JP7019141B2

JP7019141B2 - 差圧室連通装置及び差圧室連通方法

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Publication number: JP7019141B2
Application number: JP2017099927A
Authority: JP
Inventors: 浩士今尾
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: JP2018195507A

Description

本発明は、複数の差圧室を順番に配置し、この順番に従って差圧室の圧力が低くなるように複数の差圧室を吸引する場合に、高圧側の差圧室のガスが低圧側の差圧室に流入することを防止する技術に関する。

複数の差圧室を順番に配置し、この順番に従って差圧室の圧力を低くする場合がある。例えば、非特許文献１では、複数の差圧室を、重元素イオンビーム（ウラン、Ｘｅなどの元素のイオンビーム）の通過経路上に配列している。これらの差圧室は、重元素イオンビームの通過経路上に位置する連通路を介して互いに連通しており、真空ポンプにより配列順に従って圧力が低くされている。最も高圧側の差圧室には、重元素イオンビームを荷電変換するためのヘリウムガスが供給される。このように、ヘリウムガスを最も高圧側の差圧室に供給することにより、最も高圧側の差圧室のヘリウムガスの密度を、重元素イオンビームを荷電変換できる高さに維持しつつ、最も低圧側の差圧室の真空度を高く維持している。

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１０ｔｈＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ（Ａｕｇｕｓｔ３－５，２０１３，Ｎａｇｏｙａ，Ｊａｐａｎ）

非特許文献１において、複数の差圧室は互いに連通しているので、最も高圧側の差圧室のヘリウムガスは、低圧側の差圧室へ順に流入する可能性がある。ヘリウムガスが低圧側の差圧室からさらに別の箇所（例えば荷電変換された重元素イオンビームが通過するサイクロトロン）へ流入するのを防止するために、あるいは、ヘリウムガスの消費量を抑えるために、ヘリウムガスが低圧側の差圧室へ流入するのを抑えることが望まれる。また、この場合、低圧側の差圧室と高圧側の差圧室との真空封止性能を高めることが望まれる。

また、非特許文献１の場合に限らず、複数の差圧室を順番に配置し、この順番に従って差圧室の圧力が低くなるように複数の差圧室を吸引する場合に、高圧側の差圧室のガスが低圧側の差圧室へ流入することを抑え、低圧側の差圧室と高圧側の差圧室との真空封止性能を高めることが望まれる。

一例では、加速器において真空の内部空間で陽子を加速して陽子ビームを出力し、この陽子ビームを中性子発生ターゲットに照射することにより、中性子発生ターゲットから中性子を発生させる場合に、中性子発生ターゲットへの陽子ビームの通過経路を次のように形成することが考えられる。陽子ビームの通路を、加速器の内部空間から中性子発生ターゲットを収容したターゲット容器の内部空間まで連続して互いに連通する複数の差圧室で形成する。この場合、加速器の内部空間はターゲット容器の内部空間よりも低圧であるので、ターゲット容器の内部空間のガスが、陽子ビームの通路を通って加速器の内部空間へ流入することを複数の差圧室において抑え、低圧側の差圧室と高圧側の差圧室との真空封止性能を高めることが望まれる。なお、加速器の内部空間へのガスの流入を抑えることで、加速器内でのガスとの散乱によるビーム損失を防ぐことができる。

そこで、本発明の目的は、複数の差圧室を順番に配置し、この順番に従って差圧室の圧力が低くなるように複数の差圧室を吸引する場合に、高圧側の差圧室のガスが低圧側の差圧室へ流入することを抑え、低圧側の差圧室と高圧側の差圧室との真空封止性能を高められる装置と方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の差圧室連通装置は、互いに連通するように順番に配置される複数の差圧室をそれぞれ形成する複数の差圧室形成体と、
前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引する吸引装置と、
前記順番において隣接する２つの前記差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を形成する通路形成体と、
前記連通路をガスジェットが横断するように前記連通路に前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断するガスジェット装置と、を備える。

また、上述の目的を達成するため、本発明の差圧室連通方法では、
（Ａ）複数の差圧室を互いに連通するように順番に配置し、
（Ｂ）前記順番において隣接する２つの差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を通路形成体により形成し、
（Ｃ）前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引し、
（Ｄ）前記（Ｃ）の時に、前記連通路をガスジェットが横断するように前記連通路に前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断する。

本発明では、ガスジェットが、連通路を横断するように連通路に供給され、連通路を、低圧側の領域と高圧側の領域とに分断する。これにより、高圧側の差圧室のガスが低圧側の差圧室へ流入することを防止できる。

また、ガスジェットの周囲で静圧の低下が起こる。これにより、ジェット供給用の連通路が接続される２つの差圧室のうち低圧側の差圧室の圧力の上昇を防止できる。これについて、差圧室の配置の順番において最初と最後の差圧室の圧力差を十分に大きくする場合に、ガスジェットにより、非常に高い真空封止性能が得られる。

本発明がなされた過程を示す着想の手順を示す。本発明の実施形態による差圧室連通装置の構成例を示す。差圧室連通装置を荷電変換装置に適用した場合の構成例を示す。図３において重元素イオンビームを示した図である。図３の構成において得られた真空封止性能とガス流入防止性能を示す実験データである。差圧室連通装置を加速器駆動未臨界炉装置に適用した場合の構成例を示す。図６における部分拡大図であり、差圧室連通装置を示す。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（着想の過程）
図１は、後述の差圧室連通装置１０がなされた過程を示す着想の手順を示す。図１（Ａ）は、低圧側領域と高圧側領域とが互いに連通している状態を示す。低圧側領域と高圧側領域には共通のガスＧ１（例えばヘリウム）が存在する。図１（Ａ）において、高圧側領域のガスＧ１が低圧側領域に流入するのを抑えるために、図１（Ｂ）のように、低圧側領域と高圧側領域との間に、中間領域を設け、この中間領域に、高圧側領域のガスＧ１に代わる置換ガスＧ２を導入することを本願の発明者は考えた（ガスＧ２は例えば窒素ガス）。さらに、図１（Ｃ）のように、中間領域を短くして低圧側領域と高圧側領域を互いに近づけることにより、構造全体をコンパクトにすることを本願の発明者は考えた。さらに、図１（Ｄ）のように、中間領域をガスＧ２のジェットに置き換えることを本願の発明者は考えた。このような過程に基づいて、後述の差圧室連通装置１０はなされた。

（差圧室連通装置）
図２（Ａ）は、本発明の実施形態による差圧室連通装置１０の構成例を示す。図２（Ｂ）は図２（Ａ）の部分拡大図であり、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）のＣ－Ｃ断面図であり、図２（Ｄ）は図２（Ｂ）のＤ－Ｄ断面図であり、図２（Ｅ）は図２（Ｂ）のＥ－Ｅ断面図である。差圧室連通装置１０は、差圧室形成体１Ａ～１Ｄと吸引装置Ｖと通路形成体３とガスジェット装置５とを備える。

複数の差圧室形成体１Ａ～１Ｄは、それぞれ、互いに連通路３ａ，１９を介して連通するように順番に直列に配置される複数の差圧室１ａ～１ｄを形成する。図１では、差圧室形成体の数（すなわち差圧室の数）は、図２（Ａ）の例では４つであるが、これに限定されず、２つ又は３つであってもよいし、５つ以上（例えば５以上であって１０以下の数）であってもよい。

本願において、「差圧室」とは、この差圧室に連通する隣りの差圧室と圧力が異なる領域を意味する。また、本願において、連通路とは、この連通路により連通される２つの差圧室の各々の断面積よりも小さい断面積を有する連通路を意味する。ここで、連通路の断面積と、差圧室の断面積は、当該連通路による差圧室同士の連通方向（例えば後述の連通方向Ｄ２）と直交する平面による断面の面積を意味する。差圧室の断面積は、例えば、この連通路と接続している２つの差圧室の断面積（２つの差圧室の断面積が同じでない場合には、小さい方の断面積）の１／２以下、１／３以下、１／５以下、または１／１０以下であってよいが、これらの例に限定されない。各差圧室は、外部（例えば大気）に対して密閉されていてよい。

吸引装置Ｖは、差圧室の配置の順番（差圧室１ａ～１ｄの順番）に従って複数の差圧室１ａ～１ｄの圧力が低くなるように複数の差圧室１ａ～１ｄの一部又は全部を吸引する。吸引装置Ｖは、上述の順番における最初と最後の差圧室１ａ，１ｄの圧力差が、十分に大きくなるように、複数の差圧室１ａ～１ｄの一部又は全部を吸引する。本実施形態では、上述の順番における最初と最後の差圧室１ａ，１ｄの圧力をそれぞれＰ１，Ｐ２とした場合に、吸引装置Ｖは、Ｐ１／Ｐ２が１０^７以上又は１０^８以上又は１０^９以上の値になるように、複数の差圧室１ａ～１ｄを吸引する。図２（Ａ）の例では、差圧室１ｄの圧力が最も低い。また、図２（Ａ）の例では、吸引装置Ｖは、複数の差圧室１ａ～１ｄにそれぞれ接続され差圧室１ａ～１ｄをそれぞれ吸引する複数の真空ポンプ６ａ～６ｄを備える。ただし、吸引装置Ｖは、複数の差圧室のうちの一部（例えば２つ以上）の差圧室を吸引してもよい。例えば、吸引装置Ｖは、上記順番において最初の差圧室を吸引せずに（図２（Ａ）では真空ポンプ６ａを省略して）、最初の差圧室を除く各差圧室（図２（Ａ）では差圧室１ｂ～１ｄ）を吸引してもよい。

通路形成体３は、差圧室の配置の順番において隣接する２つの差圧室（図１（Ａ）の例では差圧室１ｂ，１ｃ）を互いに連通するジェット供給用の連通路３ａを形成する。通路形成体３は、図２（Ａ）において破線で囲んだ部分の構造部である。

ガスジェット装置５は、図２（Ｂ）に示すように、ガスジェットＪが連通路３ａを横断して通過するように、連通路３ａの横断方向Ｄ１にガスジェットＪを連通路３ａに供給する。ガスジェット装置５は、連通路３ａの断面の全体にわたってガスジェットＪが流れるようにガスジェットＪを連通路３ａに供給する。これにより、ガスジェットＪで、連通路３ａを２つに完全に分断できる。ここで、連通路３ａの断面とは、差圧室１ｂから差圧室１ｃへ連通路３ａが延びている方向（以下で連通方向Ｄ２という）に直交する平面による連通路３ａの断面を意味する。ガスジェットＪは、窒素ガスであってよいが、これに限定されず、例えばアルゴンガス、ヘリウムガス又は空気であってもよい。アルゴンガスは重いので、ガスジェットＪの通過領域を当該ガスに置き換えやすく、その拡散性を下げることができる。空気の場合、大気をコンプレッサで圧縮することにより簡単にガスジェットＪを形成できる。

ガスジェット装置５は、ジェット供給口３ｂから、例えば音速以上の速度でガスジェットＪを連通路３ａへ供給する。ここで、音速の定義はガスの種類（質量）に依るが、窒素ガスを用いた場合、音速以上の速度は、３５０ｍ／秒以上、４００ｍ／秒以上、または４５０ｍ／秒以上であってもよい。ただし、ガスジェットＪにより、高圧側の差圧室１ｂのガスが低圧側の差圧室１ｃへ流入することを防止できれば、ジェット供給口３ｂから連通路３ａへ供給されるガスジェットＪの速度は、音速より小さくてもよい。

連通路３ａには、ジェット供給口３ｂとジェット排出口３ｃが開口している。図２（Ａ）の例では、ジェット供給口３ｂとジェット排出口３ｃは、通路形成体３により形成されている。

ガスジェット装置５によりジェット供給口３ｂから連通路３ａに横断方向Ｄ１に供給されたガスジェットＪは、ジェット排出口３ｃから連通路３ａの外部へ出ていく。そのために、ジェット供給口３ｂとジェット排出口３ｃとは、上記横断方向Ｄ１に互いに対向している。横断方向Ｄ１と連通方向Ｄ２の両方に交差（例えば直交）する方向を連通路３ａの幅方向Ｄ３として、図２（Ｃ）～（Ｅ）に示すように、ジェット供給口３ｂとジェット排出口３ｃは、連通路３ａにおける幅方向Ｄ３の一端から連通路３ａにおける幅方向Ｄ３の他端まで延びている。これにより、ガスジェットＪで、連通路３ａを２つに完全に分断し続けつつ、ガスジェットＪを連通路３ａから排出し続けることが可能になる。

図２（Ｅ）において、ジェット供給口３ｂを、ジェット排出口３ｃに横断方向Ｄ１に投影した部分（すなわち破線で囲んだ部分）として示している。なお、図２の例では、ジェット供給口３ｂは、幅方向Ｄ３に細長く延びている。すなわち、連通方向Ｄ２におけるジェット供給口３ｂの寸法は、幅方向Ｄ３におけるジェット供給口３ｂの寸法よりも大きくなっている。また、横断方向Ｄ１から見た場合に、ジェット供給口３ｂは図２（Ｅ）では略矩形であるが、他の形状であってもよい。
ジェット供給口３ｂの面積で、ジェット供給口３ｂから噴出されるガスジェットＪの流量が決まる。ジェット供給口３ｂが大きすぎると、ガスジェットＪが減速され、ジェット排出口３ｃに排出できなくなる。すなわち、ジェット供給口３ｂの面積は、高圧側と低圧側の差圧室１ｂ，１ｃの圧力やジェット排出口３ｃの排気性能などで決まるパラメータである。

さらに、ジェット供給口３ｂから連通路３ａに供給されたガスジェットＪの全て又はほぼ全てが、連通路３ａの内面に衝突することなく、ジェット排出口３ｃに流入するように、ジェット排出口３ｃの位置と大きさが設定されている。例えば、図２（Ｅ）に示すように、連通方向Ｄ２におけるジェット排出口３ｃの寸法は、幅方向Ｄ３の全体にわたって、連通方向Ｄ２におけるジェット供給口３ｂの寸法よりも大きくなっている。ま別の観点から述べると、横断方向Ｄ１に見た場合、図２（Ｅ）のように、ジェット排出口３ｃに横断方向Ｄ１に投影したジェット供給口３ｂ（破線で囲んだ部分）は、ジェット排出口３ｃの範囲内に含まれており、この範囲よりも小さい。

ジェット供給口３ｂから噴出されたガスジェットＪは、高圧側の差圧室１ｂの圧力に押されて低圧側の差圧室１ｃ側に曲がる。そのため、横断方向Ｄ１に見た場合、図２（Ｄ）のように、ジェット供給口３ｂの中心Ｃ１は、ジェット供給口３ｂの中心Ｃ２から低圧側の差圧室１ｂ側にずれて位置している。

ガスジェット装置５の一例について、より詳しく説明する。ガスジェット装置５は、図２の例では、ガス供給部５ａとガス供給管５ｂとノズル５ｃを有する。ガス供給部５ａは、ガス供給管５ｂを通してノズル５ｃへ加圧ガスを供給する。ガス供給部５ａは、液体窒素が蓄えられたタンクであってもよいし、高圧ガスが蓄えられたタンクであってもよいし、ガスを加圧してガス供給管５ｂへ送出するコンプレッサであってもよいし、他の構成を有していてもよい。連通路３ａに噴出されるガスジェットＪの流量と速度は、一例では、ガス供給管５ｂに設けた圧力レギュレータを用いて調整される。この場合、ガスジェットの流量を一定値に保つために、ガス供給管５ｂにおいて、圧力レギュレータの下流にマスフローコントローラを取り付けてもよい。

ノズル５ｃは、その先端において上述したジェット供給口３ｂを形成している。ノズル５ｃは、ガス供給部５ａから供給されたガスをガスジェットＪとして連通路３ａに噴出する。ノズル５ｃは、図２（Ｂ）（Ｃ）において破線で囲んだ部分の構造部である。図２（Ｃ）の例では、連通路３ａの断面は円形である。この円形の中心まわりの周方向においては、ジェット供給口３ｂと連通路３ａとの境界は、この円形の半分（図２（Ｃ）で上半分）を区画する半円の一端から他端まで円弧状に延びている。ジェット排出口３ｃと連通路３ａとの境界は、この円形の残りの半分（図２（Ｃ）で下半分）を区画する半円の一端から他端まで円弧状に延びている。ただし、連通路３ａの断面の形状は、円形に限定されず、矩形や他の形状であってもよい。

ノズル５ｃ内部のガス流路１１は、図２（Ｂ）のように、先端側部分１１ａを有する。先端側部分１１ａは、その断面積が先端側へ移行するにつれて次第に小さくなり、その先端ではジェット供給口３ｂとなっている。図２（Ｂ）の例では、先端側部分１１ａの断面は、連通方向Ｄ２の寸法が、ノズル５ｃの先端に移行するにつれて次第に小さくなっている。図２（Ｂ）（Ｃ）の例では、先端側部分１１ａの断面は、幅方向Ｄ３においても、ノズル５ｃの先端に移行するにつれて次第に小さくなっている。ただし、ノズル５ｃの形状は、これに限定されない。

（差圧室連通装置の効果）
ガスジェット装置５がガスジェットＪを連通路３ａに供給することにより、連通路３ａにおいて、ガスジェットＪのカーテンが形成される。ガスジェットＪのカーテンは、一例では連通路３ａを２つに完全に分断する。ここで、カーテンとは、ガスジェットＪの壁を意味し、差圧室１ｂ側のガスを遮って差圧室１ｂのガスが低圧側の差圧室１ｃへ流入するのを防止する機能を持つ。すなわち、差圧室１ｂのガスは、連通路３ａを通って低圧側の差圧室１ｃ側へ移動する時にガスジェットＪに合流してガスジェットＪと共に連通路３ａから排出されるので、差圧室１ｂのガスが連通路３ａを通って差圧室１ｃに流入することが回避される。なお、低圧側の差圧室１ｃのガスが、連通路３ａを通って高圧側の差圧室１ｂへ移動しようとしたとしても、ガスジェットＪに合流してガスジェットＪと共に連通路３ａから排出される。あるいは、高圧側の差圧室１ｂのガスは、ガスジェットＪと共に連通路３ａから排出されるが、ガスジェットＪのガスの一部は、低圧側の差圧室１ｃに流出して、このガスに差圧室１ｃのガスが置換されてもよい。

また、ガスジェットＪのカーテンにより、高圧側の差圧室１ｂの圧力と低圧側の差圧室１ｃとが分断されるとともに、ガスジェットＪがジェット排出口３ｃから排出されることにより、ガスジェットＪの周囲で静圧の低下が起こる。これにより、低圧側の差圧室１ｃの圧力の上昇を防止できる。その結果、高圧側の差圧室１ｂと低圧側の差圧室１ｃとの圧力差の低下も防止できる。これについて、差圧室１ａ～１ｄの配置の順番における最初と最後の差圧室１ａ，１ｄの圧力差を十分に大きくする場合に、ガスジェットＪにより、非常に高い真空封止性能が得られることを本発明者は発見した。例えば、後述の図５（Ａ）のように、ガスジェットＪを供給しない場合と比べて、ガスジェットＪの上流側の圧力を約１０倍高くすることができる。

（差圧室連通方法）
上述の差圧室連通装置１０を用いた差圧室連通方法では、次の（Ａ）～（Ｄ）が行われる。
（Ａ）複数の差圧室１ａ～１ｄを、互いに連通するように、この順番に配置する。
（Ｂ）複数の差圧室１ａ～１ｄに含まれ上述の順番において隣接する２つの差圧室１ｂ、１ｃを互いに連通するジェット供給用の連通路３ａを通路形成体３により形成する。
（Ｃ）上述の順番に従って複数の差圧室１ａ～１ｄの圧力が低くなるように、かつ、上述の順番における最初と最後の差圧室１ａ，１ｄの圧力差が、十分に大きくなるように、複数の差圧室１ａ～１ｄの一部又は全部を吸引する。
（Ｄ）上記（Ｃ）の時に、連通路３ａをガスジェットＪが横断するように連通路３ａにガスジェットＪを供給して、ガスジェットＪで、低圧側の領域と高圧側の領域とに連通路３ａを分断する。

上記（Ｄ）の時、ガスジェット装置５は、上述したガスジェットＪのカーテンが途切れないように、ガスジェットＪを連通路３ａに供給し続ける。このように連通路３ａに供給されたガスジェットＪは、ジェット排出口３ｃから連通路３ａ以外の他の領域へ流れ続ける。図１の例では、連通路３ａ供給されたガスジェットＪは、ジェット排出口３ｃから排出管１３を通って真空ポンプ等を介し上記他の領域（例えば大気）へ排出され続ける。

＜差圧室連通装置の適用例１＞
図３は、上述した差圧室連通装置１０を荷電変換装置３０に適用した場合の構成例を示す。荷電変換装置３０は、重元素イオンビームに対して荷電変換を行うものである。すなわち、荷電変換装置３０は、重元素イオンビームを構成する各イオンから電子をはぎ取り、このイオンにおいて質量に対する電荷の割合を上げるものである。

重元素イオンビームは、図示しないイオンビーム生成装置から荷電変換装置３０へ入射され、荷電変換装置３０により荷電変換がなされた後、サイクロトロンに入射されることにより加速され、標的物質に入射され、標的物質と物理的な変化を引き起こす。例えば、重元素イオンビームが標的物質を透過する場合、重元素イオンビームの一部のイオンの原子核は、標的物質を透過する過程で、標的物質中の原子核と衝突して核反応で別の核種になる。この核種のビームは、標的物質を透過した後、電磁石などにより選別して取り出され（例えば研究に）利用される。例えば、重元素イオンビームは、ウラン元素またはＸｅ元素のイオンのビームであってよいし、水素の同位体の重陽子のビームであってもよい。なお、荷電変換装置３０は、例えば、上述した核種の研究に利用される装置として製造販売することができるものである。

荷電変換装置３０は、上述した差圧室連通装置１０を備える。図３の例では、２組の差圧室連通装置１０が設けられている。以下において、一方の組の差圧室連通装置１０について説明するが、他方の組の差圧室連通装置１０は、一方の組の差圧室連通装置１０と同じ構成を有する。また、荷電変換装置３０を、他方の組の差圧室連通装置１０を省略した構成とすることも可能である。

差圧室連通装置１０は、複数の差圧室１ａ～１ｆをそれぞれ形成する複数の差圧室形成体１Ａ～１Ｆを備える。これらの差圧室の数は、図３では６つであるが、上述のようにこれに限定されない。

複数の差圧室１ａ～１ｆは、この順番に配置される。各差圧室１ａ～１ｆは、当該順番において隣りの差圧室と連通路１９又は３ａを介して互いに連通している。ここで、差圧室１ｄと差圧室１ｅとを連通する連通路は、ジェット供給用の連通路３ａである。なお、図３の例では、上記順番において最初の差圧室１ａは、２組の差圧室連通装置１０に共有されている。なお、上記順番において最後の差圧室１ｆは、重元素イオンビームの通路に連通しており、さらに例えば上記サイクロトロンの内部に連通している。

荷電変換装置３０は、上記順番において最初の差圧室１ａにヘリウムガスを供給するヘリウム供給装置２１を備える。最初の差圧室１ａ内のヘリウムガスは、重元素イオンビームを構成するイオンの電子を剥ぎとるためのものである。ヘリウム供給装置２１は、ヘリウム供給部２１ａとヘリウム供給管２１ｂを有する。ヘリウム供給部２１ａは、ヘリウム供給管２１ｂを通して最初の差圧室１ａにヘリウムガスを供給する。例えば、ヘリウム供給部２１ａは、ヘリウムガスが蓄えられたタンク（ボンベ）であってもよいし、液体ヘリウムが蓄えられたタンクであってよい。この場合、最初の差圧室１ａに供給されるヘリウムガスの流量と速度は、一例では、ヘリウム供給管２１ｂに設けた圧力レギュレータを用いて調整される。この場合、ヘリウムガスの流量を一定値に保つために、ヘリウム供給管２１ｂにおいて、圧力レギュレータの下流にマスフローコントローラを取り付けてもよい。

各差圧室１ａ～１ｆと各連通路３ａ，１９は、重元素イオンビームの通過経路上に位置する。各連通路３ａ，１９は、一直線上に位置しており、重元素イオンビームの通過経路を構成する。一例では、各連通路３ａ，１９は、直径が１２ｍｍの円形断面を有する。荷電変換装置３０における重元素イオンビームの通過経路は、途中に物体（固体）が存在しない連続した直線状の空間である。図４は、図３において、上記通過経路を通過している重元素イオンビームＢを破線で示した図である。図４のように、重元素イオンビームＢが、各連通路３ａ，１９と複数の差圧室１ａ～１ｆを通過するようになっており、重元素イオンビームＢは、最初の差圧室１ａの高密度ヘリウムガスにより荷電変換される。

差圧室連通装置１０の吸引装置Ｖは、複数の差圧室１ａ～１ｆの一部又は全部を吸引して複数の差圧室１ａ～１ｆを真空状態にする。吸引装置Ｖは、複数の差圧室１ａ～１ｆを圧力が互いに異なるようにそれぞれ吸引する。すなわち、複数の差圧室１ａ～１ｆの圧力が上記順番に従って低くなっていくように、吸引装置Ｖは、複数の差圧室１ａ～１ｆを吸引する。これにより、最初の差圧室１ａのヘリウムガスの密度を、真空状態で高めることができる。一例では、上記順番において最初の差圧室１ａの圧力は７ｋＰａであり、上記順番において最後の差圧室１ｆの圧力は１０^－５Ｐａのオーダー以上であって１０^－４Ｐａのオーダー以下の範囲内の値である。図３の例では、吸引装置Ｖは、最初の差圧室１ａを除く各差圧室１ｂ～１ｆをそれぞれ吸引する。すなわち、吸引装置Ｖは、差圧室１ｂ～１ｆを吸引する循環用真空ポンプ３１ｃ，３１ｄ、後述の回収用真空ポンプ３３、および真空ポンプ７，８を備える。

差圧室連通装置１０は、ヘリウム循環装置３１を備えてよい。ヘリウム循環装置３１は、ジェット供給用の連通路３ａと上記順番において最初の差圧室１ａとの間に位置する差圧室（図３では差圧室１ｂ，１ｃ）からヘリウムガスを吸引して、最初の差圧室１ａへ戻す装置である。図３の例では、ヘリウム循環装置３１は、上記順番において、差圧室１ｂ，１ｃに対して、以下の構成を有する。ヘリウム循環装置３１は、差圧室１ｂに接続された第１配管３１ａと、差圧室１ｃに接続され第１配管３１ａに合流する第２配管３１ｂとを有する。第１配管３１ａは、差圧室１ｂから最初の差圧室１ａまで延びている。ヘリウム循環装置３１は、第１配管３１ａの途中（図３では第２配管３１ｂが合流する箇所の下流側）に設けられた複数の循環用真空ポンプ３１ｃ（一例ではメカニカルブースタポンプ）と、第２配管３１ｂの途中に設けられた循環用真空ポンプ３１ｄ（一例ではメカニカルブースタポンプ）とを有する。なお、図３において、他方の組の差圧室連通装置１０の第１配管３１ａは、差圧室１ｂから延びて一方の組の差圧室連通装置１０の第１配管３１ａに合流している。

このようなヘリウム循環装置３１では、複数の循環用真空ポンプ３１ｃが、差圧室１ｂ内のヘリウムガスを吸引して第１配管３１ａを通して最初の差圧室１ａへ流す。また、複数の循環用真空ポンプ３１ｃ，３１ｄが、差圧室１ｃ内のヘリウムガスを吸引して第１配管３１ａのヘリウムガスに合流させる。これにより、最初の差圧室１ａとジェット供給用の連通路３ａとの間に位置する差圧室１ｂ，１ｃのヘリウムガスは最初の差圧室１ａへ戻される。なお、図示を省略するが、第１配管３１ａにおいて、熱交換器や、不純物を除去するフォアライントラップ（ｆｏｒｅｌｉｎｅｔｒａｐ）などが設けられてよい。

なお、図３の例では、荷電変換装置３０において、回収用真空ポンプ３３と回収管３５が設けられている。回収用真空ポンプ３３は、差圧室１ｄ内のヘリウムガスを吸引し、吸引したヘリウムガスを回収管３５を通して所定の箇所へ流す。これによりヘリウムガスを回収できる。また、真空ポンプ７，８は、それぞれ差圧室１ｅ，１ｆを吸引する。

（荷電変換装置における差圧室連通方法）
上述した荷電変換装置３０における差圧室連通方法では、次の（１）～（４）が並行して行われる。
（１）吸引装置Ｖが作動することにより、複数の差圧室１ａ～１ｆの圧力が上記順番に従って低くなっていくように、複数の差圧室１ａ～１ｆが真空状態にされる。
（２）ヘリウム供給部２１ａは、ヘリウムガスを最初の差圧室１ａに供給する。
（３）複数の差圧室１ａ～１ｆと各連通路３ａ，１９を重元素イオンビームが通過する。この時、最初の差圧室１ａ内のヘリウムガスは、イオンビームのイオンから電子を剥ぎとる。
（４）連通路３ａをガスジェットＪが横断するように連通路３ａにガスジェットＪをガスジェット装置５が供給し続ける。

上記（３）において、一例では、最初の差圧室１ａに、７ｋＰａの圧力で、０．７ｍｇ／ｃｍ^２の厚さのヘリウムガスが蓄積された状態になる。このような密度のヘリウムガスは、重元素イオンビームが最初の差圧室１ａを通過する時に重元素イオンビームのイオンから電子を剥ぎとる。

また、上記（１）～（４）が並行して行われている時に、次の（５）が行われてもよい。
（５）ヘリウム循環装置３１は、最初の差圧室１ａと連通路３ａとの間に位置する差圧室（図３では、差圧室１ｂ，１ｃ）のヘリウムガスを最初の差圧室１５ａへ戻す。これにより、ヘリウムガスが循環する。
上記（１）（４）（５）は、図３の例では２組の差圧室連通装置１０により同時に行われる。

（荷電変換装置における差圧室連通装置の効果）
本実施形態の荷電変換装置３０では、差圧室連通装置１０により、上述のように、高圧側差圧室９ａのヘリウムガスが連通路３ａを通って高圧側の差圧室１ｄから低圧側の差圧室１ｅに流入することが回避されるとともに、高圧側の差圧室１ｄと低圧側の差圧室１ｅとの圧力差の低下も防止できる。その結果、ヘリウムガスの消費量を抑えることができ、排気するのが困難なヘリウムガスが、荷電変換後の重元素イオンビームが入射する上記サイクロトロンの内部に流入することが防止される。

図５（Ａ）は、図３の構成において得られた真空封止性能を示す実験データである。図５（Ａ）において、横軸は、連通路３ａにおいてガスジェットＪよりも下流側（差圧室１ｅ）の圧力を示し、縦軸は、連通路３ａにおいてガスジェットＪよりも上流側の圧力を示す。図５（Ａ）において、黒塗りの各丸印は、連通路３ａにガスジェットＪを供給しなかった場合のデータを示し、白抜きの各丸印、黒塗りの各三角印、白抜きの各三角印、および白抜きの三角印は、それぞれ、ガスジェットＪとして窒素ガスを連通路３ａに、４Ｌ／ｍｉｎ、６Ｌ／ｍｉｎ、８Ｌ／ｍｉｎ、および１０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した場合のデータを示す。

図５（Ａ）から分かるように、ガスジェットＪを供給することにより、ガスジェットＪの供給箇所よりも上流の圧力を、ガスジェットＪを供給しない場合と比べて約１０倍高くすることができる。この効果は、ガスジェットＪを供給しない場合と比べて１０倍の数の真空ポンプ７，８，３１ｃ，３１ｄ，３３（例えば真空ポンプの価格は１台につき数百万円である）を設置することと同等の効果である。すなわち、本実施形態の差圧室連通装置１０により、ガスジェットＪの供給箇所の上流側と下流側の高い圧力差を得るための設備コストが、ガスジェットＪを供給しない場合と比べて格段に少なくなる。このように本実施形態の差圧室連通装置１０により非常に高い真空封止性能が得られることが実証された。このことは、隣接する差圧室の間に圧力差を生じさせる差動排気システムの限界が引き上げられたことを示している。
そのため、例えば、連通路３ａ，１９の断面（重元素イオンビームの断面に対応）を大きくしても、低圧側の差圧室１ｅと高圧側の差圧室１ｄとの圧力差を大きく維持できる。したがって、重元素イオンビームの通過効率を増やすことが可能となる。

図５（Ｂ）は、図３の構成において得られたガス流入防止性能を示す実験データである。図５（Ｂ）において、横軸は、連通路３ａに供給したガスジェットＪの流量を示し、縦軸は、ガスジェットＪの供給箇所よりも下流側（差圧室１ｆ）のヘリウムガスの分圧（Ｈｅ分圧）、窒素ガスの分圧（Ｎ_２分圧）、および全圧を示す。図５（Ｂ）において、黒塗りの各丸印、白抜きの各丸印、および黒塗りの各三角印は、Ｈｅ分圧、Ｎ_２分圧、および全圧を示す。
図５（Ｂ）から分かるように、ガスジェットＪにより、ガスジェットＪの供給箇所の上流側から下流側に、排気するのが困難なヘリウムガスが流入することが防止されることが分かる。

＜差圧室連通装置の適用例２＞
図６は、上述した差圧室連通装置１０を加速器駆動未臨界炉（ＡＤＳＲ：ＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＤｒｉｖｅｎＳｕｂｃｒｉｔｉｃａｌＲｅａｃｔｏｒ）装置（以下でＡＤＳＲ装置４０という）に適用した場合の構成例を示す。

ＡＤＳＲ装置４０は、陽子が通過する加速空間４１ａを有し加速空間４１ａ内の陽子を加速して陽子ビームを生成し出力する陽子加速器４１を備える。陽子は、荷電粒子源４３で生成されて加速空間４１ａに供給される。加速空間４１ａでの加速性能を保つために、加速空間４１ａは、後述のジャケット４７内の液体ヘリウムの低温により圧力が下げられている。陽子加速器４１は、例えば、加速空間４１ａとしての超伝導加速空洞４１ａを形成する空洞形成体４５を有する直線加速器である。

超伝導加速空洞４１ａは、複数の空洞が連なったものであってよい。空洞形成体４５は、超伝導材料（例えばニオブ材）で構成されている。空洞形成体４５は、（例えばチタン製の）ジャケット４７内に配置されている。ジャケット４７の内部であって空洞形成体４５の外側に液体ヘリウムが供給されることにより、空洞形成体４５は、冷却されて超伝導状態に維持される。

超伝導加速空洞４１ａには、陽子を加速させるための周波数を持つ高周波電力が高周波発振器４９から供給される。これにより、供給された高周波電力により、超伝導加速空洞４１ａが共振して加速勾配（単位長さ当りの加速エネルギ）が形成される。この加速勾配により、超伝導加速空洞４１ａの内部に供給された陽子は、加速されながら、超伝導加速空洞４１ａを通過する。

ＡＤＳＲ装置４０は、陽子加速器４１からの陽子ビームが供給される加速器駆動未臨界炉（ＡＤＳＲ）５１を備える。ＡＤＳＲ５１は、陽子ビームが照射されることにより中性子を発生する中性子発生ターゲット５３を内部空間５５ａに収容するターゲット容器５５を有する。中性子発生ターゲット５３は、例えば固体または液体金属であってよい。ＡＤＳＲ５１には、ターゲット容器５５の外部に核燃料５７が設けられている。陽子加速器４１からの陽子ビームが、ターゲット容器５５の内部空間５５ａにおける中性子発生ターゲット５３に照射される。これにより、核分裂反応を起こして大量の中性子が中性子発生ターゲット５３から発生する。発生した中性子は、核燃料５７に照射されて、核分裂反応を起こしてエネルギーを発生させる。このエネルギーは例えば発電に利用される。

ＡＤＳＲ装置４０は、加速空間４１ａ（例えば超伝導加速空洞４１ａ）とターゲット容器５５の内部空間５５ａとを連通する陽子ビーム通路を形成するビーム通路形成体５９を備える。この陽子ビーム通路は、加速空間４１ａと内部空間５５ａ以外の外部に対して密閉された空間領域である。また、この陽子ビーム通路は、真空ポンプ４８により超高真空（例えば圧力が１０^－５Ｐａのオーダー以下の真空）にされる。

ＡＤＳＲ５１において、ターゲット容器５５の内部空間５５ａは、加速空間４１ａでの上記超高真空ではありえない。例えば、中性子発生ターゲット５３に陽子ビームを照射している時には、ターゲット容器５５の内部空間５５ａには、ＡＤＳＲ５１の雰囲気ガス供給部６１から雰囲気ガスが導入され続ける。雰囲気ガスは、中性子発生ターゲット５３を冷却するガスであってよい。なお、中性子発生ターゲット５３が液体金属である場合には、雰囲気ガスは、液体金属の液面に圧力を作用させる。これにより、液体金属の蒸発を抑え、または、液体金属の泡を除去する。

ターゲット容器５５の内部空間５５ａと加速空間４１ａとの間の圧力差を確保するために陽子ビームの通過経路に仕切り部材を配置すると、仕切り部材は、大強度陽子ビームの通過時の熱負荷や放射線損傷により破損する。そのため、本実施形態では、陽子ビーム通路を、加速空間４１ａからターゲット容器５５の内部空間５５ａに至るまで物体が存在しない連続的な空間領域にするために、加速器駆動未臨界炉装置４０には差圧室連通装置１０が設けられる。

図７は、図６における部分拡大図であり、ＡＤＳＲ装置４０に設けた差圧室連通装置１０を示す。この差圧室連通装置１０は、複数の差圧室１ａ～１ｄをそれぞれ形成する複数の差圧室形成体１Ａ～１Ｄを備える。これらの差圧室の数は、図７では４つであるが、上述のようにこれに限定されない。

複数の差圧室１ａ～１ｄは、陽子ビーム通路の一部（ビーム通路形成体５９以外の部分）を形成し、ターゲット容器５５側から順番に配置されている。各差圧室１ａ～１ｄは、連通路１９，３ａを介して、上記順番における隣りの差圧室１ａ～１ｄに連通している。ここで、差圧室１ｂと差圧室１ｃとを連通する連通路は、ジェット供給用の連通路３ａである。また、上記順番において最初の差圧室１ａは、別の連通路６６を介してターゲット容器５５の内部空間５５ａに連通し、上記順番において最後の差圧室１ｄは、別の連通路６７を介してビーム通路形成体５９の内部（陽子ビーム通路の一部）に連通している。各連通路１９，３ａと各差圧室１ａ～１ｄは、陽子ビームの通過経路上に位置する。これらの連通路１９，３ａは、一直線上に位置していてよい。

差圧室連通装置１０の吸引装置Ｖは、複数の差圧室１ａ～１ｄの圧力が上記順番に従って低くなっていくように、複数の差圧室１ａ～１ｄの一部又は全部を吸引する。図７の例では、吸引装置Ｖは、差圧室１ａ，１ｂを吸引する後述の循環用真空ポンプ７５ｃ，７５ｄと、差圧室１ｃ，１ｄをそれぞれ吸引する真空ポンプ７，８を有する。

差圧室連通装置１０は、ガス循環装置７５を備える。ガス循環装置７５は、ジェット供給用の連通路３ａよりも上流側の差圧室（図７では、差圧室１ａ，１ｂ）から雰囲気ガスを吸引してターゲット容器５５の内部空間５５ａへ戻す装置である。図７の例では、ガス循環装置７５は、上記順番において最初の差圧室１ａ，１ｂに対して、以下の構成を有する。ガス循環装置７５は、最初の差圧室１ａに接続された第１配管７５ａと、差圧室１ｂに接続され第１配管７５ａに合流する第２配管７５ｂとを有する。第１配管７５ａは、最初の差圧室１ａからターゲット容器５５の内部空間５５ａまで延びている。ガス循環装置７５は、第１配管７５ａの途中（図７では第２配管７５ｂが合流する箇所の下流側）に設けられた複数の循環用真空ポンプ７５ｃ（一例ではメカニカルブースタポンプ）と、第２配管７５ｂの途中に設けられた循環用真空ポンプ７５ｄ（一例ではメカニカルブースタポンプ）とを有する。これらの循環用真空ポンプ７５ｃ，７５ｄが、差圧室１ａ，１ｂの雰囲気ガスを吸引して、配管７５ａ，７５ｂを通してターゲット容器５５の内部空間５５ａに戻す。なお、図示を省略するが、第１配管７５ａにおいて、第２配管７５ｂとの合流箇所よりも下流側には、雰囲気ガスを冷却する熱交換器や、不純物を除去するフォアライントラップ（ｆｏｒｅｌｉｎｅｔｒａｐ）などが設けられてよい。

（ＡＤＳＲ装置における差圧室連通方法）
上述したＡＤＳＲ装置４０における差圧室連通方法では、次の（１）～（３）が並行して行われる。
（１）吸引装置Ｖが作動することにより、複数の差圧室１ａ～１ｄの圧力が上記順番に従って低くなっていく状態になる。
（２）陽子加速器４１からの陽子ビームが、陽子ビーム通路を通ってターゲット容器５５内の中性子発生ターゲット５３に照射され、これにより発生した中性子が核燃料５７に照射される。
（３）連通路３ａをガスジェットＪが横断するように連通路３ａにガスジェットＪをガスジェット装置５が供給し続ける。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１Ａ～１Ｆ差圧室形成体、１ａ～１ｆ差圧室、３通路形成体、３ａ連通路、３ｂジェット供給口、３ｃジェット排出口、５ガスジェット装置、５ａガス供給部、５ｂガス供給管、５ｃノズル、６ａ～６ｄ真空ポンプ、７，８真空ポンプ、１０差圧室連通装置、１１ノズル内部のガス流路、１１ａ先端側部分１１ａ、１３排出管、１９連通路、２１ヘリウム供給装置、２１ａヘリウム供給部、２１ｂヘリウム供給管、３０荷電変換装置、３１ヘリウム循環装置、３１ａ第１配管、３１ｂ第２配管、３１ｃ循環用真空ポンプ、３１ｄ循環用真空ポンプ、３３回収用真空ポンプ、３５回収管、４０加速器駆動未臨界炉装置（ＡＤＳＲ装置）、４１陽子加速器、４１ａ加速空間（超伝導加速空洞）、４３荷電粒子源、４５空洞形成体、４７ジャケット、４８真空ポンプ、４９高周波発振器、５１加速器駆動未臨界炉（ＡＤＳＲ）、５３中性子発生ターゲット、５５ターゲット容器、５５ａ内部空間、５７核燃料、５９ビーム通路形成体、６１雰囲気ガス供給部、７５ガス循環装置、７５ａ第１配管、７５ｂ第２配管、７５ｃ循環用真空ポンプ、７５ｄ循環用真空ポンプ、Ｄ１横断方向、Ｄ２連通方向、Ｄ３幅方向、ＪガスジェットＶ吸引装置

Claims

互いに連通するように順番に配置される複数の差圧室をそれぞれ形成する複数の差圧室形成体と、
前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引する吸引装置と、
前記順番において隣接する２つの前記差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を形成する通路形成体と、
ガスジェットが前記連通路を横断してジェット排出口から前記連通路の外部へ出ていくように前記連通路に音速以上の速度で前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断するガスジェット装置と、を備える、差圧室連通装置。
前記順番における最初と最後の差圧室の圧力をそれぞれＰ１，Ｐ２とした場合に、前記吸引装置は、Ｐ１／Ｐ２が１０^７以上または１０^８以上の値になるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引する、請求項１に記載の差圧室連通装置。
互いに連通するように順番に配置される複数の差圧室をそれぞれ形成する複数の差圧室形成体と、
前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引する吸引装置と、
前記順番において隣接する２つの前記差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を形成する通路形成体と、
前記連通路をガスジェットが横断するように前記連通路に前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断するガスジェット装置と、を備える差圧室連通装置であって、
前記差圧室連通装置は、重元素イオンビームをヘリウムガスで荷電変換させる荷電変換装置に設けられ、
各前記連通路と前記複数の差圧室は、重元素イオンビームの通過経路上に位置し、
前記荷電変換装置は、前記順番において最初の前記差圧室に前記ヘリウムガスを供給するヘリウム供給装置を備え、前記重元素イオンビームが、各前記連通路と前記複数の差圧室を通過するようになっており、前記重元素イオンビームは前記ヘリウムガスにより荷電変換される、差圧室連通装置。
互いに連通するように順番に配置される複数の差圧室をそれぞれ形成する複数の差圧室形成体と、
前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引する吸引装置と、
前記順番において隣接する２つの前記差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を形成する通路形成体と、
前記連通路をガスジェットが横断するように前記連通路に前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断するガスジェット装置と、を備える差圧室連通装置であって、
前記差圧室連通装置は、加速器駆動未臨界炉装置に設けられ、
前記加速器駆動未臨界炉装置は、陽子が通過する加速空間を有し該加速空間内の陽子を加速して陽子ビームを生成し出力する陽子加速器と、前記陽子加速器からの前記陽子ビームが供給される加速器駆動未臨界炉と、を備え、
加速器駆動未臨界炉は、前記陽子ビームが照射されることにより中性子を発生する中性子発生ターゲットを収容するターゲット容器を有し、該中性子が核燃料に照射されるものであり、
前記加速器駆動未臨界炉装置は、前記加速空間と前記ターゲット容器の内部空間とを連通する陽子ビーム通路を形成するビーム通路形成体を備え、
前記複数の差圧室形成体は、前記陽子ビーム通路の一部を構成し、
前記複数の差圧室は、前記陽子ビーム通路の一部を形成し、前記ターゲット容器側から前記順番に配置され、前記順番において最初の差圧室は、前記ターゲット容器側に位置して前記ターゲット容器の前記内部空間に連通し、前記順番において最後の差圧室は、前記加速空間側に位置して真空状態の前記ビーム通路形成体の内部に連通し、
各前記連通路は、陽子ビームの通過経路上に位置する、差圧室連通装置。
（Ａ）複数の差圧室を互いに連通するように順番に配置し、
（Ｂ）前記順番において隣接する２つの差圧室を互いに連通するジェット供給用の連通路を通路形成体により形成し、
（Ｃ）前記順番に従って前記複数の差圧室の圧力が低くなるように、かつ、前記順番における最初と最後の差圧室の圧力差が十分に大きくなるように、前記複数の差圧室の一部又は全部を吸引し、
（Ｄ）前記（Ｃ）の時に、ガスジェットが前記連通路を横断してジェット排出口から前記連通路の外部へ出ていくように前記連通路に音速以上の速度で前記ガスジェットを供給して、該ガスジェットで、低圧側の領域と高圧側の領域とに前記連通路を分断する、差圧室連通方法。