cERLヘリウム冷凍機の現状とコミッショニング時の冷凍機運転仲井浩孝
冷凍機グループ

20130515 ERL検討会

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2発表内容• ヘリウム冷却システムの現状と問題点• 2Kラインのヘリウムガス回収の問題• 4.5Kラインのヘリウムガス回収の問題• 入射器および主空洞クライオモジュール同時運転• これまでの試験結果• コミッショニング時の熱負荷予想

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32Kヘリウム冷却システム
Helium Liquefier/Refrigerator Cold Box

Cold Helium Gas Return
Liquefied Nitrogen
Storage Vessel

LiquidHelium
Liquefied Helium
Storage Vessel

LiquidNitrogen
To Open Air
Multi-channel Transfer Line
Helium Gas
Pumping System

Helium Gas
Pumping System
Precooling Line
He I

He II

Precooling LineHe ICavities

He II

J-TValve

2K RefrigeratorCold Box

80K Shield
Injector Linac
Cryostat

5K
CryopanelCavities

J-T
Valve

2K Refrigerator
Cold Box

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80K Shield
Main Linac
Cryostat

5K Shield

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超流動ヘリウム冷却

LiquidNitrogenHelium Liquefier/Refrigerator
Cold Box

Helium Gas
Pumping System
LiquidHeliumTo Gas Bag
To Open Air

2KRefrigerator
Cold Box

He I
Pot

He II
PotHeatExchanger

J-T
Valve

To Compressor/
Gas Bag

Cryomodule

Superconducting Cavities

5K Thermal Shield
80K Thermal Shield

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減圧ポンプと回収圧縮機• 減圧ポンプ• 油回転ポンプとメカニカルブースターポンプの組合せ• 1組の最大排気速度：10 m3/hr → 10 W @ 2K
• 現在は8組 → 80 W @ 2K の冷却能力• 回収圧縮機• 最大回収速度：100 m3/hr → 100 W @ 2K
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回収圧縮機の移設• ERL開発棟とATFの回収圧縮機： 各 100 m3/hr• ATFの精製器を移設後：合計 200 m3/hr → 200 W@ 2K• ヘリウムガス精製の必要があるので、連続運転不可• 3000 L容器にある液体ヘリウムを使用して（実質2000 L程度）、連続8時間程度

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運転モード• 液化モード• ガスを室温に戻し、精製・液化を行う• 冷凍モード• 冷たいガスを液化冷凍機のサイクルに戻す• 混合モード• 液化モードと冷凍モードの混合• 2Kラインは液化モード、4.5Kラインは冷凍モード
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4.5Kラインの問題点• 4.5Kライン• 5K熱放射遮蔽からの蒸発ガス• He I pot からの蒸発ガス• コールドボックス：20K および 80K ラインへの戻りポートのみ（5Kラインへの戻りポートなし）• 20K ラインの圧力が高くて5Kガスを戻せない → 寒冷を回収できない（冷凍モード不可）• トランスファーラインの断熱性能維持のため、別ラインは使用不可• 80K ライン経由で循環圧縮機へ戻すために吸入圧力の低下 →液化率の低下
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入射器空洞の測定結果 (1)9CW operation in an individual cavity

Cavity RF Loss : Po

Eiji Kako (KEK, Japan)

Unloaded Q : Qo

2013' May 13

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入射器空洞の測定結果 (2)Simultaneous operation of three cavities
Maximum heat load to maintain 2 K < 83 m3/H

80807060
5040⣔ิ13020

static heat load100䝦䝸䜴䝮ὶ㔞 [m^3/H]

䝦䝸䜴䝮ὶ㔞 [m^3/H]

7060
5040
⣔ิ130
20100012345601䠏✵Ὕ⥲ィ䛾ຍ㏿㟁ᅽ[MV]23456䠏✵Ὕ䛾ᖹᆒຍ㏿㟁⏺ [MV/m]

Total Vc

Average Eacc

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78

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主加速器空洞の測定結果
෭෾ᶵ㈇Ⲵ
&(Vc vs Q0)
䠀䠐(ୖὶ✵Ὕ)ୖὶ✵Ὕ䛿䝞䞊䝇䝖ᚋ䛜Heatloss䛜䜅䛘䛶䛔䜛䛾䛜䜟䛛䜛䚹ຍ㏿㟁ᅽ䛾ቑຍ䛻క䛖Radiation䛾ቑຍ䛛䜙heatloss䛾ቑຍ䛿fieldemission䛻䜘䜛loss䛷䛒䜛䛸ᛮ䜟䜜䜛䚹ప䛔ຍ㏿໙㓄䛷䛿>1e10䛾Q0䛜䛒䜛䛾䛜䜟䛛䜛䚹☢Ẽ䝅䞊䝹䝗䛾ຠᯝ䛒䜚䚹HOMdamper䛾๭䜜䜒䛺䛥䛭䛖䛰䚹QͲdisease䛻䜘䜛ຎ໬䜒ぢ䜙䜜䛺䛔䚹(beforeburst)

burstburst(beforeburst)(afterburst)

䠀䠏(ୗὶ✵Ὕ)

2013/2/6
HiroshiSakai(ERL᳨ウ఍)2KStaticloss䠖෭༷┤ᚋ 12:0013W ͲͲͲ ᐇ㦂⤊஢๓24:00 䠃㐌᭱ᚋ11W
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超伝導加速空洞の測定結果

InjectorMain

Q0

2.0 x 109

1.0 x 1010

Static Loss at 2 K[W]1613

＊ 2Kで吸収できるdynamic lossは合計で50W程度
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超伝導加速空洞の加速電圧• 電子銃での加速電圧： 0.4 MV• 入射器と主加速器の加速電圧比： 1:6 または 1:7• 入射器加速空洞の加速電圧：I [MV]• 主加速器加速空洞の加速電圧：M [MV]• M = ( I + 0.4 ) x 620130515 ERL検討会（1:6の場合）

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13

14

2Kでの熱負荷の予想
V(cav-inj) [V]V(injector) [V]V(main) [V]V(cav-main) [V]P(injector) [W]P(main) [W]

1.0E+06

1.4E+06

8.40E+06

4.20E+06

1.571

2.0E+06

2.4E+06

1.44E+07

7.20E+06

4.615

11.5593.0E+06

3.4E+06

1.02E+07

9.263

23.197

3.6E+06

4.0E+06

3.8E+06

4.2E+06

1.5E+06
2.5E+06
3.5E+06
3.7E+06
3.9E+06

4.0E+06
4.5E+06

5.0E+06

1.9E+06
2.9E+06
3.9E+06

4.1E+06
4.3E+06

1.14E+07
1.74E+07
2.04E+07
2.34E+07
2.40E+07
2.46E+07

2.52E+07
2.58E+07

4.4E+06

2.64E+07

5.4E+06

3.24E+07

4.9E+06

2.94E+07

5.70E+06

2.893

8.70E+06

6.739

1.17E+07

12.188

1.23E+07

13.4701.20E+07

12.821

1.26E+07

14.135

1.29E+07

14.816

1.32E+07

15.513

1.47E+07

19.239

1.62E+07

23.365V(cav-inj): Total acceleration voltage of injector cavities

V(injector): Total acceleration voltage of injector (cavities + RF gun)V(main): Calculated total voltage of main linac cavities

V(cav-main): Calculated acceleration voltage of one main linac cavityP(injector): Total dynamic loss of injector cavities
P(main): Total dynamic loss of main linac cavities

P(total): Total dynamic loss of cERL cavities to cryogenic system @ 2K

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3.933

P(total) [W]
5.504

7.244

10.13716.87623.61530.522

16.17432.46042.70932.10744.92835.39849.53333.73237.10438.84948.18158.51547.20251.91954.36267.41981.88015まとめ• 現在の2 K冷凍能力は80 W程度• ATFの回収圧縮機を移設すると200 W @ 2 Kの冷凍能力（ただし、連続運転は不可）• ヘリウム液化機の液化率が低下• Static lossはクライオモジュール当たり13 ~ 16 W
• 入射器 3.8 MV, 主加速器 12.6 MV x 2が限界

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