(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径部と小径部とを有し、荷電粒子ビームの高周波加速に適用される高周波加速空胴を、超電導材料によって製造する方法において、前記高周波加速空胴の大径部および小径部の内面形状と一致する形状を有し、かつ前記超電導材料よりも分解が容易な材料で構成したマンドレルの外周面に、超電導性を有する板材を被せて回転成形加工することにより、前記マンドレルの外周面を被覆する状態で大径部と小径部とを有する筒状の超電導材製空胴成形品を得たのち、前記マンドレルを加熱により分解させて前記空胴成形品の外部に取り出すことにより、超電導高周波加速空胴を製造することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法。
【請求項２】
大径部と小径部とを有し、荷電粒子ビームの高周波加速に適用される高周波加速空胴を、超電導材料によって製造する方法において、前記高周波加速空胴の大径部および小径部の内面形状と一致する形状を有し、かつ前記超電導材料よりも分解が容易な材料で構成したマンドレル外皮と、このマンドレル外皮の内部に挿通した金属製のマンドレル芯材とからなるマンドレルを用意し、このマンドレルの外周面に、超電導性を有する板材を被せて回転成形加工することにより、前記マンドレルの外周面を被覆する状態で大径部と小径部とを有する筒状の超電導材製空胴成形品を得たのち、前記マンドレル外皮を加熱により分解させ、この分解したマンドレル外皮および前記マンドレル芯を前記空胴成形品の外部に取り出すことにより、超電導高周波加速空胴を製造することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の超電導高周波加速空胴の製造方法において、マンドレルとして、マンドレル外皮とマンドレル芯材との接合部が凹凸嵌合または突起による係止構造とされたものを使用することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の超電導高周波加速空胴の製造方法において、マンドレルに被覆される超電導性を有する板材として、超電導材と良熱伝導材とからなるクラッド板を適用することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の方法によって製造されたことを特徴とする超電導高周波加速空胴。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビームを加速する加速器に使用される超電導高周波加速空胴およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速器は、電子、陽子、イオン等の荷電粒子を電磁力で数十億電子ボルト（数ＧｅＶ）程度の高エネルギ状態に加速するための装置であり、もともとは原子核や素粒子の研究のために開発されてきた。
【０００３】
しかし、近年では、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軌道が曲げられたときのその軌道の接線方向に発生する放射光（ＳＯＲ光と呼ばれる）を利用して、超ＬＳＩ微細加工（リソグラフィ）や物質研究等、生命科学等の広範な科学技術分野まで適用範囲を広げている。
【０００４】
加速器には荷電粒子の加速や、ＳＯＲ光として失われたエネルギを補給するため、そのビームラインに高周波加速空胴が設けられている。
【０００５】
高周波加速空胴内に供給された高周波は、発振によって高電界を発生させ、荷電粒子ビームを加速する。この場合、高電界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、この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、ジュール損失を生じる。
【０００６】
ところで、ＣｕやＡｌ等で作られた常電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るには、上述したジュール損失が極めて大きくなり、このジュール損失を補うために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なる。
【０００７】
しかし、かかる高周波電力を賄えるだけの高周波発振器は現存していない。さらに、高周波加速空胴の冷却上でも問題になり、常電導高周波加速空胴の適用には限界がある。
【０００８】
そこで、高周波加速空胴の内面に電流が流れてもジュール損失が生じないように、電気抵抗がほぼ０Ωである超電導材で高周波加速空胴を形成することが考えられる。
【０００９】
超電導高周波加速空胴の使用分野は多方面に亘るが、特に荷電粒子ビーム加速器に関しては近年になって世界各地で計画、建設が進められている大型電子蓄積リング用として、限られた電力、限られた空間の範囲で出来るだけ高いエネルギを持った電子を得るために超電導高周波加速空胴の実現が切望されている。
【００１０】
図５（Ａ）〜（Ｂ）は、従来の超電導高周波加速空胴の製造方法を示す工程図である。
【００１１】
この例では、図５（Ａ）に示すように、まず頂点が突き出た碗状の上型２２とそれに対応する下型２１とを用いて、平板状の超電導材料からなる素材２３をプレス加工する。これにより、図５（Ｂ）に示すように、突起をもつ碗状の成形品２３ａを得る。次いで、図５（Ｃ）に示すように、成形品２３ａの大径開口部分と突起部分の先端を研削具２９，３０により開先加工して、図５（Ｄ）に示すハーフセル２５とする。
【００１２】
続いて図５（Ｅ）に示すように、２つのハーフセル２５，２５を大径開口部同士が向きあうように接合して、電子ビーム溶接により一体とし、図５（Ｆ）に示すシングルセル２６とする。なお、このシングルセル２６には図５（Ｇ）に示すように、電子ビーム溶接によるビード線２７が現れる。さらに、図５（Ｈ）に示すように、複数個のシングルセル２６を直列に並べて、それぞれ接点となる突起部同士を電子ビーム溶接によって接合し、図５（Ｉ）に示すマルチセル（多連空胴）２８を形成する。なお、マルチセル２８にも電子ビーム溶接によるビード線２７が現れる。
【００１３】
ところで、この方法によって製造したマルチセル２８においては、空胴中に発生する電場分布を平坦とするため、加速器のビームポートに接続される両端のセルの直線部を短くする必要があり、この調節は図５（Ｃ）に示した開先加工の量で行うことになる。しかし、この量を決定するに当たっては、その後の工程であるセル溶接の際の溶接縮みを正確に見積らなければならないが、正確な見積りは困難である。
【００１４】
一方、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、他の従来例として、例えば特開平５−２６６９９６号公報に示された超電導高周波加速空胴の製造方法を示している。
【００１５】
この例では、図６（Ａ）に示すように、多数の碗状膨出部分３２ａが連続した上型３２と、これに対応して多数の碗状凹部３１ａを有する下型３１とを用いて板状の超電導材料３３にプレス加工を施し、これにより図６（Ｂ）に示すように、ビーム軸に沿って分割された形状の半割マルチセル３４を形成する。そして、この半割マルチセル３４を１対、分割面にて長手溶接により接合し、これにより図６（Ｃ）に示すように、大径部と小径部とが連続したマルチセル３５を製作する。なお、このマルチセル３５にも溶接によるビード線３６が現れる。
【００１６】
この方法では溶接欠陥を生じやすいだけでなく、所望するセル数のマルチセル総型の金型を作らなければならず、金型費が莫大なものとなる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各従来例においては、いずれも溶接によるビード線２７，３６が現れるうえ、所望数のマルチセル総型の金型を製作する必要があった。この金型製作は、多大な手間と時間が掛かり、キャビティ製作コストの面で好ましくないものであった。
【００１８】
なお、従来では溶接を回避するために中子構造等を工夫して多数のセルを同時に金型成形したり、メッキ加工等によりシームレスとして成形することも考えられている。しかし、これらの技術においては工程が極めて複雑であり、シームレスキャビティを成形するためにキャビティの外側を拘束する金型の設計等も面倒である等の問題があった。
【００１９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、シームレスキャビティを容易に製作することができ、しかも高性能の超電導高周波加速多連空胴を経済的に製造することができる超電導高周波加速空胴の製造方法を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、前記方法により製造される高性能かつ安価な超電導高周波加速空胴を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、大径部と小径部とを有し、荷電粒子ビームの高周波加速に適用される高周波加速空胴を、超電導材料によって製造する方法において、前記高周波加速空胴の大径部および小径部の内面形状と一致する形状を有し、かつ前記超電導材料よりも分解が容易な材料で構成したマンドレルの外周面に、超電導性を有する板材を被せて回転成形加工することにより、前記マンドレルの外周面を被覆する状態で大径部と小径部とを有する筒状の超電導材製空胴成形品を得たのち、前記マンドレルを加熱により分解させて前記空胴成形品の外部に取り出すことにより、超電導高周波加速空胴を製造することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法を提供する。
【００２２】
請求項２に係る発明では、大径部と小径部とを有し、荷電粒子ビームの高周波加速に適用される高周波加速空胴を、超電導材料によって製造する方法において、前記高周波加速空胴の大径部および小径部の内面形状と一致する形状を有し、かつ前記超電導材料よりも分解が容易な材料で構成したマンドレル外皮と、このマンドレル外皮の内部に挿通した金属製のマンドレル芯材とからなるマンドレルを用意し、このマンドレルの外周面に、超電導性を有する板材を被せて回転成形加工することにより、前記マンドレルの外周面を被覆する状態で大径部と小径部とを有する筒状の超電導材製空胴成形品を得たのち、前記マンドレル外皮を加熱により分解させ、この分解したマンドレル外皮および前記マンドレル芯を前記空胴成形品の外部に取り出すことにより、超電導高周波加速空胴を製造することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法を提供する。
【００２３】
請求項３に係る発明では、請求項２記載の超電導高周波加速空胴の製造方法において、マンドレルとして、マンドレル外皮とマンドレル芯材との接合部が凹凸嵌合または突起による係止構造とされたものを使用することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法を提供する。
【００２４】
請求項４に係る発明では、請求項１から３までのいずれかに記載の超電導高周波加速空胴の製造方法において、マンドレルに被覆される超電導性を有する板材として、超電導材と良熱伝導材とからなるクラッド板を適用することを特徴とする超電導高周波加速空胴の製造方法を提供する。
【００２５】
請求項５に係る発明では、請求項１から４までのいずれかに記載の方法によって製造されたことを特徴とする超電導高周波加速空胴を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００２７】
第１実施形態（図１）
本実施形態は、空胴を構成する超電導材料よりも分解が容易な合成樹脂材料で一体に構成したマンドレルを使用し、このマンドレルの外周面に、超電導性を有する板材を被せて回転成形加工することにより、超電導高周波加速空胴を製造する方法についてのものである。特に本実施形態では、一つのセルを有する超電導高周波加速空胴を製造する場合について説明する。
【００２８】
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、この製造方法を説明するための工程図である。
【００２９】
図１（Ａ）はマンドレルの構成を示す断面図である。このマンドレル１は、例えば熱可塑性合成樹脂の射出成形により一体に構成されており、成形すべき空胴の小径な両端の平行部（いわゆるビームポート）を形成するための小径円柱状部分１ａと、これらの小径円柱状部分１ａの中央に配置するセル形成用の大径円盤状部分１ｂとからなる。この大径部分１ｂの中央部分がセルの大径部（いわゆる赤道部）を形成する部分であり、その軸方向両側位置の小径部分がセルの小径部（いわゆるアイリス部）を形成する部分である。
【００３０】
このように、マンドレル１は、軸方向（空胴のビーム軸方向：図中左から右方向）に軸対称の形状となっている。また、マンドレル１は回転成形時における非崩壊性と回転成形後における崩壊性との相反条件を兼備する。すなわち、マンドレル１は熱可塑性合成樹脂製であることにより、被加工物である超電導材料（金属）よりも融点が低い。
【００３１】
ただし、本発明に用いるマンドレル１の材質としては、上記合成樹脂に限られない。回転成形時における非崩壊性と回転成形後における崩壊性との相反条件を兼備し、被加工物である超電導材料よりも融点が低く、加熱時に多量のガスを発生するなどの恐れがないものであれば、上記例と同様に適用することができる。
【００３２】
図１（Ｂ）は空胴成形工程を示している。この工程では、マンドレル１を図示しない回転成形機に取付けて軸心周り（矢印ａ方向）に回転させ、超電導性を有する板材２を被せてローラ３により回転成形加工する。
【００３３】
すなわち、回転成形機にマンドレル１と超電導性の板材２とを取り付けた後、マンドレル１をビーム軸周りに回転させつつ、ローラ３をマンドレル１の外周面に沿った経路を辿らせながら板材２の外面側から押しつけて転動させる。これにより、板材２からビーム軸に垂直な断面に対して直径の異なった形状を製作することができる。
【００３４】
なお、この工程で成形する板材２としては、超電導材料からなる一体物に限らず、超電導材料と良熱伝導材料とからなるクラッド板を適用することができる。クラッド板の製造は、例えばＨＩＰ（熱間等方加圧）、あるいは爆着、圧延等によって行なうことが可能である。また、この回転成形に用いる板材２として、本実施形態では例えば平板状の素材を使用し、マンドレル１の一端部側から被覆させるようにしているが、パイプ状のもの等、種々の形態のものを適用することができる。
【００３５】
このような工程により、マンドレル１の外周面を被覆する状態で大径部と小径部とを有する筒状の超電導材製空胴成形品を得る。
【００３６】
図１（Ｃ）は、前工程で得られた超電導材製空胴成形品４の形状、およびこの空胴成形品４の内部にあるマンドレル１の分解工程を示す説明図である。
【００３７】
この図１（Ｃ）に示すように、空胴成形品４はマンドレル１の外周面に密接して被着され、大径部４ａおよび小径部４ｂを有する筒状となっている。なお、前述した図１（Ｂ）においては、板材２の一部がマンドレル１の一端を覆う形状となっているが、この部分は予め切断除去して、両端が開口する形状としてある。
【００３８】
そして、この工程では、マンドレル１に比着された状態の空胴成形品４を炉などの加熱装置５に収容し、マンドレル１を加熱により分解させて空胴成形品４の外部に取り出す。この場合の加熱温度は、空胴成形品４を構成する金属材料の融点未満で、マンドレル１を構成する合成樹脂材料の分解温度以上である。マンドレル１は熱可塑性樹脂により構成されているので、マンドレル１を空胴成形品４の外部に取り出すために加熱する温度は、超電導材料の融点から比べると極めて低い温度で十分であるため、超電導材料に影響を与える恐れはない。
【００３９】
なお、マンドレル１の分解材料の取り出しについては、全体または一部の分解状態で取り出すことができる。例えば空胴成形品４の小径部４ｂの径よりも小径となる状態に変形した状態でも取り出し可能である。
【００４０】
図１（Ｄ）は、前工程でマンドレル１を取り出した後の超電導高周波加速空胴６を示す断面図である。この超電導高周波加速空胴６に、必要なバルジ工程を施して、完成品とする。すなわち、このような超電導高周波加速空胴６は、軸方向両端の平行部であるビームポート６ａと、このビームポート６ａの中央部に位置する大径部である赤道部６ｂおよびその軸方向両側位置の小径部であるアイリス部６ｃとを有するセルとして完成される。
【００４１】
本実施形態によれば、溶接によるビード線がない超電導高周波加速空胴６を、余分な金型製作等の手間や時間を要することなく製造することができる。したがって、従来のメッキ加工等によりシームレスキャビティを成形する場合のような複雑な工程を必要とすることもなく、またシームレスキャビティのための拘束用金型のような面倒な設計も必要なく、シームレスキャビティを容易に製作することができ、高性能の超電導高周波加速空胴６を経済的に製造することができる。
【００４２】
第２実施形態（図２）
図２（Ａ）〜（Ｄ）は本発の第２実施形態を示す説明図である。
【００４３】
本実施形態は、空胴部分が複数個連なった多連空胴の製造方法についてのものである。
【００４４】
即ち、前記第１実施形態では、一つのセルを有する超電導高周波加速空胴を製造する場合であり、マンドレル１として小径円柱状部分１ａの中央にセル形成用の大径円盤状部分１ｂを配置したものを使用したが、本実施形態では、マンドレル１として、図２（Ａ）に示すように、小径円柱状部分１ａに複数のセル形成用の大径円盤状部分１ｂを等間隔で配置したものを使用する。
【００４５】
そして、本実施形態では第１実施形態とほぼ同様の工程で多連空胴を製造することができる。
【００４６】
図２（Ｂ）は、ローラ３を用いて回転成形により超電導性の板材２を多連空胴マンドレル１に押しつける工程を示し、図２（Ｃ）は、回転成形終了後、炉などの加熱装置５により空胴を加熱し、マンドレル１を板材２から取り出す工程を示している。図２（Ｄ）は、マンドレル１を取り出し、完成品としての超電導高周波加速空胴６を得た状態を示している。
【００４７】
以上の各工程の詳細については、第１実施形態と同様であるから、図２に図１と同一の符号を付して、各工程の加工等についての説明は省略する。
【００４８】
本実施形態によれば、例えば超電導材料と良熱伝導材料とからなるクラッド板を用いて多連空胴を容易に、かつ経済的に製造することができる。
【００４９】
なお、図２においては、セルが３連構造となった空胴の例を示しているが、これに限らず、例えば６連、９連等、各種空胴の製造に適用できえることは勿論である。その場合、適用する原理は本実施形態と何ら変らない。
【００５０】
第３実施形態（図３）
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第３実施形態による超電導高周波加速空胴の製造方法を説明するための工程図である。なお、各工程において、第１実施形態と同様の事項については重複説明を省略し、異なる事項について主に説明する。
【００５１】
図３（Ａ）に示すように、本実施形態では、マンドレル１として、超電導材料よりも分解が容易な材料で構成したマンドレル外皮７と、このマンドレル外皮７の内部に挿通した金属製のマンドレル芯材８とからなるものを使用する。
【００５２】
マンドレル外皮７は例えば熱可塑性樹脂製であり、またマンドレル芯材８を構成する金属材料は、マンドレル外皮７を構成する樹脂材よりも融点が高いものとしてある。
【００５３】
マンドレル芯材８は、例えば外周面が平坦な円柱状とされ、このマンドレル芯材８の外周側に、例えば外形が第１実施形態と同様の熱可塑性樹脂製マンドレル外皮７を一体的に成形してあり、これらのマンドレル外皮７とマンドレル芯材８とは、同軸的配置とされている。このように、マンドレル１の中心部に芯材を配置した構成とすることにより、高剛性化を図っている。
【００５４】
そして、図３（Ｂ）に示すように、本実施形態においても第１実施形態と同様に、ローラ３を用いて回転成形により、超電導性の板材２をマンドレル１に押しつけることにより被覆形成するものである。この場合、本実施形態によると、マンドレル１中にマンドレル芯材８が配置してあることにより、マンドレル１のたわみが抑えられ、軸ぶれが減少し、高精度の回転成形（スピニング）を行うことができる。
【００５５】
回転成形終了後は、図３（Ｃ）に示すように、成形された空胴成形品４を炉などの加熱装置５により第１実施形態と同様に加熱し、空胴成形品４からマンドレル１を取り出す。この場合には先ず、加熱後にマンドレル１中のマンドレル芯材８を取り除く。この後、合成樹脂からなるマンドレル外皮７を取り除く。本実施形態では、マンドレル１中にマンドレル芯材８を配置し、このマンドレル芯材８を先に取り除くことにより、後に取り除くマンドレル外皮７の除去が容易に行なえる。
【００５６】
図３（Ｄ）は、マンドレル１を取り出した後、必要なバルジ工程を経た完成品としての超電導高周波加速空胴６を示している。
【００５７】
本実施形態によれば、マンドレル１の中心部に芯材を配置した構成とすることにより高剛性化が図れ、回転成形時におけるマンドレル１のたわみ抑制によって軸ぶれが減少し、高精度の板材被覆成形を行うことができる。
【００５８】
第４実施形態（図４）
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第４実施形態による超電導高周波加速空胴の製造方法を説明するための工程図である。なお、本実施形態は第３実施形態におけるマンドレル外皮７とマンドレル芯材８との結合強化を図ったものであり、各工程において、第１実施形態および第３実施形態と同様の事項については重複説明を省略し、異なる事項について主に説明する。
【００５９】
図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、マンドレル１として、マンドレル外皮７とマンドレル芯材８との接合部が凹凸嵌合構造とされたものを使用する。即ち、マンドレル芯材８の外周部の一部、例えば軸方向中央位置に凹凸部９を形成し、合成樹脂からなるマンドレル外皮７の大径部１ｂの内周部位がマンドレル芯材８の凹凸部９に食い込む状態で被覆成形されている。
【００６０】
このような構成のマンドレル１を使用すると、図４（Ｂ）に示すように、ローラ３を用いた回転成形により、超電導材料板２をマンドレル１に押しつける回転成形工程において、マンドレル芯材８に凹凸部９を介してマンドレル外皮７が強固に被着され、軸方向または周方向の摺動を防止する機能が付与される。したがって、回転成形時にローラ３を押しつける際に生じるビーム軸方向の分力、あるいは周方向分力により、マンドレル芯材８とマンドレル外皮７との間に生じる引き離し力を抑制することができる。よって、第３実施形態によるたわみ抑制に加え抑えて引き離し抑制も図れ、特に回転成形時におけるマンドレル１の強度を向上することができる。
【００６１】
回転成形後においては、図４（Ｃ）に示す加熱工程を経て、図４（Ｄ）に示す完成品としての超電導高周波加速空胴６を得ることができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、マンドレル外皮７とマンドレル芯材８とを凹凸嵌合構造としたが、これに限らず、例えばマンドレル芯材８に突起を設け、その突起をマンドレル外皮に食い込む状態で係止させるようにしても前記同様の引き剥がし抑止の機能を得ることができる。
【００６３】
本実施形態によれば、マンドレル外皮７とマンドレル芯材８とを凹凸嵌合または突起による係止構造とすることにより、回転成形時におけるマンドレル１の引き剥がし抑制にが図れ、よって高精度の板材被覆成形を行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接によるビード線がない超電導高周波加速空胴を余分な金型製作等の手間や時間を要することなく製造でき、これにより従来のシームレスキャビティを成形する場合と異なり、複雑な工程や面倒な設計が不要となり、シームレスキャビティを容易に、かつ経済的に製作することができる。また、このような容易な製造方法によるものでありながら、高性能の超電導高周波加速空胴を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の第１実施形態による超電導高周波加速空胴製造方法の説明図。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の第２実施形態による超電導高周波加速空胴製造方法の説明図。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の第３実施形態による超電導高周波加速空胴製造方法の説明図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の第４実施形態による超電導高周波加速空胴製造方法の説明図。
【図５】従来の超電導高周波加速空胴の製造方法を示す説明図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、従来の他の超電導高周波加速空胴の製造方法を示す説明図。
【符号の説明】
１  マンドレル
２  超電導性板材
３  ローラ
４  空胴成形品
５  加熱装置
５  空胴
６  超電導高周波加速空胴
７  マンドレル外皮
８  マンドレル芯材
９  凹凸部
【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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【図６】
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