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■研究紹介

ILC に向けた STF Phase-2 計画の進展
KEK 加速器研究施設

山 本

康 史

yasuchika.yamamoto@kek.jp
2016 年 2 月 9 日

1

始めに

1.1 STF Phase-2(STF-2)の目的
2013 年 に ILC(International Linear Collider)[1] 計 画 のTechnical Design Report(TDR)[2]が刊行された。それによると ILC の建設にあたり世界の三地域(アジア，北米，ヨーロッパ)において開発された超伝導空洞の性能が ILC スペック(表1)に到達していることが前提となっており，これを実証す
べ く 高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 (KEK) 内 に あ る
STF(Superconducting RF Test Facility)[3, 4]において STF-2 計画が実施されている(進行形なのはまだ終了していないため) １。
STF-2 の目的とは，すなわち TDR に記述された ILC スペッ
クでクライオモジュール(超伝導空洞および周辺機器を収納したクライオスタットのこと)を動作させ，ILC と同様の条件でビーム運転を行うことにある。STF-2 は当初，26 台の空洞が収められた 3 台のクライオモジュール( TDR に示された RF structure の 1 ユニットに相当する)によるビーム加速試験を行うという計画であったが、諸々の事情により，12 台の空洞を 1 台半の大きさのクライオモジュールに収めたビーム加速試験に変更された。8 空洞の入ったクライオ
モジュールを CM1，4 空洞が入った方を CM2a とよぶ。図
1 は STF-2 クライオモジュールおよび STF-2 加速器の概観図である。
STF-2 のこれまでの経緯を簡単に説明すると，2014 年秋に最初の冷却試験が行われ，低電力試験(low power test)および静的熱負荷(Static heat load) ２測定が実施された。そして，
昨秋の 2 回目の冷却試験では大電力試験(high power test)が実施され，クライオモジュールにおける全空洞の最大加速勾配が確認された。詳細は第 3 章で述べる。

表1

ILC のスペック(TDR および ILC Progress Report 2015[5]より

抜粋)

Item
# of Cavities# of Cryomodules

Specification
14,742
1,701

Eacc, Q0 @Vertical Test

35.0 MV/m (±20%), ≥0.8x1010

Eacc, Q0 @Cryomodule Test

31.5 MV/m (±20%), ≥1.0x1010

Drive Frequency/Mode

1.3GHz, TM010, π-mode

Cavity fill time

924 μsBeam pulse length

727 μsTotal RF pulse length

1650 μs

Pulse repetition rate

5 Hz

RF power into cavity

188 kW

Range of external Q-value

106 ~ 107

Range of Slow/Fast Tuner>600 kHz / >1 kHz

Beam current
Operational temperature

5.8 mA
2K

1.2 STF におけるクライオモジュール試験の歴史
ここでは STF においてこれまで実施されてきたクライオ
モジュール試験の歴史について簡単に述べる。STF ではこれまでに延べ 4 回に亘るクライオモジュール試験が行われてきた。すなわち STF Phase-1(STF-1)，S1-Global， Quantum
Beam(量子ビーム計画)，STF Phase-2(STF-2)である。STF-1
は STF のクリーンルームで初めて行われた 4 空洞の連結作
業 ３およびハーフサイズのクライオモジュールの組み立てを含む基礎的な技術実証を目的としたモジュール試験であった ４[6, 7]。2010 年に行われた S1-Global では，国内組と海外組に分かれてそれぞれハーフサイズのクライオモジュールを建設し，STF 地下トンネルに設置して，それぞれが持

１ STF-2 の主なメンバーは以下の通りです。
明本 光生，加古 永治，小島 裕二，沢辺 元明，宍戸 寿郎，
竹中 たてる，仲井 浩孝，中西 功太，早野 仁司，原 和文，
本間 輝也，松本 利広，道園 真一郎(以上，KEK 加速器研究施設)，近藤 良也(KEK 素粒子原子核研究所)，木村 誠宏(KEK
超伝導低温工学センター)，山本 明(KEK 先端加速器推進部)
２ 空洞に大電力高周波を投入しない状態でのクライオモジュール全体の消費電力のこと。これに対し，大電力高周波を投入した状態での熱負荷のことを動的熱負荷(dynamic heat load)と呼び区別される。

ち込んだ空洞，入力結合器(空洞に大電力高周波を送り込むためのセラミック窓を持った特殊な RF 機器，以後カプラ
３ 空洞をクライオモジュールに組み込む際，packing factor をかせ
ぐため空洞をベローズのビームパイプを介して互いに連結する作業のことで連結された状態を Cavity string という。
４ インフラストラクチャの制限により STF では一度に連結できる
空洞は 4 台まで，またモジュール組み立てはハーフサイズ(~6m)
までが限界である。

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図1

STF-2 クライオモジュール(上)と STF-2 加速器概観図(下)。12.6m の CM1 と 6.9m の CM2a が合体したモジュールで，全長 20mにもなる。
このモジュールを冷却させるために Cold Box(小型冷凍機)が一台新設された。CM1 の中央部には Beam Position Monitor(BPM)と超伝導四極電磁石が設置されている。超伝導電磁石の冷却法は，ヘリウム容器を用いずに空洞へのヘリウム供給配管から銅のブレー
ド線やアルミの薄板を繋ぐことで冷却させる伝導冷却を採用している。Capture CM までの入射部は量子ビーム計画(2012 年)ですでに完成しており，また STF-2 クライオモジュールの前後にあるビームラインは 2016 年度以降に整備される予定である。現在，クライス
トロン(高周波源)からクライオモジュールまでをつなぐ導波管系を整備中である。

と書く)，周波数調整機構(チューナー)などの性能比較試験のクライオモジュールの平均加速勾配が 31.5 MV/m で Q0を行う，というものであった[8-10]。2012 年に行われた量

値が 1.0x1010 以上であること)を目指すべく STF Phase-2 計

子ビーム計画では 2 台の空洞が入った短いクライオモジュー

画へ進むことになった。

ル(Capture Cryomodule)を建設し，STF にて初めてビーム運
転およびビームとレーザーとの相互作用で生じた X 線を用いた実験を行い，試験加速器としてのスタートを切った

2 STF-2 に向けた準備作業[11-13]。その後，STF の空洞性能において目覚しい改善が

ここでは量子ビーム計画以後，STF-2 に向けてどのよう見られ，ILC スペック(35 MV/m で Q0 値が 0.8x1010 以上であな作業が行われたのかを時系列にしたがって簡単に説明すること)を優に超える空洞が数多く揃い始めたことで，いよる。

いよクライオモジュール試験においても ILC スペック(一台

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2.1 トンネル内整備
量子ビーム計画終了後，加 器の入射部のみを残し，それ以外の実験設備やビームダンプなどを全て撤去した。そして，新たなクライオモジュールや冷凍設備などを設置する場所を決めるための測量を行った。また，同時にビームダンプまでのビームラインの位置を確定した。図 2 は 2013
年頃の STF トンネルの様子で，Capture Cryomodule から下流側には何も設置されていないことがわかる。

図3

空洞を縦型クライオスタットに入れているところ(左)と縦測

定時の空洞に取り付けられたセンサー類(右)。センサーはカーボン抵抗による温度マッピングと PIN Photo Diode による X 線マッピン
グがある。

という)が見つかることが多く，それを局所研磨機により除去することで性能を大幅に改善させる，という手法が確立している[14-17]。12 空洞の結果は図 4 の通りで，12 台中 9
台が 35MV/m以上に到達する，という非常に良い結果となった。1 空洞だけ極端に性能の悪い空洞(CM2a 用の Cavity #9)
図22013 年頃の STF トンネルの様子(手前に設置されているのが量子ビーム計画で用いられた Capture Cryomodule である)が見られるが，これは内部にスパッタボール(溶解した金属が空洞表面に付着したもの)が見つかった空洞である。おそ2.2 空洞の縦測定
CM1 用の空洞としては全部で 9 台製 され，その内の性能の良いものから 8 空洞を選抜する，という方針で縦測定が実施された。一方，CM2a は 4 空洞のみ製 となったた
め，全く余裕のない中での縦測定となった。縦測定とは，4m 長の縦型クライオスタットに空洞を入れ，内部を 2K の液体ヘリウム ５で満たし，100W 程度の 1.3GHz の高周波をCW (Continuous Wave) mode で投入することによって空洞内に生じる電磁場を測定する，というものである。縦測定はセットアップの簡便さから CW mode で測定を行うが，ILC仕様のクライオモジュールでは 5Hz/1650μs のパルス運転になり，RF duty cycle(空洞に高周波パワーを送り込んでいる時間)は 1/100 以下になる。したがって，縦測定では典型的に 100W 程度の電力が空洞内で消費されるが，クライオモ
ジュールにおける運転では空洞当たり 1W 以下となる。図 3
は縦型クライオスタットに空洞を入れるところの様子と縦測定時の空洞の状況である。
通常 STF では縦測定で空洞がクエンチ ６した際の温度分
布や RF 印加中の強 X 線領域などをモニターしており，縦測定後にその場所を内面観察することで機械的欠陥(defect
液体ヘリウムの温度は大気圧で 4.2K であるが，減圧することで2K あるいはそれ以下に下げることが出来る。
６ 超伝導状態が破壊され，空洞が通常の金属に戻ってしまう状態のこと。超伝導電磁石の場合と異なり，クエンチ時の空洞表面における消費電力はたかだか 100W 程度のため超伝導状態はすぐに回５

図4

STF-2 クライオモジュール用空洞の縦測定結果のまとめ。上は最大加勾配のまとめ，下は全空洞の Q0-Eacc カーブ(空洞性能評

価に対する最も一般的なプロット)。黒点は ILC スペックを示す。
復する。

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らく電子ビーム溶接時に不具合を起こしてしまったものとングを行っていく ８。テストスタンドでは図 5 のように 2考えられ ７，何度か局所研磨を実施しても性能に変化が見

セット毎に進行波(traveling wave)によるエージングを行い，られなかったためやむを得ずモジュールに組み込むことに計 12 本のカプラエージングを終えるのに(交換作業を含めした(チューナーの取り付け位置が異なるため CM1 用の残て)18 週程度かかる。
最大到達パワーは 500μs 以下で 1.2MW，りの一空洞を用いることができなかった)。
図 4 の中で，Cavity500μs 以上で 800kW である(TDR スペックに対してマージン

String #1 は Cavity #1 から#4，Cavity String #2 は Cavity #5

を持たせている)。モニターシステムとしては，真空圧力(イから#8，Cavity String #3 は Cavity #9 から#12 より構成されンターロックの上限値は 2x10-4 Pa にセットされる)，アークている(空洞のナンバリングはビームライン最上流を Cavity

センサー (アーク放電検出用モニターで異常値が検出され#1 とし最下流に Cavity #12 が並ぶ順序である)。

た場合，直ちにインターロックが作動し RF Off となる)，電子プローブ (放電時の電子を検出するアンテナ)，

2.3 カプラエージング@テストスタンド

VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)メータなどがあるが，イカプラは空洞と並んで重要なパーツであり，その性能次

ンターロックイベントの多くは放電時の真空圧力のはねに

第では空洞へ所定のパワーを送り込むことが難しくなってよりインターロックシステムが作動し，RF Off となるケーしまう恐れがあるため，テストベンチにおける初めての大スである。

電力によるエージングは慎重に行われる。大電力試験における放電の影響で不具合が生じるリスクを最小にするため，

2.4 空洞連結作業@クリーンルーム

RF パルス幅を 10μs から始め，定格電力まで達した後，徐々空洞の縦測定およびカプラエージング終了後 ９，いよいに幅を広げていって最終的に 1500μs (full pulse)までエージ

よ肝心のクリーンルーム内での空洞連結作業に入る。STFの ク リ ー ン ル ー ム は Class10(ISO4 相 当 ) お よ びClass1000(ISO6 相当)の 2 つに分かれており，空洞連結およびカプラ接続作業は Class10 内で行われる。ILC では 8 台な
いし 9 台の空洞連結を行った後，12m 超のクライオモジュー
ルへと組み込まれるが，STF のクリーンルームでは最大 4空洞までしか連結作業が行えないため，4 空洞ごとに 3 回に分けて連結作業を行った(図 6)。空洞のポートを開ける前に，パーティクルカウンターで検出される 0.3μm以上のパー
ティクル数 １０が 0 になるまでイオンガンでポート周辺を入念に掃除する。そして開ける直前に反対方向から 1ℓ/min の
清浄なアルゴンガスを流しながら(ガス内のパーティクル数に異常がないことを事前にチェックしている)作業を行い，空洞内にパーティクルを入れないよう細心の注意を払う。
連結後に Cavity String の両端にゲート弁を取り付けて，内部の真空排気およびリークチェックを行った後，Class10から Class1000 へ移動する １１。そこで空洞へのヘリウム供給配管を取り付け，そのラインのリークチェックも行ってから Cavity String をクリーンルーム外へ出して終了する。

図5

テストスタンドにおけるカプラエージングの様子(上)とカプ

ラ 2 本ごとのエージング時間のまとめ(下)。テストスタンドは 2 本のカプラを結合導波管で接続した構造になっている。カプラは 1
バッチ 4 本で製造されるが，最後のバッチが最短時間であることがわかる。
７ 開先の手入れが不十分か電子ビーム溶接機のパラメータが適当でない場合，溶解した金属が跳ねて空洞表面に付着してしまうことがあり，それが原因で性能が制限されてしまう。溶接箇所から離れたところにあるため，内面観察装置で見つけるのはやや難しい。

TDR のスペックでは full pulse で 1650 μsであるが Reference Design
Report (2007) [18]では 1500 μs であったため STF ではこれに倣っている。
９ 縦測定後，空洞はヘリウムジャケットとチューナー部品の溶接のため一度メーカーに送り返される。
１０ 空気中を浮遊している異物またはボルト締結時に発生する金属
粉などの数。
１１ リークチェック後に Cavity String はアルゴンガスで一旦パージ
される。
８

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め二台の Cavity String を一台ずつ地下トンネルに移動させ，そこで互いを連結させるという方針を採用した(図 7)。STF
では Cavity String 同士の連結作業を行ったのはこれが初めてであり，その際にいくつか通常とは異なる作業を実施した。作業内容を以下に列挙しておく。

図7

搬入口から地下トンネルへ下ろされる Cavity String(上左)，地下トンネル内のレール上に並べられた 2 つの Cavity String(上右)，Cavity String 連結作業の様子(下左)と作業で使用したローカルク
リーンブース(下右)。

z

トンネル内にローカルクリーンブースを設置してその中で作業を行った(本来は Class 10 環境下で行われるべき作業であるがインフラストラクチャの制限により止むを得なかった)。使用したローカルクリーンブースはフィルターが一つだけ付いた簡易型のタイプであるが，それでエアフローが十分であるかどうかは定かでない。

z

2 つの Cavity string 間を繋いでいるビームパイプに使用する予定であったメタルバルブを取り付け後，サイズが大きくてモジュールの構造物と干渉することがわ
かり，急遽，現場にて取り付けたバルブの交換作業および取り付け方向の変更作業を行った。これは Cavity
string #2 に近い方のフランジである。この追加作業の際にビープパイプの再クリーニングは行わなかった。

z
図6Class10 クリーンルーム内でのカプラ取り付け(上)，空洞連結ゲート弁を開放する際，Cavity string およびビームパ
イプ内部を真空ではなくアルゴンガス封入で行った。

作業(中)および完成した 4 空洞の Cavity String の様子(下)。この段それぞれの内圧の正確な数値は分からず Cavity string

階で，空洞にはヘリウムジャケットとチューナー部品が溶接され側が負圧になっていた可能性もある。その場合，バルており，空洞本体は見えなくなっている。

ブの交換作業時のボルト締結で生じた金属粉などが2.5 Cavity String 連結作業
STF-2 以前のクライオモジュールはいずれもハーフサイズかそれより短い大きさのモジュールであったため，地上部にあるモジュール組み立てエリアで組み込み作業が行われてきたが，
CM1 は長さが 12m 超のモジュールであるため，地上部の組み立てエリアは使用できなかった(トンネルへの搬入口の大きさはハーフサイズがギリギリである)。このた

Cavity string #2 に吸い込まれた可能性がある。

2.6 クライオモジュール組み込み作業
8 空洞が連結された CM1 用の Cavity String をクライオモ
ジュールへ組み込む作業もトンネル内で行われた。ILC では 8 台ないし 9 台の空洞が連結された Cavity String を Gas

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Return Pipe１２に吊り下げ，二重の輻射熱シールド(5Kと 80K)

3

STF-2 クライオモジュール冷却試験を取り付け，さらに Super Insulation と呼ばれる断熱材を数

STF-2 ではこれまでに 2 回の冷却試験が行われており，十層巻きつけた後，12m 超の一体物のクライオスタットに

ここでは低電力試験および大電力試験に分けて説明する。

組み込まれる。しかし，STF-2 では作業エリアの制限によ

また，大電力試験で明らかになった空洞性能の劣化問題にりクライオスタットを 3 分割し，それぞれを組み込んだ後，ついて議論する。

互いに接続して一体物とする方針が取られた。一方，CM2aの組み込み作業は従来どおり地上部の作業エリアで行われ，

3.1 Low Power Test (1st cooldown)

完成したクライオモジュールとして地下トンネルへ設置さLow power test では，チューナー駆動試験(数 100kHz 範囲

れた。いずれの組み込み作業も物理的干渉などがないことで駆動でき，空洞周波数調整に用いられる)，ピエゾ駆動試を確認しつつ，慎重に進められた(図 8)。

験(数 100Hz 範囲で駆動でき，High power test 時の空洞周波数の微調整に用いられる)，各ポート(入力ポート，透過ポート，2 つの高調波ポートの計 4 つである)の Q 値測定，RFケーブルの較正，などが行われた[19]。常温から 4K までの冷却中に，空洞の収縮により周波数が 2MHz 程度上がり，さらにそこから 2K に至る際ヘリウムを減圧することで空洞全長が伸びて周波数が 300kHz 程度下がる １４。2K 到達後に 1.3GHz に合わせるためチューナーが用いられるが，通常は数 100kHz 程度変化させれば十分である(図 10)。

図8

クライオモジュールへの組み込み作業の様子(上左右)，トン

ネルへ下ろされる CM2a(下左) ，トンネル内での作業エリア(下右)2.7 トンネル内設置作業
CM1 と CM2a の接続作業は，お互いをビームライン上に設置した後，実施された。ここでも§2.5 で述べたように
CM1 の 8 空洞の Cavity String と CM2a の 4 空洞の Cavity
String を連結する作業が行われ，またクライオモジュール内外を貫通するビームダクトと排気系が接続された。その後，クライオモジュールに供給される液体ヘリウムおよび液体窒素の配管接続が行われ １３，総合気密試験を実施した後，高圧ガス保安法に基づく完成検査を受け，ようやく加 器
モジュールとしての運転が茨城県庁より許可された(図 9)。

図 9 完成検査間近のビームライン上に設置された STF-2 クライオモジュール

図 10 冷却試験時の空洞周波数の変化(上)とチューナー駆動試験の結果(下)。2K 到達後，チューナーによって 1.3GHz に調整される。
いずれの空洞も冷却中の周波数変化がよく揃っており，またチュー
ナーによって 1.3GHz に調整可能である。

蒸発した液体ヘリウムが冷凍機に戻るラインでクライオモ
ジュールの背骨にあたる構 体。直径は 380mm である。
１３ 配管接続は全部で７ヵ所あり，STF-2 ではそれぞれフランジにより締結されたが，ILC の場合は溶接である。どちらの方法を採用するかで高圧ガス保安法の適用基準が変わってくる。
１２

常温から 2K までの周波数変化を見越した上で，常温でpre-tuning machine により空洞周波数を予め調整しておく。

１４

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3.2 High Power Test (2nd cooldown)

電力までを確認することになる(時間の都合上 4 ステップでHigh power test の主目的は，空洞のエージングを行い，最上げていった)。
ただし，
モジュールに組み込んだ状態では，大加速勾配を測定することにある。さらに，ILC スペック

ビームが無い限り基本的に定在波(standing wave)で RF は伝である 31.5MV/m での安定な運転を確認することも含まれ播するため，テストスタンドの条件と同じというわけではる。今回は高周波関連のクライストロンおよび導波管が一ない。図 12 は全カプラの常温エージングにかかった時間で空洞のみの供給であったため，一空洞ずつ測定しては導波あるが，テストスタンド時とは逆に最後の 4 本が最も時間管を切り替えて隣の空洞に移る，という作業を繰り返し行がかかっている。

うことで試験を実施した(図 11)。また，実験時間の制限により最大加速勾配のみを確認することにし，Q0 値の測定やローレンツ離調 １５の測定は 3 回目の冷却試験に持ち越すこととなった(本年 5 月から実施予定)。

図 12

全カプラの常温エージングにかかった時間

冷却後の空洞のエージングも常温の場合と同様に放電やクエンチ時の性能劣化の影響を下げるため，パルス幅が 900μsの short pulse から始めて，次に 1650μs の full pulse へと移行する。具体的には，放射線量，高調波結合器における発熱具合，
高調波結合器からの高周波出力の 3 つを主にモニターしながら加速勾配を上げていく。エージングが十分行われない状態で入力パワーを増やしていくと，大放電や放射線
バースト(短時間に大量の放射線が一気に放出される現象)などが発生し空洞やカプラの性能に深刻な不具合を起こす可能性があり，この作業は慎重に行う必要がある。
図 13 は縦測定およびクライオモジュール試験(short pulseの場合と full pulse の場合に分けて示してある)における最大加速勾配のまとめで，結果としてクライオモジュールとしての平均加速勾配は 30.3 MV/m で，空洞個々の性能は 12
空洞中 8 空洞が ILC スペックである 31.5MV/m 以上に到達
図 11High power test の様子(上)と導波管切り替え作業の様子(下)。

した。また，性能劣化については Cavity String #1 および#3

今回使用したクライストロンは量子ビーム計画で用いたもので，については観測されず，Cavity String #2 の連続する 3 空洞

最大出力 800kW の小型のタイプである。
導波管系も入射部から 30m

が field emission１６による性能劣化を引き起こしていること

ほど下流側に延ばすことで対処した。

が判明した(性能劣化を起こした空洞の位置が一ヶ所にまと

冷却前にカプラからのアウトガスの影響を最小にするため，常温でのカプラエージングを行う必要がある。ここでまっているため，共通の原因で引き起こされたことが示唆される)。

もテストスタンドの時と同様にまずは短いパルス幅で始めて，徐々に幅を広げていった後，1650μsec(full pulse)で定格

Lorentz Force Detuning とよばれ空洞内に生じる電磁界応力により空洞がわずかに変形することで，空洞周波数も変化する現象。
空洞の加速勾配が 31.5MV/m の時に 400Hz 程度の変化が生じるため，空洞周波数は予め離調させた状態にし，RF が入ったらマッチ
ングが取れるようにセットされる。
１５

空洞内に多数のパーティクル(典型的なサイズは 1μm 以下であると考えられている)が堆積することで電子が放出され，その電子を加速することにパワーが使われてしまうため空洞内の電磁界強度を上げることが出来なくなってしまう現象で，加速器のダークカレント源にもなる。

１６

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タから判断すると，縦測定で放射線がほとんど観測されていなかった Cavity #1 および#4 に放射線の増加が観測されており，全く無傷ではなかったようである。
図 14 は STF における縦測定とクライオモジュール試験の空洞性能を比較したもので，上が各空洞の比較で下がモ
ジュール(Cavity String)ごとの平均加速勾配の比較となっている。これらの図から明らかなように隣り合う 3 台の空洞で性能劣化が観測されたのは今回が初めてであり，またそのいずれもが field emission により性能が制限されていると
図 13

縦測定およびクライオモジュール試験での空洞性能(最大加いう点も初めてのことであった。ただし，この問題は作業速勾配のみ)のまとめ。ILC におけるそれぞれの目標値である 35MV/m

環境や作業内容の向上があれば自ずと改善されていくものと 31.5MV/m のところに点線がひかれている。
縦測定で Field emission
により性能が制限されている場合，RF duty cycle の低いモジュール

であると期待される。一方で，放射線をほとんど伴わず低試験では最大加速勾配が上がる可能性がある。
この図では Cavity #9

い加速勾配でクエンチを起こしてしまう現象(図 14 上図の 2が該当する。Cavity #6 の Full pulse では放射線の出現前に異常な熱つある三角の点の一つ)については手がかりが全く無いため負荷の増大により short pulse よりも低い加速勾配で性能が制限され直ちに解決できる(少なくともパーティクルの混入といったてしまい，field emission よりさらに事態は深刻である。

Cavity String #3 の Cavity #9 は前に説明したように，縦測
定時から内部に不具合を抱えていることがわかっておりな
がらモジュールに組み込んでしまった空洞であるが，モジュール試験ではパルス運転のため RF duty cycle が下がり，逆に性能が上がった空洞である。S1-Global で用いた 4 空洞の内の一台も，縦測定で 28MV/m で field emission により制限されていたのがモジュール試験では 38MV/m まで上がった例もあり，必ずしも劣化するばかりではない(図 14 上図の 4単純な)問題ではないと思われる。今回 12 空洞のエージングを行って実感したことは，空洞のエージングはある程度時間をかけて行う必要があるということである。量子ビー
ム計画のモジュールで性能劣化が起きてしまった空洞はエー
ジング時間が短か過ぎたということがデータからわかって
おり，性能劣化の一因であった可能性はある。これとは別にもう一点，個人的に疑わしいと思っているものはカプラで，これは空洞直近に付いているニオブ以外の唯一の金属物のため(銅メッキの表面は超純水洗浄のみ実施)，放電が起

つある丸の点の一つ)。

3.3 空洞性能の劣化について
縦測定で良い性能が出ていた空洞がモジュールに組み込んだ後で測定を行うと性能が劣化している場合がある，という現象は「空洞性能劣化問題」といって，超伝導空洞が用いられている世界中の加速器研究所で昔から問題となっており，未だ解決をみていない[20]。劣化のタイプは大まかにいって 2 つあり，一つは今回の High power test でも観測された大量の放射線を伴いながら低い加速勾配でクエンチ(field emission によるクエンチ)してしまうものと，もう一つは放射線をほとんど，あるいは全く伴わないにも関わらず低い加速勾配でクエンチを起こすものである。後者に関しては，量子ビーム計画で用いられた 2 空洞の内の一台が当てはまる。
High power test で性能劣化が判明した 3 空洞はいずれもCavity String #2 にある空洞で，前に説明したように地下トンネルで Cavity String の連結作業を行ったものである。この作業中に Cavity String #2 内へ大量のパーティクルが混入してしまったものと考えられるが，一方で Cavity String #1

図 14はそれほど深刻な影響を受けていないようにみえる。この

速勾配の比較(上)と各 Cavity String の平均加速勾配の推移(下)。量ことは交換したバルブから遠い側であったという点が一つの理由として考えられる。しかし，観測された放射線のデー

縦測定とクライオモジュール試験における全空洞の最大加子ビーム計画のモジュールのみ二空洞で，他は四空洞である。同
じ Cavity String の隣り合う三台の空洞で性能劣化が生じたのは今回が初めてである。

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こった際にカプラ表面から何らかの異物が空洞の方へとん

うな超音波を用いた洗浄法に切り替える，あるいは高圧水でいるのではないかと考えているが，確証は無い。

洗を試してみることなどを検討中である。

補足であるが，かつてクライオモジュールの移送中の衝撃により空洞性能が劣化するのではないかと疑われたことおわりにがあったが，最近 DESY にて建設中の Euro-XFEL 計画[21]STF は故戸塚洋二元機構長による強力なリーダーシップ

におけるモジュール試験の結果からはそのような証拠は一のもと 2006 年に建設され，その後，鈴木厚人前機構長の在つも観測されておらず，特に問題となっていないようであ

任中に劇的な進歩を遂げた。現在は山内正則機構長のもとる。これは ILC にとっても朗報である。

で ILC 建設に必要な技術開発を行っているところである。
また，高崎史彦元理事，岡田安弘理事，神谷幸秀理事，生4

今後の予定と残った課題への取り組み

出勝宣前加速器研究施設長，山口誠哉加速器研究施設長か

これまでに 2 回の冷却試験を行ってきた STF-2 計画であらはこの十年間に多くの叱咤激励を受けました。以上の諸るが，空洞関係の測定はまだ完了しておらず，本年も継続

先生方に深く感謝申し上げます。

して行われる予定である。空洞関係の主な試験項目は以下

STF は建設当初から最少人数の KEK スタッフと多くの民の通りであるが，これらは一回の冷却試験では終わらせら間業者からのメンバーで管理・運営がなされてきました。

れない内容のため，今後 1~2 年かけて順次実施していくこ

また，KEK 加速器研究施設以外の他の研究系や大学関係のとになる。

スタッフも少なからず参加していただいており，多くのサz

各空洞のローレンツ離調の測定ポートが得られてきました。これまで STF の活動に関わっz

各空洞の Q0 測定てきた全ての KEK スタッフ，大学関係者および民間業者のz

12 空洞の同時運転および Q0 測定

方々に対し，ここに深く感謝申し上げます。

z

12 空洞を用いたビーム運転

Cavity string 連結作業時の環境整備の一環として，これまで STF で使用してきたローカルクリーンブース(図 7 の下右図)から，たとえば図 15 のように Euro-XFEL 計画にて採用

参考文献[1] http://www.linearcollider.org/ILCされているような性能の良いローカルクリーンブースへ切[2] ILC Technical Design Report (2013).

り替えることを検討する。また，Euro-XFEL のクリーンルー

https://www.linearcollider.org/ILC/Publications/Technical-Desig

ム作業を担当しているフランスのサクレー研究所でその効

n-Report

果が示されているように，我々のクリーンルーム作業のク[3] https://ilc.kek.jp/STF/

オリティもさらに向上させる必要があるものと思われる。

[4] 早野仁司，高エネルギーニュース 25-3, 137 (2006).
[5] The ILC Progress Report (2015).
http://newsline.linearcollider.org/2015/10/29/linear-collider-collaboration-published-progress-report-for-the-ilc/[6] M. Akemoto et al., STF Phase-1 Activity Report, KEK Report 2009-3 (2009).
[7] E. Kako et al., PRST-A and B, Vol.13, 041002 (2010).
[8] M. Akemoto et al., S1-Global Report, KEK Report 2013-3(2013).
[9] 大内徳人，加古永治，高エネルギーニュース 29-2, 70(2010).

図 15

DESY で建設中の Euro-XFEL のトンネル内におけるクライ

オモジュール連結作業の様子(DESY のウェブサイトより[22])。連[10] Y. Yamamoto et al., “Test Results of the International

結部全体を透明なケースで囲い，下部からクリーンエアを流し，

S1-Global Cryomodule”, Proceedings of SRF2011, pp.

パーティクルカウンターで作業中のパーティクル数をモニターし615-624, Chicago, Illinois, USA.

ながら作業を行う。作業者の手が入るところのみ開放されている。
連結部は加速器全体でおよそ 100 箇所に上る。

カプラの処置に関しては，現在超純水による表面洗浄のみであるところを，海外の研究所ですでに行われているよ[11] 早野仁司，高エネルギーニュース 32-2, 101 (2013).
[12] H. Shimizu et al., NIMA, Vol.772, p26-33 (2015).

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[13] Y. Yamamoto et al., “Construction and Beam Operation of Capture Cryomodule for Quantum Beam Experiments at KEK-STF”, Proceedings of IPAC2012, pp.
2236-2238, New Orleans, Louisiana, USA.
[14] Y. Iwashita et al., PRST-A and B, Vol.11, 093501 (2008).
[15] Y. Yamamoto et al., NIMA, Vol.623, p579-581 (2010).
[16] Y. Yamamoto et al., NIMA, Vol.729, p589-595 (2013).
[17] Y. Yamamoto et al., “Recent Results of Performance
Tests for L-band 9-cell Cavity at KEK-STF”, 第 9 回日本
加速器学会年会, pp.142-149, Osaka, Japan, (2012).
[18] ILC Reference Design Report (2007).
https://www.linearcollider.org/ILC/Publications/Reference-Desig
n-Report[19] T. Shishido et al., “Assembly and Cool-Down Tests of
STF2 Cryomodule at KEK”, Proceedings of SRF2015,
TUPB109, Whistler, BC, Canada.
[20] D. Reschke et al., “Recent Progress with EU-XFEL”, Proceedings of SRF2015, MOAA02, Whistler, BC, Canada.
[21] http://www.xfel.eu/[22] http://xfel.desy.de/pictures/