Transcript ILC用超伝導加速空洞の製作

ＩＬＣ用超伝導加速空洞の製作
共通基盤研究施設 機械工学センター
渡邉勇一
平成24年度技術交流会
国際リニアコライダー（ILC）
超伝導加速空洞 14560台
クライオモジュール 1680台
全長 30km
5年間で製作
世界3領域で分担
空洞製造： 約1000台/年（1領域）
概要
• 国際リニアコライダー（ＩＬＣ）のような将来の大型プ
ロジェクトでは、超伝導空洞の量産技術が非常に
重要である。
• 量産化・工業生産として必要な自動化技術の開発
• 製造工程、品質管理の工程管理
• コスト削減に向けた研究開発
• このような目的で、現在、ＫＥＫ内に超伝導空洞の
量産研究を行う施設の構築を行っている。この施
設と、これを利用したＫＥＫ内での超伝導空洞の製
作について報告する。
平成24年度技術交流会
空洞製造技術開発施設（開発共用棟内 ）
超伝導空洞量産研究のための新しい施設
（Cavity Fabrication Facility 通称、CFF ）
MEC
ATF/ATF2
STF
KEK つくばキャンパス（北側上空より）
空洞製造技術開発施設 (CFF)
CP(化学研磨)室
（ 2011年3月納入）
プレス装置（2010年3月納入）
電子ビーム溶接装置
（2011年4月納入）
ハーフセル トリム用
縦旋盤装置（2010年3月納入）
平成24年度技術交流会
電子ビーム溶接機
SST社
高電圧型
150kV×100mA
巾 3200mm
奥行き 1500mm
高さ 2200mm
真空チャンバー内寸
電子銃横置き
電子銃縦置き
9連超伝導加速空洞
平成24年度技術交流会
CFFにおけるハーフセルの深絞り
プレスモーション
クランクサンプルモーション
ＣＦＦに設置されたプレス機。
サーボモーターによる制御で、
自在にプレスモーションを変化さ
せることができる。
内形ゲージによる形状測定
平成24年度技術交流会
CFFにおけるハーフセルの製作
ＫＥＫ－０１号 ９セル空洞製作のために、ニオブ製ハーフセルの深絞り
とトリミングを行った。
トリム形状は、アイリス部: 突き合わせ形状、赤道部: インロー形状
ハーフセルトリミング
ハーフセルをトリム加工用冶具に装着
赤道部をトリム（インロー形状）
アイリス部をトリム（突き合わせ形状）
スティフナ製作
端部プレス冶具でスティフナをプレス
メス型をリリース
端部プレス冶具でプレスの前後
プレス後のスティフナをセルにあわせる
平成24年度技術交流会
スティフナプレス冶具でプレス
100kgf/cm2
1号機スティフナ製作は、最終寸法でプレスして
いるため、端部カットの工程がスキップされた
電子銃縦ビードオン条件出し
Gun固定
テーブル移動
Nb □150試料
銅ブロック
アライメントターゲット
平成24年度技術交流会
バッキングプレート
電子銃縦ビードオン条件出し
表ビード
裏ビード
60kV
5mm/sec
W.D 500mm
表ビード
裏ビード
120kV
5mm/sec
W.D 500mm
平成24年度技術交流会
電子銃縦ビードオン条件出し
表ビード
裏ビード
ビード巾
ビード巾
6.75mm
6.57mm
6.63mm
6.62mm
6.65mm
6.39mm
6.61mm
6.83mm
8番
7番
6番
5番
4番
3番
2番
1番
60kV
40-38mA
120kV
20-19mA
90kV
26.5-25.5mA
150kV
16-15mA
6.36mm
6.07mm
6.77mm
6.57mm
6.26mm
6.23mm
6.60mm
6.63mm
5mm/sec
w.D 500mm
平成24年度技術交流会
60kV
U:+150mA
L:-150mA
120kV
U:+135mA
L:-145mA
90kV
U:+150mA
L:-150mA
150kV
U:+160mA
L:-180mA
U:Upper
Focus
L:Lower
Focus
電子銃横の水平打ち冶具
X軸移動用冶具
Z軸移動用冶具
バッキングプレート
銅ブロック
Nb □150試料
アライメントターゲット
電子銃横水平打ち
Gun移動上から下
テーブル固定
Gun移動下から上
テーブル固定
Gun固定
テーブル移動
平成24年度技術交流会
60kV×
40/42/38mA
120kV×
20/19/20mA
120kV×
20/22mA
150kV
×16mA
電子銃横ビードオン条件出し
平成24年度技術交流会
電子銃横ビードオン条件出し
最適溶接条件表7 Nb 2.0T 150x150
加速電圧 60kV-1　溶接速度 5mm/s W.D 500mm (Just Focus 1320mA @2.0mA)
2012年3月30日
安島、渡辺
⊿IL(mA)
フ
ォ
ー
カ
ス
電
流
値
500
7.9
□
4.9
300
290
280
270
260
7.8
○
6.5
上限値
250
7
□
4.9
240
6.7
□
1.8
230
220
7
□
4.7
200
7.8
○
7.1
7.3
○
5.6
210
190
6.7
○
5.4
180
6.75
○
6
170
160
150
140
130
7.19
○
7
7
○
7
6.79
○
6.3
5.8
□
2.8
5.8
□
3.5
6.56
○
6.3
6.7
○
7
120
110
100
90
80
70
5
□
2
5.5
○
4.8
5
○
3
33
34
35
37
38
6.42
○
7.1
× 3
39
40
41
42
43
ビーム電流値 IB(mA)
-60
-70
-80
-90
-100
4.5
○
4
5
□
1.5
-110
-120
-130
5.2
△
× 1
5.5
○
5
5.5
○
5
-140
5.9
○
4.5
-150
6 □ 3.08
× 4
×
6.1
○
6.1
-200
-210
-220
×
⊿IL : +80
⊿IL : -75
⊿IL : +40
⊿IL : -115
× 2
× 3
× 2
6.5
○
6.5
-170
-190
60kV
×40mA
× 4
6.2
○
6.9
-160
-180
120kV
×20mA
× 5
× (S)
36
下限値
5.5
○
6.5
×
4.8
○
5.5
× (S)
4.5
○
5
32
5.4
○
6.4
5
○
5
60
50
40
30
20
10
(1320) 0
-10
-20
-30
-40
-50
6.2
○
6.2
6.7
○
5.1
上限値
6.9
○
6
7
○
7
7.5
○
7
6.8
□
4.6
-230
-240
-250
-260
-270
-280
6.5
□
4
6.8
○
5.4
6.15
□
2.09
-290
-300
5.92
△
下限値
7.4
○
6
6.83
□
4.72
-500
○　正常な裏ビード形成 （印の上段表ビード巾mm、下段裏ビード巾mm）
×　溶接不良（穴あき,、スパッタ S）
△　裏ビードの形成不良（未貫通含む）
□　表ビードと裏ビードの幅の差が2mm以上の物 (上段表ビード巾mm □ 下段裏ビード巾mm）、くびれが大きいもの
IL(フォーカス電流値）を、1000mA以下には設定できない。Just Focus1320mAに対してー320mA以下はテスト不可。プログラムエラーになる。
6 ○ 3.08の表記は左側の数値は表ビード、右側の数値は裏ビード
平成24年度技術交流会
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
120kV×27,29,30mA
スロープイン 50mm固定
最適溶接条件探索
120kV×29mA
スロープイン 50mm固定
を最適とした
立ち上り 50mm
Start
30mA
27mA
29mA
L
写真右側半分
GUN横 板垂直
ビーム上から下
End
L U L L
写真左側半分
GUN横 板垂直
ビーム上から下
L : Lower Focus
U : Upper Focus
120kVx27mA
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
GUN横 板垂直
ビーム上から下
アイリス部（垂直移動）
突合わせ溶接T=2.6mm
溶接前寸法
溶接後寸法
47.88mm
48.01mm
47.66mm
Start
47.78mm
47.88mm
48.01mm
47.46mm
47.62mm
47.86mm
48.01mm
End
47.67mm
120kV×30mA
⊿L -120mA 5mm/sec
良いビード
120kV×30mA
⊿L +100mA 5mm/sec
良いビード
47.55mm
最大縮み 0.39mm
最大縮み 042mm
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
アイリス部 Nbパイプ試し打ち ビーム上から下
#1 120kV×31mA Focus -120mA ビードが太い（半周）
#2 120kV×27mA Focus -120mA きれいなビード（半周）
#3120kV×27mA Focus -80mA きれいなビード（一周）
#4120kV×27(Top)-25mA Focus -80mA きれいなビード（一周）
#5120kV×27(Top)-25mA Focus +90mA きれいなビード（一周）
#6120kV×25(Top)-24mA Focus -70mA やや細いがきれいなビード（一周）
#7120kV×25(Top)-24mA Focus +80mA 細く不安定なビード（一周）
120kV×27(Top)-25mA Focus -100mA きれいなビード、終端やや弱い（一周）
#6’ 120kV×26(Top)-25.5mA Focus -90mA きれいなビード（一周）
ビーム上から下の場合、裏ビード断面は台形
アイリス部 Nbパイプ試し打ち ビーム下から上
120kV×27(Top)-25mA Focus -100mA 穴あきビード（半周）
#4’ 120kV×24(Top)-23mA Focus -100mA きれいなビード（一周）
#5’ 120kV×24(Top)-23mA Focus -100mA Z-5mm きれいなビード（一周）
#7’120kV×25(Top)-24mA Focus +80mA 穴あき（1/3周）
#8’120kV×24(Top)-23mA Focus +100mA 穴あき（一周）
#9’120kV×24(Top)-23mA Focus +130mA きれいなビード（一周）
ビーム下から上の場合、裏ビード断面は山形（中心部が盛り上がる）
また、ビーム上から下に比べ同じ電力で穴が開きやすい傾向にある。
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
120kV×24-23mA 下から上
⊿L -100mA 5mm/sec
Slope in 45°24mA ⊿L -100mA
Slope out 60°17mA ⊿L -400mA
60° 0mA ⊿L -700mA
120kV×27-25mA 上から下
⊿L +90mA 5mm/sec
Slope in 30°22mA 30° 27mA
Slope out 60°22mA
60° 0mA
Focusを変化させながらの終端部の形状
これまでの代表的な終端部の形状
End
End
アイリス部
条件探索 T=2.6mm
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
パイプ突き合わせ
アイリス部 Nbパイプ試し打ち ビーム上から下
穴が開きにくい条件だが、裏ビードの断面形状の台形
盛り上がりが高すぎると判断した。
アイリス部 Nbパイプ試し打ち ビーム下から上
穴が開きやすい条件だが、裏ビードの断面形状が
比較的きれい。このため、パイプの突き合わせ溶接は
ビーム下から上の最適条件で行うことにした。
120kV×24(Top)-23mA Focus -100mA
非常にきれいな裏ビードを形成した。
平成24年度技術交流会
電子銃横水平打ちアイリス条件出し
仮付け
120kV×15mA
CCD画像
Start
シーム溶接
120kV×15mA
アイリス部突合せ溶接
φ82mm T=2.6mm
本溶接
120kV×24mA
ダンベル製作
スライドブッシュとコイルスプリングを
使用しダンベルの溶接縮みを吸収
電子ビーム
電子ビーム溶接冶具
ダンベルを挟んで固定
ＥＢＷ冶具の心棒をカバー
するニオブパイプ
平成24年度技術交流会
ダンベル製作
パイプの時より熱容量が大きい
と考えて、電流を若干増やした。
本溶接
120kV×24.5(Top)-24mA
Focus -100mA 5mm/sec
ビーム下から上
回転冶具に取り付け
アイリス部
本溶接1個目
CCDで位置確認
穴あき
本溶接中
穴があいたので半周で
終了。パイプの時より
熱がこもることが判明し
た。形状と輻射が大きく
影響していると考えら
れる。
ダンベル製作
アイリス部
本溶接1個目の
残り半周
残り半周で電流を3mA減らして溶接
120kV×21(Top)-20mA
Focus -100mA 5mm/sec
裏ビード非常に細い
この条件と先ほどの穴あき条件の間に
最適条件がある。
ダンベル製作
本溶接
120kV×23(Top)-21.5mA
Focus -100mA 5mm/sec
ビーム下から上
ダンベル2個目,3個目,4個目
2個目: 裏ビードは一見非常に良い。ただし裏ビード形状が
凹になっており、際にところどころエッヂがある。
3個目、4個目 : 同じ条件にもかかわらず、裏ビードが非常に弱い箇所があった。
その部分は、のちほど化粧溶接をすることとする。
ダンベル製作
アイリス内面の化粧溶接
本溶接
120kV×24(Top)-23mA
Focus +230mA 5mm/sec
ビーム下から上
電子
ビーム
回転台
25度回転
ダンベル1個目、2個目
化粧溶接によりエッヂが消失し
大変きれいなビードが形成された。
残りのダンベルも全数化粧溶接をする。
ダンベル製作
アイリス内面の化粧溶接
溶接中
溶接前
溶接後
まとめ
• アイリス部のEBWは、結果的に課題を残すこ
とになった。
• 赤道部の溶接に向けて、さらに精度の高い溶
接条件探索する。
• 今年中のKEK#1号機の完成を目指す。
• 省力化・コスト削減を目指し企業への技術移
転を図る。（量産化）
平成24年度技術交流会
平成24年度技術交流会
加速空洞製作手順
Cavity
(9 cell TESLA /TTF design)
Cavity
(9 Zeller)
Hantel
EndhalbzellEndrohr- Einheit
kurz
Dumb-bell
EndhalbzellEndrohr- Einheit
lang
End group 1
End group 2
Stützring
NormalhalbZelle
NormalhalbZelle
Endhalbzelle
kurz
Anbindung
(end-kurz-lang)
Nb-Blech
Normalhalelle
Hauptkopplerstutzen
Endrohr
kurz
Flansch
(Endflansch)
HOM-Koppler
kurze Seite
Flansch
(HauptkopplerStutzen)
Rippe
Rippe
Flansch
(end-kurz-lang)
Bordscheibe
lange Seite
Flansch
(Endflansch)
Endhalbzelle
lang
HOM-Koppler
lange Seite
Antennenstutzen
lang
Endrohr
lang
Nb-Blech
Normalhalbzelle
HOM-Koppler
DESY
End-kurz-lang
Formteil F
Antennenflansch
NW 12
Antennenflansch
NW 12
HOM-Koppler
DESY
End-kurz-lang
Formteil F
lang
by
早野
平成24年度技術交流会
シュタイガーバルト社
ＥＢＷ機 (２月２日 Acceptance Test)
ポリコールド
ポリコールド＋
クライオポンプ
チェンバーの真空引き試験
ダンベル製作のためのアイリス部の溶接
電子ビーム
平成24年度技術交流会
テストダンベル製作
アイリス部ＥＢＷ (東成、１２月７日)
４つ目のテストダンベル
ビーム電流
39 mA
37.5 mA
35 mA
回転角度
３０度
４００度
６０度 ６０度
立ち上がりが急すぎる可能性があった。
本ダンベルの溶接時に調整した。
アイリス部の溶接パラメーター
Beam Current (mA)
アイリス部の溶接パラメーター:
V = 120 kV, IB = 39 – 37.5 mA, Oscillation with dia. = 3.0 mm at 1 kHz
Welding speed: 10mm/sec
Rotation angle (degree)
スロープイン、スロープアウトの両方で、２段階の傾きを導入。
スロープアウトの領域では、非常に滑らかな溶接ビードが得られた。しかし、２個のダンベルで、スロー
プインの領域に不安定なビードが発生した。さらなる溶接パラメーターの研究が必要と考えられる。
平成24年度技術交流会
Ｎｂスティフナ ＣＰ処理完了
ダンベル１３個分のスティフナのＣＰ処理を完了
Nbスティフナの製作
Nb平板
KEK0号機用の成形後のスティフナ
手動油圧ポンプ（20ton）によるスティフナの製作
Ｎｂスティフナ ＣＰ処理（CFF-ＣＰ室）
スティフナのＣＰ処理
CFF CP室のドラフトにてCP液を建浴
純水製造装置
純水にて洗浄
スティフナのＣＰ処理
EBW前後の縮み量
NCフライス盤を利用したケガキ間測定
Ｎｂスティフナをダンベルに挿入
ダンベルの引き延ばし
ダンベルにスティフナ挿入を完了
スティフナの挿入
スティフナの挿入
2ダンベル化 赤道部溶接EBW
エンドグループの製造方法の研究
ＨＯＭ
カプラー
ＨＯＭ内導体
ＨＯＭ外導体
しのはらプレスサービス（株）との共同研究
プレス成形によるＨＯＭ内導体の製造
当初、銅板による試験を行い、その後、ニオブ板で試験を行う
ワイヤーカット
で１次加工を
行い、 その
後、２次加工
（冷間鍛造）で
形を整える。
ウォタージェットによるHOM内導体の一次加工
Flow Japan
GIFB-XD2513
Hyper Jet (87000psi)
圧力 70000psi
切断スピード133mm/min(20%）
研磨剤 Baton #HPA80
研磨剤供給量 400g/min
ウォタージェットによる切出し加工 Nb 板厚10mm約３分
Nb・無酸素銅の切断加工
今後の予定（過去の空洞製作の写真を使用）
Beam
ダンベル６個の溶接作業
平成24年度技術交流会