JP2003037000A - 超電導高周波加速空胴の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】作業環境、廃液処理また作業管理面等での煩雑
な作業を簡略し、しかもコストがかからず品質的に安定
したものを得ること。 【解決手段】超電導材からなる空胴本体と、当該空胴本
体の両端に取付けられたフランジとから構成され、空胴
本体の空胴内に高周波電力を入力して電界を発生させ、
当該電界により荷電粒子を加速させる超電導高周波加速
空胴の製造方法において、軸方向の両端に開口を有する
複数のセルを軸方向に配列して互いの開口どうしを接触
させ、当該接触部を溶接接合することにより一体化して
一つの空胴本体を形成し、次に空胴本体を形成した後に
当該空洞本体の内面を粗研磨し、しかる後に後仕上げ研
磨としてセラミックス系研磨材を含有させた研磨材また
は研磨液で機械的研磨により鏡面に仕上げる表面処理を
行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導材からなる
空胴本体と、この空胴本体の両端に取付けられたフラン
ジとから構成され、空胴本体の空胴内に高周波電力を入
力して電界を発生させ、この電界により荷電粒子を加速
させる超電導高周波加速空胴の製造方法に係り、特に作
業環境、廃液処理また作業管理面等での煩雑な作業を簡
略し、しかもコストがかからず品質的に安定した超電導
高周波加速空胴が得られるようにした超電導高周波加速
空胴の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えばＬＳＩ製造工程における
Ｘ線リソグラフィに使用することを目的として、電子、
陽電子等の荷電粒子を高周波加速空胴を用いて加速する
場合がある。

【０００３】このように、高周波加速空胴は高周波電力
を荷電粒子に供給するものであり、高周波加速空胴内で
は、荷電粒子の速度に同期した数十ＭＨｚから数ＧＨｚ
程度の高周波の高電界を発生させ、荷電粒子にはこの高
周波電界により電力が供給される。

【０００４】この場合、荷電粒子ビームを効率良く加速
するため、高周波加速空胴にはより高い加速電界が求め
られ、この点超電導高周波加速空胴は、従来の常電導高
周波加速空胴よりも高い加速電界が得られることから、
次世代の粒子加速器に適用される。

【０００５】図５は、この種の超電導高周波加速空胴が
組込まれた超電導高周波加速空胴クライオシステムの全
体構成例を示す断面模式図である。

【０００６】図５において、超電導高周波加速空胴は、
超電導材からなる空胴本体１と、この空胴本体１の両端
に取付けられたフランジ２ａ，２ｂとから構成されてい
る。

【０００７】フランジ２ａ，２ｂには、荷電粒子ビーム
４ａ，４ｂを空胴本体１内へ入出力させるためのビーム
パイプ３ａ，３ｂが取付けられている。

【０００８】この超電導高周波加速空胴は、図示のよう
に、液体ヘリウム５が充満された液体ヘリウム槽６内に
収納されている。

【０００９】この液体ヘリウム槽６は輻射熱シールド材
７で覆われ、さらにその外側が真空容器８で覆われてい
る。

【００１０】さらに、液体ヘリウム槽５には、ヘリウム
供給ポート９が取付けられ、空胴本体１のフランジ近傍
位置には、空胴本体１内へ高周波電力を供給するための
入力カプラーポート１０が取付けられている。

【００１１】以上のように構成された超電導高周波加速
空胴クライオシステムにおいて、液体ヘリウム５中で冷
却された超電導高周波加速空胴に、入力カプラーポート
１０から高周波電力を入力した状態で、ビームパイプ３
ａから荷電粒子ビーム４ａを空胴本体１内へ供給する
と、この荷電粒子は高周波電力の速度に同期して、ビー
ムパイプ３ｂから加速された荷電粒子ビーム４ｂとして
出力される。

【００１２】図６は、このような荷電粒子を加速させる
超電導高周波加速空胴の製造方法の一例を示す製造工程
図である。

【００１３】まず、図６（ａ）に示すように、軸方向の
両端に開口１１ａ，１１ｂを有する半割セル１１を多数
個製造する。

【００１４】具体的に言えば、例えばＮｂ等の超電導材
料を、型を用いた絞り加工等で成型し、他の半割セル１
１との接合部（接触部）となる開口１１ａ，１１ｂを、
機械加工で規程寸法に仕上げる。

【００１５】次に、図６（ｂ）に示すように、２個の半
割セル１１における互いの開口１１ａどうしを接触さ
せ、この接触部を、半割セル１１の外周面側より電子ビ
ーム溶接（ＥＢＷ）等で溶接して一体化して、一つのユ
ニットを製作する。

【００１６】このようにして製造された複数個のユニッ
トを、互いの開口１１ｂが接触するように軸方向に配列
し、また両端側にそれぞれに同じくＮｂ等の超電導材料
で円筒状に形成されたビームポート１３を接触するよう
に配列する。そして、各接触部を、ユニットの外側より
電子ビーム溶接等で溶接して一体化して、一つの空胴本
体１を製作する。

【００１７】次に、このようにして製作された空胴本体
１の両端の開口１ａ，１ｂに、図５に示したフランジ２
ａ，２ｂを取付ける。

【００１８】ところで、超電導高周波加速空胴は、空胴
内の表面状態が空胴の性能に大きく作用するため、空胴
本体１を形成した後に、空胴本体１の内面の表面処理を
行ない、表面欠陥を除去して清浄な表面を得ることが必
要である。

【００１９】すなわち、製造工程において、不純物、有
害な酸化物、数ミクロンオーダーの傷の発生を皆無にす
ることは困難であり、これらの欠陥は、欠陥部から電界
放出や高周波損失の増大を伴なって、空洞性能を低下さ
せるからである。

【００２０】そのため、超電導高周波加速空胴の表面処
理方法として、まず粗研磨であるバレル研磨等による機
械的な研磨を行なった後に、電解液中で空胴本体１を陽
極として電流を流して研磨する電解研磨、あるいは研磨
液で化学的に溶解して研磨する化学研磨による仕上げ研
磨を行なって、所定の表面粗さを出し、純水をノズル等
により圧力１００kgf/cm²の高圧で空胴内面に噴射させ
ることで、研磨液等の残留物を取り除くようにしてい
る。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示したような超電導高周波加速空胴の製造方法において
も、未だ解消すべき次のような課題がある。

【００２２】すなわち、空胴本体１の内面の表面処理と
して、Ｎｂの場合、沸酸（ＨＦ）以外のほとんどの酸に
対して化学的に安定であることから、電解研磨あるいは
化学研磨のいずれにおいても、沸酸（ＨＦ）を使用する
研磨方法であるため、作業環境、廃液処理また作業管理
面でも、特別な措置が必要とされる。

【００２３】また、純水による高圧洗浄だけでは、空胴
内面の表面粗さが０．５μｍ以下の表面状態の微細な隙
間に侵入した研磨液を完全に除去するのは困難であり、
化学的残留物が残留して超電導特性が損なわれることか
ら、性能を劣化させる原因となる。

【００２４】以上のような点から、従来の超電導高周波
加速空胴の製造方法では、品質的に十分安定したものを
得ることは困難である。

【００２５】本発明の目的は、作業環境、廃液処理また
作業管理面等での煩雑な作業を簡略し、しかもコストが
かからず品質的に安定した超電導高周波加速空胴を得る
ことが可能な超電導高周波加速空胴の製造方法を提供す
ることにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明では、超電導材からなる
空胴本体と、当該空胴本体の両端に取付けられたフラン
ジとから構成され、空胴本体の空胴内に高周波電力を入
力して電界を発生させ、当該電界により荷電粒子を加速
させる超電導高周波加速空胴の製造方法において、軸方
向の両端に開口を有する複数のセルを軸方向に配列して
互いの開口どうしを接触させ、当該接触部を溶接接合す
ることにより一体化して一つの空胴本体を形成し、次に
空胴本体を形成した後に当該空洞本体の内面を粗研磨
し、しかる後に後仕上げ研磨としてセラミックス系研磨
材を含有させた研磨材または研磨液で機械的研磨により
鏡面に仕上げる表面処理を行なうようにしている。

【００２７】また、請求項２に対応する発明では、上記
請求項１に対応する発明の超電導高周波加速空胴の製造
方法において、セラミックス系研磨材の成分としては、
Ａｌ ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂を用いるようにしている。

【００２８】従って、請求項1および請求項２に対応す
る発明の超電導高周波加速空胴の製造方法においては、
空胴本体を形成した後に当該空洞本体の内面を粗研磨
し、しかる後に仕上げ研磨として、沸酸（ＨＦ）を使用
しないＡｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ ₂を成分とするセラミッ
クス系研磨材を含有させた研磨材または研磨液で機械的
研磨により鏡面に仕上げる表面処理を行なうことによ
り、機械的研磨で鏡面に仕上げることによって、電解研
磨あるいは化学研磨処理を行なったものと同等の効果が
得られるため、作業環境、廃液処理また作業管理面等で
の煩雑な作業を簡略することができる。

【００２９】さらに、請求項３に対応する発明では、前
記請求項１または請求項２に対応する発明の超電導高周
波加速空胴の製造方法において、表面処理を行なった後
の空胴本体の内面に付着した汚染物質を、洗浄流体とし
て超臨界流体を用いて洗浄するようにしている。

【００３０】従って、請求項３に対応する発明の超電導
高周波加速空胴の製造方法においては、表面処理を行な
った後の空胴本体の内面に付着した汚染物質を、洗浄流
体として超臨界流体を用いて洗浄することにより、純水
による高圧洗浄だけでは研磨液が完全には除去されない
ものが、表面処理後の空胴本体の内面に付着した汚染物
質を完全に除去することができるため、性能の劣化の原
因が排除されて、荷電粒子に対する良好な加速性能を確
保することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００３２】（第１の実施の形態）図１は、本実施の形
態による超電導高周波加速空胴の製造方法の一例を示す
製造工程図であり、図５および図６と同一要素には同一
符号を付して示している。

【００３３】本実施の形態では、超電導高周波加速空胴
を、以下のようにして製造する。

【００３４】まず、図１（ａ）に示すように、軸方向の
両端に開口１１ａ，１１ｂを有する半割セル１１を多数
個製造する。

【００３５】具体的に言えば、例えばＮｂ等の超電導材
料を、型を用いた絞り加工等で成型し、他の半割セル１
１との接合部（接触部）となる開口１１ａ，１１ｂを、
機械加工で規程寸法に仕上げる。

【００３６】次に、図１（ｂ）に示すように、２個の半
割セル１１における互いの開口１１ａどうしを接触さ
せ、この接触部を、半割セル１１の外周面側より電子ビ
ーム溶接（ＥＢＷ）等で溶接して一体化して、一つのユ
ニットを製作する。

【００３７】次に、このようにして製造された複数個の
ユニットを、互いの開口１１ｂが接触するように軸方向
に配列し、また両端側にそれぞれに同じくＮｂ等の超電
導材料で円筒状に形成されたビームポート１３を接触す
るように配列する。そして、各接触部を、ユニットの外
側より電子ビーム溶接等で溶接して一体化して、一つの
空胴本体１を製作する。

【００３８】次に、このようにして空胴本体１を形成し
た後に、当該空洞本体１の内面を粗研磨する。

【００３９】次に、仕上げ研磨として、純水あるいは弱
酸性の組成液にセラミックス系研磨材を混合含有させた
研磨液（または研磨材）４１で、機械的研磨により鏡面
に仕上げる表面処理を行なう。

【００４０】次に、このようにして形成された空胴本体
１の両端の開口１ａ，１ｂに、前記図５に示したと同様
にフランジ２ａ，２ｂを取付けて、最終の超電導高周波
加速空胴の製造する。

【００４１】以上のようにして製造された空胴本体１
を、前記図５に示すようにクライオスタット内に組み込
んで、超電導高周波加速空胴クライオシステムを製作す
る。

【００４２】なお、上記において、空洞本体１の内面の
表面処理方法としては、具体的には、まずバレル研磨等
により約１００μｍ程度機械的に研磨した後、図２に示
すように、例えばセラミックス系研磨材として粒径が約
２．５μｍのものを入れた研磨液４１を、空胴本体１の
内部に５０％程度注入させ、蓋４２等により密封し、固
定治具を回転治具の軸心回りに、図示しない回転機構に
て回転駆動して、空胴本体１の内面を研磨する。

【００４３】回転速度は、研磨液４１が遠心力により空
胴本体１の内面にはりつき、空胴と共に回転しない適当
な摩擦が得られて円滑に研磨できる１００ｒｐｍ程度で
約４８時間程度研磨する。

【００４４】次に、研磨材４１の粒径を約１．５μｍの
粒径とした細かくしたものと入替えて、上記と同様にし
て研磨する。

【００４５】このように、粒径を段階的に細かくしてい
き、Ｎｂ等の微細な組織を持った材料においても鮮明な
研磨面が得られる。

【００４６】最終仕上げとして、研磨材４１の粒径を約
０．０５μｍのものに入れ替えて研磨することで、表面
粗さが０．５μｍ以下の鏡面状態が得られ、荷電粒子に
対する良好な加速性能を確保される表面状態が得られ
る。

【００４７】また、セラミックス系研磨材の成分として
は、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂を用いる。

【００４８】以上のようにして製造された空胴本体１
を、前記図５に示すようにクライオスタット内に組み込
んで、超電導高周波加速空胴クライオシステムを製作す
る。

【００４９】空胴本体１の内面の表面処理として、Ｎｂ
の場合、沸酸（ＨＦ）以外のほとんどの酸に対して化学
的に安定であることから、電解研磨あるいは化学研磨の
場合、沸酸（ＨＦ）を使用するため、作業環境、廃液処
理また作業管理面でも特別な措置が必要となる。

【００５０】この点、本実施の形態の超電導高周波加速
空胴の製造方法においては、セラミックス系研磨材を含
有させた研磨液（研磨材）４１で、機械的研磨により鏡
面に仕上げることにより、電解研磨あるいは化学研磨処
理を行なったものと同等の効果が得られ、作業環境、廃
液処理また作業管理面等での煩雑な作業を簡略すること
ができる。

【００５１】上述したように、本実施の形態による超電
導高周波加速空胴の製造方法では、空胴本体１を形成し
た後に当該空洞本体１の内面を粗研磨し、しかる後に後
仕上げ研磨として、沸酸（ＨＦ）を使用しないＡｌ₂Ｏ₃
あるいはＳｉＯ₂を成分とするセラミックス系研磨材を
含有させた研磨液（または研磨材）４１で機械的研磨に
より鏡面に仕上げる表面処理を行なうようにしているの
で、機械的研磨で鏡面に仕上げることによって、電解研
磨あるいは化学研磨処理を行なったものと同等の効果が
得られるため、作業環境、廃液処理また作業管理面等で
の煩雑な作業を簡略することが可能となる。

【００５２】（第２の実施の形態）図３は、本実施の形
態による超電導高周波加速空胴の製造方法を実現するた
めの超臨界流体洗浄装置の構成例を示す概要図であり、
図１および図２と同一要素には同一符号を付してその説
明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００５３】図３おいて、超臨界流体洗浄装置５１は、
加圧ポンプ５２と、熱交換器５３と、フィルター５４
と、貯蔵タンク５５と、バルブ５６と、廃液用バルブ５
７と、洗浄槽５９と、これらの各要素を相互に接続する
配管５８とから構成されている。

【００５４】貯蔵タンク５５は、洗浄流体（溶媒）とし
ての超臨界流体を貯蔵する。

【００５５】ここで、超臨界流体としては、例えば水を
３７４℃以上、２２０気圧以上にすると、超臨界流体の
状態になり、液体と気体の両方の性質を持つことで、液
体の時の大きな分子のまま、気体のように活発に動くこ
とができるので、洗浄能力が高まる。

【００５６】また、メタノールでは、２３９℃以上、７
９気圧以上で、超臨界流体になる。

【００５７】以上のような超臨界流体を用いることがで
きる。

【００５８】加圧ポンプ５２は、バルブ５６を介して導
入される貯蔵タンク５５の洗浄流体を加圧する。

【００５９】熱交換器５３は、加圧ポンプ５２により加
圧された洗浄流体を加熱する。

【００６０】フィルター５４は、熱交換器５３により加
熱された洗浄流体をフィルター処理してその清浄度を維
持する。

【００６１】そして、フィルター５４によりフィルター
処理された洗浄流体を、バルブ５６を介して洗浄槽５９
へ供給するようにしている。

【００６２】洗浄槽５９は、バルブ５６を介して供給さ
れる洗浄流体を用いて、前記表面処理を行なった後の空
胴本体１の内面に付着した汚染物質を洗浄する。

【００６３】そして、洗浄槽５９で洗浄に使用された後
の洗浄流体を、廃液用バルブ５７を介して外部へ排出す
るようにしている。

【００６４】以上のようにして製造された空胴本体１
を、前記図５に示すようにクライオスタット内に組み込
んで、超電導高周波加速空胴クライオシステムを製作す
る。

【００６５】本実施の形態の超電導高周波加速空胴の製
造方法においては、表面処理を行なった後の空胴本体１
の内面に付着した汚染物質を、洗浄流体として超臨界流
体を用いて洗浄することにより、純水による高圧洗浄だ
けでは研磨材または研磨液４１が完全には除去されない
ものが、表面処理後の空胴本体１の内面に付着した汚染
物質を完全に除去することができるため、性能の劣化の
原因が排除されて、荷電粒子に対する良好な加速性能を
確保することができる。

【００６６】すなわち、純水をノズル等により圧力１０
０kgf/cm²の高圧で空胴本体１の内面に噴射させて洗浄
しても、水の分子は非常に大きいため、表面粗さが０．
５μｍ以下の表面状態の微細な隙間に侵入した研磨液を
完全に除去するのは困難であるのに対して、超臨界流体
は、微細な隙間においても入り込んで洗浄できる特長が
あることから、純水による高圧洗浄よりも空胴本体１の
内面に付着した不純物である研磨材４１を除去すること
ができる。

【００６７】図４は、本実施の形態の製造方法で製造さ
れた空胴本体１における性能特性結果を示すＱ値特性図
である。

【００６８】図４において、縦軸は超電導加速空胴体の
代表的特性である無負荷Ｑ値で、理想的な空胴内面を持
つと仮定した場合の理論値を１００％とした幾つかの共
振モードの結果をプロットしたものである。

【００６９】一般に、Ｑ値は、同じモード系列では共振
周波数が高いほど表面状態が敏感になり、理論値に対し
て低下する。

【００７０】この点、本実施の形態を適用することによ
り、２〜３％程度Ｑ値が向上して、効果がより一層顕著
になる。

【００７１】上述したように、本実施の形態による超電
導高周波加速空胴の製造方法では、表面処理を行なった
後の空胴本体１の内面に付着した汚染物質を、洗浄流体
として超臨界流体を用いて洗浄するようにしているの
で、純水による高圧洗浄だけでは研磨材または研磨液４
１が完全には除去されないものが、表面処理後の空胴本
体１の内面に付着した汚染物質を完全に除去することが
できるため、性能の劣化の原因が排除されて、荷電粒子
に対する良好な加速性能を確保して、品質的に安定した
ものを得ることが可能となる。

【００７２】（その他の実施の形態）前記各実施の形態
では、セラミックス系研磨材の成分として、Ａｌ₂Ｏ₃あ
るいはＳｉＯ₂を用いる場合について説明したが、これ
に限らず、例えばＡｌ₂Ｏ₃＋３％ＴｉＯ₂，ＺｒＳｉ
Ｏ₄，ＴｉＯ₂，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂＋５ＣａＯ，ＺｒＯ₂
＋８Ｙ₂Ｏ₃等、その他の成分を用いるようにしてもよ
い。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超電導高
周波加速空胴の製造方法によれば、超電導材からなる空
胴本体と、当該空胴本体の両端に取付けられたフランジ
とから構成され、空胴本体の空胴内に高周波電力を入力
して電界を発生させ、当該電界により荷電粒子を加速さ
せる超電導高周波加速空胴の製造方法において、軸方向
の両端に開口を有する複数のセルを軸方向に配列して互
いの開口どうしを接触させ、当該接触部を溶接接合する
ことにより一体化して一つの空胴本体を形成し、次に空
胴本体を形成した後に当該空洞本体の内面を粗研磨し、
しかる後に後仕上げ研磨として、沸酸（ＨＦ）を使用し
ないＡｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂を成分とするセラミック
ス系研磨材を含有させた研磨材または研磨液で機械的研
磨により鏡面に仕上げる表面処理を行なうようにしてい
るので、機械的研磨で鏡面に仕上げることによって、電
解研磨あるいは化学研磨処理を行なったものと同等の効
果が得られるため、沸酸（ＨＦ）を使用することに伴な
う廃液処理また作業管理面等での煩雑な作業を簡略する
ことが可能となる。

【００７４】さらに、表面処理を行なった後の空胴本体
の内面に付着した汚染物質を、洗浄流体として超臨界流
体を用いて洗浄するようにしているので、純水による高
圧洗浄だけでは研磨材または研磨液が完全には除去され
ないものが、表面処理後の空胴本体の内面に付着した汚
染物質を完全に除去することができるため、性能の劣化
の原因が排除されて、荷電粒子に対する良好な加速性能
を確保して、品質的に安定したものを得ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導高周波加速空胴の製造方法
の第１の実施の形態を示す製造工程図。

【図２】本発明による超電導高周波加速空胴の製造方法
の第１の実施の形態を示す概要図。

【図３】本発明による超電導高周波加速空胴の製造方法
の第２の実施の形態を示す概要図。

【図４】同第２の実施の形態の超電導高周波加速空胴の
製造方法で製造された空胴本体におけるＱ値特性図。

【図５】超電導高周波加速空胴が組込まれた超電導高周
波加速空胴クライオシステムの全体構成構成例を示す断
面模式図。

【図６】従来の超電導高周波加速空胴の製造方法の一例
を示す製造工程図。

【符号の説明】

１…空胴本体 １１…半割セル １２…ビームポート ４１…研磨液（または研磨材） ４２…蓋 ５１…超臨界流体洗浄装置 ５２…加圧ポンプ ５３…熱交換器 ５４…フィルター ５５…貯蔵タンク ５６…バルブ ５７…廃液用バルブ ５８…配管 ５９…洗浄槽。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導材からなる空胴本体と、当該空胴
   本体の両端に取付けられたフランジとから構成され、前
   記空胴本体の空胴内に高周波電力を入力して電界を発生
   させ、当該電界により荷電粒子を加速させる超電導高周
   波加速空胴の製造方法において、 軸方向の両端に開口を有する複数のセルを軸方向に配列
   して互いの開口どうしを接触させ、当該接触部を溶接接
   合することにより一体化して前記一つの空胴本体を形成
   し、 次に、前記空胴本体を形成した後に当該空洞本体の内面
   を粗研磨し、 しかる後に、後仕上げ研磨としてセラミックス系研磨材
   を含有させた研磨材または研磨液で機械的研磨により鏡
   面に仕上げる表面処理を行なうようにしたことを特徴と
   する超電導高周波加速空胴の製造方法。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の超電導高周波加速
   空胴の製造方法において、 前記セラミックス系研磨材の成分としては、Ａｌ₂Ｏ₃あ
   るいはＳｉＯ₂を用いるようにしたことを特徴とする超
   電導高周波加速空胴の製造方法。
3. 【請求項３】 前記請求項１または請求項２に記載の超
   電導高周波加速空胴の製造方法において、 前記表面処理を行なった後の空胴本体の内面に付着した
   汚染物質を、洗浄流体として超臨界流体を用いて洗浄す
   るようにしたことを特徴とする超電導高周波加速空胴の
   製造方法。