JP7203234B2

JP7203234B2 - 電磁場制御用部材

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Publication number: JP7203234B2
Application number: JP2021543080A
Authority: JP
Inventors: 篤志横山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: US11950351B2; WO2021040017A1; EP4025016A4; JPWO2021040017A1; CN114342565A; US20220330413A1; EP4025016A1

Description

本開示は、電子、重粒子等の荷電粒子を加速させるための加速器等に用いられる電磁場制御用部材に関する。

従来、電子、重粒子等の荷電粒子を加速させるための加速器に用いられる電磁場制御用部材は、高速性、高磁場出力性および高繰り返し性が求められている。これらの性能の向上に関して、高エネルギー加速器研究機構の満田史織らによって、セラミックチャンバー一体型パルスマグネット(Ceramics Chamber with integrated Pulsed-Magnet, 以下、ＣＣiＰＭという。) が提案されている（非特許文献１）。

ＣＣｉＰＭは、セラミックスからなる円筒状の絶縁部材を備え、この絶縁部材の軸方向に沿って形成され絶縁部材の厚み方向を貫通する貫通孔に基板状の導通部材が埋設されてなるものである。そして、導通部材は絶縁部材の内部と外部とを分ける隔壁の一部として働き、絶縁部材の内部における気密性を確保するものである。

本出願人は、先に、絶縁部材の内部に位置する空間の気密性を長期間に亘って維持するために、筒状のセラミックスからなり、軸方向に沿った複数の貫通孔を有する絶縁部材と、金属からなり、絶縁部材の外周に開口する開口部を有するように、貫通孔を閉塞する導通部材と、導通部材に接続される給電端子と、を備え、給電端子は、貫通孔を形成する前記絶縁部材の内壁から離れており、軸方向に第１端と第２端とを有し、第１端および第２端の少なくとも一方は、給電端子の中央部分よりも内壁から離れている、電磁場制御用部材を提案している（特許文献１）。特許文献１には、絶縁部材の内周から外周に向かって、内壁間の幅が漸増していることが記載されている。

国際公開第２０１８/１７４２９８号

満田史織他１２名、「KEK-PFリングビーム輸送路ダンプラインにおけるセラミックスチェンバー一体型パルスマグネットビーム性能試験」

本開示の電磁場制御用部材は、筒状のセラミックスからなり、軸方向に沿って延びる複数の貫通孔を有する絶縁部材と；金属からなり、絶縁部材の外周に開口する開口部を有するように貫通孔を閉塞する導通部材と；該導通部材に接続される給電端子と；を備え、貫通孔の内壁面は、筒状の絶縁部材の内周から外周に向かって互いに対向する内壁間の幅が漸増する傾斜面と、絶縁部材の内周側に位置し互いに対向する内壁間の幅が一定である垂直面とを備える。

本開示の一実施形態に係る電磁場制御用部材を示す正面図である。図１ＡにおけるＡ-Ａ´線断面図である。図１ＡにおけるＢ-Ｂ´線断面図である。図１ＢにおけるＣ-Ｃ´線断面図である。図２ＡのＴ部の拡大図である。図１ＢにおけるＱ部の拡大図である。図２におけるＳ部の拡大図である。図４におけるブレードおよびブレード連結部材を示す分解斜視図である。図１に示すフランジの正面図である。

以下、本開示の一実施形態に係る電磁場制御用部材を、図面を参照して説明する。本例では、電磁場制御用部材の一実施形態として、ＣＣｉＰＭ（セラミックチャンバー一体型パルスマグネット)の一例について説明している。

図１Ａは、ＣＣｉＰＭである、本開示の一実施形態に係る電磁場制御用部材１００を示している。図１に示す電磁場制御用部材１００は、絶縁部材１と、この絶縁部材１の両端にそれぞれ取り付けられたフランジ２、２とを備える。

フランジ２、２は、絶縁部材１の内周に囲まれた空間１４を真空にするための真空ポンプ（図示しない）に接続する部材である。図６に示すように、フランジ２は、環状基部２ａと、環状基部２ａの外周面から径方向に伸びる、複数の延出部２ｂと、を備える。延出部２ｂは、環状基部２ａの外周面にアーク溶接法の1種であるＴＩＧ溶接によって接合され、図６に示す例では、円周方向に沿って等間隔に４個設けられている。延出部２ｂは、厚み方向に沿って雌ねじ部を有する挿入孔２ｃを有し、雄ねじ部を有するシャフト３が挿入孔２ｃに挿入され、延出部２ｂの厚み方向両側からナット（図示しない）で締結されることによって、絶縁部材１の両端にそれぞれ取り付けられたフランジ２、２は互いに連結されている。
環状基部２ａは円周方向に沿って等間隔に真空ポンプ側のフランジ（図示しない）と接続するための取付孔２ｄを備えており、ボルト等の締結部材がこの取付孔２ｄに挿入されて、互いのフランジが締結される。

フランジ２、シャフト３およびナットは、オーステナイト系ステンレス鋼からなるとよい。オーステナイト系ステンレス鋼は非磁性であるため、電磁場制御用部材１００に対して、フランジ２によって生じる磁気による影響を低減させることができる。特に、フランジ２は、ＳＵＳ３０４ＬまたはＳＵＳ３０４Ｌからなるとよい。ＳＵＳ３０４ＬやＳＵＳ３０４Ｌは、粒界腐食が発生しにくいステンレス鋼である。このため、環状基部２ａの外周面に延出部２ｂをＴＩＧ溶接して、環状基部２ａおよび延出部２ｂが高温になっても粒界腐食が発生しにくく、環状基部２ａの気密性が損なわれにくくなる。環状基部２ａの外周面に対する延出部２ｂのＴＩＧ溶接は、厚み方向に沿って、断続溶接、連続溶接のいずれであってもよい。

図１（ａ）に示す左側のフランジ２の内周面と、絶縁部材１の左側の端面とは、スリーブ２１ａによって結合されている。同様に、右側のフランジ２の内周面と、絶縁部材１の右側の端面とは、スリーブ２１ｂによって結合されている。
スリーブ２１ａ、２１ｂは、フェルニコ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金またはＦｅ－Ｃｏ－Ｃｒ合金からなり、絶縁部材１の中心軸を含む断面がＬ型形状を示す環状体である。
スリーブ２１ａ、２１ｂのフランジ２に対向する外周面は、ニッケルを主成分とする金属層（図示しない）を備えている。絶縁部材１の両端面は、モリブデンを主成分とし、マンガンを含むメタライズ層（図示しない）を備えている。
スリーブ２１ａ、２１ｂは、絶縁部材１のメタライズ層を備えた端面と、フランジ２の内周面とをそれぞれろう材によって接合することにより、絶縁部材１とフランジ２とを結合している。

図１ＡにおけるＡ-Ａ´線断面図である図１ＢおよびＢ-Ｂ´線断面図である図１Ｃに示すように、絶縁部材１は、筒状のセラミックスからなる。絶縁部材１は、軸方向に沿って延びる複数の貫通孔４を有する。ここで、軸方向とは、筒状のセラミックスからなる絶縁部材１の中心軸に沿った方向のことである。

絶縁部材１は、両端部にそれぞれ第１の給電端子５および第２の給電端子６が複数設けられる。第１の給電端子５は給電用の端子であり、図１Ｂに示すように、それぞれライン８を介して外部機器に接続される。また、隣接する２つの第２の給電端子６同士はライン７で電気的に接続されている。

図１ＢのＣ－Ｃ´線断面図である図２Ａおよび図１ＢにおけるＱ部を拡大した図３にそれぞれ示すように、貫通孔４には導通部材９が配置されている。導通部材９は銅、例えば、無酸素銅（例えば、ＪＩＳＨ３１００：２０１２に定める合金番号がＣ１０２０あるいはＪＩＳＨ３５１０：２０１２に定める合金番号がＣ１０１１等）等の金属からなり、貫通孔４と共に軸方向に延びている。導通部材９は、図３に示されるように、貫通孔４を閉塞して、絶縁部材１の外周に開口する開口部１０を形成している。導通部材９が貫通孔４を閉塞していることにより、絶縁部材１の内周に囲まれた空間１１の気密性が確保される。
ここで、導通部材９の軸方向の両端面は、平面視して、軸方向に向かって伸びる曲面状であるとよい。導通部材９の軸方向の両端面がこのような形状であると、加熱および冷却を繰り返しても導通部材９の軸方向の両端面付近に残留する熱応力を低減することができる。

導通部材９は、空間１１内を移動する電子、重粒子等を加速あるいは偏向させるために励起される誘導電流を流すための導電域を確保するものである。導通部材９は、絶縁部材１の内周側が平面状であってもよいが、図３に示すように、絶縁部材１の内周に沿って湾曲していることが好適である。

第１の給電端子５および第２の給電端子６は、軸方向に沿って配置された導通部材９の両端付近において導通部材９に外部機器から電力を供給するために、それぞれ絶縁部材１の貫通孔４内の導通部材９に接続されている。

また、図２、図３に示すように、貫通孔４を挟んで互いに対向する絶縁部材１の内壁にはメタライズ層１２が形成されている。メタライズ層１２は、軸方向に沿って貫通孔４を形成する一方の端面から他方の端面にかけて形成されている。
メタライズ層１２は、例えば、モリブデンを主成分とし、マンガンを含むものが挙げられる。また、メタライズ層１２の表面には、ニッケルを主成分とする金属層を備えていてもよい。なお、メタライズ層１２に代えて、メッキ層を形成してもよい。
メタライズ層１２の厚みは、例えば、１５μｍ以上４５μｍ以下である。金属層の厚みは、例えば、０．１μｍ以上２μｍ以下である。
導通部材９は、メタライズ層１２や金属層を介して、銀ろう（例えば、ＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ）等のろう材によって絶縁部材１に接合される。

メタライズ層１２が形成された貫通孔４の内壁面は、図３に示すように、絶縁部材１の内周から外周に向かって、互いに対向する内壁間の幅（間隔）が漸増する傾斜面１３Ａと、絶縁部材１の内周側に位置し、互いに対向する内壁間の幅が一定である垂直面１３Ｂとを備える。傾斜面１３Ａと垂直面１３Ｂは、貫通孔４の全長にわたって設けられるのがよい。

このように、貫通孔４の内壁面が傾斜面１３Ａを有するので、加熱および冷却を繰り返しても絶縁部材１に残留する応力が上昇し過ぎることなく、長期間に亘って絶縁部材１１におけるクラックを抑制することができる。そして、傾斜面１３Ａにおける、対向する内壁のなす角度θ_１（図３を参照）は、１２°以上２０°以下であってもよい。角度θ_１がこの範囲であるときには、絶縁部材１の機械的強度を維持することができるとともに、絶縁部材１へのクラックをさらに抑制することができる。なお、対向する内壁のなす角度θ_１の測定にあたっては、軸方向に直交する断面において測定すればよい。

一方、絶縁部材１の内周側に垂直面１３Ｂが形成されているので、傾斜面１３Ａの角度のばらつきによって導通部材９の側面と内壁面上に形成したメタライズ層１２との間で隙間が生じるのを防止することができ、導通部材９と絶縁部材１間の気密性が高くなり、電磁場制御用部材１００全体の気密性が向上する。
電磁場制御用部材１００の気密度は、ヘリウムリークディテクターによる測定で、例えば、１．３×１０^－１１Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下である。

貫通孔４を形成する両端面の少なくともいずれかは、図４に示す断面視で、軸方向の両端に向かって広がる第２傾斜面２２Ｂと、中心軸に直交する第２垂直面２２Ａとを備えていてもよい。第２垂直面２２Ｂに対する第２傾斜面２２Ａの角度θ_２は、例えば、４°以上１２°以下である。

図３に示すように、互いに対向する傾斜面１３Ａ間の容積は、互いに対向する垂直面１３Ｂ間の容積よりも大きいとよい。傾斜面１３Ａ間の容積が大きいと、電磁場制御用部材１００は気密性を維持しつつ、開口部１０全体の容積が大きくなるため、加熱および冷却を繰り返しても、絶縁部材１に残留する熱応力をさらに低減することができる。
なお、傾斜面１３Ａ間の容積および垂直面１３Ｂ間の容積は、いずれも、後述する第１の給電端子５および第２の給電端子６を構成するブレード１４，１５およびブレード連結部材１６の各体積ならびにブレード連結部材１６の中央部の穴１６ａに挿入されるねじの下側の空間部の容積を含めないものとする。

傾斜面１３Ａと垂直面１３Ｂとは連続しているのがよい。傾斜面１３Ａと垂直面１３Ｂとが連続しているとは、外観上、傾斜面１３Ａの垂直面１３Ｂ側辺縁部と垂直面１３Ｂの傾斜面１３Ａ側辺縁部が接している状態をいい、両者の境界線上に気孔や微小の欠けが存在していてもよい。
傾斜面１３Ａと垂直面１３Ｂとが連続していると、形成されるメタライズ層１２は、不連続部が生じにくくなり、これらの面から脱離し、不連続部を介して浮遊する粒子の発生のおそれを低減することができる。

第１の給電端子５は、図３に示すように、絶縁部材１の径方向に沿って開口部１０内に挿入され、底部が導通部材９に接触している。言い換えると、第１の給電端子５は、導通部材９上に立設されている。第１の給電端子５は、後端部にライン８が接続され、いずれも銅（例えば、無酸素銅（例えば、ＪＩＳＨ３１００：２０１２に定める合金番号がＣ１０２０あるいはＪＩＳＨ３５１０：２０１２に定める合金番号がＣ１０１１等）等からなる。る。

図３および図４（図２ＡのＳ部拡大図）に示すように、第１の給電端子５は、２枚のブレード１４，１５と、ブレード連結部材１６とを具備している。具体的には、図５に示すように、上面視がＨ形のブレード連結部材１６の両側の間隙１９、１９内に２枚のブレード１４、１５の一部がそれぞれ挿入され、互いのねじ挿通孔１７，１８を連通させ、図示しないボルトで連結される。

第１の給電端子５は、ライン８の先端が、ブレード連結部材１６の中央部の穴１６ａにネジ止めされることによって、第１の給電端子５とライン８とが電気的に接続されている。一方、図３および図４に示すように、導通部材９の貫通孔４側の表面には、溝２０が絶縁部材１の軸方向に沿って所定範囲に形成されている。この溝２０にブレード１４、１５の下端部が嵌入されて、第１の給電端子５を導通部材９上に立設している。

図１、図２に示す第２の給電端子６は、第１の給電端子５と同様であるので、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

軸方向の左右に位置する各溝２０の両端面は、平面視して、軸方向に向かって伸びる曲面状であるとよい。溝２０の両端面がこのような形状であると、加熱および冷却を繰り返しても溝２０の両端面近傍に残留する導通部材９の熱応力を低減することができる。
絶縁部材１の両端部の外周側は、貫通孔４の軸方向の延長線上に平面１ａを備えていてもよい。
この平面１ａは、例えば、Ｄカット面であり、Ｄカット面とは、貫通孔４の軸方向の延長線上で外周面を削除した面である。
この平面１ａを備えると、導通部材９に対する第１の給電端子５および第２の給電端子６の装着作業で絶縁部材１が転がらずに固定することができるので、装着が容易になる。

前記した絶縁部材１は、電気絶縁性および非磁性を有し、例えば、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックス等からなり、特に酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなるのが好ましい。酸化アルミニウムの結晶の平均粒径は、５μｍ以上２０μｍ以下であるのが好ましい。

酸化アルミニウムの結晶の平均粒径が上記範囲内であれば、平均粒径が５μｍ未満である場合に比べて、単位面積当たりの粒界相の面積が減るため、熱伝導性が向上する。一方、平均粒径が２０μｍを超える場合に比べて、単位面積当たりの粒界相の面積が増えるため、粒界相におけるメタライズ層１２のアンカー効果により、メタライズ層１２の密着性が高くなるので、信頼性が向上するとともに、機械的特性が高くなる。

酸化アルミニウムの結晶の粒径を測定するには、まず、絶縁部材１の表面から深さ方向に、平均粒径Ｄ_５０が３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて銅盤にて第１の研磨をする。その後、平均粒径Ｄ_５０が０．５μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫盤にて第２の研磨をする。研磨の深さは、第１の研磨および第２の研磨合わせて、例えば、０．６ｍｍである。これらの研磨によって得られる研磨面を、結晶粒子と粒界層とが識別可能になるまで１４８０℃で熱処理に供し、観察面を得る。熱処理は、例えば３０分程度行う。

熱処理された面を光学顕微鏡で観察し、例えば４００倍の倍率で撮影する。撮影された画像のうち、面積が４．８７４７×１０^２μｍの範囲を計測範囲とする。この計測範囲を、画像解析ソフト（例えば、三谷商事（株）製、ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて解析することによって、個々の結晶の粒径を得ることができ、結晶の平均粒径は、個々の結晶の粒径の相加平均である。

このとき、酸化アルミニウム結晶の粒径の尖度は０以上であるのがよい。これにより、結晶の粒径のばらつきが抑制されるので、局部的に機械的強度が低下するおそれが低減される。特に、酸化アルミニウム結晶の粒径の尖度は０．１以上であるとよい。
尖度とは、一般に、分布が正規分布からどれだけ逸脱しているかを表す統計量で、山の尖り度と裾の広がり度を示している。尖度が０未満のときは尖りが緩やかで裾が短い。０より大きいときは尖りが急で裾が長いことを意味する。正規分布では、尖度は０となる。尖度は、結晶の粒径を用いて、Excel（登録商標、Microsoft Corporation）に備えられている関数Ｋｕｒｔにより求めることができる。尖度を０以上とするには、例えば、原料となる酸化アルミニウム粉末の粒径の尖度が０以上となるようにすればよい。

ここで、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３に換算した酸化アルミニウムの含有量が９０質量％以上であるセラミックスのことである。主成分以外の成分として、例えば、酸化珪素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムのうち少なくとも１つを含むものであってもよい。酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ_２に換算した酸化ジルコニウムの含有量が９０質量％以上であるセラミックスのことである。主成分以外の成分として、例えば、酸化イットリウムを含むものであってもよい。
ここで、セラミックスを構成する成分は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折装置による測定結果から同定することができ、各成分の含有量は、例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置により求めることができる。

絶縁部材１の大きさとしては、例えば、外径が３５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、内径が２５ｍｍ以上３５ｍｍ以下、軸方向の長さが３４０ｍｍ以上４２０ｍｍ以下に設定される。

主成分が酸化アルミニウムであるセラミックスからなる絶縁部材１を得る場合、まず、主成分である酸化アルミニウム粉末と、水酸化マグネシウム、酸化珪素および炭酸カルシウムの各粉末と、必要に応じてアルミナ粉末を分散させる分散剤と、ボールミル、ビーズミルまたは振動ミルで粉砕、混合してスラリーとし、このスラリーにバインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥してアルミナを主成分とする顆粒する。

酸化アルミニウムの結晶の粒径の尖度を０以上とするには、粉末の粒径の尖度が０以上になるように、粉砕、混合する時間を調整する。
ここで、酸化アルミニウム粉末の平均粒径（Ｄ_５０）は１．６μｍ以上２．０μｍ以下であり、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．４３～０．５３質量％、酸化珪素粉末の含有量は０．０３９～０．０４１質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は０．０２０～０．０２２質量％である。

次に、上述した方法によって得た顆粒を成形型に充填して、静水圧プレス成形法（ラバープレス法）等を用いて、例えば、成形圧を９８ＭＰａ以上１４７ＭＰａ以上として、成形体を得る。

成形後に、絶縁部材１の軸方向に沿った複数の貫通孔４となる長尺状の下穴と、絶縁部材１の軸方向に沿って両側の端面を開口する下穴とを切削加工によって形成して、いずれも円筒状の成形体とする。

切削加工によって形成された成形体は必要に応じて、窒素雰囲気中、１０時間～４０時間で昇温し、４５０℃～６５０℃で２時間～１０時間保持した後、自然冷却することによってバインダーが消失して脱脂体となる。
そして、成形体（脱脂体）を大気雰囲気中で、例えば、焼成温度を１５００℃以上１８００℃以下とし、この焼成温度で４時間以上６時間以下保持することによって、酸化アルミニウムを主成分とし、酸化アルミニウムの結晶の平均粒径が、５μｍ以上２０μｍ以下であるセラミックスからなる絶縁部材を得ることができる。

以上、本開示の電磁場制御用部材の一実施形態を説明したが、本開示は当該実施形態のみに限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能であり、例えば必要に応じて、メタライズ層を使用せずに、直接ろう付けしてもよい。

１絶縁部材
２フランジ
３シャフト
４貫通孔
５第１の給電端子
６第２の給電端子
７、８ライン
９導通部材
１０開口部
１１空間
１２メタライズ層
１３Ａ傾斜面
１３Ｂ垂直面
１４、１５ブレード
１６ブレード連結部材
１７，１８ねじ挿通孔
１９間隙
２０溝
２１ａ、２１ｂスリーブ
２２Ａ第２傾斜面
２２Ｂ第２垂直面１００電磁場制御用部材

Claims

筒状のセラミックスからなり、軸方向に沿って延びる複数の貫通孔を有する絶縁部材と、
金属からなり、前記絶縁部材の外周に開口する開口部を有するように、前記貫通孔を閉塞する導通部材と、
該導通部材に接続される給電端子と、を備えてなる電磁場制御用部材であって、
前記貫通孔の内壁面は、筒状の前記絶縁部材の内周から前記外周に向かって、互いに対向する前記内壁間の幅が漸増する傾斜面と、前記絶縁部材の内周側に位置し、互いに対向する前記内壁間の幅が一定である垂直面とを備える、電磁場制御用部材。
互いに対向する前記傾斜面間の容積は、互いに対向する前記垂直面間の容積よりも大きい、請求項１に記載の電磁場制御用部材。
前記傾斜面と前記垂直面とは連続している、請求項１または２に記載の電磁場制御用部材。
前記導通部材は、前記貫通孔内の前記垂直面が位置する部位に配置され、前記貫通孔を閉塞する、請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁場制御用部材。
貫通孔の内壁面にメタライズ層またはメッキ層が形成されており、このメタライズ層またはメッキ層と前記導通部材の側面とが気密状態に固定されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁場制御用部材。
前記導通部材は、厚み方向に前記給電端子を装着する溝を備え、該溝の両端面は平面視して、軸方向に向かって伸びる曲面状である、請求項１乃至５のいずれかに記載の電磁場制御用部材。
前記絶縁部材の両端部の外周側は、前記貫通孔の軸方向の延長線上に平面を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁場制御用部材。
前記絶縁部材は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなり、酸化アルミニウムの結晶の平均粒径は、５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１乃至７のいずれかに記載の電磁場制御用部材。
前記酸化アルミニウムの結晶の粒径の尖度は、０以上である、請求項８に記載の電磁場
制御用部材。