cERL 2セル空洞のまとめ

2012年1月23日 技術検討会
2012年2月24日 第59回 ERL検討会
渡邉1

入射器用空洞の開発項目
・空洞形状： 入力カップラーの結合度、HOM の染み出し、高次モードの周波数（HOM couplerのBroadband特性も考慮する）
・空洞製作： 幾何学的欠陥の抑制、品質評価・空洞補修。
・表面処理： 電界強度、フィールドエミッションの抑制、Arガスパージ置換。
・HOM damping： HOM coupler → RF設計、フィードスルーの開発
電気的歪みを考慮したHOM couplerの配置
・電気的調整： 周波数調整、フィールドモニター用アンテナの結合度
HOM couplerのチューニング
・入力カップラー： 大電力、結合度、電気的歪みを考慮したcouplerの配置
・クライオモジュール： 冷却能力、冷却方式など。
2

Outlook
2007

2008

2009

2010

Design of HOM coupler

Design of Cavity
Cell shape. etc..

2011

2012

Design of FeedthroughProto-type 2-cell cavities#1, #2
HOM measurement, VT

VT of #3, #4, #5 He jacket,
For cERL
Cryomodule

Input coupler

3

Contents
HOM coupler （2007～2011）
・HOM coupler、フィードスルーの設計
・HOM 測定

2セル空洞 （2010～2012）
・空洞製作後の工程・LLRF （周波数調整、Qext など）
・光学検査、補修、表面処理
・単体の性能測定（HOM pick-upあり）
・高圧ガス耐圧試験

まとめ・3空洞の最終状態（連結化前）

4

はじめに: 入射器クライオモジュールの構成
Target* Accelerate to 10 MeV

5 coaxial HOM couplers
for one cavity

Input coupler(double feed)
167kW/coupler

Require* 15 MV/m / cavity at CW
liq. He

Cavity : 3 x 2‐cell cavities
Slide‐Jack tuner and piezo tunere‐

Vacuum vessel※HOM couplerの設計、空洞の受け入れ検査からモジュール運転を想定した
単体測定までを担当した。

5

HOM couplerの設計

6

HOM coupler (1)：Problem for CW operation
ベースデザイン：TESLA-like HOM coupler （パルス運転）

~3kPa

(1)
N-type with Al2O3 window (Kyocera)

He level(2)

CW運転（Duty=1）で用いると（たて測定、HOM pick-upあり）、(1)HOM pick-upが発熱（約4000 A/m） ~ 14 MV/m、 He level (1)(数秒維持後、常伝導に転移する。フィードスルーの熱伝導。)(2)冷却条件が悪いと外導体が発熱~ 4 MV/m、 He level (2)（サーマルアンカー無しの場合。RFロスと冷却パスのバランス。）※TESLA-like空洞の構成では、HOM couplerの発熱が原因で、15MV/m（CW）の運転は出来ない。

At 2K

7

HOM coupler (2)：Design of HOM coupler
設計方針
HOM damping特性と損なわずに、・HOM coupler内の表面電流値を下げる。
・熱伝導特性の良いフィードスルーを準備する。
Base突起・ハイパスフィルターと突起の追加。
表面電流値→1/2まで低減（ロス：1/4）
・フィードスルーの材料・接合方式の変更。
Kovar → Mo、Copper、SUS316
Screw → Brazing

ハイパスフィルター
Modify8

HOM coupler (3): Calculation by HFSS
(1) High pass filter(3) High pass filter + Coupling loop antenna+ Notch filter + Pick-up probe(2) High pass filter + Coupling loop antenna(4) HOM coupler + single or two cell cavity

Qext for TM010 and HOMs
Tuning sensitivity of Notch filter
Surface Current vs Eacc
etc..

9

HOM coupler (4): Broadband performance
loop type S21 [dB] measurement
loop type S21 [dB] calculation

loop_broadband

0

S21 [dB]

-20

-40

-60

Copper mock-up

-80

-100

1

1.5

2

2.5

3

3.5

frequency[GHz]

4

4.5

5

Notchの位置を考慮した上で、高次モードの周波数を含めた空洞設計が必要。

10

HOM coupler (5): Calculation and measurement of Qext and Surface Current
測定 TESLA銅空洞（シングルセル）

計算 Cell shape : STF end cell

Cell shape : TESLA

Beam pipe = 84 mm

Beam pipe = 78 mm

Probe gap = 0.5 mm

Probe gap = 0.5 mm

Probe Diameter = 12 mm

Probe Diameter = 12 mm

mode

Frequency(MHz)

Loop (Qext)
30°回転

STF
1.5：L-type

mode

Frequency(MHz)

Loop (Qext)
30°回転

STF
1.5：L-type

TE111

L:1670.6

5.0 ×10^4

1.8×10^4

TE111

L:1599.6

2.8 ×10^4

1.2×10^5

H:1671.6

1.5 ×10^4-----

H:1603.9

9.7 ×10^4

3.1×10^3

L:1834.9

3.9 ×10^4

1.9 ×10^4

L:1836.7

5.4 ×10^3

2.3×10^3

H:1835.1

1.5 ×10^4

5.1 ×10^4

H:1837.9

6.3 ×10^3

4.4×10^42426.2

3.2 ×10^4

4.1×10^4TM0112328.4

8.2 ×10^3

2.3×10^4Insert length27.5 mm29.5 mm

Insert length

30 mm

31 mm

Bandwidth Qext>2x1011±2.6 MHz±3.9 MHz

Surface current on
Probe at 15 MV/m

2000 A/m

4000 A/m

TM110
TM011

※空洞周波数の変化：常温→2K + 2.16 MHz

TM110

11

HOM coupler (6): Measurement of Notch frequency for Nb models
ERL 2-cell cavity（高圧ガス対応品）： Loop-type HOM coupler Fnotch 測定
個数：15機（5機×3空洞）
測定時間および受け入れ日： 2010年5月31日 13:00~14:30@KEK-STF
測定方法： 同軸管測定
目標値：1300MHz±10MHz （公差±0.1~0.2mm）

No.

刻印

ノッチ周波数

1

ME-6-I1

1306 MHz

2

ME-6-I21307 MHz

3

ME-6-H1

1304 MHz

4

ME-6-H21305 MHz

5

ME-6-H31306 MHz

6

ME-7-I31304 MHz7

ME-7-I4

1301 MHz

8

ME-7-H41302 MHz

9

ME-7-H51299 MHz

10

ME-7-H61307 MHz

11

ME-8-I51304 MHz

12

ME-8-I6

1298 MHz13

ME-8-H71303 MHz

14

ME-8-H81302 MHz

15

ME-8-H91303 MHz
12

HOM coupler (7): Qext measurement by #2 cavity

ME-05 H-3

ME-05 H-2

ME-05 H-1

ME-05 I-2
Dummy coupler付きで測定。
Dummy couplerが無いと、電磁場が歪む。
軸上の電界分布の測定（金属球）

ME-05 I-1
13

HOM coupler (8): Qext measurement by #2 cavity
ME5-I1

ME5-I2

ME5-H1

ME5-H2

ME5-H3---508

1120

7090

11300

1460

6290

L:1630.145
H:1642.807

292
436

1420
2450

1090
3230

839
782

2080
12300

8160
4680

TM110-1

L:1799.458
H:1801.098

7320
3240

183000
24600

37900
44300

17800
6420

24400
23000

13100021500

TM110-2

L:1883.132
H:1884.692

10900
37100

79600
65100079400
14200023000
28700014700070300

79600
1480000

TM011-1

2286.072

894

3970

3840

11300

13600

4570

TM011-2

2316.156

1120

2120

3570

17700

10200

4700

Mode

Frequency[MHz]

Qext, allcouplers

TE111-1

L: ?????
H: 1595.098

TE111-2※ダンピングが悪いモードがあることの原因：
空洞周波数とHOM couplerのブロードバンド特性の不一致。
HOM Couplerの配置による効果（上流側の3機の配置が悪い）。

14

HOM coupler (9): Field distribution of HOMs (#2 cavity)

15

HOM coupler (10): Field distribution of HOMs (#2 cavity)

16

HOM coupler (11): Polarize direction measurement for cavity BPM
Y-axis (90 deg.)

Y-axis (90 deg.)
Input coupler

150 deg

60 degX-axis (0 deg.)
Z-axis

Input coupler-120 deg-60 deg

r=30mm の位置を通過する角度を変えてスキャンした。
Iris = 70 mm、 使用ビーズ：誘電球 Φ6mm

17

HOM coupler (12): Polarize direction measurement for cavity BPM

18

HOM coupler (13): Polarize direction measurement for cavity BPM

TM110-1

TM110-2

X-dipole (1799 MHz) ≒ -13 deg

X-dipole (1883 MHz) ≒Y-dipole (1801 MHz) ≒ 79 deg

Y-dipole (1884 MHz) ≒ 99 deg

9 deg

19

HOM coupler (14): Conclusion

・TESLA-like空洞のHOM couplerをベースにCW用に改造した。
表面電流値： 半分まで低減。（ロス：1/4）
HOM Qext、Notch filter： 劣化無し。
・HOM damping： TM110のダンピングが悪い。
HOM couplerのブロードバンド特性とモード周波数の不一致によるもの。
・Dipole modeの偏極方向
下記の通り、2セル空洞のTM110は空洞BPMとして使えそうなモードである。
TM110-1

TM110-2

X-dipole (1799 MHz) ≒ -13 deg

X-dipole (1883 MHz) ≒Y-dipole (1801 MHz) ≒ 79 deg

Y-dipole (1884 MHz) ≒ 99 deg

9 deg
20

フィードスルーの設計

21

Feedthrough (1): Transmission performance of Each models
ILC, ERL（ Al2O3 ）： KEK

TESLA (Sapphire) : DESY
複数のフィードスルーの内のひとつ。

JLAB (Sapphire)：

L-band 超伝導空洞に用いられているフィードスルーの透過特性。
JLAB、TESLA： 計算では> 4 ~ 6 GHz以上の特性が悪い。
周波数特性を考えると、KEKで使用しているものが一番よい。

22

23

Broadband performance (VSWR) window only
ILC,cERL（Al2O3）： KEK

TESLA (Sapphire) : DESY

JLAB (Sapphire)

24

25

Feedthrough (2): Kyocera N-R (Regular probe, call Type 0 Normal)
ベース： Kyocera N-R
アンテナ：ニオブ接合方式：螺子式
高周波窓：アルミナセラミック
外導体材料：Kovar（磁化する）

Type 0: Normal
Kovar

Connection:
M5 tap and Screw

Kovar

内導体材料：Kovar （磁化する）
フランジ材料：SUS316L

9-cell で通常使用している組み合わせ。
たて測定の際、下図の様に銅製サーマルアンカーを取り付ける。アンカーとフィードスルー間にはインジウ
ムシールを用いる。アンカーは2Kから取る。
※6mm×1t ×10ライン（断面積 60 mm2）

Free Space
Niobium(Vaccum)

Al2O3 window※個別に洗浄可能

26

Feedthrough (3): Kyocera N-R (Type 0 Modify, Type 1)
Type 0: Modify

Type 1: Mo, Brazing

M5 tap and Screw

Niobium

Kovar

Kovar

Connection:
Kovar

Connection: Brazing

Free Space

Indium block(Fill up to free space)Mo

Niobium
Al2O3 window

単純にインジウムブロックを用いて内導体とニオブアンテナの接触面積を増やした。
ニオブアンテナとフィードスルーを別々に表面処理・洗浄が行える。

(Vaccum)

Al2O3 window

内導体を熱伝導特性の良い材料に変え、接合方式をロウ付けにし、一体化した。
ニオブアンテナ部の表面処理の手順、ロウ材染み出し部の除
27
去が問題。

Feedthrough (4)： Kyocera N-R (Improvement, Type 2)
Type 2: Mo, Brazing, Copper
Mo

CopperSUS 316L

Connection: Brazing

Free Space
Niobium(Vaccum)

Al2O3 window

内導体：熱伝導特性の良い材料に変更
外導体：高周波窓周辺の外導体材料を銅に変更、また、Nコネクター接続部をSUS316Lに変更
接合方式： ロウ付け

・ロウ材染み出し部の除去
・表面処理領域の改善（ニオブアンテナの根元まで）

28

Feedthrough (5): Remove a brazing material at inner conductor
発熱の原因（ロウ材の染み出し部）と考えられる対策（ロウ材の除去）

境界面
ロウ材の染み出し部分。

ロウ材の染み出し部分を除去後の様子。
ルーターを使用。内導体のMo表面に流れたロウ材も機械研磨で出来る限り除去した。
あとは、Nbアンテナの根元までCPを行い、洗浄する。
29

Feedthrough (6)： フィードスルーの性能試験
液体ヘリウムの液面とフローレートを制御して、空洞上部の冷却条件を悪化させた状態を作って、CWで維持可能な電界強度を測定している。
Pressure: < 3kPa
Flow: < 10 m3/hour（CHECIAのような空洞単体でよこ測定を行う設備がないため）空洞全体がヘリウムに浸った状態でエージングを行った後、※ヘリウムの液面 vs 維持可能な電界強度の測定

アンカーにヒーターを設置しているので、ビームチューブ周りの温度もある
程度制御できる。温度センサーとHOM pick-upからの出力電力の変化(Qext)
Anchor with heaterからフィードスルーの発熱状況を評価した。

He <2K30

Feedthrough (7)： Results
Type

内導体

外導体

高周波窓

接合方式

コネクタ

Type 0Normal

Kovar

Kovar

Al2O3

螺子式

メス

Type 0modifyKovar

Type 1

Mo

維持可能な電界強度
Eacc （He外 at 2K）
13 MV/mで発熱。

Kovar

Kovar

Al2O3

Al2O3

螺子式
（インジウムあり）

メス

ロウ付け（ロウ材染み出し）

メス

25 MV/mで発熱。
ロウ材染み出しあり
5~12 MV/m (60 mm2)で発熱。
ロウ材染み出し除去
7.5 MV/m (36 mm2)で発熱。
※表面状態、表面処理に課題。

Type 2Mo

Cu
SUS316L

Al2O3

ロウ付け

メス
> 28.2 MV/m (36 mm2)
> 31.9 MV/m (60 mm2)で発熱しないことを確認。
ブレード線の本数を変えた。
31

Feedthrough (8)： 問題点
勘合部の破損（タイプ１、内導体材料（Mo）、勘合部内径（1mm）について

状況： 液体窒素にてサーマルサイクル試験×2回、超伝導空洞実機へ取り付けて低温試験（2K、High field）の実施。
フィードスルーを空洞から取り外し、勘合部の目視検査を行ったところ、勘合部の膨れが見られた。
次回の測定のためにピンセットなどで位置の修正を行ったところ、上図のように勘合部の根元から内導体が32折れたものがあった。

Feedthrough (9)： 勘合部の割れ具合

上図は、タイプ１（Mo）の１０個の様子、現状では勘合部の根元から折れたものは２個ある。ピンセットなどで膨れを修正したものについて、折れてはいないが修正中に“ペキ“という異音が聞こえたものが数個あった。
この状態で超音波洗浄を行うと、ピンが取れたものもある。
左図は内導体がKovarの通常のN-R変則型である。勘合部に膨れは見られるが、均一に変形しており、膨れの修正を行ってもこれまで、破損は見られなかったそうである。こちらも勘合部の内径は1mmである。
通常は、Φ1.65mm である。
33

Feedthrough (10)： 対策

ピンの破損に対して、
オスピンにして対応。

RFケーブルとの接続は
L-アダプタ（メスーメス）を用いることで対応する。
現在手配中。必要に応じて、連結化の際、付け替える。

34

Feedthrough (11)： 熱伝導率（参考）熱伝導率 [W/(m・K)]
4.2 K

銅

熱伝導率 [W/(m・K)]
常温
401

SUS 316L

16.7

0.26

Kovar

17

---

ニオブ

53.7

27

モリブテン

138

66

単結晶サファイヤ

42

42 ?

アルミナ

24 - 32

24 – 32 ?

材料

840

参照： 真空ハンドブック、低温ハンドブック、理科年表、メーカーのカタログより
35

Feedthrough (12): Conclusion

・Kyocera N-RのRFデザインとTESLA, XFEL の材料構成を採用し、高熱伝導特性を持つN-typeフィードスルーの製作を行った。

・製作後の問題の対策、表面処理手順の開発を行った結果、耐電圧特性が向上した。
従来品： 13 MV/m → 新規モデル: > 32MV/m （He外）(Current 2.5倍、ロス 6.25倍)

・勘合部の割れのような材料特有の問題については、ピン形状を変更することで
対応する。

36

About 2-cell Cavity

37

Cavity(1) fabrication
2011年3月までに、高圧ガス対応2セル空洞3台が製作された。
(#3~#5空洞： ME‐06, ME‐07, ME‐08)
2011年4月～12月
・受け入れ検査・表面処理
・単体の性能試験
・フィードスルーの開発（2011年6月～12月）
2012年1月～3月
・Heジャケット溶接
・モジュールアセンブリ

2012年4月～
・冷却、モジュール運転

Frequency

1.3

GHz

Number of cell

2

R/Q

205

Ω

Operating Gradient14.5

MV / mNumber of Input Coupler

2

Coupler Power

167

kW
5

Coupler Coupling Q

3.3 x 10

Number of HOM coupler

5

Operating Temperature

2

k

38

Cavity(2): Surface treatment, RF tuning and Test
Fabrication of cavity
Optical Inspection

CBP etc..
Bulk EP (heavy EP)

If few defect found by Optical
Inspection.
Example, we do the Local Grinding
for the geometrical defect at Before
or After pre-tuning.

If the cavity has many defect in cavity.
And the EBW seam is bad

Or go to the trashbox

Vacuum furnace heatorPre-tuning (fo, flatness, Qt)
Repair by mechanical Grinding.

EP-2 (light EP), Rinse

Cleaning by the water.
Amount of frequency change by
repair is less than 20 kHz.

If the cavity is bad result

Unit test in cryostat
with thermo-sensors

Very Small effect for field flatness.

Go to Cryomodule assembly
Feature: Combination of mechanical grinding and light EP without re-pre tuning,
39
Bulk EP and Vacuum furnace heat process for Cavity Repair.

Cavity(3): History of Frequency Tuning#3 cavity [MHz]#4 cavity [MHz]#5 cavity [MHz]受け入れ

1301.184 (472.5mm)

1297.274 (476.0mm)

1297.564 (476.5 mm)

プリチューニング

1298.725 (470.5mm)

1298.200 (476.5mm)

1298.247 (477.0mm)

Bulk-EP（105um）+ アニール後

1297.831

1297.284

1297.384

Final EP
VT stand (常温、真空)

1298.091（20um研磨）

1297.560（20um研磨）

1297.665（20um研磨）

1st VT at 2 K

1299.947

1299.433

1299.518

After VTVT stand （常温、大気圧、窒素）

1297.728------

再プリチューニング（常温、大気圧、空気）1297.661→
1297.195 （Repairあり）

1297.135→
1297.488 （Repairあり）

1297.255
なし

再プリチューニング２

1297.195→1297.481 (469.0mm)

---

---

Final EP、VT stand（常温、真空）1297.620（30um研磨）

1297.650（30um研磨）--（10um研磨）

2nd VT at 2K

1299.533

1299.532

1299.427

再チューニング３

1297.280 （Repairあり） →1297.420 (476.5 mm)

Final EP、VT stand（常温、真空）1297.660（20um研磨）rd

3 VT at 2K

1299.517

40

Cavity(4): Set-up of Frequency Tuning

上から

A
F

E

B
LengthC

D

C

Tuning 方法
スタッドボルト（4箇所）を締めて、空洞長を変化させる。
リニアゲージを見ながら変形させていく。空洞が傾かないように注意する。全長（Length）も測定する。
（±0.3mm以下で調整）
変形 → フリー の繰り返しでターゲット周波数まで調整する。S21でモニターした。

スタッドボルト：モリコート忘れずに
リニアゲージ（1um分解能）
Length の測定点

41

Cavity(5): Example, Frequency Tuning of #3 cavity
2 0 1 1 0 5 1 6 _ E R L 2 -c e ll # 3
P r e -tu n in g _ lo g
1302

C [m m ]E [m m ]F [m m ]In itia l : 1 3 0 1 .1 5 8 M H z

1300

10

F in a l
1 2 9 8 .7 5 0 M H z

8

6
Push
F re e

1296

4

1294

2

C, E, F [mm]fo [MHz]fo [M H z ]1298

C : - 2.308 mm
E : - 2.100 mm

傾 き 補 正1292

F : - 2.403 mm

0
0

5

10

15

20

25

30

N o

Df = -2408kHz
2 0 1 1 0 5 1 6 _ E R L 2 -c e ll # 3
P r e -tu n in g _ lo g

2000
d e lt a f [k H z ]•1061 kHz/mm

C [m m ]0472

D [m m ]F in a l
d e lta f : 2 4 5 9 k H z-2 0 0 0

470

P ush

468

F re e-6 0 0 0466-8 0 0 0464-1 1 0

傾 き 補 正

4

462
0

5

10

15
N o

20

25

(チューナーの感度)30

Length [mm]delta f [kHz]474

B [m m ]In itia l-4 0 0 0

Ave - 2.270 mm

A [m m ]42

Cavity(6): Field distribution before and after frequency tuning
F ield distribu tion o f M E -06 (#3 cavity)
As bu ilt (1) an d B efo re Fin al E P (6)Field distribution of M E-08 (#5 cavity)
As built (1) and Befo re Final EP (4)

0.02

0.02

E-field [a.u.] TM 010-2 ①

E-field [a.u.] TM010-2 ①

E-field [a.u.] TM 010-2 ⑥

E-field [a.u.] TM010-2 ④

0.015
E-field [a.u.]

E-field [a.u.]

0.015

0.01

0.005

0.01

0.005

0
0

100

200

300

400

500

bead position(m m )

0
0

100

200

300

400

500

bead position(m m )Field distribution of ME-07 (#4 cavity)
As built (1) and Before Final EP(5)0.02

チューニングの方向性（潰す↓、伸ばす↑）

E-field [a.u.] TM010-2 ①
E-field [a.u.] TM010-2 ⑤#3: 潰す → フリー の繰り返し。

E-field [a.u.]

0.015#4：伸ばす → フリー の繰り返し
0.01#5：伸ばす → フリー の繰り返し
0.005

0
0

100

200

300

bead position(mm)

400

500

厚み
センターセル：3.5t
エンドセル：5t

43

Cavity(7): Field distribution on Beam axis
20111030_Field_distribution_at_Cryomodule
0.025
E-field [a.u.] on Z-axis

E-field [a.u.]

0.02

eME-06(#3)

0.015

ME-07(#4)

ME-08(#5)

0.01

0.005

0
0

ME-06

ME-07

500

ME-08

1000

1500

2000

bead position(mm)e‐44Cavity(8): Qt measurement for field Monitor and Feed-Back

10

10

Qt

y = 2.2422e+18 * e^(-0.6808x) R= 0.99997
12

10

11

10

10

10

12

10

11

1000

300 mWy = 6.5182e+17 * e^(-0.62751x) R= 0.9993

Qt

Qt

10

4

10

Qt #1
Qt #2
Qt #3

13

Output power [mW] @Eacc 12.5MV/m

13100
5 x 10^10

Target = 5 x 10^10

10

9

10

16

18

20

22

24

26

28

10

10

9

10

30

1
18

Antenna length [mm]

20

22

24

26

28

30

32

Antenna length [mm]Target value : 5 x 10^10 (26.2 mm)

A

B

Result: #3: Qt = 5.8 x 10^10#4: Qt = 5.0 x 10^10#5: Qt = 4.2 x 10^10±0.2～0.3mmの範囲内 45

Output power [mW] from Monitor port

1014Output power [mW] @Eacc 3MV/m
Output power [mW] @Eacc 7.5MV/m

Antenna length vsQt and Output PowerERL 2-cell cavities
Monitor_Qt_summary

Cavity(9): Qin measurement by Dummy Input couplers

アンテナ先端がビーム軸から35mmあたりで、目標値に達する。
Qin = 3.3×105 / Coupler46

Cavity(10): Optical Inspection and Repair
観察箇所

Z-axis47

Cavity(11): Optical Inspection and Repair: #3 Cavity
Bulk-EP 105um

After EP-2 (1)RepairEP-2 (1) 20 um
EP-2 (2) 30um (Repair)
Total = 155 um removed

After EP-2 (1)After EP-1 (1)RepairAfter EP-2 (1)RepairRepair for quench at cell48

Cavity(12): Optical Inspection and Repair: #4 Cavity
Bulk-EP 105um

After EP (1)EP (1) 20 um

After EP (1)RepairRepairEP (2) 30um (Repair)EP (3) 20 um (Repair)
Total = 175 um removed

After EP (2)After EP (2)RepairAfter EP (2)RepairRepairRepair for Heavy F.E.
49

Cavity(13): Optical Inspection and Repair: #5 Cavity
Bulk-EP 105um
EP-2 (1) 20 um
EP-2 (2) 10um
Total = 135 um removed

After EP (1)No Repair for #5 cavity.
50

Cavity(14)： Process of Surface treatment
Bulk EP: 105 um, 50 mA/cm2、アニール
温度安定化のため

Final EP: 10 ~ 30 um 37-38 mA/cm2

冷却方法の改善。

アイドリング： 30min、3rpm
EP液抜き： 5min、2min、2min N2ガス加圧
一次水洗： 水封入 40min（振動）、水置換 20min
水平回転 40min

計 100min

物理洗浄：ブラシ → BP、HOM coupler内
FM-20： 50℃、30min、超音波
物理洗浄：ブラシ → BP、HOM coupler内

物理洗浄の導入。
表面の汚染物質を確実に除去するため。

HPR： 4.5hour、10~15 mm/min、2rpm
4.5hour （SUSフランジあり）
組み立て （Sn鍍金ヘリコを使用。）
ベーキング（100℃、~ 48hour キープ）
※真空パーツの準備、ニオブアンテナの表面処理

RFに見える部分のクリーン化
コンタミ混入の抑止。

51

Cavity(15)： Anneal

Nb

セラミックスTi Box: Ti製（円板）

空洞: Nb、NbTi 製
冶具: Nb、セラミックス
SUS製の拘束冶具を外す必要あり。
空洞が歪まないように設置する必要がある。

52

Cavity(16)： ニオブアンテナの準備
Surface Current on HOM pick-up,~ 2000A/m at 15 MV/m
Hhom / Hpk: 1/45

研磨前

研磨後

研磨前

研磨後

旋盤の加工跡がはっきり見える。

粗さは表皮抵抗の増加につながるので、この粗さがエミッターにならないか？

研磨の追加工は必要ではないか？

フィールドエミッションの対策の一つ、HOM pick-upの耐電圧特性改善のために、Nbアンテナの表面粗さを小さくした。その後、CP を行う。
53

Cavity(17)： Vacuum seals
真空シール材

ヘキサゴン

・アルミ合金製ヘキサゴン・ヘリコフレックス（Sn鍍金）・ヘリコフレックス（In鍍金）Sn鍍金ヘリコ・インジウムシール
Key・微粒子の発生頻度：フランジ面における鍍金の残留シール材からの汚染・洗浄によるシール材へのダメージ

In鍍金ヘリコ・組み立て工程が失敗した場合、どのような工程で対応するか？ 何処まで戻るか？
真空パーツ付き（シール材あり）でHPRは可能か？
（ヘキサゴン：可能、Sn：実績あり、MHI-08、ERL#3）

54

Cavity(18)： Vacuum sealsSn鍍金ヘリコ 超音波洗浄 60min
ダメージ無しIn鍍金ヘリコ 超音波洗浄 60min

鍍金が剥がれた。
※ヘキサゴンは変化無し。

55

Cavity(19)： Vacuum seals
シール材のクリーニング（ベンコット+エタノール）

In鍍金ヘリコSn鍍金ヘリコ
結果・ヘキサゴン：ダストなし。

・Sn鍍金ヘリコ：ワイピング回数に応じて、黒い粒子状のダストは減少した。最後は、剥がれた鍍金の部分？が支配的となった。

・In鍍金ヘリコ：ワイピングを4回やったが、黒い粒子状のダストは無くならなかった。Inは軟らかいのでベンコットで擦ると削れるから？

56

Cavity(20)： Cavity AssemblyKey: 空洞内部の表面状態（EP、リンス、HPR、作業環境・手順）：真空シール（微粒子の発生）： ニオブアンテナの表面状態
入力(1)、HOM用(5)、Monitor(1)（機械研磨、CP、洗浄）

57

Cavity(21)： from Vertical test to Pressure test for He jacket
・Cavity をVTスタンドへ移動した後、(1) 排気系の接続(2) 加速モードに対するHOM couplerのtuning(3) サーマルアンカーの取り付け(4) 温度センサー、RFケーブル などの取り付け(5) クライオスタットへ移動(6) 冷却 常温 → 4K
(7) 冷却 4K → 2K ：Rres、Q value(8) Processing （2K High field）(9) He level vs CWで維持可能な電界強度
発熱箇所の同定 など(10) 昇温、真空封じでの切り離し(11) Ar ガスパージ、輸送用フランジへ付け替え(12) ヘリウムジャケット溶接、耐圧試験(13) 連結化、モジュールアセンブリ
性能劣化なしでモジュール化できるか？
（ボルト、シール材からのダスト）

58

Cavity(21)： HOM coupler tuning for VT(1) 下側のHOM couplerのtuning(2) 上側のHOM couplerのtuning
Qhom = 5 x 1012,
S21 ~ -90 dB

NWA: 0dBm
Amp: 17dB

Pin

Qprobe = 5 x 1011,
Pout (S21) ~ -80 dB

Pout

Detune: Qext 108 ~ 109

Amp: 15dB×4台
Cavity Qo ~ 10000
at room Temp

Amp: 15dB×4台

Qin ~ 108

Pout

Pin
Target Qext value for HOM coupler > 2 x 1011
Qhom = 5 x 1012, S21 ~ -95 dB
Qt = 5 x 1010, Pout (S21) ~ -75 dB

Amp: 17dB

NWA: 0dBm

加速モードに対して、常温・真空で最小出力となるように調整する。

59

Cavity(22)： Thermal anchor and Thermo-sensors
Ch37: HOM1 rf Cable Anchor
Ch38: HOM2 rf Cable Anchor
Ch39: HOM1 rf Cable Mid.
Ch40: HOM2 rf Cable Mid.
Ch41:Input coupler
Ch42: Input coupler

Flange (Blank)

Flange (Vac. Port side)

Ch34: Top Flange
Ch35: Beam Tube (1)Ch43: Anchor line 1

Ch36: Beam Tube (2)Ch44: Anchor line 2

Weld 2

Weld 3

Weld 1

Tip 2

Ch32: He Temp

Cable

Tip 1

60

Cavity(23)： Cool down and Rres (1)HOM pick-upのニオブアンテナの表面処理が異なる。

表面処理工程の変更（主にリンス工程）がある。

CPの面積、時間の変更。ロウ材の除去により改善した。

HOM pick-up： パーツごとの表面処理が可能。
61

Cavity(24)： Cool down and Rres (2)Type 1の失敗から学習したことを生かした。
（CPの面積、時間、ロウ材の除去）#3 2nd では、組み立て中に排気系の操作を誤り、リークさせた。真空パーツ付きでHPR、再組み立てを行っ
た空洞。

Test

フィードスルー

Rres [nΩ](field)#1 cavity
04/Feb/2010

Without

38.0(3.63)#2 cavity
14/Oct/2010

Type 0(normal)

38.6(3.56)#3 cavity 1st
June/08/2011

Type 0(modify)

31.1(3.04)#4 cavity 1st(will install CM)
20/Sep/2011

Type 1(1st test.)

47.8(3.16)#5 cavity 1st(will install CM)
04/Oct/2011

Type 1(表面処理改善)40.0(3.13)#3 cavity 2nd
01/Nov/2011

Type 2(ロウ材部の除去など)

34.5(1.43)#4 cavity 2nd
15/Nov/2011

Type 230.3(1.65)#5 cavity 2nd
29/Nov/2011

Type 235.5(0.95)#4 cavity 4th
13/Dec/2011

Type 1(ロウ材部の除去など)

34.4(1.57)

62

Cavity(25)： Estimation of Qo value in case of VT setup
HFSS (固有値モード)を用いて、たて測定の際取り付け
るSUS製ブランクフランジのQo値への影響を計算した。
SUS at 2K →2.22×10＾6 S/m
常温→1.1×10＾6 S/m

評価方法
・各ポートの境界面をSUSに変えたときの、Qoの変化
から、各SUSフランジによるRresの値を計算する。
※ Rs = G/Q ： G=287.8Ω、Qo=計算値

ニオブ at 2K → 3.34×10＾19 S/mRres(P1) = 0.95 nΩ
Rres(P2) = 0.95 nΩ
Rres(B1) = 10.35 nΩ
Rres(B2) = 10.66 nΩ （キャップ形状）→B2端板形状のとき Rres(B2)= 31.56 nΩ
：キャップ形状とすることで20.9 nΩ小さくなる。

※すべてニオブのとき：
Qo=2.05×1010 （Rres=14.04 nΩ）※すべてのフランジがSUSのとき：
Qo=7.73×109 （Rres=37.21 nΩ ）37.21-14.04 = 23.17 nΩ（SUSフランジのロス）
63

Cavity(26)：Amount of Frequency Change by cool down and
Accelerating field#3 cavity 2nd test

#3 cavity 2nd test

+10.23 kHz by Cool down

≒ - 27 Hz / (MV/m)
64

Cavity(27)：Qext of HOM couplers for accelerating mode

Target65

Cavity(28)： Qo-Eacc (Type 0)

Cause of limitation:#1: Power limit#2: HOM pick-up heating#3: HOM pick-up heating(No heating at Max field in He)
Good result

66

Cavity(29)： Qo-Eacc (Type 1)

Cause of limitation:#4 1st : HOM pick-up heating#5 1st : HOM pick-up heating#4 3rd : HOM pick-up heating

67

Cavity(30)： Qo-Eacc (Type 2)

Cause of limitation:#3 2nd : HOM body heating
Very good result#4 2nd : Heavy field emission
with Burst (13 -> 3.5).
due to defects#5 2nd : HOM body heating
Very good result
Type2: Very Fast Cooling

68

Cavity(31)： Problem of HOM coupler (Multi-pacting at Low gradient)#3 cavity 2nd test

HOM coupler内：~ 2MV/mにマルチパクターレベルがある。
~ 30min程度でプロセスされる。
Qextの変化から発熱をしている
Couplerを同定できる。

HOM1、HOM2、HOM4、HOM5でQextの変化があった。HOM pick-upの発熱によりQoが低下したと思われる。
High fieldではQhomに変化は見られなかった。20MV/m付近で見られるQoに低下はフィールドエミッショによるものである。

69

Cavity(32)：Trend (#3 cavity 2nd test)
HOM couplerが液面から出るレベル

Pi/2 mode

Final

70

Cavity(33)： Passband Measurement
パスバンド（π/2）に対するHOM couplerのQext
ノッチフィルターのバンド幅の関係から、

測定結果

Qext = 10^9~10^10Feedthough

パスバンド
（He中）

Type 0Normal11 MV/m, 3 [W]

Type 0Modify20 MV/m, 8 [W]Type 225 MV/m, 13 [W]

これを利用すると、加速モードの表面電流負荷（耐電圧特性）+ 透過電力（耐電力特性） の評価が出来る。

以下、Qextと透過電力の比較
Trans（Qt）

HOM1

HOM2

HOM3

HOM4

HOM5

Other

Pi-mode at
30MV/m3.8 x 10^110.623 [W]7.2 x 10^110.318 [W]1.7 x 10^130.013 [W]5.8 x 10^130.004 [W]2.2 x 10^120.010 [W]3.8 x 10^140.0005 [W]1299.956 MHz

Pi/2-mode at
20MV/m2.5x 10^110.425 [W]1.2 x 10^10
8.21 [W]2.9 x 10^10
3.57 [W]1.9 x 10^10
5.57 [W]2.1 x 10^10
4.88 [W]1.5 x 10^10
7.08 [W]1286.963 MHz

71

Cavity(34)：Summary of VT data
Test

Eacc [MV/m] 維持可能な電界強度

フィードスルー

瞬間最大電界強度 [MV/m](制限の理由)Rres [nΩ](field)

ヘリウム中

ヘリウム外

#1 cavity
04/Feb/2010--

Without

43.7(power limit)
F.E onset (30)38.0
(3.63)#2 cavity
14/Oct/2010

18

13(HOM pick-up)
Slow coolingType 0(normal)

42.6(Heating HOM pick-up),
F.E onset (31)38.6
(3.56)#3 cavity 1st
June/08/2011

30.3

25
(HOM pick-up)
Fast coolingType 0(modify)

30.3(Quench by defect)
F.E onset (26)31.1
(3.04)

まで確認。

#4 cavity 1st(will install CM)
20/Sep/2011

12

5(HOM pick-up)
Fast coolingType 1(1st test.)

20.3(Heating HOM pick-up)(Quench by defect ?)47.8(3.16)#5 cavity 1st(will install CM)
04/Oct/2011

16.5

12
(HOM pick-up)
Fast coolingType 1(表面処理改善)

28.8(Heating HOM pick-up)
F.E onset (28)40.0
(3.13)#3 cavity 2nd
01/Nov/2011

33.4
まで確認。

31.9
まで確認。
(外導体が発熱)Type 2(ロウ材部の除去など)

33.4(Quench: Self Pulse、中間状態)
コンタミ？欠陥？、F.E. onset （26）34.5
(1.43)#4 cavity 2nd
15/Nov/2011

20.2
まで確認。

---

Type 2

Super leak due to F.E.
アイリス部に傷あり、BPに内部欠陥あり、バーストが起こった様子。
F.E onset (13 → 3.5)

30.3
(1.65)#5 cavity 2nd
29/Nov/2011

30.6
まで確認

28.2
まで確認。(外導体が発熱)（アンカー減らした。1/2）

Type 2

30.6MV/ｍ(Quench: Self pulse, 中間状態)
F.E. onset （21）35.5
(0.95)#4 cavity 4th
13/Dec/2011

20.5
HOM pick-up

7.5
HOM pick-up(アンカー減らした。1/4)

Type 1(ロウ材部の除去など)

26.7(HOM pick-up heating)
No Emission at Max field、リペア品

34.4

72(1.57)

Cavity(35)：Conclusion
2セル3空洞の最終状態(VT result), 20111226

#3
#4
#5

Frequency[MHz]@
2K(Pre-tuning, EP)Field
flatness

Qt

Eacc Max[MV/m]

F.E. onset[MV/m]

1299.533

90.3

5.77 x 10^1026(1297.481, 30um)(0.903:1)

33.4(Type 2)1299.517

99.4

4.96 x 10^10(1297.420, 20um)(1:0.994)

26.7(Type 1)

26.7
(No emission)

1299.427

96.9

4.16 x 10^1021(1297.255, 10um)(0.969:1)

30.6(Type 2)

Target Operating gradient : 15 MV/m at CW※ #4 については、連結化のときに Type 2 に付け替える。
※ Type 2（メス） については勘合部の破損が考えられるため、納期が間に合えば、Type 2（オス）に付け替えてもらう。
※ 空洞性能としては、目標値に到達したので、モジュール化のために空洞グループへ引き渡す。

73

Cavity(36)：Purge by Ar gas for next step

空洞外面を洗浄して、クリーンルームへ移動する。

Bottom, Input (Vac)をブラン
クフランジへ交換。
空洞内圧をチェックして大気圧で封じきる(0 MPa)。

Arガス：50ml/min
真空引き→Arガスパージ

74Cavity(37)：ヘリウムジャケット溶接後の高圧ガス耐圧試験
高圧ガス耐圧試験（2011年12月21日）
・2セル#3空洞（Ｈｅジャケット溶接後）：Ｈｅガス 1.25倍耐圧（0.17MPa）、スニファー
・Ｈｅパネル（試験用）：水 4倍耐圧（0.53ＭＰa） 、目視など

75

Cavity(38)：ヘリウムジャケット溶接後の高圧ガス耐圧試験

膨らむ（～3mm）

溶接施工法の承認を得るためのモックアップ。
試験後は廃棄する。

76

終77