Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-16]

Comparison of Cavity Performancein the Saclay-KEK SC Cavities
E. Kako,K. Saito,

B. Visentin*

and H. Safa*

KEK ; 1-1, Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801 JAPAN*CEA-Saclay ; 91191 Gif-sur-Yvette, FRANCE
Abstract
Three Saclay single-cell cavities were sent to KEK in order to compare thecavity performance. Surface treatment by electro-polishing (EP) was carried out atKEK, so that every cavity achieved an accelerating gradient (Eacc) higher than 30MV/m with a Qo of more than 101 0. One cavity has attained an Eacc of 40 MV/m
at KEK and also 43 MV/m at Saclay. It was confirmed that baking around 100oC
for some-tens hours has been effective to improve a Qo-drop observed at highgradients (>25MV/m) in both chemical polished (CP) and EP cavities. The latest
cavity test results obtained at KEK and at Saclay are reported in this paper.

ＳａｃｌａｙとＫＥＫ間の超伝導空洞の性能比較
１、はじめに超伝導空洞の高電界性能は、空洞内表面の表面処理技術に大きく依存し、滑らかで清浄な表面を得るために、空洞の内表面は化学研摩（ＣＰ）や電解研摩（ＥＰ）による表面研摩が行われる。
また、その後に行われる高圧洗浄（ＨＰＲ）は、表面上の化学的残留物やゴミを除去し、空洞組み立て時の清浄環境とともに、電界放出電子の抑制に有効である。このような表面処理を適用することにより、KEKでは30~40MV/mの高加速電界が再現性よく達成され、ＥＰにより処理された空洞が、ＣＰで処理された空洞より優れた高電界性能を有することが示された[ 1 ]。この観測結果を確認するとともに、空洞性能における表面処理の効果をより組織的に試験するために、 CEAーSaclay（仏）で作製および性能測定が行われた３個のニオブ空洞がKEKに送られた。これらの空洞は、KEKにおいて各種の表面処理による性能評価が行われた後[ 2 ]、再びSaclayに返送され空洞性能の測定が続けられている。また最近、1 0 0oC位のベーキン
グがQ値の向上に有効であることが他研究所から報告されている[3,4,5]。ここでは、電解研摩による性能改善およびこのベーキング効果を確認するために、これら３空洞についてKEKとSaclayで行われた空洞性能の測定結果を報告する。

２ 、 1.3GHz単 セ ル ニ オ ブ 空 洞
Saclayから送られてきた1.3GHzニオブ空洞の特性を表１に示す。Ｓー１およびＳ−２空洞は、ニオブの熱伝導率を向上するため熱処理（ＨＴ）がSaclayにおいて行われた。各々空洞自身の残留抵抗比（ＲＲＲ）も調べられた。Saclayではいずれの空洞も1 0 0~200 µ m の化学研摩（混酸比、HF:HNO3 :H3 PO4=1:1:2 、 1 8oC）による表面処理およびＨＰＲ（90~100bar ）後に、性能測定が行われた。その測定結果を図１に示す。熱処理なしのＳ−３空洞は、15MV/mで最大加速電界が制限されているが、他の熱処理後の２空洞は、いずれも2 5MV/m以上の加速電界を達成している。しかしながら、どの空洞も20MV/m附近からはじまる著しいＱ値の悪化が同様に観測された。この現象は、これまでのKEKでの実験結果と比較して顕著に異なる特徴であった。
表１、Saclayから送られたニオブ空洞
空洞
Saclay−326−

S‑1
S‑2
S‑3

ニオブ材料

熱処理

RRR

東京電解ヘラウス
ヘラウスo3202002301300 C HT
1000oC HTなし

３、電解研摩による空洞性能の改善
表１に示される３空洞は、KEKにおいて電解研摩（混酸比、H2SO4 :HF=10:1 、30 oC）およびＨＰＲによる表面処理が行われた。空洞は、クラス１０のクリーンルームでの組み立て後、真空引き、ベーキングが行われた。5 0µm の電解研摩後における３空洞の性能測定の結果を図２に示す。
いずれの空洞においても、30MV/m以上の高加速電界が著しいQ値の悪化なく同様に達成された。
この結果は、電解研摩された空洞においては、ニオブ材料、高温熱処理、RRRなどに依存せずに高加速電界が得られるということを示している。さ
らに、この電解研摩の効果をより直接的に確認する目的で、電解研摩で処理された空洞に化学研摩を行った測定結果を図３に示す。6 0µm の化学研摩の後には、クエンチにより制限される最大加速電界が低下し、Q値の悪化現象も再び起こっている。さらに5 0µm の化学研摩後には、空洞性能は一段と悪化した。この空洞に再び電解研摩を行うと、図４に示されるように空洞性能は以前の状態に回復した。これにより、電解研摩による空洞性能の改善の効果がより明確になった。

４ 、 1 0 0oCベ ー キ ン グ に よ る 空 洞 性 能 の 改 善
SaclayとKEKにおける表面処理に関する相違点として、研摩方法(CP、EP)の他に、水洗後の乾燥方法が異なる。Saclayでは、HPR後にクリーンルーム内で清浄空気流下で３時間放置することにより空洞を乾燥させるが、KEKではベーキングを行って空洞を乾燥させる。したがって、図１ではベーキングなし、図２、３、４は、ベーキング後の測定結果である。高加速電界でのQ値の悪化現象の改善にベーキングを行うことが有効であることがSaclayで最初に見い出され[ 3 ]、その後DESY[ 4 ]およびCEBAF[ 5 ]においても同様な結果がすでに報告されている。図５は、KEKでの電解研摩での測定後にSaclayに送り返されたSー２空洞の少量化学研摩によるベーキング前後での空洞性能の測定結果である。ベーキング前には25MV/m 以上で著しいQ値の悪化が起こるが、ベーキング後にはかなり改善されている。しかし、高電界においてはなおQ値の悪化が見られ、図３におけるKEKでの化学研摩による測定結果（ベーキング後）と良く一致している。一方、電解研摩した空洞においても図６に示されるように、ベーキング前には同様に29MV/m以上で著しい Q値の悪化が観測され、

1012

Q01012

at 1.5 K

at Saclay

Q01011S-3 Cavity [CP after EP]
at 1.5 K

1011[no HT, RRR=230]

no HTRRR=230

1010

1010o109108o

1 3 0 0 C HT
RRR=320

1 0 0 0 C HT
RRR=200051015202530Quench
no x-ray109

S-1/C114
S-2/C109
S-3/C103

35108

Eacc [MV/m]

図１、Saclay での空洞性能の測定結果

KEK3 (EP50um, HPR)
KEK4 (EP+70um, HPR)
KEK5 (CP60um, HPR)KEK6 (CP+70um, HPR)

0510152025
Eacc [MV/m]

303540

図３、電解研摩後の化学研摩による性能悪化
1012

1012

Q0Q0at KEK

at 1.5 Kafter EP 50µm

1011

S-3 Cavity [re-EP after CP]
at 1.5 K

1011[no HT, RRR=230]10101010
Quenchno x-ray109

KEK6 (CP+70um, HPR)
KEK7 (EP100um, HPR)
KEK8 (EP+50um, HPR)

S-1 (1300oC HT, RRR=320)
S-2 (1000oC HT, RRR=200)
S-3(no HT, RRR=230)

108

108
05101520
Eacc [MV/m]

2530

図２、KEK における電解研摩後の測定結果

Quenchno x-ray109

350510152025
Eacc [MV/m]

303540

図４、” 再 ”電解研摩による空洞性能の回復

1012

Q0５ 、 KEK-Saclay間 で の 高 電 界 性 能 の 比 較
KEKにおける最終空洞性能とその後のSaclayでの空洞性能の比較を図８に示す。これらはすべて、ベーキング後の測定結果である。空洞はKEKでの最終電解研摩後に真空保持の状態で空輸されSaclayにおいて、Ｓ−２空洞では少量化学研摩と高圧水洗、Ｓ−３空洞では高圧水洗のみが行われた。両空洞について、KEKでの測定結果と同様な高加速電界とQ値が、劣化なくSaclayにおいても再現された。特に、Ｓ−３空洞においては、4 3MV/mの最大加速電界が達成された。

S-2 Cavity at Saclay

at 1.5 Ko[ 1 0 0 0 C HT, RRR=200]

1011

1010

10Quenchno x-rayno Quenchno x-ray9

Saclay3 (CP10um, HPR /no Baking)
Saclay4 (after Baking at 100oC for 48h)

1080102030
Eacc [MV/m]40

図５、化学研摩空洞におけるベーキングの効果
1012
1012

Q0Q0

S-3 Cavity at KEK
at 1.5 K

1011

1011

[no HT, RRR=230]

1010

1010

S-2
no Quenchno x-ray109

Quenchno x-ray100102030
Eacc [MV/m]

109

S-3 Cavity at 4.2K

RF Power Limitno x-rayQuenchno x-ray

KEK9 (EP, HPR /no Baking)
KEK10 (after Baking at 100oC for 30h)
Saclay1 (HPR /no Baking)
Saclay2 (after Baking at 120oC for 50h)

0510
Eacc [MV/m]

04015202030
Eacc [MV/m]

40６、まとめ30MV/m以上の高加速電界を Q値の悪化なく安定に達成するためには、電解研摩による表面処理と同時に1 0 0oC程度のベーキングを行うことが本質的に重要であることが確認された。また、電解研摩およびベーキング後の１空洞において、4 0MV/mを超える最大加速電界が、KEKとSaclayの両方において同様に得られた。
参考文献
[1]

図７、 ベーキングによる4.2KでのQ値の変化[2]

加速電界が制限される。1 0 0oCで３０時間のベーキング後には、高電界でのQ値の悪化は無くなり40MV/mが達成された。したがって、高加速電界をQ値の悪化なく安定に達成するためには、電解研摩による表面処理と1 0 0oC程度のベーキングを相乗的に行うことが本質的に重要である。もう１つのベーキングによる効果として、4.2KでのQ値の向上が報告されている[ 3 ]。図７にベーキングによる4.2KでのQ値の変化を示す。KEKとSaclayにおいて一致したQ値の改善が観測された。

10

図８、KEK-Saclay間での空洞性能の比較

図６、電解研摩空洞におけるベーキングの効果
Q0S-2/KEK3 (EP50um, HPR, Baking)
S-2/Saclay4 (CP10um, HPR, Baking)S-3/KEK10 (EP180um, HPR, Baking)S-3/Saclay3 (HPR, Baking)

108

108

S-3Quenchno x-ray

9

KEK9 (EP+30um, HPR /no Baking)
KEK10 (after Baking at 100oC for 30h)108

at KEK & Saclay

at 1.5 K

[3]

[4]

[ 5]

K. Saito, et.al, “Superiority of Electropolishing overChemical Polishing on High Gradient”, Proc. of 8t h
SRF Workshop, Abano, Italy (1997) p795-813.
E. Kako, et.al, “Improvement of Cavity Performanceby Electropolishing in the 1.3 GHz Nb Superconducting Cavities”, Proc. of PAC’99, New York,USA, (1999) p432-434.
B. Visentin, et.al, “Improvement of Superconducting
Cavity Performances at High Accerelating Gradient”,
Proc. of 6 t h EPAC, Stockholm, Sweden ( 1 9 9 8 )p1885-1887.
L. Lilje, et.al, “Electropolishing and in-situ Baking o f
1.3 GHz Niobium Cavities”, Proc. of 9 t h SRF Workshop, Santa-Fe, NM, USA (1999), to be published.
P. Kneisel, “Preliminary Experience with in-situ Bakingof Niobium Cavities”, ibid [ 4 ] .