(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導材料により軸方向断面が波形状で径方向断面が環状に形成された加速空洞を径方向断面が環状の冷媒槽の内部に配置して前記加速空洞の外表面と前記冷媒槽の内表面との間に冷媒空間を形成し、前記加速空洞と冷媒槽との夫々の端部を互いに接合してなる超伝導加速器において、前記加速空洞の外表面と前記冷媒槽の内表面とを銅、又はアルミニウム製の電極で連結したことを特徴とする超伝導加速器。
【請求項２】
前記電極がバネ特性を有する形状のものであることを特徴とする請求項１記載の超伝導加速器。
【請求項３】
前記電極が前記加速空洞の補強機能を持つ形状のものであることを特徴とする請求項１記載の超伝導加速器。
【請求項４】
前記冷媒槽の前記電極が連結している部分は銅、又はアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の超伝導加速器。
【請求項５】
加速空洞を径方向断面が環状の冷媒槽の内部に配置して前記加速空洞の外表面と前記冷媒槽の内表面との間に冷媒空間を形成し、前記加速空洞と冷媒槽との夫々の端部が互いに接合し、前記加速空洞の外表面と前記冷媒槽の内表面とを銅、又はアルミニウム製の電極で連結して加速空洞と冷媒槽とを一体化させた状態で電解研磨を行い、その後最終洗浄を行った後に真空槽を組み立てることを特徴とする超伝導加速器の製造方法。
【請求項６】
前記冷媒槽の外表面に陽極端子を接触させて前記電解研磨を行うことを特徴とする請求項５記載の超伝導加速器の製造方法。
【請求項７】
前記加速空洞と冷媒槽とを一体化させた状態で前記冷媒槽を順次回転させて前記電解研磨を行うことを特徴とする請求項５または請求項６記載の超伝導加速器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子をほぼ光速に加速させるための荷電粒子加速装置の一部を形成する超伝導加速器及びその超伝導加速器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導加速器とその製造方法について、図８ないし図１０に従って説明する。
ニオブ、ニオブ三錫等の超伝導材料で形成され、軸方向断面形状が波形で径方向断面が環状の加速空洞１が、ステンレス等の材料で形成された径方向断面が環状の冷媒槽２内に間隔を保って配置され、加速空洞１と冷媒槽２との間に冷媒空間３を形成している。また加速空洞１と冷媒槽２との端部どうしは、加速空洞１と同じ材料の部材と冷媒槽２と同じ材料の部材とを爆着あるいはろう付け等により予め接合した部材を間に介在させて溶接することによって互いに接合され、さらに両方の端部の夫々に、荷電粒子が入る入口管４と荷電粒子が出ていく出口管５とが取り付けられている。さらに入口管４には高周波電力を加速空洞１内に投入する高周波電力入力結合器６が取り付けられている。
【０００３】
冷媒槽２は、連通管８を介して冷媒タンク７と連結されおり、冷媒槽２内の冷媒空間３は冷媒タンク７内部と連通している。冷媒槽２、冷媒タンク７等は、冷却管９、１０が設けられた熱遮蔽板１１、１２で覆われている。以上の各機器は真空容器１３内に配置されている。また冷媒タンク７には、先端に安全弁１４を持つ安全装置１５、冷媒を供給する冷媒供給管１６、ガス状冷媒を排出するガス排出管１７が、熱遮蔽板１１、１２と真空容器１３とを貫通して取り付けられている。
【０００４】
図示省略の真空装置により真空容器１３内部を、１０−５Ｔｏｒｒ程度に保持し、真空断熱により真空容器１３外部の熱が冷媒槽２に伝わるのを防ぐ。さらに８０°Ｋの窒素ガスが流通する冷却管１０で冷却される熱遮蔽板１２と４Ｋのヘリウムガスが流通する冷却管９で冷却される熱遮蔽板１１により、真空容器１３から冷媒槽２への輻射熱の伝達を防いで冷媒槽２の温度上昇を防止している。また、冷媒供給管１６からは、圧力が１０ｍＴｏｒｒ程度、温度が２Ｋの減圧ヘリウム液を冷媒タンク７内に供給し、冷媒タンク７から連通管８を介して冷媒空間３内に２Ｋの減圧ヘリウム液が流入するようになっていて、加速空洞１を極低温に冷却し、超伝導状態に保つ。
【０００５】
高周波電力入力結合器６からは、数十〜数百ＫＷの高周波電力を投入し、加速空洞１の内表面に正電極と負電極とができて加速電圧を発生させる。入口管４から入ってきた負電位の荷電粒子は、加速電圧により加速空洞１内でさらに加速され、出口管５から出ていく。荷電粒子が加速される際、荷電粒子の移動に伴って加速空洞１の内表面に表面電流が発生し、この表面電流によるジュール熱に起因する高周波損失が発生する。この高周波損失は、交流の超伝導体に原理的に発生するＢＣＳ抵抗、不純物や格子欠陥に起因する残留抵抗からなる表面抵抗の大きさに比例して大きくなる。この表面抵抗を抑えるために加速空洞１を冷却して超伝導状態に保持している。また、短い距離の加速空洞１内で荷電粒子を高エネルギにして加速させるために、加速空洞１内に大きな高周波電力を投入して、大きな加速電圧を発生させている。
【０００６】
なお、冷媒槽２内の冷媒は加速空洞１を冷却しており、加速空洞１で発生した熱を吸収することとなり、冷媒の一部がガス化する。このガスは連通管８を通って冷媒タンク７に入り、冷媒タンク７の上部に溜まる。冷媒タンク７上部に溜まったヘリウムガスは、ガス排出管１７により真空容器１３外部に排出される。さらに冷媒タンク７内のガス圧が所定以上に高くなると、安全弁１４が作動して冷媒タンク７内のガスを放出し、冷媒タンク７等の機器の破損を防いでいる。
【０００７】
以上のような装置において、表面抵抗を小さく抑えるため、また加速電圧が高くなると材料中の電子が電界によって引きだされる放電現象、局部的な発熱による温度上昇によって超伝導材料の臨界温度を越えることによって起こるクエンチ現象の発生を抑えるために、加速空洞１の材料の不純物を取り除くと共に加速空洞１の内表面の付着物を取り除くために、電解研磨による表面処理を施し、脱ガスの為の熱処理、加速空洞１の内表面の高清浄度を保つために洗浄処理を行っていた。従来はこれらの処理を図９に示す工程で実施していた。
【０００８】
図９において、スピニング加工等により加速空洞１を製造し、１回目の電解研磨を行う。この電解研磨は図１０に示す方法で行っている。すなわち、加速空洞１を回転保持具２１にセットし、加速空洞１の両端部には液体、気体等の流体の漏洩を防ぐキャップ２２、２３を取り付ける。キャップ２２、２３を貫通させて液体出口２４を備えた管状の陰極２５を加速空洞内に配置する。キャップ２２にはガス排出管２６が設けられ、キャップ２３には電解液排出管２７が設けられている。電解液排出管２７は電解液のリザーバータンク２８と連通し、リザーバータンク２８は、さらに途中にポンプ２９を備えた電解液供給管３０を介して陰極２５内部と連通している。
【０００９】
回転保持具２１には加速空洞１の外表面と接触する陽極端子３１を持つ陽極３２が設けられている。回転保持具２１は、歯車３３、回転軸３４、モータ等の回転装置３５により回転可能に構成されている。また、陰極２５と陽極３２とは、直流の電源３６を介して結線され、電流が流れるように構成されている。
【００１０】
リザーバータンク２８内のフッ化水素、硫酸等の電解液をボンプ２９により電解液供給管３０を介して陰極２５内に供給する。陰極２５内に供給された電解液は、液体出口２４から加速空洞１内に供給される。加速空洞１内に供給された電解液で所定レベル以上のものは、電解液排出管２７を通ってリザーバータンク２８内に戻される。所定量の電解液が加速空洞１内に溜まると、電源３８から陽極３２に電力が供給され、陽極端子３１を介して加速空洞１を均等に正電圧に印加する。加速空洞１が正電圧に印加されると陰極２５との間で電解液を通って電流が流れ、電解液の電気分解が起こる。この電気分解により加速空洞１の内面が研磨される。回転装置３５、回転軸３４、歯車３３を作動させ、加速空洞１を回転させることにより、加速空洞１の内面全体に亘って研磨を施すことができる。なお、電気分解で発生したガスは加速空洞１の上部に溜まり、ガス排出管２６を介して外部に排出される。
【００１１】
以上の方法で１回目の研磨が終了すると、脱ガスのために１０−６Ｔｏｒｒ程度の高真空中で加速空洞１を７００°Ｃ〜１５００°Ｃに上げ、性能劣化の原因となる水素を除去ための熱処理である真空アニールが行われる。真空アニール終了後、１回目と同様なやり方で２回目の電解研磨が行われる。２回目の電解研磨が終了すると、高圧の超純水を加速空洞１の内面に吹きつけてゴミ等の異物を除去する最終洗浄が行われ、その後加速空洞１と冷媒槽２との接合が行われる。加速空洞１と冷媒槽２とが接合された後これらを真空容器１３内に配置して真空槽を組み立てる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来装置では、加速空洞１を電解研磨し、最終洗浄を行った後に加速空洞１と冷媒槽２とを接合しなければならない構造となっており、接合時に加速空洞１内に異物が入ったりして加速空洞１の性能を低下させる恐れが生じ、これを防ぐためには、清浄度の厳しい条件下での作業が必要となる等の課題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来装置の課題を解決することを目的になされたものであり、ニオブ、ニオブ三錫等の超伝導材料により軸方向断面が波形状で径方向断面が環状に形成された加速空洞を径方向断面が環状の冷媒槽の内部に配置して加速空洞の外表面と冷媒槽の内表面との間に冷媒空間を形成し、加速空洞と冷媒槽との夫々の端部を互いに接合してなる超伝導加速器において、加速空洞の外表面と冷媒槽の内表面とを銅、又はアルミニウム製の電極で連結した超伝導加速器を提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、上記の超伝導加速器において、電極がバネ特性を有する形状とした超伝導加速器を、電極が加速空洞の補強機能を持つ形状のものである超伝導加速器を提供している。
さらに、本発明は、上記のいずれかの超伝導加速器において、冷媒槽の電極が連結している部分は銅、又はアルミニウムで形成した超伝導加速器を提供している。
【００１５】
さらにまた、本発明は、加速空洞を径方向断面が環状の冷媒槽の内部に配置して加速空洞の外表面と冷媒槽の内表面との間に冷媒空間を形成し、加速空洞と冷媒槽との夫々の端部が互いに接合し、加速空洞の外表面と冷媒槽の内表面とを銅、又はアルミニウム製の電極で連結して加速空洞と冷媒槽とを一体化させた状態で電解研磨を行い、その後最終洗浄を行った後に真空槽を組み立てる超伝導加速器の製造方法を提供し、また、この製造方法において、冷媒槽の外表面に陽極端子を接触させて電解研磨を行う超伝導加速器の製造方法、さらに、これら製造方法において、加速空洞と冷媒槽とを一体化させた状態で冷媒槽を連続あるいはバッチ式に回転させて電解研磨を行う超伝導加速器の製造方法を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図１ないし図７に示す第１ないし第３の実施例に基づいて具体的に説明する。
まず、図１ないし図４に示す第１の実施例に沿って説明する。
なお、図１において、図８に示す従来装置と同じ機器については同一の符号を付けており、ここでは従来装置と同じ構成については説明を省略し、従来装置と異なる部分についてだけ説明する。
【００１７】
加速空洞１の外表面の凹部どうしの間には、銅、アルミニウム等の電気抵抗の小さい材料からなる環状の電極部材１８が接着されており、電極部材１８には銅、アルミニウム等の電気抵抗の小さい材料からなるバネ形状の電極部材１９の一端が、軸方向同一部分で１２０°の位相を保って取り付けられ、電極部材１９の他端は冷媒槽２の内表面に接触している。その他の構成は従来の装置と同じである。なお、電極部材１８は加速空洞１の外表面の凹部の全周に亘って設けずとも、少なくとも電極１９が位置する部分だけに設けたものでもよく、その形状は板形状等どのようなものでもよい。また、電極部材１９はバネ特性を備えた形状であれば、図に示す形状に限ることはなくどのような形状でもよい。さらに電極部材１９の取付け位置は、１２０°の位相とすることなく適宜決めてもよい。
【００１８】
加速空洞１と冷媒槽２との間に電極部材１８、１９を配置したことにより、図３に示すように、陽極端子３１を電極部材１９が位置する部分の冷媒槽２の外表面に接触させることで、電極部材１８、１９を介して加速空洞１に均一に電流を伝えることができるので、加速空洞１と冷媒槽２とを接合して一体化した後に、図１０に基づいて説明した電解研磨と同様な２回目の電解研磨、即ち、次に説明する通りの電解研磨を施すことが可能となる。
【００１９】
図３において、スピニング加工、プレス加工等によって成形された加速空洞１で１回目の電解研磨、真空アニール工程で処理されたものを冷媒槽２と接合して一体化し、一体化された冷媒槽２を回転保持具２１にセットし、冷媒槽２の両端部には液体、気体等の流体の漏洩を防ぐキャップ２２、２３を取り付ける。キャップ２２、２３を貫通させて液体出口２４を備えた管状の陰極２５を加速空洞内に配置する。キャップ２２にはガス排出管２６が設けられ、キャップ２３には電解液排出管２７が設けられている。電解液排出管２７は電解液のリザーバータンク２８と連通し、リザーバータンク２８は、さらに途中にポンプ２９を備えた電解液供給管３０を介して陰極２５内部と連通している。
【００２０】
回転保持具２１には、冷媒槽２の電極部材１９が位置する部分の外表面と接触する陽極端子３１を持つ陽極３２が設けられている。回転保持具２１は、歯車３３、回転軸３４、モータ等の回転装置３５により回転可能に構成されている。また、陰極２５と陽極３２とは、直流の電源３６を介して結線され、電流が流れるように構成されている。
【００２１】
リザーバータンク２８内のフッ化水素、硫酸等の電解液をボンプ２９により電解液供給管３０を介して陰極２５内に供給する。陰極２５内に供給された電解液は、液体出口２４から加速空洞１内に供給される。加速空洞１内に供給された電解液で所定レベル以上のものは、電解液排出管２７を通ってリザーバータンク２８内に戻される。所定量の電解液が加速空洞１内に溜まると、電源３８から陽極３２に電力が供給され、陽極端子３１を介して冷媒槽２、電極部材１８、１９に伝わり、電極部材１８から加速空洞１に伝わって加速空洞１を均等に正電圧に印加する。加速空洞１が正電圧に印加されると陰極２５との間で電解液を通って電流が流れ、電解液の電気分解が起こる。この電気分解により加速空洞１の内面が研磨される。回転装置３５、回転軸３４、歯車３３を作動させ、加速空洞１を回転させることにより、加速空洞１の内面全体に亘って研磨を施すことができる。なお、電気分解で発生したガスは加速空洞１の上部に溜まり、ガス排出管２６を介して外部に排出される。
【００２２】
２回目の電解研磨工程は、以上の説明の通り行うことができるので、超伝導加速器の製造方法を、図２に示すように、加速空洞の製造工程、１回目の電解研磨工程、真空アニール工程、加速空洞１と冷媒層２との接合による一体化工程、２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程、真空槽組立て工程の順に行うことができ、加速空洞１と冷媒槽２との接合の際に加速空洞１内に異物が入ったとしても２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞１の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるものである。
【００２３】
次に図５、図６に示す第２の実施例に基づいて説明する。
図５、図６において、冷媒槽２に端板側のバネ形状の電極部材１９に代えて、銅、アルミニウム等の電気抵抗の小さい材料で形成し、加速空洞１に発生する振動を冷媒槽２に伝えて冷媒槽２で振動を吸収することにより、加速空洞１を強固に保持する補強部材の機能を備えた形状の電極部材２０を配置したものであり、その他の構成は第１の実施例と同様である。なお、本例では、補強部材の機能を備えた形状の電極部材２０は一部としているが、バネ形状の電極部材１９全てのものを補強部材の機能を備えた形状の電極部材２０に代えてもよい。
【００２４】
この第２の実施例のものも、第１の実施例と同様に加速空洞１と冷媒槽２とを一体化した後に２回目の電解研磨を施すことができるため、第１の実施例と同様に、加速空洞の製造工程、１回目の電解研磨工程、真空アニール工程、加速空洞１と冷媒層２との接合による一体化工程、２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程、真空槽組立て工程の順に行うことができ、加速空洞１と冷媒槽２との接合の際に加速空洞１内に異物が入ったとしても２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞１の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるという効果を奏するものである。さらに本例では、加速空洞１を高電界かつパルス運転（連続運転でなく、間引きした運転）で使用する場合、加速空洞１内に生じた電磁力が大きくなり、共振周波数が変化し、この共振周波数の変化で加速空洞１の効率が極度に低下するが、補強機能を持つ電極部材２０により加速空洞１の剛性をあげてパルスの電磁力による加速空洞１の変形を防ぎ、加速空洞１の効率特性を高く維持することができる。
【００２５】
さらに、図７に示す第３の実施例について説明する。
第３の実施例は、第１あるいは第２の実施例の冷媒槽２の電極部材１９、２０が接触する部分を切り欠いて、銅、アルミニウム等の電気抵抗の小さい材料の部材７２を爆着あるいはろう付け等により取付けたものであり、その他は第１あるいは第２の実施例と同じ構成なので、詳細説明は省略する。
【００２６】
この第３の実施例のものは、第１および第２の実施例と同様に加速空洞１と冷媒槽２とを一体化した後に２回目の電解研磨を施すことができるため、第１および第２の実施例と同様に、加速空洞の製造工程、１回目の電解研磨工程、真空アニール工程、加速空洞１と冷媒層２との接合による一体化工程、２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程、真空槽組立て工程の順に行うことができ、加速空洞１と冷媒槽２との接合の際に加速空洞１内に異物が入ったとしても２回目の電解研磨工程、最終洗浄工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞１の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるという効果を奏するものである。さらに本例では、電極部材１９が接触する冷媒槽２の部分を電気抵抗の小さい材料の部材７２としたことにより電極部材１９へ流れる直流電流の電気容量を増加させることができ、そのため電解研磨の速度を速めることができて研磨時間の短縮を可能にするものである。
【００２７】
以上本発明を実施例にもとづいて具体的に説明したが、本発明はこれらの実施例だけに限定されるものではなく、上記の課題を解決するための手段として記載した本発明の要旨を逸脱しない限りいかなる形態のものでもよい。
【００２８】
【発明の効果】
上記の課題を解決するための手段に記載された要旨を備えた本発明によれば、加速空洞と冷媒槽との夫々の端部を互いに接合してなる超伝導加速器において、加速空洞の外表面と冷媒槽の内表面とを銅、又はアルミニウム製の電極で連結したことにより、加速空洞と冷媒槽とを一体化した後に電解研磨を施すことができるため、加速空洞と冷媒槽との接合の際に加速空洞内に異物が入ったとしても電解研磨工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるという効果を奏するものである。
【００２９】
本発明は、電極がバネ特性を有する形状のものであるため、加速空洞と冷媒槽との接触が良好となり、冷媒槽から加速空洞へ電流を確実に流すができ、加速空洞と冷媒槽とを一体化した後に電解研磨を施すことができるため、加速空洞と冷媒槽との接合の際に加速空洞内に異物が入ったとしても電解研磨工程により、これら異物を除去することができ、加速空洞の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるという効果を奏するものである。
【００３０】
本発明は、電極が加速空洞の補強機能を持つ形状のものであるので、加速空洞と冷媒槽とを一体化した後に電解研磨を施すことができるため、加速空洞と冷媒槽との接合の際に加速空洞内に異物が入ったとしても電解研磨工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されと共に、加速空洞を高電界かつパルス運転で使用する場合、加速空洞内に生じた電磁力が大きくなり、共振周波数が変化し、この共振周波数の変化で加速空洞の効率が極度に低下するが、補強機能を持つ電極により加速空洞の剛性をあげてパルスの電磁力による加速空洞の変形を防ぎ、加速空洞の効率特性を高く維持することができる。
【００３１】
本発明は、冷媒槽の電極が連結している部分を銅、又はアルミニウムで形成したことにより加速空洞と冷媒槽とを一体化した後に電解研磨を施すことができるため、加速空洞と冷媒槽との接合の際に加速空洞内に異物が入ったとしても電解研磨工程により、これら異物を除去することができるので、加速空洞の性能を低下させる恐れがなく、清浄度の厳しい条件下での作業が緩和されるという効果の他に、電極へ流れる直流電流の電気容量を増加させることができ、そのため電解研磨の速度を速めることができて研磨時間の短縮を可能にするとの効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態を示す第１の実施例の正面断面図である。
【図２】図２は、本発明の超伝導加速器の製造方法の製造工程を示すフローチャート図である。
【図３】図３は、本発明の超伝導加速器の製造方法の電解研磨工程を示す図である。
【図４】図４は、図３中のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態を示す第２の実施例の主要部正面断面図である。
【図６】図６は、図５中のＢ−Ｂ矢視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態を示す第３の実施例であり図５中のＣ部の拡大図である。
【図８】図８は、従来装置の正面断面図である。
【図９】図９は、従来の超伝導加速器の製造方法の製造工程を示すフローチャート図である。
【図１０】図１０は、従来の超伝導加速器の製造方法の電解研磨工程を示す図である。
【符号の説明】
１：加速空洞
２：冷媒槽
３：冷媒空間
４：入口管
５：出口管
６：高周波電力入力結合器
７：冷媒タンク
８：連通管
９：１０：冷却管
１１：１２：熱遮蔽板
１３：真空容器
１４：安全弁
１５：安全装置
１６：冷媒供給管
１７：２６：ガス排出管
１８、１９、２０：電極部材
２１：回転保持具
２２、２３：キャップ
２４：液体出口
２５：陰極
２７：電解液排出管
２８：リザーバータンク
２９：ポンプ
３０：電解液供給管
３１：陽極端子
３２：陽極
３３：歯車
３４：回転軸
３５：回転装置
３６：電源
７２：部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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