JP3723855B2 - 無溶接型無線周波共振空洞の製造方法及び該方法により製造された共振空洞 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、無溶接型無線周波共振空洞（radiofrequency resonating cavities of the weldless type）の製造方法に関する。本発明は、また、当該方法によって得られるモノリシックな加速空洞（accelerating cavity）に関する。
【０００２】
現在の技術水準では、バルク・ニオビウムおよびニオビウム・スパッタリグしたOFHC銅の加速空洞は、ともに共振器の半セル体（half cell）を旋盤へら絞りまたは深絞り（lathe spinning or deep drawing）しさらに内部から電子ビーム溶接して製造される。電子ビーム偏向磁石の寸法のため、内部からの溶接は、溶接のなんらかの欠陥による超伝導層の残留無線周波電力損失など更に別の欠点に加えてこの技術が高周波共振空洞に用いられる場合のきびしい制約要因となっている。
【０００３】
超伝導加速器を新たに生成するためには、超電導空洞を用いずには達成できない高いエネルギー・レベルで互いに衝突する高品質の粒子ビームが必要である。1.5ないし3GHzで作動する共振加速構造体には理論的限界に近い高変化度加速場の開発が必要となる。
【０００４】
高加速場を得るためには最適化した内部共振器面の開発が必要であり、現在、業界および研究機関ではその開発のために巨額の投資が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、技術的および経済的に好適なやり方で一または複数の無溶接セルを有する共振空洞を製造する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にもとづけば、この目的は、半セル体スピン法（half cell spinning method）を、請求項１の特徴節に開示されているように、制御下で分解可能な適当なダイ上で全空洞に拡張することによって達成される。本発明によれば、無溶接型無線周波共振空洞の製造方法であって、分解が可能で共振器の内部空洞の形状を有するダイを配設し、前記ダイを締切りチューブの形状を有する２本のシリンダーの間にブロックし、該ダイならびに該シリンダーを用いて全アセンブリーを覆うモノリシックなボディーが得られるまで箔をスピンさせ、そして構成部品を分解して該ダイを外すことよりなる方法が得られる。
前記スピン工程において、ワンピースのバルクであるニオビウムで形成される箔材料が使用されてもよい。箔の材料がOFHC銅であり、その上にスパッタリングによってニオビウムのコーティングが施されてもよい。前記銅またはニオビウムである箔の材料がディスクの形状で使用され、該ディスクがダイの下表面と引抜き旋盤の心棒の間で挟まれた後スピンされて円錐台形にされ、該円錐台形の最小の断面は該ダイの端部シリンダーの断面に対応してもよい。前記円錐台形が、製造される空洞の寸法に適合する角度を有し、中央部分すなわちダイ・シェルの旋盤スピンが中間の高速アニールを挟んで２工程で実施されてもよい。前記旋盤スピン（lathespinning）が、前記シェルの最大直径を有する赤道線部分で行われているとき、および関連する締切りチューブを備えた半セル体がすでに形成されているときには、前記高速アニール工程は６００℃未満の温度で実施されてもよい。楕円の形状を有するダイ・シェルがナイロン、ＰＶＣのプラスティックまたは有機繊維または樹脂製であり、締切りチューブ用の２本のシリンダーが鋼製であってもよい。前記シリンダーが、円錐形の継手の表面によって前記シェルに接続され、該円錐形の継手は、一方のシリンダーが配設されるピンと共働し、該ピンは、他のシリンダーの台座内に導入される。前記ダイのシェルが、ダイの中心軸を通る軸方向の面によって分割されたセクタよりなり、該シェルの内側の角には、面取り部が配設されていてもよい。対向する２個の前記セクタがキーとして機能し、そのためそれらが共振器から取り外された後他のセクタが取り外せることになってもよい。マルチ・セル空洞の製造のためにモジュラー・マルチ・シェル・ダイが使用され、前記ダイは複数のシェルで形成され、該シェルはダイの中心軸を通る軸方向の面によってセクタに分割されて端部どうしが連結され、該ダイの共振空洞からの取外しを容易にするために前記セクタの内側の角に面取り部が配設されることができる。スピンされた空洞に熱拡散法が施されてＡ１５型またはＢ１型の結晶構造を有するコーティング化合物すなわちニオビウムの限界温度（crucial temperature）より高い限界温度を有する超伝導材料を得てもよい。また、本発明によれば、銅またはニオビウムの１個の無溶接体で形成され、上述の方法によって製造される無溶接のモノ・セルまたはマルチ・セル共振空洞が得られる。
【０００７】
【実施例】
以下、例として本発明の好ましい一実施態様を示した添付の図面を参照して本発明を説明する。当該実施態様が本発明を限定するものではないことはいうまでもない。
【０００８】
図１を参照して、従来技術のマルチ・セル空洞は、複数の順次並べられた空洞１０で構成され、その両端には１２で示すＵＨＶフランジで終わるシリンダー１１が配設される。
共振器の本体がバルク・ニオビウムまたはOFHC銅で形成される場合には、旋盤へら絞りすなわち半セル体を形成してそれを化学的および／または電気化学的に研磨しさらに電子ビーム溶接で互いに溶接するという製造方法が現在すでに確立されている。最後に、マルチ・セル・モジュールがろう付けまたは電子ビーム溶接でフランジ１２に連結される。この際、銅全体が共振器の内部から電子ビーム溶接されることがなによりも好ましい。これは、外部から溶接すると、材料の全厚を通して完全に溶接が進行しない場合には溶接シームに沿って微細スロットが生成されるおそれがあり、生成した微細スロットは、いわゆる「化粧溶接」を施しても矯正されないためである。
【０００９】
しかし、内部からの溶接は、寸法を小さくしてより高周波の空洞を形成しようとする場合にきびしい制約要因となる。OFHC銅を薄膜のNb／Cu空洞に溶接する場合には、さらに別の問題が生じる。すなわち、クレーターすなわち電子ビームによって生成される突出部が存在することばかりでなく、溶接後は見えなくなるが空洞の化学処理中に現れる溶接部の空虚なバブルによって、外被の質、その超電導性、および無線周波性能が大きく低下する。これらのことから、モノリシックな空洞すなわち無溶接空洞が最終製品としての共振器の性能を改善するための大きな一歩となることは明きらかである。
【００１０】
無溶接空洞のプロトタイプは、すでに開発されている。文献によれば、従来、エレクトロフォーミング（電力形成法）とハイドロフォーミング（水力形成法）の２つの技術が研究されている。エレクトロフォーミングは、銅にしか適用されずまた銅の酸素含有量を制御し続けることができないという欠点がある。これは、酸素不純物が薄膜の成長中にニオビウムに移動することからニオビウム・スパッタリングにとってきびしい制約要因となる。
【００１１】
ハイドロフォーミングによる膨張（swelling）は、あらゆる周波数域の共振器に関して銅とニオビウムの双方に適用できる技術である。材料の亀裂や異常座屈を避けるために、製品は少なくとも２度アニールして、各膨張後に再び応力をならす（normalize）必要がある。アニールの回数は、求められる最終的な空洞の形状と水圧変形工程数に応じて決まる。これに要する機器がきわめて高価なために、この方法は、大量の共振器を製造する場合にのみ好便である。
【００１２】
本発明は、適当なダイ上に空洞全体を発展させるにあたって単に半セル体スピン法を用いることによって、1.5GHzで共振する銅またはニオビウムのモノ・セル空洞を製造することを可能にするものである。この技術によって最大直径と最小直径の比が2.27で内表面の粗さが少ない空洞を製造した。図２および図３は、例として前記空洞の一つを示したものである。図からわかるように、締切りチューブ（cut-off tube）は、直径が80mmで赤道線直径が181.9mmである。図３の曲げ半径がこれらの直径の変化に応じて変化することはいうまでもない。
【００１３】
本発明の顕著な効果の一つは、ハイドロフォーミングに用いられるような高価で複雑高度な機器のために巨額の投資を行う必要がないことである。
【００１４】
締切りチューブが付いて完成する空洞全体は、厚さ３mmのOFHC銅箔からスピン製造することができ、その製造方法は、１回の中間真空アニールを間に挟んだ２工程のスピン法により行われる。この方法の第一工程では、銅のシートを、円錐台形のダイ上でスピンさせる。該ダイの最小部分の断面は、締切りチューブの断面と同じ寸法となっている。円錐台形の角度が、形成されるセルの寸法に関連すべきものであることはいうまでもない。ダイ下表面と旋盤心棒の間に挟まれた銅またはニオビウム・ディスクは、容易に変形して円錐台形となる。
【００１５】
次の工程では、正確に空洞の内側の形状を有する第２のダイ（図４）が用いられ、この第２のダイは、空洞の内側形状と全く同じ形状を有する。該工程では、第一の半セル体とともに、空洞の締切りチューブをスピン製造する。銅を600℃未満の温度で高速アニールすることにより、残りの半セル体および第二の締切りチューブをスピンさせることが可能となる。
【００１６】
図４のダイは、シェル１３と２本のシリンダー１４との３つの主要部品で構成される。シェル１３は、ナイロンまたはＰＶＣ製で、その上で空洞の腹部がスピンされる。シリンダー１４は、ステンレス製で、その上で２本の締切りチューブが形成される（図５）。
【００１７】
一つのシリンダーとシェルの間には円錐形の継手１５があって、ダイが容易に部品に分解できるようにしている（図６および図７）。該継手は、ピン１６を含み、該ピンは、一方のシリンダーに配設されて他方のシリンダーの台座１７内に挿入される。
【００１８】
該ダイは、潤滑油で潤滑する必要があり、使用した潤滑油は、グリスを取り除くために適当な浴槽で超音波処理して除去する必要が生じる。
【００１９】
シェル１３は、１０個のセクタ１８で構成され、空洞の製造後にプラスティック製のシェル１３を該空洞から取り外すことができる。該セクタは、作動（machining）中は前記２本のシリンダー１４によって支えられる。セクタ１８は、軸方向の面に対して左右対称に切られており、したがって５対の対向する等しいセクタが形成されることになる。対向する２個のセクタは、キーとして機能し、そのためそれらが共振器から引き出されると他のすべてのセクタが力を加えることなく自由に取り外せるようになる。これらキーとなるセクタは、大きすぎると空洞から引き出すことができなくなり、また小さすぎると十分にキーの役割を果たすことができないため、その形状は決定的に重要な意味を持つ。
【００２０】
図９、１０は、セクタ１８、およびスピンされるナイロン製シェル１３を分割してスライスにする切断線Ｌを示す。該シェルが容易に作動するようになっていないときには、カットしてセクタにする必要があることはいうまでもない。シェルをカットしてセクタとした後、全部品を鋼製のシリンダーにおいて旋盤にブロックし、空洞の最終的な形状を示すようになるまで作動させる。作動終了後、該セクタは、図１０に示すようにＳの箇所を面取りする必要がある。
【００２１】
本出願人は、複合プラスティック製シェルを使用する場合の上記に代わる方法も考慮した。シェルは、セクタに分割しない単一のバルク部品とすることも可能である。該シェルを適当な硬度と密度（hardness and consistency）を有する有機繊維または樹脂製とする場合には、洗剤を用いてそれを化学的に溶解することが可能となる。本出願人は、旋盤でプラスティック製シェルを破壊してそれを取り除くことができるかどうかの試験を行ったが、該切断工具で共振器の内表面を傷つける危険性に加えてかなりの経費を要するため、これは望ましい方法ではないことがわかった。
【００２２】
上記の方法を用いて、厚さ３mmの箔をスピンさせて得られる無溶接銅空洞および厚さ1.5mmの箔をスピンさせて得られるニオビウム空洞を調製した。ニオビウムに関しては、いわゆる「オレンジの皮剥け」（orange peeling）の問題が生じたためさらに研究が必要であるが、この問題は、適当なアニールによって克服することができる。
表面の質が、出発材料の表面の最初の状態に厳密に左右されることも注意しなければならない。引掻き傷のない無傷の箔を使用することによって、必要な表面の粗さを得ることができる。
【００２３】
寸法を変えるだけで、上記の方法によって任意の周波数の空洞を製造することができることが理解されよう。さらに、スピンによって半セル体を製造するための機器が得られる場合には、常に、実質的な変更を加えることなしに上記の方法を用いることができる。
【００２４】
近年、加速用超伝導空洞に使用するためにニオビウムの限界温度より高い限界温度の超伝導材料の研究が進められている。Ａ１５型の結晶構造材料（例えば、V₃Si、Nb₃Sn、（NbTi）₃Ge...）あるいはＢ１型の結晶構造材料（例えば、NbNC、NbTiNC、NbZrN...）などがその好例である。この種の材料は、上記の方法を用いて、スパッタリング（カソードスパッタリング）によってOFHC銅層上に堆積（deposit）させることができ、あるいは卑金属、例えば、ヴァナジウム、ニオビウム、ニオビウム−チタン、あるいはニオビウム−ジルコニウム中に空洞を形成することができる。そして、例えば、Ｂ１化合物の場合には窒素またはメタン雰囲気中で、またＡ１５化合物の場合にはシランまたは蒸発させたスズの雰囲気中で熱拡散法（thermal diffusion process）を実施することができる。
【００２５】
また、本発明の方法によってマルチ・セルの製造を行うことも可能である。例えば、４−セル空洞を製造する場合には、各セルごとに１個の４−シェル・ダイを使用すれば上記と同じ方法を実施することができる。各シェルは、モノ・セルに用いられるダイのシェルと同じであり、図１１に示すようにセクタ１８にカットされる。ダイの各シェルは、その端部を後に続くシェルの端部に接続され、それに適当な面取り１９が施され、セクタ１８が取り外せるようになっている。鋼製のシリンダーへの連結は、モノ・セルの場合と同じである。このマルチ・セル空洞は、箔を使用し、モノ・セルの場合について説明したようにこの箔から円錐台またはシリンダーが得られるようにしてこのマルチ・セルをダイ上に形成することもできるし、あるいは一端が閉じられた延伸シリンダー用いることもできる。
【００２６】
以上、望ましい実施態様について本発明を図示、説明したが、当該技術に熟達した人には本発明の範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行うことが可能なことは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術のマルチ・セル空洞を示す概要図である。
【図２】 1.5GHzの周波数で共振するシングル・セル空洞を示す図である。
【図３】図２の空洞の内部の寸法を示す図である。
【図４】本方法を実施するためのダイを示す図である。
【図５】図４のダイを３つの部分に分解したものを示す図である。
【図６】図５の２つの端部シリンダーの詳細を示す図である。
【図７】図５の２つの端部シリンダーの詳細を示す図である。
【図８】セクタあるいはスライスに分割されたダイの中央のシェルを示す図である。
【図９】リングの垂直断面図である。
【図１０】スライスに分割されて内側の角が面取りされるシェルの平面図である。
【図１１】本発明にもとづくマルチ・セル空洞用のモジュラー・ダイの断面図である。
【符号の説明】
１０ 空洞
１１ シリンダー
１２ ＵＨＶフランジ
１３ シェル
１４ ステンレス鋼製シリンダー
１５ 継手
１６ ピン
１７ 台座
１８ セクタ
１９ 面取り

Claims (13)

1. 無溶接型無線周波共振空洞の製造方法であって、分解が可能で共振器の内部空洞の形状を有するダイを配設し、前記ダイを締切りチューブの形状を有する２本のシリンダーの間にブロックし、該ダイならびに該シリンダーを用いて全アセンブリーを覆うモノリシックなボディーが得られるまで箔をスピンさせ、そして構成部品を分解して該ダイを外すことよりなる方法。
2. 前記スピン工程において、ワンピースのバルクであるニオビウムで形成される箔材料が使用される、請求項１に記載の方法。
3. 箔の材料がOFHC銅であり、その上にスパッタリングによってニオビウムのコーティングが施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記銅またはニオビウムである箔の材料がディスクの形状で使用され、該ディスクがダイの下表面と引抜き旋盤の心棒の間で挟まれた後スピンされて円錐台形にされ、該円錐台形の最小の断面は該ダイの端部シリンダーの断面に対応する、請求項１ないし３に記載の方法。
5. 前記円錐台形が、製造される空洞の寸法に適合する角度を有し、中央部分すなわちダイ・シェルの旋盤スピンが中間の高速アニールを挟んで２工程で実施される、請求項１ないし４に記載の方法。
6. 前記旋盤スピンが、前記シェルの最大直径を有する赤道線部分で行われているとき、および関連する締切りチューブを備えた半セル体がすでに形成されているときには、前記高速アニール工程は６００℃未満の温度で実施される、請求項５に記載の方法。
7. 楕円の形状を有するダイ・シェルがナイロン、ＰＶＣのプラスティックまたは有機繊維または樹脂製であり、締切りチューブ用の２本のシリンダーが鋼製である、請求項５ないし６に記載の方法。
8. 前記シリンダーが、円錐形の継手の表面によって前記シェルに接続され、該円錐形の継手は、一方のシリンダーが配設されるピンと共働し、該ピンは、他のシリンダーの台座内に導入される、請求項５ないし７に記載の方法。
9. 前記ダイのシェルが、ダイの中心軸を通る軸方向の面によって分割されたセクタよりなり、該シェルの内側の角には、面取り部が配設されている、請求項５ないし８に記載の方法。
10. 対向する２個の前記セクタがキーとして機能し、そのためそれらが共振器から取り外された後他のセクタが取り外せる、請求項９に記載の方法。
11. マルチ・セル空洞の製造のためにモジュラー・マルチ・シェル・ダイが使用され、前記ダイは複数のシェルで形成され、該シェルはダイの中心軸を通る軸方向の面によってセクタに分割されて端部どうしが連結され、該ダイの共振空洞からの取外しを容易にするために前記セクタの内側の角に面取り部が配設される、請求項１ないし１０に記載の方法。
12. スピンされた空洞に熱拡散法が施されてＡ１５型またはＢ１型の結晶構造を有するコーティング化合物すなわちニオビウムの限界温度より高い限界温度を有する超伝導材料が得られる、請求項１に記載の方法。
13. 銅またはニオビウムの１個の無溶接体で形成され、請求項１ないし１２に記載の方法によって製造される、無溶接で無線周波性能を有するモノ・セルまたはマルチ・セル共振空洞。

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