JP5449019B2 - 超伝導加速空洞および超伝導加速空洞の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導加速空洞および超伝導加速空洞の製造方法に関するものである。

超伝導加速空洞は内部を通る荷電粒子を加速するものである。この超伝導加速空洞は、中央部が膨らんだ円筒形状のセルが複数個組み合わされた空洞本体の端部にビームパイプが接続されて構成されている。空洞本体およびビームパイプは、超伝導材料である、たとえば、ニオブ製である。
超伝導状態を保つために少なくとも空洞本体を極低温状態に保持する必要がある。このため、一般には空洞本体の周囲をチタン製あるいはステンレス製のジャケットで覆い、ジャケットの内部に、たとえば、液体へリウムを収容して空洞本体を極低温状態に冷却している。

この際、ジャケットと超伝導加速空洞との接合部の気密性を保持するのは重要である。従来の接合部は、ガスケットを介在させて接合されたり、ロー材を用いて接合されたりしていたが、十分な気密性を得るには十分でなかった。
十分な気密性を得るため、特許文献１に示されるように、外周部全周に亘る突起部を有するニオブ製の突起付リングを備え、突起部の先端にチタン製のジャケットを溶接によって接合し、次いで、突起付リングの両端部に空洞本体およびビームパイプを溶接によって接合しているものが提案されている。

特許第３４１６２４９号公報

ところで、特許文献１に示されるものでは、部材として突起付リングを製造する必要がある。また、各部材を接合する場合において、溶接個所が３箇所となることもあって、製造コストが増加するという課題がある。
しかも、突起付リングの両端部に空洞本体およびビームパイプを接合する２箇所の溶接は、それぞれ内側空間側から行う必要があるので、溶接方向が接合部に対して傾斜した方向となり、溶接位置の設定が難しい。この難しい溶接が２箇所必要であるので、目外れ等によって溶接不良が発生する可能性が大きくなり、製品の信頼性が低下するという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、製品の信頼性を向上でき、かつ、製造コストを低減できる超伝導加速空洞および超伝導加速空洞の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、超伝導材料で両端が開口した筒状に形成されているビームパイプと、冷却材を収容するジャケットの端部を構成するように環状に形成され、内周面が前記ビームパイプにおける一端部の外周部に溶接によって接合されている端板と、超伝導加速空洞部を構成するように超伝導材料で環状に形成され、アイリス部が前記ビームパイプの一端部における内周部に溶接によって接合されているエンドセルと、が備えられている超伝導加速空洞である。

本態様にかかる超伝導加速空洞によれば、両端が開口した筒状に形成されているビームパイプの一端部の外周部に、ジャケットの端部を構成する端板の内周面が溶接によって接合され、ビームパイプの一端部における内周部にエンドセルのアイリス部が溶接によって接合されている。
このように、端板はビームパイプに溶接によって接合されているので、どのような条件であっても十分に気密性を保持することができる。
また、エンドセルがビームパイプに直接溶接されているので、溶接方向が接合部に対して傾斜した方向となる溶接が１箇所となる。したがって、目外れ等の発生する確率が小さくなるので、溶接不良の発生を抑制することができ、製品の信頼性を向上させることができる。
さらに、突起付リングが不要となるので、部品点数を削減することができる。これにより、溶接箇所の減少による加工工数の低減も併せて、製造コストを低減させることができる。

本発明の第二態様は、超伝導材料を筒状に加工してビームパイプを形成するビームパイプ形成工程と、ビームパイプ形成工程で形成されたビームパイプにおける一端部の外周部に、冷却材を収容するジャケットの端部を構成するように環状に形成された端板の内周面を溶接によって接合する端板接合工程と、前記ビームパイプにおける前記一端部の内周部に、超伝導加速空洞部を構成するように超伝導材料で環状に形成されたエンドセルのアイリス部を溶接によって接合するエンドセル接合工程と、が備えられている超伝導加速空洞の製造方法である。

本態様にかかる超伝導加速空洞の製造方法によれば、ビームパイプ形成工程で超伝導材料を筒状に加工してビームパイプを形成する。その後、端板接合工程でビームパイプにおける一端部の外周部に、冷却材を収容するジャケットの端部を構成するように環状に形成された端板の内周面を溶接によって接合する。その後、エンドセル接合工程でビームパイプにおける一端部の内周部に、超伝導加速空洞部を構成するように超伝導材料で環状に形成されたエンドセルのアイリス部を溶接によって接合する。
このように、端板はビームパイプに溶接によって接合されているので、十分に気密性を保持することができる。
また、エンドセルがビームパイプに直接溶接されているので、溶接方向が接合部に対して傾斜した方向となる溶接が１箇所となる。したがって、目外れ等の発生する確率が小さくなるので、溶接不良の発生を抑制することができ、製品の信頼性を向上させることができる。
さらに、突起付リングが不要となるので、部品点数を削減することができる。これにより、溶接箇所の減少による加工工数の低減も併せて、製造コストを低減させることができる。

前記態様では、前記ビームパイプ形成工程には、超伝導材料で形成された板材を深絞り加工して有底筒状に加工する深絞り工程と、有底筒状の底部を除去して両端が開口した筒状体を形成し、かつ、所定寸法に整えるとともに前記筒状体の一端部外周部に前記端板を接合する端板接合部を加工する第一機械加工工程と、が備えられていることが好ましい。

本態様では、深絞り工程で超伝導材料で形成された板材を深絞り加工して有底筒状に加工する。次いで、第一機械加工工程で有底筒状の底部を除去して両端が開口した筒状体を形成するとともに形成された筒状体を所定寸法に整え、筒状体の一端部外周部に端板を接合する端板接合部を加工する。
深絞り工程で板材を深絞り加工し、有底筒状を形成すると、底に向かうに連れて板厚が小さくなる傾向がある。言い換えると、有底筒状の開口した側の端部は、底に近い部分よりも板厚が大きくなる。
一般に、端板の厚さは、ビームパイプの厚さよりも大きくなるので、端板接合工程でビームパイプにおける一端部の外周部に端板の内周面を溶接によって接合する場合、溶融部分がビームパイプの内周側に至る恐れがある。
本態様では、深絞り加工によってビームパイプを形成するので、筒状体における有底筒状の開口した側を一端部とすることができ、端板接合時の溶融部分がビームパイプの内周側に至る恐れを抑制することができる。

前記第一機械加工工程では、前記筒状体の他端部外周部に取り付け用のフランジの内周部を接合するフランジ接合部を加工するようにしてもよい。

ビームパイプのエンドセルと反対側の端部（他端部）には、一般に、連結用あるいは取付用のフランジが溶接によって取り付けられるので、第一機械加工工程でこのフランジを取り付けるフランジ接合部を加工するようにしてもよい。

この場合、前記第一機械加工工程と前記端板接合工程との間に、前記フランジ接合部に前記フランジを溶接によって接合するフランジ接合工程が備えられていてもよい。

また、前記態様では、前記エンドセル接合工程に先立って前記筒状体の一端部における内周部に前記エンドセルのアイリス部を接合するセル接合部を加工する第二機械加工工程が備えられていてもよい。
このようにすると、たとえば、端板の接合によってビームパイプの内周面が変形等したとしても良好なセル接合部を加工することができる。
なお、セル接合部は第一機械加工工程で加工するようにしてもよい。

本発明によれば、両端が開口した筒状に形成されているビームパイプの一端部の外周部に、ジャケットの端部を構成する端板の内周面が溶接によって接合され、ビームパイプの一端部における内周部にエンドセルのアイリス部が溶接によって接合されるので、溶接不良の発生を抑制することができ、製品である超伝導加速空洞の信頼性を向上させることができる。
また、部品点数を削減することができるので、溶接箇所の減少による加工工数の低減も併せて、製造コストを低減させることができる。

本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞の正面図である。 図１の超伝導加速空洞の製造方法の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法におけるビームパイプ形成工程の金属板が深絞り加工された状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法におけるビームパイプ形成工程の第一機械加工された状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法におけるビームパイプ形成工程のフランジ接合状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法における端板接合工程状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法における第二機械加工された状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法におけるエンドセル接合工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる超伝導加速空洞製造方法における空洞本体接合状態を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図９を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞１の正面図である。
超伝導加速空洞１には、図１に示されるように、中央部が膨らんだ円筒形状のセル３が、たとえば、９個溶接によって接合され、組み合わされた空洞部（超伝導加速空洞部）５と、空洞部５の両端部に取り付けられている一対のビームパイプ７とが備えられている。
各ビームパイプ７の空洞部５側には、空洞部５を覆うように形成される容器であるジャケットの両端部を構成する端板９が取り付けられている。

ビームパイプ７には、図示を省略しているが、インプットカプラが取り付けられるインプットポートと、空洞部５内に励起されたビーム加速を妨げる高調波を空洞部５の外部に放出するための高調波カプラ等が備えられている。
空洞部５は、セル３間に最も引っ込んだ部分であるアイリス部１１が形成されている。セル３の軸線方向Ｌの中央部は最も膨らんだ部分である。この最も膨らんだ部分を赤道部１３という。

図２は、図１の超伝導加速空洞１の製造方法の一例を示す説明図である。これに基づいて超伝導加速空洞１の製造方法について説明する。
まず、各構成部材としてビームパイプ７、端板９およびハーフセル１５が製造される。
ハーフセル１５は、セル３が赤道部１３を境として軸線方向Ｌで２分割されたものである。ハーフセル１５は、たとえば、超伝導材料であるニオブ材をプレス成型加工して形成される。
２個のハーフセル１５が相互のアイリス部１１同士が重なるように溶接され、ダンベル１７が形成される。ダンベル１７は、たとえば、８個製造される。

これと並行して、２個のエンドパーツ１９が製造される。エンドパーツ１９は、ビームパイプ７と、端板９と、ハーフセル１５とで構成されている。このハーフセル１５は、空洞部５の端部を構成するものであるので、以下エンドセル２１と称する。
一方のエンドパーツ１９のエンドセル２１の赤道部１３にダンベル１７の一端の赤道部１３が溶接によって接合される。接合されたダンベル１７の他端に、次のダンベル１７が溶接によって接合される。これを繰り返し、最後に他方のエンドパーツ１９を接合して超伝導加速空洞１が形成される。
なお、これは超伝導加速空洞１の製造方法の一例を説明したものであり、これに限らず種々の方法で超伝導加速空洞１を製造することができる。

以下、エンドパーツ１９の構造および製造方法について図３〜図８に基づいて具体的に説明する。
ビームパイプ７は、図５に示されるように、たとえば、ニオブ製の中空円筒部材であり、一端にフランジ２３が設けられている。ビームパイプ７には、図示を省略しているが、インプットポートと、高調波カプラの取付部等が備えられている。

まず、ビームパイプ７を製造するビームパイプ成形工程について説明する。ニオブ材の厚さ３〜６ｍｍの円板を図３に示される粗形２５に深絞り加工する（深絞り工程）。粗形２５は、底部２７および開口部（一端部）２９を有する円筒形状（有底筒状）をしている。

次いで、第一機械加工工程に入る。第一機械加工工程では、第一粗形２５を図３に示される切断位置３１で切断し、底部２７を除去した筒状体を形成する。
その後、内外径、厚さ等が所定寸法になるように加工されるとともに開口部２９側端部の外周部に端板接合部３３を、開口部２９と反対側端部の外周部にフランジ接合部３５を加工し、ビームパイプ本体３７を形成する。
この際、ビームパイプ本体３７には、インプットポートと、高調波カプラの取付部等が加工されてもよい。

次いで、図５に示されるように、ビームパイプ本体３７のフランジ接合部３５に、たとえば、ニオブチタン製のフランジ２３を溶接によって接合する。
これによって、ビームパイプ７が製造されたことになる。

次に、ビームパイプ７に端板９を接合する端板接合工程に入る。端板９は、液体ヘリウムが導入されるヘリウムジャケットの両端部を構成するものであり、たとえば、チタン製とされる端板１９の接合される内周部の厚さは、たとえば、１０〜１９ｍｍであり、ビームパイプ７の厚さよりも数倍大きい。
図６に示されるように、ビームパイプ７の端板接合部３３と端板９の内周面とが合わさって、溶接開先を形成するように保持する。この溶接開先に、たとえば、ビーム３９を照射し電子ビーム溶接し、端板９をビームパイプ７に接合する。溶接方法は電子ビーム溶接に限定されるものではない。

また、本実施形態では、端板接合部３３の長さと端板９の厚さとを略等しくしているが、これに限定されるものではない。たとえば、端板接合部３３の長さを端板９の厚さよりも長くし、かつ、下側（ビーム３９の入射側に対して反対側）部分を外側に張り出すようにすると、端板接合部３３が端板９を支持することになるので、より簡易に安定して品質の高い溶接を行うことができる。

次いで、図７に示されるようにビームパイプ本体３７の開口部２９側端部の内周部にエンドセル２１のアイリス部１１を接合するセル接合部４１を加工する（第二機械加工工程）。
このように端板接合工程の後でセル接合部４１を加工するようにすると、たとえば、端板９の接合によってビームパイプ７の内周面が変形等したとしても良好なセル接合部４１を加工することができる。
なお、セル接合部４１は上述の第一機械加工工程で加工するようにしてもよい。

次に、ビームパイプ７にエンドセル２１を接合するエンドセル接合工程に入る。
図８に示されるように、エンドセル２１は、アイリス部１１がビームパイプ７のセル接合部４１に嵌合するように保持される。エンドセル２１とビームパイプ７との接合部に、たとえば、ビーム３９を照射し電子ビーム溶接し、端板９をビームパイプ７に接合する。溶接方法は電子ビーム溶接に限定されるものではない。
このとき、ビーム３９は、エンドセル２１の内部空間側から行うので、照射方向が接合部に対して傾斜した方向となる。

このようにして形成されたエンドパーツ１９のエンドセル２１の赤道部１３に、図９に示されるように、ダンベル１７のハーフセル１５の一方の赤道部１３が溶接によって接合される。
上述したように、ダンベル１７が順次接合され、最後に別のエンドパーツ１９が接合されて超伝導加速空洞１が製造される。

このように、端板１９はビームパイプ７の外周部に溶接によって接合されているので、十分に気密性を保持することができる。
また、エンドセル２１がビームパイプ７に直接溶接されているので、溶接方向が接合部に対して傾斜した方向となる溶接が１箇所となる。したがって、この傾斜した溶接箇所が２箇所あるものに比べて目外れ等の発生する確率を小さくすることができるので、溶接不良の発生を抑制することができ、超伝導加速空洞１の信頼性を向上させることができる。
さらに、端板９を溶接によって強固に接合するために従来用いられていた突起付リングが不要となるので、部品点数を削減することができる。これにより、溶接箇所の減少による加工工数の低減も併せて、製造コストを低減させることができる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、本実施形態では、ビームパイプ７が深絞り加工を用いて筒状に加工されているが、これに限定されない。たとえば、矩形状の板材を曲げ加工し、両端部を溶接で接合して筒状とするようにしてもよい。

１ 超伝導加速空洞
５ 空洞部
７ ビームパイプ
９ 端板
１１ アイリス部
２１ エンドセル
２３ フランジ
３３ 端板接合部
３５ フランジ接合部
３７ ビームパイプ本体
４１ セル結合部

Claims (6)

1. 超伝導材料で両端が開口した筒状に形成されているビームパイプと、
   冷却材を収容するジャケットの端部を構成するように環状に形成され、内周面が前記ビームパイプにおける一端部の外周部に溶接によって接合されている端板と、
   超伝導加速空洞部を構成するように超伝導材料で環状に形成され、アイリス部が前記ビームパイプの一端部における内周部に溶接によって接合されているエンドセルと、
   が備えられていることを特徴とする超伝導加速空洞。
2. 超伝導材料を筒状に加工してビームパイプを形成するビームパイプ形成工程と、
   ビームパイプ形成工程で形成されたビームパイプにおける一端部の外周部に、冷却材を収容するジャケットの端部を構成するように環状に形成された端板の内周面を溶接によって接合する端板接合工程と、
   前記ビームパイプにおける前記一端部の内周部に、超伝導加速空洞部を構成するように超伝導材料で環状に形成されたエンドセルのアイリス部を溶接によって接合するエンドセル接合工程と、
   が備えられていることを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
3. 前記ビームパイプ形成工程には、
   超伝導材料で形成された板材を深絞り加工して有底筒状に加工する深絞り工程と、
   有底筒状の底部を除去して両端が開口した筒状体を形成し、かつ、所定寸法に整えるとともに前記筒状体の一端部外周部に前記端板を接合する端板接合部を加工する第一機械加工工程と、が備えられていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導加速空洞の製造方法。
4. 前記第一機械加工工程では、前記筒状体の他端部外周部に取り付け用のフランジの内周部を接合するフランジ接合部を加工することを特徴とする請求項３に記載の超伝導加速空洞の製造方法。
5. 前記第一機械加工工程と前記端板接合工程との間に、前記フランジ接合部に前記フランジを溶接によって接合するフランジ接合工程が備えられていることを特徴とする請求項４に記載の超伝導加速空洞の製造方法。
6. 前記エンドセル接合工程に先立って前記筒状体の一端部における内周部に前記エンドセルのアイリス部を接合するセル接合部を加工する第二機械加工工程が備えられていることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の超伝導加速空洞の製造方法。
   
   

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