超伝導加速器空洞の製造方法、超伝導加速器空洞、超伝導加速器空洞の製造装置
【課題】超伝導加速器空洞に対して、欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制する。
【解決手段】超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接し、前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する。次いで、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する。
【解決手段】超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接し、前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する。次いで、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導加速器空洞の製造方法、超伝導加速器空洞、超伝導加速器空洞の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超伝導加速器空洞は、内部空洞の複数のセルの連接部を電子ビーム溶接することで、製作コストが安く、前記複数のセルからなるマルチセルのアイリス部に溶接欠陥を生じないようにして製造している(例えば、特許文献１等)。
【０００３】
しかしながら、前記セルは、一般に金型を用いたプレス加工で成形するものであるため、高精度にプレス加工しても、その真円度や肉厚分布は各々のセルで微妙に異なる。したがって、これらを連接させてその接続部を電子ビーム溶接する場合、真円度や肉厚の微妙な相違による溶接部のずれや隙間の影響を受け、ボイドや凹みなどの欠陥が発生する場合がある。
【０００４】
また、前記電子ビーム溶接は溶融溶接であるため、スパッタの発生する場合もあり、平滑な内表面が要求される加速器の性能を低下させる。また、電子ビーム溶接は、局所的ではあるが溶融・凝固を伴うので、これによる変形が発生してしまう場合がある。
【０００５】
したがって、特許文献１に記載の方法では、上述した溶接部のずれや隙間、ボイド、凹み及び上記スパッタに伴う欠陥の発生によって、前記超伝導加速器空洞の内表面の平滑性が損なわれてしまうので、加速周波数の減少等の加速器の性能低下につながっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−４７５６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超伝導加速器空洞に対して、上述のような欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接する工程と、前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する工程と、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する工程と、を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造方法に関する。
【０００９】
上記態様によれば、目的とする超伝導加速器空洞の構成要素である複数の内部空洞セルの連接部を、前記複数の内部空洞セル内に配置したガイド部材で保持するとともに、前記連接部の外側を摩擦攪拌接合し、これによって前記複数の内部空洞セルを互いに接合するようにしている。したがって、前記連接部におけるずれや隙間等を生じることがなく、また、ボイドや凹みなどの欠陥の発生も抑制することができる。さらに、上述したような摩擦攪拌接合を用いて、前記複数の内部空洞セルの前記連接部を結合するようにしているので、溶接の場合のようなスパッタが生じることもない。
【００１０】
したがって、最終的に得た超伝導加速器空洞の内表面を十分平滑に保持することができ、加速周波数の減少等の加速器の性能低下を抑制することができる。
【００１１】
なお、特開２００５−２５９４１５号公報には、摩擦攪拌接合を用いることによって、真空チェンバの端部に設置する冷却チャンネルを接合する技術が開示されている。しかしながら、上記特許文献に記載された技術は真空チャンバに対する冷却チャンネルの接合に関するものであって、本発明の技術と分野を異にする。また、上記特許文献では、接合すべき冷却チャンネルの内部にガイド部材を配置して保持した状態で、その外側を摩擦攪拌接合によって接合するという、本発明の上記態様に係わる技術については何ら開示されていない。したがって、上記特許文献は、本発明の引例等には該当しないものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導加速器空洞に対して、欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図２】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図３】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図４】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図５】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図６】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図７】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図８】第２の実施形態におけるガイド部材の断面図である。
【図９】図９に示すガイド部材の分割立体図である。
【図１０】第２の実施形態におけるガイド部材で端部セル及び中間セルを保持した状態を示す図である。
【図１１】第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１２】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１３】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１４】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１５】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１６】第４の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１７】第５の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１８】第６の実施形態における摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細並びにその他の特徴及び利点について説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１〜図４は、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。図１は、前記超伝導加速器空洞を構成する、複数の内部空洞セルの構成を示す図であり、図２は、本実施形態で使用する超伝導加速器空洞の製造装置であり、図３及び図４は、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造工程を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態では、バルジ加工された筒状であって内部が空洞の端部セル１１と中間セル１２とを準備する。本実施形態では、中間セル１２の数を３とし、合計５つのセルを用いているが、セルの数は得ようとする超伝導加速器空洞の長さ等に起因して任意に決定することができる。
【００１７】
また、各セルの肉厚は例えば２．５ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることができ、セル１１及び１２の最少径部分（いわゆるアイリス部）１１Ａ及び１２Ａは、例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度とすることができ、セル１１及び１２の最大径部分（いわゆる赤道部）１１Ｂ及び１２Ｂは、２００ｍｍ〜３００ｍｍとすることができる。また、各セルの長さは例えば１００ｍｍとすることができる。
【００１８】
なお、各セルは超伝導材料からなることが必要であり、本実施形態では、例えばＮｂから構成することができる。
【００１９】
また、本実施形態では、図１から明らかなように、セル１１及びセル１２間、並びにセル１２同士の連接部１３には、各セルの最少径部分１１Ａ及び１２Ａが位置しており、かかる部分を以下に説明する摩擦攪拌接合で接合する。
【００２０】
また、図２に示す超伝導加速器空洞の製造装置２０は、筐体２１と、その略中心部において、筐体２１の高さ方向に延在するようにして設けられた軸２２と、軸２２に対して支持固定された複数のガイド部材２３とを有している。なお、軸２２の上端及び下端は、それぞれ筐体２１の上面及び下面に固定されている。また、複数のガイド部材２３は、それぞれ軸２２の延在方向において、所定の間隔、具体的には以下に示すように、図１に示す複数の内部空洞セル１１及び１２を図２に示す製造装置２０内、すなわち筐体２１内に設置した際に、ガイド部材２３の側面がそれらの連接部１３に位置するようにして配置する。
【００２１】
なお、図２から明らかなように、ガイド部材２３は、軸２２の延在方向と垂直に延在するようにして軸２２に対して支持固定されている。なお、特に図示しないが、以下に説明するように、ガイド部材２３は、セル内部に配置され、連接部１３を内側から保持するので、連接部１３の形状に合わせて例えば円盤状に形成されており、中央部に軸２２を貫通させるための貫通孔が形成されている。したがって、ガイド部材２３の軸２２に対する支持固定は、例えば前記貫通孔を介して行う。
【００２２】
さらに、図２に示す製造装置２０は、摩擦攪拌接合装置２５を有している。この摩擦攪拌接合装置２５は、複数の内部空洞セル１１及び１２の連接部１３に対して実際に摩擦攪拌接合を生ぜしめるための摩擦攪拌プローブ２５Ａ、この摩擦攪拌プローブ２５Ａをガイド部材２３の延在方向と平行に移動させるとともに、自転及び軸２２を中心としてその周りに回転させるための水平円周駆動機構２５Ｂ、及び摩擦攪拌プローブ２５Ａを軸２２の延在方向と平行に移動させるための上下駆動機構２５Ｃを有している。
【００２３】
なお、摩擦攪拌接合装置２５は、筐体２１に対して、上述した水平移動や回転移動を妨害しないような、図示しない治具によって支持されている。
【００２４】
次に、図３及び図４に基づいて、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法について説明する。
【００２５】
最初に、図３に示すように、端部セル１１を筐体２１の底部に挿入して内面をガイド部材２３で支持して保持する。次いで、端部セル１１上に中間セル１２を載せてセル固定具２７で固定する。また、端部セル１１と中間セル１２との連接部１３は、その内側からこれらセル内部に位置するガイド部材２３で保持する。
【００２６】
この状態で、摩擦攪拌接合装置２５の摩擦攪拌プローブ２５Ａを、水平円周駆動機構２５Ｂによって、連接部１３内に近接させて挿入し、自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、連接部１３の外側において摩擦攪拌接合が施されることになり、端部セル１１と中間セル１２とが互いに接合されるようになる。
【００２７】
次いで、図４に示すように、摩擦攪拌接合された中間セル１２上に、図１に示す中間セル１２及び端部セル１１を順次に乗せ、上記同様に、それらの連接部１３を、その内側からガイド部材２３で保持する。そして、摩擦攪拌接合装置２５を上下駆動機構２５Ｃで摩擦攪拌接合を行うべき連接部１３の位置まで移動させる。その後、上記同様にして、水平円周駆動機構２５Ｂによって摩擦攪拌プローブ２５Ａを連接部１３内に近接させて挿入し、自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、連接部１３の外側において摩擦攪拌接合が施されることになり、既に摩擦攪拌接合が行われた中間セル１２上に載置された中間セル１２同士及び端部セル１１と中間セル１２とが互いに接合されるようになる。
【００２８】
以上のような工程を経ることによって、目的とする超伝導加速器空洞を得ることができる。
【００２９】
一例として、摩擦攪拌プローブ２５Ａの自転の回転速度は２０００ｒｐｍとすることができ、軸２２周りの回転速度は２００ｍｍ／分とすることができる。また、摩擦攪拌プローブ２５Ａの連接部１３に対する挿入深さは、連接部１３を貫通しないようにすることが必要であり、例えば連接部１３の肉厚を３ｍｍとした場合、２．９ｍｍとすることができる。
【００３０】
なお、摩擦攪拌接合は、通常、端部セル１１及び中間セル１２の積層順に行うが、前記積層順序とは無関係に任意の順番で行うことができる。
【００３１】
また、上記摩擦攪拌接合において、摩擦攪拌プローブ２５Ａが軸２２の周りを１回転して連接部１３の接合が完了した後は、摩擦攪拌プローブ２５Ａを連接部１３より引抜く。
【００３２】
本実施形態においては、最終的に得た超伝導加速器空洞に対して、欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【００３３】
但し、前記超伝導加速器空洞の性能低下はその内表面の平滑性に依存するので、その外表面の平滑性については特に問題とされない。したがって、摩擦攪拌プローブ２５Ａの連接部１３からの引き抜きが遅れて接合がオーバーラップし、連接部１３の外側の平滑性が低いような場合においても、上記超伝導加速器空洞の性能には影響を与えない。
【００３４】
また、本実施形態では、図２に示す製造装置を縦方向に配置して、連接部１３における摩擦攪拌接合を縦方向において順次に行うようにしているが、前記製造装置を横向きにして、連接部１３における摩擦攪拌接合を横方向において順次に行うようにすることもできる。
【００３５】
また、端部セル１１及び中間セル１２を、図３及び図４に示すようにして、製造装置２０内に設置する以前に、それぞれの連接部１３を点溶接等で予め仮付けしておくことができる。これによって、これらセル１１及び１２を製造装置２０内に設置する際において、互いの連接部１３がずれてしまい、摩擦攪拌接合が十分に行われなくなるという不都合を防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、各セルの最少径部分１１Ａ及び１２Ａを連接部１３として摩擦攪拌接合で接合するようにしているが、各セルの最大径部分１１Ｂ及び１２Ｂを連接部として摩擦攪拌により接合することができる。この場合、端部セル１１及び中間セル１２の構成は図５に示すようになり、それぞれ最大径部分が各セルの端部に位置するようになる。また、図５に示すようなセルを図２に示す製造装置２０に設置した場合は、例えば図６に示すようになり、従来のガイド部材２３に加えて、最大径部分１１Ｂ及び１２Ｂの連接部１３を、内側から保持するための追加のガイド部材２９を設ける。
【００３７】
追加のガイド部材２９は、図７に示すように、複数のガイド部材片２９−１から２９−８からなり、８等分に分割できるように構成されている。これによって、総ての連接部１３に対する摩擦攪拌接合が終了し、目的とする超伝導加速器空洞が形成された後、追加のガイド部材２９を分解することによって、前記超伝導加速器空洞から取り出すことができる。但し、前記超伝導加速器駆空洞から取り出すことができれば、追加のガイド部材２９の分割態様は特に限定されるものではなく、例えば４等分、６等分等に分割することができ、また等分割でなくてもよい。なお、追加のガイド部材２９の中心部には、軸２２を貫通させるための貫通孔２９Ｃが設けられている。
【００３８】
また、特に図２等では示していないが、ガイド部材２３中にはヒータを内蔵することができ、前記摩擦攪拌接合と同時にあるいは先立って、連接部１３を予備的に加熱することができる。この場合、連接部１３が前記加熱によって軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、上記第１の実施形態の、ガイド部材２３に対して変更を加えたものである。したがって、以下では、ガイド部材２３の構成について詳述する。なお、上記第１の実施形態と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００４０】
図８は、本実施形態におけるガイド部材２３の断面図であり、図９は、本実施形態におけるガイド部材２３の分割立体図である。また、図１０は、本実施形態におけるガイド部材２３で端部セル１１及び中間セル１２を保持した状態を示す図である。
【００４１】
図８に示すように、本実施形態のガイド部材２３は、その主面２３Ａと垂直な方向、すなわち端部セル１１及び中間セル１２の接合方向において２分割されるように構成されている。また、図１０に示すように、例えばガイド部材２３によって端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３を内側から保持する際には、その側面２３Ｂが連接部１３の内側の面に密接するようになっている。すなわち、ガイド部材２３の側面２３Ｂは、連接部１３の内側の面形状の少なくとも一部と同一となるように構成している。
【００４２】
なお、図８及び図９に示すように、ガイド部材２３には、図１０に示すようにして、摩擦攪拌接合に供する場合に、上記第１の実施形態で説明したように、軸２２で支持固定する必要があるので、中心部において貫通孔２３Ｃが形成されている。
【００４３】
したがって、上述のようにして摩擦攪拌接合を実施して連接部１３の結合を実施した場合に、連接部１３はガイド部材２３の側面２３Ｂによって十分に保持されるようになるので、摩擦攪拌プローブ２５Ａの押圧力が大きいような場合においても、摩擦攪拌接合後において、連接部１３の変形等を防止することができる。結果として、最終的に得た超伝導加速器空洞の内表面の平滑性を十分に確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【００４４】
なお、上記摩擦攪拌接合は、上記第１の実施形態の場合と同様に、図２に示すような製造装置において、ガイド部材２３を本実施形態のもので置換することによって実施することができる。
【００４５】
なお、ガイド部材２３を図８及び図９に示すように２分割しているのは、図１０に示すような状態で摩擦攪拌接合を実施し、上記超伝導加速器空洞を形成した後にガイド部材２３が分割できないと、ガイド部材２３を連接部１３から取り外すことができないためである。したがって、ガイド部材２３を得られた超伝導加速器空洞から取り外すことが出来さえすれば、ガイド部材２３は２分割に限定されるものではなく、３分割あるいは４分割以上とすることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、ガイド部材２３を構成する上ガイド部材２３−１及び下ガイド部材２３−２のそれぞれにヒータ２８が内蔵されている。このヒータ２８は、金属パイプの中心に発熱コイルが保持され、その周囲をＭｇＯ層などで絶縁するように構成したものである。ヒータ２８に対する導線２８Ａは、図９に示すような構成でガイド部材２３（すなわち、上ガイド部材２３−１及び下ガイド部材２３−２）の外方に取り出され、ヒータ２８に対して電流の供給が行われるようになっている。
【００４７】
なお、ガイド部材２３がヒータ２８を内蔵するので、上述したように、前記摩擦攪拌接合と同時にあるいは先立って、連接部１３を予備的に加熱することができる。したがって、連接部１３が前記加熱によって軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
本実施形態は、上記第１の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第１の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００４９】
図１１〜図１５は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、各図面においては、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００５０】
本実施形態では、最初に、図１１に示すように、例えば、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３側に段部１１Ｃ及び１２Ｃを設けた状態で、端部セル１１及び中間セル１２を連接する。すると、形成された連接部１３には、段部１１Ｃ及び１２Ｃからなる溝部１３Ａが形成され、これによって、連接部１３には薄肉部１３Ｂが形成されるようになる。
【００５１】
次いで、図１２に示すように、連接部１３を、上記第２の実施形態の図８で示すような構成のガイド部材２３（但し、ヒータは内蔵されていない）で、セル１１及び１２の内側より密接するようにして保持し、上記実施形態同様に、薄肉部１３Ｂに対して摩擦攪拌プローブ２５Ａによって摩擦攪拌接合を行い、図１３に示すように連接部１３を接合する。なお、前記摩擦攪拌接合は、上述したように、図２に示すような製造装置２０を用いて、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００５２】
次いで、図１４に示すように、連接部１３をガイド部材２３で保持した状態で、摩擦攪拌接合した連接部１３の溝部１３Ａに対して肉盛形成プローブ３５Ａを押圧して接触させるとともに摩擦攪拌させ、溝部１３Ａを埋設するようにして肉盛層３６を形成する（図１５）。なお、肉盛形成プローブ３５Ａの操作は、基本的には摩擦攪拌プローブ２５Ａの操作と同様であり、図示しない、上述した水平円周駆動機構２５Ｂと類似の駆動機構によって、肉盛形成プローブ３５Ａを溝部１３Ａに押圧した状態で自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、肉盛形成プローブ３５Ａの先端部が摩擦によって削り取られ、溝部１３Ａ内に付着することによって上記肉盛層３６となる。
【００５３】
本実施形態では、連接部１３の薄肉部１３Ｂに対して摩擦攪拌接合を行うので、摩擦攪拌プローブ２５Ａを挿入し、自転及び軸２２周りに移動させる際の抵抗が減少する。したがって、前記自転の速度等を向上させることができる。このため、連接部１３の摩擦攪拌接合をより簡易に短時間で行うことができる。一例として、連接部１３の肉厚が３ｍｍの場合に薄肉部１３Ｂの厚さを１．５ｍｍとすると、摩擦攪拌プローブ２５Ａの自転の回転速度を、第１の実施形態における２０００ｒｐｍから３６００ｒｐｍにまで増大させることができる。
【００５４】
なお、肉盛層３６は、セルと同じ超伝導材料から構成する。また、肉盛層３６は、セルの外側に形成されるものであるので、肉盛層３６の形成によって多少の凹凸が形成されたとしても、セルの内側の平滑性には影響を与えない。したがって、上記超伝導加速器空洞の性能には影響を与えない。
【００５５】
また、本実施形態では、第２の実施形態に示すようなガイド部材２３を用いているので、その側面２３Ｂが連接部１３の内側の面形状の少なくとも一部と同一となり、連接部１３の内側の面に密接する。したがって、上述のようにして摩擦攪拌接合を実施して連接部１３の結合を実施した場合に、連接部１３はガイド部材２３の側面２３Ｂによって十分に保持されるようになるので、摩擦攪拌プローブ２５Ａの押圧力が大きいような場合においても、摩擦攪拌接合後において、連接部１３の変形等を防止することができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
本実施形態は、上記第３の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第３の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００５７】
図１６は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、図１６は、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００５８】
本実施形態は、上記第３の実施形態における摩擦攪拌接合前の、いわゆる前処理工程に相当するものである。すなわち、本実施形態では、上記第３の実施形態と同様に、例えば、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３側に段部１１Ｃ及び１２Ｃを設けた状態で端部セル１１及び中間セル１２を連接して溝部１３Ａ及び連接部１３を形成した後に、押圧治具４５によって薄肉部１３Ｂ、すなわち連接部１３をガイド部材２３の側面２３Ｂに対して押圧し、連接部１３の内面形状がガイド部材２３の側面２３Ｂの面形状と合致するように、連接部１３の前記内面形状を矯正する。
【００５９】
本実施形態によれば、後の摩擦攪拌接合及び肉盛形成の工程を経ても、連接部１３の内面形状をガイド部材２３の側面２３Ｂの面形状と合致させておくことができるので、連接部１３の内面の平滑性を向上させることができる。したがって、目的とする超伝導加速器空洞の内表面の平滑性を向上させることができ、前記超伝導加速器空洞の性能劣化を十分に抑制することができる。
【００６０】
なお、摩擦攪拌接合及び肉盛形成の各工程は、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００６１】
本実施形態では、連接部１３において薄肉部１３Ｂを形成し、この薄肉部１３Ｂを押圧治具４５によってガイド部材２３の側面２３Ｂに押圧するようにしているが、薄肉部１３Ｂを形成することなく、連接部１３を押圧治具４５によってガイド部材２３の側面２３Ｂに押圧してもよい。但し、後者の場合は、肉厚が大きくなるので、押圧する際により大きな押圧力が必要となるとともに、押圧自体が不十分となり、連接部１３の内面形状をガイド部材２３の側面２３Ｂと十分に合致させることができない場合がある。
【００６２】
（第５の実施形態）
本実施形態は、上記第３の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第３の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００６３】
図１７は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、図１７は、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００６４】
本実施形態は、上記第３の実施形態における摩擦攪拌接合と同時に、ガイド部材２３を、その貫通孔２３Ｃを貫通する軸２２の周りに回転させる。このとき、ガイド部材２３の側面２３Ｂは、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３の薄肉部１３Ｂに密接しているので、上述した回転に伴って、連接部１３とガイド部材２３との間には摩擦が生じ、摩擦熱が発生するようになる。したがって、薄肉部１３Ｂは上記摩擦熱によって加熱されるようになる。
【００６５】
結果として、上記実施形態でヒータを用いた場合と同様に、前記摩擦熱による加熱によって薄肉部１３Ｂが加熱軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００６６】
なお、摩擦攪拌接合及び肉盛形成の各工程は、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００６７】
本実施形態では、連接部１３において薄肉部１３Ｂを形成し、この薄肉部１３Ｂを上記摩擦熱で加熱するようにしているが、薄肉部１３Ｂを形成することなく、連接部１３を上記摩擦熱で加熱することもできる。但し、後者の場合は、肉厚が大きくなるので、上記摩擦熱による加熱が不十分となり、上記摩擦攪拌接合にさほど影響を与えない場合がある。
【００６８】
（第６の実施形態）
本実施形態は、上記実施形態の変形例に相当するものであり、上記実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。なお、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００６９】
図１８は、図２に示す製造装置２０の摩擦攪拌接合装置２５の部分を抽出して示す上平面図である。第１の実施形態等においては、摩擦攪拌接合装置２５は、単一の摩擦攪拌プローブ２５Ａのみを有していたが、本実施形態においては、合計３つの摩擦攪拌プローブ２５Ａ−１，２５Ａ−２及び２５Ａ−３を有している。
【００７０】
本実施形態においては、合計３つの摩擦攪拌プローブ２５Ａ−１，２５Ａ−２及び２５Ａ−３を用いてセルの連接部１３の摩擦攪拌接合を行うので、連接部１３の摩擦攪拌接合に要する時間を短縮化することができる。また、連接部１３の未接合箇所に摩擦攪拌プローブが到達する以前に、かかる箇所の接触が弱くなったり、ずれが生じたりするのを防止することができ、連接部１３の接合をより確実に行うことができるようになるとともに、接合後における連接部１３の寸法精度を向上させることができる。
【００７１】
なお、摩擦攪拌プローブの数は、本実施形態で示したように３つに限定されるものではなく、必要に応じて任意の数とすることができる。
【００７２】
また、上述した合計３つの摩擦攪拌プローブの１つあるいは２つを肉盛形成プローブとすることもできる。この場合、上記第４の実施形態で説明した、連接部１３の溝部１３Ａにおける肉盛層３６の形成を、連接部１３の薄肉部１３Ｂの摩擦攪拌接合と並行させて行うことができる。
【００７３】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００７４】
例えば、第３の実施形態以降では、主として端部セル１１と中間セル１２との連接部１３に対する摩擦攪拌接合等の操作について述べているが、当然に中間セル１２同士の連接部１３に対しても適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１ 端部セル
１２ 中間セル
１３ セルの連接部
１３Ａ 溝部
１３Ｂ 薄肉部
２０ 超伝導加速器空洞の製造装置
２１ 筐体
２２ 軸
２３ ガイド部材
２３−１ 上ガイド部材
２３−２ 下ガイド部材
２３Ａ ガイド部材の主面
２３Ｂ ガイド部材の側面
２３Ｃ ガイド部材の貫通孔
２５ 摩擦攪拌接合装置
２５Ａ 摩擦攪拌プローブ
２５Ｂ 水平円周駆動機構
２５Ｃ 上下駆動機構
２７ セル固定具
２８ ヒータ
２９ 追加のガイド部材
２９−１〜２９−８ ガイド部材片
３５Ａ 肉盛形成プローブ
４５ 押圧治具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導加速器空洞の製造方法、超伝導加速器空洞、超伝導加速器空洞の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超伝導加速器空洞は、内部空洞の複数のセルの連接部を電子ビーム溶接することで、製作コストが安く、前記複数のセルからなるマルチセルのアイリス部に溶接欠陥を生じないようにして製造している(例えば、特許文献１等)。
【０００３】
しかしながら、前記セルは、一般に金型を用いたプレス加工で成形するものであるため、高精度にプレス加工しても、その真円度や肉厚分布は各々のセルで微妙に異なる。したがって、これらを連接させてその接続部を電子ビーム溶接する場合、真円度や肉厚の微妙な相違による溶接部のずれや隙間の影響を受け、ボイドや凹みなどの欠陥が発生する場合がある。
【０００４】
また、前記電子ビーム溶接は溶融溶接であるため、スパッタの発生する場合もあり、平滑な内表面が要求される加速器の性能を低下させる。また、電子ビーム溶接は、局所的ではあるが溶融・凝固を伴うので、これによる変形が発生してしまう場合がある。
【０００５】
したがって、特許文献１に記載の方法では、上述した溶接部のずれや隙間、ボイド、凹み及び上記スパッタに伴う欠陥の発生によって、前記超伝導加速器空洞の内表面の平滑性が損なわれてしまうので、加速周波数の減少等の加速器の性能低下につながっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−４７５６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超伝導加速器空洞に対して、上述のような欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接する工程と、前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する工程と、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する工程と、を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造方法に関する。
【０００９】
上記態様によれば、目的とする超伝導加速器空洞の構成要素である複数の内部空洞セルの連接部を、前記複数の内部空洞セル内に配置したガイド部材で保持するとともに、前記連接部の外側を摩擦攪拌接合し、これによって前記複数の内部空洞セルを互いに接合するようにしている。したがって、前記連接部におけるずれや隙間等を生じることがなく、また、ボイドや凹みなどの欠陥の発生も抑制することができる。さらに、上述したような摩擦攪拌接合を用いて、前記複数の内部空洞セルの前記連接部を結合するようにしているので、溶接の場合のようなスパッタが生じることもない。
【００１０】
したがって、最終的に得た超伝導加速器空洞の内表面を十分平滑に保持することができ、加速周波数の減少等の加速器の性能低下を抑制することができる。
【００１１】
なお、特開２００５−２５９４１５号公報には、摩擦攪拌接合を用いることによって、真空チェンバの端部に設置する冷却チャンネルを接合する技術が開示されている。しかしながら、上記特許文献に記載された技術は真空チャンバに対する冷却チャンネルの接合に関するものであって、本発明の技術と分野を異にする。また、上記特許文献では、接合すべき冷却チャンネルの内部にガイド部材を配置して保持した状態で、その外側を摩擦攪拌接合によって接合するという、本発明の上記態様に係わる技術については何ら開示されていない。したがって、上記特許文献は、本発明の引例等には該当しないものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導加速器空洞に対して、欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図２】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図３】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図４】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図５】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図６】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図７】同じく、第１の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図８】第２の実施形態におけるガイド部材の断面図である。
【図９】図９に示すガイド部材の分割立体図である。
【図１０】第２の実施形態におけるガイド部材で端部セル及び中間セルを保持した状態を示す図である。
【図１１】第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１２】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１３】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１４】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１５】同じく、第３の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１６】第４の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１７】第５の実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。
【図１８】第６の実施形態における摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細並びにその他の特徴及び利点について説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１〜図４は、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法を説明するための図である。図１は、前記超伝導加速器空洞を構成する、複数の内部空洞セルの構成を示す図であり、図２は、本実施形態で使用する超伝導加速器空洞の製造装置であり、図３及び図４は、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造工程を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態では、バルジ加工された筒状であって内部が空洞の端部セル１１と中間セル１２とを準備する。本実施形態では、中間セル１２の数を３とし、合計５つのセルを用いているが、セルの数は得ようとする超伝導加速器空洞の長さ等に起因して任意に決定することができる。
【００１７】
また、各セルの肉厚は例えば２．５ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることができ、セル１１及び１２の最少径部分（いわゆるアイリス部）１１Ａ及び１２Ａは、例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度とすることができ、セル１１及び１２の最大径部分（いわゆる赤道部）１１Ｂ及び１２Ｂは、２００ｍｍ〜３００ｍｍとすることができる。また、各セルの長さは例えば１００ｍｍとすることができる。
【００１８】
なお、各セルは超伝導材料からなることが必要であり、本実施形態では、例えばＮｂから構成することができる。
【００１９】
また、本実施形態では、図１から明らかなように、セル１１及びセル１２間、並びにセル１２同士の連接部１３には、各セルの最少径部分１１Ａ及び１２Ａが位置しており、かかる部分を以下に説明する摩擦攪拌接合で接合する。
【００２０】
また、図２に示す超伝導加速器空洞の製造装置２０は、筐体２１と、その略中心部において、筐体２１の高さ方向に延在するようにして設けられた軸２２と、軸２２に対して支持固定された複数のガイド部材２３とを有している。なお、軸２２の上端及び下端は、それぞれ筐体２１の上面及び下面に固定されている。また、複数のガイド部材２３は、それぞれ軸２２の延在方向において、所定の間隔、具体的には以下に示すように、図１に示す複数の内部空洞セル１１及び１２を図２に示す製造装置２０内、すなわち筐体２１内に設置した際に、ガイド部材２３の側面がそれらの連接部１３に位置するようにして配置する。
【００２１】
なお、図２から明らかなように、ガイド部材２３は、軸２２の延在方向と垂直に延在するようにして軸２２に対して支持固定されている。なお、特に図示しないが、以下に説明するように、ガイド部材２３は、セル内部に配置され、連接部１３を内側から保持するので、連接部１３の形状に合わせて例えば円盤状に形成されており、中央部に軸２２を貫通させるための貫通孔が形成されている。したがって、ガイド部材２３の軸２２に対する支持固定は、例えば前記貫通孔を介して行う。
【００２２】
さらに、図２に示す製造装置２０は、摩擦攪拌接合装置２５を有している。この摩擦攪拌接合装置２５は、複数の内部空洞セル１１及び１２の連接部１３に対して実際に摩擦攪拌接合を生ぜしめるための摩擦攪拌プローブ２５Ａ、この摩擦攪拌プローブ２５Ａをガイド部材２３の延在方向と平行に移動させるとともに、自転及び軸２２を中心としてその周りに回転させるための水平円周駆動機構２５Ｂ、及び摩擦攪拌プローブ２５Ａを軸２２の延在方向と平行に移動させるための上下駆動機構２５Ｃを有している。
【００２３】
なお、摩擦攪拌接合装置２５は、筐体２１に対して、上述した水平移動や回転移動を妨害しないような、図示しない治具によって支持されている。
【００２４】
次に、図３及び図４に基づいて、本実施形態における超伝導加速器空洞の製造方法について説明する。
【００２５】
最初に、図３に示すように、端部セル１１を筐体２１の底部に挿入して内面をガイド部材２３で支持して保持する。次いで、端部セル１１上に中間セル１２を載せてセル固定具２７で固定する。また、端部セル１１と中間セル１２との連接部１３は、その内側からこれらセル内部に位置するガイド部材２３で保持する。
【００２６】
この状態で、摩擦攪拌接合装置２５の摩擦攪拌プローブ２５Ａを、水平円周駆動機構２５Ｂによって、連接部１３内に近接させて挿入し、自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、連接部１３の外側において摩擦攪拌接合が施されることになり、端部セル１１と中間セル１２とが互いに接合されるようになる。
【００２７】
次いで、図４に示すように、摩擦攪拌接合された中間セル１２上に、図１に示す中間セル１２及び端部セル１１を順次に乗せ、上記同様に、それらの連接部１３を、その内側からガイド部材２３で保持する。そして、摩擦攪拌接合装置２５を上下駆動機構２５Ｃで摩擦攪拌接合を行うべき連接部１３の位置まで移動させる。その後、上記同様にして、水平円周駆動機構２５Ｂによって摩擦攪拌プローブ２５Ａを連接部１３内に近接させて挿入し、自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、連接部１３の外側において摩擦攪拌接合が施されることになり、既に摩擦攪拌接合が行われた中間セル１２上に載置された中間セル１２同士及び端部セル１１と中間セル１２とが互いに接合されるようになる。
【００２８】
以上のような工程を経ることによって、目的とする超伝導加速器空洞を得ることができる。
【００２９】
一例として、摩擦攪拌プローブ２５Ａの自転の回転速度は２０００ｒｐｍとすることができ、軸２２周りの回転速度は２００ｍｍ／分とすることができる。また、摩擦攪拌プローブ２５Ａの連接部１３に対する挿入深さは、連接部１３を貫通しないようにすることが必要であり、例えば連接部１３の肉厚を３ｍｍとした場合、２．９ｍｍとすることができる。
【００３０】
なお、摩擦攪拌接合は、通常、端部セル１１及び中間セル１２の積層順に行うが、前記積層順序とは無関係に任意の順番で行うことができる。
【００３１】
また、上記摩擦攪拌接合において、摩擦攪拌プローブ２５Ａが軸２２の周りを１回転して連接部１３の接合が完了した後は、摩擦攪拌プローブ２５Ａを連接部１３より引抜く。
【００３２】
本実施形態においては、最終的に得た超伝導加速器空洞に対して、欠陥の発生を抑制して内表面の平滑性を確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【００３３】
但し、前記超伝導加速器空洞の性能低下はその内表面の平滑性に依存するので、その外表面の平滑性については特に問題とされない。したがって、摩擦攪拌プローブ２５Ａの連接部１３からの引き抜きが遅れて接合がオーバーラップし、連接部１３の外側の平滑性が低いような場合においても、上記超伝導加速器空洞の性能には影響を与えない。
【００３４】
また、本実施形態では、図２に示す製造装置を縦方向に配置して、連接部１３における摩擦攪拌接合を縦方向において順次に行うようにしているが、前記製造装置を横向きにして、連接部１３における摩擦攪拌接合を横方向において順次に行うようにすることもできる。
【００３５】
また、端部セル１１及び中間セル１２を、図３及び図４に示すようにして、製造装置２０内に設置する以前に、それぞれの連接部１３を点溶接等で予め仮付けしておくことができる。これによって、これらセル１１及び１２を製造装置２０内に設置する際において、互いの連接部１３がずれてしまい、摩擦攪拌接合が十分に行われなくなるという不都合を防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、各セルの最少径部分１１Ａ及び１２Ａを連接部１３として摩擦攪拌接合で接合するようにしているが、各セルの最大径部分１１Ｂ及び１２Ｂを連接部として摩擦攪拌により接合することができる。この場合、端部セル１１及び中間セル１２の構成は図５に示すようになり、それぞれ最大径部分が各セルの端部に位置するようになる。また、図５に示すようなセルを図２に示す製造装置２０に設置した場合は、例えば図６に示すようになり、従来のガイド部材２３に加えて、最大径部分１１Ｂ及び１２Ｂの連接部１３を、内側から保持するための追加のガイド部材２９を設ける。
【００３７】
追加のガイド部材２９は、図７に示すように、複数のガイド部材片２９−１から２９−８からなり、８等分に分割できるように構成されている。これによって、総ての連接部１３に対する摩擦攪拌接合が終了し、目的とする超伝導加速器空洞が形成された後、追加のガイド部材２９を分解することによって、前記超伝導加速器空洞から取り出すことができる。但し、前記超伝導加速器駆空洞から取り出すことができれば、追加のガイド部材２９の分割態様は特に限定されるものではなく、例えば４等分、６等分等に分割することができ、また等分割でなくてもよい。なお、追加のガイド部材２９の中心部には、軸２２を貫通させるための貫通孔２９Ｃが設けられている。
【００３８】
また、特に図２等では示していないが、ガイド部材２３中にはヒータを内蔵することができ、前記摩擦攪拌接合と同時にあるいは先立って、連接部１３を予備的に加熱することができる。この場合、連接部１３が前記加熱によって軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、上記第１の実施形態の、ガイド部材２３に対して変更を加えたものである。したがって、以下では、ガイド部材２３の構成について詳述する。なお、上記第１の実施形態と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００４０】
図８は、本実施形態におけるガイド部材２３の断面図であり、図９は、本実施形態におけるガイド部材２３の分割立体図である。また、図１０は、本実施形態におけるガイド部材２３で端部セル１１及び中間セル１２を保持した状態を示す図である。
【００４１】
図８に示すように、本実施形態のガイド部材２３は、その主面２３Ａと垂直な方向、すなわち端部セル１１及び中間セル１２の接合方向において２分割されるように構成されている。また、図１０に示すように、例えばガイド部材２３によって端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３を内側から保持する際には、その側面２３Ｂが連接部１３の内側の面に密接するようになっている。すなわち、ガイド部材２３の側面２３Ｂは、連接部１３の内側の面形状の少なくとも一部と同一となるように構成している。
【００４２】
なお、図８及び図９に示すように、ガイド部材２３には、図１０に示すようにして、摩擦攪拌接合に供する場合に、上記第１の実施形態で説明したように、軸２２で支持固定する必要があるので、中心部において貫通孔２３Ｃが形成されている。
【００４３】
したがって、上述のようにして摩擦攪拌接合を実施して連接部１３の結合を実施した場合に、連接部１３はガイド部材２３の側面２３Ｂによって十分に保持されるようになるので、摩擦攪拌プローブ２５Ａの押圧力が大きいような場合においても、摩擦攪拌接合後において、連接部１３の変形等を防止することができる。結果として、最終的に得た超伝導加速器空洞の内表面の平滑性を十分に確保し、前記超伝導加速器空洞の性能低下を抑制することができる。
【００４４】
なお、上記摩擦攪拌接合は、上記第１の実施形態の場合と同様に、図２に示すような製造装置において、ガイド部材２３を本実施形態のもので置換することによって実施することができる。
【００４５】
なお、ガイド部材２３を図８及び図９に示すように２分割しているのは、図１０に示すような状態で摩擦攪拌接合を実施し、上記超伝導加速器空洞を形成した後にガイド部材２３が分割できないと、ガイド部材２３を連接部１３から取り外すことができないためである。したがって、ガイド部材２３を得られた超伝導加速器空洞から取り外すことが出来さえすれば、ガイド部材２３は２分割に限定されるものではなく、３分割あるいは４分割以上とすることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、ガイド部材２３を構成する上ガイド部材２３−１及び下ガイド部材２３−２のそれぞれにヒータ２８が内蔵されている。このヒータ２８は、金属パイプの中心に発熱コイルが保持され、その周囲をＭｇＯ層などで絶縁するように構成したものである。ヒータ２８に対する導線２８Ａは、図９に示すような構成でガイド部材２３（すなわち、上ガイド部材２３−１及び下ガイド部材２３−２）の外方に取り出され、ヒータ２８に対して電流の供給が行われるようになっている。
【００４７】
なお、ガイド部材２３がヒータ２８を内蔵するので、上述したように、前記摩擦攪拌接合と同時にあるいは先立って、連接部１３を予備的に加熱することができる。したがって、連接部１３が前記加熱によって軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
本実施形態は、上記第１の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第１の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００４９】
図１１〜図１５は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、各図面においては、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００５０】
本実施形態では、最初に、図１１に示すように、例えば、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３側に段部１１Ｃ及び１２Ｃを設けた状態で、端部セル１１及び中間セル１２を連接する。すると、形成された連接部１３には、段部１１Ｃ及び１２Ｃからなる溝部１３Ａが形成され、これによって、連接部１３には薄肉部１３Ｂが形成されるようになる。
【００５１】
次いで、図１２に示すように、連接部１３を、上記第２の実施形態の図８で示すような構成のガイド部材２３（但し、ヒータは内蔵されていない）で、セル１１及び１２の内側より密接するようにして保持し、上記実施形態同様に、薄肉部１３Ｂに対して摩擦攪拌プローブ２５Ａによって摩擦攪拌接合を行い、図１３に示すように連接部１３を接合する。なお、前記摩擦攪拌接合は、上述したように、図２に示すような製造装置２０を用いて、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００５２】
次いで、図１４に示すように、連接部１３をガイド部材２３で保持した状態で、摩擦攪拌接合した連接部１３の溝部１３Ａに対して肉盛形成プローブ３５Ａを押圧して接触させるとともに摩擦攪拌させ、溝部１３Ａを埋設するようにして肉盛層３６を形成する（図１５）。なお、肉盛形成プローブ３５Ａの操作は、基本的には摩擦攪拌プローブ２５Ａの操作と同様であり、図示しない、上述した水平円周駆動機構２５Ｂと類似の駆動機構によって、肉盛形成プローブ３５Ａを溝部１３Ａに押圧した状態で自転させるとともに軸２２の周りに回転させる。これによって、肉盛形成プローブ３５Ａの先端部が摩擦によって削り取られ、溝部１３Ａ内に付着することによって上記肉盛層３６となる。
【００５３】
本実施形態では、連接部１３の薄肉部１３Ｂに対して摩擦攪拌接合を行うので、摩擦攪拌プローブ２５Ａを挿入し、自転及び軸２２周りに移動させる際の抵抗が減少する。したがって、前記自転の速度等を向上させることができる。このため、連接部１３の摩擦攪拌接合をより簡易に短時間で行うことができる。一例として、連接部１３の肉厚が３ｍｍの場合に薄肉部１３Ｂの厚さを１．５ｍｍとすると、摩擦攪拌プローブ２５Ａの自転の回転速度を、第１の実施形態における２０００ｒｐｍから３６００ｒｐｍにまで増大させることができる。
【００５４】
なお、肉盛層３６は、セルと同じ超伝導材料から構成する。また、肉盛層３６は、セルの外側に形成されるものであるので、肉盛層３６の形成によって多少の凹凸が形成されたとしても、セルの内側の平滑性には影響を与えない。したがって、上記超伝導加速器空洞の性能には影響を与えない。
【００５５】
また、本実施形態では、第２の実施形態に示すようなガイド部材２３を用いているので、その側面２３Ｂが連接部１３の内側の面形状の少なくとも一部と同一となり、連接部１３の内側の面に密接する。したがって、上述のようにして摩擦攪拌接合を実施して連接部１３の結合を実施した場合に、連接部１３はガイド部材２３の側面２３Ｂによって十分に保持されるようになるので、摩擦攪拌プローブ２５Ａの押圧力が大きいような場合においても、摩擦攪拌接合後において、連接部１３の変形等を防止することができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
本実施形態は、上記第３の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第３の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００５７】
図１６は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、図１６は、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００５８】
本実施形態は、上記第３の実施形態における摩擦攪拌接合前の、いわゆる前処理工程に相当するものである。すなわち、本実施形態では、上記第３の実施形態と同様に、例えば、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３側に段部１１Ｃ及び１２Ｃを設けた状態で端部セル１１及び中間セル１２を連接して溝部１３Ａ及び連接部１３を形成した後に、押圧治具４５によって薄肉部１３Ｂ、すなわち連接部１３をガイド部材２３の側面２３Ｂに対して押圧し、連接部１３の内面形状がガイド部材２３の側面２３Ｂの面形状と合致するように、連接部１３の前記内面形状を矯正する。
【００５９】
本実施形態によれば、後の摩擦攪拌接合及び肉盛形成の工程を経ても、連接部１３の内面形状をガイド部材２３の側面２３Ｂの面形状と合致させておくことができるので、連接部１３の内面の平滑性を向上させることができる。したがって、目的とする超伝導加速器空洞の内表面の平滑性を向上させることができ、前記超伝導加速器空洞の性能劣化を十分に抑制することができる。
【００６０】
なお、摩擦攪拌接合及び肉盛形成の各工程は、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００６１】
本実施形態では、連接部１３において薄肉部１３Ｂを形成し、この薄肉部１３Ｂを押圧治具４５によってガイド部材２３の側面２３Ｂに押圧するようにしているが、薄肉部１３Ｂを形成することなく、連接部１３を押圧治具４５によってガイド部材２３の側面２３Ｂに押圧してもよい。但し、後者の場合は、肉厚が大きくなるので、押圧する際により大きな押圧力が必要となるとともに、押圧自体が不十分となり、連接部１３の内面形状をガイド部材２３の側面２３Ｂと十分に合致させることができない場合がある。
【００６２】
（第５の実施形態）
本実施形態は、上記第３の実施形態の変形例に相当するものであり、上記第３の実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。
【００６３】
図１７は、本実施形態における製造方法の工程図である。なお、図１７は、図１に示す破線で囲まれた領域Ａの部分を拡大して示している。また、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００６４】
本実施形態は、上記第３の実施形態における摩擦攪拌接合と同時に、ガイド部材２３を、その貫通孔２３Ｃを貫通する軸２２の周りに回転させる。このとき、ガイド部材２３の側面２３Ｂは、端部セル１１及び中間セル１２の連接部１３の薄肉部１３Ｂに密接しているので、上述した回転に伴って、連接部１３とガイド部材２３との間には摩擦が生じ、摩擦熱が発生するようになる。したがって、薄肉部１３Ｂは上記摩擦熱によって加熱されるようになる。
【００６５】
結果として、上記実施形態でヒータを用いた場合と同様に、前記摩擦熱による加熱によって薄肉部１３Ｂが加熱軟化するので、上記摩擦攪拌接合を短時間で、良好な状態の下に行うことができる。
【００６６】
なお、摩擦攪拌接合及び肉盛形成の各工程は、上記実施形態と同様にして実施することができる。
【００６７】
本実施形態では、連接部１３において薄肉部１３Ｂを形成し、この薄肉部１３Ｂを上記摩擦熱で加熱するようにしているが、薄肉部１３Ｂを形成することなく、連接部１３を上記摩擦熱で加熱することもできる。但し、後者の場合は、肉厚が大きくなるので、上記摩擦熱による加熱が不十分となり、上記摩擦攪拌接合にさほど影響を与えない場合がある。
【００６８】
（第６の実施形態）
本実施形態は、上記実施形態の変形例に相当するものであり、上記実施形態に対して特徴的な部分のみを説明する。なお、上記第１の実施形態等と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００６９】
図１８は、図２に示す製造装置２０の摩擦攪拌接合装置２５の部分を抽出して示す上平面図である。第１の実施形態等においては、摩擦攪拌接合装置２５は、単一の摩擦攪拌プローブ２５Ａのみを有していたが、本実施形態においては、合計３つの摩擦攪拌プローブ２５Ａ−１，２５Ａ−２及び２５Ａ−３を有している。
【００７０】
本実施形態においては、合計３つの摩擦攪拌プローブ２５Ａ−１，２５Ａ−２及び２５Ａ−３を用いてセルの連接部１３の摩擦攪拌接合を行うので、連接部１３の摩擦攪拌接合に要する時間を短縮化することができる。また、連接部１３の未接合箇所に摩擦攪拌プローブが到達する以前に、かかる箇所の接触が弱くなったり、ずれが生じたりするのを防止することができ、連接部１３の接合をより確実に行うことができるようになるとともに、接合後における連接部１３の寸法精度を向上させることができる。
【００７１】
なお、摩擦攪拌プローブの数は、本実施形態で示したように３つに限定されるものではなく、必要に応じて任意の数とすることができる。
【００７２】
また、上述した合計３つの摩擦攪拌プローブの１つあるいは２つを肉盛形成プローブとすることもできる。この場合、上記第４の実施形態で説明した、連接部１３の溝部１３Ａにおける肉盛層３６の形成を、連接部１３の薄肉部１３Ｂの摩擦攪拌接合と並行させて行うことができる。
【００７３】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００７４】
例えば、第３の実施形態以降では、主として端部セル１１と中間セル１２との連接部１３に対する摩擦攪拌接合等の操作について述べているが、当然に中間セル１２同士の連接部１３に対しても適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１ 端部セル
１２ 中間セル
１３ セルの連接部
１３Ａ 溝部
１３Ｂ 薄肉部
２０ 超伝導加速器空洞の製造装置
２１ 筐体
２２ 軸
２３ ガイド部材
２３−１ 上ガイド部材
２３−２ 下ガイド部材
２３Ａ ガイド部材の主面
２３Ｂ ガイド部材の側面
２３Ｃ ガイド部材の貫通孔
２５ 摩擦攪拌接合装置
２５Ａ 摩擦攪拌プローブ
２５Ｂ 水平円周駆動機構
２５Ｃ 上下駆動機構
２７ セル固定具
２８ ヒータ
２９ 追加のガイド部材
２９−１〜２９−８ ガイド部材片
３５Ａ 肉盛形成プローブ
４５ 押圧治具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接する工程と、
前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する工程と、
前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する工程と、
を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項２】
前記内部空洞セルは塑性加工されており、前記連接部は前記内部駆動セルの最小径部分に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項３】
前記内部空洞セルは塑性加工されており、前記連接部は前記内部駆動セルの最大径部分に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項４】
前記ガイド部材はヒータを内蔵しており、前記ヒータによって前記複数の内部空洞セルの前記連接部を加熱する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項５】
前記ガイド部材は、その側面が前記連接部の前記内側の面に密接するようにして設けるとともに、その主面と垂直な前記複数の内部空洞セルの接合方向において、少なくとも２以上に分割するように構成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項６】
前記連接部を、押圧治具を用いて前記ガイド部材の前記側面に押圧し、前記連接部の前記内側の面形状を前記側面の面形状と合致するように矯正する工程を具えることを特徴とする、請求項５に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌接合は、前記連接部の前記外側に溝形成することによって形成された薄肉部に対して行い、
前記摩擦攪拌接合を実施した後に、摩擦攪拌により、前記溝を埋設するようにして肉盛層を形成する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項８】
前記ガイド部材を所定の中心軸の周りに回転させ、前記ガイド部材の前記側面と前記連接部との間に発生した摩擦熱によって、前記連接部を加熱する工程を具えることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌接合は、前記連接部の複数の箇所において同時に行うことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一に記載の方法で製造されたことを特徴とする、超伝導加速器空洞。
【請求項１１】
超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接することにより形成された連接部の内側を保持し、前記複数の内部空洞セルの内部に配置されるガイド部材と、
前記ガイド部材を支持固定し、前記ガイド部材の延在方向と垂直に延在する軸部材と、
前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌プローブ及び前記摩擦攪拌プローブを前記ガイド部材の前記延在方向と平行に移動させるとともに自転及び前記軸回りに回転移動させ、かつ前記軸部材の延在方向と平行に移動させる駆動装置を有し、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合するための摩擦攪拌混合装置と、
前記軸部材及び前記摩擦攪拌混合装置を保持するための筐体と、
を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造装置。
【請求項１２】
前記ガイド部材は、前記複数の内部空洞セルの前記連接部を加熱するためのヒータを内蔵していることを特徴とする、請求項１１に記載の超伝導加速器空洞の製造装置。
【請求項１３】
前記ガイド部材は、その側面が前記連接部の前記内側の面形状の少なくとも一部と同一であり、前記軸部材の前記延在方向において、少なくとも２以上に分割するように構成されたことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の超伝導加速器空洞の製造装置。
【請求項１】
超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接する工程と、
前記複数の内部空洞セルの連接部の内側を、前記複数の内部空洞セルの内部に配置したガイド部材で保持する工程と、
前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合する工程と、
を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項２】
前記内部空洞セルは塑性加工されており、前記連接部は前記内部駆動セルの最小径部分に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項３】
前記内部空洞セルは塑性加工されており、前記連接部は前記内部駆動セルの最大径部分に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項４】
前記ガイド部材はヒータを内蔵しており、前記ヒータによって前記複数の内部空洞セルの前記連接部を加熱する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項５】
前記ガイド部材は、その側面が前記連接部の前記内側の面に密接するようにして設けるとともに、その主面と垂直な前記複数の内部空洞セルの接合方向において、少なくとも２以上に分割するように構成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項６】
前記連接部を、押圧治具を用いて前記ガイド部材の前記側面に押圧し、前記連接部の前記内側の面形状を前記側面の面形状と合致するように矯正する工程を具えることを特徴とする、請求項５に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌接合は、前記連接部の前記外側に溝形成することによって形成された薄肉部に対して行い、
前記摩擦攪拌接合を実施した後に、摩擦攪拌により、前記溝を埋設するようにして肉盛層を形成する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項８】
前記ガイド部材を所定の中心軸の周りに回転させ、前記ガイド部材の前記側面と前記連接部との間に発生した摩擦熱によって、前記連接部を加熱する工程を具えることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌接合は、前記連接部の複数の箇所において同時に行うことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の超伝導加速器空洞の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一に記載の方法で製造されたことを特徴とする、超伝導加速器空洞。
【請求項１１】
超伝導材料から構成される複数の内部空洞セルを互いに連接することにより形成された連接部の内側を保持し、前記複数の内部空洞セルの内部に配置されるガイド部材と、
前記ガイド部材を支持固定し、前記ガイド部材の延在方向と垂直に延在する軸部材と、
前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌プローブ及び前記摩擦攪拌プローブを前記ガイド部材の前記延在方向と平行に移動させるとともに自転及び前記軸回りに回転移動させ、かつ前記軸部材の延在方向と平行に移動させる駆動装置を有し、前記複数の内部空洞セルの前記連接部の外側を摩擦攪拌接合して、前記複数の内部空洞セルを互いに接合するための摩擦攪拌混合装置と、
前記軸部材及び前記摩擦攪拌混合装置を保持するための筐体と、
を具えることを特徴とする、超伝導加速器空洞の製造装置。
【請求項１２】
前記ガイド部材は、前記複数の内部空洞セルの前記連接部を加熱するためのヒータを内蔵していることを特徴とする、請求項１１に記載の超伝導加速器空洞の製造装置。
【請求項１３】
前記ガイド部材は、その側面が前記連接部の前記内側の面形状の少なくとも一部と同一であり、前記軸部材の前記延在方向において、少なくとも２以上に分割するように構成されたことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の超伝導加速器空洞の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−１９２２６８（Ｐ２０１０−１９２２６８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３５８４３（Ｐ２００９−３５８４３）
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]