JP2011238517A - 超伝導加速空洞の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接時における支持構造の簡素化をはかるとともに製品内面の平滑化をはかることができる超伝導加速空洞の製造方法を提供する。
【解決手段】軸線方向の両端に開口部（赤道部１３、アイリス部）を有する複数のハーフセル１５を軸線方向に配列し、相互の開口部同士が接触する接触部２１を溶接によって接合して超伝導加速空洞を製造する超伝導加速空洞の製造方法であって、接合されるハーフセル１５は軸線方向が上下方向に延在するように配置されるとともに下側に位置するハーフセル１５における接触部２１の下方に位置する内周面に外側に向かい凹む凹部２５が形成され、接触部２１を外側から貫通溶接して接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、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素粒子を加速するものであるので、超伝導加速空洞が所定の性能を発揮するためには、内表面の性状が重要となる。
超伝導加速空洞は、軸線方向に配列された、セル、ビームパイプ等の複数の環状部材が接合されて形成される（特許文献１、特許文献２参照）。
従来、この接合は不純物の混入が少ないので、真空雰囲気中で電子ビーム溶接あるいはレーザ溶接によって外側から貫通溶接が行われている。

このように外側から貫通溶接するものでは、超伝導加速空洞の内部における溶接状態に予期せぬ凹凸ができることがあり、その後処理に時間を要することになる。
このため、溶接作業は、特許文献１および特許文献２に示されるように、複数の環状部材を軸線方向が水平になるように配列し、接合部が上下方向になるようにして接合するのが一般的である。こうすることによって、接合部を挟む両側で溶接ビードが略均一とでき、比較的平滑な溶接ビードを形成できる。

特開平９−１８０８９９号公報 特開２００６−３１８８９０号公報

ところで、複数の環状部材を軸線方向が水平になるように配列すると、重量によって中央部分が下方に移動する傾向があるので、変形によって製品不良となる恐れがある。
この重量による変形を抑制するために、複数の環状部材を大型で、強固な治具によって支持することとなり、溶接装置が大型化するとともに環状部材の設置が複雑で、時間を要するという課題がある。

複数の環状部材を軸線方向が上下方向になるように配列して接合するようにすると、重力による接合部の位置変動は抑制されるので、複数の環状部材を支持する大型の治具を省略することができ、上述の不具合を解消することができる。
しかし、この場合、接合部が略水平方向に延在することになるので、溶融池が重力によって下方に垂れる傾向がある。これにより下側の環状体の内周面に盛り上がった溶接ビードができるので、後処理に時間を要するという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、溶接時における支持構造の簡素化をはかるとともに製品内面の平滑化をはかることができる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。
本発明の一態様は、軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体を該軸線方向に配列し、相互の開口部同士が接触する接触部を溶接によって接合して超伝導加速空洞を製造する超伝導加速空洞の製造方法であって、接合される前記環状体は前記軸線方向が上下方向に延在するように配置されるとともに下側に位置する前記環状体における前記接触部の下方に位置する内周面に外側に向かい凹む凹部が形成され、前記接触部を外側から貫通溶接して接合す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、接合される環状体は軸線方向が上下方向に延在するように配置される。言い換えると、相互の開口部同士が接触する接触部は略水平方向に延在するように位置される。このようにして形成された接触部を外側から貫通溶接して環状体同士が接合される。
このように、接合される環状体は軸線方向が上下方向に延在するように配置されるので、重力による接触部の位置変動を環状体自体で十分に抑制することができる。したがって、複数の環状部材を保持する構造が簡素化できるので、溶接装置を小型化するとともに環状部材の設置作業が簡単で短時間に行うことができる。

また、下側に位置する環状体における接触部の下方に位置する内周面に外側に向かい凹む凹部が形成されているので、重力によって下方に向かって垂れる溶融池は凹部に流れ込むことになる。このように、下方に向かって垂れる溶融池が凹部に流れ込む、言い換えると、凹部を埋めると、溶融池が内側に向かって盛り上がることがなくなるので、環状体の内周面に形成される溶接ビードを平滑にすることができる。
言い換えると、重力によって下方に向かって垂れる溶融池を見越して、下側の環状体で発生する溶融池の量（下側の環状体の体積）を低減し、あるいは、反対に上側の環状体で発生する溶融池の量（上側の環状体の体積）を増加していることになる。
このように、溶接ビードが平滑化されると、後処理に要する時間を短縮することができる。

この場合、前記凹部は、深さが下側に行くにしたがって浅くなるように形成されていてもよい。

本発明によれば、接合される環状体は軸線方向が上下方向に延在するように配置されるので、溶接装置を小型化するとともに環状部材の設置作業が簡単で短時間に行うことができる。
また、下側に位置する環状体における接触部の下方に位置する内周面に外側に向かい凹む凹部が形成されているので、環状体の内周面に形成される溶接ビードを平滑にすることができる。

本発明の一実施形態にかかる超伝導加速空洞の製造方法によって製造された超伝導加速空洞の断面図である。 図１の超伝導加速空洞の一部を拡大して示す断面図である。 図２のＡ部を示す部分断面図である。 図２のＡ部の溶融池の状態を示す部分断面図である。 図２のＡ部の別の実施態様を示す部分断面図である。 図２のＡ部のさらに別の実施態様を示す部分断面図である。 従来の溶融池の状態を示す部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図７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の製造方法によって製造された超伝導加速空洞の断面図である。
超伝導加速空洞１には、図１に示されるように、中央部が膨らんだ中空の円筒形状をしたセル（環状体）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５と、空洞部５の両端部に取り付けられている中空の円筒形状をした一対のビームパイプ（環状体）７とが備えられている。

各ビームパイプ７の空洞部５側の外周面には、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には、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。
セル３は、赤道部１３を境として軸線方向Ｌで２分割されたハーフセル（環状体）１５で構成されている。ハーフセル１５の両端部はアイリス部（開口部）１１と赤道部（開口部）１３とになる。
ハーフセル１５およびビームパイプ７は、超伝導材料である、たとえば、ニオブ材で形成されている。

以下、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。
まず、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２個のエンドパーツ（環状体）１７が製造される。エンドパーツ１７は、ビームパイプの一端部の外周側に端板９の内周部を溶接によって接合し、内周側にハーフセル１５のアイリス部１１が溶接によって接合されて形成される。

次いで、溶接装置によって２個のエンドパーツ１７および複数のハーフセル１５が溶接によって接合される。
まず、溶接装置に１個のエンドパーツ１７が、軸線方向Ｌが上下方向に延在し、ハーフセル１５が上側に位置するように設置される。
次に、複数のハーフセル１５が赤道部１３同士あるいはアイリス部１１同士が重なるように軸線方向Ｌに配列され、その上に他のエンドパーツ１７が、積み重ねられる。

このように、溶接によって接合されるエンドパーツ１７のハーフセル１５および複数のハーフセル１５は軸線方向が上下方向に延在するように配置されるので、相互の接触部２１は略水平方向に延在することになる。接触部２１が水平に延在すると、重力による接触部２１の位置変動をハーフセル１５等自体で十分に抑制することができるので、ハーフセル１５等を保持する構造を簡素化することができる。これにより、溶接装置を小型化するとともにハーフセル１５等の設置作業が簡単で短時間に行うことができる。

次に、接触部２１について図２および図３に基づいて説明する。たとえば、２個のハーフセル１５は、赤道部１３同士が重ねられて接触部２１を形成している。２個のハーフセル１５の端面は、積み重ねられた際に水平方向の位置がずれないようにインロー加工されている。
下側に位置するハーフセル１５の内周側端面には、直線状の面取り２３が施されている。これにより接触部２１における下側に位置するハーフセル１５の内周面には、上側に位置するハーフセル１５の下端面と面取り２３とによって外側に向かい凹む凹部２５が形成されている。

凹部２５は水平方向の深さが下側に行くにしたがって浅くなるように形成されている。
本実施形態では、凹部２５を形成する面取り２３が直線状に形成されているが、これに限定されず曲線状であってもよいし、また、図５に示されるような外側に凸な曲線状の切欠きで凹部２５を形成するようにしてもよい。
また、本実施形態では、２個のハーフセル１５の端面はインロー加工されているが、これに限定されず、図６に示されるような平面とされていてもよい。

このように構成された接触部２１に、外側から、たとえば、ビーム２７を貫通するように照射し、接触部２１を電子ビーム溶接する。
なお、溶接方法は電子ビーム溶接に限定されるものではなく、レーザ溶接であってもよい。

このように、外側からビーム２７を貫通するように照射すると、ビーム２７によって加熱され、溶融池が形成される。この溶融池は液体の性質を持つので、移動し易く、重力によって下方に移動することになる。
従来のように重ね合されただけの接触部２１では、図７に示されるように、ハーフセル１５の内面に沿って溶融池が垂れ、ハーフセル１５の内周面に下側ほど盛り上がった溶接ビード３１ができる。

本実施形態では、凹部２５が形成されているので、重力によって下方に向かって垂れる溶融池は凹部２５に流れ込むことになる。このように、下方に向かって垂れる溶融池が凹部２５に流れ込む、言い換えると、凹部２５を埋めると、溶融池が内側に向かって盛り上がることがなくなるので、ハーフセル１５の内周面に形成される溶接ビード３１を平滑にすることができる。

言い換えると、重力によって下方に向かって垂れる溶融池を見越して、下側のハーフセル１５で発生する溶融池の量（下側のハーフセル１５の溶融する体積）を低減し、あるいは、反対に上側のハーフセル１５で発生する溶融池の量（上側のハーフセルの溶融する体積）を増加していることになる。
このように、溶接ビード３１が平滑化されると、後処理に要する時間を短縮することができる。

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。
たとえば、本実施形態では、ハーフセル１５同士を接合するようにしているが、これに限定されない。たとえば、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た環状体としてのダンベルを形成し、このダンベル同士を接合するようにしてもよい。また、パイプ材を加工して形成したダンベル同士を接合してもよい。空洞部５を部分的、あるいは全体として一体形成し、環状体としてもよい。

１ 超伝導加速空洞
３ セル
７ ビームパイプ
１１ アイリス部
１３ 赤道部
２１ 接触部
２５ 凹部
Ｌ 軸線方向

Claims (2)

1. 軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体を該軸線方向に配列し、相互の開口部同士が接触する接触部を溶接によって接合して超伝導加速空洞を製造する超伝導加速空洞の製造方法であって、
   接合される前記環状体は前記軸線方向が上下方向に延在するように配置されるとともに下側に位置する前記環状体における前記接触部の下方に位置する内周面に外側に向かい凹む凹部が形成され、
   前記接触部を外側から貫通溶接して接合することを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
2. 前記凹部は、深さが下側に行くにしたがって浅くなるように形成さ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製造方法。
   
   

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