(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材を、前記端板部の金属と直接溶接できる同質の金属とし、同母材の内表面に超伝導材質の金属をスパッタリング接合したことを特徴とする超伝導加速器。
【請求項２】
前記超伝導材質の金属は、前記母材の金属と合金を生成する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】
前記超伝導材質の金属は、前記母材の金属との合金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】
胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材が、前記端板部の金属と直接溶接でき且つ同端板部の金属との合金であって超伝導材質の金属であることを特徴とする超伝導加速器。
【請求項５】
前記加速空洞に高周波数電力を投入する高周波電力入力結合器を前記端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超伝導加速器。
【請求項６】
前記加速空洞内の荷電粒子の走行で励起される高周波を取り出す高周波フィルターを前記端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超伝導加速器。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導加速器について、図６に従って説明する。軸方向断面形が波形で径方向断面が環状の加速空洞１は、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、出口管５には荷電粒子に悪影響を与える高周波を加速空洞１外に取り出す高周波フィルター７が取り付けられている。加速空洞１、冷媒槽２、入口管４、出口管５、高周波電力入力結合器６、高周波フィルター７等の各機器は、真空容器８内に配置されている。
【０００３】
図示省略の真空装置により真空容器８内部を、１０−５Ｔｏｒｒに保持し、真空断熱により真空容器８外部の熱が冷媒槽２に伝わるのを防いでいる。また、冷媒供給管９からは、ヘリウム液を冷媒空間３内に流入させて加速空洞１を極低温に冷却し、超伝導状態に保っている。
【０００４】
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、この表面電流により高周波損失が発生し、この高周波損失は、加速空洞１の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ー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。また、荷電粒子が加速空洞１内を走行することにより、加速空洞１内に荷電粒子に悪影響を与える高周波が励起されるが、この高周波を高周波フィルター７により加速空洞１外部に取り出し、荷電粒子の加速性能低下を防いでいる。
【０００５】
このような従来の装置においては、
（ｉ）  加速空洞１を超伝導材質のニオブで形成し、冷媒槽２をステンレスで形成して加速空洞１と冷媒槽２とをボルトによって接合したもの
（ｉｉ）  加速空洞１を超伝導材質のニオブで形成し、冷媒槽２をチタンで形成して加速空洞１と冷媒槽２とをニオブチタンの異材継手を介して溶接で接合したもの
（ｉｉｉ）  加速空洞１を銅を基板としたものに超伝導材質のニオブをスパッタリングにより被覆して形成し、冷媒槽２をステンレスで形成して加速空洞１と冷媒槽２とをろう付けにより接合してもののいずれかであった。また、高周波電力入力結合器６はステンレスに銅をメッキしたもので形成し、高周波フィルター７はニオブで形成したものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置では以下のような課題点があった。
１  上記（ｉ）のように構成した従来装置
ニオブとステンレスとは溶接困難であるため加速空洞１と冷媒槽２とはボルト接合せざるをえず、加速空洞１と冷媒槽２との組立て時間が長く、加速空洞１が大気に曝される時間が長くなってその分不純物が付着する等の清浄度が低下し、加速空洞１の性能低下を招いていた。また、運転中にボルト接合のためシール性能が低下して接合部でリークが発生し、超高真空が壊されて装置の運転不能を招く恐れがあった。さらには、加速空洞１全体を希少価値の高い特殊金属のニオブで形成しているため、装置を非常に高価なものとしていた。
【０００７】
２  上記（ｉｉ）のように構成した従来装置
ニオブとチタンとは溶接困難でありニオブチタンの異材継手を介して溶接可能となり、異材継手を介して溶接するため多くの溶接工程が必要となる。また、加速空洞１全体を希少価値の高い特殊金属のニオブで形成しているため、装置を非常に高価なものとしていた。
【０００８】
３  上記（ｉｉｉ）のように構成した従来装置
銅とニオブとは合金を生成せず、ニオブをスパッタリングにより銅に接合してもその接合力は弱く、接合力の低下により冷却効率が低下して加速効率の低下を招き、また、銅とニオブとの熱膨張差が大きく、熱膨張差による応力の発生が起因して加速効率のさらなる低下を招くことが考えられる。また、ろう付けにより加速空洞１と冷媒槽２とを接合しているため、接合の信頼性は溶接より低くなっている。
【０００９】
さらに、高周波電力入力結合器６はステンレスに銅をメッキしたもので形成したものであるため、内表面での電力ロスによる発熱が起こり、この熱が冷媒槽２に伝わり冷媒の蒸発量を増加させ、加速空洞の冷却に悪影響を与えていた。またさらに、高周波フィルター７は希少価値の高い特殊金属のニオブで形成したものであり、装置を非常に高価なものとしていた。
【００１０】
【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、
（１）その第１の手段として、胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材を、前記端板部の金属と直接溶接できる同質の金属とし、同母材の内表面に超伝導材質の金属をスパッタリング接合したことを特徴とする超伝導加速器を提供する。
（２）第２の手段としては、第１の手段の超伝導加速器において、前記超伝導材質の金属は、前記母材の金属と合金を生成するものであることを特徴とする超伝導加速器を提供する。
（３）また、第３の手段として、第１の手段の超伝導加速器において、前記超伝導材質の金属は、前記母材の金属との合金であることを特徴とする超伝導加速器を提供する。
（４）第４の手段として、胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材が、前記端板部の金属と直接溶接でき且つ同端板部の金属との合金であって超伝導材質の金属であることを特徴とする超伝導加速器を提供する。
（５）第５の手段として、第１ないし第４のいずれかの手段の超伝導加速器において、前記加速空洞に高周波数電力を投入する高周波電力入力結合器を前記端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことを特徴とする超伝導加速器を提供する。
（６）第６の手段として、第１ないし第４のいずれかの手段の超伝導加速器において、前記加速空洞内の荷電粒子の走行で励起される高周波を取り出す高周波フィルターを前記端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことを特徴とする超伝導加速器を提供する。
【００１１】
【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４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および図２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５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。
【００１２】
図１、図２において、スピニング加工、プレス加工等により軸方向断面が波形に加工された厚さ２〜５ｍｍのチタンの母材１１を、チタンで成形された冷媒槽２に直接溶接で接合し、その後チタンの母材１１に超伝導材質のニオブの超伝導層１２を以下に説明するＲＦマグネトロンスパッタリング等のスパッタリングにより接合して２〜５ｍｍの母材１１、合金層１３、数μｍの超伝導層１２からなる加速空洞１を形成したものである。その他は従来装置と同じである。
【００１３】
ＲＦマグネトロンスパッタリングの概略説明
チタンの基板を真空容器内で保持して真空引きを行い、所定の真空圧力になったらチタンの基板温度を所定の温度で所定の時間ベーキングを行う。ベーキング後チタンの基板温度を所定の温度に下げ、Ａｒガスを導入して所定圧力にし、ニオブの電極にＲＦ（高周波）電力を印加して放電を開始し、ニオブをチタンの基板にスパッタリングして（ふりかけて）ニオブ層を形成する。ニオブ層を形成した後、真空排気を行い高真空に保持したままチタンの基板温度が常温程度になったら窒素ガスを入れて大気圧にもどし、ニオブ層を形成したチタンの基板を取り出す。
【００１４】
本装置は、加速空洞１の母材１１と冷媒槽２とを直接溶接して接合したものであり、加速空洞１と冷媒槽２との接合部からのリークの発生を防止するので、加速空洞１内を超高真空に保つことができ、装置の運転不能を防ぐことができるものである。また、加速空洞１の母材１１と冷媒槽２との直接溶接により組立て時間も短縮でき、母材１１と冷媒槽２とを溶接した後、超伝導層１２をスバッタリングにより接合するため超伝導層１２が大気に曝される時間が短くなり、加速空洞１の性能低下を防止している。さらに、チタンの母材１１にニオブの超伝導層１２をスパッタリングにより接合して加速空洞１を形成したものであり、スパッタリング接合によりニオブチタンの合金層１３が形成され、そのニオブチタンの合金層１３を介してチタンとニオブとが接合されているので、母材と超伝導層１２との接合力は極めて強固なものとなり、加速効率低下を防いでいる。さらにまた、希少価値の高い特殊金属のニオブは加速空洞１の内表面だけに使用されており、その使用量は千分の１以下となり装置のコストアップを防止している。なお本装置は、チタンにニオブをスパッタリングして接合したものについて説明したが、ニオブに代えて超伝導材質のニオブ三錫、ニオブチタンを利用しても同様な作用・効果が得られる。
【００１５】
次に図３に示す第２の実施例について説明する。図３において、スピニング加工、プレス加工等により軸方向断面が波形に加工された厚さ２〜５ｍｍの超伝導材質のニオブチタンからなる加速空洞１を、チタンで成形された冷媒槽２に直接溶接で接合して形成したものである。その他は第１の実施例の装置と同じである。
【００１６】
加速空洞１はニオブチタンで形成されており、冷媒槽２はチタンで形成されており、ニオブチタンはチタンの合金であるので直接溶接による接合が可能であるため、加速空洞１と冷媒槽２との接合部からのリークの発生を防止するので、加速空洞１内を超高真空に保つことができ、装置の運転不能を防ぐことができるものである。また、加速空洞１と冷媒槽２との直接溶接により組立て時間も短縮でき、大気に曝される時間が短くなり、加速空洞１の性能低下を防止している。さらに、加速空洞を超伝導材質のニオブチタンの単体で形成したものであり、加速効率低下を防いでいる。さらにまた、希少価値の高い特殊金属のニオブとチタンとの合金を使用しているので、ニオブの使用量は約千分の１となり装置のコストアップを防止している。
【００１７】
さらに、図４に示す第３の実施例について説明する。本例は、第１あるいは第２の実施例において、高周波電力入力結合器６を１〜３ｍｍのチタンの母材３１に数μｍの超伝導材質のニオブをスパッタリングにより間に合金層３３を生成して超伝導層３２を形成したものである。その他は第１あるいは第２の実施例と同じである。本例においては、高周波電力入力結合器６の内表面をニオブの超伝導層３２で形成したものであるので、内表面での電力ロスを防止して発熱を防止することができ、加速空洞の温度上昇を防止することで加速空洞１の加速効率低下を防ぐものである。
【００１８】
さらにまた、図５に示す第４の実施例について説明する。本例は、第１あるいは第２の実施例、さらにあるいは第３の実施例において、高周波フィルター７を１〜３ｍｍのチタンの母材４１に数μｍの超伝導材質のニオブをスパッタリングにより間に合金層４３を生成して超伝導層４２を形成したものである。その他は第１ないし第３の実施例と同じである。本例においては、高周波フィルター７は希少価値の高い特殊金属のニオブを母材４１にスパッタリングにより接合したものであるので、ニオブは内表面に使用するだけでよく、ニオブの使用量は約千分の７となり装置のコストアップを防止している。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、超伝導加速器を、胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材を、前記端板部の金属と直接溶接できる同質の金属とし、同母材の内表面に超伝導材質の金属をスパッタリング接合したことを特徴とするように構成したので、またさらに、前記超伝導材質の金属は前記母材の金属と合金を生成するものであること、あるいは、前記超伝導材質の金属は前記母材の金属との合金であることにより、加速空洞と冷媒槽の端板部が直接溶接による接合が可能であるため、加速空洞と冷媒槽との接合部からのリークの発生を防止するので、加速空洞内を超高真空に保つことができ、装置の運転不能を防ぐことができ、また直接溶接により組立て時間も短縮でき、大気に曝される時間が短くなって加速空洞の性能低下を防止していることに加え、スパッタリング接合により合金層が形成され、その合金層を介して接合されているので、母材と超伝導層との接合力は極めて強固なものとなり、加速効率低下を防いでいる。さらにまた、希少価値の高い特殊金属の超伝導材質の金属は加速空洞の内表面だけに使用されており、その使用量は格段に少なく、装置のコストアップを防止している。
【００２０】
また本発明は、超伝導加速器を、胴部と端板部とからなる冷媒槽の内部に加速空洞を配置し、同加速空洞の端部と前記端板部とが接合されて前記加速空洞と前記冷媒槽との間に密閉冷媒空間が形成された超伝導加速器において、前記加速空洞の母材が、前記端板部の金属と直接溶接でき且つ同端板部の金属との合金であって超伝導材質の金属であることを特徴とするように構成したので、加速空洞と冷媒槽の端板部が直接溶接による接合が可能であるため、加速空洞と冷媒槽との接合部からのリークの発生を防止するので、加速空洞内を超高真空に保つことができ、装置の運転不能を防ぐことができ、また直接溶接により組立て時間も短縮でき、大気に曝される時間が短くなって加速空洞の性能低下を防止していることに加え、装置の運転不能を防ぐことができるものである。さらに、加速空洞を超伝導材質の合金の単体で形成したので、加速効率低下を防いでおり、さらにまた、希少価値の高い特殊金属の超伝導材質の金属と端板部の金属との合金を母材に使用しているので、超伝導金属の使用量は格段に少なく、装置のコストアップを防止している。
【００２１】
さらに本発明は、加速空洞に高周波数電力を投入する高周波電力入力結合器を端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことにより、高周波電力入力結合器内表面での電力ロスを防止して発熱を防止することができ、加速空洞の温度上昇を防止することで加速空洞の加速効率低下を防ぐものである。
【００２２】
さらにまた本発明は、加速空洞内の荷電粒子の走行で励起される高周波を取り出す高周波フィルターを端板部と同質の金属に超伝導材質の金属をスパッタリング接合した金属で形成したことにより、希少価値の高い特殊金属の超伝導材質の金属は内表面に使用するだけでよく、その使用量は格段に少なくなり装置のコストアップを防止している。
【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、図１中のＡ部の拡大図である。
【図３】  図３は、本発明の実施の形態を示す第２の実施例であって図１中のＢ部に対応する部分の拡大図である。
【図４】  図４は、本発明の実施の形態を示す第３の実施例であって図１中のＣ部に対応する部分の拡大図である。
【図５】  図５は、本発明の実施の形態を示す第４の実施例であって図１中のＤ部に対応する部分の拡大図である。
【図６】  図６は、従来の超伝導加速器の正面断面図である。
【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：高周波フィルター
８：真空容器
９：冷媒供給管
１１、３１、４１：母材
１２、３２、４２：超伝導層
１３、３３、４３：合金層
【図１】
0003727787.tif 000002
【図２】
0003727787.tif 000003
【図３】
0003727787.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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