JPH1126196A - 荷電粒子加速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、収束電磁石における導体ジュール発
熱を無くしつつ、超伝導加速空洞から収束電磁石に入射
するとき際における荷電粒子の漏洩粒子量を低減できる
荷電粒子加速装置を提供する。 【解決手段】本発明は、同一真空槽２０内に、専用の液
体ヘリウム槽２４によって超伝導状態に保たれる超伝導
加速空洞３０と、専用の液体ヘリウム槽３４によって超
伝導状態に保たれる超伝導収束磁石３３との双方を収容
する構造にして、導体ジュール発熱を無くしつつ超伝導
加速空洞３０と超伝導収束磁石３３との間が最も短くて
すむようにし、大電流の荷電粒子を加速、伝搬したとき
でも、超伝導収束磁石３３の入射前の荷電粒子の発散に
よる漏洩粒子量が低減できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導加速空洞で
加速された荷電粒子を収束させながら伝搬させる荷電粒
子加速装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子加速装置、例えば陽子加速器シ
ステムでは、外部から加速空洞内に投入されたエネルギ
ーを用いて荷電粒子を加速させることが行われている。
近時では、電力効率の高さおよび高加速電界が得られる
利点から、超伝導加速空洞を用いて、荷電粒子を加速す
る開発が進められている。

【０００３】超伝導加速空洞は、外部からマイクロ波を
超伝導状態に維持された空洞内に投入し、そのエネルギ
ーを用いて荷電粒子を加速する。こうした超伝導加速空
洞は、一般にニオブ材等の超伝導材料からの成形加工と
溶接を組み合わせて製造される。そして、超伝導状態を
維持するために、この加速空洞の全体を液体ヘリウム
（冷媒）に浸漬して、同空洞全体を冷却することが行わ
れている。

【０００４】具体的には、従来、図４および図５に示さ
れるように超伝導加速空洞１には、例えば５連の空洞部
１ａを組み合わせた構造が用いられ、この超伝導加速空
洞１の全体を超伝導加速空洞用の液体ヘリウム槽２内に
収容（内挿）して、液体ヘリウム槽２内を満たす液体ヘ
リウム（冷媒）で、超伝導加速空洞１を超伝導状態が保
たれるように保冷してある。

【０００５】そして、入力カプラ３（外部からマイクロ
波を投入する投入口を構成する機器）から投入されたマ
イクロ波のエネルギーを用い、超伝導加速空洞１で、荷
電粒子を加速している。

【０００６】ところで、超伝導加速空洞１を効果的に超
伝導状態に保つには、液体ヘリウムの蒸発量を極力低減
させることが求められる。このため、加速装置には液体
ヘリウム槽２の周囲を断熱する工夫が施されている。

【０００７】これには、例えば真空断熱と輻射熱を低減
する構造とを組み合わせた構造が用いられる。具体的に
は、真空断熱には、真空槽４内に液体ヘリウム槽２を収
納させて、液体ヘリウム槽２の周囲を断熱する構造が用
いられる。また輻射熱を低減する構造には、液体ヘリウ
ム槽２と真空槽４との間に例えば８０Ｋ輻射シールド板
５、２０Ｋ輻射シールド板６、４Ｋ輻射シールド板７な
どを設ける構造が採用され、両者の構造によって液体ヘ
リウムの蒸発量を抑制している。

【０００８】但し、輻射シールド板５〜７の施工の有無
は、液体ヘリウムの蒸発量をどれだけ低減するか、超伝
導加速空洞１を何度で冷却するか、さらには製造コスト
を考慮して決定しているので、８０Ｋ輻射シールド板５
のみの場合もある。

【０００９】こうした荷電粒子加速装置で、高エネルギ
ーの粒子加速を行う際は、図６〜図８に示されるように
超伝導加速空洞１を何台も直列に並べ接続して追加速を
行っている。

【００１０】ところで、荷電粒子加速装置は、荷電粒子
の伝搬を行う際、粒子の漏洩が出射側で発生することが
見られる。このため、荷電粒子の漏洩を低減することが
求められる。特に大強度、すなわち大電流かつ高エネル
ギーの陽子を加速した際は、その漏洩した陽子が超伝導
加速空洞１の出射側の通路を形成するビームダクト８等
に当り、２次粒子として中性子が発生するために、十分
な放射線の遮蔽が必要となる。

【００１１】そこで、従来、荷電粒子加速装置では、超
伝導加速空洞１の出射側、具体的には何台も並ぶ超伝導
加速空洞１の真空槽４と真空槽４との間に収束磁石、具
体的には常伝導収束電磁石９を配置して、発散する荷電
粒子を収束（絞り）させながら伝搬させることが行われ
ている。

【００１２】なお、図４および図５中、１０は液体ヘリ
ウム槽２に液体ヘリウムを供給する１．８Ｋ液体ヘリウ
ム供給配管、１１は液体ヘリウム槽２から蒸発ヘリウム
ガスを戻す１．８Ｋ液体ヘリウムガス戻り配管、１２は
真空槽４の内面に軸方向に沿って組み付けられた基準レ
ール、１３は液体ヘリウム槽２の外周面に組み付けら
れ、基準レール１２で導かれて該液体ヘリウム槽２を超
伝導加速空洞１と共に所定位置に位置決めるための支持
車輪、１４はビームダクト８に取り付けられた開閉弁、
例えばゲート弁、１５は超伝導加速装置１を支える架台
を示す。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、荷電粒子の
漏洩を効果的に低減させるためには、超伝導加速空洞１
を出てから常伝導収束電磁石９に入射する前に発散する
荷電粒子を抑えることが好ましく、このためには超伝導
加速空洞１と常伝導収束電磁石９との間の距離を短くす
ることが望まれる。

【００１４】ところが、常伝導収束電磁石９は、超伝導
加速空洞１を収めた真空槽４と並んで配置される都合
上、超伝導加速空洞１と常伝導収束電磁石９との間には
真空槽４と各輻射シールド板５〜７の一部、すなわち真
空槽４の端壁４ａ、各輻射シールド板５〜７の端壁部分
５ａ〜７ａが介在される。

【００１５】このため、構造上、超伝導加速空洞１と常
伝導収束電磁石７との間の距離が、端壁４ａ、端壁部分
５ａ〜７ａの占有に要するスペース分、長くなる。これ
だと、超伝導加速空洞１と常伝導収束電磁石７とが離れ
る分、大電流の荷電粒子を加速、伝搬しようとした際、
超伝導加速空洞１を出た後の荷電粒子が、互いの粒子の
空間電荷効果により、常伝導収束電磁石９に入射する前
に発散するので、漏洩粒子が多くなるという現象が生じ
る。

【００１６】この結果、この漏洩を防ぐために、大掛か
りな遮蔽が必要となったり、ビームダクト８の近傍の機
器類が放射線による損傷を受けたり、さらにはそれらが
放射化することにより加速装置の運転を停止しても残留
放射能が問題となったり、放射能レベルによっては十分
に放射能レベルが低下するまでは管理区域への立ち入り
が不可能になる問題がある。

【００１７】そこで、常伝導収束電磁石９を真空槽２中
に配置することが考えられる。ところが、この構造だと
常伝導収束電磁石９の通電時の導体ジュール発熱は、真
空雰囲気中となるので放熱され得ず、ホロコンまたは間
接的な手法等により冷却する必要があり、このため収束
電磁石９が大型化になる問題が新たに生じる問題があ
り、導体ジュール発熱の点を考慮しつつ、漏洩粒子量を
低減する技術が要望されている。

【００１８】本発明は上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、収束電磁石における導体
ジュール発熱を無くしつつ、超伝導加速空洞から収束電
磁石に入射するとき際における荷電粒子の漏洩粒子量を
低減させることができる荷電粒子加速装置を提供するこ
とにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載した荷電粒子加速装置は、超伝導状態
に維持されて荷電粒子を加速する超伝導加速空洞と、超
伝導に維持されて超伝導加速空洞で加速された荷電粒子
の発散を収束する超伝導収束磁石と、超伝導加速空洞と
超伝導収束磁石との双方を併せて収納する真空槽とを有
して構成したことにある。

【００２０】すなわち、この荷電粒子加速装置による
と、収束磁石に超伝導収束磁石を用い、これを同一真空
槽内に超伝導加速空洞と共に収納したことにより、超伝
導加速空洞と超伝導収束磁石との間には、真空槽の端
壁、同壁の内側の輻射シールド板の端壁部分が無くてす
むようになる。

【００２１】これにより、超伝導加速空洞と超伝導収束
磁石との間の距離が短くなり、大電流の荷電粒子を加
速、伝搬したときでも、超伝導収束磁石の入射前の荷電
粒子の発散による漏洩粒子量は低減される。しかも、超
伝導収束磁石は、導体ジュール発熱が無いので、常伝導
収束磁石を冷却する構造は不要であり、収束磁石を大型
にせずにすむ。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明方法を図１〜図３に
示す一実施形態にもとづいて説明する。図１は、本発明
を適用した例えば高エネルギーの粒子加速を行う荷電粒
子加速装置の縦側断面図を示し、図１中２０は、内部が
真空状態となる真空槽である。

【００２３】真空槽２０は、例えば端部にフランジ部２
０ａを有する複数本の大径なパイプ部材２０ｂを横方向
に向かって一直線上に延びるようにフランジ結合して筒
形に構成してある。なお、横方向に延びる真空槽２０
は、両端が例えば蓋部材（図示しない）によって真空が
保たれるように閉じられている上、架台２２によって所
定の部位に据え付けてある。

【００２４】真空槽２０の内面の左右両側には、図２お
よび図３にも示されるように真空槽２０の軸心（長手）
方向に沿って延びる、所定にアライメントされた一対
（２本）の基準レール２３が組み付けてある。

【００２５】この基準レール２３を用いて、真空槽２０
内には、荷電粒子を加速する超伝導加速空洞３０を収め
た液体ヘリウム槽２４が、例えば複数台、組み付けてあ
る。具体的には、各液体ヘリウム槽２４は、例えばステ
ンレス材で形成された横長の密閉タンクから構成され、
外周面からは図２に示されるように左右両側から複数対
の支持車輪２５が突き出るように取り付けられている。
そして、各液体ヘリウム槽２４は、これら支持車輪２５
を基準レール２３上に乗せて、真空槽２０の所定位置ま
で搬送することによって、真空槽２０内の所定位置（軸
心方向、径方向共）に位置決めてある。と同時に超伝導
加速空洞３０の芯の位置出しを簡便にしている。

【００２６】この液体ヘリウム槽２４の取り付けによ
り、最外層である真空槽２０で、液体ヘリウム槽２４の
周囲を真空断熱している。また各液体ヘリウム槽２４内
からは、軸心方向中央を貫通して、真空槽２０を突き抜
けて外部へ延びる入力カプラ２６が取り付けられてい
て、外部から荷電粒子を加速させるエネルギー、例えば
マイクロ波を投入できるようにしてある。なお、入力カ
プラ２６が貫通する液体ヘリウム槽２４、真空槽２０の
壁部分は、いずれも密閉させてある。

【００２７】液体ヘリウム槽２４内に収められる超伝導
加速空洞３０は、この入力カプラ２６に接続されて、例
えば液体ヘリウム槽２４の両側に配置される２台の空洞
ユニット３１から構成してある。

【００２８】これら空洞ユニット３１は、いずれも例え
ばニオブ材等の超伝導材料から所定形状の空洞部３１ａ
を複数個、例えば５個、直列に接続した５連構造が用い
られている。そして、これら空洞ユニット３１の一端部
が入力カプラ２６に接続され、他端部が液体ヘリウム槽
２４の端部に接合、例えばロー付接合，ＨＩＰ，爆着等
（ニオブ材とステンレス材の接合となるため）で接合し
て連通させてある。

【００２９】そして、真空槽２０内で隣接する超伝導加
速空洞３０の相互間が、超伝導加速空洞３０の端部に設
けた荷電粒子が通る高真空のビームダクト３２を介して
接続され、高エネルギーの粒子加速を行えるようにして
ある（追加速）。

【００３０】また各ビームダクト３２には、超伝導加速
空洞３０で加速された荷電粒子の発散を収束する超伝導
収束磁石、例えば超伝導収束電磁石３３が介装してあ
る。具体的には、超伝導収束電磁石３３は、液体ヘリウ
ム槽３４内に収めてある。また液体ヘリウム槽３４の外
周両側からは、図３に示されるように複数対の支持車輪
３５が突き出ていて、これら支持車輪３５が基準レール
２３上に乗ることで、先に述べた伝導加速空洞１のとき
と同様、芯の位置出しを簡便に行いながら、超伝導収束
電磁石３３を真空槽２０内の所定位置に据え付けてい
る。

【００３１】これにより、発散する荷電粒子を収束させ
ながら伝搬させるようにしてある。なお、３６は超伝導
収束電磁石３３と超伝導加速空洞１との間のビームダク
ト部分に介装された開閉弁、例えばゲート弁を示す。

【００３２】また真空槽２０の内面と超伝導加速用／超
伝導収束電磁石用の液体ヘリウム槽２，３４との間に
は、例えば真空槽２０の全体に渡り、図２および図３に
示されるように輻射シールド板３７が介装されていて、
液体ヘリウム槽２２，２３の断熱性能を高めている。

【００３３】具体的には、例えば８０Ｋ輻射シールド板
３７や２０Ｋ輻射シールド板３８などの輻射シールド板
が液体ヘリウム槽２２，２３の周囲を囲むように設けら
れていて、真空槽４から輻射熱をここで遮断して、液体
ヘリウムの蒸発量を抑制している。なお、特に超伝導加
速空洞１を２Ｋの温度で冷却する場合には、最も内側に
４Ｋ輻射シールド板３９を設けることもある。

【００３４】真空槽２０の内部には、図１〜図３に示さ
れるように軸心方向に渡り、例えば超伝導加速空洞用と
して１．８Ｋ液体ヘリウム供給配管４０、同１．８Ｋ蒸
発ヘリウムガス戻り配管４１、超伝導収束磁石用として
４Ｋ液体ヘリウム供給配管４２、同４Ｋ蒸発ヘリウムガ
ス戻り配管４３、さらには８０Ｋ液体窒素供給配管４４
が挿通されている。具体的には、８０Ｋ液体窒素供給配
管４４は真空槽２０の内面に支持されて真空槽２０内に
挿通され、１．８Ｋ液体ヘリウム供給配管４０，１．８
Ｋ蒸発ヘリウムガス戻り配管４１，４Ｋ液体ヘリウム供
給配管４２，４Ｋ蒸発ヘリウムガス戻り配管４３は２０
Ｋ輻射シールド板３９の内面に支持されて真空槽２０内
を挿入され、真空槽２０内を液体ヘリウム（冷媒），蒸
発ヘリウムガス（冷媒），液体窒素が流れるようにして
ある。つまり、真空槽２０が冷媒のトランスファーライ
ンを兼ねる構造にしてある。

【００３５】そして、１．８Ｋ液体ヘリウム供給配管４
０、１．８Ｋ蒸発ヘリウムガス戻り配管４１は、同配管
４０，４１から分岐した枝管４０ａ，４１ａを介して、
液体ヘリウム槽２４の液口／蒸発ガス口に接続され、液
体ヘリウム槽２４内を液体ヘリウムで満たして、超伝導
加速空洞３０を液体ヘリウムに浸漬させるようにしてあ
る。そして、この液体ヘリウムの浸漬によって、超伝導
加速空洞３０を超伝導状態に維持させるようにしてあ
る。

【００３６】また４Ｋ液体ヘリウム供給配管４２、４Ｋ
蒸発ヘリウムガス戻り配管４３は、同配管４２，４３か
ら分岐した枝管４２ａ，４３ａを介して、液体ヘリウム
槽３４の液口／蒸発ガス口に接続され、液体ヘリウム槽
３４内を液体ヘリウムで満たして、超伝導収束磁石３３
を液体ヘリウムに浸漬させるようにしてある。そして、
この液体ヘリウムの浸漬によって、超伝導収束磁石３３
を超伝導状態に維持させるようにしてある。

【００３７】このように構成された荷電粒子加速装置
は、入力カプラ２６からマイクロ波を超伝導加速空洞３
０内に投入することにより、そのエネルギーで荷電粒子
が加速する。そして、超伝導加速空洞１を出た荷電粒子
は、その発散（互いの粒子の空間電荷効果による）が超
伝導電磁石３３で収束されながら伝搬される。この繰り
返しで、荷電粒子が追加速されていく。

【００３８】ここで、同一真空槽２０内には、超伝導状
態に維持される超伝導加速空洞３０と同じく超伝導収束
電磁石３３との双方が収納してあるので、超伝導加速空
洞３０と超伝導収束電磁石３３との間には、同間を遮る
ような真空槽の一部（端壁）、輻射シールド板の一部
（端壁部分）が無い。

【００３９】このことは、超伝導加速空洞３０と超伝導
収束電磁石３３との間の距離は、真空槽／輻射シールド
板の一部を占める領域が無くなる分、近くなる。具体的
には、超伝導加速空洞３０と超伝導収束電磁石３３との
間のビームダクト３２はゲート弁３６のみの配置となる
ので、図１中の「Ｌ」で示すようにビームダクト３２の
長さ、すなわち超伝導加速空洞３０と超伝導収束電磁石
３３との間の距離がかなり短くなる。

【００４０】したがって、加速伝搬させている荷電粒子
の漏洩量、すなわち超伝導収束電磁石３３の入射前の荷
電粒子の発散による漏洩粒子量が低減できる。特に大電
流の荷電粒子を加速、伝搬したときにおける漏洩粒子量
の低減には効果がある。

【００４１】この結果、漏洩の防止に求められる遮蔽が
簡便ですむので、荷電粒子加速装置の建設コストが低減
できる。しかも、ビームダクト３２の近傍の機器類の放
射化の低減、同機器類の放射損傷が無くせるので、加速
装置の停止時の管理区域への人の立ち入りが時間をおけ
ば可能となる。

【００４２】しかも、超伝導収束電磁石３３の採用は、
導体ジュール発熱が無いので、常伝導収束磁石のときの
ような冷却を考慮する必要がなく、収束磁石を大型にせ
ずにすむ。

【００４３】そのうえ、超伝導収束電磁石３３の超伝導
状態を維持するのに必要な液体ヘリウム（冷媒）の供給
は、超伝導収束電磁石３３の前後に配置されている超伝
導加速空洞３０に用いる液体ヘリウムを供給すればよい
ので、対応が簡単である。

【００４４】また液体ヘリウムの供給に際し、真空槽２
０内に液体ヘリウム供給配管／ヘリウムガス戻り配管を
挿通させて、同配管から超伝導収束電磁石３３に導く構
造を用いたので、真空槽２０の内部空間に超伝導状態を
維持するのに必要な全ての機器が収納され、荷電粒子加
速装置の設備のコンパクト化が図れる。

【００４５】なお、一実施形態では、専用のヘリウム供
給配管を用いて、超伝導収束電磁石を超伝導状態に保つ
液体ヘリウム（冷媒）を供給するようにしたが、これに
限らず、超伝導収束電磁石の前後に配置されている超伝
導加速空洞のヘリウム供給配管から分岐して超伝導収束
電磁石にヘリウムを供給するようにしてもよい。但し、
本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範
囲に示す本発明の範囲内で、変更を加えてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発
明によれば、収束磁石に超伝導収束磁石を用い、これを
同一真空槽内に超伝導加速空洞と共に収納したことによ
り、超伝導加速空洞と超伝導収束磁石との間の距離を短
くすることができる。

【００４７】したがって、大電流の荷電粒子を加速、伝
搬したときでも、超伝導収束磁石の入射前の荷電粒子の
発散による漏洩粒子量を低減することができる。この結
果、漏洩の防止に求められる遮蔽は簡便ですみ、荷電粒
子加速装置の建設コストが低減できる。しかも、漏洩し
やすい地点の近傍の機器類の放射化の低減が図れる他、
同機器類の放射損傷が無くせるので、装置停止時の管理
区域への人の立ち入りが時間をおけば可能となる。また
超伝導収束磁石は、導体ジュール発熱が無いので、常伝
導収束磁石のような冷却構造は不要であり、収束磁石を
大型にせずにすむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の荷電粒子加速装置の超伝
導加速空洞，超伝導収束磁石回りの構造を示す縦側断面
図。

【図２】同じく超伝導加速空洞回りの側断面図。

【図３】同じく超伝導収束磁石回りの断面図。

【図４】従来の荷電粒子加速装置の超伝導加速空洞，超
伝導収束磁石回りを示す縦側断面図。

【図５】同じく超伝導加速空洞回りの側断面図。

【図６】同超伝導加速空洞，超伝導収束磁石を複数、組
み合わせて、高エネルギーの粒子加速を行う荷電粒子加
速装置の前側の部分を示す図。

【図７】同じく中間の部分を示す図。

【図８】同じく後側の部分を示す図。

【符号の説明】

２０…真空槽 ２３…基準レール ２４，３４…液体ヘリウム槽 ２５，３５…支持車輪 ２６…入力カプラ ３０…超伝導加速空洞 ３２…ビームダクト ３３…超伝導収束電磁石（超伝導収束磁石） ３７，３８，３９…輻射シールド板 ４０，４２…液体ヘリウム供給配管 ４１，４３…蒸発ヘリウムガス戻り配管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導状態に維持されて、荷電粒子を加
   速する超伝導加速空洞と、 超伝導に維持されて、前記超伝導加速空洞で加速された
   荷電粒子の発散を収束する超伝導収束磁石と、 前記超伝導加速空洞と超伝導収束磁石との双方を併せて
   収納する真空槽とを具備したことを特徴とする荷電粒子
   加速装置。