JP2011071066A - 高周波加速空胴の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空胴の内周面を補修又は修整することのできる高周波加速空胴の製造方法を提供することにある。
【解決手段】赤道部２８とアイリス部２７とが設けられた複数の半セル２０を製造し、複数の半セル２０から超伝導高周波加速空胴１の空洞本体を組み立てるために電子ビーム溶接し、超伝導高周波加速空胴１の内側の溶接部Ｗ２をレーザ溶接して、電子ビーム溶接による裏波ビードを整形する超伝導高周波加速空胴１の製造方法。
【選択図】 図９

Description

本発明は、荷電粒子を高周波により加速する加速器に用いられる高周波加速空胴に関する。

一般に、電子、陽子、又は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加速器が知られている。加速器は、元々は原子核や素粒子の研究のために開発されてきた。近年では、放射光（ＳＯＲ(synchrotron orbital radiation)光と呼ばれる）を利用して、超ＬＳＩ（large scale integrated circuit）、微細加工（リソグラフィ）、物質研究等、生命科学などの広範な科学技術分野にまで適用範囲を広げている。この放射光は、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に、その軌道の接線方向に発生する。

このような加速器には、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、荷電粒子ビームのビームラインに高周波加速空胴が設けられている。

高周波加速空胴内に供給された高周波が、発振されることより、高電界が発生する。この高電界により、荷電粒子ビームは加速される。

高電界が発生すると高周波加速空胴の内表面に循環電流が流れる。この循環電流は、高周波電流であるため、高周波加速空胴の内面の材質に応じた表皮深さを流れる。これにより、循環電流は、ジュール損失を招く。無酸素銅やアルミニウムなどで作られた常伝導高周波加速空胴の場合、このジュール損失が極めて大きくなる。このため、常伝導高周波加速空胴を用いて、荷電粒子ビームの加速に必要な高電界を得るには、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である。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、高周波加速空胴を冷却する上でも多くの問題があり、常伝導高周波加速空胴の適用には限界がある。

このため、高周波加速空胴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伝導材で高周波加速空胴（以下、「超伝導高周波加速空胴」という。）を製造することが知られている。

超伝導高周波加速空胴の使用分野は、多方面に亘っている。近年では、荷電粒子ビーム加速器に関しては、世界各地で大型電子蓄積リング用として超伝導高周波加速空胴の計画建設が進められている。このため、限られた電力及び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の超伝導高周波加速空胴が実現しつつある。

一方、超伝導高周波加速空胴を溶接組立てする場合には、真空中で溶接を行う電子ビーム溶接が多く利用されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、超伝導高周波加速空胴の溶接組立てにおける裏波ビードについて説明する。

超伝導高周波加速空胴は、複数のシングルセルを直列に接続された形状をしている。シングルセルは、２つの半セルで形成されている。半セルは、大径開口部（以下、「赤道部」という。）と小径開口部（以下、「アイリス部」という。）とが設けられた椀状の形状をしている。アイリス部の円周部分は、外側が突起状に突き出ている。シングルセルは、２つの半セルの赤道部同士を溶接したものである。超伝導高周波加速空胴は、複数のシングルセルのアイリス部同士をそれぞれ溶接したものである。

シングルセルを成形するには、２つの半セルの赤道部同士を溶接する。溶接するときは、溶接する状態で赤道部同士を合わせた２つの半セルを傾け、外側からアイリス部の開口部を通して、内側から溶接部に電子ビームを照射する。これにより、裏波ビードは、シングルセルの赤道部の外周面に生成される。これに対して、２つのシングルセルのアイリス部同士を溶接する場合は、外周面側からでなければ、溶接部に電子ビームを照射できない。よって、この場合は、裏波ビードは、アイリス部の内周面に生成される。

一方、２つの半セルのアイリス部同士を溶接した形状（以下、「ダンベル」という。）を先に成形する場合について説明する。２つの半セルのアイリス部同士を溶接するときは、内側から溶接部に電子ビームを照射する。これにより、裏波ビードは、ダンベルのアイリス部の外周面に生成される。これに対して、２つのダンベルの赤道部同士を溶接する場合は、外周面側からでなければ、溶接部に電子ビームを照射できない。よって、この場合は、裏波ビードは、赤道部の内周面に生成される。

なお、このような高周波加速空胴の溶接組立て方法としては、空胴の内面から接合面にＹＡＧレーザ(yttrium-aluminum-garnet laser)ビームを照射して、溶接することが論理上考えられる（例えば、特許文献２参照）。しかし、現実問題として、光ファイバーから得られるＹＡＧレーザビームだけでは、溶接は困難である。さらに、高融点金属材料であるニオブ材同士の突合せ溶接などにおいて、電子ビーム溶接のような健全な溶接部を得ることは困難である。特に、貫通溶接において平坦な表ビード又は裏波ビードを得るには、その施工条件及び条件の安定性についても不安要素や課題が多い。よって、現在において、レーザ溶接による貫通溶接は、現在の技術水準では困難である。

特開２００９−１３５０４９号公報 特開平４−３２２１００号公報

しかしながら、上述したように、電子ビーム溶接により高周波加速空胴を製造する場合、高周波加速空胴の内周面には、裏波ビードが生成される。

高周波加速空胴の内周面に生成された裏波ビードは、加速電界に影響を与える。理想的には、平坦でかつ突起がない裏波ビードが要求される。しかし、このような裏波ビードを生成するための施工条件を適正化することは困難である。また、このような施工条件は、再現性や安定性に欠ける。

また、高周波加速空胴の内周面に生成された裏波ビードに突起などの異常があった場合、空胴の内面側の処置が必要となる。しかし、空胴の内部に工具などを挿入して、研磨加工などの手直しをすることは困難である。

そこで、本発明の目的は、空胴の内周面を補修又は修整することのできる高周波加速空胴の製造方法を提供することにある。

本発明の観点に従った高周波加速空胴の製造方法は、大径開口部と小径開口部とが設けられた複数の半セルから高周波加速空胴の空洞本体を組み立てるために、第１の方式で溶接するステップと、前記高周波加速空胴の内側に形成された前記第１の方式による溶接の溶接ビードを整形するために、前記高周波加速空胴の内側を前記第１の方式と異なる第２の方式で溶接するステップとを含む。

本発明によれば、空胴の内周面を補修又は修整することのできる高周波加速空胴の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における半セルを成形するまでの第１段階の工程を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における半セルを成形するまでの第２段階の工程を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における半セルを示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数の半セルから超伝導高周波加速空胴が組み立てられるまでの第１段階の工程を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数の半セルから超伝導高周波加速空胴が組み立てられるまでの段階におけるダンベルを示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数の半セルから超伝導高周波加速空胴が組み立てられるまでの第２段階の工程を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数の半セルから超伝導高周波加速空胴が組み立てられるまでの段階における空洞を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における超伝導高周波加速空胴を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における超伝導高周波加速空胴の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図。 本発明の第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における超伝導高周波加速空胴の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図。 本発明の第３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数のシングルセルが成形された工程を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における複数のシングルセルから超伝導高周波加速空胴が組み立てられるまでの段階における空洞を示す概略図。 本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における超伝導高周波加速空胴の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図。 本発明の第４の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法における超伝導高周波加速空胴の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図８に示す超伝導高周波加速空胴１が電子ビーム溶接により組み立てられるまでの工程について説明する。超伝導高周波加速空胴１は、シングルセルが９つ連接された９セル空胴である。超伝導高周波加速空胴１は、各セルの赤道部及びアイリス部を貫くように、荷電粒子ビームが流れる。

まず、超伝導高周波加速空胴１の構成部品である半セル２０を成形（製造）する方法について説明する。

図１から図３は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１の製造方法における半セル２０を成形するまでの各段階における工程を示す概略図である。なお、各図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

図１を参照して、ニオブ板２０ａをプレス加工して、半セル２０の原型となる成形品２０ｂが成形される工程について説明する。

ニオブ板２０ａは、板厚２ｍｍから３ｍｍの平板状の超伝導材料であるニオブ材である。

上型５１及び下型５２は、ニオブ板２０ａをプレス加工するための型である。上型５１は、頂点が下方に突き出た碗状の形状をしている。下型５２は、上型５１と嵌合する形状の窪みが上方に設けられている。

作業者は、ニオブ板２０ａを下型５２の窪みを覆うように配置する。次に、作業者は、上型５１を下型５２の窪みに嵌合させるように、ニオブ板２０ａに対して、下方向Ｆ１に圧力を加える。これにより、プレス加工された成形品２０ｂが成形される。成形品２０ｂは、突起を持つ碗状になる。

図２を参照して、研削装置として旋盤を用いて、成形品２０ｂを切削加工及びトリミング加工し、半セル２０が成形される工程について説明する。

作業者は、成形品２０ｂの大径開口部を旋盤の刃物５３によりトリミング加工して、半セル２０の赤道部２８を形成する。作業者は、成形品２０ｂの突起部分の先端を旋盤の刃物５４によりトリミング加工して、半セル２０のアイリス部２７を形成する。

これらのトリミング量を決定するに当たっては、作業者は、その後の工程の溶接の際の溶接縮みを正確に予測し、見積もる。超伝導高周波加速空胴１は、空胴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及び赤道部の直線部を短くする必要がある。このための調整が、このトリミング量の調整により行われる。

これらの工程を経て、図３に示す半セル２０が成形される。これらの工程を繰り返して、複数の半セル２０が生産される。半セル２０の赤道部の直径は２１０ｍｍである。半セル２０のアイリス部の直径は７０ｍｍである。

図４から図８は、電子ビーム溶接により、複数の半セル２０から超伝導高周波加速空胴１が組み立てられるまでの各段階の工程を示す概略図である。

図４を参照して、２つの半セル２０から図５に示すダンベル２１が成形される工程について説明する。

作業者は、２つの半セル２０をアイリス部２７同士で付き合わせる。作業者は、溶接治具である拘束治具３１を用いて、この状態で２つの半セル２０を拘束する。作業者は、拘束治具３１で拘束された２つの半セル２０を電子ビーム溶接装置のチャンバー３２に入れる。

作業者は、拘束された２つの半セル２０をチャンバー３２に入れた後、２つの半セル２０の接合部、拘束治具３１、回転治具などを確認する。作業者は、これらの確認後、チャンバー３２の内部の空気を排気する。作業者は、チャンバー３２内を排気して、チャンバー３２内を溶接に必要な所定の真空度にする。所定の真空度は、１．３３×１０^−２Ｐａ以下とする。

所定の真空度に到達後、作業者は、２つの半セル２０のアイリス部２７同士を電子ビーム溶接する。電子ビーム溶接は、チャンバー３２の外に設けた電子銃３３により発生させた電子ビームを溶接する部分（アイリス部２７同士の接合部分）に照射することにより行われる。作業者は、アイリス部２７同士の接合部分を内周面側から溶接をする。作業者は、拘束された２つの半セル２０をアイリス部２７の中心を回転軸とした回転方向Ｒ１で回転させながら、アイリス部２７同士の接合部分の内周面の１周分あるいは１周分以上を溶接する。

これらの工程を経て、図５に示すダンベル２１が成形される。ダンベル２１は、半セル２０のアイリス部２７同士の接合部分が内周面から溶接された溶接部Ｗ１となる。これらの工程を繰り返して、多数のダンベル２１が製造される。

図６を参照して、電子ビーム溶接により、２つのダンベル２１が結合される工程について説明する。なお、本工程における電子ビーム溶接は、図４に示すダンベル２１が成形される工程における電子ビーム溶接と同様に行われる。よって、ここでは、ダンベル２１が成形される工程の場合と異なる部分について主に説明する。

作業者は、２つのダンベル２１を赤道部２８同士で突き合わせる。作業者は、拘束治具３１を用いて、この状態で２つのダンベル２１を拘束する。作業者は、拘束された２つのダンベル２１を電子ビーム溶接装置のチャンバー３２に入れる。

作業者は、拘束された２つのダンベル２１をチャンバー３２に入れた後、２つのダンベル２１の接合部、拘束治具３１、回転治具などを確認する。作業者は、これらの確認後、チャンバー３２の内部の空気を排気する。作業者は、チャンバー３２内を排気して、チャンバー３２内を溶接に必要な所定の真空度にする。

所定の真空度に到達後、作業者は、２つのダンベル２１の赤道部２８同士を電子銃３３により、電子ビーム溶接する。作業者は、赤道部２８同士の接合部分を外周面側から溶接する。作業者は、拘束された２つのダンベル２１をアイリス部２７及び赤道部２８の中心を回転軸とした回転方向Ｒ２で回転させながら、赤道部２８同士の接合部分の外周面の１周分あるいは１周分以上を溶接する。

このような工程を繰り返して、複数のダンベル２１を順次に電子ビーム溶接することで、図７に示す空胴２９が成形される。これらの工程を、作業者は、空胴２９が９セル空胴になるまで繰り返す。よって、空胴２９の赤道部２８の接合部分は、外周面側から溶接された溶接部Ｗ２となる。

その後、作業者は、空胴２９から成形された９セル空胴の両端部に、それぞれビームポート２５を電子ビーム溶接する。さらに、作業者は、この９セル空胴に、ビームパイプやフランジなどの超伝導高周波加速空胴１に必要な構成機器を電子ビーム溶接する。このようにして、図８に示す超伝導高周波加速空胴１の全体が成形される。

図９は、本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図である。

ガラス管２は、例えば石英ガラスで作られた長尺なガラス管である。ガラス管２の径は、例えば６５ｍｍである。このガラス管２の径は、アイリス部２７の径である７０ｍｍよりも小さくなるように決められた値である。ガラス管２は、レーザビームＬＢの透過に影響しない透明なガラスである。本工程では、作業者は、被溶接部である溶接部Ｗ２にレーザビームＬＢを照射し、再溶融させる。ガラス管２は、この再溶融の際に、超伝導高周波加速空胴１の材質であるニオブ材の金属蒸気が、レーザビームＬＢを反射させるミラー５又はレーザビームＬＢを発射するレンズ６に付着することを防止する。

ミラー５又はレンズ６に金属蒸気が付着すると、再溶融に必要な所定のビームエネルギーが維持できない可能性がある。従って、ミラー５又はレンズ６の金属蒸気の付着は、レーザビームＬＢの連続照射により、レーザビームＬＢの能力を減衰させる大きな要因になる。このため、ガラス管２は、このようなレーザビームＬＢの能力が減衰することを防止するために設けられている。

レーザヘッド４は、溶接部Ｗ２にレーザビームＬＢを照射させるための機構を備えている。また、レーザヘッド４は、荷電粒子ビーム軸を回転軸として回転する回転機構を備えている。レーザヘッド４は、この回転機構による回転により、円周上に溶接された溶接部Ｗ２の全てに、レーザビームＬＢを照射できるように、レーザビームＬＢの方向を変えられる。

レーザヘッド４には、ミラー５及びレンズ６が設けられている。レーザヘッド４は、光ファイバケーブル３により、レーザビームＬＢの発信源である発信器と接続されている。

ミラー５は、光ファイバケーブル３を通って入射されたレーザビームＬＢを、溶接部Ｗ２に照射させる方向に角度を変えるために設けられている。

レンズ６は、レーザビームＬＢを溶接部Ｗ２に焦点を合わせるために設けられている。

溶接ビードの修整は、レーザ溶接により行う。

レーザ溶接の条件の一例としては、次の通りである。レーザビームＬＢは、ビームパワーが電子ビームと同等のエネルギ密度とする。超伝導高周波加速空胴１の内部は、図示しないが真空排気装置を用いて１．３３×１０^-2Ｐａ以下の真空に排気後、高純度の不活性ガスを封入して高純度アルゴンガス雰囲気とする。レーザはＹＡＧレーザでもよいが高出力が得られるファイバーレーザを用いる。レーザの平均出力は、３〜６ｋＷとする。デフォーカスは、＋５０〜＋１００ｍｍとする。溶接速度は、０．１〜０．３ｍ／分とする。

また、レーザヘッド（加工ヘッドとも言う）は、溶接部からの反射を考慮して（ビームの干渉など）レーザビームの入射角度を溶接部Ｗ２に垂直の直下を０度とすると、ここから所定の角度（例えば、５度から３５度）設けることもある。特に溶接ビード幅を大きくするためにデフォーカスを大きくしているので、照射面からの反射も大きくなるし、また、ニオブ材の反射率の問題もあり、入射角度を設けるなどの対応・対策を講じる必要がある。

溶接ビードの修整の対象となる溶接部は、赤道部２８の溶接部Ｗ２である。溶接部Ｗ２は、超伝導高周波加速空胴１の外周面から内周面に向けて溶接されているため、内周面に裏波ビードが形成されているからである。

次に、レーザ溶接による溶接ビードの修整方法について説明する。

溶接ビードを修整するための準備段階として、作業者は、ガラス管２を超伝導高周波加速空胴１に、荷電粒子ビームが流れる方向の軸（以下、「荷電粒子ビーム軸」という。）に沿って挿入する。

作業者は、超伝導高周波加速空胴１にガラス管２を挿入後、レーザ溶接するためのレーザヘッド４をガラス管２内に挿入する。作業者は、レーザビームＬＢが溶接部Ｗ２を照射可能な範囲に入るまで、レーザヘッド４を挿入する。その後、図示しないがフランジなど組立した後に、前記したように真空排気および高純度のアルゴンガスを封入する。

作業者は、レーザヘッド４を挿入後、回転機構又はミラー５を調整して、溶接部Ｗ２にレーザビームＬＢの焦点が合うように設定する。作業者は、設定後、レーザビームＬＢを溶接部Ｗ２に照射する。

超伝導高周波加速空胴１は、溶接部Ｗ２の内周面に裏波ビード（溶接ビード）が形成されている。裏波ビードは、突起のあるビード外観をしている。溶接ビードの溶け込み形状も不安定な外観である。作業者は、溶接ビードを、レーザ溶接により、ビードの表面のみを再溶融させて、補修又は修整する。作業者は、溶接ビードの外観を突起のないフラットな形状及び性状に仕上げる。本実施例で得られた溶接ビード幅は４〜６ｍｍの範囲である。

レーザ溶接は、超伝導高周波加速空胴１を固定して、レーザヘッド４を回転させながら行う。レーザヘッド４の回転中、ガラス管２は、回転させない。即ち、ガラス管２が超伝導高周波加速空胴１に対して固定したまま、レーザヘッド４が回転する。これにより、ガラス管２の金属蒸気で汚れていない部分からレーザビームＬＢを溶接部Ｗ２に向けて発射することができる。または、超伝導高周波空胴１およびガラス管２を回転させることで、レーザヘッド４を固定することで、例えば下向き姿勢あるいは内面の周溶接した溶接ビードが安定するような適した姿勢を選択することも出来る。

以上のような方法で、作業者は１つの赤道部２８（溶接部Ｗ２）に対して、内周面の１周分の溶接ビードを修整する。作業者は、これを繰り返し、超伝導高周波加速空胴１にある全ての赤道部２８の溶接ビードを修整する。これにより、超伝導高周波加速空胴１の製造工程が全て完了する。

１つの超伝導高周波加速空胴１の全ての溶接ビードの修整作業を終えた時点で、作業者は、ガラス管２を超伝導高周波加速空胴１の空胴内部から取り出す。

金属蒸気で汚れたガラス管２は、酸などでその汚れを除去及び洗浄して、次の超伝導高周波加速空胴１のレーザビームによる溶接ビードの修整に再利用する。

本実施形態によれば、電子ビーム溶接を用いて空胴本体部分を製造した超伝導高周波加速空胴１を、レーザ溶接を用いて電子ビーム溶接部分の内周面の不健全な部分を補修又は修整することができる。

従って、外周面側から電子ビーム溶接を行った赤道部２８の溶接部Ｗ２の内周面側の溶接部Ｗ２が凹凸のないフラットな溶接ビードの超伝導高周波加速空胴１を製造することができる。よって、この製造方法によれば、加速電界の低下が抑制された高性能な超伝導高周波加速空胴１を製造することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１の内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図である。

本実施形態に係る製造方法は、第１の実施形態に係る製造方法において、図９に示す溶接ビードを修整する工程において、レーザ溶接の代わりに、図１０に示すＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接を用いている。その他の点は、第１の実施形態に係る製造方法と同様である。なお、図示しないが超伝導高周波空胴１は１．３３×１０^-2Ｐａ以下の真空に排気後、高純度の不活性ガス雰囲気が封入できる溶接チャンバーあるいは超伝導高周波空胴１内を溶接チャンバーに見立てて、ＴＩＧ溶接時に空胴材料であるニオブおよび溶接部が酸化や不純物を巻き込まないような施工法・環境において溶接するように配慮が必要である。

ＴＩＧアークトーチ８は、ＴＩＧアークＡＲの周りからシールドガスＧＳを出力する。シールドガスＧＳは、電離度の高いヘリウムガスあるいはアルゴンガスあるいはアルゴンとヘリウムとの混合ガスである。シールドガスＧＳは、ＴＩＧアークを絞る役割を持つ。これにより、ＴＩＧアークは、約２５００度の融点のニオブ材のような高融点材料でも溶融できる。

ＴＩＧケーブル７は、ＴＩＧアークトーチ８に接続されている。ＴＩＧケーブル７は、電源及びシールドガスＧＳをＴＩＧアークトーチ８に供給する。

作業者は、ＴＩＧ溶接するためのＴＩＧアークトーチ８を超伝導高周波加速空胴１内に挿入する。作業者は、ＴＩＧアークＡＲが溶接部Ｗ２を溶融可能な箇所まで、ＴＩＧアークトーチ８を挿入する。

作業者は、溶接部Ｗ２の内周面に形成されている溶接ビードを、ＴＩＧアーク溶接により、ビードの表面のみを再溶融させて、補修又は修整する。作業者は、溶接ビードの外観を突起のないフラットな形状及び性状に仕上げる。

ＴＩＧアーク溶接は、超伝導高周波加速空胴１を回転させながらあるいはＴＩＧアークの電極を回転させながら行う。作業者は、超伝導高周波加速空胴１にある全ての赤道部２８の溶接ビードを修整する。これにより、超伝導高周波加速空胴１の製造工程が全て完了する。

本実施形態によれば、レーザ溶接の代わりに、ＴＩＧアーク溶接を用いても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、ＴＩＧアーク溶接に用いる機器類は、レーザ溶接に用いる電源又は発信器よりも、安価であり、取り扱い易く、メンテナンスが容易であり、汎用性が高い。よって、ＴＩＧアーク溶接を採用することで、第１の実施形態による製造方法よりも、これらの利点を活かすことができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１Ａの製造方法における複数のシングルセル２２が成形された工程を示す概略図である。

本実施形態に係る製造方法は、第１の実施形態に係る製造方法において、図５に示すダンベル２１を成形する代わりに、図１１に示すシングルセル２２を成形する製造方法である。その他の点は、第１の実施形態に係る製造方法と同様である。

シングルセル２２を成形する方法は、図４に示す第１の実施形態に係るダンベル２１を成形する方法と同様である。よって、ここでは、異なる部分について主に説明する。

作業者は、２つの半セル２０を赤道部２８同士で付き合わせる。作業者は、２つの半セル２０の赤道部２８同士を電子ビーム溶接する。作業者は、赤道部２８同士の接合部分を内周面側から溶接をする。作業者は、赤道部２８同士の接合部分の内周面の１周分あるいは１周分以上を溶接する。

シングルセル２２は、半セル２０の赤道部２８同士の接合部分が内周面から溶接された溶接部Ｗ３となる。これらの工程を繰り返して、これらの工程を繰り返して、多数のシングルセル２２が製造される。

図１２を参照して、複数のシングルセル２２から空胴２９Ａが成形される工程について説明する。

作業者は、２つのシングルセル２２をアイリス部２７同士で付き合わせる。作業者は、２つのシングルセル２２のアイリス部２７同士を電子ビーム溶接する。作業者は、アイリス部２７同士の接合部分を外周面側から溶接する。作業者は、アイリス部２７同士の接合部分の外周面の１周分を溶接する。

このような工程を繰り返して、複数のシングルセル２２を順次に電子ビーム溶接することで、図１２に示す空胴２９Ａが成形される。これらの工程を、作業者は、空胴２９Ａが９セル空胴になるまで繰り返す。よって、空胴２９Ａの接合部分は、外周面側から溶接された溶接部Ｗ４となる。

その後、作業者は、空胴２９Ａから成形された９セル空胴の両端部に、それぞれビームポート２５を電子ビーム溶接する。さらに、作業者は、この９セル空胴に、ビームパイプやフランジなどの超伝導高周波加速空胴１Ａに必要な構成機器を電子ビーム溶接する。このようにして、超伝導高周波加速空胴１Ａの全体が成形される。

図１３は、本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１Ａの内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図である。なお、本工程におけるレーザ溶接による溶接ビードの修整は、第１の実施形態と同様である。よって、ここでは、異なる部分について主に説明する。

レーザヘッド４Ａは、第１の実施形態に係るレーザヘッド４を、赤道部２８の溶接部照射用からアイリス部２７の溶接部照射用に変更したものである。超伝導高周波加速空胴１Ａの中心からの距離が赤道部２８よりもアイリス部２７の方が近い。このため、レーザヘッド４Ａは、第１の実施形態に係るレーザヘッド４のミラー５及びレンズ６を、アイリス部２７の溶接部Ｗ４にレーザビームＬＢの焦点が合うように、ミラー５Ａ及びレンズ６Ａに代えている。その他の点は、第１の実施形態に係るレーザヘッド４と同様である。

次に、レーザ溶接による溶接ビードの修整について説明する。

溶接ビードの修整の対象となる溶接部は、アイリス部２７の溶接部Ｗ４である。溶接部Ｗ４は、超伝導高周波加速空胴１Ａの外周面から内周面に向けて溶接されているため、内周面に裏波ビードが形成されているからである。

溶接ビードを修整するための準備段階として、作業者は、ガラス管２を超伝導高周波加速空胴１Ａに、荷電粒子ビーム軸に沿って挿入する。

作業者は、超伝導高周波加速空胴１Ａにガラス管２を挿入後、レーザ溶接するためのレーザヘッド４Ａをガラス管２内に挿入する。作業者は、レーザビームＬＢが溶接部Ｗ４を照射可能な範囲に入るまで、レーザヘッド４Ａを挿入する。

超伝導高周波加速空胴１Ａは、溶接部Ｗ４の内周面に溶接ビード（裏波ビード）が形成されている。作業者は、レーザ溶接により、溶接ビードの外観を突起のないフラットな形状及び性状に仕上げる。

作業者は、レーザヘッド４Ａを回転させることで、１つのアイリス部２７（溶接部Ｗ４）に対して、内周面の１周分あるいは１周分以上の溶接ビードを修整する。作業者は、これを繰り返し、超伝導高周波加速空胴１Ａにある全てのアイリス部２７の溶接ビードを修整する。これにより、超伝導高周波加速空胴１Ａの製造工程が全て完了する。

本実施形態によれば、多数のシングルセル２２を先に成形し、超伝導高周波加速空胴１Ａを製造しても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴１Ａの内周面にある溶接ビードを修整する工程を示す概略図である。

本実施形態に係る製造方法は、第３の実施形態に係る製造方法において、図１３に示す溶接ビードを修整する工程において、レーザ溶接の代わりに、図１４に示すＴＩＧ溶接を用いている。その他の点は、第３の実施形態に係る製造方法と同様である。また、本工程におけるＴＩＧ溶接による溶接ビードの修整は、第２の実施形態と同様である。よって、ここでは、従前の実施形態で説明した内容と異なる部分について主に説明する。

作業者は、ＴＩＧ溶接するためのＴＩＧアークトーチ８を超伝導高周波加速空胴１Ａ内に挿入する。作業者は、ＴＩＧアークＡＲが溶接部Ｗ４を溶融可能な箇所まで、ＴＩＧアークトーチ８を挿入する。

作業者は、溶接部Ｗ４の内周面に形成されている溶接ビードを、ＴＩＧアーク溶接により、ビードの表面のみを再溶融させて、補修又は修整する。作業者は、溶接ビードの外観を突起のないフラットな形状及び性状に仕上げる。

ＴＩＧアーク溶接は、超伝導高周波加速空胴１Ａを回転させながら行う。作業者は、超伝導高周波加速空胴１Ａにある全てのアイリス部２７の溶接ビードを修整する。これにより、超伝導高周波加速空胴１Ａの製造工程が全て完了する。

本実施形態によれば、レーザ溶接の代わりに、ＴＩＧアーク溶接を用いても、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、ＴＩＧアーク溶接に用いる機器類は、レーザ溶接に用いる電源又は発信器よりも、安価であり、取り扱い易く、メンテナンスが容易であり、汎用性が高い。よって、ＴＩＧアーク溶接を採用することで、第３の実施形態による製造方法よりも、これらの利点を活かすことができる。

なお、各実施形態において、超伝導高周波加速空胴１，１Ａは、９セル空胴としたが、セルの数はいくつでもよい。シングルセル、又は３セルや５セルなどのマルチセル（多連加速空胴）でも、同様の工程を経ることで、同様に製造することができる。

各実施形態では、溶接ビードを溶融及び修整するための溶接方式として、レーザ溶接又はＴＩＧアーク溶接について説明したが、これに限らない。超伝導高周波加速空胴１，１Ａの内部に器具類（レーザヘッドやトーチなど）を挿入でき、接合部を再溶融できる溶接方式あれば、採用することができる。例えば、ＴＩＧアーク溶接は、プラズマアーク溶接に置き換えて実施することができる。

各実施形態では、内周面側に溶接ビードができる溶接部が赤道部２８又はアイリス部２７のいずれか一方となる製造方法について説明したが、内周面側に溶接ビードができる溶接部が赤道部２８とアイリス部２７に混在する製造方法でもよい。

各実施形態では、超伝導高周波加速空胴１，１Ａを外周面側からの溶接と内周面側からの溶接とを別々に行う製造方法について説明したが、外周面側と内周面側の両側から同時に溶接してもよい。

各実施形態では、超伝導高周波加速空胴１，１Ａの内周面の修整を１箇所ずつ行う方法について説明したが、複数個所を同時にしてもよい。レーザビーム、プラズマアーク、又はティグアークなどの熱源を有する光学ヘッド（レーザヘッド４，４Ａなど）又は電極ヘッド（トーチ８など）を複数台設けることで、複数個所の溶接ビードを同時に修整することができる。溶接ビードを同時に過熱し、修整することで、過熱時の溶接変形を小さくすることができる。このため、寸法精度に優れた超伝導高周波加速空胴１，１Ａを製造することができる。従って、このように製造された超伝導高周波加速空胴１，１Ａは、加速電界をさらに高くできる。

各実施形態において、複数のラインで、複数の超伝導高周波加速空胴１，１Ａを同時に製造することもできる。この際、複数のラインで、溶接のための電源や発信器を共用させてもよい。これらの機器をフル稼働させるような最適な台数及び構成にすることで、超伝導高周波加速空胴１，１Ａの生産性を向上させることができる。

第１の実施形態又は第３の実施形態では、超伝導高周波加速空胴１，１Ａの内周面の溶接ビードを修整する方法として、超伝導高周波加速空胴１，１Ａを固定して、レーザヘッド４，４Ａを回転させる場合について説明したが、レーザヘッド４，４Ａを固定して、超伝導高周波加速空胴１，１Ａを回転させてもよい。この場合、ガラス管２も超伝導高周波加速空胴１，１Ａと同時に回転させることにより、常に金属蒸気で汚れていない部分を使うことができる。

第１の実施形態又は第３の実施形態において、超伝導高周波加速空胴１，１Ａの内周面の溶接ビードを修整する方法として、ガラス管２の金属蒸気で汚れていない部分からレーザビームＬＢを照射するために、ガラス管２を回転させずに、レーザヘッド４，４Ａを回転させることについて説明したが、これに限らない。例えば、金属蒸気で汚れていない部分を避けるようにガラス管２を回転させてもよいし、ガラス管２を荷電粒子ビーム軸方向にずらしてもよい。これらの手順でも、各実施形態と同様に、金属蒸気で汚れていない部分からレーザビームＬＢを照射することができる。

第１の実施形態又は第３の実施形態では、溶接部に焦点を合わせるためのレンズ６，６Ａをレーザヘッド４，４Ａに取り付ける構成としたが、ガラス管２に取り付ける構成としてもよい。

第２の実施形態又は第４の実施形態では、ＴＩＧアークトーチ８を１トーチとしたがこれに限らない。アイリス部２７と赤道部２８では、超伝導高周波加速空胴１，１Ａの空胴中心部からの距離が異なる。このため、ＴＩＧアークトーチ８を、アイリス部２７用と赤道部２８用のトーチの長さが異なる２トーチの構成としてもよい。また、長さが伸縮可能な１トーチの構成としてもよい。同様に、第１の実施形態又は第３の実施形態においても、複数の光学ヘッドを備えたマルチヘッドの構成としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…超伝導高周波加速空胴、２…ガラス管、３…光ファイバケーブル、４…レーザヘッド、５…ミラー、６…レンズ、７…ＴＩＧケーブル、８…ＴＩＧトーチ、２０…半セル、２１…ダンベル、２２…シングルセル、２７…アイリス部、２８…赤道部、ＡＲ…アーク、ＬＢ…レーザビーム、ＧＳ…シールドガス、Ｗ１，Ｗ２…溶接部。

Claims (13)

1. 大径開口部と小径開口部とが設けられた複数の半セルから高周波加速空胴の空洞本体を組み立てるために、第１の方式で溶接するステップと、
   前記高周波加速空胴の内側に形成された前記第１の方式による溶接の溶接ビードを整形するために、前記高周波加速空胴の内側を前記第１の方式と異なる第２の方式で溶接するステップと
   を含むことを特徴とする高周波加速空胴の製造方法。
2. 前記第１の方式の溶接は、電子ビーム溶接であること
   を特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴の製造方法。
3. 前記第２の方式の溶接は、アーク溶接であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波加速空胴の製造方法。
4. 前記第２の方式の溶接は、レーザ溶接であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波加速空胴の製造方法。
5. 前記レーザ溶接は、前記レーザ溶接に用いる光学ヘッドを回転させながら行うこと
   を特徴とする請求項４に記載の高周波加速空胴の製造方法。
6. 前記第２の方式の溶接は、前記高周波加速空胴を回転させながら行うこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高周波加速空胴の製造方法。
7. 前記高周波加速空胴の空洞本体を組み立てるために、第１の方式で溶接するステップと、前記第２の方式で溶接するステップとを同時に行うこと
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加速空胴の製造方法。
8. 大径開口部と小径開口部とが設けられた複数の半セルから高周波加速空胴の空洞本体を組み立てるために、レーザ溶接と異なる第１の方式で溶接するステップと、
   前記第１の方式による溶接後、レーザ溶接に用いるレンズを保護するためのガラス管を前記高周波加速空胴に挿入するステップと、
   前記ガラス管を前記高周波加速空胴に挿入後、前記高周波加速空胴の内側に形成された前記第１の方式による溶接の溶接ビードを整形するために、前記高周波加速空胴の内側を前記第１の方式と異なる第２の方式の溶接であるレーザ溶接をするステップと
   を含むことを特徴とする高周波加速空胴の製造方法。
9. 前記レーザ溶接は、前記高周波加速空胴を回転させながら行うこと
   を特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴の製造方法。
10. 前記レーザ溶接は、前記高周波加速空胴を回転させると共に、前記ガラス管を回転させながら若しくは前記高周波加速空胴の荷電粒子ビーム軸方向にずらしながら行うこと
    を特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴の製造方法。
11. 前記レーザ溶接は、前記レーザ溶接に用いる光学ヘッドを回転させながら行うこと
    を特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴の製造方法。
12. 前記レーザ溶接は、前記ガラス管を回転させずに、前記レーザ溶接に用いる光学ヘッドを回転させながら行うこと
    を特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴の製造方法。
13. 前記レーザ溶接は、整形する前記溶接ビードに垂直の直下を０度として、所定の角度を設けてレーザビームを照射すること
    を特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴の製造方法。

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