Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan (September 6—8,1995,Osaka, Japan)

EXPLOSIVE FORMING OF L-BAND COPPER 3-CELL CAVITIESFUJINO,Takeo

INOUE, Hitoshi

ONO, Masaki

SAITO, Kenji NOGUCHI, Shuichi

KAKO, Eiji SHISHIDO, Toshio

National Laboratory for High Energy Physics (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305 Japan

ABSTRACTThe explosive forming o f L-band copper 3-cell cavity has been tried to fabricate seamlesscavities. The forming material is seamless copper tubes with 85 mm diameter, 4 or 6 mm thickand 600 mm long. If this manufacturing method could be successfully developed, it will bringmany benefits to superconducting rf cavities as fabrication cost reduction, use o f Nb/Cu cladcavities and so on. In this paper, we present a result of the feasibility study of this method for
multi-cell cavities.
爆発成型法による L •バ ン ド 3 セル銅空洞の試作

1 . はじめにの成型に適用できれば、時間的にも経済的にも超伝導リニアコライダーの実現には、空洞の高他の製法よりも良さそうである。しかし実際に性能化のみならず、製作費の大幅なコストダウは、空洞の加工は形状的な形作りだけでなく、ン化が重要な鍵となる。現在採用されているニ加 速空洞の性能に関わる内面状態の問題も含オブ超伝導空洞の製作方法は、深絞りで ハ ー フ

むから、爆発力による表面の肌の状態や火薬にセルを成型した後、それらを一個々電子ビームよる表層への化学的な影響等、多くの検討を加溶接で接続している。 このため工程数が多くなり、作業時間や製作費の増大を招いている。こえ、総合的に爆発成型による加工法の良否を判断しなければならない。の問題を解決するために、シームレス管を爆発

ここに、爆発成型法による多連空洞の製作の可成型法で一体成型して多連の空洞を製作する能性について報告する。

方法を試みた。
爆 発成型は高エネルギー且つ高速度の加工法

2 • 爆発成型

で、一般的には水中で爆薬を爆発させ、それに今回はとりあえず、爆発成型で空洞の形に成型よつて生ずる衝撃波の高い圧力を利用して瞬できるか否かと云う、形状的な面を確認するた時に材料を変形さ せ る 塑 性 加 工 法 の 一 つ で あめに三連の L バンド空洞の成型を試みた。

る。 この方法は加工速度が速いため、油圧成型被成型材料としてニオブ材に比較的近い抗張(バルジ成型）に比べて塑性加工の際の変形量力を有する銅材のシームレス管を使用した。 こが大きいと云われている。もしこれが多連空洞のものの形状寸法は外径ゐ8 5 m m X 肉 厚 4

及 び 6 m m X 管 長 6 0 Omm である。 この管を治具内の中心部に配置し、管内の中心部の軸方
向 に 導 爆 線 [標 準 薬 量 1 0 g / m、 火 薬 種 ：四3 本の場合の径方向の張り出し率は、それぞれ最 大 1 5 . 1 %と 2 8 . 4 % であった。 また肉厚

硝酸ペン夕エリスリッ卜、化 学 式 ：6 m m の管については導爆線 6 本の時、張り出し率の最大値が 4 9 .2 %であった。更 に 1 2 本C(CH20N02)4、爆速 6 0 0 0 〜 6 5 0 0 m /束ねて使用した時はアイリス部で破断した。 こs e c ] を仕掛けた。 爆発力と変形量の関係を知の時の最大の張り出し率は 8 4 • 1% であった。

るために、 肉厚 4 m m の管に対して、導爆線の最大張り出し部における管の肉厚は、 4 mm 厚

数 をそれぞれ 1 本 、 3 本、 6 本 、 9 本束ねた 4さの管において 2 . 2 m m 、ま た 6 m m 肉厚管で種類のものを使用した。また肉厚 6 mm の管に3 . 2 m m に減少した。

対しては、 9 本 と 1 2 本 の 2 種類を使用した。
なお導爆線は起爆装置で点火して、導火線を介4 . 考察して爆発させる。

管 の破壊は最初に ア イ リ ス 部 に お い て 軸 方 向この一連の爆発成型の作業は中国化薬株式会の破断が生じ、次に赤道部で径方向（たが方向）社吉井工場で行った。そして爆薬の点火作業はの亀裂が起こっている。これは爆発によって径この工場の水槽設備を使って、成型治具をホイ方向に管壁が張り出す際に、治具のアイリス型

ス ト で 吊 っ た 状 態 で 水 深 約 l m に沈めて行っ部 分 で 被 塑 性 物である管壁の軸方向への動きた。

が拘束されると同時に、アイリス型の比®^的尖

図 1 に爆発成型に用いた治具と銅管及び、管内った突起部を支点にして、この点の両側の管壁に装填した導爆線を写真で示す。

が張り出し方向に引っ張られ、突起物によってへし切られるものと推定される。そして、この3 • 結果場 合に発生するへし切りの応力はたが応力よ

図 2 に導爆線の本数と管の張り出し量及びそり大きいと思われる。 この理由として、もし突

この肉厚の変化の関係を示す。

起物がなく、しかも管壁の動きが拘束されてい肉厚 4 m m の管に関して、導 爆 線 6 本を同時にない状態の薄肉円筒管に内圧が加われば、管の爆発させた場合はアイリス部（空洞小径部）に長手方向に発生する引っ張り応力は円の接線おいて軸方向に切断した。爆発により塑性変形方向に起こるたが応力よりも小さいから、長手して素管が径方向に張り出した量（率） を、張方向の破断よりも先に径方向の亀裂が生じる

り 出 し 前 の 素 管 の 径 を 1 と し て 1 0 0 分率ではずである。

表せば、この時の最も大きい値は 6 6 .6 %であ

図 2 のグラフから、 4 m m 肉厚管について張りった。ま た 9 本の時はアイリス部の切断に加え、出し量を約 4 0 %にするには、導爆線の本数を赤道部（空洞大径部）に相当する位置において4 本 、また約 5 0 %で は 5 本の導爆線が必要な径方向（たが方向） に亀裂を生じた。 この場合ことが推定できる。破壊せずに安全に成型できの張り出し率は 1 1 4 . 7 %であり、空洞の赤道る張り出しの限界値を、銅 材 の J I S 規格の伸径 （空洞大径） と ア イ リ ス 径 （空洞小径）とのび率を参照して 4 0 %に見積れば、導爆線数は設 計値の差を 1 として、張り出しの完成度の程4 本が妥当であろう。また一回の張り出し量が度 を 1 0 0 分率で示せば、この量は最終張り出4 0 %で も 5 0 %のいずれでも成型回数は共に同じ回数（推 定 3 回）が必要であるから 、 1しの7 3 . 7 %に相当する。更 に 導 爆 線 1 本及び回 の 張 り 出 し 量 の 少 な い 4 本の導爆線を用い肉厚を調整する作業が増える。また肉厚の増加る方がなにかにつけて理にかなっている。に伴う管の重量増によって材料費が高額になる。従ってこのような問題を含まないように、

5 . おわりに張り出し部分の肉厚が減少しないような前段

1 回の爆発成型では空洞形状に加工できず、多階 成 型 法 を 考 す べ き で あ る 。この件に関して、段階の成型が必要である。 この場合、肉厚 4m

バルジ成型法を採用することで、アイリス部分mの管に対して、 1 回当たりの張り出し量を元で管を拘束しないで、 しかも管軸にそって管をの 径 の 4 0 % に抑えるのがが妥当な線であろ

張り出し部分に押し込めることができるので、う。従ってく 3 回の爆発成型と熱処理を繰り返

最大張り出し径の部分の肉厚の減少を防げらすことで空洞の形に す る こ と が で き る と 予 想れそうでる。

される。 しかしこれについては、成型回数と張現在、油圧方式のバルジ成型やスプリングにより出し量の関係や肉厚変化との関係等、多段階る素管の軸方向への押し込み機構を付加した成型法の技術的な諸問題及び多段階成型法の爆発成型方式等を検討しつっ、前段階の成型方経済性の問題に対する詳細な検討を要する。

法 の開発を含 め た 爆 発 成 型 に よ る 空 洞 の 製 作

図 2 のグラフで示す如く、アイリス部で管が拘について追求ている。更に、銅管の内壁に薄肉束された 4 mm肉厚管の場合、張り出し率が2のニオブ管を爆着した、シームレスC u ， N b

8 •4 %になった時の肉厚減少は0 . 8 mmで比クラッド管の試作を計画している。 この管を材較的大きい。しかし仕上がった空洞の肉厚を設料にして爆発成型法で空洞を製作すれば、全体計値に保つために、予め肉厚の大きい素管を採がニオブ材から成る空洞よりも一層経済的で用することは、成型後の空洞各部の著しい肉厚ぁる。

差を生じるから、後加工として空洞壁の各部の《凡例ro : 最大張1)出し量(肉厚4rnfr^• : 最大張1)出し量(肉厚4mm> (破壊）n : 最大張9出し量(肉厚6mm>
麵：最大張0出しi (肉厚6mm> (破壊）X : 張り出し部の肉厚(素管時4mm)▲ : 張り出し部の肉厚(素管時6mm>iE>

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図l 成型治具と銅管及び導爆線

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図2 導爆線の本数と径方向の最大張9 出し量及びその部分の肉厚のとの関係