(57)【要約】【課題】超電導導体が所定の位置に強固に固定されるとともに製作および分解の作業性のよい超電導マグネットおよびその製造方法を提供する。【解決手段】巻枠１の周囲に層間シート２を介在させて超電導導体３を複数層に巻回する超電導マグネットの製造方法において、超電導導体３の表面および巻枠１の表面および層間シート２の表面に接着剤５，６を塗布し、接着剤を融着一体化させることにより超電導導体３を巻枠１または層間シート２に接着固定する方法とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠の周囲に層間シートを介在させて超電導導体を複数層に巻回する超電導マグネットの製造方法において、前記超電導導体の表面および前記巻枠の表面および前記層間シートの表面に接着剤を塗布し、前記接着剤を融着一体化させることにより前記超電導導体を前記巻枠または前記層間シートに接着固定することを特徴とする超電導マグネットの製造方法。
【請求項２】
前記接着剤は熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネットの製造方法。
【請求項３】
前記接着剤はフェノキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネットの製造方法。
【請求項４】
前記接着剤を融着させるための加熱手段として超音波振動を利用することを特徴とする請求項１記載の超電導マグネットの製造方法。
【請求項５】
巻枠と、前記巻枠の周囲に層間シートを介して複数層に巻回された超電導導体と、前記超電導導体相互間に配置されたダミー導体と、前記巻枠と前記層間シートと前記超電導導体と前記ダミー導体の少なくとも二者を相互に接着する接着剤とを備えていることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項６】
前記超電導導体あるいは前記ダミー導体の相互間の隙間にフィラー入りのエポキシ樹脂が充填されていることを特徴する請求項５記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子加速器などに使用される超電導マグネットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子加速器などに使用される超電導マグネットにおいては、必要な精度の磁場を発生させるためにはコイル内の導体が精度良く設計通り配置されていることが必要であり、導体位置精度として±０．０５mmが求められる例もある。また超電導マグネットの多くは極低温に冷却されて使用されるため、コイルは冷却に伴い発生する熱応力に対し剥離、割れ,過剰歪みなどの異常を発生しない構造を求められる。
【０００３】
コイルが高電流密度化、大型化するとそれに伴い発生磁場が大きくなるため、大きな電磁力が生じることになり構造的な支持固定が重要となる。コイルの固定が充分でないと、電磁力等の擾乱により導体が微少移動した際に超電導状態が破れるクエンチ現象が起きることがあり、機器の性能が発揮出来ないという事態が生じる。また、粒子加速器に使用される超電導マグネットの場合、放射線に曝されるので材料の耐放射線特性も求められる。
【０００４】
一般的に大型の粒子加速器に使用される２極以上の超電導マグネットの場合、単線の超電導導体を何本か集合させそれを撚った後、ダイスにて台形状に成型したラザフォードタイプと呼ばれるケーブル導体を使用する。コイル成型する場合はこのケーブル導体を鞍形に巻線成型し、それをビームの貫通孔の周囲に集合させ必要な磁場を発生させるような構造としている（下記非特許文献１参照）。但しこれはケーブル導体が複数の単線を撚り線した導体のため、断面積が大きくなり必然的に大電流にて使用する超電導マグネットに適用さている。
【０００５】
それに対し、上記とは別に、小電流にて使用される超電導マグネットの場合、丸線や角線の単線を使用するが、鞍型コイルを形成させ更に、導体位置精度を高めるため導体を整列させた巻線を効率的に行う方法は現在確立されていない。効率的ではないが単線の超電導線を位置精度良く巻線する方法として、ビーム貫通孔周囲の構造物に座標制御可能な巻線機で直接導体を接着固定しながら巻線していく方法がある。この巻線方法では接着材はアクリル系瞬間接着剤やエポキシ系加熱硬化樹脂が使用されている。さらにコイルの冷却時の熱応力や励磁に伴う電磁力の支持固定は巻線時の接着剤による接着強度に頼るか、コイル外周側からの機械的拘束に依存している。
【０００６】
上述の小電流にて使用される超電導マグネットは図７のようになっている。すなわち、ビーム貫通孔を構成する構造物１の周囲に層間シート２を挟みながら、超電導導体３が数値制御された巻線機により接着固定されながら巻線されコイルを構成している。図８は導体部を示した詳細断面図で、層間シート２と超電導導体３は、超電導導体３と層間シート２の間に塗布した瞬間接着剤９により接着固定されている。
【非特許文献１】「超電導工学」電気学会発行オーム社販売  １９９１年１０月１５日発行  第２４７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように構成された超電導マグネットでは、下側層の超電導導体３が無い部分の上に上側層の超電導導体３が配置される場合は、上層導体の直下部が何もない空間１０となるため、層間シート２が下層側に落込み、上層の導体位置精度が悪化する場合がある。また、瞬間接着剤９は点接触に近い状態で層間シート２と超電導導体３を接着しているため、接着強度が十分に確保出来ない問題がある。さらに超電導導体３の間は何も無い空間１０となるため、コイル自体の構造体としての剛性が低く、熱応力や電磁力に耐えられないという問題がある。
【０００８】
このように、多層のコイルの場合、巻き進めていく段階で下側層にて超電導導体３の配置が無い部分に層間シート２が落込むなどして、上層の導体位置精度が悪化するため、上層に巻き進む程、超電導導体３の位置精度が確保出来ないという問題がある。また電磁力が強大となった場合は、導体の支持巻線時の接着強度のみでは十分でなく、冷却による熱応力、励磁による電磁力に耐えられないという問題があり、多層化した大型のコイルを使用する超電導マグネットには適用することが出来ないという問題がある。
【０００９】
このようにビーム貫通孔周囲の構造物に座標制御可能な巻線機で直接超電導導体を接着固定しながら巻線していく方法を採用する場合、超電導導体の位置精度は巻線機の機械的制御精度により確保出来るものの、超電導導体固定のため瞬間接着剤を使用した場合は極低温において接着強度が低下し十分な強度が得られない。またエポキシ系の熱硬化型樹脂により接着固定した場合は極低温での強度は確保出来るものの一定の熱硬化時間が必要であり、巻線中接着剤の硬化を待つ時間が必要で巻線速度が著しく低下する。また、エポキシ樹脂系の熱硬化型接着剤では、架橋反応により強固な分子の網目構造が形成されることにより再加熱しても流動化しないため、巻線のやり直しなど修正が出来ない等の問題がある。  
そこで本発明は、超電導導体が所定の位置に強固に固定されるとともに製作および分解の作業性のよい超電導マグネットおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、巻枠の周囲に層間シートを介在させて超電導導体を複数層に巻回する超電導マグネットの製造方法において、前記超電導導体の表面および前記巻枠の表面および前記層間シートの表面に接着剤を塗布し、前記接着剤を融着一体化させることにより前記超電導導体を前記巻枠または前記層間シートに接着固定する方法とする。
【００１１】
請求項５の発明は、巻枠と、前記巻枠の周囲に層間シートを介して複数層に巻回された超電導導体と、前記超電導導体相互間に配置されたダミー導体と、前記巻枠と前記層間シートと前記超電導導体と前記ダミー導体の少なくとも二者を相互に接着する接着剤とを備えている構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超電導導体が所定の位置に強固に固定されるとともに製作および分解の作業性のよい超電導マグネットおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態を図１から図６を参照して説明する。  
図１に示すように、巻枠であるビーム貫通孔構造物１の周囲に図示しない座標制御可能な巻線機により超電導導体３が巻き回される。超電導導体３と超電導導体３の隙間の空間にはダミー導体４が配置される。このダミー導体４として、コイルに使用しているものと同種類の超電導導体を短く切断したものを使用する。また図２に示すように、超電導導体３は層間シート２を挟み多層に巻線されている。超電導導体３は、図３に示すように、超電導導体３の上部から超音波振動子８を用いて超電導導体３を層間シート２に押圧振動させることにより、超電導導体３と層間シート２の間が振動摩擦により加熱され、層間シート２上に塗布した接着剤６と導体周囲に塗布した接着剤５が融着一体化することにより、超電導導体３が位置精度良く、強固に固定される。図４は、図３の接着工程を経て形成された上層および下層の２層から成るコイル部の拡大断面図であり、このコイル部は、導体３間の空間にはシリカフィラー入りのエポキシ樹脂からなる充填樹脂７が充填された構成となっている。なお、エポキシ樹脂は一般的なビスフェノールＡ型で図６の様な分子構造を有する。
【００１４】
実際の巻線時には超音波振動子８が超電導導体３の上を押圧しながら通過し、超電導導体３を層間シート２に接着固定していく巻線方法を取る。超電導導体３の周囲の接着剤５と層間シート２表面の接着剤６には図５に示す分子構造を持ったフェノキシ樹脂が用いられる。超電導導体３への接着剤の塗布に関しては特許第2597724号公報に記載されている方法と同様の方法が取られる。
【００１５】
上記のように構成された本実施の形態の超電導マグネットでは、超電導導体３の周囲及び層間シート２にフェノキシ樹脂からなる接着剤５，６が塗布してあり、超音波振動子８を使用して超電導導体３を層間シート２に押付けることにより発生する摩擦熱により接着剤５，６が融解する。超音波振動子８が押し当てられながら通過してゆくことによる融解・再凝固の過程でフェノキシ樹脂層が一体となることにより、超電導導体３が所定の位置に精度良く強固に固定されている。
【００１６】
フェノキシ樹脂は熱可塑性のため、熱硬化型の樹脂と異なり再融解が可能なため、巻線の修正作業などが可能となり作業性を高めることが出来る。またフェノキシ樹脂の融解・再凝固は短時間で反応が収束するので巻線作業の高速化を図ることが出来る。またフェノキシ樹脂は接着強度が高く、極低温においても十分な接着強度を有するため、極低温に冷却することによる接着力の低下で、導体が剥離するようなことが起きない。
【００１７】
また超電導導体３間の大きな隙間には、同一寸法で同じ接着剤を塗布したダミー導体４を配置することにより、上層との間の層間スペーサ２が下層側に落ち込むことがなく、下層から上層へ巻き進めていく上での超電導導体３の位置精度を高くしている。また超電導導体３と同じ材質の導体をダミー導体４として配置することにより、コイル構造体としての剛性も高めている。なお、本実施の形態ではダミー導体４として超電導導体を使用したが、同等の断面寸法を有するＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）のスペーサなどで代用することも出来る。
【００１８】
最終的に超電導導体３間の空間はシリカフィラーによって熱収縮率を超電導導体３に近づけた充填樹脂７により充填され、冷却及び励磁に伴う熱応力及び大きな電磁力に耐える構造となっている。フェノキシ樹脂で接着固定された超電導導体３間の充填材としてエポキシ樹脂を使用する場合、フェノキシ樹脂とエポキシ樹脂は分子構造的に類似しているため、物性が類似しているため相性が良く、異種樹脂材料を複合的に用いた場合に界面で生じる剥離等の問題が起きることがない。そのため、超電導導体３の強固な位置固定が可能となる。また、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂とも高い耐放射線特性を持っている。
【００１９】
本実施の形態の超電導マグネットは図１，２，３，４に示したように超電導導体３の周囲とビーム貫通孔構造物１の外周及び層間シート２の表面にフェノキシ樹脂を塗布し、それを接着固定させることによりコイルを成型してゆくもので、巻線時の超電導導体３の位置精度を確保すると共に、作業性が良く、高い接着強度も得ることが出来る。
【００２０】
また超音波振動子８により超電導導体３を振動させることによって、超電導導体３と被接着物である層間シート２の間に起きる摩擦発熱を利用して接着剤５，６を融着させることにより、他の部分に熱影響を及ぼさない局所的な加熱接着が高速で可能となり、安定した超電導導体位置精度を確保でき、作業性も向上させることが出来る。
【００２１】
また超電導導体３の間の大きな空間には、同寸法で同一接着剤を施したダミー導体４を配置することにより、層間シート２が下層側に落込むことによる上層側導体の寸法精度の悪化を防ぎ、また導体が無い空間を少なくすることにより全体的なコイル構造体としての剛性も高めている。
【００２２】
さらに、導体と導体の隙間をフィラー入りエポキシ樹脂の充填樹脂７で充填することにより、超電導導体３の位置固定及び熱応力と電磁力に対する固定を強固なものにしている。エポキシ樹脂はフェノキシ樹脂と分子構造的に類似しており。樹脂界面での剥離現象などが起きることがない。エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂は放射線に対する耐力の高い材料であるので、コイル及び超電導マグネットとしての耐放射線能力は高いものとなっている。
【００２３】
なお、以上の説明は鞍形コイルの超電導マグネットについて行ってきたが、本発明はソレノイド形等の超電導マグネットにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の超電導マグネットを示す斜視図。
【図２】本発明の実施の形態の超電導マグネットのコイル部の部分詳細断面図。
【図３】本発明の実施の形態の超電導マグネットの巻線時の超音波加熱による接着工程を示す概念図。
【図４】本発明の実施の形態の超電導マグネットのコイル部の接着剤及び充填樹脂の配置を示す部分詳細断面図。
【図５】本発明の実施の形態の超電導マグネットにおいて接着剤として用いるフェノキシ樹脂の化学構造を示す図。
【図６】本発明の実施の形態の超電導マグネットにおいて充填樹脂を構成するエポキシ樹脂の化学構造を示す図。
【図７】従来の超電導マグネットを示す断面図。
【図８】従来の超電導マグネットのコイル部分の詳細断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１…ビーム貫通孔構造物、２…層間シート、３…超電導導体、４…ダミー導体、５…導体周囲に塗布した接着剤、６…層間シート表面に塗布した接着剤、７…導体間に充填した樹脂、８…超音波振動子、９…瞬間接着剤、１０…空間。
【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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