JP6612143B2

JP6612143B2 - 加速空洞用入力カプラ及び加速器

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Publication number: JP6612143B2
Application number: JP2016020798A
Authority: JP
Inventors: 和則沖平; 克也仙入; 竜一松田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2036-02-05
Also published as: EP3413692A4; JP2017139184A; CN108605406A; EP3413692A1; KR20180090336A; CN108605406B; US10292252B2; EP3413692B1; WO2017135372A1; US20190008028A1; KR102055079B1

Description

本発明は、加速空洞用入力カプラ及び加速器に関するものである。

超伝導加速器システムでは、荷電粒子ビームが加速空洞内に導かれ、高周波の電磁波が入力カプラを介して導入される。空洞内の荷電粒子は、空洞内に発生した高周波電界によって加速される。入力カプラは、高周波発生器（例えばクライストロン）で発生し導波管によって伝搬された高周波を空洞内に導入する。

入力カプラには、同軸型カプラと方形導波管型カプラの２種類がある。下記の特許文献１では、インプットカプラ（入力カプラ）において、中空の方形部の開口端から円筒状のフランジ部へと続き両者を一体的に連結する中空の連結部を有することが記載されている。これにより、特許文献１に記載された発明では、インプットカプラのフランジ部と導波管のフランジ部は、両者とも円形となるため、両フランジ部に挟まれるシール部材に対して、均一に荷重が加えられ、シール性が向上する。

特許第３０７３４２１号公報

入力カプラは、一端側で導波管と接続され、他端側で加速空洞と接続される。加速空洞は、主にニオブ製であり、運転時、真空に維持されるとともに、例えば液体ヘリウムによって約４Ｋまで冷却されて超伝導状態とされる。このとき、加速空洞に接続された入力カプラも、一部が極低温に冷却される。

同軸タイプの入力カプラは、外導体と内導体が同軸上に配置され、表面を高周波が伝搬する。クライストロンで発生した高周波は、大気圧下で導波管を伝わり、入力カプラに到達する。入力カプラの他端側は、超高真空の加速空洞と接続されることから、入力カプラの内部には、真空封止及び高周波透過のため、セラミックス製の板状部材である窓が設置される。

このセラミックス製の窓は、入力カプラ内部に１枚のみ設置されても真空を封止することができるが、図５及び図６に示すように、入力カプラ５１内部に、窓５２，５３が、軸方向に２枚設置されて、入力カプラ５１が二重窓構造を有する場合もある。なお、入力カプラ５１において、窓５２，５３は、外導体５４と内導体５５の間に設置される。また、内導体５５の内部には、流通管５６が設けられ、流通管５６の内部を熱媒体が流れる。熱媒体は、流通管５６の開口部５７を通過して、内導体５５の内周面と流通管５６の外周面との間の空間を流れて、内導体５５を冷却する。なお、内導体５５と窓５２，５３との接続部分には、補強部材５８が設けられる。補強部材５８に形成された貫通孔５９を介して、補強部材５８と内導体５５の間の空間を、流通管５６を流れる熱媒体が出入りする。なお、強度が十分であれば、補強部材５８を設けなくてもよい。

二重窓構造とすることにより、組立時の加速空洞側へのごみの混入や、使用時の窓の破損による真空破壊を防止することができる。二重窓構造の入力カプラ５１では、加速空洞に近い側の窓５２が低温（例えば約８０Ｋ）に冷却され（以下「低温窓５２」という。）、クライストロン側の窓５３が常温に保たれる（以下「高温窓５３」という。）。また、入力カプラ５１内部において、低温窓５２から加速空洞側の空間、及び、低温窓５２と高温窓５３の間の空間は、真空に維持されており、高温窓５３からクライストロン側の空間は、大気圧となっている。

加速空洞は、上述したとおり、運転時において極低温とする必要があることから、入力カプラ５１から加速空洞側に伝達される熱を遮断するため、入力カプラ５１に対し熱負荷対策を施す必要がある。セラミックス製の窓が１枚のみ設置される場合、入力カプラの内導体内部に水を流して、内導体で発生した熱を水冷によって冷却することができる。しかし、二重窓構造の入力カプラ５１では、低温窓５２が、液体窒素等によって、約８０Ｋと極低温に維持されることから、内導体５５内部に流す熱媒体を水とすると、低温窓５２よりも加速空洞側において内導体５５内部で水が凝固するおそれがある。その結果、内導体５５で発生した熱が冷却されなくなり、低温窓５２を介して外導体５４側へ伝達され、熱損失が生じる。

そのため、内導体５５を冷却する熱媒体として通常窒素ガス等が用いられる。しかし、窒素ガスは熱容量が小さく冷却性能が低い。そのため、窒素ガスによる冷却は、入力する高周波電力が小さい場合、すなわち、パルス波の場合や比較的電力が小さい連続波の場合に限られる。一方、連続波であって、数十ｋＷから約１００ｋＷと大電力の場合は、窒素ガスの冷却では不十分であ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、板部を介した熱伝導が低減され、内導体が水の凝固点以下に冷却されることを防止し、かつ、内導体で発生した熱を外導体に伝導することを防止することが可能な加速空洞用入力カプラ及び加速器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、本発明の加速空洞用入力カプラ及び加速器は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る加速空洞用入力カプラは、円筒状の外導体と、前記外導体と同軸に配置された、内部を熱媒体が流通する円筒状の内導体と、前記外導体の内面と前記内導体の外面との間に設けられる板部と、前記外導体側から前記板部を水の凝固点以下に冷却する冷却部と、前記内導体と前記板部との接続部分に設けられ、前記内導体よりも熱伝導率が低い断熱部とを備え、前記板部は、前記内導体に対して前記断熱部を介して接続される。

この構成によれば、高周波発生器で発生した高周波は、導波管を伝わり、入力カプラに到達し、外導体と内導体の表面を高周波が伝搬することによって、高周波を加速空洞内に導入する。外導体の内面と内導体の外面との間には、例えばセラミックス製の板部が設けられ、加速空洞側の真空が封止されるとともに、板部を高周波が透過する。板部は、冷却部によって水の凝固点以下に冷却されている。板部は、内導体に設けられた断熱部を介して内導体に接続されていることから、板部を介した熱伝導が低減され、内導体が水の凝固点以下に冷却されることを防止できる。したがって、内導体内部に流通する熱媒体として水を用いても、内導体内部で凝固する水を低減又は解消することができる。また、内導体で発生した熱を外導体に伝導することを防止できる。

上記発明において、前記断熱部は、内部が真空である真空断熱構造を有する。
この構成によれば、断熱部のうち板部との接続部分と、内導体内部に流通する熱媒とは、断熱部の内部の空間によって、熱的に絶縁される。

上記発明において、前記断熱部は、前記板部と前記内導体との間に設けられたベローズを有する。
この構成によれば、運転時、接続部分が冷却されるとき、断熱部における温度の違いによる熱膨張差によって、内導体が撓んでしまうことを防止できる。

上記発明において、前記外導体の内面と前記内導体の外面との間に設けられ、前記板部とは別の第２板部を更に備え、前記板部と前記第２板部との間の空間は真空に維持される。
この構成によれば、入力カプラ内部に、第１板部及び第２板部が、軸方向に２枚設置されるため、組立時の加速空洞側へのごみの混入や、使用時に第１板部又は第２板部が破損したとしても、真空破壊を防止することができる。

本発明に係る加速器は、上述の加速空洞用入力カプラが設置される加速空洞を備える。

本発明によれば、板部を介した熱伝導が低減され、内導体が水の凝固点以下に冷却されることを防止し、かつ、内導体で発生した熱を外導体に伝導することを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る入力カプラを示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る入力カプラを示す部分拡大縦断面図である。本発明の一実施形態に係る入力カプラの変形例を示す部分拡大縦断面図である。本発明の一実施形態に係る超伝導加速器システムを示す概略図である。従来の入力カプラを示す縦断面図である。従来の入力カプラを示す部分拡大縦断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る超伝導加速器システムについて、図面を参照して説明する。
超伝導加速器システムでは、図４に示すように、荷電粒子ビームが加速空洞３１内に導かれ、高周波の電磁波が入力カプラ１を介して導入される。加速空洞３１内の荷電粒子は、加速空洞３１内に発生した高周波電界によって加速される。カプラは、加速空洞３１に接続されており、高周波発生器３２（例えばクライストロン）で発生し導波管３３によって伝搬された高周波を加速空洞３１内に導入する。

本実施形態に係る入力カプラ１は、いわゆる同軸型カプラに適用される。入力カプラ１は、一端部が加速空洞３１に接続され、他端部が導波管３３に接続される。入力カプラ１は、図１及び図２に示すように、外導体２と、内導体３と、第１板部４と、第２板部５などを備える。

外導体２は円筒形状を有し、一端部が加速空洞３１に接続され、他端部が導波管３３に接続される。外導体２の一端部には、外導体２の本体部２Ａの外径よりも大きな外径を有するフランジ６が設けられる。外導体２のフランジ６は、加速空洞３１に設けられたフランジ３４（図４参照）と、例えばボルト結合によって接続される。超伝導加速器システムが運転しているとき、加速空洞３１は、例えば液体ヘリウムによって約４Ｋまで冷却されて超伝導状態とされており、フランジ６も約４Ｋとなっている。

外導体２は、例えばステンレス製であり、表面には銅めっきが施される。ステンレスは、低温でも高温でも使用でき、磁性が低く、磁場が発生しにくいことから適用される。また、ステンレスは、銅めっきを施しやすく、ろう付けも容易である。ステンレスの例としては、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４が挙げられる。

内導体３は、外導体２の軸心と内導体３の軸心が一致するように、外導体２と同軸に設けられる。内導体３は、一端部が、外導体２のフランジ６が設けられた一端部よりも突出した位置となるように延設される。

内導体３は、後述する断熱部８以外の部分において、無酸素銅である。断熱部８は、後述するとおり、ステンレス製であり、外導体２に面する表面において銅めっきが施される。

内導体３の内部では、熱媒体が流通する。熱媒体は、運転時に内導体３において発生した熱を除去し、内導体３の温度上昇を低減する。内導体３の内部には、軸方向に沿って流通管７が設置される。流通管７の一端部は、内導体３の一端部と接続され、流通管７の一端部付近において開口部７ａが形成されている。熱媒体は、導波管側から流通管７の内部を流通し、開口部７ａを通過して、内導体３の内周面と流通管７の外周面との間の空間に供給される。その後、熱媒体は、内導体３の内周面の温度を除去しながら、導波管３３側へ排出される。なお、流通管７の一端部は、内導体３の一端部と接続されなくてもよく、その場合、流通管７の一端部が、熱媒体が通過する開口部となる。

熱媒体は、例えば水である。本実施形態によれば、断熱部８が設けられることから、外導体２側から冷却された第１板部４によって、内導体３の温度が水の凝固点以下になることを防止できるため、内導体３内部で凝固する水を低減又は解消することができる。なお、本発明で適用される熱媒体は、水に限定されず、例えば融点又は流動点が水の融点よりも低い物性を有する材料を熱媒体として適用することで、より内導体３内部で凝固する熱媒体を低減したり解消することができる。

熱媒体として用いることができる材料は、水以外に、例えば、エチレングリコール（例えば、沸点１９７℃以下、融点−１３℃以下）、フロリナート（商標）（例えば、沸点９０℃以下、流動点−１１０℃以下）などのフルオロカーボンを主とした材料、ガルデン（登録商標）（例えば、沸点１３０℃以下、流動点−１００℃以下）などのパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）がある。これらの物質は、融点又は流動点が水の融点よりも低い物性を有し、内導体３内部で凝固しにくいだけでなく、沸点が比較的高く、内導体３で発生している熱によっても気化しにくい。

第１板部４と第２板部５は、アルミナ（Al₂O₃）などのセラミックス製の板状部材である。第１板部４と第２板部５によって、加速空洞３１側の真空が封止されるとともに、第１板部４と第２板部５は、高周波を透過させる。なお、第１板部４と第２板部５は、セラミックス製に限定されず、加速空洞３１側の真空を封止し、高周波を透過させることができれば、他の材質であってもよい。第１板部４と第２板部５は、板面が入力カプラ１の軸方向に対して垂直になるように配置され、互いに離隔して配置される。第１板部４は、加速空洞３１に接続される入力カプラ１の一端部側に近いほうに設けられ、第２板部５は、導波管３３に接続される入力カプラ１の他端部側に近いほうに設けられる。第１板部４と第２板部５はそれぞれ、円環形状を有しており、外周端部の全周が外導体２の内面と接続され、内周端部の全周が内導体３の外面と接続される。

入力カプラ１の加速空洞３１側は、開口されており、外導体２と内導体３の間において、第１板部４から加速空洞３１側の空間は、加速空洞３１が真空に維持されることによって、同様に、真空に維持される。第１板部４と第２板部５の間は、外導体２及び内導体３と共に閉空間が形成され、外導体２に設けられた貫通孔を介して空気が排出されて、真空に維持される。入力カプラ１の導波管３３側は、開口されており、外導体２と内導体３の間において、第２板部５から導波管３３側の空間は、大気圧となっている。

第１板部４又は第２板部５と、外導体２又は内導体３とは、ろう付けによって接合される。なお、ろう材は、例えば金である。超伝導加速器システムが運転しているとき、第１板部４は、例えば約８０Ｋに冷却され、第２板部５は、常温（例えば約３００Ｋ）に保たれる。
入力カプラ１内部に、第１板部４及び第２板部５が、軸方向に２枚設置されて、入力カプラ１が二重窓構造を有する。これにより、組立時の加速空洞３１側へのごみの混入や、使用時に第１板部４又は第２板部５が破損したとしても、真空破壊を防止することができる。

外導体２と第１板部４との接続部分において、第１板部４を冷却するため、また、第１板部４の外周に接合される外導体２の補強のため、ジャケット部９が設けられる。ジャケット部９は、液体窒素等の熱媒体が供給される構造を有しており、これにより、外導体２側から第１板部４を冷却することができる。ジャケット部９は、例えば外導体２を囲む円筒部１５と、円筒部１５の両端部に設けられる円環部１６を有する。円環部１６は、外導体２の外周面から径方向に延びて設けられ、外導体２の外周面、円筒部１５及び円環部１６で囲まれて形成される空間１７に液体窒素が供給される。ジャケット部９の内部に直接液体窒素等の熱媒体を供給しない場合でも、例えば円環部１６に熱媒体とほぼ同じ温度のサーマルアンカーを設けることによって、外導体２の外側から第１板部４を冷却することができる。円筒部１５には、液体窒素が流通する貫通孔１８が形成されている。円筒部１５が外導体２に沿って設置され、円環部１６が外導体２の外面と接続されることによって、第１板部４との接続部分が補強される。

内導体３において、第１板部４との接続部分には、断熱部８が設けられる。
内導体３内部を流通させる熱媒体が水であり、第１板部４が水の凝固点よりも低い温度まで冷却されているとしても、断熱部８が設けられていることにより、熱伝導によって内導体３が水の凝固点以下に低下することを防止でき、かつ、内導体３で発生した熱が伝導して外導体２が加熱されることも防止できる。また、熱媒体が水以外である場合も、断熱部８が設けられていることによって、その熱媒体の凝固点以下に低下することを防止できる。

断熱部８は、第１板部４と内導体３との接続部分を囲むように真空空間を形成する。
断熱部８は、第１板部４と接続される接続部１０と、接続部１０の両端に設けられる低熱伝導部１１と、内導体３の内周面よりも小さい径を有し、接続部１０の周囲に設けられる円筒形状の円筒部１２などを有する。断熱部８を構成する接続部１０、低熱伝導部１１及び円筒部１２は、ステンレス製である。また、内導体３の外周面、すなわち、接続部１０と低熱伝導部１１の外導体２側の表面には、銅めっきが施される。

接続部１０は、円筒状部材である。接続部１０の外面は、第１板部４の内周端部とろう付けによって接続される。

低熱伝導部１１は、接続部１０の両端部にそれぞれ一つずつ設けられる。低熱伝導部１１は、ステンレス製の円筒状部材である。低熱伝導部１１のうち接続部１０と接続される端部とは反対側の端部に設けられた円環部１１Ａ，１２Ａは、内導体３の銅製である他の円筒部分と接続される。これにより、第１板部４が接続されている接続部１０と、他の円筒部分とは、低熱伝導部１１によって、熱的に絶縁される。

低熱伝導部１１は、図２に示すように、低熱伝導部１１の端部付近かつ低熱伝導部１１の内面において、内導体３の径方向に延びた円環部１１Ａが形成される。また、円筒部１２は、図２に示すように、円筒部１２の端部付近かつ円筒部１２の外面において、内導体３の径方向に延びた円環部１２Ａが形成される。

円筒部１２は、例えばステンレス製であり、円環部１１Ａ，１２Ａを介して、二つの低熱伝導部１１と接続される。これにより、接続部１０、低熱伝導部１１及び円筒部１２によって、閉鎖された空間１３が形成される。この空間１３は、運転時、真空に維持される。空間１３を真空に維持するため、接続部１０のうち第１板部４と第２板部５の間において貫通孔２４が形成される。貫通孔２４がこの位置に設けられることによって、第１板部４よりも加速空洞３１側に形成される場合に比べて、加速空洞３１内の汚染を防止できる。

また、円筒部１２が内導体３に沿って設置され、円環部１１Ａ，１２Ａが内導体３の内面と接続されることによって、第１板部４との接続部分が補強される。

なお、図１及び図２に示す例では、円環部１１Ａ，１２Ａは、一方の低熱伝導部１１と円筒部１２の一端部にそれぞれ設けられる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、円筒部１２に円環部１２Ａが形成されず、二つの低熱伝導部１１にそれぞれ円環部１１Ａが形成されて、円筒部１２と接続されてもよいし、低熱伝導部１１に円環部１１Ａが形成されず、円筒部１２の両端部に円環部１２Ａが二つ設けられてもよい。

空間１３には、熱媒体が流入せず、真空に維持されることから、第１板部４が接続されている接続部１０と、内導体３の内部の熱媒体とは、空間１３によって、熱的に絶縁される。

低熱伝導部１１には、軸方向の中間部において、ベローズ１４が設けられる。ベローズ１４は、低熱伝導部１１の他の部分よりも板厚が薄く、複数の屈曲形状部分を有する。ベローズ１４は、ステンレス製であり、ベローズ１４の外周面、すなわち、ベローズ１４の外導体２側の表面には、銅めっきが施される。ベローズ１４は、運転時、接続部１０が冷却されるとき、円筒部１２との温度の違いによる熱膨張差によって、内導体３が撓んでしまうことを防止できる。

なお、上述した実施形態では、低熱伝導部１１において、ベローズ１４が形成されている場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。すなわち、図３に示すように、低熱伝導部１１は、ベローズ１４と異なり複数の屈曲形状を有さず、単なる円筒面であってもよい。

外導体２と第２板部５との接続部分には、例えば外導体２を囲む円筒部１９と、円筒部１９の両端部に設けられる円環部２０を有する。円環部２０は、外導体２の外周面から径方向に延びて設けられる。円筒部１５には、空気又は水が流通する貫通孔２２が形成されて、外導体２の外周面、円筒部１９及び円環部２０で囲まれて形成される空間２１には空気が満たされる。円筒部１９が外導体２に沿って設置され、円環部２０が外導体２の外面と接続されることによって、第２板部５との接続部分が補強される。

内導体３と第２板部５との接続部分には、接続部分を囲む円筒部２３が内導体３の内面に沿って設置される。円筒部２３は、内導体３の内面と接続されることによって第２板部５との接続部分が補強される。円筒部２３には、貫通孔２５が形成されており、円筒部２３と内導体３の内周面に囲まれて形成される空間２６には、熱媒体が流通可能である。

以上、本実施形態によれば、超伝導加速器システムの運転時において、加速空洞３１や第１板部４が冷却され、かつ、入力カプラ１に導波管３３から高周波が伝搬されて内導体３が発熱しているとき、断熱部８によって第１板部４と内導体３との間での熱伝導が低減され、第１板部４と内導体３とが熱的に絶縁される。

その結果、外導体２側から冷却された第１板部４によって、内導体３の温度が水等の熱媒体の凝固点以下になることを防止できる。したがって、内導体３内部に流通する熱媒体として水を用いても、内導体３内部で凝固する水を低減又は解消することができる。

また、内導体３で発生した熱が、断熱部８によって第１板部４や外導体２へ伝導することも防止でき、加速空洞３１や外導体２が昇温しづらいため、熱損失が生じにくく、加速空洞３１や外導体２の冷却に必要なエネルギーを低減できる。

以上より、連続波であって、数十ｋＷから約１００ｋＷと高周波電力が大電力の場合であっても、内導体３を冷却することができる。

１入力カプラ
２外導体
３内導体
４第１板部
５第２板部
６フランジ
７流通管
８断熱部
９ジャケット部
１０接続部
１１低熱伝導部
１２，１５，１９，２３円筒部
１３，１７，２１，２６空間
１４ベローズ
１６，２０円環部
１８，２２，２４，２５貫通孔

Claims

円筒状の外導体と、
前記外導体と同軸に配置された、内部を熱媒体が流通する円筒状の内導体と、
前記外導体の内面と前記内導体の外面との間に設けられる板部と、
前記外導体側から前記板部を水の凝固点以下に冷却する冷却部と、
前記内導体と前記板部との接続部分に設けられ、前記内導体よりも熱伝導率が低い断熱部と、
を備え、
前記板部は、前記内導体に対して前記断熱部を介して接続される加速空洞用入力カプラ。
前記断熱部は、内部が真空である真空断熱構造を有する請求項１に記載の加速空洞用入力カプラ。
前記断熱部は、前記板部と前記内導体との間に設けられたベローズを有する請求項１又は２に記載の加速空洞用入力カプラ。
前記外導体の内面と前記内導体の外面との間に設けられ、前記板部とは別の第２板部を更に備え、
前記板部と前記第２板部との間の空間は真空に維持される請求項１から３のいずれか１項に記載の加速空洞用入力カプラ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の加速空洞用入力カプラが設置される加速空洞を備える加速器。