Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-04]

PRECISE DISK FABRICATION TECHNOLOGY FOR RDDS STRUCTURE
T. Higo, Y. Funahashi, Y. Higashi, N. Hitomi, T. Suzuki, T. Takatomi, N. Toge, K. Takata,and Y. Watanabe
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1, Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801, JapanAbstract
We have been developing X-band accelerating structures for linear collider. Based on the high-precision diamondturning for the fabrication of DDS structures, we have recently proceeded to fabricate the RDDS structure, which
comprises of parts with rounded inner shape. In the present paper, we describe how we realized the rounded shapewithin ±1 micron. A feed-forward technique was applied to realize a much severe requirement on the accelerating
mode frequency, resulting in an integrated phase error along the structure within 5 degrees.

RDDS 加速管の加速ディスクの精密加工技術
はじめにリニアーコライダーの主線形加速器に用いる加速管には、高電界加速の実現とビームエミッタンスの増大を抑制することが要求されており、更に２〜３年程度で数千台規模の量産を可能にするものでなくてはならない[1,2]。そこで、高エネルギー加速器研
究機構では、超精密ダイヤモンド旋盤加工[3]と銅同士の拡散接合[4]を基礎技術として、これまでに周波数離散加速空洞（DS）[1]や減衰を併用した DS（DDS）[5]の開発研究を行ってきた。今回は、加速効率を向上させるために空洞内部の形状をなめらかな球形に近づける設計[6]に基づいた空洞（RDDS）を開発した[7]。本稿では、加速モード及び高次モードの周波数を必要な精度に制御するための加工、測定技術を述べると共に、電気測定情報を加工指示に反映させた方法を採用することにより、良い精度の加速管構成パーツの製作を実証できたことに関する詳細を述べる。
1.

A

要求性能
基本構成要素となるディスクの形状を図１に示す。
高次モードを伝達すべき４本の円形マニフォールドと空洞内のモードを結合させるためのスリット等は３次元構造を有するが、空洞内の大部分は２次元断面で表される回転対称構造である。加速（TM0）モード（F0）と HEM1 モード（F1）の周波数制御に敏感な寸法は、空洞半径"b"、ビームホール半径"a"、スリット幅"w"である。周波数に関する要求精度と寸法に対する感度をまとめると、2.

要求精度
ランダム
3 MHz
3 MHz

F0F1
周波数感度δf/δaF0+0.6〜+0.4
F1+0.1〜-0.5となる。ランダム誤差に対しては、空洞内形状に関する輪郭度を２μとすることにより達成されるはずである。また、加速モード F0 に関する公差は、加速管にわたっての積分位相スリップ量を５度に抑えるようフィードフォワードをかける加工工程を採用することにより、自動的に達成されるはずである。
F1 に関する許容系統誤差の評価は明確には確立していないが、特別の分布形状でなければ２〜３MHz程度と考えられているので、これも自動的に満たされるような結果になると考えている。
荒加工
無酸素銅の円柱から円盤を切り出し、旋盤の荒加工・端面研磨・３次元加工部仕上げ加工を経てアニールを行う。この後、超精密旋盤にて仕上げ加工を行う。注意の必要なことは、３次元加工部分は荒加工段階が既に仕上げ加工に対応していることである。
3.

A‑A'（単位 MHz）
系統<< 1 MHz〜a few MHz（単位 MHz/µm）
δf/δb
δf/δw
-1.2-1/15-1.2-1/15A'

図１ RDDS ディスクの概念図*) T. Higo, 0298-64-5226, toshiyasu.higo@kek.jp−138−3.1 荒加工スリット幅
３次元精密ミリングによる加工によるが、ツールを変更しない限り、数μ以内のばらつきに抑えられ、ドリフトも非常にゆっくりしたものであるので、必要であれば±５μ程度に将来的には公差を厳しくすることも可能であろう。図２に、最終加工後に３次元測定器にて確認したスリット幅の測定値を示す。
RDDS1

3mm slit width (average of 8 slits)

3.02
3.015

Width [mm]

3.01
3.005
32.9952.992.985
2.98050100150200Disk

図２ ３㎜スリット幅測定値
3.2 端面端面の平面度や傷等は、超精密旋盤加工での真空チャッキング特性に直接響くものであり、研磨を行って５μm 以下の平面度とした。

加工終了後、次のディスクを加工中に、直前に加工したディスクの外径を、静電ギャップセンサー（マイクロセンス）を用いて精度良く基準との比較測定する。図３に、全てのディスクを加工終了後に同様の測定方法で再度測定した結果を示す。公差±１μに対して、0.75μを連続して越す場合は、工具位置を再セットすることとした。その結果、公差内には十分に収まる加工が実現できていることが分かる。
5.2 アイリス直径 "2a"とセル内直径"2b"半径方向は、周波数制御に重要な寸法であり、本件では外周基準で決定した後は旋盤の制御に託している。この旋盤の相対移動精度は充分良いと考えてよく、実際図４に示す半径方向の２パラメータ"a"と"b"の相関は１μ以内でとれていることがわかる。
このような校正制御方法により加工した２００個のディスクの"2b"測定値を図５に示す。これは、３次元測定器（ZEISS CARAT850）を用いて直径１㎜のプローブを使用し測低圧 0.2N での測定結果である。
２〜３μ程度のオフセットは、アニール済みの銅表面をプロービングする場合のプローブのめりこみ量にほぼ匹敵することが分かっているので、この結果より輪郭度２μ相当の制御が実現されていることがわかる。
RDDS1

2a to 2b correlation

0.005

精密加工技術の確立
輪郭度２μを実現するためには、以下の３点が重要である。
１．正確なダイヤモンド工具刃先の形状把握
２．工具刃先の精密な位置だし
３．工具の（ｘ、ｚ）２軸での正確な移動１項に対しては、工具の刃先真円度が 0.1μ級で充分良いことを仮定して、半球を削ってその真円度を測定することにより、0.3μ程度の評価が可能である。
２項に関しては、適宜真空チャック面をセルフカットすることによりＺ方向の原点校正を行い、外周を正確に測定トレースして、必要に応じて半径方向の原点にオフセットを与えることによりＲ方向の原点校正を正確に行うことができる。３項は、旋盤の制御パラメータを最適化することにより、0.5μ以内の制御が保証される。

4.

40

del̲2b [mm]0.003

0.0020.001

000.001

0.0020.003

0.0040.005

del̲2a [mm]図４"a"、"b"間の相関RDDS1

del̲2b0.0050.004

del̲2b [mm]OD measured by MicroSense
50

Number of smaples

0.004

0.003

0.002

0.001

30200050

100‑2 ‑1.5 ‑1 ‑0.5 00.5

11.5

OD deviation [micron]2

図３ 外周直径のずれ測定値
5. 加工結果 寸法計測結果
5.1 外周直径

図５100
Disk number

150200"2b"測定値

5.3 平面度、平行度
拡散接合を想定したディスク製作であるので、端面の平面度公差（0.5μ）、面粗度公差（50nm）は重要であるが、前者に関しては、95％以上が満たされ後の加工分の"2b"にオフセットをかけることにした。
オフセット量は 1μ強までであり、図８に示した。
これから分かるように、積分位相誤差を数度内に抑えることが可能であることが実証できた。
Accelerating mode frequency data
32b offset [micron]Frequency [MHz]Integrated Phase Slip [degree]ていることを干渉計で確認した。後者はこれまでの経験より充分クリアーしていると考えている。
平行度は、端面内の４点の厚さを測定することにより、端面が平面であることを仮定して、フィットにより平行度を算出し、結果を図６に示した。５％程度のディスクが若干公差はずれとなっていることが分かるが、ブックシェルフ（ディスクの傾き角）の許容量 50μrad に対して小さいので問題にならない。但し、加工特性上何故このような平行度の悪いディスクができるかは不明で、把握しておく必要があると考えている。
RDDS1Parallelism between to end plates
2015ny [microradian]

102b offset [micron]Freq. meas. & estim. [MHz]Integ. phase

2φ10‑12b‑2‑30550100150200

Disk number0

図８ フィードフォワード量（破線）と加速モード
周波数測定値（○）及び積分位相誤差（実線）‑5‑10‑15‑20‑20‑10‑505101520nx [microradian]

図６ 平行度測定値
加速モード周波数精密調整
前節で述べたことから、３次元ミリング加工部分の加工精度や、２次元超精密旋盤加工部分の加工精度は、周波数精度で約１MHz に制御することが可能な加工方法を得ていることがわかる。ランダム誤差の要求はこれで自動的に満たされている。図７に、各ディスクの代表的なモードの周波数のスムーズ曲線からのずれを示したが、これよりσで 1MHz より充分良いなめらかさを実現できていることが分かる。
6.

Single‑disk Stack RF‑QC
del̲sf00
del̲sf0pi
del̲sf1pi
del̲sf20

2Frequency̲measured

[MHz]

1. 5
10. 50‑0.5‑1‑1.5‑20

図７議論
ダイヤモンド工具を用いた超精密旋盤加工を用いて、RDDS を校正するディスク 200 枚程度を輪郭度２μ相当で加工し、その精度を機械的な測定より確認した。初めての RDDS ディスク加工ということもあり、１日の加工量は極めて保守的な８枚程度で進めたが、先に加工したディスクの電気的測定を後の加工ディスクの寸法オフセットに反映させ、加速モードの加速管全体に渡る実効周波数精度を極めて良くすることが実証できた。
ある確率で平行度の悪いディスクが生じたが、原因はチャック面の傷やゴミ等が考えられるが特定できていないので、将来の課題として残っている。また、ビームアイリス両側の同心度が２μ程度のものが破壊検査でいくつか見つかっているが、これに関してはスピンドルの動作特性に関連しており、詳しい追加調査が必要である。
最終仕上げ加工において、ダイヤモンド工具のチッピングにより取り替えが生じて今回は４個のチップを使用した。交換に要する手間暇を考えると、量産対応の長寿命のチップまたは切削方法の開発が必要であると考える。
また、加工時間の内訳は、主にチャッキング後の心出しと、最終加工時の３㎜/min の遅い切削速度支配されているので、これらの時間短縮を狙った開発にこれから取りかかるべきである。
7.

‑1550100
Disk number

150200

単一ディスク周波数測定値

これにひきかえ加速モードの周波数要求精度はずっと厳しいので、フィードフォワード法を採用することにした。番号の若い、即ち周波数の位相ずれに対する感度の低い方から加工を進め、６ディスク毎の加速モード周波数の絶対値を測定し、位相シフト誤差を評価してその積分量が大きくならないように

参考文献[1] JLC Design Study, KEK Report 97-1, 1997.
[2] ZDR, SLAC Report 474, 1996.
[3] Y. Higashi et al., KEK Report 00-1.
[4] Y. Higashi et al., KEK Report 00-2.
[5] T. Higo et al., Proceedings of the 1999 Particle Accelerator
Conference, p3417, New York, 1999.
[6] Z. Li et al.,同上, p3480.
[7] J. Wang et al., 同上, p3423.