EUV光源にむけた超伝導空洞開発
2015年5月20日
ERL検討会
梅森健成、江木昌史、江並和宏、加古永治、久保毅幸、許斐太郎、阪井寛志、篠江憲治、古屋貴章、沢村勝（JAEA）太田智子（東芝）

目次• 超伝導空洞のパラメーター
超伝導空パタ• 必要な開発要素• 空洞開発• HOMダンパー開発• スケジュール案および検討項目
スケジュ ル案および検討項目

EUV光源での超伝導空洞のパラメーター
加古さんのスライド（2014年11月）より

要素開発
空洞

BBUはそれほど厳しくないはず（繰り返し依存は？） → 確認必要
モノポールによるダンパー部の発熱に要注意
フィールドエミッション対策は必須
ドシ対策は必須 ⇒ TESLA空洞をベースにした空洞をベた
Model‐1空洞、もしくは、その改良型を用いる？

クライオモジュールクライオ
ジル

STFモジュールをベースにしたCWモジュールの開発
ジルをにしたジルの開発
STFグループの経験があるので、何とかなるか？

モジュールアセンブリ フィールドエミッション対策が必須
アセンブリ技術の早期確立が必要。
アセンブリ技術の早期確立が必要
入力カップラー

設計は現在のものをベースにする。特に大きな問題は無し。
新材HA997での試作・性能評価を早期に行う。

HOMダンパー

現在のフェライトダンパーは、クラックの発生によるゴミ混入のリスクがあり信頼度に欠ける。 ⇒ 新しい素材でのダンパーを大至急設計・試作・試験する必要あり
HOMダンパーが一番問題（目途が立っていない）
ダがが周波数チューナー

現在の設計で特に問題無し

空洞開発

主加速部空洞の検討• 加速勾配 ～12.5MV/m– 冷凍機、HOM、Field
冷凍機 HOM Field emissionなどから最適値を検討• 空洞形状は要検討– 例えばMolde
例えばMolde‐1形状(TESLA形状+large1形状(TESLA形状+large beam pipe)もしく
は、その改良型が候補• Dipolep modeによるBBU（Beam breakupp instability）
y– Model‐1空洞において5GeV ERLにて100mAを達成できる計算。それより空洞台数が少なく、電流値の少なくて済むEUV光源では 楽になる方向だと思われる
済むEUV光源では、楽になる方向だと思われる。

• Monopole modeの励振 ⇒ HOM damperでの発熱が最重要課題– Loss factor– ビーム繰り返し周波数（とHOMの共振周波数の関係）
ビ ム繰り返し周波数（とHOMの共振周波数の関係）

空洞設計の方針と現状• Model‐1空洞(TESLA形状+108φビームパイプ, 片側のみ）のパラメーターを用いて検討スタート） パ メ タ を用検討 タ ト– BBUやMonopoleによる発熱の検討を行っている• 現在、久保・許斐がMW‐studioを用いてのHOM計算を確立すべく奮闘中• 今後は、TESLA形状＋両側大口径ビ
今後は TESLA形状＋両側大口径ビームパイプ
ムパイプ(110φ+100φ?)の空洞設計およびHOM計算を行う。
• エンドセル形状のみ変更した空洞をいくつか設計し、エンドセル形状のみ変更した空洞をいくつか設計しHOMパラメーターを比較して、最終の空洞形状を決定する。
定するModel 1とModel 2空洞の比較
Model 1Model 2

Epeakの値から、12.5MV/mでの運転は十分実現可能であると思われる。

加速モードのパラメータ
加速モドのパラメ タqyFrequency

Model 2Model 1Model 2Model 11300 MHz

1300 MHz Iris diameter

80 mm

70 mm

289 Ω

272 Ω

Rsh/Q

897 Ω

1007 Ω

Qo×Rs

Ep/Eacc

30
3.0

20
2.0

Hp/Eacc

Coupling

3.78 %

1.87 %

42.5
42.0
Oe/(MV/m) Oe/(MV/m)Preliminary BBU Simulation Results for EUV-ERL with KEK ERL model-1 cavity
by Chen Si

Frequency spreadを考慮しないで200mA近くいく。十分なマージンあり。

HOM発熱に関して• Monopoleモードが寄与する
Monopoleモ ドが寄与する• 重要なパラメータは– バンチ電荷– バンチ繰り返し– バンチ長• HOM発熱を10～30Wとしたい。（短期間で現実的なＨＯＭ開発を目標とするため）開発を 標とするため）– 100W級には別設計が必要• 発熱量の評価としては– “loss factor”による見積り：平均的な値を示す。
– HOM周波数とビーム繰り返しとの関係：共振的な振る舞いを調べる
中村さん主催の「EUV全体設計打合せ(?)」にて、ビームパラメーターとのすり合わせを行っている。

[KEK‐PF 伊澤氏より]ロスファクター

55

45

Model‐2での計算結果

40

Loss factor [V/pL/pc]

・ この計算結果は、加速モードのloss factor込みの値。
・ 例えば3psの時は、加速モードの寄与～2V/pC。HOMによる寄与は12‐2=10V/pC。
・ 空洞形状からのロスのみ。
RF吸収体自体のロスは含まず。
・ バンチ長1psだと～20V/pC、
0 33psだと～40V/pC
0.33psだと～40V/pC’model2_losspara.dat’

1psp

50

3ps

3530
25

0.33ps20151050

計算例
0.1
1
Bunch length (rms) [mm]77pC x 130MHz = 10mA、3psecの場合(10V/pC x 77pC) x (0.01A(0 01A x 2) = 15
15.4W
4W （下表）ダンパーで吸収される熱量
Bunch length@cavity

Loss factor
from HOM

8mA x 28mA x 2
100pC 81.25MHz
100pC,
81 25MHz 60pC
60pC, 135.4MHz
135 4MHz

3psec～10V/pC

16W

9.6W

28.8W

2psec

～15V/pC

24W

14.4W

43.2W

1psec～20V/pC

32W

19.2W

57.6W

1024mAx2 (30kW仕様?)
60pC 243.75MHz
60pC,
243 75MHz※ 60pCぐらいのバンチ電荷は悪くなさそう。バンチ長は長いのが望ましい。

ビーム繰り返しとHOM周波数• 実際の超伝導空洞のHOMのQ値は高いため、ビーム繰り返しとHOM位相とが合ってしまう（＝HOM周波数がビーム繰り返しの整数倍になった場合）と、ビームによりHOMが強く励振されてしまう。
• ビーム繰り返しとHOM周波数が完全にマッチした場合の発熱量は以下で表される。(注: 主空洞を通るビーム電流は 運転電流の2倍）
は、運転電流の2倍）
P_HOM = (Rsh/Q) x Qext x (2 x Current) ^2• ビーム繰り返し周波数が直撃した際にも、HOM
ビ ム繰り返し周波数が直撃した際にも、HOM damperでの吸収を10W以下にしようと思うと以下の条件になる– Current = 100mAの時、(Rsh/Q) x Qext < 250 ～ 2e2– Current
Ct = 33mAの時、(Rsh/Q)
33 Aの時 (R h/Q) x Qext
Q t < 2296 ～ 2e3
2 3– Current = 8mAの時、(Rsh/Q) x Qext < 39063～ 4e4• HOMインピーダンスを下げるとともに、HOM周波数とビーインダン を下げるとともに、周波数とム周波数の直撃を避けることが重要。
• 高い周波数のHOMの制御は困難であるが、少なくとも計算で追えるような周波数のHOMについては ビーム周期算で追えるような周波数のHOMについては、ビーム周期を逃げておくべき。

個別のMonopole modeによる発熱⎛R⎞1
P = ωTb ⎜⎜ ⎟⎟I 02 exp(−ω 2σ z2 ) × F (Tb ,τ cav )2⎝ Q ⎠ HOM
ビ ムによ てHOMがビームによってHOMがexciteした時のpowerit した時のlloss(d(deposit)it)τ=
Vex e −τ δTbτ cav,τ cav = 2QL / ω , δ = Tb (ω0 − ω )Vexexp(iωt )⎡ ~ ⎤Vb ⎥⎢RRe⎢ (−Vex ) ⎥⎣⎦ω0: 空洞共振周波数ω : ΗΟΜの周波数~Vb()

I 0 = q / Tb1⎫⎧
−τ −iδ
−τ −iδ 2
V b = −Vex ⎨(1 + e e + e e+ L) − ⎬2⎭⎩~

13HOM周波数とビーム繰り返し(x2)との周波数の差[MHz]・HOMに直撃せず運転する条件は探せそう。ビーム繰り返し100MHz以上の方が良さそう。
100MHz以上の方が良さそう
・Model-1空洞から形状が変わると、また条件は変わるので、その点は要注意
・もっと高い周波数のHOMもいるので、最終的にはビーム運転をしながら最適なビーム繰り返しを探すことになる

HOMダンパー開発

長所

短所

使用例

コメント

HOM
coupler（with large
beam ppipe)
p )・製造実績あり
製造実績あり・組立時の清浄化

・偏向に対する偏向に対する角度依存・ストップバンド・コネクタの周コネクタの周波数特性
・コネクタの発熱？

・TESLA空洞TESLA空洞・STFその他

・cERLなら10mA運転
cERLなら10mA運転でも対応可か？
・EUVの場合もOKかもしれないもしれな・計算でフォローできない周波数帯がやや不安
・短期では最も可能性あり

Beamline
damper・場所への依存性
場所への依存性がない
・周波数特性が良い
・強い減衰が期待できる・製造時、使用製造時、使用時のクラック・組立時の清浄化が困難な場
合あり

・KEKB
KEKB
・cERL
・Cornell・Euro‐XFEL・うまく行けば最も理
うまく行けば最も理想的・うまく行くかどうかはやってみないとわかやてみな とわからない。
・中長期向き？
・Euro‐XFELを真似てつくるのが、最も可能性あり？

Waveguidedamper

・強い減衰が期待
強い減衰が期待・周波数特性も良いはず・KEKでの実績
KEKでの実績なし

・J‐lab
J lab

KEK単独での短期開発は現実的でない

HOMダンパー開発の案• 試作モジュール(4空洞)用の短期のダンパー開発と、EUV試験機(64空洞)用の中期のダンパー開発とを考えることにする。
• 試作モジュール用には、1年を目途に、信頼性のあるHOM damper/ couplerを実現することを最低限の目標と考える– EUV、もしくはcERLでの10～30mA程度の運転を想定。
EUV もしくはcERLでの10～30mA程度の運転を想定– BBU(Beam breakup instability)をクリアすること– Monopole modeの発熱に対応できること（最大10～30W程度をターゲットにする）• モジュール設計の観点からも、早めにHOM周りのデモジュ ル設計の観点からも 早めにHOM周りのデザインを固めたい。

HOMダンパー開発の案（続き）• 実現可能性および信頼度を勘案して、アンテナ型HOMcouplerをベースにしたものを選択• ただしいくつか気になる点がある– 高い周波数帯（10GHz以上への対応）– ストップバンド– 偏向• この対策として、比較的簡単な吸収体を設けてサポートする– 幅は狭くてよい（メインは高い周波数帯）– リングでも、短冊でも、タイルでも何でも良い– 接合方法もちゃんとついて、ヒートサイクルにもてば何でも良い接法、良• 空洞あたり数W～10Wの熱に持てば良いとする
HOM pickup

アンテナ型HOMカップラー ＋ 1年間で開発した吸収体を用いて、試作モ
ジュ ル用のHOMダンパ とする
ジュール用のHOMダンパーとする
現在のcERLのダンパー

[HOM study]真空中でのパワー投入• 断熱真空層中でケーブルのコネクタを接続して、大電力投入の試験を行 ている （沢村入の試験を行っている。（沢村さん）• 通常のN‐ケーブル＆N‐コネク
通常のN ケ ブル＆N コネク
タを使用• 50～100W投入して試験。温50～100W投入して試験 温度上昇は見られるが、コネクタでの放電のような現象は見ら放電
うな現象 見れていない。
• 断熱真空層内に設置のアンテナ型のcouplerでも、10W程度(マージン込み)を取り出すことジ 込み を取り出す とが可能か？

提案～中期の開発～• EUV試験機および実機に向けては、さらに開発を進EUV試験機および実機に向けては さらに開発を進める• “アンテナ型HOM
アンテナ型HOM coupler + 吸収体
吸収体”の形式をブラッの形式をブラッシュアップ• または、吸収体単体でのHOM
または 吸収体単体でのdamperの開発、およの開発 およびアンテナ型HOM coupler単体での開発を進める（実機に向けて それぞれの完成度を上げていく）（実機に向けて、それぞれの完成度を上げていく）• 目標は、10~30mA（？）対応で量産できること（それなりの歩留まりと信頼度）

Cornell-type
吸収体材質：SiCcERL mini-Workshop「主空洞HOMダンパー開発 現状と今後」 沢村勝

40 to 80K intercept

Flange fordisassembly

5K intercept

Flange tocavity

Shieldedbellowg
SiC absorber ringbrazed to metalring

XFEL-type(DESY)
吸収体材質：AlN

TTC topicalt i l meetingti on
CW SRF(2013)
D. Kostin, DESY

スケジュール案と検討項目

スケジュール検討のための境界条件• 2年程度で、4空洞入りモジュールを設計・製作し 冷凍機に接続した後 冷却 大電力試作し、冷凍機に接続した後、冷却・大電力試
験およびビーム試験(cERL?)を行うのが目標• 2015年9月頃に、入札が行えるように、空洞およびモジュールの設計・検討を進めておきたい。
– モジュールの入札は、11月とか12月でも可ジ
入札は月とか 月 も可
– 空洞およびモジュールは高圧ガス対応

2016年度製造完了、2017年度組立→秋に試験を目指した案-- HOMの開発・製造に多少時間を取った

空洞・モジュール製作のスケジュール案

検討課題① 設置場所の検討、作業内容の合意• 2年後にモジュール完成、その後できるだけ早く性能評価を行うために、cERLにインストールすることを想定している。
• 新たな予算がつかず、最低限度で執行するとして、現在の2新たな予算が かず 最低限度で執行するとして 現在の空洞入りモジュールと入れ替える（冷凍機、コールドボックスの増設は無いものとする）案で検討• それでも、予算・人手の必要な項目、ならびにERLグループ全体での調整が必要な項目が存在する。例えば…
– ラティスの改造、ダンプ位置の検討
ラティスの改造 ダンプ位置の検討– 冷凍機およびコールドボックスの改造– 2空洞入りモジュールの処遇（取り外しただけでは廃棄処分扱い）– 高圧ガス対応– ローレベル系、パワーソースの増強（増える台数分）– 作業期間中のビーム運転の休止– エネルギー増強による放射線対応• みなさんが、試験まで含めた方針を理解していただいて、予、針解、算・人手も含めて、ご協力いただけるよう、グループ間の調整・議論をお願いいたします。

検討課題② 企業間の協力体制• T社の目的は、自社で空洞製作・モジュール製作がでT社の目的は 自社で空洞製作 モジュ ル製作ができるようになること？
• そのためには、設計検討段階から議論に加わるのがそのためには 設計検討段階から議論に加わるのが望ましい（必須！）– 空洞設計はあと2か月程度で完結させる予定• 例えば、今後他社と詳細設計を詰めるとして、T社の前で、詳細図面を公開しながら議論を進めていくことができるのか？
– 企業間の壁が無く、自由に議論できないと、進められない。
– これが認められないうちは、KEKと製造業者の間で議論をして、完成品のみをT社に支給、とならざるを得ない??
– これでは、T社にとってやる意味ある??
これでは 社にと てやる意味ある??

• 企業間の協力体制が整い、スムーズに開発が進められるよう体制作りをお願いいたします。
れるよう体制作りをお願いいたしますまとめ• EUV光源の実現に向けて超伝導空洞の設計をスタートさせている。
• 重要な検討課題としては、空洞、HOM damper、CW型モジュール• 空洞はTESLA形状をベースにしたHOM減衰型の空洞を想定して、ビームとのすり合わせも行っている。
• HOM damperは、アンテナ型カップラーを基本として、高い周波数帯などをRF吸収体でサポートする事を考えている。
• 今後のスケジュールについて示した。2年での試作モジュール
今後ケジに示した 年試作 ジ完成を目指して動いている。
• 試作モジ
試作モジュール完成後の冷却試験＆ビーム試験、および企業
ル完成後の冷却試験＆ビ ム試験 および企業間の協力体制について、検討をお願いしたい。

Backup slide個別のMonopole modeによる発熱⎛R⎞1
P = ωTb ⎜⎜ ⎟⎟I 02 exp(−ω 2σ z2 ) × F (Tb ,τ cav )2⎝ Q ⎠ HOM
ビ ムによ てHOMがビームによってHOMがexciteした時のpower
it した時のlloss(d(deposit)it)τ=Vex e −τ δTbτ cav,τ cav = 2QL / ω , δ = Tb (ω0 − ω )Vexexp(iωt )⎡ ~ ⎤Vb ⎥⎢RRe⎢ (−Vex ) ⎥⎣⎦

ω0: 空洞共振周波数ω : ΗΟΜの周波数~Vb()

I 0 = q / Tb1⎫⎧−τ −iδ
−τ −iδ 2
V b = −Vex ⎨(1 + e e + e e+ L) − ⎬2⎭⎩~30

Power loss と frequency, QLの関係
QL = 20000, 2000の場合。

R/Q = 200, I=200mA, σz=100fs, Tb=1/1.3GHz = 770ps

QLが大きくなると共鳴場所ではpeakが大きくなり非常に危険であるが、共鳴幅は小さくなる。

モノポールモードの具体例2.645GHz (TM020 π/9)
R/Q = 3.5,
QL = 1.0×10
1 0×104,
q=77pC で計算。
P = 0.011W at
2.645 GHz

運転周波数運転周波数とHOM発熱量の関係
発熱量 関係TE012(3852MHz)周辺

TM010‐passband付近

3852MHz・ 1.3GHz以外の周波数で運転する場合には、HOMの周波数に要注意
・ 1MHz運転の場合には、TM010‐passbandも問題になる
・ 特にバンチチャージを増やす場合にはさらに熱負荷が厳しくなる
・ 運転周波数とビーム電流制限値との関係は今後検討していく
ビ