JP2001217099A - 三次元形状キャビティ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 板金はんだ接合法に近い低コスト及び短納期
で、電鋳一体成形法と同程度の高品質を得る。 【解決手段】 導電性を有する板状パーツ８０を作成
し、電鋳できるように組み付けた後、電鋳により接合し
て三次元形状キャビティ２０とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状キャビ
ティ及びその製造方法に係り、特に、サイクロトロンの
高周波システムの空洞共振回路を構成する、複雑な三次
元形状を有するキャビティを、高性能・高信頼性・低価
格で製造することが可能な、三次元形状キャビティ及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】サイクロトロンの高周波システムの空洞
共振回路を構成する三次元形状を有する高周波（ＲＦ）
キャビティ（以下、単にキャビティと称する）は、サイ
クロトロンの高性能化に伴う磁極形状の複雑化に伴い、
近年複雑な形状となっている。特に、図１（一部を切欠
いた斜視図）及び図２（上電磁石を外した状態の平面
図）に示すような、高磁場コンパクト型サイクロトロン
１０においては、その電磁石１２を構成する磁極１４の
形状が、ビームの収束性をもたせるために、磁場として
の性能に最適化された結果、図３に示す如く、ヒル及び
バレーと呼ばれる、磁極ギャップの狭い丘の部分１４Ｈ
と広い谷の部分１４Ｖを持つ大変に複雑な形状となって
いる。例えば、出願人による製造実績のある陽子２３５
ＭｅＶ加速用のサイクロトロンでは、ヒル部のギャップ
は、中心から外径に向かって、断面が短軸９６ｍｍとな
るような楕円形状となっている。したがって、キャビテ
ィ２０は、バレー部１４Ｖの部分に、複雑な磁極の形状
に適合させながら、性能上有効なスペースを保って配置
されなければならない。

【０００３】図において、１６は、電磁石１２のヨー
ク、２２は、該ヨーク１６の内側に配置されたメインコ
イル、２４は、ビームの通路を真空に保つための真空
槽、２６は、サイクロトロン１０の中心部に先端が挿入
されたラジアルプローブ、２８は、ヨーク１６を上下す
るためのヨークリフト装置、３０は引き出しビームダク
ト、３２は容量チューナである。

【０００４】前記キャビティ２０は、図４（斜め上から
見た斜視図）及び図５（斜め下から見た斜視図）に示す
ように、電磁石１２の形状に合わせた階段部２０Ｓを有
する、舟型の非常に複雑な三次元形状を有しており、キ
ャビティに必要な高い形状精度、高周波入熱に対する損
失の最小化、放電耐性に対する高い信頼性を確保する一
方で、なお且つ経済的なコストを実現することは、従来
より大変困難とされてきた。

【０００５】以下、図６（平面図）、図７（図６のVII
−VII線に沿う横断面図）及び図８（図６のVIII−VIII
線に沿う縦断面図）を参照して、キャビティ２０の機能
を説明する。共振器構造体は、ディー電極４０とカウン
ターディー（以下ＣＤと略する）４２の間の加速ギャッ
プＡ間に、高周波電場を発生させる。この高周波電場
は、当然ビームの回転位相に合致させて発生させるので
あるが、ビームは、この加速ギャップＡを通過する毎に
エネルギを獲得し、軌道を半径方向に拡げながら進行し
ていく。

【０００６】前記ディー電極４０への電力供給は、回路
的に容量結合（Ｃカップリング）により、カプラ４４を
通じて行われる。ディー電極４０は、水冷された円柱体
（ピラーと称する）４６、４８により支持されている。
更に、ディー電極４０全体を周囲から包むような形で、
前記ＣＤ４２と、斜円錐の一部の曲面形状であるサイド
ウォール（以下ＳＷと略する）５０と、ボトムアースプ
レート（以下ＢＥＰと略する）５２と、フロントウォー
ル（以下ＦＷと略する）５４と、電磁石の形状に合わせ
た階段状のリヤウォール（以下ＲＷと略する）５６で構
成される舟形の箱が形作られ、これをキャビティと称し
ている。キャビティの分解した形状を図９に示す。

【０００７】このキャビティ２０に要求される仕様は次
のとおりである。

【０００８】（１）高周波電流が内部表面を走る（１０
〜５０Ａ／ｃｍ、表皮厚１０μｍ以下）ため、パワーロ
スを減らす目的で、高電導度の材質、構造を要する。 （２）高周波加熱を効果的に冷却できる高熱伝導性の材
質が要求される。 （３）磁場に対する影響を無くすために、非透磁性の材
質が要求される。 （４）所定の共振器周波数とＱ値（共振回路のピーク尖
鋭度）の確保のために、高い形状精度が要求される。 （５）耐放電性のある形状、構造が要求される。 （６）サイクロトロンの市場価格に見合った、そのユニ
ットとしての適正なコストが要求される。

【０００９】上記（１）〜（６）の全てに関連して、材
質は従来より銅が最適とされている。

【００１０】したがって従来は、銅を用いて、板金はん
だ接合法、又は、電解鋳造（電鋳と略す）一体成形法に
より製造されていた。

【００１１】前者の板金はんだ接合法では、ＣＤ４２と
ＢＥＰ５２を、厚銅板より弧形状をもつ外形に機械加工
する。

【００１２】そして、このＣＤ４２とＢＥＰ５２を、正
規の位置において治具代わりとして、図１０に示す如
く、形を合わせるために薄い銅板とされたＦＷ５４、Ｒ
Ｗ５６、そしてＳＷ５０を板金成形しながら合わせてい
く。特に、ＳＷ５０は、三次元的な曲面形状を有するの
で、形状形成には、この方法が非常に有効である。

【００１３】次いで、板金部品の接合部分Ｂ１〜Ｂ４
を、図１１に例示する如く、ビス又はリベット５８で固
定した後、はんだ付け接合する。はんだ材料は、性能上
高融点を必要とするため、融点２３０°のＡｇ−Ｓｎ系
のものが使用される（通常のＰｂ−Ｓｎはんだでは融点
は１６０°位である）。ここで、銀鑞付や溶接による接
合方法を選択しない理由は、作業時の多大な入熱による
熱変形の問題を防ぐためである。

【００１４】一方、後者の電鋳一体成形法は、例えば図
１２に示すような電鋳装置を用いて、電解めっきを厚く
めっきすることにより、キャビティを一体成形するもの
である。図１２において、６０は、例えば硫酸銅の水溶
液が充満された電鋳槽、６２は整流器、６４は弱電解
槽、６６はろ過機、６８はポンプ、７０はフィルタ、７
２はフローメータである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
板金はんだ接合法では、はんだ接合面を直接高周波電流
が流れるため、局部的に高温になる部分が避け得ず、次
のような問題点を有していた。

【００１６】（１）まず、はんだから蒸発ガスが発生し
て局部的に真空度を悪化させ、放電現象を誘引する。パ
ッシェンの法則により、中途半端な真空度では、大気状
態や高真空状態よりも、かなり放電耐圧が低下する。 （２）一度発生した放電現象等により、はんだ自身が局
部的に高熱となって溶出すると、更に接合部分の電流密
度を上昇させ、局部的に高温になるという悪循環が生み
出される。 （３）はんだ接合作業中にも、作業管理の問題で温度を
上げ過ぎて、素材のなまりや熱歪みの発生を完全に抑え
切ることができず、形状精度の確保が困難となり、磁極
への組付け寸法変化による組立性の困難化の現象が発生
する。

【００１７】一方、後者の電鋳一体成形法は、前記板金
はんだ接合法のような問題点を生ずることなく、キャビ
ティのような複雑な形状を実現することが可能である
が、次のような理由で、製造費用が高くなり、且つ、製
作期間も長くなるという問題点を有していた。

【００１８】（１）電鋳用の母型が複雑な三次元加工形
状となり、設計製作の多大な手間を要する。 （２）電鋳の厚みが、母型の形状を初めとする様々な要
因でばらつくので、この凹凸の修正加工と再電鋳の工程
を繰り返さなければならない。 （３）もともと製法として製作期間が長く、キャビティ
形状で８ｍｍ程度の厚みシェルをもつ電鋳を行うと、約
２ヶ月を要する。

【００１９】因みに製作費を比較すれば、この電鋳一体
成形法では、前記板金はんだ接合法の場合の約４〜５倍
のコストを要する。

【００２０】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、板金はんだ接合法に近い低コスト且
つ短納期で、電鋳一体成形法と同程度の高品質を達成す
ることを課題とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、三次元形状キ
ャビティを、導電性を有する板状パーツが、電鋳により
接合されてなるようにして、前記課題を解決したもので
ある。

【００２２】又、このような三次元形状キャビティを、
導電性を有する板状パーツを作成し、電鋳できるように
組み付けた後、電鋳により接合するようにして、前記課
題を解決したものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００２４】本実施形態における全体形状の成形方法
は、従来技術で説明した板金はんだ接合法の場合と同じ
である。そして、従来のはんだ付けによる部品接合を、
電鋳接合に切り換える。

【００２５】具体的には、図１３に手順を示す如く、ま
ずステップ１００で、電鋳接合用の銅材部品（パーツと
称する）を製作する。

【００２６】次いでステップ１０２で、図１４に示す如
く、パーツ８０を、めっき中姿勢を保持するための、例
えばステンレス材によるパーツ固定治具８２上に電鋳で
きるように組付ける。なお、キャビティ自身が十分に自
立する剛性を持っている場合はパーツ固定治具は不要で
ある。

【００２７】次いでステップ１０４で、図１４に示した
如く、組付けたパーツ８０の隙間を十分に殺せるよう、
ねじやリベット又は部分ろう付等で固定する。更に、ど
うしても殺せない隙間には、例えばＡｇ導電性ペースト
８４を充填する。

【００２８】次いでステップ１０６で、図１５に示す如
く、通電用のマイナス端子８５Ａ及び陽電極８５Ｂ（通
電治具と称する）を電解液槽８６内にセットし、直流電
源８７を接続する。

【００２９】次いでステップ１０８で、図１５に示した
如く、各種治具や各パーツのめっき不要箇所にマスキン
グテープ及びシール剤を塗布してマスキング８８を施
す。

【００３０】次いでステップ１１０で、銅電鋳を施し
て、図１６に示す如く、接合部に銅電鋳盛９０を形成す
る。この接合部における銅電鋳の厚さは、例えば０．５
ｍｍ以上とすることができる。

【００３１】次いでステップ１１２で、銅電鋳盛９０の
バリ等を除去して、表面手入れを行う。

【００３２】次いでステップ１１４で、各種治具を解体
し、銅めっき接合部品の単体にする。

【００３３】次いでステップ１１６に進み、治具取り合
いで十分表面手入れができない箇所等の、銅電鋳以外の
箇所を含む最終的な表面仕上げを行ってキャビティを完
成する。

【００３４】本実施形態においては、パーツと同じ銅で
電鋳接合を行っているので、接合部分の材質が素材と同
じ銅であり、真空蒸発や高温溶出の問題が皆無となる。
なお、電鋳金属は銅に限定されず、例えばニッケルや、
ニッケル合金等を用いることも可能である。パーツの素
材も銅に限定されない。

【００３５】適用対象も、医療用サイクロトロン用のキ
ャビティに限定されず、他の用途の加速器のキャビティ
にも適用可能である。形状も、複雑な三次元形状を有す
る物に限定されず、簡素な形状の導電性部品を接合して
構成される他のユニットに適用することも可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明においては、電鋳接合時の作業温
度（電解槽の電解液温度）が３０〜４０℃位と低温であ
るので、接合部品材質の強度低下や処理後の熱歪み発生
の恐れがない。又、電鋳肉盛部が部品の接合部に限定さ
れ、しかも接合隙間を埋める程度の０．５ｍｍ程度の厚
みができればよく、電鋳一体成形法に比べて、飛躍的に
作業時間を少なく（２日位）でき、板金はんだ接合法と
同程度のコストが維持できる。

【００３７】更に、キャビティの性能的な信頼性が向上
することで、サイクロトロン等の加速器の安定運転につ
ながる。即ち、キャビティのＲＦ放電による機械のフォ
ールトダウンの危険性が無くなる。又、形状精度確保に
より、サイクロトロンの組付性の向上と共振周波数の合
わせ込み容易化やＱ値の向上に結び付く。更に、経済的
なコストでキャビティが作れるので、サイクロトロンと
しての価格競争力を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用対象であるサイクロトロン本体の
概略を示す、一部を切り欠いた斜視図

【図２】同じく上電磁石を外した状態を示す平面図

【図３】同じく電磁石の形状を示す斜視図

【図４】キャビティを斜め上方から見た斜視図

【図５】キャビティを斜め下方から見た斜視図

【図６】キャビティの作用を説明するための平面図

【図７】図６のVII−VII線に沿う横断面図

【図８】図６のVIII−VIII線に沿う縦断面図

【図９】キャビティの構成を示す分解斜視図

【図１０】板金はんだ接合法によるキャビティの製造方
法を説明するための、キャビティを斜め下方から見た斜
視図

【図１１】図１０のXI−XI線に沿う横断面図

【図１２】従来の電鋳一体成形法で用いられている電鋳
装置の概略構成を示す管路図

【図１３】本発明による三次元形状キャビティの製造方
法の実施形態を示す流れ図

【図１４】前記実施形態において、固定治具にパーツを
組付け、その隙間に導電処理を施している状態を示す断
面図

【図１５】同じく通電治具をセットしてマスキングした
状態を示す断面図

【図１６】同じく電鋳処理を行った状態を示す断面図

【符号の説明】

１０…サイクロトロン １２…電磁石 １４…磁極 １６…ヨーク ２０…キャビティ ４０…ディー電極 ４２…カウンタディー（ＣＤ） ５０…サイドウォール（ＳＷ） ５２…ボトムアースプレート（ＢＥＰ） ５４…フロントウォール（ＦＷ） ５６…リヤウォール（ＲＷ） ８０…パーツ ８２…固定治具 ８４…導電性ペースト ８５Ａ…マイナス端子 ８５Ｂ…陽電極 ８７…直流電源 ８８…マスキング ９０…銅電鋳盛

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性を有する板状パーツが、電解鋳造に
   より接合されてなることを特徴とする三次元形状キャビ
   ティ。
2. 【請求項２】導電性を有する板状パーツを作成し、 電解鋳造できるように組み付けた後、 電解鋳造により接合することを特徴とする三次元形状キ
   ャビティの製造方法。