ERL入射器用２セル超伝導空洞の縦測定での最近の結果（１）前置き（２）HOM couplerの低温時の周波数特性。
（３）第1回～4回までの縦測定の結果（４）今後の対策など。（出来る限り仕様に近づけるため）

第6研究系： 渡邉 謙

2010年11月9日 第48回ERL検討会

前置き （HOM coupler＋HOM pick-upは、CWの負荷に何処まで耐えられるか？）
目標：クライオモジュール環境下において、加速電界： 15 MV/m（CW） 2セルの場合
ビーム電流： 100 mAが目標である。

開発項目：
空洞システムがCWの加速モードの負荷に耐えられるか？
HOM coupler周りが100 mA の負荷に耐えられるか？
（RF設計、フィードスルー周りの構成）

Gap

TESLA型 同軸HOM coupler では、CW運転時に加速モードの負荷によって、外導体およびHOM pick-upが発熱するという問題がある。 TESLA-like 同軸型HOM coupler を装着したSTF Baseline空洞（9セル）で、HOM pick-up有りで縦測定（CW）を行った事があり、その結果を元に、HOM couplerの設計を行った（2007）。

Loop-type 同軸型HOM coupler (2セル、CW運転)
High pass filter → HOM pick-up周りの加速モードの負荷を低減
外導体全体に流れる電流量も抑えた。
透過電力を 1/2 （-3dB）に低減した。
高次モードの周波数帯（>1.5GHz）を通しかつ、1.3GHzの透過を阻害する特性。

HOM pick-up

TESLA-like 同軸型HOM coupler (9セル、Pulse運転)
加速モード励振時のHOM coupler内の磁場の様子

ニオブ製アンテナを京セラ製アルミナ窓、螺子（M5 ）でアンテナを接続する。
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プロトタイプ２セル空洞＃2：空洞形状
HOM coupler部：伝熱のみで冷却される

ME5-H3ME5-H1

セル部：Heで直接冷却される

ME5-H22セル空洞の構成・Loop-type HOM coupler ×5機、 Input coupler ×2機、Monitor port ×1

ME5-I2

・セル数： 2 セル
評価項目 CW運転に対して、縦測定のセットアップでできること。
①空洞製作方法の評価、②HOM couplerのRF設計の評価、耐電圧特性
HOM couplerのチューニング特性の評価（常温→低温）③フィードスルーなど使用しているコンポーネントの評価：耐電力特性

ME5-I1※クライオモジュールの運転では、セル部はHeジャケット内にあり、2Kのヘリウムで直接冷却される。HOMcouplerは、Heジャケットの外側にあり、ビームパイプとサーマルアンカーからの伝熱のみでしか冷却されない。
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プロトタイプ２セル空洞#2の表面処理から縦測定まで
・2009年4月： 空洞完成・ 空洞の受け入れ検査（RF測定、品質検査）
・2009年7月： Pre-EP・EP-1（105um）、アニール

・2010年3月： EP-2（20um）、1回目縦測定： Eacc = 40.9 MV/m（CWで長時間維持可能）（HOM pick-up無し。空洞単体の試験、主に空洞の製造工程・表面処理の評価）

・2010年4月： EP-2（20um）、2回目縦測定 （HOM pick-up有り、Gap=0.5mm。RF設計の評価）
Eacc = 14 MV/m

He
Pressure = < 3 kPa
Flow rate = < 10 m3/hour

Heリークにより途中で試験中止 （ICF70の部分のリーク）・2010年8月： EP-2（20um）、3回目縦測定 （HOM pick-up有り、Gap=0.5mm 。）
Eacc = 38.4 MV/m （瞬間最大、 クエンチ＠HOM pick-up）
HOM couplerがHeから出た状態における維持可能な電界強度：12 MV/m
クエンチ箇所：上部のHOM couplerのHOM pick-up

・2010年10月： EP-2（20um）、4回目縦測定 （HOM pick-up有り、Gap=2.0mm。
スズ鍍金ヘリコのテストを含む。）

Eacc = 42.6 MV/m （瞬間最大、 クエンチ＠HOM pick-up）
HOM couplerがHeから出た状態における維持可能な電界強度：13 MV/m
クエンチ箇所：上部のHOM couplerのHOM pick-up
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He <2KHOM couplerのチューニングについて（HOM pick-upありの場合）
・EP-2・各種リンス工程＠STF
・組み立て・ベーキング＠STFクリーンルーム
・縦測定スタンド＠STF へ移動・吊り下げる・釣り下がった状態で、常温下にて、HOM couplerのチューニングの実施。

Pin（De-tune）

Qo = 1 x 104 @R.T.
Monitor port = 2~3 x 1011
PHOM = monitor port より小さな出力になるように調整する。

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Input portの出力も測定し、Qextのオーダーを見積もる。

HOM coupler のQext （3回目 縦測定の時の値）
Mode, Gap = 0.5mm

HOM1

HOM2

HOM3

HOM4

HOM5TM010 pi
1298.543 MHz@1.73 K

6.80 E+11

3.92 E+12

3.45 E+11

2.45 E+12

6.11 E+11TM010 pi/2
1285.322 MHz@1.17 K

6.60 E+09

4.79 E+09

6.12 E+09

4.98 E+09

5.64 E+09

Pout from HOM couplers
TM010-pi @ 3.4 MV/m

4.37 mW

7.78 mW

8.82 mW

1.24 mW

4.99 mW

Pout from HOM couplers
TM010-pi/2 @ 3.4 MV/m

0.48 W

0.65 W

0.51 W

0.63 W

0.56 W

π/2 モードを測定することで、擬似的に加速モードの負荷（磁場）がある状態におけるHOM pick-upの耐電力特性を評価できる。
常温で、加速モードの出力が最小になるようにチューニングすれば、低温でもQextに対して問題ないことが分かる。
（目標値： >2×10^11）
4回目 縦測定 Gap= 2.0mm

HOM1

HOM2

HOM3

HOM4

HOM5Pi-mode: 1299.5162MHz@1.77 K

1.70 E+126.43 E+11

1.10 E+122.78 E+126.97 E+14Pi/2 mode: 1286.2764MHz@1.58 K

1.65 E+10

8.01 E+09

1.44 E+10

1.86 E+10

1.66 E+10

2010年11月9日 第48回ERL検討会

減圧中の加速モードの周波数と Qextの変化

Frequency of Accelerating mode
1298.545

Freq. [MHz]16101510141013Qext

10Freq. [MHz]1298.54

Aug/26/2010 : ERL 2-cell #2 with Five HOM couplers
Qext of TM010 : HOM couplers

Q HOM1Q HOM2
Q HOM3
Q HOM4
Q HOM5Qt

1298.535

1298.531298.525

1.510121016111015101014101310121011

2

2.5

33.5
Temp. [K]

42.5

33.5
Temp. [K]1298.525

4.5

Q HOM1Q HOM2
Q HOM3
Q HOM4
Q HOM5Qt

1298.53

1298.535

Freq. [MHz]2010年11月9日 第48回ERL検討会

4Aug/26/2010 : ERL 2-cell #2 with Five HOM couplers
Qext of TM010 : HOM couplers

4.5
Qext

1.521298.54

1298.545縦測定の結果について

2010年11月9日 第48回ERL検討会

縦測定：1回目 HOM pick-upなし

40.9 MV/m

Rres = 39.7 nΩ

・HOM pick-up無しの測定では、40MV/m（CW）を超えても電界を維持できている。
（空洞はHeに完全に浸かった状態で終了した。）
・空洞製造工程上に問題は無いことが分かる。
・残留抵抗値が悪いのは、SUS端板の損失のためである。（大口径のビームパイプに起因するもの。）

・2回目以降の測定は、HOM couplerの評価が主になる。

2010年11月9日 第48回ERL検討会

縦測定：2回目 HOM pick-upあり、gap=0.5mm

・2Kでの測定中に真空リーク（引き上げ後、リーク箇所を測定し、ICF70の部分からリークがあった。）が発生し、試験を中断した。空洞のすべての部分がHeに浸かった状態で終了した。

2010年11月9日 第48回ERL検討会

縦測定：3回目（Gap=0.5mm）、4回目（2.0mm） HOM pick-upあり

3回目（Gap=0.5mm）

He＠2Kからでた状態：12MV/m

4回目（Gap=2.0mm）

He＠2Kに浸かった状態：17.4MV/m

He＠2Kからでた状態：13MV/m

He＠2Kに浸かった状態：18.4MV/m

2 sec/div

・π-modeで瞬間的に高電界まで持って行き、エージングした。クエンチごとに発熱箇所は変化していった。
Field・π/2による負荷がある状態で、HOMカップラーからの出力電力に対するHOM pick-upの耐電力特性の評価。
・Heの液面レベルおよび液温に対する維持可能な電界強度の測定。
そのときのクエンチ箇所の特定。
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4回目縦測定

10Pi/2-mode (測定時間 30 min) 冷却条件： Heに完全に浸っている状態。
2 01 0/10 /14 E R L 2-ce ll ca vity #2
P i/2_ m ea su re m en t @ 2 K

2 0 1 0 /1 0 /1 4 E R L 2 -c e ll c a vity # 2
P i/2 _ m e a s u r e m e n t @ 2 K

1012Output power from HOM coupler [W]Qo
Q u e n c h @ H O M 2 p ic k -u p

Qo

マ ッ チ ン グ を 取 り な が ら F ie ldを 上 げ て い く 。

109入 力 パ ワ ー を 固 定 し て 、放 置 す る 。
In pu t ア ン テ ナ の 位 置 は 、 常 に マ ッ チ ン グ す る よ う に 動 か し た 。
P ro beの 発 熱 に よ り Q o が 低 下 し て い く 様 子 が 分 か る 。

101086428051015

H O M 1 [W ]H O M 2 [W ]H O M 3 [W ]H O M 4 [W ]H O M 5 [W ]0200510201 0/10/14 E R L 2-ce ll ca vity #2
P i/2_ m easu rem en t @ 2 K

2 10101.8 1010

1.8 1 010

1.6 1010

1.6 1 010

1.4 1010

1.4 1 010

1.2 1010

1.2 1 010

1 10101 1010

Qhom

Qhom

2 10

Q hom 1Q hom 2Q hom 3Q hom 4Q hom 58 1098 1096 1096 1090510
E acc [M V /m ]20E a cc [M V /m ]E a c c [M V /m ]101515202 01 0/1 0/14 E R L 2-ce ll ca vity #2
P i/2 _ m ea su rem e n t @ 2 K
Q ho m 1
Q ho m 2
Q ho m 3
Q ho m 4
Q ho m 50

2010年11月9日 第48回ERL検討会

246810O u tp o t po w er fro m H O M cou p le r [W ]12

温度センサーの配置と液面レベル、HOM couplerの配置 4th Test

温度センサー：Weld 1, 2, 3Heレベル：L 64.1%

Top Flange

Heレベル：L 57.4%

HOM coupler 上

Heレベル：L 52.6%

HOM coupler下温度センサー：Tip 1, 2

温度センサー：Cable

Heレベル：L 49.6%

フィードスルー下

Heレベル：L 45.7%

Base Plate

6sensors / HOM coupler x 5 couplers

簡単なアンカーを設けた。

HOM1、HOM2
Kyocera:Al2O3 window

HOM3、HOM4、HOM5
2010年11月9日 第48回ERL検討会

ヘリウムの液面レベルに対する維持可能な電界強度： 4回目縦測定
HOM1 feedthroughHOM2 feedthroughHOM3 feedthroughHOM4 feedthroughHOM5 feedthrough101014_1720-2030

80706

高電界でエージング後、ヘリウムの液面レベル（冷却条件）に対する維持可能な電界強度の測定を行った。

5L 64.1 % , Top flangeHO M1 he atin g

3L 4 9.6 % , Fee d-thr ou gh
L 45.7 % , Base p late40

2Eacc [MV /m]
H e press [kPa]
H eLevel30
20

119.8 MV/m

010-10-2
100

020

40

6080

HOM couplerが完全にヘリウムから出るのは、<49.6 ％である。
ベースプレートが完全に出るのは、<45.7 %である。

101014_1720-2030

70Time [min]65L 6 4.1 % , To p flange

Te mp. r ise due to BP he atin g

He tr an sfer

4L 52.6 %50

3

L 4 9.6 %L 4 5.7 %

4030

21

HOM2 heating

14 MV/m

20013 MV/m

100100-1120140160Time [min]2010年11月9日 第48回ERL検討会

180-2200

Temperature [degC]

60

クエンチ箇所の同定とエージングのため、投入パワーを最大にした。結果、過負荷により超流動状態が破れたため、4Kまで温度が上昇した。

HOM1 feedthroughHOM2 feedthroughHOM3 feedthroughHOM4 feedthroughHOM5 feedthroughEacc [MV /m]
H e press [kPa]
H eLevel

80

Eacc [MV/m]

Eacc [MV/m]

50

4

HO M5 he atin g
L 5 2.6 % , Bo tto m o f H OM cou ple r

Temperature [degC]

60

維持可能な加速電界とヘリウム温度および液面（クエンチ箇所：HOM pick-up）
4th V.T., 2.0 mm Gap
He Temp [K]
He中He中He外50.9 %2.045.8 %47.9 %

3rd V.T., 0.5 mm Gap
40 sec.

クエンチ

クエンチ

2.1

He外

50.9 %

60 sec.

120 sec.

50.7 %

51.2 %

60 sec.

47.9 %
90 sec.
180 sec.

1.830 sec.

49.7 %

48.7 %

1.6

60 sec.

Gap長の変更により、1 MV/m程度の改善は見られた。

1.4150 sec.

1.2
101112131415

1617185 min以上維持できたものを維持可能は電界とした。
クライオ内の真空は、3kPa～0.5kPa であり、液面がHOMカップラーより下回った状態（緑）では、メカブを切ってある。
液面から蒸発したガスの流量が多いと、そのガスによってHOMカップラー周りが冷やされるため。
2010年11月9日 第48回ERL検討会

192021Eacc [MV/m]

まとめ・今後の対応
・2009年から入射器用2セル空洞の表面処理および縦測定を行ってきた。
・HOM pick-upなしの測定では、Eacc = >40MV/mを達成した。このことから、空洞の製造方法および品質に問題が無いことが確認できた。
・一方、HOM pick-upありの測定では、 π/2モード励振時におけるHOM pick-upの耐電力特性の評価および、ヘリウムの液面レベル・液温（冷却条件）に対する維持可能な電界強度の測定を行った。
結果、HOM pick-upの耐電力特性では、π/2モードでEacc = 11 MV/m, 4 Wの透過電力でHOM pick-upの発熱が観測された。
HOM couplerが完全にHeから出た状態における維持可能な電界強度は、13 MV/m （HOM pick-up・内導体間のGap = 2.0mmのセットアップ、クエンチ箇所＠HOM pick-up）であり、仕様には届いていない。
現状では、使用しているフィードスルーの冷却に問題があるため、次回以降の2セル空洞の測定では、下図のようなアンカーを準備し、フィードスルーの根元から冷却できる構造 として、耐電力・電圧特性の向上を図りたい。
また、必要に応じて、伝熱特性の良いフィードスルーの開発も行うことも考えていく。
接触面確保のため、インジウ
ムシールを挟むセラミックス窓

銅製
ブレード線（2Kアンカーへ）
2010年11月9日 第48回ERL検討会