JP2009135049A - 超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接によるビード線がない超電導高周波加速空洞を手間や時間を要することなく低コストで製造する。
【解決手段】本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、荷電粒子ビーム軸に沿い、両端側のビームポート３３ａ，３３ａに連接するアイリス部３０ａ，３０ａと中間を赤道部３１ａ，３１ｂとで構成する、高周波加速に適用される加速空洞胴体３２を、超電導材料によって製造する超電導高周波加速空洞の製造方法において、前記超電導材料にバルジ加工を行って前記加速空洞胴体３２を得る第１工程と、第１工程によって得た前記加速空洞胴体３２の表面外側に良熱伝導材を被着させる第２工程とを備える製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを加速する加速器に使用される超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞に関する。

加速器は、電子、陽子、イオン等の荷電粒子を電磁力で数十億電子ボルト（数ＧｅＶ）程度の高エネルギ状態に加速するための装置であり、もともとは原子核や素粒子の研究のために開発されてきた。

しかしながら、近年では、真空中をほぼ光速で伝搬する電子が偏向磁場によりその軌道が曲げられたときの、その軌道の接線方向に発生する放射光〈ＳＯＲ光と呼ばれる）を利用して超ＬＳＩ微細加工（リソグラフィ）や物質研究等、生命科学の広範な科学技術分野まで適用範囲を広げている。

このように適用範囲の広い加速器には、荷電粒子の加速やＳＯＲ光として失われたエネルギを補給するため、そのビームラインに高周波加速空洞が設けられている。

高周波加速空洞内に供給された高周波は、発振によって高電界を発生させ、荷電粒子ビームを加速する。この場合、高電界が発生すると高周波加速空洞の内表面に循環電流が流れ、この電流は高周波電流であるため、高周波加速空洞の内面の材質に応じた表皮深さを流れ、ジュール損失を招く。

ところで、ＣｕやＡｌ等で作られた常電導高周波加速空洞で荷電粒子ビームの加速に必要な高電界を得るには、上述したジュール損失が極めて大きくなり、ジュール損失を補うために大きな高周波電力を供給できる大出力の高周波発振器が必要とされる。

しかしながら、このような高周波電力を賄えるだけの高周波発振器は現有していない。さらに、高周波加速空洞を冷却する上でも多くの問題があり、常電導高周波加速空洞の適用には限界がある。

このため、高周波加速空洞の内面に電流が流れてもジュール損失が生じないように、電気抵抗がほぼゼロオームである超電導材で高周波加速空洞を製造することが考えられる。

超電導高周波加速空洞の使用分野は多方面に亘っているが、特に、荷電粒子ビーム加速器に関しては、近年になって世界各地で計画建設が進められている大型電子蓄積リング用として、限られた電力、限られた空間の範囲でできるだけ高いエネルギを持った電子を得るために超電導高周波加速空洞の実現が望まれている。

図３（Ａ）〜（Ｉ）は、従来の超電導高周波過速空洞の製造方法を示す工程図である。

この例では、図３（Ａ）に示すように、まず、頂点が突き出た碗状の上型１とそれに対応する下型２とを用いて、平板状の超電導材料からなる素材３をプレス加工する。こうして、図３（Ｂ）に示すように、突起を持つ碗状の成形品４を得る。

次いで、図３（Ｃ）に示すように、成形品４の大径開口部と突起部分の先端を研削具５ａ，５ｂにより開先加工して図３（Ｄ）に示すハーフセル６にする。

続いて、図３（Ｅ）に示すように、２つのハーフセル６ａ，６ｂを大径開口部同士が向き合うように接合し、電子ビーム溶接により一体にし、図３（Ｆ）に示すシングルセル７にする。

なお、このシングルセル７には、図３（Ｇ）に示すように、電子ビーム溶接によるビード線８が現れる。

さらに、図３（Ｈ）に示すように、複数個のシングルセル７を直列に並べて、それぞれ接点となる突起部同士を電子ビーム溶接によって接合し、図３（Ｉ）に示すように、マルチセル（多連加速空洞）９を形成する。なお、マルチセル９にも電子ビーム溶接によるビード線８が現れる。

ところで、この方法によって製造するマルチセル９においては、空洞中に発生する電場分布を平坦化するため、加速器のビームポートに連接される両端のセルのアイリス部（小径部分）および赤道部（大径部分）の直線部を短くする必要があり、この調整は、図３（Ｃ）に示した開先加工の量で行われる。

しかしながら、この量を決定するにあたっては、その後の工程であるセル溶接の際の溶接縮みを正確に見積もらなければならず、正確な見積りが難しい。

一方、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、他の従来の例として、例えば特開平５−２６６９９６号公報に見られるように、超電導高周波加速空洞の製造方法が開示されている。

この例においては、図４（Ａ）に示すように多数の碗状膨出部１０ａ，１０ａが連続した上型１０と、これに対応して多数の碗状凹部１１ａ，１１ａを有する下型１１とを用いて板状の超電導材料１２にプレス加工を行って、図４（Ｂ）に示すように、粒子ビーム軸に沿って分割された形状の半割りマルチセル１３ａ（１３ｂ）を２つ１組で形成する。

そして、この半割りマルチセル１３ａ（１３ｂ）を１対、分割面にて長手溶接により接合し、さらに、図４（Ｃ）に示すように、アイリス部（小径部）１４と赤道部（大径部）１５とが連続したマルチセル１６を製造する。なお、このマルチセル１６にも溶接によるビード線１７が現れる。

このような製造方法においては、溶接欠陥を生じ易いだけでなく、予め求められているセル数のマルチセル総型の金型を作らなければならず、金型費が莫大なものになる。
特開平５−２６６９９６号公報

上述した各従来例においては、いずれも電子ビーム溶接によるビード線８，１５が現れるうえ、予め求められている数のマルチセル総型の金型を製作する必要があった。この金型製作は、形状が碗状膨出部１０ａ，１０ａ、あるいは碗状凹部１１ａ，１１ａの連続する複雑なものになっているため、多大な手間と時間を必要とし、加速空洞胴体（キャビティ）の製作コストの面で高価なものになっていた。

なお、電子ビーム溶接を行う場合の不具合、不都合について今少し詳しく説明する。

まず、溶接部分が長尺な場合だけでなく、溶接部分が比較的短い場合であっても、溶接欠陥を生じる可能性があり、溶接欠陥があると、超電導状態の破壊（クエンチ）が生じる可能性がある。さらに、溶接ビードの存在は、加速空洞胴体の性能を低下させる要因にもなっている。

また、溶接前には、ハーフセルにビームポートなどの部品を設ける必要があるが、溶接の品質向上を図るためには、これらの部品に高い精度が求められる。そして、これらの部品に高い精度が確保できない場合、溶接時、溶接部分が溶け落ちてしまう可能性もある。その上、溶接後、加速空洞胴体内面の研磨などが必要になる等数多くの手間と時間を要する。

このように、電子ビーム溶接を行う場合、多くの手間と時間を要し、加速空洞胴体の製作コストの増加につながり好ましくない。

上述電子ビーム溶接を行う場合に伴う問題点を解消するには、バルジ加工によりシームレス加速空洞胴体を製作することが考えられる。

しかしながら、シームレス加速空洞胴体をバルジ加工で行う場合、シームレスパイプから最終のセル（キャビティ）形状に加工するには、まず、スピニング加工で、中間的な形状までの粗塑性加工が必要となり、さらに、中間加工時の加工硬化した材料を焼鈍し、材料の加工性を高める必要があるが、これら一連の工程を連続的に行うことは難しく、セル（キャビティ）製作のコストの面で高価なものになる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、電子ビーム溶接を用いることなくセルを製造し、かつバルジ加工中、炉等から外に取り出し、中間的な塑性加工や中間焼鈍作業を行うことなく、しかも高性能の超電導高周波加速空洞を経済的に製造することのできる超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、荷電粒子ビーム軸に沿い、両端側のビームポートに連接するアイリス部と中間を赤道部とで構成して、高周波加速に適用される加速空洞胴体を、超電導材料によって製造する超電導高周波加速空洞の製造方法において、前記超電導材料にバルジ加工を行って前記加速空洞胴体を得る第１工程と、第１工程によって得た前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させる第２工程とを備える方法である。

また、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記第１工程は、超電導材料で作製されたパイプを半割り第１成形治具と半割り第２成形治具との間に装着させたまま加圧・加熱装置に収容させた後、真空引きを行い、さらに昇圧、焼鈍しを順次繰り返してバルジ加工を行い、前記加速空洞胴体を得る方法である。

また、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記バルジ加工を行う加圧・加熱装置は、熱間等方加圧装置を用いて行う方法である。

また、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記第２工程は、前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させるとき、溶射装置を用いて行う方法である。

また、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させる溶射装置は、プラズマ溶射装置を用いて行う方法である。

本発明に係る超電導高周波加速空洞は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、請求項１〜５のいずれかに記載された超電導高周波加速空洞の製造方法によって製造されたものである。

本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞は、第１工程と第２工程とを設け、第１工程で超電導材料を用いてバルジ加工を行って加速空洞胴体を得た後、第２工程で加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させる構成にしたので、低コスト、高品質、高性能な超電導高周波過速空洞を得ることができる。

以下、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞の実施形態について図面を引用して説明する。

図１（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞の工程を示す概念図である。

なお、本実施形態に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、シングルセルを例示として説明するが、この例に限らず、マルチセルにも適用される。

本実施形態に係る超電導高周波加速空洞の製造方法は、第１工程と第２工程とで構成される。

まず、第１工程においては、図１（Ａ）に示すように、荷電粒子ビーム軸に対して垂直面Ｖで分割され、外径側に向って碗状膨出の空間２０ａを形成する半割り第１成形治具（上型金型）２１ａ，２１ａとこれらに対応し、空間２０ｂを形成する半割り第２成形治具（下型金型）２２ａ，２２ａとを用意し、さらに図１（Ｂ）に示すように、成形加工すべきニオブなどの超電導材からなる、例えば、１〜２ｍｍの薄板のパイプ２３を半割り第１成形治具２１ａ，２１ａと半割り第２成形治具２２ａ，２２ａとの間に装着する。

そして、パイプ２３を半割り第１成形治具２１ａ，２１ａと半割り第２成形治具２２ａ，２２ａとの間に装着後、本実施形態は、パイプ２３内に圧力を加えるため、図１（Ｃ）に示すように、その端部をＴＩＧ溶接で行ってシール部２４ａ，２４ａを形成する。この場合の溶接は、半割り第１成形治具２１ａ，２１ａ、半割り第２成形治具２２ａ，２２ａとパイプ２３との接触面を真空、または他の媒体が侵入しないよう高い気密性を維持するために行われる。

次に、段取りが整った半割り第１成形治具２１ａ，２１ａおよび半割り第２成形治具２２ａ，２２ａを、図１（Ｄ）に示すように、加圧し、加熱する加圧・加熱装置としての熱間等方圧加圧装置（以下、ＨＩＰ装置と記す）２５に入れ、このＨＩＰ装置２５内を排気装置２６で負圧（真空）にした後、例えばアルゴンガス等の圧力媒体をガスボンベ２７から供給する。

続いて、図１（Ｄ）に示すＨＩＰ装置２５内のガス２８の圧力を１０気圧程度にした後、コンプレッサ（図示せず）でさらに加圧し、１００〜２００気圧程度まで昇圧させる。

ＨＩＰ装置２５内のガス圧が予め定められた圧力に達した後、ヒータ２９を通電し、半割り第１成形治具２１ａ，２１ａおよび半割り第２成形治具２２ａ，２２ａを昇温、加熱する。

このように昇温、加熱し、ＨＩＰ装置２５内のガス２８が温度上昇とともに圧力が高まると、パイプ２３の内面にガス２８の圧力が加わり、パイプ２３は、塑性変形をするバルジ加工が行われる。

その後、パイプ２３は、半割り第１成形治具２１ａ，２１ａおよび半割り第２成形治具２２ａ，２２ａのそれぞれの空間２０ｂ，２０ｂの壁面に沿う形状に変形、成形させる。

なお、パイプ２３のバルジ加工は、加工硬化に伴う亀裂等を発生させないように昇圧、焼鈍し（圧力、温度ともに一定値に維持）を順次、繰り返す自動化を図っている。

そして、本実施形態においては、温度８００℃、圧力１０００気圧の条件の下、加速空洞胴体を所定の形状に成形加工することができた。

パイプ３の成形加工が終了すると、本実施形態は、温度、圧力を下げ、ＨＩＰ装置２５内から半割り第１成形治具２１ａ，２１ａおよび半割り第２成形治具２２ａ，２２ａやパイプ２３を取り出すときに、シール部２４ａ，２４ａを取り除き、さらに各成形治具２１ａ，２１ａ、２２ａ，２２ａを分解し、図１（Ｅ）に示すように、荷電粒子ビーム軸に沿い、両端側のビームポート３３ａ，３３ａに連接するアイリス部３１ａ，３１ａと中間が半径方向外側に向う碗状膨出の赤道部３２ａ，３２ａとで構成されるシームレスの加速空洞胴体（セル）３２が成形品としてＨＩＰ装置２５から取り出される。

なお、成形品として取り出された加速空洞胴体３２は、その内面をバレル研磨、電解研磨あるいは化学的エッチングを行って異物を取り除き、洗浄し、清浄度を高める。

このようにして、第１工程で得られたシームレスの加速空洞胴体（セル）３２は、超電導薄板材を成形加工しているため、超電導高周波加速空洞としての真空気密性に強度不足の虞があり、真空引のバルジ加工に不安がある。

このため、本実施形態においては、シームレスの加速空洞胴体３２の外表面側に良熱伝導材を被着させ、真空気密を維持できるよう第２工程が行われる。

この第２工程は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶射装置を用いて金属粒子をシームレスの加速空洞胴体３２の外側表面に吹きつけ、被着させ、真空気密を維持できるように、材料強度の強化を行うものである。

加速空洞胴体３２の外側表面に金属粒子を吹きつけ、被着させる溶射方式として、例えば熱源がガスの場合、フレーム溶射、または爆発溶射などいずれかが使用され、また、熱源が電気の場合、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆発溶射などいずれかが使用されるが、本実施形態においては、プラズマ溶射によるコーティング処理が行われる。

すなわち、シームレスの加速空洞胴体１１の強度強化を行う手段には、図２（Ａ）に示すようにプラズマ溶射装置３４が使用される。

このプラズマ溶射装置３４は、直流電源３５の陰極側（−）を溶射トーチ３６のカソード（陰極）３７に接続し、電流電源３５の陽極側（＋）をアノード３８に接続させている。

また、プラズマ溶射装置３４は、アノード３８に接続するアノードノズル３９を設け、直流電源３５から与えられた電流によりカソード３７からアノードノズル３９に向って直流アーク４０を発生させる構成にしている。

そして、プラズマ溶射装置３４は、カソード３７からの直流アーク４０を発生させると、ガス注入口４１から注入される、例えばアルゴンガス等のプラズマガスが超高温に熱せられプラズマジェット４２としてアノードノズル３９から噴出させる。

このとき、溶射トーチ３６は、溶射材料導入口４４から供給される良熱伝導性の銅、アルミあるいは銅合金等の金属粉末を溶融、または溶融に近い状態で加速させ、アノードノズル３９から成形品であるシームレスの加速空洞胴体３２の外側表面に吹きつけ、金属材料層４３を形成させる。

なお、本実施形態は、シームレスの加速空洞胴体３２の材料強度の強化から金属材料層３４を形成させる手段としてプラズマ溶射方式を用いたが、この例に限らず、エアロプラズマ溶射法、あるいは金属粉末を溶融させないで金属粉末の粒子の噴射速度２５ｍ／ｓｅｃ、圧力３０〜４０ｋｇ／ｃｍ^２のコールド（スプレー）溶射法のいずれかを使用してもよい。

このように、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞は、加速空洞胴体を製造する際、第１工程と第２工程とを備え、第１工程で半割り第１成形治具および半割り第２成形治具を用い、これら成形治具間に超電導材のパイプを装着し、熱間等方圧加圧装置に収容し、昇圧、焼鈍しを順次繰り返しながら昇圧させるバルジ加工を行って成形品としてのシームレスの加速空洞胴体を得た後、第２工程で成形品としてのシームレスの加速空洞銅体の外側表面に良熱伝導性の金属粉末等を溶射して金属材料層を形成し、加速空洞胴体の材料強度の強化を図る構成にしたので、従来に較べて安価で、かつ容易に製造が可能であるため、製造コストの低減化に寄与することができるとともに、高品質、高性能で経済的な超電導高周波加速空洞を実現することができる。

（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞の実施形態における第１工程を示す概念図。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る超電導高周波加速空洞の製造方法および超電導高周波加速空洞の実施形態における第２工程を示す概念図。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）は、従来の超電導高周波加速空洞の製造方法を示す概念図。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、従来の他の超電導高周波加速空洞の製造方法を示す概念図。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ 素材
４ 成形品
５ａ，５ｂ 研削具
６，６ａ，６ｂ ハーフセル
７ シングルセル
８ ビード線
９ マルチセル
１０ 上型
１０ａ，１０ｂ 碗状膨出部
１１ 下型
１２ 超電導材料
１３ａ，１３ｂ 半割りマルチセル
１４ アイリス部
１５ 赤道部
１６ マルチセル
１７ ビード線
２０ａ，２０ｂ 空間
２１ａ，２１ａ 半割り第１成形治具
２２ａ，２２ａ 半割り第２成形治具
２３ パイプ
２４ａ，２４ａ シール部
２５ 熱間等方圧加圧装置
２６ 排気装置
２７ ガスボンベ
２８ ガス
２９ ヒータ
３０ａ，３０ａ アイリス部
３１ａ，３１ａ 赤道部
３２ 加速空洞胴体
３３ａ，３３ａ ビームポート
３４ プラズマ溶射装置
３５ 直流電源
３６ 溶射トーチ
３７ カソード
３８ アノード
３９ アノードノズル
４０ 直流アーク
４１ ガス注入口
４２ プラズマショット
４３ 金属材料層
４４ 溶射材料導入口

Claims (6)

1. 荷電粒子ビーム軸に沿い、両端側のビームポートに連接するアイリス部と中間を赤道部とで構成して、高周波加速に適用される加速空洞胴体を、超電導材料によって製造する超電導高周波加速空洞の製造方法において、前記超電導材料にバルジ加工を行って前記加速空洞胴体を得る第１工程と、第１工程によって得た前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させる第２工程とを備えることを特徴とする超電導高周波加速空洞の製造方法。
2. 前記第１工程は、超電導材料で作製されたパイプを半割り第１成形治具と半割り第２成形治具との間に装着させたまま加圧・加熱装置に収容させた後、真空引きを行い、さらに昇圧、焼鈍しを順次繰り返してバルジ加工を行い、前記加速空洞胴体を得ることを特徴とする請求項１記載の超電導高周波加速空洞の製造方法。
3. 前記バルジ加工を行う加圧・加熱装置は、熱間等方加圧装置であることを特徴とする請求項２記載の超電導高周波加速空洞の製造方法。
4. 前記第２工程は、前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させるとき、溶射装置を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の超電導高周波加速空洞の製造方法。
5. 前記加速空洞胴体の表面外側に良熱伝導材を被着させる溶射装置は、プラズマ溶射装置であることを特徴とする請求項４記載の超電導高周波加速空洞の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載された超電導高周波加速空洞の製造方法によって製造されたことを特徴とする超電導高周波加速空洞。

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