Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-13]
DEVELOPMENT OF SUPERCONDUCTING CAVITY FOR HIGH POWER PROTONACCELERATOR ; CHARACTERISTICS OF MULTI-CELL CAVITIES
J. Kusano, N. Ouchi, N. Akaoka, O. Takeda*, M. Matsuoka**,
K. Saito***, S. Noguchi***, H. Inoue***, K. Mukugi****, M. Mizumoto,Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)
2-4 Shirakata Shirane,Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195, JapanAbstract
A development of 600MHz superconducting cavity has been continued for the high intensity proton accelerator atJAERI. The development is in progress with fabrication of multi-cell cavities and measurements of RF characteristics.
This paper describes the design, the fabrication and the measurements for two kind of 5-cell cavities with β=0.5 and
β=0.89.

大強度陽子加速器用超伝導空胴の開発 ; 多連セル空胴特性
1015.3615.3
101.

はじめに大強度陽子加速器計画[1]用の超伝導加速空胴開発
を原研ではKEKと共同研究として開始し、４年を経* Toshiba Corporation** Mitsubishi Heavy Industries*** KEK:High Energy Accelerator Research Organization****Mitsubishi Electric Corporation

φ 459.7

ID 15042005.7°

200120.3 124.9 124.9 124.9 120.3

図 -1 600MHz, β=0.5, 5 連セル空胴の設計断面形状
1497.81097.8
10R66.83t9.65°

200216.8

221.4

221.4

221.4

621245.44

φ 451ID 150

５連セル空胴の設計と製作
５連セル空胴の製作に当たり、各セル形状は基本的には単セル空胴の設計製作指針[2] を踏襲している。β=0.5 および β=0.89 の５連セル空胴断面形状を
図 -1、図 -2 に示す。セル形状は共振周波数 600MHzで機械的強度を考慮したセル部傾斜角と、空胴内表面の電解研磨の作業性を考慮したビームパイプ径φ150とし、５連セルでの各セルに於ける電界分布を同じようにするために、端セル部での電界の低下を補償する目的で中央３セル部と端セルの形状を変えた。具体的には、セル赤道部直径、セル部傾斜角は共通にし、セル赤道部ビーム軸方向直線部分の長さを変え電界分布が平均化するようにした。尚、今回の２種類の５連セル空胴とも、高周波の導入はビームパイプフランジ部からの同軸アンテナ方式として3570

R28.653t過した。これまでに陽子エネルギー領域として150MeV 近辺：β=0.5 および 1GeV 近辺：β=0.89 の２種類の単セル空胴各２個ずつ計４個の試作・試験を行い、所期の最大表面電界強度（Esp=>16MV/m）の２倍以上の Esp を観測し、再現性の良い製作プロセスの見通しを得た。その後、より実機に近い多連セル空胴の試作開発を開始し、1999 年から 2000 年前半にかけ β=0.5 および β=0.89 の５連セル空胴についての性能試験を行ったので報告する。
2.

5.4

216.8

200

図 -2 600MHz, β=0.89, 5 連セル空胴の設計断面形状
あり、実機に設けるビームパイプ直角方向の専用RFカプラポートおよびHOMカプラポートは無いシンプルな形状の５連セル空胴である。
空胴材料には従来と同様にRRR200の高純度ニオブ3mm厚の板を採用し、空胴の製作は深絞りプレス成形によるハーフセル製作、電子ビーム溶接によるハーフセル、ビームパイプ接合で５連セル形状に成形した。その後、プリチューニング装置により、周波数調整および各セル間の電界分布の平均化を図った。β=0.5 の空胴（識別名：J5003）は製作工程途中
において一部のアイリス部直線長が短くなってし−317−

SUPEEFISH
J5003 Initial
J5003 Result1.0Field

0.80.60.40.20.0-2000200

400600800

1000

1200Position(mm)

図 -3 J5003 空胴ﾌﾟﾘﾁｭｰﾆﾝグ前後の空胴中心軸上の加速電界分布（空胴全長が変化）
SUPERFISH

J8903 Initial
J8903 Result1.0Field0.80.60.40.20.00200400600800100012001400

Position(mm)

図4J8903 空胴ﾌﾟﾘﾁｭｰﾆﾝグ前後の空胴中心軸上の加速電界分布

3. 空胴の表面研磨と表面処理・実験系組立
プリチューニング後の両空胴とも表面研磨処理として粗研磨（バレル研磨[3]）と電解研磨を行った。
各研磨量はバレル研磨で空胴赤道部平均 70µ ｍ、アイリス部平均30µｍ、電解研磨で平均35µｍである。
この研磨方式では、バレル研磨は赤道部周辺が多く削られ、電解研磨はアイリス部およびビームパイプ部の研磨量がやや多くなる。研磨厚は研磨処理前後の超音波厚み計による空胴各部の肉厚測定値と電解研磨時の通電電流値から算出する研磨量の双方から得ている。J8903 空胴のバレル研磨、電解研磨での研磨量および全研磨量の分布を図-5に示す。各セル赤道部周辺の研磨量が多い状況が示されている。
電解研磨後の空胴は大型真空加熱炉で 750℃・３時間の加熱脱ガス処理を施している。500℃以上の

200

全研磨量
バレル研磨量
電解研磨量

J8903表面研磨量

150

研磨量 (µm)

まった。プリチューニング装置を用い各セル形状の修正・調整を繰り返した結果、電界分布の平均化は分布誤差2%以下となったが、空胴全長が約60mmほど長くなり、共振周波数は 615.96MHz となった。
β=0.89 の空胴（識別名：J8903）は設計形状に対し各部で最大寸法誤差が0.7mm以内と高精度に製作された。J8903 のプリチューニングの結果は各セル間の電界分布誤差が2% 以下、共振周波数は600.556MHzとなった。各空胴のプリチューニング前後の相対電界分布と SUPERFISH による計算値のグラフを最大値を 1 に規格化して図 -3、図 -4 に示す。

1005000500
1000
空胴上測定位置(mm)1500

図 -5 J8903 空胴表面研磨量の分布
温度から吸蔵水素の脱離が多く観測され、750℃・３時間保持の後には、水素の分圧はほぼ一桁低下する。多連セル空胴はその体積が大きいため放出される水素ガスの量も多く、これまでの単セル空胴の加熱処理では頻度が少なかった昇温途中(500℃以上)の真空加熱炉内圧力上昇(設定値 6x10 -2 Pa)によるヒーター断のインターロックがしばしば発生し、空胴温度昇降の多い熱処理となってしまった。熱処理の後、約１日を経て室温まで温度が下がった時の炉内真空圧力は 2x10 -6 Pa 程度である。
空胴の加熱処理の後、最終洗浄・清浄化処理として 18MΩ･cm の超純水約 1.7 トンを用い、８ MPa の高圧水噴射洗浄（HPR）を約２時間行った。クラス
100のクリーンルーム内洗浄装置に空胴をセットし、噴射ノズルは固定で空胴を回転、昇降させ空胴内面全面を洗浄処理している。洗浄後の空胴は直ちにクリーンルーム内で真空・RF系を組立て、空胴のベーキングを行いながら真空引きを実施した。ベーキン
グ条件は各セル赤道部を測温し、最高温で 120℃程度の加熱を約30 時間継続、その後、室温で排気を続け最終的に 10 -8 Pa 程度まで排気した。これら一連の前処理を終えた各空胴を縦測定クライオスタットに入れ性能試験を行っている。
4.

空胴性能試験
多連セル空胴の性能試験として、4.2K と 2.1K の液体ヘリウム環境のそれぞれについて、(1)空胴Ｑ値と表面電界強度（Esp）の関係（Q0-Esp 特性）と、(2)4.2K から 2.1K への減圧降温プロセス中のＱ値の変化から求める残留表面抵抗値（Rs）の測定（Rs 1/T特性）をそれぞれ測定した。図 -6 には J8903 空胴実
験系セットアップをクライオスタットから引き上げた時の写真を示す。
Rs の測定では J5003、J8903 の両空胴とも β=0.5 およびβ=0.89単セル空胴の実験値とは表面処理工程毎

-6104.23.0T [K]

2.5s(T) = A/T exp[- ∆/ k B T] +Rres

J5002 (single)
J5003 (5-cell)
J8902 (single)
J8903 (5-cell)

10-8

10-90.2

0.3

0.4
1 / T [1/K]

5.

まとめと今後の予定
陽子加速器用超伝導加速器開発の第２ステップとして 5 連セル空胴２台の試作と性能試験を行った。
単セル空胴の性能試験結果と比べると、Ｑ値はほぼ同等で、得られた最大表面電界強度は 16MV/m の所期目標値を超えているが、単セル空胴性能の平均的な値には至っていない。いくつかの性能低下原因が考えられるが、特に空胴の最終洗浄工程と真空排気工程について見直しを行っている。また、電解研磨後の水素脱ガス熱処理では真空加熱炉の排気能力不足が見られたため、クライオポンプを増設し、排気能力を 8,000L/s から 28,000L/s へ増力した。これらの改良結果は今後の多連セル空胴試験及びプロトタイプ機加速空胴試験に反映させ、空胴性能向上を図る。
本報告の５連セル空胴実験の継続と並行して、超伝導加速空胴のパルス運転特性詳細把握を主目的とする600MHzプロトタイプクライオモジュールの製作を進めている。また、陽子加速器実機で採用予定の972MHz 空胴の R&D 性能試験を 2001 年から行うために、空胴の設計検討[4]と試作準備を開始した。
Design value(16MV/m)

1011
J8903 2.1K(#3)
J5003 2.1K

10100.5

図 -7 液体ヘリウム温度の逆数を関数とした空胴残留表面抵抗値の変化

0.6J8903 2.1K(#1)
Process
J8903 4.2K(#3)

910

J8903 4.2K(#1)
J5003 4.2K

10802.0Rs[Ω]10-7しかし、この測定の時にも低い Esp からＸ線の放出が持続しため、この原因を検討中である。

Qoのバラツキの範囲で一致した。図 -7 に得られた Rs1/T特性のグラフを単セル空胴の値と比較して示す。
図-8に多連セル空胴のQ0-Esp特性測定結果を示す。
J5003 空胴の最大表面電界強度（Esp）は 19MV/m程度であり、所期目標値の 16MV/m を超えている
ものの、これまでに得た単セル空胴の実験結果：40MV/m 〜のほぼ 1/2 程度であった。また、J8903
空胴の 1 回目の測定では、空胴への導入 RF パワーを徐々に上げて行く過程で、低い Esp からＸ線の放出があり、Ｑ値の低下が観測された。ここ
で、パルスRFパワー導入による表面エｰジング効果 （"Process"：図 -8 中の白矢印部）を図った結果、Ｑ値の回復が見られ
図 -6 J8903 空胴実験系
たものの、Esp は 4.2K、セットアップ
2 . 1 K の条件に拠らず20MV/m に至らなかった。この原因として空胴表面が電解研磨処理以後のプロセス中に汚れたことを推定し、表面洗浄〜実験系組立系機器の清浄化を行う
共に、J8903 空胴を電解研磨で合計 45µ ｍ追加研磨し、HPR 洗浄の後、Q0-Esp 特性の再測定を行った。
得られたRs 1/T特性は初回測定時と全く同じであったが、Esp は 4.2K で 23MV/m, 2.1K では 31MV/m と単セル空胴性能の平均的な値（40MV/m 〜）に近づき、かなり改善された。

510152025Esp(MV/m)

303540

図 -8 多連セル空胴の Qo-Esp 特性
参考文献[1] The Joint Project Team of JAERI and KEK, “The Joint Projectfor High-Intensity Proton Accelerators”, JAERI-Tech, 99056(1999).
[2] N. Ouchi et al., “Development of Superconducting Cavitiesfor High Intensity Proton Accelerator at JAERI”, Proc. of 1998
Applied Superconductivity., PalmDesart, U.S.A., p.1030.
(1998)[3] T. Higuchi et al., “Investigation on Barrel Polishing for Superconducting Niobium Cavities”, Proc. of the 7th Workshop
on RF Superconductivity, Gif-sur-Yvette, France , p.723(1995).
[4] E. Kako, “Cell Shape Design of 972 MHz Superconducting
Cavities for High-Intensity Proton Linac”, these proceedings.