(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を高周波により加速する高周波加速空胴において、高強度金属材料で製作された空胴本体の内面に銅板を配置し、それぞれ内面に銅板のライニングされた入力ポートとビームポートとを備えており、前記入力ポートと前記ビームポートもこれらの内面に銅板を配置し、前記空胴本体、入力ポートおよびビームポートの少なくとも１つがライニング材料の銅板と電子ビーム溶接、レーザ溶接またはアーク溶接でシール溶接され、さらに、前記空胴本体とともに、前記各銅板自体を圧力バウンダリーとしてキャンレスの熱間等方加圧によりライニングして成ることを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項２】
空胴内面は、熱間等方加圧後に機械加工を施さないことを特徴とする請求項１記載の高周波加速空胴。
【請求項３】
空胴本体、入力ポートおよびビームポートの少なくとも１つがライニング材料の銅板と、空胴材料と銅から形成される異種金属継手を介して、同種金属どうしでシール溶接されて成ることを特徴とする請求項１または２記載の高周波加速空胴。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子のような荷電粒子を高周波により加速する高周波加速空胴に係り、特に、優れた特性を有する大型の高周波加速空胴を、容易に、低コストで製作可能な高周波加速空胴に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高エネルギー科学、その他の分野において、放射光源として粒子加速器が用いられている。粒子加速器は電子やイオンなどの荷電粒子を真空中で高速に加速する装置であり、荷電粒子の加速のために高周波加速空胴が用いられる。  高周波加速空胴は、高周波による電界で粒子を加速するものであって、例えば、図６に示すような構造を有している。
【０００３】
すなわち、高周波加速空胴は空胴本体１と端板２とからなり、空胴本体１の内面は加速電界を発生させる空間を形成するとともに真空境界を形成するための適切な形状とされている。また、空胴本体１には、荷電粒子が通過するビームポート３と高周波を入力するための入力ポート４が取りつけられている。
【０００４】
空胴本体１と端板２の内面は、高周波による損失を少なくするために高い導電性を要求されるとともに、高真空中で使用されるところから、不純物の少ない清浄でなめらかな表面であることが要求される。このため通常の高周波加速空胴の製作には電子管用無酸素銅が用いられている。
【０００５】
一般に、小型の加速空胴の場合には、空胴本体１と端板２との全体を銅のブロックから機械加工により削りだし、溶接やロー付けなどの接合法により接合して高周波加速空胴を構成している。
【０００６】
しかしながら、大型の高周波加速空胴の場合には、その全てを銅のブロックから削り出すことは製作性やコスト、強度などの面からの問題がある。高周波特性上は空胴の内面だけが導電性の優れた銅に覆われていればよいので、従来技術では構造体である空胴本体の部分を炭素鋼やステンレス鋼等の強度が高く製作性に優れた材料で製作し内面を銅クラッド板でライニングして製作したり、片面が銅板で他方の面が高強度材からなるクラッド材を銅板側を内側にして円筒状に加工して突合せ部を接合したり、あるいは高強度材からなる空胴本体の内面に銅メッキを施したりして、内面が清浄な導電性表面の高周波加速空胴を製作していた。
炭素鋼やステンレス鋼に銅板を接合する方法の１つとして、熱間等方加圧（以下ΗＩＰと略す）法が知られている。ＨＩＰは信頼性の高いクラッド材を製作する方法としてよく知られており、通常のΗＩＰではライニング材全体を覆う形の気密容器であるキャンが用いられる。
【０００７】
図７はキャンを用いたキャニング工程のある通常のΗＩＰ法を示した図である。  なお、図６を含め、以下の図の同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【０００８】
この方法では、ライニング板５を覆って圧力バウンダリーとなるキャニング板６を空胴本体１に接合して、ライニング板５と空胴本体１の間を気密状態に保持して境界部にＨＩＰで使用される加圧媒体ガスが進入しないように電子ビーム溶接などによりシール溶接７する。
【０００９】
このように、キャニング工程では、空胴本体１に、ライニング板５、キャニング板６を組立て、真空中で空胴本体１とキャニング板６をシール溶接７で接合することでライニング板５が真空状態で封入される。
【００１０】
この後、ΗＩＰを施すことにより、高温高圧下でキャニング板６が圧力バウンダリーとなってライニング板５が空胴本体１に冶金的に接合される。
【００１１】
ＨＩＰの後、空胴内部のキャニング板６は機械加工により削られてライニング板５が空胴内面に露出される。そして、露出したライニング板５には、さらに機械加工が施されて正規の寸法とされる。
【００１２】
従来のキャニングを使用したＨＩＰによる高周波加速空胴の製作は、上記のように行われていた。このようなキャンを用いたΗＩＰによりクラッド材の空胴を形成する場合は接合面の信頼性は格段に向上し真空リーク等の問題は生じない。
しかしながら、この方法では、キャニングが必要な分だけ工程が複雑になり、技術的困難も多いうえに、ＨＩＰ後にキャンを取り除くための機械加工が必要になる。さらに、内面の仕上げ加工、ポート穴加工などの工程も必要であり、この点からも製作コストが高くつくという問題があった。
【００１３】
また、通常の圧延や爆着による片面が銅板で他方の面が高強度材からなるクラッド材で高周波加速空胴を製作することも可能である。この場合は、平坦なクラッド材に内側が銅板側となるようにロール加工を施して円筒状に成形し、合わせ目を溶接した後、ポート穴加工、内面の仕上げ加工、ポートの接合等の工程を経て高周波加速空胴が製作される。
【００１４】
しかしながら、この方法では高性能の高周波加速空胴が得られ難く、製作コストも高くなるという問題がある。すなわち、高周波加速空胴の性能は内面の仕上がりに大きく左右され面粗さに対する要求が厳しいが、この方法では、寸法が大きくかつ粘りがあって加工が困難な空胴内面を滑らかに加工することに技術的困難が多く、製作コストが高くついてしまう。さらに、この方法に使用されるクラッド材料には、異種材の接合面に欠陥やガス溜りがある場合もあって、ポート穴やネジ穴の加工により真空リークや大量のガス放出等、高周波加速空胴にとって致命的な問題を生じる可能性がある。
【００１５】
また、さらに、炭素鋼やステンレス鋼等の強度が高く製作性に優れた材料からなる空胴本体の内面に銅メッキを施す方法で高周波加速空胴を製作することも可能である。
【００１６】
しかしながら、メッキ面は銅の板やブロックに比べて組織の緻密性が悪く電気伝導度が低く高周波加速空胴としての電気的特性が劣るという問題があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
高周波加速空胴を、従来のΗＩＰ法で製作する場合には、キャニングが必要な分工程が複雑になり、技術的困難も多く、さらに、内面の仕上げ加工、ポート穴加工などの工程も必要なため製作コストが高くつくという問題があった。
【００１８】
また、片面が銅板で他方の面が高強度材からなるクラッド材で高周波加速空胴を製作する方法には、空胴内面を滑らかに加工することに技術的困難が多く、製作コストが高くつく上に、クラッド材料には、異種材の接合面に欠陥やガス溜りがある場合もあって、ポート穴やネジ穴の加工により真空リークや大量のガス放出等、高周波加速空胴にとって致命的な問題を生じる可能性が存在するという問題もある。
【００１９】
さらに、高強度材料からなる空胴本体の内面に銅メッキを施す方法では、メッキ面が銅の板やブロックに比べて組織の緻密性が悪く電気伝導度が低く高周波加速空胴としての電気的特性が劣るという問題があった。
【００２０】
本発明は以上の課題を解決し、高性能で低コストの高周波加速空胴を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の高周波加速空胴は、荷電粒子を高周波により加速する高周波加速空胴において、高強度金属材料で製作された空胴本体の内面に銅板を配置し、銅板自体を圧力バウンダリーとしてキャンレスの熱間等方加圧（ΗＩＰ）によりライニングして成ることを特徴としている。
【００２２】
この高周波加速空胴の空胴内面は、非常に平滑、かつ高い寸法精度とすることができるので、通常の場合は、ΗＩＰ後の機械加工は必要ない（請求項２）。
【００２３】
また、上記高周波加速空胴は、内面に銅板のライニングされた入力ポートとビームポートとを備えており、前記入力ポートと前記ビームポートもこれらの内面に銅板を配置し、前記空胴本体と同時に、前記各銅板自体を圧力バウンダリーとしてキャンレスのΗＩＰによりライニングすることもできる。この方法によれば、ΗＩＰ後の工程を省略でき、ΗＩＰ処理により特性が改善されたポート内面を得ることができる。
【００２４】
さらに、上記高周波加速空胴は、ＨＩＰに先立って空胴本体、入力ポートおよびビームポートの少なくとも１つがライニング材料の銅板と電子ビーム溶接、レーザ溶接またはアーク溶接でシール溶接されている。
【００２５】
また、上記高周波加速空胴は、異種材どうしの接合を避けて同種材どうしでシール溶接を行うため、空胴本体、入力ポートおよびビームポートの少なくとも１つがライニング材料の銅板と異種金属継手を介してシール溶接するようにしてもよい。
【００２６】
なお、以上は、高周波加速空胴の内面を銅クラッド板で構成する場合であるが、製作性の優れた高強度金属材料で製作された空胴の内面に銅メッキを施し、前記銅メッキ層を圧力バウンダリーとしてキャンレスのΗＩＰにより前記銅メッキを前記空胴の内面にライニングするようにしてもよい。この方法によれば、メッキ層の特性が改善され高周波加速空胴としての性能が向上する。
【００２７】
いずれの場合も、本発明の高周波加速空胴は、銅クラッド板または銅メッキ層を圧力バウンダリーとしてキャンレスのΗＩＰにより、銅板または銅メッキ層が冶金的に空胴本体内面に接合されており、単純な工程で高い信頼性の製品を得ることができる。
【００２８】
本発明の高周波加速空胴は、ＨＩＰ処理時の高温、高圧下で内部欠陥や表面の不純物が除去されまた再結晶して極めて緻密で清浄な表面が形成され内面仕上げ加工に伴う技術的困難無しに高性能の高周波加速空胴を得ることができる。
【００２９】
さらに高周波加速空胴として実際に運転する場合は、大電力の高周波の入力により空胴内面での放電や真空度の低下などが生じ、定格の電力まで一気に投入することはできない。このため、徐々に電力を投入しながら表面状態を改善していくエージングが行われるが、エージングを短くするためには、内面の金属の結晶内部や粒界に不純物や欠陥のない材質が望まれる。本発明の高周波加速空胴では、ＨＩＰによりこのような材質を実現することができる。ＨＩＰでは高温で高圧の処理を行うため、金属内部に持っている欠陥はつぶされ除去される。また、再結晶するために均質な金属組織を得ることができる。
【００３０】
この結果、エージング時間の短縮や高真空を容易に得られるなど特性面での効果も大きい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図３を用いて説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施例の実施の形態の断面図である。
【００３３】
空胴本体１は炭素鋼やステンレス鋼などの製作性の優れる高強度材料からなり、その内面には銅ライニング板５がそれ自体を圧力バウンダリーとしたキャンレスのΗＩＰにより冶金的に接合されている。なお、ライニング板５は、空胴本体１へのＨＩＰに先立って、シール溶接８により空胴本体１に直接接合されている。空胴本体１には、内面に銅板５がライニングされた入力ポート４が固設されており、内側となる面に銅板５のライニングされた端板２にも内面に銅板５がライニングされたビームポート３が固設されている。
【００３４】
これらの入力ポート４やビームポート３も、空胴本体１や端板２と同時に、各銅板５自体を圧力バウンダリーとしてキャンレスのΗＩＰにより冶金的に接合されている。空胴本体１と端板２とは、組立溶接１０により一体化されている。
【００３５】
この高周波加速空胴の製造方法について説明する。
【００３６】
空胴本体１は炭素鋼やステンレス鋼などの製作性の優れる高強度材料を用いて基本的な構造を製作する。この際、内面の形状はライニング板５の板厚を考慮して必要な寸法に機械加工で仕上げる。この時、内面の粗さや清浄度についてはメッキを行う場合に比べて要求度合は緩和される。
【００３７】
次に、図２に示すように、数ｍｍの板厚のライニング銅板５を空胴内面形状に合わせて取り付け空胴本体１とライニング板５はシール溶接８により直接接合しシールする。この組立体にＨＩＰを施してライニング銅板５と空胴本体１を冶金的に接合する。ΗＩＰでの空胴本体１の胴部の変形はごく微少であり、クラッド材の銅板５は空胴の形状に従って密着する。
【００３８】
空胴内面の寸法精度は確保されているので、ＨＩＰ後は内面を加工しないことが可能である。ただし端面は端板との確実な接触を確保するため平端に加工することもあり得る。
【００３９】
シール溶接は、真空中で電子ビーム溶接あるいはレーザー溶接により実施することで異種材料の溶接が可能となる。さらに、特殊な溶接棒を用いてのアーク溶接も可能である。しかしながら、一般に、異種金属の直接溶接は高度の技術を要する。
【００４０】
このような問題を回避するために、異種材の溶接を避け同種の材質どうしを溶接することで空胴本体とライニング板を接続する方法を採ることもできる。
【００４１】
図３は空胴本体とライニング板の中間に異材継手を用いて溶接接続した例を示している。
【００４２】
異材継手９は、予めＨＩＰあるいは銀ローにより空胴材料９ａとライニング板材料９ｂの異種の材料を接合したものを溶接継手形状に加工して準備しておく。
そして、空胴本体１の内側端部に、この異材継手９が銅ライニング板５との間に嵌合するような段部を形成しておき、この段部に異材継手９を嵌合してシール溶接８により接合する。
【００４３】
この溶接方法では、同種の材料の溶接であるので異種金属の溶接に生ずる技術的問題は発生しない。
【００４４】
以上、主として空胴本体についてＨＩＰによるライニングの方法を説明したが、これらの方法は、端板にライニングを施す場合にも同様に適用することができる。  すなわち、端板についても、上述した方法によりＨＩＰでライニングした後、組立て溶接等により高周波加速空胴として組み上げればよい。
【００４５】
このように空胴本体１と端板２とを別々にＨＩＰせずに、図１に示すように、ビームポート３や入力ポート４もライニング板５、端板２、空胴本体１と溶接８でシールしておき、全体を組立溶接１０により組立て、同時にＨＩＰを施すことによりビームポート３や入力ポート４も空胴本体内面と同時にライニングすることが可能である。
【００４６】
本発明によれば、従来に比べて技術的にも時間的にも容易な工程で、ΗＩＰ処理の作用による欠陥の消失、再結晶等で良好な特性となった内面を持つ高周波加速空胴を得ることができる。
【００４７】
その結果、製作作業が容易となり低コストで高性能の高周波加速空胴が得られる。
【００４８】
図４は実際に上述の方法で製作したモデル空胴の性能試験の結果であり、本発明の効果を示すものである。
【００４９】
縦軸は高周波加速空胴の代表的な特性である無負荷Ｑ値（以後Ｑｕと記す）で、理想的な空胴内面を持つと仮定した場合の理論値を１００％として、いくつかの共振モードについてΗＩＰ実施前後に測定した結果をプロットしている。
【００５０】
一般にＱｕは同じモード系列では共振周波数が高いほど表面状態や端板と空胴本体の接触状態に敏感になり理論値に対して低下する。ここでは小型のモデル空胴での測定なので共振周波数は７００ＭＨｚ以上と高いが、本発明の好適する比較的大型の空胴では５００ＭＨｚ程度以下の周波数で用いられることが多い。通常、対理論値で９５％を越えれば極めて高性能の高周波加速空胴と言える。
【００５１】
ΗＩＰ処理により各モードのＱｕは上昇しており７００ΜＨｚ以下では対理論値９０％を越えている。実際の使用領域の５００ＭＨｚ程度以下では、ほぼ理論値に近い９５％以上が期待できる。またすべてのモードで図５に示す銅メッキのモデル空胴（同サイズ）より高いＱｕを得ている。
【００５２】
以上の実施例は、空胴本体１の内面に銅板を配置してキャニングせずにそのままΗＩＰ処理によりライニングした例であるが、空胴本体１の内面に銅板を配置する代わりに、空胴内面を銅メッキした後にキャニングせずにそのままΗＩＰ処理を行うこともできる。
【００５３】
キャンレスのΗＩＰ処理は銅メッキの層に対しても銅板に対するのと同様に、特性改善の作用を及ぼし、その結果高周波加速空胴の性能が向上する。
【００５４】
図５は実際にモデル空胴で内面に銅メッキを施した後にΗＩＰを実施して性能試験を行った結果を示したものである。
【００５５】
縦軸は、図４と同じくＱｕを示している。図から明らかなように、空胴本体の内面に銅メッキを施してキャンレスのΗＩＰ処理を行った場合も、ほぼ全てのモードでＱｕが上昇している。
【００５６】
以上述べたように、本実施の形態で示した高周波加速空胴は、製作工程が単純なため従来技術に比べて製作が容易となり、また、同時に複数個のＨＩＰ処理が可能なため量産ができるというコスト的な効果が得られる。
【００５７】
また、ＨＩＰでは高温高圧で処理され冶金的に接合されるため、ライング層が緻密でかつ均質な組織になり、内部応力によるはがれやまくれなどがない均質な銅の層が形成され、高性能の高周波加速空胴が得られる。さらに通常のクラッド材で起こり得る異材接合部の欠陥も生じない。
【００５８】
また、エージング時間の短縮や高真空を容易に得られるなど特性面での効果も向上させることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば製作が容易で優れた特性を有する、低コストで高性能の高周波加速空胴を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波加速空胴の一実施例を示す縦断面図。
【図２】本発明の高周波加速空胴の製造に用いられるキャンレスΗＩＰを説明する空胴部品の縦断面図。
【図３】本発明の高周波加速空胴の製造に異材継手を用いた場合を説明する縦断面図。
【図４】本発明の一実施例の無負荷Ｑ値に与える効果を示すグラフ。
【図５】本発明の他の実施例の無負荷Ｑ値に与える効果を示すグラフ。
【図６】従来の高周波加速空胴を概略的に示す縦断面図。
【図７】従来のキャニングによるΗＩＰにより高周波加速空胴を製作する状況を示す空胴部品の縦断面図。
【符号の説明】
１……空胴本体、２……端板、３……ビームポート、４……入力ポート、５……ライニング板、６……キャニング板、７，８……シール溶接部、９……異材継手、１０……組立溶接部
【図１】
0003708665.tif 000002
【図２】
0003708665.tif 000003
【図３】
0003708665.tif 000004
【図４】
0003708665.tif 000005
【図５】
0003708665.tif 000006
【図６】
0003708665.tif 000007
【図７】
0003708665.tif 000008