JP6517112B2 - 超伝導リード構造体 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導リード構造体に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の超伝導リード構造体が知られている。この超伝導リード構造体は、テープ状の超伝導リードと、超伝導リードの両端部に接合される電極と、超伝導線材と電極とを含むリード本体を所定の電極間距離となるように位置決めした状態で収容する補強部材と、を備えている。

特開2015-032612号公報

上記のように、補強部材で超伝導リードをカバーすることにより、超伝導リードに対する不用意な機械的ダメージが避けられる。この場合、補強部材は電気絶縁性を有することが必要であるが、絶縁材料は一般的に超伝導リードに比較して非常に高い熱膨張率を示すので、超伝導リードと補強部材との熱膨張率の相違によって、冷却時或いは温度変動時にはリード本体に熱応力が発生する可能性がある。そして、この熱応力に起因して電極や超伝導リードに損傷が発生する可能性がある。

本発明は、超伝導リードをカバーすると共に、熱変動に伴う電極及び超伝導リードの損傷の可能性を低減する超伝導リード構造体を提供することを目的とする。

本発明の超伝導リード構造体は、超伝導コイルに電流を供給する超伝導リード構造体であって、電流の経路上に設けられた第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に架け渡され第１電極と第２電極とを電気的に接続する超伝導リードと、少なくとも第１電極と第２電極との間の領域の一部において超伝導リードを包囲する絶縁性のリード保護部と、を備え、リード保護部は、一端側が第１電極に対して固定され、他端側は第２電極に対しては非拘束状態とされている。

この超伝導リード構造体では、リード保護部が第２電極には非拘束状態であるので、超伝導リードの熱変形によって第１電極と第２電極との間の距離が変動しても、その変動にリード保護部が追従する必要がない。よって、リード保護部と超伝導リードとの熱膨張率の相違に起因する熱応力の発生が抑えられ、熱変動による超伝導リードの損傷の可能性が低減する。

超伝導リード構造体の具体的な構成として、リード保護部の他端と第２電極との間には間隙が形成されていることとしてもよい。

また、本発明の超伝導リード構造体は、第１電極に取り付けられ第１電極を冷却する熱アンカー部を更に備えることとしてもよい。このように、第１電極が熱アンカー部により冷却される構成において、上述の構成が有効である。

また、リード保護部の一端側が、第１電極と熱アンカー部との間に挟みこまれていることとしてもよい。本来、第１電極と熱アンカー部との電気的な絶縁を図る必要があるところ、上記構成によれば、第１電極と熱アンカー部との間の絶縁材をリード保護部が兼ねることができる。

本発明によれば、超伝導リードをカバーすると共に、熱変動に伴う電極及び超伝導リードの損傷の可能性を低減する超伝導リード構造体を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超伝導リード構造体が適用されるサイクロトロンを示す断面図である。 超伝導リード構造体の分解斜視図である。 超伝導リード構造体及び熱シールド筒を示す断面図である。 変形例に係るリード保護部の下端付近を拡大して示す断面図である。 他の変形例に係るリード保護部の下端付近を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるサイクロトロン１は、本実施形態に係る超伝導リード構造体が用いられるものであり、平面視において鉛直な中心軸線Ｃを中心とする円形を呈する。図１において、中心軸線Ｃよりも左側は、中心軸線Ｃと荷重支持体１２とを含む鉛直平面に沿った断面を示し、中心軸線Ｃよりも右側は、中心軸線Ｃと電流導入部２０とを含む鉛直平面に沿った断面を示す。

図１に示されるように、サイクロトロン１は、イオン源（不図示）から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する横置きの円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。

サイクロトロン１は、イオン源の他に、超伝導電磁石装置５を備えている。超伝導電磁石装置５は、ポール３，４と、ヨーク６と、超伝導コイル７，８と、コイル支持枠（コイル支持体）９と、真空容器１０と、を有する。

ポール３，４は、超伝導コイル７，８の中心軸線（超伝導コイル７，８の巻き中心軸）Ｃ方向に離間して配置されている。なお、サイクロトロン１は、中心軸線Ｃが鉛直になるように配置され使用される。ポール３は、加速空間Ｇより上方に配置された上ポールであり、ポール４は、加速空間Ｇより下方に配置された下ポールである。また、ポール３，４間には、電極（ディ電極、不図示）が設けられている。この電極に高周波を付与することで、電場が形成される。

ヨーク６は、中空の円盤型のブロックであり、その内部にポール３，４及び真空容器１０が配置されている。ヨーク６は、超伝導コイル７，８及びポール３，４で生成した磁力線が外部に漏れないようにするためのものである。

上側の超伝導コイル７は、中心軸線Ｃを中心としてポール３の外周を覆うように巻かれ、下側の超伝導コイル８は、ポール４の外周を覆うように巻かれている。超伝導コイル７および超伝導コイル８は、中心軸線Ｃ方向に並んで配置されコイル支持枠９に収容されている。超伝導コイル７，８は、超伝導線材を巻回した構成のコイル本体を有しており、超伝導線材として高温超伝導線材を用いてよい。高温超伝導線材として、酸化物超伝導体（例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３）や、ＭｇＢ２等を用いてよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。超伝導コイル７，８は、例えば、内周側に内枠（または内巻枠）が設けられておらず、コイル（線材及び線材を固着する接着材）の内周面が他の部材によって接着・固定されていない空芯コイルである。コイル支持枠９は荷重支持体１２を介してヨーク６に固定され支持されている。荷重支持体１２は、中心軸線Ｃを中心として周方向に例えば４箇所に配置されている。

真空容器１０は、中心軸線Ｃを中心として円環状に延びるコイル収容部１０ａと、コイル収容部１０ａに連通して上下に延びる円筒状の支持体収容部１０ｂと、コイル収容部１０ａに連通して上方に延びる円筒状の電極収容部１０ｃと、を有する。コイル収容部１０ａには、コイル支持枠９に装着された状態の超伝導コイル７，８が収容されている。支持体収容部１０ｂには、上記の荷重支持体１２が収容されている。電極収容部１０ｃには、外部から超伝導コイル７，８に電流を導入するための電流導入部２０が収容されている。なお、サイクロトロン１は、正負一対の電流導入部２０を備えるが、図１の断面上にはそのうちの１つの電流導入部２０のみが現れている。一対の電流導入部２０は、互いに同様の構成を備えているので、以下では、１つの電流導入部２０の構成のみを各図に示して説明し、重複する説明を省略する。

また、真空容器１０には、超伝導コイル７，８を冷却するための冷凍機１３が接続されている。冷凍機１３は、例えば、ＧＭ冷凍機であり、超伝導コイル７，８を例えば４Ｋに冷却することができる。冷凍機は、ＧＭ冷凍機（Gifford-McMahon cooler）に限定されず、例えばスターリング冷凍機を始めその他の冷凍機でもよい。

電極収容部１０ｃの上面には、電流を導入するための入力端子１５が、真空容器１０の外部に露出するように設けられている。電流導入部２０は、超伝導コイル７，８に電流を導く超伝導リード構造体２５と、超伝導リード構造体２５と入力端子１５とを接続する銅板２３とを備えている。外部の電源から入力端子１５を通じて入力される電流は、銅板２３及び超伝導リード構造体２５を介して超伝導コイル７，８に送られる。超伝導リード構造体２５の一部は、熱シールド筒２７の内側に収納されている。熱シールド筒２７は、電極収容部１０ｃ内に収容されており、電極収容部１０ｃの途中の高さの位置まで延びる円筒形状をなしている。熱シールド筒２７は、冷凍機１３の低温ヘッド（図示せず）に接続されており、熱シールド筒２７は約５０Ｋに冷却されている。熱シールド筒２７は、例えば銅からなる。

続いて、図２及び図３を参照しながら超伝導リード構造体２５について説明する。超伝導リード構造体２５は、電流経路上に設けられた第１電極ブロック３１（第１電極）と、第２電極ブロック３２（第２電極）と、超伝導リード３５と、を有している。更に超伝導リード構造体２５は、鉛直支柱３７を有している。第１電極ブロック３１の上端部には、前述の銅板２３の下端部が接続されている。第２電極ブロック３２の下端部は、他の電極類を介して超伝導コイル７，８に接続されている。第１電極ブロック３１と、第２電極ブロック３２とは、銅製であり平面視で四角形を呈する。第１電極ブロック３１と第２電極ブロック３２とは、ステンレス製の鉛直支柱３７で連結されている。超伝導リード３５は、鉛直支柱３７に平行に延び、第１電極ブロック３１と第２電極ブロック３２との間に架け渡され、第１電極ブロック３１と第２電極ブロック３２とを電気的に接続している。超伝導リード３５は、ビスマス系等の超伝導材料からなる。

超伝導リード３５は、薄板状をなし機械的強度も比較的小さいので、超伝導リード３５は物理的に保護されることが好ましい。このため、超伝導リード構造体２５は、少なくとも第１電極ブロック３１と、第２電極ブロック３２との間の領域において超伝導リード３５を包囲するリード保護部４１を備えている。リード保護部４１は、例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等の電気絶縁性の材料からなる。リード保護部４１は、超伝導リード３５に平行な方向に延びる四角筒状をなし、リード保護部４１の中空部に超伝導リード３５及び鉛直支柱３７が収容されている。リード保護部４１の上端部が第１電極ブロック３１に固定されており、リード保護部４１の上端部の内周面が第１電極ブロック３１の外周面に接している。

第１電極ブロック３１に対するリード保護部４１の固定方法としては、後述するように、他の部材と一緒にボルト止めされてもよく、接着剤等を用いてもよい。リード保護部４１は、第１電極ブロック３１の４つの側面にそれぞれ固定された４枚の断熱板材４１ａの組み合わせによって形成されている。また、リード保護部４１は第１電極ブロック３１から第２電極ブロック３２に向けて下方に延びており、リード保護部４１の下端は第２電極ブロック３２に対しては非拘束状態とされている。非拘束状態とは、第２電極ブロック３２が超伝導リード３５の延在方向に変位した場合にリード保護部４１の下端が追従して変位しない状態であり、第２電極ブロック３２とリード保護部４１の下端とがそれぞれ独立して超伝導リード３５の延在方向に変位可能である状態を言う。

非拘束状態の具体的な構成として、リード保護部４１の長さは、リード保護部４１の下端が第２電極ブロック３２に達しないような長さに設定されている。そして、図３に示されるように、リード保護部４１の上端部を第１電極ブロック３１に固定したときに、リード保護部４１の下端と第２電極ブロック３２の上端との間に上下方向の間隙Ａが形成され、リード保護部４１と第２電極ブロック３２とは非接触である。

更に超伝導リード構造体２５は、第１電極ブロック３１と熱シールド筒２７との熱的な接続を仲介する熱アンカー部４３を備えている。熱アンカー部４３は例えば銅からなる。熱アンカー部４３はＬ字状をなす部材であり、熱アンカー部４３の水平片の底面が熱シールド筒２７の上面に固定される。そして、熱アンカー部４３の鉛直片の側面が、断熱板材４１ａを介して第１電極ブロック３１の側面に固定される。すなわち、熱アンカー部４３と第１電極ブロック３１との間に断熱板材４１ａの上端部が挟み込まれている。例えば、熱アンカー部４３が、断熱板材４１ａを貫通するボルト等によって第１電極ブロック３１の側面に締結されることで、熱アンカー部４３及び断熱板材４１ａが第１電極ブロック３１に対して固定される。この場合、ボルトは電気絶縁性の材料からなる。

この構成により、第１電極ブロック３１は、断熱板材４１ａ及び熱アンカー部４３を通じて熱シールド筒２７と同等の温度（約５０Ｋ）に冷却される。その一方、第１電極ブロック３１と熱アンカー部４３との間には断熱板材４１ａが介在しているので、第１電極ブロック３１と熱アンカー部４３とが電気的には絶縁され、超伝導コイル７，８への供給電流が熱シールド筒２７側にリークすることが避けられる。

以上の超伝導リード構造体２５による作用効果について説明する。

超伝導リード構造体２５では、リード保護部４１の存在により、超伝導リード３５に対する不用意な機械的ダメージが避けられる。また、リード保護部４１の上端（一端）のみが第１電極ブロック３１に固定され、リード保護部４１の下端（他端）は第２電極ブロック３２には非拘束状態である。この構成により、超伝導リード３５の熱変形によって第１電極ブロック３１と第２電極ブロック３２との間の距離が変動しても、その変動にリード保護部４１が追従する必要がない。よって、リード保護部４１と超伝導リード３５との熱膨張率の相違に起因する熱応力の発生が抑えられ、熱変動による超伝導リード３５の損傷の可能性が低減する。また、リード保護部４１の熱膨張率を考慮する必要がないので、リード保護部４１の材料選択の幅を広くすることができる。

また、第１電極ブロック３１と熱アンカー部４３との電気的な絶縁を図る必要があるところ、リード保護部４１の上端部が、第１電極ブロック３１と熱アンカー部４３との間に挟みこまれる構成によれば、第１電極ブロック３１と熱アンカー部４３との間の絶縁材をリード保護部４１が兼ねるので、部品点数の削減が図られる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、以下に説明する変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、リード保護部４１を４枚の断熱板材４１ａで形成することは必須ではなく、四角筒状のリード保護部４１が一体的に形成されてもよい。また、隣接する断熱板材４１ａ同士の間に隙間が生じてもよい。

また、リード保護部４１を第２電極ブロック３２に対して非拘束状態とする構成の例として、図４又は図５のような構造を採用してもよい。すなわち、図４に示されるように、リード保護部４１の内周面と第２電極ブロック３２の外周面との間に、径方向（超伝導リード３５の延在方向に直交する方向）の間隙Ｂが形成されるようにしてもよい。また、図５に示されるように、リード保護部４１の内周面と第２電極ブロック３２の外周面とを摺接させ、熱変形時にはリード保護部４１の内周面が第２電極ブロック３２の外周面上を摺動するようにしてもよい。また、本発明の超伝導リード構造体は、超伝導サイクロトロンに限らず、他の超伝導電磁石を用いる装置（荷電粒子線治療装置の偏向電磁石、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ）によるシリコン単結晶引き上げ装置等）へも適用可能である。

７，８…超伝導コイル、２５…超伝導リード構造体、３１…第１電極ブロック（第１電極）、３２…第２電極ブロック（第２電極）、３５…超伝導リード、４１…リード保護部、４３…熱アンカー部、Ａ，Ｂ…間隙。

Claims (4)

1. 超伝導コイルに電流を供給する超伝導リード構造体であって、
   前記電流の経路上に設けられた第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に架け渡され前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する超伝導リードと、
   少なくとも前記第１電極と前記第２電極との間の領域の一部において前記超伝導リードを包囲する絶縁性のリード保護部と、を備え、
   前記リード保護部は、
   一端側が前記第１電極に対して固定され、他端側は前記第２電極に対しては非拘束状態とされ、
   前記第１電極を冷却する熱アンカー部を更に備え、
   前記リード保護部の前記一端側が、前記第１電極に接触するとともに、前記第１電極と前記熱アンカー部との間に挟みこまれている、超伝導リード構造体。
2. 前記リード保護部の前記他端と前記第２電極との間には間隙が形成されている、請求項１に記載の超伝導リード構造体。
3. 前記熱アンカー部は、前記リード保護部の前記一端側に接触する、請求項１又は２に記載の超伝導リード構造体。
4. 前記超伝導リードおよび前記リード保護部の他端側を収納する熱シールド筒をさらに有し、
   前記熱アンカー部は、水平片および鉛直片を有するＬ字状をなし、前記水平片が前記熱シールド筒に固定され、前記鉛直片が前記リード保護部の前記一端側に接触する、請求項３に記載の超伝導リード構造体。

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