KR102012117B1 - 실드체, 및 초전도 가속기 - Google Patents

실드체, 및 초전도 가속기 Download PDF

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미츠비시 쥬고 기카이 시스템 가부시키가이샤
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Abstract

지자기와 복사열의 실드를 행하는 실드체(4)로서, 자성체에 의하여 형성된 판 형상을 이루는 자기 실드부(11)와, 자기 실드부(11)에 있어서의 내외의 표면(11a) 중 적어도 한쪽에 성막되고, 자성체보다 열전도율이 큰 재료에 의하여 형성된 복사 실드부(15)를 구비한다.

Description

실드체, 및 초전도 가속기
본 발명은 복사열 및 지자기를 실드하는 실드체, 및 이것을 구비하는 초전도 가속기에 관한 것이다.
본원은, 2015년 5월 29일에, 일본에 출원된 특원 2015-110877호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터 초전도 가속 공동을 이용하여 전자나 양자 등의 하전 입자를 가속하는 초전도 가속기가 알려져 있다.
이와 같은 초전도 가속기는 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있다. 초전도 가속기에서는, 초전도 재료로 형성된 초전도 가속 공동을 액체 헬륨 등의 냉매에 의하여 냉각하고, 초전도화함으로써 전기 저항이 대략 제로가 되어, 작은 전력으로 효율적으로 하전 입자의 가속이 행해진다.
그런데, 초전도 가속기에는, 초전도 가속 공동 내의 초전도 특성에 악영향을 미치는 지자기를 차폐하기 위한 자기 실드와, 외부로부터의 복사열이 초전도 가속 공동에 입사되는 것을 억제하기 위한 복사 실드가 초전도 가속 공동을 덮도록 마련되어 있다.
자기 실드는, 통상, 자성체로 구성되어 있으며, 실드 공간 내의 자기를 우회, 흡수함으로써 실드를 행한다. 복사 실드는, 냉매(액체 헬륨, 액체 질소 등)로 냉각되어, 초전도 가속기의 앞에서 복사열을 흡수한다.
일본 공개특허공보 평7-245426호
그런데, 현재, 초전도 가속기의 이용 확대, 제조 비용 및 건설 비용의 관점에서, 진공 용기 나아가서는 가속기의 소형화가 요망되고 있다.
그러나, 진공 용기를 소형화하면 매우 좁은 공간(혹은 한정된 공간)에 자기 실드 및 복사 실드를 설치하지 않으면 안 된다. 이때, 자기 실드에 부하가 걸려 변형이 발생하면, 실드 특성이 변화되는 경우가 있다. 이로 인하여, 자기 실드 및 복사 실드를 설치할 때에는, 취급에 충분한 주의가 필요하고, 간편하게 설치할 수 있는 것이 요망된다.
따라서, 본 발명은 공간 절약화 및 취급의 간편화를 도모하면서, 충분한 실드 특성을 얻을 수 있는 실드체, 및 실드체를 구비한 초전도 가속기를 제공한다.
본 발명의 제1 양태에 관한 실드체는, 자성체에 의하여 형성된 판 형상을 이루는 자기 실드부와, 상기 자기 실드부에 있어서의 내외 표면 중 적어도 한쪽에 성막되고, 상기 자성체보다 열전도율이 큰 재료에 의하여 형성된 복사 실드부를 구비하고 있다.
이와 같은 실드체에 의하여 물체를 덮음으로써, 자기 실드부에 의하여 이 물체에 대한 지자기의 영향의 저감이 가능해진다. 또한, 이 자기 실드부의 표면에 복사 실드부를 마련함으로써, 실드체로 덮인 물체에 대한 외부로부터의 복사열의 입사를 억제할 수 있다.
그리고, 복사 실드부가 자기 실드부에 성막되어 있음으로써, 이 복사 실드부를 매우 얇고, 용이하게 마련할 수 있다. 따라서, 가령 자기 실드부와 복사 실드부를 별체로 마련하는 경우에 비하여, 실드체 전체의 두께 치수를 억제할 수 있어, 취급도 용이해진다.
만일 재료가 다른 자기 실드부와 복사 실드부가 별개로 제조되어 첩합됨으로써, 실드체가 형성되어 있는 경우에는, 실드체가 냉각되면, 열수축량의 차이에 따라, 자기 실드부 및 복사 실드부에 열응력이 발생한다. 이 결과, 실드체가 뒤로 휘는 등의 문제가 발생한다.
한편, 본 발명에서는 복사 실드부가 성막되어 막 형상을 이루기 때문에, 자기 실드부와 복사 실드부에서 열변형량이 달라도, 복사 실드부가 변형되기 쉬워져, 자기 실드부의 변형에 복사 실드부가 용이하게 추종할 수 있다.
또, 자기 실드부의 내외 표면에 동일한 재료의 복사 실드부를 형성하면, 자기 실드의 내외 표면의 열수축의 균형이 잡혀, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 억제하는 효과를 더 높일 수 있다.
또, 복사 실드부를 성막함으로써, 자기 실드부와 복사 실드부를 첩합하는 번거로움을 저감시킬 수 있고, 첩합 시에 필요한 체결구 등이 불필요해져, 실드체의 부품 개수를 저감시킬 수 있다.
또, 복사 실드부를 성막함으로써, 복사 실드부와 자기 실드부의 밀착성이 향상되어, 실드체를 효율적으로 균일하게 냉각할 수 있다.
또한, 복사 실드부를 성막함으로써, 자기 실드부의 내외 표면 상의 임의의 범위에 용이하게 복사 실드부를 마련할 수 있다.
또, 본 발명의 제2 양태에 관한 실드체에서는, 상기 자기 실드부는 상기 복사 실드부보다 두께 치수를 크게 해도 된다.
이와 같이, 자기 실드부가 복사 실드부보다 두꺼워지도록, 즉 복사 실드부를 얇게 형성함으로써, 복사 실드부가 자기 실드부의 열변형에 충분히 추종할 수 있어, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 제3 양태에 관한 실드체에서는, 상기 자기 실드부는, 상기 복사 실드부에 대하여 3배 이상의 두께 치수로 형성해도 된다.
이와 같은 두께 치수로 자기 실드부를 형성함으로써, 즉 충분히 얇게, 복사 실드부를 형성함으로써, 만일 복사 실드부에 알루미늄, 은, 금, 구리를 사용하는 경우에는, 복사 실드부가 자기 실드부의 열변형에 충분히 추종할 수 있어, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 제4 양태에 관한 실드체에서는, 상기 복사 실드부는, 상기 자기 실드부에 있어서의 상기 내외 표면을 따른 일방향으로 간격을 두고 복수로 분리되어 성막되어 있어도 된다.
이와 같이, 복사 실드부를 자기 실드부의 내외 표면에 간격을 두고 형성함으로써, 복사 실드부가 자기 실드의 내외 표면 전체에 형성되어 있는 경우에 비하여, 복사 실드부가 변형되기 쉬워져, 자기 실드부의 열변형에 추종하기 쉬워진다. 따라서, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 더 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 제5 양태에 관한 실드체에서는, 상기 자기 실드부 및 상기 자기 실드에 성막된 상기 복사 실드부는, 상기 내외 표면을 따른 일방향으로 복수의 세트로 분리되어 마련되고, 또한 인접하는 상기 세트끼리는, 지자기의 방향으로부터 보아 일부가 중첩하도록 마련해도 된다.
이와 같이, 자기 실드부와 복사 실드를 복수 세트로 분리하여 마련함으로써, 실드체가 열변형되었을 때에는, 분리된 세트끼리의 중첩량이 변화된다.
즉, 각 세트끼리가 슬라이드하도록 하여 이동함으로써 열변형분을 흡수할 수 있다. 따라서, 실드체가 열변형되었을 때의 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 더 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 제6 양태에 관한 실드체에서는, 상기 복사 실드부는, 복수의 층을 이루도록 상기 내외 표면 중 적어도 한쪽에 성막되고, 또한 상기 내외 표면으로부터 이간됨에 따라, 각각의 상기 층과 상기 자기 실드부의 열변형량의 차를 단계적으로 크게 해도 된다.
이와 같이, 복사 실드부의 층이 자기 실드부의 내외 표면으로부터 이간됨에 따라, 자기 실드부와의 열변형량의 차가 커져 감으로써, 자기 실드부와 가장 자기 실드부로부터 떨어진 복사 실드부의 층과의 열변형량의 차가 커도, 자기 실드부와 가장 자기 실드부에 가까운 복사 실드부의 층(자기 실드부의 내외 표면에 접하는 복사 실드부의 층)과의 열변형량의 차를 작게 할 수 있다.
따라서, 복사 실드부와 자기 실드부에서의 열응력을 억제할 수 있어, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 더 억제할 수 있다.
본 발명의 제7 양태에 관한 초전도 가속기는, 하전 입자 빔을 가속하는 공간을 형성하는 초전도 가속 공동과, 상기 초전도 가속 공동의 외주측에 배치되어 상기 초전도 가속 공동과의 사이에 상기 초전도 가속 공동을 냉각하는 냉매가 충전되는 냉매 공간을 형성하는 냉매조(冷媒槽)와, 상기 냉매조의 외주측에 배치되어, 상기 냉매조 및 상기 초전도 가속 공동을 덮는 상기 제1 내지 제5 중 어느 하나의 양태에 있어서의 실드체를 구비한다.
이와 같은 초전도 가속기에 의하면, 상기의 실드체를 구비하고 있음으로써, 자기 실드부에 의하여 초전도 가속 공동에 대한 지자기의 영향을 저감시킬 수 있다.
또, 복사 실드부에 의하여, 외부로부터의 복사열에 의한 초전도 가속 공동 및 냉매조의 승온을 억제할 수 있어, 초전도 가속 공동이 냉각된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 복사 실드부가 자기 실드부에 성막되어 있음으로써, 이 복사 실드부를 매우 얇고, 용이하게 마련할 수 있어, 실드체 전체의 두께 치수를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 복사 실드부가 막 형상을 이루기 때문에, 자기 실드부와 복사 실드부에서 열변형량이 달라도, 복사 실드부가 자기 실드부의 변형에 용이하게 추종할 수 있다.
또, 자기 실드부의 내외 표면 양쪽 모두에 복사 실드부를 형성하면, 자기 실드의 내외 표면의 열수축의 균형이 잡혀, 실드체의 뒤로 휨 등의 변형을 더 억제할 수 있다.
또한, 복사 실드부를 성막함으로써, 자기 실드부와 복사 실드부를 첩합하는 번거로움을 저감시킬 수 있고, 실드체의 부품 개수를 저감시킬 수 있다.
또, 복사 실드부를 성막함으로써, 복사 실드부와 자기 실드부의 밀착성이 향상되어, 실드체를 효율적으로 균일하게 냉각할 수 있다. 또한, 복사 실드부를 성막함으로써, 자기 실드부의 내외 표면 상의 임의의 범위에 용이하게 복사 실드부를 마련할 수 있다.
본 발명의 실드체에 의하면, 자기 실드부에 복사 실드부를 성막함으로써, 공간 절약화 및 취급의 간편화를 도모하면서, 충분한 실드 특성을 얻는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 초전도 가속기의 개략 전체도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 실드체의 주요부 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 복사 실드부에 대한 자기 실드부의 두께 치수비와, 자기 실드부에 발생하는 열응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 실드체의 전체 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 실드체의 전체 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 실드체의 주요부 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시형태에 있어서의 초전도 가속기에 있어서의 실드체의 주요부 확대도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시형태에 대하여 설명한다.
〔제1 실시형태〕
이하, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 초전도 가속기(1)에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 초전도 가속기(1)는, 하전 입자 빔(B)을 가속하는 초전도 가속 공동(2)과, 초전도 가속 공동(2)을 덮는 냉매조(3)와, 초전도 가속 공동(2) 및 냉매조(3)를 덮는 실드체(4)와, 초전도 가속 공동(2), 냉매조(3), 및 실드체(4)를 수용하는 진공 용기(5)를 구비한다.
초전도 가속 공동(2)은, 축선(O)을 중심으로 한 대략 통 형상을 이룸과 함께, 외면이 확경(擴徑)과 축경(縮徑)을 반복하는 형상을 이루어 축선(O) 방향으로 연장되어 있다. 초전도 가속 공동(2)의 내부에는, 초전도 가속 공동(2)의 외면의 형상에 대응하도록 확경과 축경을 반복하는 공간(S)이 형성되어 있다. 이 공간(S)을 하전 입자 빔(B)이 통과한다.
또한, 이 초전도 가속 공동(2)은 초전도 재료에 의하여 형성되어 있다. 초전도 재료의 일례로서는, 나이오븀을 예시할 수 있다. 초전도 가속 공동(2)에는, 그 외의 초전도 재료를 이용하는 것도 가능하고, 예를 들면 고온 초전도체 등을 이용해도 된다.
초전도 가속 공동(2)에는, 축선(O)의 양단에서, 하전 입자 빔(B)이 상기 공간(S)을 통과 가능하게 하도록, 빔 파이프(6)가 접속되어 있다. 빔 파이프(6)는, 초전도 가속 공동(2)과 마찬가지로 나이오븀 등의 초전도 재료에 의하여 구성되어 있다.
냉매조(3)는, 축선(O)을 중심으로 한 통 형상을 이루고, 초전도 가속 공동(2)의 외주측에 배치되어 초전도 가속 공동(2)의 외면과의 사이에 냉매(RF)가 충전되는 냉매 공간(RS)을 구획하고 있다.
냉매(RF)는, 예를 들면 액체 헬륨 등이며, 초전도 가속 공동(2)을 극저온으로 냉각 가능하게 되어 있다. 냉매조(3)에는, 냉매(RF)를 냉매 공간(RS) 내에 공급 가능하게 하고, 냉매(RF)를 냉매 공간(RS)으로부터 배출 가능하게 하는 개구부(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
또한, 냉매(RF)의 종류는, 액체 헬륨에 한정되지 않고, 초전도 가속 공동(2)의 재료에 따라 적절히 선택 가능하다.
그리고, 냉매조(3)의 내부에서 초전도 가속 공동(2)의 축선(O) 방향의 한쪽(도 1의 지면(紙面)을 향하여 좌측)의 단부(端部)에서, 냉매조(3)의 외부에서 입력 결합기(7)가 장착되어 있다.
전력은, 입력 결합기(7)로부터 초전도 가속 공동(2)에 공급된다. 입력 결합기(7)로부터의 전력에 의하여 초전도 가속 공동(2) 내의 공간(S)에는, 하전 입자 빔(B)을 가속하는 전계가 발생한다.
진공 용기(5)는, 축선(O)을 중심으로 한 통 형상을 이루고 있다. 진공 용기(5)는, 축선(O) 방향의 양단에서 빔 파이프(6)를 축선(O) 방향으로 관통시킴과 함께, 초전도 가속 공동(2) 및 냉매조(3)의 단열을 행하도록, 진공 용기(5)의 내부가 진공 상태로 유지되어 있다.
다음으로, 실드체(4)에 대하여 상세를 설명한다.
실드체(4)는, 축선(O)을 중심으로 한 통 형상을 이루고, 냉매조(3)의 외면과 진공 용기(5)의 내면의 사이에 배치되어 있다. 또, 실드체(4)를 초전도 가속 공동(2)으로부터 연장되는 입력 결합기(7)가 관통하고 있다.
또, 실드체(4)는, 자성체(이른바 강자성체)에 의하여 형성된 판 형상을 이루는 자기 실드부(11)와, 자기 실드부(11)의 내외의 표면(11a)에 성막된 복사 실드부(15)를 구비한다.
자기 실드부(11)는, 예를 들면 퍼멀로이(등록 상표) 등의 재료에 의하여 구성되어 있다. 자기 실드부(11)는, 축선(O)을 중심으로 한 통 형상을 이루는 통 형상부(12)와, 통 형상부(12)에 있어서의 축선(O) 방향의 양단에서 직경 방향 내측으로 돌출되는 플랜지 형상부(13)를 갖는다. 자기 실드부(11)는, 플랜지 형상부(13)에 의하여 냉매조(3)의 일부를 축선(O) 방향으로부터도 둘러싼다.
자기 실드부(11)는, 초전도 가속기(1)의 외부로부터 초전도 가속 공동(2)에 미치는 지자기(M)의 영향을 저감시킨다.
자기 실드부(11)의 두께 치수(d1)는, 예를 들면 1mm 이상 2mm 이하가 바람직하다. 자기 실드부(11)의 두께 치수(d1)를 이와 같은 범위 내로 함으로써, 지자기(M)의 실드 효과를 충분히 얻을 수 있다.
복사 실드부(15)는, 자기 실드부(11)를 구성하는 자성체보다 열전도율이 큰 재료에 의하여 구성되어 있다.
복사 실드부(15)는, 자기 실드부(11)의 통 형상부(12) 및 플랜지 형상부(13)의 전체를 덮도록, 내외의 표면(11a) 상에 스퍼터링 등에 의하여 구리, 금, 은, 알루미늄 등의 금속 재료가 성막됨으로써, 자기 실드부(11)와 일체로 피막으로서 마련되어 있다.
제1 실시형태에서는, 일례로서, 내외의 표면(11a)에 동일한 재료의 복사 실드부(15)를 마련한 경우를 예시했지만, 예를 들면 내외의 표면(11a)끼리 다른 재료의 복사 실드부(15)를 마련해도 된다.
여기에서, 퍼멀로이(등록 상표)의 열전도율이 약 30〔W/(m·K)〕인 것에 비하여, 구리(순동)의 열전도율은 332〔W/(m·K)〕, 금의 열전도율은 254〔W/(m·K)〕, 은(순은)의 열전도율은 360〔W/(m·K)〕, 알루미늄의 열전도율은 175〔W/(m·K)〕이다.
즉, 복사 실드부(15)의 열전도율은, 자기 실드부(11)의 열전도율에 대하여 10배 정도 크다. 상술한 열전도율의 값은, 온도가 20〔〕에서의 값으로 되어 있지만, 제1 실시형태의 초전도 가속기(1)가 운전되는 -269~-196℃ 정도의 조건에 있어서도 마찬가지로, 상기의 복사 실드부(15)의 열전도율이 자기 실드부(11)의 열전도율보다 크다.
복사 실드부(15)는, 초전도 가속 공동(2) 및 냉매조(3)에 대한 초전도 가속기(1)의 외부로부터의 복사열의 입사를 억제한다. 차열을 충분히 행하는 관점에서, 복사 실드부(15)의 두께 치수(d2)는, 100μm 이상 200μm 이하 정도가 바람직하다.
제1 실시형태의 초전도 가속기(1)에 의하면, 실드체(4)에 의하여 초전도 가속 공동(2) 및 냉매조(3)를 덮음으로써, 자기 실드부(11)에 의하여 초전도 가속 공동(2)에 미치는 지자기(M)의 영향을 저감시킬 수 있다.
또, 복사 실드부(15)에 의하여 초전도 가속 공동(2) 및 냉매조(3)의 승온을 억제할 수 있어, 초전도 가속 공동(2)을 충분히 냉각할 수 있어, 초전도 가속 공동(2)이 소정의 온도로 냉각된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 복사 실드부(15)가 자기 실드부(11)에 성막되어 있음으로써, 이 복사 실드부(15)를 매우 얇고, 또한 용이하게 마련할 수 있다.
따라서, 가령 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)를 별체로 마련하는 경우에 비하여, 실드체(4) 전체의 두께 치수를 억제할 수 있어, 취급도 용이해진다.
즉, 실드체(4)의 공간 절약화 및 취급의 간편화를 도모할 수 있다. 또, 진공 용기(5) 내에 실드체(4)를 마련할 때에, 좁은 설치 공간에 실드체(4)를 설치할 때의 변형을 억제할 수 있다. 따라서, 초전도 가속기(1)의 운전 시에, 실드체(4)에서의 실드 특성을 충분히 얻을 수 있다.
여기에서, 초전도 가속기(1)의 운전 개시 시에, 냉매(RF)가 냉매조(3)에 충전되어 초전도 가속 공동(2)의 냉각이 개시될 때나, 초전도 가속기(1)의 운전 종료 시에, 냉매(RF)가 냉매조(3)로부터 배출되어 초전도 가속 공동(2)의 냉각이 종료될 때에는, 실드체(4)의 온도가 변화된다.
이때, 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)의 재료가 다른 것에 의하여, 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)에서 열변형량(열팽창량, 또는 열수축량)이 달라진다.
이와 같은 경우, 만일, 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)를 별개로 제조하여, 예를 들면 볼트 등을 이용하여 적층하도록 첩합하여 실드체(4)를 형성하면, 자기 실드부(11) 및 복사 실드부(15)에 열응력이 발생하여, 실드체(4)가 뒤로 휘는 등의 문제가 발생할 가능성이 있다.
한편, 제1 실시형태의 초전도 가속기(1)에서는, 복사 실드부(15)가 성막됨으로써 얇은 막 형상을 이루고 있기 때문에 복사 실드부(15)는 변형되기 쉽다. 따라서 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)에서 열변형량이 달라도, 복사 실드부(15)가 자기 실드부(11)의 변형에 용이하게 추종할 수 있다.
이 결과, 실드체(4)의 온도 변화에 따라, 실드체(4)가 뒤로 휘는 등의 변형을 하기 어려워져, 실드체(4)에서의 충분한 실드 특성을 유지할 수 있다.
또, 제1 실시형태에서는, 자기 실드부(11)의 내외의 표면(11a)에 동일한 재료로 구성된 복사 실드부(15)가 배치되어 있으므로, 실드체(4)의 온도 변화 시에 있어서, 자기 실드부(11)의 내외의 표면(11a)이 복사 실드부(15)로부터 받는 힘(열응력을 발생시키는 힘)이 균등해진다.
즉, 자기 실드부(11)의 한쪽 표면(11a)에 작용하는 힘에 의하여 발생하는 열응력과, 자기 실드부(11)의 다른 쪽 표면(11a)에 작용하는 힘에 의하여 발생하는 열응력의 균형이 잡힌다. 이 결과, 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)의 열변형량의 차에 의한 실드체(4)의 뒤로 휨 등을 더 억제할 수 있다.
여기에서, 도 3에는, 복사 실드부(15)의 두께 치수에 대한 자기 실드부(11)의 두께 치수의 비와, 자기 실드부(11)에 발생하는 열응력과의 관계를 복사 실드부(15)의 재료별로 산출한 결과를 나타낸다.
이 계산에서는, 하기와 같이 파라미터를 설정했다.
ΔT〔℃〕: 자기 실드부(11) 및 복사 실드부(15)의 온도 변화(도 3에 나타내는 결과를 산출했을 때에는, ΔT=295〔℃〕로 했다.)
w〔mm〕: 자기 실드부(11) 및 복사 실드부(15)의 폭 치수(축선(O)에 교차하는 방향의 길이 치수)
t1〔mm〕: 자기 실드부(11)의 두께 치수
A1〔mm〕: 자기 실드부(11)의 단면적(A1=w×t1)
E1〔N/mm2〕: 자기 실드부(11)의 재료의 세로 탄성 계수
α1〔1/〕: 자기 실드부(11)의 재료의 선팽창 계수
t2〔mm〕: 복사 실드부(15)의 두께 치수
A2〔mm〕: 복사 실드부(15)의 단면적(A2=w×t2)
E2〔N/mm2〕: 복사 실드부(15)의 재료의 세로 탄성 계수
α2〔1/〕: 복사 실드부(15)의 재료의 선팽창 계수
이와 같은 파라미터를 이용하여, 자기 실드부(11)에 발생하는 열응력: σ〔MPa〕를 이하의 수학식 (1)에 의하여 산출했다. 복사 실드부(15)는 자기 실드부(11)의 표면(11a) 전체에 성막되어 있는 것을 전제로 하고 있다.
[수학식 1]
Figure 112017116853286-pct00001
이 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이 복사 실드부(15)의 두께 치수에 대한 자기 실드부(11)의 두께 치수의 비: t1/t2가 3배 이상이 되는 범위에서, 금을 제외한 어느 재료를 복사 실드부(15)에 이용한 경우이더라도, 자기 실드부(11)에 발생하는 열응력 σ가 급격하게 낮아져 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로는, t1/t2가 3배 이상이 되는 범위에서 60〔MPa〕보다 낮아져 있고, 두께 치수의 비: t1/t2가 5배 이상이 되는 범위에서 자기 실드부(11)에 발생하는 열응력 σ는 40〔MPa〕보다 낮아져 있다.
또, 복사 실드부(15)에 금을 이용한 경우는, t1/t2의 수치에 관계없이, 자기 실드부(11)에 발생하는 열응력 σ는 10〔MPa〕보다 낮다.
따라서, 상술한 바와 같이, 제1 실시형태에서는, 자기 실드부(11)의 두께 치수(d1)가 1mm 이상 2mm 이하이며, 복사 실드부(15)의 두께 치수(d2)가 100μm 이상 200μm 이하인 경우에 한정되지 않고, 적어도 두께 치수의 비 t1/t2가 적어도 3배 이상이 되는 범위에서, 보다 바람직하게는 5배 이상이 되는 범위에서, 자기 실드부(11) 및 복사 실드부(15)의 두께 치수를 설정하면, 실드체(4)의 열변형을 충분히 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 이들 수치에 한정되지 않고, 열변형성을 고려하여, 자기 실드부(11)가 복사 실드부(15)보다 두께 치수가 크게 되어 있으면, 즉 복사 실드부(15) 쪽이 얇게 되어 있으면 된다.
또한, 복사 실드부(15)를 성막에 의하여 형성함으로써, 자기 실드부(11)와 복사 실드부(15)를 첩합하는 번거로움을 저감시킬 수 있음과 함께, 첩합 시에 필요한 체결구 등(볼트 등)이 불필요해지므로, 실드체(4)의 부품 개수를 저감시킬 수 있다.
또, 복사 실드부(15)를 성막에 의하여 형성함으로써, 복사 실드부(15)와 자기 실드부(11)의 밀착성을 향상시켜, 실드체(4)를 효율적으로 균일하게 냉각할 수 있다.
또한, 복사 실드부(15)를 성막에 의하여 형성함으로써, 자기 실드부(11)의 표면(11a) 상의 임의의 범위에 용이하게 복사 실드부(15)를 마련할 수 있어, 설계의 자유도를 높일 수 있다.
〔제2 실시형태〕
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 초전도 가속기(21)에 대하여 설명한다.
제1 실시형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세 설명을 생략한다.
제2 실시형태의 초전도 가속기(21)에서는, 실드체(24)가 제1 실시형태와는 다르다.
즉, 실드체(24)에 있어서의 복사 실드부(25)는, 자기 실드부(11)에 있어서의 표면(11a)을 따른 일방향으로 간격을 두고 복수로 분리되어 성막되어 있다.
구체적으로는 제2 실시형태에서는, 축선(O) 방향으로 간격을 두고, 축선(O)을 중심으로 한 환상을 이루어 복수의 복사 실드부(25)가 마련되어 있다.
제2 실시형태의 초전도 가속기(21)에 의하면, 복사 실드부(25)를, 간격을 두고 복수로 분리하여 형성함으로써, 실드체(24)가 온도 변화했을 때에, 복사 실드부(25)가 자기 실드부(11)의 표면(11a)의 전체에 형성되어 있는 경우에 비하여, 자기 실드부(11)의 변형에 복사 실드부(25)가 추종하여 변형되기 쉬워진다.
이로 인하여, 복사 실드부(25)와 자기 실드부(11)의 재료가 다름으로써 이들 열변형량이 다른 경우여도, 실드체(24)의 뒤로 휨 등의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 복사 실드부(25A)는 자기 실드부(11)의 둘레 방향으로 간격을 두고 복수로 분리되어 성막되어 있어도 된다.
이와 같은 경우이더라도, 자기 실드부(11)에 복사 실드부(25A)가 추종하여 변형되기 쉬워져, 실드체(24)의 뒤로 휨 등의 변형을 억제할 수 있다.
〔제3 실시형태〕
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시형태에 있어서의 초전도 가속기(31)에 대하여 설명한다. 도 6에 있어서, 제1 실시형태 및 제2 실시형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세 설명을 생략한다.
제3 실시형태의 초전도 가속기(31)에서는, 제1 실시형태 및 제2 실시형태와는 실드체(34)가 다르다.
즉, 자기 실드부(36), 및 자기 실드부(36)에 성막된 복사 실드부(37)는, 자기 실드부(36)의 표면(36a)을 따른 방향, 즉 축선(O) 방향으로 복수의 세트(38)로 분리되어 마련되어 있다.
그리고, 축선(O) 방향으로 인접하는 세트(38)끼리는, 일부가 직경 방향으로 겹쳐지도록 하여 마련되어 있다. 본 실시형태에서는 지자기(M)의 방향은, 직경 방향을 따르고 있다.
제3 실시형태의 초전도 가속기(31)에서는, 자기 실드부(36)와 복사 실드부(37)를 갖는 실드체(34)를 복수의 세트(38)로 분리하여 마련함으로써, 실드체(34)가 온도 변화했을 때에, 세트(38)끼리의 중첩량이 변화된다.
즉, 각 세트(38)끼리가 슬라이드하도록 하여 축선(O) 방향으로 이동함(도 6의 화살표를 참조)으로써, 실드체(34)의 열변형분을 흡수할 수 있다.
따라서, 실드체(34)가 열변형했을 때의 실드체(34)의 뒤로 휨 등의 변형을 더 억제할 수 있다.
〔제4 실시형태〕
다음으로, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제4 실시형태에 있어서의 초전도 가속기(41)에 대하여 설명한다. 도 7에 있어서, 제1 실시형태 내지 제3 실시형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세 설명을 생략한다.
제4 실시형태의 초전도 가속기(41)에서는, 제1 실시형태, 제2 실시형태, 및 제3 실시형태와는 실드체(44)가 다르다.
즉, 실드체(44)의 복사 실드부(47)는, 복수의 층(48)을 이루도록 자기 실드부(11)의 표면(11a)에 성막되고, 또한 표면(11a)으로부터 이간되는 층(48)을 향하여 자기 실드부(11)와 층(48)의 열변형량의 차가 단계적으로 커지도록, 각 층(48)의 재료가 결정되어 있다.
구체적으로는, 예를 들면 복사 실드부(47)의 각 층(48)은, 자기 실드부(11)로부터 이간측을 향하여 금, 구리, 알루미늄 순으로, 재료가 선택된다.
제4 실시형태의 초전도 가속기(41)에 의하면, 복사 실드부(47)의 각 층(48)이, 자기 실드부(11)의 표면(11a)으로부터 이간되는 층(48)일수록, 자기 실드부(11)와의 열변형량의 차가 크게 되어 있음으로써, 자기 실드부(11)와, 가장 자기 실드부(11)로부터 떨어진 복사 실드부(47)의 층(48)과의 열변형량의 차가 큰 경우여도, 자기 실드부(11)와, 가장 자기 실드부(11)에 가까운 복사 실드부(47)의 층(48)(자기 실드부(11)의 표면(11a)에 접하는 층(48))과의 열변형량의 차를 작게 할 수 있다.
따라서, 실드체(44)가 온도 변형했을 때의 실드체(44)의 뒤로 휨 등을 더 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명했지만, 각 실시형태에 있어서의 각 구성 및 그들의 조합 등은 일례이며, 본 발명의 취지로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 외의 변경이 가능하고, 본 발명은 상술한 실시형태에 의하여 한정되지 않는다.
예를 들면, 상술한 실시형태에서는, 복사 실드부(15, 25, 25A, 37, 47)는, 자기 실드부(11, 36)의 내외의 표면(11a, 36a)에 성막되어 있었지만, 어느 한쪽 표면(11a, 36a)에만 성막되어 있어도 된다.
또, 실드체(4, 24, 34, 44)는, 진공 용기(5)의 내면에 첩부하여 마련해도 되고, 진공 용기(5)와 냉매조(3)의 사이에서, 이들 진공 용기(5)와 냉매조(3)와 이간하여 마련해도 된다.
또한, 실드체(4, 24, 34, 44)의 형상은, 원통 형상이어도 되고, 복수의 판 형상 부재를 첩합하여 각통 형상으로 한 것이어도 된다. 복수의 판 형상 부재를 첩합하는 경우에는, 실드체(4, 24, 34, 44)를 보다 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명은 복사열 및 지자기를 실드하는 실드체, 및 이것을 구비하는 초전도 가속기에 적용 가능하다.
1, 21, 31, 41 초전도 가속기
2 초전도 가속 공동
3 냉매조
4, 24, 34, 44 실드체
5 진공 용기
6 빔 파이프
7 입력 결합기
11, 36 자기 실드부
11a, 36a 표면
12 통 형상부
13 플랜지 형상부
15, 25, 25A, 37, 47 복사 실드부
38 세트
48 층
RF 냉매
RS 냉매 공간
O 축선
S 공간
B 하전 입자 빔
M 지자기

Claims (7)

  1. 자성체에 의하여 형성된 판 형상을 이루는 자기 실드부와,
    상기 자기 실드부에 있어서의 내외 표면 중 적어도 한쪽에 성막되고, 상기 자성체보다 열전도율이 큰 재료에 의하여 형성된 복사 실드부를 구비하고,
    상기 자기 실드부 및 상기 자기 실드에 성막된 상기 복사 실드부는, 상기 내외 표면을 따른 일방향으로 복수의 세트로 분리되어 마련되고, 또한 인접하는 상기 세트끼리는, 지자기의 방향으로부터 보아 일부가 중첩하도록 마련되어 있는 실드체.
  2. 자성체에 의하여 형성된 판 형상을 이루는 자기 실드부와,
    상기 자기 실드부에 있어서의 내외 표면 중 적어도 한쪽에 성막되고, 상기 자성체보다 열전도율이 큰 재료에 의하여 형성된 복사 실드부를 구비하고,
    상기 복사 실드부는, 복수의 층을 이루도록 상기 내외 표면 중 적어도 한쪽에 성막되고, 또한 상기 내외 표면으로부터 이간됨에 따라, 상기 층과 상기 자기 실드부의 열변형량의 차가 단계적으로 커져 가는 실드체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기 실드부는, 상기 복사 실드부보다 두께 치수가 커져 있는 실드체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자기 실드부는, 상기 복사 실드부에 대하여 3배 이상의 두께 치수로 형성되어 있는 실드체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복사 실드부는, 상기 자기 실드부에 있어서의 상기 내외 표면을 따른 일방향으로 간격을 두고 복수로 분리되어 성막되어 있는 실드체.
  6. 하전 입자 빔을 가속하는 공간을 형성하는 초전도 가속 공동과,
    상기 초전도 가속 공동의 외주측에 배치되어 상기 초전도 가속 공동과의 사이에 상기 초전도 가속 공동을 냉각하는 냉매가 충전되는 냉매 공간을 형성하는 냉매조와,
    상기 냉매조의 외주측에 배치되어, 상기 냉매조 및 상기 초전도 가속 공동을 덮는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 실드체를 구비하는 초전도 가속기.
  7. 삭제
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