WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値
超伝導加速空洞の探索
第18回日本加速器学会年会
2021/08/11
井藤 隼人 1, 荒木 隼人 1, 髙橋 光太郎 2, 梅森 健成 1, 2
1 KEK
2 SOKENDAIOutline• ファーナスベーキング法について

102

11

4×10
3×1011

1.5 K
1.6 K
1.7 K
1.8 K
1.9 K
2.0 K

2×10111011• 空洞性能測定結果• Q-E カーブ

104×1010
3×10102×1010Rs = G/Q01010<latexit sha1_base64="JJSYT3MUJRAwRj3WOk2Nk6AdHMA=">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</latexit>

14×109
3×109• BCS 抵抗 (RBCS)

2×109
Radiation at 2 K
051015202530

Rs [Ω]

4×10−73×10−710−7

Rs = RBCS + Rres
Rs = p0 1 exp(-p1 1) + p2
TT−84×10−83×10• 昇温中の周波数変化

10−140χ2 / ndf
5.721 / 27
p00.0001891 ± 1.936e−05
p119.43 ± 0.2842
p21.774e−09 ± 1.072e−102×10−7• トラップ磁場に対する表面抵抗の感度35Eacc [MV/m]

R-4• 残留抵抗 (Rres)• まとめ

X-ray [µSv]Q

R-4 10th VT<latexit sha1_base64="rPjT1e+F/9I7jNjH/yBYSpt2+M4=">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</latexit>

RBCS
2×10−8<latexit sha1_base64="EskYmlICmg/3LIiHKPaYZ4gn1zU=">AAACbnichVHLSsNAFD2Nr1pfVUEEEYul0lWZVkFxVawLl33YVqilJHHUYF4kaaGW/oB7cSEoCiLiZ7jxB1z4CeJGUHDjwps0IFrUGyZz5sw9d87ckUxVsR3GHgNCT29f/0BwMDQ0PDI6Fh6fKNlG3ZJ5UTZUw9qSRJuris6LjuKofMu0uKhJKi9LBxl3v9zglq0Y+qbTNHlVE/d0ZVeRRYeoSr7W2ra0yFqm0K6FoyzBvIh0g6QPovAja4SvsY0dGJBRhwYOHQ5hFSJs+ipIgsEkrooWcRYhxdvnaCNE2jplccoQiT2g/x6tKj6r09qtaXtqmU5RaVikjCDGHtgNe2X37JY9sY9fa7W8Gq6XJs1SR8vN2tjRdOH9X5VGs4P9L9Wfnh3sYsXzqpB302PcW8gdfePw5LWwmo+1Ftgleyb/F+yR3dEN9MabfJXj+VOE6AGSP9vdDUqpRHIxkcotRdPr/lMEMYN5xKnfy0hjA1kUvY4d4wzngRdhSpgV5jqpQsDXTOJbCPFPSqiNxg==</latexit>

Rres

10−84×10−93×10−9
2×10−910−9<latexit sha1_base64="zB8jXqHWpvT06BEsHJRpdZ3yTfM=">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</latexit>

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1/T [1/K]

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

2窒素ドープファーナスベーキング

106

1011
8×10107×10106×10101055×1010
4×10

10

3×10

10

X-ray [µSv/h]

標準処理Q0ファーナスベーキング法

1041032×1010102
120C 48h baking (R-9 15th VT)

102/0 N-dope (R-8 11th VT)

1010

300C 3h furnace baking (R-8 13th VT)

8×10997×106×10901510152025303510−140

Eacc [MV/m]

ファーナスベーキング法を用いることで、よりシンプルな手法で高 Q 値を実現する。
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

3

KEK でのファーナスベーキング
Light EPHPR• 内表面をリフレッシュ

Furnace baking• 200-800°C, 3 h

HPRCleanroom assembly

RF test• ベーキングなし

内表面が大気や水にさられる

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

4

KEK でのファーナスベーキング
Light EP

HPR

Furnace baking

HPR

Cleanroom assembly• 200-800°C, 3 h• 内表面をリフレッシュ

RF test• ベーキングなし

内表面が大気や水にさられる
1.0E-06

1.0E-06

300C 3 h furnace baking (R-8) 2020/12/07
Mass 2Mass 18
Mass 32
Mass 44

Pressure [Pa]1.E-06Mass 4Mass 28
Mass 40
Control temperature 1

1.E-07

600
500
400

②

1.E-08③300

1.E-09200

Temperature [℃]

1.E-05①2020/12/7 11:30

1.0E-07

1.0E-07

1.0E-08

1.0E-08

1.0E-09

1.0E-09
1

Mass 2

1121

31

18 28

41

4451

61

71

8191

③

2020/12/7 15:55

100

1.E-11
12/7 10:30

12/7 13:30

12/7 16:30①12/7 19:30

012/7 22:30

1.0E-08

1.0E-09
1

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

11121314151

2020/12/7 12:55

6171

81

91

1.0E-06

1.0E-07

1.E-10②1121314151

617181• 主要成分: Mass 2,18, 28, 44• 炭化水素系の信号
は小さい

91

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

5空洞性能測定のセットアップ• 磁気シールドやソレノイドコイルを用いて環境磁場を ~ 1 mG 以下に抑Heaterえる• 温度勾配をつけながら冷却することで磁束トラップを抑える

Flux gate sensor
Temperaturesensor(Equator andbeamtube)

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

Solenoid coil

• 以下のパラメータでファーナスベーキングを行った単セル空洞の性能測定を行った• 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600,800°C, 3 h

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索61061011

10105×104×1010
3×10105104120C 48h baking (R-9 15th VT)

102×109102

10500 ~ 800°C 3 h• Q 値は標準処理空洞と同程度

350C 3h baking (R-4 13th VT)
400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)
800C 3h baking (R-8c 5th VT)
Radiation of 300C 3h baking (R-4)

1

Radiation of 350C 3h baking
Radiation of 500C 3h baking

510• High field Q slope が発生した• ベーキング温度の違いで Q-E の挙動は大きく変化する

Radiation of 400C 3h baking0at 2.0 K

同等の性能• 低 Eacc 側での Q-E の振る舞いが異なる

300C 3h baking (R-8 13th VT)

9• 300°C ファーナスベーキング空洞の最高 Q 値は ~ 5E10

• 200°C ファーナスベーキング空洞は標準処理空洞とほぼ200C 3h baking (R-4 11th VT)

300C 3h baking (R-4 10th VT)

3×10

250 ~ 400°C 3 h• 非常に高い Q 値と anti-Q slope

103

250C 3h baking (R-4 16th VT)

5×109
94×10Cavity temperature during measurement• 120 ~ 600°C baking … at 2.0 K (2.00~2.01 K)• 800°C baking … at 2.1 K (2.07K)

標準処理 (120°C 48 h), 200°C 3 h

2×1010

10X-ray [µSv/h]

Q0

Q-E カーブの比較

1520253035

10−140Eacc [MV/m]

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05• 300~400°C のファーナスベーキングでは、最大 Eacc は25 MV/m 程度となっている
ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

7RBCS の比較
0RBCS/R BCS

2.2

120C 48h baking (R-9 15th VT)

ベーキング温度の違いで RBCS の振る舞いが200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)

2300C 3h baking (R-4 10th VT)

大きく変化する。

300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)

1.8

400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)500C 3h baking (R-8 16th VT)

標準処理 (120°C 48 h), 200°C 3 h

600C 3h baking (R-4 12th VT)

1.6

800C 3h baking (R-8c 5th VT)• Eacc の増加とともに RBCS も増加する
1.4• RBCS の傾きは急激

1.2

500 ~ 800°C 3 h• 標準処理に比べて RBCS の傾きは緩やか

1250 ~ 400°C 3 h• Eacc の増加とともに RBCS は減少する

0.80.60.40• 2 つの 300°C ベーキング空洞の RBCS の再現性は良い
510152025303540

Eacc [MV/m]

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

8120C 48h baking (R-9 15th VT)
200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)

2300C 3h baking (R-4 10th VT)
300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)

1.8

400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)

1.6

800C 3h baking (R-8c 5th VT)

1.4
1.2

Slope of Normalized R

0RBCS/R BCS

2.2

BCS

RBCS の比較
0.1
Standard recipe (120C 48 h)

0.08

Furnace baking

0.06

0.04

0.02

01
0.8

−0.02

0.6
−0.04
0.4
05101520253035400Eacc [MV/m]

100

200

300

400500

600

700

800

900

Baking temperature [degree C]

200~300°C あたりで RBCS の振る舞いが大きく変化している<- 空洞内表面に存在している Nb2O5 層の分解温度 (250°C 以上) と関係していると思われる
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

9Rres [nΩ]Rres の比較
10987120C 48h baking (R-9 15th VT)
200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)
300C 3h baking (R-4 10th VT)
300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)
400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)
800C 3h baking (R-8c 5th VT)• ファーナスベーキングと標準処理で Rres の振る舞いに差がある• ベーキング温度の違いで Rres の振る舞いが変化する
が、RBCS ほどの変化はない

65標準処理 (120°C 48 h)

4• 高い Rres

3• Rres は 10 MV/m で最小値をとる

2ファーナスベーキング (200 ~ 800°C 3 h)100

• 標準処理よりも低い Rres
510152025303540• 600°C ベーキングでの Rres は極めて低い (~0.2 nΩ)

Eacc [MV/m]

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

109812710

120C 48h baking (R-9 15th VT)
200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)
300C 3h baking (R-4 10th VT)
300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)
400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)
800C 3h baking (R-8c 5th VT)

68564120C 48h baking (R-9 15th VT)
200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)
300C 3h baking (R-4 10th VT)
300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)
400C 3h baking (TE1AES018 7th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)

420032
1800C 3h baking (R-8c 5th VT)

5101520253035

40006145121048510Eacc [MV/m]

15202530

35

Rres at 10 MV/m [nΩ]1410RBCS at 10 MV/m [nΩ]Rres [nΩ]RBCS [nΩ]RBCS, Rres とベーキング温度の関係

340

Eacc [MV/m]

62• Eacc が高くなるほど違いがはっきりする

4• RBCS の極小値は 300°C 付近、Rres の極小値は 600°C

12付近に存在する00100200300

400500600

700

8000900

Baking temperature [degree C]

Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

11

3Sensitivity at 2 MV/m [nΩ/mG]

Sensitivity [nΩ/mG]

トラップ磁場に対する表面抵抗の感度
120C 48 h baking (standard recipe)
200C 3 h baking (furnace baking)

2.5

250C 3 h baking (furnace baking)
300C 3 h baking (furnace baking)
350C 3 h baking (furnace baking)

2400C 3 h baking (furnace baking)
500C 3 h baking (furnace baking)

1.5

2.5
120C 48 h standard baking
3 h furnace baking
21.5110.50.50051015202530354000Eacc [MV/m]

100200300

400500600

Baking temperature [degree C]• 300°C ファーナスベーキング空洞はその他の空洞に比べて感度が高い• 300°C 付近で鋭いピークを持つような構造がある
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

12

Δ F [kHz]Δ F [kHz]

昇温中の周波数変化
252025120C 48 h standard baking
3 h furnace baking
201515105100−5− 108120C 48h baking (R-9 15th VT)
200C 3h baking (R-4 11th VT)
250C 3h baking (R-4 16th VT)
300C 3h baking (R-4 10th VT)300C 3h baking (R-8 13th VT)
350C 3h baking (R-4 13th VT)
500C 3h baking (R-8 16th VT)
600C 3h baking (R-4 12th VT)

8.2

8.4

8.658.8

99.2

9.4

Temperature [K]

00100

200

300

400

500

600

Baking temperature [degree C]• 300°C ファーナスベーキング空洞の周波数変化が最も大きい• 感度 vs ベーキング温度と似た構造をもつ
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

135×1010

106

4×1010Preliminary

3×10102×1010105104103

102120C 48h baking (R-9 15th VT)

10109×109
8×109

予冷なし

200°C 1 時間ベーキング
High field Q slope が発生した。
200°C 2 時間ベーキング
High field Q slope は発生せず。
Q 値は 35 MV/m で 2E10 以上。

200C 1h baking (R-8 18th VT)

10200C 2h baking (R-8 20th VT)
200C 3h baking (R-12 2nd VT)

予冷なし

200C 3h baking (R-4 11th VT)

7×109

1

6×109
0

X-ray [µSv/h]

Q0200°C ベーキングでのベーキング時間の影響

510152025

30

3510−140

今後、空洞依存性や予冷の効果について調査する予定。

Eacc [MV/m]
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

14まとめ• 単セル空洞に対して様々な温度でファーナスベーキングを行った• ベーキング温度の違いで空洞性能が大きく変化することを明らかにした• 特に 300°C ファーナスベーキング空洞は極めて高い Q 値を示すことが分かった-> ファーナスベーキングは窒素ドープよりもシンプルなプロセスで高 Q 値空洞を実現することができる• 今後も更に調査を進めていく予定である:• 表面状態を明らかにするためのサンプルを用いた調査• 9セル空洞、large grain 空洞への応用• ベーキングパラメータの最適化→ 高 Q 値と高 Eacc を両立
Hayato Ito, PASJ2021 WEOA05

ファーナスベーキングによる高 Q 値超伝導加速空洞の探索

15