JPH10172796A - ２重構造ビームチャンバを有する超電導ウィグラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導コイルを冷却する極低温冷媒の消費を
抑えるとともに、ビームチャンバ内の磁場強度を強化
し、小型化が容易になる超電導ウィグラを提供する。 【解決手段】 ビームチャンバを内槽１３の殻の一部を
形成する外側ボアと熱シールド槽１７と熱的に接続され
電子ビームが通過する内側ボアの２重構造とすることに
より高さを抑えたビームチャンバを組み込んだ超電導ウ
ィグラ。内側ボアの側壁には液体窒素が通過する冷却管
５を添設することが好ましい。また、ビームボアと外槽
２９のフランジ３９の間にはベローズ継手４７等の断熱
機構を設けるとよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム用加速
器リング等に挿入されて超電導コイルによる磁場の働き
で放射光を発生させる超電導ウィグラに関し、特に改良
されたビームチャンバを用いることによって磁場を強化
した超電導ウィグラに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム用加速器リング等に挿入され
て放射光を発生させる超電導ウイグラは、電子ビームが
通るビームチャンバと、電子ビームに強力な磁場を作用
させるためそのビームチャンバを挟んで配設される超電
導コイルと、超電導コイルの超電導状態を維持するため
冷却するクライオスタットとから構成される。通常、ク
ライオスタットは３重構造を有し、最内部に液体ヘリウ
ムを満たし、超電導コイルを収納して極低温に冷却する
内槽を配し、中間部に液体窒素を満たし、外槽から内槽
への熱侵入を抑制する熱シールドの機能を果たす輻射シ
ールド槽を備え、最外部の外槽により構造的にまた熱的
に保護されている。各槽間の熱伝達を抑制して冷媒の寿
命を保つため各槽間の空間は真空断熱がなされている。

【０００３】ビームチャンバは、上下で対になったメイ
ンコイルとサイドコイルからなる超電導コイルに挟まれ
て、磁場を横切って走行する電子ビームを通す空間を形
成している。励磁中の上下の超電導コイルは相互に大き
な吸引力が作用するので、この電磁力を受け止めて変形
や変位をしないようにするための耐電磁力ブロックがビ
ームチャンバの両側面に同じ高さで挿入されている。通
常、ビームチャンバの構造は、図３に断面を示すよう
に、電子ビームに露出し加速器リングと同じ真空空間を
形成する常温ボア（内側ボア）、超電導コイルを収納す
る内槽の構成殻をなして断熱真空を形成する低温ボア、
常温ボアと低温ボアの中間の断熱真空層の中間にあって
輻射熱を軽減する熱シールドボアから構成される３重構
造を有する。

【０００４】常温ボアはベローズのようなフレキシブル
部材を介して外槽に取り付けられて、リニアックや電子
蓄積リングなどから供給される電子ビームを導く真空配
管と接続される。特に入射直後の不安定な電子ビームの
散乱により、常温ボアの内面が加熱される場合には、そ
の熱が内槽に伝達しないようにして液体ヘリウムの冷熱
を浪費しないようにする必要がある。熱シールドボアは
液体窒素冷熱を利用する輻射シールド槽にサーマルアン
カ板等を介して取り付けられ液体窒素沸点温度の近傍に
維持され、常温ボアと内槽の間の熱伝達を遮断する。

【０００５】ビームチャンバはボア相互の間を真空にし
ておき、電子ビームが通過する常温ボアの熱の伝達を断
熱真空層と、中間的な温度を有する熱シールドボアによ
って遮断するようになっている。低温ボアは内槽への熱
侵入を抑える断熱真空を維持するための耐真空殻であ
り、常温ボアはビーム真空に対する耐真空殻であって、
両者は別々の真空空間を形成する。一方、熱シールドボ
アは輻射シールド槽と熱的につながって遮蔽スクリーン
となることが主機能であり、通常は耐真空殻ではない。

【０００６】上下の超電導コイル間の距離を磁極間ギャ
ップと呼ぶ。超電導コイルにより発生する磁場の強さは
この磁極間ギャップの大きさに影響されるので、強磁場
を電子ビームに印加できるようにするため磁極間ギャッ
プは極力小さくすることが必要である。ところが、磁極
間ギャップはビームチャンバの高さに制限を受けるた
め、結局のところ電子ビームへの磁場の強さはビームチ
ャンバの高さに影響されることになり、電子ビームに所
要の磁場強度を与える超電導コイルは大きくなりがちで
ある。

【０００７】一方、電子ビームに対する磁場の強さを生
かすために、３重構造のままビームチャンバの高さを低
くするための方法として、常温ボアの高さを低くするこ
ととボア間ギャップを小さくすることが考えられる。し
かしながら、常温ボアの高さは加速器リングから入射す
る電子ビームの垂直方向と水平方向の安定度から決定さ
れるものであり、超電導ウィグラの設計上の必要性だけ
では決められない。また、ボア間ギャップを小さくする
と、ビームチャンバ組立施工上の寸法誤差や冷却に伴う
クライオスタット構成材相互の熱収縮によって、各層ボ
ア同士の接触が生じる。各層ボア間の接触は内槽の断熱
性を悪化させ、超電導コイルの冷却維持を困難にするた
めウィグラ運転に支障を来す結果となる。このように、
従来の３重構造を有するビームチャンバの構造に起因す
る設計上の制限があったため、超電導ウィグラの小型化
に制約があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、全体の高さを抑えながら、常温ボ
アから内槽への熱伝達を抑制して極低温冷媒の消費を抑
えることができるビームチャンバ構造を有し、小さな超
電導コイルで、発生する磁場をより強くするようにした
超電導ウィグラを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の超電導ウィグラは、電子ビームが通るビー
ムチャンバと、ビームチャンバを挟んで配設される超電
導コイルと、超電導コイルを冷却維持する内槽と内槽を
取り囲むように配設された輻射シールド槽を備えたクラ
イオスタットとから構成された超電導ウィグラであっ
て、ビームチャンバが輻射シールド槽と熱的に接続し真
空を保持して電子ビームを通す内側ボアと内槽に接する
外側ボアを備え、内側ボアと外側ボアの間を真空に保持
した２重構造を有することを特徴とする。

【００１０】また、内側ボアの両端に電子ビーム出入口
の間の熱伝導を抑制する断熱機構を備えることが好まし
い。さらに、ベローズを断熱機構として使用することが
より好ましい。またさらに、内側ボアの側壁に冷媒を通
す冷却管を沿わせておくようにすることが好ましい。こ
の冷媒はビームチャンバの壁に電子ビームが散乱接触し
て発熱するのを抑える効果を有する。なお、この冷却管
に通す冷媒として輻射シールド槽の液体窒素を利用する
ことができる。

【００１１】本発明の超電導ウィグラによれば、従来低
温ボア、熱シールドボア、常温ボアの３重構造をなして
いたビームチャンバが、常温ボアと熱シールドボアを一
体化させて２重構造になるため、チャンバ総体の高さが
縮まる。このため、磁極間ギャップが小さくなり磁気回
路の抵抗が小さくなって、ビーム走行位置における磁場
が強化される。また、超電導コイルの磁場の強さが有効
に活用でき、同じ磁場強度を得るために必要とされる起
磁力が小さくなり、超電導コイルの電流値や巻き数が小
さくて済むようになる。このようにして、本発明の超電
導ウィグラは自由電子レーザ装置の小型・強力化に貢献
する。

【００１２】また、内側ボアの両端に電子ビーム出入口
の間の熱伝導を抑制する断熱機構を備えた本発明の超電
導ウィグラは、電子ビーム出入口の常温部分から内側ボ
アに伝導される熱量を抑えて、輻射シールド槽の液体窒
素により冷却効果を十分に生かすことができる。さら
に、ベローズを断熱機構として使用したものは、ベロー
ズによって熱伝導経路を長くして熱伝達量を抑えると共
に、ベロ−ズの伸縮性と可撓性のため位置の自由度が大
きく組立調整が容易になり、かつ熱収縮の吸収が容易で
所期の位置・姿勢を確保することができる。またさら
に、ビームチャンバの内側ボア側壁に液体窒素を通す冷
却管を沿わた超電導ウィグラは、特に運転調整時や初期
の電子ビーム不安定期に液体窒素等の冷媒を通して冷却
することにより、電子ビームが壁面に当たって昇温する
のを抑制することができる。このようにして、内槽に収
容された液体ヘリウムの消費を抑制して経済的な運転を
可能にする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に表した実施例によっ
て本発明に係る超電導ウィグラを詳細に説明する。図１
は、本発明の超電導ウィグラの実施例を示す一部切り欠
き断面図、図２は本実施例に用いる２重構造化したビー
ムチャンバの例を示す断面図である。超電導コイルの磁
場の強さを有効に活用するためには、ビームチャンバの
高さすなわち磁場方向における幅を極力小さくすること
が望まれる。常温ボア（内側ボア）の高さはビームの大
きさと安定度によって決定されるが、常温ボアと熱シー
ルドボアの間および熱シールドボアと低温ボアの間の断
熱真空層の高さはクライオスタットの組立施工精度と構
成材相互の熱収縮差を勘案して決定されるので、ビーム
チャンバの高さを自由に縮小することはできない。

【００１４】このため本発明の超電導ウィグラでは、ビ
ームチャンバの３重構造の内、常温ボアと熱シールドボ
アを一体化し耐真空殻として内側ボアとすることによっ
て、ビームチャンバを２重構造化してその全体高さを縮
小する。内側ボアは、電子ビームが通るビーム真空空間
を確保すると共に、輻射シールド槽と熱的に接続するこ
とにより低温壁である外側ボアへの熱伝達を遮蔽する機
能を有する。上記のようにビームチャンバを２重構造化
することにより磁極間ギャップを縮小できるので、超電
導コイルの磁場の強さが有効に活用でき、少ないアンペ
ア・ターン（電流値×巻数）で大きな磁場を発生できる
ようになる。

【００１５】図２に見るように、本実施例におけるビー
ムチャンバは、クライオスタット内槽に接する低温壁の
外側ボア１と、真空に保持され電子ビームが走行する内
側ボア３からなり、内側ボア３の両脇には冷却管５が沿
設されている。ビームチャンバはメインコイルおよびサ
イドコイルの２種の超電導コイル７に挟まれて、超電導
コイル７が生成する磁場を貫通している。超電導コイル
７には鉄ヨーク９が組み込まれている。超電導コイル７
の間には耐電磁力ブロック１１が挟設されていて、超電
導コイル７の電磁力を受け止めて電子ビーム通路やコイ
ルの変形や変位を防いでいる。

【００１６】この２重構造化ビームチャンバは外側ボア
１と内側ボア３の間に単一の断熱真空層が存在するだけ
であるため、従来の構造と比較するとビームチャンバの
高さが小さくなり磁極間ギャップが大幅に縮小してい
る。このため、同じ超電導コイルを使う場合にビームチ
ャンバ内の電子ビーム走行位置に発生する磁場の強度が
大きくなる。また、電子ビームに所定の磁場を印加しよ
うとする場合には、必要とされる超電導コイルの容量が
より小さくなる。

【００１７】図２のビームチャンバは、熱シールドボア
でもある内側ボア３の両側面に液体窒素を通す強制冷却
管５を設けている。これは入射ビームが不安定であるた
め散乱ビームで内側ボア３の内面が加熱されるような状
況にあるときに、冷却管５中に液体窒素を強制的に流す
ことによって内側ボア３を冷却して、低温ボア１に対す
る熱伝達を抑制するものである。

【００１８】図１は本発明の実施例であり、図２に示す
２重構造化ビームチャンバを組み込んだ超電導ウイグラ
ーの全体構造を示している。磁極としての超電導コイル
７と有効な磁気回路を閉じこめる鉄ヨーク９はクライオ
スタットの円筒状内槽１３の内に収納されて冷却が維持
される。内槽１３には液体ヘリウム配管１５を経由して
液体ヘリウムが充填されていて、気化したヘリウムは排
気管を兼用する液体ヘリウム配管１５を通って排気され
る。

【００１９】内槽１３の周囲を囲うように輻射シールド
槽１７が設けられている。輻射シールド槽１７には、液
体窒素配管１９を介して液体窒素が充填され、外部環境
から内槽１３に入射する輻射熱を軽減している。気化し
た窒素は排気を兼ねる液体窒素配管１９を通って排気さ
れる。輻射シールド槽１７には、加圧弁を備えた加圧管
２１が設備されていて、輻射シールド槽１７に窒素圧を
印加することにより、ベローズ２３を介して接続された
強制冷却管５に液体窒素を供給できるようになってい
る。強制冷却管５内で気化した窒素はベローズ２５を介
して接続された窒素排気管２７から系外に排気される。
なお、ベローズ継手を使用するのは、冷却に伴う熱収縮
を吸収させて内側ボア３を変位させないためである。さ
らにその外周に外槽２９があり、設置脚３１により土台
に固定されている。外槽２９と輻射シールド槽１７との
間の空間は断熱真空層となっている。

【００２０】なお、本実施例では、超電導コイル７の励
磁のために高温超電導電流リード３３を使用している。
高温超電導電流リード３３は、下端が内槽１３内の液体
へリウムと熱接触して４．２Ｋ近傍まで冷却され、上端
が液体窒素輻射シールド槽１７と上部サーマルアンカ板
３５を介して熱接触して７７Ｋ近傍まで冷却されて、超
電導状態を維持している。上部サーマルアンカ板３５は
内槽１３に対する上部からの輻射入熱を遮断する輻射シ
ールドを兼ねている。高温超電導電流リード３３には銅
編組線３７が接続されており、超電導コイル７はこれら
のリード線を介して図外の励磁用直流電源から給電する
ことにより励磁される。

【００２１】図２に示す２重構造化したビームチャンバ
は、クライオスタット内槽１３の軸芯位置に配設され
て、超電導コイル７により形成された強磁場の中心部を
貫通しており、外槽２９両端面の端部フランジ３９の電
子ビーム出入口の間をつないでいる。ビームチャンバの
外側ボア１は内槽１３の両端面に設けられた鏡板４１に
耐真空溶接されている。また、耐真空構造化された内側
ボア３はその両端で耐真空溶接によりベローズ端板４３
に固定されている。ベローズ端板４３は輻射シールド槽
１７の端面に設けられたサーマルアンカ板４５に固定さ
れる。サーマルアンカ板４５の機能は、内側ボア３を伝
導冷却するとともに、内側ボア３の軸芯を外側ボア１と
同軸位置に保持するところにある。

【００２２】内側ボア３両端のベローズ端板４３に固定
されたベローズ４７の他端は外槽両端フランジ３９に耐
真空溶接される。ベローズ４７は極めて薄肉の金属ドー
ナツ板を蛇腹状につなぎ合わせたものであり、熱伝導経
路が長いため熱伝導を大幅に軽減できるとともに、伸縮
性と可撓性に富んでいるため構造組立の自由度が高く、
軸方向の熱収縮を柔軟に吸収する。本実施例でベローズ
４７を使用する目的は、構造組立の自由度と熱収縮の吸
収とともに熱伝導の軽減効果を狙いとしている。このた
め、必要ならばベローズの畳み込み長を長くするなどし
て熱伝導経路を長大化し、熱伝導をより効果的に抑制す
る工夫がなされる。

【００２３】入射ビームが安定している状況では、内側
ボア３はクライオスタット内の液体窒素が収納された輻
射シールド槽１７に対して熱的に接続されているサーマ
ルアンカ板４１を介した熱伝導により液体窒素で冷却さ
れる。また、内側ボア３が電子ビーム出入口の常温部に
直接接続されていると常温部からの熱伝導によって、輻
射シールド槽１７からの伝導冷却効果が大幅に減殺され
るので、本実施例では電子ビームのための常温出入口部
と内側ボア３の間にベローズ４７を設けて常温部からの
熱伝導を抑えている。

【００２４】入射直後のビーム状態が不安定なため電子
ビームが側壁に当たって内側ボア３が加熱される場合に
は、液体窒素配管１９等を閉鎖して輻射シールド槽１７
を密閉状態にし、加圧管２１を通じて外部から加圧ガス
を導入し、輻射シールド槽１７を加圧する。すると強制
冷却管５内を液体窒素が流れ始めて内側ボア３はより効
果的に冷却されるので、過熱状態には至らない。この過
程で強制冷却管５の他端の窒素排気管２７から窒素蒸発
ガスが排出される。電子ビームが安定状態となり散乱ビ
ームによる内側ボア３への加熱がなくなると、内側ボア
３はサーマルアンカ板４１を介した輻射シールド槽１７
からの熱伝導のみで充分に冷却される。この状態では、
強制冷却管５内に液体窒素が滞留した状態となる。

【００２５】上記説明したとおり、本実施例におけるビ
ームチャンバでは強制冷却と熱伝導冷却の両手段を併用
することによって、常温ボアと熱シールドボアを一体化
した内側ボアは充分に冷却されるので外側ボアおよび内
槽への輻射熱遮蔽の機能を果たす。また、内側ボアは耐
真空構造にされているのでビーム真空を維持する機能も
充分に果たす。なお、上記実施例では、内側ボアと外槽
の熱伝導を抑制する手段としてベローズ継手による接続
を用いたが、実効的な熱伝導率が小さい各種機構が使用
できることは言うまでもない。たとえば、材料自体の熱
伝導度が低いアクリル樹脂等の非金属を使用した断熱機
構を使用してもよい。また、内側ボアの両側の側壁に冷
却管を添設したが、要求される熱伝導状況により一方の
壁に付しただけでも十分機能を発揮する場合がある。な
お、実施例の説明においては、外壁に溶接で取り付けた
場合について図示したが、内側に添設しても、また壁の
内部に通路を形成してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の２重構造を
有するビームチャンバを用いた超電導ウィグラにより、
ビームチャンバの幅が小さくなり、磁極間ギャップが大
幅に減少するので、超電導コイルの大きさを一定とすれ
ばより強い磁場強度を得ることができるようになり、ま
た超電導磁石の容量を十分有効に活用して容積の小さい
超電導ウィグラを得ることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超電導ウィグラの一部切り欠き側
面図である。

【図２】 図１の超電導ウィグラに用いたビームチャ
ンバの断面図である。

【図３】従来のビームチャンバの構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 外側ボア ３ 内側ボア ５ 冷却管 ７ 超電導コイル ９ 鉄ヨーク １１ 耐電磁力ブロック １３ クライオスタット内槽 １５ 液体ヘリウム配管 １７ 輻射シールド槽 １９ 液体窒素配管 ２１ 加圧管 ２７ 窒素排気管 ２９ 外槽 ３３ 高温超電導電流リード ３５ 上部サーマルアンカ板 ４３ ベローズ端板 ４５ サーマルアンカ板 ４７ ベローズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームが通るビームチャンバと、該
   ビームチャンバを挟んで配設される超電導コイルと、該
   超電導コイルを収納し冷却を維持する内槽と該内槽を囲
   繞する輻射シールド槽を備えたクライオスタットとから
   構成され、相対的速度の電子ビームから放射光を発生さ
   せる超電導ウィグラであって、前記ビームチャンバが前
   記輻射シールド槽と熱的に接続し真空を保持して電子ビ
   ームを通す内側ボアと前記内槽に接する外側ボアを備
   え、該内側ボアと該外側ボアの間を真空に保持した２重
   構造を有することを特徴とする超電導ウィグラ。
2. 【請求項２】 前記内側ボアの両端に電子ビーム出入口
   の間の熱伝導を抑制する断熱機構を備えることを特徴と
   する請求項１記載の超電導ウィグラ。
3. 【請求項３】 前記断熱機構がベローズであることを特
   徴とする請求項２記載の超電導ウィグラ。
4. 【請求項４】 前記内側ボアの側壁に冷媒を通す冷却管
   を沿設したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   かに記載の超電導ウィグラ。