137■研究紹介

超伝導 RF 試験設備 STF
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設

早 野

仁 司

hayanoh@post.kek.jp
2006 年 12 月 25 日

１

背景

KEK は超伝導加速技術の分野で世界的な大きな実績がある。トリスタン加速器での大規模な超伝導加速空洞の使

国際リニアコライダー加速器 ILC の主線形加速器（Main用、その実績のもとで開発された B ファクトリー加速器でLinac）は超伝導加速空洞を約 20 km にわたって連ねて使用の超伝導加速空洞は 1.3 A もの大電流電子ビームの安定加する。2005 年から世界的な研究者組織 GDE が中心となっ速という世界トップの性能を誇るものである。また、B フて ILC 加速器の設計と技術開発が進められているが、そのァクトリー加速器用クラブ空洞や J-PARC 第二期計画用超中でも規模もコストも大きな部分を占める主線形加速器の伝導加速空洞も開発しており、それらの性能を支えてきた開発が世界的な焦点となっている。この技術開発はドイツ

技術蓄積をいかに早くリニアコライダー加速器に応用するの DESY 研究所およびヨーロッパ各国が中心となっているか、を考えて開発計画が策定された。主な獲得するべき技

TESLA コラボレーションが十数年の研究開発の実績もあ

術開発事項は、これまでより 4〜5 倍高い加速電界をもつ 9って何歩も先をリードしている。主線形加速器部分の建設

セル加速空洞、加速空洞を密に並べて保冷するクライオモを担当できることが ILC 誘致に直接つながる公算が大きい

ジュール、パルス大電力 RF を発生させるクライストロン

ので、北米領域ではシカゴの FNAL 研究所が、またアジアおよびそのパルス電源、パルス大電流を安定に加速するた領域では KEK が、DESY のリードに追いつくべく積極的めのフィードバック技術などである。開発計画は STFに超伝導線形加速器の開発に乗り出した。アメリカ内ではphase 1 と STF phase 2 の二期に分けてステップを踏んで技いくつかの超伝導加速技術に実績のある研究所と大学との術獲得をするように策定され、最終目標は主線形加速器を協力関係を組織的に組み、総合的な試験設備を FNAL 研究建設できる担当能力の獲得である。これには担当能力をも所に作ることで開発を進めるという計画を策定した。KEK

つ研究者の育成はもとより、企業の担当能力の向上も目標

はアジア領域内で開発拠点となるべく技術開発の計画を立のひとつである。

案し、超伝導 RF 試験設備 STF を建設して主線形加速器技術開発をおこなうことを、中国、韓国、インドの主要研究所に説明し協力を要請した。しかしながら、技術開発は独2 リニアコライダー主線形加速器の概要

自におこなう訳ではなく、KEK は DESY 研究所、FNAL

主線形加速器は、 5GeV のダンピングリングに続くバン研究所はもとより、世界各国の主要研究所と協力関係を保チコンプレッサー部でバンチ圧縮と同時に加速されち、世界的コラボレーションに発展的に改組しようとして

15GeV と な っ た 電 子 ビ ー ム ま た は 陽 電 子 ビ ー ム をい る TTC （ TESLA Technology Collaboration 、 TESLA

250GeV まで加速する。すなわち正味の加速は 235GeV のcollaboration から改称）にも加盟して、技術開発の情報交線形加速器である。図 1 に ILC 加速器の構成を、そして図換、開発技術そのものの交換、研究者の交流などにより、2 には地下トンネル内に設置された主線形加速器の想像図

GDE の連携のもとでおこなっていく方針である。

を示す。できるだけ短い距離で加速をおこなうように加速

図1

ILC 加速器の概念構成図（注：ただし 2006 年 11 月時点で左右のダンピングリングは両者とも中央の配置に設計が変更された）

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図2

ILC トンネル内の加速器の想像図

空洞は可能なかぎり短く設計され、8 台の空洞を収容する

高周波加速のユニットは、3 台のクライオモジュールす細長いチューブ状のクライオスタット内に密に並べられる。

なわち 24 台の 9 セル加速空洞とそれらに高周波電力を供給

それら 8 台の空洞を収容した 12 m 長のクライオスタットをする 1 台のクライストロンおよびクライストロン電源そしクライオモジュールと呼ぶ。図 3 に加速空洞の、図 4 にはて電力を分配する導波管システムからなる。3 台のクライクライオモジュールの内部構造を示す。連結されたクライオモジュールの内、真ん中の 1 台にはビーム収束のためのオモジュールの約 150 m ごとに、液体ヘリウム供給のユニ超伝導 Q マグネットが組み込まれている。ビーム加速はットに接続される。大出力のヘリウム冷凍システムは約5 Hz のパルス運転であり、その 1 パルスでは 1.5 msec 、5 km の間隔で設置され、片側 2.5 km 、もう片側 2.5 km の10 MW の RF パルスが空洞に供給され、RF 電圧が空洞内長距離にわたるクライオモジュールユニット群を冷却する。に十分に立ち上がった 0.5 msec 後からトレイン状の 1msec

図 5 には 5 km 毎に設置される地上部コンプレッサーで圧縮ビームパルス列（約 3,000 バンチ）が入射され加速される。

されたヘリウムをその直下の地下トンネル部で冷却液化すトレイン内の平均電流は 10 mA である。RF パワー損失のるシステムの想像図を示す。

少ない超伝導空洞を使用するので加速電界を生成する RFパワーは非常に少なくてすみ、10MW の電力の大部分はビーム加速に供される。

図3

クライオモジュール内に内包される超伝導加速空洞のデザイン

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図4

主線形加速器に使用するクライオモジュールのデザイン

図5

3

ILC 加速器の冷凍機システムの想像図

リニアコライダー主線形加速器の技術的課題
長年 TESLA コラボレーションで開発されてきた超伝導加速技術を用いれば、リニアコライダー主線形加速器をすぐにでも建設できるものなのであろうか？ 残念ながら低い建設コストを要求している現在の設計では、克服すべき技術課題がいくつか存在する。加速器全長を短く抑えるためには高い加速勾配の高性能空洞が歩留まりよく実現できる こ と が 要 求 さ れ て い る 。 TESLA の 設 計 値 で は23.8 MV/m の加速勾配だったものが、ILC の設計では縦測定試験時に 35 MV/m をクリアし、それらの空洞をクライオモジュールに組み込んでからの運転は 31.5 MV/m と高く設定されている。この加速勾配は、技術開発をリードしている DESY でさえ、いまだに歩留まりよく生成できてはいない。また、クライストロンには新開発のマルチビームクライストロンを使用するが、10 MW 出力での長時間安定運転の実績が DESY においてもまだない。開発された試験機

140にはなんらかのトラブルが発生しており、低いパワーでの長時間運転の実績はあるが、高いパワーでは長時間は運転

4 KEK の STF Phase 1 計画とその現状されていない。RF パルス内での振幅と位相のフィードバッ

KEK で、超伝導 9 セル加速空洞の製作と性能達成に必要

ク制御は TESLA 設計加速電圧では試験され、その安定性な技術習得、複数台の加速空洞を収めるクライオモジューが示されたが、ILC 設計パラメータではまだデータがなく、ルの設計と製作、組み立て技術の習得、RF パワーの発生、RF パワーにフィードバック余裕度が少ない設計なので懸伝達分配、位相振幅制御の技術習得などを短期間におこな念されている状況である。これらの他にもいろいろな技術う目的で Phase 1 計画が策定された（図 6 および図 7 参照）。

的課題や不安がある状況である。

また、同時に加速空洞の表面処理と加速電界試験、清浄環

図6

STF Phase 1 と Phase 2 の装置構成

図7

STF の長期スケジュール

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境下での空洞組み立て作業、クライオモジュールへの組み

ヘリウムの冷凍機はトリスタン加速器の空洞開発の試験込み作業までの一連の最重要な組み立て工程のための新規に使われていたものを移設して使用する。これは 20 年以上設備の整備も目的としている。

も前の装置で、予備機として AR 東機械棟に設備されてい具体的には加速空洞として開発の提案のあった（ a ）たものである。

TESLA 型空洞（ILC 基準デザイン：BCD）の機械的剛性

STF Phase 1 建設は 2005 年初めに開始され、当初の計画の改良版と（b）空洞セル形状を大幅に変更し壁 RF 損失をでは約 2 年が経過した現在は冷却試験運転が開始されてい減少させ赤道部での表面磁場強度と軸上の加速電場との比る予定であったが、かずかずの要因で約半年の遅れが生じを下げて臨界磁場到達時に軸上電場が TESLA 型より向上ている。また計画は少々変更され、最初の冷却試験はそれするように設計した LL 型空洞（ILC 代替デザイン：ACD）

ぞれのクライオモジュール内に 1 台ずつの空洞を装荷してとの二種類の空洞の開発をおこない、それぞれを 4 台ずつおこない、主にクライオスタットの冷却性能を試験する目収めるクライオスタット 2 台を製作することになった。そ的に変更された。その試験が終了してから本格的に 4＋4 のの結果クライオスタットの全長は 5.5 m 程度で収まり、現状合計 8 台の空洞を装荷し、大電力 RF 系もフルに接続しての STF トンネルへの搬入口の長さ 4.5 m を少しの変更工事

クライオモジュールとしての冷却性能や RF 性能を総合的で 9.5 m 程度に拡張することで比較的簡単に対応できる。こに評価することとなった。シングルバンチながらビーム加れは、最初から 12 m モジュールを製作していろいろな困難速試験もおこなう予定である。2006 年 12 月の時点では空を解決していくよりも、最初のステップとして半分の長さ洞 1 台ずつのクライオモジュールを組み立て中であり（図のモジュールで経験を積み、それから最終的な長さのもの

8 および図 9 に写真を示す）、2007 年 1 月には 2 台のモジュに進むほうがよりリスクが少なく技術獲得が出来る、といールがトンネル内に下ろされ連結されて、2 月には冷凍機うことも考えた結果である。とのパイプ接続がおこなわれる予定である。最初の冷却試

RF も、時間的に早くパワー生成ができ、いろいろな試験

験は 3 月に予定されている。RF パワーは 2 MW 出力が常時に使用できるようにと考え、動燃で使用していたクライス使用可能になっていて、空洞の入力カップラーの大電力試

トロン電源を改造し、大型ハドロン計画の研究開発用の験が断続的におこなわれている（図 10 に RF パワーシステ

5 MW クライストロンと導波管を転用することにした。RFムの写真を示す）。冷凍機は運転可能状態にあり（図 11 参

振幅位相制御は J-PARC 用に開発されてきた制御ボードを照）、地下トンネルまでのトランスファーラインの建設とト改造して開発要素をできるだけ少なくし、かつ新規購入品ンネル内に設置するバルブボックスの製作がおこなわれても減らして、素早い立ち上げを目指した。

いる。

図 8-1

STF クリーンルームにおいて組み立て中の超伝導加速空洞（TESLA 型空洞の組み立て）

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図 8-2

STF クリーンルームにおいて組み立て中の超伝導加速空洞（LL 型空洞の組み立て）

図 9-1

STF においてクライオモジュールに TESLA 型空洞を組み込んでいる様子

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図 9-2

図9

STF においてクライオモジュールに LL 型空洞を組み込んでいる様子

STF において組み立て中のクライオモジュール（空洞およびヘリウム配管系を断熱真空容器に挿入している様子）

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図 10

STF 5MW RF パワーシステム

図 11

STF ヘリウム冷凍機

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モジュールの製作と並行しておこなわれているのが空洞要な開発が ILC に大きく貢献してくれるであろうと期待さ内表面の化学処理をおこなう電解研磨設備の建設、超純水れている。また、DESY はすでに ILC 1 RF ユニット規模製造設備、高圧超純水洗浄設備の建設、空洞組み立てをおの試験設備 TTF（現在は FLASH と改名している）を持っこなうクリーンルームの建設、空洞の加速電界試験をおこていて、放射光ユーザーの障害にならない限り ILC の研究なう縦測定設備の建設である。これらも諸事情から約半年に使用できる状態にある。の遅れが生じているが、2007 年 8 月頃にはすべての設備がFNAL 研究所が中心となって ANL 研究所、コーネル大学、完成する予定である。これらの設備は STF Phase 1 には部JLAB 研究所、SLAC 研究所などがそれぞれ各主要部分の分的にしか間に合わないが、Phase 2 建設時にはフルに活躍技術開発を担当し、総合試験設備を FNAL 研究所敷地内にするはずである。

建設するというのがアメリカの計画である。FNAL 研究所
は、まず DESY が製作支援する空洞 8 台を収めたクライオ5 STF Phase 2 計画

モジュール 1 台を FNAL 内で組み立て、試験をおこない、モジュール組み立てと試験の技術獲得をおこなう計画であPhase 1 計画の完遂の頃には、新規設備が稼働状態にあり、空洞製作、表面処理、加速電界試験、クライオモジュールる。その完成はちょうど STF Phase 1 の完遂と同時期である。つぎに米国企業による空洞製作、クライオモジュール組み込みや総合運転の経験が十分に積まれている状態にあ製作をおこない、米国産のクライオモジュールを 3 台程度る。また、その頃には GDE の設計チームは RDR（基本設製作する計画である。これもちょうど STF Phase 2 に相当計書）を完成させ、どのような構成の主線形加速器 RF ユする時期である。

ニットを作って性能達成をすれば担当能力の証明となるかが明らかになる予定である。それらを踏まえて主線形加速器の基本 RF ユニット１基を設計製作し、ILC 仕様のビームを負荷として ILC 性能で長期間運転する試験設備を建設するのが Phase 2 計画である（図 6 および図 7 参照）。そしてこの試験設備の建設から得られるであろう詳細設計と技術獲得は GDE の設計チームによる TDR（詳細技術設計書）の完成におおいに貢献するであろうと考えられる。

このように各領域の独自に策定した計画で現在は開発が進められているが、各領域の主要研究所はさかんに協力関係を築くべく研究所間の協定を結ぶ努力をしている最中である。一方、GDE は RDB（技術開発委員会）を作って効率的な技術開発をするような提言をおこなっている。RDBのもとで各専門技術に特化したタスクフォースも 7 つほど作られ、いかにして ILC 性能を達成する技術開発を世界的協力関係のなかでおこなうかを話し合い、計画を策定し、当初 Phase 2 計画は 2007 年から 2009 年の 3 ヵ年でおこ各主要研究所に提言している。これらが効果的に機能し始なう予定であったが、Phase 1 の終了を待ってそれらの経験めると世界的規模での緊密な情報交換ができ効率的な技術を生かすために、そして phase 1 自体の遅れもあるので 1開発が可能となり、ILC 実現に向けた大きな技術進歩が期年から 1 年半程度ずれ込むことは必至と考えられている。

待できる。

製作すべき試験装置は ILC 主線形加速器の 1 RF ユニット
で、 10 MW マルチビームクライストロンとその電源、RFパワーを 24 分配する導波管系、3 台のクライオモジュール、それらの中に 24 台の加速空洞、そして RF 振幅位相制御をおこなうフィードバック制御系であり、それらの空洞を冷却する冷凍機システムである。なお、空洞に ILC ビーム負荷をかけて試験する必要があるので ILC ビーム生成システムも必要である。STF トンネル内の Phase 1 クライオモジ
ュールの後方のトンネル部分に Phase 2 クライオモジュー
ル 3 台を並べることを計画している。

6

他領域の技術開発状況とこれからの協力計画、GDE との関係
欧州領域では DESY 研究所が中心となって主線形加速器部分を担当しているが、2007 年に建設が開始される予定のEuroXFEL（欧州 X 線自由電子レーザー）における技術開発とクライオモジュール製造の工業化という一歩進んだ重