JP6936723B2

JP6936723B2 - アース板の製造方法及びアース板

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Publication number: JP6936723B2
Application number: JP2017242494A
Authority: JP
Inventors: 伸明高橋; 三堀　仁志; 仁志三堀
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP2019110040A

Description

本発明は、サイクロトロン用のアース板の製造方法及びアース板に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の製造方法が知られている。この製造方法では、アース板の形状に対応する三次元形状データを作成し、この三次元形状データを、ボールエンドミルの加工座標データに置き換える。そして、一体ブロック材を、ボールエンドミルによって三次元加工してアース板を製造する。

特開2002-246198号公報

しかしながら、上記のようにブロック材を削り出してアース板を製造する方法によれば、製造コストが高く、また製造期間も長くなる。本発明は、製造コストの低減と製造期間の短縮を図るアース板の製造方法及びアース板を提供することを目的とする。

本発明のアース板の製造方法は、高周波が印加されるディー電極と、ディー電極と離間しディー電極を内部に収容するアース板と、を有し荷電粒子を加速する電場を生成するキャビティー部を備えたサイクロトロンに用いられるアース板の製造方法であって、アース板の底板と側板とを溶接する溶接工程と、ディー電極が設置された場合におけるディー電極とアース板との間隙を所望の寸法にするように、側板の少なくとも一部を切削加工する切削工程と、を備える。

また、切削工程で切削される切削加工部位は、側板の内周面のうち、ディー電極が設置された場合にディー電極の縁周面と対面して当該縁周面との間に加速ギャップを形成する部位であってもよい。また、側板の部品が板金加工によって形成されてもよい。

本発明のアース板は、高周波が印加されるディー電極と、ディー電極と離間しディー電極を内部に収容するアース板と、を有し荷電粒子を加速する電場を生成するキャビティー部を備えたサイクロトロンに用いられるアース板であって、底板と、底板に溶接された側板と、を備え、側板は、ディー電極が設置された場合におけるディー電極とアース板との間隙を所望の寸法にするように切削加工された切削加工部位を有する。

本発明のアース板は、高周波が印加されるディー電極と、ディー電極と離間しディー電極を内部に収容するアース板と、を有し荷電粒子を加速する電場を生成するキャビティー部を備えたサイクロトロンに用いられるアース板であって、底板と、底板から垂直に立ち上がる側板と、を備える。

本発明によれば、製造コストの低減と製造期間の短縮を図るアース板の製造方法及びアース板を提供することができる。

実施形態に係るサイクロトロンの内部を示す斜視図である。図１のサイクロトロンのキャビティー部を模式的に示す断面図である。実施形態に係るアース板の分解斜視図である。図３のアース板を含むキャビティー部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、図面の位置関係に基づくものとする。

まず、本実施形態に係るアース板を備えるサイクロトロン１について説明する。図１は、サイクロトロン１の内部を示す斜視図である。図１では、サイクロトロン１の上部側が取外され内蔵部品が見えるような状態が図示されている。

サイクロトロン１は、陽子ビームを生成するものであり、イオン源（図示せず）から供給される水素の陽イオン（荷電粒子）を真空容器３の内部で加速させて、陽子ビームを生成し、出射する。真空容器３は、例えば、ステンレス鋼などにより形成されている。また、真空容器３には、図示しない真空ポンプが接続されている。真空容器３は、イオンが加速する真空環境を内部に形成する。

サイクロトロン１は、上下に対向して配置されたヨーク４と、真空容器３内に磁場を形成する励磁コイル５と、を備えている。また、サイクロトロン１は、陽子ビームにエネルギを付与するために、高周波電場を発生させるキャビティー部６と、キャビティー部６の共振周波数を調整するＲＦチューナー１１を備えている。

ヨーク４及び励磁コイル５によって真空容器３内に磁場が形成され、キャビティー部６によって高周波電場が形成されることにより、陽子ビームがらせん状の軌道で周回運動し、周回軌道の半径が大きくなるにつれて陽子ビームの進行速度が増加する。なお、図１では、下側のヨーク４が図示され、上側のヨーク４の図示は省略されている。

また、サイクロトロン１には、真空容器３の側壁の内面側に設置されて、加速された陽子ビームを引き出すためのデフレクター（偏向器）７と、磁場勾配を補正するグラディエントコレクター（勾配補正器）８と、陽子ビームを所定の方向（水平方向）に出射するコリメーター９と、出射された陽子ビームの焦点を調整するパーマネントクワドロポールマグネット（四極子）１０とが設けられている。真空容器３内で加速された陽子ビームは、デフレクター７によって引き出され、グラディエントコレクター８によって磁場勾配が補正されて、コリメーター９によって出射方向が調整される。出射された陽子ビームはパーマネントクワドロポールマグネット１０によってビームの焦点が調整される。

図２はキャビティー部６の模式的な断面図である。サイクロトロン１では、一対のキャビティー部６が陽子ビームＢの通路を挟んで上下に設けられている。図２に示されるように、一対のキャビティー部６は、互いにほぼ上下対称で同一又は同等の構造を有している。よって以下では、重複する説明を省略すべく、下方に位置するキャビティー部６の構造についてのみ説明する。

キャビティー部６は、高周波が印加されるディー電極２１とアース板２３とを有している。アース板２３は、ディー電極２１と離間し、ディー電極２１を内部に収容する有底のカップ状をなしており、ヨーク４の凹部に嵌め込まれている。アース板２３は、例えば無酸素銅からなる。アース板２３の底面から上方に向けてピラー２７が延びており、ディー電極２１はピラー２７の上端に固定されている。ディー電極２１は、陽子ビームＢの通路に平行な平面内に延びており、アース板２３の上端よりもやや低い位置に位置している。

アース板２３の上端縁部はカウンターディー２９を構成している。また、アース板２３の上端縁部とディー電極２１との間には間隙が設けられており、この間隙が、ディー電極２１とカウンターディー２９との間の加速ギャップＧを構成している。ディー電極２１とカウンターディー２９との間に、陽子ビームＢの回転位相に応じた高周波電場が発生することで、陽子ビームＢが加速ギャップＧを通過する毎に加速される。

続いて、アース板２３の構造及び製造方法について説明する。図３はアース板２３の分解斜視図である。図４は、アース板２３を含めたキャビティー部６がヨーク４に設置された状態の断面図である。図に示されるように、アース板２３は、底板３１と、底板３１から垂直に立ち上がる側板３３と、側板３３の上端から外側方に鍔状に張り出すカウンターディー２９と、を備えている。

底板３１は、ディー電極２１に平行な平面内に延びている。底板３１の中央には貫通穴３５が設けられている。貫通穴３５は、カプラ（図示せず）を挿通させるための穴が設置されている。また、底板３１には、ピラー２７（図４参照）を取付けるための取付座３７が２箇所設けられている。底板３１は、無酸素銅の平板材の板金加工によって製作される。底板３１の板厚は、機械的強度を確保するために、５ｍｍ以上とされる。なお、板金加工は、金属性の平板材に対する切断加工、穴あけ加工、打抜き加工、曲げ加工、又はそれらの加工の組み合わせを含む。

側板３３は、複数（図３の例の場合は５つ）の側板部品３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅが組み合わされて筒状に形成される。各側板部品３３Ａ〜３３Ｅは、湾曲又は屈曲された薄板状をなし、無酸素銅の平板材の板金加工によって製作される。各側板部品３３Ａ〜３３Ｅの板厚は、側板３３の機械的強度を確保するために、５ｍｍ以上とされる。また、カウンターディー２９も薄板状をなしており、無酸素銅の平板材の板金加工によって製作される。

アース板２３の製造においては、底板３１に対して各側板部品３３Ａ〜３３Ｅが取付けられて側板３３が形成される。底板３１の周縁３１ｐと各側板部品３３Ａ〜３３Ｅの下縁３３ｐとの接合は、レーザ溶接によって行われる（溶接工程）。また、各側板部品３３Ａ〜３３Ｅ同士の接合も、レーザ溶接によって行われる。その後、カウンターディー２９の周縁部が、対応する側板３３の上端縁部に対してレーザ溶接で接合される。上記の各部分のレーザ溶接には、例えばＹＡＧレーザが用いられる。また、各部分のレーザ溶接は、完全溶込み溶接とされる。また、各部品の溶接部分には、位置合わせのための段加工が予め施されてもよい。

ここで、側板３３の上端縁部の内周面３４は、ディー電極２１の縁周面２２に対面する部分であり、内周面３４と縁周面２２との間隙が加速ギャップＧとなる。加速ギャップＧには高精度の寸法精度が要求されるが、板金加工及びレーザ溶接でアース板２３を組立てただけでは、内周面３４の寸法精度が確保できず、ひいてはキャビティー部６の完成後における加速ギャップＧの寸法精度が確保できない。例えば、一般的には板金加工による公差が０．５ｍｍ程度であるのに対し、加速ギャップＧには０．５ｍｍ以下の公差が求められる。

そこで、前述のようにレーザ溶接で側板３３が形成された後、内周面３４に対して、例えばエンドミル等を用いた切削加工が施される。内周面３４が切削加工によって最終的に形成されることで、内周面３４は高い位置精度で所望の位置に形成される。すなわち、後に取付けられるディー電極２１とカウンターディー２９との間隙が高精度で所望の寸法に調整される（切削工程）。このように、板金加工等よりも高い加工精度が得られる切削加工が用いられることで、加速ギャップＧに要求される高い寸法精度が得られる。なお、側板３３には、上端縁部の切削加工代を予め考慮した厚めの板材が使用されている。また、切削加工される内周面３４（以下「切削加工部位３４」と呼ぶ場合がある）の上下幅は、ディー電極２１の上下幅とほぼ同じであってもよく、ディー電極２１の上下幅より広くてもよい。以上により、アース板２３が完成する。

その後、底板３１に２本のピラー２７が設置され、ピラー２７の上端にディー電極２１が取付けられる。これにより、ディー電極２１の縁周面２２と側板３３の切削加工部位３４とが間隙を空けて対面し、加速ギャップＧが形成される。

続いて、本実施形態のアース板２３及びその製造方法による作用効果について説明する。この製造方法では、アース板２３の部品（底板３１、側板部品３３Ａ〜３３Ｅ、及びカウンターディー２９）を板金加工で製作し、当該部品同士を溶接してアース板２３を組立てる方式が採用されている。従って、一体ブロック材を削り出してアース板を製造する方法に比較して、製造コストの低減と製造期間の短縮が図られる。

また前述した通り、板金加工及び溶接でアース板２３を組立てるだけでは、内周面３４の寸法精度が不十分で加速ギャップＧの寸法精度が満たれないという問題がある。これに対し本実施形態の製造方法では、板金加工及び溶接の後に、更に高い加工精度が得られる切削加工によって最終的な内周面３４が形成されるので、加速ギャップＧに要求される高い寸法精度が確保される。

また、本実施形態のアース板２３では、底板３１から側板３３が垂直に立ち上がっている。この構成によれば、側板部品３３Ａ〜３３Ｅは、板材を単純に湾曲又は屈曲させた構造をなすので、板金加工によって比較的容易に製作可能である。なお、前述の特許文献１のような一体ブロック材を削り出してアース板を製造する方法では、底板３１から垂直に立ち上がる側板３３は削り出しが困難である。

また、サイクロトロン１の運転時にはアース板２３に大電流が流れるので、アース板２３の電気抵抗による発熱を抑える必要がある。ここで、アース板２３の溶接方式によっては、溶接部分に溶接棒の材料が混入し、溶接部分の電気抵抗が高くなる場合があり、運転時においては上記溶接部分の発熱が大きくなってしまう。これに対して、本実施形態の製造方法では、溶接棒を使用しない溶接方式であるレーザ溶接が採用されるので、上記の問題が回避される。なお、同様の効果を得るためには、レーザ溶接には限定されず、溶接棒を使用しない他の溶接方式（例えば、電子ビーム溶接、摩擦攪拌接合等）が採用されてもよい。

また、各溶接部分を完全溶込み溶接とすることによっても、溶接部分の電気抵抗が抑えられ当該溶接部分の発熱が抑えられる。また、ハンダによってアース板２３を組立てるとすれば、アース板２３表面にハンダ材料が混在することでアース板２３の機能が損なわれる場合があるところ、レーザ溶接によればこの問題が回避される。また、銅ロウによってアース板２３を組立てるとすれば、アース板２３の機械的強度が十分に確保できない箇所が発生する可能性があるが、レーザ溶接によればこの問題が回避される。

また、レーザ溶接によれば、ＴＩＧ溶接やアーク溶接等に比較して、溶接時における熱が溶接部分に局所的に付与され、溶接部分の周囲には熱が広がり難い。従って、溶接時の熱に起因するアース板２３の歪みが小さく抑えられる。また、アーク溶接等の場合には、入熱面積が大きい傾向にあるため十分な溶込みが得られず溶接部分の電気抵抗が大きくなる虞があるところ、レーザ溶接によればこの問題が回避される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。
各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。実施形態では、側板３３が５つの側板部品３３Ａ〜３３Ｅからなる構成を例として説明したが、側板部品の数は適宜変更可能であり、また、側板３３が一体の側板部品からなるものであってもよい。本発明のアース板及びその製造方法は、超伝導サイクロトロンのアース板にも適用可能である。

１…サイクロトロン、６…キャビティー部、２１…ディー電極、２２…縁周面、２３…アース板、３１…底板、３３…側板、３４…切削加工部位、Ｇ…加速ギャップ。

Claims

高周波が印加されるディー電極と、前記ディー電極と離間し前記ディー電極を内部に収容するアース板と、を有し荷電粒子を加速する電場を生成するキャビティー部を備えたサイクロトロンに用いられる前記アース板の製造方法であって、
前記アース板の底板と側板とを溶接する溶接工程と、
前記ディー電極が設置された場合における前記ディー電極と前記アース板との間隙を所望の寸法にするように、前記側板の少なくとも一部を切削加工する切削工程と、を備え、
前記切削工程で切削される切削加工部位は、
前記側板の内周面のうち、前記ディー電極が設置された場合に前記ディー電極の縁周面と対面して当該縁周面との間に加速ギャップを形成する部位である、アース板の製造方法。
前記側板の部品が板金加工によって形成される、請求項１に記載のアース板の製造方法。