Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

CRYOMODULE TESTS OF TESLA-LIKE SUPERCONDUCTING CAVITIESIN S1-GLOBAL
Eiji Kako#, Hitoshi Hayano, Yuuji Kojima, Hirotaka Nakai, Shuichi Noguchi, Norihito Ohuchi,
Masato Satoh, Toshio Shishido, Ken Watanabe, Yashuchika Yamamoto
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
S1-Global project for ILC is an international collaboration for cryomodule tests including eight 9-cellsuperconducting cavities delivered from DESY, FNAL and KEK. One of two 6-m cryomodules, Cryomodule-A,
contains four Tesla-like cavities equipped with a slide-jack tuner system and an STF-II input coupler. Construction ofthe S1-Global cryomodule was started in January, 2010, and the cryomodule was installed in the STF tunnel in May.
Low power rf tests of the Tesla-like cavities in the first cool-down of the cryomodule were successfully carried out inJune-July, 2010.

S1-Global における TESLA 改良型超伝導空洞のクライオモジュール試験
1.

はじめに

Ｓ１－Ｇｌｏｂａｌ計画は、国際リニアコライダー（ＩＬＣ，International Linear Collider）の超伝導主線形加速器に用いられるクライオモジュールの実証試験を目的とする。ここで、Ｓ０は空洞単体試
験、Ｓ１はクライオモジュール試験、Ｓ２は加速器ユニットでのビーム試験を意味する。Ｓ１－Ｇｌｏｂａｌ用クライオモジュールには、ＤＥＳＹ(ドイツ)から提供された２空洞、ＦＮＡＬ(アメリカ)からの２空洞、ＫＥＫの４空洞の総計８台の超伝導空洞が組込まれ、ＩＬＣでの設計運転値である３１．５ＭＶ／ｍを平均加速電界として安定なパルス運転を実証することが第１の目標である。また、設計の異なる周波数チューナーおよびインプットカップラーを装着した超伝導空洞パッケージの性能比較も重要な試験項目となる。Ｓ１－Ｇｌｏｂａｌ用クライオモジュールの建設は、２０１０年１月より国際協力によりＫＥＫで行なわれ、超伝導空洞の４連化、コールドマスの組立て、ＳＴＦトンネルへの設置、冷却配管の接続などを経て、５月末に完成した[1]。
現在、その冷却試験が進行中である。

2.

ついては３３ＭＶ／ｍを達成しているが、ほかの３空洞はほぼ２７ＭＶ／ｍで最大加速電界が制限されており、電界放出電子によるＱｏ値の低下も高電界で見られる。４空洞で達成された最大加速電界の平均値としては約２９ＭＶ／ｍとなる。Ｓ１－Ｇｌｏ
ｂａｌクライオモジュールに組込まれるヘリウム槽ジャケットを装着したチューナーの取付け位置の異なる４台のＫＥＫ空洞を図２に示す。

図１：S1-Global 用ＫＥＫ空洞の最終高電界性能

TESLA 改良型超伝導空洞

ＫＥＫでは高電界パルス運転時の電磁界応力によるセル変形を抑制するために、ＤＥＳＹで開発されたＴＥＳＬＡ空洞に剛性を強める改良などを加えたＴＥＳＬＡ改良型空洞を開発した[2]。空洞製造後には、空洞単体での高電界性能の確認試験が行われ、
図１に４空洞の最終性能測定の結果を示す[3]。製作された５空洞について、１８回の性能測定が繰返し行なわれ、性能の良い４空洞がＳ１－Ｇｌｏｂａｌ用として選択された。最も空洞性能の良い１空洞に
図２：ヘリウム槽ジャケットを装着した４空洞___________________________________________#eiji.kako@kek.jp-131-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

3.

インプットカップラー

内導体先端のアンテナ部分にベローを取付けて、空洞との結合度を可変にする機能を有する STF-II型インプットカップラーを図３に示す。STF-I 型
カップラーで問題となっていた低温部高周波窓での熱歪みによる真空リークについては、内導体側のセラミックスと薄肉銅パイプとのロー付接合部での構造改善を実施した[4]。クリーンルーム内での十分な洗浄および組立てを行った後、図４に示すインプットカップラー用大電力試験システムに設置し、５マイクロ秒の短パルスで１．５ＭＷ，さらに１．５ミリ秒の長パルスで７５０ｋＷまでのエージングが、繰返し５Ｈｚで行なわれた。

図５：TESLA 改良型空洞の４連化組立て

図３：STF-II 型インプットカップラー

図６：スライドジャッキ型チューナーの取付け

5.

図４：インプットカップラー用大電力試験装置

4.

クライオモジュールの組立て

チタン製ヘリウム槽ジャケットを装着した空洞の外面は、超純水による十分な清浄化が行なわれた。
その後、４空洞はクリーンルーム内へ搬入され、組立て架台の上に設置された。２０１０年２月中旬から開始されたクラス１０のクリーンルーム内での空洞の４連化組立て作業の様子を図５に示す。低温部カップラーの空洞への取付け、２空洞間ベローの接続、端部空洞へのゲート弁の取付けなどの作業が行なわれた。クリーンルーム内で４連化された空洞は、レール上を移動してクリーンルーム外の周波数チューナー取付けエリアに設置された。空洞には、
図６に示すピエゾ素子を組み込んだスライドジャッキ型チューナーが取付けられた。チューナーには、設置位置の異なる２タイプがあり、２空洞は中央部に、２空洞は端部に取り付けられる。

インプットカップラーの組立て

低温部と室温部の２重の高周波窓を有するインプトカップラーが用いられ、低温部カップラーは空洞を清浄環境下で真空封止するためにクラス１０クリーンルーム内にてすでに取り付けられており、トンネル内では低温部カップラーへの室温部カップラーの接続および導波管変換器の取り付けが行なわれた。空洞への室温部カップラーの取付け作業の様子を図７に示す。カップラー取付けを清浄環境下で行なうために、簡易型クリーンブースを設置し、クリーンウェアを着て作業が行なわれた。

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図７：STF-II 型カップラー室温部の取付け

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6.

低電力高周波試験

ＳＴＦトンネル内にて設置され、完成したクライオモジュールを図８に示す。６月に開始されたクライオモジュールの第１回冷却試験では、おもに低電力での高周波試験が行われ、下に示す項目が実施された。
１．インプットカップラーの結合度可変範囲の測定（図９）。設計値である Qin = 3 x106 への調整。
２．粗調整用モーターチューナーの周波数可変範囲、ヒステリシス特性の測定（図１０）。
３． 微調整用ピエゾチューナーの周波数可変範囲、ヒステリシス特性、周波数調整の再現性、パルス応答特性の測定（図１１）。
４． モニターカップラーの結合度の較正。
５． ＨＯＭカップラーの加速モードのフィルター特性の測定。
６． ＨＯＭカップラーの外部Ｑ値の測定。
７． 機械振動モードの測定。
８． ピエゾチューナー駆動時の２空洞間での機械振動モードの伝播特性の測定。
粗調整用チューナーでは、図１０に示されるように１空洞（Ａ４）において動作不能が確認された。
また、ピエゾチューナーのパルス応答特性からは、同種のピエゾ素子を使用しているにもかかわらず、周波数変化の特性が異なっていることが分かった。

図１０：粗調整用チューナーの動作特性

図１１：ピエゾチューナーのパルス応答特性7.

図８：ＳＴＦトンネル内にて完成したクライオモジュールと高周波電力分配システム

まとめと今後の予定

２０１０年１月より開始したＳ１－Ｇｌｏｂａｌ
クライオモジュールの組立て作業は順調に進められ、５月末までにトンネル内作業を含めて全工程を完了した。６～７月の第１回冷却試験では、低電力での高周波試験が行われ、チューナーの動作特性などが調べられた。今後、９～１２月に予定されている第２回冷却時では、おもに大電力での高周波試験が行われる。

参考文献

図９：インプットカップラーの可変結合度特性[1] N. Ohuchi, et al., “Construction of the S1-Global
Cryomodule for ILC”, IPAC10, Kyoto, Japan (2010)
WEPE008.
[2] E. Kako, et al., “Cryomodule tests of four Tesla likecavities in the Superconducting RF Test Facility at KEK”,
PRST-AB, Vol. 13, 041002 (2010).
[3] 山本康史、他、「国際リニアコライダー計画のための超伝導加速空洞のＳＴＦにおける性能試験の最新結果」、第７回加速器学会プロシーディング、姫路市（２０１０）ＷＥＬＨ０１．
[4] 佐藤昌史、他、「ＳＴＦ超伝導空洞用入力結合器の高周波窓の熱サイクル試験」、第７回加速器学会プロ
シーディング、姫路市（２０１０）ＴＨＰＳ０２９．

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