JP2006318890A

JP2006318890A - 超伝導加速空洞の製造方法

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Publication number: JP2006318890A
Application number: JP2006062089A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sennyu; 克也仙入; Koichi Okubo; 光一大久保
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2006-11-24
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: EP1871150A4; US8042258B2; WO2006109761A1; US20070275860A1; EP1871150A1; JP4444222B2; EP1871150B1

Abstract

【課題】溶接箇所を低減して、製造コストを低減すると共に、品質が安定した超伝導加速空洞の製造方法を提供する。
【解決手段】超伝導材料からなる円筒状の管の中央部の周りに凹部（アイリス部３ｂ）を形成して、ダンベル形状のダンベルセル３を形成し、超伝導材料からなる円筒状の管の一方の開口を大きく、他方の開口を小さく形成して、椀形状のハーフセル２を形成し、複数のダンベルセル３を溶接して連結すると共に、複数のダンベルセル３の両端部にハーフセル２を溶接して、超伝導加速空洞１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導加速装置に用いられる超伝導加速空洞の製造方法に関する。

電子ビーム又は荷電粒子を高効率で加速する装置として、ニオブ材等の超伝導材料からなる超伝導加速空洞を用いた超伝導加速装置が開発されており、素粒子物理学の分野及び放射光利用施設の分野で使用されている。使用分野が拡がるに伴い、今後、更に高効率、安定な品質、安価な超伝導加速装置が要望されている。

特開平２−１５９１０１号公報

図５に、従来の超伝導加速空洞の概略を示す。
従来の超伝導加速空洞６１は、一方が大きく開口し、他方が小さく開口した椀形状の管からなるハーフセル６２ａを、同じ大きさの開口部分同士を相対させると共に、それらを複数連結し溶接して形成したものであり、ニオブ材の超伝導材料から構成される。例えば、相対させた２つのハーフセル６２ａを１つの空洞セル６２とし、空洞セル６２を５つ連ねた構成とする場合、１０個のハーフセル６２ａを用いる。そして、溶接箇所としては、図５に示すように、赤道部と呼ばれる部分のＸ２、Ｘ４、Ｘ６、Ｘ８、Ｘ１０の５カ所、アイリス部と呼ばれる部分のＸ３、Ｘ５、Ｘ７、Ｘ９の４カ所、更に、フランジ部６３との溶接部分Ｘ１、Ｘ１１の２カ所、合計１１箇所が必要であり、数多くの溶接が必要となる。

超伝導加速空洞６１には、導波管６４から所定の高周波電力が供給され、供給された高周波電力により、空洞セル６２が共振して、その長さ方向に所定の加速勾配が形成される。所望の加速勾配を得るためには、空洞セル６２（ハーフセル６１ａ）の状態、例えば、空洞内壁部分の状態が重要であり、表面欠陥等があると高周波に対して抵抗となり、所望の加速勾配を得ることが難しい。これは、溶接部分に対しても同様であり、溶接箇所が多くなればなるほど、超伝導加速空洞６１として、一定の品質を保つことが難しくなり、加速勾配の制限、コスト増の要因となっていた。

超伝導加速空洞の全てのセルを一体成形することも試みられているが、空洞面内に割れが生じる等の問題があり、現実的な製造方法としては確立されていない。つまり、超伝導加速空洞として、一定の品質を保つためには、できるだけ溶接箇所を少なくすることが望まれる。

更には、溶接箇所を少なくするだけではなく、溶接箇所の開先加工精度等も向上させて、超伝導加速空洞全体の加工精度の向上も望まれている。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、溶接箇所を低減して、製造コストを低減すると共に、品質が安定した超伝導加速空洞の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
超伝導材料からなる円筒状の管の中央部の周りに凹部を形成して、ダンベル形状の第１空洞を形成し、
超伝導材料からなる円筒状の管の一方の開口を大きく、他方の開口を小さく形成して、椀形状の第２空洞を形成し、
複数の前記第１空洞を溶接して連結すると共に、該複数の前記第１空洞の両端部に前記第２空洞を溶接することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
第１の発明に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凹部形成部を有すると共に径方向面で分割可能な柱状の金型の外周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、前記凹部形成部に嵌合する他の金型を用いて、絞り成形により、前記凹部形成部に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
第１の発明に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凸部を内周面に有すると共に軸方向面で分割可能な筒状金型の内周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、絞り成形により、前記凸部が形成する形状に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
第２、第３の発明に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞は、中間形状を経て、最終的な形状に加工されることを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
第１の発明に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凹部形成部を有すると共に径方向面で分割可能な柱状の金型の外周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、前記円筒状の管の両端部を封止し、前記円筒状の管の外方から流体により圧力を付与して、前記凹部形成部に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る超伝導加速空洞の製造方法は、
第２乃至第４のいずれかの発明に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記金型の両端部に脱着可能なリング形状のスペーサを設けると共に、
絞り成形時には、前記スペーサを取り付けた状態で、前記第１空洞の一体成形を行い、
前記第１空洞の開先加工時には、前記スペーサを取り外した状態で、前記第１空洞の端部の開先加工を行うことを特徴とする。

本発明によれば、第１空洞を一体成形によりダンベル形状とすることで、溶接箇所が少なくなり、製造コストの低減を図ることができると共に、溶接箇所の低減により、製造時の品質を安定させることができる。つまり、低コストかつ高品質な超伝導加速装置の超伝導加速空洞を作製することができる。

本発明によれば、金型の両端部にスペーサを設けることにより、絞り成形時にはスペーサを取り付けた状態で、第１空洞をダンベル形状に形成し、その後、金型から第１空洞を取り外すことなく、スペーサのみを取り外した状態で、第１空洞の端部の開先加工を行いので、金型を共用することとなり、取り替え作業が省略されると共に加工精度を向上させることができる。

以下、図１〜図４を参照して、本発明に係る超伝導加速空洞の製造方法を説明する。

図１は、本発明に係る超伝導加速空洞の実施形態の一例を示す概略図である。
本発明に係る超伝導加速空洞１は、中央部の周りを凹ませたダンベル形状の管からなるダンベルセル３（第１空洞）と、一方が大きく開口し、他方が小さく開口した椀形状の管からなるハーフセル２（第２空洞）とを有するものであり、ハーフセル２、ダンベルセル３は、共にニオブ材の超伝導材料から構成される。更に詳細には、本発明に係る超伝導加速空洞１は、複数のダンベルセル３を長手方向に複数連結して溶接し、これらの両端部に、同じ大きさのハーフセル２の開口部分を相対させて、互いの開口部分を溶接して形成したものである。

例えば、空洞セルを５つ連ねた構成としたい場合、２つのダンベルセル３の相対した拡径部３ａを１つの空洞セルとし、又、ダンベルセル３の拡径部３ａとハーフセル２とを１つの空洞セルとすると、２個のハーフセル２と４個のダンベルセル３を用いて、超伝導加速空洞１が構成される。そして、溶接箇所は、図１に示すように、ダンベルセル３同士の接合部のＷ３、Ｗ４、Ｗ５の５カ所、ハーフセル２とダンベルセル３の接合部分のＷ２、Ｗ６の２ヶ所、ハーフセル２とフランジ部４との接合部Ｗ１、Ｗ７の２カ所、合計７箇所となり、従来と比べて、溶接箇所を少なくすることができる。なお、溶接は、電子ビーム又はレーザビームを用いて行う。

上記超伝導加速空洞１は、図示しないチタン製のジャケットの内部に配置されており、ジャケットの内部に供給され、超伝導加速空洞１の周囲を満たす液体ヘリウムにより冷却されて、超伝導状態を保つように構成されている。超伝導加速空洞１の一方の端部近傍には、超伝導加速空洞１に所定の高周波電力を供給する導波管５が設けられており、供給された高周波電力により、空洞セルが共振して、超伝導加速空洞１の長さ方向に、所定の加速勾配が形成されるようになっている。超伝導加速空洞１の内部を通過する電子ビーム又は荷電粒子は、超伝導加速空洞１の長さ方向に加速される。又、フランジ部４は、一方は電子ビーム又は荷電粒子の供給部へ、他方は加速された電子ビーム又は荷電粒子の出力部へ接続されている。なお、空洞セルの大きさは印加する周波数により異なる大きさとなる。例えば、１．３ＧＨｚの周波数を印加する場合、空洞セル１つの大きさは、大径部の直径が約２００ｍｍ、小径部の直径部が７０ｍｍ、長さが１１５ｍｍ程度となる。又、空洞セルを構成するニオブ材は、通常、３ｍｍ前後の厚さを有する。

ここで、本発明に係る超伝導加速空洞１を構成するダンベルセル３の一体成形方法を、図２を用いて説明する。加えて、他の成形方法についても、そのいくつかを図３、図４に示して、それらの成形方法を説明する。なお、下記一体成型方法は、ハーフセル２を成形する際にも適用可能であり、その場合、ハーフセル２の形状に応じた金型を用いる。

下記一体成形方法を用いることにより、内壁面に欠陥が無く、安定した形状のダンベルセル３を成形することができ、ダンベルセル３自身の品質を安定させることができる。又、この結果、溶接箇所を低減することができ、超伝導加速空洞１の製造コスト低減、品質安定に寄与する。

図２（ａ）、（ｂ）に示す成形方法は、共に、絞り成形と呼ばれるものである。
図２（ａ）に示した絞り成形方法では、ニオブ材からなる円筒状の管部材１１を、柱状金型１２の外周側に配置する。金型１２には、その中央部の周りを凹ませた凹部１２ａ（凹部形成部）が設けられており、凹部１２ａがダンベルセル３のアイリス部３ｂの形成に寄与する。具体的には、金型１２を回転させると、管部材１１も共に回転し、所定隙間を保って凹部１２ａに嵌合する凸部１３ａを有するへら１３を用いて、管部材１１の外側から、その中央部に所定荷重を付与して、押し込むことで、ダンベルセル３のアイリス部３ｂを形成する。なお、金型１２自体は、分割部１２ｂにて径方向面で２つに分割可能であり、ダンベルセル３の形成後は、金型１２を分割して、形成後のダンベルセル３を取り出す。

又、図２（ｂ）に示す絞り成形方法では、ニオブ材からなる円筒状の管部材１１を、筒状金型１５の内周側に配置する。金型１５には、内壁面の中央部の周りを凸状に形成した凸部１５ａが設けられており、凹部１５ａがダンベルセル３のアイリス部３ｂの形成に寄与する。具体的には、棒状のへら１６を用いて、管部材１１の内側から、その端部に所定荷重を付与し、端部をラッパ状に拡げるようにすることで、ダンベルセル３の拡径部３ａを形成し、その結果、中央部にアイリス部３ｂが形成されることになる。なお、金型１５自体は、その軸方向面で２つに分割可能であり、ダンベルセル３の形成後は、金型１５を分割して、形成後のダンベルセル３を取り出す。

図３に示す成形方法は、深絞り成形と呼ばれるものであり、２種類のメス金型２２、２４とこれらのメス金型２２、２４に対応する形状のオス金型２３、２５を用い、４段階の工程を経ることで、ダンベルセル３を形成するものである。

具体的には、第１段階として、底板２１上にニオブ材からなる円筒状の管部材１１を配置し、軸方向面で２分割可能な筒状のメス金型２２を、その周囲に配置する。メス金型２２は、下方側に拡径部３ａに対応する形状の湾曲部２３を有し、上方側に湾曲部２３より開口径が小さい傾斜部２４を有している。そして、所定隙間を保って傾斜部２４に嵌合するオス金型２５の先端を、管部材１１の内径側に挿入し、所定荷重を付与して、押し込むことで、管部材１１の一方の端部を傾斜部２４に沿う形状、つまり、中間形状を形成する。

次に、第２段階として、一方の端部を中間形状とした管部材１１の周囲のメス金型を、軸方向面で２分割可能な筒状のメス金型２６に変更する。メス金型２６は、下方側に拡径部３ａに対応する形状の湾曲部２３を有し、上方側にも拡径部３ａに対応する形状の湾曲部２３を有している。そして、所定隙間を保って湾曲部２３に嵌合するオス金型２７の先端を、中間形状の管部材１１の内径側に挿入し、所定荷重を付与して、押し込むことで、中間形状の管部材１１の一方の端部を湾曲部２３に沿う形状、つまり、拡径部３ａを形成する。

そして、第３段階として、一方の端部に拡径部３ａを形成した管部材１１の端部を逆に配置すると共に、その周囲のメス金型を、再びメス金型２２とする。そして、オス金型２５の先端を、他方の端部の管部材１１の内径側に挿入し、所定荷重を付与して、押し込むことで、管部材１１の他方の端部を傾斜部２４に沿う中間形状とする。

最後に、第４段階として、他方の端部を中間形状とした管部材１１の周囲の金型を、再びメス金型２６とする。そして、オス金型２７の先端を、中間形状の他方の端部の管部材１１の内径側に挿入し、所定荷重を付与して、押し込むことで、中間形状の管部材１１の他方の端部を湾曲部２３に沿う形状、つまり、拡径部３ａを形成する。そして、ダンベルセル３の形成後は、メス金型２６を軸方向面で分割して、形成後のダンベルセル３を取り出す。

図４（ａ）、（ｂ）に示す成形方法は、液圧成形と呼ばれるものであり、液圧により対象物を変形させて、所望の形状に形成するものである。
図４（ａ）に示す液圧成形方法では、圧力容器３１の内部に柱状の金型３２を配置し、その外周側に、ニオブ材からなる円筒状の管部材１１を配置する。金型３２には、その中央部の周りを凹ませた凹部３２ａ（凹部形成部）が設けられており、凹部３２ａがダンベルセル３のアイリス部３ｂの形成に寄与する。又、金型３２には、凹部３２ａと一方の側端部３２ｂとを連通する連通孔３２ｃが設けられており、管部材１１を成形する際、凹部３２ａと管部材１１とが形成する空間の気体が、連通孔３２ｃを経て排出されるようになっている。そして、管部材１１は、その両端部を封止治具３３、３４により封止されており、管部材１１の内側と外側で、圧力差ができるように構成されている。

具体的には、圧力容器３１に水や油等の液体３５（流体）を注入し、所定の圧力を付与していく。圧力の上昇と共に、管部材１１の内外の圧力差、つまり、液体３５の圧力Ｐ１と管部材１１の内部の残留気体の圧力Ｐ２との圧力差により、管部材１１が変形していく。このとき、封止治具３３、３４は、管部材１１に所定の軸力を付与しており、管部材１１が変形しても、管部材１１との間の封止を保って、管部材１１の内外の圧力差を確保している。更に、連通孔３２ｃから排出される気体も、封止治具３３に設けた排出管３３ａにより、圧力容器３１の外部へ排気されており、これも、管部材１１の内外の圧力差の形成に寄与している。このように、圧力容器内３１の液体３５が所望の圧力に制御されて、管部材１１が、管部材１１の外部から付与される液体３５の圧力により、所望の形状、つまり、ダンベルセル３の形状へ形成される。なお、金型３２自体は、分割部３２ｄにて径方向面で２つに分割可能であり、ダンベルセル３の形成後は、金型３２を分割して、形成後のダンベルセル３を取り出す。

又、図４（ｂ）に示す液圧成形方法は、大きな圧力容器３１、封止治具３３、３４を不要とした点が、上記図４（ａ）の液圧成形方法と異なる。具体的には、金型としては、図４（ａ）と同様に、連通孔３２ｃを有する金型３２を用いるが、金型３２の外周側に配置された管部材１１に対して、更に、その外周側に封止容器３６を配置している。この封止容器３６は、封止容器３６内部に注入した液体３５が、加圧されても漏れ出さないように、管部材１１の外周面に所定の押付力で押し付けられて接している。

封止容器３６内の液体３５に、所定の圧力を付与していくと、圧力の上昇と共に、管部材１１の内外に圧力差が生じ、液体３５の圧力Ｐ１と管部材１１の内部の残留気体の圧力Ｐ２との圧力差により、管部材１１が変形していく。このとき、管部材１１の内部の残留気体が、連通孔３２ｃから外部へ排気されて、管部材１１の内外の圧力差を確保している。このように、封止容器内３６の液体３５が所望の圧力に制御されて、管部材１１が、管部材１１の外部から付与される液体３５の圧力により、所望の形状、つまり、ダンベルセル３の形状へ形成される。そして、ダンベルセル３の形成後は、金型３２を分割部３２ｄにて２つに分割して、形成後のダンベルセル３を取り出す。

上記液圧成形では、液体の圧力を外圧として用いることで、管部材１１に働く力が全域で均等となり、内壁面に欠陥が無く、安定した形状のダンベルセル３を成形することができる。

実施例１、実施例２の成形方法により形成されたダンベルセル３は、絞り成型後、溶接のための開先加工を行う必要がある。従来の成形方法では、図６（ａ）に示すように、絞り成型後、別途、開先加工装置において、ダンベルセル３用の治具１７にダンベルセル３を設置し、ダンベルセル３の芯出しを行った後、加工工具１８を用いて、開先加工を行っていた。ところが、治具１７は、ダンベルセル１７の設置のため、上記金型１２等より小さく作られている上、ダンベルセル３自体も単純な形状ではないため、ダンベルセル３の芯出しを行っても、芯出しが正しく行われているか確認が難しく、芯ズレの状況で開先加工を行うおそれがあった。

そこで、本実施例においては、上記金型１２等の構成を工夫することにより、絞り成形加工後のダンベルセル３を、絞り成形加工用の金型１２に設置したままで、開先加工を行うことを可能としている。具体的には、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、金型１２の両端部に、着脱可能なリング形状のスペーサ１４を設け、絞り成形加工の際には、スペーサ１４を金型１２に取り付けた状態で、管部材１１の絞り成形加工を行い、そして、絞り成形加工後は、金型１２の両端部からスペーサ１４のみを取り外し、スペーサ１４を取り外した部分のダンベルセル３の端部を、加工工具１８により、開先加工している。つまり、絞り成形加工の開先加工も、回転加工を行うものであるため、金型を共有すれば、ダンベルセル３の取り替え作業自体を省略することができる。従って、図６（ａ）のように、他の治具１７に設置し直す必要が無くなり、開先加工時の寸法精度を向上させることができる。

なお、図６（ｂ）における絞り成形加工は、実施例１の図２（ａ）における絞り成形加工と同等であるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。又、実施例１の図２（ｂ）に示す金型１５、実施例２の図３に示す金型２６にも、上記スペーサ１４と同等の部材を設けることにより、本実施例と同等の開先加工が可能となる。

本発明は、ニオブ材からなる超伝導加速空洞に好適なものであるが、超伝導材料として、ニオブ材以外の素材を用いる場合にも適用可能である。

本発明に係る超伝導加速空洞の実施形態の一例を示す概略図である。本発明に係る超伝導加速空洞を構成するダンベルセルの成形方法の一例を説明する断面図である。本発明に係る超伝導加速空洞を構成するダンベルセルの成形方法の他の一例を説明する断面図である。本発明に係る超伝導加速空洞を構成するダンベルセルの成形方法の他の一例を説明する断面図である。従来の超伝導加速空洞を示す概略図である。本発明に係る超伝導加速空洞を構成するダンベルセルの成形方法の他の一例を説明する断面図である。

符号の説明

１超伝導加速空洞
２ハーフセル
３ダンベルセル
４フランジ部
５導波管

Claims

超伝導材料からなる円筒状の管の中央部の周りに凹部を形成して、ダンベル形状の第１空洞を形成し、
超伝導材料からなる円筒状の管の一方の開口を大きく、他方の開口を小さく形成して、椀形状の第２空洞を形成し、
複数の前記第１空洞を溶接して連結すると共に、該複数の前記第１空洞の両端部に前記第２空洞を溶接することを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
請求項１に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凹部形成部を有すると共に径方向面で分割可能な柱状の金型の外周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、前記凹部形成部に嵌合する他の金型を用いて、絞り成形により、前記凹部形成部に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
請求項１に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凸部を内周面に有すると共に軸方向面で分割可能な筒状金型の内周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、絞り成形により、前記凸部が形成する形状に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
請求項２又は請求項３に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞は、中間形状を経て、最終的な形状に加工されることを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
請求項１に記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記第１空洞の凹部を形成する凹部形成部を有すると共に径方向面で分割可能な柱状の金型の外周側に、超伝導材料からなる円筒状の管を配置し、前記円筒状の管の両端部を封止し、前記円筒状の管の外方から流体により圧力を付与して、前記凹部形成部に沿うように、前記第１空洞の一体成形を行なうことを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の超伝導加速空洞の製造方法において、
前記金型の両端部に脱着可能なリング形状のスペーサを設けると共に、
絞り成形時には、前記スペーサを取り付けた状態で、前記第１空洞の一体成形を行い、
前記第１空洞の開先加工時には、前記スペーサを取り外した状態で、前記第１空洞の端部の開先加工を行うことを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。