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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. ＩＬＣ用超伝導加速空洞の製作. 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

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ＩＬＣ用超伝導加速空洞の製作

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Presentation Transcript

  1. 共通基盤研究施設 機械工学センター 渡邉勇一 ＩＬＣ用超伝導加速空洞の製作 平成24年度技術交流会

  2. 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）

  3. 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

  4. 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）

  5. プレス装置（2010年3月納入） CP(化学研磨)室 （ 2011年3月納入） 空洞製造技術開発施設　(CFF) 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

  6. 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

  7. 9連超伝導加速空洞 平成24年度技術交流会

  8. 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

  9. 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

  10. 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）

  11. スティフナ製作 スティフナプレス冶具でプレス 100kgf/cm2 端部プレス冶具でスティフナをプレス 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 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 メス型をリリース 平成24年度技術交流会

  12. 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 バッキングプレート 平成24年度技術交流会

  13. 表ビード 裏ビード 電子銃縦ビードオン条件出し 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

  14. 表ビード 裏ビード 電子銃縦ビードオン条件出し ビード巾 ビード巾 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 60kV 40-38mA 120kV 20-19mA 90kV 26.5-25.5mA 150kV 16-15mA 5mm/sec w.D 500mm 6.75mm 8番 7番 6番 5番 4番 3番 2番 1番 6.36mm 6.57mm 6.07mm 6.63mm 6.77mm 6.62mm 6.57mm 6.65mm 6.26mm 6.39mm 6.23mm 6.61mm 6.60mm 6.83mm 6.63mm 平成24年度技術交流会

  15. X軸移動用冶具 Z軸移動用冶具 電子銃横の水平打ち冶具 バッキングプレート Nb □150試料 銅ブロック アライメントターゲット

  16. 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

  17. 電子銃横ビードオン条件出し 150kV ×16mA 120kV× 20/22mA 60kV× 40/42/38mA 120kV× 20/19/20mA 平成24年度技術交流会

  18. 電子銃横ビードオン条件出し 120kV ×20mA 60kV ×40mA ⊿IL : +80 ⊿IL : -75 ⊿IL : +40 ⊿IL : -115 平成24年度技術交流会

  19. 120kV×29mA スロープイン　50mm固定 を最適とした 120kV×27,29,30mA スロープイン　50mm固定 最適溶接条件探索 電子銃横水平打ちアイリス条件出し 立ち上り 50mm Start 30mA 27mA 29mA L L U L L 写真左側半分 GUN横　板垂直 ビーム上から下 End 写真右側半分 GUN横　板垂直 ビーム上から下 120kVx27mA L : Lower Focus U : Upper Focus

  20. アイリス部（垂直移動） 突合わせ溶接T=2.6mm GUN横　板垂直 ビーム上から下 溶接前寸法 溶接後寸法 電子銃横水平打ちアイリス条件出し 47.88mm 48.01mm 47.66mm Start 47.78mm 47.88mm 48.01mm 47.46mm 47.62mm 47.86mm 48.01mm End 47.67mm 47.55mm 120kV×30mA ⊿L -120mA 5mm/sec 良いビード 120kV×30mA ⊿L +100mA 5mm/sec 良いビード 最大縮み 0.39mm 最大縮み 042mm

  21. 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。

  22. 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 電子銃横水平打ちアイリス条件出し 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

  23. 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

  24. 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 アイリス部突合せ溶接 φ82mm T=2.6mm シーム溶接 120kV×15mA 本溶接 120kV×24mA

  25. 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 電子ビーム溶接冶具 ダンベルを挟んで固定 電子ビーム 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

  26. 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 CCDで位置確認 アイリス部 本溶接1個目 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。 穴あき 本溶接中

  27. 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。

  28. 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。

  29. 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 ダンベル1個目、2個目 回転台 25度回転 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。

  30. ダンベル製作 アイリス内面の化粧溶接 溶接中 溶接後 溶接前

  31. 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

  32. 平成24年度技術交流会

  33. Hantel Dumb-bell Stützring Normalhalb- Zelle Normalhalb- Zelle Nb-Blech Normalhalelle Nb-Blech Normalhalbzelle 加速空洞製作手順 Cavity (9 cell TESLA /TTF design) Cavity (9 Zeller) Endhalbzell- Endrohr- Einheit lang End group 2 Endhalbzell- Endrohr- Einheit kurz End group 1 Endhalbzelle kurz Flansch (Hauptkoppler- Stutzen) Hauptkoppler- stutzen Flansch (Endflansch) Flansch (end-kurz-lang) Bordscheibe lange Seite Endhalbzelle lang Antennenstutzen lang Anbindung (end-kurz-lang) Endrohr kurz HOM-Koppler kurze Seite Rippe Rippe Flansch (Endflansch) HOM-Koppler lange Seite Endrohr lang 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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。

  37. アイリス部の溶接パラメーター 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 Beam Current (mA) 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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 スティフナのＣＰ処理 純水にて洗浄

  41. EBW前後の縮み量 NCフライス盤を利用したケガキ間測定

  42. Ｎｂスティフナをダンベルに挿入 ダンベルの引き延ばし スティフナの挿入 スティフナの挿入 ダンベルにスティフナ挿入を完了

  43. 2ダンベル化　赤道部溶接EBW

  44. 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

  45. 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。

  46. ウォタージェットによるHOM内導体の一次加工 FlowJapan 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

  47. 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

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