ニオブ超伝導加速空洞の開発

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1.はじめに

加速器は多岐に渡るフィールドで活躍する技術であり,例えば,宇宙の起源解明,がん治療,物質構造解析等のツールとして目覚ましい成果が上がっている.荷電粒子を「加速」する機能を持つ設備を幅広い定義で加速器と呼ぶが,粒子を加速する方式は,静電的に電圧を印加するもの,電磁石を用いるもの,加速空洞により高周波共振を利用するものなど,用途や粒子の種類・エネルギーによって使い分けられる.近年ではMeV~GeV オーダーの直線加速器にはニオブを超伝導状態に冷却した加速空洞が主流となりつつあり, 欧州のEuropeanXFEL,米国のLCLS-II,韓国のRISP といった大型超伝導加速器が建設中である.国内でも国際リニアコライダー(International Linear Collider,以下ILC)計画が提案されている1).これらで用いられるニオブ材は不純物に敏感な超伝導状態で使われるため純度が高いことが要求され,ASTM 規格でも高純度超伝導グレード(ASTMType5)として不純物量の上限が規定されている2).ニオブは純金属の中でも高価な部類に入ることや現状では未だ加速空洞の量産技術には課題を抱えていることから,生産性が高く安価な加速空洞製造技術の確立が強く求められている.
著者らは,超伝導加速空洞に関して,上述した課題を解決するべく二つの方針により開発を進めている.
まず一つが,高純度ニオブインゴットの精製技術確立である.ここでは,求められる純度や加速性能を満たすようなニオブ素材を極力安価な形で供給するための技術を見出すことを目的とする.この開発に際してアルバック東北㈱事業所内に出力600 kW の電子ビーム溶解炉を導入しており,インゴット製法について開発を進めている.
もう一つの方針として,アルバック独自の技術で作製されるニオブシームレス管を用いて直接的に空洞形状に成形するシームレス方式と呼ばれる製造技術について開発を進めており,現在主流の製法である溶接方式3),4)より安価な超伝導加速空洞の製法確立を目指している.
これまでに,加速空洞本体に溶接工程を用いないシームレス方式はコストメリットがあることが示唆されているが5),6),アルバックのように原料精製から加速空洞加工まで一貫した現実的なプロセスにおける製造コスト精査が新たに必要と考えている.
本稿では,これら二つの方針に基づいた開発として,高純度化に向けたニオブ精製の取り組みや溶接方式およびシームレス方式を用いた超伝導加速空洞の試作とそれらの特性について紹介する.

(※この記事は、2017年2月発行のテクニカルジャーナルMo.80に掲載されたもので、内容は取材時のものです。)

2.高純度ニオブインゴットの製造

ニオブ_電子ビーム
Figure 1 600 kW electron beam melting furnace.

電子ビーム精製により高純度のニオブインゴットを得るためには,特にガス成分や高融点金属の不純物を効率的に除去するために高真空中にて高出力で精製することが望ましい.当社ではすでに電子ビーム溶解により製造した金属製品の事業化が行われており,ここで蓄積された技術と真空装置メーカーである強みを活かして,高純度ニオブ精製用の600 kW 電子ビーム溶解炉を独自の設計により導入した.電子ビーム溶解炉の外観写真をFigure 1 に示す.

この溶解炉を稼働させてから高純度精製条件を掴むために数十回の溶解テストを行ってきた.高純度化の評価として,この分野では一般的に残留抵抗比(Residual Resistivity Ratio,以下RRR)と呼ばれる値が用いられ,加速器材料購買の仕様値としても盛り込まれていることが多い.ニオブの場合,RRR は以下の数式で記述される7)
RRR=(300 K)/(9.3 K)
これは300 K と9.3 K における電気抵抗率の比を表すものである.ニオブは超伝導転移温度が約9.3 K であり,この温度を下回った瞬間に電気抵抗が0 になるわけだが,超伝導転移直前の有限の値を用いることになる.
この状態においては格子振動が凍結しているためほとんど電子散乱されないので,電気抵抗は不純物による散乱のみに起因しているとみなすことができる.このようにRRR は不純物量を判定する指標の一つとして用いられ,純度が高いほどRRR の値は大きくなる.現状この溶解炉において,ILC 計画でニオブ素材の仕様に設定されているようなRRR が250 を超える高純度インゴットの生産が可能となっている(Figure 2).

Niobium_rrr
Figure 2 RRR vs. ingot making number.

装置導入初期の段階では,溶解炉の到達圧力や電子ビーム照射パワー,材料への照射方式などを調整していたため高いRRR を得ることができていなかったが,各種変動パラメータとRRR の関係を掴んできたトライアル約30回以降ではRRR が250 を超え,条件によっては650 というものもできている.尚,RRR 値のばらつき(特に30 回目以降)は同条件での溶解精製で生じているわけではなく,例えば,短時間精製(低コストプロセス)で仕様値をクリアするためのものや精製効果(高RRR)を追及したものなど,目的に応じて様々に溶解条件を変えた際のデータであることを述べておく.高純度を示す代表例としてRRR が330 のインゴットの化学分析結果によれば,高純度超伝導グレード(ASTM Type5)を達成していることが示された(Table 1).

ASTM type5
Table 1 Impurity element analysis of Niobium ingot and ASTM Type 5 specification.

 

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文 献
1) https://aaa-sentan.org/ILC/
2) ASTM B 393-05(2005).
3) T. Yanagisawa, et al.: Proc. 27th Linear Accelerator Conf(. 2014)1084.
4) T. Dohmae, et al.: Proc. 7th Int. Particle Accelerator Conf(. 2016)2141.
5) W. Singer, et al.: Phys. Rev. ST accel Beams, 18(2015)022001.
6) 上野健治 他:第4 回日本加速器学会プロシーディングス(2007)76.
7) W. Singer, et al.: TTC Report 02(2010)