Feasibility study for an additive manufacturing method of Ti-6Al-4V to manufacture beam windows

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真空内で加速された粒子や生成された粒子の取り出し、加速器の区画に用いられるビーム窓は超伝導加速器では液体ヘリウムの漏洩に備え、大気圧以上の高い耐圧性能が求められる。一方で、透過するビームのロスを低減するために、密度が小さく・薄いと同時に、強度が高く・伸びが大きい材料による口径の大きなビーム窓の開発が望まれている。本研究では、この要望に応えるべく積層造形によるTi-6Al-4V製の薄い球殻状ビーム窓の開発を目指している。厚みの異なる薄板試験片を製造し引張試験を行うことによって、強度を担保できる厚みを確認した。また、積層造形後の表面が粗い場合には疲労強度が低下することが知られているため、薄板の表面研磨する複数の手法の試験を行い、最適な研磨法を確立した。実際に、J-PARCハドロン実験施設COMET実験に使用する内径260 mm、厚み0.5 mmのJIS250A規格のTi-6Al-4V製ビーム窓の開発に成功した。このビーム窓は9気圧の耐圧試験でも破損することはなかった。また、ヘリウムリークディテクタの検出限界以下である3×10E-10Pa・m3/sec以下のリーク量であることを確認した。1枚のJIS200Aのビーム窓と2枚のJIS250Aのビーム窓を製造し、実際にCOMET実験 Phaseアルファの陽子ビーム運転に採用し、無事に実験を終えることに成功した。