石収容空間の開口部から該磁石収容空間に収容する磁石収容工程と、前記開口部に該開口部を塞ぐ蓋をセットし、前記蓋と前記ハウジングとをレーザービーム溶接により溶接する溶接工程と、を備え、少なくとも前記ハウジングの表面と前記蓋の表面を、銅により形成しておくことを特徴とする。

上記したようなドリフトチューブは、加速器を構成する筒状のチューブ内に、チューブの中心軸線に沿って多数が配列される。ドリフトチューブにおいて、粒子ビームを集束させるための磁界を発生する磁石に永久磁石を用いることで、これに電磁石を用いた場合に比較して、構造を簡素化することができる。
電子ビーム溶接は真空中で溶接がなされるのに対し、レーザービーム溶接は大気中で溶接が可能であるため、溶接時に発生する熱が周囲の大気に放散される。したがって、溶接を介して永久磁石に及ぶ熱影響が少なくて済み、永久磁石の性能低下を防ぐことができる。さらに、ハウジングおよび蓋を熱伝導率が高い銅により形成しておくと、熱伝導率が低いステンレス合金からこれらを形成した場合に比較し、冷却時の効率が高く温度が上がりにくい。そのため、加速器運転時にハウジングにかかる粒子ビームによる発熱量に対し温度上昇が小さくなることで、ハウジングや蓋に生じる熱歪み及び永久磁石の性能低下を抑えることもできる。

ここで、ハウジングおよび蓋は、少なくともハウジングの表面と蓋の表面（更に具体的には、例えば、少なくともハウジングと蓋とが溶接される部分の表面）が銅により形成されていれば良く、例えば、ハウジングと蓋自体は、ステンレス合金等により形成し、その表面全体を電鋳等の手法を用いて銅により形成しても良いし、さらには、ハウジングと蓋自体を銅により形成しても良い。

前記ハウジングは、前記貫通孔の一端側に前記開口部を有し、前記溶接工程は、少なくとも、前記蓋の内周部と前記ハウジングの前記貫通孔の周囲とを、前記レーザービーム溶接により溶接するようにしても良い。
つまり、ハウジングの中心部の貫通孔の周囲のみをレーザービーム溶接により溶接し、その他の部分、すなわち蓋の外周部と開口部の外周側のハウジングとの溶接部については、他の溶接法、例えば電子ビーム溶接を用いても良い。ハウジングの中心部は、磁石の磁場が集中しているため、電子ビーム溶接を用いた場合の悪影響が大きく、ここにレーザービーム溶接を用いるのが特に有効である。もちろん、作業効率の面からは、蓋とハウジングや、レーザービーム溶接のみで溶接するのが好ましい。

前記磁石収容工程は、定められた数の前記永久磁石を磁石ケースに収容しておき、前記磁石ケースを前記磁石収容空間に収容することができる。
これにより、永久磁石を高精度に磁石収容空間にセットできる。したがって、永久磁石の磁場中心等を、高精度に位置設定することができる。また、ドリフトチューブの組み立ても容易になる。

本発明は、ドリフトチューブ型の加速器に備えられるドリフトチューブであって、中心部に貫通孔を有するとともに、前記貫通孔の外周側に、前記貫通孔の一端側に開口部を有した円環状の磁石収容空間が形成されたハウジングと、前記磁石収容空間に収容された定められた数の永久磁石と、前記開口部を塞ぐとともに、前記ハウジングに溶接された蓋と、を備え、少なくとも前記ハウジングの表面と前記蓋の表面が、銅により形成されていることを特徴とする。
このようなドリフトチューブは、上記したようなドリフトチューブの製造方法により形成することができる。

本発明によれば、粒子ビームの十分な集束性能を確保しつつ、低コスト化を図ることが可能となる。

本発明のドリフトチューブを備えた加速器の一部の構成を示す側断面図である。 本発明のドリフトチューブを示す正面図（ａ）および側断面図（ｂ）である。 本発明のドリフトチューブの製造方法の流れを示す図（（ａ），（ｂ）及び（ｃ））である。 本発明のドリフトチューブに備えられる磁石ケースを示す図である。 本発明のドリフトチューブに備えられる蓋を示す正面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

以下に、本発明に係るドリフトチューブの製造方法、ドリフトチューブの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ドリフトチューブ型の加速器１０は、円筒状のチューブ１１内に、チューブ１１の中心軸線Ｃ上に沿って間隔を隔てて複数のドリフトチューブ２０が設けられている。
チューブ１１は、脚１５により床面上に設置されている。

図２に示すように、各ドリフトチューブ２０は、その外形が、間隔を隔てて互いに平行に形成された円板状の端面部２０ａ，２０ｂと、端面部２０ａ，２０ｂの外周部どうしの間に形成された略円筒状の外周面部２０ｃと、端面部２０ａ，２０ｂの中心部を連通する貫通孔２１、を有した円環状をなしている。
図１に示したように、このドリフトチューブ２０は、棒状のステム２３により、チューブ１１の上部から、チューブ１１の中心軸線Ｃ上に貫通孔２１の中心が位置するよう吊り下げられている。

図２、図３（ｃ）に示すように、ドリフトチューブ２０は、磁石収容空間２４ｓを有したハウジング２４と、磁石収容空間２４ｓに収容される磁石ケース２５と、貫通孔２１の外周側で磁石ケース２５に保持され、磁界を発生する磁石（永久磁石）２２と、端面部２０ｂを形成し、磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋを塞ぐ蓋２７と、を備えている。

図３（ａ）に示すように、ハウジング２４は、貫通孔２１を形成する円筒状壁部２４ａと、円筒状壁部２４ａの一端から外周側に延び、端面部２０ａを形成する円板部２４ｂと、円板部２４ｂの外周部から円板部２４ｂの表面に直交して円筒状壁部２４ａと同じ方向に延びる外周壁部２４ｃと、を備えて形成されている。これにより、ハウジング２４には、中心部に貫通孔２１が形成されるとともに、貫通孔２１の外周側に、円筒状壁部２４ａ、円板部２４ｂ、外周壁部２４ｃに囲まれて、円環状の磁石収容空間２４ｓが形成されている。この磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋは、貫通孔２１において、円筒状壁部２４ａが形成された側とは反対の端部（一端）２１ａ側に向けて開口している。
このハウジング２４は、円板部２４ｂ、外周壁部２４ｃは、銅製とするのが好ましいが、円筒状壁部２４ａはステンレス合金製としてもよい。また、ハウジング２４自体は、ステンレス合金製とし、その表面に、電鋳により銅の皮膜を形成しても良い。

また、ハウジング２４の外周壁部２４ｃの内周面には、周方向に連続し、周方向の一部が欠落したＣ字状の溝２８が形成されている。溝２８の内周側の開口は、リング状部材２８ｒによって閉塞されている。

さらに、外周壁部２４ｃの外周面側には、ステム２３を接続するためのステム接続部２９が外周に向けて突出形成されている。このステム接続部２９は、ステム２３が接続される接続面２９ａを有している。
図２（ａ）に示すように、ステム接続部２９には、接続面２９ａと溝２８とを連通する二本の連通孔３０が形成され、一方の連通孔３０は、Ｃ字状の溝２８の一端２８ａに連通し、他方の連通孔３０は、溝２８の他端２８ｂに連通している。
また、図３に示すように、ステム接続部２９には、接続面２９ａと外周壁部２４ｃの内面（磁石収容空間２４ｓ）に連通する空気抜き穴３１が形成されている。

図３（ｂ）、図４に示すように、磁石ケース２５は、磁石収容空間２４ｓに嵌り込む円環状をなし、互いに平行に形成された円板部２５ａ，２５ｂと、内周側に形成された貫通孔部２５ｃと、外周側に形成された筒状の外周壁部２５ｄと、を有する。
貫通孔部２５ｃは、円板部２５ａ，２５ｂの中心部に形成された貫通孔である。なお、円板部２５ａ，２５ｂの中心部に更に筒状体を設けることによって貫通孔部２５ｃを形成しても良い。
磁石ケース２５において、中央部の貫通孔部２５ｃの外周側には、複数（例えば図４の例では８個）の磁石２２を保持する磁石保持部２５ｈが形成されている。各磁石保持部２５ｈは、それぞれ、貫通孔部２５ｃの軸線に直交する断面形状が略台形状をなし、その短辺側を貫通孔部２５ｃに向け、長辺側を外周側に向けて放射状に配置されている。
この磁石ケース２５は、例えばステンレス合金によって形成することができる。

磁石２２は、永久磁石からなる。この磁石は、磁石保持部２５ｈに収まる断面略台形状で、円板部２５ａ，２５ｂの間隔に応じた厚さを有している。
この磁石２２は、縦磁場発生用の磁石（永久磁石）２２Ｖと、横磁場発生用の磁石（永久磁石）２２Ｈとが、貫通孔部２５ｃ周りの周方向に交互に配置されている。

このような磁石２２および磁石ケース２５は、予め一体に組み立てられてユニット化されている。
そして、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、磁石２２が内蔵された磁石ケース２５は、ハウジング２４の開口側から磁石収容空間２４ｓに収容される。磁石ケース２５の外周部には、固定孔２５ｆが形成されており、この固定孔２５ｆに固定用ボルト３２を挿通させ、ハウジング２４の円板部２４ｂにねじ込むことによって、磁石ケース２５がハウジング２４に固定されている。

図３（ｃ）、図５に示すように、蓋２７は、ハウジング２４の磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋを塞ぐよう設けられる円板状で、中央部に、ハウジング２４の円筒状壁部２４ａの先端部が嵌まり込む開口部２７ａが形成されている。蓋２７の外周部２７ｂは、蓋２７の一面側２７ｆに対し、他面側２７ｇの外径が大きくなるよう段部２７ｃが形成されている。段部２７ｃに対して一面側２７ｆに、磁石収容空間２４ｓの内径よりも小さな小径部Ｄ１、段部２７ｃに対して他面側２７ｇに、磁石収容空間２４ｓの内径よりも大きな大径部Ｄ２が形成されている。

図３（ｃ）に示すように、蓋２７は、ハウジング２４に対し、磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋを塞ぐよう装着されている。すると、開口部２７ａが円筒状壁部２４ａに嵌まり込み、外周部２７ｂは、小径部Ｄ１が外周壁部２４ｃ内に挿入され、大径部Ｄ２が外周壁部２４ｃの先端部に突き当たり、磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋを閉塞する。
このような蓋２７は、銅製とするのが好ましい。

蓋２７は、大径部Ｄ２と、ハウジング２４の外周壁部２４ｃとの突き合わせ部分Ｗ１、蓋２７の開口部２７ａとその内側のハウジング２４の円筒状壁部２４ａの先端部との突き合わせ部分Ｗ２が、周方向に連続して溶接されている。ここで、蓋２７とハウジング２４との内周側、外周側の突き合わせ部分Ｗ１、Ｗ２の溶接には、レーザービーム溶接が用いられている。

図２に示したように、このようなドリフトチューブ２０をチューブ１１に固定するためのステム２３は、円筒状で、その内部に、先端部８１ａが接続面２９ａで二本の連通孔３０のそれぞれに接続された二本の配管８１が設けられている。そして、二本の配管８１の配管のうちの一本には、外部の図示しない冷却水供給ポンプが接続され、他方の配管８１には、冷却水を回収する図示しないタンク等が接続されている。これにより、溝２８に冷却水を循環させて、ドリフトチューブ２０を冷却するようになっている。
なお、二本の配管８１に代えて、一本の二重管を用い、例えば内側（中心側）の管路に外部の図示しない冷却水供給ポンプを接続し、外側（外周側）の管路に冷却水を回収する図示しないタンク等を接続しても良い。

また、接続面２９ａに一端が臨んだ空気抜き穴３１は、ステム２３の内部空間に連通しており、溶接時に熱を磁石収容空間２４ｓから逃がすようになっている。

このようなステム２３は、その一端２３ａ側が、ステム接続部２９に突き合わされ、その外周面において、電子ビーム溶接によって溶接されている。図１に示したように、ステム２３の他端２３ｂは、チューブ１１の上部を貫通してチューブ１１の外周側に突出するよう固定され、チューブ１１の外部で、配管８１等が、冷却水供給ポンプやタンク等に接続されている。

このようなドリフトチューブ２０を備えた加速器１０においては、図示しないビーム発生器で発生させた陽子ビーム、イオンビーム等の粒子ビームをチューブ１１内で加速させ、図示しないターゲットに打ち込むことで、実験等を行う。このとき、チューブ１１内で粒子ビームが拡散してしまうため、ドリフトチューブ２０の貫通孔２１に粒子ビームを通し、磁石２２で発生する磁界によって粒子ビームを集束させる。

このようなドリフトチューブ２０を組み立てるには、予め、所定数の磁石２２を、磁石ケース２５に収容しておく。
そして、ハウジング２４の開口側から磁石収容空間２４ｓに、磁石ケース２５を収容・固定した後、蓋２７を、ハウジング２４に対し、磁石収容空間２４ｓの開口部２４ｋを塞ぐようセットする。
この状態で、蓋２７の大径部Ｄ２と、ハウジング２４の外周壁部２４ｃとの突き合わせ部分Ｗ１、蓋２７の開口部２７ａとその内側のハウジング２４の円筒状壁部２４ａの先端部との突き合わせ部分Ｗ２を、レーザービーム溶接により、周方向に連続して溶接する。これにより、ドリフトチューブ２０が形成される。

この後、ドリフトチューブ２０のステム接続部２９にステム２３の一端２３ａを突き合わせ、これらを電子ビーム溶接により溶接する。

上述したような構成によれば、ドリフトチューブ２０の磁石２２として、電磁石ではなく永久磁石を用いることにより、外部電源、ドリフトチューブ２０内の配線や絶縁部材等が不要となり、構造を簡素化し、低コスト化を図ることができる。
ここで、磁石２２を収容するハウジング２４と蓋２７とを銅によって形成するようにした。ハウジング２４や蓋２７をステンレス合金から形成した場合に比較すると、銅は熱伝導度が高いため、冷却効率が高く、温度が上がりにくい。したがって、加速器１０の運転時において、粒子ビームによってハウジング２４表面にかかる発熱量に対し温度上昇が小さくなることで、磁石２２の減磁を抑えるとともに、熱歪みも抑えることができる。
さらに、ハウジング２４と蓋２７との溶接に電子ビーム溶接を用いた場合、電子ビーム溶接は真空中で溶接を行うため、熱の逃げ場がなく、溶接による温度上昇の影響が大きくなるのに対し、本実施形態では、ハウジング２４と蓋２７との溶接にレーザービーム溶接を用いた。レーザービーム溶接は大気中で溶接を行えるため、放熱性に優れ、熱影響を、より確実に抑えることが可能となる。
加えて、電子ビーム溶接においては、永久磁石からなる磁石２２の磁力によって電子ビームが曲がってしまい、溶接ビードが、蓋２７の形状にならって形成されず、溶接品質が低下することがあるが、本実施形態では、この溶接にレーザービーム溶接を用いるようにしたので、磁石２２の影響を受けることなく、溶接を良好な品質で行うことができる。
このようにして、ドリフトチューブ２０においては、粒子ビームの十分な集束性能を確保しつつ、低コスト化を図ることが可能となる。

また、磁石２２および磁石ケース２５は、予め一体に組み立てられてユニット化されている。これにより、磁石２２を精度よくセットすることができ、ドリフトチューブ２０の性能を、安定して高いものとすることができる。さらに、その組み立ても容易となり、ドリフトチューブ２０の低コスト化にも寄与する。

なお、上記実施の形態において、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば、例えば、ドリフトチューブ２０以外の、ステム２３や加速器１０全体の構成については、他のいかななる構成としても良い。

１０ 加速器
１１ チューブ
２０ ドリフトチューブ
２０ａ，２０ｂ 端面部
２０ｃ 外周面部
２１ 貫通孔
２１ａ 端部（一端）
２２、２２Ｈ、２２Ｖ 磁石（永久磁石）
２３ ステム
２３ａ 一端
２３ｂ 他端
２４ ハウジング
２４ａ 円筒状壁部
２４ｂ 円板部
２４ｃ 外周壁部
２４ｋ 開口部
２４ｓ 磁石収容空間
２５ 磁石ケース
２５ａ，２５ｂ 円板部
２５ｃ 貫通孔部
２５ｄ 外周壁部
２５ｈ 磁石保持部
２５ｆ 固定孔
２７ 蓋
２７ａ 開口部
２７ｂ 外周部
２７ｃ 段部
２７ｆ 一面側
２７ｇ 他面側
２８ 溝
２８ａ 一端
２８ｂ 他端
２９ ステム接続部
２９ａ 接続面
３０ 連通孔
３１ 空気抜き穴
３２ 固定用ボルト
８１ 配管
８１ａ 先端部
Ｄ１ 小径部
Ｄ２ 大径部

Claims (3)

1. ドリフトチューブ型の加速器に備えられるドリフトチューブの製造方法であって、
   中心部に貫通孔を有するとともに、前記貫通孔の外周側に円環状の磁石収容空間を有したハウジングに対し、定められた数の永久磁石を磁石ケースに収容しておき、前記磁石ケースを前記磁石収容空間の開口部から該磁石収容空間に収容する磁石収容工程と、
   前記開口部に該開口部を塞ぐ蓋をセットし、前記蓋と前記ハウジングとをレーザービーム溶接により溶接する溶接工程と、を備え、
   少なくとも前記ハウジングの表面と前記蓋の表面を、銅により形成しておくことを特徴とするドリフトチューブの製造方法。
2. 前記ハウジングは、前記貫通孔の一端側に前記開口部を有し、
   前記溶接工程は、少なくとも、前記蓋の内周部と前記ハウジングの前記貫通孔の周囲とを、前記レーザービーム溶接により溶接することを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブの製造方法。
3. ドリフトチューブ型の加速器に備えられるドリフトチューブであって、
   中心部に貫通孔を有するとともに、前記貫通孔の外周側に、前記貫通孔の一端側に開口部を有した円環状の磁石収容空間が形成されたハウジングと、
   前記磁石収容空間に前記開口部から収容された磁石ケースと、
   前記磁石ケースに収容された定められた数の永久磁石と、
   前記開口部を塞ぐとともに、前記ハウジングに溶接された蓋と、を備え、
   少なくとも前記ハウジングの表面と前記蓋の表面が、銅により形成されていることを特徴とするドリフトチューブ。

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