JP2018058086A - 超電導部品製造装置及び超電導部品製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な品質を有する超電導部品を簡易に製造することができる超電導部品製造装置及び超電導部品製造方法を提供する。
【解決手段】超電導部品製造装置１０は、超電導部品１６の原料部材１４を真空中で溶融することで純度を高めながら超電導部品１６を積層造形する３次元積層造形部１１と、超電導部品１６に仕上げ加工を施す仕上げ部１２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子加速器に用いられる超電導部品の製造技術に関する。

高周波加速空洞は、荷電粒子加速器の一部を構成する金属製の空洞経路であり、荷電粒子を効率良く加速するために特定の周波数の高周電磁波が共振するように設計される。
高周波加速空洞の素材には、発生した高周電磁波による温度上昇が小さい金属材料、すなわち熱伝導率が大きく電気抵抗が小さい金属材料が適している。よって、従来は高周波加速空洞の素材として銅が用いられてきた。

しかし、銅は加速電場の増加に伴って発熱量も増加するため、近年では、高出力の高周波加速空洞では高純度Nbの適用が図られている。超伝導空洞に用いられる高純度Nb材は、Nbパウダー又は粗鋼Nbインゴットから出発して、Nbの純度を高められた後、成形される。

国際公開２０１０／０１６３３７号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、インゴットの真空電子ビーム多重溶解、鍛造、圧延、中間熱処理及び表面研磨など工程が多く複雑であるという課題があった。
また、圧延等の工程において、周囲の雰囲気から不純物が混入され、超電導部品としての材料特性が低下することがあるという課題もあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、十分な品質を有する超電導部品を簡易に製造することができる超電導部品製造装置及び超電導部品製造方法を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる超電導部品製造装置は、超電導部品の原料部材を真空中で溶融することで純度を高めながら前記超電導部品を積層造形する３次元積層造形部と、前記超電導部品に仕上げ加工を施す仕上げ部と、を備えるものである。

本実施形態にかかる超電導部品製造方法は、超電導部品の原料部材を真空中で溶融することで純度を高めながら前記超電導部品を積層造形する工程と、前記超電導部品に仕上げ加工を施す工程と、を含むものである。

本発明により、十分な品質を有する超電導部品を簡易に製造することができる超電導部品製造装置及び超電導部品製造方法が提供される。

第１実施形態にかかる超電導部品製造装置の概略構成図。 第１実施形態にかかる超電導部品製造方法を示すフローチャート。 原料部材及び積層造形された超電導部品の残留抵抗比値を示す図。 第２実施形態における再溶融による平滑化を説明する図。 第２実施形態にかかる超電導部品製造方法を示すフローチャート。 第２実施形態にかかる超電導部品製造装置の概略構成図。 第２実施形態にかかる超電導部品製造装置の変形例の概略構成図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる超電導部品製造装置１０の概略構成図である。
第１実施形態にかかる超電導部品製造装置１０は、図１に示されるように、３次元積層造形部１１と、仕上げ部１２と、を備える。

３次元積層造形部１１は、真空引きにされたチャンバ１３内で、線材状に溶融成形された原料部材１４を溶融して積層造形することで超電導部品１６を作製する。
チャンバ１３の天井部には、ビーム源である電子銃１７、及びこの電子銃１７から出射された電子ビーム１８を収束させる電子レンズ１９が設けられる。
造形方式には、部品固定台２２または原料供給部（原料保持部）２３の位置を随時調整して、原料部材１４の先端を電子ビーム１８の照射位置に維持するデポジション方式が用いられる。

原料部材１４は、材料をNbにして、これを電子ビーム１８で溶融して積層造形するのが望ましい。
Nbは超電導部品１６として好適な材料特性を有することに加えて、沸点が４９２７℃と極めて高く、本実施形態の超電導部品製造方法により後述する精錬効果を発揮するからである。

また、原料部材１４の溶融に電子ビーム１８が用いられることから、チャンバ１３は、真空吸引部２４によって１×１０^−３Ｐａ以下の真空度まで減圧される。
Nbは沸点が高く不純物や気体成分との間に大きな蒸気圧差があるため、原料をNbにして真空中で積層造形すると、不純物が揮発する一方、Nb原子は液相に留まることになる。
つまり、Nbを真空中で積層造形することで、事前に精錬された原料部材１４の純度がさらに高められ、高周波加速空洞などの超電導部品１６の材料特性を高めることができる。

ところで、金属材を用いた従来の３次元積層造形手法では、成形されていない金属材の粉末が用いられていた。
しかし、Nbは酸化されやすいので、比表面積が大きくなる粉末状のNbを溶融して造形すると、Nbがチャンバ１３内に残留する酸素等と結合してNbの純度が低下する。

そこで、粉末と比較して比表面積が小さくなる塊状に成形された原料部材１４を用いて積層造形をするのが好ましい。
例えば、原料部材１４は、ワイヤ形状や、フィルム線材形状、棒形状等にされる。

なお、従来では、Nbを鍛造し圧延して二次元的な板材形状にし、これをプレスして細分化された部品を作製し、さらにこれらを溶接して超電導部品を作製していた。
しかし、原料部材１４は、上記のように成形が容易な一次元的な形状で使用されることに加え、３次元積層造形によって原形を留めない別形状に造形される。
よって、その形状に高い精度が要求されず、鍛造、圧延または中間熱処理などの工程が不要になる。

仕上げ部１２は、造形された超電導部品１６に仕上げ加工を施す。
仕上げ部１２は、例えば、研磨部２６、洗浄部２７及び焼成部２８で構成される。

研磨部２６は、研削機、バレル、化学研磨機など研磨精度の異なる種々の研磨機で構成され、積層造形された超電導部品１６を研磨する。
洗浄部２７は、超電導部品１６を洗浄して研磨時に付着した研磨剤などを除去する。
焼成部２８は、洗浄された超電導部品１６を焼成して部品として完成させる。

なお、３次元積層造形部１１及び仕上げ部１２は、一体化して１つのチャンバ１３内で３次元積層造形、研磨、洗浄及び焼成の工程を実施させてもよい。
また、仕上げ部１２を構成する各部（２６〜２８）は、必ずしも一体として収容等されていなくてもよい。

次に、第１実施形態にかかる超電導部品製造方法を図２のフローチャートを用いて説明する（適宜図１を参照）。

超電導部品１６の製造工程は、原料部材作製の工程（Ｓ１１〜Ｓ２０）と、部品作製の工程（Ｓ２１〜Ｓ２６）と、に大別することができる。
原料部材作製の工程（Ｓ１１〜Ｓ２０）では、まず、Ｎｂ粉末を焼結してインゴットを作製する（Ｓ１１）。
このインゴットを電子ビームで多重溶融して（複数回のＥＢ溶融）、Nbを精錬する（Ｓ１２）。

そして、精錬されたNbのインゴットを、切断し（Ｓ１３）、切断片の表面を研削して表面の不純物を除去する（Ｓ１４）。
この切断片を線引きしてワイヤ形状などにする（Ｓ１５）。
次に、物理研磨（Ｓ１６）、化学研磨（Ｓ１７）、純水洗浄（Ｓ１８）そして乾燥（Ｓ１９）の順で原料部材１４に仕上げ、欠陥について検査をする（Ｓ２０）。

このように原料部材作製の工程（Ｓ１１〜Ｓ２０）では、いずれの超電導部品１６もワイヤ状等の原料部材１４から作製されるので、部品形状に合わせて作製される板材にするための、鍛造、圧延及び中間熱処理などの多くの工程が不要になる。
さらに、廃棄材が多量に発生する鍛造後の皮剥ぎや、角板から円板を切り出す工程なども不要になる。

検査がなされた原料部材１４は、部品作製場所に搬送されて、部品作製の工程（Ｓ２１〜Ｓ２６）がなされる。
まず、原料部材１４を真空中で溶融して超電導部品１６を積層造形する（Ｓ２１）。
電子ビーム１８を部品の断面形状に沿って原料部材１４の先端とともに掃引させることを繰り返して、超電導部品１６の３次元形状を造形する。
そして、超電導部品１６に仕上げ加工の工程（Ｓ２２〜Ｓ２６）に移行する。

３次元積層造形によって造形された超電導部品１６は多数のビードを有する。
そこで、このビードを従来の工程と同様に旋盤などで平均算術粗さ（Ｒａ）で１６μｍ程度の粗さになるまで表面を研削した後（Ｓ２２）、バレル研磨（Ｓ２３）および化学研磨（Ｓ２４）で表面粗さをＲａで１．６μｍ程度まで平滑にする。
そして、純水洗浄（Ｓ２５）の後、焼成（Ｓ２６）をして超電導部品１６の製造工程を終了する（ＥＮＤ）。

部品作製の工程（Ｓ２１〜Ｓ２６）においても、３次元積層造形手法を用いることで、従来労力がかかっていたプレス工程及び変形修正などの工程が不要になる。
また、３次元積層造形手法は造形の自由度が高いので、複雑形状でも一時に造形することができ、部品点数を削減することができる。また、これら部品の溶接数も削減することができる。

以上より、原料部材１４の製造工程及び超電導部品１６の製造工程のいずれにおいても、工程数を大幅に削減することができる。

次に、図３を用いて、原料部材１４及び積層造形された超電導部品１６の残留抵抗比（ＲＲＲ：Residual Resistance Ratio）値について説明する。
残留抵抗比とは、超伝導状態から常伝導状態に転移した直後の電気抵抗に対する超伝導素線の室温における電気抵抗の比であり、超電導部品１６の安定性の指標になる。

図３に示されるように、積層造形された超電導部品１６のＲＲＲは、原料部材１４の１．７倍程度になった。
この結果から、上述の３次元積層造形の工程を経ることで、蒸気圧の高い不純物の比率が減少して超電導部品１６の材料特性が向上することがわかった。
つまり、コスト高や性能低下の原因となる鍛造、圧延及び途中熱処理などの工程を省きながらも、性能の高い超伝導空洞を得ることができることが確認された。

以上のように、第１実施形態にかかる超電導部品製造装置１０によれば、十分な品質を有する超電導部品を簡易に製造することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における再溶融による平滑化を説明する図である。
図５は、第２実施形態にかかる超電導部品製造方法を示すフローチャートである。

第２実施形態にかかる超電導部品製造方法は、図５に示されるように、３次元積層造形工程（Ｓ４１）の後に、超電導部品１６のビード表面を溶融してビード表面を平滑化する再溶融工程（Ｓ４２）を含む。
なお、図５において、再溶融工程（Ｓ４２）以外の各工程（Ｓ３１〜Ｓ４１，Ｓ４３〜Ｓ４６）は、図２の各工程（Ｓ１１〜Ｓ２１，Ｓ２３〜Ｓ２６）と同様である。

研磨工程（Ｓ２２）では、研磨によって表面が汚染され、ＲＲＲ特性が低下するおそれがあった。
そこで、図４に示されるように、積層されたビード間の凸部と凹部を含めるように平滑ビーム源３１から平滑ビーム２９を照射して超電導部品１６の表面を再溶融する。

この再溶融で、表面張力によって表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１．６μｍ程度まで平滑化することができる。
よって、再溶融工程（Ｓ４２）の後工程にある研磨工程（Ｓ４３）を短縮することが可能になることに加え、再溶融時の精錬効果によりＲＲＲ特性を向上させることができる。

また、図６は、第２実施形態にかかる超電導部品製造装置１０の概略構成図である。
この再溶融工程（Ｓ４２）を実施するために、第２実施形態にかかる超電導部品製造装置１０は、図６に示されるように、平滑化するための電子ビーム（以下、電子ビーム１８と区別して「平滑ビーム２９」という）を出射する平滑ビーム源３１を備える。

平滑ビーム源３１は、例えばチャンバ１３内に設けられて、再溶融が積層造形と並行して実施される。
真空引きしたチャンバ１３内で平滑化することで、平滑ビーム２９の照射による溶融で酸化されることを防止することに加えて、Nbの純度を向上させることもできるからである。
平滑ビーム２９の進路も、第２電子レンズ２１によって自由に制御される。

また、図７は、第２実施形態にかかる超電導部品製造装置１０の変形例の概略構成図である。
図７に示されるように、平滑ビーム源３１は、３次元積層造形部１１のチャンバ１３内に設けられずに、ビーム成形部３２として仕上げ部１２に設けられていてもよい。

なお、平滑ビーム２９でビード表面を平滑化すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる超電導部品製造装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、表面張力により表面粗さをＲａで１．６μｍ程度まで平滑化することができるので、後工程の研磨工程を短縮することができる。
また、再溶融時の精錬効果によりＲＲＲ特性を向上させることができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の超電導部品製造装置１０によれば、上述した条件下で３次元積層造形をすることで、十分な品質を有する超電導部品を簡易に製造することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上述のように超電導部品の材料特性の向上は、Nbが低い蒸気圧を有するという性質と、真空中におけるNbの３次元積層造形と、が組み合わされることに起因している。
よって、原料部材は、超電導部品としての金属的性質を有し、沸点が高く不純物との蒸気圧差が十分に確保することができる材料であれば、Nbに限定されない。

また、Nbの酸化が生じない真空度を維持することができれば、電子ビームに代えてレーザビーム等他の高エネルギービームを用いることもできる。

１０…超電導部品製造装置、１１…３次元積層造形部、１２…仕上げ部、１３…チャンバ、１４…原料部材、１６…超電導部品、１７…電子銃、１８…電子ビーム、１９…電子レンズ、２１…第２電子レンズ、２２…部品固定台、２３…原料保持部（原料供給部）、２４…真空吸引部、２６…研磨部、２７…洗浄部、２８…焼成部、２９…平滑ビーム、３１…平滑ビーム源、３２…ビーム成形部。

Claims (11)

1. 超電導部品の原料部材を真空中で溶融することで純度を高めながら前記超電導部品を積層造形する３次元積層造形部と、
   前記超電導部品に仕上げ加工を施す仕上げ部と、を備えることを特徴とする超電導部品製造装置。
2. 前記原料部材は、多重溶融によって精錬されて塊状に成形されたものである請求項１に記載の超電導部品製造装置。
3. 前記３次元積層造形部は、
   真空引きにされるチャンバと、
   前記原料部材を前記チャンバ内で保持する原料保持部と、
   前記原料部材を溶融するビーム源と、を備える請求項１または請求項２に記載の超電導部品製造装置。
4. 前記ビーム源は電子ビームを出射する請求項３に記載の超電導部品製造装置。
5. 前記超電導部品のビード表面を溶融して前記ビード表面を平滑化する平滑ビーム源を備える請求項３または請求項４に記載の超電導部品製造装置。
6. 前記平滑化は前記３次元積層造形部の内部で前記積層造形と並行して実施される請求項５に記載の超電導部品製造装置。
7. 前記チャンバの真空度は、１×１０^−３Ｐａ以下である請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の超電導部品製造装置。
8. 仕上げ部は、
   積層造形された前記超電導部品を研磨する研磨部と、
   研磨された超電導部品を焼成する焼成部と、を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導部品製造装置。
9. 前記ビーム源はレーザビームである請求項３から請求項８のいずれか１項に記載の超電導部品製造装置。
10. 超電導部品の原料部材を真空中で溶融することで純度を高めながら前記超電導部品を積層造形する工程と、
    前記超電導部品に仕上げ加工を施す工程と、を含むことを特徴とする超電導部品製造方法。
11. 前記原料部材は、多重溶融によって精錬されて塊状に成形されている請求項１０に記載の超電導部品製造方法。

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