JP4144078B2 - 超伝導加速空洞の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導加速空洞、特に円筒形の中央部が膨らんだ異形の金属製中空体よりなる超伝導加速空洞の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から一品一品をバフ研磨できないような小物部品の場合には、バレルと呼ばれる６角筒ないし８角筒形状をした中空の容器内に研磨メディアと多数個の小物部品を入れて、バレルに回転力や振動さらには遠心力を作用させ、小物部品を研磨メディアと共擦りすることによって研磨する方法がある。しかるにこの方法は、バレルに収容できる部品のサイズが、バレルの内容積サイズに拘束されることや必然的に部品の内外面を含めた全表面を研磨加工してしまい、本来、研磨してはならない部分の研磨ダレ発生という問題を呈することがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、素粒子の加速に利用するニオブ製超伝導加速空洞を製作する場合には、板状ニオブ材を基本として、これに曲げ加工、プレス加工、旋盤加工などを施して、図６に示すように、パイプや半円状の皿状物を部品として成形しておく。部品がパイプの場合には、突き合わせ部を一旦先に電子ビーム溶接しておく。その後、これらの部品を合わせて電子ビーム溶接する前に、従来は部品の段階で一旦バフ研磨して、表面の傷、成形シワ、表面クラックなどを除去すると共に平滑化し、最後に電子ビーム溶接して一体化し、空洞となしている。そして、空洞となした後は、接合部の溶接ビードを除去すると共に溶接時に飛散し付着したスパッターボールを除去するために、グラインダによる内面局部研磨を行っている。つまり、部品の段階で幾らバフ研磨しておいても、その後、部品を一体化する工程で再度電子ビーム溶接するので、溶接ビード等を除去するための何らかの研磨除去工程が必須となっている。ところが、空洞によっては赤道部が異常に偏平な形状をしたものもあるので、グラインダ等では内面研磨することさえ不可能な場合もある。特に、シングルセル空洞が多連結化し、５セル空洞ないし９セル空洞のようになると、事実上、溶接ビードとスパッターボールの除去が不可能になっていた。
【０００４】
本発明は、何点かの部品を事前にバフ研磨やその他の手段により研磨することなく無研磨のままで溶接接合して一体化し、超伝導加速空洞のための金属製中空体とした後でも、中空体の内面のみを選択的に物理研磨して溶接ビードの除去や溶接に伴って付着したスパッターボールを除去し得るだけでなく、金属スケールや成形時に生じた金属表面のシワやクラック等をも除去して平滑化する効果的な手段を提供しようとするもので、部品段階でのバフ研磨工程並びに電子ビーム溶接後の局部研磨工程を無くし、通常の物理的研磨加工が不可能な形状の超伝導加速空洞に対しても著しく有効な製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来の技術として記述した小物部品の表面の大量研磨方法として知られているバレルと称される６角筒ないし８角筒形状をした筒状容器内に研磨メディアと共に同時に研磨すべき物品を多数個投入して、回転や振動などを付与することによって研磨するバレル研磨法に着目したが、金属製中空体、例えばニオブ材からなる超伝導加速空洞に利用する金属製中空体の場合には、全く適用できないことが判明した。つまり、この場合には、ニオブの板材を出発材料として、曲げ加工、プレス加工、切削加工、電子ビーム溶接加工からなる極めて複雑な工程を経て製作されているのであるが、物理的研磨によって平滑化すべき対象箇所は、その性能に影響を及ぼす内面に限定されており、外面を研磨加工することは無意味であり、また、無駄でもある。さらに、加速空洞の場合には、使用する加速周波数帯と設計上の諸問題などで、一般にそのサイズが全長で少なくとも１ｍ以上となることの方が多く、従来のバレル研磨と称する研磨手法が適用できるような状態ではない。
【０００６】
そこで、本発明者らは、その両端に開口部を有する加速空洞の如き金属製中空体を物理的に研磨する方法として、空洞自体をバレルとして研磨メディアをその空間部分に部分充填し、該中空体の軸芯を中心に回転させる方法の効果を詳細に検討し、空洞の内容積に対する研磨メディアの占有容積、回転速度（回転数）、一定周期ごとの反転の有無、研磨メディアの種類とそのサイズ、研磨助剤（水、界面活性剤）の有無等が研磨除去量を左右するものの、従来までの加速空洞の製作工程として必須であった部品毎のバフ研磨を削除でき、いきなり電子ビーム溶接して空洞とすることができる見通しが得られた。しかしながら、従来、バフ研磨で除去していたニオブ厚や電子ビーム溶接後のビードの必要除去厚から勘案すると必然的に必要研磨除去厚は、５０μｍ以上と見積もられ、これを達成するには少なくとも９日以上に及ぶ長時間の連続研磨作業となることが予想された。したがって、金属製中空体の内部に、研磨メディアを投入して物理的に研磨する手法は、その可能性はあっても短期間で効率良く実施するという工業的な目的に対しては、コスト的に許容できるものではない。
【０００７】
上述の内面物理研磨に関係する諸要因の中で影響の大きい因子について、図８に示すような単純な円筒形状で設計・製作した研磨検証用ニオブ製チューブを利用し、中空体の内部に投入する研磨メディアの容量を一定として、連続２４時間の内面研磨を実施した結果は、表１のようになる。
【０００８】
【表１】

表１において、Ｎｏ．Ｊの“反転を加えた周期的回転”とは、ニオブ製チューブを１０分ごとに正逆転させたものである。また、Ｎｏ．ＫとＮｏ．Ｌの“揺動”とは、ニオブ製チューブの軸方向に対して、両端の開口部を上下方向にスイングさせ、２分間周期で上下動させたものである。研磨メディアの詳細は表２に記載のとおりである。なお、研磨助剤アリの場合、水、界面活性剤を研磨メディアと同一容積加えた。
【０００９】
【表２】

表１の２４時間の連続研磨で得られた結果を分析すると、次のような知見が得られる。まず、中空体の回転数のみが異なるＮｏ．Ａ，Ｂ，Ｄを比較すると、中空体の回転数は高い方が研磨除去量は多くなることが分かる。ただし、回転数を９０ｒｐｍより高くしても研磨除去量の改善効果は飽和するので、実用上は９０ｒｐｍ程度が上限であると言える。次に、回転数９０ｒｐｍの場合について、Ｎｏ．Ｂ，Ｃを比較すると、研磨助剤は無いよりは有る方が研磨量が２０〜３０％多くなるが、この程度では操業日数の劇的な短縮にはつながらない。次に、回転数９０ｒｐｍ、研磨助剤アリのＮｏ．Ｂの条件で、研磨メディアのみを変えたＮｏ．Ｅ〜Ｉを見ると、ＧＲＴが最も良好な結果を示すことが分かった。さらに、Ｎｏ．ＣとＮｏ．Ｊ〜Ｌを比較すると、中空体に反転を加えた周期的回転又は揺動を付与することにより、研磨除去量は約２倍程度増えることが分かった。
【００１０】
以上のことから、回転数９０ｒｐｍ、研磨助剤アリ、研磨メディアＧＲＴの条件で、さらに、中空体に反転を加えた周期的回転又は揺動を付与すれば、２４時間で１２μｍ程度の研磨除去量が見込めることが分かったが、それでも必要研磨除去厚の５０μｍを研磨するのに要する時間を求めると４日以上ということになり、コスト的に現実的ではない。また、長時間に及ぶ連続研磨を実際に行うと、投入した研磨メディアのへたり（損耗，消耗）もあり、単純に計算通りとはならないことも判明した。いずれにしても金属製中空体を回転させたり、揺動させたり、あるいは研磨メディアの種類を変えたりしても、飛躍的な研磨除去量の改善にはつながらないことは明らかである。
【００１１】
そこで、研磨除去量を劇的に増加し得る研磨方法を種々検討した結果、金属製中空体に軸芯を中心に回転を付与しつつ、該中空体の軸芯から平行に離れたポイントを基準軸として中空体自体の回転方向とは逆方向に大きく円運動させて遠心力を作用させると、中空体の内壁面に研磨メディアが押し付けられると同時に、その摩擦作用で、著しく研磨除去量の増大が計れることを発見した。
【００１２】
表３は図８に示すニオブ製検証用チューブを再び内面研磨用供試体として利用し、研磨メディアとして表１で最も良好な結果を示すＧＲＴとその比較用としてＰＫ−１０の２種類を選定し、同じくニオブ製チューブの内部に投入する研磨メディアの容量を一定にして２４時間の連続内面研磨を試みた結果を示すもので、表１で得た最大研磨除去量の約４．５倍もの研磨除去量を示している。
【００１３】
【表３】

表３の結果を表１のＮｏ．Ｃ及びＩと比較すると、１桁以上の劇的な改善がなされ、研磨メディアとしてＧＲＴを用いた場合には、研磨に要する時間を１日未満に短縮できることが分かった。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の超伝導加速空洞の製造方法に用いる内面研磨方法を実施するための装置の全体構成を示す正面図であり、図２はその右側面図である。図中、１は公転軸であり、長手方向の両端付近を一対の架台２により回転自在に支持されて固定テーブル３の上方にて水平方向に架設されている。公転軸１の長手方向一端には、歯車４が装着されており、モータ５に装着された歯車６から回転力を受けている。公転軸１には回転テーブル７が装着されている。モータ５の回転により公転軸１が回転すると、回転テーブル７は公転軸１を中心として図２の矢印Ａに示すように大きく回転する。矢印Ｂは中空体の自転方向であり、公転方向とは逆方向に設定されている。ｃは中空体の自転軸である。
【００１５】
図３は回転テーブル７の上に搭載される中空体の自転機構の詳細な構成を示す正面図であり、図４はその右側面図である。図中、８はニオブ製中空体よりなる超伝導加速空洞であり、ここでは５連構造のものを装着している。中空体８の内部には研磨メディア９が充填されている。中空体８は長手方向の両端をスリーブ１５を介してベアリング１０により軸支されており、動力伝達用の歯車１１，１２，１３を介してモータ１４から回転力を付与されることにより自転軸ｃの回りで回転する。なお、１６は異形の中空体を支持するための治具である。
【００１６】
この図１〜図４に示す装置を用いれば、図５に示すように、中空体の内部空間に研磨メディアを部分的に充填し、中空体を自転させつつ、中空体の自転軸から離れた公転軸を中心に中空体を自転方向とは逆方向に公転させることで、中空体の内面を物理的に研磨することができる。
【００１７】
（実施例）
図７に示す１．３ＧＨｚ周波数帯で利用する性能検証用ニオブ製超伝導加速空洞の内面に、＃２２０の炭化ケイ素を砥粒として含有する製品名“ＧＲＴ”なる研磨メディアを８００ｃｍ³ 、水３００ｍｌと少量の界面活性剤を投入し、両の開口部に蓋をした後、加速空洞の軸芯を中心に回転させながら、且つ空洞の回転方向とは逆方向に大きく回転させることのできる装置に装着し、空洞の回転数を１００ｒｐｍとし、遠心力を作用させるために空洞全体を逆方向に１００ｒｐｍで回転させ、２４時間継続した。その後、装置より空洞を取り外し、研磨メディア、削れた金属粉等を取り出して、洗浄、乾燥して秤量すると８５．２ｇの重量減があった。これを除去した膜厚に換算すると、６１．０μｍである。また、ビームパイプ部、アイリス部、赤道近傍と細かく分けて、超音波厚計で残存肉厚から部分的な研磨除去厚を求めると、それぞれ２１μｍ、４９μｍ、１１４μｍであり、加速空洞として、その性能を左右するアイリス部や赤道部は、満足し得る研磨除去厚となっていた。また、ビームパイプ部について表面粗さを測定すると、１．８μＲｙで、ほぼ満足できる平滑性も得られた。さらに、内視鏡でアイリス部、赤道部の電子ビーム溶接部を詳細に観察したが、溶接部と非溶接部との判別が全くつかず、スパッターボールの付着も見られず、良好な研磨仕上がり面となっていた。
【００１８】
このようにして内面を物理研磨されたニオブ製超伝導加速空洞は、続いて化学研磨あるいは電解研磨されるが、この段階での空洞内面の仕上げ状態の如何が、その性能の善し悪しを左右する。本発明の物理研磨方法によれば、赤道部の溶接ビードが選択的に除去できるという利点があり、したがって、加速空洞を経済的に、また、性能的にも安定して製作することが可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、超伝導加速空洞の内部空間に研磨メディアを部分的に充填し、前記空洞に回転を付与することにより、前記空洞の内面を物理的に研磨するようにしたので、外面の研磨が不要で内面のみを選択的に研磨したい超伝導加速空洞に適しており、特に素材が高価である場合には経済的であるという利点があり、さらに、作業環境から見ても、部品ごとのバフ研磨が粉塵公害という問題点を抱えているのに対して、本発明では、物理的に実施する研磨作業を超伝導加速空洞の内部のみに限定してしまうので、作業環境としても安全且つクリーンであるという大きな利点がある。
【００２０】
特に、請求項１の発明によれば、超伝導加速空洞そのものを自転させつつ、前記空洞の自転軸から離れた公転軸を中心に前記空洞を自転方向とは逆方向に公転させるようにしたので、研磨メディアを遠心力により前記空洞の内面に押し付ける作用が働き、これにより研磨除去量が飛躍的に増加し、短時間に研磨することができるという効果がある。また、請求項１の発明によれば、管状体の中心軸を自転軸とし、公転軸は略水平方向に設定され、自転軸は略水平方向に設定又は水平方向に対して周期的に往復傾動されるものであるから、重力の作用と遠心力の作用が相俟って、前記空洞の内面に研磨メディアを強弱をつけながら押し付けることができ、研磨効率を高めると共に研磨むらを少なくできるという効果がある。
【００２１】
さらに、請求項１の発明によれば、超伝導加速空洞を溶接接合によって形成した場合に不可避な溶接ビードの盛り上がりや溶接部近傍に飛散して金属素材の表面に付着した溶接のスパッターボールを除去すると同時に、前記空洞の内面の金属スケールや汚れ、さらには表面クラックや成型加工時に生じた表面シワ等を物理的に除去して内面を平滑に仕上げることができ、溶接接合部を有する超伝導加速空洞の製作に要する工数を大幅に削減できるものである。すなわち、従来のように、部品ごとの単体バフ研磨が不要となり、一体化した後のグラインダ研磨加工による溶接ビードやスパッターボールの除去工程も削除され、著しく工程の短縮が可能となる。さらに、従来の工法の最大の難点であった溶接ビード、溶接のスパッターボールの局部グラインダによる除去方法は、形状によっては適用することが困難ないし不可能であるという問題も同時に解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の超伝導加速空洞の製造方法に用いる内面研磨方法を実施するための装置の全体構成を示す正面図である。
【図２】 図１に示す装置の右側面図である。
【図３】 図１に示す装置の要部構成を示す正面図である。
【図４】 図１に示す装置の要部構成を示す右側面図である。
【図５】 本発明の超伝導加速空洞の製造方法に用いる内面研磨方法の概要を説明するための説明図である。
【図６】 本発明の超伝導加速空洞の製作工程を示す説明図である。
【図７】 図６の工程により製作される空洞の断面図である。
【図８】 本発明の製造方法に用いる内面研磨方法の研磨試験に用いた空洞の断面図である。
【符号の説明】
１ 公転軸
５ 公転用モータ
１４ 自転用モータ
８ 中空体（超伝導加速空洞）
９ 研磨メディア

Claims (3)

1. 全体がニオブ材にて構成され、両端に開口部を有する円筒形管状体における中央部が膨らんだ形状を有する超伝導加速空洞を少なくとも１箇所の溶接部分を含んで製造する方法であって、
   前記超伝導加速空洞は、長手方向の両端に配置される一対の円筒形パイプと、これら円筒形パイプの間に配置される少なくとも１つの膨らみ部とを備え、前記膨らみ部の最小径部分で且つ円筒形パイプとの接合部分であるアイリス部に電子ビーム溶接部を有し、
   前記膨らみ部は板状ニオブ材を皿状物に成形し、一対の皿状物をその最大径部分で電子ビーム溶接したものであり、前記膨らみ部の最大径部分である赤道部に電子ビーム溶接部を有し、
   前記円筒形パイプは板状ニオブ材を曲げ加工してパイプ状とし、突き合わせ部を電子ビーム溶接したものであり、
   複数の板状ニオブ材を加工することで前記超伝導加速空洞を構成する複数の部品を成形し、
   これら複数の部品を成形した後に研磨することなく無研磨のままで電子ビーム溶接して一体化することで空洞となし、
   前記空洞の内部空間に研磨メディアを部分的に充填し、前記管状体の中心軸を自転軸とし、前記空洞を自転させつつ、前記空洞の自転軸から離れた公転軸を中心に前記空洞を自転方向とは逆方向に公転させ、公転軸は略水平方向に設定され、自転軸は略水平方向に設定又は水平方向に対して周期的に往復傾動されることで、前記空洞の内面を物理的に研磨することを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
2. 請求項１において、一対の円筒形パイプの間に前記膨らみ部を複数個連結したことを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
3. 請求項１又は２において、内面を物理研磨されたニオブ製超伝導加速空洞は、続いて内面を化学研磨あるいは電解研磨されることを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。

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