JPH11102800A

JPH11102800A - 超電導高周波加速空胴および粒子加速器

Info

Publication number: JPH11102800A
Application number: JP26384197A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yoshiyuki; 健吉行
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】入力カプラーから空胴本体への熱侵入量を減ら
し、空胴本体から発生する熱量を抑える。【解決手段】空胴本体１に高周波電力を供給する入力カ
プラー６を備えた超電導高周波加速空胴において、入力
カプラー６の取付ポート部分に、空胴本体１と別系統の
冷凍機１０ａを設け、入力カプラー６と空胴本体１の冷
却系を分離して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クライオスタット
に収納され、荷電粒子を加速する超電導高周波加速空胴
およびそれを備えた線形加速器，シンクロトロンおよび
蓄積リングなどの粒子加速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導高周波加速空胴は、超電導
材料にニオブを使用しており、空胴本体が横形のクライ
オスタットに収納されるとともに、そのクライオスタッ
ト内において多量の液体ヘリウムにより浸漬冷却される
ことで、空胴内面が超電導状態に保持されている。例え
ば、共振周波数５００ＭＨｚ帯の超電導高周波加速空胴
は、超電導材料である厚さ１．５ｍｍの純ニオブ製で、
多連の加速空胴が機械的に接続されている。

【０００３】図６は従来の超電導高周波加速空胴を示す
構成図である。図６に示すように超電導加速空胴本体
（以下、単に空胴本体という。）１は、超電導材料であ
るニオブ材で成形加工され、電子ビーム溶接などにより
図６に示す形状に製作される。この空胴本体１の外側に
は、液体へリウムを収納するへリウム液溜槽２が設けら
れ、このへリウム液溜槽２により空胴本体１を液体へリ
ウムに浸漬して超電導状態に保持している。

【０００４】このヘリウム液溜槽２の外側の断熱真空槽
には、液体窒素あるいはガスヘリウムで冷却された輻射
熱シールド３が設けられ、この輻射熱シールド３によっ
て大気からの熱侵入を抑えている。また、ヘリウム液溜
槽２の外側には、輻射熱シールド３とともに、クライオ
スタット全体を構成する真空容器４が設けられている。

【０００５】一方、ビームの加速に必要な高周波電力
は、高周波電力供給ポート（以下、入力ポートとい
う。）５に取り付けられる入力カプラー６から空胴本体
１の加速空胴に供給され、ビームの加速に使用される。
入力カプラー６から供給される高周波電力は、そのほと
んどがビームの加速に費やされるため、入力ポート５は
カップリング強度が弱くて済み、空胴本体１の両端に接
続されたビームパイプ７に設けられる。

【０００６】入力カプラー６は、周波数に応じて同軸管
または導波管で構成され、１．５ＧＨｚ以下では一般的
に上記同軸管が用いられる。ここで、超電導用として留
意しなければならないことは、高周波損失と常温側から
の熱侵入である。通常、入力カプラー６は、ステンレス
鋼に銅メッキを施して製作される。また入力カプラー６
と空胴本体１側の入力ポート５との接続は、空胴本体１
から十分に離れた場所で行われ、接続部分をシールする
とともに、そのシール材としてインジウムのワイヤーま
たはリボンのいずれかが使用される。

【０００７】空胴本体１において、ビームがロスの小さ
い空胴の中を通過すると、高調波（以下ＨＯＭとい
う。）を励起し、高い電磁界を発生したり、ビームの不
安定性を引き起こしたりする可能性がある。そのため、
ΗＯＭを空胴外へ取り出す必要がある。ΗＯΜカプラー
８は、ビーム加速モードに影響を与えないで、ΗＯＭの
みを取り出す結合器であり、入力カプラー６と同様にビ
ームパイプ７部分に設けられる。

【０００８】また、クライオスタット内の圧力変化や機
械的振動などは、空胴本体１を変形させて空胴本体１の
共振周波数を変化させ、この共振周波数の変化は空胴本
体１の端部に取り付けられたピエゾ圧電素子チューナ９
により空胴本体１の長さを微妙に調整することにより補
正される。なお、へリウム液溜槽２にはヘリウム冷凍機
１０ａからヘリウム供給ポート１０を介して液体へリウ
ムが供給され、この供給された液体へリウムにより空胴
本体１が冷却される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の共
振周波数５００ＭＨｚ帯の超電導高周波加速空胴は、空
胴本体１および入力ポート５を液体へリウム液溜槽２の
中に収納し、これらを液体へリウムの中に浸漬すること
により、空胴本体１のニオブ材を超電導状態に維持して
いた。

【００１０】しかしながら、一台当りの空胴本体１への
熱侵入量は３０Ｗ程度であり、空胴本体１の高周波によ
る発熱量と合わせて、１００Ｗ以上の熱をヘリウム冷凍
機１０ａにより冷却しなければならない。空胴本体１の
熱侵入のうち、約半分は入力カプラー６によるものであ
り、空胴運転時以外の超電導状態の保持期間を含めて、
相当量の液体へリウムを外部からの熱侵入に対して消費
せざるを得ない。

【００１１】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、入力カプラーから空胴本体への熱侵入量を減らし、
空胴本体から発生する熱量を抑えることで、空胴本体が
消費する液体へリウム量を減らし、全体のヘリウム冷凍
機系の構成を簡略化するとともに、クライオスタットの
構造を簡素化した超電導高周波加速空胴および粒子加速
器を提供することを目的とする。

【００１２】

【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記載の発明に係る超電導高周波加速空胴
は、空胴本体と、この空胴本体を極低温状態にするため
のヘリウム液溜槽と、このへリウム液溜槽に液体へリウ
ムを供給するヘリウム冷凍機と、このヘリウム冷凍機か
ら供給されるヘリウムをヘリウム液溜槽へ導くヘリウム
供給ポートと、前記へリウム液溜槽の外側に配置された
輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴本体の両端
に接続されたビームパイプと、前記空胴本体に高周波電
力を供給する入力カプラーとを備えた超電導高周波加速
空胴において、前記入力カプラーの取付ポート部分に、
前記空胴本体と別系統のヘリウム冷凍機とヘリウム供給
ポートとを設け、前記入力カプラーと前記空胴本体の冷
却系を分離して構成したことを特徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、請求項１記載の超電導高周波加速空胴におい
て、ヘリウム冷凍機とヘリウム供給ポートは、前記入力
カプラー以外の熱侵入源である高調波カプラーやその他
の特定可能な熱侵入箇所のそれぞれに設けたことを特徴
とする。

【００１４】請求項３記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、空胴本体と、この空胴本体を極低温状態にす
るためのヘリウム液溜槽と、このヘリウム液溜槽に液体
ヘリウムを供給するヘリウム冷凍機と、このヘリウム冷
凍機から供給されるヘリウムをヘリウム液溜槽に導くヘ
リウム供給ポートと、前記ヘリウム液溜槽の外側に配置
された輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴本体
の両端に接続されたビームパイプと、前記空胴本体に高
周波電力を供給する入力カプラーとを備えた超電導高周
波加速空胴において、前記入力カプラーの冷却もしくは
前記入力カプラー以外の熱侵入源である高調波カプラー
やその他の特定可能な熱侵入箇所のそれぞれの冷却を行
う冷凍機は、ヒートステージを２段有する汎用極低温冷
凍機であることを特徴とする。

【００１５】請求項４記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、請求項３記載の超電導高周波加速空胴におい
て、輻射熱シールドが前記汎用極低温冷凍機の高温側の
ヒートステージと同温度の第１の輻射熱シールドであっ
て、この第１の輻射熱シールドと空胴本体を収納するへ
リウム液溜槽との間に、前記汎用極低温冷凍機の低温側
のヒートステージと同温度の第２の輻射熱シールドを設
け、この第２の輻射熱シールドで入力カプラー部分およ
び前記空胴本体を覆ったことを特徴とする。

【００１６】請求項５記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、請求項３または４記載の超電導高周波加速空
胴において、ヒートステージを２段有する汎用極低温冷
凍機を設け、へリウム液溜槽の外側に、前記汎用極低温
冷凍機の高温側ステージと同温度の輻射熱シールドを設
けたことを特徴とする。

【００１７】請求項６記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、空胴本体と、この空胴本体外側に配置された
輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴本体の両端
に接続されたビームパイプと、前記空胴本体に高周波電
力を供給する入力カプラーとを備えた超電導高周波加速
空胴において、ヒートステージを２段有する汎用極低温
冷凍機を複数個設け、これら複数個の汎用極低温冷凍機
の低温側のヒートステージを伝熱パスにより空胴本体と
入力カプラー及び入力カプラー以外の熱侵入源である高
調波カプラーやその他の特定可能な熱侵入箇所とを接続
したことを特徴とする。

【００１８】請求項７記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、請求項３または４記載の超電導高周波加速空
胴において、高温側ヒートステージは８０Ｋ、低温側ヒ
ートステージは２０Ｋである汎用極低温冷凍機であるこ
とを特徴とする。

【００１９】請求項８記載の発明に係る超電導高周波加
速空胴は、請求項５または６記載の超電導高周波加速空
胴において、高温側ヒートステージは４０Ｋ、低温側ヒ
ートステージは４Ｋである汎用極低温冷凍機であること
を特徴とする。

【００２０】請求項９記載の発明に係る粒子加速器は、
請求項１ないし８のいずれかに記載の超電導高周波加速
空胴を備えたことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２２】［第１実施形態］図１は本発明に係る超電
導高周波加速空胴の第１実施形態を示す構成図である。
なお、上記した従来技術と同一の構成部分については、
図６と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【００２３】図１に示すように空胴本体１は、超電導材
料であるニオブ材により図１に示す形状に製作され、空
胴本体１の外側には、液体へリウムを収納し空胴本体１
を極低温状態にするためのへリウム液溜槽２が設けられ
ている。

【００２４】このへリウム液溜槽２は、軸方向の長さを
空胴本体１とビームパイプ７との接続部分までとし、空
胴本体１のみを液体ヘリウムに浸漬して超電導状態に保
持している。また、へリウム液溜槽２の外側には、クラ
イオスタット全体を構成する輻射熱シールド３および真
空容器４が設けられている。そして、輻射熱シールド３
にはへリウム供給ポート１０が設置され、このへリウム
供給ポート１０からへリウム液溜槽２内に液体へリウム
を供給することにより、空胴本体１が冷却される。

【００２５】一方、ビームの加速に必要な高周波電力
は、入力ポート５に取り付けられる入力カプラー６から
空胴本体１の加速空胴に供給され、ビームの加速に使用
される。入力ポート５は、電子用では空胴本体１の両端
に接続されたビームパイプ７に設けられる。

【００２６】ここで、超電導用として留意しなければな
らないことは、高周波損失と常温側からの熱侵入である
ため、入力カプラー６の外側には、空胴本体１用のヘリ
ウム液溜槽２とは別のへリウム液溜槽１１が設けられる
とともに、空胴本体１を冷却するへリウム冷凍機１０ａ
とは別の入力カプラー６専用のへリウム冷凍機１２ａか
らのヘリウム供給ポート１２が設けられている。

【００２７】すなわち、入力カプラー６の外側に設けら
れたへリウム液溜槽１１には、真空容器４に取り付けら
れたへリウム供給ポート１２から液体へリウムが供給さ
れることで、入力カプラー６から空胴本体１に侵入する
熱を減少させている。

【００２８】また、図１に示す実施形態では、ビームパ
イプ７を介して入力ポート５と相対する位置に設置され
たモニター用ポート１３およびモニタープローブ１４の
ポート接続部も、同じへリウム冷凍機１２ａからへリウ
ム液溜槽１１に液体へリウムを供給することにより冷却
される。

【００２９】次に、第１実施形態の作用を説明する。

【００３０】入力カプラー６の取付ポート部分、すなわ
ち入力カプラー６とビームパイプ７との接続部に、空胴
本体１用のへリウム冷凍機１０ａとは別のへリウム冷凍
機１２ａから供給されるヘリウムの供給ポートを設け、
入力カプラー６と空胴本体１の冷却系を分離して構成し
たことにより、常温から空胴本体１へ侵入する熱のうち
半分以上を、空胴本体１を冷却するへリウム冷凍機１０
ａではなく、入力カプラー６の接続部を冷却する専用の
へリウム冷凍機１２ａで冷却している。これにより、常
温からの侵入熱を取り去り、空胴本体１への入熱量を抑
えている。

【００３１】このように本実施形態によれば、入力カプ
ラー６と空胴本体１の冷却系を分離して構成したことに
より、空胴本体１のへリウム液溜槽２を空胴本体１とビ
ームパイプ７との接続部一端から接続部他端にまで限定
することができるので、へリウム液溜槽２の大きさを小
さくすることができ、その分、空胴本体１を冷却するた
めに消費する液体ヘリウム量を減少することができ、空
胴本体１のクライオスタットの構造を簡略化することが
可能であり、さらに、空胴本体１を冷却するへリウム冷
凍機１０を小型化することができる。

【００３２】また、高周波特性の優れたへリウムの超流
動温度まで冷却する超電導高周波加速空胴においては、
空胴本体１のみを超流動温度まで冷却して、入力カプラ
ー６の接続部分を従来の４Ｋ超電導または高温超電導状
態とし、高価で複雑な超流動冷凍システムの適用範囲を
減少するようにすれば、結果として、超流動温度による
超電導高周波加速空胴のクライオスタットの構造を安価
で簡素化することが可能となる。

【００３３】さらに、本実施形態の超電導高周波加速空
胴を粒子加速器に適用することで、粒子加速器全体のヘ
リウム冷凍システムを小型化することができる。

【００３４】なお、前記第１実施形態の超電導高周波加
速空胴においては、入力ポート５以外の熱侵入源となる
ΗＯＭカプラー８、このΗＯＭカプラー８が取り付けら
れるΗＯＭポート１５や、図１に示すその他の特定可能
な熱侵入箇所であるモニター用ポート１３およびモニタ
ープローブ（高周波信号用ピックアップモニタ）１４
を、空胴本体１のヘリウム冷凍機１０ａから切り離し
て、別の冷凍系で冷却して侵入熱を抑えるようにしても
よい。

【００３５】また、ΗＯＭカプラー８やモニタープロー
ブ１４は、入力カプラー６に比べて熱侵入量が極端に少
ないので、図１に示すように入力カプラー６のへリウム
冷凍機１２ａに含めて、共に冷却するようにしてもよ
い。したがって、１台のへリウム冷凍機１２ａから複数
の伝熱パスを設けて冷却することで、ヘリウムを供給す
る冷凍機の台数を減らすことが可能となる。

【００３６】［第２実施形態］図２は本発明に係る超電
導高周波加速空胴の第２実施形態を示す構成図である。
なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分に
は、同一の符号を付して説明する。以下の各実施形態も
同様である。

【００３７】本実施形態では、空胴本体１のへリウム冷
凍機１０以外で入力カプラー６などを冷却する冷凍系に
おいて、へリウム循環ループを自身で有したヒートステ
ージを２段有する汎用極低温冷凍機１６を用い、入力カ
プラー６の冷却部に液体へリウムを使用しないで、伝熱
作用により冷却する。

【００３８】すなわち、２段ステージに構成される汎用
極低温冷凍機１６は、真空容器４に取り付けられ、高温
側のステージであるその１段目が空胴本体１のクライオ
スタットの輻射熱シールド３に接続されて伝熱により冷
却する。また、低温側のステージである２段目は直接入
力カプラー６に接続されて冷却する。この際、低温時の
熱収縮を考慮して、汎用極低温冷凍機１６の伝熱部分に
はフレキシブル導体１６ａが設けられ、このフレキシブ
ル導体１６ａにより機器の熱収縮，膨張を吸収するよう
にしている。

【００３９】次に、第２実施形態の作用を説明する。

【００４０】入力カプラー６などを別系統で冷却する冷
凍システムにおいて、へリウム循環ループを自身で有し
たヒートステージを２段有する汎用極低温冷凍機１６を
用い、入力カプラー６の冷却部に液体へリウムを使用し
ないで、伝熱により極低温に冷却する。つまり、液体へ
リウムで直接冷却しない汎用極低温冷凍機１６を用い
て、外部から空胴本体１へ入る熱を途中の伝熱パスで取
り去ることにより、空胴本体１における高周波以外の要
因による入熱を極力抑えることができる。加えて、液体
へリウムを使用する範囲を減少させることができる。

【００４１】ここで、汎用極低温冷凍機１６は、冷凍機
へッドと圧縮機との間をヘリウムが循環するタイプの冷
凍機で、一度冷却管にへリウムを充填すると、かなりの
期間（通常１年以上）へリウムを補給することなく運転
可能である。これにより、空胴本体１に対する侵入熱を
減少することができ、その分空胴本体１で消費するへリ
ウム量を減少させることができる。

【００４２】このように本実施形態によれば、空胴本体
１を冷却するへリウム冷凍機１０の冷却範囲を、空胴本
体１に限定することができるので、へリウム液溜槽２の
大きさを極力小さくすることができる。また、空胴本体
１の高周波特性による発熱のみの冷却に汎用極低温冷凍
機１６を使用することで、液体へリウムの消費量を減少
させることができる。さらに、クライオスタット内部の
構造を簡略化することができ、それに応じて真空容器４
も小さくすることができる。

【００４３】［第３実施形態］図３は本発明に係る超電
導高周波加速空胴の第３実施形態を示す構成図である。

【００４４】本実施形態では、前記第２実施形態の構成
に加え、ヒートステージを２段有する汎用極低温冷凍機
１６が輻射熱シールド３に２つ設置され、これらの汎用
極低温冷凍機１６により入力カプラー６の冷却以外に、
空胴本体１のへリウム液溜槽２の外側に設けられた輻射
熱シールド３の冷却に使用される。

【００４５】また、本実施形態では、輻射熱シールド３
とへリウム液溜槽２との間の輻射熱を抑えるために、汎
用極低温冷凍機１６の低温側のステージである２段目の
ステージを利用して、第２の輻射熱シールド１７がへリ
ウム液溜槽２の外側に新たに設けられている。すなわ
ち、本実施形態では、空胴本体１を収納するへリウム液
溜槽２と第１の輻射熱シールド３との間に、第２の輻射
熱シールド１７を設け、この第２の輻射熱シールド１７
で入力カプラー６部分および空胴本体１を覆っている。

【００４６】これら第１の輻射熱シールド３と第２の輻
射熱シールド１７は、従来通り銅で製作することも可能
であるが、シールドを１層増加したことで、重量面およ
びコスト面を考慮してアルミニウムで製作して、重量お
よびコストの増加を抑えることができる。

【００４７】なお、本実施の形態では、たとえば低温側
ステージの温度が２０Ｋ、高温側ステージの温度が８０
Ｋという温度が適している。

【００４８】次に、第３実施形態の作用を説明する。

【００４９】空胴本体１のクライオスタットの断熱真空
槽にある輻射熱シールド３を第１のシールドとするとと
もに、新たに第２の輻射熱シールド１７を設け、汎用極
低温冷凍機１６を入力カプラー６だけでなく、高温側と
低温側の２つステージを各々第１の輻射熱シールド３お
よび第２の輻射熱シールド１７に接続し、空胴本体１の
クライオスタットの冷却に利用することで、空胴本体１
への熱侵入量を減少させることができる。その結果、入
力カプラー６からの入熱だけでなく、輻射などによる空
胴本体１への熱侵入を汎用極低温冷凍機１６だけで除熱
することが可能となる。

【００５０】このように本実施形態によれば、従来、輻
射熱シールド３を冷却していた液体窒素あるいはガスヘ
リウムを使用しないで、汎用極低温冷凍機１６の伝熱だ
けで空胴本体１のクライオスタットの熱シールドの冷却
が可能となる。したがって、空胴本体１を液体ヘリウム
で浸漬したへリウム液溜槽２に対する大気側からの輻射
および伝熱による熱侵入を減らすことができ、それに伴
い空胴本体１で消費するへリウム量を減少させることが
できる。

【００５１】また、第１と第２の２段の輻射熱シールド
をアルミニウムなどで構成することにより、サポートな
ども簡素化することができ、結果として構造の簡略化し
たクライオスタットを製作することができる。

【００５２】なお、本実施形態の場合では、たとえば低
温側ステージは２０Ｋ、高温側ステージは８０Ｋという
温度が最も適している。

【００５３】［第４実施形態］図４は本発明に係る超電
導高周波加速空胴の第４実施形態を示す構成図である。

【００５４】本実施形態では、前記第３実施形態におけ
るヒートステージを２段有する汎用極低温冷凍機１６の
代わりに、さらに低温のステージを２段有する汎用極低
温冷凍機１９を使用することにより、前記第１と第２の
輻射熱シールドを一体化して輻射熱シールド２０とし
て、シールドの構造を前記第１および第２実施形態のよ
うに１段にする。この輻射熱シールド２０は、銅または
アルミニウムにより製作される。

【００５５】また、本実施形態では、入力ポート５と入
力カプラー６との接続部にも、前記低温のヒートステー
ジを２段有する汎用極低温冷凍機１９の低温側の２段目
のステージが接続されている。さらに、入力ポート５の
低温側のステージは、伝熱パス２１によりその他の熱侵
入源であるΗＯＭカプラー８やモニタープローブ１４の
接続部分であるＨＯＭポート１５とモニター用ポート１
３と接続され冷却される。

【００５６】この伝熱パス２１は、純度の高いアルミニ
ウムシートを積層した後に互いに接着して構成すること
により、良好なフレキシブル性および熱伝導性を得るこ
とができる。

【００５７】なお、本実施形態では、たとえば低温側ス
テージの温度が４Ｋ、高温側ステージの温度が４０Ｋと
いう温度が適している。

【００５８】次に、第４実施形態の作用を説明する。

【００５９】汎用極低温冷凍機１６の代わりに、さらに
低温のヒートステージを有する汎用極低温冷凍機１９を
利用し、空胴のクライオスタットの真空槽にあって、液
体窒素あるいはヘリウムガスで冷却している熱シールド
を、汎用極低温冷凍機１９の高温側のステージに接続し
て冷却する。

【００６０】この汎用極低温冷凍機１９の低温側のステ
ージは、空胴本体１を収納しているへリウム液溜槽２に
接続することで、空胴本体１の冷却の補助とする。これ
により、前記第２実施形態で設けた第１の輻射熱シール
ドを削除して、従来のへリウム液溜槽２と真空断熱層に
設けた輻射熱シールド２０の２段構造とすることができ
る。

【００６１】また、へリウム液溜槽２の中に設けられた
空胴本体１だけでなく、へリウム液溜槽２から外側のビ
ームパイプ７、入力ポート５の部分、およびビームパイ
プ７からΗＯＭポート１５とモニター用ポート１３まで
の部分を液体ヘリウムで冷却しないで、超電導状態に冷
却することができる。

【００６２】このように本実施形態によれば、輻射熱シ
ールドを従来通り１段にするとともに、この輻射シール
ドの温度をさらに下げることにより、空胴本体１への熱
侵入量を減少させることができる。また、輻射熱シール
ド２０をアルミニウムで構成することにより、クライオ
スタットの構造を軽量で簡略化することができる。

【００６３】さらに、高周波特性の影響の大きい空胴本
体１のみを１．８Ｋ超流動状態とし、高周波損失の少な
い入力ポート６やビームパイプ７は、液体へリウムを使
用せずに、２段の汎用極低温冷凍機１９の低温側の２段
目のステージを使用し、伝熱により従来の４Ｋ超電導状
態と区別することができる。

【００６４】［第５実施形態］図５は本発明に係る超電
導高周波加速空胴の第５実施形態を示す構成図である。

【００６５】本実施形態では、従来のように空胴本体１
を収納していたへリウム液溜槽２をなくし、第４実施形
態のようにさらに低温のヒートステージを有する２段汎
用極低温冷凍機１９が複数個（本実施の形態では３個）
取り付けられ、そのうちの２個の汎用極低温冷凍機１９
の低温側ステージが伝熱パス２３により空胴本体１に接
続されている。

【００６６】また、別の汎用極低温冷凍機１９の低温側
ステージは、別の伝熱パス２１により前記第４実施形態
と同様に入力ポート６やΗＯＭポート１４などに接続さ
れ、それらを冷却する。クライオスタットは、空胴本体
１の外側に輻射熱シールド２０が設けられ、この輻射熱
シールド２０の外側が真空容器４により囲まれている。

【００６７】したがって、本実施形態では、空胴におけ
るビームロスによる発熱量が比較的小さい空胴におい
て、空胴用クライオスタットに液体ヘリウムを使用しな
いで、外部からの熱侵入および空胴自身の発熱の全てを
汎用極低温冷凍機１９の低温側ステージからの伝熱によ
り冷却している。

【００６８】なお、本実施形態では、たとえば低温側ヒ
ートステージの温度は４Ｋ、高温側ヒートステージ温度
が４０Ｋが最も適する。

【００６９】次に、第５実施形態の作用を説明する。

【００７０】電流量が小さく空胴本体１におけるビーム
ロスの比較的小さい空胴においては、液体へリウムで直
接冷却することなしに、さらに低温のヒートステージを
有する２段汎用極低温冷凍機１９の低温側冷却熱量だけ
で、空胴本体１を超電導状態に冷却する。

【００７１】そして、空胴１台に対して冷却能力が足り
ない場合は、複数個の汎用極低温冷凍機１９を並べて空
胴本体１の冷却を行う。これにより、空胴を直接冷却す
る液体へリウムを全て排除し、空胴のクライオスタット
の構造を簡素化することができるとともに、従来、超電
導高周波加速空胴には不可欠だった大規模なヘリウム冷
凍系を排除することが可能となる。

【００７２】このように本実施形態によれば、ヘリウム
液溜槽２を空胴のクライオスタットから排除すること
で、クライオスタットを従来より小さく簡素な構造にで
きるだけでなく、空胴の外にあって、液体へリウムを空
胴に供給するとともに、空胴からの発熱により気化した
へリウムを液体化して液体へリウムを循環させるような
高価で複雑なヘリウム冷凍系を空胴に設置しなくても済
む。

【００７３】［適用例］なお、前記第１実施形態におい
ては説明したが、これ以外に前記第２〜第５実施形態の
超電導高周波加速空胴のいずれかを粒子加速器としての
線型加速器，シンクロトロンまたは蓄積リングに適用す
ることにより、線型加速器全体，リング全体のクライオ
スタットの構造を簡略化することができるとともに、線
形加速器の全長，リングの全長を短くすることができ
る。また、へリウム消費量を減らすことができるため、
全体としてのヘリウム冷凍系を縮小することができる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
〜６に記載の超電導高周波加速空胴によれば、外部から
の熱侵入で大きな要因を占める入力カプラー部分に、空
胴本体とは別の冷凍系、例えばへリウムで直接冷却しな
い極低温冷凍機を用いることにより、従来のへリウム冷
凍機を空胴本体に限定し、その分液体へリウムの消費量
を減らすことができる。したがって、超電導高周波加速
空胴のクライオスタットの構造を、従来より単純な構造
で製作することができ、空胴本体を冷却するへリウム冷
凍機を小型化することができる。

【００７５】また、請求項７のように、請求項１ないし
６のいずれかに記載の超電導高周波加速空胴を、線形加
速器，シンクロトロンまたは蓄積リングなどの粒子加速
器に用いることにより、へリウム冷凍システムを含めた
設備全体を簡素化することができるとともに、システム
全体をコンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超電導高周波加速空胴の第１実施
形態を示す構成図。

【図２】本発明に係る超電導高周波加速空胴の第２実施
形態を示す構成図。

【図３】本発明に係る超電導高周波加速空胴の第３実施
形態を示す構成図。

【図４】本発明に係る超電導高周波加速空胴の第４実施
形態を示す構成図。

【図５】本発明に係る超電導高周波加速空胴の第５実施
形態を示す構成図。

【図６】従来の超電導高周波加速空胴を示す構成図。

【符号の説明】

１空胴本体２ヘリウム液溜槽３第１の輻射熱シールド４真空容器５高周波電力供給ポート（入力ポート）６入力カプラー７ビームパイプ８ ΗＯΜカプラー９ピエゾ圧電素子チューナ１０へリウム供給ポート１０ａヘリウム冷凍機１１入力カプラー用ヘリウム液溜槽１２入力カプラー用ヘリウム供給ポート１２ａヘリウム冷凍機１３モニター用ポート１４モニタープローブ１５ ΗＯＭポート１６汎用極低温冷凍機１６ａフレキシブル導体１７第２の輻射熱シールド１９汎用極低温冷凍機２０輻射熱シールド２１伝熱パス２３伝熱パス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空胴本体と、この空胴本体を極低温状態
にするためのヘリウム液溜槽と、このへリウム液溜槽に
液体へリウムを供給するヘリウム冷凍機と、このヘリウ
ム冷凍機から供給されるヘリウムをヘリウム液溜槽に導
くヘリウム供給ポートと、前記へリウム液溜槽の外側に
配置された輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴
本体の両端に接続されたビームパイプと、前記空胴本体
に高周波電力を供給する入力カプラーとを備えた超電導
高周波加速空胴において、前記入力カプラーの取付ポー
ト部分に、前記空胴本体と別系統のヘリウム冷凍機とヘ
リウム供給ポートとを設け、前記入力カプラーと前記空
胴本体の冷却系を分離して構成したことを特徴とする超
電導高周波加速空胴。
【請求項２】請求項１記載の超電導高周波加速空胴に
おいて、ヘリウム冷凍機とヘリウム供給ポートは、入力
カプラー以外の熱侵入源である高調波カプラーやその他
の特定可能な熱侵入箇所のそれぞれに設けたことを特徴
とする超電導高周波加速空胴。
【請求項３】空胴本体と、この空胴本体を極低温状態
にするためのヘリウム液溜槽と、このヘリウム液溜槽に
液体ヘリウムを供給するヘリウム冷凍機と、このヘリウ
ム冷凍機から供給されるヘリウムをヘリウム液溜槽に導
くヘリウム供給ポートと、前記ヘリウム液溜槽の外側に
配置された輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴
本体の両端に接続されたビームパイプと、前記空胴本体
に高周波電力を供給する入力カプラーとを備えた超電導
高周波加速空胴において、前記入力カプラーの冷却もし
くは前記入力カプラー以外の熱侵入源である高調波カプ
ラーやその他の特定可能な熱侵入箇所のそれぞれの冷却
を行う冷凍機は、ヒートステージを２段有する汎用極低
温冷凍機であることを特徴とする超電導高周波加速空
胴。
【請求項４】請求項３記載の超電導高周波加速空胴に
おいて、輻射熱シールドが前記汎用極低温冷凍機の高温
側のヒートステージと同温度の第１の輻射熱シールドで
あって、この第１の輻射熱シールドと空胴本体を収納す
るへリウム液溜槽との間に、前記汎用極低温冷凍機の低
温側のヒートステージと同温度の第２の輻射熱シールド
を設け、この第２の輻射熱シールドで入力カプラー部分
および前記空胴本体を覆ったことを特徴とする超電導高
周波加速空胴。
【請求項５】請求項３または４記載の超電導高周波加
速空胴において、ヒートステージを２段有する汎用極低
温冷凍機を設け、へリウム液溜槽の外側に、前記汎用極
低温冷凍機の高温側のヒートステージと同温度の輻射熱
シールドを設けたことを特徴とする超電導高周波加速空
胴。
【請求項６】空胴本体と、この空胴本体外側に配置さ
れた輻射熱シールドおよび真空容器と、前記空胴本体の
両端に接続されたビームパイプと、前記空胴本体に高周
波電力を供給する入力カプラーとを備えた超電導高周波
加速空胴において、ヒートステージを２段有する汎用極
低温冷凍機を複数個設け、これら複数個の汎用極低温冷
凍機の低温側ヒートステージを伝熱パスにより空胴本体
と入力カプラー及び入力カプラー以外の熱侵入源である
高周波カプラーやその他の特定可能な熱侵入箇所とを接
続したことを特徴とする超電導高周波加速空胴。
【請求項７】請求項３または４記載の超電導高周波加
速空胴において、高温側ヒートステージは８０Ｋ、低温
側ヒートステージは２０Ｋである汎用極低温冷凍機であ
ることを特徴とする超電導高周波加速空胴。
【請求項８】請求項５または６記載の超電導高周波加
速空胴において、高温側ヒートステージは４０Ｋ、低温
側ヒートステージは４Ｋである汎用極低温冷凍機である
ことを特徴とする超電導高周波加速空胴。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載の超
電導高周波加速空胴を備えたことを特徴とする粒子加速
器。