改良４分割方式
Ｘバンド高電界加速管の製作
阿部 哲郎、高富 俊和、東 保男、肥後 壽泰、松本 修二
高エネルギー加速器研究機構（KEK）／加速器研究施設
第１６回日本加速器学会年会＠京都大学吉田キャンパス
２０１９年７月３１日

２つの「直交」する製作方法「ディスク･スタック方式」

 利点
 旋盤で主要部分を加工可能
 表面が平滑（Ra = ~30 nm）
 加工によるダメージが浅い（深さ： 1 μm 以下）

 欠点
 セルを一枚一枚、超精密加工し、慎重に重ねる（数十枚）
 手間がかかる
 表面電流がディスク間接合箇所を渡る

第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）「４分割方式」

 利点
 表面電流は、いかなる接合箇所も渡らない 大幅なコストダウンが見込める
 ５軸のミリング加工機を使えば、ひとつの加速構造（２０～３０セル分）をいっきに加工 （セル数に依らず）パーツの個数は４個で、組立が比較的容易

 欠点
 すべてミリング加工なので、表面粗さ大（Ra = ~50 μm）
 加工によるダメージが深い（10µm程度）
 Quadrants間からの仮想リークの恐れ QuadrantsのR角部におけるフィールド増大
阿部 哲郎 (KEK)2

CLICプロトタイプ加速管（TD18）を４分割方式で製作（2008年、by KEK and SLAC）

超精密ミリング加工（輪郭度：5μm）

TD18_Quad

超精密アライメント（精度： 5 μm）
真空容器中へ

R面取り（R50μm）
第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

アイリス
阿部 哲郎 (KEK)3

TD18_Quadの高電界試験の結果（2009年）

通常は、少なくとも、Eacc= 100 MV/m には到達出来るが、この試験では、Eacc ＜ 60 MV/m であった。
第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)（SLACでは、電解研磨を施したが、結果は同様に悪かった）
4

デザインの詳細については、下記参照：「改良４分割方式」を考案

 阿 部 哲郎 、東 保男 、荒木田 是夫 、設楽 哲夫 、高富 俊和 、肥後 寿泰 、松本 修二：「高電界 Xバンド単セル試験空洞の４分割方式による製作」 、第９回日本加速器学会年会 、2012年 、THPS095
 阿 部 哲郎 、安島 泰雄 、荒木田 是夫 、井上 均 、工藤 昇 、高富 俊和 、肥後 寿泰 、松本 修二 、東 保男：「４分割方式による高電界試験用 Xバンド単セル空洞の製作」 、第１１回日本加速器学会年会 、2014年 、SUP042

改良４分割方式

旧４分割方式
Quadrant A

微小ギャップ(0.1mm)

Quadrant B

平面で接触

大きな R
(8×R0.4mm)

仮想リークの恐れフィールド増大

8×R50μm
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阿部 哲郎 (KEK)5単セル型定在波空洞で改良４分割方式を実証
詳しくは、下記参照：
阿部 哲郎、高富 俊和、肥後 壽泰、松本 修二、荒木田 是夫：「４分割方式Ｘバンド単セル型空洞の高電界試験の結果」、第１４回日本加速器学会年会、2017年、WEP039

Cycle Operation

第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)

KEK/Nextef/Shield-B におけるブレークダウン率測定の結果

CLICの仕様（3×10-7 breakdowns/pulse/m）を満たせる十分な性能を確認できた！
6高電界試験後の検査

0.1 mm ギャップ内は殆ど無傷

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阿部 哲郎 (KEK)

0.1 mm の微小ギャップは問題ない
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改良４分割方式の完全な原理実証のため、２４セルのCLICプロトタイプ加速管（進行波）を製作

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阿部 哲郎 (KEK)8

「CLIC-G*」に基づく電気設計
GLIC-G* の詳細は、下記参照：
Hao Zha and Alexej Grudiev, "Design and Optimization ofCompact Linear Collider Main linac Accelerating Structure“,Phys. Rev. Accel. Beams 19, 111003 (2016).

設計者：Jiayang Liu (清華大学)、 Alexej Grudiev (CERN)
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阿部 哲郎 (KEK)9製作図面（3D）minus

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阿部 哲郎 (KEK)10超精密ミリング加工

加工者：ユー・コーポレーション

当たり面
輪郭度： 5 μmを達成

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50 μm の段差

阿部 哲郎 (KEK)115 μm の精度で組立

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阿部 哲郎 (KEK)12電子ビーム溶接（EBW）による接合↓EBW完了後

本溶接の条件・加速電圧： 150 kV・ビーム電流： 10 mA・送りスピード： 750 mm/min
・フォーカスポイント： 20 mm 上

溶接者： 太陽イービーテック

 溶け込み深さ： 約 1.5 mm
 物温上昇： 最高 25℃

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阿部 哲郎 (KEK)13

EBWによる直角方向サイズの変化を測定
測定器：カール ツァイスUPMC 850 CARAT

80 mm
膨張

 平均で 5 μm の縮み ばらつきは 2～3 μm
 一箇所、他と傾向が違う（ EBWの順番を再検討）
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阿部 哲郎 (KEK)

収縮14低電力RF測定のセットアップ

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阿部 哲郎 (KEK)15【RF測定結果1】 EBWの前（黒）と後（赤）フィールド分布（周波数チューニングはまだ行っていない）

位相進み

At 11.4061 GHz
At 11.4112 GHz

緑色の線はデザイン

EBW前後で大きな変化なし第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)16【RF測定結果2】 EBWの前（黒）と後（赤）（周波数チューニングはまだ行っていない）

 周波数チューニング前だが十分良い（< -25dB）
 EBWによる周波数変化： ＋5.1 MHz 調整範囲：±40 MHz より十分小さい

物温30℃ & 内部真空に換算した周波数 [GHz]第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)

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まとめ
 ４分割方式の利点：
 加速モードによる表面電流が接合箇所を渡らない 大幅な製作コスト削減の可能性

 単セル型定在波空洞を使って、改良４分割方式を実証した
 ２４セルのCLICプロトタイプ加速管（進行波）を改良４分割方式で製作
 Quadrants の接合には、電子ビーム溶接（EBW）を使った
 EBW前後で、RF特性に変化なし（RF特性自体も問題なし）

 高電界試験を計画中

ご清聴、ありがとうございました
第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)

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補足資料

第16回日本加速器学会年会（2019年7月31日）

阿部 哲郎 (KEK)19拡散接合の不具合？
Cell #23 US

Disk B

表面電流
TD24 R05 CERN
R= 50 μm

Disk A

Max. current density~108A/cm2 during test

真空封止には成功していても、拡散接合箇所に、「異物」や「隙間」が見られることがある。

表面磁場強度

拡散接合箇所
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阿部 哲郎 (KEK)20

Ｘバンドでも 100 MV/m の壁は超えられる！？
SLACの単セル型非減衰空洞の試験結果
Valery Dolgashev, et al. (SLAC),
presented at HG2017

 Eacc = 200 MV/m with ~10-7 /pulse/m の可能性

BDR determined by
Material hardness?
Thermal stress?
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阿部 哲郎 (KEK)21

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阿部 哲郎 (KEK)22