JP5449093B2

JP5449093B2 - 超伝導加速空洞のポート部材

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Publication number: JP5449093B2
Application number: JP2010197821A
Authority: JP
Inventors: 克也仙入
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: EP2613615A4; JP2012054196A; EP2613615A1; WO2012029861A1; CN103026801A; CN103026801B; EP2613615B1; US20130112455A1; US9497847B2

Description

本発明は、ビームパイプ部分に形成されたポート部に溶接で接合される超伝導加速空洞のポート部材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。超伝導加速空洞の端部に設けられたビームパイプには、ビーム加速を妨げる高調波を取り除く、言い換えると、超伝導加速空洞内に誘起された高調波を超伝導加速空洞の外に取り出すための高調波（ＨＯＭ）カプラおよびマイクロ波を空洞本体内に投入するためのインプットカプラが取り付けられている。インプットカプラは、ビームパイプに取り付けられたインプットポートにフランジ結合されている。（特許文献１参照）
高調波カプラには、外部に高調波を取り出すピックアップアンテナが外導体の側部に取り付けられたピックアップポートにフランジ結合されている。

従来、たとえば、ピックアップポートは図４に示されるような構造とされている。ピックアップポート７１は、略円筒形状のポート本体７３と、ポート本体７３の一端部外周側に溶接、たとえば、電子ビーム溶接によって取り付けられたフランジ部７５とで構成されている。ポート本体７３の他端部は外導体７７の側面に貫通するように形成されたポート部７９に溶接、たとえば、電子ビーム溶接によって接合されている。
フランジ部７５は、シール部材を挟んでピックアップアンテナ側のフランジとボルトによって強固に取り付けられる。このため、フランジ部７５には、ボルト用の貫通孔８１が形成されている。これは、インプットポートも同様な構造とされている。

加速空洞本体、ビームパイプ、高調波カプラおよびポート本体７３は、超伝導材料である、たとえば、高純度（たとえば、９９．８５％以上）のニオブ材で形成されている。一方、フランジ部７５は、たとえば、チタンの含有量が４５〜５５％であるニオブチタン合金で形成されている。
これは、シール部材として、たとえば、金属Ｏリング等の高面圧を要する密閉性の高いものが用いられるが、これを圧縮するためにフランジ部７５には所定の硬度が必要であるためである。
また、超伝導加速空洞では、組立後に内部が電界研磨によって清浄化されるが、このニオブチタン合金では、研磨液によって腐食が発生する恐れがあるため、研磨液に接触しないようにフランジ部７５はポート本体７３の外周側に取り付けられている。

特開平１１−３２９７９４号公報

ところで、図４に示される従来のピックアップポート構造では、部品がポート本体７３とフランジ部７５との２部材になり、製造の手間がかかる。
また、フランジ部７５のシール部より外周側にボルト接合用の貫通孔８１を設けるため、フランジ部７５の外径が大きくなる。このため、外導体７７のビームパイプ７８への電子ビーム溶接をフランジ部７５が邪魔をするので、フランジ部７５を接合した状態では、外導体７７をビームパイプ７８へ溶接することができない。したがって、ポート本体７３をポート部７９へ接合した後で、外導体７７をビームパイプ７８に接合してからフランジ部７５をポート本体７３に溶接によって接合する必要があるので、作業効率を向上させることができない。
さらに、フランジ部７５の接合強度を維持するために、深い溶け込み深さが必要となるので、それに伴いビード幅が大きくなる。このため、接合部の近傍に位置するシール部の平面度等の品質を確保するため、後加工が必要となる。

本発明は、このような事情に鑑み、全体の寸法を小型化するとともに作業効率を向上させて製造コストを安価にした超伝導加速空洞のポート部材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、一端部が空洞本体の端部に設けられたビームパイプ部分に形成されたポート部に溶接で接合され、他端部が前記ポート部の外部に装着される部品とフランジ結合される超伝導加速空洞のポート部材であって、前記ポート部に溶接接合されるポート本体と、前記部品が結合されるフランジ部とを形成するニオブ材のニオブ純度が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材のニオブ純度に比べて低く、且つ、ニオブ以外の含有成分の割合が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材に比べて高く、前記フランジ結合がクイックカップリングを用いて行われる超伝導加速空洞のポート部材である。

本態様にかかるポート部材によれば、ポート本体およびフランジは低純度のニオブ材あるいはニオブ以外の成分が所定割合よりも高いニオブ合金によって形成されるので、所定の硬度を持った部材とすることができ、十分なシール性能を維持することができる。
ポート本体およびフランジが一体的に形成されるので、部品点数を低減することができる。
外部構造とのフランジ結合がクイックカップリングを用いて行われるので、フランジ部にはシール部分よりも外周側に接合用の構成、たとえば、ボルト挿通用の貫通孔を設ける必要がなくなり、フランジ部は小径化することができる。このようにフランジ部が小径となるので、全体の寸法を小型化することができる。また、フランジ部を含めたポート本体を対象部分に溶接によって接合することができるので、たとえば、高調波カプラ単体での事前組立を行うことができる。
クイックカップリングを用いているので、ボルト接合に比べて組立作業が容易で、かつ短時間に行うことができ、組立の作業効率を向上させることができる。
これらにより、超伝導加速空洞の製造コストを安価にすることができる。

なお、ここで「低純度」とは、純ニオブに比べて低いという意味であり、不純物の含有量が、たとえば、１〜１０重量％のものを意味している。また、「所定割合」とは、ニオブ以外の成分が１〜１０重量％程度のものを意味している。
たとえば、前記ニオブ合金として、ジルコニウムの含有量が１〜１０重量％であるニオブジルコニウム合金が用いられていてもよい。
また、前記ニオブ合金として、ハフニウムの含有量が１〜１０重量％であるニオブハフニウム合金が用いられていてもよい。

本発明によれば、一端部が空洞本体の端部に設けられたビームパイプ部分に形成されたポート部に溶接で接合され、他端部が前記ポート部の外部に装着される部品とフランジ結合される超伝導加速空洞のポート部材であって、前記ポート部に溶接接合されるポート本体と、前記部品が結合されるフランジ部とを形成するニオブ材のニオブ純度が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材のニオブ純度に比べて低く、且つ、ニオブ以外の含有成分の割合が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材に比べて高く、前記フランジ結合がクイックカップリングを用いて行われるので、全体の寸法を小型化するとともに作業効率を向上させて製造コストを安価にすることができる。

本発明の一実施形態にかかるポート部材が用いられている超伝導加速空洞の正面図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。図２のポート部に外部構造が取り付けられた状態を示す断面図である。従来のポート部を示す部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態にかかるポート部材について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかるポート部材が用いられている超伝導加速空洞の正面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。図３は、図２のポート部材に外部構造が取り付けられた状態を示す断面図である。

超伝導加速空洞３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５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本体７と、空洞本体７の両端部に取り付けられているビームパイプ９とが備えられている。
一方のビームパイプ９には、マイクロ波を空洞本体７内に投入するためのインプットカプラが取り付けられるインプットポート１１と、空洞本体７内に励起されたビーム加速を妨げる高調波を空洞本体７の外部に放出するための高調波カプラ１３と、が取り付けられている。他方のビームパイプ９には、高調波カプラ１３および空洞本体７内に励起されたビーム加速の状況をモニターするモニター部を取り付けるモニターポート（ポート部材）１５が取り付けられている。モニターポート１５は、ビームパイプ９に貫通するように形成されたポート部１７に、たとえば、電子ビーム溶接によって接合されている。

セル５、ビームパイプ９、インプットポート１１および高調波カプラ１３は、超伝導材料である、たとえば、高純度のニオブ材で形成されている。ビームパイプ９、インプットポート１１および高調波カプラ１３は、本発明のビームパイプ部分を構成している。
高調波カプラ１３には、図２に示されるように外導体１９と内導体２１と、ピックアップアンテナ（外部構造）２２を内部に挿通させるためのピックアップポート（ポート部材）２３とが備えられている。
外導体１９は、一端面が開放された円筒状をし、この開放部がビームパイプ７に接合されるように構成されている本体部２５と、本体部２５の側部に貫通するように形成されたポート部２７と、本体部２５の端面に突出するように形成された突起部２９とが備えられている。内導体２１は、本体部２５の側部に接合されて取り付けられている。

本体部２５の端面は、厚さが側面よりも薄く形成されている。本体部２５の側面には、端面側に近接した部分に溝３１が全周に亘り形成されている。これらにより本体部２５の端面は比較的容易に変形される。
突起部２９は、図示しない把持部材によって外部から把持され、押し引きされることにより端面が変形し、これにより本体部２５の内部に設置された内導体２１との間隔を調整することができる。
ポート部２７は、本体部２５から外側に向けて突出するように形成されている。ポート部２７は、略円形断面をしたパイプ状をしている。

ピックアップポート２３は、略円筒形状のポート本体３３の一端部にフランジ部３５が外側に突起するように一体的に形成されている。ピックアップポート２３は、フランジ部３５が外導体１９の外周側に位置するようにポート部２７の接合面に、たとえば、電子ビーム溶接によって接合されている。
ピックアップポート２３は、たとえば、ジルコニウムが約３％含有されたニオブジルコニウム合金で形成されている。ピックアップポート２３の形成材料としては所定の硬度（後述するシール部材の面圧を確保できる程度の硬度）を有すればよく、これに限定されない。たとえば、ジルコニウムの含有量が１〜１０％のニオブジルコニウム合金で形成されてもよい。また、ハフニウムの含有量が１〜１０％のニオブハフニウム合金で形成されてもよい。さらに、低純度、たとえば、不純物を１〜１０％含むニオブ材であってもよい。

ピックアップアンテナ２２は、ピックアップポート２３およびポート部２７で形成された内部空間に挿通され、外部に高調波を取り出すものである。
ピックアップアンテナ２２の長手方向の中間部分には、ピックアップポート２３のフランジ部３５と対向するフランジ部３７が取り付けられている。
フランジ部３５とフランジ部３７とは、高面圧を要する密閉性の高いシール部材である金属Ｏリング３９を介在させた状態で、クイックカップリング４１によって締め付けられる。

フランジ部３５とフランジ部３７とは、対向する面が略平行で、反対側の面は外周側に向かうにしたがって近づくような傾斜面を備えている。
クイックカップリング４１は、複数の嵌合部４３が相互に回動可能に略周状に接続されるとともに周長が変化するように連結されている。
嵌合部４３は、フランジ部３５およびフランジ部３７を挟むように傾斜面に嵌合され、所定の周長になったとき、金属Ｏリング３９に所定の面圧を付与するように構成されている。クイックカップリング４１は図示しないクランプ部材によって周長が減縮されるように構成され、所定の周長になったときクランプ部材によってその周長を維持するように固定される。

モニターポート１５は、略円筒形状のポート本体４５の一端部にフランジ部４７が外側に突起するように一体的に形成されている。モニターポート１５は、フランジ部４７がビームパイプ９の外周側に位置するようにポート部１７の接合面に、たとえば、電子ビーム溶接によって接合されている。
モニターポート１５は、ピックアップポート２３の形成材料と同じ材料で形成されている。

モニターアンテナ（外部構造）４９の長手方向の中間部分には、モニターポート１５のフランジ部４７と対向するフランジ部５１が取り付けられている。
フランジ部４７とフランジ部５１とは、高面圧を要する密閉性の高いシール部材である金属Ｏリング５３を介在させた状態で、ピックアップアンテナ２２と同様な構造をしたクイックカップリング５５によって締め付けられる。

以上のとおり構成されたピックアップポート２３およびモニターポート１５の作用・効果について説明する。
まず、高調波カプラ１３の製造について説明する。外導体１９、内導体２１およびピックアップポート２３をそれぞれ所定形状となるように製造する。ピックアップポート２３は、ジルコニウムが約３％含有されたニオブジルコニウム合金で形成されているので、所定の硬度を持った部材とすることができ、後述する金属Ｏリング３９を十分圧縮する面圧を確保することができ、十分なシール性能を維持することができる。

ポート部２７にピックアップポート２３を溶接後、外導体１９に内導体２１を取り付ける。溶接は、たとえば、電子ビーム溶接によって接合し、高調波カプラ１３を製造する。
このとき、フランジ部３５は、ピックアップアンテナ２２のフランジ部３７とクイックカップリング４１にて接合されるので、フランジ部３５にはシール部分よりも外周側に接合用の構成、たとえば、ボルト挿通用の貫通孔を設ける必要がなくなり、フランジ部３５は小径化することができる。
このようにフランジ部３５が小径となるので、ピックアップポート２３の全体の寸法を小型化することができる。

次いで、ビームパイプ９の組み立てに入る。
フランジ部３５の径が小さくなると、高調波カプラ１３の外導体１９とビームパイプ９との接合にあたりフランジ部３５が電子ビームの照射を妨げなくなるので、ポート部２７にピックアップポート２３を接合することができる。
さらに、ビームパイプ９のポート部１７にモニターポート１５を溶接、たとえば、電子ビーム溶接によって接合する。

次に、ピックアップポート２３にピックアップアンテナ２２を取り付ける。ピックアップアンテナ２２をピックアップポート２３の中空部に挿通し、フランジ部３５とフランジ部３７とを間に金属Ｏリング３９を介在させた状態で対向するようにする。
この状態で、クイックカップリング４１を複数の嵌合部４３がフランジ部３５およびフランジ部３７を挟むように嵌合させる。クランプ部材を操作して、クイックカップリング４１の周長を減縮させることによってフランジ部３５およびフランジ部３７間を締め付け、金属Ｏリング３９を圧縮する。クイックカップリング４１が所定の周長になったときクランプ部材によってその周長を維持するように固定される。

また、モニターアンテナ４９もピックアップアンテナ２２と略同様な方法で、クイックカップリング５５を用いてモニターポート１５に取り付けられる。
このように、ピックアップアンテナ２２およびモニターアンテナ４９の取り付けに、クイックカップリング４１，５５を用いているので、ボルト接合に比べて組立作業が容易で、かつ短時間に行うことができ、組立の作業効率を向上させることができる。
これらにより、超伝導加速空洞３の製造コストを安価にすることができる。

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。

３超伝導加速空洞
７空洞本体
９ビームパイプ
１３高調波カプラ
１５モニターポート
１７ポート部
２２ピックアップアンテナ（ポート部の外部に装着される部品）
２７ポート部
３３ポート本体
３５フランジ部
４１クイックカップリング
４５ポート本体
４７フランジ部
４９モニターアンテナ（ポート部の外部に装着される部品）
５５クイックカップリング

Claims

一端部が空洞本体の端部に設けられたビームパイプ部分に形成されたポート部に溶接で接合され、他端部が前記ポート部の外部に装着される部品とフランジ結合される超伝導加速空洞のポート部材であって、
前記ポート部に溶接接合されるポート本体と、前記部品が結合されるフランジ部とを形成するニオブ材のニオブ純度が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材のニオブ純度に比べて低く、且つ、ニオブ以外の含有成分の割合が、前記空洞本体および前記ビームパイプ部を形成するニオブ材に比べて高く、
前記フランジ結合がクイックカップリングを用いて行われることを特徴とする超伝導加速空洞のポート部材。
前記ニオブ合金として、ジルコニウムの含有量が１〜１０重量％であるニオブジルコニウム合金が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導加速空洞のポート部材。
前記ニオブ合金として、ハフニウムの含有量が１〜１０重量％であるニオブハフニウム合金が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導加速空洞のポート部材。