JP6026146B2 - サイクロトロン - Google Patents

Description

本発明は、サイクロトロンに係り、特に超伝導コイルを収容する真空容器の支持構造を改良したサイクロトロンに関する。

特開２００２−４３１１７号公報には、サイクロトロンの一例が開示されている。サイクロトロンでは、ビーム加速軌道用の空間の周りに配置した超伝導コイルから磁界を生じさせることにより、この空間内に所定のビーム加速軌道が形成される。超伝導コイルは、真空容器に収容されており、真空容器は、超伝導コイルの巻回軸の方向と巻回軸に垂直な方向のそれぞれでヨークに対して支持されている。

特開２００２−４３１１７号公報

ところで、真空容器には、巻回軸に交差する方向に作用する荷重により損傷が及ぶことがある。例えば、超伝導コイルには、巻回軸に交差する方向の熱収縮が生じる場合がある。この場合、超伝導コイルを収容する真空容器には、超伝導コイルの熱収縮に起因して巻回軸に交差する方向の荷重が作用することになり、損傷が及ぶことがある。

ここで、巻回軸に交差する方向に作用する荷重による損傷を抑制するために、巻回軸に交差する方向で真空容器の移動を許容するように真空容器の支持構造を改良することが考えられる。

しかし、真空容器の移動を許容しても、真空容器の円滑な移動が確保されなければ、真空容器の損傷を確実に抑制できないことが想定される。例えば、超伝導コイルの熱収縮に追従した真空容器の円滑な移動が確保されなければ、真空容器の損傷を確実に抑制できなくなってしまう。

また、真空容器の移動を許容することで、ビーム加速軌道形成のために超伝導コイルの位置調整が必要となり、真空容器を巻回軸に交差する方向へ移動する必要が生じる場合が想定される。この場合、超伝導コイルを含む真空容器の重量が大きいので、ジャッキなどを用いた移動作業に多大な労力を要してしまう。

このため、本発明は、超伝導コイルの巻回軸に交差する方向で真空容器を円滑に移動できるサイクロトロンを提供しようとするものである。

本発明に係るサイクロトロンは、一対の磁極と、磁極の周囲を巻回する超伝導コイルと、超伝導コイルを収容する真空容器と、真空容器に対して超伝導コイルを支持する荷重支持体と、超伝導コイルの巻回軸に交差する方向に延伸している支持面と、巻回軸に沿う方向へ延伸している側面を有し、支持面により巻回軸の方向で真空容器を支持するヨークと、を備え、巻回軸に交差する方向において側面と真空容器の外側面との間には隙間が形成されていることで、真空容器は巻回軸に交差する方向において支持面に対して摺動可能であり、支持面とヨークの間に設けられる摩擦低減部を更に備える。

本発明に係るサイクロトロンによれば、摩擦低減部が設けられるので、真空容器が巻回軸に交差する方向へ移動する際に真空容器とヨークの間に生じる摩擦抵抗が低減される。よって、巻回軸に交差する方向で真空容器を円滑に移動できる。

また、摩擦低減部は、支持面に配置されたシート材でもよい。これにより、摩擦低減部を簡単に実現できる。シート材としては、例えばポリテトラフルオロエチレン製シートが好適に用いられる。

また、摩擦低減部は、支持面に設けられた表面処理層でもよい。これにより、真空容器とヨークの間に空間を確保せずとも摩擦低減部を実現できる。また、巻回軸の方向に作用する荷重による摩擦低減部の損傷を抑制できる。表面処理層としては、例えば、ガス軟窒化処理層またはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）処理層が好適に用いられる。

本発明によれば、超伝導コイルの巻回軸に交差する方向で真空容器を円滑に移動できるサイクロトロンを提供することができる。

サイクロトロンの全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るサイクロトロンを示す断面図である。 縦・横荷重支持体と冷凍機の配置関係を示す図である。 真空容器の支持構造を示す断面図である。 図４に示す支持構造の動作を示す図である。 摩擦低減部を伴う支持構造を示す断面図である。 図６に示す支持構造の動作を示す図である。 図６に示す摩擦低減部の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１から図４を参照して、本発明の実施形態に係るサイクロトロン１の構成について説明する。図１は、サイクロトロン１の全体構成を示す概略図である。サイクロトロン１は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射するものであり、例えば、陽子線治療装置の陽子加速器として用いられる。荷電粒子の例としては、水素、炭素、リチウム等のイオンが挙げられる。

図１に示すように、サイクロトロン１は、ディー電極２と、ビーム引出系３、４（デフレクタ３および磁気チャンネル４）と、ビーム出口５の先に配置されたビーム輸送系６とを備えている。サイクロトロン１では、装置中心部のイオン源（不図示）から発生する荷電粒子がビーム加速軌道７に沿って加速され、ビーム加速軌道７の最外周部を通過中にビーム引出系３、４の静電場および磁場の作用により引出軌道８が形成される。ビーム調整時には、デフレクタ３の電圧や磁気チャンネル４の電流を微調整することにより、引出軌道８がビーム出口５へ向けられる。

図２は、本発明の実施形態に係るサイクロトロン１を示す断面図である。図３は、サイクロトロン１上における縦・横荷重支持体３０、４０と冷凍機６０の配置関係を示す図である。サイクロトロン１は、超伝導コイル１０を収容する真空容器２０の支持構造を改良したものである。

図２に示すように、サイクロトロン１は、超伝導コイル１０、真空容器２０、縦荷重支持体３０（荷重支持体）、横荷重支持体４０、ヨーク５０および冷凍機６０を備えている。

超伝導コイル１０は、筒状の巻枠１１と巻枠１１に巻回された超伝導線材１２とから構成されている。超伝導線材１２は、巻回軸Ｃを基準として巻枠１１に例えば上下一対に巻回されている。巻枠１１の内側には、上磁極７１と下磁極７２とが離間して配置され、磁極７１、７２間にビーム加速軌道７（図１）用の空間７３が設けられている。空間７３には、超伝導コイル１０、磁極７１、７２により、荷電粒子を加速するための磁場が形成される。なお、図２では、空間７３に配置されるディー電極２、ビーム引出系３、４の表示が省略されている。

真空容器２０は、超伝導コイル１０を収容する気密容器として構成されている。真空容器２０は、ステンレススチールなどの非磁性体からなる。真空容器２０の内部空間は、サイクロトロン１の運転中、上下の蓋体２１ａ、２１ｂにより密閉され、真空ポンプ等の排気手段（不図示）を用いて真空状態に維持される。真空容器２０には、超伝導コイル１０を取り囲むように熱シールド板（不図示）が設けられている。

縦荷重支持体３０は、巻回軸Ｃの方向（縦方向）で真空容器２０に対して超伝導コイル１０を支持する部材である。縦荷重支持体３０としては、例えば高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ等）が用いられる。縦荷重支持体３０は、真空容器２０内で真空容器２０に対して超伝導コイル１０を縦方向に支持している。縦荷重支持体３０は、超伝導コイル１０の上部と下部をそれぞれ支持する上支持部材３１ａと下支持部材３１ｂからなる。上支持部材３１ａと下支持部材３１ｂは、真空容器２０の蓋体２１ａ、２１ｂを介して超伝導コイル１０とヨーク５０の間に配置されている。

横荷重支持体４０は、巻回軸Ｃに垂直な方向（横方向）で真空容器２０に対して超伝導コイル１０を支持する部材である。横荷重支持体４０としては、例えば高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ等）が用いられる。横荷重支持体４０は、真空容器２０内で真空容器２０に対して超伝導コイル１０を横方向に支持している。横荷重支持体４０は、超伝導コイル１０の側部を支持するように、真空容器２０の側部とヨーク５０の側部との間に配置されている。なお、サイクロトロン１を９０°回転させて使用する場合、縦荷重支持体３０が横方向に配置され、横荷重支持体４０が縦方向に配置されることになる。

ヨーク５０は、巻回軸Ｃに垂直な方向（横方向）で真空容器２０の移動を許容した状態において巻回軸Ｃの方向（縦方向）で真空容器２０を支持する鉄心として構成されている。ヨーク５０は、超伝導コイル１０により生成される磁束の均一化を図るように機能する。例えば、ヨーク５０は、巻回軸Ｃが鉛直方向をなす場合、水平方向で真空容器２０の移動を許容した状態において、鉛直方向で真空容器２０を支持する。

ヨーク５０には、真空容器２０を取り囲むように穴５１が穿設されている。また、ヨーク５０には、その一部として穴５１の上下を塞ぐヨークブロック５２ａ、５２ｂが固定されている。ここで、ヨーク５０には、縦方向に真空容器２０を移動させるための縦ジャッキ７４と、横方向に真空容器２０を移動させるための横ジャッキ７５が固定されている。また、詳細は後述するが、ヨークブロック５２ａ、５２ｂには蓋体２１ａ、２１ｂを受容する凹部５３（図４参照）が設けられている。

冷凍機６０は、超伝導コイル１０を冷却する冷却手段として構成されている。冷凍機６０としては、例えば小型のＧＭ式（ギフォードマクマホン式）の冷凍機が用いられる。冷凍機６０は、伝熱材を介してコールドヘッドを巻枠１１に接触させて超伝導コイル１０を例えば４Ｋに冷却する。

図３には、縦・横荷重支持体３０、４０と冷凍機６０の配置関係が平面的に示されている。図３に示すように、ヨーク５０には、例えば４５°の間隔で４組の縦荷重支持体３０と冷凍機６０が交互に配置され、例えば９０°の間隔で４つの横荷重支持体４０が配置される。

図４は、真空容器２０の支持構造を示す図である。なお、以下では、上支持部材３１ａ周辺の構造について説明するが、下支持部材３１ｂ周辺の構造についても同様に説明される。

図４に示すように、ヨークブロック５２ａには、蓋体２１ａを受容する凹部５３が設けられている。凹部５３は、真空容器２０の端部（蓋体２１ａ）を支持する支持面５４を有している。支持面５４は、その幅が蓋体２１ａの幅より大きく形成されている。また、凹部５３の側面と蓋体２１ａの側面の間には、例えば１ｍｍ程度の間隙Ｓが確保されている。ヨーク５０は、支持面５４により巻回軸Ｃの方向で真空容器２０を支持するとともに、間隙Ｓにより巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０の移動を許容する。これにより、巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０が摺動可能となるので、支持面５４は摺動面５４としても機能することになる。

つぎに、図５を参照して、図４に示すサイクロトロン１の動作について説明する。

真空容器２０には、巻回軸Ｃに交差する方向に作用する荷重により損傷が及ぶことがある。例えば、超伝導コイル１０には、冷凍機６０の冷却作用により巻回軸Ｃに交差する方向（超伝導コイル１０の巻回中心に向かう方向）の熱収縮が生じる場合がある。この場合、超伝導コイル１０を収容する真空容器２０には、超伝導コイル１０の熱収縮に起因して巻回軸Ｃに交差する方向の荷重Ｌが作用することになり、損傷が及ぶことがある。

しかし、巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０の移動を許容した状態において巻回軸Ｃの方向で真空容器２０が支持されるので、図５に示すように、巻回軸Ｃに交差する方向に作用する荷重Ｌに追従した真空容器２０の移動が許容される。よって、真空容器２０では、その移動を許容しない場合よりも荷重Ｌに抵抗する内部応力の発生が低減されるので、真空容器２０の損傷を抑制できる。

図６は、摩擦低減部８１を伴う支持構造を示す図である。なお、以下でも、上支持部材３１ａ周辺の構造について説明するが、下支持部材３１ｂ周辺の構造についても同様に説明される。

図６に示すように、ヨークブロック５２ａには、真空容器２０との間の摺動面５４（図４参照）、より詳しくは蓋体２１ａとの間の摺動面５４に摩擦低減部８１が設けられている。摩擦低減部８１は、真空容器２０が巻回軸Ｃに垂直な方向（横方向）へ摺動する際に、真空容器２０とヨーク５０（ヨークブロック５２ａ）の間に生じる摩擦抵抗を低減可能な任意のシート材からなる。シート材は、好ましくはポリテトラフルオロエチレン製シートである。

つぎに、図７を参照して、図６に示すサイクロトロン１の動作について説明する。

図５に示すように真空容器２０の移動を許容しても、真空容器２０の円滑な移動が確保されなければ、真空容器２０の損傷を確実に抑制できないことが想定される。例えば、超伝導コイル１０の熱収縮に追従した真空容器２０の円滑な移動が確保されなければ、真空容器２０の損傷を確実に抑制できなくなってしまう。

また、真空容器２０の移動を許容することで、ビーム加速軌道７形成のために超伝導コイル１０の位置調整が必要となる。これは、超伝導コイル１０の巻回中心とビーム加速軌道７の中心が一致しなければ、サイクロトロン１からのビーム出力が低下するためである。よって、超伝導コイル１０の位置調整のために、真空容器２０を巻回軸Ｃに交差する方向へ移動する必要が生じる場合が想定される。この場合、超伝導コイル１０を含む真空容器２０の重量が大きいので、ジャッキ７５などを用いた移動作業に多大な労力を要してしまう。

しかし、図７に示すように真空容器２０とヨーク５０の間の摺動面５４に摩擦低減部８１が設けられるので、真空容器２０が巻回軸Ｃに交差する方向へ移動する際に真空容器２０とヨーク５０の間に生じる摩擦抵抗Ｆが低減される。よって、摩擦低減部８１を設けない場合よりも巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０を円滑に移動できる。

より詳しくは、例えば図５に示すように、巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０に荷重Ｌ（熱収縮に伴う荷重またはジャッキ荷重）が作用すると、荷重Ｌと反対の方向の摩擦力Ｆが摺動面５４に生じる。ここで、熱収縮に伴う荷重は、超伝導コイル１０から上支持部材３１ａを通じて真空容器２０に作用し、ジャッキ荷重は、ジャッキ７５から横荷重支持体４０（図２参照）を通じて真空容器２０に作用する。そして、比較的大きな摩擦力Ｆが摺動面５４に生じるので、熱収縮に伴う荷重による移動が妨げられると荷重Ｌに抵抗する比較的大きな応力が真空容器２０に生じ、また位置調整に際しては比較的大きな摩擦抵抗Ｆを克服するようなジャッキ荷重が必要となってしまう。

一方、図７に示すように、摺動面５４に摩擦低減部８１が設けられると、摩擦低減部８１が設けられない場合よりも摺動面５４（図５参照）に生じる摩擦力Ｆが低減される。そして、摩擦力Ｆが低減されることにより、熱収縮荷重による移動の妨げが抑制されて真空容器２０に生じる応力を低減でき、また位置調整に要するジャッキ荷重を低減できる。

ここで、摩擦低減部８１としては、シート材に代えて表面処理層が用いられてもよい。図８は、図６に示す摩擦低減部８１の変形例を示す図である。

図８に示すように、摩擦低減部８２は、真空容器２０とヨーク５０（ヨークブロック５２ａ）の間の摺動面５４（図４参照）、より詳しくは真空容器２０およびヨーク５０の少なくとも一方の面に設けられた表面処理層として構成される。なお、図８では、表面処理層が蓋体２１ａ側に設けられているが、蓋体２１ａ側に代えて凹部５３側に設けられてもよく、蓋体２１ａ側とともに凹部５３側に設けられてもよい。

表面処理層は、真空容器２０が巻回軸Ｃに垂直な方向（横方向）へ摺動する際に、真空容器２０とヨーク５０の間に生じる摩擦抵抗を低減可能な任意の表面処理層からなる。表面処理層は、好ましくはガス軟窒化処理層またはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）処理層である。ここで、摺動面５４の摩擦係数は、ガス軟窒化処理層により約０．０５〜０．１２、ＤＬＣ処理層により約０．０１に低減できる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るサイクロトロン１によれば、真空容器２０とヨーク５０の間の摺動面５４に摩擦低減部８１、８２が設けられるので、真空容器２０が巻回軸Ｃに交差する方向へ移動する際に真空容器２０とヨーク５０の間に生じる摩擦抵抗Ｆが低減される。よって、巻回軸Ｃに交差する方向で真空容器２０を円滑に移動できる。

また、摺動面５４にシート材を配置することにより、摩擦低減部８１を簡単に実現できる。シート材としては、例えばポリテトラフルオロエチレン製シートが好適に用いられる。

また、摺動面５４に表面処理層を設けることにより、真空容器２０とヨーク５０の間に空間を確保せずとも摩擦低減部８２を実現できる。また、巻回軸Ｃの方向に作用する荷重による摩擦低減部８２の損傷を抑制できる。表面処理層としては、例えば、ガス軟窒化処理層またはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）処理層が好適に用いられる。

なお、前述した実施形態は、本発明に係るサイクロトロン１の最良な実施形態を説明したものであり、本発明に係るサイクロトロン１は、本実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係るサイクロトロン１は、各請求項に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲で本実施形態に係るサイクロトロン１を変形し、または他のものに適用したものであってもよい。

例えば、前述した実施形態では、巻回軸Ｃに垂直な方向で真空容器２０の移動を許容した状態において巻回軸Ｃの方向で真空容器２０を支持するようにヨーク５０を構成する場合について説明した。しかし、ヨーク５０は、巻回軸Ｃに交差する任意の方向で真空容器２０の移動を許容した状態において巻回軸Ｃの方向で真空容器２０を支持するように構成されてもよい。

１…サイクロトロン、１０…超伝導コイル、２０…真空容器、３０…縦荷重支持体、４０…横荷重支持体、５０…ヨーク、５３…凹部、５４…摺動面、６０…冷凍機、８１、８２…摩擦低減部、Ｃ…巻回軸。

Claims (3)

1. 一対の磁極と、
   前記磁極の周囲を巻回する超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを収容する真空容器と、
   前記真空容器に対して前記超伝導コイルを支持する荷重支持体と、
   前記超伝導コイルの巻回軸に交差する方向に延伸している支持面と、前記巻回軸に沿う方向へ延伸している側面を有し、前記支持面により前記巻回軸の方向で前記真空容器を支持するヨークと、を備え、
   前記巻回軸に交差する方向において前記側面と前記真空容器の外側面との間には隙間が形成されていることで、前記真空容器は前記巻回軸に交差する方向において前記支持面に対して摺動可能であり、
   前記支持面と前記ヨークの間に設けられる摩擦低減部を更に備える
   サイクロトロン。
2. 前記摩擦低減部は、前記支持面に配置されたシート材である、請求項１に記載のサイクロトロン。
3. 前記シート材は、ポリテトラフルオロエチレンからなる、請求項２に記載のサイクロトロン。

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