(57)【要約】【課題】加速空洞の寸法精度を保証しつつ、加速空洞の内面に形成される金属薄膜の厚さを均一に構成でき、また高い電気伝導率の金属薄膜を用いることで電気的特性に優れた高周波加速器用の加速空洞を提供する。【解決手段】高周波加速器用の加速空洞１０は、複数の板部材２０と、角部３０を有するように構成されている。複数の板部材２０は、金属製の基板２１と、基板表面上に予め積層され基板よりも高い電気伝導率の金属薄膜２２とからなり、金属薄膜が空洞構造の内側に位置するように加速空洞の壁面を構成するものである。角部３０は、板部材２０の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面２３に、他の板部材の側端面が当接して当接面２５を構成するように複数の板部材を組み合わせて構成される。この当接面は、摩擦撹拌接合により接合されてなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波加速器用の加速空洞であって、該加速空洞は、
金属製の基板と、該基板表面上に予め積層され基板よりも高い電気伝導率の金属薄膜とからなり、該金属薄膜が加速空洞の内側に位置するように加速空洞の壁面を構成する複数の板部材と、
板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面に、他の板部材の側端面が当接して当接面を構成するように複数の板部材を組み合わせて構成される角部であって、当接面が摩擦撹拌接合により接合されてなる角部と、
を具備することを特徴とする高周波加速器用の加速空洞。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波加速器用の加速空洞において、前記角部は、
板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面に、他の板部材の基板の側端面が当接し、
板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面近傍の金属薄膜の端部表面に、他の板部材の金属薄膜の側端面が当接する、
ように構成されることを特徴とする高周波加速器用の加速空洞。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高周波加速器用の加速空洞において、前記角部は、板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面が、金属薄膜が積層されていない側に向かって切り欠かれるノッチ部を有するように構成されることを特徴とする高周波加速器用の加速空洞。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の高周波加速器用の加速空洞において、前記角部は、当接面を接合する摩擦撹拌接合に用いるプローブ先端を金属薄膜まで挿入することで摩擦撹拌接合により接合されてなることを特徴とする高周波加速器用の加速空洞。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波加速器用の加速空洞に関し、特に、摩擦撹拌接合を用いて接合されてなる、高周波加速器用の加速空洞に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波加速器は、高周波電場（電界）により荷電粒子を加速するために用いられる装置である。そして、高周波加速器では、高周波電場により荷電粒子を加速するために、金属製の加速空洞（空洞共振器、キャビティ）が用いられている。加速空洞は、内部が真空気密の状態で用いられるものである。このような高周波加速器に用いられる加速空洞は、構成材料の電気伝導率が高い方が効率の良い運転が可能であるため、電気伝導率の高い金属、例えば銅によって製作することが好ましい。しかしながら、加速空洞全体を銅で製作すると、コストが非常に高くなり、また、重量も重くなるだけでなく、構成材料をロウ付け等により接合する必要が生じる等、加工も簡単ではなくなるという問題があった。そこで、従来では、アルミニウムや鉄、ステンレス鋼等を構成材料として用い、溶接により加速空洞を構成した後、めっき等により金属薄膜を形成することで、加速空洞の内側の電気伝導率を向上させる手法が採られていた。
【０００３】
しかしながら、例えば溶接を用いた加速空洞の形成方法では、溶接による熱膨張と凝固収縮によって、加速空洞に大きな歪みが生じ得る。この歪みにより、加速空洞の寸法精度に問題が生じていた。さらに、高周波加速器用の加速空洞では、電気的特性が最も重要となるが、歪みによる寸法変化は共振周波数の変化を引き起こし、また、溶接部分の表面劣化が消費電力の増加を招く場合もあった。
【０００４】
このような構成材料の接合時における寸法精度の問題や表面劣化の問題を解決する手法として、例えば特許文献１に記載のような摩擦撹拌接合が知られている。ここで、摩擦撹拌接合とは、アルミニウム合金等の軟質素材を突き合わせて拘束し、その突き合わせ部分に沿って硬質のピン型の回転工具を高速回転させながら移動させて、アルミニウム合金等を軟化させることでアルミニウム合金等を接合する手法である。この摩擦撹拌接合は、例えば特許文献２のように、２種の異なる金属が接着された接合材を平面で突き合わせて、摩擦撹拌接合により接合するものも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３７６２１号公報
【特許文献２】特開２００５−０４０８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の摩擦撹拌接合を用いた加速空洞の形成方法は、アルミニウム合金等の金属板や押出部材を組み合わせて、摩擦撹拌接合を行うものである。このようにして製作した加速空洞の空洞部に、電気伝導率を向上させるために高い電気伝導率の金属薄膜を形成する場合には、空洞部を製作後、内側にめっき等を施す必要があった。しかしながら、加速空洞の空洞部にめっき等により金属薄膜を形成する場合には、加速空洞の形状やめっきを施す位置によって、金属薄膜の厚さが不均一となり得る。そして、この不均一な厚さの金属薄膜により、加速空洞の電気伝導率もばらつき、高周波加速器としての機能が低下するという問題があった。
【０００７】
また、例えば特許文献２のように、２種類の異なる金属が接着された金属板同士を、摩擦撹拌接合を用いて接合する方法は、平面での突き合わせ、即ち、２種類の金属を積層した金属板の側端面同士を当接させ、裏面側から当て板を当てた上でその当接部分を摩擦撹拌接合するものである。しかしながら、例えば加速空洞の製作において、加速空洞の角部を構成するように金属板を組み合わせることはできなかった。即ち、角部を構成するように組み合わせた場合には、角部で異なる種類の金属同士を摩擦撹拌接合することになってしまうが、このような場合、接合欠陥が生じて適切に接合できないことが分かった。
【０００８】
本発明は、斯かる実情に鑑み、加速空洞の寸法精度を保証しつつ、加速空洞の内面に形成される金属薄膜の厚さを均一に構成でき、また高い電気伝導率の金属薄膜を用いることで電気的特性に優れた高周波加速器用の加速空洞を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による高周波加速器用の加速空洞は、金属製の基板と、該基板表面上に予め積層され基板よりも高い電気伝導率の金属薄膜とからなり、該金属薄膜が加速空洞の内側に位置するように加速空洞の壁面を構成する複数の板部材と、板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面に、他の板部材の側端面が当接して当接面を構成するように複数の板部材を組み合わせて構成される角部であって、当接面が摩擦撹拌接合により接合されてなる角部とを具備するものである。
【００１０】
また、角部は、板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面に、他の板部材の基板の側端面が当接し、板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面近傍の金属薄膜の端部表面に、他の板部材の金属薄膜の側端面が当接するように構成されれば良い。
【００１１】
また、角部は、板部材の一部の金属薄膜が剥離され基板表面が露出する露出面が、金属薄膜が積層されていない側に向かって切り欠かれるノッチ部を有するように構成されても良い。
【００１２】
また、角部は、当接面を接合する摩擦撹拌接合に用いるプローブ先端を金属薄膜まで挿入することで摩擦撹拌接合により接合されれば良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高周波加速器用の加速空洞には、加速空洞の寸法精度を保証しつつ、加速空洞の内面に形成される金属薄膜の厚さを均一に構成でき、また高い電気伝導率の金属薄膜を用いることで電気的特性が優れているという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施例の高周波加速器用の加速空洞を説明するための加速空洞の概略斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。
【図５】図５は、本発明の第４実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例の高周波加速器用の加速空洞を説明するための加速空洞の概略斜視図である。図示の通り、高周波加速器用の加速空洞１０は、主に複数の板部材２０から構成されるものであり、角部３０を有している。加速空洞１０には、実際には開口部に蓋（図示省略）をするためのねじ穴やビーム入射口等の穴が開いているが、図示は省略した。
【００１６】
板部材２０は、加速空洞１０の壁面を構成するものであり、基板２１と金属薄膜２２とから構成されている。板部材２０は、予め平板状態の基板２１上に金属薄膜２２が積層されてなるものである。基板２１は、金属製であれば良く、例えばアルミニウム、鉄及びステンレス鋼等が用いられれば良い。また、金属薄膜２２は、基板２１の表面上に積層されるものである。図示例では、金属薄膜２２はある程度の厚みを有するように示されているが、これは説明の都合上の表現である。より具体的には、金属薄膜２２は、例えばめっき処理により平板状態の基板２１上に予め設けられたものであり、その厚みは例えば０．２ｍｍ程度のものである。そして、金属薄膜２２は、基板２１よりも高い電気伝導率の材料からなっている。例えば、金属薄膜２２には、銅や金等、高い電気伝導率の物質を用いれば良い。また、金属薄膜２２は、加速空洞１０の内側に位置するように配置されている。即ち、加速空洞１０の内面が金属薄膜２２でコーティングされた状態となっている。金属薄膜２２は、予め平板状態の基板２１にめっき処理等により設けられるものであるため、膜厚の均一性を保つことが可能であると共に、高い電気伝導率の材料を用いることができるため、電気的特性に優れた加速空洞となる。
【００１７】
そして、角部３０は複数の板部材２０を組み合わせて構成されている。以下、角部３０について図２を用いてより詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表している。角部３０は、板部材２０ａと板部材２０ｂとの当接面が摩擦撹拌接合により接合されている。板部材２０ａは、その表面上に積層された金属薄膜２２ａの一部が剥離され、基板２１ａの表面が露出する露出面２３が構成されている。より具体的には、図示の通り、板部材２０ｂの厚み分だけ金属薄膜２２ａが剥離され、露出面２３が構成されている。即ち、露出面２３の幅は、板部材２０ｂの厚み分と一致するように金属薄膜２２ａが剥離されて設けられている。そして、板部材２０ｂの側端面２４が、この露出面２３に当接すると共に、金属薄膜２２ａの側端面が金属薄膜２２ｂの端部表面に当接することで、当接面２５が構成されている。本発明では、この当接面２５が、摩擦撹拌接合により接合されている。本発明の加速空洞では、角部が上述のように構成されているため、同種の金属同士による摩擦撹拌接合となるので、接合欠陥も生じ得ず、空洞内側の表面劣化も防止可能である。さらに、加速空洞１０の内側では、金属薄膜２２ａと金属薄膜２２ｂも摩擦撹拌接合により接合されるため、電気的に導通状態となり、加速空洞の内側の電気伝導率が均一化されることになる。
【００１８】
ここで、摩擦撹拌接合についてより具体的に説明する。本発明の加速空洞の角部の摩擦撹拌接合では、図２に点線で示したように、摩擦撹拌接合に用いるプローブ１００の先端を、金属薄膜２２ａ，２２ｂまで挿入すれば良い。この際、当接面２５を中心にするのではなく、プローブ１００の挿入方向に向いている板部材２０ａ側に、プローブ１００をオフセットすることが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合で一般的に必要な、プローブ挿入面の裏面側の当て板等が不要となる。即ち、板部材２０ａ自体が当て板の役割も有するようになる。そして、金属薄膜２２ａ，２２ｂまでプローブ１００を挿入することで、板部材２０ａ，２０ｂは、基板２１ａ，２１ｂ同士だけでなく金属薄膜２２ａ，２２ｂ同士も確実に摩擦撹拌接合されることとなる。なお、図示例では、側面の接合面を実線で表したが、摩擦撹拌接合により接合した場合には、実際には側面からは接合部の繋ぎ目は確認できない程度に接合されるものである。
【００１９】
このように、本発明の加速空洞では、板部材として予め平板状態で金属薄膜を積層した基板を用いるため、金属薄膜の厚さの均一性や膜厚制御性が高いものとなる。そして、角部の当接面の金属薄膜を剥離しているため、角部における摩擦撹拌接合において接合欠陥が起こらない。さらに、摩擦撹拌接合により確実に接合されるため、空洞内側の表面劣化も起こらない。また、本発明の加速空洞は、予め平板状態で該基板表面上に金属薄膜を積層するため、溶接後に構造体の状態で金属薄膜を積層する場合よりも、金属薄膜積層時の作業性にも優れるものである。
【００２０】
次に、本発明の第２実施例の高周波加速器用の加速空洞について説明する。図３は、本発明の第２実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。図中、図１や図２と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表している。図示の通り、第２実施例の加速空洞では、角部３０における金属薄膜２２の当接関係が、第１実施例のものと異なるものである。
【００２１】
具体的には、まず、板部材２０ａの金属薄膜２２ａが一部剥離され、基板２１ａの表面が露出する露出面２３ａが設けられている。そして、この露出面２３ａに、板部材２０ｂの基板２１ｂの側端面２４ｂが当接している。さらに、露出面２３ａの近傍の金属薄膜２２ａの端部表面に、板部材２０ｂの金属薄膜２２ｂの側端面２４ｂ'が当接している。このとき、板部材２０ｂの金属薄膜２２ｂが一部剥離され、基板２１ｂの表面が露出する露出面２３ｂが設けられており、金属薄膜２２ａの側端面がこの露出面２３ｂに当接するように構成されている。即ち、基板２１ａの露出面２３ａの幅は、基板２１ｂの厚み分と一致するように金属薄膜２２ａが剥離されて設けられている。そして、基板２１ｂの露出面２３ｂの幅は、金属薄膜２２ａの厚み分と一致するように金属薄膜２２ｂが剥離されて設けられている。基板２１ｂの側端面２４ｂが露出面２３ａに当接すると共に、金属薄膜２２ｂの側端面２４ｂ'が金属薄膜２２ａの端部の表面側に当接し、金属薄膜２２ａの側端面が基板２１ｂの露出面２３ｂに当接することで、当接面２５が構成されている。このように、当接面２５は、第１実施例ではＬ字状であったが、第２実施例では、クランク状になっている。本発明の高周波加速器用の加速空洞は、このように構成されても、角部３０において、基板２１ａと基板２１ｂとが当接すると共に、金属薄膜２２ａと金属薄膜２２ｂとが当接するため、同種の金属同士の接合となるので角部３０における摩擦撹拌接合において接合欠陥が起こらない。さらに、確実に接合されるため、密閉性も高いものとなる。
【００２２】
さらに、本発明の第３実施例の高周波加速器用の加速空洞について説明する。図４は、本発明の第３実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。図中、図１乃至図３と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表している。図示の通り、第３実施例の加速空洞では、角部３０における基板の当接関係が、第１実施例や第２実施例のものと異なるものである。
【００２３】
具体的には、板部材２０ｂの幅で金属薄膜２２ａが剥離され基板２１ａ表面が露出した露出面２３が、基板２１ａの金属薄膜が積層されていない側（裏面側方向）に向かって切り欠かれるノッチ部２６を有するように構成されている。そして、板部材２０ｂの側端面２４が、このノッチ部２６を有する露出面２３に嵌合するように接合される。即ち、当接面２５が、基板２１ａの空洞側面よりも基板内側にオフセットされることになる。これにより、摩擦撹拌接合でこの当接面２５を接合する際に、プローブ１００の挿入方向に向いている板部材２０ａ側に、プローブ１００をよりオフセット可能となり、より安定的な摩擦撹拌接合が可能となる。
【００２４】
さらに、本発明の第４実施例の高周波加速器用の加速空洞について説明する。図５は、本発明の第４実施例の高周波加速器用の加速空洞の角部を説明するための加速空洞の一部拡大概略側面図である。図中、図１乃至図４と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表している。図示の通り、第４実施例の加速空洞では、角部３０における基板の当接関係が、第２実施例と第３実施例を組み合わせたようなものである。
【００２５】
金属薄膜２２ａが剥離され基板２１ａ表面が露出した露出面２３ａが、基板２１ａの裏面側方向に切り欠かれるノッチ部２６を有する点については、第３実施例と同様である。但し、第３実施例では金属薄膜２２ａが板部材２０ｂの幅で剥離されていたが、第４実施例では、基板２１ｂの幅で剥離されている。そして、露出面２３に設けられたノッチ部２６に、板部材２０ｂの基板２１ｂの側端面２４ｂが当接している。さらに、露出面２３ａの近傍の金属薄膜２２ａの端部表面に、板部材２０ｂの金属薄膜２２ｂの側端面２４ｂ'が当接している。基板２１ｂの露出面２３ｂの幅は、金属薄膜２２ａの厚み分にノッチ部２６の切り欠かれた深さ分を加えた幅と一致するように金属薄膜２２ｂが剥離されて設けられている。基板２１ｂの側端面２４ｂが、露出面２３ａ、即ちノッチ部２６に当接すると共に、金属薄膜２２ｂの側端面２４ｂ'が金属薄膜２２ａの端部表面に当接し、金属薄膜２２ａの側端面が基板２１ｂの露出面２３ｂに当接することで、当接面２５が構成されている。本発明の第４実施例の高周波加速器用の加速空洞は、このような構造であってもこれまでの実施例と同様の作用効果が得られるものである。
【００２６】
なお、本発明の高周波加速器用の加速空洞は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    加速空洞
２０    板部材
２１    基板
２２    金属薄膜
２３    露出面
２４    側端面
２５    当接面
２６    ノッチ部
３０    角部
１００    プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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