JP6096063B2

JP6096063B2 - サイクロトロン

Info

Publication number: JP6096063B2
Application number: JP2013122926A
Authority: JP
Inventors: 篤橋本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: JP2014241217A

Description

本発明は、サイクロトロンに関する。

従来、ポールを取り囲むように配置される環状のコイルと、コイルを収容する真空容器と、真空容器の周りに設けられるヨークと、を備えるサイクロトロンが知られている（例えば特許文献１）。このようなサイクロトロンにあっては、コイルを収容する真空容器の位置調整を行う必要があり、位置調整の方法として、真空容器の外面にボルトを当接させる方法が採用される場合があった。

特開２００２−４３１１１７号公報

しかしながら、ボルトを用いて真空容器の位置調整を行う場合、調整に手間がかかるという問題があった。更に、当該方法では、ボルトの当接位置において真空容器に対して局所的な荷重が作用する。このような局所的な荷重によって真空容器が変形し、サイクロトロンの性能に影響が及ぼされる場合があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、コイルを収容する真空容器の位置調整を容易に行うと共に性能を向上させることができるサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明に係るサイクロトロンは、環状のコイルと、コイルを収容する真空容器と、少なくともコイルの径方向において、真空容器と対向するヨークと、真空容器とヨークとの間の径方向における隙間に設けられる弾性体と、を備える。

本発明に係るサイクロトロンは、真空容器とヨークとの間の径方向における隙間に設けられる弾性体を有している。これによって、真空容器が弾性体によって径方向に支持されることが可能な構成となる。従って、真空容器をヨークに組み付けるだけで弾性体の弾性力によって位置調整を行うことができるため、真空容器の位置合わせを容易に行うことができる。また、ボルトを用いて位置調整をする場合とは異なり、弾性体を用いることにより真空容器に局所的に荷重が作用することを抑制し、真空容器の変形等を抑制することができる。以上により、コイルを収容する真空容器の位置調整を容易に行うと共にサイクロトロンの性能を向上することができる。

また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、弾性体は、コイルの周方向における全周にわたって形成されていてよい。これによって、弾性体は、真空容器を周方向における全周に亘って確実に支持することができる。

また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、ヨークは、コイルの周方向に延びる溝部を有し、弾性体は、溝部にはめ込まれていてよい。これにより、弾性体は、溝部によってコイルの軸方向に支持される。従って、弾性体が軸方向にずれることを防止することができる。

また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、弾性体は、コイルの軸方向に沿って複数設けられていてよい。これにより、真空容器は軸方向における複数カ所で弾性体に支持される。従って、真空容器を弾性体で確実に支持することができる。

また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、弾性体は、軸方向における真空容器の端部側に設けられていてよい。これにより、弾性体は、安定して真空容器を支持することができる。

また、本発明に係るサイクロトロンにおいて、コイルは、超伝導コイルであってよい。超伝導コイルを用いて従来のようにボルトで真空容器の位置調整を行った場合、真空容器に局所的に荷重が作用してコイルが変形すると、真空容器内の部材が接触することで、熱が伝達されやすくなる。これによってコイルの超伝導が破壊されるという問題が生じる。しかしながら、本発明に係るサイクロトロンでは、局所的に荷重が作用して真空容器が変形することを抑制することができるため、超伝導が破壊されることを抑制することができる。

本発明によれば、コイルを収容する真空容器の位置調整を容易に行うと共にサイクロトロンの性能を向上することができる。

本発明の実施形態に係るサイクロトロンの概略構成を示す断面図である。図１に示すサイクロトロンの拡大断面図である。弾性体をコイルの軸方向から見た概略図である。弾性体としてスプリングを用いた場合の構成を示す概略図である。弾性体としてコンタクトバンドを用いた場合の構成を示す概略図である。弾性体としてＯリングを用いた場合の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るサイクロトロンの実施形態について詳細に説明する。

図１に示す本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源（図示せず）から供給される荷電粒子を加速して荷電粒子線（荷電粒子ビーム）を出力する円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子などが挙げられる。

サイクロトロン１は、その中心軸Ｃを中心として配置された円環状のコイル２，３と、コイル２，３を収容する円環状の真空容器４と、第１のコイル２の空芯部位に配置された上ポール（上磁極）５と、第２のコイル３の空芯部位に配置された下ポール（下磁極）６と、コイル２，３を冷却するための冷凍機（冷却手段）７と、ヨーク８と、を備えている。ヨーク８は、中空の円盤型ブロックであり、その内部に真空容器４、上ポール５、及び下ポール６が配置されている。真空容器４及び冷却機によって、収納されたコイル２，３を超伝導状態となるまで冷却可能なクライオスタット９が構成される。

このサイクロトロン１では、真空容器４の内部を真空状態にした上で、冷凍機７により超伝導状態とされたコイル２，３に電流を流すことで強力な磁場を形成する。イオン源から供給された荷電粒子は、上ポール５及び下ポール６の間の空間Ｇにおいて磁場の影響により加速され、荷電粒子線として出力される。

第１のコイル２及び第２のコイル３は、図示しないコイル保持部材によって一体的に真空容器４内で保持されている。このコイル保持部材に接触するように、又はコイル２，３に接触するように、冷凍機７が設けられており、真空状況下で冷凍機７によるコイル２，３の直接冷却が行われる。冷凍機７としては、例えば小型ＧＭ冷凍機を採用することができる。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るサイクロトロン１の真空容器４周辺の詳細な構成について説明する。なお、図２においては、第２のコイル３の周辺構造のみが示されているが、第１のコイル２の周辺構造も同趣旨の構造を有する。

図２に示すように、円環状のコイル３は、周方向から見た断面が矩形状をなしており、外周面３ａ及び内周面３ｂを有すると共に、軸方向に対向する端面３ｃ，３ｄを有している。本実施形態では、コイル３は保持部材１０によって保持されると共に補強されている。保持部材１０は、コイル３の端面３ｃ，３ｄに対して設けられるフランジ部１１，１２と、コイル３の外周面３ａの外周側に設けられてフランジ部１１，１２同士を接続する外周部１３と、を有する。なお、上側のフランジ部１２には、図示されない第１のコイル２に対して設けられるフランジ部と接続するための接続部１４が設けられている。

コイル３の周囲には、当該コイル３を覆うように円環状の熱シールド１６が設けられる。熱シールド１６は、周方向から見た断面が矩形枠状をなしている。熱シールド１６は、その中心軸がコイル３の中心軸Ｃと略一致するように配置される。熱シールド１６は、外周部１３に対して外周側で径方向に対向する外周壁部１７と、コイル３の内周面３ｂに対して内周側で径方向に対向する内周壁部１８と、フランジ部１１に対して下方で対向する下壁部１９と、を備えている。なお、外周壁部１７及び内周壁部１８は、上側の第１のコイル２よりも上方まで延びており、上端が上壁部にて封止されている。各壁部は、コイル３及び保持部材１０から離間して配置されている。熱シールド１６の各壁部は板状部材によって構成されている。

熱シールド１６の周囲（すなわちコイル３の周囲）には、当該熱シールド１６を覆うように円環状の真空容器４が設けられる。真空容器４は、周方向から見た断面が矩形枠状をなしている。真空容器４は、その中心軸がコイル３の中心軸Ｃと略一致するように配置される。真空容器４は、熱シールド１６の外周壁部１７に対して外周側で径方向に対向する外周壁部２１と、熱シールド１６の内周壁部１８に対して内周側で径方向に対向する内周壁部２２と、熱シールド１６の下壁部１９に対して下方で対向する下壁部２３と、を備えている。なお、外周壁部２１及び内周壁部２２は、上側の第１のコイル２及び熱シールド１６の上壁部よりも上方まで延びており、上端が上壁部にて封止されている。真空容器４の各壁部は、熱シールド１６の各壁部から離間して配置されている。真空容器４の各壁部は板状部材によって構成されている。

真空容器４の周囲（すなわちコイル３の周囲）には、当該真空容器４を覆うようにヨーク８が設けられる。ヨーク８は、真空容器４の外周壁部２１に対して外周側で径方向に対向する外周壁部２６と、真空容器４の内周壁部２２に対して内周側で径方向に対向する内周壁部２７と、真空容器４の下壁部２３に対して下方で対向する下壁部２８と、を備えている。ヨーク８にクライオスタット９を組み立てる際の組み立て容易性のために、ヨーク８とクライオスタット９の真空容器４との間には、少なくとも径方向において隙間が形成されている。ヨーク８の外周壁部２６の内周面２６ａと、真空容器４の外周壁部２１の外周面２１ａとの間には、隙間ＳＰ１が形成される。ヨーク８の内周壁部２７の外周面２７ａと、真空容器４の内周壁部２２の内周面２２ａとの間には、隙間ＳＰ２が形成される。これらの隙間ＳＰ１，ＳＰ２は、組み立て用に確保されるものであり、組み立て容易性の観点から最低３ｍｍ程度は確保されることが好ましい。なお、ヨーク８の内周側の端部には、上方に立ち上がった段差部３１が形成されている。一方、真空容器４の下壁部１９は、内周壁部２２よりも内周側へ延びる固定部２５が形成されている。固定部２５の下面は段差部３１の上面に接しており、当該部分にはＯリングなどの封止部材３２が配置され、気密性が確保されている。

真空容器４とヨーク８との間の径方向における隙間ＳＰ１には、弾性体４０が設けられる。弾性体４０は、真空容器４と接触し、弾性力を付与しながら支持することによって、クライオスタット９の径方向における位置合わせを行うことができる部材である。弾性体４０は、軸方向に沿って複数設けられている。また、弾性体４０は、中心軸Ｃの軸方向における真空容器４の端部側に設けられている。本実施形態では、図１に示すように、軸方向に二組の弾性体４０が設けられており、真空容器４の上端部４ａ側に一組の弾性体４０が設けられ、下端部４ｂ側に一組の弾性体４０が設けられている。

「軸方向における真空容器４の端部側」とは、少なくとも軸方向における真空容器４の中央位置よりも端部側の領域であり、当該領域であれば弾性体４０をどこに配置するかは特に限定されない。ただし、真空容器４の安定性を向上させるために、可能な限り、端部に近い位置に弾性体４０を配置することが好ましい。例えば、弾性体４０は、少なくともフランジ部１１よりも軸方向における端部側に配置されることが好ましい。本実施形態では、図２に示すように、弾性体４０は、コイル３の下側の端面３ｄ、保持部材１０の下側のフランジ部１１、及び熱シールド１６の下壁部１９よりも、真空容器４の下端部４ｂ側に配置されている。

ヨーク８は周方向に延びる溝部５０を有し、弾性体４０は、溝部５０にはめ込まれている。具体的には、ヨーク８の外周壁部２６の内周面２６ａには、弾性体４０が設けられる位置に溝部５０が周方向に沿って形成される。溝部５０の形状は、図２の例においては周方向から見て矩形状をなしているが、形状は特に限定されず、三角形状や円弧状であってもよい。溝部５０の深さ（径方向の大きさ）は、溝部５０に弾性体４０をはめ込み、真空容器４をヨーク８に組み付けたときに、弾性体４０が真空容器４の外周面２１ａと当接して弾性力を付与できる程度の大きさに設定される。また、溝部５０の幅（軸方向の大きさ）は、溝部５０にはめ込んだ弾性体４０が抜け落ちず、弾性体４０が真空容器４を支持しているときに弾性体４０の位置ずれやがたつきが生じないように、弾性体４０を軸方向に支持できる程度の大きさに設定される。

また、図３（ａ）に示すように、弾性体４０は、周方向における全周にわたって形成されていてよい。なお、図３では、色を付した部分が弾性体４０に該当する。このように、全周にわたって弾性体４０を設けた場合、真空容器４に対して全周にわたって弾性力を付与することができるため、確実に真空容器４を支持することが可能となり、精度良く真空容器４の位置合わせを行うことができる。あるいは、図３（ｂ）に示すように、弾性体４０は、周方向において複数に分割され、周方向の一部に形成されていてよい。図３（ｂ）に示す例では、三つに分割された弾性体４０が、周方向に等ピッチの間隔をあけて配置されている。ただし、弾性体４０の分割数は２以上であればよく、ピッチの大きさも特に限定されない。弾性体４０が全周にわたって設けられている場合及び周方向に分割されている場合のいずれにおいても、従来のボルトによる位置調整機構のように周方向において局所的に荷重が付与されるのではなく、弾性体４０は、真空容器４に対して周方向における所定の範囲に対して弾性力を付与することができる。

弾性体４０は、真空容器４に径方向の弾性力を付与できるものであればどのような構成のものを採用してもよい。例えば、図４に示すように、弾性体４０として、スプリング６０を用いてもよい。長尺のスプリング６０の一端と他端を接続することで円環状とし、真空容器４とヨーク８の間に配置することによって、弾性体４０が構成される。なお、図３（ｂ）にように部分的に弾性体４０を配置する場合、長尺のスプリング６０を、ヨーク８の溝部５０に沿って円弧を描くように配置する。これにより、スプリング６０は、真空容器４（コイル３）の径方向に延びる軸周りに螺旋を描くような配置となる。真空容器４をヨーク８に組み付けた際、スプリング６０の一方の側部が真空容器４の外周面２１ａと接触し、他方の側部がヨーク８の溝部５０の底面５０ａと接触することで、真空容器４に径方向の弾性力を付与する。なお、図４は構造を理解し易くするためにスプリング６０を軸方向から見た様子を模式的に示したものであり、真空容器４の曲率とスプリング６０のピッチ等の関係は模式的なものである。

また、弾性体４０として、図５に示すようなコンタクトバンド７０を用いてもよい。図５（ａ）は径方向からコンタクトバンド７０を見た図であり、図５（ｂ）は軸方向からコンタクトバンド７０を見た図であり、図５（ｃ）は周方向からコンタクトバンド７０を見た図である。なお、図５は構造を理解し易くするためにコンタクトバンド７０を模式的に示したものであり、真空容器４の曲率とコンタクトバンド７０の各寸法との関係は模式的なものである。図５に示すように、コンタクトバンド７０は、周方向に所定のピッチで形成される複数の弾性部７１と、周方向に沿って帯状に延びるベース部７２と、を備えている。弾性部７１の態様は特に限定されないが、図５に示す例では、ベース部７２から内周側へ湾曲するように突出する部材によって弾性部７１が形成される。ベース部７２がヨーク８の溝部５０の底面５０ａで支持されるように溝部５０にコンタクトバンド７０をはめ込む。これによって、真空容器４をヨーク８に組み付けた際、弾性部７１真空容器４の外周面２１ａと接触することで、真空容器４に径方向の弾性力を付与する。なお、コンタクトバンド７０の構成は、図５に示すものに限定されず、径方向へ弾性力を付与することができる弾性部７１を有しているものであれば、あらゆるものを採用してよい。例えば、弾性部７１が中空の半球状のようなタイプのコンタクトバンド７０を採用してよい。

弾性体４０としてスプリング６０、コンタクトバンド７０を採用する場合、サイクロトロン１の各構成要素に電気的・磁気的に干渉しないように、伝導性が無く、非磁性の材質を用いることが好ましい。例えば、スプリング６０及びコンタクトバンド７０の材質として、ステンレスを採用してよい。スプリング６０やコンタクトバンド７０のように剛性の高い材料を弾性力発生可能な形状に加工した弾性体４０を用いる場合、設置後のクライオスタット９の位置ずれが生じにくいというメリットがある。

また、弾性体４０として、図６に示すように、ゴム、シリコンなどの弾性材料からなるＯリング（または、図３（ｂ）のような構成とする場合は、紐体）８０を用いてもよい。図６（ａ）に示すように、Ｏリング８０として、周方向から見た断面が円形のものを用いてよく、図６（ｂ）に示すように、周方向から見た断面がＸ字状のものを用いてもよく、その他、弾性力を付与することができる限り、あらゆる形状を採用してよい。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１の作用・効果について説明する。

サイクロトロンにおいては、コイルを収容する真空容器の位置調整を行う必要があり、この際、組み立て用の隙間（例えば図２に示す隙間ＳＰ１，ＳＰ２など）を確保しつつ、径方向の位置ずれを極力抑えることが求められる。従来、このような位置調整の方法として、真空容器の外面にボルトを直接的又は間接的に当接させる方法が採用される場合があった。すなわち、真空容器に対して周方向に複数カ所にボルトを配置し、各箇所におけるボルトの締め付けを調整することで真空容器の径方向における位置を調整する方法が採用されていた。しかしながら、ボルトを用いて真空容器の位置調整を行う場合、全体のバランスを見ながら各箇所におけるボルトの締め付けを繰り返し調整する必要があるため、調整に手間がかかるという問題があった。更に、当該方法では、ボルトの当接位置において真空容器に対して局所的な荷重が作用する。このような局所的な荷重によって真空容器が変形し、サイクロトロンの性能に影響が及ぼされる場合があった。特に、サイクロトロンのコイルとして超伝導コイルを用いてボルトで真空容器の位置調整を行った場合、真空容器に局所的に荷重が作用してコイルが変形すると、真空容器内の部材が接触することで、熱が伝達されやすくなる。これによってコイルの超伝導が破壊されるという問題が生じる。また、ボルトを用いる方法の他、真空容器の内周側にガイド構造などを設けて位置調整を可能とする方法も考えられるが、真空容器の内部のみならず、ヨークの内周側の領域（例えば、図２に示す領域Ｅ）も真空状態とすることが求められるため、ガイド構造等を設けることができないという問題があり、あるいは、設けたとしても真空確保のための構造が複雑になるという問題がある。

一方、本実施形態に係るサイクロトロン１は、真空容器４とヨーク８との間の径方向における隙間ＳＰ１に設けられる弾性体４０を有している。これによって、真空容器４が弾性体４０によって径方向に支持されることが可能な構成となる。従って、真空容器４をヨーク８に組み付けるだけで弾性体４０の弾性力によって位置調整を行うことができるため、真空容器４の位置合わせを容易に行うことができる。また、真空容器４（クライオスタット９）の横滑りを防止することができると共に、ヨーク８と真空容器４との間の組み立て用の隙間ＳＰ１，ＳＰ２も確保することができる。また、ボルトを用いて位置調整をする場合とは異なり、弾性体４０を用いることにより真空容器４に局所的に荷重が作用することを抑制し、真空容器４の変形等を抑制することができる。これによって、コイル３の超伝導が破壊されることを抑制することができる。以上により、コイル３を収容する真空容器４の位置調整を容易に行うと共にサイクロトロン１の性能を向上することができる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、ヨーク８は、コイル３の周方向に延びる溝部５０を有し、弾性体４０は、溝部５０にはめ込まれていている。これにより、弾性体４０は、溝部５０によってコイル３の軸方向に支持される。従って、弾性体４０が軸方向にずれることを防止することができる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、弾性体４０は、コイル３の軸方向に沿って複数設けられている。これにより、真空容器４は軸方向における複数カ所で弾性体４０に支持される。従って、真空容器４を弾性体４０で確実に支持することができる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、弾性体４０は、軸方向における真空容器４の端部側に設けられていている。これにより、弾性体４０は、安定して真空容器４を支持することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、軸方向に配置される弾性体４０の個数は二個であったが、一個であってもよく、三個以上であってもよい。なお、弾性体４０が図３（ｂ）に示すように周方向に分割されている場合、軸方向の一の箇所における弾性体４０の周方向における位置は、軸方向の他の箇所における弾性体４０の周方向における位置と一致していなくともよく、軸方向から見て互いにずれていてもよい。また、上述の実施形態では、弾性体４０は真空容器４の外周側（真空容器４の外周面２１ａとヨーク８の外周壁部２６との間の隙間ＳＰ１）に設けられていたが、真空容器４の内周側（真空容器４の内周面２２ａとヨーク８の内周壁部２７との間の隙間ＳＰ２）に設けられてもよく、真空容器４の内周側と外周側の両方に設けられてもよい。

また、上述のような弾性体４０のみを用いた位置調整機構としてもよいが、それに加えて、従来のボルトによる位置調整機構を設けてもよい。この際、弾性体４０によって真空容器４は概ね位置合わせが行われ、微調整としてボルトを調整すればよいため、真空容器４に対する局所的な荷重は低減される。

また、本発明に係る構造は、上述のタイプのサイクロトロンに限らず、コイル、真空容器、ヨークを有するあらゆるタイプのサイクロトロンに適用可能である。例えば、上述のような超伝導コイルを用いたタイプのサイクロトロンに限らず、常伝導コイルを用いたタイプのサイクロトロンに適用してもよい。

１…サイクロトロン、２，３…コイル、４…真空容器、８…ヨーク、４０…弾性体、５０…溝部、６０…スプリング（弾性体）、７０…コンタクトバンド（弾性体）、８０…Ｏリング（弾性体）。

Claims

環状のコイルと、
前記コイルを収容する真空容器と、
少なくとも前記コイルの径方向において、前記真空容器と対向するヨークと、
前記真空容器と前記ヨークとの間の前記径方向における隙間に設けられる弾性体と、を備え、
前記弾性体は、前記コイルの周方向における全周にわたって形成されているサイクロトロン。
環状のコイルと、
前記コイルを収容する真空容器と、
少なくとも前記コイルの径方向において、前記真空容器と対向するヨークと、
前記真空容器と前記ヨークとの間の前記径方向における隙間に設けられる弾性体と、を備え、
前記弾性体は、前記コイルの軸方向に沿って複数設けられているサイクロトロン。
前記弾性体は、前記軸方向における前記真空容器の端部側に設けられている請求項２に記載のサイクロトロン。
前記ヨークは、前記コイルの周方向に延びる溝部を有し、
前記弾性体は、前記溝部にはめ込まれている、請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロトロン。
前記コイルは、超伝導コイルである、請求項１〜４の何れか一項に記載のサイクロトロン。