WO2011118403A1

WO2011118403A1 - 高周波加速空胴用部品の製造方法

Info

Publication number: WO2011118403A1
Application number: PCT/JP2011/055637
Authority: WO
Inventors: 裕二郎田島; 智子太田; 澁谷　純市; 光一中山; 健吉行; 裕二信定
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-09-29
Also published as: US20130252820A1; JP2011204465A; US9241398B2

Abstract

　アルミシャフト（１）にニオブ薄膜（１１）を巻き付け、このアルミシャフト（１）をアルミカプセル（４）に挿入し、このアルミカプセル（４）をアルミ端板（２，３）でアルミカプセル（４）の両端を塞ぎ、真空引き口（Ｈ１）で真空引きして真空気密溶接し、このアルミカプセル（４）をＨＩＰ加工し、ＨＩＰ加工されたアルミカプセル（４）からニオブの円筒を取り出す超伝導高周波加速空胴用部品の製造方法。

Description

高周波加速空胴用部品の製造方法

　本発明の実施形態は、荷電粒子を高周波により加速する加速器に用いられる高周波加速空胴用部品の製造方法に関する。

　一般に、加速器は、電子、陽子、又はイオン等の荷電粒子を電磁場で最大数兆電子ボルト（数ＴｅＶ）程度の高エネルギ状態に加速するための装置である。加速器は、元々は原子核や素粒子の研究のために開発されてきた。近年では、加速器を用いて発生させた放射光（ＳＯＲ(synchrotron orbital radiation)光と呼ばれる）を利用することで、超ＬＳＩ（large scale integrated circuit）、微細加工（リソグラフィ）、物質研究、生命科学などの広範な科学技術分野にまで、加速器の適用範囲を広げている。この放射光は、真空中をほぼ光速で伝搬する電子が偏向磁場によりその電子の軌道が曲げられたときに、その軌道の接線方向に発生する。

　このように適用範囲の広い加速器には、荷電粒子の加速又はＳＯＲ光として失われたエネルギを補給するために、荷電粒子ビームのビームラインに高周波加速空胴が設けられている。

　高周波加速空胴内に供給された高周波は、発振することより、高電場が発生する。この高電場により、荷電粒子ビームは加速する。このように高電場が発生すると高周波加速空胴の内表面に循環電流が流れる。この循環電流は、高周波電流であるため、高周波加速空胴の内面の材質に応じた表皮深さを流れる。これにより、循環電流は、ジュール損失を招く。

　このジュール損失は、無酸素銅やアルミニウムなどで作られた常伝導高周波加速空胴で、荷電粒子ビームの加速に必要な高電界を得ようとすると、極めて大きくなる。このジュール損失を補うためには、大きな高周波電力を供給できる大出力の高周波発振器が必要とされる。しかし、高周波発振器の出力には限界があり、さらにジュール損失により発熱した高周波加速空胴を冷却する上でも多くの問題がある。このため、常伝導高周波加速空胴の適用には限界がある。

　よって、高周波加速空胴の内面に電流が流れる電流を小さくするために、常伝導材料に比べて高周波抵抗が極めて低い超伝導材料で高周波加速空胴を製造することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　この超伝導高周波加速空胴の使用分野は、多方面に亘っている。例えば、電子ビーム加速器に関しては、近年ドイツで建設が進められているＸ線自由電子レーザ用として、又は世界各地で開発が進められている国際リニアコライダー用として実現しつつある。このように、超伝導高周波加速空胴は、限られた電力及び限られた空間の範囲で、できるだけ高いエネルギを持った電子を得るために用いられている。

　しかしながら、このような超伝導高周波加速空胴の製造には、溶接が多く使われている。空胴内面の溶接スパッタや溶接時の不純物の巻き込みは、ジュール損失を増加させる原因となり、高周波加速空胴の性能を制限する。このため、溶接部はできる限り減らす方がよい。溶接による超伝導高周波加速空胴の製造としては、深絞り加工等により板材から成形された複数の椀状の超伝導材を溶接により接合する方法がある。

　これに対して、溶接部を無くす（シームレス）製造方法としては、超伝導材からなる円筒を液圧成型等によって、空胴形状に加工することが考えられる。ここで、円筒を作るには、板を丸めてこれらの板をつき合わせた先端部を溶接するか、又はバルク材を削りだして製造するかのいずれかの方法がとられる。しかし、板を丸める製造方法では、溶接部を無くすことはできない。また、バルク材の削りだす製造方法では、切削クズが大量に発生しコストが高騰してしまう。

特開２００９－１３５０４９号公報

　本発明の実施形態の目的は、溶接部を低減した高周波加速空胴を製造するための高周波加速空胴用部品の製造方法を提供することにある。

　本発明の観点に従った高周波加速空胴用部品の製造方法は、伝導材で型を覆うことと、前記伝導材で覆われた前記型を外殻に内包させることと、前記型が内包された前記外殻を真空気密溶接することと、前記真空気密溶接された前記外殻を熱間等方圧加工することと、前記熱間等方圧加工された前記外殻から前記型に成型された前記伝導材を取り出すこととを含む。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアルミシャフトにニオブ薄膜を巻き付けた状態を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係るニオブ薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向と垂直に切断した切断面の上部を示す断面図である。図３は、本実施形態に係るニオブ薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図４は、本実施形態に係るニオブ薄膜を巻き付けたアルミシャフトをアルミカプセルに挿入する状態を示す斜視図である。図５は、本実施形態に係るＨＩＰ加工をする前段階の工程におけるワークの状態を示す斜視図である。図６は、本実施形態に係るＨＩＰ加工後の工程におけるワークを取り出す状態を示す斜視図である。図７は、本実施形態に係るＨＩＰ加工されたニオブのワークを加工する状態を示す斜視図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係るニオブ薄膜及びスズ薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向と垂直に切断した切断面を示す断面図である。図９は、本実施形態に係るニオブ薄膜及びスズ薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１０は、本発明の第３の実施形態に係るニオブ薄膜及び銅薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向と垂直に切断した切断面を示す断面図である。図１１は、本実施形態に係るニオブ薄膜及び銅薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１２は、本発明の第４の実施形態に係るニオブのワイヤを巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１３は、本発明の第５の実施形態に係るニオブのワイヤ及びスズのワイヤを巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１４は、本発明の第６の実施形態に係るニオブのワイヤ及び銅のワイヤを巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１５は、本発明の第７の実施形態に係るニオブ薄膜及びスズのワイヤを巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１６は、本発明の第８の実施形態に係るニオブ薄膜及び銅のワイヤを巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１７は、本発明の第９の実施形態に係るニオブのワイヤ及びスズ薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１８は、本発明の第１０の実施形態に係るニオブのワイヤ及び銅薄膜を巻き付けた状態のアルミシャフトを長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。図１９は、本発明の第１１の実施形態に係る実施形態に係るＨＩＰ加工をする前段階の工程におけるワークの状態を示す斜視図である。図２０は、本発明の第１２の実施形態に係るニオブ薄膜が巻き付けられたアルミシャフトをアルミカプセルで覆う状態を示した斜視図である。図２１は、本実施形態に係るＨＩＰ加工をする前段階の工程におけるアルミカプセルを真空気密溶接した状態を示す斜視図である。図２２は、本発明の第１３の実施形態に係るニオブ薄膜が巻き付けられたアルミパイプをアルミカプセルで被せる状態を示した斜視図である。図２３は、本実施形態に係る真空気密溶接されたアルミカプセルの長手方向に切断した切断面を示す断面図である。

　以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
　図１～図７を参照して、本発明の第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法の各工程を説明する。なお、図中において、同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

　図１は、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１を巻き付けた状態を示す斜視図である。図２は、ニオブ薄膜１１を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向と垂直に切断した切断面を示す断面図である。図３は、ニオブ薄膜１１を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　アルミシャフト１は、外直径７０ｍｍ程度、厚さ１０ｍｍ程度のアルミニウム製のシャフトである。

　ニオブ薄膜１１は、厚さ１ｍｍ程度以下、幅１０ｍｍ程度以下のリボン状（又はテープ状）のニオブの薄膜である。ニオブは、超伝導材である。なお、厚さは、実用上、１ｍｍ程度から１０μｍ程度のものが適当であるが、可能であればいくら薄くてもよい。

　作業者は、図１及び図２に示すように、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１を巻き付ける。このとき、図３に示すように、ニオブ薄膜１１は、隣接するニオブ薄膜１１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付ける。作業者は、ニオブ薄膜１１を厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　図４は、ニオブ薄膜１１を巻き付けたアルミシャフト１をアルミカプセル４に挿入する状態を示す斜視図である。

　アルミカプセル４は、内直径８０ｍｍ程度、厚さ１０ｍｍ程度の円筒型のアルミニウム製の外殻である。アルミ端板２，３は、厚さ１０ｍｍ程度の円盤型のアルミニウム製の端板である。アルミ端板２には、真空引き口Ｈ１が設けられている。

　作業者は、ニオブ薄膜１１を巻き付けたアルミシャフト１をアルミカプセル４に挿入する。作業者は、アルミカプセル４にアルミシャフト１を挿入後、アルミ端板２，３でアルミカプセル４の両端を塞ぐように取り付ける。

　図５は、熱間等方圧加工（以下、「ＨＩＰ（hot isostatic pressing）加工」という。）をする前段階の工程におけるワーク２０の状態を示す斜視図である。

　作業者は、アルミカプセル４にアルミ端板２，３を取り付け後、アルミカプセル４とアルミ端板２，３を真空気密溶接して、真空引き口Ｈ１からカプセル内部を真空排気（真空引き）する。作業者は、ニオブ薄膜１１を巻き付けたアルミシャフト１が内包された状態のアルミカプセル４を、ＨＩＰ加工のワーク２０として、ＨＩＰ炉内に設置する。作業者は、ヒータ過熱とアルゴンガス加圧によって、ワーク２０をＨＩＰ加工する。

　図６は、ＨＩＰ加工後の工程におけるワーク２０を取り出す状態を示す斜視図である。

　作業者は、ＨＩＰ加工後、ＨＩＰ炉からワーク２０を取り出す。作業者は、取り出したカプセル状のワーク２０のアルミ端板２，３部分を機械加工により除去する。その後、作業者は、ワーク２０の内部からニオブ薄膜１１が成型されたパイプ状のワーク１２が巻き付けられたアルミシャフト１を取り出す。作業者は、ニオブのワーク１２の内部からアルミシャフト１を機械加工により除去する。

　図７は、ＨＩＰ加工されたニオブのワーク１２を加工する状態を示す斜視図である。

　作業者は、取り出したニオブのワーク１２（ニオブの円筒）の両端部を図７に示す切断線ＬＣで切断して、端面を仕上げる。

　作業者は、ニオブの円筒をサブミクロン程度の表面粗さになるまで磨く。

　作業者は、このように製造されたニオブの円筒を、空胴を構成する部品として用いて、超伝導高周波加速空胴を製造する。

　本実施形態によれば、超伝導高周波加速空胴に用いるための円筒の材料であるニオブ薄膜１１をアルミシャフト１に巻き付けて拡散接合させる。その後、拡散接合されたニオブ薄膜１１からアルミシャフト１を抜き取ることで、所望の円筒を製造することができる。このように製造された円筒のニオブ薄膜１１間は拡散接合されるため、製造された円筒は、結晶粒界が均一となる。また、この円筒を製造する工程において溶接をしていないため、この円筒は、溶接痕のない円筒となる。

　また、ニオブ薄膜１１は、全て接合されて円筒を形成する。このため、円筒を製造するための材料であるニオブ薄膜１１の使用量を最小限にすることができる。

　さらに、ニオブ薄膜１１のアルミシャフト１への巻き数を任意に選択することで、任意の厚みの円筒を製造することができる。

　従って、上述のように製造することで、結晶粒界が一様で溶接痕のない超伝導材の円筒を製造することができる。この円筒を超伝導高周波加速空胴に適用することで、この超伝導高周波加速空胴は、溶接部を低減することができる。このため、超伝導高周波加速空胴は、高電場を発生させることのできる高品質なものになる。また、この製造方法により、溶接作業による作業コスト、及び材料コストを低減して、超伝導高周波加速空胴を製造することができる。さらに、この製造方法は、任意の厚みの超伝導高周波加速空胴を製造することができる。

（第１の実施形態の変形例）
　本変形例による製造方法は、アルミシャフト１の代わりに、セラミック製のシャフトを用いる。

　作業者は、ニオブのワーク１２の内部からシャフト（アルミシャフト１相当のシャフト）を除去する場合、このシャフトを粉砕する。

　本変形例によれば、ＨＩＰ接合後に、ニオブのワーク１２からシャフトを抜き取ることが困難な場合であっても、シャフトを粉砕することで簡単に除去することができる。

（第２の実施形態）
　図８及び図９を参照して、本発明の第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、図２及び図３に示された、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１を巻き付ける工程を、図８及び図９に示された、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１を巻き付ける工程に代えたものである。その他の工程は、第１の実施形態における製造方法の工程と同様のため、説明を適宜省略する。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

　図８は、ニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向と垂直に切断した切断面を示す断面図である。図９は、ニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　スズ薄膜２１は、ニオブ薄膜１１と同様のリボン状（又はテープ状）のスズの薄膜である。

　作業者は、図８に示すように、ニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１を交互に重なるようにアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、図９に示すように、ニオブ薄膜１１は、隣接するニオブ薄膜１１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。同様に、スズ薄膜２１は、隣接するスズ薄膜２１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。作業者は、ニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１を厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブ薄膜１１及びスズ薄膜２１がＨＩＰ加工されることで、Ｎｂ３Ｓｎの円筒ができる。

　作業者は、Ｎｂ３Ｓｎの円筒をサブミクロン程度の表面粗さになるまで磨く。

　作業者は、この磨かれたＮｂ３Ｓｎの円筒を、空胴を構成する部品として用いて、超伝導高周波加速空胴を製造する。

　本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

　Ｎｂ３Ｓｎは、超伝導臨界温度が高く、かつ磁場侵入長が短いため、超伝導高周波加速空胴の材質としては、ニオブよりも優れている。本実施形態による製造方法であれば、超伝導高周波加速空胴の材料としてニオブよりも優れているＮｂ３Ｓｎの超伝導高周波加速空胴を製造することができる。

　また、Ｎｂ３Ｓｎの円筒の厚みを任意に選ぶことができるため、研磨することによりサブミクロンオーダーの表面粗さの円筒を成型することができる。この円筒を用いることで、より高性能の超伝導高周波加速空胴を製造することができる。

　これに対し、例えば、空胴形状に成型されたニオブ基板上にＳｎを蒸着させ、拡散接合させて超伝導高周波加速空胴を製造した場合、形成されるＮｂ３Ｓｎは数１０ミクロンの薄層であるため磨くことができない。

（第３の実施形態）
　図１０及び図１１を参照して、本発明の第３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、図２及び図３に示された、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１を巻き付ける工程を、図１０及び図１１に示された、アルミシャフト１にニオブ薄膜１１及び銅薄膜２２を巻き付ける工程に代えたものである。その他の工程は、第１の実施形態における製造方法の工程と同様である。

　図１０は、ニオブ薄膜１１及び銅薄膜２２を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向と垂直に切断した切断面を示す断面図である。図１１は、ニオブ薄膜１１及び銅薄膜２２を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　銅薄膜２２は、ニオブ薄膜１１と同様に、リボン状（又はテープ状）の銅の薄膜である。

　先ず、作業者は、図１０に示すように、ニオブ薄膜１１をアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、図１１に示すように、ニオブ薄膜１１は、隣接するニオブ薄膜１１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。作業者は、ニオブ薄膜１１を厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　次に、作業者は、図１０に示すように、巻き付けたニオブ薄膜１１の上からさらに銅薄膜２２をアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、図１１に示すように、銅薄膜２２は、隣接する銅薄膜２２との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。これにより、銅薄膜２２は、アルミシャフト１の最も外側に巻き付けられる。

　このようにアルミシャフト１に巻き付けられたニオブ薄膜１１及び銅薄膜２２がＨＩＰ加工されることで、銅ニオブクラッド材の円筒ができる。

　作業者は、銅ニオブクラッド材の円筒をサブミクロン程度の表面粗さになるまで磨く。

　作業者は、この磨かれた銅ニオブクラッド材の円筒を、空胴を構成する部品として用いて、超伝導高周波加速空胴を製造する。

　超伝導材のみからなる超伝導高周波加速空胴は、ジュール熱による発熱が大きい。一方、銅は、熱伝導率が高い。そこで、熱伝導率の高い銅の内面に超伝導材であるニオブが接合された銅ニオブクラッド材を、超伝導高周波加速空胴の材料として用いることで、ジュール熱を効率的に放熱することができる。

　本実施形態による製造方法であれば、超伝導高周波加速空胴の材料としてニオブよりも優れている銅ニオブクラッド材の超伝導高周波加速空胴を製造することができる。

　また、銅ニオブクラッド材の円筒の厚みを任意に選ぶことができるため、研磨することによりサブミクロンオーダーの表面粗さの円筒を成型することができる。この円筒を用いることで、より高性能の超伝導高周波加速空胴を製造することができる。

　これに対し、例えば、銅の円筒の内面にニオブを蒸着又は爆着によって接合し、クラッド材の円筒を製造することが考えられる。しかし、蒸着の場合は、第２の実施形態で説明した蒸着によるＮｂ３Ｓｎと同様にニオブ層が薄く、研磨できない。また、爆着の場合は、入熱が少なく、銅とニオブが十分に拡散接合しない。

（第４の実施形態）
　図１２を参照して、本発明の第４の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、ニオブ薄膜１１の代わりにニオブのワイヤ１１Ａを用いている。その他は、第１の実施形態と同様である。

　図１２は、ニオブのワイヤ１１Ａを巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　ニオブのワイヤ１１Ａは、直径１ｍｍ程度以下の太さである。なお、太さは、可能であればいくら細くてもよい。

　作業者は、図１２に示すように、アルミシャフト１にニオブのワイヤ１１Ａを巻き付ける。このとき、ニオブのワイヤ１１Ａは、隣接するニオブのワイヤ１１Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。また、ニオブのワイヤ１１Ａは、既に巻き付けられた一段下の隣接する２つのニオブのワイヤ１１Ａの間の上を通るように巻き付けられる。作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａを厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブのワイヤ１１ＡがＨＩＰ加工されることで、ニオブの円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブのワイヤ１１Ａを用いても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
　図１３を参照して、本発明の第５の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、ニオブ薄膜１１の代わりに第４の実施形態に係るニオブのワイヤ１１Ａを、スズ薄膜２１の代わりにスズのワイヤ２１Ａをそれぞれ用いている。その他は、第２の実施形態と同様である。

　図１３は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１Ａを巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　スズのワイヤ２１Ａは、直径１ｍｍ程度以下の太さである。なお、太さは、可能であればいくら細くてもよい。

　作業者は、図１３に示すように、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１Ａを交互に重なるようにアルミシャフト１に巻き付ける。

　先ず、ニオブのワイヤ１１Ａがアルミシャフト１に巻き付けられる。次に、スズのワイヤ２１Ａは、既に巻き付けられた一段下の隣接する２つのニオブのワイヤ１１Ａの間の上を通るように巻き付けられる。さらに、ニオブのワイヤ１１Ａは、既に巻き付けられた一段下の隣接する２つのスズのワイヤ２１Ａの間の上を通るように巻き付けられる。このようにして、作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１Ａの巻き付け作業を繰り返す。

　このとき、ニオブのワイヤ１１Ａは、隣接するニオブのワイヤ１１Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。同様に、スズのワイヤ２１Ａも隣接するスズのワイヤ２１Ａと密着させて巻き付けられる。

　作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１Ａを厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１ＡがＨＩＰ加工されることで、Ｎｂ３Ｓｎの円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズのワイヤ２１Ａを用いても、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
　図１４を参照して、本発明の第６の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、ニオブ薄膜１１の代わりに第４の実施形態に係るニオブのワイヤ１１Ａを、銅薄膜２２の代わりに銅のワイヤ２２Ａをそれぞれ用いている。その他は、第３の実施形態と同様である。

　図１４は、ニオブのワイヤ１１Ａ及び銅のワイヤ２２Ａを巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　銅のワイヤ２２Ａは、直径１ｍｍ程度以下の太さである。なお、太さは、可能であればいくら細くてもよい。

　先ず、作業者は、図１４に示すように、ニオブのワイヤ１１Ａをアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、ニオブのワイヤ１１Ａは、隣接するニオブのワイヤ１１Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。また、ニオブのワイヤ１１Ａは、既に巻き付けられた一段下の隣接する２つのニオブのワイヤ１１Ａの間の上を通るように巻き付けられる。作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａを厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　次に、作業者は、図１４に示すように、巻き付けたニオブのワイヤ１１Ａの上からさらに銅のワイヤ２２Ａをアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、銅のワイヤ２２Ａは、隣接する銅のワイヤ２２Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。これにより、銅のワイヤ２２Ａは、アルミシャフト１の最も外側に巻き付けられる。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブのワイヤ１１Ａ及び銅のワイヤ２２ＡがＨＩＰ加工されることで、銅ニオブクラッド材の円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブのワイヤ１１Ａ及び銅のワイヤ２２Ａを用いても、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第７の実施形態）
　図１５を参照して、本発明の第７の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、スズ薄膜２１の代わりに第５の実施形態に係るスズのワイヤ２１Ａを用いている。その他は、第２の実施形態と同様である。

　図１５は、ニオブ薄膜１１及びスズのワイヤ２１Ａを巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　作業者は、図１５に示すように、ニオブ薄膜１１及びスズのワイヤ２１Ａを交互に重なるようにアルミシャフト１に巻き付ける。

　このとき、ニオブ薄膜１１は、隣接するニオブ薄膜１１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。スズのワイヤ２１Ａは、隣接するスズのワイヤ２１Ａと近接するように巻き付けられる。

　作業者は、ニオブ薄膜１１及びスズのワイヤ２１Ａを厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブ薄膜１１及びスズのワイヤ２１ＡがＨＩＰ加工されることで、Ｎｂ３Ｓｎの円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブ薄膜１１及びスズのワイヤ２１Ａを用いても、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第８の実施形態）
　図１６を参照して、本発明の第８の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、銅薄膜２２の代わりに第６の実施形態に係る銅のワイヤ２２Ａを用いている。その他は、第３の実施形態と同様である。

　図１６は、ニオブ薄膜１１及び銅のワイヤ２２Ａを巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　先ず、作業者は、図１６に示すように、ニオブ薄膜１１をアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、ニオブ薄膜１１は、隣接するニオブ薄膜１１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。作業者は、ニオブ薄膜１１を厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　次に、作業者は、図１６に示すように、巻き付けたニオブ薄膜１１の上からさらに銅のワイヤ２２Ａをアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、銅のワイヤ２２Ａは、隣接する銅のワイヤ２２Ａと近接するように巻き付けられる。これにより、銅のワイヤ２２Ａは、アルミシャフト１の最も外側に巻き付けられる。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブ薄膜１１及び銅のワイヤ２２ＡがＨＩＰ加工されることで、銅ニオブクラッド材の円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブ薄膜１１及び銅のワイヤ２２Ａを用いても、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第９の実施形態）
　図１７を参照して、本発明の第９の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、ニオブ薄膜１１の代わりに第４の実施形態に係るニオブのワイヤ１１Ａを用いている。その他は、第２の実施形態と同様である。

　図１７は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　作業者は、図１７に示すように、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１を交互に重なるようにアルミシャフト１に巻き付ける。

　先ず、ニオブのワイヤ１１Ａがアルミシャフト１に巻き付けられる。このとき、ニオブのワイヤ１１Ａは、隣接するニオブのワイヤ１１Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。

　次に、スズ薄膜２１は、巻き付けられた一段下のニオブのワイヤ１１Ａの上から、隣接するスズ薄膜２１との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。

　さらに、ニオブのワイヤ１１Ａは、巻き付けられた一段下のスズ薄膜２１の上から、隣接するニオブのワイヤ１１Ａと近接するように巻き付けられる。

　このようにして、作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１の巻き付け作業を繰り返す。作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１を厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１がＨＩＰ加工されることで、Ｎｂ３Ｓｎの円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブのワイヤ１１Ａ及びスズ薄膜２１を用いても、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第１０の実施形態）
　図１８を参照して、本発明の第１０の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、ニオブ薄膜１１の代わりに第４の実施形態に係るニオブのワイヤ１１Ａを用いている。その他は、第３の実施形態と同様である。

　図１８は、ニオブのワイヤ１１Ａ及び銅薄膜２２を巻き付けた状態のアルミシャフト１を長手方向に切断した切断面の上部を示す断面図である。

　先ず、作業者は、図１８に示すように、ニオブのワイヤ１１Ａをアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、ニオブのワイヤ１１Ａは、隣接するニオブのワイヤ１１Ａとの間に隙間が生じないように密着させて巻き付けられる。また、ニオブのワイヤ１１Ａは、既に巻き付けられた一段下の隣接する２つのニオブのワイヤ１１Ａの間の上を通るように巻き付けられる。作業者は、ニオブのワイヤ１１Ａを厚さ５ｍｍ程度になるまでアルミシャフト１に積層する。

　次に、作業者は、図１８に示すように、巻き付けたニオブのワイヤ１１Ａの上からさらに銅薄膜２２をアルミシャフト１に巻き付ける。このとき、銅薄膜２２は、隣接する銅薄膜２２との間に隙間が生じないように少し重ねながら巻き付けられる。これにより、銅薄膜２２は、アルミシャフト１の最も外側に巻き付けられる。

　アルミシャフト１に巻き付けられたニオブのワイヤ１１Ａ及び銅薄膜２２がＨＩＰ加工されることで、銅ニオブクラッド材の円筒ができる。

　本実施形態によれば、ニオブのワイヤ１１Ａ及び銅薄膜２２を用いても、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第１１の実施形態）
　図１９を参照して、本発明の第１１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、図５に示されたＨＩＰ加工の前段階の工程を、図１９に示されたＨＩＰ加工の前段階の工程に代えたものである。その他の工程は、第１の実施形態における製造方法の工程と同様である。

　アルミ端板２Ａには、図５に示された真空引き口Ｈ１が設けられていない。その他は、第１の実施形態に係るアルミ端板２と同様である。

　作業者は、ニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミシャフト１をアルミカプセル４に挿入する。作業者は、アルミカプセル４にアルミシャフト１を挿入後、アルミ端板２Ａ，３でアルミカプセル４の両端を塞ぐように取り付ける。

　作業者は、アルミ端板２Ａ，３にアルミカプセル４を取り付け後、ニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミシャフト１が内包された状態のアルミカプセル４を、真空炉内に設置する。作業者は、真空炉内にあるアルミ端板２Ａ，３が取り付けられたアルミカプセル４を、電子ビーム溶接により、真空気密溶接を行う。

　作業者は、このように真空気密溶接されたアルミカプセル４を、ＨＩＰ加工のワーク２０Ａとして、ＨＩＰ加工する。

　本実施形態によれば、電子ビーム溶接により、ワーク２０Ａの真空気密溶接を行うことにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第１２の実施形態）
　図２０及び図２１を参照して、本発明の第１２の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法において、図４に示されたアルミカプセル４の代わりに、図２０及び図２１に示されたアルミカプセル４Ａ１，４Ａ２，４Ａ３，４Ａ４を用いた製造方法である。その他の工程は、第１の実施形態における製造方法の工程と同様である。

　アルミカプセル４Ａ１～４Ａ４は、第１の実施形態に係るアルミカプセル４を長手方向に４分割したものである。その他は、アルミカプセル４と同様である。

　作業者は、図２０に示すように、ニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミシャフト１を、４分割されたアルミカプセル４Ａ１～４Ａ４で覆うように取り付ける。作業者は、図２１に示すように、取り付けられた４片のアルミカプセル４Ａ１～４Ａ４の互いに隣接する４箇所の分割部を真空気密溶接する。

　本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

　製造する超伝導高周波加速空胴の規模が大きい（径が大きい又は長い）場合、ＨＩＰ加工する被対象となるワークも大きくなる。このようにワークが大きい場合であっても、分割型のアルミカプセル４Ａ１～４Ａ４を用いることで、ＨＩＰ加工の前段階の処理において、超伝導材が巻き付けられたアルミシャフト１を真空気密溶接するために、アルミカプセル４Ａ１～４Ａ４で覆う作業を、し易くすることができる。

（第１３の実施形態）
　図２２及び図２３を参照して、本発明の第１３の実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法を説明する。

　本実施形態に係る超伝導高周波加速空胴の製造方法は、第１の実施形態において成型した円筒の代わりに、２つの椀状を径の大きい側で互いに合わせた形状の超伝導部材（以下、「セル」という。）を成型する。また、本実施形態に係る製造方法は、第１の実施形態で用いた、アルミシャフト１、アルミ端板２，３、及びアルミカプセル４の代わりに、アルミパイプ１Ｂ、アルミ端板２Ｂ，３Ｂ、及びアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２を用いる。その他は、第１の実施形態と同様である。

　アルミパイプ１Ｂは、第１の実施形態に係るアルミシャフト１の中央部分を膨らました形状である。アルミパイプ１Ｂの外形は、セルの内側形状と略一致する。その他は、第１の実施形態に係るアルミシャフト１と同様である。

　アルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２は、それぞれ径の小さい側に穴の空いた椀状になっている。アルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２の径の大きい側を互いに合わせた状態での内側の形状は、セルの外形と略一致する。その他は、第１の実施形態に係るアルミカプセル４と同様である。

　アルミ端板２Ｂ，３Ｂは、それぞれのアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２の径の小さい側に空けられた穴を塞ぐのに適した形状になっている。その他は、第１の実施形態に係るアルミ端板２，３と同様である。

　作業者は、図２２に示すように、全体を覆うように満遍なくニオブ薄膜１１をアルミパイプ１Ｂに巻き付ける。この際、巻きつけられたニオブ薄膜１１に多少の隙間があってもよい。

　作業者は、ニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミパイプ１Ｂに、アルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２をこれらの間に挟みこむように被せる。作業者は、アルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２をニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミパイプ１Ｂに被せた後、アルミ端板２Ｂ，３Ｂでアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２のそれぞれの穴を塞ぐように取り付ける。作業者は、アルミ端板２Ｂ，３Ｂをアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２にそれぞれ取り付けた状態で、真空気密溶接をする。図２３は、この真空気密溶接されたアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２の長手方向（空胴の中心軸方向）に切断した切断面を示している。

　作業者は、ニオブ薄膜１１が巻き付けられたアルミパイプ１Ｂを内包し、かつ真空気密溶接されたアルミカプセル４Ｂ１，４Ｂ２を、ワークとしてＨＩＰ加工する。作業者は、ＨＩＰ加工されたワークの外側のアルミニウム部分を機械加工により除去する。作業者は、ワークの内部からセル状に成型されたニオブに覆われたアルミパイプ１Ｂを取り出す。作業者は、機械加工により、セル状に成型されたニオブの内部からアルミパイプ１Ｂを除去する。なお、作業者は、アルミパイプ１Ｂを強塩基性の溶液に浸漬して、アルミパイプ１Ｂを溶解除去してもよい。作業者は、取り出したセルの端部（アルミ端板２Ｂ，３Ｂに位置する部分）などを機械加工して仕上げる。作業者は、セルをサブミクロン程度の表面粗さになるまで磨く。作業者は、このように製造されたセルを、空胴を構成する部品として用いて、超伝導高周波加速空胴を製造する。

　作業者は、このように製造されたセルを用いて、超伝導高周波加速空胴を製造する。

　本実施形態によれば、円筒の製造に限らず、セルの製造であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第１３の実施形態の変形例）
　本変形例による製造方法は、アルミパイプ１Ｂの代わりに、セラミック製のパイプを用いる。

　作業者は、セル状に成型されたニオブの内部からセラミック製のパイプを除去する場合、このパイプを粉砕する。

　本変形例によれば、ＨＩＰ接合後に、セル状に成型されたニオブからパイプを除去することが困難な場合であっても、パイプを粉砕することで簡単に除去することができる。

　なお、各実施形態では、円筒形状又はセル形状のものについてのみ説明したが、これに限らない。荷電粒子ビームが通り抜ける空胴が形成されている形状であれば、どのような形状でも構わない。例えば、セルを多数連接させた蛇腹形状のものを製造することもできる。特に、第１３の実施形態に係る製造方法であれば、複雑な形状であっても、ＨＩＰ加工するために設けた空胴内部の部材を容易に除去することができる。また、この空胴内部の部材（アルミパイプ又はアルミシャフト）を除去する方法については、機械加工による除去、粉砕して除去、又は強塩基性の溶液に浸漬して溶解除去など、どの方法により除去してもよい。

　また、各実施形態では、超伝導材を用いる製造方法について説明したが、常伝導材を用いてもよい。従って、最終的に製造されるものは、超伝導高周波加速空胴であっても、常伝導高周波加速空胴であってもよい。

　さらに、第１１から第１３の実施形態において、説明の便宜上、超伝導材をニオブ薄膜１１を用いる第１の実施形態を基本とした製造方法について説明したが、他の実施形態を基本としても用いることができる。

　また、第１２の実施形態において、アルミカプセル４Ａ１～４Ａ４を４分割としたが、２分割以上であれば、いくつに分割されているものでもよい。製造する円筒の規模が大きい（径が大きい又は長い）場合は、分割数が多いと、アルミカプセルを被せる作業が容易になる。また、分割数が少なければ、アルミカプセルの真空気密溶接をしなければならない分割部を減らすことができる。

　なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims

　伝導材で型を覆うことと、
　前記伝導材で覆われた前記型を外殻に内包させることと、
　前記型が内包された前記外殻を真空気密溶接することと、
　前記真空気密溶接された前記外殻を熱間等方圧加工することと、
　前記熱間等方圧加工された前記外殻から前記型に成型された前記伝導材を取り出すことと
を含むことを特徴とする高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型に前記伝導材を巻き付けることで、前記伝導材で前記型を覆うこと
を特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記伝導材は、超伝導材であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記伝導材は、ニオブを含むこと
を特徴とする請求項３に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記伝導材は、スズを含むこと
を特徴とする請求項３又は請求項４に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記伝導材は、銅を含むこと
を特徴とする請求項３又は請求項４に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型は、アルミニウムを含むこと
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型は、セラミックを含むこと
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型に成型された前記伝導材をサブミクロンオーダーの表面粗さに磨くこと
を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記真空気密溶接は、電子ビーム溶接により行うこと
を特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記外殻は、前記伝導材で覆われた前記型が内包される前の状態において分割されていること
を特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型を粉砕して、前記型に成型された前記伝導材から前記型を除去すること
を特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　前記型を化学的に溶解して、前記型に成型された前記伝導材から前記型を除去すること
を特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法。
　請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の高周波加速空胴用部品の製造方法で製造された部品を用いて高周波加速空胴を製造すること
を含むことを特徴とする高周波加速空胴の製造方法。