高周波入力結合器の大電力試験におけるRF窓からの発光の観測
阿部 哲郎、吉野 一男、影山 達也、坂井 浩、竹内 保直、榎本 瞬
高エネルギー加速器研究機構（KEK）／加速器研究施設
第１８回日本加速器学会年会
２０２１年８月１１日

SuperKEKB 加速器用常伝導加速空洞：『アレス空洞』
 加速モード（π/2 モード）周波数： 508.9 MHz Q0 = ~11×104 （エネルギー貯蔵空洞単体では ~17×104）
 Rsh / Q0 = 15 Ω
 定格空洞電圧： 0.5 MV（加速勾配： ~2 MV/m）

高周波
入力結合器（入力カプラ）

TE013

TM010
貯蔵空洞

結合空洞 加速空洞

結合空洞
エネルギー貯蔵空洞
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阿部 哲郎 (KEK)

加速空洞
2 定格RF電力： （400）800 kW (CW) Pc = ~150 kW
 Pbeam(max) = 600 kW

 同軸部（WX77D）には耐マルチパクタ用微細溝構造あり

表面電界強度 [kV/m]

アレス空洞用高周波入力結合器[kV/m]

入力RF電力 [kW]190.5 mm

ビューポート T. Abe et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 102001

 高周波窓（RF窓） ディスク型アルミナセラミクス
 HA-95
 TiNコーティング（約10nm）

 大電力試験前処理① オゾン水洗浄 濃度 8 mg/L、10分間保持② 真空ベーキング
 100℃弱 ６日間
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60 mm

ドアノブ型
同軸-導波管変換器

容量性アイリス
WR-1500 矩形導波管
阿部 哲郎 (KEK)

大気

真空RF窓

（アルミナセラミクス
HA-95）

同軸部（WX77D）

結合ループ

電界ベクトル＠ 800 kW3

本研究の目的
1. RF窓が発光しやすい入力結合器の理解
2. 入力結合器のRFコンディショニング効果の理解以上を目指して、今回、RF窓からの発光に着目した試験を行った

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阿部 哲郎 (KEK)4大電力テストスタンド
エネルギー貯蔵空洞（TE013）
入力結合器（試験対象）
４ポート・サーキュレータ
高さ： 約２ｍ（三菱電機システムサービス／田中 幹朗 氏 作成図）

1MW CW クライストロン（509MHz）

1MW ダミーロード
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出力結合器（コンディショニング済み）
阿部 哲郎 (KEK)5エネルギー貯蔵空洞

入力結合器の光学的検出器

エネルギー貯蔵空洞

ハイパースペクトル･カメラ（エバ・ジャパン製 NH-KE3）

RF窓（HA-95）

高感度TVカメラ

アークセンサー（WATEC WAT-231S2、カラー）（インターロック用）
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阿部 哲郎 (KEK)6ＲＦ窓発光の様子の例
同軸部↓（WX77D）

高感度TVカメラの映像（入力RF電力： 218 kW）
RF窓同軸部（WX77D）
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阿部 哲郎 (KEK)7

履歴

真空インターロック閾値

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]RFコンディショニング

物品搬出
真空インターロック
作動（人的ミス）

空洞ブレークダウン カソード電圧上げる↓

装置をONする
ため入域

コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]

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阿部 哲郎 (KEK)8真空圧力の跳ねは、RF窓の発光観測とほぼ１：１に対応している（但し、閾値がある）
モニターポートの高感度カメラ映像の輝度を数値化

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]履歴

発光輝度 [任意単位]

RFコンディショニング

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入力窓

コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]阿部 哲郎 (KEK)9真空圧力の跳ねは、RF窓の発光観測とほぼ１：１に対応している（但し、閾値がある）
モニターポートの高感度カメラ映像の輝度を数値化

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]履歴

発光輝度 [任意単位]

RFコンディショニング

第18回日本加速器学会年会（2021年8月11日）

入力窓
出力窓（-20オフセットで表示）

コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]阿部 哲郎 (KEK)10真空圧力の跳ねは、RF窓の発光観測とほぼ１：１に対応している（但し、閾値がある）

発光観測の閾値は、RFコンディショニングが進むにつれて高くなった

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]履歴

発光輝度 [任意単位]

RFコンディショニング

第18回日本加速器学会年会（2021年8月11日）

入力窓
出力窓（-20オフセットで表示）

コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]阿部 哲郎 (KEK)

11

履歴

マルチパクタ・バンドあり

発光輝度 [任意単位]真空圧力の跳ねとRF窓の発光は、RF窓表面におけるマルチパクタの結果

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]RFコンディショニング

第18回日本加速器学会年会（2021年8月11日）

入力窓
出力窓（-20オフセットで表示）

コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]阿部 哲郎 (KEK)12入力窓の発光輝度の10秒間移動平均（+30オフセットで表示）

真空圧力 [Pa] 入力RF電力（𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ） [kW]履歴

発光輝度 [任意単位]

RFコンディショニング

大電力では発光輝度のピーク値は上がるが、その積分値は下がる傾向がある
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コンディショニング時間（𝑻𝑻𝒄𝒄 ） [h]阿部 哲郎 (KEK)13

発光スペクトル測定（可視光領域）↓2D像 ＠ 615 nm

同軸部↓（WX77D）

 この位置で、
 １ヘルツ 最高ゲインの１Ｄラインスキャン（連続記録）

RF窓（HA-95）

同軸部内導体

RF窓（緑色破線枠内）
同軸部内導体（紫色破線枠内）

ハイパースペクトル･カメラを使って、白色であるＲＦ窓（アルミナセラミクス）からの光を選択に観測

同軸部
（WX77D）
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阿部 哲郎 (KEK)14

発光スペクトル測定結果(a)～(d)： 真空圧力の跳ね ＆ RF窓の発光あり

(a)

(b)

(a)

(c) (d)(b)(c)
600～800 nmでarea normalized(d) ＲＦコンディショニングが進んでも、スペクトル形に変化なし
 明らかに見えているのは、三価クロムイオンによるルミネッセンス（694 nm）のみ
 炭素、酸素、水素の線スペクトルは、有意には見えていない
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阿部 哲郎 (KEK)15真空圧力の跳ね発生時の質量スペクトル(a)

灰色線：真空圧力跳ね直前
赤色線：真空圧力跳ね時(b)

 質量数50以上に有意な上昇なし
 水素と炭素系（CO,CO2,C）が多く見えている 酸素が少し見えている

水素、炭素、酸素は出ているが、発光には寄与しない

いずれの場合も、入力窓で強い発光観測あり
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阿部 哲郎 (KEK)

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まとめ
1. RF窓からの発光を連続観測・記録しながら、アレス空洞用入力結合器の大電力試験を行った
 RF電力 800kW まで問題なくコンディショニング完了

2. ある入力RF電力以上では、真空圧力の跳ねと、RF窓の強い発光とは、ほぼ一対一に対応する
3. RF窓の発光が始まる入力RF電力の閾値は、コンディショニングが進むにつれて、高くなった
4. RF窓発光のピーク輝度は、入力RF電力が大きくなると、高くなった
 しかし、瞬間的な輝度は高くても、積分値は大きくない（特に、~600kW以上では、むしろ小さくなる）

5. RF窓からの発光スペクトルを可視光領域で測定した結果、

 有意に観測されたのは、（アルミナセラミクス中に不純物として含まれる）三価クロムイオンによるルミネッセンスのみ 水素、炭素、酸素の線スペクトルは、有意には観測されなかった

6. Ｑマスを使って（RF窓の強い発光を伴う）真空圧力の跳ね発生時の分圧を測定した結果、
 質量数50以上に有意な上昇なし
 水素と炭素系（CO,CO2,C）が多かった
 酸素が少しあった

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阿部 哲郎 (KEK)17

今後の課題
1. 本測定結果を、シミュレーションや理論で再現・理解できるか？
2. コンディショニング効果も含めて、理解できるか？
3. 不具合のある入力結合器に対して同様の試験を行い、比較する
4. 近紫外領域の発光（スペクトル）を観測する
 F+中心（~320 nm）やF中心（~410 nm）の観測

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阿部 哲郎 (KEK)18