CN102132634A - 超导高频加速腔的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铌材料的废料产生量少、成本低且可在短时间内制作完成的带电粒子加速器用超导高频加速腔的制造方法，该制造方法包括：(a)通过圆盘形状的铌材料得到铌锭的步骤；(b)在支撑所述铌锭的状态下，不断喷射微小的浮游磨粒，并通过使多重金属线前后往复运动，将所述铌锭切割成多个具有特定厚度的铌板的步骤；(c)除去切割后的铌板上附着的所述浮游磨粒的步骤；(d)通过深冲成型方式使所述铌板形成为所需形状的步骤。

Description

超导高频加速腔的制造方法
技术领域
本发明涉及同步加速器等带电粒子加速器中使用的高频加速腔，特别地，涉及超导高频加速腔的制造方法。
背景技术
高频加速腔是一种利用高频电场使特定频率的高频波产生共振，从而有效地对带电粒子进行加速的金属制空腔，主要用于同步加速器等带电粒子加速器。
高频腔在产生高频波时会发热，因此最好使用热导率大、电阻小的金属材料制作。以往以铜作为这种高频加速腔的材料。但是，随着加速电场的增强，发热量也会增加，因此，使用铜制作的高频加速腔在提高性能方面有局限性。于是，近年来超导腔被提出并投入使用。并且，作为单质金属，由于在最高的绝对温度处发生超导转变时，作为金属具有比较容易加工的优点，因此，铌材料(本申请中，包括铌单质以及铌与其它金属(例如铜)的合金，称为“铌材料”)被投入使用，目前，以铌材料制作的高频加速腔正在逐步走向实际应用。
图9是说明在高频加速腔中使带电粒子加速的原理的示意图。当设一个加速管的长度为d、高频波的频率为f、波长为λ、周期为T、带电粒子的速度为v时，只要通过一个加速管的时间t＝d/v为周期T的一半，带电粒子就会被互相连接的各个加速管加速。这里，v＝λf、T/2＝t＝d/v＝d/fλ＝dT/λ，因此，一个加速管的长度设计为d＝λ/2。这样，只要增加连接的加速管的数目，带电粒子就可以从各加速管获取能量，因此能够累积增加带电粒子的速度。
铌是一种灰白色的比较软的金属(过渡金属)，在常温常压下具有稳定的晶体结构的体心立方晶格结构，比重为8.56。在空气中，会形成氧化膜而具有耐腐蚀性和耐酸性。作为单质金属，铌在最高的绝对温度9.2K(常压下)时发生超导转移。
为了使用铌制作超导高频加速腔，大量需要厚度约为数毫米的铌薄板。
以往作为获取数毫米左右厚度的铌薄板的方法，有从高纯度的铌锭中只切下必要的量并对其进行锻造及压延的塑性加工方法和通过带锯机等将直径为数十厘米的铌锭切薄的切片法。
但是，在塑性加工法中，由于制造程序复杂且需要的工序较多，因此在制造时需要耗费大量的时间，而且，由于在进行压延加工时容易混入杂质，使材料产生缺陷，因此会产生大量废料，导致制造成本提高。另外，在切片法中，由于使用的锯的厚度大，因此会产生大概50％的废料，而且由于切削后的表面会变得粗糙，因此需要进行后续的表面处理加工。
对超导高频腔而言，左右其性能的是铌材料和表面处理技术。表面处理技术有化学研磨和电解研磨。在以往的由多晶铌材料制作的腔体中，由于其晶粒边界处的表面粗糙度等问题，电解研磨比化学研磨具有更优良的性能。这被认为是材料的晶粒边界的问题。要使化学研磨具有与电解研磨相同的腔体性能，只能使用巨大晶体或单晶铌材料制作腔体。化学研磨具有处理方法简单等优点，在欧美国家正在开展对巨大晶体和单晶铌腔体的研发。这里，可以采用通过锯齿对巨大晶体铌锭进行机械切割的方法和通过放电加工逐片切割的方法。
实验证明，电解研磨与多晶和单晶无关，均能确保腔体性能。另外，对由铸锭制作的板材在冲压加工的成型性方面也没有大的问题。此外，使用这种方法，材料的品质稳定，具有很大优势。因此，如果使用由铸锭直接制作的板材制作腔体并进行电解研磨，那么无论铸锭的晶体粒径如何，都能够保证性能，同时还能大大降低材料费成本。
发明内容
本发明为解决上述的现有技术的种种问题而提出，提供一种用于带电粒子加速器的超导高频加速腔的制造方法，其中，该超导高频加速腔的制造方法包括：(a)通过圆盘形状的铌材料得到铌锭的步骤；(b)在支撑上述铌锭的状态下，不断喷射微小的浮游磨粒，并通过使多重金属线前后往复运动，将上述铌锭切割成多个具有特定厚度的铌板的步骤；(c)除去上述切割后的铌板上附着的所述浮游磨粒的步骤；(d)通过深冲成型(深絞り成形)方式使所述铌板形成为所需形状的步骤。这里，所述铌锭为铌单质或铌与其它金属组成的合金。
在上述步骤(a)中，圆盘形状的铌锭是通过将铌材料置于特定形状的坩埚内并使用电子束(EB)照射熔解而得到的。
另外，所述浮游磨粒是混合在油中的碳化硅(SiC)，在所述步骤(b)中，对所述铌锭进行切片时，使用环氧树脂对铌锭的上部进行粘接支撑。
另外，在上述步骤(b)中使用的上述金属线是直径为0.16mm的钢琴线，当上述铌锭的厚度为20mm时，可以得到6片铌板。
由于本发明的超导高频加速腔的制造方法使用钢琴线和磨粒对所要求的铌圆盘形铌锭进行切片，因此能够大大减少材料的废料。由于本制造方法能够省略锻造、压延和退火等其它一切步骤，因此明显地简化了制造工序，提高了生产率，同时大幅削减了成本。
附图说明
图1是用于说明超导腔用高纯度铌板材的制造工序的图。
图2表示直径为275mm的铌锭用坩埚的例子。
图3表示制作完成的铸锭的例子。
图4是表示铌锭的切片工序的图。
图5表示从20mm厚的铌锭上切割下来的2.8t的铌圆板(表面切割后通过化学研磨进行了刻蚀)的例子。
图6表示由切片材料冲压成型的半腔(左)和修整加工后(右)的半腔的例子。
图7表示用于腔体性能评价所使用的流程。
图8表示由切片材料制作的L波段单腔性能测试结果。
图9是说明在高频加速腔中使带电粒子加速的原理的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
1.背景
从超导高频腔的高电场性考虑，电解研磨(EP)相比化学研磨(CP)具有明显的优势。此后，其它多个研究所进行了验证，通过由多晶铌板材制作的超导腔体确认了这个事实。人们推测这个问题可能与铌材料的晶粒边界有关，便动用多种研究设备开展了对巨大晶体铌和单晶铌的超导腔的研究，得到了非常有前景的结果。
现在，在单晶铌腔体中得到高电场性已是不争的事实，近年来，正在开展对单晶铌锭的制造法的技术讨论、巨大晶体铌腔体的性能报告、通过巨大晶体铌降低材料成本的研讨。虽然这样的研讨的结果由于巨大的开发成本以及较长的开发周期等因素并未能积极推进对单晶铌锭的研究，但是，明确了对削减成本而言，铸锭的切片技术是关键。
在国际直线对撞机(ILC)中，需要17000台L波段9级超导腔，仅所需的铌材料单元就要31万件。需要日产量420件的规模的生产率。因此，提高材料生产效率和材料的成品率变得尤为重要。
2.关于超导高频腔用铌材料制造方法
图1是说明超导腔用高纯度铌板材的制造工序的图。如图1所示，超导腔用高纯度铌材料由铌粉或铌锭开始，经过铸锭的真空电子束多重熔解、锻造、压延、中间热处理、表面研磨等复杂工序。另外，上述方法在对锻造品进行拨皮处理或从角板上切割圆板时，都会产生大量的废料，预计材料的成品率为55％左右。另外，在压延等工序中，很有可能从周围环境中卷入杂质，使材料失去可靠性。材料成本升高自然也就无法避免。
另外，在以往的巨大晶体铌的超导腔的开发中，通过超硬金属锯或放电加工对铌锭进行切片。切片法由于使用的锯齿的厚度(2mm)的原因，因此材料的成品率不高，而且切割面粗糙，需要后续研磨。放电加工法虽然不存在切割面粗糙的问题，但由于结构上的原因，很难开发出能够同时切割多个板的机器。这些方法不适合进行批量生产，急需开发出一种效率更高且成本低廉的切片方法。
本发明的发明者解决了这样的课题，首创了能够在不破坏材料特性的前提下大幅削减成本的方法。使用当前半导体技术中使用的硅锭切片机制造铌板材。由于本方法中使用直径0.16mm的钢琴线和磨粒对具有所要求的铌圆板直径(ILC中为270～265mm)的圆棒铸锭进行切片，因此能够大幅减少材料的废料(大概15％，降低到通过锻造和压延的当前方法的1/3)。另外，由于能够省略锻造、压延和退火等所有工序，因此明显简化了材料制造程序，并能够在提高生产率的同时大幅削减成本。
3.铌锭的切片工序
本发明中，从切割面的侧面向多重张紧的钢琴线(0.16mm的直径)喷射混在油中的#800(粒度号)的SiC浮游磨粒，在包围在金属线上的状态下使附有磨粒的金属线运动，在从上方推压铌锭的同时缓慢地进行摩擦切割。
进行切片时，铸锭上部通过环氧树脂粘接在支撑部件上，使铸锭即使在被切割后也能够被支撑部件保持而不会散成一团。切片完成后，浸入到游离材料(遊離材)中以从支撑部件分离切割成片的板材，因此不会有损伤。切割时间为38.9小时。板厚的切割精度为50微米。相比以往的100微米，达到了2倍的精度。切割表面粗糙度在圆板中心部以外为3.5微米，中心部为11.5微米。中心部在冲压加工时会开孔，可以认为不使用的全表面为3.5微米。无需进行改善表面粗糙度的后续处理。虽然表面会残留嵌入的砂粒，但只需进行轻微的刻蚀处理即可除去，获得干净的表面。使用的设备是东洋先进技术(有限公司)(Toyo Advanced Technologes Co.，Ltd.)生产的E450-E-12H机器，能够对最大直径300Φ、450L的硅锭进行切片。对270Φ、450L的铌材料进行切片时，需要将铸锭的支撑部件改良为强度更高的部件，但并不需要进行多大的校正。
不过，在半导体行业中，并没有使用硅切片机对300mm左右的大口径金属进行切片的经验，这种方法可能存在很多困难。有人指出，铌是一种具有粘性的金属，板材在切片过程中卷曲，使金属线容易折断。另外，关于切片时使用的金属线，最初试用了镀有金刚石的固定磨粒线，但是对大口径金属进行切片时并不顺利。另外，即使能够进行切片，该金属线的成本也过高，切割一片270Φ的铌材料可能就要耗费100万日元的成本。
于是，又回到以往的浮游磨粒法，对壁厚15mm、宽度500mm、长度300mm的厚板铌进行了试切割。随后又使用150mm直径的铌圆棒进行了切片试验。各种条件研究的结果，终于发现了大口径铌锭切片制作的可能性。在这些试验中，得到了4～9μm(Ry)的表面粗糙度。该表面粗糙度已可以满足腔体制作的要求。紧接着上述试验进行了275mm直径的铸锭切片试验。
另一方面，虽然以往将180mm直径的铌锭作为标准，但此次试验试制了275mm的大口径铸锭。
图2表示制造上述铸锭时使用的电子束熔解用坩埚，图3表示制作完成的大口径铸锭。
上述铸锭经6次多重熔解制作完成，其RRR为480。另外，利用锯从上述铸锭中切割了2片20mm厚的板材，进行了切片试验，。
图4所示将20mm厚的板材设置在切片设备上的状态。板材的上方通过环氧树脂固定在切片机的支撑部件上。在板材下方可以观察到以3mm间距布置金属丝。将板材压在快速移动的上述金属线的上侧进行切片。
图5表示切割下来的铌板。由于切割完成后对表面进行了刻蚀处理，板材上可以清楚地看到大的晶粒边界。即，所谓的巨大晶体铌材料。在20mm厚的铸锭的2次切片试验中，分别得到了6片板材。表面粗糙度达到了4～10μm(Ry)。不需要切割面的研磨。另外，板厚精度相对于目标厚度2.80mm达到了2.86±0.01mm，厚度精度相比过去的轧制法(ロ一ル法)上了一个台阶。切片时间为40～48小时。这与放电加工法所需时间相同。
4.关于切片材料的制作性能以及腔体性能
图6表示由切片材料冲压成型的半腔(左)和修整加工后(右)的半腔的例子。
为了对切割的铌材料进行评估，使用最初的20mm厚铸锭切片试验中切下来的板材(巨大晶体)制作了L波段单级腔体。使用了与使用多晶铌材料制作腔体的以往方法相同的制作方法。
首先，对270Φ、2.8mm的切片材料进行冲压制作腔体的半腔，经修整后通过电子束焊接(EBW)制作完成腔体。冲压成型时在半腔中央部出现了裂痕。但是，其深度为可以在修整加工中除去的深度，在腔体制作方面没有出现问题。另外，冲压半腔的赤道上出现了巨大晶体所特有的晶粒边界滑动结构，但这也可以通过修整加工除去。总而言之，可以确定在腔体制作方面没有问题。
制作完成的上述腔体，按照图7所示工序进行了表面处理。这里应当强调的是离心滚筒研磨工序。在巨大晶体中，成型时会因为晶粒边界滑动而在腔体内表面形成晶粒边界台阶。如果不使用离心滚筒研磨等机械研磨(CBP)法将此晶粒边界台阶修整得十分光滑，在向腔体内输入微波时，会发生RF磁场的增加，限制加速电场。另外，本次只进行了化学研磨。在通过离心滚筒进行约80微米机械研磨后，通过10μm的化学研磨除去磨粒造成的表面污染层，并进行脱氢退火处理，之后进行160μm化学研磨，使用纯水进行15分钟的高压清洗，随后进行腔体组装以及在120℃进行48小时的烘烤。如图8所示，通过这些一系列的最初试验，达到了42.6MV/m。通过切片材料实现了完全符合ILC的目标性能的腔体性能。
5.关于批量生产时的成本降低效果以及派生效果
本次使用试制的270Φ、450L的铸锭进行切片，预期可以在48小时内得到150片2.8mm厚的板材。关于ILC，对上述方法带来的成本削减金额进行了估算。假设在3年内日产量420片，所需切片机数量包含备用机在内共8台。包含上述资本成本和通过此次试验所预测的消耗品、劳务费、以及利润率在内的每块板材的切割费用大概在5千日元左右。使用上述方法，铌锭费用+5千日元，预期能够使成本降低一半。在ILC中，预期可以削减成本150亿日元。
铌锭的切片，也可以用于例如X波段的铜腔的制作。另外，除金属之外，还可以适用于RF窗的陶瓷板材。人们担心以后各种稀缺资源将会枯竭，但通过此方法可以降低废料产生量。
如上详细所述，本超导高频加速腔的制造方法包括：(a)通过圆盘形状的铌材料得到铌锭的步骤；(b)在支撑所述铌锭的状态下，不断喷射微小的浮游磨粒，并通过使多重金属线前后往复运动，将上述铌锭切割成多个具有特定厚度的铌板的步骤；(c)除去上述切割后的铌板上附着的所述浮游磨粒的步骤；(d)通过深冲成型方式使所述铌板形成为所需形状的步骤。
通过上述工序，例如可以在39小时内制作完成146片2.8t的铌板材。另外，一台机器每年可以对155块铸锭进行切片加工。切割面的粗糙度为10微米以下，不需要特意进行表面处理的工序。通过这种方法，ILC所需的铌材料单元(310000件)的成本，每件能够降价至当前市场价格的一半左右，预期可以降低总额150亿日元。另外，经过证实，使用上述方法制作的铌板材的半腔的成型性(冲压)方面也没有大的问题。
本发明涉及同步加速器等带电粒子加速器使用的高频加速腔，特别涉及超导高频加速腔的制造方法，在产业上具有可利用性。

Claims (8)

1.一种用于带电粒子加速器的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，该超导高频加速腔的制造方法包括：
(a)通过圆盘形状的铌材料得到铌锭的步骤；
(b)在支撑所述铌锭的状态下，不断喷射微小的浮游磨粒，并通过使多重金属线前后往复运动，将所述铌锭切割成多个具有特定厚度的铌板的步骤；
(c)除去切割后的铌板上附着的所述浮游磨粒的步骤；
(d)通过深冲成型方式使所述铌板形成为所需形状的步骤。
2.根据权利要求1所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，所述铌锭为铌单质或铌与其它金属组成的合金。
3.根据权利要求1所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，圆盘形状的所述铌锭是通过将铌材料置于特定形状的坩埚内并使用电子束照射熔解而得到的。
4.根据权利要求2所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，所述浮游磨粒是混合在油中的碳化硅(SiC)。
5.根据权利要求2所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，对所述铌锭进行切片时，使用环氧树脂对铌锭的上部进行粘接支撑。
6.根据权利要求2所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，在所述步骤(b)中使用的所述金属线是直径为0.16mm的钢琴线。
7.根据权利要求2所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，所述步骤(c)中的所述浮游磨粒的除去工艺为刻蚀处理。
8.根据权利要求2所述的超导高频加速腔的制造方法，其特征在于，当所述铌锭的厚度为20mm时，能够得到6片铌板。
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