JP4358764B2 - 超伝導加速空洞 - Google Patents

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、工業分野に限らず、医療分野等でも使用されている。使用分野が拡がるに伴い、今後、更に高効率、安全で、安価な超伝導加速装置が要望されている。

Kristen Zapfe-Dueren, "A New Flange Design for the Superconducting Cavities for TESLA", Proceedings of The 8th workshop on RF Superconductivity, 1997

従来、超伝導加速装置に用いられる超伝導加速空洞は、本体部分だけでなく、そのフランジの部分も、ニオブ（Ｎｂ）材の超伝導材料が使用されていた。ニオブ材自身は硬度が低いため、極低温において超伝導加速空洞の内部を真空に保つためには、フランジ部分をシールするシール材として、更に硬度の低いインジウムを使用する必要があった。ところが、インジウムのシール材は、その硬度の低さ故に取り付け作業が難しく、取り付けに失敗して、所望の真空度を得られなかったり、取り付け時間が多大となったりと、問題が多かった。

近年、ニオブ材のフランジに代わって、ニオブチタン材のフランジが使用されるようになってきており、ニオブチタン材自身は硬度が低くないため、比較的安価で、真空用部材として実績のあるメタル製シール材が使用可能となってきている。ところが、ニオブチタン材は、素材自体が高価であるという問題があった。

そこで、安価なステンレス・スチール（ＳＵＳ）製のフランジを、超伝導加速空洞のフランジに用いることも検討されている。ところが、ＳＵＳは、超伝導加速空洞を構成するニオブに直接溶接することができず、ロウ付け、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）、爆着等により接合する必要がある上、超伝導加速空洞を構成するニオブと線膨張係数が倍近く異なるため、応力緩和や出ガスのための加熱処理時に、ステンレス・スチール製のフランジの接合部分に微少亀裂が生じ、微少リークが発生したり、場合によっては、破損したりするおそれがあった。

このように、超伝導加速空洞においては、フランジのシール部分、又、異種材との接合部分に、安価で、信頼性が高く、確実なシール方法が求められていたが、全てを満足するものは得られていなかった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、安価であると共に、確実に高い真空度を得ることができる超伝導加速空洞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は、
超伝導材料であるニオブから形成された空洞のセルを有する超伝導加速空洞において、
前記超伝導加速空洞の端部に、前記ニオブと線膨張係数が近いチタンからなるフランジを直接溶接すると共に、前記フランジのシール材との接触面に、窒化チタン、ダイヤモンド・ライク・カーボン、窒化クロム、クロム、窒化ジルコニウム、窒化チタンアルミニウム、チタンタングステン、炭化チタン、窒化炭化チタンのうちのいずれか１つを被膜として形成したことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る超伝導加速空洞は、
第１の発明に記載の超伝導加速空洞において、
前記被膜が窒化チタンである場合、チタンからなる前記フランジの表面を窒化処理したもの、又は、チタンからなる前記フランジの表面に窒化チタンをコーティングしたものであることを特徴とする。

なお、被膜の膜厚は、少なくとも５ミクロンとすることが望ましく、又、被膜の表面粗さＲａは０．８ミクロン以下、Ｒｍａｘは３．２ミクロン以下とすることが望ましい。加えて、被膜としては、窒化チタン以外に、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｃｒ（クロム）、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）、ＴｉＷ（チタンタングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（窒化炭化チタン）等でもよく、ＴｉＮ、ＴｉＣは、窒化処理、浸炭処理としてもよい。

本発明によれば、フランジを構成する金属の線膨張係数を、超伝導加速空洞本体を構成する超伝導材料と略同一にしたので、加熱、冷却等の熱履歴があっても、破損したり微少リークが発生したりすることはなく、又、フランジのシール材との接触面に、融点が高く、硬度の高い被膜を形成したので、比較的安価で、真空用部材として実績のあるメタル製シール材が使用可能となり、確実にかつ簡易に高真空を得ることができる。又、安価な部材が使用可能となるので、消耗品、メンテナンスコストを含めて、超伝導加速装置のコストを低減することもできる。

以下、図１、図２を参照して、本発明に係る超伝導加速空洞を説明する。

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。又、図２（ａ）は、図１に示した超伝導加速空洞のフランジ部分を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ領域の拡大図である。

超伝導加速装置に用いられる超伝導加速空洞１は、軸方向断面が楕円状の空洞セル１ａを複数連ね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。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３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１ａ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る。

超伝導加速空洞１の両端部１ｂには、フランジ２が設けられている。フランジ２は、ステンレス・スチール製のベローズ４のフランジ５と、シール材７を介して、複数のボルト１０、ナット１１を用いて連結されており、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。本発明においては、超伝導加速空洞１を構成する超伝導材料と線膨張係数が近い金属を用いて、フランジ２を構成している。

具体的には、超伝導加速空洞１を構成する超伝導材料をニオブ材とする場合、フランジ２を、ニオブ材と線膨張係数が近い金属、例えば、チタン材を用いるとよい。ニオブ材における３００Ｋから４Ｋへの線膨張率は−０．１５１％であり、チタン材における３００Ｋから４Ｋへの線膨張率は−０．１５９％であり、線膨張係数が極めて近く、超伝導加速空洞１に接合する材料としては望ましい物性である。これに対して、ステンレス・スチール（ＳＵＳ３１６）の場合は、３００Ｋから４Ｋへの線膨張率が−０．３０５％と、ニオブ材の線膨張率の２倍近く大きく、超伝導加速空洞１に接合する材料として望ましいものではない。加えて、フランジ２にチタン材を用いる場合は、ニオブ材の超伝導加速空洞１に、電子ビームやレーザビーム等により直接溶接可能であるというメリットもあり、接合部分のシール性が確保できると共に、作製が容易となり、コストの低減も可能となる。

更に、本発明においては、フランジ２のシール材６との接触面に、融点が高く、かつ、硬度の高い、窒化チタンからなる被膜６を形成している。これは、通常、超伝導加速空洞１の応力緩和や出ガスのために加熱処理を行うが、このときの温度が７５０度程度であるため、フランジ２をチタンのみで構成した場合、チタン表面の結晶粒の単結晶化が進行し、シール特性が損なわれるおそれがあるため、フランジ２のシール材６との接触面に窒化チタンの被膜６を形成することで、フランジ２のシール材６との接触面の変性を防止して、シール特性が損なわれないようにするものである。

ここで、被膜６は、チタンからなるフランジ２の表面を窒化処理して形成してもよいし、又は、チタンからなるフランジ２の表面に窒化チタンをコーティングして形成してもよい。

又、被膜６は、熱処理後の窒化チタン界面のチタンからの影響を吸収するため、その膜厚を少なくとも５ミクロン（μｍ）とすることが望ましく、更に、熱処理後であっても、被膜６の表面粗さＲａを０．８以下、そして、Ｒｍａｘを３．２以下することが望ましい。

上述したように、超伝導材料からなる超伝導加速空洞１本体に、超伝導材料と略同一の線膨張係数の金属のフランジ２を設け、そのフランジ２のシール材７との接触面に、融点が高く、硬度の高い被膜６を形成することで、加熱、冷却等の熱履歴があっても、破損したり微少リークが発生したりすることはなく、又、真空用部材として実績のある安価なメタル製シール材等が使用可能となる。従って、超伝導加速空洞１において、安価で、信頼性が高く、確実なシール方法を提供できることとなる。

なお、被膜６の材料としては、ＴｉＮ（窒化チタン）に限らず、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｃｒ（クロム）、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）、ＴｉＷ（チタンタングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（窒化炭化チタン）等が使用可能である。

又、メタル製シール材としては、アルミニウム製の菱形断面のシール材や表皮がアルミニウム・銅・インジウムメッキからなるスプリング入りの金属Ｏリング等が使用可能である。

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。 図２（ａ）は、図１に示した超伝導加速空洞のフランジ部分を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ領域の拡大図である。

符号の説明

１ 超伝導加速空洞
１ａ セル
１ｂ 端部
２ フランジ
３ 導波管
４ ベローズ
５ フランジ
６ 被膜
７ シール材
１０ ボルト
１１ ナット

Claims (2)

1. 超伝導材料であるニオブから形成された空洞のセルを有する超伝導加速空洞において、
   前記超伝導加速空洞の端部に、前記ニオブと線膨張係数が近いチタンからなるフランジを直接溶接すると共に、前記フランジのシール材との接触面に、窒化チタン、ダイヤモンド・ライク・カーボン、窒化クロム、クロム、窒化ジルコニウム、窒化チタンアルミニウム、チタンタングステン、炭化チタン、窒化炭化チタンのうちのいずれか１つを被膜として形成したことを特徴とする超伝導加速空洞。
2. 請求項１に記載の超伝導加速空洞において、
   前記被膜が窒化チタンである場合、チタンからなる前記フランジの表面を窒化処理したもの、又は、チタンからなる前記フランジの表面に窒化チタンをコーティングしたものであることを特徴とする超伝導加速空洞。

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